SE428540B - Sett och anordning for overvakning av verktygsstatus i en verktygsmaskin med cyklisk bearbetning - Google Patents

Description

8102372-3 2 Fig. l visar- schematiskt en verktygsspindel l för exempelvis en fräsmaskin (ej visad). Denna verktygsspmdel 1 kan :innefatta ett antal verktyg eller skär 2, i detta fall fyra skär 2. Givetvis kan antalet skär variera från maskin till maskin och beroende på arbetsstycke och moment, men för enkelhets skull behandlas fortsättningsvis en fräsmaskin med fyra skär 2. Spindeln 1 roterar med varvtalet f i den av pilen i fig. 1 indikerade riktningen. Därigenom kommer skären 2 att i tur och ordning komma till ingrepp med arbetsstycket. En bearbetningscykel består sålunda i detta fall av en rotation ett varv för spindeln 1. Under detta varv hinner vart och ett av de fyra skären 2 att avverka en förutbestämd mängd av arbetsstycket.

I Vid normal drift, dvs. när skären är i stort sett identiska rätt centrerade och ej är förslitna, kommer alla fyra skären 2 att avverka samma mängd material från arbetsstycket. Detta är det ideala tillstånd som bör eftersträvas. Om däremot något av skären 2 skulle vara defekt (förslitet, verktygsbrott) kommer detta att resultera i obalans och en felaktig bearbetning av arbetsstycket. Eftersom det defekta skäret 2 nu ej kommer att avverka lika mycket material som ett felfritt skär, kommer det nästföljande skäret 2 att belastas mera än normalt genom att det nu förutom sin normala avverkningsmängd även måste avverka den materialmängd som det defekta skäret lämnat efter sig.

Ovanstående skillnad mellan normal drift och drift med defekt skär ger upphov till vibrationsslcillziader och impulsdifferenser. Dessa skillnader utnyttjas enligt uppfinningen för detektering av defekta skär. Ett stort problem har emellertid varit det faktum att de vibrationer som uppkommer genom verktygens ingrepp med arbetsstycket i stor utsträckning döljs av övriga vibrationer som maskinen alstrar vid normal drift och förvrängs vid transmissionen genom olika maskindelar mellan verktyget eller arbetsstycket och accelerometern. Problemet som löses enligt uppfinningen är sålunda att ur en vibrationssignal som är Inycket brushaltig och innehåller många signaler som härrör från normal drift urskilja den väsentliga signalkomponent som härrör från verktygens ingrepp med arbetsstycket.

För mätning av vibrationerna används enligt uppfinningen någon form av givare som omvandlar de mekaniska vibrationerna till elektriska. 8102372-3 signaler. Speciellt lämpligt är att använda en accelerometer som med fördel kan placeras på maskinstativet. Uppfinningen är givetvis ej begränsad endast till användning av denna typ av givare och denna placering av givaren. Exempelvis skulle även en lägesgivare kunna användas. Läge, hastighet och acceleration är olika aspekter på en vibration och det går att överföra en accelerationssignal till hastighet och vidare till läge och omvänt. Vid exempelvis en fräsmaskin har det visat sig lämpligt att placera en accelerometer (av piezoelektrisk typ) på exempelvis matarbordet.

Uppfinningen är givetvis ej heller begränsad till utnyttjande av endast en (vibrations-)givare. Sålunda kan flera (läges-, hastighets- och accelerations-)givare i olika kombinationer placeras på olika ställen på bearbetningsmaskinen. För enkelhets skull beskrivs i fortsättningen dock endast utnyttjande av en på maskinstativet placerad accelerometer för upptagnixug av en mätsigraal. - Såsom nämnts ovan kommer den relevanta delen av mätsignalen att till stor del vara dold i brus och normaldriftsignaler. Detta betyder att den av givaren alstrade mätsignalen ej kan användas direkt utan någon form av Signalbehandling. .En idealiserad bild av mätsigraalen ges dock i figurerna 2 och 3 vid normal drift resp. drift med defekt skär.

