Maschine zur automatischen Bearbeitung eines Werkstückes gemäss einem vorbestimmten Profil Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Maschine zur automatischen Bearbeitung eines Werk stückes gemäss einem vorbestimmten Profil mit min destens einem Werkzeug, welches das Werkstück in mehreren Durchgängen zu bearbeiten bestimmt ist.
Die erfindungsgemässe Werkzeugmaschine ist ge kennzeichnet durch Mittel zum Abtasten des Werk stückes hinter der Angriffsstelle des Werkzeuges am Werkstück, welche dabei ein Abtastsignal erzeugen, welches dem jeweiligen Profil des Werkstückes ent spricht, und durch Steuermittel, um die relative Lage des Werkzeuges in bezug auf das Werkstück während jedes auf den ersten Durchgang folgenden Durch ganges unter dem Einfluss des beim vorausgehenden Durchgang erhaltenen Signals so zu steuern, dass das Werkzeug am Werkstück je eine bessere Annäherung an das vorbestimmte Profil erzeugt.
In .der beiliegenden Zeichnung sind zwei Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sche matisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen zu bearbei tenden Nocken, Fig. 2 das Schema des ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 in grösserem Massstab ein Detail aus Fig. 2, Fig. 4 in grösserem Massstab die Schaltung eines Rechenwerkes und Fig.5 das Schema des zweiten Ausführungs beispiels.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4 be zieht sich auf eine Maschine zum automatischen Be arbeiten eines Nockens gemäss einem vorbestimmten Profil. Es sei angenommen, dass die Maschine ein in Rotation zu versetzendes Werkstück mit dem ur sprünglichen Profil 1 bearbeiten soll, um einen Nok- ken mit einem Profil 2 zu erhalten (s. Fig. 1). Die Maschine ist mit einem Schneidwerkzeug 3 versehen, dessen Stellung von einem Servomechanismus 4 ge steuert ist. Der Servomechanismus bekommt Ein gangssignale von einem elektromagnetischen Steuer kopf 5, der ein endloses magnetisches Band 6 ab liest.
Ein zweiter elektromagnetischer Kopf 7, der in folgendem Kontrollkopf genannt wird, wirkt eben falls mit dem Band 6 zusammen, für das Antriebs- rollen 8, 9 und Führungsrollen 10-15 vorgesehen sind. Zwischen den beiden Köpfen 5 und 7 bildet das Band 6 eine lose Schleife. Durch die beiden separat angetriebenen Rollen 8, 9 wird die Einhaltung einer vorgeschriebenen Bandlänge zwischen den beiden Köpfen ermöglicht.
Das Band 6 könnte mit Lochun gen und die Rollen 8, 9 mit Zähnen versehen werden, wodurch ein zwangläufiger Antrieb erzielt wäre, oder eine Impulse abgebende Spur längs des Bandes könnte auf diesem aufgenommen sein, die in Verbindung mit entsprechend ausgebildeten Rollen ein magne tisches Äquivalent zu den Lochungen bilden können. Die Köpfe 5 und 7 sind in verschiedenen Ebenen an geordnet, so dass sie Signale von verschiedenen Spu ren des Bandes bekommen, welche mit 16 und 17 in Fig. 3 dargestellt sind. Diese Figur zeigt einen Teil der Oberfläche des Bandes 6. Die Spur 16 ist erste Steuerspur und die Spur 17 Kontrollspur ge nannt.
Hinter der Angriffsstelle des Werkzeuges 3 am Werkstück ist ein Taster 18 angeordnet, der die vom Werkzeug 3 geschnittenen Radien des Werkstückes abmisst. Der Taster 18 ist mit einer die abgemessenen Radien in elektrische Signale umwandelnden Vor richtung 19 verbunden. Diese Vorrichtung 19 ist in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass der Druck, mit welchem der Taster am Werkstück an- liegt, konstant bleibt. Die Ausgangsspannung der Vorrichtung 19 ist eine Eingangsspannung einer als Rechenwerk ausgebildeten Steuervorrichtung 20.
Die vom Kontrollkopf 7 kommenden Signale bilden eine zweite Eingangsspannung des Rechenwerkes 20, in welchem die Signale des Kopfes 7 von den Signalen des Tasters abgezogen werden, und das resultierende Signal wird als Steuersignal für das Werkzeug 3 ver wendet. Dieses resultierende Signal wird zunächst einem Registrierkopf 21 zugeführt, welcher auf das Band 6 eine weitere Spur 22 ;aufzeichnet (Fig. 3). 24 bezeichnet einen Löschkopf, dessen Funktion nach stehend erläutert wird. Das Band 6 ist derart von den Rollen 8, 9 angetrieben, dass es einen ganzen Um lauf pro Werkstückumdrehung ausführt, wobei das Werkstück in Richtung des Pfeils 23 gedreht wird.
