-
Verfahren zur Überwachung der Lebensdauer von zumindest einem
-
in einer Werkzeugmaschine benutzten Werkzeugs und Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung
der Lebensdauer von zumindest einem in einer Werkzeugmaschine benutzten Werkzeugs
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
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 1 eistungs
-abhängige
abhängige 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.
-
fiberschritten wird, kann die Vorschubgeschwindigkeit verringert werden,
um die Gesamtschnittkraft auf eine zulässige Größe zu verringern.
-
Wenn dagegen beim 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
das US-PS 3 571 834 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 Gesam tschnittkraft verhältnismäßig gering ist, und sich somit nur ein geringer
Unterschied im Leistungsverbrauch zwischen der Eingriffsppsition 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
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.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, mit welcher 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 dadurch gelöst, daß ein der Nettoleistung
des während dem Betriebseingriff mit dem Werkzeug verbrauchten Energie entsprechendes
Nettoleistungssignal ermittelt wird, daß das Nettoleistungssignal über die Zeit
integriert wird, um daraus ein Statussignal für. die Lebensdauer abzuleiten und
daß das Statussignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, welches repräsentativ
für eine vorgegebene Lebenserwartung des Werkzeugs ist.
-
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zur Ermittlung
des Nettoleistungssignal 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.
-
Yu diesem %zweck ist ferner vorgesehen, daß das Signal für den Ncttolcistungsvcrbrauch
in einem Spannungs/Frequenzwantfler in eine Impulsí'olge umgewandelt wird, deren
lmpulsfrequenz das Signal für den Leistungsverbrauch kennzeichnet, daß die Impulszahl
in einem zeitlichen
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.
-
Unter Ausnutzung der Maßnahmen der Erfindung ist ferner vorgesehen,
einen Befehl zum Werkzeugwechsel abzugeben, wenn das Statussignal den durch das
Referenzsignal gegebenen Grenzwert übersteigt.
-
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 Einrichtung 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
laufposition 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.
-
l)urch die Klaßnahrnen 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 Maßnahmen 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 festsellbar
ist, der dazu benutzt werden kann, um die Schärfe des WerkzC.ugs ztl 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
Es ist wohl durch die US-PS 3 220 315 bekannt,
durch eine Signalkompensation eine Anzeige für das Spindeldrehmoment zu schaffen,
um Leerlaufzustände der Spindel auszugleichen. Ferner ist durch die US-PS 3 681
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 Gesamte schnittkraft bei jedem Drehmomentsniveau oder jeder Spindeldrehzahl
durch die Verwendung verschiedener Parameter geschaffen wird. Anstelle der Messung
der tatsächlichen Gesamtschnittkraft z.t3. 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
das Phasenwinkels zu erfassen um daraus direkt eine Anzeige für die verbrauchte
Energie sowohl in 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 Grenzsehicht 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
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 ZU 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 geleisteten
Arbeit oder 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 -= K2 04 (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.
Uberdies verwendet die Formel (2) in vorteilhafter Weise die zuvor erwähnte Nettoleistung
Da
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 entspreehendes 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
kann, 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 Antrieb
motor 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 Leerlauf-
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 die zugeordnete 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 Nettoleistungsverbraueh 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 Gefahrensituationen
aufgrund einer zu starken Abnutzung in der Regel ohne weiteres vermieden werden.
-
Mit hilfe der Erfindung ist es auch möglich, Feinabstimmungen in mindestens
20 96 der Anwendungsfälle vorzunehmen. Bei einer hohen Cesamtschnittkraft, wenn
sich z.B. eine erhöhte Abnutzung infolge hoher
hoher Temperaturen
ergibt, kann die Einsatzzeit beispielsweisc dadurch abgestimmt werden, daß die ermittelten
Ergebnisse gewichtet werden. Da die durch die Spanabhebung verursachte 15emperatur
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 auch unterschiedliche
spanabhebende Situationen erfaßt.
