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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Fertigungsprozesses
mit einer Werkzeugmaschine. Gemäß einem
zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Steuerung für eine Werkzeugmaschine
mit einer Prozessgrößen-Erfassungsvorrichtung,
die eingerichtet ist zum Ermitteln von Prozessgrößen-Messwerten einer Prozessgröße in Abhängigkeit
von einer einen Fortschritt des Bearbeitungsprozesses charakterisierenden,
unabhängigen Laufvariablen,
und einer Recheneinheit, die einen digitalen Speicher umfasst, sowie
eine Werkzeugmaschine.
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Hintergrund
der Erfindung ist, dass heutige Werkzeugmaschinen, nachdem sie einmal
programmiert und eingerichtet sind, Hunderttausende von Teilen fertigen
können,
ohne dass der Mensch eingreifen muss. Der Personaleinsatz in den
entsprechenden Produktionsabschnitten kann sich auf die Bestückung, Überwachung
und Wartung der Maschinen beschränken.
Je höher
der Automatisierungsgrad einer Produktion ist, umso mehr besteht
die Notwendigkeit, automatisiert festzustellen, ob der Fertigungsprozess
fehlerfrei läuft.
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Es
ist bekannt, zur Überwachung
eines Fertigungsprozesses das Antriebs-Drehmoment der Spindel in einem exemplarischen
Bearbeitungsprozessverlauf zu bestimmen. Nachfolgend wird für jeden
Punkt des so erhaltenen Prozessgrößenverlaufs, der das Antriebs-Drehmoment
gegen die Maschinenzeit aufträgt,
ein Toleranzintervall festgelegt. Wird bei einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess
ein Antriebs-Drehmoment gemessen, das außerhalb des Toleranzintervalls
liegt, so wird ein Alarm ausgegeben.
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Nachteilig
an bekannten Verfahrensüberwachungen
ist, dass sie entweder sehr empfindlich auf zufällige Schwankungen des Antriebs-Drehmoments reagieren
und so Fehlalarme auslösen,
oder andererseits zu unempfindlich bei einem tatsächlichen Fehler
in dem Bearbeitungsprozess reagieren, so dass beispielsweise ein
Werkzeugbruch erst spät
erkannt wird.
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Aus
der
US 4 942 387 A ,
die den nächstkommenden
Stand der Technik darstellt, ist ein Verfahren zum Überwachen
eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mit einem Werkzeug mittels
einer Werkzeugmaschine bekannt. Gelehrt wird das Ermitteln von Prozessgrößen-Messwerten
einer Prozessgröße in Abhängigkeit
von einer einen Fortschritt des Bearbeitungsprozesses charakterisierenden
unabhängigen
Laufvariablen, so dass ein Prozessgrößenverlauf erhalten wird. Gelehrt
wird zudem das Errechnen eines Erwartungswertes aus einer Messwertmenge
an Prozessgrößen-Messwerten,
wobei diese Messwert-Menge gebildet ist aus dem jeweils letzten N
ermittelten Prozessgrößen-Messwerten.
Aus der Druckschrift ist zudem bekannt, dass während des Bearbeitens anhand
des Erwartungswerts ermittelt wird, ob die letzten M-Prozessgrößen-Messwerte
auf einer statistischen Schwankung der Prozessgröße beruhen, wobei verneinendenfalls
ein Alarm ausgegeben wird.
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Aus
dem Artikel von J. Brinkhaus „Mehr
Intelligenz für
die Werkzeugmaschinen?” in
phi-Produktionstechnik Hannover informiert, 8. Jahrgang, Ausgabe
2, Oktober 2007, Seiten 6 und 7, ISSN 1616-2757 ist ein Verfahren
zum Überwachen
eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mit einem Werkzeug mittels
einer Werkzeugmaschine bekannt, bei dem auch eine statistische Auswertung
während
des Bearbeitens erfolgt und bei dem im Falle einer zu großen statischen
Schwankung die Abarbeitungsgeschwindigkeit des Bearbeitungsprozesses
verändert wird.
