AT395299B - Steuereinrichtung fuer eine werkzeugmaschine - Google Patents

Description

AT 395 299 B

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für eine Werkzeugmaschine zum maschinellen Bearbeiten einer Fläche eines um eine Achse rotierenden Werkstückes, mit einem das Werkstück haltenden und in Rotation versetzenden Werkstückantrieb und einem Winkelpositionskodierer, der ein der Winkelposition des Werkstückes entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Werkzeugantrieb und einem von ihm in Richtung zum und vom Werkstück 5 bewegbaren Werkzeug sowie mit einem Werkzeugpositionswandler, der ein der Werkzeugposition bei dieser Bewegung entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt, und einem Werkzeuggeschwindigkeitswandler, der ein der Geschwindigkeit dieser Werkzeugbewegung entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt, und mit einem Rechner zum Erzeugen einer Folge von digitalen Signalen, die aufeinanderfolgende Werkzeugpositionen bei definierten Positionen des Werkstückes festlegen, sowie mit einem im Rechner vorgesehenen Speicher für diese 10 digitalen Signale.

Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur maschinellen Bearbeitung einer Fläche eines um eine Achse rotierenden Werkstückes, wobei ein die Winkelposition des rotierenden Werkstücks darstellendes Signal erzeugt wird, aus Eingabedaten eine Folge von digitalen Signalen, die aufeinanderfolgende erforderliche Werkzeugpositionen bei definierten Winkelpositionen am Werkstück festlegen, um das Werkstück auf ein vorherbestimmtes 15 Profil zu bringen, erzeugt und dann gespeichert wird, die digitalen Signale dann verarbeitet werden, um sie in ein analoges Signal entsprechend den erforderlichen Werkzeugpositionen umzuwandeln, und das Werkzeug in Übereinstimmung mit diesem analogen Signal zum und vom Werkstück bewegt wird.

In jüngster Zeit wurde dieRechnersteuerung von Werkzeugmaschinen in breitem Umfang weiter entwickelt Der Rechner erzeugt eine Folge von digitalen Signalen, welche benützt werden, um das Werkzeug zum Vorsehen eines 20 gewünschten Werkstückprofils in Position zu bringen. Im allgemeinen berechnet der Rechner die erforderlichen digitalen Signale im voraus und führt sie einem Speicher zu, wo sie festgehalten werden, und von dem sie zu den erforderlichen Zeiten einem herkömmlichen Werkzeugantriebssystem zugeführt werden, welches einen Werkzeugschlitten aufweist, der von einem Motor über eine Vorschubspindel angetrieben wird. Es ist dabei nicht immer notwendig, daß irgendeine Werkzeugpositionsrückkopplung vorliegt, und demgemäß kann der Motor ein Schritt-25 motorsein,welcherdurchAbwärtszähleneinesRegistersgesteuertwird,daseinSignalentsprechenddererfQrderlichen

Anzahl von Schritten des Motors enthält, um die erforderliche Werkzeugposition herbeizuführen.

Neben der vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeit der Relativdrehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück und wegen des Fehlens einer Werkzeugpositionsrückkopplung kann die Erzeugung der digitalen Signale problemlos mit Hilfe eines Rechners von geringer Größe bewerkstelligt werden. Außerdem ist die Trägheit des 30 Schlittens ausreichend, um den Stufencharakter des an den Motor angelegten Signals auszuglätten.

Wenn jedoch die relative Umlaufgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück stark ansteigt, und wenn das Werkzeug seine Position innerhalb einer Umdrehung ändern soll, ergibt sich eine völlig andere Situation. Es ist dann vor allem notwendig, ein Werkzeug zur Verfügung zu haben, daß außerordentlich rasch bewegt werden kann, d. h. es muß ein Werkzeughalter mit geringer Trägheit vorgesehen sein. Weiters ist eine Werkzeugpositions-35 rückkopplung notwendig, um sicherzustellen, daß sich die Position des Werkzeuges innerhalb jeder Umdrehung genau ändert. Bei diesen Geschwindigkeiten eizeugen üblicherweise verwendete Rechner digitale Werkzeugsteuer-signalemiteinerRate.dienichtgenügendhoch ist,umes dem Werkzeughalterzu ermöglichen,sichinÜbereinstimmung mit derartigen Signalen zu bewegen; für den Werkzeughalter wäre eine unendliche Beschleunigung zwischen aufeinanderfolgenden Signalen notwendig, und dies ist selbstverständlich nicht möglich. Der Rechner istdemgemäß 40 nicht imstande, Signale mit einer ausreichend hohen Frequenz zu erzeugen, um es dem Werkzeughalter zu ermögli chen, die erforderlichen Bewegungen auszuführen.

Dieser Mangel in der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Rechner führt zu dem weiteren Problem, daß der Rechner nicht imstande ist, die erforderliche Rückkopplungsregelung durchzuführen, während die erforderlichen hohen Drehzahlen beibehalten werden. Tatsächlich ist der Rechner, wenn er digitale Werkzeugsteuersignale bei 45 einer beträchtlichen Anzahl von Positionen innerhalb einer Umdrehung erzeugen soll (wie es notwendig sein kann, um viele erforderliche Profile zu definieren), im allgemeinen nicht imstande, alle erforderlichen digitalen Signale für die Bearbeitungstätigkeit zu speichern.

