DD215732B1 - Schaltungsanordnung zum ueberwachen der bearbeitungsbedingungen an einer werkzeugmaschine - Google Patents

Description

ausgewertet und kontrolliert. Hierdurch können zwar die Fehlentscheidungen bezüglich eines eingetretenen Werkzeugbruches auf ein Minimum herabgesetzt werden, dafür wird der ohnehin hohe Aufwand an Rechentechnik zur Quotientenbildung und der Vergleichsoperationen der Kraftkomponenten weiter erhöht. Die umfangreich zu absolvierenden Verarbeitungsoperationen der Meßwerte erhöhen dabei selbst die Störanfälligkeit und die Einbeziehung des zeitlichen Verlaufs der berechneten Quotienten der Meßgrößen zur Entscheidungsfindung eines Werkzeugbruches kann eine zu träge Reaktion der Schnittunterbrechung ausgehend vom Zeitpunkt des Eintritts eines Werkzeugbruches verursachen. Alle diese bekannten auf der Messung der Schnittkräfte beruhenden Einrichtungen erfordern am Werkzeugträger oder dem Werkstückträger entsprechende Kraftmeßfühler. Da jedes kraftmessende Fühlelement eine funktionsbedingte elastische Verformung aufweist, beeinträchtigen solche Meßelemente die Steifigkeit der Werkzeugmaschine im Kraftfluß zwischen Werkzeug und Werkstück. Andere bekannte Einrichtungen (DD-WP 146501, DE-OS 21 25426) die bei der Überwachung von Zerspanungsprozessen die Steifigkeit der Werkzeugmaschine beeinträchtigende Maßnahmen meiden, erfassen Prozeßunregelmäßigkeiten durch Messen der an der Schnittstelle entstehenden Schwingungen in Form der Körperschall- bzw. Ultraschallsignale. Durch Auswertung dieser Signale lassen sich Veränderungen des Zerspanungsprozesses nach verschiedenen Ursachen, wie beispielsweise Materialinhomogenitäten, Spanformänderungen und auch Werkzeugverschleiß, unterscheiden. Eine eindeutige Auswertung dieser Meßgröße hinsichtlich eines Werkzeugbruches ist aber nicht möglich, weil zu viele unterschiedliche Einflußfaktoren auch bei noch einwandfreiem Zustand des Werkzeuges zur Schwingungserregung Anlaß geben.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat eine Schaltungsanordnung zum Überwachen von Bearbeitungsbedingungen zum Ziel, die einen Werkzeugbruch mit relativ geringem Aufwand sicherer fassen soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der Bearbeitungsbedingungen an einer Werkzeugmaschine durch ständiges Messen mehrerer den Zerspanungsprozeß kennzeichnenden physikalischer Größen, zu schaffen, die zuverlässig ohne zusätzliche Verrechnung der einzelnen Parameter untereinander sowohl Prozeßunregelmäßigkeiten als auch Werkzeugbrüche eindeutig erkennen und voneinander unterscheiden soll. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Überwachungskriterien des Zerspanungsvorganges die Ultraschallemission des Zerspanungsvorganges die Hauptantriebsleistung und die Vorschubantriebsleistung verwendet werden, welche weitgehend von den unterschiedlichen Bearbeitungsbedingungen sowie unterschiedlichen Werkstoff- und Rohteileinflüssen, unabhängig sind. Die Auswertung von den Zerspanvorgang kennzeichnenden Größen und ihres Verlaufes über die Dauer einiger Werkstückumdrehungen hinweg zur eindeutigen Gewinnung eines Werkzeugbruchsignals ist hinsichtlich eines sofortigen Schnittabbruches zur Verhinderung von Folgeschäden zu träge. Um möglichst alle im Zerspanungsprozeß auftretenden Unregelmäßigkeiten, hervorgerufen durch Lunker, Spanformänderungen, Spanverklemmungen, Werkstückformfehlern und-unrundheiten berücksichtigen zu können und andererseits einmalig zufällig auftretende Störsignale einzelner Parameter sowie periodisch auftretende Störungen (Unrundheit) eliminieren zu können, ohne die auftretenden Meßwerte über mehrere Werkstückumdrehungen verfolgen zu müssen, beruht die vorliegende Schaltungsanordnung darauf, die drei genannten sich gegenseitig ergänzenden auf Prozeßunregelmäßigkeiten unterschiedlich ansprechenden Parameter des Zerspanungsprozesses ständig zyklisch meßtechnisch zu erfassen und nur bei gleichzeitigen Abweichungen aller drei Parameter von dem Sollbereich ihrer Streuung ein Werkzeugbruchsignal auszugeben.

