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Dokumentenidentifikation DE3121461C2 15.02.1990
Titel Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer von zumindest einem in einer Werkzeugmaschine benutzten Werkzeug
Anmelder Westinghouse Electric Corp., Pittsburgh, Pa., US
Erfinder Maxey, Robert E.L., North Huntingdon, Pa., US;
Neale, James, Pittsburg, Pa., US
Vertreter Fleuchaus, L., Dipl.-Ing., 8000 München; Wehser, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 3000 Hannover
DE-Anmeldedatum 29.05.1981
DE-Aktenzeichen 3121461
Offenlegungstag 16.12.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 15.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.02.1990
IPC-Hauptklasse G07C 3/08
IPC-Nebenklasse G05B 15/02   G01N 3/56   
Zusammenfassung Zur Überwachung der Lebensdauer eines oder mehrerer Werkzeuge in einer Werkzeugmaschine wird kontinuierlich oder intermittierend der Nettoleistungsverbrauch während dem Bearbeitungseingriff des Werkzeugs ermittelt, welcher mit einem der Lebenserwartung des Werkzeugs entsprechenden Energieverbrauch verglichen einen optimalen und sicheren Einsatz des Werkzeugs in der Werkzeugmaschine ermöglicht. Mit Hilfe einer digitalen Technik und eines Computers kann anhand eines vom Nettoleistungssignal abgeleiteten Statussignals eine Optimierung im Einsatz verschiedener Werkzeuge während der vorgegebenen Lebenserwartung erfolgen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer von zumindest einem in einer Werkzeugmaschine benutzten Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um im Einsatz befindliche Werkzeuge bezüglich ihrer Lebensdauer zu optimieren, was bei spanabhebenden Werkzeugen einem maximalen von einem Werkstück entfernten oder abgetragenen Materialvolumen entspricht, wurden bereits große Anstrengungen unternommen. Da eine hohe Abnutzung des Werkzeugs mit hohen auf das Werkzeug wirkenden Kräften verbunden ist und diese häufig ein Ausfallen oder ein Unterbrechen der Produktion verursachen können, ist es besonders erstrebenswert, einen Werkzeugwechsel vorzunehmen, bevor das Ende der Standzeit bzw. der Lebensdauer erreicht ist.

Zu diesem Zweck wurden bereits Maschinen entwickelt, in welchen die Gesamtschnittkraft während dem Eingriff des Werkzeugs in das Werkstück gemessen und zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit verwendet wird. Da der Leistungsverbrauch der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit zur Gesamtschnittkraft steht, kann eine leistungsabhängige Steuerung Verwendung finden. Nach dem Einstellen des Werkzeugs entsprechend einer optimalen Vorgabe wird der Vorschub automatisch vergrößert bzw. verkleinert in Abhängigkeit davon, ob die Gesamtschnittkraft abnimmt bzw. zunimmt. Mit Hilfe einer Analogschaltung kann in einem solchen Fall die von der Gesamtschnittkraft abhängige Leistungsaufnahme zu einem gegebenen Zeitpunkt ermittelt werden. Die Bedienungsperson kann dann mit Hilfe eines Potentiometers die Gesamtschnittkraft so weit erhöhen, bis der Punkt erreicht wird, an dem der Eindruck entsteht, daß das Werkzeug überlastet wird. Der sich daraus ergebende Leistungsverbrauch wird als Grenzwert festgehalten. Wenn nunmehr im Einsatz dieser Grenzwert erreicht bzw. überschritten wird, kann die Vorschubgeschwindigkeit verringert werden, um die Gesamtschnittkraft auf eine zulässige Größe zu verringern. Wenn dagegen bei Beginn der Bearbeitung das Werkzeug zu wenig Material abträgt, kann durch eine Erhöhung des Vorschubs erreicht werden, daß das Werkzeug optimal unterhalb dem Grenzwert eingesetzt wird. Lösungen dieser Art sind durch die US-PS 35 71 834 bekannt.

Diese Art der Leistungsanpassung erweist sich als zweckmäßig, wenn wiederholt Werkstücke der gleichen Geometrie grob bearbeitet werden. Bei einer Feinbearbeitung arbeitet diese Steuerung mit geringem Wirkungsgrad, da die Gesamtschnittkraft verhältnismäßig gering ist, und sich somit nur ein geringer Unterschied im Leistungsverbrauch zwischen der Eingriffsposition und der Leerlaufposition des Werkzeugs ergibt, der beispielsweise in der Größenordnung von 0,2 kW liegen kann. In einem solchen Fall kann die Bedienungsperson durch direkte Beobachtung feststellen, daß bei einer gegebenen Spindeldrehzahl ein schlechter Span abgehoben wird. Um die Qualität des abgehobenen Spans zu verbessern, ist nur eine geringe Vergrößerung oder Verkleinerung der Spindeldrehzahl erforderlich. Bei einer Steuerung dieser Art ist unglücklicherweise der Änderung der Spindeldrehzahl eine Änderung des Leistungsverbrauchs in der Leerlaufposition des Werkzeugs zugeordnet. Da der gesamte Leistungsverbrauch im wesentlichen derselbe bleibt, kann das Werkzeug in der Tat einen stärkeren oder schwächeren Span abheben, was im ersten Fall eine Überlastung mit einem Werkzeugbruch und im zweiten Fall einen zu geringen abgehobenen Span bedeuten kann.

Durch die DE-AS 18 15 400 ist eine Anordnung für Bearbeitungsmaschinen bekannt, bei der von der Belastung des Antriebsmotors abhängende Leistungs- und Betriebskennwerte gemessen und über einen Zähler ausgewertet werden, um die verbrauchte Energie zu ermitteln. Das von den Leistungs- und Betriebskennwerten abgeleitete Signal wird mit einem Sollwertsignal verglichen, um ein Differenzsignal zu schaffen, das kennzeichnend für den Betriebszustand der Bearbeitungsmaschine ist und beim Überschreiten eines Vergleichssignals die Bearbeitungsmaschine abschaltet.

Auch durch die DE-OS 27 54 852 ist eine Betriebsverlauf-Registriereinrichtung für Gasturbinentriebwerke bekannt, die eine Vielzahl von Betriebsdaten zusammenführt, um eine Anzeige zu schaffen, welche die erfolgte Beanspruchung des Triebwerks kennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Verfahren so weiterzubilden, daß die Lebensdauer eines Werkzeugs und die optimale Standzeit überwacht und automatisch gesteuert werden kann. Außerdem sollen Unregelmäßigkeit im Bearbeitungseinsatz festgestellt und Betriebszustände angezeigt bzw. vermieden werden, welche die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zur Ermittlung des Nettoleistungssignals der für die relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erforderliche Leistungsverbrauch der Werkzeugmaschine unverzögert und sich wiederholend gemessen wird, daß der Leistungsverbrauch sowohl in der Leerlaufposition als auch in der Eingriffposition des Werkzeugs gemessen wird, und daß aus dem Leistungsverbrauch in der Leerlaufposition und dem in der Eingriffsposition das Signal für den Nettoleistungsverbrauch durch das Werkzeug ermittelt wird.

Zu diesem Zweck ist ferner vorgesehen, daß das Signal für den Nettoleistungsverbrauch in einem Spannungs/Frequenzwandler in eine Impulsfolge umgewandelt wird, deren Impulsfrequenz das Signal für den Leistungsverbrauch kennzeichnet, daß die Impulszahl in einem zeitlichen Abtastintervall ausgezählt wird und daß der Zählwert für den Leistungsverbrauch in der Leerlaufposition des Werkzeugs gespeichert wird, um durch Vergleich mit dem Leistungsverbrauch in der Eingriffsposition den Nettoleistungsverbrauch zu ermitteln.

Um eine Gefahrensituation auszuschalten ist ferner vorgesehen, daß der tatsächliche Nettoleistungsverbrauch mit einem Grenzwert für den maximalen Nettoleistungsverbrauch verglichen wird und beim Übersteigen des Grenzwertes einen Alarm auslöst, wobei der Alarm vorzugsweise dann ausgelöst wird, wenn der maximale Nettoleistungsverbrauch für die Dauer eines vorgegebenen minimalen Zeitintervalls anhält.

Dabei kann gleichzeitig das Übersteigen des Grenzwertes optisch angezeigt und die Maschine abgeschaltet werden.