Aus der GB-A-2 061 554 ist beispielsweise eine typische CNC (Computer Numerical Control)-Werkzeug-maschine für eine Arbeitsweise bei niedriger Geschwindigkeit bekannt, bei der die Profilsignale von einem zentralen 50 Rechner in vom Rechner festgelegten Zeitintervallen unabhängig erzeugt werden, wobei der Rechner zu diesem Zweck über einen Geschwindigkeitsselektor eingestellt wird. Die die Profilsignale bildenden S teuerimpulse werden durch einen Frequenz-Spannungs-Umformer in eine Spannung umgeformt, um Werkzeug bzw. Werkstück anzutreiben. Wenngleich die Antriebsmotoren mit Differential-Rückkopplungszweigen versehen sind, wird die Positionssteuerung digital mit Hilfe der Steuerkreise durchgefuhrt, denen von Impulsgeneratoren Impulse zugeführt 55 werden, die in den Steuerkreisen digital verarbeitet werden, wonach eine Umwandlung in Analogsignale erfolgt, die von den Motorsteuerkreisen empfangen werden. Bei dieser bekannten Werkzeugmaschinen-Steuerung ist keine Änderung im axialen Profil vorgesehen bzw. möglich. Weiters ist die Drehzahl der als Werkstück vorgesehenen -2-

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Kuibelwelle niedrig, und das Wericzeug bewegt sich nur langsam relativ zum Werkstück.

Es war daher bisher im allgemeinen nicht möglich, komplexe Profile an einem Werkstück mittels einer numerischen Steuerung mit einem Rechner bei den für eine wirtschaftliche Erzeugung notwendigen Geschwindigkeiten maschinell zu erzeugen. 5 Eine solche maschinelle Bearbeitung wurde in der Regel mit Hilfe von Steuerwellenexzentermaschinen durchge führt, in denen eine entsprechend geformte Steuerkurve von einem Nockenstößel abgetastet wird, dessen Bewegung auf das Werkzeug übertragen wird. Die Herstellung der Steuerscheiben ist jedoch sowohl zeitaufwendig als auch teuer, und die Verwendung von Steuerscheiben bewirkt, daß das Verfahren starr und unflexibel wird. Außerdem ist die Geschwindigkeit, mit der ein Nockenstößel oder eine Exzenterrolle einer Steuerscheibe folgen kann, begrenzt, 10 da bei hohen Drehzahlen der Nockenstößel von der Steuerscheibe abheben kann, so daß Ungenauigkeiten in das bearbeitete Werkstück eingeführt werden.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Steuereinrichtung der eingangs angeführten Art vorzusehen, bei der eine maschinelle Bearbeitung von Werkstücken mit hohen Geschwindigkeiten möglich ist, wobei auch komplexe, nicht kreisförmige Profile erzeugt werden können sollen, und wobei doch ein verhältnismäßig IS einfacher Rechner ausreichend ist

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Steuereinrichtung der eingangs angegebenen Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Werkzeug ein Z-Posi-tions-Stellantrieb zu seiner Bewegung in Richtung der Rotationsachse des Werkstücks sowie ein Flächenpositionskodierer, der ein Signal entsprechend der Position des Werkzeugs in dieser axialen Richtung erzeugt, zuge-20 ordnet sind, wobei der Rechner aus den eingegebenen Daten eine Folge von digitalen Signalen erzeugt, die die aufeinanderfolgenden Werkzeugpositionen bei definierten Winkel- und Flächenpositionen am Werkstück festlegen, und der Speicher diese digitalen Signale speichert, daß der Speicher mit dem Winkelpositionskodierer und dem Flächenpositionskodierer verbunden ist und digitale Signale entsprechend den von diesen Kodierern zugeführten Positionssignalen aufeinanderfolgend an einen Signalprozessor zur Umwandlung in ein analoges Signal entspre-25 chend der erforderlichen Weikzeugposition abgibt, und daß ein geschlossener Analog-Regelkreis mit seinem Eingang an den Signalprozessor angeschlossen ist und den Werkzeugpositionswandler und -geschwindigkeitswandler sowie den X-Positions-Stellantrieb für das Werkzeug enthält.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die gestellte Aufgabegelöst durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Werkzeug über die Werkstück-Fläche in Richtung der Rotationsachse des 30 Werkstücks bewegt wird, um ein veränderliches Profil in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erzeugen, daß ein die Position des Werkzeugs in dieser axialen Richtung über die Werkstück-Fläche darstellendes Signal erzeugt wird und diedigitalen Signale in Entsprechungzu den Winkel-undFlächenpositionssignalen abgegeben werden,und daß eine Analog-Regelung in geschlossener Schleife auf Basis des analogen Signals mit Werkzeugpositions- und -geschwindigkeitssignalen durchgeführt wird, um das vorherbestimmte Werkstückprofil zu erzeugen. 35 Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es möglich, die vorstehend erläuterten Probleme zu überwinden und auch komplizierte, in Achsrichtung variierende Profile bei hohen Geschwindigkeiten herzustellen. Hiefür sind, kurz gesagt, die Abgabe der Profilsignale unter der Steuerung der Werkstück-Winkel- und -Axialpositionssignale (so daß eine genaue Korrelation zwischen Werkstückposition und Werkzeugbewegung ermöglicht wird) sowie auch die Aufgabenteilung, mit der analogen Regelschleife (so daß der Rechner nicht mit der Rückkopplungs-Regelung 40 belastet wird), von Bedeutung. Dadurch ist es auch möglich, als Rechner einen Mikroprozessor zu verwenden, um die maschinelle Bearbeitung zu steuern, wobei doch die maschinelle Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann und komplexe, unrunde Profile erzeugt werden können. Das Werkzeug wird mit Hilfe eines kontinuierlichen Signals in Gang gesetzt, und es ist daher nicht notwendig, daß es sich mit unendlicher Beschleunigung bewegen können sollte. 45 Hierin liegen auch wesentliche Unterschiede im Vergleich zu weiteren bekannten Steuerungen vor. So ist, z. B. aus der US-A-4 341986ein Servosystem für die Positionierung eines Projektors bekannt, wobei unter anderem keine den genannten Kodierern vergleichbaren Einrichtungen vorgesehen sind. In der Folge ist auch keine Abgabe von Positionssignalen durch den Rechner in Abhängigkeit von irgendwelchen Ist-Positionswerten vorgesehen, vielmehr steht nur die Genauigkeit der Positionierung des Projektors in Entsprechung zu den vom Rechner erzeugten Signalen 50 im Vordergrund. Ähnliches gilt auch für das in der US-A-3 939 390 gezeigte Steuersystem für eine Werkzeugmaschine, bei dem Eingangsdaten in Registern einer Steuereinheit gehalten und direkt zu einem Servomechanismus übertragen werden. Wenngleich hier auf hohe Geschwindigkeiten hingewiesen wird, so ergibt sich doch, daß diese Geschwindigkeiten - beispielsweise 12 m/min = 200 mm/s - weit unterhalb der mit der vorliegenden Steuereinrichtung möglichen 55 Werkzeuggeschwindigkeit (z. B. 5 mm in 140 ps) liegen. Auch die EP-A-34 229 befaßt sich in der Hauptsache bloß mit einem Rückkopplungssystem und nicht mit der Erzeugung von Steuersignalen. Ferner eignet sich auch die Regeleinrichtung für eine Werkzeugmaschine gemäß der DE- A-2 041545, wo ebenfalls keine Steuerung der Abgabe -3-