Wie durch Versuche erwiesen, ist ein Werkzeugbruch stets mit einer sprunghaften Veränderung der Meßwerte verbunden. Andererseits kommen durch Prozeßunregelmäßigkeiten ebenfalls Meßwertänderungen vor, die von solchen durch einen Werkzeugbruch hervorgerufenen Meßwertänderungen nicht zu unterscheiden sind. Solche durch Prozeßunregelmäßigkeiten entstehenden Meßwertänderungen wirken sich aber nicht bei allen drei gemessenen Parametern gleichartig aus. Hinzu kommt, daß Abweichungen eines der drei Meßsignale als Störgrößen mit Zufailscharakter gewertet werden und für die Auslösung von Folgemaßnahmen gesperrt bleiben. Bei gleichzeitigem Auftreten von Abweichungen zweier Meßwerte, die über einen vorgegebenen Zeitraum anstehen, wird ein Alarmsignal ausgegeben, welches auf eine Prozeßunregelmäßigkeit oder einen Einstellfehler schließen läßt, die beispielsweise von einem Bediener durch Änderung von Schnittwerten beseitig werden können. Das Ansteigen oder Abfallen der Leistungsparameter bei kontinuierlich ansteigender oder kontinuierlich abfallender Schnittiefe, wie z. B. beim Kegeldrehen aus einem zylindrischen Rohteil, wird dadurch von Prozeßunregelmäßigkeiten unterschieden, daß nicht die absolute Größe der Parameter, sondern die Abweichung von einem vorgegebenen Sollbereich der Streuung ausgewertet wird. Dazu wird für jede der drei Meßgrößen aus mehreren, beispielsweise zehn Meßwerten die Streuung gebildet, welche durch jeden hinzukommenden neuen Meßwert unter Weglassung des ältesten der zehn Meßwerte aktuell gehalten wird. Ein langsamer Anstieg oder Abfall der Absolutmeßwerte unter Beibehaltung des vorgegebenen Streubereiches wird von der Überwachungseinrichtung nicht erfaßt. Die Kenntnis der absoluten Größen der Parameter ist damit überflüssig. Durch diese mathematisch statistische Verarbeitung der Meßwerte und Berechnung der Streuung werden kleinere Meßwertschwankungen ausgeglichen, wobei plötzliche Änderungen einen deutlichen Anstieg der Streuung hervorrufen. Durch die Wahl der Streuung als Kontrollgröße werden positive und negative Änderungen der Meßwerte gleichermaßen berücksichtigt.

Aus den Parametern Ultraschallemission, Hauptantriebs- und Vorschubantriebsleistung sind eindeutige Unterscheidungskriterien zwischen Prozeßunregelmäßigkeiten und einem Werkzeugbruch ableitbar. Während eine gleichzeitige sprunghafte Änderung der Meßgrößen aller drei Parameter auf einen Werkzeugbruch schließen läßt, ist die gleichzeitige Änderung von zwei der drei Parameter als Prozeßunregelmäßigkeit zu werten.

So hat sich gezeigt, daß Lunker eine sprunghafte Änderung der Haupt- und Vorschubantriebsleistung verursachen und damit eine eindeutige Überschreitung deren Sollbereiche der Streuung ergeben, dagegen die Ultraschallemission weniger stark anspricht und somit den Sollbereich ihrer Streuung nicht überschreitet. Das gleichzeitige Auftreten der Sollbereichsüberschreitungen von Hauptantriebs- und Vorschubantriebsleistung ergibt in diesem Fall auch noch kein Alarmsignal, da das zusätzlich erforderliche Zeitkriterium für das Vorliegen dieses Zustandes nicht gegeben ist, weil bereits die nächsten Meßwerte nach Überwindung der Lunkerstelle die auszuwertende Streuung berichtigt haben.

