WO2024056147A1 - Method for ascertaining an analytical process model of a machine tool - Google Patents

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Stephan Niessner
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • G05B19/4086—Coordinate conversions; Other special calculations

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one process signal that indicates a machining process of a workpiece in a machine tool.
  • Measuring signals from a machine tool that are recorded while machining a workpiece can, for example, be forces and torques from NC axes, traversing axes from NC (Numerical Control) machines, and spindles, as well as signals from integrated sensors, for example for pressure, vibration and Include temperature.
  • the invention is based on the object of providing a method with which process signals characterizing a machining process of a machine tool can be determined in a way that allows these process signals to be transmitted to other machines that carry out an identical machining process.
  • the task is solved by a method for determining process signals, which characterizes a machining process of a workpiece in a machine tool, which is characterized in that - measurement signals on the machine tool are recorded by sensors during a machining process of a workpiece and sent to an evaluation.
  • te device are transmitted, - interference influences on the measurement signals generated by properties of the machine tool and/or a tool and/or the workpiece are recorded and transmitted to the evaluation device, - time-dependent interference functions are calculated in the evaluation device for the individual measured interference influences and these interference functions are evaluated from the measurement signals to obtain machine-independent process signals.
  • DS16789-3623 - 3 - September 12, 2022 The method according to the invention is based on the fact that every mechanical measurement signal can be described as a linear combination of the main influencing factors due to the superposition principle.
  • the structure and drive of the machine tool as well as the properties of the tool and the workpiece also have an influence on the measured signals.
  • these influences are considered disruptive influences because they are not caused by the actual machining process, but are machine and workpiece-specific.
  • these interference influences are recorded and interference functions are calculated from them, which are used to clean up the measurement signals.
  • the cleaned measurement signal or signals are the desired process signals that exclusively characterize the machining process.
  • These process signals can be transferred to other machines that carry out an identical machining process.
  • the evaluation device for carrying out the calculations can be part of the machine tool or an external device.
  • a time-independent force-displacement diagram can be calculated from the time-dependent process signals, which further simplifies a qualitative assessment of the machining process.
  • an analytical process model of the machining process of the machine tool can be created from the at least one process signal.
  • Such a process model allows the rapid optimization of a machining process by simulating various operating states of the machine.
  • the interference influences on the measurement signals can be categorized according to their cause. Some of the interference signals due to interference may originate or be caused by the machine itself. Other interference signals are generated by the condition of the tool. Properties of the workpiece also influence the measurement signals.
  • DS16789-3623 - 4 - 09/12/2022 Sensors are preferably used to measure interference influences from the configuration or design of the machine frame, from the drive of the machine tool and from the add-on components of the machine tool.
  • the designed shape of the machine frame i.e. whether the machine has a C-frame or a bed frame or is a portal-type machine, has an influence on the measured process signals of the machine.
  • the different machine frames are subject to different elastic deformations due to the force resulting from the machining process, which can be detected by sensors. These deformations can, for example, distort the path that a machine tool has to travel to process the workpiece. Further disruptive influences originating from the machine tool result from the type of drive of the machine, which can be electrical or hydraulic, for example. These interference influences caused by the structure and drive of the machine tool can be combined into a interference function that can be used to clean up the measurement signals. In addition to these disruptive influences on the machine that cannot be influenced, add-on components on the machine, such as tool changers or loading and unloading devices for workpieces, can also lead to distortion of process signals.
  • interference functions caused by the tool are multiplied by interference functions that reflect the influence of material properties of the machined workpiece. Therefore, interference caused by the material properties of the workpiece is also expediently measured. Not only the material of the workpiece plays a role, but also the material thickness and any existing coatings on the workpiece.
  • force sensors, displacement sensors and acceleration sensors can be used to record the measurement signals. Additional information can be obtained using additional sensors, such as temperature sensors, pressure sensors or even sound sensors, and used to determine the disruptive influences.
  • the invention also relates to the use of process signals of a machining process on a machine tool, which are obtained using a method according to the invention, for determining estimated values for measurable process signals of another machine tool whose interference functions are known, by using the known interference functions of the other machine tool are added to the process signals of the machine tool.
  • the invention further provides for the use of an analytical process model of a machining process, which is derived from process signals of a machine tool, which are obtained using a method according to the invention, for a quality comparison of the machining process of a further machine tool, for which a process signal is also generated according to a method according to the invention - driving is determined by applying the process model to the process signal of the second machine tool.
  • DS16789-3623 - 6 - 09/12/2022 Thanks to the process signals being cleared of interference, synergy effects can be used between different machine tools that carry out identical machining processes.
  • the process signals are the same for all of these machines. An identical amount of work is required for identical machining processes. Only the interference influences on the process signals can vary, depending on the structure and drive of the machine as well as the influences of the tool and workpiece. If the disruptive functions of a machine are known, the signals measurable on the machine can be deduced from the process signals of another machine that carries out an identical machining process. In addition, analytical process models that were created on the basis of process signals obtained using a method according to the invention can be used to evaluate the process of another machine that carries out an identical machining process.
  • process signals are also determined for the second machine using a method according to the invention, ie measurement signals recorded on the machine are freed from their interference and evaluated using the process model of the first machine.
