DE10137736A1 - Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem rotierenden und Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges - Google Patents

Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem rotierenden und Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges

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Abstract

Beschrieben wird ein Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges, bei dem das Werkzeug zusätzlich kraftbeaufschlagt in einen, aus einem gegebenen Material bestehenden Gegenstand hineingetrieben wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte aus: DOLLAR A - Erfassen von den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden Parametern, DOLLAR A - Durchführen einer lernfähigen Prozessanalyse auf der Basis der erfassten Parameter zum Erhalt parameterspezifischer, relevanter Merkmale, DOLLAR A - Auswerten der parameterspezifischen, relevanten Merkmale im Rahmen eines logischen Entscheidungsprozesses zum Erhalt einer den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information, DOLLAR A - Auswahl von bekannten, den Betriebszustand beschreibenden Referenzdaten in Abhängigkeit eines vorgebbaren Gütekriteriums, des eingesetzten Werkzeuges sowie des Materials des zu bearbeitenden Gegenstandes, DOLLAR A - Ermitteln eines durch Drehzahl und Schlagfrequenz bestimmbaren optimalen Arbeitspunktes für die Werkzeugmaschine durch Vergleich der den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information mit den ausgewählten Referenzdaten und DOLLAR A - Regelung der Werkzeugmaschine in Bezug auf Drehzahl und Schlagfrequenz auf der Grundlage des ermittelten optimalen Arbeitspunktes.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich ein Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges, bei dem das Werkzeug zusätzlich kraftbeaufschlagt in einen, aus einem gegebenen Material bestehenden Gegenstand hineingetrieben wird.
Stand der Technik
Werkzeugmaschinen der vorstehend genannten Art betreffen insbesondere Schlagbohrmaschinen, die über einen als Bohrfutter ausgebildeten Befestigungsmechanismus verfügen, in den ein Bohrwerkzeug lösbar-fest einsetzbar ist, das in Rotation versetzbar ist und überdies mit impulsartigen, mechanisch induzierten Schlägen in Längsrichtung des Bohrwerkzeuges beaufschlagt wird. In den meisten Fällen weisen Schlagbohrmaschinen einen einzigen Antriebsmotor auf, der sowohl für den Drehantrieb des Bohrers als auch für den Schlagantrieb mit Hilfe eines geeigneten Getriebewerkes dient. Derartige Schlagbohrmaschinen, die nur über einen einzigen Antriebsmotor verfügen, eignen sich jedoch nicht dazu, die Drehzahl sowie die Schlagfrequenz einzeln und unabhängig voneinander beliebig einzustellen. Eben diese Möglichkeit der unabhängigen Einstellung bezüglich Drehzahl und Schlagfrequenz ermöglicht grundsätzlich eine optimierte Anpassung beider Betriebsgrößen auf die aktuelle Bohr- bzw. Betriebssituation der Schlagbohrmaschine, die durch die gewählte Bohrerart sowie die zu bearbeitende Material- bzw. Gesteinshärte im wesentlichen beeinflusst wird.
Ziel einer jeden Bohrung ist es einen Bohrverlauf mit minimaler Führungs- sowie minimaler Rückschlagkraft bei einer maximal erzielbaren Bohrgeschwindigkeit zu erhalten.