Der Abstand zwischen den Köpfen 5 und 7 entspricht dabei dem Winkelabstand zwischen dem Werkzeug 3 und dem Taster 18.
Die beschriebene Maschine arbeitet wie folgt: Der gewünschte Radius des Nockens für die verschiedenen Winkelstellungen des letzteren ist berechnet und auf dem Band 6 als Kontrollspur 17 registriert worden, und zwar mittels einer Wechselspannung, deren je weilige Amplitude dem gewünschten Radius ent spricht. Eine Reihe von Befehlen für das Werkzeug 3 ist - ebenfalls mittels einer Wechselspannung variabler Amplitude - auf dem Band als Steuer spur 16 aufgezeichnet worden, welche Befehle bzw. Amplituden den Radien entsprechen, die das Werk stück 1 nach der ersten Umdrehung aufweisen muss; bei der Aufzeichnung dieser Befehle werden der grösste zulässige Vorschub des Werkzeuges und die grösste zulässige Vorschubgeschwindigkeit berück sichtigt.
Die Maschine beginnt zu arbeiten, wenn die Stelle des Werkstückes mit dem dem Winkel O" entsprechenden Befehlsimpuls mit der Lage des Steuerkopfes 5 übereinstimmt. Während der ersten Umdrehung des Werkstückes tastet der Kopf 5 die Spur 16 ab und steuert das Werkzeug 3 derart, dass ein erstes Profil 25 (Fig. 1) erhalten wird. Der Taster 18 misst die Radien, und das Rechenwerk 20 zieht von den gewünschten Radien die geschnittenen Ra dien ab, und zwar bei jeder Winkelstellung 00, (91-(94 usw des Werkstückes.
Je nach der Differenz bestimmt das Rechenwerk den günstigsten Wert für den jeweiligen Vorschub des Werkzeuges während der folgenden Umdrehung des Werkstückes, also dem folgenden Durchgang des Werkzeuges, wobei wieder der grösste zulässige Wert dieses Vorschubes und die grösste zulässige Vorschubgeschwindigkeit berücksich tigt werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt, weist das Rechenwerk 20 eine Differenzschaltung 26 auf, welche das Aus gangssignal des Kontrollkopfes 7 vom Ausgangs signal der Vorrichtung 19 abzieht. Ferner weist es einen Potentiometer 27 auf zur Einstellung eines ,Signals, das einem vorbestimmten Bruchteil des Un terschiedes der beiden Ausgangssignale entspricht, und einen Transformator 28, um diesen Bruchteil zum Ausgangssignal des Kopfes 7 zu addieren.
Der Vor schub bzw. die Materialmenge, die bei der nächsten Umdrehung entfernt wird, ist proportional der Span nung im obern Teil des Potentiometers 27, und ein Spannungsbegrenzer 29 ist diesem Teil parallel ge schaltet, um den nächsten Vorschub unter einem vorbestimmten, von den Eigenschaften des Werk- zeuges abhängigen Wert zu halten, damit das Werk zeug nicht überbeansprucht wird. Das Rechenwerk gestattet somit das Endprofil mittels einer Anzahl von Durchgängen des Werkzeuges zu erreichen, wobei mindestens der letzte zur Ausführung eines sehr feinen Schnittes eingestellt ist. Das Ausgangssignal des Re chenwerkes ist ein Wechselstrom von variabler Amplitude, der mittels des Kopfes 21 dem Band 6 in der zweiten Steuerspur 22 aufgezeichnet wird.
Der Kopf 21 ist in der Zeichnung im Abstand des Kop fes 7 dargestellt, aber wenn keine Verzögerung im Betrieb des Rechenwerkes auftritt, sind diese Köpfe in Wirklichkeit nebeneinander. Nach der ersten Um drehung des Werkstückes, das heisst, wenn das Band 6 ebenfalls eine Umdrehung gemacht hat, wird ein Umschalter betätigt, so dass der Servomechanismus 4 mittels des Steuerkopfes 5 die Befehle, das heisst die Signale, von der zweiten Steuerspur 22 abnimmt. Der Umschalter wird entweder mechanisch oder magne tisch mittels eines auf dem Band aufgenommenen Impulses betätigt. Das Wechseln von der Spur 16 zur Spur 22 kann dadurch erfolgen, dass zwei Köpfe 5 vorgesehen sind, die wahlweise mit dem Servo- mechanismus 4 verbunden werden.
