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Elektrische Steuerung für Werkzeugmaschinen zum Herabsetzen der Vorschubgeschwindigkeit
beim Übergang von Leer- auf Arbeitsvorschub Die Erfindung bezieht sich auf eine
elektrische Steuerung für Werkzeug-, insbesondere Schleif- und Fräsmaschinen sowie
allgemein für Maschinen, bei deren Betrieb die Berührungsfläche zwischen Werkzeug
und Werkstück so groß ist, daß dadurch der Flächendruck zwischen Werkstück und Werkzeug
niedrig wird, mit einer auf die Vorschubeinrichtung einwirkenden Elektronenröhre,
die von einer den Strom des Werkzeugmotors abbildenden Spannung gesteuert wird.
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Sie bezweckt, die Leerzeit beim sogenannten Luftschnitt, ehe also
das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung kommt, möglichst klein zu halten.
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Bei dieser Stufe (Luft- oder Leerschnitt) empfiehlt sich offensichtlich
eine hohe Vorschub- oder Annäherungsgeschwindigkeit, der die niedrigere Vorschubgeschwindigkeit
bei der Arbeitsstufe, bei der das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung ist, folgen'
soll.
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Die Einrichtung soll also unter den günstigsten Arbeitsverhältnissen
von der einen auf die andere Vorschubgeschwindigkeit übergehen, und zwar nicht allzu
früh vor Berührung des Werkzeuges mit dem Werkstück, wodurch die Leerzeit unzulässig
erhöht würde, und nicht zu spät nach diesem Inberührungkommenum einen erheblichen
Flächendruck und eine damit verbundene Überlastung der Spindel sowie ein Überhitzen
des zu bearbeitenden Werkstücks zu vermeiden. Zum Schutz gegen Überlastung ist es
bei Werkzeugmaschinen bereits bekannt, den Vorschub mit Hilfe einer Elektronenröhrensteuerung
herabzusetzen, sobald eine bestimmte Werkzeugbelastung überschritten wird. Hierbei
dient der Strom des Werkzeug-Antriebsmotors als Meßgrüße.
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Die Erfindung löst im Gegensatz hierzu die Aufgabe, eine genaue, von
den eingestellten Werten der Belastung unabhängige Steuerung zum Übergang von Leer-
auf Arbeitsvorschub zu schaffen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß
der in einem Kondensator gespeicherte Leerlaufwert der abbildenden Spannung mit
deren (sich bei Belastung änderndem) Istwert an einem Widerstand laufend verglichen
wird, wobei die Differenz als Steuerspannung dient.
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Die Steuerung ist geeignet, in Abhängigkeit von den verschiedenen
geometrischen Abmessungen der zu bearbeitenden Werkstücke jeweils die günstigsten
Arbeitsverhältnisse zum Übergang vom schnellen Annäherungsgang auf die langsamer
erfolgende Arbeitsstufe zu berechnen und zu bestimmen.
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Sie stellt im wesentlichen einen Analogrechner dar, welcher in den
Speisestromkreis des die Arbeitsrhtine betätigenden Elektromotors eingeschaltet
wird. Er wirkt auf einen Hilfssteuerstromkreis, und zwar in Abhängigkeit davon,
ob der durch die Gleichung
ausgedrückte Zustand auftritt. Dabei ist q die Momentanleistung, die der Motor in
Zeitabhängigkeit von der Belastungsänderung q = f (t) aufnimmt.
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Die Steuerung enthält also ein auf die Belastungsänderungen des speisenden
Netzes für den die Spindel betätigenden Elektromotor ansprechendes Glied, das die
Änderungen in spannungsmodulierte Signale umwandelt, einen Speicher für diese Signale
und einen Vergleichs- und Unterscheidungsstromkreis, der bei Belastungsänderung
am speisenden Netz jeweils in Wirkung tritt und eine Elektronenröhre auslöst, deren
Anodenkreis einen Hilfsstromkreis steuert, welcher die Geschwindigkeit des Werkstücks
bzw. des Werkzeugschlittens beeinflußt.
Hieraus ergibt sich, daß
für die Betätigung des Hilfssteuerstromkreises der Vergleich zwischen dem jeweiligen
Wert q' des vom Motor stammenden Eingangssignals mit dem durch dasselbe Signal vorher
eingenommenen Bezugswert q entscheidend ist.
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Diese lediglich von der Änderung des vom Motor stammenden Eingangssignals
abhängige Arbeitsweise unterscheidet sich also scharf von der an sich bekannten
Arbeitsweise. der bekannten, sogenannten geeichten Einstell- und Steuereinrichtungen.
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Bei letzteren ist für die Arbeitsweise des Steuerstromkreises lediglich
das bei der Voreinstellung auf einen festen Wert bestimmte Maß des Eingangssignals
maßgebend.
