DE4026757A1

DE4026757A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des zustands eines werkzeugs

Info

Publication number: DE4026757A1
Application number: DE4026757A
Authority: DE
Inventors: Charles Edmund Thomas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-09-05
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1991-03-14
Anticipated expiration: 2010-08-25
Also published as: CA2021111A1; SE503192C2; GB9019170D0; AU635295B2; IL95463A0; IT1242999B; FR2651458B1; IT9021337A0; GB2235774A; FR2651458A1; JP2519825B2; JPH03142147A; DE4026757C2; IT9021337A1; US4942387A; GB2235774B; IL95463A; SE9002787L; AU5982890A; SE9002787D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinenüberwachungsein richtung und betrifft insbesondere eine Werkzeugmaschinenüber wachungseinrichtung, die nicht nur Werkzeugbrüche zuverlässig erfaßt, sondern auch Werkzeugverschleiß erfaßt.

Werkzeugmaschinenüberwachungseinrichtungen sind in den US-Patenten 46 36 779, 46 36 780, 46 42 617 und 48 49 741 beschrieben, wo bei ein Werkzeugschwingungssignal erfaßt und gefiltert (ge mittelt) wird und Änderungen im Mittelwert des sich ergebenden Signals benutzt werden, um einen Bruch des Werkzeuges zu er fassen. Das hat sich als zum zuverlässigen Erfassen von Keramikwerkzeugbruch ausreichend erwiesen, wenn harte Materi alien geschnitten werden, zum Beispiel Flugzeugtriebwerks legierungsstahl. Dieses Verfahren ist jedoch nicht sehr zuver lässig, wenn ein keramisches Schneidwerkzeug eine solche Le gierung leicht schneidet oder wenn ein Schneidvorgang an ge wöhnlichen Stahllegierungen mit einem solchen Werkzeug ausge führt wird. In diesen Fällen kann ein Werkzeugbruch nur eine kleine abrupte Verschiebung in dem Schwingungssignal erzeugen, die nicht von den relativ kleinen abrupten Verschiebungen in dem Mittelwert unterschieden werden kann, welche durch normale Erscheinungen verursacht werden, die keine Werkzeug probleme anzeigen. Weiter können derartige Werkzeugmaschinen- Überwachungseinrichtungen Schwierigkeiten beim Erfassen von übermäßigem Werkzeugverschleiß haben, der eine allmähliche Änderung im mittleren Schwingungssignalpegel ähnlich der Änderung verursacht, die aus dem normalen Schneiden mit zu nehmender Schnittiefe resultieren kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zuverlässigen Erfassen nicht nur von Werkzeug brüchen, sondern auch von Werkzeugverschleiß für verschiedene Arten von Schneidwerkzeugen zu schaffen.

Ein Verfahren nach der Erfindung zum Bestimmen des Zustands eines Werkzeuges beinhaltet das Liefern eines Schwingungs signals durch Erfassen der Werkzeugschwingung; Berechnen eines ersten Signals, das eine Funktion der Gleichstromleistung des Schwingungssignals ist; Berechnen eines zweiten Signals, das eine Funktion der Wechselstromleistung des Schwingungssignals ist; und Vergleichen des ersten und des zweiten Signals.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Bestimmen des Zustands eines Werkzeuges umfaßt eine Einrichtung zum Erfassen der Schwingung des Werkzeuges, um ein Schwingungssignal zu liefern, das Wechsel- und Gleichstromkomponenten hat; eine Einrichtung zum Berechnen eines ersten Signals, das eine Funktion der Gleichstromkomponente des Schwingungssignals ist; eine Ein richtung zum Berechnen eines zweiten Signals, das eine Funktion der Wechselstromkomponente des Schwingungssignals ist; und eine Einrichtung zum Vergleichen des ersten und des zweiten Signals.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung,

Fig. 2 ein Flußdiagramm einer möglichen Ausführungsform der Programmierung von Erfassungscomputern, die in Fig. 1 benutzt werden,

Fig. 3 ein Flußdiagramm einer Ausführungs form der Programmierung eines Schätzcomputers, der in Fig. 1 benutzt wird, und

Fig. 4 ein Flußdiagramm einer zweiten Aus führungsform der Programmierung eines der Erfassungscomputer.