Grundsätzlich liegt dem Bohrvorgang ein mechanisches Mehrkörpersystem zugrunde, bestehend aus einem die Schlagbohrmaschine haltenden und führenden Roboter bzw. vorzugsweise Menschen, der Schlagbohrmaschine selbst sowie dem zu bearbeitenden Gestein bzw. Material. Alle drei Komponenten stehen zueinander in Wirkverbindung, die im Wesentlichen durch die Drehzahl sowie die Schlagfrequenz der Schlagbohrmaschine geprägt ist. Werden Änderungen am Bohrwerkzeug vorgenommen oder treten Änderungen an dem mit der Schlagbohrmaschine zu bearbeitenden Gegenstand auf, so führen diese Änderungen unvermeidbar zu einer Verstimmung des vorstehend charakterisierter Dreikörpersystems, was sich in aller Regel nachteilhaft auf den gesamten Bohrverlauf auswirkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine, vorzugsweise einer Schlagbohrmaschine mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug, vorzugsweise Bohrwerkzeug, während eines Bohrvorganges, bei dem das Bohrwerkzeug zusätzlich kraftbeaufschlagt in einen, aus einem Material bestehenden Gegenstand hineingetrieben wird, derart anzugeben, dass während des Bohrvorganges, vorzugsweise während des gesamten Bohrvorganges, für einen optimalen Bohrverlauf gesorgt wird, selbst bei sich während des Bohrverlaufes ändernden Bohrbedindungen, wie bspw. Änderung der Materialhärte des zu bohrenden Gegenstandes. Das Optimierungsverfahren soll insbesondere eine individuelle Abstimmung zwischen Drehzahl und Schlagfrequenz ermöglichen, mit der das Bohrwerkzeug in einen Gegenstand hineingetrieben wird.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Merkmale zur Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Erfindungsbeschreibung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist das Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine, vorzugsweise einer Schlagbohrmaschine, mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges, bei dem das Werkzeug zusätzlich kraftbeaufschlagt in einen, aus einem gegebenen Material bestehenden Gegenstand hineingetrieben wird, folgende Verfahrensschritte auf:
Zunächst werden den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierende Parameter sensoriell erfasst, die in Form von Messsignalen gewonnen werden. Diese Messsignale werden anschließend einer lernfähigen Prozessanalyse zugeführt, durch die aus den Messsignalen jedes einzelnen Sensors relevante Signalmerkmale, sogenannte parameterspezifische, relevante Merkmale, gewonnen werden. Eben jene parameterspezifischen, relevanten Merkmale werden nachfolgend im Rahmen eines logischen Entscheidungsprozesses zum Erhalt einer den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information ausgewertet. Diese den Ist- Betriebszustand charakterisierende Information enthält unter anderem eine Information über das aktuell eingesetzte Bohrwerkzeug sowie eine Information über das aktuell bearbeitete Material, insbesondere die Materialhärte bspw. eines Gesteins.
In Kenntnis dieser den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information wird nun eine gezielte Auswahl von bekannten, den Betriebszustand beschreibenden Referenzdaten getroffen. Diese Referenzdaten stehen bspw. in Form nicht linearer Kennlinienfelder als Funktion von Drehzahl und Schlagfrequenz zur Verfügung und sind durch empirische Versuchsreihen mit unterschiedlichen Bohrwerkzeugen an unterschiedlichen zu bearbeitenden Materialien unter Massgabe eines festgelegten Gütekriteriums ermittelt worden. Als Gütekriterien können bspw. die Forderungen dienen, ein Bohrloch in möglichst kurzer Zeit bei minimalem Energieaufwand, oder ein Bohrloch in möglichst kurzer Zeit und Außerachtlassung des Energieeinsatzes zu erzielen. Schließlich wird ein durch Drehzahl und Schlagfrequenz definierter optimaler Arbeitspunkt für die Schlagbohrmaschine durch Vergleich der den Ist- Betriebszustand charakterisierenden Information mit den ausgewählten Referenzdaten ermittelt und bei einer festgestellten Abweichung zwischen der aktuellen Drehzahl und Schlagfrequenz zu dem ermittelten optimalen Arbeitspunkt eine entsprechende Nachregelung durchgeführt.
In besonderer Weise eignet sich die Verwendung von Fuzzy-basierten oder Neuro- Fuzzy-basierten Methoden, sowohl zur Durchführung der lernfähigen Prozessanalyse zum Erhalt der parameterspezifischen, relevanten Informationen als auch bei der Durchführung des logischen Entscheidungsprozesses zum Erhalt einer den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren soll anhand der Fig. 1 und 2, die jeweils dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren zugrundeliegende Prozessschemata zeigen, näher erläutert werden.