-
Die
Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen
wird anhand von auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Bs zeichen: 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
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 3 571 834 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 Gleichstrom motors 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
Fräswerkzeug
charakteristisches Signal , welches über die Leitung 1 zur Verfügung steht. Von
der Stromversorgung PS des Gleichstrommotors Ml wird die abgegebene Leistung dadurch
festgestellt, daß die angelegte Spannung mit dem über einen Nebenschluß ermittelten
Änkerstrom multipliziert wird. In einer Steuerschaltung 2 kann aufgrund 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.U. ein übermäßiger Leistungsverbrauch festgestellt wird
oder nicht genügend Leistung an der Grcnzschicht 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
SP 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
dem
Werkzeug und dem Werkstück wirksam ist. Die Steuerschaltung 2 gemäß Fig. 1 registriert
zunäehst die Leerlaufdrehzahl des Motors Ml 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 3 571 834 der Fall ist,
jedoch wird die Leerlaufdrehzahl daneben als Regelabweichung verwendet, welche als
Funktion der dem Motor Ml zugeführten Leistung automatisch geändert wird, wenn die
Leistung der Stromversorgung PS des Motors M1 iiber 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 , wobei PC = V x I x cos ist, an der leitung
200 abgegriffen und einer Summierschaltung 2 zugeführt wird. Das Ausgangssignal
der Summierschaltung wird über die Leitung
Leitung 3 und einen
Widerstand R2 normalerweise einem Operationsverstärker OAl zugeführt, welcher vom
Ausgang zum Eingang mit einer Rückkopplungsschaltung versehen ist, welche die Zeitkonstante
RlC1 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 Summierschaltung
2 zugeführt. Wenn das Werkzeug DT im Arbeitsbetrieb Material abhebt, wird über die
Leitung 3 eine Leistung abgcleitet, die über der Leistung im Leerlauf liegt. Infolgedessen
wird auf der Leitung 6 anstelle der Gesamtleistung die durch die digitalen Daten
repräsentierten Nettoleistung konstant ermittelt. Wenn unterschiedliche spanabhebende
Betriebsbedingungen vorliegen, wird der in der Latch-Schaltung 8 festgehaltene Wert
über die Leitung 11 auf Nuli 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 herköm
mlicher
kömmlicher 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 Rüekwärtszählung
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-Sehaltung 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 eine Alternative
der Schaltung gemäß Fig. 3 ist.
-
Mit Hilfe einer konventionell erhältlichen integrierten Schaltung
(A-8402 von INTECH) ist ein Spannungs/Frequenzwandler 13 aufgebaut. Die über den
Stift 9 zugeführte Eingangsspannung Vp steht am Stift 1 und der Ausgangsleitung
14 als entsprechende Impulsfolgc zur Verfügung. Diese Impulsfolge wird über die
Leitung 14 einem Zähler 15 zugeführt, der aus drei unter'der Bezeichnung CD 4029
erhiiltlichen integrierten Schaltungen ICl, IC4 und IC7 aufgebaut ist. Die in einer
Folge an den Stiften 15 empfangenen Impulse werden in eine digitale Zahl umgewandelt,
welche an den Stiften 6, 11, 14 und 2 der IC-Schaltungen des Zählers zur Verfügung
stehen. Es werden lediglich 10 Bits verwendet, um den digitalen Zählwert zu repräsentieren,
nämlich 4 Bits auf der Leitung 16, 4 Bits auf der Leitung 16' und 2 Bits
2
Bits auf der Leitung 16" der IC1, IC4 und IC7. 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 aufgebaut ist.
Die Schaltung läßt sich mit Hilfe von zwei halben CD4098 und einem Flip-Flop N4/N5
verwirklichen. 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-Gatter
N3 den ersten IC10 am Pin 4 triggert. Zwischen den Pins 16 und 2 liegt ein 10 k
Ohm-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.
-
f)ementsprect0end erzeugt der Flip-Flop N4/N5 auf der Ausgangsleitung
4. 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
folge 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 zurückgesiellt
werden, so daß sie keine Regelabweichung festhalten können. Gleichzeitig wird der
Zählstand auf den Leitungen 16, 16' und 16" kontinuierlich auf den neuesten Stand
gebracht.