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Aus
der Dissertation „Konzept
einer zuverlässigkeitsadaptiven
Werkzeugwechselstrategie zur Erhöhung
der Verfügbarkeit
von Transferlinien am Beispiel von Bohrern” von C. Dietl, Dissertation, Bergische
Universität
Wuppertal, 2008 ist bekannt, zur Werkzeugüberwachung beim Bohren Prozessgrößen-Messwerte
einer Prozessgröße wie dem
Motordrehmoment oder dem Schnittdrehmoment, in Abhängigkeit
von einer einen Fortschritt des Bearbeitungsprozesses charakterisierenden
unabhängigen Laufvariablen
zu ermitteln, so dass ein Prozessgrößenverlauf erhalten wird. Dass
ist beispielsweise in Bild 4.6 der Dissertation dargestellt. Die
Druckschrift beschreibt zudem eine Simulation eines Bearbeitungsprozesses
eines Werkstücks
mit einem Werkzeug einer Transferlinie, wobei die Abweichung einer Prozessgröße in Form
des Schnittmoments von seinem Erwartungswert während des Betriebs überwacht
wird. In dem Fall, dass die Prozessgröße nicht auf einer statistischen
Schwankung beruht, wird die Abarbeitungsgeschwindigkeit des Arbeitsprozesses reduziert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen
eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels einer Werkzeugmaschine
bereitzustellen, bei dem die der Überwachung zugrunde liegenden
Berechnungen wenig Rechenaufwand erfordern und der Bearbeitungsprozess
zudem zuverlässig überwacht
werden kann.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Steuerung
nach Anspruch 18 und eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 19.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist, dass dadurch, dass für jeden Wiederholungsindex
zumindest zwei Prozessgrößen-Messwerte
in der Messwert-Menge enthalten sind, der errechnete Erwartungswert
robust ist gegenüber
statistischen Schwankungen bei der Messung der Prozessgröße. Der
Grund dafür
ist, dass bei Fertigungsverfahren beispielsweise die Prozessgröße Antriebsmoment statistisch
schwanken kann. Diese statistischen Schwankungen lassen sich aber
herausmitteln, indem zumindest zwei Prozessgrößen-Messwerte für jeden
Wiederholungsindex in der Messwert-Menge enthalten sind. Dies bewirkt eine
Mittelung über
die Prozessgrößen-Messwerte mehrerer
Laufvariablen bzw. Laufindices.
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Dennoch
bleibt ein Fehler im Bearbeitungsprozess gut erkennbar, weil beispielsweise
ein Werkzeugbruch zu einer systematischen Abweichung der Prozessgröße von der
erwarteten Prozessgröße führt und
sich die systematische Abweichung nicht herausmittelt. Das Verfahren
ist also gleichzeitig robust und empfindlich.
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Vorteilhaft
an der Erfindung ist zudem, dass sie mit einfachen Mitteln umgesetzt
werden kann. So ist es lediglich notwendig, die Prozessgröße in Abhängigkeit
von der Laufvariablen zu erfassen und kontinuierlich das Verfahren
von einer Recheneinheit automatisch durchführen zu lassen. Je häufiger der Bearbeitungsprozess
wiederholt wird, umso genauer kann der Erwartungswert berechnet
werden. Das System „lernt” also mit
zunehmender Anzahl an Bearbeitungsprozessen immer besser, welche
Prozessgröße zu erwarten
ist und kann damit auch relativ kleine Abweichungen sicher einem
Fehler im Bearbeitungsprozess zuordnen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass das beschriebene Verfahren auch dann
durchgeführt
werden kann, wenn beispielsweise die Abarbeitungsgeschwindigkeit,
mit der der Bearbeitungsprozess abgearbeitet wird, geändert wird.
Bei bekannten Verfahren wird die Prozessgröße beispielsweise gegen die
Maschinenzeit als Laufvariable aufgetragen. Wird nun die Abarbeitung
eines CNC-Programms, das auf der Werkzeugmaschine läuft, verlangsamt
oder beschleunigt, so werden zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der
Maschinenzeit mit hoher Wahrscheinlichkeit Prozessgrößen gemessen,
die nicht denjenigen Prozessgrößen entsprechen,
die bei vorherigen Bearbeitungsprozessen zur gleichen Maschinenzeit
gemessen worden sind. Dadurch, dass die Laufvariable so gewählt ist,
dass das Werkzeug jeweils an einer vergleichbaren räumlichen
Lage zum Werkstück
ist, wird sichergestellt, dass Änderungen
in einem Ablauf des Bearbeitungsprozesses unbeachtlich bleiben.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Prozessgröße insbesondere
jede gemessene oder mittels einer Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine
bestimmte Größe verstanden, die
einen Schluss auf den gerade ablaufenden Bearbeitungsprozess zulässt. Mögliche Prozessgrößen sind
Skalare, wie beispielsweise ein Antriebsdrehmoment, ein elektrischer
Strom, der durch ein Antriebsaggregat fließt, oder eine Kraft.
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Unter
der Laufvariablen wird bevorzugt eine Maschinenzeit verstanden.
Alternativ kann es sich bei der Laufvariablen auch um die reale
Zeit handeln.
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Unter
dem Wiederholungsindex wird ein Zählindex verstanden, der den
Durchlauf des Bearbeitungsprozesses durchnummeriert. Bei Werkzeugmaschinen
wird ein und derselbe Bearbeitungsprozess, der beispielsweise in
Form eines CNC-Programms abgelegt ist, immer wieder für neue Werkstücke durchlaufen.
Der Wiederholungsindex zählt die
einzelnen Wiederholungen des Prozessverlaufs durch. In der Regel
wird jeder Bearbeitungsprozess gezählt. Es ist aber auch möglich, dass
beispielsweise nur jeder zweite oder nach einer sonstigen Regel ausgewählte Bearbeitungsprozess
einen Wiederholungsindex erhält
und für
die Berechnung des Erwartungswerts herangezogen wird.
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Unter
dem Erwartungswert wird insbesondere der Erwartungswert im mathemati schen
Sinne verstanden. Wenn es sich bei der Prozessgröße um eine normal verteilte
Größe handelt,
so ist der Erwartungswert gleich dem arithmetischen Mittelwert.
