DE4117637A1 - Steuervorrichtung fuer eine spanende werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine spanende Werkzeugmaschine und insbesondere eine Vorrichtung zum Steuern der Vorschubgeschwindigkeit und der Zeit des Werkzeugwechsels durch Erfassen von Verschleiß oder Bruch des Schneidwerkzeuges anhand der verbrauchten Leistung. Die während der spanenden Verarbeitung verbrauchte Leistung hängt davon ab, ob das Schneiderwerkzeug brandneu oder gebraucht ist; die verbrauchte Leistung hängt ferner von der Art und Weise ab, in welcher das Schneidwerkzeug auf der Maschine montiert ist. Selbst bei Verwendung des gleichen Werkzeugs wird die verbrauchte Leistung durch den Strom der Späne und durch an der Schneidkante anhaftende Fremdkörper erheblich beeinflußt.

Beim Steuern von Schneidwerkzeugen, bei denen die verbrauchte Leistung in Abhängigkeit von den individuellen Schneidwerkzeugen und den Schneidbedingungen stark fluktuiert, ist es notwendig, nicht momentane Fluktuationen der Leistung, sondern den Betrag des Anstiegs der verbrauchten Leistung aufgrund von Abnutzung oder Bruch mit hoher Genauigkeit zu ermitteln und die Maschine bzw. das Werkzeug aufgrund der ermittelten Werte zu steuern.

In der JP-AS 57-57 223 wird eine Steuervorrichtung vorgeschlagen, bei welcher die Schnittiefe eines Schleifwerkzeuges anhand der Fluktuationen der von einem Motor verbrauchten Leistung gesteuert wird.

Bei dieser Steuervorrichtung wird die im lastfreien Zustand vorliegende Leistung des Motors aus der von Rausch- oder Störkomponenten befreiten verbrauchten Leistung extrahiert und mit der gedämpften Leistung im Lastzustand verglichen. An die Schleifvorrichtung geht ein Steuersignal, wenn die Leistung im Lastzustand die Leistung im lastfreien Zustand übertrifft.

Bei dieser Art von Steuervorrichtung besteht das Problem, daß die zu erfassende Leistung im Lastzustand einen während der spanenden Bearbeitung auftretenden Momentanwert darstellt, so daß bei Einsatz der Steuervorrichtung zum Steuern einer spanenden Werkzeugmaschine der obenerwähnten Art Fehlfunktionen aufgrund von Leistungsschwankungen während der spanenden Bearbeitung eintreten können.

Wenn beispielsweise der Dämpfungsfaktor des ermittelten Wertes erhöt wird, um zu vermeiden, daß der zu vergleichende Abfragewert und die verbrauchte Leistung einander zu nahe kommen und auf diese Weise Fehlfunktionen zu verhindern, die auf Leistungsunterschiede für einzelne Schneidwerkzeuge zurückzuführen sind, weil einige dieser Werkzeuge brandneu und andere Werkzeuge gebraucht sein können, kann die Ansprechzeit übermäßig ansteigen, wodurch die Nachlaufeigenschaften verschlechtert werden. Wenn im Gegensatz dazu der Dämpfungsfaktor auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß die Differenz zwischen dem Abfragewert und der verbrauchten Leistung klein ist, um die Nachlaufeigenschaften zu verbessern, kommt es zu Fehlfunktionen der Steuervorrichtung, wenn die verbrauchte Leistung auch nur momentan unter dem Einfluß von Spänen oder an der Schneidkante anhaftenden Fremdkörpern ansteigt. Dies macht es unmöglich, auf stabile Weise Befehle für einen Werkzeugwechsel zu geben.

Bei der vorstehend genannten Vorrichtung ist ferner keine Überwachungsperiode angegeben, während deren die Leistung im lastfreien Zustand und die Leistung während der spanenden Bearbeitung miteinander zu vergleichen sind; vielmehr hat die Überwachung ständig zu erfolgen. Wenn sich daher die Leistung im lastfreien Zustand aufgrund von Änderungen der Drehzahl oder der Drehrichtung des Motors im Betrieb ändert, können Fehlfunktionen der Steuervorrichtung aufgrund dieser Änderungen eintreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung zu schaffen, die einen genauen Vergleich und eine Beurteilung des Betrages einer Leistungszunahme selbst dann durchführen kann, wenn sich die Bearbeitungsleistung zusammen mit momentanen Bearbeitungsfluktuationen ändert, die Fehlfunktionen aufgrund von Faktoren, die nichts mit der Berarbeitung zu tun haben, eliminiert und die es erlaubt, den Verschleiß des Werkzeugs auf stabile Weise zu kontrollieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuervorrichtung für eine spanende Werkzeugmaschine mit einer Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung zum Extrahieren einer mit der Bearbeitung in Bezug stehenden Bearbeitungsleistung aus der von der Werkzeugmaschine verbrauchte Leistung, einer Erfassungsbereich-Stelleinrichtung zum Einstellen eines Erfassungsbereiches für die so extrahierte Bearbeitungsleistung, einer Integrationseinrichtung zum Integrieren des Ausgangswertes der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung innerhalb des so eingestellten Erfassungsbereiches, einer Maximalwert-Detektoreinrichtung zum Erfassen des Maximalwertes der Ausgangswerte der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung innerhalb des Erfassungsbereiches, und einer Beurteilungseinrichtung zum Vergleich eines Eingangssignals mit einem variablen Vergleichsbezugswert und zum Erzeugen eines Steuersignals, wenn das Eingangssignal den Vergleichsbezugswert übersteigt, wobei die Beurteilungseinrichtung einen Eingang aufweist, der wahlweise mit der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung, der Integrationseinrichtung und der Maximalwert-Detektoreinrichtung verbunden werden kann.