-
Wenn dieser Leerlaufdrehzahi der Spindel zugeordnete Leistung als
Regelabweichung genommen wird, werden die Schalter SW1 und SW2 in die Position II
gebracht. Der über die Zählerausgänge 16, 16' und 16" zur Verfügung stehende Zählerstand
erscheint auch auf den Leitungen 19, 19' und 19" 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' und 19" 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 ein Gatter Nfi und nrischlicßcnd über die
T,citungcn 125 nn die Stifte 14 und 9 der IC2, IC5 und IC8 übertragen. Das Ergebnis
der Subtraktion wird über die Leitung 121, 121' und 121" an die Stifte 4, 12, 13
und 3 der 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 SWl und SW2 in der Pos. I sind, daß das über die Leitungen 45 angelegte
Taktsignal an den Stiften 6, 11, 14 und 2 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
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. Dnbei 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'; M1" und IM1"' 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
analoges 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 QA3 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 Ml 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 demeingangsseitigen 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
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 umgewandet. 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 Ml 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.
-
I)ns der Nettoleistung auf der Leitung 112 zugeordnete Signal wird
vom Verbindungspunkt J7 aus an das digitale Voltmeter 104 angelegt,welches nicht
extcrn 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
triebszustände bestimmten
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 Stntus 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 ein extremer 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.
-
Dns 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, weicher 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
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 D5, 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
integtriert. 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 113 wird auch das Signal 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 125 wird
.wird
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' 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 WP entsprechend
entsprechend
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 Ml mit einer minimalen
Leistungsanforderung. Unter diesen Umständen wird der über den Ausgang 16 abgegebenen
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 Zählstand
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
zeugs DTA.
-
Der Computer kann Teil der Werkzeugmaschine sein, um diese. numerisch
zu steuern. Es ist auch möglich die numerische Steuerung der Maschine als OEM an
dieser allein oder in Parallelanordnung mit- anderen Maschinen vorzusehen, wobei
ein Zentralcomputer die einzelnen OEM-Maschineneinheiten individuell nach einem
gemeinsamen Program 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 vcn 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 wird, 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 3i6 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
ein
Fehlerzustand über die Leitung 119 einen Alarm auslösen kann.
-
Die Betriebsweise des Überwachungssystem gemäß Fig. 6 wird anhand
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
1 Daten über die Werkzeugart Werkzeugtype Einsatzzeitlimit Nettoleistungslimit Gesamtenergieverbrauchslimit
Limit für Einsatzhäufigkeit Tabelle II Individuelle Werkzeugdaten W erkzeugart Werkzeugnummer
Häufigkeit des Einsatzes Summierte Gesamteinsatzzeit Maximale Nettoleistung Summierer
Gesamtenergieverbrauch Einsatzzeit übersteigend Nettoleistungslimit Einsatzzeit
übersteigend Gesamtenergieverbrauchslim it Einsatzzeit übersteigend Einsatzzeitlimit
Das
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 ernelIten Ab frage
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. Wir 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 bzw. 370 feststellen. Wird die XbRr(lgrc verncint, 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 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
weiterfährt
und im Schneidbetrieb das Programm zu Ende ist.
-
In Fig. 8 ist der Programmablauf des Gesamtbetriebs für das tberwachungssystem
gemäß der Erfindung erläutert. Der programmablauf beginn 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 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 Linie 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
und wird über die Leitung 326
in den Programmablauf wieder eingeschleußt, d.h. daß erneut die Spindeldrehzahl
und zwar die Leerlaufdrehzahl sowie die übrigen Statussignale ermittelt werden.