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Durch die Arbeitsweise gemäß der Erfindung ist die Leistung gegenüber
den kalibrierten Einrichtungen erheblich verbessert. Denn die Empfindlichkeit und
Steuergenauigkeit sind bei letzteren zwangsweise durch die Schwankungsbreite einer
Anzahl unkontrollierbarer Störeinflüsse beschränkt, wie beispielsweise die Spannungsschwankungen
des speisenden Netzes und Änderungen der Lauffähigkeit des Motors oder von letzterem
betätigter Glieder, insbesondere bei verschiedenen Temperaturverhältnissen der Lagerbüchsen,
sowie die mechanische Einstellung, der Gebrauchszustand usw.
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Beim Verfahren nach der Erfindung werden hingegen alle diese Störfaktoren,
deren Änderungsgeschwindigkeit relativ klein ist, selbsttätig vermieden, weil der
Vergleich zwischen einem Bezugszustand und einem diesem zeitlich unmittelbar folgenden
Zustand erfolgt. Dabei können sich also unkontrollierte äußere Änderungen weder
auswirken noch einen nennenswerten Wert annehmen, der die Einwirkung der Vorrichtung
zu fälschen vermöchte.
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Der durch den Motor aufgenommene Strom wird als Eingangsparameter
q angenommen, was mit Rücksicht darauf zulässig erscheint, daß der Motor meist an
konstanter Spannung liegt.
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Die Steuerung kann für einen beliebigen Elektromotor verwendet werden,
der mit Gleich- bzw. Wechselstrom gespeist wird, wobei ein Wechselstrommotor aus
einem einphasigen oder dreiphasigen Netz entnommen werden kann. Es ist einleuchtend,
daß die elektrischen Bestandteile der Schaltung je nach den verschiedenen, vom Gleichstrom-
oder Wechselstrombetrieb abhängigen Forderungen sehr verschieden sein können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
ausführlichen Beschreibung, in der auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, die
die Anwendung der Steuerung auf eine mit Drehstrom gespeiste Schleifmaschine als
Beispiel darstellen. In den Zeichnungen zeigt Fig.1 ein Blockschema der gegenseitigen
Anordnung der Werkzeugmaschine und der Steuerglieder gemäß der Erfindung, Fig. 2
ein Schaltbild des Steuergeräts.
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In Fig. 1 liegt das Steuergerät 1 in den Netzzuleitungen eines Drehstrommotors
2 mit diesem in Reihe. Der Motor 2 treibt über ein Getriebe 3 eine Schleifscheibe
4. Der Tisch 5 der Schleifmaschine ist mit Führungen 6 für den Werkstückschlitten
7 ausgestattet. Er ist außerdem auf Führungen 8 verschiebbar, die rechtwinklig zu
den Führungen 6 verlaufen und ein Verschieben (Zustellen) des Tisches 5 zwecks Annäherung
des Werkstückschlittens an die Schleifscheibe 4 zulassen. Beim dargestellten Beispiel
wird der Tisch 5 durch eine Hydraulik 9 bewegt, deren mit dem Tisch 5 fest verbundener
Kolben durch einen Ölstrom beeinflußt wird, dessen Fördermenge durch ein Elektroventil-
11 gesteuert wird. Das Ventil 11 wird durch den Wähler 1 in Abhängigkeit
von den Änderungen der Belastung des Motors 2 gesteuert.
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Die Steuerung enthält ein auf Last ansprechendes Glied (Fühler), welches
die Belastungsänderungen empfängt und in entsprechende spannungsmodulierte Signale
umwandelt. Dieser Fühler wird je nach Anwendungsgebiet verschieden ausgebildet.
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Wird die Steuerung zum Beispiel für einen Gleichstrommotor verwendet,
so kann die Aufgabe des Fühlers meistens einfach durch einen Widerstand erfüllt
werden, der im Nebenschluß an die Motorspeiseleitung angeschlossen ist und in den
durch die Empfindlichkeit des Wählers gegebenen zulässigen Grenzen möglichst klein
gehalten wird. Diese Anordnung erfordert im allgemeinen nachfolgend eine Verstärkung
des ziemlich schwachen Signals an den Enden des Widerstands.
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Soll die Steuerung für einen Wechselstrommotor entsprechend dem dargestellten
Beispiel verwendet werden, so besteht das Fühlglied aus einem oder mehreren Stromwandlern.
Bei dem Beispiel nach Fig. 2 sind drei Stromwandler 12, 13, 14 vorgesehen, die je
in der einen Phase des den Drehstrommotor speisenden Netzes liegen. Die Sekundärwicklung
jedes dieser Wandler schließt sich über eine aus dem Widerstand 15,16 bzw.17 bestehende
ohmsche Last. Durch diese Anordnung erübrigt sich eine anschließende Verstärkung
des an je einer Sekundärwicklung der Wandler auftretenden Signals. Das an den Enden
der ohmschen Widerstände 15, 16, 17 auftretende Spannungssignal soll jedoch gleichgerichtet
und geglättet werden. Dies geschieht durch eine drei Dioden 18, 19, 20 enthaltende
Einrichtung. Hierdurch ergibt sieh ein Nutzsignal, welches jeweils die Resultierende
der Stromaufnahmen in den einzelnen Phasen darstellt, wodurch eine zyklische Phasenverschiebung
aufgehoben und sonstige Unsymmetrien in den Phasen des speisenden Netzes ausgeglichen
bzw. untereinander abgestimmt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ergibt
sich dadurch, daß die Glättung der drei Ausgangsspannungen nach dem Gleichrichten
leichter ist und keinen höheren Aufwand an Glättungsmitteln erfordert, die die Schnelligkeit
der Anpassung des Signals an die jeweilige Belastung des Netzes nachteilig beeinflussen.