Bei dieser Anordnung wird die im lastfreien Zustand auftretende Leistung von der verbrauchten Leistung mittels der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung subtrahiert, um eine Bearbeitungsleistung zu erhalten. Durch Einstellen des Erfassungsbereiches innerhalb der Bearbeitungszeit, während welcher eine Bearbeitung durch das Schneidwerkzeug tatsächlich ausgeführt wird, und durch Integrieren der Bearbeitungsleistung mittels der Integrationseinrichtung innerhalb der Bearbeitungszeit werden daher momentane Leistungsfluktuationen geglättet. Der erhaltene Wert der Leistungsänderung spiegelt daher genau den Betrag der Leistungsänderung aufgrund von Verschleiß und Abplatzen des Werkzeugs wider.

Durch Eingabe der Bearbeitungsleistung in die Maximalwert-Detektoreinrichtung kann ferner der Maximalwert der momentanen Leistungsschwankungen während der spanenden Bearbeitung ermittelt werden. Selbst wenn daher im Zuge der Bearbeitung die Bearbeitungsleistung heftig schwankt, kann die Steuervorrichtung in verläßlicher Weise auf beliebige momentane Leistungsänderungen ansprechen.

Durch Verbinden der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung mit der Beurteilungseinrichtung kann ferner die Bearbeitungsleistung, die sich während der tatsächlichen Bearbeitung ändert, unmittelbar verglichen werden. Die Beurteilung von Leistungsschwankungen kann infolgedessen rasch durchgeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung eine Rauschbeseitigungsschaltung zum Beseitigen von zyklischen Stör- oder Rauschkomponenten aus der verbrauchten Leistung, eine Glättungsschaltung zum Glätten der Ausgangswerte der Rauschbeseitigungsschaltung, eine Extraktionsschaltung zum Extrahieren der im lastfreien Zustand vorliegenden Leistung aus den Ausgangswerten der Rauschbeseitigungsschaltung und der Glättungsschaltung, sowie Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltungen zum Subtrahieren des Ausgangssignals der Extraktionsschaltung von den Ausgangswerten der Rauschbeseitigungsschaltung und der Glättungsschaltung auf, wobei die Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltungen mit der Integrationsschaltung und der Maximalwert-Detektorschaltung verbunden sind und mit dem Eingang der Beurteilungseinrichtung wahlweise verbunden werden können.

Die von dem Antriebsmotor einer spanenden Werkzeugmaschine verbrauchte Leistung enthält zyklische und nichtzyklische Stör- oder Rauschkomponenten, die unter anderem auf Vibrationen zurückgehen. Diese Rauschkomponenten können den Leistungswert für den lastfreien Zustand erhöhen und dadurch Fehlfunktionen verursachen.

Erfindungsgemäß wird nach dem Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten aus der verbrauchten Leistung nichtzyklisches Rauschen durch Glätten in der Glättungsschaltung beseitigt. Leistungsschwankungen lassen sich daher stabil ermitteln.

Die so geglättete Bearbeitungsleistung wird in die Steuerschaltung eingegeben. Weil rauschfreie Leistungswerte mit geringen Schwankungen verglichen und beurteilt werden können, erlaubt es die vorliegende Anordnung, Verschleiß des Werkzeuges genau zu erfassen.

Weil ferner Signale, die von zyklischen Rauschkomponenten befreit sind, unmittelbar in die Beurteilungseinrichtung eingegeben werden, lassen sich die Leistungswerte ohne Zeitverzögerung vergleichen. Eine Überlasterfassung und dergleichen können daher mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung,

Fig. 2a bis 2c Leistungssignale, die bei der Steuervorrichtung gemäß Fig. 1 auftreten,

Fig. 2d und 2e Spannungssignale, die bei der Steuervorrichtung nach Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 ein Beispiel des Verlaufs der Bearbeitungsleistung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer abgewandelten Ausführungsform.

