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Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Programmsteuereinrichtung
für Werkzeugmaschinen, bei der jede Änderung der relativen Lage von Werkzeug und
Werkstück zueinander durch mindestens zwei in dem Programm gespeicherte Impulszahlen
hervorgerufen wird, von denen die erste Impulszahl die gewünschte Relativgeschwindigkeit
von Werkzeug und Werkstück und die zweite Impulszahl entweder die absolute Größe
oder die Koordinaten des Verschiebungsweges in einem festgelegten Koordinatensystem
darstellt, und bei der zwei den Impulszahlen proportionale Spannungen erzeugt werden,
die mittels eines Impulsgenerators in eine mittels Stellmotoren die Größe des Verschiebungsweges
steuernde resultierende Impulsfolge umgesetzt werden, deren Frequenz durch die zweite
Impulszahl bestimmt ist.
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Es ist bereits eine selbsttätige Steuereinrichtung bekannt (französische
Patentschrift 1210 071), bei der zur Änderung der relativen Lage von Werkzeug und
Werkstück zueinander in einem Programmträger, nämlich einem Lochstreifen oder einem
Magnetband, jeweils gruppenweise zwei Impulszahlen gespeichert sind. Die erste Impulszahl
dient zur Festlegung der resultierenden Vorschubgeschwindigkeit, während die zweite
Impulszahl die Größe des Verschiebungsweges in den drei Koordinaten x, y und z angibt.
Die Größe des Verschiebungsweges längs der drei Koordinaten läßt sich bei der Programmierung
leicht ermitteln, wenn man in den Zeichnungen des Werkstückes bestimmte Punkte wählt,
deren Lage durch die Koordinaten X, Y und Z bestimmbar ist. Die Impulszahl für die
resultierende Vorschubgeschwindigkeit bestimmt sich im wesentlichen aus der gewünschten
Schnittgeschwindigkeit. Sie ist wesentlich schwieriger zu ermitteln, da sie mit
Hilfe eines Rechners unter Berücksichtigung der optimalen Schnittbedingungen längs
des Werkstückes berechnet werden muß. Die Impulszahl für die resultierende Vorschubgeschwindigkeit
ist im Prinzp gleich dem Quotienten aus der gewünschten resultierenden Geschwindigkeit
und der jeweiligen Weglänge. Dabei sind zusätzlich die Werkstoffeigenschaften des
betreffenden Werkstückes und die Art des Werkzeuges zu berücksichtigen. Bevor also
die Impulszahl für die resultierende Vorschubgeschwindigkeit in das Programm eingespeichert
, werden kann, sind umfangreiche Vorbereitungen und die Verwendung eines Rechners
notwendig.
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Bei der bekannten Einrichtung werden die beiden Impulszahlen von dem
Programm abgelesen und hieraus eine Impulsfolge erzeugt, deren Impulsfrequenz ;
der Impulszahl für die resultierende Vorschubgeschwindigkeit proportional ist und
deren Gesamtzahl jeweils die Vorschublänge in einer Koordinate angibt. Die Impulsfolge
wird dann jeweils einem Stellmotor zur Ausführung der gewünschten Bewegung durch
das Werkstück oder das Werkzeug zugeführt. Es sind drei Stellmotoren, nämlich für
den Vorschub längs der x-, y- und z-Koordinate, vorgesehen.
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Bei einer anderen bekannten Steuereinrichtung für Werkzeugmaschinen
(»Werkstatt und Betrieb«, 1960, S.525) ist die zurückzulegende Weglänge ebenfalls
durch die Zahl der Impulse und die Tischgeschwindigkeit durch die Impulshäufigkeit
gesteuert. Die Programmierung des Magnetbandes wird dabei so vorgenommen, daß bei
einem handbetätigten Durchlauf alle Bewegungen der Maschine zur Herstellung des
Werkstückes in Impulse aufgelöst und gespeichert werden. Ferner ist es zur Steuerung
von Werkzeugmaschinen bekannt, im Bedarfsfall mittels Digital-Analog-Umsetzer Impulse
in analoge Spannungen umzuwandeln (»Technische Rundschau«, 1960, Nr. 26, S. 9).