Für im wechselnden Einsatz befindliche Werkzeuge ist ferner vorgesehen, daß der Wert des Statussignals vor und nach dem Unterbrechen der Bearbeitung gespeichert wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht grundsätzlich in Vorrichtungen, welche einerseits den Nettoleistungsverbrauch bezogen auf ein bestimmtes Werkzeug erfassen und über einen Rechner dazu benutzen, um die Werkzeugmaschine optimal zu steuern. Insbesondere ist vorgesehen, daß mit dem Antrieb des Werkzeugs ein Wattmeter verbunden ist, mit welchem sowohl der Leistungsverbrauch in der Leerlaufposition als auch in der Eingriffposition des Werkzeugs mit dem Werkstück meßbar ist, daß dem Wattmeter ein Spannungs/Frequenzwandler zugeordnet ist, dessen Ausgangsfrequenz in einem Vorwärts/Rückwärtszähler während einer Abtastperiode ausgezählt wird, daß die Leistungsaufnahme in der Leerlaufposition des Werkzeugs in einem Speicher für die Regelabweichung eingegeben wird, und während des Auszählens des Leistungsverbrauchs in der Eingriffposition des Werkzeugs vom Zählwert abgezogen wird, um das Nettoleistungssignal zu schaffen, welches in einer Latch-Schaltung festgehalten wird, und daß der Werkzeugmaschine ein Computer zugeordnet ist, in welchem einerseits die Nettoleistungsaufnahme über die gesamte Lebensdauer ermittelt und ein Statussignal für den Werkzeugwechsel erzeugt wird sowie ferner eine Alarmsituation ausgelöst werden kann, wenn eine zu hohe Leistungsaufnahme festgestellt wird.

Durch die Maßnahmen der Erfindung läßt sich eine automatische Kompensation der Änderung der Leistung in der Leerlaufposition des Werkzeugs berücksichtigen. Dadurch läßt sich die Einstellung eines Potentiometers zur Anpassung des Leistungsverbrauchs durch die Bedienungsperson vermeiden und Maßnahmen vorzusehen, um die gesamte für den Werkzeugeinsatz erforderliche Leistung in einer numerischen Steuerung zu erfassen, welche Änderungen in der Leerlaufleistung der Werkzeugmaschine kompensiert. Dies läßt sich sowohl durch analoge als auch durch digitale Maßnahmen verwirklichen. Bei einer analogen Maßnahme kann ein Vorspannungssignal derart zugeführt werden, daß das Ausgangssignal am Leistungswandler des Spindelmotors zu Null wird, wenn sich die Spindel leer dreht. Wenn die Spindel belastet wird, reicht das Vorspannungssignal nicht mehr zur Kompensation aus, so daß nunmehr ein Differenzleistungsbetrag feststellbar ist, der dazu benutzt werden kann, um die Schärfe des Werkzeugs zu überwachen oder das Werkzeug im Betrieb in eine optimale Eingriffsposition zu steuern. Unter Verwendung von digitalen Einrichtungen kann eine Latch-Schaltung vorgesehen sein, in welcher das Ausgangssignal am Leistungswandler des Spindelmotors für den Leerlaufzustand festgehalten wird. Sobald das Werkzeug in Eingriff kommt, wird der Leistungsmehrbedarf durch eine Subtraktion des gespeicherten Wertes ermittelt, wodurch man das Nettoleistungssignal erhält.

Es ist wohl durch die US-PS 32 20 315 bekannt, durch eine Signalkompensation eine Anzeige für das Spindeldrehmoment zu schaffen, um Leerlaufzustände der Spindel auszugleichen. Ferner ist durch die US-PS 36 81 978 bekannt, die am Werkzeug wirksame externe Last zu messen, indem die Leerlaufzustände berücksichtigt werden.

Diese bekannten Verfahren sind jedoch verhältnismäßig kompliziert und kostenaufwendig und nicht für eine Digitalisierung in der Weise geeignet, daß sie zusammen mit modernen numerischen Steuerungen Verwendung finden können. Die Maßnahmen der Erfindung sehen vor, daß ein den Ist-Zustand der auf das Werkstück wirkenden Gesamtschnittkraft bei jedem Drehmomentniveau oder jeder Spindeldrehzahl durch die Verwendung verschiedener Parameter geschaffen wird. Anstelle der Messung der tatsächlichen Gesamtschnittkraft z. B. durch Ausmessen einer mechanischen Verbiegung oder durch Ableiten des Drehmoments an der Werkzeugspindel ist vorgesehen, die elektrischen Parameter für die Leistung, d. h. die Größe der Spannung, die Größe des Stromes und des Phasenwinkels zu erfassen, um daraus direkt eine Anzeige für die verbrauchte Energie sowohl im Leerlaufzustand als auch im Eingriffszustand des Werkzeugs abzuleiten. Die Nettoleistung, welche man durch das Abziehen einer die Leerlaufleistung kennzeichnenden Regelabweichung erhält, wird als Kenngröße für die Kraft verwendet, die sich an der Grenzschicht zwischen Werkzeug und Werkstück ausbildet. Es ist wohl bekannt, die gesamte Leistung dazu zu benutzen, um die vom Werkzeug geleistete Arbeit zu kennzeichnen, jedoch wurde die Gesamtleistung als nichts anderes als ein relativer Faktor verstanden, wobei die praktische Ermittlung der Schnittkraft immer mit Hilfe von Sensoren ermittelt wurde, welche entweder den Parametern Drehmoment, Drehzahl, Temperatur oder Verbiegung usw. zugeordnet sind. Die Überwachung der Leistung ist zweckmäßig, um die Abnutzung in vielen Situationen zu kennzeichnen, insbesondere wenn das Werkzeug unter im wesentlichen identischen Schnittbedingungen verwendet und feingesteuert wird. Ein wesentlich höherer Steuerungsaufwand ist erforderlich, wenn das Werkzeug sehr unterschiedlichen Bearbeitungsbedingungen unterworfen ist. Trotzdem ist es wünschenswert und notwendig, wenn eine optimale Lebensdauer sichergestellt werden soll, die Abnutzung des Werkzeugs im Augenblick der Entstehung festzustellen und ferner jeden Zustand zu erfassen, der sich auf die Lebensdauer auswirkt, um einen bevorstehenden Ausfall zu erfassen.

Nach den Maßnahmen der Erfindung wird die von dem Werkzeug verbrauchte Leistung integriert, um den Leistungsverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Werkzeugs zu erfassen. Dieses Konzept basiert auf einer durch die Abnutzungstheorie bekannten Formel, wonach das Abnutzungsvolumen V direkt proportional der Last P und dem Gleitabstand L des Werkzeugs vom Werkstück ist. Demnach gilt

V = K · P · L (1)

wobei K eine Konstante ist, deren Größe sich aus dem chemischen Aufbau, der Härte und weiteren vom Werkzeug und Werkstück abhängigen Faktoren ergibt. Während der Wert P · L gleich der für die Abnutzung benötigten Energie ist, ergibt sich, daß das Abnutzungsvolumen proportional der integrierten Leistung während des Abnutzungsprozesses ist und somit dafür gilt

V = K&sub2; ∫ (Nettoleistung) dt (2)

Da die Abnutzung auch auf die Temperatur und andere Parameter anspricht, stellt die Gleichung (2) nur eine Annäherungsformel dar. Man hat jedoch festgestellt, daß sich mit der Gleichung eine gute Näherung erreichen läßt. Während die Konstante K in der Gleichung (1) von mehreren das Werkzeug und das Werkstück betreffenden Faktoren abhängt, ist die Formel (2) kaum davon abhängig und ist daher für sehr unterschiedliche Schneidsituationen anwendbar. Überdies verwendet die Formel (2) in vorteilhafter Weise die zuvor erwähnte Nettoleistung. Da die Erfassung der Nettoleistung auf der Elimination der für die Leerlaufdrehung der Spindel erforderlichen Leistung als Faktor beruht, kann die Nettoleistung als Schlüssel für den Abnutzungsparameter über beliebige Zeiten integriert werden. Wenn eine solche Integration über verschiedene aufeinanderfolgende Zeitintervalle und unter verschiedenen Schnittbedingungen erfolgt, wird es möglich, kontinuierlich die Abnutzung zu überwachen und ein entsprechendes Signal abzuleiten. Die Gleichung kann auch für andere Anwendungsfälle benutzt werden, bei welchen die Nettoleistung elektrisch nicht direkt ermittelbar ist, solang die Leistung über die Zeit integriert werden kann. Daher sind auch andere Maßnahmen zur Bestimmung der durch den Werkzeugeingriff verbrauchten Energie für die Anwendung der Gleichung (2) geeignet.

