Anordnung zur genauen Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Fräsers nach einer vorgegebenen Schablone Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur ge nauen Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Fräsers. Die entstehende Form wird einer vorgege benen ebenen Schablone nachgebildet unter Verwen dung eines Fühlers, der den Rand der Schablone ab tastet. Die Anordnung weist ferner eine Verstärker einrichtung und zwei Motoren auf, die das Werkzeug oder das Werkstück in bezug auf zwei senkrecht zu einander stehende Achsen nach Massgabe der Fühler lage verstellen.
Die Erfindung betrifft somit eine Anordnung, die bei Werkzeugmaschinen angewendet wird und dient zur genauen Bearbeitung von Werkstücken nach einer Schablone.
Das kopierende Werkzeug, ein Fräser, wird bei bekannten Anordnungen durch zwei unabhängige Mo toren in bezug auf zwei senkrecht zueinander stehende Achsen verschoben. Der Lauf dieser Motoren wird durch einen Abnehmer oder Fühler gesteuert, welcher die tatsächliche Stellung des Fräsers in bezug auf das zu bearbeitende Stück laufend festlegt. Der Fühler überträgt die mechanische Auslenkung in eine pro portionale elektrische Auslenkgrösse in Abhängigkeit von einer Spannung und einer Phasenverschiebung.
In den bekannten Apparaturen treten grosse Schwierigkeiten auf, wenn das Werkzeug den Kontakt mit dem zu reproduzierenden Objekt verliert, indem es schwer ist, dieses Werkzeug an das genannte Objekt zurückzuführen.
Die bekannten Apparaturen verwenden für diesen Zweck sehr komplizierte Vorrichtungen. Den diesen Einrichtungen anhaftenden Unzuträglichkeiten abzu helfen, ist der Zweck der vorliegenden Erfindung.
Die Erfindung besteht darin, dass der Fühler mit einem mindestens zweiphasigen Induktionssystem ver bunden ist, welches in seinem magnetischen Zentrum einen elastisch nachgiebig gelagerten magnetisierbaren Kern aufweist, und dass diesem Induktionssystem eine Messspannung entnommen wird, die in bezug auf die Spannung des Netzes nach Grösse und Phase der ge rade bestehenden Auslenkung des Fühlers entspricht, und dass diese Messspannung die Steuerspannung der Verstärkereinrichtung ist, deren Ausgangsspannung zwei Modulatoren zugeführt sind, und dass diesen Modulatoren zwei weitere, dem Netz entnommene, um 90 phasenverschobene Spannungen zugeführt sind, und dass die Ausgangsspannungen dieser Mo- dulatoren je einem Gleichstromverstärker zugeführt sind,
in dessen Ausgängen die Rotoren von Gleich strommotoren eingeschaltet sind, die die Verstellung des Werkzeuges oder des Werkstückes entsprechend der Grösse und der Winkellage der Auslenkung des Fühlers in korrigierendem Sinne ausführen.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Fühler, der das nachzubildende Objekt abtastet.
Die Fig. 2 zeigt den gesamten Aufbau der elek trischen Schaltung.
Die Fig. 3 zeigt die Kennlinien der Verstärker. Die Fig. 4 zeigt die Schaltung des Amplituden begrenzers des Korrektors.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Kurvenform der Span nung an den Ausgangsklemmen der Anordnung Fig. 4. Der Fühler gemäss Fig. 1 weist einen Stab 1 auf, der auf einer elastisch nachgiebigen Metallscheibe 3 aufgesetzt ist. Das Ende des Fühlers liegt an der Mo dellschablone 10 an und steht senkrecht zu Schablo- nenebene. Das andere Ende weist .ein magnetisier- bares Ankerstück 5 auf, welches gegenüber drei unter sich gleiche und symmetrisch zur Achse liegenden Spulen 6, 7 und 8 sich verschieben kann; das Induk tionssystem ist also dreiphasig. In der Fig. 1 ist die Spule 8 nicht gezeichnet, dagegen in der Fig. 2.