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Unter
dem Merkmal, das ermittelt wird, ob der aktuelle Prozessgrößen-Messwert
auf einer statistischen Schwankung der Prozessgröße beruht, wird insbesondere
verstanden, dass kontinuierlich die Prozessgröße gemessen wird. Es wird auch
kontinuierlich überprüft, ob die
Wahrscheinlichkeit, dass der gemessene Prozessgrößen-Messwert auf einer spezifischen Schwankung
beruht, einen vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet. Das kann beispielsweise
dadurch geschehen, dass ein t-Test durchgeführt wird. Es ist möglich, nicht
aber notwendig, dass diese Überprüfung, also
insbesondere dieser t-Test, für
jeden ermittelten Prozessgrößen-Messwert durchgeführt wird.
Es ist auch möglich,
dass jeder zweite, jeder dritte oder jeder sonst wie gemäß einer
vorgegebenen Regel ausgewählte Prozessgrößenmaschinenwert
dieser Überprüfung unterzogen
wird.
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Die
Prozessgröße B kann
beispielsweise aus einer Maschinensteuerung ausgelesen werden. Beispielsweise
bieten bekannte Maschinensteuerungen die Möglichkeit, das Antriebsdrehmoment
der Spindeln auszulesen. Alternativ ist die Prozessgröße ein Sensorsignal,
das mit einem Sensor aufgenommen wird. Beispielsweise kann eine
am Werkzeug oder Werkstück
angreifende Kraft als Prozessgröße verwendet
werden. Es ist auch möglich,
dass die Prozessgröße ihrerseits
aus einem Messsignal berechnet wird. Beispielsweise kann es sich
bei der Prozessgröße um einen
im allgemein vorgegebenen Zeitraum gebildeten Mittelwert eines Beschleunigungssignals
handeln. Möglich
ist auch, dass die Prozessgröße aus einem
Schallsignal gewonnen wird. Beispielsweise kann es sich dann um
die Schallleistung handeln.
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Unter
dem Merkmal, dass anhand des Erwartungswertverlaufs ermittelt wird,
ob der aktuelle Prozessgrößen-Messwert
auf einer statistischen Schwankung beruht, wird insbesondere verstanden, dass
diese Aussage entweder direkt aus dem Erwartungswertverlauf oder
indirekt, beispielsweise mittels des t-Tests ermittelt wird. Bei
dieser Berechnung können
auch weitere Größen mit
einfließen.
Beispielsweise kann eine Standardabweichung aus den Werten der Messwert-Menge
berechnet werden, wobei dann aus dem Erwartungswertverlauf und dem
Verlauf der Standardabweichung unter der Varianz die Wahrscheinlichkeit
ermittelt wird, dass der aktuelle Prozessgrößen-Messwert nicht auf einer
statistischen Schwankung beruht.
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Unter
dem Schritt des Ausgebens eines Alarms wird insbesondere verstanden,
dass ein Signal generiert wird, das das Vorliegen eines unerwünschten
Zustands kodiert. Es ist möglich,
dass aufgrund des Alarms der Bearbeitungsprozess verlangsamt oder
angehalten wird. Alternativ oder additiv kann ein vom Menschen wahrnehmbares
Signal, beispielsweise ein akustisches und/oder optisches Signal
erzeugt werden. Es kann zudem vorgesehen sein, dass ein elektrisches
Signal an einen Zentralrechner abgegeben wird, so dass Personal
zur Werkzeugmaschine geschickt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Messwert-Menge gebildet aus denjenigen ermittelten Prozessgrößen, bei
denen die Laufvariable so gewählt
ist, dass das Werkzeug einen Verfahrweg relativ zu einem vorgegebenen
Startpunkt des Bearbeitungsprozesses zurückgelegt hat, der in einem vorgegebenen
Verfahrweg-Intervall liegt. In anderen Worten werden solche Prozessgrößen aufgenommen,
bei denen das Werkzeug in einer vorgegebenen Umgebung eines jeweils
vorgegebenen Punkts in den Maschinenkoordinaten steht. Die Laufvariable kann
ein Skalar oder ein Vektor aus mehreren Komponenten sein. Wenn im
Folgenden von einem Laufindex gesprochen wird, so dient das der
einfacheren Darstellung, eine Verallgemeinerung auf mehrere Dimensionen
ist aber möglich.
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Der
jeweilige Laufindex wird beispielsweise dadurch ermittelt, dass
aus einer Maschinensteuerung die zum Laufindex gehörige Position
des Werkzeugs ausgelesen wird. Danach wird ermittelt, ob die ausgelesene
Position in dem Verfahrweg-Intervall liegt. Es kann sich bei diesem
Verfahrweg-Intervall um ein eindimensionales, zweidimensionales
oder dreidimensionales Intervall handeln. Die einzelnen Dimensionen
entsprechen dabei jeweils einer Maschinenachse.