Bei Spanformänderungen als eine andere Prozeßunregelmäßigkeit überschreitet die Ultraschallemission den Sollbereich ihrer Streuung, dagegen zeigen die Haupt- und Vorschubantriebsleistung keine Sollbereichsüberschreitungen.

Bei Spanverklemmungen zeigen sich Sollbereichsüberschreitungen sowohl in der Ultraschallemission als auch in der Vorschubantriebsleistung, die z. B. ein Alarmsignal auslosen, wenn über den vorgegebenen Zeitraum hinweg keine Normalisierung des Prozeßzustandes eintritt. Dieser Prozeßzustand wird aber dadurch von einem Werkzeugbruch unterschieden, daß hierbei keine Sollbereichsüberschreitung der Hauptantriebsleistung vorliegt.

Bei periodischen Schwankungen der Leistungsmeßwerte, die durch Unrundheit eines der Drehbearbeitung unterworfenen Rohlings hervorgerufen werden, bringt das Kriterium der Ultraschallemission nur geringe Änderungen, die den Sollbereich der Streuung nicht überschreiten und sich damit ebenfalls von einem Werkzeugbruch deutlich abgrenzen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in einem Prinzipschaltbild dargestellt.

Ein Meßwertaufnehmer 1 für die Ultraschallemission liegt ausgangsseitig über eine Aufbereitungsschaltung 2 an einem Tor 3. In gleicherweise sind ein Meßwertaufnehmer 4 für die Hauptantriebsleistung über eine Aufbereitungsschaltung 5 auf ein Tor 6 und ein Meßwertaufnehmer 7 für die Vorschubantriebsleistung über eine Aufbereitungsschaltung 8 auf ein Tor 9 geschaltet. Die Durchschalteeingänge der Tore 3; 5; 9 liegen an jeweils zeitlich versetzt wirksamen Ausgängen einer Teilerschaltung 10, die von einem Taktgeber 11 ansteuerbar ist. Die Ausgänge der Tore 3; 6; 9 sind über einen Analog/Digital-Wandler 12 an einer Auswerteschaltung 13 angeschlossen.

Am Ausgang der Auswerteschaltung 13 sind jedem Meßwertaufnehmer 1; 4; 7 entsprechend zugeordnete Speicherglieder 14; 15; 16 angeschlossen, deren Setzeingänge an jeweils zeitlich versetzt wirksamen Ausgängen der Teilerschaltung 10 angeschlossen sind und mit den jeweiligen Durchschalteeingängen der Tore 3; 6; 9 synchron aufrufbar sind. Der Auswerteschaltung 13 ist ein Sollwertspeicher 17 vorgeschaltet, welcher für jeden der Meßwertaufnehmer 1; 4; 7 zugeordnete Einstellelemente besitzt und wobei der jeweilige Kanal von den zugeordneten Ausgängen der Teilerschaltung 10 aufrufbar ist. Die Auswerteschaltung 13 ist ebenfalls vom Taktgeber 11 über die Teilerschaltung 10 aktivierbar. Die Ausgänge der Speicherglieder 14; 15; 16 sind als Eingänge auf ein UND-Glied 18 geschaltet, dessen Ausgang am Setzeingang eines den Werkzeugbruch kennzeichnenden Speichers 19 angeschlossen ist. Die Ausgänge von jeweils zwei Speichergliedern 14; 15 bzw. 14; 16 sind auf jeweils zugeordnete UND-Glieder 20 bzw. 22 geschaltet, deren Ausgänge an einem gemeinsamen ODER-Glied 23 angeschlossen sind, dessen Ausgang über ein Zeitglied 24 am Setzeingang eines Alarmspeichers 25 liegt. Der Alarmspeicher 25 liegt außerdem mit seinem Freigabe-Eingang für die Übernahme des am Setzeingang liegenden Signals über ein Nagationsglied 26 und die Teilerschaltung 10 am Taktgeber 11