Wie bereits erwähnt, sieht die Erfindung vor, daß die Lebensdauer des Werkzeugs dadurch überwacht wird, daß einerseits die in der Eingriffsposition verbrauchte Nettoleistung erfaßt und andererseits durch einen Computer für die Steuerung der Werkzeugmaschine verwertet wird. Die Nettoleistung stellt einen Parameter dar, der für jedes einzelne Werkzeug an einer Werkzeugmaschine separat verarbeitet werden kan, wobei auch bei wiederholtem intermittierenden Einsatz eines Werkzeuges eine Akkumulation über die Einzelbenutzungszeiten erfolgt, um dadurch rechtzeitig mit Hilfe des Computers eine Anzeige für das Auswechseln eines speziellen Werkzeugs zu geben.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht vor, daß die dem Antriebsmotor für die Werkzeugspindel gelieferte Leistung gemessen wird, wobei sowohl die Leistung im Leerlaufbetrieb als auch im Eingriffbetrieb des Werkzeugs erfaßt werden kann. Mit Hilfe des Spannungs/Frequenzwandlers wird eine Impulsfolge erzeugt, deren Frequenz proportional der an die Spindel abgegebenen Leistung ist. Diese Frequenz läßt sich auszählen, um durch einen Vergleich bei der Leerlaufposition und der Eingriffsposition eine Regelabweichung abzuleiten, welche proportional der Nettoleistung während des Betriebseingriffes ist, d. h. die Leistung zur Überwindung der Gesamtschnittkraft darstellt. Das die Nettoleistung kennzeichnende Impulssignal wird im Rechner akkumuliert und gespeichert. Der Zähler wird auch automatisch auf Null zurückgestellt, wenn ein anderes Werkzeug in die Werkzeugspindel eingesetzt wird, um dann in diesem Werkzeug den zugeordneten Nettoleistungsverbrauch zu ermitteln und festzuhalten. Der akkumulierte Signalwert wird als Ausgangswert benutzt, wenn ein Werkzeug erneut zum Einsatz kommt. Bei der Rückstellung des Rechners wird auch der Speicher für die Regelabweichung zurückgesetzt, wenn sich die Spindeldrehzahl und das Werkzeug geändert haben. Damit lassen sich für alle Werkzeuge separat die Signale für die Gesamtnettoleistung summieren, um einen Alarm auszulösen, wenn die Lebenserwartung des Werkzeugs erreicht ist. Dieser Wert für die Lebenserwartung ist ein Wert, der sich aus einer empirisch bestimmten optimierten Lebenszeit ergibt. Wenn das Werkzeug vor dem Erreichen der Lebenserwartung ausgetauscht werden soll, kann dies durch eine entsprechende Buchhaltung im Computer ausgelöst werden, welche die Daten für den Nettoleistungsverbrauch für jeden einzelnen Einsatz akkumuliert und die akkumulierten Werte für den zukünftigen Einsatz als Ausgangswerte benutzt.

Allen Schneidwerkzeugen ist eine maximal zulässige Schneidleistung zugeordnet, welche durch Akkumulation für jedes Werkzeug ermittelt werden kann, um im geeigneten Zeitpunkt einen Werkzeugwechsel auszulösen. Wenn die maximale Benutzungsdauer in herkömmlicher Weise ermittelt wird, können unvorhergesehene Gefahrensitutationen auf Grund einer zu starken Abnutzung in der Regel ohne weiteres vermieden werden.

Mit Hilfe der Erfindung ist es auch möglich, Feinabstimmungen in mindestens 20% der Anwendungsfälle vorzunehmen. Bei einer hohen Gesamtschnittkraft, wenn sich z. B. eine erhöhte Abnutzung infolge hoher Temperaturen ergibt, kann die Einsatzzeit beispielsweise dadurch abgestimmt werden, daß die ermittelten Ergebnisse gewichtet werden. Da die durch die Spanabhebung verursachte Temperatur mit dem Quadrat der Spindeldrehzahl ansteigt, wird der durch die Impulsfolge gekennzeichnete Nettoleistungsverbrauch quadriert und anschließend akkumuliert. Dadurch erhält man einen Gesamtwert, der sowohl die Standzeitverwaltung als auch die Entscheidung für einen Wechsel beeinflußt.

Durch die Kombination der Überwachung der Nettoleistung mit der rechnergestützten Steuerung ergibt sich eine sehr große Flexibilität mit deren Hilfe die Stanzzeit von Werkzeugen wesentlich erhöht werden kann. Bisher war es schwierig, die unterschiedlichen Arten der Spanabhebung zu erfassen und die Werkzeugmaschinen entsprechend zu steuern, da sich durch den regelmäßigen Werkzeugaustausch die Benutzungsbedingungen verändert haben. Durch die Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Bestimmung der Standzeit eines Werkzeuges vor einem Schärfen verbessert, und es werden auch unterschiedliche spanabhebende Situationen erfaßt.

Die Erfindung wird an Hand von auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematisch angedeutete Werkzeugmaschine mit einem Überwachungssystem für die Werkzeugbenutzung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schaltung zur gleichzeitigen Ableitung eines Nettoleistungssignals für das System gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine als Digitalschaltung aufgebaute Monitoreinheit für die Nettoleistung,

Fig. 4 eine detaillierte Darstellung der Digitalschaltung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Überwachungssystem für die Nettoleistung und den Energiebedarf für den Einsatz bei einer Vielfachwerkzeugmaschine,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Installation einer Werkzeugmaschine mit einer Kombination eines Überwachungssystems für die Nettoleistung mit einer numerischen Steuerung nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7, 8, 9 und 10 Flußdiagramme zur Erläuterung der Schaltung gemäß Fig. 6.

Die Erfindung kann an jedem Werkzeug, welches von Hand oder automatisch an einer Werkzeugmaschine montierbar ist, verwendet werden. Sie wird jedoch bevorzugt bei Werkzeugmaschinen eingesetzt, welche grundsätzlich einen Schneidvorgang ausführen, wie z. B. beim Bohren, Fräsen, Räumen oder Drehen. In allen Fällen wird das Werkstück, dessen Oberfläche durch Spanabheben zu bearbeiten ist, gegen das Werkzeug mit einer Kraft verschoben, welche von dem Arbeitsvorgang, der Schärfe des Werkzeugs und anderen Faktoren, wie z. B. der Temperatur, der Werkzeugkühlung oder der Drehgeschwindigkeit abhängt, wenn es sich um an Spindeln gehaltene Werkzeuge, wie z. B. Bohrer oder Fräser handelt. Die Kraft, welche am Werkstück angreift und welche durch das Werkzeug eingeleitet wird, ist eine gute Indikation der nutzbaren Standzeit als Teil der gesamten Lebensdauer des Werkzeugs. Die eingeleitete Kraft ist auch eine gute Indikation für die Einsatzbedingungen des Werkzeuges, woraus man z. B. schließen kann, ob es zur effektiven Spanabhebung mit zu wenig Kraft anliegt, oder ob hierfür eine zu hohe Kraft notwendig ist, was zum Ausdruck bringt, daß das Werkzeug geschärft werden muß. Wann die optimalen Einsatzbedingungen gegeben sind, weiß man aus der praktischen Erfahrung. Für eine optimale Lebensdauer eines Werkzeuges ist es notwendig, daß die bei der Bearbeitung einwirkende Kraft innerhalb vernünftiger Grenzen liegt.

Aus der US-PS 35 71 834 ist bekannt, daß die Drehgeschwindigkeit eines Schneidwerkzeuges in Verbindung mit dem Vorschub für das Werkstück eine gute Indikation für die Einsatzbedingungen des Werkzeugs ergibt, und hilft, dessen Lebensdauer bzw. Standzeit zu überwachen, d. h. festzustellen, wann das Werkzeug erneut geschärft oder außer Benutzung genommen werden muß.

