DE69804982T2

DE69804982T2 - Vorrichtung und verfahren zum empfehlen von dynamisch bevorzugten bearbeitungsgeschwindigkeiten

Info

Publication number: DE69804982T2
Application number: DE69804982T
Authority: DE
Inventors: L. Stern
Original assignee: Design and Manufacturing Solutions Inc
Current assignee: Design and Manufacturing Solutions Inc
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2018-09-09
Also published as: AU9384198A; US6085121A; AR018509A1; AU728618B2; PT1017535E; MXPA00002818A; JP2001517557A; KR20010030625A; EP1017535B1; CA2302176A1; BR9815093A; EP1017535A1; CN1096334C; CN1271305A; ES2149150T1; WO1999015310A1; CA2302176C; ATE216303T1; DE69804982D1; ES2149150T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung, die Schall mißt, der von einem Bearbeitungsprozeß ausgeht, und bevorzugte Richtwerte für die Drehzahl anzeigt, um eine unerwünschte Schwingung, die als Rattern bekannt ist, zu beseitigen oder zu verringern. Insbesondere ist die Vorrichtung auf Bearbeitungsvorgänge anwendbar, die eine Relativdrehung zwischen einem Werkzeug mit einem oder mehreren Schneidzähnen und einem Werkstück aufweisen. Diese Vorrichtung stellt eine sichere Einrichtung für die Bedienperson bereit, um ohne vorheriges Wissen oder Modifikation der Werkzeugmaschine und des Werkstücks die empfohlenen Drehzahlen interaktiv zu messen und zu ermitteln.