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende:

Die Meßwerte Ultraschallemission, Hauptantriebs- und Vorschubantriebsleistung werden von den entsprechenden Meßwertaufnehmern 1; 4; 7 ständig erfaßt und stehen über die zugehörigen Aufbereitungsschaltungen 2; 5; 8 am jeweiligen Tor 3; 6; 9 an. Durch den Taktgeber 11 und die nachgeordnete Teilerschaltung 10 werden die Tore 3; 6; 9 zeitlich nacheinander durchgeschaltet, so daß die Meßwerte über den Analog/Digital-Wandler 12 nacheinander der Auswerteschaltung 13 zur Verarbeitung zugeführt werden. Die Verarbeitung besteht in der Streuungsberechnung aus zehn aktuellen Meßwerten und dem Vergleich dieser Streuung der Meßwerte mit einem vom Sollwertspeicher 17 vorgegebenen Sollbereich der Streuung. Entsprechend dem zur Verarbeitung mit dem Tor 3; 6; 9 aufgerufenen Meßwert aus den Meßwertaufnehmern 1; 4; 7 wird auch der zugeordnete Sollwert am Sollwertspeicher 17 von dem Taktgeber 11 über die Teilerschaltung 10 aufgerufen. Das Ergebnis der Auswertung steht entweder als digitales „Null"-Signal bei NichtÜberschreitung des Sollbereiches der Streuung oder als digitales „L"-Signal bei Überschreitung des Sollbereiches der Streuung am Ausgang der Auswerteschaltung 13 und damit an den Speichergliedern 14; 15; 16. Von den Speichergliedern 14; 15; 16 wird jeweils das zugehörige vom Taktgeber 11 über die Teilerschaltung 10 aktiviert, so daß das anstehende Ergebnis bei „L"-Signal, also Überschreitung des Sollbereiches der Streuung, das Speicherglied setzt und bei „Null"-Signal, also bei NichtÜberschreitung des Sollbereiches der Streuung, das Speicherglied rücksetzt. Die Ausgänge der Speicherglieder 14; 15; 16 stehen statisch an den Eingängen des UND-Gliedes 18 an, so daß bei gleichzeitigem Vorliegen von Überschreitungen des Sollbereiches der Streuung aller drei Meßwerte der Speicher 19 gesetzt wird, d.h. Werkzeugbruchsignal ausgegeben wird. Beim Vorliegen von Überschreitungen des Sollbereiches der Streuung bei zwei von drei Meßwerten wird über das jeweilige UND-Glied 20bzw. 21 bzw. 22 sowie unter das ODER-Glied 23 das Zeitglied 24 angesteuert. Bei Einsatz eines monostabilen Multivibrators als Zeitglied 24 wird erst mit Vorliegen des Eingangssignals über die Kippzeit hinaus das Signal an den Setzeingang des Alarmspeichers 25 angelegt. Die Übernahme des Setzeingangs in den Alarmspeicher 25 erfolgt zur eindeutigen Trennung von den Aktivierungssignalen der Meßwertverarbeitung zu unterschiedlichen Taktzeitpunkten, d.h. durch das negierte Taktsignal in der Taktpause. Zwischenzeitlich durch Wegfall von Überschreitungen des Sollbereiches der Streuung ruckgesetzte Speicherglieder 14; 15; 16 lassen den monostabilen Multivibrator in die Ausgangslage zurückkippen. Hierdurch ist gewährleistet, daß kurzzeitig eintretende Sollbereichsüberschreitungen nicht schon zur Ausgabe eines Alarmsignals führen und erst beim unveränderten Vorliegen über einen Mindestzeitraum hinaus als Prozeßunregelmäßigkeiten angezeigt werden. Sowohl der Alarmspeicher 25 wie auch der Speicher 19 zur Anzeige eines Werkzeugbruches werden nach Beseitigung der Störungen von äußeren Löschsignalen L wieder in ihre Ausgangslage zurückgesetzt. Beim Alarmspeicher 25 geschieht dies mit Einleitung jedes neuen Schnittes. Beim Speicher 19 erfolgt die Löschung nach dem Austausch des gebrochenen Werkzeuges.