  • the sensors for recording the different signals on both machines are arranged at the same measuring locations. If this is not possible, compensation can be created using weighting factors in the interference functions or by appropriately calibrating the sensors.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an evaluation device of a machine tool A and a further evaluation device of a machine tool B, with process signals ⁇ ( ⁇ ) , from which first, second and third order interference signals are subtracted, and one of the process signals ⁇ ( ⁇ ) created process model.
  • DS16789-3623 - 7 - September 12, 2022 The only figure shows a schematic diagram of the determination of process signals ⁇ ( ⁇ ) from a machine tool A and its application to determine estimated values for measurement signals ⁇ ⁇ ( ⁇ ) of another machine tool B , which carries out an identical machining process as machine A.
  • 10 measurement signals are generated using one or more sensors recorded on the machine tool A and sent to an evaluation device 11 of the machine A.
  • the evaluation device 11 also receives first-order interference signals 12, second-order interference signals 13 and third-order interference signals 14 from the sensors 10.
  • the first-order interference signals 12 include signals that can be attributed to the shape of the machine frame and the drive of the machine A. Depending on whether the machine tool A has a C-frame or a bed frame or is a machine of portal design and whether it has an electric or hydraulic drive, different first-order interference signals 12 result. From these first-order interference signals 12, the evaluation device 11 calculates a first interference function ⁇ ⁇ h ⁇ (t).
  • the second-order interference signals 13 come from machine attachments such as tool changers or workpiece loading devices and workpiece unloading devices.
  • the evaluation device 11 calculates a second interference function ⁇ ⁇ h ⁇ (t), which describes the influence of the add-on components on the frame construction and the type of drive of the machine tool A.
  • the third-order interference signals 14 detect influences on a tool that result from its shape and state of wear, as well as influences on the workpiece being machined. The dimensions of the workpiece and, for example, the contour of a cutting edge of the tool can be taken into account in the interference function using weighting factors.
  • influences of the workpiece on the measurement signal ⁇ ⁇ ( ⁇ ) are among the third-order interference signals 14.
  • Such an estimated value can be calculated directly by a further evaluation device 21 of the machine tool B by transferring the process signal ⁇ ( ⁇ ) to the further evaluation device 21, in which the disturbance functions of the further machine tool B are already stored.
  • the method according to the invention makes it possible for the first time to compare the machining processes of different machines or machine tools that carry out an identical machining process. It can be done DS16789-3623 - 9 - 12.09.2022 can also make statements about, for example, which combination of frame shape and drive concept of a machine is optimal for a specific machining process.

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Abstract

The invention relates to a method for ascertaining process signals (x(t)) which characterize a processing of a workpiece in a machine tool (A,B). Measurement signals (x A (t)) are detected on the machine tool (A) by sensors (10) during a processing of a workpiece and are transmitted to an analysis device (11), and time-dependent interference functions are calculated in the analysis device (11) for different measured interfering influences. The interference functions are computed from the measurement signals (x A (t)) in order to exclusively obtain process signals (x(t)) which characterize the processing.

Description

DS16789-3623 - 1 - 12.09.2022 Anmelder: TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Johann-Maus-Strasse 2 71254 Ditzingen Verfahren zur Ermittlung eines analytischen Prozessmodells einer Werkzeugmaschine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zumindest eines Prozesssignals, das einen Bearbeitungsprozess eines Werkstücks in einer Werkzeugmaschine cha- rakterisiert. Messsignale einer Werkzeugmaschine, die während der Bearbeitung eines Werk- stücks erfasst werden, können beispielsweise Kräfte und Drehmomente von NC- Achsen, Verfahrachsen von NC (Numerical Control)-Maschinen, und Spindeln so- wie Signale von integrierten Sensoren beispielsweise für Druck, Vibration und Temperatur umfassen. Während einige dieser Signale tatsächlich vom eigentlichen Bearbeitungsprozess, beispielsweise einer spanabhebenden Bearbeitung oder eines Umformens eines Werkstücks erzeugt werden, rühren andere Signale vom Aufbau und Antrieb der Werkzeugmaschine, dem Verschleißzustand des Werkzeugs sowie Eigenschaften des bearbeiteten Werkstücks her. Diese Signale sind daher maschinenspezifisch DS16789-3623 - 2 - 12.09.2022 und werkzeugspezifisch und charakterisieren den eigentlichen Bearbeitungspro- zess nicht. Sie sind somit als Störsignale aufzufassen, die zu einer räumlichen und zeitlichen Verzerrung des oder der eigentlich interessierenden, den Bearbeitungs- prozess charakterisierenden Prozesssignale führen. Es ist daher bisher nicht möglich, die an einer Werkzeugmaschine gemessenen Signale auf andere Werkzeugmaschinen, die einen identischen Bearbeitungspro- zess ausführen, zu übertragen. Das Gleiche gilt für analytische Modelle, die auf Basis der Messsignale einer Maschine oder Werkzeugmaschine erstellt wurden. Auch diese Modelle lassen sich nicht zur Bewertung identischer Bearbeitungspro- zesse anderer Maschinen nutzen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem einen Bearbeitungsprozess einer Werkzeugmaschine charakterisierende Prozesssignale in einer Weise ermittelt werden können, die eine Übertragung die- ser Prozesssignale auf andere Maschinen erlauben, die einen identischen Bearbei- tungsprozess ausführen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung von Prozesssignalen, das einen Bearbeitungsprozess eines Werkstücks in einer Werkzeugmaschine cha- rakterisiert, das dadurch gekennzeichnet ist, dass - Messsignale an der Werkzeugmaschine während eines Bearbeitungs- prozesses eines Werkstücks von Sensoren erfasst und an eine Auswer- teeinrichtung übermittelt werden, - von Eigenschaften der Werkzeugmaschine und/oder eines Werkzeugs und/oder des Werkstücks erzeugte Störeinflüsse auf die Messsignale erfasst und an die Auswerteeinrichtung übermittelt werden, - in der Auswerteeinrichtung zeitabhängige Störfunktionen für die einzel- nen gemessenen Störeinflüsse berechnet und diese Störfunktionen aus den Messsignalen herausgerechnet werden, um maschinenunabhängi- ges Prozesssignale zu erhalten. DS16789-3623 - 3 - 12.09.2022 Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Tatsache, dass sich jedes me- chanische Messsignal aufgrund des Superpositionsprinzips als eine Linearkombi- nation der Haupteinflussfaktoren beschreiben lässt. Neben dem eigentlichen Bear- beitungsprozess des Werkstücks, beispielsweise einem Abkanten eines Blechteils, haben auch der Aufbau und Antrieb der Werkzeugmaschine sowie Eigenschaften des Werkzeugs sowie des Werkstücks einen Einfluss auf die gemessenen Signale. Diese Einflüsse werden als Störeinflüsse aufgefasst, da sie nicht vom eigentlichen Bearbeitungsprozess verursacht werden, sondern maschinen- und werkstückspe- zifisch sind. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Störeinflüsse erfasst und daraus Störfunktionen berechnet, die zur Bereinigung der Messsignale herangezogen werden. Das oder die bereinigten Messsignale sind die gewünschten Prozesssignale, die ausschließlich den Bearbeitungsprozess charakterisieren. Diese Prozesssignale lassen sich auf andere Maschinen, die einen identischen Bearbei- tungsprozess ausführen, übertragen. Die Auswerteeinrichtung zur Durchführung der Berechnungen kann dabei Teil der Werkzeugmaschine sein oder eine externe Einrichtung. Aus den zeitabhängigen Prozesssignalen kann ein zeitunabhängiges Kraft-Weg- Diagramm berechnet werden, das eine qualitative Bewertung des Bearbeitungs- prozesses weiter vereinfacht. Außerdem kann aus dem mindestens einen Prozess- signal ein analytisches Prozessmodell des Bearbeitungsprozesses der Werkzeug- maschine erstellt werden. Ein solches Prozessmodell erlaubt die rasche Optimie- rung eines Bearbeitungsprozesses durch Simulation verschiedener Betriebszu- stände der Maschine. Die Störeinflüsse auf die Messsignale können gemäß ihrer Ursache kategorisiert werden. Manche der Störsignale aufgrund der Störeinflüsse können von der Ma- schine selbst herrühren oder verursacht sein. Andere Störsignale werden vom Zu- stand des Werkzeugs erzeugt. Auch Eigenschaften des Werkstücks beeinflussen die Messsignale. DS16789-3623 - 4 - 12.09.2022 Vorzugsweise werden mittels Sensoren von der Ausgestaltung oder dem Design des Maschinenrahmens, vom Antrieb der Werkzeugmaschine und von den Anbau- komponenten der Werkzeugmaschine herrührende Störeinflüsse gemessen. Die ausgestaltete Form des Maschinengestells, das heißt ob die Maschine ein C-Gestell oder ein Bettgestell aufweist oder eine Maschine in Portalbauweise ist, hat einen Einfluss auf die gemessenen Prozesssignale der Maschine. Die unterschiedlichen Maschinengestelle unterliegen unterschiedlichen elastischen Verformungen auf- grund der vom Bearbeitungsprozess herrührenden Krafteinwirkung, die durch Sen- soren erfasst werden können. Diese Verformungen können beispielsweise den von einem Werkzeug der Maschine für die Bearbeitung des Werkstücks zurückzulegen- den Weg verfälschen. Weitere, von der Werkzeugmaschine herrührende Störeinflüsse resultieren aus der Art des Antriebs der Maschine, der beispielsweise elektrisch oder hydraulisch sein kann. Diese vom Aufbau und Antrieb der Werkzeugmaschine verursachten Stö- reinflüsse können zu einer Störfunktion zusammengefasst werden, die zur Berei- nigung der Messsignale herangezogen werden kann. Neben diesen nicht beeinflussbaren Störeinflüssen der Maschine können auch An- baukomponenten an der Maschine, etwa Werkzeugwechsler oder Beladeeinrich- tungen und Entladeeinrichtungen für Werkstücke zu Verzerrungen von Prozesssig- nalen führen. Diese Einflüsse können relativ einfach dadurch ermittelt werden, dass ein Bearbeitungsprozess mit der Maschine ohne diese Anbaukomponenten und ein Bearbeitungsprozess mit der Maschine und diesen Anbaukomponenten durchgeführt wird. Die Differenz der Messsignale ergibt ein für die Anbaukompo- nenten spezifisches Störsignal, aus dem eine Störfunktion abgeleitet werden kann. Außerdem können mittels Sensoren von der Form und den Verschleißzustand des Werkzeugs herrührende Störeinflüsse gemessen werden. Diese Störsignale kön- nen durch Messungen während Bearbeitungsprozessen mit qualitativ unterschied- lichen Werkzeugen gewonnen und daraus Störfunktionen berechnet werden. Ne- ben einer Verwendung dieser Störfunktionen zur Bereinigung der gemessenen Pro- zesssignale können diese auch einer Qualitätsbewertung der Werkzeuge dienen DS16789-3623 - 5 - 12.09.2022 und beispielsweise einen erforderlichen Wechsel eines zu stark abgenutzten Werk- zeugs anzeigen. Die vom Werkzeug verursachten Störfunktionen multiplizieren sich mit Störfunkti- onen, die den Einfluss von Materialeigenschaften des bearbeiteten Werkstücks wie- dergeben. Daher werden zweckmäßigerweise auch von den Materialeigenschaften des Werkstücks verursachte Störeinflüsse gemessen. Dabei spielen nicht nur der Werkstoff des Werkstücks, sondern auch die Materialdicke sowie eventuell vorhan- dene Beschichtungen des Werkstücks eine Rolle. Durch Bearbeitung unterschied- licher Werkstücke und Durchführung von Messungen von Prozesssignalen während deren Bearbeitung lassen sich diese unterschiedlichen Einflüsse quantitativ erfas- sen. Zur Erfassung der Messsignale können insbesondere Kraftsensoren, Wegsensoren und Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Durch weitere Sensoren, etwa Temperatursensoren, Drucksensoren oder auch Schallsensoren lassen sich zusätz- liche Informationen gewinnen und zur Ermittlung der Störeinflüsse heranziehen. Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung von Prozesssignalen eines Bear- beitungsprozesses an einer Werkzeugmaschine, die nach einem erfindungsgemä- ßen Verfahren gewonnen werden, zur Ermittlung von Schätzwerten für messbare Prozesssignale einer anderen Werkzeugmaschine, deren Störfunktionen bekannt sind, indem die bekannten Störfunktionen der anderen Werkzeugmaschine zu den Prozesssignalen der Werkzeugmaschine hinzuaddiert werden. Weiter ist von der Erfindung die Verwendung eines analytischen Prozessmodells eines Bearbeitungsprozesses vorgesehen, das aus Prozesssignalen einer Werk- zeugmaschine, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen werden, für einen Qualitätsvergleich des Bearbeitungsprozesses einer weiteren Werkzeug- maschine, für die ebenfalls ein Prozesssignal nach einem erfindungsgemäßen Ver- fahren ermittelt wird, in dem das Prozessmodell auf das Prozesssignal der zweiten Werkzeugmaschine angewendet wird. DS16789-3623 - 6 - 12.09.2022 Durch die von Störeinflüssen bereinigten Prozesssignale können Synergieeffekte zwischen verschiedenen Werkzeugmaschinen, die identische Bearbeitungspro- zesse ausführen, genutzt werden. Die Prozesssignale sind bei allen diesen Maschi- nen gleich. Für identische Bearbeitungsprozesse ist ein identischer Arbeitsaufwand erforderlich. Lediglich die Störeinflüsse auf die Prozesssignale können variieren, abhängig vom Aufbau und Antrieb der Maschine sowie Einflüssen von Werkzeug und Werkstück. Sind die Störfunktionen einer Maschine bekannt, kann aus den Prozesssignalen einer anderen Maschine, die einen identischen Bearbeitungspro- zess ausführt, auf die an der Maschine messbaren Signale geschlossen werden. Außerdem können analytische Prozessmodelle, die auf der Grundlage von nach einem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Prozesssignalen erstellt wur- den, zur Prozessbewertung einer anderen Maschine, die einen identischen Bear- beitungsprozess ausführt, genutzt werden. Dazu werden auch für die zweite Ma- schine Prozesssignale nach einem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, d.h. an der Maschine erfasste Messsignale von ihren Störeinflüssen befreit und mit dem Prozessmodell der ersten Maschine bewertet. Für einen Vergleich der Bearbeitungsprozesse zweier Maschinen ist es notwendig, dass die Sensoren zur Erfassung der verschiedenen Signale an beiden Maschinen an den gleichen Messorten angeordnet werden. Wenn dies nicht möglich ist, kann durch Gewichtungsfaktoren in den Störfunktionen oder durch eine entsprechende Kalibrierung der Sensoren ein Ausgleich geschaffen werden. Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung einer Werkzeugmaschine A und einer weiteren Auswerteeinrichtung einer Werkzeugmaschine B, mit Prozesssignalen ^(^), von welchen Störsig- nale erster, zweiter und dritter Ordnung subtrahiert sind, und ein aus den Prozesssignalen ^(^) erstelltes Prozessmodell. DS16789-3623 - 7 - 12.09.2022 Die einzige Figur zeigt ein schematisches Diagramm der Ermittlung von Prozess- signalen ^(^) von einer Werkzeugmaschine A und dessen Anwendung zur Ermitt- lung von Schätzwerten für Messsignale ^^(^) einer weiteren Werkzeugmaschine B, die einen identischen Bearbeitungsprozess wie die Maschine A ausführt. Zunächst werden mittels eines oder mehrerer Sensoren 10 Messsignale
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an der Werkzeugmaschine A erfasst und an eine Auswerteeinrichtung 11 der Maschine A geleitet. Die Auswerteeinrichtung 11 erhält von den Sensoren 10 außerdem Stör- signale 12 erster Ordnung, Störsignale 13 zweiter Ordnung und Störsignale 14 dritter Ordnung. Die Störsignale 12 erster Ordnung umfassen Signale, die auf die Form des Maschi- nengestells sowie den Antrieb der Maschine A zurückzuführen sind. Abhängig da- von, ob die Werkzeugmaschine A ein C-Gestell oder ein Bettgestell aufweist oder eine Maschine in Portalbauweise ist und ob sie einen elektrischen oder hydrauli- schen Antrieb aufweist, ergeben sich unterschiedliche Störsignale 12 erster Ord- nung. Aus diesen Störsignalen 12 erster Ordnung errechnet die Auswerteeinrich- tung 11 eine erste Störfunktion ^^^ℎ^^(t) . Die Störsignale 13 zweiter Ordnung rühren von Maschinenanbauten wie Werkzeug- wechsler oder Werkstück-Beladeeinrichtungen und Werkstück-Entladeeinrichtun- gen her. Aus diesen Signalen berechnet die Auswerteeinrichtung 11 eine zweite Störfunktion ^^^ℎ^^(t), die den Einfluss der Anbaukomponenten auf die Gestellkon- struktion und die Antriebsart der Werkzeugmaschine A beschreibt. Mit den Störsignalen 14 dritter Ordnung werden Einflüsse eines Werkzeugs, die von dessen Form und Verschleißzustand herrühren, sowie Einflüsse des bearbei- teten Werkstücks erfasst. Die Abmessungen des Werkstücks sowie beispielsweise die Kontur einer Schneidkante des Werkzeugs können durch Gewichtungsfaktoren in der Störfunktion berücksichtigt werden. Außerdem zählen Einflüsse des Werk- stücks auf das Messsignal ^^ (^) zu den Störsignalen 14 dritter Ordnung. Dabei wer- den insbesondere vom Werkstoff und dessen Druckfestigkeit und Scherfestigkeit DS16789-3623 - 8 - 12.09.2022 sowie dessen Fließverhalten herrührende Einflüsse berücksichtigt. Auch nichtline- are Effekte weiterer Materialeigenschaften, etwa Materialdicken und Beschichtun- gen oder Lackierungen werden erfasst. Sämtliche genannten Einflüsse werden zu einer Störfunktion in Form eines Produkts aus den Einzeleinflüssen zusammenge- fasst: (^^^.^ℎ^^.^(t) ∙ ^^^.^ℎ^^.^(^) ∙ ^^^.^ℎ^^.^(t)). Das gesuchte, ausschließlich den Bearbeitungsprozess charakterisierende Prozess- signal ^(^) berechnet sich aus dem Messsignal ^^ (^) durch Subtraktion der Summe aller Störfunktionen ℎ^ (^) = ∑ ^ ^^^ ^^ ℎ^(^): ^(^)= ^^ (^) − ^^^ℎ^^ (^) − ^^^ℎ^^(t) - (^^^.^ℎ^^.^(t) ∙ ^^^.^ℎ^^.^(^) ∙ ^^^.^ℎ^^.^(t)). Aus dem Prozesssignal der Maschine A kann ein analytisches Prozessmodell 15 erstellt werden und zur Bewertung des Bearbeitungsprozesses einer Werkzeugma- schine B, die einen identischen Bearbeitungsprozess ausführt, aber beispielsweise eine andere Rahmenform und/oder einen anderen Antrieb aufweist, eingesetzt werden. Sind das Prozesssignal ^(^) der Maschine A und die Summe aller Störfunk- tionen der Maschine B ℎ^ (^) = ∑ ^ ^^^ ^^^ ℎ^^(^) bekannt, so kann ein Schätzwert für ein Messsignal ^^ (^) eines Sensors 20 der weiteren Werkzeugmaschine B ermittelt werden: ^^(^) = ^(^) + ∑ ^ ^^^ ^^^ ℎ^^(^). Ein solcher Schätzwert kann direkt durch eine weitere Auswerteeinrichtung 21 der Werkzeugmaschine B berechnet werden, indem das Prozesssignal ^(^) an die wei- tere Auswerteeinrichtung 21 übergeben wird, in der bereits die Störfunktionen der weiteren Werkzeugmaschine B abgespeichert sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, die Bearbeitungs- prozesse unterschiedlicher Maschinen oder Werkzeugmaschinen, die einen identi- schen Bearbeitungsprozess ausführen, miteinander zu vergleichen. Es lassen sich DS16789-3623 - 9 - 12.09.2022 auch beispielsweise Aussagen darüber machen, welche Kombination von Rahmen- form und Antriebskonzept einer Maschine für einen bestimmten Bearbeitungspro- zess optimal ist. DS16789-3623 - 1 - September 12, 2022 Applicant: TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Johann-Maus-Strasse 2 71254 Ditzingen Method for determining an analytical process model of a machine tool The invention relates to a method for determining at least one process signal that indicates a machining process of a workpiece in a machine tool. Measuring signals from a machine tool that are recorded while machining a workpiece can, for example, be forces and torques from NC axes, traversing axes from NC (Numerical Control) machines, and spindles, as well as signals from integrated sensors, for example for pressure, vibration and Include temperature. While some of these signals are actually generated by the actual machining process, for example machining or forming a workpiece, other signals come from the structure and drive of the machine tool, the state of wear of the tool and properties of the machined workpiece. These signals are therefore machine specific DS16789-3623 - 2 - September 12, 2022 and tool-specific and do not characterize the actual machining process. They are therefore to be viewed as interference signals that lead to a spatial and temporal distortion of the process signal(s) that are actually of interest and that characterize the machining process. It has therefore not yet been possible to transfer the signals measured on a machine tool to other machine tools that carry out an identical machining process. The same applies to analytical models that were created based on the measurement signals from a machine or machine tool. These models cannot be used to evaluate identical machining processes on other machines either. The invention is based on the object of providing a method with which process signals characterizing a machining process of a machine tool can be determined in a way that allows these process signals to be transmitted to other machines that carry out an identical machining process. The task is solved by a method for determining process signals, which characterizes a machining process of a workpiece in a machine tool, which is characterized in that - measurement signals on the machine tool are recorded by sensors during a machining process of a workpiece and sent to an evaluation. te device are transmitted, - interference influences on the measurement signals generated by properties of the machine tool and/or a tool and/or the workpiece are recorded and transmitted to the evaluation device, - time-dependent interference functions are calculated in the evaluation device for the individual measured interference influences and these interference functions are evaluated from the measurement signals to obtain machine-independent process signals. DS16789-3623 - 3 - September 12, 2022 The method according to the invention is based on the fact that every mechanical measurement signal can be described as a linear combination of the main influencing factors due to the superposition principle. In addition to the actual machining process of the workpiece, for example folding a sheet metal part, the structure and drive of the machine tool as well as the properties of the tool and the workpiece also have an influence on the measured signals. These influences are considered disruptive influences because they are not caused by the actual machining process, but are machine and workpiece-specific. According to the method according to the invention, these interference influences are recorded and interference functions are calculated from them, which are used to clean up the measurement signals. The cleaned measurement signal or signals are the desired process signals that exclusively characterize the machining process. These process signals can be transferred to other machines that carry out an identical machining process. The evaluation device for carrying out the calculations can be part of the machine tool or an external device. A time-independent force-displacement diagram can be calculated from the time-dependent process signals, which further simplifies a qualitative assessment of the machining process. In addition, an analytical process model of the machining process of the machine tool can be created from the at least one process signal. Such a process model allows the rapid optimization of a machining process by simulating various operating states of the machine. The interference influences on the measurement signals can be categorized according to their cause. Some of the interference signals due to interference may originate or be caused by the machine itself. Other interference signals are generated by the condition of the tool. Properties of the workpiece also influence the measurement signals. DS16789-3623 - 4 - 09/12/2022 Sensors are preferably used to measure interference influences from the configuration or design of the machine frame, from the drive of the machine tool and from the add-on components of the machine tool. The designed shape of the machine frame, i.e. whether the machine has a C-frame or a bed frame or is a portal-type machine, has an influence on the measured process signals of the machine. The different machine frames are subject to different elastic deformations due to the force resulting from the machining process, which can be detected by sensors. These deformations can, for example, distort the path that a machine tool has to travel to process the workpiece. Further disruptive influences originating from the machine tool result from the type of drive of the machine, which can be electrical or hydraulic, for example. These interference influences caused by the structure and drive of the machine tool can be combined into a interference function that can be used to clean up the measurement signals. In addition to these disruptive influences on the machine that cannot be influenced, add-on components on the machine, such as tool changers or loading and unloading devices for workpieces, can also lead to distortion of process signals. These influences can be determined relatively easily by carrying out a machining process with the machine without these add-on components and a machining process with the machine and these add-on components. The difference between the measurement signals results in an interference signal specific to the add-on components, from which an interference function can be derived. In addition, sensors can be used to measure disruptive influences resulting from the shape and wear condition of the tool. These interference signals can be obtained through measurements during machining processes with tools of different quality and interference functions can be calculated from them. In addition to using these interference functions to clean up the measured process signals, they can also serve to assess the quality of the tools DS16789-3623 - 5 - September 12, 2022 and, for example, indicate a necessary change of a tool that is too worn out. The interference functions caused by the tool are multiplied by interference functions that reflect the influence of material properties of the machined workpiece. Therefore, interference caused by the material properties of the workpiece is also expediently measured. Not only the material of the workpiece plays a role, but also the material thickness and any existing coatings on the workpiece. By machining different workpieces and carrying out measurements of process signals during their machining, these different influences can be recorded quantitatively. In particular, force sensors, displacement sensors and acceleration sensors can be used to record the measurement signals. Additional information can be obtained using additional sensors, such as temperature sensors, pressure sensors or even sound sensors, and used to determine the disruptive influences. The invention also relates to the use of process signals of a machining process on a machine tool, which are obtained using a method according to the invention, for determining estimated values for measurable process signals of another machine tool whose interference functions are known, by using the known interference functions of the other machine tool are added to the process signals of the machine tool. The invention further provides for the use of an analytical process model of a machining process, which is derived from process signals of a machine tool, which are obtained using a method according to the invention, for a quality comparison of the machining process of a further machine tool, for which a process signal is also generated according to a method according to the invention - driving is determined by applying the process model to the process signal of the second machine tool. DS16789-3623 - 6 - 09/12/2022 Thanks to the process signals being cleared of interference, synergy effects can be used between different machine tools that carry out identical machining processes. The process signals are the same for all of these machines. An identical amount of work is required for identical machining processes. Only the interference influences on the process signals can vary, depending on the structure and drive of the machine as well as the influences of the tool and workpiece. If the disruptive functions of a machine are known, the signals measurable on the machine can be deduced from the process signals of another machine that carries out an identical machining process. In addition, analytical process models that were created on the basis of process signals obtained using a method according to the invention can be used to evaluate the process of another machine that carries out an identical machining process. For this purpose, process signals are also determined for the second machine using a method according to the invention, ie measurement signals recorded on the machine are freed from their interference and evaluated using the process model of the first machine. In order to compare the machining processes of two machines, it is necessary that the sensors for recording the different signals on both machines are arranged at the same measuring locations. If this is not possible, compensation can be created using weighting factors in the interference functions or by appropriately calibrating the sensors. A method according to the invention is described in more detail below with reference to the drawing. 1 shows a schematic representation of an evaluation device of a machine tool A and a further evaluation device of a machine tool B, with process signals ^ ( ^ ) , from which first, second and third order interference signals are subtracted, and one of the process signals ^ ( ^ ) created process model. DS16789-3623 - 7 - September 12, 2022 The only figure shows a schematic diagram of the determination of process signals ^(^) from a machine tool A and its application to determine estimated values for measurement signals ^ ^ (^) of another machine tool B , which carries out an identical machining process as machine A. First, 10 measurement signals are generated using one or more sensors
Figure imgf000009_0001
recorded on the machine tool A and sent to an evaluation device 11 of the machine A. The evaluation device 11 also receives first-order interference signals 12, second-order interference signals 13 and third-order interference signals 14 from the sensors 10. The first-order interference signals 12 include signals that can be attributed to the shape of the machine frame and the drive of the machine A. Depending on whether the machine tool A has a C-frame or a bed frame or is a machine of portal design and whether it has an electric or hydraulic drive, different first-order interference signals 12 result. From these first-order interference signals 12, the evaluation device 11 calculates a first interference function ^ ^^ ℎ ^^ (t). The second-order interference signals 13 come from machine attachments such as tool changers or workpiece loading devices and workpiece unloading devices. From these signals, the evaluation device 11 calculates a second interference function ^ ^^ ℎ ^^ (t), which describes the influence of the add-on components on the frame construction and the type of drive of the machine tool A. The third-order interference signals 14 detect influences on a tool that result from its shape and state of wear, as well as influences on the workpiece being machined. The dimensions of the workpiece and, for example, the contour of a cutting edge of the tool can be taken into account in the interference function using weighting factors. In addition, influences of the workpiece on the measurement signal ^ ^ ( ^ ) are among the third-order interference signals 14. In particular, the material and its compressive strength and shear strength are taken into account DS16789-3623 - 8 - September 12, 2022 as well as the influences resulting from its flow behavior are taken into account. Non-linear effects of other material properties, such as material thickness and coatings or paint finishes, are also recorded. All of the influences mentioned are combined into a disturbance function in the form of a product of the individual influences: (^ ^^.^ ℎ ^^.^ (t) ∙ ^ ^^.^ ℎ ^^.^ (^) ∙ ^ ^^ .^ ℎ ^^.^ (t)). The searched process signal ^ ( ^ ) , which exclusively characterizes the machining process, is calculated from the measurement signal ^ ^ ( ^ ) by subtracting the sum of all interference functions ℎ ^ (^) = ∑ ^ ^ ^^ ^ ^ ℎ ^ (^): ^ ( ^ ) = ^ ^ ( ^ ) − ^ ^^ ℎ ^^ ( ^ ) − ^ ^^ ℎ ^^ (t) - (^ ^^.^ ℎ ^^.^ (t) ∙ ^ ^^.^ ℎ ^^.^ (^) ∙ ^ ^^.^ ℎ ^^.^ (t)). An analytical process model 15 can be created from the process signal of machine A and used to evaluate the machining process of a machine tool B, which carries out an identical machining process but, for example, has a different frame shape and/or a different drive. If the process signal ^(^) of machine A and the sum of all disturbance functions of machine B ℎ ^ (^) = ∑ ^ ^ ^^ ^ ^^ ℎ ^^ (^) are known, an estimated value for a measurement signal ^ ^ ( ^ ) of a sensor 20 of the further machine tool B can be determined: ^ ^ (^) = ^(^) + ∑ ^ ^ ^^ ^ ^^ ℎ ^^ (^). Such an estimated value can be calculated directly by a further evaluation device 21 of the machine tool B by transferring the process signal ^ ( ^ ) to the further evaluation device 21, in which the disturbance functions of the further machine tool B are already stored. The method according to the invention makes it possible for the first time to compare the machining processes of different machines or machine tools that carry out an identical machining process. It can be done DS16789-3623 - 9 - 12.09.2022 can also make statements about, for example, which combination of frame shape and drive concept of a machine is optimal for a specific machining process.
DS16789-3623 - 10 - 12.09.2022 Bezugszeichenliste 10 Sensoren der Werkzeugmaschine A 11 Auswerteeinrichtung 12 Störsignale erster Ordnung 13 Störsignale zweiter Ordnung 14 Störsignale dritter Ordnung 15 Prozessmodell 20 Sensor der weiteren Werkzeugmaschine B 21 weitere Auswerteeinrichtung DS16789-3623 - 10 - September 12, 2022 List of reference symbols 10 sensors of the machine tool A 11 evaluation device 12 first-order interference signals 13 second-order interference signals 14 third-order interference signals 15 process model 20 sensor of the other machine tool B 21 further evaluation device

Claims

DS16789-3623 - 11 - 12.09.2022 Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung von Prozesssignalen (^(^)), das einen Bearbei- tungsprozess eines Werkstücks in einer Werkzeugmaschine (A) charakteri- siert, dadurch gekennzeichnet, dass - Messsignale
Figure imgf000013_0001
an der Werkzeugmaschine (A) während eines Bear- beitungsprozesses eines Werkstücks von Sensoren (10) erfasst und an eine Auswerteeinrichtung (11) übermittelt werden, - von Eigenschaften der Werkzeugmaschine (A) und/oder eines Werk- zeugs und/oder des Werkstücks erzeugte Störeinflüsse auf die Messsig- nale (^^ (^)) erfasst und an die Auswerteeinrichtung (11) übermittelt werden, - in der Auswerteeinrichtung (11) zeitabhängige Störfunktionen für die einzelnen gemessenen Störeinflüsse berechnet und diese Störfunktio- nen aus den Messsignalen (^^(^)) herausgerechnet werden, um maschi- nenunabhängige Prozesssignale (^(^)) zu erhalten. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Pro- zesssignalen (^(^)) ein zeitunabhängiges Kraft-Weg-Diagramm berechnet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Prozesssignalen (^(^)) ein analytisches Prozessmodell (15) des Bearbei- tungsprozesses der Werkzeugmaschine (A) erstellt wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass mittels Sensoren (10) von der Ausgestaltung des Maschi- nenrahmens, vom Antrieb der Werkzeugmaschine und von den Anbau- komponenten der Werkzeugmaschine (A) herrührende Störeinflüsse ge- messen werden. DS16789-3623 - 12 - 12.09.2022 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass mittels Sensoren (10) durch die Form und den Verschleiß- zustand des Werkzeugs herrührende Störeinflüsse gemessen werden. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass von den Materialeigenschaften des Werkstücks herrührende Störeinflüsse gemessen werden. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Messsignale (^^ (^)) insbesondere mit Sensoren (10) er- fasst werden, welche als Kraft-, Weg- und Beschleunigungssensoren aus- gebildet sind. 8. Verwendung von Prozesssignalen (^(^)) eines Bearbeitungsprozesses an ei- ner Werkzeugmaschine (A), die nach einem Verfahren nach einem der An- sprüche 1 bis 7 gewonnen werden, zur Ermittlung von Schätzwerten für gemessene Prozesssignale (^^(^)) einer weiteren Werkzeugmaschine (B), deren Störfunktionen bekannt sind, indem die Störfunktionen zu den Pro- zesssignalen (^(^)) der Werkzeugmaschine (A) hinzuaddiert werden. 9. Verwendung eines analytischen Prozessmodells (15) eines Bearbeitungs- prozesses auf der Grundlage von Prozesssignalen (^(^)) einer Werkzeug- maschine (A), die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gewonnen werden, für einen Qualitätsvergleich des Bearbeitungsprozesses einer weiteren Werkzeugmaschine (B), für die ebenfalls Prozesssignale (^(^)) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelt werden, wobei das Prozessmodell (15) der Werkzeugmaschine (A) auf die Prozesssignale (^(^)) der weiteren Werkzeugmaschine (B) angewendet wird. DS16789-3623 - 11 - September 12, 2022 Claims 1. Method for determining process signals (^(^)), which characterizes a machining process of a workpiece in a machine tool (A), characterized in that - measurement signals
Figure imgf000013_0001
on the machine tool (A) during a machining process of a workpiece by sensors (10) and transmitted to an evaluation device (11), - generated by properties of the machine tool (A) and/or a tool and/or the workpiece Interference influences on the measurement signals (^ ^ ( ^ ) ) are recorded and transmitted to the evaluation device (11), - time-dependent interference functions are calculated in the evaluation device (11) for the individual measured interference influences and these interference functions are calculated from the measurement signals (^ ^ (^)) can be calculated out in order to obtain machine-independent process signals (^ ( ^ ) ). 2. The method according to claim 1, characterized in that a time-independent force-displacement diagram is calculated from the process signals (^ ( ^ ) ). 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that an analytical process model (15) of the machining process of the machine tool (A) is created from the process signals (^(^)). 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that disruptive influences arising from the design of the machine frame, from the drive of the machine tool and from the add-on components of the machine tool (A) are measured by means of sensors (10). DS16789-3623 - 12 - 12.09.2022 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that disturbing influences resulting from the shape and the state of wear of the tool are measured by means of sensors (10). 6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that disturbing influences resulting from the material properties of the workpiece are measured. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement signals (^ ^ ( ^ ) ) are detected in particular with sensors (10), which are designed as force, displacement and acceleration sensors. 8. Use of process signals (^ ( ^ ) ) of a machining process on a machine tool (A), which are obtained using a method according to one of claims 1 to 7, to determine estimated values for measured process signals (^ ^ (^ )) of another machine tool (B), whose interference functions are known by adding the interference functions to the process signals (^ ( ^ ) ) of the machine tool (A). 9. Use of an analytical process model (15) of a machining process based on process signals (^ ( ^ ) ) of a machine tool (A), which are obtained according to a method according to one of claims 1 to 7, for a quality comparison of the Machining process of a further machine tool (B), for which process signals (^(^)) are also determined according to a method according to one of claims 1 to 7, wherein the process model (15) of the machine tool (A) is based on the process signals (^(^) ) of the other machine tool (B) is used.
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US20040148038A1 (en) * 2003-01-28 2004-07-29 Keyes Marion A. Anticipatory high frequency noise compensation in a distributed process control system
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