Beschreibung des Standes der Technik

Bearbeitungsprozesse wie z. B. Drehen, Ausbohren, Fräsen und Bohren sind häufig durch eine unerwünschte Schwingung in Form von Rattern begrenzt. Das Rattern ist ein Ergebnis eines instabilen Bearbeitungsprozesses, der durch die relative Schwingungsbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück verursacht wird. Dieses allgemeine Problem in der Industrie verringert die Qualität der bearbeiteten Oberfläche, begrenzt die Produktivität des Bearbeitungsprozesses und verringert häufig die Lebensdauer der Schneidzähne oder führt zu einem Werkzeugausfall. Viele Lösungsansätze werden verwendet, um den Bearbeitungsprozeß zu stabilisieren und das Rattern zu vermeiden. Ein Lösungsansatz besteht darin, die Stabilität des Prozesses durch die mutmaßliche Auswahl der Werkzeugmaschine, des Materials des Werkzeugs und der Werkstückbefestigung und anderer Komponenten, die erwünschtere dynamische Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften vorsehen, zu maximieren. In dieser Weise wird die Stabilität des Bearbeitungsprozesses konstruktionstechnisch erhöht, obwohl der kontinuierliche Antrieb für eine größere Produktivität und Herstellungsflexibilität viele Bearbeitungsvorgänge unvermeidlich zum Rattern treibt.
Mit der fortgesetzten schnellen Entwicklung von Werkzeugmaterialien, Schneidkantenbeschichtungen und gesteigerten Werkzeugmaschinenfähigkeiten hat sich der Bereich von möglichen Drehzahlen signifikant verbreitert. Eine ausgedehnte empirische Optimierung der Bearbeitungsprozeßparameter der Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Schnittiefe sind häufig zusätzlich bei der Prozeßeinrichtung und -festlegung oder zum Lösen eines problematischen Zustands während der Produktion erforderlich. Andere Lösungsansätze wie z. B. hochentwickelte Verfahren und Implementierungseinrichtungen einer aktiven Prozeßüberwachung, Ratterdetektion und automatischen Regelung der Instabilität und Schwingung bei Bearbeitungsvorgängen wurden versucht.
Die Anstrengungen der meisten dieser Verfahren waren aus einer Vielfalt von Gründen unzufriedenstellend, einschließlich einer begrenzten Anwendung auf spezielle Bearbeitungsvorgänge, -bedingungen oder Werkzeugausstattung; einer Modifikation der Maschinensteuerungen und -antriebe; zahlreicher Sensorarten und Integration; eines ausgedehnten Vorwissens, das über die dynamischen Eigenschaften der Werkzeugmaschine, des Werkstücks oder des Prozeßprogramms und der Bearbeitungsgrenzen erforderlich ist. Automatische Systeme erfordern zusätzlich eine häufige Kalibrierung der Sensoren und eine Schulung der zugehörigen Bedienperson oder erfordern die Steuerung von Parametern, um innerhalb anderer Grenzschwellen zu bleiben, jedesmal, wenn das Werkzeug, das Teilprogramm oder die Prozeßparameter modifiziert werden.
Das US-Patent Nr. 5 170 358 an Delio lehrt ein Verfahren zum Kontrollieren des Ratterns in einer Werkzeugmaschine durch Analysieren von Schwingungssignalen von einem Bearbeitungsvorgang und aktives Überwachen und Regeln des Vorschubs des Schneidwerkzeugs oder der Drehzahl. Das von Delio gelehrte Verfahren erfordert eine direkte Verbindung mit der Werkzeugmaschine zur Regelung. Eine solche Anordnung ist ziemlich komplex und kann eine Änderung der Software einer vorprogrammierten Werkzeugmaschinen-Steuereinheit erfordern.
Um die verschiedenen Begrenzungen von Systemen des Standes der Technik zu überwinden, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Mittel zum Messen des Bearbeitungsprozeßverhaltens und zum Erstellen von Richtwerten für die Drehzahl, die vermutlich zu einer stabileren Bearbeitung führen, bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe, eine Vorrichtung bereitzustellen, die den Prozeß durch ein sicheres, kontaktloses Mittel mißt, das keine Modifikation der oder Integration in die Werkzeugmaschine erfordert.