Entsprechend Fig. 1 weist die vorliegende Steuervorrichtung sieben Hauptgruppen auf, und zwar eine Leistungsdetektoreinheit 2, die mit einem Motor 1 zum Antrieb einer spanenden Werkzeugmaschine verbunden ist, eine Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3, eine Integrationsschaltung 4, eine Maximalwert-Detektorschaltung 5, eine Torschaltung 6, eine Beurteilungsschaltung 7 und eine Anormalüberlast-Detektorschaltung 8.

Der Antriebsmotor 1 ist ein Motor, wie er bei spanenden Werkzeugmaschinen eingesetzt wird. Insbesondere kann es sich um einen Motor zum Drehen einer Spindel oder einen Motor zum Antrieb einer Welle handeln. Die Leistungsdetektoreinheit 7 hat die Aufgabe, die von dem Antriebsmotor 1 verbrauchte Leistung zu erfassen und auszugeben. Die Einheit 2 weist einen Leistungsdetektor 9 zum Ermitteln eines Leistungswertes anhand der Spannung und des Stromes, die dem Motor zugeführt werden, eine Hochlauf-Detektorschaltung 10 zum Erfassen des Hochlaufs des Motors, eine Torschaltung 11 zum Öffnen und Schließen der Stromkreise sowie eine Verstärkungs-Umschalteinheit 49 auf.

Die Hochlauf-Detektorschaltung 10 hat die Aufgabe, aus dem Meßbereich Leistungsschwankungen beim Hochlauf zu eliminieren. Sie ist mit einem eingebauten Umschalter zur Auswahl einer von drei Betriebsarten versehen, und zwar einer Betriebsart, in welcher Torsignale erzeugt werden, während der erfaßte Wert größer als ein vorbestimmter Wert ist, einer Betriebsart, in welcher Torsignale während des Hochlaufens erzeugt werden, und einer Betriebsart, in welcher Torsignale normalerweise erzeugt werden.

Die Torschaltung 11 öffnet in Abhängigkeit von den Torsignalen und läßt dann Signale, die kennzeichnend für die verbrauchte Leistung P sind, an die Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3 durch.

Die Verstärkungs-Umschalteinheit 49 dient dem Umschalten des Verstärkungsfaktors in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsleistung. Wenn die verbrauchte Leistung P 1 kW überschreitet, wird auf die 2 kW-Seite umgeschaltet. Danach nimmt der Leistungswert auf die Hälfte ab.

Die in der Leistungsdetektoreinheit 2 erfaßte verbrauchte Leistung P enthält nicht nur die zur Bearbeitung benutzte Bearbeitungsleistung f(t) und die im lastfreien Zustand auftretende Leistung f(t₀), sondern auch zyklische Stör- oder Rauschkomponenten (a sin ω₀ t, b sin 2ω₁t), die auf Vibrationen von Riemen und die Eigenschaften des Motors zurückzuführen sind, sowie nichtzyklische Stör- oder Rauschkomponenten Δf. Die verbrauchte Leistung kann daher durch die Formel

P = f(t) + f(t₀) + sin ω₀ t + b sin 2ω₁t + Δf(t)

ausgedrückt werden.

Die Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3 dient dem Extrahieren der Bearbeitungsleistung f(t₁) aus der in der Leistungsdetektoreinheit 2 erfaßten verbrauchten Leistung P. Zu der Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3 gehören eine Rauschbeseitigungsschaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschen, eine Glättungsschaltung 13, eine Schaltung 14 zum Erfassen der Leistung im lastfreien Zustand und zwei Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltungen 15 und 16.

Die Rauschbeseitigungsschaltung 12 umfaßt ein Niederfrequenzrauschfilter 17 zum Beseitigen von niederfrequentem Rauschen aufgrund von Vibrationen des Riemens und der Riemenscheibe des Motors sowie anderer mechanischer Teile, und ein Stromquellen-Rauschfilter 18 zum Beseitigen von Rauschen, das auf ein Ungleichgewicht des Dreiphasenstroms zurückzuführen ist, das unter anderem durch die begrenzte Präzision des Wechselstrommotors bedingt sein kann. Das Filter 17 kann, wie in der JP-AS 57-57 223 vorgeschlagen ist, eine Bandpaßschaltung, eine Pegeleinstellschaltung, eine Phasenumkehrschaltung und einen Addierer aufweisen. Durch Beseitigung der Rauschkomponenten aus der verbrauchten Leistung kann der Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück ohne Zeitverzögerung genau erfaßt werden. Schwankungen der Bearbeitungsleistung können daher mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Die Signale von der Rauschbeseitigungsschaltung 12 werden einer Rauschextraktionsschaltung 50 zugeführt, um nur die Schwingungskomponenten aus dem Rauschen herauszugreifen. Die Rauschextraktionsschaltung 50 kann ein Hochpaßfilter, eine Vollweggleichrichterschaltung und eine Verstärkerschaltung aufweisen, um nur die Schwingungskomponenten des Rauschens herauszugreifen, nachdem diese Komponenten um mehrere zigmal verstärkt wurden. Durch Einstellen des Pegels beider Filter 17 und 18 derart, daß ihre Ausgangsanzeige zu Null wird, kann das Rauschen aus der verbrauchten Leistung genau beseitigt werden.