In Fig. 1 ist eine Bohrsituation dargestellt (zentrales Bild), in der eine Person 1 mit Hilfe einer Schlagbohrmaschine 2 einen Bohrvorgang an einer Wand 3 durchführt. Alternativ zur Bedienung der Schlagbohrmaschine 2 durch eine Bedienperson kann ebenso ein Bewegungsautomat, bspw. ein Roboter die Schlagbohrmaschine 2 und das damit verbundene Bohrwerkzeug 21 kraftbeaufschlagt gegen die Wand 3 führen. In bevorzugter Weise, weist die Schlagbohrmaschine 2 zwei getrennte Antriebe auf, von denen einer das Bohrwerkzeug 21 in Rotation versetzt und der andere Antrieb, vorzugsweise unter Verwendung eines Exzentermechanismus, das Bohrwerkzeug 21 in Bohrrichtung (siehe Pfeil) mit impulsartigen Schlägen beaufschlagt, wodurch der Bohrfortschritt in Bohrrichtung begünstigt wird. Somit sind beide Antriebe getrennt voneinander einstellbar und auch regelbar.
Ausgehend von der vorstehend in Fig. 1 bildlich dargestellten, beschriebenen Bohrsituation, werden in einem ersten Schritt den Ist-Betriebszustand der Schlagbohrmaschine charakterisierende Parameter P erfasst. Dies erfolgt unter Verwendung geeigneter Messsensoren, die am bzw. in der Schlagbohrmaschine jeweils an einem geeigneten Ort befestigt sind und zur Messung von Beschleunigungen, am Gerät angreifenden Kräften, elektrischen Strömen, Geschwindigkeiten etc. geeignet sind.
Dies betrifft insbesondere das Vorsehen von Sensoren, mit denen unter anderem die Schlagfrequenz PS, die Drehzahl PD, die Längs- sowie Quer-Beschleunigung PLB, PQB, die jeweils auf das Bohrwerkzeug 21 respektive die Schlagbohrmaschine 2 einwirken sowie die von der Bohrmaschine 2 aufgenommene elektrische Leistung PEL messbar sind.
Ausgehend von den sensoriell ermittelten, den Ist-Betriebszustand der Schlagbohrmaschine charakterisierenden Parametern P, d. h. PS, PD, PLB, PQB, PEL, wird auf der Grundlage dieser Parameter P eine lernfähige -Online-Diagnose ON durchgeführt, deren Ziel es ist, den aktuellen Betriebszustand der Schlagbohrmaschine während des Bohrvorganges zu ermitteln und anzugeben, wobei eine Aussage darüber getroffen werden soll, welche Art von Bohrer BD und welcher Materialtyp M aktuell eingesetzt bzw. bearbeitet wird. Grundsätzlich ist die Wahl bzw. Vorgabe über Bohrertyp BD sowie der Gesteins-, bzw. Materialtyp M als Eingabe- oder auch gegebene Zustandsgrößen anzusehen, nach denen sich der Bohrverlauf jeweils ergibt. Auch ist der aktuelle Anpreßdruck A, mit der die Schlagbohrmaschine gegen die Wand 3 gedrückt wird, anteilsmäßig am Bohrerfolg verantwortlich. Vorzugsweise gilt es auch die Eingabegröße A als Ergebnis der lernfähigen -Online-Diagnose zu erhalten.
Im Einzelnen erfolgt die lernfähige Online-Diagnose ON in zwei aufeinanderfolgenden Schritten, die im Einzelnen in Fig. 2 dargestellt sind, derart, dass in einem ersten Schritt MG die als Sensorsignale vorliegenden, den Ist- Betriebszustand der Schlagbohrmaschine charakterisierenden Parameter P einer lernfähigen Prozessanalyse im Rahmen einer Merkmalsgenerierung MG zugeführt werden, bei der die einzelnen als Sensorsignale vorliegenden Parameter P einem signal-, modell- und/oder wissensgestützten Verfahren als Eingangsdaten zur Verfügung gestellt werden, wobei aus diesen jeweils relevante Signalcharakteristika extrahiert werden, bspw. unter Verwendung eines Schwellwerttestes ST, einer Trendanalyse TA, Frequenzanalyse FA und/oder einer Mustererkennung ME, die schließlich in einem Merkmalsvektor MV, der über eine geringere Dimensionalität bzw. einen geringeren Datenumfang, als die bzw. den der eingangs zur Verfügung stehenden Sensorsignale P verfügt, zusammengefasst werden.