Während der zweiten Umdrehung des Werkstückes und Umlauf des Bandes 6 wird das Werkzeug 3 von den Signalen der zweiten Steuerspur 22 gesteuert, wobei der Lösch- kopf 24 diese Signale hinter dem Kopf 5 löscht. Während dieser Periode tastet der Taster 18 die neuen Radien ab, und das Rechenwerk liefert eine neue Serie von Signalen, die vom Kopf 21 als Spur 22 aufgezeichnet werden. Dieser Arbeitsgang wie derholt sich, bis die verschiedenen Radien mit den auf der Kontrollspur aufgenommenen Werten über einstimmen. Das Rechenwerk signalisiert diesen Zu stand und stopt die Maschine selbsttätig, der Nocken ist fertig bearbeitet und kontrolliert.
Im bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, dass die verschiedenen Signale in Form von Wechselsignalen, deren Amplitude den ge gebenen Massen entspricht, auf dem Band in Spuren aufgezeichnet werden.
Im Beispiel gemäss Fig. 5 sind die Steuersignale wie im vorhergehenden Beispiel als Wechselsignale variabler Amplitude, die Kontrollsignale dagegen im Binärcode aufgezeichnet. Es handelt sich wieder um eine Maschine zur automatischen Bearbeitung eines Werkstückes gemäss einem vorbestimmten Profil. 31 bezeichnet ein rotierendes, zylindrisches, z. B. zu einem Nocken zu formendes Werkstück, dem das vorbestimmte Profil gegeben werden muss. Die Ma schine weist ein Werkzeug 33 auf, das von einem Servomechanismus 34 gesteuert ist.
Signale im Binär- code, die dem Radius des fertigen Werkstückes für die verschiedenen Winkelstellungen entsprechen, sind auf einem Film 35 registriert (oder in Form von Lochun gen auf einem Papierband), der die Form eines end losen Bandes hat und durch nicht dargestellte Mittel in Richtung des Pfeils 36 angetrieben wird. Das Band 35 wirkt mit zwei lichtempfindlichen Abnahmeköpfen 37, 38 zusammen (oder mit Abnahmeköpfen, welche durch die Löcher des Papierbandes betätigte Kontakte aufweisen).
Der Kopf 37 nimmt die in regelmässigen Abständen auf dem Band 35 vorgesehenen Signale ab und wandelt diese Signale in Wechselspannungs- signale um, welche Amplituden aufweisen, die den Radien des Nockens an der betreffenden Stelle pro portional sind. Diese Wechselspannungen werden in provisorischen Speichern, die im Kopf 37 mit ent halten sind, derart gespeichert, dass jederzeit im Laufe der Arbeit der Maschine eine Dreier-Sequenz solcher Proportionalsignale verfügbar ist.
Die drei jeweils vom Kopf 37 abgeleiteten Signale werden einer Inter- polationsvorrichtung 39 zugeführt, welche mittels quadratischer Interpolation von den drei Signalen eine einzige Wechselspannung ableitet, deren Ampli tude eine stetige Funktion der Winkelstellung des Nockens in bezug auf eine Nullstellung ist und dem gewünschten Radius der betreffenden Stelle des Nok- kens entspricht.
Der Kopf 38 und die Vorrichtung 40 sind gleich ausgebildet und wirken ebenso zusam men wie der Kopf 37 und die Vorrichtung 39. Um- wandler, um Binärcode-Signale in entsprechende Spannungen umzuwandeln, sind im Schweizer Pa tent Nr. 336483 und Interpolationsvorrichtungen im Schweizer Patent Nr. 336608 beschrieben.
Hinter der Angriffsstelle des Werkzeuges 33 am Werkstück misst ein Taster 41 die Radien des vom Werkzeug 33 bearbeiteten Werkstückes 31. Der Taster 41 ist mit einer die abgemessenen Radien in Wechselspannungen umwandelnden Vorrichtung 42 verbunden, deren Ausgangssignale einer Differenz schaltung 43 zugeführt werden, in der von jedem die ser Ausgangssignale das betreffende Ausgangssignal der Vorrichtung 40 abgezogen wird. Die Vorrichtung 42 entspricht der Vorrichtung 19 in Fig. 2.
