DE3704619A1 - Numerisch gesteuerte vorrichtung fuer eine werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine numerisch gesteuerte Vorrichtung und insbesondere eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einer Rückkopplungsschleife für Korrekturwerte für Ganghöhenfehler, die von einer Kugelumlaufspindel verursacht werden.

Bei Werkzeugmaschinen werden prozessorgesteuerte Systeme über numerisch gesteuerte Vorrichtungen in weitem Umfang dazu benutzt, automatische Arbeitsvorgänge zu verwirklichen und gleichfalls die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschinen zu erhöhen.

Ein Werkstück wird auf einem Arbeitstisch festgelegt und so bewegt oder verschoben, daß das Werkstück den Werkzeugen beispielsweise den Schneidwerkzeugen und Bohrern in diesen Werkzeugmaschinen gegenüber angeordnet ist. Bei einem herkömmlichen Verfahren wird der Arbeitstisch, auf dem sich das Werkstück befindet, beispielsweise in Richtung der x-Achse und der y-Achse verschoben. Bei diesem Verfahren sind jeweils Kugelumlaufspindeln, die zur x- und y-Achse verlaufen, parallel zum Arbeitstisch vorgesehen, auf die Kugelmuttern geschraubt sind. Der Arbeitstisch wird dann dadurch verschoben, daß diese Kugelumlaufspindeln gedreht werden, indem ein Motor unter der Steuerung der numerisch gesteuerten Vorrichtung betrieben wird.

Bei der herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung wird die Verschiebungsposition des Arbeitstisches dadurch gesteuert, daß der Vorrichtung das Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel rückgekoppelt wird oder der Motor so betrieben wird, daß er die Kugelumlaufspindel dreht, da das Maß an Verschiebung des Tisches in x- oder y-Richtung aus dem Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel berechnet wird.

In Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung ist eine herkömmliche numerisch gesteuerte Vorrichtung dargestellt. Ein Werkstück B ist auf einem Aufspanntisch 11 einer Werkzeugmaschine festgelegt. Kugelumlaufspindeln 10, die am Aufspanntisch 11 in Richtung der x-Achse und der y-Achse vorgesehen sind, werden über den Antrieb eines Motors 9 unter der Steuerung der numerisch gesteuerten Vorrichtung auf der Grundlage von Arbeitssteuerdaten gedreht, die vorher eingegeben wurden. Das hat zur Folge, daß der Aufspanntisch 11, an dem die nicht im einzelnen dargestellten Kugelmuttern befestigt sind, und somit das Werkstück B, das auf diesem Aufspanntisch festgelegt ist, verschoben werden, während die Kugelmuttern mit den Kugelumlaufspindeln 10 in Schraubineingriffnahme stehen. Nachdem ein Werkzeug C an einer Arbeitsposition für das Werkstück B angeordnet ist, wird dieses Werkzeug C in Richtung der z-Achse bewegt, die der senkrechten Richtung auf die Zeichenebene entspricht. Der Einfachheit halber sind nur der Motor 9 zum Steuern der Bewegung des Aufspanntisches 11 in Richtung der x- oder y-Achse und die Kugelumlaufspindel 10 sowie die zugehörigen Bauteile dargestellt.

Bei der numerisch gesteuerten Vorrichtung zum Steuern der Werkzeugmaschine werden die oben beschriebenen Daten, die von einer Eingabeeinheit 2 kommen, über eine Zentraleinheit 3 oder einen Zentralprozessor CPU 3 auf eine Speicherplatte 4 übertragen, um darin kurzzeitig gespeichert zu werden. Die Eingabeeinheit 2 liest beispielsweise ein Aufzeichnungsband, auf das Daten wie beispielsweise numerische Steuerinformationen aufgezeichnet sind. Korrekturbeträge oder Korrekturwerte der Ganghöhenfehler sind vorher durch eine Bedienungsperson in einem Teilspeicherbereich 4 a der Speichereinheit 4 gespeichert. Unter Ausnutzung dieser Korrekturwerte für Ganghöhenfehler wird ein Steuersignal dadurch erhalten, daß ein gegebener Rechenvorgang in einer Recheneinheit 5 ausgeführt wird. Die Drehung des oben beschriebenen Motors 9 und somit die Verschiebung des Aufspanntisches 11 können auf der Grundlage dieses Steuersignals mittels eines Steuerverstärkers 6 gesteuert werden.