In Fig. 1 ist eine Werkzeugmaschinensteuerung dargestellt, bei welcher von der Werkzeugspindeldrehzahl abgeleitete Meßgrößen mit Meßgrößen kombiniert werden, welche vom Leistungsverbrauch eines Gleichstrommotors M1 herrühren, welcher ein Fräswerkzeug DT am unteren Ende der Spindel SD antreibt. Ein an der Spindel befestigter Tachometer T erzeugt ein für die Drehzahl der Spindel bzw. das Fräswerkzeug charakteristisches Signal, welches über die Leitung 1 zur Verfügung steht. Von der Stromversorgung PS des Gleichstrommotors M1 wird die abgegebene Leistung dadurch festgestellt, daß die angelegte Spannung mit dem über einen Nebenschluß ermittelten Ankerstrom multipliziert wird. In einer Steuerschaltung 2 kann auf Grund der Kenntnis der Spindeldrehzahl und der tatsächlich verbrauchten Leistung, welche aufgezeichnet und einem Vergleich unterzogen wird, kontinuierlich der Zustand des Fräswerkzeugs DT ermittelt werden, indem z. B. ein übermäßiger Leistungsverbrauch festgestellt wird oder nicht genügend Leistung an der Grenzschicht zwischen Werkzeug DT und Werkstück WP zur Verfügung steht. Wenn der Motor M1 ein Induktionsmotor ist, läßt sich aus der Spannung dem Strom und dem Phasenwinkel als Parameter die tatsächliche die Werkzeugspindel SD antreibende Leistung ableiten. Das Werkstück wird gegen das Werkzeug mit einer Geschwindigkeit verschoben, die mit Hilfe des Motors M2 ermittelt wird, der den Vorschub des Werkstückes WP bewirkt. Die Steuerschaltung 2 paßt die Vorschubgeschwindigkeit automatisch an, indem über eine Leitung 4 eine Steuerschaltung 6 angesteuert wird, welche über eine Leitung 4a unmittelbar die Drehgeschwindigkeit des Motors M2 einstellt. Die Motordrehzahl wird über eine Leitung 30 und eine Leitung 30a zurück zur Steuerschaltung 2 gemeldet. Ausgehend von der Annahme, daß der Motor M1 ein Gleichstrommotor ist, wird die Vorschubgeschwindigkeit für einen optimalen Werkzeugeingriff mit Hilfe einer geeigneten Beziehung zwischen dem Drehzahlsignal auf der Leitung 1 und dem Leistungssignal auf der Leitung 3 bestimmt. Ferner erzeugt die Steuerschaltung über die Leitung 5 ein Warnsignal, so daß die Bedienungsperson feststellen kann, wenn keine optimalen Einsatzbedingungen mehr gegeben sind und insbesondere das Werkzeug stumpf geworden ist, und damit die Qualität der Bearbeitung nicht mehr gegeben ist.

Die Differenz des Leistungsbedarfs unter Last und im Leerlauf kann also kennzeichnend für die Kraft betrachtet werden, welche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wirksam ist. Die Steuerschaltung 2 gemäß Fig. 1 registriert zunächst die Leerlaufdrehzahl des Motors M1 über die Leitung 1 und den Tachometer T. Wenn anschließend das Werkzeug mit dem Werkstück in Eingriff kommt, wird diese der Leerlaufdrehzahl zugeordnete Größe als Regelabweichung zu der Leistung angesehen, welche über die Leitung 3 vom Wattmeter WTT aus eingegeben wird. Damit kann jede Korrektur der Arbeitsbedingung dadurch eingestellt werden, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes und nicht die dem Motor M1 zugeführte Leistung geändert wird, da eine Änderung der Leistung des Motors eine Änderung der Leerlaufdrehzahl und damit der Regelabweichung mit sich bringen würde. Unabhängig von den Arbeitsbedingungen des Werkzeugs kann eine Anpassungssteuerung über den Motor M2 erfolgen und damit die Vorschubgeschwindigkeit beeinflußt werden. Die Programmierung des Werkzeugeinsatzes über die Steuerschaltung 2 wird zuverlässiger und leichter.

Die Drehzahl der Spindel wird kontinuierlich ermittelt und für die Anpassungssteuerung benutzt, wie dies bei dem US-Patent 35 71 834 der Fall ist, jedoch wird die Leerlaufdrehzahl daneben als Regelabweichung verwendet, welche als Funktion der dem Motor M1 zugeführten Leistung automatisch geändert wird, wenn die Leistung der Stromversorgung PS des Motors M1 über die Leitung 7 durch die Steuerschaltung 2 geändert wird.

In Fig. 2 ist eine Analogschaltung dargestellt, welche in der Steuerschaltung 2 gemäß Fig. 1 Verwendung findet, und eine Maßgröße für die Nettoleistung in Abhängigkeit von der Leistung liefert, welche auf der Leitung 200 zur Verfügung steht. Es sei angenommen, daß die Spindel von einem Induktionsmotor angetrieben wird, und ein die Leistung PC kennzeichnendes Signal, nämlich PC = V × I × cos Φ an der Leitung 200 abgegriffen und der Steuerschaltung 2 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Steuerschaltung wird über die Leitung 3 und einen Widerstand R2 normalerweise einem Operationsverstärker OA1 zugeführt, welcher vom Ausgang zum Eingang mit einer Rückkopplungsschaltung versehen ist, welche die Zeitkonstante R1C1 hat. Das analoge Ausgangssignal des Operationsverstärkers auf der Leitung 61 wird in einem Analog/Digitalwandler 62 in ein digitales Signal umgewandelt, welches auf der Leitung 63 zur Verfügung steht. Diese digitalen Daten werden von einem Computer in Abhängigkeit von dem Werkzeug DT dem Motor M1 und dem Werkstück WP verarbeitet. Wenn die Spindel SD und der Motor M1 leerlaufen, d. h. wenn das Werkzeug DT nicht im Eingriff mit dem Werkstück WP steht, fließt über die Leitung 3 eine bestimmte Leistung. Unter diesen Leerlaufbedingungen wird das analoge Signal von einem Analog/Digitalwandler 64 in ein digitales Signal umgewandelt, welches über eine Leitung 9 einer Latch-Schaltung 8 zugeführt wird. Diese Latch-Schaltung 8 ist über eine Leitung 11 von außen rückstellbar. Die in der Latch-Schaltung 8 festgehaltenen digitalen Daten werden dann nach einer Umwandlung im Digital/Analogwandler 10 als Regelabweichung der Steuerschaltung 2 zugeführt. Wenn das Werkzeug DT im Arbeitsbetrieb Material abhebt, wird über die Leitung 3 eine Leistung abgeleitet, die über der Leistung im Leerlauf liegt. Infolgedessen wird auf der Leitung anstelle der Gesamtleistung die durch die digitalen Daten repräsentierte Nettoleistung konstant ermittelt. Wenn unterschiedliche spanabhebende Betriebsbedingungen vorliegen, wird der in der Latch-Schaltung 8 festgehaltene Wert über die Leitung 11 auf Null zurückgesetzt, so daß ein anderer der Regelabweichung entsprechender Wert jedesmal eingestellt werden kann, wenn mit einem neuen spanabhebenden Betrieb begonnen wird.

In Fig. 3 ist eine digitale Schaltung für denselben Zweck wie die Schaltung gemäß Fig. 2 dargestellt. Das analoge auf der Leitung 200 anliegende Leistungssignal wird in der Schaltung 13 in eine Impulsfolge umgewandelt, deren Frequenz proportional der Amplitude des Signals Vp auf der Leitung 200 ist. Die Schaltung 13 kann in herkömmlicher Weise aus einem spannungsgesteuerten Oszillator bestehen. Während einer durch die Schaltung 22 definierten Abtastperiode, die von einem Taktsignal über die Leitung 24 gesteuert wird, zählt ein Vorwärts/Rückwärtszähler 15 eine bestimmte Anzahl Impulse. Die ausgezählte Impulszahl wird über die Leitung 16 in einer Latch-Schaltung 17 festgehalten, und steht über die Leitung 18 als digitale Größe z. B. für einen Computer zur Verfügung. Während des Leerlaufbetriebs wird die über die Leitung 14 angelegte Größe im Zähler ausgezählt und in einem Speicher 20 gespeichert. Diese die Regelabweichung darstellende Größe wird für die Rückwärtszählung dem Zähler 15 zugeführt, und damit von dem Zählwerk subtrahiert, welcher konstant während jeder Abtastperiode über die Leitung 14 angelegt wird. Auf diese Weise wird die Meßgröße für die Nettoleistung gebildet, welche in der Latch-Schaltung 17 festgehalten und an der Ausgangsleitung 18 zur Verfügung steht.

In Fig. 4 ist eine digitale Schaltung für die Herleitung einer Meßgröße der Nettoleistung in Abhängigkeit von einem Spannungssignal Vp auf der Leitung 200 dargestellt, wobei diese Schaltung eine spezielle Ausführungsform einer Alternative der Schaltung gemäß Fig. 3 ist.