Das Ausgangssignal der Schaltung 43 entspricht dem Betrag, um welchen der Radius des Werkstückes an der betreffenden Stelle den gewünschten Radius noch übertrifft. Das Ausgangssignal wird einem Re chenwerk 44 zugeführt, welches die Befehle aus arbeitet, die die verschiedenen Stellungen des Werk- zeuges bei jeder Umdrehung des Werkstückes steuern. Das Rechenwerk 44 zusammen mit der Differenz schaltung 43 entspricht dem Rechenwerk 20 in Fig. 2.
Das Ausgangssignal des Rechenwerkes 44 wird über einen Verstärker 45 einem Umschalter 46 zu geführt, welcher dieses Signal wahlweise einem magnetischen Aufzeichnungskopf 47 oder einem magnetischen Aufzeichnungskopf 48 anlegt. Diese Aufzeichnungsköpfe sind übereinander derart an geordnet, dass sie die Signale mit verschiedenen Spuren 49, 50 auf einem magnetischen Streifen 51 aufzeich- nen, welcher mittels nicht dargestellter Mittel in Syn chronismus mit dem Band 35 angetrieben ist. Der Streifen 35 bildet ebenfalls ein endloses Band und bewegt sich in Richtung des Pfeils 52. Mit ihm wir ken zwei Abnahmeköpfe 53, 54 zusammen.
Die von diesen Köpfen abgenommenen Signale werden wahl weise mittels eines Umschalters 55 einer Addier schaltung 56 zugeführt, in welcher sie zu den Aus gangssignalen der Interpolationsvorrichtung 39 addiert werden. Die Ausgangssignale der Addierschaltung 56 bilden die Steuersignale für den Servomechanismus 34. Der Abstand zwischen den Köpfen 37 und 38 sowie der Abstand zwischen den Köpfen 47, 48 und den Köpfen 53, 54 entspricht dem Winkelabstand zwischen dem Werkzeug 33 und dem Taster 41. Die Umschalter 46 und 55 werden nach jeder vollen Um drehung des.Werkstückes und jedem Umlauf der Bän der bzw. Streifen 35, 51 umgeschaltet.
Dieses Um schalten wird durch ein auf dem Streifen 51 registrier tes, der Nullstellung entsprechendes Signal gesteuert.
Es wird jetzt angenommen, dass eine erste Reihe von Befehlen auf der Spur 49 des Streifens 51 auf gezeichnet wurde. Diese Befehle werden von dem Kopf 53 abgelesen und erzeugen eine Wechselspan nung, die zu der Ausgangsspannung der Vorrichtung 39 addiert wird, so dass die Amplitude der resul tierenden Spannung dem Radius entspricht, den das Werkstück nach dem ersten Durchgang des Werk- zeuges haben sollte. Die von der Differenzschaltung 43 abgeleitete Spannung hat eine Amplitude, die dem Betrag entspricht, der noch vom Werkstück abge schnitten werden muss, um den gewünschten Radius zu. erhalten.
Diesem Betrag entsprechende Befehle werden durch das Rechenwerk 44 berechnet, hierauf verstärkt und mittels des Aufzeichnungskopfes 48 auf der Steuerspur 50 registriert. Wenn das Nullstellungs- signal des Streifens 51 die Köpfe 53, 54 und 47, 48 passiert, werden die Schalter 55 und 46 umgeschaltet. Während der nächsten Umdrehung des Werkstückes 31 steuern die auf der Spur 50 aufgenommenen Im pulse über 54, 55, 56, 34 das Werkzeug 33, wobei inzwischen nur Signale über 44-47 auf der Spur 49 aufgezeichnet werden. Während der nächsten Um drehung des Werkstückes ist dann wieder die Spur 49 steuernd und auf die Spur 50 werden die neuen Signale aufgenommen, bis das Werkstück den ge wünschten Radius aufweist.
Zwei Löschköpfe 57, 58 sind zwischen den Köp fen 53, 54 und den Köpfen 47, 48 angeordnet. Die die Löschung bewirkenden Spannungen werden den Köpfen 57, 58 abwechselnd über einen Schalter 59 zugeführt, welcher vom Nullstellungssignal derart be tätigt wird, dass der Kopf 57 wirksam ist, während dem die Steuerimpulse von der Spur 49 abgeleitet werden, und dass der Kopf 58 wirksam ist im andern Falle.