AT 395 299 B von Steuersignalen in Übereinstimmung mit irgendwelchen Positionssignalen vorgesehen ist, nicht für eine maschinelle Bearbeitung von Werkstücken mit hohen Geschwindigkeiten bzw. zur Erzeugung komplizierter Profile, da es an einem System mangelt, das imstande wäre, die erforderlichen Werkzeugpositionssignale zu erzeugen.

Um problemlos mit geringen Rechner- und Speicherkapazitäten das Auslangen zu finden, istes erfindungsgemäß S von besonderem Vorteil, wenn der Speicher während eines jeden Zeitintervalls einer Folge von gleichen Zeitintervallen digitale Signale abgibt und der Signalprozessor jedes digitale Signal in ein Werkzeugpositionssignal mit konstanter Amplitude entsprechend dem Wert des zugehörigen digitalen Signals umwandelt, und der Signalprozessor dann aus der Folge der Werkzeugpositionssignale mit konstanter Amplitude das analoge Signal erzeugt, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, die je gleich dem 10 Zeitintervall der Werkzeugpositionssignale sind, die Amplitude des analogen Signals in Beziehung zu den aufeinan derfolgenden Werten der Werkzeugpositionssignale steht.

Um auf einfache Weise die Sollwertsignale herzuleiten, ist es ferner vorteilhaft, wenn der Signalprozessor jedes Werkzeugpositionssignal bis zum Empfang des nächsten Werkzeugpositionssignals speichert und dann ein kontinuierliches Signal abgibt, dessen Anfangswert gleich dem Wert des ersten Werkzeugpositionssignals und dessen 15 Endwert gleich dem Wert des nächsten Werkzeugpositionssignals ist, wobei die kontinuierlichen Signale das analoge Signal bilden. Dabei ist es ferner günstig, wenn einfach bei unterschiedlichen Amplituden aufeinanderfolgender Weikzeugpositionssignale das daraus erzeugte kontinuierliche Signal einen linearen Anstieg oder Abfall hat.

Eine vor allem hinsichtlich der Vorgabe der Profildaten vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß jedes vom Rechner in einem Zeitintervall erzeugte digitale 20 Signaldurcheinedieerforderliche Werkzeugposition für dieses Zeitintervall darstellende Bitgruppe gebildet ist, und daß ein Digital/Analog-Wandler zum Umwandeln der Bitgruppen in die Werkzeugpositionssignale vorgesehen ist. Dabei istes ferner günstig, wenn derRechner während zumindest einiger der Zeitintervalle aus den Daten Bitgruppen entsprechend einiger der künftigen Werkzeugpositionen erzeugt, welche dem Speicher zugeführt werden, und der Rechner während eines jeden Zeitintervalls eine Bitgruppe entsprechend der für dieses Zeitintervall erforderlichen 25 Werkzeugposition aus dem Speicher am Ausgang abgibt.

In entsprechender Weise ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren günstig, wenn aus der Folge der digitalen Signale in jedem einer entsprechenden Folge von gleichen Zeitintervallen ein Signal mit konstanter Amplitude entsprechend den digitalen Signalen erzeugt wird und die Werkzeugpositionssignale verarbeitet werden, um das kontinuierliche Signal zu erzeugen, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden 30 Zeitintervallen, die gleich den Zeitintervallen der Werkzeugpositionssignale sind, die Amplitude des Signals in Beziehung zu den aufeinanderfolgenden Werten der Werkzeugpositionssignale steht Dabei ist vorzugsweise auch vorgesehen, daß dem Rechner Daten zugeführt werden, die das gewünschte Werkstückprofil in Intervallen definieren, die größer sind als jene Intervalle, in denen die digitalen Signale erzeugt werden, wobei die Eingabedaten im Speicher gespeichert und während zumindest einiger der Zeitintervalle zur Berechnung künftiger Werte der 35 Werkzeugpositionssignale benutzt werden, die zur Erzeugung des gewünschten Profils notwendig sind, wobei die künftigen Werte dem Speicher zugeführt werden, und wobei während eines jeden Intervalls das Werkzeugpositionssignal entsprechend der in diesem Intervall erforderlichen Werkzeugposition am Rechnerausgang abgegeben wird. Weiters ist es von Vorteil, wenn die Zwischensignale zwischen definierten Profileingabedaten durch lineare Interpolation berechnet werden. 40 Für eine einfache, rasch durchzuführende Antriebsbewegung des Werkzeuges in radialer Richtung bzw. in X-Richtung istes schließlich auch von Vorteil, wenn der X-Positions-Stellantrieb zum Bewegen des Werkzeugs zum und vom Werkstück einen Linearmotor auf weist, der das kontinuierliche Signal empfängt und das Werkzeug in Übereinstimmung damit bewegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die 45 Zeichnungnochweitererläutert.Eszeigen:Fig. 1 einschematischesBlockschaltbildeinerSteuereinrichtung,diebei der Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung eines Werkstückes, das ein unrundes Profil erhalten soll, verwendet werden kann; und Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer anderen Steuereinrichtung, die ebenfalls bei der maschinellen Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung eines Werkstückes auf ein nicht-kreisförmiges Profil eingesetzt werden kann. 50 In Fig. 1 ist schematisch ein Werkstück (10) veranschaulicht, das von einem Werkstückantrieb (11) mit hoher

