Steuerung für Nachformwerkzeugmaschinen Die Erfindung betrifft eine Steuerung für Nach formwerkzeugmaschinen, insbesondere Nachformfräs maschinen, bei der die Auswertung des Fühlersignals die Grösse und Richtung des Fühlvorschubs und des zugeordneten Leitvorschubs ergibt.
Bei den bekannten Einrichtungen für das Umriss- fräsen, bei der die Ausgangssignale des Fühlers nur von der Grösse der Auslenkung, nicht aber von der Richtung der Auslenkung abhängig sind, muss jeweils nach Durchfahren einer bestimmten Umrissstrecke der Leit- und der Fühlvorschub geändert werden und gleichzeitig dem Leitvorschub eine bestimmte Rich tung vorgegeben werden. Bei einfachen Steuerungen werden diese Umschaltungen meist von Hand vorge nommen. Die Umschaltung kann aber auch selbst tätig erfolgen. Hierzu sind im Fühler besondere Kon takte vorgesehen, deren Signale einer Auswerteeinrich tung zugeführt werden. Bei Verwendung eines Kon taktfühlers werden die einzelnen Kontakte abhängig vom Fühlerdruck nacheinander betätigt.
Da jeder Kontaktstellung eine bestimmte Vorschubrichtung ent spricht, ist der Fühler je nach gefahrener Richtung auch verschieden weit ausgelenkt. Theoretisch kann mit einem solchen Kontaktfühler beim Nachformen eines Umrisses ein Bereich von etwa 180 überstrichen werden. Praktisch kann man aber nur einen kleineren Bereich ausnützen. In den meisten Fällen wird die Umschaltung schon bei 90 vorgenommen, d. h. der gesamte Bereich wird in vier gleiche Teile, die sog. Quadranten, aufgeteilt. In jedem Umschaltpunkt, d. h. beim Übergang von einem Quadranten zum nächsten wird dann also die Richtung von Leit- und Fühlvor- schub geändert.
In den Umschaltpunkten entspricht aber die Fühlerstellung nicht mehr der erforderlichen Richtung, so dass die Maschine um einen Teil des Auslenkweges vor- oder zurücklaufen muss. Wird also beim Durchlaufen einer stetigen Werkstückkontur um geschaltet, so ergeben sich auf dem Werkstück Mar kierungen, durch die das Fräsbild beeinträchtigt wird.
Um diese Markierungen zu vermeiden, wurden be reits Fühler verwendet, die in jeder Achse ein Mess- system besitzen. Derartige Fühler sind aber im Auf bau sehr kompliziert und dementsprechend störan fällig.
Ferner wurde bereits vorgeschlagen, mit dem Aus gangssignal eines normalen Fühlers mit nur einem Messsystem den Servoantrieb eines Drehmelders mit Sinus- und Kosinusausgang zu steuern. Dabei gibt der Sinusausgang des Drehmelders die Grösse der Vor schubgeschwindigkeit in der einen Vorschubrichtung der Maschine und der Kosinusausgang dasselbe für die dazu senkrechte Vorschubrichtung der Maschine an. Auf diese Weise kann also ein Umriss ohne Qua drantenumschaltung und damit ohne Markierungen im Fräsbild gefahren werden.
Durch die Vorschub geschwindigkeit des Fühlers und die maximal mögliche Drehgeschwindigkeit des Drehmelders ist jedoch der minimal mögliche Krümmungsradius begrenzt. Aus- serdem bringt der zusätzliche durch den Servoantrieb bedingte Integral-Anteil Schwierigkeiten für den Ge samtregelkreis.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ebenfalls unter Vermeidung einer Quadrantenum- schaltung, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss da durch gelöst, dass durch das Fühlersignal Fühl- und Leitvorschub in einem ersten Koordinatensystem ge geben sind, welches durch ein Nachlaufsystem stets derart gedreht wird, dass die Richtung des Leitvor- schubs tangential zur Kontur des Modells läuft,
und dass zur Steuerung der Maschine die im ersten Ko ordinatensystem gegebenen Grössen von Fühl- und Leitvorschub in Komponenten eines zweiten maschi nenfesten Koordinatensystems zerlegt werden. Auf diese Weise kann die Fräsrichtung sehr rasch um 90 gedreht werden, mit einem sehr kleinen Krüm mungsradius, der lediglich von der Reaktionsfähigkeit der Vorschubantriebe begrenzt wird. Dabei braucht die Drehung des ersten Koordinatensystems nur ver- hältnismässig langsam ausgeführt zu werden, da in jedem Augenblick, eben durch entsprechende Fühler auslenkung, sehr schnell von Leitvorschub auf den gerade erforderlichen Fühlvorschub übergegangen werden kann.