Bei der zum Erhalt parameterspezifischen, relevanter Merkmale eingesetzten lernfähigen Prozessanalyse eignen sich bevorzugt sog. signalgestützte Verfahren, wie bspw. Fuzzy-basierte Grenzwert-, Trend- und Spektral- bzw. Waveletanalysen. Auch können modellgestützte Verfahren, wie bspw. das Kalman-Filter oder wissensgestützte Verfahren, sog. Expertensysteme zur lernfähigen Prozessanalyse eingesetzt werden.
Der mit Hilfe wenigstens eines der vorstehend genannten Verfahren gewonnene Merkmalsvektor MV wird in einem zweiten Verfahrensschritt MA (Merkmalsanalyse) innerhalb der Online-Diagnose ON einem logischen Entscheidungsprozess zugeführt, bei dem quantitative Größen in qualitative Ausdrücke transformiert werden. Hierzu werden merkmalsbasierte Mustererkennungsmethoden auf der Grundlage von Fuzzy-Logik und neuronalen Netzen eingesetzt. Derartige Neuro- Fuzzy-basierte Methoden erlauben die Beschreibung von technischen Zustandsgrößen mit nichtexakten linguistischen qualitativen Informationen, so dass es dennoch möglich ist, trotz nicht exakt bestimmter Eingangswerte eine klare und präzise Aussage über die Wahrscheinlichkeit darüber anzugeben, mit der sich die Schlagbohrmaschine in einem konkreten Ist-Betriebszustand befindet, d. h. mit welcher Art von Bohrwerkzeug eine bestimmte Art von Material bearbeitet wird. Zudem ist es möglich, heuristisches Expertenwissen in den logischen Entscheidungsprozess einfließen zu lassen.
Durch die bereits vorstehend erwähnte Transformation der einzelnen Sensorsignale P bzw. Signalmerkmale MV in unscharfe linguistische Variablen (Fuzzyfizierung) eröffnet sich darüber hinaus eine attraktive Möglichkeit physikalisch völlig unterschiedliche kontinuierlich oder diskret wirkende Sensoren zu einem Multisensorsystem zu integrieren.
Mit Hilfe eines auf einer Neuro-Fuzzy-basierten Methode beruhenden logischen Entscheidungsprozesses wird schließlich eine den Ist-Betriebszustand der Schlagbohrmaschine charakterisierende Information PSM erhalten, die unter anderem eine konkrete Aussage bezüglich des aktuell verwendeten Bohrwerkzeuges BD, der aktuell bearbeiteten Materialhärte M sowie vorzugsweise auch die aktuell herrschende Andruckkraft A beinhaltet, mit der ein Bediener die Schlagbohrmaschine gegen die zu bearbeitende Wand 3 drückt. Auch ist es möglich, aus der auf vorstehende Weise ermittelten Information die Eindringtiefe abzuleiten, mit der das Bohrwerkzeug in den zu bearbeitenden Gegenstand aktuell eindringt.
Mit Hilfe der Neuro-Fuzzy-basierten Merkmalsauswertung während der Online- Diagnose ON ist somit die Schlagbohrmaschine in die Lage versetzt, ihren momentanen Betriebszustand eigenständig zu erkennen.
Um jedoch überprüfen zu können, ob die Schlagbohrmaschine an ihrem optimalen Arbeitspunkt arbeitet, der durch eine optimale Schlagfrequenz sowie optimale Drehzahl definiert ist, bedarf es eines vorab Vergleiches zwischen der den Ist- Betriebszustand charakterisierenden Information PSM, der tatsächlich aktuell messtechnisch erfassten Drehzahl PD und speziell ausgewählten Referenzdaten RD, die aus einem vorliegenden Fundus unter Maßgabe bestimmter Kriterien auszuwählen sind.