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, empfohlene Drehzahlen ohne vorherige Kenntnis der Dynamik der Werkzeugmaschine, des Werkstücks oder des Prozeßprogramms und der Prozeßparameter bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine tragbare, in der Hand gehaltene Vorrichtung bereitzustellen, die leicht auf zahlreiche Bearbeitungsprozesse und Werkzeugmaschinen ohne Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs angewendet werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dynamisch bevorzugte Drehzahlalternativen für Bearbeitungsvorgänge bereitzustellen, die eine Relativdrehung zwischen einem Werkzeug mit Schneidzähnen und einem Werkstück aufweisen. Die Aufgabe der Vorrichtung besteht darin, spezielle Richtwerte für die Drehzahl bereitzustellen, die durch die Bedienperson hinsichtlich ihrer Eignung für den gemessenen Bearbeitungsprozeß ausgewertet werden sollen, während das Werkzeuggleichgewicht, Drehzahlbegrenzungen, ein sicherer Maschinenbetrieb und die Bearbeitungspraxis berücksichtigt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um diese und weitere Aufgaben zu erfüllen, die für Fachleute ersichtlich werden, umfaßt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die einen Wandler, z. B. einen Mikrophonsensor, um einen hörbaren Schall zu messen, der von der Schneidwerkzeug/Werkstück-Grenzfläche während eines Bearbeitungsprozesses emittiert wird, ein Verstärkungsregelungs- und Filtermittel, um das erfaßte Schwingungssignal aufzubereiten, ein Mittel zum Verarbeiten des Signals, um die dominierende Frequenzkomponente des Signals zu bestimmen, eine vom Benutzer angegebene Zahnzahl, die die Anzahl von Schneidkanten an dem Werkzeug festlegt, und eine Anzeige von berechneten Drehzahlrichtwerten, durch die ein ratterfreier Bearbeitungsablauf erzielt werden kann, verwendet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, das den Funktionsablauf der Vorrichtung darstellt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer digitalen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 3 stellt eine Muster-Benutzerschnittstelle der Erfindung dar.
Fig. 4a, 4b und 4c sind Ablaufpläne, die zum Beschreiben des im EPROM gespeicherten Programms zum Identifizieren der Ratterfrequenz und zum Berechnen von bevorzugten Drehzahlrichtwerten verwendet werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Mit Bezug auf Fig. 1 ist der Funktionsablauf der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein einzelner Audiosensor mit einem Mirkophon 10, das in der Lage ist, einen Schalldruck zu detektieren, der aus dem Bearbeitungsprozeß ausgeht, erzeugt ein Rohdatensignal. Ein Stufenverstärker 11 und ein Tiefpaßfilter 12 bereiten das Signal auf, um verbesserte Signal-Rausch-Kennlinien vorzusehen und eine Signalverkennung zu vermeiden, wenn eine digitale Darstellung des Signals verwendet wird. Die Signalfrequenzkomponente mit der größten Amplitude wird aus einer auf der Frequenz basierenden Analyse 13 festgestellt. Die dominierende Frequenz kann unter Verwendung von analogen Methoden bestimmt werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf einen Frequenzzähler, Frequenz-Spannungs- Wandler oder Bewegungsfilterverfahren. Das aufbereitete Signal kann digital dargestellt werden und Digitalsignal-Verarbeitungsverfahren wie z. B. schnelle Fourier-, schnelle Hartley- oder andere Transformationen, die Koeffizienten ergeben, die Spektralkomponenten angeben, können verwendet werden. Auf der Basis der identifizierten Frequenz der dominierenden Signalkomponente und der Zahnzahl 14, die eine ganze Zahl von Kanten an dem Schneidwerkzeug angibt, berechnet ein festgelegter Algorithmus 15 die dynamisch bevorzugten Drehzahlrichtwerte, die angezeigt werden 16. Die in Umdrehungen pro Minute angegebenen Drehzahlen entsprechen einem günstigen Schneidkanten-Phasenabgleich mit der gemessenen Prozeßschwingung und können zur Verringerung oder Beseitigung des Ratterns führen. Die bevorzugten Drehzahlen werden auf der Basis der gemessenen Prozeßdynamik ohne vorherige Kenntnis des Werkzeugs, des Werkstücks oder der Werkzeugmaschine berechnet; daher müssen die angezeigten Drehzahlrichtwerte hinsichtlich ihrer Eignung für die Anwendung ausgewertet werden.