Ein Detektor 8, der mit dem Motor 9 gekoppelt ist, nimmt das Maß an Drehung dieses Motors 9 wahr. Das sich ergebende Detektorsignal wird der CPU-Steuereinheit 3 über einen Rückkopplungseingabeteil 7 rückgekoppelt. Die CPU-Steuereinheit 3 vergleicht somit zunächst den vorgegebenen Betrag an Verschiebung des Aufspanntisches mit dem Betrag der Verschiebung, der aus dem oben beschriebenen Maß an Drehung des Motors 9 erhalten wird und führt anschließend eine Steuerung des Motors 9 mit Rückkopplung derart aus, daß diese Werte übereinstimmen.

Bei der herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung werden die Korrekturwerte für Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindel, die vorher in der Speichereinheit 4 gespeichert werden, auf der Grundlage der Meßwerte berechnet, wie es bereits beschrieben wurde. Die Meßwerte werden dadurch erhalten, daß die Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindeln tatsächlich mit einer separaten Meßeinrichtung gemessen werden. Die sich ergebenden Korrekturwerte oder Korrekturdaten werden am Teilspeicherbereich 4 a durch die Bedienungsperson abgespeichert.

Wenn somit die Kugelumlaufspindeln 10 derartige Ganghöhenfehler haben, werden Positionsfehler zwischen der Position des tatsächlich verschobenen Aufspanntisches und der Position des Aufspanntisches hervorgerufen, die durch die Kugelumlaufspindeln oder die Drehung des Motors bestimmt ist. Das hat zur Folge, daß eine fehlerfreie numerische Steuerung nicht erzielt werden kann.

Durch die Erfindung soll daher eine numerisch gesteuerte Vorrichtung geschaffen werden, bei der Korrekturen der Positionsfehler des Aufspanntisches durchgeführt werden, die durch Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindeln verursacht werden.

Bei der herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung werden darüberhinaus die Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindeln durch eine separate Meßeinrichtung gemessen. Um diese Ganghöhenfehler zu korrigieren, werden Korrekturwerte für die numerisch gesteuerte Vorrichtung auf der Grundlage der sich ergebenden Meßwerte berechnet und werden diese Korrekturwerte durch die Bedienungsperson in die numerisch gesteuerte Vorrichtung vorher eingegeben.

Selbst wenn eine derartige Fehlermessung genau ausgeführt werden könnte, wird die Bedienungsperson jedoch manchmal fehlerhafte Korrekturwerte in die numerisch gesteuerte Vorrichtung eingeben.

Bei der herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung muß weiterhin die Fehlermessung erfolgen, bevor die Kugelumlaufspindeln an der Werkzeugmaschine angebracht werden, oder nach Abnahme der Kugelumlaufspindeln von der Werkzeugmaschine, um derartige Fehler der Kugelumlaufspindeln zu messen. Dementsprechend kann ein weiterer Fehler in den Kopplungsbedingungen zwischen dem Motor und den Kugelumlaufspindeln auftreten, wenn die Kugelumlaufspindeln tatsächlich an der Werkzeugmaschine angebracht werden, da die Fehlermessung erfolgte, während die Kugelumlaufspindeln von der Werkzeugmaschine abgenommen waren.

Durch die Erfindung soll daher weiterhin erreicht werden, daß automatisch die Korrekturwerte bezüglich der Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindeln in der numerisch gesteuerten Vorrichtung ohne eine Eingabe durch die Bedienerperson gespeichert werden.