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Handelt
es sich beispielsweise bei dem Bearbeitungsprozess um einen Bohrprozess,
so werden zur Berechnung des Erwartungswerts für einen vorgegebenen Lauf für einen
vorgegebenen Wert der Laufvariablen nur solche Prozessgrößen-Messwerte verwendet,
bei denen sich das Werkzeug im gleichen Abstand zum Werkstück oder
in gleicher Tiefe im Werkstück
befindet. Entspricht beispielsweise die Laufvariable der Position,
in der das Werkzeug hinter der Bohrergeraden in das Werkstück eintaucht,
so werden zur Berechnung des Erwartungswerts zu diesem Wert der
Laufvariablen alle Prozessgrößen-Messwerte
verwendet, bei denen das Werkzeug gerade in das Werkstück eintaucht.
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Besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem Bearbeitungsprozess um einen spanenden
Bearbeitungsprozess. Besonders günstig
ist es, wenn der spanende Bearbeitungsprozess mit definierter Schneide
oder mit gebundenem Korn durchgeführt wird.
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Sofern
sichergestellt ist, dass der Bearbeitungsprozess stets gleichartig
abläuft,
kann auch vorgesehen sein, dass die Messwert-Menge solche Prozessgrößen-Messwerte enthält, für die die
Laufvariable in einem festen Intervall liegt, das von einem Anfangs-Laufindex
zu einem End-Laufindex verläuft. Dabei
wird der Laufindex, wie bei einer Maschinenzeit üblich, zu Beginn eines jeden
Bearbeitungsprozesses zurückgesetzt.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren die Schritte eines Ermittelns einer Abweichung
des aktuellen Prozessgrößen-Messwerts
vom zugeordneten Erwartungswert, eines Vergleichens der Abweichung mit
einem Anhalte-Schwellenwert und eines Anhaltens des Bearbeitungsprozesses,
wenn der Anhalte-Schwellenwert überschritten
ist. Der Anhalte-Schwellenwert wird vorzugsweise in Vielfachen der
Standardabweichung angegeben und ist so gewählt, dass sein Überschreiten
den Schluss auf eine so starke Störung des Bearbeitungsprozesses
zulässt,
dass er unterbrochen werden muss. Alternativ oder in Form einer
logischen UND-Verknüpfung
kann der Anhalte-Schwellenwert
auch als eine feste Größe angegeben
werden, beispielsweise als ein festes Drehmoment oder eine feste
Kraft.
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Alternativ
oder additiv umfasst das Verändern
der Abarbeitungsgeschwindigkeit des Bearbeitungsprozesses die Schritte
Ermitteln der Abweichung des aktuellen Prozessgrößen-Messwerts vom zugeordneten
Erwartungswert, Vergleichen der Abweichung mit dem Anhalte-Schwellenwert
und Vermindern der Abarbeitungsgeschwindigkeit, wenn der Anhalte-Schwellenwert
nicht überschritten
ist. Die Abweichung ist der Betrag der Differenz beider Werte. Kommt
es beispielsweise zu einem Späneklemmer,
so reicht es aus, die Abarbeitungsgeschwindigkeit zu senken, so
dass die Späne
abgefördert
werden können.
Es ist möglich,
die Bearbeitungsgeschwindigkeit mit zunehmender Abweichung kontinuierlich
zu senken. So wird der Bearbeitungsprozess nur angehalten, wenn
eine Verlangsamung nicht ausreicht, um das Problem zu beheben.
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Um
den Bearbeitungsprozess sofern möglich
zu beschleunigen, umfasst das Verfahren bevorzugt die folgenden
Schritte: Vergleichen einer Differenz des aktuellen Prozessgrößen-Messwerts
zum zugeordneten Erwartungswert mit einem Geschwindigkeitserhöhungs-Schwellenwert
und Erhöhen
der Abarbeitungsgeschwindigkeit, wenn der aktuelle Prozessgrößen-Messwerts
den Geschwindigkeitserhöhungs-Schwellenwert unterschreitet.
Ein solches Verfahren ist dann vorteilhaft, wenn das Werkstück Aufmaß haben
kann. Soll beispielsweise eine Fläche plan gefräst werden,
so kann das Werkzeug in Form eines Fräsers so lange mit hoher Vorschubgeschwindigkeit
bewegt werden wie es aufgrund eines geringen Aufmaßes noch
nicht mit dem Werkstück
in Eingriff steht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Messwert-Menge für
jeden verwendeten Wiederholungsindex zumindest drei Prozessgrößen-Messwerte
zu verschiedenen Laufvariablen. Wird die Messwert-Menge beispielsweise
aus Prozessgrößen-Messwerten
gebildet, die zu den letzten N Prozessen gehört, so werden die Prozessgrößen-Messwerte
für jeden
der letzten n (n < N)
Prozessgrößenverläufe für jeden
betrachteten Wert des Laufindex der jeweils linke und rechte Nachbar
als Laufindex hinzugenommen. Das heißt, dass in der Koordinatenachse
des Laufindex über
zumindest drei Prozessgrößen-Messwerte
gemittelt wird.
