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CN115917461A - 用于对工件进行表面分析的方法及设备 - Google Patents

用于对工件进行表面分析的方法及设备 Download PDF

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CN115917461A
CN115917461A CN202180049683.8A CN202180049683A CN115917461A CN 115917461 A CN115917461 A CN 115917461A CN 202180049683 A CN202180049683 A CN 202180049683A CN 115917461 A CN115917461 A CN 115917461A
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CN202180049683.8A
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R·卡洛利
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Siemens Corp
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Abstract

用于对工件进行表面分析的方法，所述工件在加工期间随工具沿着轨迹移动并且在此过程中以离散值的形式检测至少一个运行参数，其中将所述轨迹细分为第一子部分和至少一个第二子部分，这些子部分具有平行于彼此的走向，并且将所述至少一个运行参数的离散值沿着所述第一子部分和所述至少一个第二子部分明确地分配给预定的组，然后检查所述第一子部分是否至少部分地与所述至少一个第二子部分邻接，但是不属于所述至少一个第二子部分的组，以及将所述第一子部分归类为所述工件的表面异常。

Description

用于对工件进行表面分析的方法及设备
技术领域
本发明涉及一种用于对工件进行表面分析的方法和设备，所述工件在加工期间随工具沿着轨迹移动并且在此过程中以离散值的形式检测至少一个运行参数。
背景技术
在计算机控制的带有工具的加工机器中，例如CNC铣床，通常需要分析所制造的工件所达到的表面质量。
这通常在工件制造之后传统地以光学方式进行，但这可能复杂且昂贵，例如由于耗时的处理。
在出版物EP 3 623 888 A1中展示了一种方法，该方法在工件的CNC制造期间检测所测量的实际工具位置的时间变化过程，分析相对于理想工具位置的偏差并由此推断出表面质量。
发明内容
本发明的任务是对工件进行准确的表面分析，并且在此过程中自动、可靠和快速地识别由制造过程引起的表面异常，而无需对工件进行目视检查。
本发明的任务通过开头提到的类型的方法解决，其中将所述轨迹细分为第一子部分和至少一个第二子部分，这些子部分具有优选部分平行于彼此的走向，
并且将所述至少一个运行参数的离散值沿着所述第一子部分和所述至少一个第二子部分明确地分配给预定的组，
然后检查所述第一子部分是否至少部分地与所述至少一个第二子部分邻接，但是不属于所述至少一个第二子部分的组，以及将所述第一子部分归类为工件的表面异常。
通过本发明实现的是通过识别表面异常来执行自动、快速和准确的表面分析。
替代地，可以模拟所述工件的制造，即可以创建虚拟工件，并且可以在执行物理制造之前虚拟地进行表面分析。由此可以及时识别出问题并对应地校正制造。
该方法规定，加工过程由计算机控制的机器例如以电子方式记录，然后基于所述工具的移动曲线和相关联的检测的运行参数执行异常识别。
所述第一子部分和所述至少一个第二子部分是由所述轨迹形成的子集。
以运行参数值形式存在的数据点反映了例如工具沿着轨迹的移动，其中所述轨迹描述了所检测的数据点的空间或时间序列。
换言之，子部分由所述轨迹的走向确定，即由共同形成所述轨迹的运行参数值形式的各个数据点的时间序列确定。子部分是所述轨迹的子集。
子部分包含时间上或空间上彼此相继的数据点的序列，而不管它们各自的运行参数值如何。因此，数据点位于子部分内。
另一方面，所述组由形成所述轨迹的各个数据点的值确定，并且可以例如通过分配给相应组的阈值来设定。
组包括具有运行参数值的数据点，这些运行参数值位于分配给相应组的同一个值范围内，但与向子部分的分配无关。因此，向每个组分配了预定的值范围，数据点又分配给该预定的值范围。
本发明将轨迹的数据点分配给组和子部分，然后确定相应组和相应子部分之间的关系，并由此导出如果相应数据点属于不同组(即值彼此偏离的程度超过预定义的极限值)则存在异常。
换言之，对于所述轨迹的两个数据点，确定：
·数据点的序列是否不是彼此相继的，即分配给了单独的子部分，但仍然具有相应子部分的至少部分平行的走向，以及
·数据点的绝对值是否相差至少为一个组的值范围的值。
在本发明的一种扩展中规定，检查所述第一子部分是否至少部分地与同一组的至少两个第二子部分邻接，但不属于所述至少两个第二子部分的组，并且将所述第一子部分分类为工件的表面异常。
由此可以进一步提高异常识别的可靠性，即例如正确检测的概率。
这是通过额外检查子部分是否在空间上直接彼此邻接，即相邻来实现的。
在本发明的一种扩展中规定，所述工具具有加工宽度并且在沿轨迹的支持点处检测所述至少一个运行参数，这些沿轨迹的支持点彼此之间具有至多为一半加工宽度的距离。
由此实现了该方法的高度准确性。
在本发明的一种扩展中规定，沿着所述轨迹从所述至少一个运行参数中确定最小值和最大值，并且从最小值和最大值的差值中确定速度范围，优选彼此邻接的组的值范围位于该速度范围内。
由此实现了简单的组定义。
在本发明的一种扩展中规定，从所述至少一个运行参数中确定平均值，从该平均值中确定速度范围，优选彼此邻接的组的值范围位于该速度范围内。
由此实现了可靠的异常识别。
在本发明的一种扩展中规定，将所述至少一个运行参数分配给预定的组重复地执行，并且在此过程中重新设定所述组。
由此可以提高该方法的识别率，即例如正确分类的概率。
异常应该独立于分组地出现，即与预定值范围的选择无关。
在本发明的一种扩展中规定，将线性分布用作组的初始设定的基础，并且将非线性分布应用于组的重新设定，优选地在直接在后的设定中。
由此可以进一步提高该方法的识别率。
在本发明的一种扩展中规定，检测至少两个运行参数并且将所述至少两个运行参数中的不同运行参数应用于组的重新设定。
由此可以进一步提高该方法的识别率。
在本发明的一种扩展中规定，所述运行参数是加工速度、工具处的加工温度或机器的电流消耗。
由此以简单的方式提供了一个标准，该标准可以用作进一步分析的基础。
在本发明的一种扩展中规定，在工件的物理制造之后执行该方法。
由此可以在不对工件进行物理检查的情况下分析表面质量。
在本发明的一种扩展中规定，在模拟地制造了工件之后通过计算设备执行该方法。因此可以避免在检查期间费时地处理工件。
由此可以在物理地制造工件之前分析表面质量。因此还可以有利且简单地执行制造过程的适配。
本发明的任务还通过一种用于对工件进行表面分析的计算设备来实现，所述计算设备具有存储器，所述计算设备被设置为在用工具加工工件期间沿着轨迹移动所述工件，并且在此过程中通过至少一个传感器装置检测至少一个运行参数，其特征在于，所述计算设备被设置为执行根据本发明的方法。
附图说明
下面基于附图中所示的实施例更详细地解释本发明。在附图中：
图1示出了经过加工的工件和工具轨迹的实施例，
图2-图3示出了图1的放大区段，
图4-图9示出了具有分组的图2的轨迹的图示，
图10示出了图1的放大区段，具有运行参数的支持点，
图11以流程图的形式示出了根据本发明的方法的实施例。
具体实施方式
图1以俯视图示出了经过加工的工件1的实施例，所述工件由计算机控制的机器如CNC铣床用铣刀形式的工具10加工。
工件1具有用具有三轴运动学的铣刀加工的圆形表面。
在该示例中，通过使用具有0.2mm的直径11和高达4700mm/min的前进速度12的铣刀10进行曲折形铣削来进行所述加工。
在该制造计划的过程中，为工件1定义了用于通过铣刀10进行加工的轨迹20。
尽管可以在计划期间设置恒定速度，但可能会出现偏差，例如由于控制器的不利运行时行为。
在此，预给定工件1在机器中的移动及其坐标以及加工速度。
因此，铣床现在被设置为在工件1被铣刀加工期间沿着轨迹20移动工件1。
在制造过程期间，诸如加工速度、工具10处的加工温度或机器的电流消耗的一个或多个运行参数12分别由对应的传感器装置检测。
现在使用具有存储器的计算设备以便在由具有工具的计算机控制的机器加工之后执行工件1的表面分析。
图2和图3示出了图1的放大区段。
轨迹20被细分为具有彼此平行的走向的子部分21-24。
该走向可以例如是直的或弯曲的，如在用于在工件1上逐个表面地去除材料的工具10的车削曲线中。
然后将所检测的运行参数12(这里是前进速度)的值分配给沿着子部分21-24预定的组A-D。
图4至图9示出了具有来自图2的子部分21-24的轨迹20，其具有用于运行参数12的预给定值范围的分组A-D。
为所述分组定义了组，相应的运行参数12可以基于其值分配给这些组。
这些组的确定例如可以按照以下方式进行，即沿着轨迹20从运行参数12中确定最小值和最大值。
然后可以从最大值和最小值之间的差确定速度范围，组A-D的值范围位于该速度范围内。
在最简单的情况下，组A-D可以彼此邻接，但也可以为明确不应当包括在内的已知值——例如在CNC机器运行时位置变化的情况下或配置变化的情况下铣刀空转时——提供间隙。
替代地，也可以从运行参数12中确定平均值。
根据该平均值，可以例如基于统计分布函数为相邻组的组A-D的值范围设定速度范围，所述值范围不必具有相同的大小。
也可以应用所提到的组定义的组合。
在图4和图5中可以看出组A-D中的子部分。
轨迹20被细分为具有彼此平行的走向的第一子部分22和第二子部分21。
第一子部分22和第二子部分21是子部分21-24的子集。
运行参数12沿着第一子部分和至少一个第二子部分21-24的离散值31-33(参见图10)被明确地分配给预定的组A-D。
然后检查第一子部分22是否至少部分地与第二子部分21邻接但不属于第二子部分21的组B。
如果是，则将第二子部分21识别或分类为工件10的表面异常。
可选地，作为该方法的进一步改进，可以附加地检查第一子部分22是否至少部分地与同一组B的两个第二子部分21和23邻接，但不属于这两个第二子部分的组B。
如果是，则将第二子部分21识别或分类为工件10的表面异常。
在图6中仅示出平行于轨迹20的其他区域并且在前进速度的同一组A中的那些子部分。
在图7中仅示出了平行于轨迹20的其他区域并且在前进速度的同一组B中的那些子部分。
在图8中仅示出了平行于轨迹20的其他区域并且在前进速度的组C中的子部分。
在图9仅示出了平行于轨迹20的其他区域并且在前进速度的组D中的子部分。
不属于同一组A-D的邻接子部分21-24被确定为工件10的表面异常。
邻接的子部分21-24可以例如当具有加工宽度11的相应子部分沿着轨迹20彼此接触或至少部分重叠时存在，子部分21-24因此直接彼此抵靠。
例如当从工件毛坯中铣削材料以制造工件的平坦表面时，提供这种轨迹。
替代地，例如当从工件毛坯中铣削材料以在工件中制造平行延伸的凹槽时，也可以提供这种轨迹。在此，平行延伸的凹槽也可以形成邻接的子部分21-24，即使在凹槽之间进行工件的进一步成形。
图10示出了图1的放大区段，具有运行参数12的检测位置的支持点。
轨迹20的子部分以距离25彼此平行地延伸。
在该示例中，距离25被选择为使得具有加工宽度11的铣削路径重叠，由此确保完全去除材料。
支持点的选择大多由运行参数12的检测系统的采样率确定。
显然，例如在此必须考虑铣刀10的可能进给速度。
用于检测运行参数12的支持点导致对应的值31-33。
支持点的选择例如可以通过以下方式进行，在沿着轨迹20的支持点处检测运行参数12，并且沿着轨迹20的支持点彼此之间具有的支持点距离26至多为一半加工宽度11。
工具10大多通过铣刀的直径来确定加工宽度11。
图11以流程图的形式示出了根据本发明的方法的实施例。
在开始100之后，根据制造计划制造工件1，或者也仅模拟地制造。
在此，沿着轨迹20检测铣刀10的相应位置和铣刀速度12。
工件1的制造数据例如可以存储在日志文件中。
然后分析制造数据。
在此，轨迹20在步骤120中被细分为子部分21-24，这些子部分具有相互平行的略微弯曲的走向。
然后在步骤130中定义组，并且在步骤140中将沿着子部分21-24检测的运行参数12的值分配给预定的组A-D。
然后检查150是否存在异常。
异常检查150检查第一子部分22是否至少部分地与至少一个第二子部分21邻接但不属于至少一个第二子部分21的组B。
可选地，可以检查第一子部分22是否至少部分地与同一组B的两个或更多个第二子部分21和23邻接但不属于这些第二子部分的组B。
如果是这种情况，则将第一子部分22识别或分类为工件10的表面异常。
如果检查150表明没有识别出异常，则现在可以可选地在步骤151中重复分析或者通过步骤160结束分析。
运行参数12向预定组A-D的分配可以重复执行，其中这些组被重新设定。
在此，作为重复的标准可以确定工件10的至少一个事先设定数量的已识别表面异常，或者直到达到组A-D的预定数量的重新设定为止。
线性分布可以用作组A-D的初始设定的基础，而非线性分布可以应用于组A-D的重新设定，例如在直接在后的设定中。
也可以检测两个或更多个运行参数11，并且可以分别将不同的运行参数应用于组A-D的重新设定。
附图标记列表：
1 工件
10 CNC机器的铣削工具
11 加工宽度，铣刀的直径
12 铣刀的加工方向，移动方向，运行参数
20 轨迹，铣削轨道
21-24 子部分
25 轨道间距
26 支持点间距
31-33 运行参数的离散值
100 方法开始
110 制造工件或进行模拟并且在此过程中检测速度作为运行参数
120 设定子部分
130 定义组
140 将运行参数或速度分配给组
150 检查异常
151 未识别出异常
152 识别出异常
160 方法结束

Claims (12)

1.一种用于对工件(1)进行表面分析的方法，所述工件在加工期间随工具(10)沿着轨迹(20)移动并且在此过程中以离散值(31-33)的形式检测至少一个运行参数(12)，
其特征在于，将所述轨迹(20)细分为第一子部分和至少一个第二子部分(21-24)，这些子部分具有平行于彼此的走向，
并且将所述至少一个运行参数(12)的离散值(31-33)沿着所述第一子部分和所述至少一个第二子部分(21-24)明确地分配给预定的组(A-D)，
然后检查所述第一子部分(22)是否至少部分地与所述至少一个第二子部分(21)邻接，但是不属于所述至少一个第二子部分的组(B)，以及将所述第一子部分(22)归类为所述工件(10)的表面异常。
2.根据权利要求1所述的方法，其中检查所述第一子部分(22)是否至少部分地与同一组(B)的至少两个第二子部分(21、23)邻接，但不属于所述至少两个第二子部分的组(B)，并且将所述第一子部分(22)分类为所述工件(10)的表面异常。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述工具(10)具有加工宽度(11)并且在沿所述轨迹(20)的支持点处检测所述至少一个运行参数(12)，沿所述轨迹(20)的所述支持点彼此之间具有至多为一半加工宽度(11)的距离。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中沿所述轨迹(20)从所述至少一个运行参数(12)中确定最小值和最大值，并且从最小值和最大值的差值中确定速度范围，优选彼此邻接的组(A-D)的值范围位于所述速度范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中从所述至少一个运行参数(12)中确定平均值，从所述平均值中确定速度范围，优选彼此邻接的组(A-D)的值范围位于所述速度范围内。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述至少一个运行参数(12)分配给预定的组(A-D)重复地执行，并且在此过程中重新设定所述组。
7.根据权利要求6所述的方法，其中将线性分布用作所述组(A-D)的初始设定的基础，并且将非线性分布应用于所述组(A-D)的重新设定，优选地在直接在后的设定中。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其中检测至少两个运行参数(12)并且将所述至少两个运行参数(12)中的不同运行参数应用于所述组(A-D)的重新设定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述运行参数(12)是加工速度、工具(10)处的加工温度或机器的电流消耗。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述工件(10)的物理制造之后执行该方法。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在模拟地制造了所述工件(10)之后通过计算设备执行该方法。
12.一种用于对工件(1)进行表面分析的计算设备，具有存储器，所述计算设备被设置为在用工具(10)加工工件(1)期间沿着轨迹(20)移动所述工件(1)，并且在此过程中通过至少一个传感器装置检测至少一个运行参数(12)，其特征在于，所述计算设备被设置为执行根据前述权利要求所述的方法。
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B. NEEF: "Tool Wear and Surface Quality Monitoring Using High Frequency CNC Machine Tool Current Signature", 2018 IEEE 16TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INDUSTRIAL INFORMATICS (INDIN), 31 December 2018 (2018-12-31), pages 1045 - 1050 *
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