Das Zerlegen der Grössen aus dem ersten Koordinatensystem in das zweite maschinen feste Koordinatensystem wird vorteilhaft mittels zweier Funktionsgeber, von denen jeder einen Sinus- und einen Kosinusausgang aufweist, vorgenommen, wobei Fühl- und Leitvorschub je einem Funktions geber zugeordnet sind und die starr miteinander ge- kuppelten Eingangsteile der Funktionsgeber um 90 räumlich gegeneinander versetzt sind. Auf diese Weise lassen sich die für die Maschinensteuerung notwendi gen Grössen gewinnen. Als Funktionsgeber werden dabei vorteilhafterweise Drehmelder, Potentiometer und dgl. verwendet. Das Ausgangssignal des Fühlers gibt ein Mass für den Fühlvorschub.
Zur Gewinnung des Signals für den Leitvorschub wird bei einem Aus führungsbeispiel das Fühlersignal gleichgerichtet und als Steuergrösse derart auf einen aus dem Frequenz generator für das Fühlersignal gespeisten Verstärker oder Hallmodulator oder auf einen zusätzlichen Fre quenzgenerator gegeben, dass am Ausgang dieser Ge räte ein dem Leitvorschub entsprechendes Signal er scheint, das umgekehrt proportional der Grösse des gleichgerichteten Fühlersignals ist. Vorteilhafterweise werden dabei zur Gleichrichtung des Fühlersignals Gleichrichter mit einem derartigen Schwellwert ver wendet, dass sich für das gleichgerichtete Signal ab hängig von der Fühlerauslenkung wenigstens eine an genäherte Sinuskurve und damit ein annähernd kon stanter Gesamtvorschub ergibt.
Das Drehen des ersten Koordinatensystems erfolgt dabei vorteilhaft durch ein auf die Funktionsgeber wirkendes Nachlaufsystem in Abhängigkeit vom Fühlersignal. Als vorteilhafte Ausführungsform dieses Nachlaufsystems dient ein über Demodulator und Dreipunktverstärker in Ab hängigkeit vom Fühlersignal gesteuerter Motor mit Wendegetriebe. Eine weitere günstige Ausführungs form ergibt sich, wenn als Nachlaufsystem ein über einen Demodulator in Abhängigkeit vom Fühlersignal gesteuerter Stellmotor verwendet wird.
Die von den Funktionsgebern gelieferten, der gleichen maschinen festen Koordinatenrichtung zugeordneten Komponen ten werden zweckmässig nach phasenabhängiger Gleichrichtung vorzeichenrichtig addiert, wobei vor zugsweise die Addition über gleichwertige Eingänge von Proportionalverstärkern erfolgt. In Weiterbildung der Erfindung sind zur Änderung der Vorschubge schwindigkeit die aus dem Fühlersignal gewonnenen Grössen von Leit- und Fühlvorschub durch gekop pelte Potentiometer gemeinsam verhältnisgleich ver- änderbar.
In weiterer Fortbildung ist durch einen ge meinsam betätigten Umschalter im Nachlaufsystem und im Rotorstromkreis des dem Leitvorschub zuge ordneten Drehmelders die Umrissrichtung verhältnis- mässig einfach veränderbar.
Zum ersten Anfahren an Modell und Werkstück werden die Drehmelder zweckmässig derart gedreht, dass die Achsen der beiden Koordinatensysteme par allel zueinander verlaufen. Dabei werden vorteilhaft diese vier Vorzugslagen der Drehmelder durch End- taster oder elektrisch entsprechend den Sinus- und Kosinusausgängen der Drehmelder markiert.
