BeSchreibung

Titel

Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Handwerkzeugmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Handwerkzeugmaschine.

Stand der Technik

Aus der US 2005/0060896 Al ist eine handgeführte, elektromotorisch betriebene Stichsäge bekannt, deren Sägeblatt angetrieben vom Elektromotor eine Hubbewegung ausführt. Das Sägeblatt ist in einer Halterung eingespannt bzw. geführt und kann um die Sägeblattlängsachse in verschiedenen

Winkelpositionen arretiert werden. Zur Einstellung einer gewünschten Winkelposition wird die Halterung gelöst, das Sägeblatt in die neue Winkelposition verstellt und anschließend die Halterung wieder fixiert. Auf diese Weise kann zwar das Sägen einer Kurve erleichtert werden; allerdings handelt es sich bei der Einstellmöglichkeit des Sägeblattes nicht um einen während der Sägebewegung verstellbaren Freiheitsgrad, sondern es muss ein bestimmter Winkel des Sägeblattes vorab festgelegt werden. Eine variable Anpassung während des Sägevorganges an unterschiedliche, zu sägende Radien ist nicht möglich.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Bearbeitung eines Werkstückes mit einer Werkzeugmaschine, insbesondere mit einer Handwerkzeugmaschine wie beispielsweise eine Stichsäge, mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit durchführen zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf den Betrieb einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Handwerkzeugmaschine wie beispielsweise eine handgeführte Stichsäge, wobei die Werkzeugmaschine ein motorisch angetriebenes Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstückes aufweist. Die Werkzeugmaschine ist mit einer Sensoreinrichtung versehen, über die Sensorsignale ermittelt werden, welche den aktuellen Zustand der Werkzeugmaschine beschreiben, beispielsweise die Position der Werkzeugmaschine und/oder des Werkzeuges in Bezug auf ein ortsfestes bzw. gehäusefestes Koordinatensystem, wobei die Positionsbestimmung alle drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten einzeln oder in Kombination umfassen kann. Des Weiteren ist die Werkzeugmaschine mit einem Aktor versehen, über den mindestens ein Bauteil der Werkzeugmaschine veränderlich einzustellen ist. Der Aktor wird über Stellsignale verstellt, welche unter Zugrundelegung der ermittelten Sensorsignale erzeugt werden. Bei dem Aktor handelt es sich allgemein um ein Stellglied in der Werkzeugmaschine, über das der Zustand eines Werkzeugmaschinenbauteils zu verstellen ist. Hierbei kann es sich auch um den Antriebsmotor des Werkzeuges handeln, der bevorzugt als elektrischer Antriebsmotor ausgeführt ist. Infrage kommen aber auch sonstige Stellglieder, insbesondere elektrisch oder elektromagnetisch verstellbare Stellglieder wie Elektromotoren, Schrittmotoren, Piezoelemente oder dergleichen, die auf ein Bauteil der

Werkzeugmaschine wirken. Beispielsweise kann die Aktorik auf die Bewegung des Gehäuses der Werkzeugmaschine einwirken, insbesondere zum Nachfolgen einer vorgegebenen Solllinie für das Werkzeug. In Betracht kommt aber auch eine Verstellung der Position des Werkzeuges bezogen auf das Maschinengehäuse.

Es handelt sich vorzugsweise um einen geschlossenen Regelkreis, der in der Werkzeugmaschine realisiert ist. Der Regelkreis umfasst die Sensoreinrichtung zur Erzeugung eines Sensorsignals, das vorteilhaft in einem Regel- bzw. Steuergerät der Ermittlung von Stellsignalen zu Grunde gelegt wird, welche dem Aktor zur Einstellung zugeführt werden. Grundsätzlich kommt aber auch ein offener Regelkreis, also ein Steuerkreis in Frage.