Die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltungsanordnung kann insbesondere für unterschiedliche Schnittbedingungen, wie sie an verschiedenen Bearbeitungskonturen bzw. Bearbeitungsschnitten an unterschiedlichen Durchmesserabschnitten entstehen mit zugeordneten abgespeicherten experimentell und automatisch durch Probeschnitt ermittelten Sollwerten der einzelnen Meßgrößen ergänzt werden, d. h. zu einzelnen Programmsätzen verschiedener Bearbeitungskonturen an einem Werkstück sind jeweils zugehörige Sollwerte der drei Meßgrößen aufrufbar.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist vor allem beim bedienerlosen Betreiben einer automatischen Werkzeugmaschine sichergestellt, daß einerseits die Werkzeugmaschine bzw. das Werkstuck nicht durch unerkannten Werkzeugbruch beschädigt werden und andererseits die Werkzeugmaschine nicht bereits stillgesetzt wird, wenn eine Prozeßunregelmäßigkeit ohne Werkzeugbruch vorliegt.

Weitere Vorzüge der Erfindung bestehen darin, daß mit der Meßwerterfassung nicht in den Kraftfluß der Werkzeugmaschine eingegriffen und auch der Arbeitsraum der Werkzeugmaschine nicht eingeschränkt wird. Darüber hinaus ist eine einfache Meßwerterfassung aus der Hauptantriebs- bzw. Vorschubantriebsleistung gegeben. Es sind auch keine Verrechnungen der Meßwerte untereinander erforderlich, woraus neben geringem Schaltungsaufwand eine zeitverzugsarme Ausgabe des Werkzeugbruchsignals resultiert.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Überwachen der Bearbeitungsbedingungen an einer Werkzeugmaschine durch ständiges Messen mehrerer den Zerspanungsprozeß kennzeichnenden, physikalischer Größen, welche hinsichtlich eines einen Werkzeugbruch bzw. Prozeßunregelmäßigkeiten erkennenden Zustandes des Zerspanungsprozesses ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwertaufnehmer (1; 4; 7) für die Ultraschallemission des Zerspanvorganges, die Hauptantriebsleistung und die Vorschubantriebsleistung vorgesehen sind, wobei jedem Meßwertaufnehmer (1; 4; 7) ein Tor (3; 6; 9) nachgeordnet ist, welches mit seinem Durchschalteeingang am Ausgang eines Taktgebers (11) angeschlossen ist, dessen Taktsignale die Tore (3; 6; 9) nacheinander ansteuern und die Ausgänge der Tore (3; 6; 9) auf eine die Abweichung von einer vorgegebenen Streuung und die Überschreitung eines Sollbereiches der Streuung ermittelnden Auswerteschaltung (13) geführt sind, deren Ausgang jeweils auf ein jedem Meßwertaufnehmer (1; 4; 7) zugeordnetes Speicherglied (14; 15; 16) geschaltet ist und die Ausgänge der drei Speicherglieder (14; 15; 16) über ein Verknüpfungsglied (18) am Setzeingang eines den Werkzeugbruch anzeigenden Signalspeichers (19) angeschlossen sind und die Ausgänge von jeweils zwei Speichergliedern (14; 15; 16) über ein zugehöriges Verknüpfungsglied (20; 21; 22) auf ein zusammenfassendes ODER-Glied (23) geschaltet sind, dessen Ausgang über ein Zeitglied (24) am Setzeingang eines die Prozeßunregelmäßigkeiten anzeigenden Alarmsignalspeichers (25) angeschlossen ist, dessen Löscheingang (L) mit Einleitung jedes neuen Schnittes des Zerspanvorganges aktivierbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeitglied (24) ein monostabiler Multivibrator vorgesehen ist.