Drehzahl rotierend angetrieben wird. Die Drehzahl des Werkstückes kann in der Größenordnung von 50 Umdrehungen pro Sekunde (3000 UpM) liegen:

Das Werkstück (10) kann ein im allgemeinen zylindrischer Rohling sein, wie z. B. ein Kolbenrohling aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Das Werkstück soll maschinell bearbeitet werden, damit es ein 55 nicht-zylindrisches Profil erhält, welches beispielsweise einen ovalen oder elliptischen Querschnitt mit variierenden axialen Abmessungen in Achsrichtung des Werkstückes auf weisen kann, um einen Wölbungseffekt hervoizurufen. Zusätzlich oder stattdessen kann es erforderlich sein, den Rohling mit einer Mehrzahl von «höhten Oberflächen- -4-

AT 395 299 B teilen auszubilden. Der Grad der Unrundheit, der Wölbung oder der Höhe der hochstehenden Flächenbereiche über dem übrigen Kolben kann selbstverständlich außerordentlich gering sein, in der Größenordnung von einigen wenigen oder einigen 10 pm liegen.

Andererseits kann das Werkstück (10) auch ein Rohling zur Bildung einer Lagerfläche sein. Es kann sich dabei 5 um einen zylindrischen Rohling handeln, dessen Innen- oder Außenfläche auf ein gewünschtes nicht-zylindrisches

Profil maschinell bearbeitet werden soll, oder um eine im allgemeinen ebene Fläche, die in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht auf die Drehachse steht, und die auf ein gewünschtes nicht-ebenes Profil abgearbeitet werden soll, um ein Drucklager zu bilden.

Das Werkstück (10) wird mit Hilfe eines Werkzeuges (26) bearbeitet, wie nachstehend noch mehr im einzelnen 10 erläutert werden wird, wobei das Werkzeug (26) radial in Richtung zum und vom Werkstück (10) mit Hilfe eines geschlossenen Analog-Regelkreises (22) bewegbar ist (R-Position), welch»' nachstehend ebenfalls noch näher erläutert werden wird. Außerdem ist ein Z-Positions-Stellantrieb (29) vorgesehen, um das Werkzeug (26) in einer Richtung (der Z-Richtung) parallel zur Drehachse des Werkstückes (10) zu bewegen. Dieser Z-Position-Stellantrieb (29) kann entweder durch Signale gesteuert werden, die von der Steuereinrichtung »zeugt weiden, oder er kann zur 15 Bewegung des Werkzeuges (26) längs des Werkstückes (10) mit einer eingestellten Geschwindigkeit eingestellt weiden.

Vor der Bearbeitung werdenProfileingabedaten vorbereitet, diedaserforderlicheProfil desWerkstückes (10) bei ein» Folge von Winkelpositionen rund um das Werkstück (10) und bei einer Folge von Axialpositionen längs des Werkstückes (10) definieren. In Umfangsrichtung (in Θ-Richtung) kann das Profil in Intervallen rund um das 20 Werkstück (10) als Abfall oder Abnahme, ausgehend von einem maximalen Nennradius, definiert werden. Diese Intervalle können beispielsweise 2,5° für einen Kolben oder 0,5° für ein Lag» betragen. Der maximale Abfall kann 1 bis 5 mm in Stufen von 0,125 pm betragen. Diese Winkelpositionen können bei einer Folge von Axial-(Z)Positionen definiert w»den, welche in gegenseitigen Abstände von 10 mm längs der Achse des Werkstückes (10) vorliegen.

Wenn das W»kstück (10) bezüglich einer od» mehrerer die Drehachse des Werkstückes (10) enthaltenden 25 Ebenen symmetrisch ist, genügt es, die Eingabedaten für den ersten symmetrischen Teil zu bestimmen. Wenn beispielsweise d» Querschnitt elliptisch ist, brauchen nur die Eingabedaten für ein 90°-Segment der Ellipse zwischen den zwei Symmetrieebenen defini»t werden. Außerdem braucht das Querschnittsprofil nur bei jenen Axialintervallen definiert werden, wo eine nicht-lineare Änderung im Profil oder der Änderungsrate des Profils vorliegt. 30 Die Eingabedaten werden einer Eingabeeinheit (12) eines Rechners (13) zugeführt und gelangen von der Ein gabeeinheit (12) in einen Speicher (14) des Rechners (13). Der Rechner (13) kann ein Mikroprozessor sein.

Das Weikstück (10) wird in Drehung versetzt, und ein Winkelpositions-(0-Positions)kodierer (15) sowie ein Flächenpositions-Z-Positions)kodierer (16) führen dem Speicher (14) im Echtzeitbetrieb digitale Signale zu, die die Θ- und Z-Positionen des Werkstückes (10) und des Werkzeuges (26) relativ zu einem Bezugspunkt (Maschinen-35 nullpunkt) definieren. Der O-Positionskodierer (15) erzeugt alle 2,5° (oder 0,5°) bei der Drehung des Werkstückes (10) ein Signal, und der Z-Positionskodierer (16) erzeugt alle 10 pm der Axialbewegung des Werkzeuges (26) ein Signal.