Als Glättungsschaltung 13 wird zweckmäßig eine Tiefpaß-Filterschaltung benutzt. Sie dient dem Glätten der Signale für die verbrauchte Leistung. Durch diese Glättung wird der Signalverlauf der Leistungssignale abgerundet, wodurch nichtzyklische Rauschkomponenten eliminiert werden, wie dies in Fig. 2c veranschaulicht ist.

Die Ausgangssignale der Rauschbeseitigungsschaltung 12 und der Glättungsschaltung 13 werden der Schaltung 14 zum Erfassen der Leistung im lastfreien Zustand über einen Umschalter 21 zugeführt.

Die Schaltung 14 hat die Aufgabe, die Leistung im lastfreien Zustand zu ermitteln, welche sich von Moment zu Moment in Abhängigkeit von dem Verschleiß und der Temperatur ändern kann, während die Spindel rotiert und der Motor leerläuft.

Die Erfassungsschaltung 14 weist eine Abtast- und Halteschaltung 22 zum Abtasten und Halten des Leistungswertes im lastfreien Zustand sowie eine Kompensationsschaltung 23 auf, um zu dem so ermittelten Leistungswert für den lastfreien Zustand zu Korrekturzwecken eine Grundspannung zu addieren. Die Abtast- und Halteschaltung 22 ist mit einer Abtastbefehlsschaltung 24 versehen, welche den Zeitpunkt für das Abtasten der verbrauchten Leistung vorgibt. Zu der Schaltung 22 gehört ferner eine Halteschaltung 25, die den abgetasteten Wert für eine vorbestimmte Zeitspanne hält. Die Abtastbefehlsschaltung 24 hat eine Umschaltfunktion, um eine von drei Betriebsarten auszuwählen, und zwar eine Betriebsart, in welcher die Zeitvorgabe mit dem Torsignal der Hochlauf-Detektorschaltung 10 als dem Hochlaufsignal erfolgt, eine Betriebsart, in welcher der Befehl in Abhängigkeit von einem externen Haltesignal gegeben wird, und eine Betriebsart, in welcher der Befehl über einen Handschalter 26 gegeben wird.

Die Kompensationsschaltung 23 dient der Korrektur eines Leistungswertes als Bezugswert für die Messung. Die Schaltung 23 wird beispielsweise in dem folgenden Fall benutzt. Wenn es notwendig ist, das Schneidwerkzeug weiter vorzutransportieren, nachdem es in ein Werkstück eingeschnitten hat, wird ein Spannungssignal der in Fig. 3 veranschaulichten Art gegeben. Wenn es in einem solchen Fall erwünscht ist, den ansteigenden Teil (a) zum Zeitpunkt des Vorschubs genau zu steuern, kann die Leistungsänderung aufgrund des anschließenden Vorschubes als eine Leistungsänderung beim normalen Bearbeiten erfaßt werden, indem zu der Leistung f(t₀) für den lastfreien Zustand die Leistung f(B) zum Zeitpunkt der spanenden Bearbeitung addiert wird. Der Grundspannungswert, der dem Anstieg der Bezugsleistung entspricht, kann mittels eines variablen Stellgliedes 27 eingestellt werden.

Die von der Schaltung 14 zum Erfassen der Leistung im lastfreien Zustand ermittelten Signale werden dann der ersten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 15 und der zweiten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 16 zugeführt.

Die erste Bearbeitungs-Berechnungsschaltung 15 weist eine Recheneinheit 28 zum Subtrahieren eines Leistungswertes für den lastfreien Zustand von dem von einer ersten Umschalteinheit angelegten Leistungswert, einen Verstärker 29 zum Verstärken der Ausgangssignale der Recheneinheit 28 zwecks Steigerung der Beurteilungsempfindlichkeit, und eine Verstärkungsumschalteinheit 30 zum Ändern des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 29 auf.

Die Ausgangssignale der ersten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 15 werden der Torschaltung 6 zugeführt, die mit der Beurteilungsschaltung 7 und einer zweiten Umschalteinheit 20 verbunden ist.

Die zweite Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 16 ist mit einer Recheneinheit 32 ausgestattet, die mit der Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschen und mit der Schaltung 14 zum Erfassen der Leistung im lastfreien Zustand verbunden ist. Die Recheneinheit 32 errechnet die Bearbeitungsleistung f(t₁) indem sie den Leistungswert f(t₀) für den lastfreien Zustand von der verbrauchten Leistung f(t) subtrahiert, aus welcher zyklische Rauschkomponenten beseitigt wurden.

Die Ausgangssignale der zweiten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 16 werden an die zweite Umschalteinheit 20, die Integrationsschaltung 4 und die Maximalwert-Detektorschaltung 5 angelegt.

Die Integrationsschaltung 4 weist eine Torschaltung 33 zum Öffnen und Schließen des Stromkreises, eine Zeitgeberschaltung 34 zur Vorgabe der Zeiten für das Öffnen und Schließen der Torschaltung 33 sowie einen Integrator 35 auf.

Der Zeitgeberschaltung 34 werden normalerweise die Bearbeitungsleistungssignale f(t₁) von der zweiten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 16 sowie externe Triggersignale eingegeben, die in Synchronismus mit dem Anfang und dem Ende der Bearbeitung auftreten. Sie wählt entweder ein Signal, das anzeigt, daß die Bearbeitungsleistung f(t) einen Bezugswert überschritten hat, der etwas höher als die Leistung f(t₀) für den lastfreien Zustand eingestellt ist, oder ein externes Triggersignal aus und gibt ein Torzeitsignal an die Torschaltung 33.

Die Torschaltung 33 läßt die Signale, welche die Bearbeitungsleistung repräsentieren, nur über den Integrator 35 laufen, während ihr ein Signal von der Zeitgeberschaltung 34 zugeht.

Der Integrator 35 führt eine Integration des Leistungswertes durch, der über die Torschaltung 33 läuft. Der integrierte Wert f(t₃)=∫f(t₁) wird in die erste Umschalteinheit 19 eingespeist.

Die Maximalwert-Detektorschaltung 5 weist eine Torschaltung 36, eine Zeitgeberschaltung 37 zum Öffnen und Schließen der Torschaltung sowie einen Maximalwertdetektor 38 auf. Die Torschaltung 36 und die Zeitgeberschaltung 37 sind funktionsmäßig ähnlich der Torschaltung 33 und der Zeitgeberschaltung 34 der Integrationsschaltung 4. Sie lassen die Signale, welche die Bearbeitungsleistung repräsentieren, nur für eine vorbestimmte Zeitspanne über den Maximalwertdetektor 38 laufen.

Wie aus Fig. 2e hervorgeht, ermittelt und hält der Maximalwertdetektor 38 den Maximalwert f(t₄)=f(t₁) MAX der über die Torschaltung 36 laufenden Leistungswerte. Der so ermittelte Maximalwert f(t₄) wird der ersten Umschalteinheit 19 zugeführt.

Die Beurteilungsschaltung 7 weist vier Vergleicherschaltungen oder Komparatoren 39, 40, 41 und 42 auf. An die betreffenden Vergleicherschaltungen sind variable Stellglieder 43, 44, 45 und 46 zum Einstellen von Vergleichsbezugswerten von Pegel I bis zum Pegel IV angeschlossen.

Von den Vergleicherschaltungen ist die Vergleicherschaltung 39 für den Pegel I mit der Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3 über die Torschaltung 6 verbunden, während die Vergleicherschaltungen 40, 41 und 42 für den Pegel II bis zum Pegel IV an die zweite Umschalteinheit 20 über die Torschaltung 6 angeschlossen sind.

Die mittels der Stellglieder 43 bis 46 eingestellten Vergleichsbezugswertpegel I bis IV werden erhalten, indem die aufgrund einer Versuchsbearbeitung eines Probenwerkstückes ermittelten Bearbeitungsleistungen mit vorbestimmten Koeffizienten multipliziert werden. Der Pegel I ist der maximale Bezugswert für das Erfassen eines Kontakts zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück. Der Pegel II ist der maximale Bezugswert für das Ermitteln eines Leistungsanstieges aufgrund eines Bruchs des Werkzeugs. Der Pegel III ist der maximale Bezugswert zum Erfassen eines Leistungsanstiegs aufgrund von Abnutzung des Werkzeuges. Der Pegel IV ist der minimale Bezugswert zum Erfassen eines Nichtanstieges der Leistung aufgrund von Bruch des Werkzeuges.

Die Vergleicherschaltungen 39 bis 41 vergleichen die von der Torschaltung 6 eingegebenen Leistungswerte mit den Vergleichsbezugswertpegeln I, II bzw. III. Wenn der Leistungswert den betreffenden Bezugswert übersteigt, geben sie Steuersignale an die Werkzeugmaschine ab, wobei diese Steuersignale Änderungen der Spannungsbedingungen oder einen Werkzeugwechsel befehlen.

Im Gegensatz dazu vergleicht die Vergleicherschaltung 42 den Leistungswert von der Torschaltung 6 mit dem Vergleichsbezugswert IV. Wenn der Leistungswert diesen Vergleichsbezugswert nicht übertrifft, wird der Schluß gezogen, daß das Werkzeug gebrochen ist; es werden Steuersignale abgegeben, die einen Werkzeugwechsel befehlen. Sowohl der Pegel II als auch der Pegel IV stellen Bezugswerte für die Erfassung dar. Dies ist darauf zurückzuführen, daß jeder Werkzeugbruch während der Bearbeitung anhand des Pegels II aus einem steilen Anstieg des Leistungswertes erfaßt werden kann. Wenn das Werkzeug unmittelbar nach dem Ende der Bearbeitung an seiner Wurzel brechen sollte, kommt es wegen der Verkürzung der Werkzeuglänge zu keinem Leistungsanstieg. Infolgedessen ist es notwendig, das Ausbleiben eines Leistungsanstieges anhand des Pegels IV zu erfassen.

Die Anormalüberlast-Detektorschaltung 8, die mit der Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischem Rauschen verbunden ist, dient dem Ermitteln jedes steilen Leistungsanstieges aufgrund einer anormalen Kollision zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück oder aufgrund einer unzweckmäßigen Einstellung des Werkzeuges. Zu dieser Detektorschaltung 8 gehören ein Stellglied 47 zum Einstellen eines Überlastbezugswertes, der größer als die Vergleichsbezugswertpegel I bis IV ist, sowie eine Vergleicherschaltung 48 zum Vergleichen des Überlastbezugswertes mit der verbrauchten Leistung. Die Vergleicherschaltung 48 erzeugt ein Signal zum Stoppen der Werkzeugmaschine, wenn die verbrauchte Leistung den Überlastbezugswert übersteigt. Das Signal von der Vergleicherschaltung 48 bildet ein erstes Ausgangssignal der Steuervorrichtung, während die Signale von den Komparatoren 39, 40, 41 und 42 der Beurteilungsschaltung 7 zweite bis fünfte Ausgangssignale darstellen.

Nachstehend sei die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Steuervorrichtung erläutert.

Die mittels des Leistungsdetektors 9 erfaßte verbrauchte Leistung P des Motors 1 wird der Bearbeitungsleistungs-Extraktionsschaltung 3 zugeführt, nachdem der fluktuierende Teil des Leistungssignals beim Hochlauf des Motors mittels der Hochlaufdetektorschaltung 10 abgeschnitten wurde.

Wenn das Signal für die verbrauchte Leistung die Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten durchläuft, werden die betreffenden Rauschkomponenten abgetrennt, so daß ein Signal für die verbrauchte Leistung f(t) erhalten wird, dessen Signalform in Fig. 2 dargestellt ist.

Die verbrauchte Leistung wird dann in der Anormalüberlast-Detektorschaltung 8 mit dem Überlastbezugswert verglichen. Wenn ihr Maximalwert größer als der Überlastbezugswert ist, wird von der Detektorschaltung 8 das erste Ausgangssignal ausgegeben; die gesamte Funktion der Werkzeugmaschine wird gestoppt.

Wenn die verbrauchte Leistung f(t) nicht größer als der Überlastbezugswert ist und der Umschalter 21 entsprechend Fig. 1 mit der Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten verbunden ist, durchlaufen die Signale für die verbrauchte Leistung f(t) die Abtast- und Halteschaltung 22, so daß der Leistungswert f(t₀) für den lastfreien Zustand extrahiert wird. Der Leistungswert f(t₀) wird von der verbrauchten Leistung f(t) in der Recheneinheit 32 subtrahiert, wodurch die Bearbeitungsleistung f(t₁) (das in Fig. 2b dargestellte Signal) erhalten wird. Durch Verbinden des Schalters der ersten Umschalteinheit 19 mit einer Klemme der Integrationsschaltung 4 (wie in Fig. 1 gezeigt) wird in diesem Zustand entweder ein Signal, das anzeigt, daß die Bearbeitungsleistung f(t₁) den Bezugswert überschritten hat, oder ein externes Triggersignal in der Zeitgeberschaltung 34 der Integrationsschaltung 4 gewählt, und die Torschaltung 33 wird geöffnet, um das Signal dem Integrator 35 zuzuführen.