Um eine hohe Präzision bei der Bearbeitung des Werkstückes sicherzustellen, werden die Sensorsignale vor ihrer

Weiterverarbeitung zunächst einer Plausibilitätskontrolle unterzogen, wobei die Plausibilitätskontrolle vorzugsweise als eigenständiges Modul ausgebildet ist, das entweder auf der Hardwareseite oder auf der Softwareseite in das Regel- bzw. Steuergerät integriert ist oder mit diesem konstruktiv zusammenhängt bzw. mit diesem kommuniziert. Die überprüfung der Sensordaten auf Plausibilität verbessert in erheblicher Weise die Qualität des Bearbeitungsergebnisses, indem die Einhaltung einer Sollvorgabe während der Werkstückbearbeitung fortlaufend abgeprüft werden kann. Dies betrifft zum einen die Qualität der Sollvorgabe an sich, bei der es sich beispielhaft um die Sollbzw. Anrisslinie handelt, der die Werkzeugmaschine bzw. das Werkzeug selbst nachfolgen soll. Zusätzlich oder alternativ ist es aber auch möglich, ungeachtet der Qualität der Sollvorgabe die Position der Werkzeugmaschine bzw. eines Bauteiles der

Werkzeugmaschine fortlaufend zu überprüfen und ggf. durch eine Verstellung des Aktors zu justieren. Die Plausibilitätskontrolle verbessert somit das Arbeitsergebnis, außerdem können im Falle von Störungen Maßnahmen ergriffen werden, um einer Verschlechterung des Arbeitsergebnisses zumindest vorzubeugen, wobei gegebenenfalls das Arbeitsergebnis auch wieder verbessert werden kann.

Falls das Sensorsignal der Sensoreinrichtung oder ein aus dem Sensorsignal berechneter Wert außerhalb eines definierten

Normbereiches liegt, wird ein Fehlersignal erzeugt, das dem Benutzer entweder zur Anzeige gebracht oder in sonstiger Weise

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weiterverarbeitet wird. Als Reaktion auf das Fehlersignal wird beispielsweise die Werkzeugmaschine von einem automatisierten oder teilautomatisierten Betrieb wieder in einen manuellen Betrieb zurückgeführt. Handelt es sich bei der Werkzeugmaschine z.B. um eine handgeführte, halbautomatische oder vollautomatische Stichsäge, die zusätzlich zu der Hubbewegung des Sägeblattes auch entweder eine Verstellbewegung des Sägeblattes beispielsweise um die Sägeblattlängsachse oder einen Stellmotor zur Positionseinstellung des Maschinengehäuses in Längs- und/oder Querrichtung aufweist, so kann dieser zusätzliche Aktor bei Erkennen eines Fehlers abgeschaltet werden, und zwar entweder in der Weise, dass die zuletzt eingenommen Position des Aktors beibehalten wird, oder durch Rückführen in eine Neutralstellung.

Die Grundbewegung des Werkzeuges, also im Falle einer Stichsäge die Hubbewegung, kann beibehalten werden oder ggf. auch abgeschaltet werden, wofür vorteilhafterweise die Schwere des erkannten Fehlers als Kriterium herangezogen wird. Zusätzlich zu dem Eingriff in den Betriebsmodus der Werkzeugmaschine wird dem Benutzer zweckmäßigerweise der Fehler auch optisch oder in sonstiger Weise angezeigt, um ihn auf den erkannten Fehler hinzuweisen. Die Rückführung vom automatischen oder teilautomatischen Betriebsmodus in den manuell geführten Betriebsmodus hat den Vorteil, dass die Bearbeitung des Werkstückes fortgeführt werden kann.

Die vorzugsweise als separate Einheit ausgeführte Plausibilitätskontrolleinheit ist der Sensoreinrichtung nachgeschaltet, wobei entweder die Rohdaten, welche direkt von der Sensorik geliefert werden, auf Plausibilität überprüft werden, oder die bereits aufbereiteten Daten, welche vorzugsweise innerhalb der Sensorik einer Aufbereitung unterzogen werden, beispielsweise einer Glättung des Verlaufes. Des Weiteren ist es möglich, Sensordaten direkt der

Plausibilitätskontrolle zu unterziehen oder zuerst funktionale Zusammenhänge aus den gewonnenen Messsignalen herzustellen, die

anschließend in der Plausibilitätskontrolle auf Einhaltung eines Normbereiches überprüft werden. Bei diesen funktionalen Zusammenhängen können die Sensordaten nach verschiedenen Kriterien aufbereitet und miteinander verknüpft werden, wodurch Merkmal sgruppen gebildet werden können, die entweder jeweils für sich oder in beliebiger Kombination, also entweder alternativ oder kumulativ innerhalb jeweils zugeordneter Normbereiche liegen müssen, damit ein ordnungsgemäßes Funktionieren festgestellt wird. Die Aufbereitung der Sensorsignale zu Merkmalsgruppen und die anschließende Bewertung bzw. Abfrage auf Einhaltung des Normbereiches stellt insgesamt die Plausibilitätskontrolle dar.