Wenn der Rechner (13) die Z- und Θ-Positionssignale empfängt, erzeugt er eine Gruppe von Bits entsprechend d» »forderlichen R-Position des Werkzeuges (26) bei der (Z, 0)-Position, um das gewünschte Werkzeugprofil zu 40 erzeugen. Der Rechner (13) führt dies auf folgende Weise aus. Wenn angenommen das Werkstück (10) mit 50 Umdrehungen pro Sekunde umläuft, und der O-Positionskodierer (15) alle 2,5° ein Signal erzeugt, muß der Rechner (13) alle 140 ps eine Bitgruppe erzeugen. Selbstverständlich ist es möglich, daß dieses Zeitintervall - bei höheren Geschwindigkeiten und komplexeren Profilen - kürzer als vorstehend angegeben ist und beispielsweise 14 ps beträgt. Da d» Speicher (14) in der Praxis nicht alle zur Festlegung des vollständigen Profils des Werkstückes (10) erforder-45 liehen Bits speichern kann, berechnet eine Recheneinheit (17) des Rechners (13) einigen wenige Anfangsbitguppen aus den im Speich» (14) gespeicherten Eingabedaten und übergibt diese Anfangsgruppen an den Speich» (14), aus dem sie als Ausgangssignal einem Signalprozessor (19) zugeführt w»den, der nachstehend noch im einzelnen erläutert weiden wird. Während der übrigen Zeit des 140 ps-Intervalls zwischen den Gruppen erzeugt die Recheneinheit (17) Bitgruppen für nachfolgende, zukünftige Werkzeugpositionen. Die Zahl der so erzeugten Gruppen hängt von 50 d» innerhalb eines jeden Intervalls zur Verfügung stehenden Zeit und der Kapazität des Speichers (14) hinsichtlich der Speicherung dieser Gruppen ab.

Die Erzeugung dieser Bitgruppen aus den Eingabedaten bedingt eine Interpolation zwischen den Eingabedaten, da die Gruppen bei Intervallen erforderlich sein können, welcher kleiner sind als jene Intervalle, bei denen die Eingabedaten vorliegen. In diesem Fall ist die Interpolation vorzugsweise eine lineare Interpolation, wenngleich 55 selbstverständlich der Rechner (13) auch programmiert werden könnte, um eine andere gewünschte Interpolation auszuführen. Außerdem wird der Rechner (13) programmiert, um Bitgruppen für den gesamten Profilumfang des Werkstückes (10) zu erzeugen, auch wenn die Eingabedaten nur einen Teil eines symmetrischen Profils definieren. -5-

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Beispielsweise berechnet die Recheneinheit (17), wenn das Profil elliptisch ist und die Eingabedaten nur ein 90°-Segment der Ellipse definierten, Bitgruppen rund um den gesamten Umfang des elliptischen Profils.

Da nicht alle künftigen Bitgruppen vor Beginn der Bearbeitung berechnet werden, benötigt der Speicher (14) keine wesentliche Speicherkapazität, und demgemäß ist der in gängigen Mikroprozessoren vorhandene Speicher in 5 den meisten Fällen ausreichend.

Der Ausgang des Rechners (13) ist daher eine Folge von aufeinanderfolgenden Werkzeugpositionen definierenden Bitgruppen, die als Echtzeitdaten in Zeitintervalle erzeugt werden, die durch die Signale des Θ-Positionskodierers (15) und des Z-Positionskodierers (16) bestimmt sind. Diese Folge von Bitgruppen wird von einem Digital/Analog-Wandler (18) des Signalprozessors (19) empfangen, der jede Bitgruppe in ein Weikzeugpositionssignal (Werkzeug-10 halter-Positionssignal) mit konstanter Amplitude entsprechend dem Wert der zugehörigen Bitgruppe umwandelt, wobei die Dauer eines jeden Werkzeugpositionssignal gleich dem Intervall zwischen aufeinanderfolgenen Gruppen ist

Dieses Ausgangssignal (welches tatsächlich eine Reihe von aufeinanderfolgenden Stufen umfaßt) wird einem Stufenwandler (20) des Signalprozessors (19) zugeführt. Im Stufenwandler (20) wird die Amplitude eines jeden 15 Signals gespeichen, bis das nächstfolgende Signal empfangen wird. Sobald die Amplitude des nächstfolgenden Signals erfaßt wurde, gibt der Stufenwandler (20) an seinem Ausgang ein kontinuierliches Signal ab, welches einen Anfangswert gleich dem Wert des ersten empfangenen Signals und einen Endwert gleich dem Wert des nächstfolgenden Signals haL Wenn also ein Unterschied in den Amplituden der zwei aufeinanderfolgenden Signale vorliegt steigt oder fällt das kontinuierliche Signal zwischen dem Anfangswert und dem Endwert allmählich. Dieser 20 Anstieg oder Abfall kann linear sein, jedoch ist dies nicht unbedingt notwendig.

Das Ausgangssignal des Stufenwandlers (20) ist daher ein kontinuierliches Signal, welches sich fortschreitend derart ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen gleich den Zeitintervallen der digitalen Signale die Amplitude des Signals auf die aufeinanderfolgenden Werte der digitalen Signale bezogen ist. Dieses kontinuierliche Signal kann daher als ein Analogon zur Folge der Werkzeugpositionssignale angesehen werden, die die ge-25 wünschte radiale Position des Werkzeuges (26) bei einer Folge von (Θ, ^-Positionen am Werkstück (10) darstellen.