Der Integrator 35 integriert die Ausgangswerte der Bearbeitungsleistung f(t₁) für die mittels der Zeitgeberschaltung 34 eingestellte Bearbeitungszeit, und er führt diese Werte der ersten Umschalteinheit 19 zu. Durch diese Integration wird ein Spannungssignal der in Fig. 2d gezeigten Art erhalten. Der so gewonnene integrierte Wert f(t₃) wird über die zweite Umschalteinheit 20 geleitet und der Beurteilungsschaltung 7 über die Torschaltung 6 zugeführt, die im Synchronismus mit der Torschaltung 33 der Integrationsschaltung 4 öffnet. In der Beurteilungsschaltung 7 wird der integrierte Wert f(t₃) mittels der Vergleicherschaltungen 39, 40, 41 und 42 verglichen, um Steuersignale zu erzeugen, welche den Verschleiß- und Bruchbedingungen des Schneidwerkzeuges entsprechen (zweite bis fünfte Ausgangssignale).

Beim Vergleich des integrierten Wertes kann, weil Leistungsschwankungen ausgeglättet sind, nur auf Verschleiß des Werkzeuges zurückzuführende Leistungsanstieg genau verglichen werden. Selbst wenn die Leistung während des spanenden Bearbeitungsvorganges sich momentan ändert, weil Späne und/oder Fremdkörper an der Schneidkante anhaften, ist daher ein genauer Vergleich der Bearbeitungsleistung möglich.

Wenn dagegen der Schalter der ersten Umschalteinheit 19 mit einem Anschluß der Maximal-Detektorschaltung 5 verbunden ist, wird der Maximalwert f(t₄) der Bearbeitungsleistung f(t₁) innerhalb der Bearbeitungszeit in der Maximalwert-Detektorschaltung 5 ermittelt (Fig. 2e). Der Maximalwert f(t₄) wird in der Beurteilungsschaltung 7 verglichen und ausgewertet. Durch Verwendung des Maximalwertes f(t₄) wird ein genaues Ansprechen selbst auf momentane Leistungsschwankungen bei Bearbeitungsvorgängen möglich, im Rahmen derer es zu heftigen Leistungsfluktuationen kommt. Beispielsweise kann dadurch ein Werkzeugbruch effektiv erfaßt werden.

Wenn der Schalter der ersten Umschalteinheit 19 mit einem zu der Glättungsschaltung 13 führenden Anschluß verbunden wird, wird die verbrauchte Leistung f(t) geglättet, wodurch nichtzyklische Stör- oder Rauschkomponenten beseitigt werden. Der so erhaltene Leistungswert f(t₂) wird in der Beurteilungsschaltung 7 verglichen und ausgewertet, nachdem in der ersten Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 15 die Leistung f(t₀) für den lastfreien Zustand subtrahiert wurde. Bei diesem mit geglätteten Signalen arbeitenden Verfahren kommt es zu einer gewissen Zeitverzögerung in den Ausgangssignalen. Weil jedoch Leistungsschwankungen stabil erfaßt werden können, eignet sich dieses Vorgehen zum Ermitteln von Verschleiß des Werkzeuges, wenn die Art der Bearbeitung ein vergleichsweise langsames Ansprechen zuläßt.

Wenn ferner der Schalter der ersten Umschalteinheit 19 mit einem Anschluß verbunden wird, der zu der Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten führt, kann die Bearbeitungsleistung ohne Zeitverzögerung unmittelbar in die Beurteilungsschaltung 7 eingespeist sowie dort verglichen und ausgewertet werden. Dieses Vorgehen eignet sich für Bearbeitungsvorgänge, wo es auf ein rasches Ansprechverhalten ankommt.

Wenn bei der obigen Vorgehensweise der Umschalter 21 auf die Seite der Glättungsschaltung 13 umgeschaltet wird, läßt sich bei geglätteter verbrauchter Leistung der Leistungswert für den lastfreien Zustand ermitteln.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform der Steuervorrichtung veranschaulicht.

Bei dieser Ausführungsform sind als Beurteilungsschaltungsanordnung mehrere Beurteilungsschaltungen 7a, 7b, 7c . . . vorgesehen, die parallel zueinander liegen und von denen jede vier Komparatoren 39 bis 42 und vier variable Stellglieder 43 bis 46 aufweist. Jede der Beurteilungsschaltungen 7a, 7b, 7c . . . weist einen Eingang auf, der wahlweise mit einem Ausgangsanschluß (I) für die verbrauchte Leistung, einem Ausgangsanschluß (II) für die geglättete Leistung, einem Ausgangsanschluß (III) für den integrierten Leistungswert, einem Ausgangsanschluß (IV) für den Maximalwert der Leistung und einen Ausgangsanschluß (V) für die Bearbeitungsleistung verbunden werden kann, wozu die erste Umschalteinheit 19 und die zweite Umschalteinheit 20 dienen.

In der Zeichnung sind nur die Schaltung 12 zum Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten, die Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltung 16, die Glättungsschaltung 13 und einige weitere Schaltungskomponenten veranschaulicht, während andere Schaltungskomponenten weggelassen sind. Der Aufbau entspricht im übrigen jedoch demjenigen der Fig. 1.