Bei der Merkmalsverknüpfung der Sensordaten können beispielsweise mindestens zwei zeitlich aufeinander folgende Sensorsignale der Plausibilitätskontrolle unterzogen werden, wobei in diesem Fall z.B. fortlaufend die Strichdicke der Sollbzw. Aufrisslinie abgeprüft wird, bei der es sich beispielhaft um die Soll-Schnittlinie des zu bearbeitenden Werkstückes handelt. Unterschreitet die Dicke der Solllinie einen

Mindestwert, so kann nicht mehr mit hinreichender Sicherheit der teilautomatisierte Betrieb aufrechterhalten werden und es wird ein Fehlersignal erzeugt. Bezogen auf die Solllinie können die Merkmale Liniendicke, Verlauf, Kontrast gegenüber dem Untergrund, Farbe und ggf. auch die Anzahl der Solllinien überprüft werden.

Zusätzlich oder alternativ zu der zeitlich aufeinander folgenden Prüfung der Sensorsignale kommt auch eine zeitgleiche Abfrage von mindestens zwei unterschiedlichen Sensorsignalen bzw. von Werten in Betracht, die aus den Sensorsignalen gewonnen und zu Merkmalsgruppen zusammengefasst werden. Beispielsweise kann zum einen die Dicke der Solllinie und zum andern der Verlauf der Solllinie zeitgleich untersucht werden, wobei der Verlauf der Solllinie für fehlerhaft erkannt wird, wenn beispielsweise eine Unterbrechung der Solllinie vorliegt oder ein Knick mit einem

Knickwinkel, der von der Werkzeugmaschine nicht eingehalten werden kann.

Die mathematische Realisierung der Plausibilitätskontrolle erfolgt beispielsweise durch Einsatz von Fuzzy-Logik, wobei grundsätzlich auch lernfähige und adaptive Systeme zum Einsatz kommen können, beispielsweise Algorithmen auf der Basis neuronaler Netze oder eine Kombination von neuronalen Netzen und Fuzzy-Logik auf der Grundlage so genannter Neuro-Fuzzy-Methoden .

Die Plausibilitätskontrolle stellt vorzugsweise ein eigenständiges, gekapseltes Modul dar, das insbesondere als Software-Routine realisiert ist, welche in einer Speichereinheit oder als EPROM abgelegt ist. Die Plausibilitätskontrolleinheit ist zweckmäßigerweise Bestandteil des Regel- bzw. Steuergerätes, in welchem das Verfahren durchgeführt wird.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer handgeführten Stichsäge,

Fig. 2 ein Blockdiagramm mit dem grundsätzlichen Aufbau der Regelstruktur zur Einstellung einer Aktorik in der Werkzeugmaschine,

Fig. 3 die Regelstruktur mit einer detaillierten Darstellung einer Plausibilitätskontrolleinheit.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschine 1 eine handgeführte Stichsäge 2 dargestellt, die in einem Gehäuse

3 als Arbeitsbewegung 7 ein eine Hubbewegung ausführendes Sägeblatt 8 aufweist, welches durch eine Fußplatte 4 hindurch geführt ist, die mit dem Gehäuse 3 verbunden ist. Die Fußplatte

4 ist auf ein zu bearbeitendes Werkstück 5 aufgesetzt, wobei die

Stichsäge 2 in Arbeitsrichtung 6 über bzw. durch das Werkstück 5 bewegt wird. Auf die Oberseite des Werkstückes 5 kann eine Anrisslinie 9 als Solllinie aufgezeichnet sein, die als Markierung bzw. Bearbeitungsstrecke dient, entlang der das Sägeblatt 8 der Stichsäge 2 geführt werden soll.