Dieses kontinuierliche Signal wird als Eingangssignal einem Rückkopplungs-Regelsystem (21) des kontinuierlichen geschlossenen Analog-Regelkreises (22) zugeführt. Das Ausgangssignal des Rückkopplungs-Regelsystems (21) wird einem Werkzeugbetätigungsantrieb (23) zugeführt, der das Werkzeug und den Werkzeughalter in radialer Richtung in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal bewegt (X-Positions-Stellantrieb). Der Ausgang dieses 30 X-Positions-Stellantriebs(23)wirdvoneinemWerkzeug(radial)positionswandler(24)(Proportional-Rückkopplung) und einem Werkzeug(radial)geschwindigkeitswandler (25) (Differential-Rückkopplung) überwacht, wobei diese beiden Wandler (24), (25) Rückkopplungssignale bezüglich der Werkzeugposition undder Werkzeuggeschwindigkeit an das Rückkopplungs-Regelsystem (21) anlegen, das diese Rückkopplungssignale benutzt, um das vom Signalprozessor (19) kommende kontinuierliche Signal (Sollwat) in Übereinstimmung mit den Rückkopplungssignalen 35 (Istwert) zu modifizieren.

Demgemäß braucht sich der Rechner (13) nicht mit der Rückkopplungsregelung der Werkzeugpositioniersignale befassen. Dies wird in rein analoger Weise im Regelkreis (22) bewerkstelligt Dies ist ein weiterer Faktor, der es ermöglicht, daß der Rechner (13) ein Mikroprozessor sein kann, wobei doch hohe Umlaufgeschwindigkeiten und Änderungen der Werkzeugposition innerhalb einer Umdrehung möglich sind. 40 Der Stufenwandler (20) bewirkt durch seine Arbeitsweise eineZeitverzögerung im System. Eine weitereZeitver- zögerung wird durch die Trägheit des Werkzeuges (26) und des zugehörigen Werkzeughalters eingeführt In der Regel ist dies nicht problematisch, da diese Zeitverzögerungen, die konstant sind, einfach das Profil rund um das Werkstück (10) um einen bestimmten Winkel verschieben, etwa um eine oder zwei da aufeinanderfolgenden Θ-Positionen, um 2,5° oder 5°. Es kann jedoch der Fall sein, daß das Werkstückprofil eine ganz bestimmte räumliche 45 Ausrichtung zu irgendeinem anderen Wakstückmerkmal aufweisen soll. Beispielsweise kann es, wenn das Werkstück (10) ein Kolbenrohling ist erforderlich sein, daß der Kolben eine bestimmte räumliche Ausrichtung bezüglich eines Kolbenmerkmals, wie da Kolbenbolzaibohrung, aufweist In diesem Fall kann da Rechner (13) so programmiert waden, daß die Bezugspunktpositionen, von denen weg die Wakzeugpositionen berechnet werden, um einen Abstand gleich der Zeitverzögerung im System versetzt werden. Dies bringt das Profil in die erforderliche 50 räumliche Ausrichtung.

Der X-Positions-Stellantrieb (23) für das Werkzeug (26) und der Werkzeughalter können von jeder herkömmlichen Art sein, vorausgesetzt daß sie eine Bandbreite aufweisen, die eine Reaktion auf das Regelsignal mit ausreichender Geschwindigkeit ermöglicht um das Werkzeug (26) in die erforderliche Position innerhalb des notwendigen Zeitintervalls zu bewegen. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, einen herkömmlichen Werkzeug-55 schlitten zu vowenden, der von einem Schrittmotor über eine Leitspindel angetrieben wird. Auch ist es nicht möglich, eineLangdrehmaschine („Schweizer Drehbank-Mechanismus“) zu verwenden, bei da ein Motor über eine Leitspindel eine Steuerkurven tragende Welle antreibt wobei die Steuerkurven oder Exzenter umlaufen, um die -6-

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Werkzeughalter in die und aus der Position zu bewegen. In beiden Fällen sind die Trägheit und die Zeitverzögerung im System so groß, daß eine erfolgreiche Arbeitsweise verhindert wird. Da das an diese Stellantriebe angelegte Signal ein kontinuierliches Signal ist, ergibt sich nicht das Problem der Notwendigkeit einer unendlichen Beschleunigung des Werkzeuges (26). 5 Als Beispiel für einen geeigneten X-Positions-Stellantrieb (23) kann ein Elektromotor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit genannt werden, mit einem auf dessen Ausgangswelle direkt angebrachten Exzenter, und mit einem sich direkt am schwenkbar befestigten Werkzeughalter abstützenden Exzenter, um den Werkzeughalter entgegen der Kraft einer Feder zu bewegen. Andererseits kann dieser Stellantrieb (23) ein sich am Werkzeughalter abstützendes Solenoid aufweisen, oder das Werkzeug (26) kann direkt am Anker des Solenoid befestigt sein. Das 10 Werkzeug (26) kann auch am Anker eines Linearmotors angebracht sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das

Werkzeug (26) durch Ultraschall-, Magnetostriktions- oder Drucklufteinrichtungen zu bewegen, die mit ausreichender Geschwindigkeit reagieren können, d. h. eine ausreichend große Bandbreite aufweisen.

Der Rechner (13) kann rasch und einfach programmiert werden, um jedes gewünschte Werkzeugprofil zu eizeugen. Insbesondere ist es durch Vorsehen einer Tastatur, wie in Fig. 1 bei (27) mit gestrichelten Linien veran-1S schaulicht ist, möglich, das Werkzeugprofil während der maschinellen Bearbeitung zu ändern. Auch ist die Maschi- nenbearbeitung nicht auf die Beaibeitung eines zylindrischen Werkstückes (10) beschränkt; es könnte auch eine im allgemeinen ebene Fläche bearbeitet werden, um ein unebenes Profil zu erzeugen. Außerdem ist es nicht nur möglich, das Äußere des Werkstückes (10) zu bearbeiten, sondern es kann auch das Innere des Werkstückes bearbeitet werden.