Durch die Erfindung soll es schließlich möglich werden, die Ganghöhenfehlermessung der Kugelumlaufspindeln durchzuführen, während diese Spindeln an der Werkzeugmaschine angebracht sind.

Das wird gemäß der Erfindung durch eine numerisch gesteuerte Vorrichtung für eine Werkzeugmaschine erreicht, die eine Kugelumlaufspindel zum Hin- und Herbewegen eines Aufspanntisches in Abhängigkeit von ihrer Drehrichtung, einen Motor zum Drehen der Kugelumlaufspindel und einen Detektor aufweist, der das Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel wahrnimmt, wobei das Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel, das vom Detektor wahrgenommen wird, in eine Steuereinheit mit Rückkopplung eingegeben wird, das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches aus dem Maß an Drehung berechnet wird und ein Unterschied zwischen dem berechneten Wert und einem anderen Verschiebungswert des Aufspanntisches, der vorher als numerischer Wert eingegeben wurde, berechnet wird, um den Motor auf der Grundlage dieses Unterschiedes mit Rückkopplung zu steuern, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Korrektur von Positionsfehlern des Aufspanntisches aufgrund von Ganghöhenfehlern der Kugelumlaufspindel Einrichtungen zum tatsächlichen Messen des Maßes an Verschiebung des Aufspanntisches abnehmbar an der Werkzeugmaschine angebracht sind, das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches, das von den Meßeinrichtungen erhalten wird, in die Steuereinheit mit Rückkopplung eingegeben wird, ein bestimmtes Maß zum Korrigieren der Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindel aus dem Maß an Drehung des Motors und dem Maß an Verschiebung des Aufspanntisches, das durch die Meßeinrichtungen erhalten wird, berechnet und anschließend in einer Speichereinheit der numerisch gesteuerten Vorrichtung gespeichert wird, und die numerisch gesteuerte Vorrichtung den Motor auf die Steuerwerte ansprechend steuert, die auf der Grundlage des vorher eingegebenen Maßes an Verschiebung und des Wertes zum Korrigieren der Ganghöhenfehler berechnet werden.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung und

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen numerisch gesteuerten Vorrichtung mit einer Rückkopplungsschleife für Korrekturwerte.

Im folgenden wird anhand von Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen numerisch gesteuerten Vorrichtung beschrieben.

Wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist der Hauptaufbau dieser numerisch gesteuerten Vorrichtung im wesentlichen mit dem der herkömmlichen numerisch gesteuerten Vorrichtung identisch, die in Fig. 1 dargestellt ist, wobei gleiche oder ähnliche Schaltungen von Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind.

Die in Fig. 2 dargestellte numerisch gesteuerte Vorrichtung zeichnet sich durch eine Einrichtung 12 aus, die das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches mißt. Das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches, das durch diese Meßeinrichtung 12 gemessen wird, liegt über die Rückkopplungseingabeeinheit 7 am Zentralprozessor oder der CPU-Steuereinheit 3.

Die Meßeinrichtung 12 für das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches 11 besteht hauptsächlich aus einem Stangenelement 13 mit einem Kontaktteil 14 und einem Detektorteil 15, der am Aufspanntisch 11 befestigt ist und zwei Kontakte aufweist, die durch den Kontaktteil 14 kurzgeschlossen werden. Der Kontaktteil 14 ist an der Meßeinrichtung parallel beispielsweise zur Kugelumlaufspindel 10 in einem vorbestimmten Abstand angebracht.

Das Stangenelement 13 ist an der numerisch gesteuerten Vorrichtung befestigt und arbeitet als eine Skala mit hoher Genauigkeit, wobei der Kontaktteil 14 beispielsweise aus magnetischen Materialien besteht, die in den Skalenteil eingebettet sind. Wenn die Meßeinrichtung 12 als zweiter Detektor durch den Detektorteil 15 hindurchgeht, spricht dieser auf den Kontaktteil 14 an, so daß die genaue vorliegende Position des Aufspanntisches 11 der CPU-Steuereinheit 3 über den Rückkopplungseingabeteil 7 rückgekoppelt werden kann. Die Bauteile 12, 13 und 14 bilden zum Beispiel einen bekannten Detektor, wie beispielsweise eine lineare Skala. Die gegenwärtig verfügbaren linearen Skalen können Längen von ⁵/₁₀ ₀₀₀ bis ¹/₁₀₀₀ mm als Einheit messen.