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Je
mehr Prozessgrößen-Messwerte
für jeden
Wiederholungsindex und für
den jeweils betrachteten Laufindex verwendet werden, umso besser wird
eine statistische Schwankung der gemessenen Prozessgrößen herausgemittelt.
Die Anzahl der Prozessgrößen-Messwerte,
die zum Mitteln herangezogen werden, kann jedoch variieren.
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Bevorzugt
ist die Messwert-Menge gebildet aus denjenigen ermittelten Prozessgrößen-Messwerten,
bei denen zusätzlich
die Laufvariable für
jeden Wiederholungsindex so gewählt
ist, dass das Werkzeug jeweils an einer vergleichbaren Phase des
Bearbeitungsprozesses ist. Beispielsweise befindet sich ein Bohrer
in einem Bohrprozess zweimal an der Stelle, an der der Bohrer mit
seiner Spitze in unmittelbarer Nähe
der Werkstückoberfläche ist,
nämlich
einmal beim Eintauchen in das Werkstück und einmal beim Wieder-Herausfahren.
Das genannte Merkmal bedeutet in diesem Fall, dass der Erwartungswert
nur über
solche Prozessgrößen gebildet
wird, die entweder beim Eintauchen des Werkzeugs oder aber beim Austreten
des Werkzeugs gemessen wurden.
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Günstig ist
es, wenn durch Kreuzkorrelation zweier oder mehrerer Prozessgrößenverläufe ermittelt
wird, ob sich das Werkzeug bei einem bestimmten Laufindex in einer
gleichen räumlichen
Lage zum Werkstück
befunden hat.
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Bevorzugt
ist, dass ein Intervallanfangs-Wiederholungsindex des Wiederholungsindex-Intervalls mit
zunehmendem Wiederholungsindex zunimmt. In anderen Worten werden
für die
Bestimmung der Messwert-Menge nur Prozessgrößen aus den zuletzt gemessenen
Prozessgrößenmessverläufen verwendet. Ändert sich
beispielsweise die Prozessgröße Motordrehmoment
durch zunehmenden Verschleiß des
Werkzeugs, so steigt der Erwartungswert ebenfalls mit an und Fehlalarme
werden vermieden.
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Es
ist auch möglich,
dass in der Vergangenheit ermittelte Erwartungswerte protokolliert
und aus diesen protokollierten Werten ein zukünftiger Verlauf extrapoliert
wird. Auf diese Weise kann auch der Verschleißzustand des Werkzeugs überwacht
werden.
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Vorzugsweise
umfasst Schritt d) des Ermittelns, ob der aktuelle Prozessgrößen-Messwert auf einer
statistischen Schwankung der Prozessgröße beruht, ein Durchführen eines
t-Tests zu einem vorgegebenen Niveau. Dabei ist die Null-Hypothese
in der Regel, dass eine zufällige
Abweichung vorliegt. Je kleiner das vorgegebene Niveau ist, desto
unwahrscheinlicher ist ein Fehler erster Art, dass nämlich ein
Fehlalarm ausgegeben wird. Wird das Niveau jedoch zu klein gewählt, sinkt
die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler im Bearbeitungsprozess erkannt werden
kann. Ein geeigneter Wert für
das Niveau wird in Vorversuchen ermittelt. Vorteilhaft ist, wenn das
Niveau höchstens
10–6 beträgt, insbesondere höchstens
10–8.
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Vorzugsweise
wird der t-Test zu einem solchen Niveau durchgeführt, dass nur Prozessgrößen-Messwerte
zu einem Alarm führen,
die um mindestens das Fünffache
der Standardabweichung, insbesondere um mindestens das Sechsfache,
vom Erwartungswert abweichen.
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Vorzugsweise
wird dann, wenn der erste t-Test die Nullhypothese verwirft, ein
zweiter t-Tests zu einem zweiten Niveau (α) durchgeführt, wobei dessen Niveau kleiner
ist als das erste Niveau. Die Abarbeitungsgeschwindigkeit wird vermindert
wird, wenn nur der erste t-Test die Nullhypothese verwirft. In diesem
Fall ist nämlich
die Abweichung vom Erwartungswert so groß, dass eine Störung vorliegen muss,
nicht aber so groß,
dass die Bearbeitung unterbrochen werden muss. Das zweite Niveau
ist bevorzugt kleiner als ein Fünfzigstel
des ersten Niveaus.
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Bevorzugt
wird der Bearbeitungsprozesses angehalten, wenn auch der zweite
t-Test die Nullhypothese verwirft.
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Günstig ist
es, wenn die Prozessgrößen-Messwerte
kontinuierlich automatisch erfasst werden. So wird ein Fehler im
Bearbeitungsprozess schnell und ohne menschlichen Einfluss erkannt.