Den verkliga signalen kommer dock att innehålla så mycket brus och irrelevanta signaler att de i figurerna 2 och 3 indikerade topparna är svåra att urskilja.

I fig. 2 visas sålunda en idealiserad bild av mätsignalen för en arbetscykel, dvs. ett varv för arbetsspindeln 1. De fyra topparna härrör från respektive verktygs ingrepp med arbetsstycket. Eftersom fig. 2 hänför sig till normal drift med i huvudsak identiska verktyg är dessa fyra toppar i huvudsak identiska. Detta betyder att man erhåller en signal med periodtiden T, dvs. en signal med frekvensen x . f, där x är antalet felfria skär (i detta fall fyra).

Pig. 3 visar motsvarande idealiserade bild av mätsignalen vid ett defekt skär. Den topp som motsvarar det defekta skärets ingrepp med arbetsstycket har markerats med beteckningen a. Eftersom Skäret är defekt når det så att säga ej riktigt fram till arbetsstycket och kommer det därför att avverka en mindre mängd material. Ingreppet blir ej lika kraftigt, dvs. amplituden blir mindre. En konsekvens av detta 8102372-3 är att nästföljande skär 2 måste avverka mera material, dels den märgd det avverkar vid normal drift och dessutom den mängd material som det föregående defekta skäret efterlämnat. Detta innebär ett kraftigare ingrepp med arbetsstycket, vilket frarngår av den högre amplituden b i fig. 3.

En jämförelse mellan figurerna 2 och 3 visar att periodtiden för signalformen enligt fig. 3 är fyra gånger så lång som periodtiden T enligt "fig. 2. Annorlunda uttryckt ligger grundfrekvensen för signalformen enligt fig. 3 vid frekvensen f, medan grundfrekvensen för signalformen enligt fig. 2 ligger vid frekvensen ltf. Dessa påståenden är givetvis tämligen idealiserade. I praktiken kommer man aldrig att få exakt identiska toppar såsom i fig. 2. Vid normal drift är signalkomponenter med frekvensen f och 2f svaga eller saknas helt; vid defekt verktyg ökar dessa signalkomponenter. Denna skillnad utnyttjas enligt uppfinningen för detektering av verktygsbrott eller defekt verktyg.

Såsom nämnts ovan erhåller man i praktiken ej de idealiserade signalerna enligt fig. 2 och 3 från givaren. I själva verket erhåller man starkt brushaltiga signaler. Dessa signaler måste på något sätt behandlas för att den väsentliga informationen enligt fig. 2 aan 3 skall kunna extraheras. I fig. ll visas en principskiss för en anordning som åstadkommer just detta.

För att förenkla beskrivningen av fig. i! bortses till en början från elementen 3, ll, 5 och 6.

Signalen från givaren (accelerometern) betecknas med A.

Signalen A leds till ett bandpassfilter F. Bandpassfiltret F är styr-bart, dvs. det frekvensband som filtret släpper igenom kan styras utifrån. Exempelvis kan filtret styras till att släppa igenom ett smalt frekvensband kring frekvensen f, såsom visas i fig. 4. Signalen för styrning av filtret F kan exempelvis utgöras av en fyrkantvåg eller ett pulståg med frekvensen f. Denna signal kan exempelvis utgöras av en tachometersigzaal som erhålles med hjälp av en optisk läsgaffel och som representerar spindelns rotationsvarxrtal. Frekvensen f utgöres sålunda av bearbetningscykelns repetitionsfrekvens.

Med hjälp av parametern f (frekvensen) kan nu filtret F' styras till att släppa igenom vissa frekvensband. Det naturliga frekvensbandet __.._...ï_ï.____ 8102372-3 kring f är endast ett av dessa möjliga frekvensband. Med hjälp av samma parameter f kan man nämligen inställa filtret för att släppa igenom frekvensband vid frekvenserna 2f, 3f etc. Med andra ord kan man även studera övertonernas inverkan på mätsignalen. Med hjälp av samma parametrar f är det även möjligt att inställa filtret för att släppa igenom frekvensband kring undertonerna en halv f, en tredjedels f, en fjärdedels f, etc.. Med ovanstående resonemang är det alltså möjligt att med hjälp av en enda parameter (f) styra filtret F till att släppa igenom ett frekvensband kring en av parametern f beroende frekvens.

Givetvis är även andra frekvenser än ovan nämnda tänkbara, det enda kriteriet är att de bör vara entydigt beroende av parametern f.

Genom att man på ovan nämnda sätt kan styra filtret F kan man själv välja det frekvensband som ger den mest signifikanta utsignalen.

I ovanstående resonemang har filtret F utgjorts av ett enda filter som kan styras till en viss frekvens. Enligt en vidareutveckling av denna idé kan filtret F bestå. av flera filtersektioner, så att exempelvis grundton, första överton, första underton, etc. automatiskt utfiltreras ur insigraalen och sedan läæes samman igen för att bilda utsignal. Även i detta fall är det parametern f som styr samtliga filtersektioner. Genom att i stället mäta t.ex. förhållandet mellan signalen f och signalen f/ll kan viss information om verktygets symmetri erhållas.

Filtrets F utsignal leds till en komparatorsektion 7, i detta fall bestående av fyra stycken komparatorer. De fyra komparatorerna i komparatorsektionen 7 avkänner filtrets F utsignal och Jämför denna med i respektive komparator inlagda Jämförelsenivåer vid t.ex. 0, 5, 10 resp. 15 dB. Om filtrets F utsignal överskrider respektive komparatornivå. tänds en motsvarande indikeringslampa kopplad till respektive komparator. Genom att studera den "lysande lamppelaren" kan man sålunda få en indikering på den aktuella vibrationsnivån för bearbetningsmaskinen. Ju fler lampor som lyser i pelaren desto högre vibrationsnivå och desto allvarligare verktygsfel.

Om så önskas kan filtrets F utsignal även tillföras exempelvis en skrivare för registrering (blocket R i fig. LI).

Prov och mätningar har visat att vibrationssignalerna i en fräsmaskin är amplitudmodulerade med en lågfrekvent signal, som härrör -8102372-3 från verktygsskärens ingrepp i arbetsstycket, och att den lågfrekventa signalen själv är mycket svag. För erhållande av tydligare larmsignaler bör därför ovan beskrivna enkla grundfrekverisutfiltrerirg kompletteras med ytterligare signalbehandling. I exemplet enligt fig. L! utföres denna tillkommande Signalbehandling med elementen 3, ll, 5 och 6.

För att undertrycka störsignaler är det lämpligt med en förfiltrering av accelerometerns utsignal. Under frekvenser av storleksordningen 250 Hz uppträder störsignaler, exempelvis från el- nätet och maskinens drivmotor, och över frekvenser av storleksordningen 2000 Hz börjar accelerometerns egenresonans att påverka mätningarna. En bortfiltrering av dessa extremområden förbättrar signal- brusförhållandet. Av denna anledning har ytterligare ett bandpassfilter 3 inkopplats mellan accelerometern och filtret F. Detta bandpassfilter 3 filtrerar bort nämnda extremområden.

Vidare är det lämpligt med en viss förförstärlniing av signalen.

Detta utföres i en förförstärkare ll mellan bandpassfiltret 3 och filtret F.

Eftersom vibrationssigrnalerfia är amplitudmodulerade inkopplas en detektor, som utgöres av en likriktare mellan för-förstärkaren ll och filtret F. Därigenom erhålles de informationsbärande delarna ur signalen. Detektom kan lämpligen göras toppvärdesavlcämxande och med en stigtid på ca. l ms och en återgångstid på ca. 10 - 50 ms.

Efter filtret F placeras lämpligen en likriktare för lilcriictning av den ur filtret urvalda signalen.

Eftersom filtret F kommer att ge en utsignal även vid normal drift när skären alla är intakta måste komparatorerna inställas så att ingen larmsignal ges vid normal drift. Detta sker genom att respektive komparators Jämförelsenivå inställes till 0, 5, 10 resp. 15 dB över referensnivån vid normal drift.

I fig. 5 visas en alternativ utföringsform av anordningen enligt föreliggande uppfinning. För enkelhets skull har i fig. 5 element svarande mot elementen 3, 4, 5 och 6 i fig. ll utelämnats.

I anordningen enligt fig. 5 tillföres accelerometersignalen en filtersektion F, som i detta fall innehåller fyra filter Fl, F2, F3, Fil. Samtliga dessa filter är bandpassfilter. Filtren Fl, FZ, F3 styrs av spindelns varvtal via takometersignalen f. Innan denna tillföras 8102372-3 filtersektionen F multipliceras den dock med antalet skär (x) i en multiplikator M. Den frekvens som ges av multiplikatorn M kallas i det följande för grundfrekvensen. Signalen från multiplikatorn styr nu filtret Fl till att släppa igenom ett band vid grundfrekvensen. Samma signal utnyttjas även till att styra ut filtret P2 för att släppa igenom ett smalt band kring första övertonen (frekvensen 2 . x . f).

Vidare utnyttjas signalen till att styra ut filtret F3 för att släppa igenom ett smalt band kring första undertonen (frekvensen l/2 . x . f).

Filtersektionen F innefattar slutligen ett av multiplikatorns M utsignal opåverkat filter Fil som endast filtrerar bort extremf rekvenser, exempelvis de ovan i samband med utföringsformen enligt fig. 4 beskrivna extremfrekvenserna. Det sist nämnda filtret utgöres sålunda av ett i förhållande till filtren Fl, EQ, P3 tämligen bredbandigt bandpassfilter.

Den hitintills beskrivna delen av anordningen enligt fig. 5 överensstämmer i huvudsak med gnmdtankama vid konstruktionen enligt fig. ll. Den vidareutveckling som konstruktionen enligt fig. 5 innebär utgöres framför allt av den mera sofistikerade referensvärdesjämförelse som utföres i konstruktionen enligt fig. 5.

Sålunda innehåller anordningen enligt fig. 5 en referensvärdesgivare REF som avger olika referensvärden till fyra diskriminatorer Dl, D2, D3, DL! i en diskriminatorsektion D. Dessa fyra referensvärden utgöres av de referensnivåer man skulle erhålla ur respektive filter Fl, F2, P3, F14 vid normal drift med intakta verktyg. Varje diskriminator Dl-Dll avger såsom utsignal exempelvis en logisk 1 om utsignalen från respektive filter överskrider, eller alternativt med ett visst belopp överskrider, motsvarande referensvärde från referensvärdesgivaren REF.

De fyra logiska utsignalerna från diskriminatorsektionen D sammanföres därefter i en logikenhet som exempelvis kan avge larmsignal till indikeringslampan om åtminstone två av fyra eller åtminstone tre av fyra diskriminatorer avgivit larmsignal (exempelvis logisk 1).

Därigenom erhålles den fördelen att endast en lampa i stället för en irriterande lamppelare behöver användas. När denna enda lampa lyser vet man att larmet verkligen är befogat.

I sin enklaste form kan referensvärdesgivaren utgöras av enkla potentiometrar, vars spänningsnivåer inställes till de för normal drift 8102372-3 karakteristiska. nivåerna. I detta fall har man sålunda ett statiskt referensvärde för varje testfrekvens.

En mera sofistikerad anordning kan i stället såsom i referensvärdesgivare utnyttja exempelvis en bandspelare eller ett minne typ datorminne. I detta fall är det möjligt att tilldela de olika faserna i ett bearbetningsförlopp av ett arbetsstycke olika referensvärdesnivåer. Det kan exempelvis även vid intakta skär vara normalt att vibrationsnivån under vissa bearbetningsfaser tillfälligtvis ökar eller minskar. För att anordning-en vid sådana normala ökningar och minskningar ej skall utlösa larm är det därför lämpligt att tillföra diskriminatorema Dl, D2, D3 och Dll motsvarande ökningar och minskningar i referensvärdet. I detta fall utgöres sålunda referensvärderxaav dynamiska referensvärden som följer de olika faserna i arbetsförloppet.

Om referensvärdesgivaren REF skall avge dynamiska referensvärden är det lämpligt att synkronisera denna med den för tillfället aktuella bearbetningen. För detta syfte kan exempelvis multiplikatorns M utsignal användas för att styra avgivningen av de upptecknade referensvärdena till respektive diskriminator eller vid numeriskt styrda maskiner kan styrprogrammet också styra referensvärdesgivaren.

Den ovan beskrivna metoden att utnyttja ändringar i karakteristiska frekvenskomponenter för övervakning av verktygsstatus kan även utvidgas till att omfatta en styrning av maskinen. Sålunda utgör de tidigare beskrivna larmsignalerna endast ett exempel på hur den ur vibrationssignalerna härledda informationen kan utnyttjas. Samma information kan även utnyttjas för att direkt styra hela processen, exempelvis utföra en verktygsväxling när något skär är defekt eller när skären är slitna eller stoppa maskinen vid verktygsbrott. I detta fall är det lämpligt att låta exempelvis ett mikrodatorsystem styra hela övervakriingsprocessen. En enkel principskiss för detta visas i fig. 6.

I utföringsformen enligt fig. 6 tillföras signalerna A,f' såsom tidigare "signaturanalysatorn“ S. Denna kan exempelvis utgöras av anordningen fram t o m bandpas sfiltersektionen F i fig. 5. De analoga signalerna från signaturanalysatorn tillföras en A-D-omvandlare, som bildar gränssnitt till ett datorsystem, exempelvis ett mikrodatorsystem 8102372-3 /u. Mikrodatorsystemet innefattar sedvanliga element såsom datamirme, programmirme, CPU + kontroll I/O. Med hjälp av mikrodatorsystemet /u utföres den nödvändiga utvärderingen av signaturanalysatorns utsignal, dvs. jämförelsen med referensnivåerna. Dessa kan i binär form vara lagrade direkt i mikrodatasystemets dataminne. Vid dynamiska referensvärden kan datamimet exempelvis vara uppdelat i en sekvens av datapar, varvid det första elementet i varje par refererar till en bestämd diskret tidpunkt, medan det andra elementet refererar till det vid nämnda tidpunkt aktuella referensvärdet för ifrågavarande frekvensband. Lämpligen är referensvärdena skalade på sådant sätt att de tillgängliga diskretiseringsnivåerna utnyttjas maximalt. Detta innebär i sin tur att mätvärdena från signaturanalysatorn bör skalas (dämpas, förstärkas) i motsvarande grad. Mikrodatorsystemet styr därför lämpligen via A-D-omvandlaren förstärkningen av mätsignalen (den dubbelriktade pilen mellan sigrnturanalysatorn S och A-D-oxnvandlaren).

Mikrodatorsystemet /u bildar förutom en utvärderingsermet även en styrenhet för verktygsmaskinen. När sålunda larm utlöses utsänder datorsystemet en signal på ledningen X för åstadkommande av verktygsväxling. Sedan verktygsväxlingen utförts sänder verktygsväxlingsanordningen (ej visad) en retursignal (kvittens) på ledningen Y tillbaka till datorsystemet /u. Därefter kan bearbetningsprocessen fortsätta.

I och för yttre styrning av mikrodatorsystemet innefattar detta en betjäningsenhet B. Med hjälp av betjäningsenheten kan operatören beordra start/stopp, återställning av larm samt manuell verktygsväxling. Vidare kan operatören via betjäningsenheten programmera det för det aktuella arbetsstycket erforderliga bearbetningsförloppet samt därefter inställa maskinen i övervakningsläget.

Mikrodatorn kan även programmeras att utföra hela signalanalysen, dvs. ersätta samtliga i fig. ll och 5 angivna filter, detektorer och nultiplikatorer etc.

Föreliggande uppfinning har ovan beskrivits under hänvisning till en konkret verktygsmaskin, nämligen en fräsmaskm Det inses dock att uppfinningen ej är begränsad till enbart fräsmaskiner utan att samma principer även kan användas vid andra typer av cykliskt s1o2s?2-z lO bearbetande verktygsmaskiner såsom borrmaskiner, svarvar, lmtter- eller kipphyvlar, etc..