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Mittel zum Messen der Bearbeitungsprozeß-Schalleigenschaften und zum Anzeigen der dynamisch bevorzugten Drehzahlrichtwerte dargestellt. Ein Wandler zum Erfassen der Schwingung, wie z. B. ein akustisches Mikrophon 10, ist intern in einer konischen Kammer 31 (Fig. 3) montiert, oder gegebenenfalls mißt ein externer, entfernter Mikrophonwandler den vom Bearbeitungsprozeß emittierten Schall, wobei ein analoges Eingangssignal in die offenbarte Vorrichtung erzeugt wird. Das Einsetzen des externen Mikrophonsteckers in die externe Mikrophonbuchse 21 bewirkt, daß das interne Mikrophon 10 deaktiviert wird. Das Eingangssignal wird durch einen Stufenverstärker 11 und einen Tiefpaßfilter 12 aufbereitet. Das Filterausgangssignal wird durch einen Analog- Digital-Wandler 22 (ADC) abgetastet. Das analoge Eingangssignal wird über eine torgesteuerte Amplitudenregelschaltung 24 um ein geregeltes Ausmaß verstärkt, um den vollen dynamischen Bereich des ADC 22 zu verwenden. Auf der Basis von zwei Datensätzen, die mit einer Hochfrequenz-Abtastrate von 10000 Hz erfaßt werden, und einem Datensatz, der mit einer Niederfrequenz-Abtastrate von 3000 Hz erfaßt wird, werden die Abtastrate und die Tiefpaßfitergrenze modifiziert. Das digitale Signal wird vom Zeitbereich in einen Frequenzbereich umgewandelt, was die Amplitude der Spektralkomponenten ergibt. Die Signaltransformation wird unter Verwendung eines beliebigen mathematischen Verfahrens erreicht, wie z. B. einer schnellen Fourier- oder einer schnellen Hartley- Transformation. Fensterfunktionen, die bewirken, daß sich die Digitalsignaldaten an den Grenzen ihres Bereichs sanft Null nähern, werden verwendet, um den Spektralverlust zu verringern, und die Spektralglättung vereinfacht die Identifikation der dominierenden Frequenz. Der Benutzer gibt die Anzahl von Schneidkanten an dem Werkzeug, das arbeitet, wenn der Bearbeitungsprozeßschall gemessen wird, als Zahnzahl 14 ein. Auf der Basis der identifizierten dominierenden Frequenz und der Zahnzahl 14 werden die dynamisch bevorzugten Drehzahlrichtwerte im Mikroprozessor 23 berechnet und über einen multiplexierten Anzeigetreiber 19 digital angezeigt. Eine übliche Ziffernanzeige 25 wird für jegliche Vorrichtungsausgabe verwendet. Die Betriebsart und Anzeigebetriebsart wird durch Benutzertasten eingestellt. Die entsprechende Anzeigebetriebsart wird durch die Betriebsart-LEDs 26 angegeben, die zu den Tasten gehören. Die Vorrichtungssteuerung und der Programmalgorithmus sind in einem EPROM 38 gespeichert und der Mikroprozessor verwendet einen externen RAM 37. Die Systemleistung wird in einem internen, wiederaufladbaren Batteriesatz gespeichert. Die externe Ladungsleistung wird zur Gleichstrom-Ladebuchse 39 geliefert. Eine Ladungszustands-Steuerschaltung 29 bestimmt den Ladungspegel und verhindert ein Überladen der Batterie. Um Batterielebensdauer zu sparen, sieht ein Überwachungszeitgeber im Mikroprozessor eine automatische Abschaltung vor, wenn die Vorrichtung für einen festgelegten Zeitraum unverändert bleibt.
Fig. 3 stellt eine Muster-Benutzerschnittstellenkonstruktion für menschliche Faktoren dar. Das Bedienfeld besteht aus einer laminierten Kontakt- (Deckschicht) Oberfläche 41 oder einer ähnlichen Oberfläche, die zur Verwendung in einer industriellen Umgebung versiegelt ist. Die Vorrichtungskonstruktion sieht einen unkomplizierten, sequentiellen Bedienungsprozeß vor. Der Vorrichtungsbetrieb besteht aus einem Vier-Schritt-Prozeß.