Bei dieser Ausführungsform sind die Ausgangsanschlüsse und die Beurteilungsschaltungen miteinander verbunden; beispielsweise ist die eine Beurteilungsschaltung 7a an den Ausgangsanschluß (V) für die Bearbeitungsleistung, die nächste Beurteilungsschaltung 7b an den Ausgangsanschluß (III) für den integrierten Leistungswert, die nächste Beurteilungsschaltung 7c an den Ausgangsanschluß (IV) für den Maximalwert der Leistung usw. angeschlossen. Bei dieser Anordnung können die Bearbeitungsleistung, der integrierte Leistungswert, der Maximalwert der Leistung usw. gleichzeitig mit vier Vergleichsbezugswerten verglichen werden. Auf diese Weise ist es möglich, eine Mehrzahl von kontrollierten Variablen, die während der spanenden Bearbeitung aus der verbrauchten Leistung extrahiert werden, beispielsweise die Bearbeitungsleistung, den integrierten Leistungswert und den maximalen Wert der Leistung, gleichzeitig zu vergleichen und auszuwerten. Die sich auf verschiedene Weise ändernde verbrauchte Leistung kann so verläßlich und wirkungsvoll kontrolliert werden.

Die Steuervorrichtung läßt sich auch auf andere Weise einsetzen. Beispielsweise kann eine vergleichende Beurteilung für eine Mehrzahl von Werkzeugen oder Bearbeitungsschritten erfolgen, indem die Vergleichsbezugswerte für unterschiedliche Werkzeuge oder für unterschiedliche Bearbeitungsschritte in den betreffenden Beurteilungsschaltungen 7a, 7b usw. eingestellt werden und indem die Beurteilungsschaltungen 7a, 7b usw. aufgrund von externen Zeitgebersignalen nacheinander entsprechend dem betreffenden Werkzeug oder dem betreffenden Bearbeitungsschritt betätigt werden.

Claims (4)

1. Steuervorrichtung für eine spanende Werkzeugmaschine mit einer Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung (3) zum Extrahieren einer mit der Bearbeitung in Bezug stehenden Bearbeitungsleistung aus der von der Werkzeugmaschine verbrauchten Leistung, einer Erfassungsbereich-Stelleinrichtung zum Einstellen eines Erfassungsbereichs für die so extrahierte Bearbeitungsleistung, einer Integrationseinrichtung (4) zum Integrieren des Ausgangswertes der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung innerhalb des so eingestellten Erfassungsbereiches, einer Maximalwert-Detektoreinrichtung (5) zum Erfassen des Maximalwertes der Ausgangswerte der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung innerhalb des Erfassungsbereiches, und einer Beurteilungseinrichtung (7; 7a, 7b, 7c) zum Vergleichen eines Eingangssignals mit einem variablen Vergleichsbezugswert und zum Erzeugen eines Steuersignals, wenn das Eingangssignal den Vergleichsbezugswert übersteigt, wobei die Beurteilungseinrichtung einen Eingang aufweist, der wahlweise mit der Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung, der Integrationseinrichtung und der Maximalwert-Detektoreinrichtung verbunden werden kann.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsleistungs-Extraktionseinrichtung (3) eine Rauschbeseitigungsschaltung (12) zum Beseitigen von zyklischen Rauschkomponenten aus der verbrauchten Leistung, eine Glättungsschaltung (13) zum Glätten der Ausgangswerte der Rauschbeseitigungsschaltung, eine Extraktionsschaltung (14) zum Extrahieren der im lastfreien Zustand vorliegenden Leistung aus den Ausgangswerten der Rauschbeseitigungsschaltung und der Glättungsschaltung, sowie Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltungen (15, 16) zum Subtrahieren des Ausgangssignals der Extraktionsschaltung (14) von den Ausgangswerten der Rauschbeseitigungsschaltung (12) und der Glättungsschaltung (13) aufweist, wobei die Bearbeitungsleistungs-Berechnungsschaltungen (15, 16) mit der Integrationseinrichtung (4) und der Maximalwert-Detektoreinrichtung (5) verbunden sind und mit dem Eingang der Beurteilungseinrichtung (7; 7a, 7b, 7c) wahlweise verbunden werden können.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsbereich-Stelleinrichtung eine Torschaltung aufweist, die mit externen Signalen geöffnet und geschlossen werden kann.

4. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beurteilungseinrichtung (7a, 7b, 7c) eine Mehrzahl von Eingängen aufweist, von denen jedem eine Vergleichereinheit (39, 40, 41, 42) zum Vergleichen der Eingangssignale und der Vergleichsbezugswerte sowie ein Ausgang zur Ausgabe der Steuersignale zugeordnet sind.