Såsom frekvensstyrnillgsparameter har här beskrivits användande av spindelvarvtalet eller multiplar av detta. En annan ekvivalent parameter kan vara exempelvis motorvarvtalet (till exempel vid borr-zraskin). g I vissa sammanhang kan det vara aktuellt atz-.ej utlösa larm förrän vissa bivillkor har uppfyllts. Vid start av en maskin kan det nämligen vara fullt normalt att vibrationsnivån till en början ligger ganska hög utan att något egentligt fel har uppstått. I dessa fall är det ej önskvärt att larm skall utläsas. Såsom bivillkor kan då utnyttjas exempelvis att maskinens effekt eller temperatur måste överskrida ett förutbestämt värde irman larm kan utläsas.

I ovanstående beskrivning har det hela tiden talats om att larm utlöses i vissa situationer när en mätsignal överskrider en referensnivå. I vissa fall kan det dock även vara aktuellt att avge larm när referensnivån underskrides med ett förutbestämt värde. Detta kan inträffa om exempelvis verktygen över huvud taget ej kommer i kontakt med arbetsstycket. Vid en sådan utföringsform skall larm sålunda avges om mätsignalen avviker alltför mycket från referenssigmflnivån.

Av ovanstående inses att uppfinningen kan på många sätt varieras och modifieras inom ramen för den grundläggande principen.

Uppfinningen begränsas därför ej av föreliggande beskrivning utan endast av de bifogade patentkraven.

Claims (9)

1. 8102372-3 ll PATENTKRAV l. Sätt att övervaka verktygsstatus i en verktygsmaskin med cyklisk bearbetning av arbetsstycket, k ä n n e t e c k n a t av att maskinens vibrationsnivå uppmätes vid åtminstone en av bearbet- ningscykelfrekvensen styrd mätfrekvens, och att den erhållna vibrationsnivån jämföras med en motsvarande referensnivå, varvid varningssignal avgives om den detekterade vibrationsnivån avviker alltför mycket från referensnivån.

2. Anordning för övervakning av verktygsstatizs 1 en verktygsmaskin* ß _ med cyklisk bearbetning av arbetsstycket, k ä n n e t e c k n a d av en givare för uppmätning av maskinens vibrationer (A), åtminstone ett styrbart bandpassfilter (Fl-F3) för filtrering av signalen från givaren, en frekvensdetektor för detektering av bearbetningscykelfrekvensen' (f) och för styrning av filtret (Fl-FB) så att endast av nämnda frekvens beroende frekvensband släpps igenom filtret, samt en utvärderingsenhet (7,D,/u) för Jämförelse av filtrets utsignaler med åtminstone en referensnivå samt för avgivande av en larmsigrxal vid alltför stor avvikelse från referensnivån.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av en filtersektion (F) med tre av bearbetningscykelfrekvensen styrda bandpassfilter (Fl-FB). ll.

4. Anordning enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av en minnesenhet (D, /u) för lagring av en referensnivå för varje bandpassfilter (Fl-FB).

5. Anordning enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a d av att minnesenheten (D, /u) år en dynamisk minnesenhet för lagring av med tiden varierande referensnivåer.

6. Anordning enligt något av föregående krav 2-5, k ä n n e - t e c k n a d av att givaren utgöres av en accelerorneter.

7. Anordning enligt något av föregående krav 2-6, k ä n n e - t e c k n a d av att frekvensdetektorn utgöres av en takometer.

8. Anordning enligt något av föregående krav 2-7, k ä n n e - t e c k n a d av att utvärderingsenheten utgöres av ett datorsystem (l/u) med vars hjälp åtgärder automatiskt kan vidtagas vid alltför stor avvikelse från referensnivån. 8102372-3 12

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att en dmilmodator ersätter alla styrande och signalbehandlande organ. lO. Anordning enligt något av föregående krav 2-9 för övervakning av verktygsstatus i en fräsmaskín, k ä n n e t e c k n a. d av att frekvensdetektorn detekterar fräsmaskinens spindelvarvtal (f).