Mit Hilfe einer konventionell erhältlichen integrierten Schaltung ist ein Spannungs/Frequenzwandler 13 aufgebaut. Die über den Stift 9 zugeführte Eingangsspannung Vp steht am Stift 1 und der Ausgangsleitung 14 als entsprechende Impulsfolge zur Verfügung. Diese Impulsfolge wird über die Leitung 14 einem Zähler 15 zugeführt, der aus drei integrierten Schaltungen IC1, IC4 und IC7 aufgebaut ist. Die in einer Folge an den Stiften 15 empfangenen Impulse werden in eine digitale Zahl umgewandelt, welche an Stiften der IC-Schaltungen des Zählers zur Verfügung stehen. Es werden lediglich 10 Bits verwendet, um den digitalen Zählwert zu repräsentieren. Ein 10-Bit multiplizierender Digital/Analogwandler 30 liefert zwischen den Stiften 7 und 6 ein analoges Signal, welches zwischen dem nicht-invertierenden und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers wirksam ist. Dieser Operationsverstärker liefert ausgangsseitig über eine Leitung 34 ein Signal, welches dem Signal auf der Leitung 18 der Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht. Die Verstärkung des Digital/Analogwandlers 30 wird mit Hilfe eines Steuersignales festgelegt, welches über die Leitung 31 und den Stift 3 zugeführt wird.

Die Abtastschaltung 22 gemäß Fig. 3 ist in Fig. 4 durch eine Schaltung verwirklicht, welche mit den beiden integrierten Schaltungen IC10 und einem Flip-Flop N4/N5 aufgebaut ist. Über die Leitungen 40 und 41 wird ein 60 Hertz-Signal angelegt, welches eine Oszillatorschaltung triggert, die den Widerstand R3 und den Kondensator C3 umfaßt. Auf diese Weise wird ein logisches Eingangssignal am Verbindungspunkt zwischen einer Diode D3 und einer Zenerdiode Z3 erzeugt, welches über ein NOR-Glied N3 den ersten IC10 am Pin 4 triggert. Zwischen den Pins 16 und 2 liegt ein 10 kOhm-Widerstand, der zusammen mit einem 1000 pF-Kondensator zwischen den Stiften 2 und 1 das Zeitintervall zwischen alternierenden Q-Zuständen des IC10 an den Stiften 7 und 9 sowie den Stiften 6 und 10 bestimmt.

Dementsprechend erzeugt der Flip-Flop N4/N5 auf der Ausgangsleitung 47 ein Signal, welches an die Stifte 10 der IC1, IC4 und IC7, welche den Vorwärts/Rückwärtszähler 15 bilden, gelegt wird. Das vom Stift 10 des IC10 gelieferte Transfersignal wird über die Leitung 45 an die Stifte 1 der IC1, IC4 und IC7 angelegt.

Mit Hilfe von zwei in Fig. 4 dargestellten Schaltern SW1 und SW2 können zwei Schaltzustände I und II eingestellt werden. In dem Schaltzustand I gemäß Fig. 4 liefert der mit Hilfe des IC10 gebildete Oszillator am Stift 6 ein logisches Impulssignal mit der Abtastfolge, welches über die Leitungen 51 und 50 sowie den geschlossenen Schalter SW1 an die Stifte 5 von integrierten Schaltungen IC3, IC6 und IC9 angelegt wird, wodurch diese IC's kontinuierlich zurückgestellt werden, so daß sie keine Regelabweichung festhalten können. Gleichzeitig wird der Zählstand kontinuierlich auf den neuesten Stand gebracht.

Wenn die der Leerlaufdrehzahl der Spindel zugeordnete Leistung als Regelabweichung genommen wird, werden die Schalter SW1 und SW2 in die Position II gebracht. Der über die Zählerausgänge zur Verfügung stehende Zählerstand erscheint auch auf den Leitungen 19, 19&min;, 19&min;&min; als Eingangssignal zu den integrierten Schaltungen IC3, IC6 und IC9. Da der Schalter SW1 in der Position I an Masse liegt, halten die IC3, IC6 und IC9 den auf den Leitungen 19, 19&min; und 19&min;&min; erscheinenden digitalen Werte. Der auf diese Weise gespeicherte Zählwert entspricht der Regelabweichung, welche dem Speicher 20 gemäß Fig. 3 zugeführt wird. Der in diesem Speicher gespeicherte Wert wird über die Leitungen 21 laufend an die integrierten Schaltungen IC2, IC5 und IC6 übertragen. Durch die Stellung des Schalters SW2 in der Position II wird die Spannung VCC über die Leitung 52 an einen Inverter N6 und anschließend über die Leitungen 125 an die Stifte 14 und 9 der IC2, IC5 und IC8 übertragen. Das Ergebnis der Subtraktion wird an die drei integrierten Schaltungen IC1, IC4 und IC7 übertragen, welche den Vorwärts/Rückwärtszähler 15 bilden und stellen die Regelabweichung dar. Damit ergibt sich, wenn das Werkzeug in Betrieb ist und Material abträgt, und ferner, wenn die Schalter SW1 und SW2 in der Pos. I sind, daß das über die Leitungen 45 angelegte Taktsignal den Nettozählstand erscheinen läßt. Dieses digitale Signal, welches die Nettoleistung kennzeichnet, kann dann entweder gespeichert und/oder anderweitig benutzt werden. Dieser digitale Zählstand wird im Digital/Analogwandler 30 in ein analoges Signal für die Nettoleistung umgewandelt und steht am Ausgang des Operationsverstärkers OA2 über die Leitung 34 zur Verfügung.

In Fig. 5 ist ein auf der Nettoleistung beruhendes Überwachungssystem für die Werkzeugbenutzung für eine Werkzeugmaschine mit einer Vielzahl von Werkzeugen dargestellt. Dabei zeigt die Darstellung einen Überwachungskanal für ein Werkzeug DTA, welches einer durch einen Motor M1 angetriebenen Spindel SD1 zugeordnet ist. Weitere Werkzeuge DTB, DTC und DTD sind entsprechend an Spindeln SD2, SD3 und SD4 angeordnet und von Motoren M1&min;, M1&min;&min; und M1&min;&min;&min; angetrieben. Jedem dieser Werkzeuge ist ein gleichartiger im Aufbau gemäß Fig. 5 entsprechender Überwachungskanal zugeordnet.

Im Überwachungskanal spricht ein Wattmeter WTT auf die Spannung an den Eingängen 101 und den Strom an den Eingängen 102 an, um ausgangsseitig ein kontinuierliches anloges Signal über die Leitung 200 zur Verfügung zu stellen, welche die Augenblicksleistung Vp repräsentieren. Das der Augenblicksleistung entsprechende Signal Vp wird über einen Vorverstärker in Form eines Operationsverstärkers OA3 weiter übertragen, der ausgangsseitig auf der Leitung 201 ein Signal liefert, welches im Normalzustand das tatsächliche Drehmoment an der Spindel SD1 repräsentiert. Der die Spindel SD1 antreibende Motor M1 besteht bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Dreiphasenmotor mit einer Leistung von etwa 6,7 kW, welcher mit einer zwischen etwa 20 Hz bis etwa 120 Hz veränderbaren Frequenz betrieben werden kann.

Das Signal auf der Leitung 201 wird an ein digitales Voltmeter 103 (DVM) angelegt, welches ausgangsseitig über Leitungen 111 ein aus mehreren Bits bestehendes digitales Signal liefert, das dem eingangsseitigen analogen Signal entspricht. Ferner wird das Signal auf der Leitung 201 über die Leitung 202 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OA4 übertragen. Das digitale Voltmeter 103 hat die Eigenschaft, das empfangene und gemessene Signal so lange festhalten zu können, bis es durch ein Rückstellsignal über die Leitung 110 zurückgestellt wird. Das über die Leitungen 111 zur Verfügung stehende digitale Signal wird im Digital/Analogwandler 106 in ein analoges Signal umgewandelt. Dieses analoge Signal wird über die Leitung 120 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA4 übertragen, der ausgangsseitig an einen Verbindungspunkt J7 angeschlossen ist, und von diesem aus ein weiteres digitales Voltmeter 104 ansteuert. Ein digitales Voltmeter, wie es an dieser Stelle Verwendung findet, arbeitet nach seinem eigenen Zyklus und empfängt z. B. jede halbe Sekunde den Eingangswert, um diesen so lange festzuhalten, bis der Zyklus durch die Rückstellung von neuem beginnt. Unter Berücksichtigung der Erläuterungen in Verbindung mit den Fig. 2 oder 3 ergibt sich, daß wenn der Motor M1 im Leerlauf arbeitet und das Werkzeug DTA nicht am Werkstück WP anliegt, das analoge Signal von der Leitung 201 ein digitales Signal verursacht, welches festgehalten wird und über die Leitungen 111 als festgehaltener Wert am Eingang 120 des Operationsverstärkers OA4 wirksam ist. Wenn das Werkzeug DTA zu arbeiten beginnt und in das Werkstück eindringt, erscheint der tatsächliche Leistungsaufwand über die Leitung 202, so daß zu diesem Zeitpunkt vom Operationsverstärker OA4 die Nettoleistung durch das Ausgangssignal auf der Leitung 112 repräsentiert wird. Diese Nettoleistung ergibt sich aus der über die Leitung 202 wirksamen Arbeitsleistung vermindert um die über die Leitung 120 repräsentierte Leerlaufleitung.