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Beispielsweise
kann ein Laufvariablen-Toleranzintervall bzw. ein Laufindex-Toleranzintervall
so gewählt
werden, dass ein Alarm erst in dem vorgegebenen Zeitfenster nach
Prozessstart überhaupt
ausgegeben werden kann. Ist beispielsweise aufgrund der Natur des
Bearbeitungsprozesses klar, dass das Werkzeug zunächst einen
gewissen Verfahrweg zurücklegen
muss, bevor es überhaupt
in das Werkstück
eingreifen kann, so würde
eine zufällige Schwankung
der Prozessgröße zu einem
Alarm führen,
was unerwünscht
ist. Durch die angegebenen Schritte wird damit die Wahrscheinlichkeit
von Fehlalarmen verringert. Das Laufindex-Toleranzintervall kann
einem Verfahrweg des Werkzeugs ab Beginn oder bis zum Ende des Bearbeitungsprozesses und/oder
einer realen Zeit seit einem Beginn des Prozesses berechnet entsprechen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
schematische Ansicht eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zum Durchführen eines
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 einen
Prozessgrößenverlauf,
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3 eine
schematische Ansicht von drei unterschiedlichen Prozessgrößenverläufen, die
zu unterschiedlichen Wiederholungsindizes gehört,
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4 eine
Veranschaulichung der Messwert-Menge und
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5 den
Erwartungswertverlauf des Bearbeitungsprozesses.
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1 zeigt
schematisch eine Werkzeugmaschine 10 mit einem Werkzeug 12 in
Form eines Bohrers. Das Werkzeug 12 ist von einer schematisch
eingezeichneten Spindel 14 angetrieben. Auf der Werkzeugmaschine 10 ist
ein Werkstück 16 gespannt,
das im Rahmen eines Bearbeitungsprozesses von dem Werkzeug 12 zerspant
wird.
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Die
Spindel 14 und damit das Werkzeug 12 können in
drei Raumkoordinaten, nämlich
in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung positioniert werden. Die
entsprechenden Antriebe werden von einer elektrischen Steuerung 18 angesteuert,
die einen digitalen Speicher 20 umfasst. In dem digitalen
Speicher 20 ist ein CNC-Programm abgelegt. In dem digitalen Speicher 20 oder
einem davon räumlich
getrennten digitalen Speicher ist zudem ein Programm zum Durchführen eines
im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt.
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Die
Werkzeugmaschine kann zudem einen schematisch eingezeichneten Sensor 22,
beispielsweise einen Kraftsensor oder einen Beschleunigungssensor
aufweisen, der die Beschleunigung des Werkzeugs 12 oder
der Spindel 18 oder einer anderen Komponente oder einer
auf eine solche Komponente wirkende Kraft misst.
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Zum
Durchführen
eines Bearbeitungsprozesses arbeitet die Steuerung 18 das
im digitalen Speicher 20 abgelegte CNC-Programm ab. Aufgrund dieses
Programms verfährt
das Werkzeug 12 auf einer vorgegebenen Trajektorie r →(i)
= (x, y, z)(i) in Abhängigkeit
von einer Maschinenzeit i. Am Ende des Programms fährt die
Steuerung 18 das Werkzeug 12 auf den Ausgangspunkt
zurück.
Jeweils zum Start eines derartigen Bearbeitungsprozesses wird eine
Maschinenzeit i zurückgesetzt,
beispielsweise auf den Wert i = 0. Während des Bearbeitungsprozesses
verläuft
die Maschinenzeit i, die jeweils natürliche Zahlen annimmt, d. h.,
dass i = 0, 1, 2, ... gilt.
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Am
Ende des Bearbeitungsprozesses wird das Werkstück 16 entfernt und
durch ein neues, gleiches Werkstück
ersetzt, so dass der gleiche Bearbeitungsprozess erneut durchfahren
wird. Nachfolgend wird der Prozess betrachtet, indem zwei Löcher in das
Werkstück 16 eingebracht
werden. Die Position, in der das zweite Loch angebracht wird, ist
durch das gestrichelt eingezeichnete Werkzeug nebst Spindel dargestellt.
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Ein
Bearbeitungsprozess umfasst in diesem Fall das Positionieren des
Werkzeugs 12 an der ersten Position r →1 =
(x1, y1, z1), eines Bohrens des Lochs, eines Ausführen des
Werkzeugs 12 aus dem Werkstück 16, eines Positionierens
auf der zweiten Position r →2 = (x2,
y2, z2), eines Bohrens
des zweiten Lochs, eines Herausfahrens des Werkzeugs 12 aus dem
Werkstück 16 und
eines Zurückfahrens
in die Ausgangsposition.
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Während dieses
Bearbeitungsprozesses wird zu jedem Zeitpunkt der Maschinenzeit
i ein Antriebsdrehmoment MA, das die Spindel 14 auf
das Werkzeug 12 aufbringt, von der Steuerung 18 erfasst.
Alternativ ist eine von der Steuerung 18 unabhängige Recheneinheit
vorhanden, die das Antriebsdrehmoment MA aus
der Steuerung 18 ausliest.
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Von
jeder Position r →1, r →2 aus
wird das Werkzeug 12 in das Werkstück 16 gefahren. Dabei
hat die Position, an der das Werkzeug 12 das Werkstück 16 zuerst
berührt,
die z-Koordinate zAnfang und die Position,
bei der das Werkzeug 12 maximal tief ins Werkstück 16 eingreift
hat die z-Koordinate zEnde. Die Positionen
unterscheiden sich bei jeder Bohrung, weil die x-Koordinaten verschieden
sind, abgesehen von etwaigen Dickenunterschieden des Werkstücks 16 sind aber
die jeweiligen z-Koordinaten die gleichen.