1) Erster Schritt: Die STROMVERSORGUNGS-Taste 32 wird gedrückt, um die Vorrichtung zu aktivieren. Die STROMVERSORGUNGS-Taste ist eine einzelne Drucktaste, die eine abwechselnde Ein/Aus-Wirkung aufweist. Eine benachbarte LED 42 leuchtet auf, um anzuzeigen, daß die STROMVERSORGUNGS-Taste gedrückt wurde und daß die Ziffernanzeige 25 derzeit den Batterieladezustand anzeigt. Der Ladepegel der internen Batterie wird gemessen und auf der digitalen Anzeige durch eine 1, 2 oder 3 angezeigt. Nach einigen Minuten der Nicht-Verwendung schaltet die Vorrichtung automatisch ab, um Batterieleistung zu sparen.
2) Zweiter Schritt: Der Benutzer richtet das akustische Mikrophon 10 auf den Bearbeitungsprozeß, der eine unerwünschte Schwingung in Form von Rattern aufweist. Die Taste 33 DATEN ERHALTEN wird gedrückt, um den Datenerfassungsprozeß einzuleiten. Die entsprechende LED 43 leuchtet auf und die mittleren Segmente der Ziffernanzeige werden nacheinander aktiviert, um eine visuelle Rückkopplung vorzusehen, während die Schalldateneigenschaften gemessen und anfänglich beurteilt werden. Das Mikroprozessorprogramm stellt die Eignung des Datenzustands fest und die Ziffernanzeige 25 zeigt eine "1" für eine niedrige Signalamplitude an, was auf einen unzureichenden Signal/Rausch-Gehalt hinweist; eine "2" für eine hohe Signalamplitude, was darauf hinweist, daß die Signalspannung begrenzt wurde, um die Sättigung der elektronischen Komponenten zu vermeiden; eine "3" zum Angeben, daß keine dominierende Spektralkomponente identifiziert werden konnte; oder eine "4" für gute Daten, was darauf hinweist, daß die Eigenschaften des erfaßten Schallsignals ausreichen, um die Analyse fortzusetzen.
3) Dritter Schritt: Der Benutzer drückt die ZAHNZAHL-Taste 34. Die benachbarte LED 44 leuchtet auf, was bedeutet, daß die Ziffernanzeige der Anzahl von Kanten an dem Schneidwerkzeug entspricht. Die Zahnzahl 14 ist anfänglich auf "0" eingestellt und kann durch wiederholtes Drücken der ZAHNZAHL-Taste 34 schrittweise erhöht werden. Die Ziffernanzeige 25 geht nacheinander von 1 bis 16 oder zu einem anderen programmierten Maximalwert und kehrt dann wieder um, wobei sie bei "1" beginnt. Wenn die korrekte Zahnzahl 14 angezeigt wird, fährt der Benutzer fort. Das Drücken irgendeiner anderen Betriebsarttaste außer der STROMVERSORGUNGS-Taste 32 führt zur Speicherung der Zahnzahl 14 für die künftige Verwendung.
4) Vierter Schritt: Die Bedienperson drückt die Taste 35 BEVORZUGTE DREHZAHLEN, um nacheinander bis zu zehn oder ein anderes programmiertes Maximum von dynamischen bevorzugten Drehzahlrichtwerten in Umdrehungen pro Minute (U/MIN) aufzulisten. Die höchste Drehzahl wird zuerst angegeben, und langsamere Drehzahloptionen werden nacheinander angezeigt, bis die Liste wieder zur höchsten Drehzahl umkehrt. Wie vorher zeigt die benachbarte LED 45 an, daß die Ziffernanzeige 25 nun Drehzahlen in U/MIN zeigt. Der Benutzer kann die Zahnzahl 14 ändern, um andere bevorzugte Drehzahlen entsprechend der anderen Anzahl von Kanten im Schneidwerkzeug zu untersuchen.
Im Anschluß an die Messung des Bearbeitungsprozeßschalls und die Anzeige der bevorzugten Drehzahlen muß die Bedienperson die Eignung der Drehzahlrichtwerte für die Bearbeitungsanwendung beurteilen. Wie bei jeder Prozeßparameterfestlegung müssen die Betrachtung der Schneidkante und der Werkstückmaterialien, die resultierende Bearbeitungsoberflächenrate, die Maximaldrehzahlbegrenzung der Werkzeugmaschine und des Schneidwerkzeugs, das Gleichgewicht des Werkstücks des Schneidwerkzeugs und allgemeine Sicherheitsbelange vor der Verwendung von irgendeiner der empfohlenen Drehzahlen berücksichtigt werden.
Bei der hierin offenbarten bevorzugten Ausführungsform führt der Mikroprozessor 23 ein Programm aus, das im EPROM 38 gespeichert ist. Fig. 4a, 4b und 4c sind schematische Ablaufdiagramme, die ein geeignetes Programm beschreiben.