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überwachen der Bearbeitungsbedingungen an einer Werkzeugmaschine durch ständiges Messen mehrerer den Zerspanungsprozeß kennzeichnenden physikalischer Größen, welche hinsichtlich eines einen Werkzeugbruch bzw. Prozeßunregelmäßigkeiten erkennenden Zustandes des Zerspanungsprozesses ausgewertet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bedienarme spanende Bearbeitung durch programmgesteuerte Werkzeugmaschinen mit automatischer Werkstückbeschickung erfordert eine ständige Überwachung des Zerspanungsprozesses hinsichtlich Störungen und Unregelmäßigkeiten sowie einer selbsttätigen Werkzeugbruchkontrolle. Aus der Erkennung der Störungen und Unregelmäßigkeiten des Zerspanungsprozesses lassen sich Maßnahmen zu deren Beseitigung ableiten. Aus der Erkennung eines Werkzeugbruches ist ein sofortiger Schnittabbruch einzuleiten, um die bei Werkzeugbrüchen eintretenden erheblichen Folgeschäden, wie die Zerstörung der Werkstückoberfläche und/oder die Zerstörung von Maschinenbauteilen abzuwenden. Bei bedienfrei arbeitenden Werkzeugmaschinen läßt sich aus dem Werkzeugbruchsignal neben dem Schnittabbruch auch ein Werkzeugaustausch ableiten. Bei Werkzeugmaschinen, die zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke und Bearbeitungsoperationen eingesetzt werden, muß die Überwachung möglichst unabhängig von diesen unterschiedlichen Bedingungen sein.

Aus dem DD-WP 105739 ist es bekannt, vom plötzlichen Abfall der Schnittkraft bzw. dem Ansteigen der Schnittkraft über ihren Normalwert hinaus, auf einen Werkzeugbruch zu schließen. Dieser Schnittkraftverlauf tritt aber nicht in allen Fällen eines Werkzeugbruchesein. Art und Ablauf eines Werkzeug bruches können in so vielfältiger Weise variieren, daß mit dieser bekannten Anordnung einerseits nicht alle vorkommenden Werkzeugbrüche erfaßt werden können und andererseits bestimmte einen Schnittkraftanstieg hervorrufende Zerspanungsverläufe fälschlicherweise als Werkzeugbruch interpretiert werden. Bei einer anderen bekannten Einrichtung (DE-OS 2251333) werden aus Meßwerten der Zerspankraftkomponenten Verhältniswerte von Vorschubkraft zur Hauptschnittkraft und von der Rückkraft zur Hauptschnittkraft gebildet. Hierbei erfolgen zwei Vergleichsoperationen zur Erkennung eines Werkzeugbruches. In der ersten Vergleichsoperation wird der tatsächliche Wert einer jeden Zerspankraftkomponente mit einem zugeordneten Grenzwert verglichen, in der zweiten Vergleichsoperation wird jeder der Verhältniswerte mit einem vorgegebenen Verhältniswert verglichen. Mit dieser Einrichtung läßt sich eine Vielzahl von Werkzeugbrüchen erkennen, jedoch sind die Fehlentscheidungen zu hoch, um eine vollautomatische Werkzeugmaschine bedienerlos betreiben zu können. Dies liegt darin begründet, daß beispielsweise durch Lunker oder bei Drehbearbeitung durch Abweichungen von der Zylinderform einzelne Störimpulse auftreten, die als Werkzeugbruchsignale interpretiert werden und zu einem unberechtigten Unterbrechen des Schnittvorganges bzw. Abschalten der Werkzeugmaschine führen können. Eine weitere bekannte Möglichkeit zur sicheren Unterscheidung eines Werkzeugbruches von sonstigen Störeinflüssen ist aus der DE-OS 3043827 bekannt. Zusätzlich zu den bereits aus den zuvor abgehandelten bekannten Vergleichsoperationen mit den Meßwerten der Zerspankraftkomponenten werden bei diefeem Verfahren die Mittelwerte dieser Meßwerte und weitere Differenzwerte gebildet und darüber hinaus außerdem der Verlauf der Verhältniswerte auf ihre zeitliche Veränderung hin