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2 zeigt
schematisch den Prozessgrößenverlauf
B1(i) = M1(i). Dieser
Prozessgrößenverlauf trägt das ermittelte
Antriebsdrehmoment MA gegen die Laufvariable
in Form des Laufindex Maschinenzeit i auf. Es ist zu erkennen, dass
bei i = 3, die Prozessgröße Antriebsdrehmoments
MA anzusteigen beginnt. Das ist der Zeitpunkt,
zu dem der Bohrer 12 in Eingriff mit dem Werkstück 16 kommt.
Es gilt also z = zAnfang.
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Am
Ende des Bohrvorgangs wird der Bohrer 12 aus dem gebohrten
Loch herausgezogen, das Antriebsdrehmoment MA fällt, wenn
z = zEnde gilt. Danach wird der Bohrer 12 neu
positioniert und ein weiteres Loch gebohrt, wobei das Antriebsdrehmoment
MA ab i = 30 wieder steigt, wenn z = zAnfang gilt.
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Die 3 zeigt
drei Prozessgrößenverläufe, nämlich B1(i), B2(i) und B3(i), wobei der tiefgestellte Index der Wiederholungsindex
k ist. Jedes Mal, wenn das Werkzeug 12 ein neues Werkstück 16 bearbeitet, wird
der Wiederholungsindex k um eins erhöht. Es wird so ein durchnummerierter
Satz aus Prozessgrößenverläufen Bk(i) = Mk(i) erhalten.
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4 zeigt,
wie aus den Prozessgrößenverläufen Bk(i) die Messwert-Menge M(i) berechnet wird. Die
Messwertmenge M wird für
jeden Wert des Laufindex i, d. h. der Maschinenzeit, berechnet.
In 4 wird die Berechnung der Messwert-Menge zum Laufindex
i = 17 gezeigt. Elemente der Messwert-Menge M(17) sind alle diejenigen Prozessgrößen Bk(i), bei denen der Wiederholungsindex k
in einer vorgegebenen Wiederholungsindex-Menge W liegt, also k ∊ W. Es
gilt hier für
die Wiederholungs-Menge
W = {1, 2, 3}, es handelt sich also um das Wiederholungsindex-Intervall
W = [kAnfang, ..., kEnde]
= [1, ..., 3]. Bei einer großen
Zahl an Wiederholungen kann es sinnvoll sein, dass die Wiederholungs-Menge
beispielsweise die letzten zwanzig Wiederholungsindices enthält, um die
Berechnung klein zu halten.
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Der
Laufindex i, für
die die zugehörigen
Prozessgrößen Bk(i) in die Messwertmenge M(i) eingehen,
sind im vorliegenden Fall für
alle Wiederholungsindices k gleich. Hätte das Werkstück 16 eine Aufmassschwankung 24,
also einen Bereich ungeplant größerer Dicke,
so würde
das Werkzeug 12 bei der zweiten Bohrung bei einem kleineren
Laufindex i eintauchen, beispielsweise bei irein =
30. Da durch Auslesen der Maschinensteuerung die Zeitpunkt bekannt
sind, zu denen die Bewegungen des Werkzeugs 14 nach unten
und nach oben begonnen werden, kann eine Kreuzkorrelation über die
zwischen diesen Zeitpunkten liegenden Messwerte durchgeführt werden,
um die Laufindices irein und iraus zu
bestimmen, bei denen das Werkzeug eintaucht bzw. austritt. Aus diesen
Laufindices irein und iraus wird
dann der Laufindex berechnet, die dem Laufindex = 17 entspricht.
Dazu wird der Laufindex berechnet, bei dem das Verhältnis aus
der Differenz zum Laufindex irein und zum
Laufindex iraus, dem entsprechenden Verhältnis für den Laufindex
i = 17 bei der ersten Wiederholung, also für k = 1 entspricht. So ist
sichergestellt, dass nur solche Prozessgrößen Bk(i)
in der Messwert-Menge M(17) sind, bei denen das Werkzeug jeweils
in einer vergleichbaren räumlichen
Lage zum Werkstück
angeordnet war, nämlich
ungefähr
auf halbem Weg bis zum Endpunkt der Bohrung.
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Wenn
beispielsweise beim dritten Prozessgrößenverlauf, also beim Prozessgrößen-Messwert B3(i) das Werkstück um einen gewissen Betrag
tiefer als sonst üblich
montiert worden wäre,
so könnte – beispielsweise
aufgrund eines Aufmaßes
am Werkstück – das Werkzeug
erst einen Laufindex i später
in Kontakt mit dem Werkstück
kommen. In diesem Fall würden
nicht die Laufindices 15, 16 und 17 in die Messwert-Menge M(i =
17) eingehen, sondern die Prozessgrößen B3(i
= 17), B3(18) und B3(19)
sowie B3(45), B3(46) und B3(47).