Wenn die Kugelumlaufspindel 10 dadurch gedreht wird, daß der Motor 9 unter der Steuerung der CPU-Steuereinheit 3 betrieben wird, wird der Aufspanntisch 11 verschoben, an dem die Kugelmutter befestigt ist, die mit dieser Kugelumlaufspindel 10 in Schraubineingriffnahme steht. Während der Detektorteil 15, der an diesem Aufspanntisch 11 angebracht ist, auf dem Kontaktteil 14 bewegt wird, werden folglich die Kontakte des Detektorteils 15 durch den Kontaktteil 14 kurzgeschlossen, so daß Detektorimpulse, die durch die Bildung dieser Kurzschlüsse erzeugt werden, an der Rückkopplungseingabeeinheit 7 liegen.

Da das Maß an Drehung des Motors 9 durch den damit gekoppelten Detektor 8 innerhalb des Zeitintervalls zwischen den aufeinanderfolgenden Impulsen wahrgenommen wird, die durch den Kurzschluß dieser Kontakte erzeugt werden, wird das Maß an tatsächlicher Verschiebung des Aufspanntisches 11 bezüglich des Maßes an Drehung des Motors 9 unter der Steuerung der CPU-Steuereinheit 3 berechnet und wird somit ein Unterschied zwischen dem Maß an tatsächlicher Verschiebung und dem Maß an Verschiebung, das auf der Grundlage der Auslegungswerte der Kugelumlaufspindel 10 berechnet wurde, in der Recheneinheit 5 berechnet. Der sich ergebende Unterschied wird als Korrekturwert für die Ganghöhenfehler in der Speichereinheit 4 gespeichert.

Der erste Detektor 8, der mit dem Motor 9 gekoppelt ist, ist ein Impulsgenerator, der eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung erzeugt. Der zweite Detektor 12 ist gleichfalls ein Impulsgenerator, der jedoch andererseits einen Impuls immer dann erzeugt, wenn er den Kontaktteil 14 passiert. In der Rückkopplungseingabeeinheit 7 zählt ein Zähler das Eingangsimpulssignal vom ersten und zweiten Detektor 8 und 12. Dann werden die sich ergebenden Zählerstände als Rückkopplungssignale der CPU-Steuereinheit 3 geliefert.

Die CPU-Steuereinheit 3 berechnet anschließend den Unterschied zwischen den Daten des vorliegenden Wertes vom Rückkopplungssignal des ersten Detektors 8 zu einem gegebenen Zeitpunkt und den vorliegenden Daten, die vom Rückkopplungssignal des zweiten Detektors 12 erhalten werden. Sowohl die Differenzdaten als auch die Daten des vorliegenden Wertes vom ersten Detektor 8 werden im Speicherbereich 4 a als Korrekturwerte für die Ganghöhenfehler gespeichert.

Wenn die vorliegenden Werte von den Rückkopplungssignalen des ersten und zweiten Detektors 8 und 12 und auch deren Differenzwert beispielsweise die Werte sind, die in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind, kann die folgende Beziehung aufgestellt werden:

Tabelle 1

Wenn der vorliegende Wert f₁ gleich 10 ist, ist der richtige vorliegende Wert f₂ gleich 12, so daß während des Durchganges des Aufspanntisches 11 durch diesen Punkt das Maß an Verschiebung um 2 vermindert wird, wenn er sich in die positive Richtung + bewegt. Wenn sich andererseits der Aufspanntisch 11 in die negative Richtung - bewegt, muß das Maß an Verschiebung um 2 erhöht werden. Das gleiche Kriterium gilt für die verbleibenden vorläufigen Werte f = 20, 40 und 50.