Vorteilhaft lässt sich diese Steuerung auch zum Pendelfräsen verwenden. Bei diesem Beispiel wird zum Pendelfräsen der dem Fühlvorschub zugeordnete Drehmelder in diejenige Vorzugslage gebracht, in der an einem der Drehmelderausgänge maximale Span nung liegt und dieser Ausgang wird dann an den dem Vorschub in axialer Richtung (x-Achse) zugeordneten Verstärker angeschlossen. Der spannungsführende Ausgang des dem Leitvorschub zugeordneten Dreh melders wird dabei je nach Zeilenrichtung an den dem Vorschub in einer der maschinenfesten Koordinaten richtungen (x bzw. y) zugeordneten Verstärker ange schlossen. Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels.
Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge- mässen Steuerung; Fig.2a das Fühlvorschubsignal abhängig von der Fühlerauslenkung; Fig. 2b das gleichgerichtete Fühlvorschubsignal; Fig.2c das Leitvorschubsignal abhängig von der Fühlerauslenkung; Fig. 3a bis e die im ersten Koordinatensystem ge gebenen Grössen und Richtungen von Leit- und Fühl- vorschub und die Zerlegung in Komponenten eines maschinenfesten Koordinatensystems.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird aus einem Frequenzgenerator 1 ein an sich bekannter Fühler 2 mit Spannung von konstanter Amplitude und einer Frequenz von beispielsweise 1 kHz gespeist. Dieser Fühler enthält eine induktive Brücke, bei der die Amplitude der Spannung im Brückenzweig pro portional der Fühlerauslenkung ist.
Der Fühler ist da bei so justiert, dass bei einer mittleren Auslenkung die Amplitude der Spannung im Brückenzweig durch Null geht, wobei dann auch die Phase der Spannung um 180 springt. Dieses Fühlerausgangssignal in Ab hängigkeit von der Auslenkung s des Fühlers zeigt Fig. <I>2a.</I> Dieses Signal gibt also, wenn auch die Pha senlage berücksichtigt wird, ein Mass für Grösse und Richtung des Vorschubs in Fühlrichtung F.
Dabei be deutet ein positives Signal F+, dass sich der Fühler zu weit vomModell entfernt hat und dementsprechend wird durch das Signal ein derartiger Vorschubbefehl gegeben, dass sich der Fühler wieder zum Modell hin- bewegt. Das Umgekehrte gilt für das Signal F-. Zur Gewinnung des Signals für den in der Umrissebene zum Fühlervorschub senkrechten Vorschub, dem sog. Leitvorschub, wird düs Fühlvorschubsignal mit Hilfe von Gleichrichtern 3 gleichgerichtet. Die sich dabei ergebende Spannung zeigt Fig. 2b. Durch diese gleich gerichtete Spannung wird ein Wechselspannungsver stärker 4, der seine Eingangsspannung vom Frequenz generator 1 erhält, derart ausgesteuert, dass die Am plitude der Ausgangsspannung der Steuerspannung umgekehrt proportional ist (Fig. 2c).
Durch den Schwellwert der Gleichrichter 3 wird dabei der Am plitudenverlauf der Ausgangswechselspannung des Verstärkers 4 im Maximum abgeflacht, so dass sich abhängig von der Fühlerauslenkung s eine angenäherte Sinuskurve ergibt. Diese Ausgangsspannung entspricht dann dem gewünschten Verlauf der Grösse des Leit- vorschubs abhängig von der Fühlerauslenkung s, denn die vektorielle Addition von Leit- und Fühlvorschub ergibt einen Gesamtvorschub v, dessen Richtung ab hängig von der Fühlerauslenkung um 180 gedreht werden kann und dessen Grösse etwa konstant ist.
Durch diese Auswertung des Fühlersignals ergeben sich also Grösse und Richtung des jeweils gerade er forderlichen Fühlvorschubs (F+ und F-) und die jeweils zugeordnete Grösse des Leitvorschubs (L). Nun werden aber Fühl- und Leitrichtung nicht einem bestimmten maschinenfesten Koordinatensystem zu geordnet, sondern die drei Vektoren F+, L und F- werden als ein erstes Koordinatensystem A betrachtet, das stets derart gedreht wird, dass die Richtung des Leitvorschubs L immer möglichst genau tangential zur Kontur des Modells verläuft.