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Die bei der bekannten Einrichtung nach der französischen Patentschrift
1210 071 notwendige Vorarbeit würde in Wegfall geraten, wenn in dem Programm unmittelbar
Impulszahlen für die Vorschubgeschwindigkeit selbst eingespeichert werden. Die der
Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, die Steuereinrichtung
so zu gestalten, daß die vom Programmträger abgelesene Impulszahl für die Vorschubgeschwindigkeit
so umgewandelt wird, daß die Steuerung der Stellmotoren in Abhängigkeit von den
Impulszahlen für die Vorschubwege längs der Koordinatenachsen jeweils mit der eingespeicherten
Vorschubgeschwindigkeit erfolgt.
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Diese Aufgabe ist bei einer Programmsteuereinrichtung der eingangs
geschilderten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Impulsgenerator einen
bistabilen Multivibrator aufweist, dessen erstem Eingang die von einer Dekodier-
und Speichereinrichtung gelieferte, der Geschwindigkeit proportionale Spannung über
ein Beschleunigungs-Verzögerungs-Netzwerk, einen Umkehrverstärker, ein Integrierglied
und eine Amplitudenmeßstufe und dessen Ausgang die von einer ebenfalls von der Dekodier-
und Speichereinrichtung beaufschlagten Summierstufe gelieferte, der Verschiebung
proportionale Spannung zuführbar ist.
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Damit ist der Vorteil vermittelt, daß außer der Impulszahl für die
absolute Größe des Verschiebungsweges oder für die Koordinaten des Verschiebungsweges
lediglich die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit, also die Relativgeschwindigkeit
von Werkzeug und Werkstück, beispielsweise in Zentimeter pro Sekunde, gegeben ist.
Die Programmierung ist dadurch wesentlich erleichtert. Trotzdem ergibt sich gegenüber
der bekannten Einrichtung keine Einbuße der Genauigkeit, da bei der Erzeugung der
die Stellmotoren steuernden Impulsfolge ebenfalls auf irgendwelche Ist-Soll-Wertvergleiche,
wie sie bei bekannten Werkzeugmaschinensteuerungen oft verwendet werden, verzichtet
werden kann. Bei plötzlichen Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit vollzieht sich
die Steuerung des Werkzeuges bzw. des Werkstückes nicht stoßartig, sondern in einem
sanften, allmählichen übergang.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein übersichtsschaltbild der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung, F i g. 2 ein Schaltbild der Dekodier- und Speichereinrichtung
zur Erzeugung der analogen Spannungen, F i g. 3 ein Schaltbild der Summierstufe
zur Summenbildung der den Verschiebungswegen proportionalen Spannungen, F i g. 4
ein Schaltbild des Impulsgenerators zur Erzeugung der Impulsfolge.
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In F i g.1 sind in dem Lochstreifen 10 aufeinanderfolgend Informationen
zur Steuerung der Bewegungsinkremente der Werkzeugmaschine gespeichert. Jede Information
besteht aus einer ersten Impulszahl FR für die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit
zwischen Werkzeug und Werkstück und einer zweiten Impulszahl, die die Koordinaten
des Verschiebungsweges in einem dreidimensionalen Koordinaten-
System
angibt. Entsprechend den Weglängen des Vorschubes in den drei Koordinatenrichtungen
ist diese Impulszahl mit D., Dz" DZ bezeichnet.
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Bleibt die Impulszahl für die Vorschubgeschwindigkeit über mehrere
aufeinanderfolgende Informationen hinweg konstant, so wird in dem Lochstreifen nur
dann die erste Impulszahl eingespeichert, wenn eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit
erfolgen soll. Bis eine neue unterschiedliche Impulszahl für die Vorschubgeschwindigkeit
auf dem Lochstreifen erscheint, wird die vorangegangene Impulszahl in der Steuereinrichtung
gespeichert.
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Der Lochstreifen wird in einem Lesegerät 12 gelesen. Die von dem Lesegerät
12 gelieferten Impulszahlen für die Verschiebungswege D., D, und DZ werden in dem
Steuergerät 14 in die drei Kanäle x, y und z aufgestellt und drei Stellmotoren 16,18
und 20 für die drei Koordinatenachsen x, y und z zugeführt. Die Stellmotoren 16,
18, 20 bewirken die entsprechende Steuerung der Schlitten der Werkzeugmaschine 22.
Die Größe der Verschiebungen ist jeweils von der Impulsanzahl abhängig, während
die Vorschubgeschwindigkeit von der Impulsfrequenz abhängig ist. Wie im folgenden
beschrieben ist, wird von einem Impulsgenerator 26 über eine Leitung 24 dem Steuergerät
14 eine Impulsfolge zugeführt, die sicherstellt, daß jeder Stellmotor 16,18 und
20 seinen Verschiebungsweg mit der richtigen Vorschubgeschwindigkeit ausführt.
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Von dem Steuergerät 14 werden die vom Lesegerät 12 gelieferten Impulszahlen
für die Vorschubgeschwindigkeit FR und für die Verschiebungswege Dx, D,, und DZ
über eine Leitung 32 einer Dekodier-und Speichereinrichtung 34 zugeführt, in der
den Impulszahlen proportionale analoge Spannungen VFR, VDx, VDy und VD, erzeugt
werden. Die der Geschwindigkeit proportionale Spannung VFR wird über ein Beschleunigungs-Verzögerungs-Netzwerk
36 und eine Leitung 28 auf den ersten Eingang des Impulsgenerators 26 übertragen,
während dem zweiten Eingang des Impulsgenerators über eine Leitung 30 die der Verschiebung
proportionale Spannung VR zugeführt wird, die in einer Summierstufe 38 aus den Spannungen
für die Verschiebungen längs den einzelnen Koordinatenachsen gebildet wird.
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In F i g. 2 ist der Aufbau der Dekodier- und Speichereinrichtung 34
dargestellt. Die Impulse durchlaufen zunächst eine Impulsformerstufe 50. Anschließend
wird von den formierten Impulsen über einen Widerstand 52 ein Kondensator 54 aufgeladen,
der parallel zu einem Verstärker 56 geschaltet ist. Ein Transistor 58 schaltet einen
Widerstand 60 zum Kondensator 54 parallel. Dadurch erhält das RC-Glied 54, 60 eine
Zeitkonstante, die so groß ist, daß sich der Kondensator 54 zwischen dem Eintreffen
zweier Impulse um 50 % entlädt.
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Nach dem Empfang aller zu einer vorgegebenen Verschiebung gehörenden
Impulse, beispielsweise nach der Impulszahl Dx, öffnet der Transistor 58 den Widerstand
60, so daß die Ladung des Kondensators 54 auf einen Speicherkondensator 64 übertragen
werden kann. Zu diesem Zweck müssen noch Transistoren 62 und 68 umgeschaltet werden.
Ist die Übertragung der Ladung vom Kondensator 54 zum Kondensator 64 vollzogen,
so werden die Transistoren 62 und 68 wieder umgeschaltet. Mittels eines Verstärkers
66 ist die Zeitkonstante des Stromkreises so groß, daß der Kondensator 64 seine
Ladung bis zum Empfang der nächsten Impulszahl D" speichert. Die Spannung am Kondensator
64 ist mit VD, bezeichnet.
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In gleicher Weise erfolgt im Stromkreis 52, 54, 56, 58, 60 die Umwandlung
der Impulszahlen Dy,, DZ und FR in proportionale Spannungen, die anschließend in
mit dem Stromkreis 62, 64, 66, 68 identischen nicht weiter bezeichneten Stromkreisen
gespeichert werden. Deren Ausgangsspannungen sind entsprechend mit VDy, VD, und
VFR bezeichnet.
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Die proportionalen Spannungen VD., VD,, und VD. werden einer an sich
bekannten (I. R. E. WESCON Convention Record, 1958, S.123) in F i g. 3 gezeigten
Summierstufe 38 zugeführt, in der die geometrische Summe der drei Spannungen gebildet
wird. Zunächst wird dabei die geometrische Summe der Spannungen VD, und VD, gebildet.