Die Hubbewegung des Sägeblatts 8 wird von einem elektrischen Antriebsmotor erzeugt, der im Gehäuse 3 der Stichsäge 2 aufgenommen ist. Am Gehäuse 3 befindet sich ein Griffbügel 10, an dem die Werkzeugmaschine manuell gehalten und geführt werden kann. Zum Ein- und Ausschalten ist im Seitenbereich des Gehäuses 3 ein manuell betätigbarer Schalter vorgesehen.

Das im vorderen Bereich des Gehäuses 3 in einer Werkzeugaufnahme 12 gehaltene Sägeblatt 8 kann über zusätzliche Aktoren bezogen auf die Halterung im Gehäuse 3 verstellt werden. Als derartige Aktoren sind ein erstes Stellglied 13 oberhalb der Werkzeugaufnahme 12 im Gehäuse 3 sowie ein zweites Stellglied 14 vorgesehen, das im unteren Gehäuseteil angeordnet ist. über das erste, obere Stellglied 13 ist eine Verstellung des Sägeblattes 8 um die Sägeblattlängsachse möglich, so wie dies mit dem Pfeil 15 angedeutet ist. über das zweite, untere Stellglied 14 kann dem Sägeblatt eine Pendelbewegung quer zur Sägeblattebene aufgeprägt werden. Damit bestehen als Bewegungs- und Eingriffsmöglichkeiten bezogen auf die Bewegung und Position des Sägeblattes 8 zum einen die übliche Sägebewegung als Hubbewegung, was mit dem Pfeil 16 angedeutet ist, zum andern die Pendelbewegung quer zur Sägeblattebene und schließlich die Drehbewegung gemäß Pfeil 15 um die Längsachse des Sägeblattes. Alle drei Bewegungen sind unabhängig voneinander einzustellen, indem der elektrische Antriebsmotor für die Hubbewegung des Sägeblattes und die beiden Stellglieder 13 und 14 jeweils unabhängig voneinander über Stellsignale eines Regel- bzw. Steuergerätes 17 eingestellt werden, welches sich ebenfalls im Gehäuse 3 befindet.

Zur Realisierung eines geschlossenen Regelkreises ist die Werkzeugmaschine 1 zusätzlich zu der Aktorik und dem Regel- bzw. Steuergerät 17 mit einer Sensoreinrichtung versehen, über die die Position der Stichsäge 2, insbesondere des Sägeblattes 8 bezogen auf die Anrisslinie 9 ermittelt wird. Die

Sensoreinrichtung umfasst als optische Sensoreinheit eine Kamera 18 sowie ggf. darüber hinaus oder alternativ einen bzw. mehrere Sensoren 19, bei denen es sich beispielsweise um eine Kontrastsensoreinheit oder eine Wirbelstromsensoreinheit handeln kann. Die Sensoreinrichtung 18, 19 dient dazu, den Verlauf der Anrisslinie 9, welche eine Solllinie darstellt, sowie die Qualität der Anrisslinie festzustellen, insbesondere den Kontrast, die Dicke und ggf. auch die Farbe der Anrisslinie. Die von der Sensoreinrichtung 18, 19 ermittelten Messdaten werden dem Regel- bzw. Steuergerät 17 zur Weiterverarbeitung zugeführt, in welchem gemäß eines vorgegebenen Regelkriteriums Stellsignale zur Einstellung der Aktoren in der Werkzeugmaschine erzeugt werden, insbesondere zur Einstellung des elektrischen Antriebsmotors für die Hubbewegung des Sägeblattes sowie ggf. auch Stellsignale für die Einstellung der Stellglieder 13 und 14 zur Verstellung der Position des Sägeblattes.

In den Figuren 2 und 3 ist die Struktur der Regeleinrichtung dargestellt. Ein erster Block 30 symbolisiert die Datenerfassung, bestehend aus der Sensorik 31 und einer

Datenaufbereitung 32. Die Sensorik 31 umfasst die diversen Sensoreinheiten wie z.B. die optische Sensoreinheit. In der Datenaufbereitung 32 werden die Messsignale der Sensorik einer ersten Aufbereitung unterzogen, indem beispielsweise eine Filterung bzw. Glättung des Signalverlaufs durchgeführt wird.