Die Wicklungen mit ihren unter sich gleichen Eisen kernen sind um je 120 versetzt und symmetrisch gleichmässig zur Achse der Mittellage des Kernes 5 angeordnet. Die drei Spulen sind über einen drei- phasigen Dreiecksterntransformator von dem Drei phasennetz 10, 11, 12 her gespeist. Über drei Wi derstände in jeder Phase sind die Wicklungen ab gleichbar. Der Sternpunkt N der Sekundärwicklung des Dreiphasentransformators ist mit dem Sternpunkt der drei Wicklungen 6, 7 und 8 unter Zwischen schaltung des Transformators 13 verbunden. Wenn das Ende 4 des Fühlers nicht aasgelenkt ist und die Spulen und die Speisung derselben genau symmetrisch ist, fliesst durch die Primärspule des Transformators 13 kein Strom.
An dem Transformator 13 kann nur eine Span nung entstehen, wenn der Fühler aasgelenkt wird. Diese Spannung entspricht dann in bezug auf ihre Amplitude und Phase der mechanischen Aaslenkung des Endes 4 des Fühlers. Diese Spannung ist eine aus zwei Komponenten zusammengesetzte Spannung. Um diese Spannung von störenden Strömen im Netz freizuhalten, wird der sekundärseitig in Stern geschal tete Trenntransformator verwendet. Die elektrische Spannung am Transformator 13 infolge der mecha nischen Aaslenkung des Kernes 5 steuert die Ver stärker 14 und 15 mit stabilen Kennlinien. Die Kenn linie des Verstärkers 14 ist linear, das heisst, die Aus gangsspannung ist proportional der Auslenkspannung gemäss der Geraden 16 in Fig.3. In dieser Figur stellt E die mechanische Aaslenkung dar und V ist die Ausgangsspannung der Verstärker.
Die Kennlinie des Verstärkers 15 ist dargestellt durch die Kurve 17. Diese weist bei kleinen Span nungen einen linearen Teil mit grosser Verstärkung auf und geht dann bei grösseren Spannungen in einen horizontalen geraden Teil über, wo die Ausgangs spannung auch bei zunehmender Eingangsspannung nicht mehr ansteigt, sondern konstant bleibt. Die Teilschaltung für das Konstanthalten der Spannung am Ausgang des Verstärkers 15 ist eine Diode 18 in Serie mit einer Polarisationsspannung 19 oder etwas Ähnlichem, wie später gezeigt wird. Die mög lichst aber nicht unbedingt gefilterten und sinusförmi- gen Ausgangsspannungen sind in Serie geschaltet. Die resultierende Spannung ist durch die Kurve 20 dar gestellt.
Die Spannung V verläuft durch einen Null wert, welchem eine mechanische Grundauslenkung E0 entspricht. Gleichzeitig ändert die Phase der Span nung bei diesem Punkt E0. Über die Demodulatoren 20 und 21 wird die genannte resultierende Wechsel spannung gleichgerichtet. An diese Demodulatoren werden von der Speisespannung her in bestimmter Phase zwei Hilfsspannungen zugeführt, und zwar so, dass die Hilfsspannungen um 90 phasenverschoben sind. Zu diesem Zweck ist der Demodulator 21 zwi schen einer Phase und dem Nulleiter und der De- modulator 20 zwischen den beiden anderen Phasen des speisenden Netzes angeschaltet. Der Ausgang des Demodulators 20 ist an den Eingang des Verstärkers 25 angeschlossen, welcher den Rotor des Motors 22 speist.
Entsprechend ist der Demodulator 21 an den Verstärker 26 angeschlossen, welcher den Rotor des Motors 23 speist. Die Mittelwerte der Ausgangs spannungen, welche auf die Motoren 22 und 23 ein wirken, entsprechen den zu korrigierenden Abwei chungen gemäss ihren Projektionen auf die zwei Be wegungsrichtungen der Motoren.
Die beiden Motoren verschieben das Werkzeug oder das zu bearbeitende Werkstück. Dieses Werk stück bzw. der Support des Werkstückes sind mecha nisch mit dem Fühler 1 verbunden, so dass die Ab weichung E immer auf den Wert E0 zurückgeführt wird. Zu Beginn der Bearbeitung des Werkstückes mass der Fühler in den Bereich der selbsttätigen Einrege lung hineingeführt werden, indem der Fühler derart in Berührung mit dem nachzubildenden Stück ge bracht wird, dass sich der Nullpunkt E0 einstellt. Der Fühler mass dabei in eine Lage kommen, in der die Korrekturspannung den Schwellenwert der Emp findlichkeit überschreitet. Der hierfür in Frage kom mende Bereich ist durch die strichpunktierten Linien 50 und 51, Fig. 3, bezeichnet. Indem der Fühler die genannte Schwelle überschreitet, kommt er in der Lage E0 selbsttätig ins Gleichgewicht.
Seine Lage ist gegenüber der Achse des elektrodynamischen Systems leicht geneigt auf Grund der Tatsache, dass für diese Position der Punkt E0 immer innerhalb des Schablo nenrandes liegt.
Mit den Motoren 22 und 23 sind je ein Tacho dynamo 24 und 27 gekuppelt. Die Spannungen der Tachodynamos sind den Ausgangsspulen der De- modulatoren 20 und 21 entgegengeschaltet und be wirken so die sichere Stabilisierung des Servomecha- nismus einschliesslich der steuernden Verstärker. Der Fühler bleibt so immer in Kontakt mit der führenden Schablone unter Berücksichtigung einer Grundaus lenkung um den Abstand 0-E0. Die Gleichgewichts lage liegt um die Distanz 0-E0 abseits des Scha blonenrandes, was man in Kauf nehmen mass. Selbst verständlich ist der Fühler auch empfindlich für die symmetrische Lage E'0.
Auf diese Weise sichert die Anordnung die Rückstellbewegung des Fühlers und des Werkzeuges bzw. des zu bearbeitenden Stückes, wenn der Fühler sich am Rande der Schablone be findet. Um den Fühler entlang dieser Schablone zu verschieben, mass diesem eine um 9011 gedrehte zusätz liche Bewegung aufgeprägt werden.
Die Ausgangswechselspannung des Fühlers ist zur Erzielung dieser Wirkung über ein 90 -Phasendreh- glied, bestehend mindestens aus einem Widerstand 31 und einem Kondensator 30, um 90 phasenver schoben. Eine Teilspannung am Widerstand 31 liegt am Eingang des Verstärkers 32. Durch Verschiebung des Abgriffes dieses Widerstandes wird die Tangen tialgeschwindigkeit eingestellt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 32 ist mit den Ausgangsspannungen der Verstärker 14 und 15 in Serie geschaltet. Diese so erhaltene resultierende Spannung wird mittels der Demodulaltoren 20 und 21 in Komponenten zer legt und den Verstellmotoren 22 und 32 zugeführt.
Bei Vertauschen der Ausgangsklemmen des Verstär kers 32 wird die Bewegungsrichtung des Fühlers entlang der Schablone umgekehrt. Die Geschwindig keit der Verschiebung hängt von der Amplitude der Übertragungsspannung des Verstärkers 32 ab, welche aber nur wenig variiert.
Die Ausführung der Einrichtung umfasst verschie dene Ausführungsmöglichkeiten; z. B. kann der Ver stärker 32 weggelassen werden, und die Phasenver schiebung kann im Eingang des Verstärkers 14 er folgen. Die Schaltung kann auch in der Weise aus geführt sein, dass die Geschwindigkeit der Verschie bung konstant bleibt, unabhängig von der Verschie bung um den Punkt E, herum. Es genügt auch, am Ausgang des Verstärkers 32 einen Amplitudenbegren zer 34 anzuordnen. Der Abgleich der 90 -Verschie- bung findet nach dem Begrenzer statt und kann durch Einstellen des Begrenzerpegels erfolgen.
Die Ver stärker 14 und 15 können durch einen einzigen Ver stärker 14 ersetzt werden, wobei diesem ein korri gierender Diskriminator folgt, welcher die Funktion der Organe 18 und 19 sowie das Gegeneinander schalten der Spannungen ausführt.
In der Fig. 4, welche eine beispielsweise Ausfüh rung eines solchen Diskriminators zeigt, ist am Aus gang eines angezapften Transformators 40 über einen Widerstand 41 ein Begrenzer geschaltet. Dieser Be grenzer besteht aus den beiden Dioden 42 und 43 und den Polarisationsspannungsquellen 44 und 45. Wenn die Wechselspannung der Sekundärwicklung des Transformators unterhalb dem Begrenzerpegel liegt, tritt an den Ausgangsklemmen 46 und 47 eine sinusförmige Spannung auf. Wenn die Spannung am Transformator 40 gross und deshalb begrenzt ist durch die Anordnung 42 ... 45, entsteht an den Klemmen 46 und 47 eine verformte Spannung gemäss Fig. 5.
Wenn die mechanische Abweichung des Fühlers sich etwas rechts vom Nullpunkt E0 befindet, erscheint eine reine Sinusspannung. Im Punkt E0 ist die Span nung stark deformiert und nimmt dabei die Form Fig. 5 an. Der Mittelwert dieser Spannung, welche doppelte Frequenz aufweist, ist dabei gleich null. Wenn der Spannungswert weit rechts vom Punkt E0 liegt, gemäss Fig. 3, wird fast eine rein sinusförmige Spannung erhalten, welche um 180 gegenüber der Eingangsspannung verschoben ist (Fig. 6).
Die Verstärker können zur Erhöhung der Stabilität mit Gegenkopplung versehen sein. Die Bildung des Positionspunktes E0 kann auch mit anderen Mitteln erreicht werden.
Mittels eines Messgerätes 30 am Ausgang des Ver stärkers 14 oder 32 kann das Arbeiten der Einrich tung kontrolliert werden. Ferner können mit dem Messgerät 30 Relais verbunden sein, um die Maschine anzuhalten, wenn die Ausgangsspannungsamplitude einen höchst zulässigen Wert überschreitet. Um den Fühler mit der Schablone in Berührung zu bringen, kann eine Hilfsspannung vorgesehen werden, die in den Stromkreis des Transformators 13 oder in die Verstärkerstufen eingeschaltet werden kann. Diese Hilfsspannung wird über einen Schalter 33 (Fig. 1) einem Drehpotentiometer 35 entnommen, das über den Widerstand 36 an das Dreiphasennetz angeschlos sen ist. Die Bewegungsrichtung des Werkzeuges wird durch den Schleifkontakt des Potentiometers einge stellt, während die Geschwindigkeit der Heranschie bung durch die Widerstände 36 bestimmt wird.
Es können auch Relaiskombinationen vorgesehen wer den, um eine automatische Bewegung des Werkzeuges und Heranführen des Fühlers an die Schablone zu erreichen. Die Annäherungsbewegung wird unter brochen, wenn der Fühler nach Berühren der Scha blone in die Lage kommt, eine Spannung abzugeben.
Arrangement for the precise machining of a workpiece by means of a milling cutter according to a predetermined template The invention relates to an arrangement for the precise machining of a workpiece by means of a milling cutter. The resulting shape is modeled on a predetermined flat template using a probe that scans the edge of the template. The arrangement also has an amplifier device and two motors that adjust the tool or workpiece with respect to two mutually perpendicular axes according to the position of the sensor.
The invention thus relates to an arrangement which is used in machine tools and is used for the precise machining of workpieces according to a template.
The copying tool, a milling cutter, is moved in known arrangements by two independent Mo gates with respect to two mutually perpendicular axes. The running of these motors is controlled by a pickup or sensor, which continuously determines the actual position of the milling cutter in relation to the piece to be machined. The sensor converts the mechanical deflection into a proportional electrical deflection depending on a voltage and a phase shift.
In the known apparatus, great difficulties arise when the tool loses contact with the object to be reproduced because it is difficult to return this tool to the said object.
The known apparatuses use very complicated devices for this purpose. To remedy the inconveniences inherent in these devices is the purpose of the present invention.
The invention consists in that the sensor is connected to an at least two-phase induction system, which has an elastically resiliently mounted magnetizable core in its magnetic center, and that a measurement voltage is taken from this induction system, which is related to the voltage of the network according to size and Phase corresponds to the current deflection of the sensor, and that this measurement voltage is the control voltage of the amplifier device, the output voltage of which is fed to two modulators, and that these modulators are fed with two further voltages taken from the network, phase-shifted by 90, and that the output voltages of these Modulators are each fed to a DC amplifier,
in whose outputs the rotors of DC motors are switched on, which carry out the adjustment of the tool or the workpiece according to the size and the angular position of the deflection of the sensor in a corrective manner.
Fig. 1 shows schematically the sensor that scans the object to be replicated.
Fig. 2 shows the entire structure of the elec trical circuit.
Fig. 3 shows the characteristics of the amplifier. Fig. 4 shows the circuit of the amplitude limiter of the corrector.
5 and 6 show the curve shape of the tension at the output terminals of the arrangement of FIG. 4. The sensor according to FIG. 1 has a rod 1 which is placed on an elastically flexible metal disk 3. The end of the sensor rests on the model template 10 and is perpendicular to the template plane. The other end has a magnetizable armature piece 5 which can move relative to three coils 6, 7 and 8 which are identical and symmetrical to the axis; the induction system is therefore three-phase. The coil 8 is not shown in FIG. 1, but in FIG. 2.
The windings with their iron cores that are the same are offset by 120 each and are arranged symmetrically and uniformly to the axis of the central position of the core 5. The three coils are fed from the three-phase network 10, 11, 12 via a three-phase triangular star transformer. The windings can be compared using three resistors in each phase. The star point N of the secondary winding of the three-phase transformer is connected to the star point of the three windings 6, 7 and 8 with the transformer 13 interposed. If the end 4 of the sensor is not articulated and the coils and the supply thereof are exactly symmetrical, no current will flow through the primary coil of the transformer 13.
A voltage can only arise on the transformer 13 when the sensor is aasgelenken. This voltage then corresponds in terms of its amplitude and phase to the mechanical deflection of the end 4 of the sensor. This tension is composed of two components. In order to keep this voltage free from disturbing currents in the network, the star-connected isolating transformer is used on the secondary side. The electrical voltage on the transformer 13 due to the mechanical Aaslenken the core 5 controls the United more 14 and 15 with stable characteristics. The characteristic line of the amplifier 14 is linear, that is, the output voltage is proportional to the deflection voltage according to the straight line 16 in FIG. In this figure, E represents the mechanical deflection and V is the output voltage of the amplifiers.
The characteristic of the amplifier 15 is shown by the curve 17. This has a linear part with high amplification at low voltages and then changes to a horizontal straight part at higher voltages, where the output voltage no longer increases even with increasing input voltage. but remains constant. The sub-circuit for keeping the voltage at the output of the amplifier 15 constant is a diode 18 in series with a polarization voltage 19 or something similar, as will be shown later. The sinusoidal output voltages, which are filtered if possible, but not necessarily, are connected in series. The resulting voltage is represented by curve 20.
The voltage V runs through a zero value, which corresponds to a basic mechanical deflection E0. At the same time, the phase of the voltage changes at this point E0. About the demodulators 20 and 21, said resulting AC voltage is rectified. Two auxiliary voltages are fed to these demodulators in a specific phase from the supply voltage, in such a way that the auxiliary voltages are phase-shifted by 90. For this purpose, the demodulator 21 is connected between one phase and the neutral conductor and the demodulator 20 between the two other phases of the feeding network. The output of the demodulator 20 is connected to the input of the amplifier 25, which feeds the rotor of the motor 22.
The demodulator 21 is correspondingly connected to the amplifier 26, which feeds the rotor of the motor 23. The mean values of the output voltages which act on the motors 22 and 23 correspond to the deviations to be corrected according to their projections on the two directions of movement of the motors.
The two motors move the tool or the workpiece to be machined. This workpiece or the support of the workpiece are mechanically connected to the sensor 1, so that the deviation E is always returned to the value E0. At the beginning of the machining of the workpiece, the feeler should be moved into the area of automatic adjustment by bringing the feeler into contact with the piece to be reproduced in such a way that the zero point E0 is set. The sensor was placed in a position in which the correction voltage exceeds the sensitivity threshold. The area in question for this is indicated by the dash-dotted lines 50 and 51, FIG. 3. When the sensor exceeds the threshold mentioned, it automatically comes into equilibrium in position E0.