So sind durch systematische Versuchsreihen mit allen verfügbaren Bohrerwerkzeugen sowie Materialtypen eine Vielzahl nichtlinearer Kennlinienfelder experimentiell zu ermitteln und in geeigneter Form für jeden Bohrer- und Gesteinstyp abzuspeichern. Die einzelnen Kennlinienfelder werden als nichtlineare Kennlinienfelder in Abhängigkeit von Schlagfrequenz und Drehzahl aufgezeichnet und entsprechend abgespeichert. Die als Referenzdaten RD dienenden Kennlinienfelder können vorzugsweise als Lookup-tables vorliegen.
Aus der Vielzahl der vorrätigen Kennlinienfelder wird für eine konkrete Bohrkonstellation eben jenes Kennlinienfeld ausgewählt und als Referenzdaten RD verwendet, das dem aktuellen ermittelten Bohrwerkzeug sowie der Materialart des zu bearbeitenden Gegenstandes entspricht.
Um im Weiteren den optimalen Arbeitspunkt möglichst exakt zu ermitteln, mit dem die Schlagbohrmaschine hinsichtlich Drehzahl und Schlagfrequenz arbeitet, wird die vorstehend gewonnene, den Ist-Betriebszustand charakterisierende Information PSM mit den als Kennlinienfeld vorliegenden Referenzdaten RD im Rahmen einer der Online-Diagnose ON nachgeschalteten Arbeitspunktoptimierungsstufe AO verglichen (siehe Fig. 1). Der der Optimierung dienende Vergleich beinhaltet eine Minimal- bzw. Maximalwertbildung des Kennlinienfeldes auf der Grundlage geeigneter Such- bzw. Optimierungsalgorithmen, deren Ergebnis schließlich eine optimale Schlagfrequenz sowie optimale Drehzahl darstellt. Siehe hierzu insbesondere den Beitrag von Coleman Th., Branch, M.-A. and Grace, A.: "Optimization Toolbox for use with MATLAB", User's guide, version 2, The Math Works Inc. 24 Prime Park Way, natick, MA 01760-1500 (USA), 1999.
Mit Hilfe des in vorstehender Weise ermittelten optimalen Arbeitspunktes OA werden die optimale Schlagfrequenz OS sowie die optimale Drehzahl OD mit den tatsächlich gemessenen, aktuell vorliegenden Sensorsignalen bezüglich Schlagfrequenz PS und Drehzahl PD verglichen, dies erfolgt am einfachsten durch entsprechende Differenzbildung zwischen den Optimalwerten OS und OD mit den jeweils gemessenen Signalen PS und PD. Bei einer feststellbaren Abweichung unter beider Vergleichshaaren werden die Schlagfrequenz bzw. die Drehzahl über ein entsprechendes Regelelement RD, RS, die Drehzahl bzw. Schlagfrequenz betreffend und einem nachfolgenden Stellglied S nachgeregelt.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren lässt sich ohne weitere Vorkehrungen bei einer Schlagbohrmaschine mit zwei getrennt ansteuerbaren elektrischen Antrieben realisieren, bei denen jede beliebige optimale Schlagfrequenz bzw. Drehzahl eingestellt und in beiden Antriebsregelungen als Sollwerte aufgeschaltet werden kann.
Es sind jedoch auch Schlagbohrmaschinen mit nur einem Antrieb bekannt, bei denen ein mehrstufiges Getriebe für die Entkopplung der Drehzahl sowie der Schlagfrequenz dient, so dass der optimale Arbeitspunkt durch jeweils eine Solldrehzahl und eine Getriebestufe eingestellt werden kann, wobei die optimale Getriebestufe im Gegensatz zur kontinuierlichen Drehzahleinstellung möglichst diskret einstellbar ist.
Bei Schlagbohrmaschinen mit nur einem Antrieb und einem stufenlosen PIV- Getriebe ist es möglich den optimalen Arbeitspunkt durch jeweils eine Solldrehzahl und eine Getriebestufe kontinuierlich einzustellen.