Die Fähigkeit der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung, das Werkzeug (26) rasch innerhalb einer 20 Umdrehung bei hoher Drehzahl zu bewegen, ermöglicht es, daß Werkstücke außerordentlich genau und schnell sowie mit jedem gewünschten Oberflächenpiofil bearbeitet werden können.

Selbstverständlich ist es auch nicht notwendig, daß das Werkstück (10) umläuft. Es wäre auch möglich, den Werkzeughalter drehend anzutreiben und das Werkstück (10) stationär zu halten. In diesem Fall würden die Θ-Positionssignale von einem Werkzeughalterantrieb abgeleitet werden, welcher gesondertvom Antrieb vorläge,der das Werkzeug(26) 25 in radialer Richtung in Position bringt.

Es kann wünschenswert sein, daß Werkstück (10) mit zwei Werkzeugen gleichzeitig maschinell zu bearbeiten. In diesem Fall können zwei Regelkreise (22) von der Art, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, vorgesehen werden,wobei ein jederzur Betätigung eines entsprechenden Werkzeuges (26) in Übereinstimmungmitdererforder-lichen Werkzeugbewegung dient. Beispielsweise kann gleichzeitig ein Drehen und Bohren eines Werkstückes (10), 30 ein Plandrehen und Drehen oder Bohren des Werkstückes erfolgen.

Im Fall von komplexen Formen kann es auch wünschenswert sein, die Z- und Θ-Positionssignale getrennt zu bearbeiten. EinehiefürgeeigneteSteueieinrichtungistinFig. 2 gezeigt. Bei dieser Steuereinrichtung sind zwei parallele Systeme vorgesehen. Das erste System ist im wesentlichen so wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ausgebildet und enthält einen Rechner (13), einen Signalprozessor (19) und einen geschlossenen Analog-35 Regelkreis (22), der die radiale Position des Werkzeuges (26) (oder die Position des Werkzeuges (26) in einer Richtung) regelt. Der Rechner (13) wird mit Daten versorgt, die die erforderliche Radialposition des Werkzeuges bei verschiedenen (Θ, Z)-Positionen definieren. Das zweite System enthält einen Z-Positionsrechner (30), welcher Daten empfängt, die durch die erforderliche Geschwindigkeit für die Bewegung des Werkzeuges (26) in der Z-Richtung definiert sind. Diese Daten brauchen eine Vorschubgeschwindigkeit nur bei verschiedenen Änderungspunkten 40 definieren, wobei der Rechner (30) eine vorprogrammierte Interpolation ausführt. Der Rechner (30) gibt am Ausgang

Positionssignale ab, die an einen Z-Positions-Stellantrieb (29) angelegt werden, der ein Schrittmotor sein kann, um das Werkzeug (26) mit der erforderlichen Geschwindigkeit in der Z-Richtung zu bewegen. Da die notwendigen Geschwindigkeiten oder Änderungen in der Geschwindigkeit in Z-Richtung vergleichsweise niedrig sind, ist es möglich, einen herkömmlichen Schrittmotor ohne Rückkopplungsregelung oder einen hydraulischen oder pneuma-45 tischen, mit konstanter Geschwindigkeit zwischen festen Endanschlägen angetriebenen Schlitten zu verwenden.

Das Vorsehen eines gesonderten Z-Positions-Systems ermöglicht ein Ändern der Vorschubgeschwindigkeit, was notwendig sein kann, wenn das Werkstück (10) aus Materialien von unterschiedlicher Härte zusammengesetzt ist, welche eine maschinelle Beaibeitung mit verschiedenen Geschwindigkeiten erfordern.

Bei allen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen können die Rechner auch zur Steuerung anderer Maschi-50 nenfunktioneneingesetztwerden,wieetwazurSteuerungderUmlaufgeschwindigkeitdesWerkstückesund/oderder Anbringung und Entfernung von Werkstücken, etwa mit Hilfe von Automatikarmen. -7- 55

Claims (11)