Das hat zur Folge, daß der Speicherbereich 4 a die folgenden in der Tabelle 2 aufgeführten Werte speichern wird.

Tabelle 2

Es versteht sich, daß der Differenzwert f₁ - f₂ = 0 nicht im Speicherbereich 4 a der Speichereinheit 4 gespeichert werden muß.

Gemäß der Erfindung kann ein Codierer, der eine optische Codierungsplatte zum optischen Lesen des Maßes an Verschiebung in Form von digitalen Werten als Einrichtung zum Messen des Maßes an Verschiebung des Aufspanntisches verwandt werden. In diesem Fall ist die Codierungsplatte parallel zur Kugelumlaufspindel 10 statt des oben beschriebenen Stabelementes 13 angebracht und wird das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches 11 direkt mit höherer Genauigkeit gelesen, da die optische Codierungsleseeinheit am Aufspanntisch 11 befestigt ist. Das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches 10 kann direkt bezüglich des Maßes an Drehung des Motors 9 berechnet werden, so daß die sich ergebenden Korrekturwerte für die Ganghöhenfehler mit höherer Genauigkeit erhalten werden können.

Nachdem die sich ergebenden Korrekturwerte für die Ganghöhenfehler erzielt und in der Speichereinheit 4 gespeichert sind, kann die Einrichtung 12 zum Messen des Maßes an Verschiebung des Aufspanntisches 11 von der Werkzeugmaschine abgenommen werden, da sie nicht mehr daran angeordnet sein muß, bis die Kugelumlaufspindel abgenutzt ist oder durch eine neue Spindel ersetzt wird.

Claims (4)

1. Numerisch gesteuerte Vorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einer Kugelumlaufspindel zum Hin- und Herbewegen eines Aufspanntisches (11) in Abhängigkeit von ihrer Drehrichtung, einem Motor zum Drehen der Kugelumlaufspindel und einem Detektor (8), der das Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel wahrnimmt, wobei das Maß an Drehung der Kugelumlaufspindel, das vom Detektor wahrgenommen wird, in eine Rückkopplungssteuereinheit eingegeben wird, das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches aus dem Maß an Drehung berechnet wird und der Unterschied zwischen dem berechneten Maß an Verschiebung und einem weiteren Maß an Verschiebung des Aufspanntisches, das vorher als numerischer Wert eingegeben wurde, berechnet wird, um den Motor mit Rückkopplung auf der Grundlage dieses Unterschiedes zu steuern, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur von Positionsfehlern des Aufspanntisches (11) aufgrund von Ganghöhenfehlern der Kugelumlaufspindel (10) Einrichtungen (12) zum tatsächlichen Messen des Maßes an Verschiebung des Aufspanntisches (11) abnehmbar an der Werkzeugmaschine angebracht sind, das Maß an Verschiebung des Aufspanntisches (11), das von den Meßeinrichtungen (12) erhalten wird, in die Rückkopplungssteuereinheit (3, 7) eingegeben wird, ein bestimmter Wert zum Korrigieren der Ganghöhenfehler der Kugelumlaufspindel (10) aus dem Maß an Drehung des Motors (9) und dem Maß an Verschiebung des Aufspanntisches (11), das von den Meßeinrichtungen (12) erhalten wird, berechnet und anschließend in einer Speichereinheit (4) der numerisch gesteuerten Vorrichtung gespeichert wird und die numerisch gesteuerte Vorrichtung den Motor (9) auf die Steuerwerte ansprechend steuert, die auf der Grundlage des vorher eingegebenen Maßes an Verschiebung und des Wertes zum Korrigieren der Ganghöhenfehler berechnet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen (12) aus einer linearen Skala bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Skala Längen von annähernd ⁵/₁₀ ₀₀₀ bis ¹/₁₀₀₀ mm messen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen aus einem optischen Codierer bestehen.