Der in diesem Koordina tensystem A durch seine Komponenten Fühl- und Leitvorschub festgelegte Augenblickswert des Gesamt vorschubs v muss dann also zur Steuerung der Ma schine durch eine Koordinatentransformation in Kom ponenten eines maschinenfesten Koordinatensystems B mit den Richtungen x, y zerlegt werden. In Fig.3a sind die beiden Koordinatensysteme<I>A</I> und<I>B</I> und die zugeordneten Augenblickswerte von Fühl- und Leit- vorschub entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Stel lung der Drehmelder durch Vektoren mit tiefgestellten Indizes dargestellt, wobei die tiefgestellten Indizes die Zuordnung der betreffenden Grösse angeben.
Es be deutet beispielsweise VF den gerade gegebenen Vor schub in Fühlrichtung, während VL dasselbe für den Vorschub in Leitrichtung angibt. Diese beiden setzen sich vektoriell zum Gesamtvorschub v zusammen. Dieser Gesamtvorschub wird dann zur Steuerung der Maschine in seine beiden maschinenfesten Kompo nenten vx und vy zerlegt.
Zur Zerlegung dienen die beiden als Funktions geber ausgebildeten Drehmelder 7 und B. Ein derart ausgeführter und bekannter Drehmelder weist eine Rotorwicklung 9 bzw. 10 und zwei um 90 räumlich versetzte Statorwicklungen 11, 12 bzw. 13, 14 auf. Wird die Rotorwicklung 9 bzw. 10 mit Wechselstrom gespeist, so kann an den beiden Wicklungen 11, 12 bzw. 13, 14 eine dem Sinus und eine dem Kosinus des Verstellwinkels proportionale Spannung abgenommen werden. Die beiden Rotoren der Drehmelder sind, wie in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 15 angedeutet, starr gekuppelt, aber gegeneinander um genau 90 verdreht.
Auf die zur Erregung dienende Rotorwick lung 9 des Drehmelders 7 wird das direkt vom Fühler abgenommene Signal für die Fühlvorschubkompo- nente vF und in die Rotorwicklung 10 des Drehmel ders 8 das Signal für die Leitvorschubkomponente vL gegeben. Durch die Drehmelder 7 bzw. 8 werden nun die Fühlvorschubkomponente VF und Leitvorschub- komponente VL des durch die Fühlerauslenkung gege benen Vorschubvektors in ihre maschinenfesten Kom ponente VFx, VFy bzw. VFx und VLy zerlegt. Die Zer legung der im ersten Koordinatensystem A gegebenen Fühlvorschubkomponente vF in ihre maschinenfesten Komponenten vFy und vFx zeigt Fig. 3b.
Die Kompo nente vFx kann an der Statorwicklung 11 und die Kom ponente vFx kann an der Statorwicklung 12 des Dreh melders 7 abgenommen werden. Die entsprechende Zerlegung der Leitvorschubkomponente vL wird mit Hilfe des Drehmelders 8 vorgenommen. Hier kann an der Wicklung 13 die Komponente vLy und an der Wicklung 14 die Komponente vLx abgenommen wer den. Die entsprechende Zerlegung zeigt Fig. 3c.
Diese vier Grössen vFx, vFy, vLx, vLy werden dann in den vier Demodulatoren 16 bis 19 phasenabhängig gleichgerichtet. Die der maschinenfesten y-Koordinate zugeordneten Komponenten vFy, vLy werden auf die zwei gleichwertigen Eingänge des der y-Achse zuge ordneten Verstärkers 20 gegeben. Entsprechend der Summe beider Grössen wird der zugehörige Leonard- generator 22 erregt, der den Vorschubmotor 24 für die y-Koordinate speist. Die Addition beider Grössen zeigt Fig.3e. Die der maschinenfesten x-Koordinate zugeordneten Komponenten vFx, vLx werden auf zwei gleichwertige Eingänge des in der x-Achse zugeord neten Verstärkers 21 gegeben.
Entsprechend der Summe beider Grössen wird der zugehörige Leonard- generator 23 erregt, der den Vorschubmotor 25 der y-Koordinate speist. Die Addition dieser beiden Grös- sen zeigt Fig. 3d.
Die Vorschubgeschwindigkeiten in den beiden der Umrissebene zugeordneten maschinenfesten Koordi natenrichtungen entsprechen also nun den beiden Komponenten des Gesamtvorschubvektors v im x-y- Koordinatensystem, während der Gesamtvorschub vektor v selbst im F-L-Koordinatensystem durch die Fühlerauslenkung gegeben ist.
