Sound Based Tool Condition Monitoring for Precision Milling

Der Zustand eines Fräswerkzeuges spielt in der Fertigung von Produkten und Bauteilen eine maßgebliche Rolle. Besonders bei langen Fertigungszeiten führen abgenutzte oder beschädigte Werkzeuge zu erheblichen Kosten durch verschwendetes Material und Maschinenstunden. Zustandsüberwachungssysteme dienen dem Zweck solche Mängel frühzeitig zu erkennen, sind allerdings meist sehr komplex und kostenintensiv aufzusetzen, erfordern Kontakt mit der Maschine, oder greifen in den mechanischen Aufbau und die Steuerung des Fertigungsprozesses ein.
In dieser Arbeit wird ein Überwachungssystem basierend auf der messtechnischen Erfassung und Auswertung von akustischen Emissionen eines mechanischen Fertigungsprozesses erstellt, welches durch seine berührungslose Wirkungsweise mit geringem Aufwand an einer industriellen Fräsmaschine installiert werden kann. Zur Aufstellung der entwickelten Metriken zur Zustandsanalyse des verwendeten Fräswerkzeugs wurden die von Messmikrophonen erfassten Daten, im Gegensatz zu herkömmlichen akustischen Datenanalysen, in Abhängigkeit der instantanen Winkelposition des Werkzeugwinkel betrachtet und analysiert. Dafür wurden die Messdaten in kleinere Segmente zugehörig zu einzelnen Fertigungsschritten unterteilt, für welche nachfolgend die winkelaufgelöste akustische Emission des verwendeten Fräswerkzeugs für jede Schneide mit Hilfe eines synchronen Demodulationsverfahrens als charakteristisches Signalmuster („Flower Pattern“) darstellbar wird. Da die Abnutzung des Werkzeuges eine Veränderung im abgestrahlten Maschinenlärm zur Folge hat, verändert sich damit auch das für den jeweiligen Fräsprozess erhaltene "Flower Pattern" über die Zeit, insbesondere wenn sich die Qualität einzelner Schneiden des Werkzeugs verschlechtern. Durch den Vergleich dieser Veränderungen über die Nutzungsdauer des Werkzeugs wurden in weiterer Folge Schadensmetriken definiert und ausgewertet, welche robuste Aussagen über Veränderungen des Zustands eines Fräswerkzeugs im laufenden Bearbeitungsprozess ermöglichen.