Das der Nettoleistung auf der Leitung 112 zugeordnete Signal wird vom Verbindungspunkt J7 aus an das digitale Voltmeter 104 angelegt, welches nicht extern rückstellbar ist. Dieses Voltmeter stellt den Zahlenwert der laufenden Nettoleistung dar. Ein dem Voltmeter nachgeschalteter Komparator 105 hat einen unteren Schwellwert LO und einen oberen Schwellwert HI sowie ein Mittelniveau AV. Damit wird angezeigt, ob die Nettoleistung unter, über oder zwischen den Schwellwerten liegt, welche als kritische Werte für bestimmte Betriebszustände bestimmter Werkzeuge gelten können. So entspricht z. B. der untere Schwellwert LO einem besonders dünnen Span, wogegen der obere Schwellwert HI einem besonders dicken Span entspricht. Im einen Fall würde das Werkzeug gebrochen sein, wogegen im anderen Fall die Gefahr eines Bruches besteht. Die drei möglichen Informationen werden aufgezeichnet und dargestellt, und zwar entsprechend dem Status des Komparators 105. Das Ausgangssignal über die Leitung 114 vom Komparator 105 wird über einen Gleichrichter DE1 an einen Verbindungspunkt J4 übertragen, an welchen alle vier Kanäle angeschlossen sind und welcher über die Leitung 118 eine Alarmeinrichtung betätigen kann, wenn immer der Komparator 105 oder ein entsprechender Komparator der übrigen Kanäle ein den oberen Schwellwert entsprechendes Signal abgibt. Vom Verbindungspunkt J6 zwischen der Leitung 114 und dem Gleichrichter DE1 führt eine Leitung zu einer Lampe LT1, die einen extremen Wert der Nettoleistung 113 optisch anzeigt, wobei diese optische Anzeige bedeuten kann, daß die Nettoleistung größer als eine vorgegebene Grenzleistung ist. Die Lampe LT1 kann über eine Leitung 115 abgeschaltet werden.

Das Signal auf der Leitung 112 wird auch vom Verbindungspunkt J7 zu dem für alle Kanäle gemeinsamen Verbindungspunkt J1 übertragen, wenn der Schalter SW3 geschlossen ist. Der Verbindungspunkt J1 ist an einen Eingang, und zwar den integrierenden Eingang eines Operationsverstärkers OA5 angeschlossen, welcher mit einer an diesen Eingang angeschlossenen Rückkopplung über einen Kondensator C5 versehen ist. Ferner liegt der Verbindungspunkt J1 über eine Diode D1 an einem für alle Kanäle gemeinsamen Verbindungspunkt J2, an welchem auch die Dioden D2, D3 und D4 angeschlossen sind. Der Verbindungspunkt J2 liegt am zweiten Eingang des Operationsverstärkers OA5. Der integrierende Eingang des Operationsverstärkers OA5 ist ferner mit dem Schleifer eines Potentiometers R5 verbunden, welches zwischen einem Bezugspotential und Masse liegt. Ausgangsseitig ist der Operationsverstärker OA5 über eine Leitung 116 und eine Diode DE2 an einen Verbindungspunkt J5 angeschlossen, von welchem aus eine Lampe LT2 nach Masse verläuft und welcher ferner über einen für alle Kanäle gemeinsamen Verbindungspunkt J3 sowie eine Leitung 119 mit einer Alarmeinrichtung verbunden ist, welche auf einen Werkzeugbruch anspricht.

Aus der Zeichnung kann man ableiten, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OA5 den Bruch eines Werkzeuges kennzeichnet, wenn das Nettoleistungssignal auf der Leitung 112 einen niederen Wert für eine minimale Zeitdauer beibehält, welche durch die Zeitkonstante C5, R5 im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers bestimmt ist. Der Widerstand R5 kann mit Hilfe des Potentiometers eingestellt werden, um die Abweichung von der normalen Amplitude des Nettoleistungssignals auf der Leitung 112 festzulegen, ab welchem das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OA5 das kritische Niveau erreicht. Beim Erreichen des kritischen Niveaus wird die Diode DE2 leitend und betätigt die Lampe LT2 sowie die Alarmeinrichtung über den Verbindungspunkt J3 und die Leitung 119.

An den Verbindungspunkt J7 ist über die Leitung 121 ein Integrator 122 angeschlossen, welcher das Nettoleistungssignal entsprechend der Gleichung 2 integriert. Das über die Leitung 123 abgegebene Ausgangssignal des Integrators 122 repräsentiert den Energieverbrauch durch das Werkzeug DTA. Wie bereits erwähnt, wird über die Leitung 113 ein Signal geliefert, welches die Nettoleistung kennzeichnet, wenn das Werkzeug mit dem Werkstück unter normalen Arbeitsbedingungen in Eingriff steht. Wie das Signal auf der Leitung 113 wird auch das Signal auf der Leitung 123 an einen Komparator 124 übertragen, der über eine externe Bezugsspannung auf ein bestimmtes Bezugsniveau eingestellt ist. Sobald der Schwellwert des Bezugsniveaus im Komparator 124 überschritten wird, ergibt sich ausgangsseitig ein Signal, welches über den Verbindungspunkt J8 eine Lampe LT3 zum Aufleuchten bringt, und ferner über die Diode DE3 und die Leitung 125 eine Alarmeinrichtung betätigt. Die Lampe LT3 ist abschaltbar. Mit dem Aufleuchten der Lampe LT3 und der Auslösung des Alarmsignals über die Leitung 125wird ein zu großer Energieverbrauch durch das Werkzeug DTA festgestellt, d. h. die verbrauchte Energie ist größer als der eingestellte Grenzwert für den Energieverbrauch. Eine entsprechende Anzeige erfolgt für die Werkzeuge DTB, DTC und DTD über die weiteren Kanäle.

Diese Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht zwischen der Größe der verbrauchten Nettoleistung bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert und der Größe des Gesamtenergieverbrauchs bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert zu unterscheiden. Im ersten Fall ist das System in der Lage, eine übermäßige auf das Werkzeug wirkende Kraft festzustellen, welche auf eine drohende Panne bzw. ein bevorstehendes Versagen hinweist, wogegen im zweiten Fall das System kontinuierlich oder intermittierend die Abnutzung eines bestimmten Werkzeugs anzeigt, welches dazu führt, daß man den Verbrauch einer bestimmten Grenzenergiemenge erkennt bzw. daß diese und damit die optimale Standzeit des Werkzeugs überschritten ist. Diese Anzeige weist darauf hin, daß der Austausch des Werkzeugs angebracht ist. Schließlich wird mit der Schaltung gemäß Fig. 5 auch der tatsächliche Bruch eines Werkzeugs angezeigt.

In Fig. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und umfaßt eine Werkzeugmaschine, welche von einem Computer gesteuert wird. Der Gleichstrommotor M1 treibt die Spindel SD der Werkzeugmaschine an und wird über die Leitungen L1 und L2 mit elektrischer Energie versorgt. In der Leitung L2 liegt ein Shunt SH zur Messung des Stromes I, um in einem Wattmeter zusammen mit der Spannung V ein Spannungssignal über die Leitungen 200 und 200&min; abzugeben, welches die Augenblickleistung kennzeichnet. Mit Hilfe des Spannungs/Frequenzwandlers 13 wird eine Impulsfolge erzeugt und über die Leitung 14 abgegeben, deren Impulsfrequenz von der Amplitude des eingangsseitigen Spannungssignals abhängig ist. Die Spindel SD treibt einen Tachometer T an, an welchem die Drehzahl der Spindel abgreifbar ist. Mit Hilfe der Spindel SD wird das Werkzeug DTA in Bewegung gesetzt, welches mit dem Werkstück WPentsprechend der Einstellung der Werkzeugmaschine in Eingriff kommt. In der Darstellung ist lediglich der Antrieb des Werkzeugs um die Achse der Spindel SD und der Eingriff mit dem Werkstück WP schematisch angedeutet. Aus der Zeichnung geht nicht hervor, wie die relative Lage zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück in der Leerlaufposition und in der Bearbeitungsposition bewirkt wird. Diese Maßnahmen sind jedoch dem Fachmann vertraut, wobei davon auszugehen ist, daß z. B. bei einer Drehbank das Werkzeug gegen ein sich drehendes Werkstück abweichend von der Andeutung gemäß Fig. 6 zu verschieben ist.