Die durch die Diodeneinrichtung gleichgerichtete Spannung wird anschließend durch
einen Kondensator 21 geglättet, zu dem ein Potentiometerwiderstand 22 zur Einstellung
des Signalpegels parallel geschaltet ist. Die Spannung des Signals wird über die
Kontakte 23 a eines Fernschalters 23 auf die Beläge (Platten) eines Kondensators
24 gebracht, die ein dem jeweiligen Signal proportionales Potential annehmen. Durch
ein weiteres Kontaktpaar 23 b des Fernschalters 23 wird ein durch den Spannungsteiler
25 abgenommener Teil des Signals auf einen Widerstand 26 gebracht, der in Reihe
mit dem Kondensator 24 an dessen positive Platte angeschlossen ist. Gitter und Kathode
einer gasgefüllten Elektronenröhre 27 sind über einen Widerstand 28 mit der negativen
Platte des Kondensators bzw. mit den Enden des Widerstands 26 verbunden. In den
Anodenstromkreis dieser Elektronenröhre ist ein Fernschalter 29 gelegt, welcher
die Kontakte des Steuerstromkreises schließt. Dieser Stromkreis
besteht
bei der dargestellten Ausführung aus einem Elektronenventil 11, welches den
zwecks Antrieb des Tisches 5 dem Flüssigkeitsservomotor 9 zuströmenden ölfluß steuert.
Die Primärwicklung eines Transformators 30 ist mit zwei der drei Phasen des
Speisestromkreises verbunden. Die Sekundärwicklungen des Transformators speisen
die Elektronenröhren und Fernschalter. Die Anodenspeisung der Röhre 27 wird
durch ein weiteres durch den Fernschalter 23 gesteuertes Kontaktpaar
23 c eingeschaltet.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Zunächst wird das dem Wert q der
Belastung des Speisenetzwerkes proportionale Signal bei durch das von der Wirkung
des Werkstücks auf das Werkzeug herrührende Bremskräftepaar nicht beanspruchtem
Motor durch den Spannungsteiler 22 auf die Enden des Kondensators 24 gebracht.
Danach wird der den Kondensator belastende Stromkreis durch den von außen bedienbaren-
Fernschalter 23 geöffnet. Der Kondensator 24 wirkt dann als Speicher. Sieht man
von den Isolationsverlusten des Kondensators ab, so bleibt der Spannungsunterschied
an dessen Belägen beliebig lange erhalten; die Belastungsverhältnisse des Motors
im Augenblick des öffnens des Stromkreises sind also durch den Kondensator gespeichert
(Bezugswert q).
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Gleichzeitig mit dem oben beschriebenen Unterbrechen des Belastungsstromkreises
wird durch Betätigung des Fernschalters 23 durch ein zweites Kontaktpaar
23 n der Diskriminatorstromkreis (Vergleichsstromkreis) geschlossen. Dieser Stromkreis
besteht aus dem Widerstand 26, an dessen Enden ein Teil des vom Fühler kommenden
Signals mittels des .Spannungsteilers 25 gelegt wird (Istwert q'). Dieser
Teil des ;Signals ist nach Größe und Richtung eingestellt, wodurch der Gesamtspannungsunterschied
an den Enden des Vergleichsnetzewerks, d. h. an den Enden des Widerstands
26 und Kondensators 24, annähernd Null bzw. beliebig klein wird. Diese
an den Enden der Vergleichsvorrichtung herrschende Spannung, die gleich oder fast
gleich Null ist, verharrt, bis das Signal q', welches der Motorbelastung nach erfolgtem
Einsetzen des Vergleichsvorganges, d. h. nach erfolgter Betätigung des Fernschalters
23, entspricht, dem anfänglich durch den Speicher aufgespeicherten Signal q gleich
wird. Der an den Enden des Vergleichsnetzwerkes bestehende Spannungsunterschied
wird an das Gitter der Elektronenröhre 27 gelegt. Dieser Spannungsunterschied wird
derart eingestellt, daß die Spannung des Gitters der Röhre 27 kleiner ist
als die Sperrspannung der Röhre jeweils bei q - q' = 0.
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Wird der Wert des Signals q' infolge einer Belastungszunahme am Motor,
welche beim Inberührungkommen des Werkstücks mit dem Werkzeug auftritt, größer als
der Wert des aufgespeicherten Signals q, so ist q-q = ii 0.
Dabei wird
das vorher hergestellte Gleichgewicht sofort zerstört, wobei die Gitterspannung
der Röhre 27 die Sperrschwelle übersteigt und die Röhre gezündet wird. Der Anodenkreis
dieser Röhre wird also von einem Strom durchflossen, der das Relais 29 erregt, das
die Steuerstromkreise schließt und das die oben beschriebenen Elektroventile
11 einschaltet.