Fig. 1 zeigt einen Schwingungssensor 10, zum Beispiel einen Beschleunigungsmesser, der an oder nahe einem Werkzeug (nicht dargestellt) befestigt ist, wie es in den oben erwähnten US- Patenten beschrieben ist, und der eine Bandbreite von zum Bei spiel 5 Hz bis 70 kHz hat. In einer besonderen Ausführungsform würde ein Vibrametrics Typ VM 1018 von Vibra-Metrics, Inc., Hamden, Conn., benutzt. Dieser Beschleunigungsmesser hatte im montierten Zustand eine Resonanzfrequenz von etwa 60 kHz und einen nutzbaren Ansprechbereich bis zu etwa 70 kHz. Andere Beschleunigungsmesser können benutzt werden. Das Ausgangs signal des Sensors 10 wird an ein Bandpaßfilter (BPF) 12 ange legt, das einen Durchlaßbereich hat, der im allgemeinen so ge wählt wird, daß es Frequenzen durchläßt, die abnormale Werk zeugzustände anzeigen, zum Beispiel ein gebrochenes oder ver schlissenes Werkzeug,und Frequenzen unterdrückt, die normale maschinelle Bearbeitung und Hintergrundrauschen angeben. Üblicherweise liegt dieser Durchlaßbereich zwischen etwa 30 und 70 kHz, obgleich andere Durchlaßbereiche benutzt werden können, was von dem Material des Werkzeuges und des Werk stückes, der Schneidgeschwindigkeit usw. abhängig ist. Das Signal aus dem Bandpaßfilter 12 wird an einen Energiedetektor angelegt, der einen Vollwellengleichrichter 14 und ein Tief paßfilter 16 umfaßt. Ein Vollwellengleichrichter wird bevor zugt, da er eine hohe Empfindlichkeit hat; es können jedoch andere Arten von Gleichrichtern benutzt werden, zum Beispiel kann ein Halbwellengleichrichter benutzt werden. Das unipolare Ausgangssignal des Gleichrichters 14 wird an das Tiefpaßfilter 16 angelegt, das üblicherweise eine Grenzfrequenz von etwa 500 Hz hat. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 16, das eine zeitlich veränderliche Amplitude hat, die die sich verändernde Energie in dem Signal aus dem Bandpaßfilter 12 darstellt, wird an einem A/D-Wandler 18 angelegt, der eine übliche Abtastfre quenz von etwa 2 kHz hat. Das Tiefpaßfilter 16 erfüllt zusätz lich zu seiner Funktion als Teil des Energiedetektors also die Funktion eines Anti-Aliasing-Filters (zur Verhinderung von Faltungsfrequenzen) für den A/D-Wandler 18. Bei Bedarf können diese Funktionen von separaten Tiefpaßfiltern erfüllt werden. Andere Frequenzen können für die Grenzfrequenz des Tiefpaßfil ters 16 und die Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 18 benutzt werden; die Grenzfrequenz des Tiefpaßfilters 16 sollte jedoch nicht größer als die Hälfte der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 18 sein.

Das Digitalsignal aus dem A/D-Wandler 18 wird an einen Er fassungscomputer 20 angelegt, der den Mittelwert des Signals berechnet, welcher zu der Quadratwurzel des Gleichstrom leistungswertes proportional ist. Somit wird ein Signal, das eine Funktion der Gleichstromleistung des Digitalsignals ist, von dem Computer 20 an eine Vergleichseinrichtung in Form eines Werkzeugzustandsschätzcomputers 22 und außerdem an einen Er fassungscomputer 24 abgegeben. Ebenso wird das Digitalsignal aus dem A/D-Wandler 18 an den Computer 24 angelegt, der den Mittelwert des Quadrats der Differenz der Abtastproben und des Mittelwerts berechnet. Somit wird ein Signal, das eine Funktion der Wechselstromleistung oder Varianz des Digitalsignals ist, an den Computer 22 abgegeben.

Es ist festgestellt worden, daß durch Abgeben eines Signals an den Computer 22, das eine Funktion der Wechselstromleistung (Varianz) ist, zusätzlich zu einem Signal, das eine Funktion der Gleichstromleistung (Mittelwert) ist, eine zuverlässigere An zeige von Werkzeugbruch und eine Anzeige von Werkzeugverschleiß erzielt werden. Das Ausgangssignal des Schätzcomputers 22 be tätigt eine Alarmeinrichtung 26, die einen hörbaren und/oder sichtbaren Alarm gibt, so daß eine Bedienungsperson die Maschine, bei der das Werkzeug benutzt wird, abschalten kann. Ein automatischer Abschaltkreis kann ebenfalls benutzt werden.

In Fig. 2 ist die Programmierung der Computer 20 und 24 ge zeigt, wobei der START des Programms als ein Endblock 201 dargestellt ist. Dann wird eine neue Signalprobe (x_i) mit der Abtastfrequenz von zum Beispiel 2 kHz aufgenommen, was durch einen Verarbeitungsblock 203 dargestellt ist, und gespeichert, was durch einen Verarbeitungsblock 205 dargestellt ist. Danach entscheidet ein Entscheidungsblock 207, ob N + 1 Abtastproben gespeichert worden sind. Wenn die Antwort NEIN lautet, verzweigt das Programm zurück zu dem Verarbeitungsblock 203, bis N + 1 Abtastproben gespeichert sind, d.h. bis die Antwort des Blockes 207 JA lautet. Dann wird die älteste (zeitlich am weitesten zurückliegende) Abtastprobe ausgeschieden, was durch einen Verarbeitungsblock 209 dargestellt ist. Danach wird der Mittelwert () für die übrigen N Abtastproben berechnet, was durch einen Verarbeitungsblock 211 angegeben ist. Der Mittel wert (Gleichstromleistung) wird an den Computer 22 angelegt.

Der Mittelwert wird außerdem an einen Verarbeitungsblock 213 angelegt, in welchem das Quadrat der Differenz (Abweichung) zwischen dem Mittelwert () und der laufenden Abtastprobe (x) berechnet wird. Danach wird, wie durch einen Verarbeitungsblock 215 gezeigt, die Differenz (D) gespeichert. Ein Entscheidungs block 217 zeigt, daß eine Prüfung gemacht wird, um festzu stellen, ob M + 1 Werte von D gespeichert sind, wobei übliche Werte sowohl von N als auch von M etwa zwischen 16 und 64 liegen, obgleich andere Werte benutzt werden können. Wenn die Antwort NEIN lautet, verzweigt das Programm zurück zu dem Verarbeitungsblock 203. Wenn die Antwort JA lautet, wird der älteste Wert von D ausgeschieden, was durch einen Verarbeitungs block 219 dargestellt ist. Dann wird der Mittelwert von σ² (Varianz) der Übrigen Anzahl M von Werten, bei dem es sich um die Wechselstromleistung handelt, berechnet, was durch einen Verarbeitungsblock 221 angegeben ist. Das erste gültige Aus gangssignal von σ² wird bei der (N + M + 2)-ten Signalprobe geliefert, und anschließend werden gültige Werte zu jeder Ab tastzeit geliefert. Der Wert von σ² wird dem Computer 22 zuge führt, und das Programm verzweigt zurück zu dem Verarbeitungs block 203.

Es ist klar, daß für das Flußdiagramm in Fig. 2 andere Aus führungsformen möglich sind. Beispielsweise kann zum Verein fachen der Berechnungen der Verarbeitungsblock 213 eliminiert und der Mittelwert des Ausdrucks x_i- berechnet werden, der zu der Quadratwurzel der Wechselstromleistung proportional ist. Das kann mit (Quadratwurzel der Gleichstromleistung) ver glichen werden. Außerdem kann quadriert werden, um ² zu bilden, das zur Gleichstromleistung proportional ist, und mit σ² (Wechselstromleistung) verglichen werden. Die Vergleiche werden durch den Schätzcomputer 22 ausgeführt.

Fig. 3 zeigt das Flußdiagramm einer möglichen Ausführungsform der Software für den Schätzcomputer 22. Die Werte von und σ² werden an einen Verarbeitungsblock 301 angelegt, der σ² durch dividiert, um das Verhältnis R zu berechnen. Der Wert von R wird an einen Verarbeitungsblock 303 angelegt, welcher be rechnet, den Mittelwert von R über einer gewählten Anzahl von Abtastproben, zum Beispiel 16 bis 64, obgleich andere Werte benützt werden können. Der Wert von R und der Wert von werden an einen Entscheidungsblock 305 angelegt, der R vergleicht, um festzustellen, ob es größer als C₁ oder kleiner als C₂ ist. Die Konstanten C₁ und C₂ sind üblicherweise 0,5 bzw. 2, ob gleich andere Werte benutzt werden können. Wenn die Antwort NEIN lautet, bedeutet das, daß sich R im Vergleich zu abrupt geändert hat, was am wahrscheinlichsten durch Werkzeugbruch verursacht wird, weshalb die Alarmeinrichtung 26 betätigt wird. Der Wert von wird außerdem an einen Entscheidungs block 307 angelegt, wo er verglichen wird, um festzustellen, ob er kleiner als ein vorgewählter Schwellenwert T ist. Der Wert von T wird auf der Basis von früherer Erfahrung mit dem besonderen Werkzeugtyp und Material, dem Material, das ge schnitten wird, der Schneidgeschwindigkeit usw. gewählt. Wenn die Antwort NEIN lautet, ist die wahrscheinlichste Ursache ein allmählicher Werkzeugverschleiß, und die Alarmeinrichtung 26 wird betätigt.

Im Rahmen der Erfindung sind viele andere Ausführungsformen möglich. Zum Beispiel sind zwar die Computer 20, 22 und 24 zu Erläuterungszwecken als separate Computer gezeigt worden, in der Praxis würde es sich jedoch um einen einzelnen Computer, zum Beispiel einen Mikroprozessor, handeln. Weiter könnten diese Computer durch ihre analogen oder digitalen, festverdrahteten Äquivalente ersetzt werden, wie bekannt.

Eine zweite Ausführungsform eines Programms für den Erfassungs computer 20 benutzt folgende Gleichung mit gewichtetem Mittel wert:

(t_i) = K₁x(t_i) + K₂(t_i-1),

wobei (t_i) der laufende Schätzwert des gewichteten Mittelwerts, (t_i) die laufende Abtastprobe, (t_i-1) der vorherige Mittelwert ist und K₁ und K₂ die erste bzw. zweite Konstante sind, für die gilt K₁ + K₂ = 1. Fig. 4 ist ein Flußdiagramm dieses Programms, welches die Schritte 203, 205, 207, 209 und 211 von Fig. 2 er setzt. Eine erste Abtastprobe x(t_o) wird, wie durch einen Ver arbeitungsblock 401 angegeben, abgetastet und dann gespeichert, wie durch einen Verarbeitungsblock 403 angegeben. Das ist Teil einer Initialisierungsprozedur, wie sie unten erläutert ist. In einem Block 405 wird der laufende Signalwert x(t_i), mit i = 0, 1, 2, 3, . . . usw., abgetastet und dann mit K₁ multipli ziert (Block 407). Das sich ergebende Produkt K₁(t_i) wird ge speichert, was durch einen Block 408 gezeigt ist.

Der nächste Schritt besteht darin, den vorherigen Mittelwert zu lesen (Block 409). Für die erste Abtastprobe x(t_o) gibt es jedoch noch keinen früheren Mittelwert. Daher besteht die Ini tialisierungsprozedur darin, daß die erste Abtastprobe selbst, die gespeichert wurde, was durch den Block 403 angegeben ist, als Wert des vorherigen Mittelwerts für die erste Abtastprobe benützt wird, was durch die gestrichelte Linie gezeigt ist. Für alle folgenden Abtastproben ist ein echter vorheriger Mittel wert vorhanden und wird benutzt. Der vorherige Mittelwert wird mit K₂ multipliziert (Block 411), und dann wird die Summe K₁x(t_i) + K₂(t_i-1) berechnet (Block 413), und diese Summe ist (t_i), die dann an die Stelle des vorherigen Mittelwerts (t_i-1) tritt, wie es durch einen Block 415 gezeigt ist. Der gewichtete Mittelwert (t_i) wird in dem Schritt 213 von Fig. 2 benutzt, und dann verzweigt das Programm zurück zu dem Block 405.

Eine erwünschte Wahl für die Konstanten ist K₁ = 0,2 und K₂ = 0,8, was eine gestörte oder durch Rauschen verunreinigte neue Signalprobe daran hindert, den Mittelwert übermäßig zu beeinflussen. Eine weitere Wahl ist K₁ = 0,8 und K₂ = 0,2, um auf Abtastwertänderungen schnell anzusprechen. Eine weitere mögliche Wahl ist eine gleiche Gewichtung, d.h. K₁ = K₂ = 0,5.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Werkzeuges, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Liefern eines Schwingungssignals durch Erfassen der Werkzeug schwingung;
Berechnen eines ersten Signals, das eine Funktion der Gleich stromleistung des Schwingungssignals ist;
Berechnen eines zweiten Signals, das eine Funktion der Wechsel stromleistung des Schwingungssignals ist; und
Vergleichen des ersten und des zweiten Signals.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal zu der Gleichstromleistung proportional ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal zu der Quadratwurzel der Gleichstromleistung pro portional ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das zweite Signal zu der Wechselstromleistung proportional ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das zweite Signal zu der Quadratwurzel der Wechselstromleistung proportional ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Vergleichsschritt beinhaltet, ein Verhältnis des ersten und des zweiten Signals zu bilden, einen Mittelwert des Verhältnisses zu bilden, das Verhältnis mit dem Mittelwert des Verhältnisses zu vergleichen und den Mittelwert mit einem gewählten Schwellenwert zu vergleichen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Betätigen einer Alarmeinrichtung.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Berechnens des ersten Signals be inhaltet, eine Summe einer gewählten Anzahl von Abtastproben des Schwingungssignals zu bilden und die Summe durch die ge wählte Anzahl zu dividieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Berechnens des ersten Signals be inhaltet, ein erstes Produkt einer ersten gewählten Konstante und eines laufenden Abtastwertes zu bilden, ein zweites Produkt einer zweiten gewählten Konstante und eines früheren Abtast mittelwerts zu bilden und die Summe des ersten und des zweiten Produkts zu bilden.

10. Vorrichtung zum Bestimmen des Zustands eines Werkzeuges, gekennzeichnet durch:
eine Einrichtung (10) zum Erfassen der Schwingung des Werkzeuges, um ein Schwingungssignal zu liefern, das eine Wechselstrom- und eine Gleichstromleistungskomponente hat;
eine Einrichtung (20) zum Berechnen eines ersten Signals, das eine Funktion der Gleichstromleistungskomponente des Schwingungs signals ist;
eine Einrichtung (24) zum Berechnen eines zweiten Signals, das eine Funktion der Wechselstromleistungskomponente des Schwingungs signals ist; und
eine Einrichtung (22) zum Vergleichen des ersten und des zweiten Signals.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (10) einen Beschleunigungsmesser um faßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß das erste Signal zu der Gleichstromleistung propor tional ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß das erste Signal zu der Quadratwurzel der Gleichstrom leistung proportional ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal zu der Wechselstrom leistung proportional ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal zu der Quadratwurzel der Wechselstromleistung proportional ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (22) eine Ein richtung (301) aufweist zum Bilden eines Verhältnisses des ersten und des zweiten Signals, eine Einrichtung (303) zum Bilden eines Mittelwerts des Verhältnisses, eine Einrichtung (305) zum Vergleichen des Verhältnisses mit dem Mittelwert des Verhältnisses und eine Einrichtung (307) zum Vergleichen des Mittelwerts mit einem gewählten Schwellenwert.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeich net durch ein Bandpaßfilter (12), das mit der Erfassungsein richtung (10) verbunden ist, einen Energiedetektor (14, 16), der mit dem Filter (12) verbunden ist, und einen A/D-Wandler (18), der einen Eingang hat, welcher mit dem Energiedetektor (14, 16) verbunden ist, und einen Ausgang, der mit beiden Berechnungs einrichtungen (20, 24) verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter (12) einen Durchlaßbereich zwischen etwa 30 und 70 kHz hat.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich net, daß der Energiedetektor (14, 16) einen Vollwellengleich richter (14) und ein mit dem Gleichrichter (14) verbundenes Tiefpaßfilter (16) umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (12) eine Grenzfrequenz von etwa 500 Hz hat.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, gekennzeich net durch eine Alarmeinrichtung (26), die mit der Vergleichsein richtung (22) verbunden ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Berechnen des ersten Signals eine Einrichtung umfaßt zum Bilden einer Summe einer gewählten Anzahl von Abtastproben des Schwingungssignals und eine Einrichtung zum Dividieren der Summe durch die gewählte Anzahl.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20) zum Berechnen des ersten Signals eine Einrichtung umfaßt zum Bilden eines ersten Produkts einer ersten gewählten Konstante und eines laufenden Abtastwertes, eine Einrichtung zum Bilden eines zweiten Produkts einer zweiten gewählten Konstante und eines früheren Abtast mittelwerts und eine Einrichtung zum Bilden der Summe des ersten und des zweiten Produkts.

24.Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Konstante etwa 0,2 bzw. 0,8 betragen.