Its position is slightly inclined with respect to the axis of the electrodynamic system due to the fact that for this position the point E0 always lies within the template edge.
A speedometer dynamo 24 and 27 are coupled to the motors 22 and 23. The voltages of the tacho dynamos are connected in opposition to the output coils of the demodulators 20 and 21 and thus ensure the reliable stabilization of the servo mechanism including the controlling amplifier. The sensor thus always remains in contact with the leading template, taking into account a basic deflection by the distance 0-E0. The equilibrium is about the distance 0-E0 away from the edge of the stencil, which was accepted. Of course, the sensor is also sensitive to the symmetrical position E'0.
In this way, the arrangement ensures the return movement of the probe and the tool or the piece to be processed when the probe is on the edge of the template be. In order to move the sensor along this template, an additional movement rotated by 9011 must be impressed on it.
To achieve this effect, the output AC voltage of the sensor is phase-shifted by 90 via a 90-phase rotating element, consisting of at least a resistor 31 and a capacitor 30. A partial voltage across the resistor 31 is at the input of the amplifier 32. By moving the tap of this resistor, the tangential speed is set. The output voltage of amplifier 32 is connected in series with the output voltages of amplifiers 14 and 15. The resulting voltage obtained in this way is divided into components by means of the demodulator gates 20 and 21 and fed to the adjusting motors 22 and 32.
If the output terminals of the amplifier 32 are interchanged, the direction of movement of the sensor along the template is reversed. The speed of the shift depends on the amplitude of the transmission voltage of the amplifier 32, but this varies only slightly.
The design of the facility includes various design options; z. B. the United more 32 can be omitted, and the phase shift can follow in the input of the amplifier 14 he. The circuit can also be carried out in such a way that the speed of the shift remains constant, regardless of the shift around the point E around. It is also sufficient to arrange an amplitude limiter 34 at the output of the amplifier 32. The adjustment of the 90 shift takes place after the limiter and can be done by setting the limiter level.
The Ver stronger 14 and 15 can be replaced by a single Ver stronger 14, this being followed by a corrective discriminator, which performs the function of the organs 18 and 19 and the counter-switching of the voltages.
In Fig. 4, which shows an example Ausfüh tion of such a discriminator, a limiter is connected to the output of a tapped transformer 40 via a resistor 41. This limiter consists of the two diodes 42 and 43 and the polarization voltage sources 44 and 45. If the alternating voltage of the secondary winding of the transformer is below the limiter level, a sinusoidal voltage occurs at the output terminals 46 and 47. If the voltage at the transformer 40 is high and therefore limited by the arrangement 42 ... 45, a deformed voltage according to FIG. 5 arises at the terminals 46 and 47.
If the mechanical deviation of the sensor is slightly to the right of the zero point E0, a pure sinusoidal voltage appears. At point E0, the tension is severely deformed and takes the form of FIG. 5. The mean value of this voltage, which has twice the frequency, is equal to zero. If the voltage value is far to the right of point E0, according to FIG. 3, almost a purely sinusoidal voltage is obtained, which is shifted by 180 compared to the input voltage (FIG. 6).
The amplifiers can be provided with negative feedback to increase stability. The formation of the position point E0 can also be achieved by other means.
By means of a measuring device 30 at the output of the amplifier 14 or 32, the work of the device can be controlled. Furthermore, relays can be connected to the measuring device 30 in order to stop the machine if the output voltage amplitude exceeds a maximum permissible value. In order to bring the sensor into contact with the template, an auxiliary voltage can be provided which can be switched into the circuit of the transformer 13 or into the amplifier stages. This auxiliary voltage is taken from a rotary potentiometer 35 via a switch 33 (FIG. 1), which is ruled out via the resistor 36 to the three-phase network. The direction of movement of the tool is set by the sliding contact of the potentiometer, while the speed of the approach is determined by the resistors 36.
Relay combinations can also be provided in order to automatically move the tool and bring the sensor up to the template. The approach movement is interrupted when the sensor is able to emit a voltage after touching the template.