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Hierzu werden die Spannungen VD., und VD,, jeweils paarweise geschalteten
Widerständen 70 und 72, 74 und 76, 78 und 80 zugeführt. Eine Hilfsspannung Vs wird
jeweils über einen Widerstand 82, 84 und 86 den paarweise geschalteten Widerständen
parallel aufgeschaltet. Diese Hilfsspannung stellt den durch nachgeschaltete Dioden
88, 90 und 92 fließenden Strom so ein, daß die Dioden im linearen Bereich ihrer
Spannungs-Strom-Kennlinie arbeiten.
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Die an den Dioden 88, 90 und 92 summierte Spannung wird über einen
Widerstand 96 einem Summierverstärker 94 zugeführt, der auch das Vorzeichen der
Spannung umkehrt. Parallel zum Summierverstärker 94 liegen ein Widerstand 100 und
mit letzterem in Reihe eine Diode 98, die zur Kompensation der Nichtlinearität der
anderen Dioden dient. Der Verstärker 94 weist über einen Widerstand 102 einen Rückkopplungspfad
zum Eingang der Widerstände 82, 84 und 86 auf. Die Spannung am Ausgang des Verstärkers
94 ist gleich dem Wert
In jeweils paarweise geschalteten Widerständen 108 und 110,114 und 116,120 und 122
erfolgt die Summenbildung des letztgenannten Ausdrucks und der Spannung VD,. Diese
Spannung steht an dem Verstärker 104 an, der ihren negativen Wert - VD, bildet.
Die Anschaltung der Hilfsspannung VS über weitere Widerstände 106, 112 und 118 und
eines Rückkopplungspfades des Verstärkers 132 über einen Widerstand 138 erfolgt
in der bereits beschriebenen Weise. Die an Dioden 124,126 und 128 anstehende Summenspannung
wird über einen Widerstand 130 an einen Summierverstärker 132 geführt, der wiederum
eine negative Spannung bildet. Parallel zum Verstärker 132 liegen ein Widerstand
136 und eine Diode 134 in Reihe. Am Ausgang des Verstärkers 132 steht die Spannung
an. In der F i g. 4 ist der Impulsgenerator 26 dargestellt. Die der Vorschubgeschwindigkeit
proportionale Spannung VFR wird durch ein Beschleunigungs-Verzögerungs-Netzwerk
36, das ein Tiefpaßfilter ist und aus zwei hintereinandergeschalteten RC-Gliedern
144,142 besteht, und über die Leitung 28 und den Verstärker 140 zu dem ersten Eingang
des Impulsgenerators 26 geführt. Das Netzwerk 36 glättet die Spannung im übergangsbereich
bei einer Änderung der Vorschubgeschwindigkeit.
Der Impulsgenerator
26 ist ein Sägezahngenerator. Die Vorderflanke der Sägezahnspannung ist proportional
der Amplitude der der Geschwindigkeit proportionalen Spannung VFR und die Hinterflanke
proportional der Amplitude der der Verschiebung proportionalen Spannung VR.
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Der Impulsgenerator enthält einen bistabilen Multivibrator 146, an
dessen Eingänge je ein UND-Gatter148 und 150 geschaltet ist. Jeweils ein Eingang
der UND-Gatter 148 und 150 ist mit einem nicht dargestellten Taktsteuergenerator
verbunden, so daß die entsprechenden Eingänge in bestimmten Zeitabständen an Spannung
gelegt werden. Der andere Eingang des UND-Gatters 150 ist mit einem Ausgang 152
des Multivibrators 146 verbunden, so daß der Multivibrator 146 nach erfolgter Auslösung
schnell in den Ausgangszustand zurückgestellt wird.