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4 zeigt,
dass für
die Messwert-Menge M(17), die zum Laufindex 17 gehört, die
Prozessgrößen-Messwerte
zu 6 Laufindizes verwendet werden. Günstig ist es allgemein, wenn
die der Messwert-Menge zugeordneten Laufindices, im vorliegenden
Fall die Intervalle I1 und I2,
einer Verfahrstrecke des Werkzeugs von mindestens 500 μm entsprechen.
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Aus
der resultierenden Messwert-Menge M(17) wird nun der Erwartungswert
E(17) berechnet:
Die beschriebene Prozedur
wird für
alle Laufindices i wiederholt, so dass ein Erwartungswertverlauf
E(i) erhalten wird.
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5 zeigt
den Erwartungswertverlauf E(i) nach einer Vielzahl von Gut-Bearbeitungsprozessen, also
solchen Bearbeitungsprozessen, die fehlerfrei abgearbeitet wurden.
In 5 sind zudem rein schematisch die Kurven E(i)
+ 6σ(i)
und E(i) – 6σ(i) eingezeichnet,
wobei σ(i)
die Standardabweichung beim Laufindex i ist.
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Während des
Bearbeitungsprozesses wird für
jeden aktuell gemessenen Prozessgrößen-Messwert, beispielsweise
für B45(iakt) bei der
45. Abarbeitung des Bearbeitungsprozesses, ermittelt, ob er sich mit
einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit als statistische Schwankung
deuten lässt.
Dazu wird ein t-Test durchgeführt.
Es wird die Differenz B45(17) – E17 gebildet
und die Abweichung |B45(17) – E17| mit
einem Niveau α verglichen,
das bei Vorliegen von zehn Prozessen (k ≥ 10) einer 6σ-Abweichung entspricht. Ist der Betrag
der Abweichung größer als
das Signifikanzniveau wird ein Alarm ausgegeben. Für die Durchführung des
t-Tests muss die σ(i)
nicht explizit bekannt sein, auch wenn ein Schätzwert für σ(i) berechnet werden kann.
-
Verwirft
der t-Test die Nullhypothese, dass eine statistische Schwankung
vorliegt, weil das Antriebsdrehmoment MA zu
groß ist,
so kann die Stärke der
Abweichung des Antriebsdrehmoments MA zum erwarteten
Verlauf geprüft
werden. Überschreitet
die Abweichung nicht eine definierte Schwelle, so wird die Abarbeitungsgeschwindigkeit
der Bearbeitung gesenkt. Das heißt, dass im vorliegenden Fall
beispielsweise der Vorschub reduziert wird. So werden beispielsweise
Spänestaus
entfernt. Sobald der t-Test die Nullhypothese wieder akzeptiert,
weil das Antriebsdrehmoment MA hinreichend
klein geworden ist, wird die Abarbeitungsgeschwindigkeit auf den
alten Wert angehoben.
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Als
Beispiel wird der Prozessgrößen-Messwert
B45(17) mit einem Anhalte-Schwellenwert Manhalten(i) verglichen, der aus dem Erwartungswert
und einem vorgegebenen Vielfachen des Schätzwerts für die Standardabweichung berechnet
wird, insbesondere 6σ(i).
Wird der Anhalte-Schwellenwert Manhalten(i) unterschritten,
so wird eine Abarbeitungsgeschwindigkeit der Bearbeitung gesenkt.
-
Weicht
das Antriebsdrehmoments MA zu weit vom Erwartungswert
ab, so deutet das auf einen signifikanten Fehler und die Bearbeitung
wird unterbrochen.
-
Wenn
der t-Test die Nullhypothese ablehnt, weil das Antriebsdrehmoment
MA zu klein ist, so wird das Antriebsdrehmoment
MA mit einem Geschwindigkeitserhöhungs-Schwellenwert
verglichen und beim Unterschreiten die Abarbeitungsgeschwindigkeit
erhöht.
So wird die Bearbeitungsaufgabe besonders schnell abgearbeitet.
Vorteilhaft ist dieses Vorgehen beispielsweise dann, wenn das Werkzeug 12 statt
des Bohrers in Stirnkopffräser
zum Planfräsen des
Werkstücks 16 in
mehreren Zustellungen ist. Da mit einem Aufmaß 24 zu rechnen ist,
kann nicht direkt auf die Oberfläche
zugestellt werden. Ist kein Aufmaß vorhanden, kommt der Fräser erst
bei einer späteren Zustellung
in Eingriff. Bis zum Eingriff wird Zeit verloren, die durch das
erfindungsgemäße Verfahren
gewonnen wird.
-
- 10
- Werkzeugmaschine
- 12
- Werkzeug
- 14
- Spindel
- 16
- Werkstück
- 18
- Steuerung
- 20
- digitaler
Speicher
- 22
- Sensor
- 24
- Aufmaßschwankung
- r →(i)
- Trajektorie
- i
- Maschinenzeit
- MA
- Antriebsdrehmoment
- M
- Messwert-Menge
- k
- Wiederholungsindex
- W
- Wiederholungsindex-Menge
- α
- Signifikanz-Niveau