Über die Leitung 14 wird die Impulsfolge einem Vorwärts/Rückwärtszähler 15 zugeführt, der an seinem Ausgang 16 eine Zahl abgibt, die für die gesamte vom Wattmeter WTT erfaßte Leistung, d. h. für die gesamte dem Motor M1 zum Antrieb zugeführte Leistung repräsentativ ist. Wenn das Werkzeug mit dem Werkstück nicht in Eingriff steht und sich die Spindel SD leer dreht, läuft der Motor M1 mit einer minimalen Leistungsanforderung. Unter diesen Umständen wird der über den Ausgang 16 abgegebene Zählerstand, der über die Leitung an den Speicher 20 übertragen wird, festgehalten. Wenn das Werkzeug DT in eine Position gebracht wird und vom Werkstück Material abträgt, steigt die Leistungsanforderung des Motors M1 an. Infolgedessen hat die Impulsfolge auf der Leitung 14 eine höhere Frequenz. Die Abweichung wird über die Leitungen 21 vom Speicher 20 aus automatisch vom Zählerstand im Zähler 15 abgezogen. Damit erhält man wie bereits in Verbindung mit Fig. 3 erläutert im Zähler 15 und damit am Ausgang 16 einen Wert für die Nettoleistungsanforderung des Motors M1, d. h. für die Leistungsanforderung, welche für die Bearbeitung durch das Werkzeug DTA notwendig ist. Mit Hilfe der Latch-Schaltung 17 wird der Nettoleistungswert am Ausgang 16 festgehalten. Entsprechend dem Wert der Gleichung (2) liefert der mit der Werkzeugmaschine assoziierte Computer entsprechend dem Signal über die Leitung 3 das Integral der Nettoleistung als Funktion der Zeit in Abhängigkeit vom Arbeitseinsatz des Werkzeugs DTA.

Der Computer kann Teil der Werkzeugmaschine sein, um diese numerisch zu steuern. Es ist auch möglich, die numerische Steuerung der Maschine an dieser allein oder in Parallelanordnung mit anderen Maschinen vorzusehen, wobei ein Zentralcomputer die einzelnen Maschineneinheiten individuell nach einem gemeinsamen Programm steuert. In Fig. 6 ist ein Computer dargestellt, welcher einer Werkzeugmaschine zugeordnet ist. Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Erfindung auch für den kontinuierlichen oder intermittierenden Betrieb von einem oder mehreren Werkzeugen DTA, DTB, DTC usw. einsetzbar ist. Wenn ein Werkzeug seine einer normalen Lebensdauer entsprechende Standzeit erreicht hat, wird es durch ein anderes ersetzt. Auch wenn ein Werkzeug frühzeitig ausgetauscht wird, ist die verbleibende Restlebensdauer bekannt und kann registriert werden, so daß das Werkzeug entsprechend erneut eingesetzt werden kann, bis zum Ende seiner Lebenserwartung. Der Computer überwacht den tatsächlichen Einsatz aller Werkzeuge, indem die Art und der Umfang der Aktivität aufgezeichnet wird.

Die integrierte Nettoleistung, welche gemäß der Erfindung der Hauptparameter für die Überwachung der Lebenserwartung eines Werkzeugs ist, wird vom Computer erfaßt. In den Computer wird auch die Spindeldrehzahl über die Leitung 1 gemäß Fig. 1 bzw. die Leitung 363 gemäß Fig. 6 eingegeben. Über die Leitungen 151 gibt der Computer an die Werkzeugmaschine Befehle in Abhängigkeit von dem über die Leitung 357 erhaltenen Maschinenstatus ab. Die Bedienungsperson kann für das System Maschinendaten über die Leitung 154 in den Computer eingeben und kann alle relevanten Daten für jedes der Werkzeuge über die Leitung 155 vorgeben. Über die Leitungen 316 bzw. 25 kann der Speicher 20 vom Computer zurückgestellt werden, wenn immer infolge eines Leerlaufzustandes eine neue Regelabweichung erforderlich ist. Die Grenzwerte für die Leistung und die Energie werden über die Leitungen 118 und 125 eingegeben, wogegen ein Fehlerzustand über die Leitung 119 einen Alarm auslösen kann.

Die Betriebsweise des Überwachungssystems gemäß Fig. 6 wird an Hand von Flußdiagrammen erläutert.

Zunächst werden in den Computer Daten eingespeichert, die in Beziehung zu den in Benutzung stehenden Werkzeugen bzw. zu den Werkzeugen, welche benutzt werden sollen, stehen, und zwar entsprechend der nachfolgenden Tabellen:

Tabelle I

Daten über die Werkzeugart

Werkzeugtype

Einsatzzeitlimit

Nettoleistungslimit

Gesamtenergieverbrauchslimit

Limit für Einsatzhäufigkeit

Tabelle II

Individuelle Werkzeugdaten

Werkzeugart

Werkzeugnummer

Häufigkeit des Einsatzes

Summierte Gesamteinsatzzeit

Maximale Nettoleistung

Summierter Gesamtenergieverbrauch

Einsatzzeit übersteigend Nettoleistungslimit

Einsatzzeit übersteigend Gesamtenergieverbrauchslimit

Einsatzzeit übersteigend Einsatzzeitlimit

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 7 illustriert das auf einen Werkzeugwechsel bei 350 folgende Unterprogramm. Das System stellt durch die Abfrage 351 fest, ob die Werkzeugmaschine NC bzw. 356 aktiviert ist oder nicht. Dies wird über die Linie 357 mit Hilfe eines Statussignals gemäß Fig. 6 ermittelt. Wird keine Aktivität ermittelt, so verläuft die Routine über N zum Ende 353 und zurück nach C zur erneuten Abfrage über die Linie 354. Diese Routine wird so lange beibehalten, bis die Abfrage 351 bejaht wird und das System über die Linie 358 über eine neue Abfrage 359 feststellt, ob sich die Spindel dreht. Dies wird festgestellt, indem über die Linie 363 ein entsprechendes Signal vom Spindeltachometer 362 geliefert wird. Bei einer Verneinung der Abfrage geht die Routine über die Leitung 360 und das Ende 361 des Unterprogramms zurück nach C, um eine erneute Abfrage auszulösen. Wird die Abfrage 359 bejaht, dann wird über die Linie 364 die Abfrage 365 ausgelöst und festgestellt, ob sich der Spindelmotor M1 dreht. Dies läßt sich über die Linie 371 durch das Ausgangssignal des Wattmeters WTT (370) feststellen. Wird die Abfrage verneint, dann steht diese Antwort im Gegensatz zur Antwort über die Linie 364, so daß das System über die Linie 366 und die Anweisung 367 einen Fehleralarm auslöst. Die Routine geht weiter über die Linie 368 zum Ende 369 und zurück nach C. Wird die Abfrage 365 bejaht, so wird über die Linie 372 eine neue Abfrage 373 danach eingeleitet, ob ein Programm eingespeist ist. An dieser Stelle kann das System entweder bei einer Bejahung über die Linie 378 zur Anweisung 379 übergehen und eine Bearbeitungs-Flag setzen, bzw. bei einer Verneinung über die Linie 374 die Anweisung 375 geben und eine Leerlauf-Flag setzen. Wie bereits anhand der Fig. 6 erläutert, hat der Vorwärts/Rückwärtszähler 15 eine Rückspeisung über die Linie 19 in den Speicher 20, wenn die Leerlauf-Flag gesetzt ist, so daß das System den Wert der Regelabweichung liefert. Wenn über eine Bejahung die Bearbeitungs-Flag gesetzt ist, wird am Ausgang des Vorwärts/Rückwärtszählers 15 über die Linie 16 Nettoleistung abgenommen. In jedem Fall endet damit das Unterprogramm gemäß Fig. 7, indem im Leerlaufbetrieb das System nach dem Programmablauf weiterfährt und im Schneidbetrieb das Programm zu Ende ist.