Mit Bezug auf Fig. 4a beginnt das Programm, wenn die Taste 33 DATEN ERHALTEN gedrückt wird. Wenn die Taste DATEN ERHALTEN gedrückt wird, wird die LED 43 beleuchtet und eine Eingabe von analogen Schwingungs- oder Schalldaten wird bei 61 befohlen, und die Spitzen-Spitzen-Amplitude wird bei 62 gemessen. Wenn die bei 63 getestete Spitzen-Spitzen-Amplitude in einem annehmbaren Bereich liegt, der den Analog-Digital-Wandler nicht sättigt und im wesentlichen den gesamten Ausgangsbereich des Analog-Digital-Wandlers verwendet, geht die Steuerung zu B in Fig. 4b über. Wenn die Daten nicht im Bereich liegen und niedrig sind (wie bei 64 festgestellt), und die Verstärkung des Stufenverstärkers auf der maximalen Verstärkung (bei 65 bestimmt) liegt, dann wird bei 66 "1" angezeigt, was auf eine niedrige Signalamplitude hinweist. Wenn der Stufenverstärker nicht auf maximaler Verstärkung liegt, wird die Verstärkung bei 67 erhöht, bis die Verstärkung innerhalb des annehmbaren Bereichs liegt. Wenn das Spitzen-Spitzen-Signal den Analog-Digital-Wandler 22 sättigt und die Verstärkung minimal ist (bei 68 bestimmt), dann wird bei 69 "2" angezeigt, was auf eine hohe Signalamplitude hinweist. Wenn die Verstärkung des Stufenverstärkers nicht minimal ist, wird sie bei 70 verringert, bis die Spitzen-Spitzen-Amplitude in einem annehmbaren Bereich liegt.
Die mit Bezug auf Fig. 4a beschriebenen Verstärkungsregelungsvorgänge sind ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung. Die Amplitude eines Rattersignals variiert von Maschine zu Maschine und von Werkstück zu Werkstück und mit dem Ort des Schwingungssensors oder Mikrophons. Die beschriebenen Vorgänge stellen die Verstärkung automatisch ein, um den größtmöglichen Bereich von Spitzen-Spitzen-Werten für das Eingangssignal in den Analog-Digital-Wandler zu erhalten. Dies verbessert die Wahrscheinlichkeit der korrekten Identifikation der Ratterfrequenz. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Verstärkungsbereich 40 dB.
Mit Bezug auf Fig. 4b werden, sobald der Spitzen-Spitzen-Analogsignalpegel in einen annehmbaren Bereich gebracht wurde, die Verstärkung und der Filter konstant gehalten und die digitale Abtastung des Signals wird begonnen. Zuerst wird die Abtastfrequenz bei 71 eingestellt und eine entsprechende Tiefpaßgrenzfrequenz wird bei 72 eingestellt. In der Erfahrung des Erfinders liegen Ratterfrequenzen fast immer unter 5000 Hz und meistens unterhalb 1500 Hz. Somit wird die Tiefpaßfrequenz zuerst auf 5000 Hz und die Abtastfrequenz auf 10000 Hz (zweimal die höchste wahrscheinliche Ratterfrequenz, um das gut bekannte Abtastkriterium zu erfüllen) eingestellt. Zwei Abtastwertsätze werden dann digitalisiert, um digitalisierte Abtastwerte HF1 und HF2 (bei 73, 74 und 75) zu erzeugen. Die Tiefpaßfrequenz wird auf 1500 Hz eingestellt und die Abtastfrequenz wird auf 3000 Hz eingestellt, um den digitalisierten Abtastwert LF1 (bei 73, 74 und 75) einzugeben. Jeder Abtastwert wird mit einem Hanning-Fenster-Koeffizienten skaliert und in einer Datenmatrix im RAM 37 gespeichert.
Als nächstes wird eine schnelle Hartley-Transformation mit Zentrum Null am Datensatz HF1 durchgeführt, um die Daten vom Zeitbereich in den Frequenzbereich (ein skaliertes Amplitudenspektrum) bei 76 umzuwandeln. Aus den Frequenzbereichsdaten wird bei 77 der quadratische Mittelwert (RMS) der Amplituden der Frequenzspitzen berechnet und gespeichert. Als nächstes wird bei 78 die maximale Spektralkomponentenfrequenz (MCF) im Spektrum als vermutliche Ratterfrequenz identifiziert.
Wenn, mit Bezug auf Fig. 4c, festgestellt wird, daß die MCF in einem niedrigen Bereich (weniger als 1200 Hz) liegt, welche bei 79 getestet wird, führt das Programm als nächstes bei 81 eine diskrete Acht-Punkt-Hartley-Transformation, die auf der MCF zentriert ist, am Datensatz LF1 durch. Die diskrete Hartley- Transformation sieht ein Frequenzspektrum mit hoher Auflösung ohne den Rechenaufwand einer ganzen schnellen Harfley-Transformation vor. Wenn sich die MCF im hohen Bereich (oberhalb 1200 Hz) befindet, dann wird bei 80 eine diskrete Acht-Punkt-Hartley-Transformation am Datensatz HF2 durchgeführt.
Das bei 80 oder 81 erzeugte Frequenzspektrum wird dann bei 82 untersucht, um die Amplitude und Frequenz der maximalen Spitze (Max-Spitze) zu identifizieren.
Bei 83a muß die durch die diskrete Hartley-Transformation identifizierte maximale Spitze in einem Frequenzbereich und mit einer ungefähren Amplitude entsprechend der maximalen Spitze, die durch die schnelle Hartley-Transformation am Datensatz HF1 identifiziert wurde, auftreten. Dieser Vergleich sieht eine effektive Möglichkeit vor, Daten auszuwerten, um statistisches Rauschen zu verwerfen, indem festgestellt wird, ob eine anhaltende Anregung bei der MCF während der Datenerfassung vorliegt oder nicht.
Bei 83b wird die Amplitude der Max-Spitze mit 2,5mal dem RMS-Wert verglichen. Wenn sie geringer als 2,5mal der RMS-Wert ist, wird sie verworfen. Wenn die MCF das Ergebnis eines störenden Rauschens im Abtastwert HF1 war, das in den Abtastwerten HF2 oder LF1 nicht vorhanden ist, wird somit die Max- Spitze nicht gleich der Ratterfrequenz gesetzt. Die Max-Spitzen-Frequenz wird bei 83c mit 0,86mal der Tiefpaßgrenzfrequenz für die Hochfrequenzabtastung (4300 Hz) verglichen. Wenn Max-Spitze größer ist, wird sie verworfen, da sie ein Störsignal sein könnte, das sich aus einer unzureichenden Abtastfrequenz und Effekten einer nicht-idealen Tiefpaßfilterung ergibt.
Wenn Max-Spitze bei irgendeinem von 83a, 83b oder 83c verworfen wird, wird die Meldung "3" bei 85 angezeigt, die auf eine Bedingung keine Spitze hinweist. Wenn Max-Spitze nicht verworfen wird, wird bei 86 die Meldung "4" angezeigt, die auf einen guten Datenzustand hinweist. Die Ratterfrequenz (CF) wird auch bei 87 auf die Frequenz von Max-Spitze gesetzt.
Nun kann die Zahnzahl bei 88 eingegeben werden. Wenn die Zahnzahl durch wiederholtes Drücken der ZAHNZAHL-Taste 34, bis die korrekte Zahnzahl angezeigt wird, eingegeben wurde und eine weitere Betriebsarttaste herabgedrückt wird, wird die Zahnzahl bei 88 TC zugewiesen. Wenn die Zahnzahl nicht Null ist, wird bei 91 die Berechnung der bevorzugten Drehzahlen durchgeführt. Die Berechnung könnte mit der folgenden Formel durchgeführt werden:
U/MINn = (60·CF)/(TC·n)
wobei n ganzzahlige Werte zwischen 1 und 10 zugewiesen werden.
Die bevorzugten Drehzahlen werden dann bei 92 angezeigt. Jede der bevorzugten Drehzahlen, ausgehend von der bevorzugtesten, kann durch Herabdrücken der Taste 35 BEVORZUGTE DREHZAHLEN angezeigt werden. Wenn die Daten bei 89 nicht gut sind und die Zahnzahl nicht gleich Null ist, dann wird bei 90 ein entsprechender Fehlercode/eine entsprechende Fehlermeldung angezeigt.
Die hierin beschriebene in der Hand gehaltene Vorrichtung kann ohne Unterbrechung des Bearbeitungsprozesses oder Verbindung mit der Werkzeugmaschine oder Steuereinheit verwendet werden. Kein vorheriges Wissen ist erforderlich über a) die dynamischen Eigenschaften der Werkzeugmaschine, des Werkstücks oder der zugehörigen Ausrüstung, b) den Werkzeugweg oder das Prozeßprogramm, c) die festgelegten Bearbeitungsparameter wie z. B. die Schnittiefe oder Vorschubgeschwindigkeit, oder d) die Art des Schneidwerkzeug- oder Werkstückmaterials.
Diese Vorrichtung und das zugehörige Verfahren körnen auf Bearbeitungsvorgänge angewendet werden, bei denen sich der Werkzeughalter dreht und das Werkstück stationär ist oder bei denen der Werkzeughalter stationär ist und sich das Werkstück dreht.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform und der allgemeine Betrieb der Erfindung beschrieben wurden, um ihre Prinzipien vollständig zu beschreiben, sollte es für Fachleute selbstverständlich sein, daß die Modifikationen und Änderungen in der Form und den Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung, die unabhängig von Parametern der Werkzeugmaschine Richtwerte für die Drehzahl der Relativdrehung zwischen einem Schneidwerkzeug, das mindestens eine Schneidkante besitzt, und einem Werkstück bereitstellt, wobei derartige Drehzahlen voraussichtlich einen stabileren Bearbeitungsablauf und eine Verringerung oder Beseitigung von unerwünschtem Schwingen in Form von Rattern zur Folge haben, mit:

(a) einem Wandler (10) zum Erfassen von Schwingungen einschließlich des Ratterns zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück, der ein dementsprechendes elektronisches Signal liefert;

(b) Mitteln (12) zum Aufbereiten des Signals, um die Amplitude zu optimieren und unerwünschte Frequenzkomponenten abzuschwächen;

(c) Mitteln (13) zum Verarbeiten des aufbereiteten Signals, um die Frequenz der dominierenden Spektralkomponente zu bestimmen;

(d) Mitteln (14), um die Anzahl der Schneidkanten an dem Schneidwerkzeug einzugeben;

(e) Mitteln (15) zur Datenverarbeitung, um Richtwerte für die Drehzahl als Funktion der Frequenz der dominierenden Spektralkomponente und der Anzahl der Schneidkanten zu berechnen; und

(f) Mitteln (16) zum Anzeigen der Richtwerte für die Drehzahl.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Wandler berührungslos den Schalldruck detektiert, der von dem Bearbeitungsprozeß ausgeht, und indirekt die Relativschwingung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück mißt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wandler einen dynamischen Bereich von mindestens 12 kHz aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wandler an der Vorrichtung befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wandler sich außerhalb der Vorrichtung befindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der Wandler ein Audiomikrophon ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei zusätzlich Mittel zum automatischen Einstellen von internen Signalfilterbereichen und der Verstärkung ohne Hilfe oder Wissen eines Benutzers vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei zusätzlich Mittel vorgesehen sind, um anzuzeigen, ob die Amplitude des aufbereiteten Signals zu groß oder zu klein ist, um es mit den verfügbaren Verstärkungseinstellungen in korrekter Weise zu digitalisieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung darüber hinaus eine wiederaufladbare Batterie als Stromversorgungsgerät aufweist sowie ein Kontrollmittel, um ein Überladen zu vermeiden, eine Vorrichtung zum Anzeigen des Ladezustands und eine automatische Unterbrechungsvorrichtung, um ein Entladen der Batterie zu vermeiden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei darüber hinaus Mittel zum Digitalisieren des aufbereiteten Signals vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der mindestens zwei Sätze von Abtastwerten des aufbereiteten Signals in Frequenzbereichsspektren umgewandelt werden und miteinander verglichen werden, um eine dominierende Spektralkomponente auszuwählen, die die Ratterfrequenz angibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der viele Abtastfrequenzen und dementsprechende viele Tiefpaßgrenzfrequenzen für das Mittel zum Digitalisieren des aufbereiteten Signals ausgewählt werden können.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Werteabtastfrequenz des Digitalisierungsmittels automatisch ohne Hilfe oder Wissen des Benutzers eingestellt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der quadratische Mittelwert der Spektralkomponenten eines Frequenzbereichsspektrums berechnet wird und Spektralkomponenten, die den 2,5-fachen Wert des quadratischen Mittelwerts nicht überschreiten, als die mögliche Ratterfrequenz verworfen werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Mittel zum Verarbeiten des aufbereiteten Signals Mittel umfaßt, um einen Abtastwert des aufbereiteten Signals zu digitalisieren, und Mittel, um an dem Signal eine schnelle Transformation von dem Zeitbereich in den Frequenzbereich auszuführen, um ein Spektrum zu erzeugen, das die dominierende Spektralkomponente umfaßt.

16. Verfahren zum Bestimmen von Richtwerten für die Drehzahl der Relativdrehung zwischen einem Schneidwerkzeug, das mindestens eine Schneidkante besitzt, und einem Werkstück, wobei derartige Drehzahlen voraussichtlich einen stabileren Bearbeitungsablauf und eine Verringerung oder Beseitigung von unerwünschtem Schwingen in Form von Rattern zur Folge haben und derartige Drehzahlen unabhängig von Parametern der Werkzeugmaschine bestimmt werden, mit den folgenden Schritten:

(a) Erfassen von Schwingungen einschließlich des Ratterns zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück, und Liefern eines dementsprechenden elektronischen Signals;

(b) Aufbereiten des Signals, um die Amplitude zu optimieren und unerwünschte Frequenzkomponenten abzuschwächen;

(c) Verarbeiten des aufbereiteten Signals, um die Frequenz der dominierenden Spektralkomponente zu bestimmen;

(d) Eingeben der Anzahl der Schneidkanten an dem Schneidwerkzeug;

(e) Berechnen von Richtwerten für die Drehzahl als Funktion der Frequenz der dominierenden Spektralkomponente und der Anzahl der Schneidkanten; und

(f) Anzeigen der Richtwerte für die Drehzahl.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Erfassens von Schwingungen das Detektieren des Schalldrucks, der von dem Bearbeitungsprozeß ausgeht, und das indirekte Messen der Relativdrehung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, das darüber hinaus den Schritt des automatischen Einstellens von internen Signalfilterbereichen und der Verstärkung ohne Hilfe oder Wissen des Benutzers aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 16, das darüber hinaus den Schritt enthält, daß angezeigt wird, ob die Amplitude des aufbereiteten Signals zu groß oder zu klein ist, um es mit den verfügbaren Verstärkungseinstellungen in korrekter Weise zu digitalisieren.

20. Verfahren nach Anspruch 16, das außerdem den Schritt des Digitalisierens des aufbereiteten Signals aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem mindestens zwei Sätze von Abtastwerten des aufbereiteten Signals in Frequenzbereichsspektren umgewandelt werden und miteinander verglichen werden, um eine dominierende Spektralkomponente auszuwählen, die die Ratterfrequenz angibt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der quadratische Mittelwert der Spektralkomponenten eines Frequenzbereichsspektrums berechnet wird und Spektralkomponenten, die den 2,5-fachen Wert des quadratischen Mittelwerts nicht überschreiten, als die mögliche Ratterfrequenz verworfen werden.

23. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der Schritt des Verarbeitens des aufbereiteten Signals das Digitalisieren eines Abtastwertes des aufbereiteten Signals und das Ausführen einer schnellen Transformation des Abtastwertes von dem Zeitbereich in den Frequenzbereich umfaßt, um ein Spektrum zu erzeugen, das die dominierende Spektralkomponente umfaßt.