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Die Spannung VFR auf der Leitung 28 wird vom Verstärker 140, der den
inversen Wert der Spannung bildet, über einen Widerstand 154 auf einen Kondensator
156 gegeben. Parallel zum Kondensator 156 liegt ein Verstärker 158. Der Verstärker
158 und der Kondensator 156 bilden ein bekanntes Integrierglied, dessen Ausgangsspannung
von einer Amplitudenmeßstufe 160 festgestellt wird, wobei beim Auftreten einer ausreichend
hohen Spannung diese auf den Eingang des UND-Gatters 148 durchgeschaltet wird, worauf
der Multivibrator 146 ausgelöst wird. Dabei entsteht am Ausgang 152 des Multivibrators
146 eine Spannung, die über einen Widerstand 162 zu Dioden ; 164 und 166 sowie zu
einem Widerstand 168 gelangt. Die Kathode der Diode 166 bildet den zweiten Eingang
des Impulsgenerators und ist mit der Leitung 30 verbunden, auf welcher die der Verschiebung
proportionale Spannung -I- VR ansteht.
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Sobald die vom Multivibrator 146 erzeugte Spannung an der Anode der
Diode 166 ansteht, wird die Spannung VR über den Widerstand 168 auf das Integrierglied
156,158 übertragen. Am Integrierglied 156, 158 wird nun die Differenz
der Spannungen VFR - VR gebildet, wobei die Widerstände 168 urid 154 so gewählt
sind, daß die Hinterflanke dargestellt wird.
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In dem Augenblick, in dem der Multivibrator in seinen Ausgangszustand
zurückgekehrt ist, was durch einen weiteren Impuls von dem nicht dargestellten Taktsteuergenerator
erfolgt, verschwindet die Spannung am Ausgang 152, und die nun folgende Vorderflanke
der Sägezahnspannung wird allein vom Anstieg der Spannung VFR am Ausgang des Integriergliedes
bestimmt. Der Multivibrator 146 bleibt so lange in seinem Ruhezustand, bis die Amplitudenmeßstufe
160 wieder eine ausreichend große Spannung zum Durchschalten an dem Multivibrator
feststellt.
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Die am Ausgang des Impulsgenerators 26 entstehende Sägezahnspannung
stellt eine Impulsfolge dar, deren Frequenz direkt proportional der der Geschwindigkeit
proportionalen Spannung VFR und umgekehrt proportional der Spannung VR für die Verschiebung
ist. Diese Impulsfolge wird über die Leitung 24, die am Ausgang des UND-Gatters
150 angeschlossen ist, an das Steuergerät 14 gegeben (F i g. 1). Von dem Steuergerät
14 werden die Stellmotoren 16, 18. 20 der Werkzeugmaschine 22 mit Impulsen gespeist.
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Die Steuereinrichtung kann durch einen Impulsvervielfacher ergänzt
werden, der zwischen das Steuergerät 14 und die Stellmotoren 16, 18, 20 eingeschaltet
ist. Der Ausgang des Impulsvervielfachers liefert dann ein ganzzahlig Vielfaches
der Anzahl der Eingangsimpulse. Die Steuereinrichtung selbst braucht also nur einen
Bruchteil der an die Stellmotoren zu liefernden Impulse zu verarbeiten. Die Einstellung
des Multiplikationsfaktors für den Impulsvervielfacher kann von einem Rechengerät
vorgenommen werden, das von der Dekodier- und Speicherstufe gespeist wird. Zwischen
den Impulsgenerator 26 und das Steuergerät 14 muß dann noch eine Zählstufe geschaltet
werden, der ebenfalls der Multiplikationsfaktor von dem Rechengerät zugeführt wird,
so daß die vom Impulsgenerator 26 gelieferte Impulsfolge durch den Multiplikationsfaktor
dividiert wird. Somit kann die Steuereinrichtung unabhängig vom jeweiligen Multiplikationsfaktor
des Impulsvervielfachers betrieben werden. Um ein plötzliches Absinken der Impulsfolgenfrequenz
des Impulsgenerators 26 zu vermeiden, wenn sich die Impulszahl für die Vorschubgeschwindigkeit
FR verkleinert, wodurch auch der Multiplikationsfaktor entsprechend verkleinert
wird, speichert man den Multiplikationsfaktor der vorangehenden Information in dem
Rechengerät. Das Rechengerät wählt dann den jeweils größeren Multiplikationsfaktor
aus.