Um die Grösse des Vorschubs verändern zu kön nen, sind die beiden Potentiometer 5 und 6 vorgesehen, die miteinander gekuppelt sind und dadurch nur ge meinsam verstellt werden können. Entsprechend der Fühlerauslenkung s sollen aber auch die beiden Drehmelder 7 und 8 und damit das F-L-Koordinatensystem langsam nachgedreht werden, bis die Leitrichtung L in Richtung des Vorschubvek- tors liegt, d. h. tangential zum jeweiligen Punkt des Umrisses.
Das Fühlersignal wird deshalb über eine Demodulator 26 einem Dreipunktkippverstärker 27 zugeführt, durch den ab einer bestimmten Fühlvor- schubgrösse F+ die eine Kupplung und bei einer be stimmten Fühlvorschubgrösse F- die andere Kupp lung eines Wendegetriebes 28 eingeschaltet wird, so dass die Drehmelder 7 und 8 durch den Motor 29 links oder rechts herumgedreht werden.
Das Signal für den Fühlvorschub ändert seine Phasenlage beim Übergang von F+ auf F- und um gekehrt um 180 , während dagegen das Leitvorschub- signal immer die gleiche Phasenlage bei jeder Auslen kung des Fühlers behält. Durch Umschalten der Pha senlage des Leitvorschubs um 180 mit Hilfe des Relais 30 kann also die Umrissrichtung geändert wer den. Wird die Phasenlage so gewählt, dass die Rich tungsfolge F+, L,<I>F-</I> eine Drehung mit dem Uhr zeigersinn ergibt, so erhält man einen Aussenumriss links herum und einen Innenumriss rechts herum.
Bei der Richtungsfolge F+, L,<I>F-</I> gegen den Uhrzeiger sinn erhält man dementsprechend einen Aussenumriss rechts herum und einen Innenumriss links herum. Die Signale für die Drehung der Drehmelder sind eben falls durch die Fühlerauslenkung bestimmt. Beim Füh lervorschubsignal Null wird nicht gedreht. Bei einer Richtungsfolge F+,<I>L, F-</I> im Uhrzeigersinn muss durch das Leitvorschubsignal F+ der Befehl für eine Linksdrehung der Drehmelder gegeben werden, bei negativem Leitvorschubsignal F- ein Befehl für die Rechtsdrehung. Bei einer Richtungsfolge F+,<I>L,</I> F- gegen den Uhrzeigersinn müssen die umgekehrten Be fehle gegeben werden. Auch diese Umpolung wird mit Hilfe des Relais 30 durchgeführt.
Zum ersten Anfahren an das Modell muss das Drehmeldersystem in eine der vier Vorzugslagen ge dreht werden, so dass die Richtungen des ersten Ko ordinatensystems A parallel zu denen des maschinen festen Koordinatensystems B liegen. Diese vier Vor zugslagen werden zweckmässig durch Endtaster mar kiert. Nach Erreichen der gewählten Vorzugslage muss eine Drehung solange unterbunden werden, bis der Fühler dann erstmalig das Modell berührt hat.
Die erfindungsgemässe Steuerung lässt sich auch zum Pendelfräsen verwenden, wobei das Pendelfräsen als eine Vereinfachung des Umrissfräsens betrachtet werden kann. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe des Relais 31 die Fühlrichtung fest in die z-Achse (Axial richtung) gelegt, so dass das vom Drehmelder 7 abge gebene Signal über den Verstärker 33, den Leonard- generator 34, den Vorschubmotor 35 für die axiale Richtung steuert. Die Leitrichtung wird mit Hilfe des Relais 32 zwischen der x- und y-Achse umgeschaltet, je nachdem in welcher Richtung die Zeilen liegen sol len.
Das Drehmeldersystem muss beim Pendelfräsen in die Vorzugslage gedreht werden, in der die Rotor wicklung 9 parallel zu der Wicklung 11 steht, so dass in dieser die maximal mögliche Spannung induziert wird. Die Rotorwicklung 10 steht dann parallel zu der Wicklung 14. Danach darf das Drehmeldersystem nicht mehr gedreht werden. Die Umschaltung der Leit- richtung am Ende jeder Zeile geschieht durch das Relais 30, das sonst den Drehsinn des Umrisses be stimmt.