WerkzeugmaschinenuberwachungsVorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenuberwa- chungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 102 61 791 Al ist eine Werkzeugmaschinenuberwa- chungsvorrichtung für eine Kreissage bekannt. Diese weist ei- ne Sensoreinheit zur Erzeugung und Erfassung eines elektromagnetischen Signals auf, welche in der Nahe eines Sageblatts angeordnet ist. Ein Annahern eines Korperteils an das Sageblatt kann durch überwachung des Signalspektrums detektiert werden. Als Frequenzband für das Signal wird ein lizenzfreies Band gewählt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugmaschinenuberwa- chungsvorrichtung .

Es wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugmaschinenuberwa- chungsvorrichtung eine für einen Ultrabreitbandbetrieb vorgesehene Signaleinheit aufweist. Es kann mit einer Nutzung von ultrabreitbandigen Signalen eine hohe Informationsdichte und dadurch eine effektive überwachung erreicht werden. Insbesondere können mehrere Arbeitsparameter bei einer Anwendung einer Werkzeugmaschine gleichzeitig überwacht werden, wodurch sichere und komfortable Arbeitsbedingungen erreichbar sind. Unter einer für einen Ultrabreitbandbetrieb vorgesehenen Sig- naleinheit soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, mittels der ein ultrabreitbandiges Signal erzeugt, empfangen und/oder ausgewertet werden kann. Unter einem "ultrabreitbandigen Signal" soll insbesondere ein Signal verstanden werden, welches ein Frequenzspektrum mit einer Mittenfrequenz und ei- ner Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist. Die

Mittenfrequenz ist vorzugsweise im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz gewählt.

Es wird außerdem vorgeschlagen, dass die Signaleinheit zur Bearbeitung eines Signals vorgesehen ist, welches eine Folge von Pulsen aufweist. Dadurch können große Frequenzbandbreiten erreicht werden. Bei der Bearbeitung des Signals kann das Signal insbesondere erzeugt, empfangen und/oder ausgewertet werden. Unter einer "Folge" von Pulsen soll insbesondere eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Pulsen verstanden werden. Ein Puls kann in einer Darstellung der Signalamplitude gegen die Zeit von einem bestimmten Muster gebildet sein, wie z.B. einem Rechteck, einem gaußschen Profil usw. Eine Pulsdauer bzw. eine die Ubertragungszeit des Musters charak- terisierende Große ist vorzugsweise im Bereich von 0,1 ns (Nanosekunde) bis 2 ns gewählt. Innerhalb der Folge können

die Pulse zeitlich regelmäßig aufeinander folgen, indem das Zeitintervall zwischen jeweils zwei direkt aufeinander folgenden Pulsen konstant ist. Alternativ können die Pulse zeitlich unregelmäßig aufeinander folgen. Das Zeitintervall zwi- sehen zwei direkt aufeinander folgenden Pulsen kann dabei als Zufallsvariable ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Folge als PN-Folge (Pseudo-Noise-Folge oder Pseudorauschfol- ge) ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Signaleinheit zur Bearbeitung eines Signals vorgesehen sein, das in der Frequenz moduliert ist, wie insbesondere ein FMCW-

Signal (Frequency Modulated Continuous Wave oder Frequenzmodulierte kontinuierliche Welle) .

Vorteilhafterweise umfasst die Signaleinheit eine Rechenein- heit, die dazu vorgesehen ist, einem erfassten Signal eine

Anwendungssituation durch eine auf einer unscharfen und/oder neuronalen Logik basierende Signalverarbeitung zuzuordnen. Mit Hilfe einer unscharfen Logik kann von der Recheneinheit anhand des erfassten Signals eine große und komplexe Informa- tionsmenge schnell ausgewertet werden. Dadurch kann die Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung in kurzer Zeit auf Situationen reagieren, die für die Sicherheit eines Bedieners als kritisch erscheinen. Im Unterschied zu kapazitiven Sensoren kann dabei auf eine kritische Anwendungssituation reagiert werden, bevor ein physikalischer Kontakt zwischen dem Bediener und der Werkzeugmaschine entsteht. Durch eine neuronale Logik können vorteilhafte Selbstlernfunktionen der Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung erreicht werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Signaleinheit eine Datenbank aufweist,

in der einer Anwendungssituation zumindest ein Signalmuster zugeordnet ist. Es kann ein besonders schneller Erkennungs- prozess einer Anwendungssituation vorteilhaft erreicht werden, indem eine Korrelation zwischen einem erfassten Signal und einem Signalmuster untersucht wird. Dabei kann eine auf einer unscharfen Logik basierende Korrelationsmethode vorteilhaft genutzt werden.

In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung wird vorge- schlagen, dass die Signaleinheit eine programmierbare Datenbank aufweist, in der einer Anwendungssituation bei einem Be- arbeitungsprozess ein Vorgehen zum Andern des Bearbeitungsprozesses zugeordnet ist. Wenn eine bestimmte Anwendungssituation erkannt worden ist, kann dadurch in kurzer Zeit auf diese Anwendungssituation reagiert werden. Die Datenbank ist vorzugsweise im zusammengebauten Zustand einer Werkzeugmaschine und insbesondere durch einen Bediener dieser Werkzeugmaschine programmierbar. Dadurch können Werkeinstellungen der Datenbank vorteilhaft erweitert werden, z.B. wenn die Werk- zeugmaschine von einem Bediener mit weiteren Werkzeugen oder weiterem Zubehör nachgerustet wird.

Vorzugsweise ist die Signaleinheit zur Bestimmung eines Arbeitsfortschritts bei einer Werkstuckbearbeitung vorgesehen. Dadurch kann ein hoher Bedienungskomfort bei der Anwendung einer Werkzeugmaschine erreicht werden. Vorteilhaft können verschiedene Arbeitsphasen bei einer Werkstuckbearbeitung definiert werden, wobei ein Sicherheitsniveau bei der überwachung der Werkstuckbearbeitung an diese Arbeitsphasen ange- passt wird.

Ist die Signaleinheit zur Bestimmung eines Abstands vorgesehen, kann bei einer Werkstuckbearbeitung eine Position eines Werkzeugs oder des Werkstucks vorteilhaft überwacht werden. Es können z.B. anormale Positionen, z.B. bei einer Unwucht des Werkzeugs oder bei einem verkehrten Aufstellen eines

Werkstucks, schnell erkannt werden. Zusatzlich kann eine Dimension eines Werkstucks bestimmt werden. Vorteilhaft kann ein Arbeitsfortschritt überwacht werden.

Vorzugsweise ist die Signaleinheit zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines zu bearbeitenden Werkstucks vorgesehen. Dadurch kann ein Arbeitsfortschritt vorteilhaft überwacht werden. Die Signaleinheit ist vorzugsweise zur Bestimmung einer Translations- und/oder Rotationsgeschwindigkeit des Werk- Stucks relativ zu einer statischen Einheit einer Werkzeugmaschine, wie z.B. einem Gehäuse, vorgesehen.

In einer weiteren Ausfuhrungsvariante der Erfindung weist die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung eine elektronische Ausgabeeinheit auf, die zur Ausgabe einer Uberwachungsinfor- mation an einen Bediener vorgesehen ist, wodurch Sicherheit und Bedienungskomfort bei einer Anwendung weiter erhöht werden können. Die Ausgabeeinheit kann als Anzeiger, wie z.B. als LED- oder LCD-Display, ausgebildet sein. Alternativ oder zusatzlich kann die Ausgabeeinheit z.B. zur Ausgabe von einem akustischen Signal vorgesehen sein.

Weist die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung eine e- lektronische Eingabeeinheit auf, die zur Eingabe von zumin- dest einer Uberwachungsinformation vorgesehen ist, kann eine

Konfiguration von Uberwachungsfunktionen von einem Bediener komfortabel durchgeführt werden.

Weist die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung eine Regelungseinheit auf, die zum Regeln von zumindest einem Parameter eines Werkstuckbearbeitungsprozesses vorgesehen ist, kann eine Arbeitsqualitat vorteilhaft gesteigert werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmaßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen .

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kreissage mit einem Sageblatt und einer Eingabe-/Ausgabeeinheit in einer Seitenansicht,

Fig. 2 die Kreissage mit einer Signaleinheit in einer Draufsicht,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Signaleinheit,

Fig. 4 ein von der Signaleinheit erzeugtes breitban- diges Signal in einer Amplitude-Zeit- Darstellung,

Fig. 5 das Signal in einer Amplitude-Frequenz- Darstellung und Fig. 6 eine Datenbank der Signaleinheit.

Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels

Figur 1 zeigt eine als Kreissage 10 ausgebildete Werkzeugmaschine. Diese weist ein Gehäuse 12, eine Arbeitsflache 14 zum Aufstellen eines zu sagenden Werkstucks, ein Sageblatt 16, eine Ausgabeeinheit 18 mit einem LCD-Display und eine Eingabeeinheit 20 auf.

In Figur 2 ist die Kreissage 10 in einer Draufsicht dargestellt. Zu erkennen sind das Gehäuse 12, die Arbeitsflache 14, die Ausgabeeinheit 18 und das Sageblatt 16. Die Ausgabeeinheit 18 ist mit einem Lautsprecher 22 versehen. Die Eingabeeinheit 20 und die Ausgabeeinheit 18 sind Teile einer Werk- zeugmaschinenuberwachungsvorrichtung, welche außerdem eine ultrabreitbandige Signaleinheit 24 aufweist.

Mittels der Signaleinheit 24 können verschiedene Uberwa- chungsfunktionen bei einer Bearbeitung eines Werkstucks realisiert werden. Der Aufbau und die Funktionsweise der Signaleinheit 24 sind in Figur 3 erläutert.

Figur 3 zeigt die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung mit der Signaleinheit 24, der Eingabeeinheit 20, der Ausgabeeinheit 18 und einer Regelungseinheit 26. Ferner ist eine Steuereinheit 28 der Kreissage 10 gestrichelt dargestellt. Die Signaleinheit 24 weist eine Sendeinheit 30 auf, die zur

Erzeugung eines ultrabreitbandigen Sendesignals 32 vorgesehen

ist. Zum Senden des Sendesignals 32 und zum Empfangen eines Empfangssignals 34 ist die Signaleinheit 24 mit einem ultrabreitbandigen Antennenelement 36 versehen. Alternativ zum Antennenelement 36 kann die Signaleinheit 24 eine Konden- satoreinheit aufweisen. Hierzu kann eine Kondensatoranordnung - z.B. zwischen einer metallischen Flache und dem Sageblatt 16 - einfach gebildet werden. Nach einem Empfangen des Empfangssignals 34 wird dieses in einer Signalaufbereitungseinheit 38 gefiltert, verstärkt, in eine digitale Form umgewan- delt und anschließend auf eine Recheneinheit 40 zur Verarbeitung gegeben. Die Signaleinheit 24 weist ferner eine Speichereinheit 42 auf, in der eine Datenbank 44 mit Uberwa- chungsinformationen gespeichert wird. Diese Datenbank 44, deren Funktion unten beschrieben wird, kann mit Hilfe der Ein- gabeeinheit 20 von einem Bediener der Kreissage 10 programmiert werden.

Die Erzeugung eines ultrabreitbandigen Signals ist anhand von Figur 4 und Figur 5 erläutert. In Figur 4 sind eine Amplitude A des Sendesignals 32 auf der Y-Achse und die Zeit t auf der X-Achse aufgetragen. Das Sendesignal 32 weist eine Folge 46 von Pulsen 48 auf, wobei die Pulse 48 jeweils mit einer Pulsdauer δt von 0,5 ns übertragen werden und regelmäßig aufeinander folgen. Mit der Pulsdauer δt ist eine Signalbandbreite δv des Sendesignals 32 verbunden, die in Figur 5 zu sehen ist. In dieser Figur ist das Spektrum des Sendesignals 32 dargestellt, wobei die Amplitude A auf der Y-Achse und eine Frequenz V auf der X-Achse aufgetragen sind. Das Sendesignal 32 wird mit einer Mittenfrequenz V _M von 5 GHz und einer Sig- nalbandbreite δv von 2 GHz um diese Mittenfrequenz V _M übertragen. Dabei ist eine Unterfrequenz V ₁ = 4 GHz und eine O-

berfrequenz V ₂ = 6 GHz. Alternativ zur Erzeugung von Pulsen 48 sind weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Erzeugungsverfahren von ultrabreitbandigen Signalen denkbar. Das Sendesignal 32 wird außerdem mit einer Sendeleistung un- ter -45 dBm übertragen, so dass unerwünschte Interferenzen mit weiteren Funkeinheiten vermieden werden können.

Es wird angenommen, dass ein Bediener ein Sagen eines Werkstucks 50, welches in Figur 2 gestrichelt dargestellt ist, durchfuhren will. Hierzu wird das Werkstuck 50 auf die Ar- beitsflache 14 aufgestellt. Diese Anwendungssituation wird als Anwendungssituation 52 bezeichnet. Das Aufstellen des Werkstucks 50 induziert eine änderung des die Signaleinheit 24 umgebenden Dielektrikums, welche sich in einer änderung des Empfangssignals 34 widerspiegelt. Beispielsweise ist nach dem Aufstellen eine Resonanzfrequenz im Frequenzspektrum des Empfangssignals 34 verschoben. Die Recheneinheit 40 kann diesem erfassten Empfangssignal 34 die Anwendungssituation 52 zuordnen. Dies erfolgt mittels der Datenbank 44, die in Figur 6 dargestellt ist. In der Datenbank 44 sind in einer Zuord- nungstabelle 53 Signalmuster, z.B. A ₃ , B ₂ usw., jeweils einer Anwendungssituation A bzw. B usw. zugeordnet. Es sei im betrachteten Beispiel angenommen, dass die Anwendungssituation 52, welche von der Recheneinheit zu erkennen ist, dem Eintrag B in der Datenbank entspricht. Ausgehend vom erfassten Emp- fangssignal 34 untersucht die Recheneinheit 40 eine Korrelation zwischen dem Empfangssignal 34 und den Signalmustern, bis ein Signalmuster 54, welches die größte Korrelation mit dem erfassten Empfangssignal 34 aufweist, bestimmt wird. Im betrachteten Beispiel wird angenommen, dass dieses Signalmus- ter 54 dem Eintrag B ₂ in der Datenbank 44 entspricht. Die Be-

Stimmung des Signalmusters 54 wird mittels einer Methode der Fuzzy-Logik (unscharfe Logik) durchgeführt. In der Datenbank sind in einer weiteren Zuordnungstabelle 55 Anwendungssituationen A, B, C usw. Vorgehen I, II, III usw. für die Werk- Stückbearbeitung zugeordnet. Wenn eine Anwendungssituation von der Recheneinheit 40 erkannt wird, kann auf diese Anwendungssituation reagiert werden, indem die Steuereinheit 28, welche mit der Recheneinheit 40 verbunden ist, dem Vorgehen entsprechend einen Verlauf der Werkstückbearbeitung ggf. mo- difiziert. Im betrachteten Beispiel ist die Anwendungssituation 52 einem Vorgehen 56 zugeordnet, das in der Datenbank dem Eintrag I entspricht. Bei diesem Vorgehen 56 wird der Betrieb der Kreissäge 10 ungeändert fortgesetzt.

Es wird anschließend angenommen, dass ein Finger des Bedieners dem Sägeblatt 16 angenähert wird. Dies widerspiegelt sich im Spektrum des Empfangssignals 34 durch multiple Resonanzfrequenzen, die das menschliche Gewebe charakterisieren. Diese Anwendungssituation ist als Anwendungssituation 58 be- zeichnet, die von der Recheneinheit 40 anhand des erfassten Empfangssignals 34 durch die Bestimmung eines korrelierten Signalmusters 59 erkannt wird. In der Datenbank 44 ist der Anwendungssituation 58 ein Vorgehen 60 zugeordnet, in dem der Betrieb der Kreissäge 10 abgeschaltet wird. Ferner können weitere Signalmuster für die Erkennung von Anwendungssituationen in Betracht genommen werden. Als Signalmuster kann z.B. eine bestimmte Verschiebungsgeschwindigkeit einer Resonanzfrequenz im Spektrum des Empfangssignals 34 betrachtet werden, wobei eine "langsame" und eine "schnelle" Verschiebung jeweils einer Anwendungssituation zugeordnet werden können.

Mittels der Eingabeeinheit 20 kann ein Bediener eine Konfiguration der Datenbank 44 durchführen. Der Bediener kann insbesondere die Datenbank 44 an neue Anwendungen der Kreissäge 10 anpassen, z.B. bei dem Einsatz von weiteren Sägemitteln oder neuartigem Zubehör, und/oder er kann neue Vorgehen einstellen, die bestimmten Anwendungssituationen zugeordnet sind. Es können Einträge in den Zuordnungstabellen 53 und 55 modifiziert werden, und/oder es können neue Zuordnungstabellen 53' und 55' geschaffen werden. Zur Erweiterung der Datenbank 44 mit neuen Anwendungssituationen und neuen Vorgehen für diese Anwendungssituationen ist ein Lernmodus der Kreissäge 10 vorgesehen. In diesem Modus können Anwendungssituationen von dem Bediener absichtlich geschaffen werden, wobei die Recheneinheit 40 selbständig lernen kann, solche Anwendungssituationen zu erkennen und zu ermitteln, welche Vorgehen diesen Anwendungssituationen angepasst sind. Dabei lernt die Recheneinheit 40, diese Anwendungssituationen jeweils mit einem oder mehreren Signalmustern zu korrelieren. Hierzu arbeitet die Recheneinheit 40 in diesem Modus auf der Basis einer neurona- len Logik, die eine solche Selbstlernfunktion erlaubt. Dabei kann der Bediener ein Sicherheitsniveau jederzeit einstellen, bis ein gewünschtes Vorgehen für eine bestimmte Anwendungssituation erreicht ist. Dieses kann automatisch in die Datenbank 44 gespeichert werden.

Mittels der Recheneinheit 40 kann ferner ein Abstand bestimmt werden. Hierzu kann die Recheneinheit 40 eine Laufzeit zwischen der Erzeugung des Sendesignals 32 und dem Empfang des Empfangssignals 34 erfassen, wie z.B. durch Durchführung ei- nes Phasenvergleichs zwischen dem Sendesignal 32 und dem Empfangssignal 34. Bei der Werkstückbearbeitung werden ein Ab-

stand 62 zum Werkstuck 50 sowie ein Abstand 64 zum Sageblatt 16 bestimmt. Durch die Bestimmung des Abstands 62 kann ein Arbeitsfortschritt bei der Bearbeitung des Werkstucks 50 u- berwacht werden. Korperverletzungen aufgrund einer Unwucht des Sageblatts 16 können durch eine überwachung des Abstands 64 vermieden werden, indem anormale Schwingungen des Sageblatts 16 erkannt werden und eine Reduktion der Drehzahl des Sageblatts 16 von der Steuereinheit 28 durchgeführt wird. Durch eine Auswertung von Frequenz- und/oder Phasenverschie- bungen zwischen dem Sendesignal 32 und dem Empfangssignal 34 kann eine Geschwindigkeit V, mit der das Werkstuck 50 in Arbeitsrichtung 66 geschoben wird, überwacht werden. Diese Information kann ebenfalls zur überwachung des Werkstuckbear- beitungsfortschritts dienen. Zusatzlich können verschiedene Arbeitsphasen einer Werkstuckbearbeitung definiert werden, wobei bestimmte Uberwachungsfunktionen an diese Arbeitsphasen angepasst werden. In der Startphase nach dem Aufstellen des Werkstucks 50 kann insbesondere die Position des Werkstucks 50relativ zum Sageblatt 16 überwacht werden. Am Ende der Werkstuckbearbeitung können insbesondere die Uberwachungskri- terien einer Fingerposition relativ zum Sageblatt 16 verschärft werden.

Ferner können durch die Eingabeeinheit 20 Arbeitsparameter für eine Werkstuckbearbeitung eingestellt werden, wie z.B. eine Drehzahl des Sageblatts, eine Sagetiefe 68 (Figur 1), ein Typ eines Sageblatts usw. Arbeitsparameter, z.B. die Sagetiefe 68, die von der Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrich- tung überwacht werden, können durch die Regelungseinheit 26 auf einem von dem Bediener eingestellten Wert gehalten werden. Mittels der Ausgabeeinheit 18 kann der Bediener über die

überwachten Arbeitsparameter informiert werden. Diese können auf dem LED-Display angezeigt werden. Wenn ein Arbeitsparameter eine voreingestellte Schwelle erreicht und/oder bei bestimmten Anwendungssituationen, z.B. bei einem verkehrten Aufstellen eines Werkstucks, kann der Bediener mittels eines akustischen Signals, das über den Lautsprecher 22 übertragen wird, informiert werden. Durch eine Auswertung des ultrabreitbandigen Empfangssignals 34 ist eine Messung und/oder überwachung von weiteren Arbeitsparametern denkbar, wie z.B. einer Dimension, eines Feuchtigkeitsgrads eines Werkstucks usw.

Die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung kann mit Vorteil bei weiteren stationären Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wie z.B. Bandsagen, Kappsagen, Hobeln usw. Des Weiteren ist ein Einsatz der Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung bei handgehaltenen Werkzeugmaschinen, wie z.B. Kreissagen, Stichsagen, Kettensagen, usw. ebenfalls denkbar. Dabei kann die Werkzeugmaschinenuberwachungsvorrichtung durch die Signaleinheit einen vorteilhaften Schutz bei kritischen Anwendungssituationen, wie z.B. ein Hochschlagen einer handgehaltenen Kreissage, bieten.

31 . 10 . 05

ROBERT BOSCH GMBH; 70442 Stuttgart

Bezugszeichen

10 Kreissäge 53 Zuordnungstabelle

12 Gehäuse 53' ZuordnungstabeHe

14 Arbeitsfläche 54 Signalmuster

16 Sägeblatt 55 ZuordnungstabeHe

18 Ausgabeeinheit 55' ZuordnungstabeHe

20 Eingabeeinheit 56 Vorgehen

22 Lautsprecher 58 AnwendungsSituation

24 Signaleinheit 59 Signalmuster

26 Regelungseinheit 60 Vorgehen

28 Steuereinheit 62 Abstand

30 Sendeeinheit 64 Abstand

32 Sendesignal 66 Arbeitsrichtung

34 Empfangssignal 68 Sägetiefe

36 Antennenelement t Zeit

38 Signalaufbereitungs- V Frequenz einheit δt Pulsdauer

40 Recheneinheit δv Signalbandbreite 42 Speichereinheit

V _M Mittenfrequenz 44 Datenbank V ₁ Unterfrequenz 46 Folge V ₂ Oberfrequenz 48 Puls

A Amplitude 50 Werkstück

V Geschwindigkeit 52 AnwendungsSituation