Wenn die Abfrage 315 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 anhand 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 größer 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
Älarm-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 weicher festgestellt
wird, ob der gesamte Energieverbrauch größer als das Gesamtenergieverbrauchslimit
ist. Bei einer Bejahung erfolgt über die Linie
Linie 459 die Feststellung
460, daß das zeitliche Zuwachslimit iiberschritten wurde und folglich über die Anweisung
461 die AlarmFlags 2 bzw. 3 gesetzt werden. Über die Linie 462 geht die Routine
zurück zur Häuptroutine, weiche 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 einer Bejahung wird über die Linie 465 die Feststellung 466 gemacht,
daß der zeitliche Zuwachslimit überschritten wurde. Damit werden über die Linie
467 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 Unterprogrammes, von wo aus eine erneute Einschleusung in das tIauptprogramm
im Punkt B erfolgt. Die Abfrage 321 und 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 Hauptprogrammes geschleust wird.
-
Legende Bezeichnung Figur Steuerschaltung 2 1 .Steuerschaltung 6
1 Latch-Schaltung 8 Digital/Analogwandler 10 2 Spannung/Frequenzwandler 13 3 u.
6 Vorwärts/Rückwärtszähler 15 3 u. 6 Latch-Schaltung 17 3 Latch-Schaltung für Nettoleistung
17 6 Speicher für Regelabweichung 20 3 u. 6 Abtastperiode 22 3 Analog/D,igitalwandler
62 2 Analog/Digitalwandler 64 2 Digitales Voltmeter 103 5 Digitales Voltmeter 104
5 Komperator 105 5 Digital/Analogwandler 106 5 f (Nettoleistung) db 122 5 Komparator
124 5.
-
Dateneingabe über Werkzeugart 302 8 W erkzeugdaten Sammlung der Gebrauchs-Grenzwerte
303 8 Dateneingabe der individuellen Werkzeugdaten 304 8 Individuelle Werkzeugdaten
Cesammelte Gebrauchswerte 305 8 Uberprüfen Maschinenstatus 306 8 Wird neues Werkzeug
benötigt? 308 8 Anpassung der individuellen Werkzeugdaten 311 8 Flag für Werkzeugtausch
setzen 313 8 Läuft Maschine leer? 315 8 Integrierte und akkumulierte Gebrauchsdaten
ermitteln 319 8 Ist ein Limit überschritten? 321 8 Flag für Alarm setzen 323 8
Legende
Bezeichnung Figur Ende zurück nach B 325 8 Speicher zurückstellen 329 8 Ende zurück
nach B 330 8 Ende zurück nach B 331 8 Werkzeugwechsel 350 7 Werkzeugwechsel 350
8 Ist Werkzeugmaschine in Betrieb 351 7 Ende zurück nach C 353 7 NC = Werkzeugmaschine
356 7 Dreht sich Spindel? 359 7 Ende zurück nach C 361 7 Spindeltachometer 362 7
Dreht sich Spindelmotor? 365 7 Fehleralarm auslösen 367 7 Ende zurück nach C 369
7 Wattmeter 370 7 Ist Programm eingespeist? 373 7 Leerlauf-Flag setzen 375 7 Ende/Weiterfahren
377 7 Bearbeitungs-Flag setzen 379 7 Arbeitsbetrieb 400 9 Nettoleistungswert >
früherer Maximalwert 401 9 Anpassung Nettoleistungswert 403 9 Anpassen: Verbrauchte
Energie während Betrieb 4a6 9 Ende n ach Grenzwertüberprüfung 408 9 Werkzeug überprüfen
450 10 Ist Nettoleistung > HI 452 10 Zeitliches Zuwachslimit überschritten 454
10 Alarm-F.lag setzen 1 Sofort stop 2) Stop nm Ende Arbeitsahlnuf 3) Stop für Werkzeugwechsel
459 10
Legende Bezeichnung Figur Ist Gesamtenergieverbrauch >
Grenzwert 458 10 Zeitlicher Zuwachslimit überschritten 460 10 Alarm-Flag 2 und 3
setzen 461 10 Einsatzzeit > Limit 464 10 Zeitlicher Zuwachslimit überschritten
466 10 Alarm-Flag 2 und 3 setzen 468 10 Ende zurück nach B 471 10