Zusammenfassend kann zu dem erfindungsgemäßen Optimierungsverfahren festgehalten werden, dass durch eine multisensorielle Online-Prozessdiagnose während des Betriebes eines Schlagbohrgerätes, das stets mit dem optimalen Arbeitspunkt arbeiten soll, durch aktives Messen von Beschleunigungen, Kräften, Strömen und Geschwindigkeiten unter Verwendung Neuro-Fuzzy-basierter Analysemethoden Eingangsgrößen wie Bohrdurchmesser, Materialhärte und Andruckkraft ermittelt werden können. Die Schlagbohrmaschine wird somit in die Lage versetzt, seinen momentanen Betriebszustand zu erkennen, seinen Arbeitspunkt optimal darauf abzustimmen und dadurch ständig einen maximalen Bohrfortschritt zu liefern bzw. einem anderen Gütekriterium, wie bspw. minimaler Energieverbrauch oder minimale Armbelastung zu entsprechen. Natürlich werden dabei physikalische Randbedingungen, wie Energieverbrauch und Leistungsgrenzen des Hammerwerkes berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren ist jedoch nicht nur auf eine in der vorstehenden Beschreibung dargestellte Schlagbohrmaschine begrenzt, sondern kann auch in anderen geführten, materialbearbeitenden Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wie beispielsweise in reinen Schlaghämmern oder Bohrgeräten, in denen jeweils nur eine Stellgröße, etwa Drehzahl oder Schlagfrequenz getrennt, optimal geregelt werden soll. Auch ist es möglich bei Roboter-geführten Bohr- oder Schlagwerkzeugen den Anpreßdruck aktiv nachzuregeln.

Claims (17)

1. Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges, bei dem das Werkzeug zusätzlich kraftbeaufschlagt in einen, aus einem gegebenen Material bestehenden Gegenstand hineingetrieben wird,
gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:
  • - Erfassen von den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden Parametern,
  • - Durchführen einer lernfähigen Prozessanalyse auf der Basis der erfassten Parameter zum Erhalt parameterspezifischer, relevanter Merkmale,
  • - Auswerten der parameterspezifischen relevanten Merkmale im Rahmen eines logischen Entscheidungsprozesses zum Erhalt einer den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information,
  • - Auswahl von bekannten, den Betriebszustand beschreibenden Referenzdaten des eingesetzten Werkzeuges sowie des Materials des zu bearbeitenden Gegenstandes in Abhängigkeit eines vorgebbaren Gütekriteriums,
  • - Ermitteln eines durch Drehzahl und Schlagfrequenz bestimmbaren optimalen Arbeitspunktes für die Werkzeugmaschine durch Vergleich der den Ist- Betriebszustand charakterisierenden Information mit den ausgewählten Referenzdaten und
  • - Regelung der Werkzeugmaschine in Bezug auf Drehzahl und Schlagfrequenz auf der Grundlage des ermittelten optimalen Arbeitspunktes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine ein Bohrschlaghammer ist der durch wenigstens eine Motoreinheit dreh- und schlagangetrieben wird, und dass das Werkzeug ein Bohrer oder Bohrkopf ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden Parameter die Schlagfrequenz, Drehzahl, Längsbeschleunigung und/oder Querbeschleunigung, die auf das Werkzeug einwirkt, sowie die Leistung der Werkzeugmaschine erfasst werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden Parametern sensoriell erfasst werden und als Sensorsignale für eine weitere Verarbeitung vorliegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der lernfähigen Prozessanalyse die erfassten Parameter, die als Sensorsignale vorliegen, mit einem signal-, modell- und/oder einem wissensgestützten Verfahren derart verarbeitet werden, dass die dabei gewonnenen parameterspezifischen relevanten Merkmale in einem Merkmalsvektor zusammengefasst werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als signalgestütztes Verfahren eine Fuzzy-basierte Grenzwert-, Trend- und/oder Spektral- oder Wavletanalysen eingesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als modellgestütztes Verfahren ein Kalman-Filter eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als wissensgestützte Verfahren ein Expertensystem eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Merkmalsvektor zusammengefassten parameterspezifischen, relevanten Merkmale quantitative Größen darstellen, die durch den logischen Entscheidungsprozess in eine qualitative Information in Form eines linguistischen Ausdruckes transformiert werden, der den Ist-Betriebszustand charakterisiert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ist-Betriebszustand charakterisierende Information die Art des eingesetzten Werkzeuges sowie die Materialart umfasst.