Man beachte, dass die aufgenommenen und abge leiteten Signale Wechselspannungen mit variabler Amplitude sind, und dass die Genauigkeit dieser Signale nicht sehr gross sein muss. Es ist angenommen, dass der maximale Fehler bei der Aufnahme 10%, sei. Es genügt dann, dass das Steuersignal vom Rechen werk 44 derart ist, dass das Werkzeug nie um mehr als 90% des restlichen, noch wegzuschneidenden Werk stückteils verstellt wird. Wenn der maximale Fehler mit s bezeichnet wird, muss die Steuerung nie eine Verstellung bewirken, die grösser ist als (1-E) des wegzuschneidenden Werkstückteils. Wenn der ur sprünglich zu entfernende Betrag E ist, so bleibt nach dem ersten Durchgang bzw.
Umdrehung: E (1-[1-E]), das heisst E - E, aber in Anbetracht des möglichen Feh lers kann der abgenommene Betrag zwischen E - (1-f- s) und E - (1-E) liegen und der verbleibende zu schneidende Betrag liegt dann zwischen 0 und 2 E E. Nach der zweiten Umdrehung wird dieser Betrag zwischen 0 und 4<B><I>E e-</I></B> 2 liegen, dann zwischen 0 und 8<B>E,-</B> 3 usw. Wie klar ersichtlich, braucht a nicht besonders klein zu sein, damit der Fehler trotzdem zu einem vernachlässig- baren Teil wird. Es ist natürlich zu beachten, dass für das Werkzeug 33 ein erster Schnitt von E(1-±) zu lässig sein muss.
Es können getrennte Antriebsmittel für den Teil des Streifens 51 vorgesehen werden, der mit den Köpfen 53, 54 und 57, 58 zusammenwirkt, und für den Teil, der mit den Köpfen 47, 48 zusammenwirkt, wobei zwischen beiden Teilen eine Schleife gebildet wird. Man beachte, dass bei der Berechnung der Signale der Spuren 49, 50 eine gewisse Unbestimmt heit vorhanden ist. Diese entsteht dadurch, dass das Werkzeug 33 unter Umständen die Bewegung, die ihm der Servomechanismus 34 erteilen sollte, nicht genügend genau ausführt, z. B. infolge Abnützung von Maschinenteilen, oder das Werkzeug selbst könnte abgenützt sein oder nicht die richtigen Masse auf weisen.
Wenn dieser Fehler von Bedeutung ist, er scheint er als eine Differenz zwischen jedem Steuer signal des Streifens und den Signalen, die vom Taster 41 abgeleitet werden. Somit wird durch Zu rückhalten der Steuersignale während einer vollen Werkstückumdrehung der erzielte Effekt mit dem zu erzielenden Effekt verglichen und die Differenz dieser Effekte dient der Änderung des Steuersignals.
In der Zeichnung bezeichnet 60 einen Schalter, der mit dem Schalter 46 derart schaltverbunden ist, dass der eine Kopf 47 oder 48, der nicht gerade zur Registrierung von Signalen gebraucht wird, dazu ver wendet wird, die soeben ausgeführten Befehle abzu lesen. Somit sollte das dem Schalter 60 zugeführte Signal gleich dem Ausgangssignal vom Taster 41 sein. Diese beiden Signale werden in einer Differenzschal tung 61 verglichen. Das Ausgangssignal der Schal tung 61 entspricht dem Betrag, um welchen die Ma schine die Befehle ungenau ausgeführt hat, und dieses Signal wird mit geeigneter Polarität dem neuen, vom Rechenwerk 44 gelieferten Steuersignal addiert, und zwar im Verstärker 45.
Die Ausgangsspannung der Schaltung wird derjenigen des Rechenwerkes 44 so addiert, dass, wenn die Schaltung 61 einen zu kleinen oder zu grossen Schnitt entdeckt, der Schnitt beim nächsten Durchgang proportional vergrössert bzw. verkleinert wird. Die auf diese Weise erzielte zu sätzliche Genauigkeit ist nicht in allen Fällen not wendig.
Es ist klar, dass statt eines einzigen Werkzeuges deren zwei oder mehr vorgesehen werden können. Die Werkzeuge könnten auf einem Revolverkopf angeord net werden, der mittels eines vom Rechenwerk 20 bzw. 44 emittierten Signals gesteuert werden könnte. Es ist ebenfalls klar, dass es bedeutungslos ist, ob das Werkzeug oder das Werkstück bewegt werden, solange Relativbewegung zwischen beiden vorhanden ist.