Anschließend werden die vorläufig aufbereiteten Messsignale einer Plausibilitätskontrolleinheit 33 zugeführt, in der eine Plausibilitätskontrolle der Sensorsignale durchgeführt wird. Dies erfolgt unter Anwendung mathematischer Methoden wie beispielsweise Fuzzy-Logik oder neuronaler Netze, wobei entweder die Sensorsignale unmittelbar, d.h. ohne weitere mathematische

Verknüpfungen der Plausibilitätskontrolle unterzogen werden. Möglich ist es aber auch, zunächst gemäß vorgegebenen funktionalen Zusammenhängen so genannte Merkmalsgruppen zu bilden, die jeweils ein charakteristisches Merkmal darstellen. Angewandt auf die überprüfung der Soll- bzw. Aufrisslinie, welcher das Werkzeug folgen soll, bedeutet dies, dass die Qualität der Aufrisslinie, welche zuvor von der Sensorik detektiert wurde, in der Plausibilitätskontrolle überprüft wird. In Betracht kommt beispielsweise die Strichstärke, die Farbe, der Kontrast und der Verlauf der Aufrisslinie.

Alternativ oder zusätzlich zur überprüfung der Soll- bzw. Aufrisslinie kommt auch eine überprüfung der aktuellen Position der Werkzeugmaschine und/oder des Werkzeugs in Betracht. Hierbei wird, bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Stichsäge, die Position der Stichsäge und des Sägeblattes in Bezug auf die Soll- bzw. Aufrisslinie festgestellt und bei unzulässig hohen Abweichungen eine entsprechende Korrektur durch Beaufschlagung eines Aktors durchgeführt.

Dargestellt ist in Fig. 2 des Weiteren die Aktorik 34, welche Stellsignale empfängt, die im Regel- bzw. Steuergerät erzeugt werden, das die Plausibilitätskontrolleinheit 33 umfasst. Des Weiteren ist ein Block 35 eingetragen, der die Mensch-Maschine- Schnittstelle (HMI) symbolisiert und eine Benutzereingabe 36, beispielsweise den Schalter zum Ein- und Ausschalten des Antriebsmotors, und eine Anzeige 37 umfasst, die beispielsweise als optische Anzeige wie z.B. als LED-Balken ausgeführt ist.

Falls in der Plausibilitätskontrolleinheit 33 festgestellt wird, dass die Sensorsignale aus der Datenaufbereitung 32 nicht innerhalb des definierten Normbereiches liegen, wird ein Fehlersignal erzeugt, das zum einen der Anzeige 37 zugeführt wird, um den Benutzer auf die Fehlfunktion aufmerksam zu machen. Zum andern führt das Fehlersignal auch zu einer Beaufschlagung der Aktorik 34, wobei die Aktorik vorzugsweise außer Kraft

gesetzt wird, indem entweder der aktuelle Zustand eingefroren oder der Aktor in eine Neutralstellung zurückgeführt wird.

In Fig. 3 ist eine detailliertere Darstellung der Plausibilitätskontrolleinheit 33 zwischen der Datenaufbereitung 32 und der Aktorik 34 sowie der Anzeige 37 gezeigt. Die Plausibilitätskontrolleinheit 33 umfasst Merkmal sgruppen 38a bis 38c, welche aus den eingegangenen Sensorsignalen aus der Datenaufbereitung 32 gemäß funktionalen Zusammenhängen gebildet werden. Theoretisch kann eine beliebige Anzahl derartiger

Merkmalsgruppen 38a bis 38c vorgesehen sein, die jeweils ein zu überprüfendes Kriterium entweder für die übereinstimmung des Ist-Zustandes der Werkzeugmaschine mit dem Sollzustand darstellen oder die zur überprüfung der Qualität und des Verlaufes der Soll- bzw. Aufrisslinie dienen.

Des Weiteren ist der Plausibilitätskontrolleinheit 33 ein Bewertungsblock 39 zugeordnet, der den Merkmalsgruppen 38a bis 38c nachgeschaltet ist und in dem unter Anwendung mathematischer Verfahren die Bewertung im engeren Sinne durchgeführt wird. Letztlich erfolgt im Bewertungsblock 39 eine Abfrage, ob die formulierten Merkmale unter Berücksichtigung der Sensorsignale innerhalb definierter Normbereiche liegen.