In Fig. 8 ist der Programmablauf des Gesamtbetriebs für das Überwachungssystem gemäß der Erfindung erläutert. Der Programmablauf beginnt bei A über die Linie 328 zur Anweisung 350 für einen Werkzeugwechsel. Nach dem Werkzeugwechsel erfolgt die Anweisung 302, mit welcher die Grenzdaten über die Werkzeugart gemäß Tabelle I aus einem ROM 303 eingegeben werden. Danach werden über eine Anweisung 304 aus einem ROM 305 die individuellen Werkzeugdaten gemäß Tabelle II eingegeben. Der Programmablauf führt dann über die Linie 327 zur Anweisung 306. Durch diese Anweisung macht das System eine Überprüfung, und zwar des Maschinenstatus über die Linie 357, der Nettoleistung über die Linie 371, der Spindeldrehzahl über die Linie 363, wie dies anhand des Unterprogramms gemäß Fig. 7 bereits erläutert wurde. Weitere Möglichkeiten zur Überprüfung des Maschinenstatus ist die Einspeisung der Vorschubgeschwindigkeit. Nach dieser Überprüfung sieht der Programmablauf eine Abfrage 308 vor, mit der festgestellt wird, ob ein neues Werkzeug benötigt wird. Im Falle der Bejahung über die Linie 309 und die Anweisung 311 geht die Routine über die Linie 312 zurück zur Anweisung 305, d. h. es erfolgt eine Änderung der individuellen Werkzeugdaten gemäß Tabelle II. Im weiteren Verlauf der Routine wird über die Anweisung 313 ein Flag gesetzt, welche einen Werkzeugaustausch kennzeichnet. Über die Linie 314 und das Ende 331 der Routine geht der Programmablauf zurück nach A.

Wenn jedoch die Abfrage 308 verneint wird, folgt über die Linie 310 die Abfrage 315, mit welcher festgestellt werden soll, ob die Maschine leer läuft. Diese Abfrage ist notwendig, bevor die Regelabweichung ermittelt und im Speicher 20 gemäß Fig. 6 festgehalten werden soll. Wird die Abfrage bejaht, dann folgt über die Linei 316 die Anweisung 329, mit welcher der Speicher 20 zum Abspeichern der Regelabweichung zurückgestellt wird. Über die Linie 317 und das Ende 330 geht die Routine zum Anschluß B zurück und wird über die Leitung 326 in den Programmablauf wieder eingeschleust, d. h. daß erneut die Spindeldrehzahl, und zwar die Leerlaufdrehzahl sowie die übrigen Statussignale ermittelt werden. Wenn die Abfrage 351 verneint wird, erfolgt über die Linie 318 die Anweisung 319 entsprechend welcher die integrierten und akkumulierten Gebrauchsdaten des Werkzeugs ermittelt werden. Der damit verbundene Programmablauf ist in Fig. 9 dargestellt. Mit der Verneinung der Abfrage 315 gemäß Fig. 8 befindet sich die Werkzeugmaschine im Arbeitsbetrieb gemäß dem Anfang 400 des Programmablaufs nach Fig. 9. In diesem Unterprogramm wird über die Abfrage 401 festgestellt, ob die Nettoleistung größer als der frühere Maximalwert ist. Bei der Bejahung folgt über die Linie 402 die Anweisung 403 zur Anpassung der Nettoleistung an den Maximalwert. Wenn die Abfrage 401 verneint wird, wird der Programmablauf über die Linie 405 in die Linie 404 eingeschleust. Anschließend erfolgt die Anweisung 406, mit welcher die Einsatzzeit des Werkzeuges und die verbrauchte Energie auf den neuesten Stand gebracht wird. Danach endet die Routine über die Linie 407 und das Ende 408. Anschließend wird das Hauptprogramm gemäß Fig. 8 weiterverfolgt, und zwar über die Linie 320 mit der Abfrage 321. Mit dieser Abfrage wird festgestellt, ob irgendein Limit überschritten ist. Diese Abfrage ist im einzelnen an Hand des Unterprogramms gemäß Fig. 10 erläutert. Im Anfang 450 für die Werkzeugüberprüfung folgt über die Linie 451 die Abfrage 452, mit welcher festgestellt wird, ob die Nettoleistung größe als ein bestimmter vorgegebener Leistungswert HI ist. Bei der Bejahung folgt über die Linie 453 die Feststellung 454, wonach der zeitliche Zuwachslimit überschritten wurde und die Anweisung 455 zum Setzen von Alarm-Flags gesetzt wird. Es handelt sich dabei um folgende Flags:

  • 1. sofortiger Stop,
  • 2. Stop am Ende des Bearbeitungslaufes,
  • 3. Stop zum Werkzeugwechseln.


Über die Linie 456 geht der Programmablauf zurück zur Linie 457, welcher einer Verneinung der Abfrage 452 zugeordnet ist. Anschließend folgt die Abfrage 458, mit welcher festgestellt wird, ob der gesamte Energieverbrauch größer als das Gesamtenergieverbrauchslimit ist. Bei einer Bejahung erfolgt über die Linie 459 die Feststellung 460, daß das zeitliche Zuwachslimit überschritten wurde und folglich über die Anweisung 461 die Alarm-Flags 2 bzw. 3 gesetzt werden. Über die Linie 462 geht die Routine zurück zur Hauptroutine, welche bei der Verneinung der Abfrage 458 über die Linie 463 weiterläuft. Der nächste Schritt im Programmablauf ist die Abfrage 464, mit welcher festgestellt wird, ob die Einsatzzeit größer als das hierfür vorgesehene Zeitlimit ist. Bei eine Bejahung wird über die Linie 465 die Feststellung 466 gemacht, daß der zeitliche Zuwachslimit überschritten wurde. Damit werden über die Linie 467 und die Anweisung 468 die Alarmflags 2 und 3 gesetzt. Danach geht die Routine über die Linie 469 zum Programmablauf bei einer Verneinung der Abfrage 464 zurück und folgt der Linie 470 zum Ende 471 des Unterprogramms, von wo aus eine erneute Einschleusung in das Hauptprogramm im Punkt B erfolgt. Die Abfrage 321 über die Linien 322 und 324 sowie die Anweisung 323 gemäß Fig. 8 stellen eine vereinfachte Darstellung des Unterprogramms gemäß Fig. 10 dar. Das Ende 471 des Unterprogramms gemäß Fig. 10 entspricht dem Ende 325 des Hauptprogramms gemäß Fig. 8, welches somit ebenfalls zurück zum Punkt B des Hauptprogramms geschleust wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Überwachen der Lebensdauer von zumindest einem in einer Werkzeugmaschine benutzten Werkzeug,
    1. - bei dem ein der während dem Betriebseingriff mit dem Werkzeug verbrauchten Leistung entsprechenden Nettoleistungssignal ermittelt wird, und
    2. - bei dem das Nettoleistungssignal über die Zeit integriert wird, um daraus ein Statussignal für die Lebensdauer abzuleiten,
  2. dadurch gekennzeichnet,
    1. - daß zur Ermittlung des Nettoleistungssignales der für die relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erforderliche Leistungsverbrauch des Werkzeuges sowohl in der Leerlaufposition als auch in der Eingriffsposition gemessen wird,
    2. - daß das Statussignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, welches repräsentativ für eine vorgegebene Lebenserwartung des Werkzeuges ist, und
    3. - daß ein Befehl zum Werkzeugwechsel abgegeben wird, wenn das Statussignal den durch das Referenzsignal gegebenen Grenzwert übersteigt.
  3. 2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nettoleistungssignal in einem Spannungs/Frequenzwandler in eine Impulsfolge umgewandelt wird, deren Impulsfrequenz das Signal für den Leistungsverbrauch kennzeichnet, daß die Impulszahl in einem zeitlichen Abtastintervall ausgezählt wird und daß der Zählwert für den Leistungsverbrauch in der Leerlaufposition des Werkzeugs gespeichert wird, um aus ihm und dem Leistungsverbrauch in der Eingriffsposition den Nettoleistungsverbrauch zu ermitteln.
  4. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Nettoleistungsverbrauch mit einem Grenzwert für den maximalen Nettoleistungsverbrauch verglichen wird, und beim Übersteigen des Grenzwertes einen Alarm auslöst.
  5. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Alarm dann ausgelöst wird, wenn der maximale Nettoleistungsverbrauch für eine Dauer eines vorgegebenen minimalen Zeitintervalls überschritten wird.
  6. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersteigen des durch das Referenzsignal gegebenen Grenzwertes angezeigt wird, und daß ggf. die Werkzeugmaschine abgeschaltet wird.
  7. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Statussignals vor und nach der Unterbrechung der Benutzung des Werkzeugs gespeichert wird.






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