1. AT 395 299 B PATENTANSPRÜCHE 5 1. Steuereinrichtung für eine Werkzeugmaschine zum maschinellen Bearbeiten ein»* Fläche eines um eine Achse 10 rotierenden Werkstückes, mit einem das Werkstück haltenden und in Rotation versetzenden Weikstückantrieb und einem Winkelpositionskodierer, da ein der Winkelposition des Werkstückes entsprechendes Signal erzeugt, mit einem Werkzeugantrieb und einem von ihm in Richtung zum und vom Werkstück bewegbaren Werkzeug sowie mit einem Welkzeugpositionswandler, der ein der Werkzeugposition bei dieser Bewegung entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt, und einem Werkzeuggeschwindigkeitswandler, da ein da Geschwindigkeit dieser Werkzeug-IS bewegung entsprechendes Rückkopplungssignal erzeugt, und mit einem Rechner zum Erzeugen einer Folge von digitalen Signalen, die aufeinandofolgende Werkzeugpositionen bei definierten Positionoi des Wakstückes festlegen, sowie mit einem im Rechna vorgesehenen Speicher für diese digitalen Signale, dadurch gekennzeichnet, daß dem Werkzeug (26) ein Z-Positions-Stellantrieb (29) zu seina Bewegung in Richtung der Rotationsachse des Werkstücks (10) sowie ein Flächenpositionskodierer (16), da ein Signal entsprechend da Position des Werkzeugs 20 (26) in dieser axialen Richtung erzeugt, zugeordnet sind, wobei da Rechner (13) aus den eingegebenen Daten eine Folge von digitalen Signalen erzeugt, die die aufeinanderfolgenden Werkzeugpositionen bei definierten Winkel- und Flächenpositionen am Werkstück (10) festlegen, und der Speicher (14) diese digitalen Signale Reichert, daß der Speicher (14) mit dem Winkelpositionskodierer (15) und dem Flächenpositionskodierer (16) verbunden ist und digitale Signale entsprechend den von diesen Kodierern (15,16) zugeführten Positionssignalen aufeinanderfolgend 25 an einen Signalprozessor (19) zur Umwandlung in ein analoges Signal entsprechend der erforderlichen Werkzeug position äbgibt, und daß ein geschlossener Analog-Regelkreis (22) mit seinem Eingang an den Signalprozessor (19) angeschlossen ist und den Werkzeugpositionswandler (24) und -geschwindigkeitswandler (25) sowie den X-Positions-Stellantrieb (23) für das Werkzeug enthält
2. 2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (14) während eines jeden Zeitintervalls eina Folge von gleichen Zeitintervallen digitale Signale abgibt und der Signalprozessor (19) jedes digitale Signal in ein Werkzeugpositionssignal mit konstanter Amplitude entsprechend dem Wert des zugehöiigoi digitalen Signals umwandelt, und der Signalprozessor (19) dann aus der Folge der Werkzeugpositionssignale mit konstanter Amplitude das analoge Signal erzeugt, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinan-35 dafolgenden Zeitintervallen, die je gleich dem Zeitintervall der Weikzeugpositionssignale sind, die Amplitude des analogen Signals in Beziehung zu den aufeinanderfolgenden Werten der Werkzeugpositionssignale steht.
3. 3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (19) jedes Werkzeugpositionssignal bis zum Empfang des nächsten Werkzeugpositionssignals speichert und dann ein kontinuialiches 40 Signal abgibt, dessen Anfangswert gleich dem Wert des ersten Werkzeugpositionssignals und dessen Endwert gleich dem Wert des nächsten Werkzeugpositionssignals ist, wobei die kontinuierlichen Signale das analoge Signal bilden.
4. 4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei unterschiedlichen Amplituden aufeinanderfolgender Werkzeugpositionssignale das daraus erzeugte kontinuierliche Signal einen linearen Anstieg oda 45 Abfall hat.
5. 5. Steuaeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes vom Rechner (13) in einem Zeitintervall erzeugte digitale Signal durch eine die erforderliche Werkzeugposition für dieses Zeitintervall darstellende Bitgruppe gebildet ist, und daß ein Digital/Analog-Wandler (18) zum Um wandeln der Bitgruppen in die 50 Werkzeugpositionssignale vorgesehen ist.
6. 6. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) während zumindest einiger der Zeitintervalle aus den Daten Bitgruppen entsprechend einiger der künftigen Wakzeugpositionen erzeugt, welche dem Speicher (14) zugefuhrt werden, und der Rechner (13) während eines jeden Zeitintervalls eine Bitgruppe 55 entsprechend der für dieses Zeitintervall erforderlichen Werkzeugposition aus dem Speicha (14) am Ausgang abgibt. - 8 - AT 395 299 B
7. 7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der X-Positions-Stellantrieb (23) zum Bewegen des Werkzeugs (26) zum und vom Werkstück (10) einen Linearmotor aufweist, der das kontinuierliche Signal empfängt und das Werkzeug (26) in Übereinstimmung damit bewegt
8. 8. Verfahren zur maschinellen Bearbeitung einer Fläche eines um eine Achse rotierenden Werkstückes, wobei ein die Winkelposition des rotierenden Werkstücks darstellendes Signal erzeugt wird, aus Eingabedaten eine Folge von digitalen Signalen, die aufeinanderfolgende erforderliche Werkzeugpositionen bei definierten Winkelpositionen am Werkstück festlegen, um das Werkstück auf ein vorherbestimmtes Profil zu bringen, erzeugt und dann gespeichert wird, die digitalen Signale dann verarbeitet werden, um sie in ein analoges Signal entsprechend den erforderlichen Werkzeugpositionen umzuwandeln, und das Werkzeug in Übereinstimmung mit diesem analogen Signal zum und vom Werkstück bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug über die Werkstück-Fläche in Richtung der Rotationsachse des Werkstücks bewegt wird, um ein veränderliches Profil in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erzeugen, daß ein die Position des Werkzeugs in dies»* axialen Richtung über die Werkstück-Fläche darstellendes Signal erzeugt wird und die digitalen Signale in Entsprechung zu den Winkel- und Flächenpositionssignalen abgegeben werden,und daßeine Analog-Regelungin geschlossener SchleifeaufBasis des analogenSignals mit Werkzeugpositions- und -geschwindigkeitssignalen durchgeführt wird, um das vorherbestimmte Werkstückprofil zu »zeugen.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Folge der digitalen Signale in jedem ein» entsprechenden Folge von gleichen Zeitintervallen ein Signal mit konstanter Amplitude entsprechend den digital»! Signalen erzeugt wird und die Werkzeugpositionssignale v»arbeitet werden, um das kontinui»liche Signal zu erzeugen, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, die gleich den Zeitintervall»! der Werkzeugpositionssignale sind, die Amplitude des Signals in Beziehung zu den aufeinanderfolgenden Werten der Werkzeugpositionssignale steht
10. 10. V»fahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner Daten zugeführt w»den, die das gewünschte Weikstückprofil in Intervallen definieren, die größer sind als jene Intervalle, in denen die digitalen Signale erzeugt werden, wobei die Eingabedaten im Speicher gespeichert und während zumindest einiger der Zeitintervalle zur Berechnungkünftiger Werte d»W»kzeugpositionssignalebenutzt werden,die zur Erzeugungdes gewünschten Profils notwendig sind, wobei die künftigen Werte dem Speicher zugeführt werden, und wobei während eines jeden Intervalls das Werkzeugpositionssignal entsprechend der in diesem Intervall erford»lichen Werkzeugposition am Rechnerausgang abgegeben wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischensignale zwischen definierten Profileingabedaten durch lineare Interpolation b»echnet werden. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen