Beschreibung

Verfahren und Steuereinrichtung zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Ma ^¬ schine mit einem Gegenstand.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, dass Codeabschnitte enthält, mit der bei Aufruf des Computerprogramms von der Steuereinrichtung das oben genannte Verfahren ausführbar ist.

Bei Maschinen wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Roboter, werden neben hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Bearbeitungsgenauigkeiten eine hohe Pro- zessgenauigkeit gefordert. Eine mögliche Prozessstörung stellt eine Kollision eines Maschinenelements, das z.B. in Form eines Werkzeugs oder einer Spindel vorliegen kann und einem Gegenstand der z.B. in Form eines Werkstücks, eines Werkzeugschlittens oder einer Spannvorrichtung vorliegen kann, dar. Im Vergleich zu anderen Prozessstörungen führen Kollisionen zu den höchsten Instandsetzungskosten und den längsten Ausfallzeiten.

Um Kosten für Instandsetzung und Ausfallzeiten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wurden bisher verschiedene Sys ^¬ teme und Strategien entwickelt. Kommerziell verfügbare mecha ^¬ nisch wirkende Vorrichtungen oder Systeme mit Sensoren haben den Nachteil, dass sie erst nach Eintritt eines Kontakts und einer zusätzlichen Verzögerung bis zum Kraftaufbau in der me- chanischen Struktur wirksam werden, so dass nur noch eine Reduzierung des Schadens möglich ist. Passive mechanische Sys ^¬ teme wie z.B. überlastkupplungen beruhen auf dem Prinzip, dass im Falle von zu hohen Vorschubkräften durch z.B. Rutsch-

oder Rastkupplungen die auftretenden Kräfte begrenzt werden. Die Folgen einer Kollision können aber bei schnellen Verfahrbewegungen nur begrenzt werden. Nachteilig hierbei ist das es in der Regel aufgrund der späten Reaktion zu signifikanten Schäden, insbesondere zum Verlust von Fertigungsgenauigkeit kommt, da erst bei einer deutlichen überlastung der Komponenten reagiert wird, d.h. wenn die auftretende Kraft schon hoch ist und in der Regel schon Schäden hervorruft. Weiterhin muss auch selbst bei sehr geringen Verfahrgeschwindigkeiten nach einer Kollision die Auswuchtung von Spindel und Werkzeug kontrolliert werden und im Extremfall die Maschine neu vermessen werden, was hohen Aufwand bedeutet.

Wertet man, wie oft handelsüblich praktiziert, dass Antriebs- drehmoment eines Antriebs einer zu verfahrenden Maschinenachse aus, so kann ebenfalls erst später reagiert werden, da die Kollision erst erkannt wird, wenn bereits eine hohe Antriebs ^¬ kraft aufgebaut wurde.

Durch steuerungstechnische Lösungen können eine Reihe von

Kollisionen vorab erkannt und verhindert werden. Kollisionen durch den Ausfall von Steuerungskomponenten können durch so genannte Safety Funktionen in der numerischen Steuerung der Maschine ausgeschlossen werden. Die numerische Steuerung kann Schutzzonen, z.B. um Spannbacken und Reitstock oder Grenzkonturen überwachen. Die kommerziell verfügbaren Lösungen sind jedoch oft begrenzt, z.B. wird oft nur die Spitze eines akti ^¬ ven Werkzeugs überwacht und es können nur einfache Geometrien als Schutzzonen definiert werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass das Werkstück in der Regel nicht berücksichtigt wird. Durch Simulation des NC-Programms können Kollisionen z.B. zwischen einem Werkstück oder einem Werkzeug erkannt werden. Die Simulation arbeitet dabei mit angenommenen Werkzeug- und Werkstückmaßen, so dass das Beladen mit einem falschen Werk- stück (falsches Augenmaß, nicht entfernte Angüsse) und fal ^¬ schen Werkzeugen, nicht erkannt werden kann. Fehler beim Einrichten eines Programms können ebenfalls nicht erkannt wer ^¬ den .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auswirkungen einer Kollision zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand möglichst gering zu halten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur gezielten Reaktion bei einem Kontakt zwischen einem Maschinenelement einer Maschine mit einem Gegenstand,

- wobei mittels einer Maschinenachse der Maschine das Ma ^¬ schinenelement und/oder der Gegenstand verfahren wird, - wobei die Maschine einen langsamen und einen schnellen Verfahrmodus aufweist,

- wobei ein Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird,

- wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenach- se während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung automatisiert im schnellen Verfahrmodus verfahren wird, ein weiteres Verfahren der Maschinenachse gestoppt wird, indem der Antrieb der Maschineachse sofort angehalten wird, - wobei bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenach ^¬ se während des Kontakts mittels einer Steuereinrichtung automatisiert im langsamen Verfahrmodus verfahren wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei er ^¬ kannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse gestoppt wird.

Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Steuereinrichtung mit einem Programmspeicher, in dem ein Computerprogramm hinterlegt ist, dass Codeabschnitte enthält mit der bei Auf- ruf des Computerprogramms von der Steuereinrichtung, dass o- ben genannte Verfahren ausführbar ist.

Es erweist sich als vorteilhaft, dass bei einem erkannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener ein Bearbeitungssignal erzeugt wird, eine Kollisionserkennung durchgeführt wird, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Verfahren der Maschineachse gestoppt wird. Hierdurch wird

auch bei einem Verfahren per Hand durch einen Bediener eine gezielte Reaktion im Falle eines erkannten Kontaktes ermög ^¬ licht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass bei einem er ^¬ kannten Kontakt, falls die Maschinenachse während des Kon ^¬ takts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener kein Bearbeitungssignal erzeugt ein weiters Verfah ^¬ ren der Maschineachse gestoppt wird. Hierdurch wird auch bei einem Verfahren per Hand durch einen Bediener eine gezielte Reaktion im Falle eines erkannten Kontaktes ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisi ^¬ onserkennung durchgeführt wird, indem ein Vorschub pro Schneide mit einem Vorschub pro Schneide Grenzwert verglichen wird, wobei bei überschreitung des Vorschubs pro Schneide Grenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine einfache Kollisionserkennung ermöglicht.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisions ^¬ erkennung durchgeführt wird, indem ein Anstieg einer Schnitt ^¬ kraft mit einem Schnittkraftsanstiegsgrenzwert verglichen wird, wobei bei überschreitung des Schnittkraftsanstiegs- grenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine besonders einfache Erkennung einer Kollision ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Antriebs ^¬ strom der Maschinenachse hochpass oder bandpass gefiltert wird und mit einem Antriebsstromgrenzwerts verglichen wird, wobei bei überschreitung des Antriebsstromgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Hierdurch wird eine besonders einfa ^¬ che Erkennung einer Kollision sichergestellt.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass eine Kollisi- onserkennung durchgeführt wird, indem eine auf das Maschinen ^¬ element einwirkende Kraft mit einem Kraftgrenzwert verglichen wird und/oder eine Beschleunigung des Gegenstands und/oder des Maschinenelements mit einem Beschleunigungsgrenzwert ver-

glichen wird, wobei bei überschreitung des Kraftgrenzwerts F _M G und/oder des Beschleunigungsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt wird. Durch diese Maßnahme wird eine einfache Kolli ^¬ sionserkennung ermöglicht.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass das weitere Ver ^¬ fahren der Maschine dermaßen gestoppt wird, indem zunächst überprüft wird ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschinenachse möglich ist, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, der Antrieb der Maschineachse sofort angehalten wird. Hierdurch wird eine an die jeweilige Situation angepasste Stoppreaktion ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das Maschi ^¬ nenelement von dem Gegenstand elektrisch isoliert angeordnet ist und eine elektrische Spannung zwischen dem Maschinenele ^¬ ment und dem Gegenstand angelegt wird, wobei der Kontakt zwi- sehen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird, indem ein beim Kontakt entstehender Detektionsstrom detek- tiert wird. Durch diese Maßnahme wird eine einfache und si ^¬ chere Kontakterkennung ermöglicht.

In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, dass auf eine Kollision erkannt wird, wenn nach der Detektion des Kontakts, der Detektionsstrom über einen definierten Zeitraum hinaus einen Detektionsstromgrenzwert ununterbrochen über ^¬ schreitet. Hierdurch wird eine einfache und sichere Erkennung einer Kollision ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand erkannt wird, indem im Falle einer unerwartenden änderung der Ver- fahrgeschwindigkeit der Maschinenachse auf einen Kontakt er ^¬ kannt wird. Durch diese Maßnahme wird eine sichere und zuver ^¬ lässige Erkennung eines Kontakts ermöglicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass das Maschi ^¬ nenelement als Werkzeug oder als Spindel ausgebildet ist. Ei ^¬ ne Ausbildung des Maschinenelements als Werkzeug oder Spindel stellen übliche Ausbildungen des Maschinenelements dar.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, der Gegenstand als Werkstück, Werkzeugschlitten oder als Spannvorrichtung ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Gegenstands als Werkstück, Werkzeugschlitten oder als Spannvorrichtung stellen üblichen Ausbildungen eines solchen Gegenstands dar.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, dass der Antrieb der Maschinenachse sofort angehalten wird, indem zunächst überprüft wird, ob eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung mit dem Antrieb erreicht werden kann, wo ^¬ bei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse durch den An ^¬ trieb gestoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, zu ^¬ sätzliche Bremsen zum Anhalten eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss geöffnet wird. Durch diese Maßnahme wird ein opti- miertes Anhalten der Maschineachse ermöglicht.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, die Maschine als Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter ausgebildet ist. Eine Ausbildung der Maschine als Werkzeugma- schine, Produktionsmaschine und/oder als Roboter stellen üb ^¬ liche Ausbildungen der Maschine dar, wobei jedoch selbstverständlich die Erfindung auch für andere Maschinen geeignet ist .

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, dass ein Computerpro ^¬ grammprodukt für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung vor ^¬ gesehen ist, das Codeabschnitte enthält, mit der das erfin ^¬ dungsgemäße Verfahren ausführbar ist.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeugmaschi ^¬ ne, Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung auszubilden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Steuereinrichtung ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen des Verfahrens und umge ^¬ kehrt .

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zei ^¬ gen :

FIG 1 eine Werkzeugmaschine, FIG 2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, FIG 3 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels einer

Auswertung des Vorschubs pro Schneide, FIG 4 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels einer

Auswertung der Schnittkraft, FIG 5 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels Auswertung einer auf einen Maschinenelement einwirkende Kraft, FIG 6 ein Verfahren zur Erkennung eines Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand, FIG 7 ein weiteres Verfahren zur Erkennung eines Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand, FIG 8 ein Verfahren zur Erkennung einer Kollision mittels

Auswertung des Antriebsstromes,

FIG 9 ein Verfahren zur Kollisionserkennung mittels Auswer- tung eines Detektionsstroms .

In FIG 1 ist in Form eines Ausführungsbeispiels in schemati ^¬ sierter Form eine Werkzeugmaschine dargestellt. Die Werkzeug ^¬ maschine weist ein Maschinenbett 2, einen Werkzeugschlitten 7 sowie einen Antrieb 4, der über eine Spindel 8 ein Werkzeug 6 antreibt auf. Weiterhin weist die Maschine eine Steuerein ^¬ richtung 14 (z.B. eine numerische Steuerung) zur Steuerung der Maschine auf. Die Steuereinrichtung 14 steuert über eine Verbindung 16 die Maschine. Die beispielhaft dargestellte Ma- schine weist zwei Maschinenachsen auf. So kann der Werkzeug ^¬ schlitten 7 in Richtung des Doppelpfeils 3 (horizontale Ma ^¬ schinenachse) in horizontaler Richtung mittels eines Antriebs 43 der horizontalen Maschinenachse verfahren werden und der

Antrieb 4 zum rotatorischen Antrieb der Spindel mit der Spindel 8 und dem Werkzeug 6 kann in vertikaler Richtung, in Richtung des Doppelpfeils 41 (vertikale Maschinenachse) mit ^¬ tels eines Antriebs 44 der vertikalen Maschinenachse verfah- ren werden. Die Antriebe 43 und 44 weisen hierzu, zur Erzeu ^¬ gung der entsprechenden Linearbewegungen, Antriebswellen 45 und 46 auf. Auf dem Werkzeugschlitten 7 ist ein mittels des Werkzeugs 6 zu bearbeitendes Werkstück 5 angeordnet, wobei das Werkstück 5 mittels eines Isolators 1 vom Werkzeugschlit- ten 7 elektrisch isoliert angeordnet ist. Eine Isolation kann dabei auch an andern Stellen durchgeführt werden. Alternativ ist es z.B. auch denkbar den Werkzeugschlitten oder die Spindel elektrisch zu isolieren. Das Werkstück 5 kann mittels des Werkzeugschlittens 7 in waagrechter Richtung verfahren wer- den. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der

Erfindung das Werkzeug 6 als ein Maschinenelement der Maschi ^¬ ne angesehen wird. In dem Ausführungsbeispiel ist das Werk ^¬ zeug 6 in Form eines Fräsers ausgebildet. Zum Bearbeiten des Werkstücks 5 werden von der Steuereinrichtung 14 die beiden Maschinenachsen und damit das Werkstück 5 und das Werkzeug 6 entsprechend verfahren. Hierbei kann es zu unerwarteten, d.h. ungewollten Kollisionen zwischen Maschinenelementen wie, z.B. dem Werkzeug 6 oder der Spindel 8 und Gegenständen wie z.B. dem Werkstück 5 oder dem Werkzeugschlitten 6, kommen. Als Kollision wird dabei im Rahmen der Erfindung nicht der pure

Kontakt zwischen dem Maschinenelement und dem Gegenstand ver ^¬ standen, sondern ein Kontakt der mit anschließender großer Krafteinwirkung auf den Gegenstand und/oder auf die Maschinenkomponenten verbunden ist. Da handelsübliche Kollisionser- kennung darauf basieren, diese große Krafteinwirkung zu de- tektieren, wird bei den handelsüblichen System keine Kontakterkennung durchgeführt, sondern es werden die nach dem Kontakt auftretenden großen Kräfte und ihren Auswirkungen detek- tiert .

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren soll schon bei einem erkannten Kontakt sofort eine gezielte Reaktion eingelei ^¬ tet werden, um möglichst noch vor dem Auftreten von großen

Kräften denen die Maschinenachsen bei einem weiteren Verfahren ausgesetzt wären, ein Stoppen der die Maschinenachse an ^¬ treibenden Antriebe zu ermöglichen. Dabei werden in Abhängigkeit von den Verfahrgeschwindigkeiten jeweils gezielte Reak- tionen bereits im Falle eines im Wesentlichen bloßen Kontakts zwischen einem Maschinenelement und einem Gegenstand einge ^¬ leitet .

In dem Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 5 mittels eines Isolators 1 vom Werkzeugschlitten 7 isoliert angeordnet. Zur Detektion eines Kontaktes zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6 oder der Spindel 4 wird mittels einer Spannungs ^¬ quelle 13 eine Spannung U zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6, die mit der Spindel 4 elektrisch leitend verbun- den ist, angelegt. Bei einem auftretenden Kontakt zwischen dem Werkstück 5 und dem Werkzeug 6, d.h. beim Vorhandensein schon einer leichten Berührung des Werkstücks 5 mit dem Werkzeug 6 beginnt ein Detektionsstrom I _D zu fließen, der von einer Messeinrichtung 15 detektiert wird und der Steuereinrich- tung 14 als Eingangsgröße zugeführt wird. Abhängig vom Zu ^¬ stand der Maschine wird bei einem erkannten Kontakt von der Steuereinrichtung 14 das Verfahren zur gezielten Reaktion gemäß FIG 2 eingeleitet.

Es sei an dieser Stelle angemerkt das zusätzlich oder alternativ zu einer Kontakterkennung mittels des oben beschriebenen Detektionsstroms I _n eine Kontakterkennung erfolgen kann in dem mit Hilfe der in der Maschine ohnehin vorhandenen Messsysteme die Verfahrgeschwindigkeit der beteiligten Ma- schinenachsen berechnet werden und im Falle einer unerwarte ^¬ ten änderung der Verfahrgeschwindigkeit einer Maschinenachse ein Kontakt erkannt wird. Eine solche unterwartete änderung der Verfahrgeschwindigkeit kann sehr empfindlich eingestellt werden, so dass ebenfalls keine großen Kräfte notwendig sind um diese zum Ansprechen zu bringen. Dies ist im Besonderen möglich, da störende Signaleinflüsse wie Beschleunigungen durch entsprechende Sollwertvorgaben unterdrückt werden können .

In FIG 2 ist in Form eines Flussdiagrammms der Ablauf des er ^¬ findungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Nach dem die oben be ^¬ schriebene Kontakterkennung 42 einen Kontakt erkannt hat, wird zunächst in einem Entscheidungsblock 25 abgefragt, ob eine Maschinenachse während des Kontakts mittels der Steuer ^¬ einrichtung 14 gerade automatisiert, d.h. von der Steuereinrichtung 14 gesteuert und nicht mittels Handbetrieb verfahren wird. Falls dies der Fall ist, dann wird in einem weiteren Entscheidungsblock 26 abgefragt, ob sich die Maschinegerade in einem schnellen Verfahrmodus befindet. Handelsübliche Ma ^¬ schinen weisen im Wesentlichen zwei grundsätzliche Verfahrmo- dien auf, nämlich einen langsamen Verfahrmodus und einen schnellen Verfahrmodus. Beim schnellen Verfahrmodus wird die entsprechende Maschinenachse schnell verfahren um z.B. das Werkzeug aus einer Grundposition heraus erst einmal in die

Nähe des Werkstücks zu fahren. Ein solcher schneller Verfahrmodus wird auch handelsüblich als so genannter Eilgang bezeichnet. Unter dem langsamen Verfahrmodus wird ein langsames Verfahren der Maschinenachse verstanden. Darunter wird z.B. das Verfahren mit einem Vorschub, der während des eigentli ^¬ chen Bearbeitungsvorgangs (z.B. während des Fräsvorgangs) verwendet wird, und nur eine geringe Verfahrgeschwindigkeit aufweist, verstanden.

Wenn im Entscheidungsblock 26 festgestellt wird, dass sich die Maschine gerade im schnellen Verfahrmodus befindet, wird ein weiteres Verfahren der Maschinenachse gestoppt, in dem der Antrieb der Maschinenachse sofort mittels des Notstoppmo ^¬ duls 40 angehalten wird, d.h. die Maschine wird so schnell wie möglich gestoppt. Handelsüblich wird ein solcher Stopp auch als Notstopp bezeichnet, wobei gegebenenfalls auch zu ^¬ sätzliche Bremsen zur Erzielung eines möglichst schnellen Stoppens der Maschinenachse eingesetzt werden und/oder der Kraftfluss, z.B. mittels aktiv oder passiv öffnender Kupplun- gen, mechanisch geöffnet wird. Der Einsatz mechanischer Bremsen und das Auftrennen des Kraftflusses können zu einem ge ^¬ wissen Aufwand für das Wieder in Betrieb setzen führen. Daher werden diese Reaktionen vorzugsweise auf Basis einer Abschät-

zung des Schadensrisikos ausgelöst. Im Normalfall werden da ^¬ bei auch alle anderen Maschinenachsen gestoppt.

Im Notstoppmodul 40 wird hierzu zunächst überprüft, ob eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung mit dem Antrieb erreicht werden kann, wobei wenn dies möglich ist, die Maschinenachse 3, 41, 42, 43 durch den Antrieb 42, 43 ge ^¬ stoppt wird, wobei wenn dies nicht möglich ist, zusätzliche Bremsen zum Anhalten eingesetzt werden und/oder der Kraft- fluss mechanisch geöffnet wird.

Wenn im Entscheidungsblock 26 festgestellt wird, dass die Ma ^¬ schinenachse nicht gerade mit dem schnellen Verfahrmodus ver ^¬ fahren wird, dann wird mittels der Kollisionserkennungsmodule 29, 30, 31 und 32 eine Kollisionserkennung durchgeführt. Die einzelnen Module 29, 30, 31 und 32 zur Kollisionserkennung arbeiten dabei parallel, wobei selbstverständlich die Kolli ^¬ sionserkennung auch mit weniger Module durchgeführt werden kann .

In einem Modul 29 zur überwachung des Vorschubs pro Schneide wird eine Kollision erkannt, in dem der Vorschub pro Schneide des Werkzeugs mit einem vorgegebenen Vorschub pro Schneide ^¬ grenzwert verglichen wird, wobei bei überschreitung des Vor- schubs pro Schneidegrenzwert auf eine Kollision erkannt wird. In FIG 3 ist das hierzu entsprechende Funktionsdiagramm dar ^¬ gestellt. Falls der aktuelle Wert des Vorschubs pro Schneide Vp ₃ den vorgegebenen Vorschub pro Schneidegrenzwert V _PSG über ^¬ schreitet, erzeugt ein Grenzwertmelder 9 ausgangsseitig ein entsprechendes Signal das eine Kollision anzeigt.

Weiterhin wird in einem Modul 30 zur überwachung der Schnittkraft eine Kollisionserkennung durchgeführt, in dem ein Anstieg F ₃ A der Schnittkraft F ₃ mit einem Schnittkraftanstieg- grenzwert F _SG verglichen wird, wobei bei überschreitung des Schnittkraftanstieggrenzwert F _SG auf eine Kollision erkannt wird. Hierzu wird die von der Steuereinrichtung 14, z.B. aus den Antriebsstrom der Maschinenachse ermittelte Schnittkraft

F ₃ gemäß FIG 4 einem Differenzierer 10 zugefügt und solcher ^¬ maßen der Schnittkraftanstieg F _SA ermittelt, wobei mittels eines Grenzwertmelders 11 der Schnittkraftanstieg F _SA mit dem Schnittkraftanstiegsgrenzwert F _SAG verglichen wird und bei ü- berschreitung des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts F _SAG auf eine Kollision erkannt wird, indem der Grenzwertmelder 11 beim ü- berschreiten des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts F _SAG ein ent ^¬ sprechendes Ausgangssignal erzeugt. Gegebenenfalls kann mit ^¬ tels eines zusätzlichen nicht dargestellten Einschaltverzö- gers, der hinter den Grenzwertmelder 11 geschalten wird, erreicht werden, dass erst bei ununterbrochener überschreitung des Schnittkraftanstiegsgrenzwerts über einen vorbestimmten Zeitraum T ₃ hinaus auf eine Kollision erkannt wird.

In FIG 8 ist die Funktionsweise des Moduls 31 zur Kollisions ^¬ erkennung dargestellt. Der Antriebsstrom I _A zum Antrieb der Maschinenachse wird zunächst mittels eines Hochpassfilters 20 hochpassgefiltert und dann in einem Grenzwertmelder 21 mit einem Antriebsstromgrenzwert I _AG verglichen, wobei falls der Grenzwert über einen vorgegebenen Zeitraum Ti, was mittels eines Einschaltverzögers 23 realisiert ist, den Antriebs ^¬ stromgrenzwert IAG ununterbrochen überschreitet auf eine Kol ^¬ lision erkannt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die auf das Maschinenelement einwirkende Kraft F _M oder eine aus dem Antriebsstrom I _A abgeleitete Größe analog, gemäß dem in FIG 8 beschriebenen Funktionsdiagramm zur Kollisionserkennung, durch Vergleich mit einem entsprechenden Grenzwert ausgewertet werden.

Alternativ oder zusätzlich hierzu kann im Modul 31 auch eine Kollisionserkennung mittels einer überwachung des Detekti- onsstromes I _n erfolgen. Wenn nach der Detektion des Kontakts, der Detetektionsstrom I _D für einen definierten Zeitraum T ₂ einen Detektionsstromgrenzwert I _DG ununterbrochen überschrei- tet, wird ebenfalls auf eine Kollision erkannt.

In FIG 9 ist das entsprechende Funktionsschaltbild mit einem Grenzwertmelder 22 und einem Einschaltverzögerer 24 darge-

stellt. Dabei muss der Grenzwertmelder 22 mittels eines Blocksignals Block2 blockiert werden, wenn z.B. das Werkzeug in Form eines Fräsers vorliegt und der Fräser bereits bis zu seinem Durchmesser in das Werkstück eingedrungen ist, um Fehlauslösungen zu vermeiden.

Weiterhin wird in dem Modul 32 zur überwachung einer auf das Maschinenelement einwirkenden Kraft F _M eine Kollisionsüberwa ^¬ chung durchgeführt, in dem die auf das Maschinenelement ein- wirkende Kraft F _M mit einem Kraftgrenzwert F _MG verglichen wird, wobei bei überschreitung des Kraftgrenzwertes F _MG auf eine Kollision erkannt wird. Ein entsprechendes Funktionsdia ^¬ gramm ist in FIG 5 dargestellt. Die auf das Maschinenelement einwirkende Kraft F _M kann dabei z.B. aus dem Antriebsstrom der Maschinenachse abgeleitet werden oder aber es können spe ^¬ zielle Kraftsensoren an der Maschine angebracht werden, die die Kraft F _M direkt messen. Wenn der Grenzwertmelder 12, bei überschreitung des Kraftgrenzwertes F _MG ein entsprechendes Signal ausgibt, wird auf eine Kollision erkannt. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Beschleunigung des Gegenstands und/oder des Maschinenelements mit einem Beschleuni ^¬ gungsgrenzwert verglichen werden und bei überschreitung des Beschleunigungsgrenzwerts auf eine Kollision erkannt werden. Die Beschleunigung kann hierzu z.B. mittels Beschleunigungs- sensoren gemessen werden.

Die Kollisionserkennungsmodule 29, 30, 31 und 32 können dabei eine permanente überwachung durchführen oder nur für einen vorbestimmten Zeitraum nach Erkennen eines Kontaktes eine überwachung durchführen.

Falls in den jeweils zugehörigen Entscheidungsblöcken 33, 34, 35 und 36, d.h. falls in den Modulen 29, 30, 31 und 32 zur Kollisionserkennung eine Kollision erkannt wird, wird in ei- nem weiteren Entscheidungsblock 37 überprüft ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen an den momentanen Zustand der Maschinenachse (z.B. hinsichtlich Masse, Geschwindigkeit, Schwingungsverhalten) angepassten Geschwindigkeitsabbau der

Maschinenachse möglich ist, wobei wenn dies möglich ist, die Maschineachse durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau gestoppt wird um den Bremsvorgang möglichst ohne Schwingungen oder Abweichungen der Maschinenachse von einer vorgegebenen Bewegungsbahn durchzuführen. Das Stoppen mittels eines angepassten Geschwindigkeitsabbaus wird in einem Stoppmoduls 39 durchgeführt. Falls kein Stoppen mittels eines angepassten Geschwindigkeitsabbaus mehr möglich ist, wird der Antrieb der Maschinenachse mittels des Notstoppmoduls 40 sofort angehal- ten.

Falls der Entscheidungsblock 25 feststellt, dass kein automa ^¬ tisiertes Verfahren vorliegt, d.h. dass die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Bediener per Hand verfahren wird und vom Bediener ein Bearbeitungssignal z.B. mittels ei ^¬ nes Tastendrucks erzeugt wird, was in einem Entscheidungs ^¬ block 27 abgefragt wird, dann wird eine Kollisionserkennung durchgeführt, wobei bei erkannter Kollision ein weiteres Ver ^¬ fahren der Maschinenachse gestoppt wird. Das Bearbeitungssig- nal zeigt an, dass der Bediener eine Bearbeitung z.B. des Werkstücks im Handbetrieb durchführen will

Falls die Maschinenachse während des Kontakts durch einen Be ^¬ diener per Hand verfahren wird und vom Bediener kein Bearbei- tungssignal erzeugt wird, dann wird in einem Entscheidungs ^¬ block 28 ermittelt, ob noch ein rechtzeitiges Stoppen durch einen angepassten Geschwindigkeitsabbau der Maschine möglich ist. Wenn dies noch möglich ist, dann wird die Maschinenachse durch das Stoppmodul 38 mittels eines angepassten Geschwin- digkeitsabbau gestoppt wird und falls dies nicht möglich ist, dann wird der Antrieb der Maschinenachse durch das Notstopp ^¬ modul 40 sofort angehalten.

Mit Hilfe eines Tastendrucks kann somit der Bediener noch ma- nuell in den Prozess eingreifen. Darüber hinaus kann der Bediener durch gegebenenfalls durch einen Tastendruck das Einrichtsignal setzen. Damit wird sichergestellt, dass die Eil ^¬ gangsgeschwindigkeit so stark reduziert wird, dass eine wirt-

schaftlich angemessene Schadensreduzierung durch die kontakt- erkennungsbasierte überwachung erreicht wird.

In FIG 7 ist die Kontakterkennung mittels der Auswertung des Detektionssstromes I _n dargestellt. Mittels eines Grenzwert ^¬ melders 19 wird der Detektionsstrom I _D mit einem Stromgrenzwert I _G , der vorzugsweise Null ist verglichen. Bei über ^¬ schreitung des Stromgrenzwertes I _G wird vom Grenzwertmelder 19 ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, was einen er- kannten Kontakt anzeigt.

In FIG 6 ist die Kollisionserkennung mittels Auswertung der Verfahrgeschwindigkeit v _v gezeigt. Die Verfahrgeschwindigkeit Vy wird dabei zunächst mittels eines Differenzierers 17 nach der Zeit abgeleitet und solchermaßen vom Ausgang des Diffe ^¬ renzierers 17 die Verfahrbeschleunigung a _v ermittelt, die ei ^¬ ner änderung der Verfahrgeschwindigkeit v _v entspricht. Wenn die Verfahrbeschleunigung a _v einen Verfahrbeschleunigungs- grenzwert a _V c überschreitet, wird vom Grenzwertmelder 18 ein Signal, das einen Kontakt anzeigt, erzeugt. Um bei zu erwar ^¬ tenden änderungen der Verfahrgeschwindigkeit v _v , z.B. während des Anfahrens oder eines beabsichtigten Stoppvorgangs Fehler in der Erkennung zu vermeiden, wird mit Hilfe eines Blocksig ^¬ nals Blockl der Grenzwertmelder 18 bei zu erwartenden ände- rungen der Verfahrgeschwindigkeit v _v der Maschinenachse von der Steuereinrichtung 14 blockiert.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass falls die Signale zur Erkennung von Kontakt und Kollision von unerwünschten Stör- großen wie Reibungen und Beschleunigungen überlagert sind, die Signale mittels einer Signalkorrektur von den unerwünschten Störeinflüssen befreit werden.

Weiterhin ist es von Vorteil wenn für die besondere kriti- sehen Phasen wie Einrichten und Einfahren eines neuen Teileprogramms, wenn vom Bediener ein Einrichtsignal z.B. mittels eines Tastendrucks erzeugt wird und die Maschine im schnellen Verfahrmodus ist, die Geschwindigkeit der Maschinenachse so

reduziert wird, dass ein nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvolle Schadensreduzierung möglich ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass unter dem schnellen Verfahrmodus nicht nur ein Verfahren der Maschinenachse im Eilgang zu ver- stehen ist, sondern z.B. auch ein Verfahren mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit, wobei in dem Fall eines gesetzten Einrichtsignals überprüft wird, ob bei der Vorschubgeschwin ^¬ digkeit eine wirtschaftlich sinnvolle Schadensreduzierung möglich ist. Ist dies nicht möglich wird die Vorschubge- schwindigkeit geeignet reduziert.