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für den logischen Entscheidungsprozess merkmalsbasierte Mustererkennungsmethoden eingesetzt werden, die auf der Grundlage einer Neuro-Fuzzy-Logik arbeiten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Auswahl zur Verfügung stehenden Referenzdaten in Form nicht linearer Kennlinienfelder als Funktion von Drehzahl und Schlagfrequenz durch empirische Versuchsreihen mit unterschiedlichen Werkzeugen an unterschiedlichen zu bearbeitenden Materialien unter Massgabe eines festgelegten Gütekriteriums ermittelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Gütekriterium maximaler Bohrfortschritt, maximale Bohrlochqualität, minimaler Energieverbrauch oder minimale mechanische Belastung für eine Bedienperson, die die Werkzeugmaschine führt, verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzdaten in Form von Lookup-Tables zur Verfügung stehen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der den Ist-Betriebszustand charakterisierenden Information mit den ausgewählten Referenzdaten zum Erhalt des optimalen Arbeitspunktes durch Minimal- bzw. Maximalwertbildung der als Kennlinienfeld vorliegenden Referenzdaten durchgeführt wird, bei dem Such- und Optimierungsalgorithmen angewendet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Werkzeugmaschine durch einen Vergleich der den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden, in Form von Sensorsignalen vorliegenden Parameter bezüglich der Drehzahl und Schlagfrequenz mit dem optimierten Arbeitspunkt, der durch eine Optimaldrehzahl sowie eine Optimalschlagfrequenz beschreibbar ist, durchgeführt wird, indem bei einer vorliegenden Abweichung die Drehzahl und die Schlagfrequenz der Werkzeugmaschine in Bezug auf den optimierten Arbeitspunkt nachgeregelt wird.
17. Vorrichtung zur optimierten Regelung des Betriebszustandes einer geführter Werkzeugmaschine mit einem, mit einer Drehzahl rotierenden und mit einer Schlagfrequenz Schlag-beaufschlagten Werkzeug, das kraftbeaufschlagt in einen, aus einem gegebenen Material bestehenden Gegenstand hineintreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren an der Werkzeugmaschine vorgesehen sind, die die Drehzahl, die Schlagfrequenz, eine Längs-, Querbeschleunigung in Bezug auf das Werkzeug und/oder eine von der Werkzeugmaschine aufgenommene elektrische Leistung in Form von Sensorsignalen erfassen,
dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Sensorsignale unter Zugrundelegung eines signal-, modell- und/oder wissensgestützten Verfahrens auswertet und relevante Signalcharakteristika bereitstellt, und die die relevanten Signalcharakteristika unter Zugrundelegung eines logischen Entscheidungsprozesses derart analysiert, dass eine den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierende Information erhältlich ist, und
dass eine Optimierungseinheit vorgesehen ist, die eine optimale Drehzahl sowie Schlagfrequenz auf Basis empirisch gewonnener Informationen und der den Ist-Betriebszustand der Werkzeugmaschine charakterisierenden Information ermittelt, und
dass eine Vergleichs- und Regeleinheit vorgesehen ist, die bei Vorliegen einer Abweichung zwischen der erfassten Drehzahl und Schlagfrequenz und der ermittelten optimalen Drehzahl sowie Schlagfrequenz die Werkzeugmaschine zum Erhalt eines optimierten Betriebszustandes nachregelt.
DE10137736A 2000-09-01 2001-08-01 Optimierungsverfahren zur Regelung des Betriebszustandes einer geführten Werkzeugmaschine mit einem rotierenden und Schlag-beaufschlagten Werkzeug während eines Bohrvorganges Ceased DE10137736A1 (de)

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