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Verfahren und Vorrichtung zur Vornahme von Positions- Korrekturen
bei der numerisohen Steuerung von Werkzeugmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung bei der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen
zur Berücksichtigung von ICorrekturen, die sich aus einer Abweichung der Werkzeugsohneidenlage
von einer gegenüber einem 3ezugspunkt oder einer Bezugsachse der Maschine definierten
Sollage ergeben, wobei in einer programmierten Kontroliposition für den Werkzeugträger
die Abweiohung der Werkzeugschneidenlage von der Sollage festgestellt und als Korrekturwert
der numerischen Steuerung eingegeben wird.
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Die Abweiohung der Werkzeugschneidenlage von der Sollage kann z.B.
durch eine ungenaue Einspannung des Werkzeuges, durch Formänderungen der Masohine
sowie durch den Verschweiß des Werkzeugen bedingt sein. Gerade der Werkzeugverschleiß
stellt bei numerisch gesteuerten Werkzeugma schinken ein besonderes Problem dar.
Durch den Werkzeugverschleiß
wird die Genauigkeit der bearbeiteten
Werkstücke unmittelbar beeinflußt, ohne daß dies jedoch im Programm von vorneherein
berücksichtigt werden kann.
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Vielfach wird der Werkzeugverschleiß durch Kontrolimessungen am Werkstück
ermittelt, die von Hand nach erfolgter Bearbeitung des Werkstückes vorgenommen werden
oder zu deren Durchführung die Bearbeitung unterbrochen werden muß. Es ist auch
bekannt, den Werkzeugträger mit dem Werkzeug in eine programmierte Kontrollposition
einzufahren und in dieser den Verschleiß des Werkseugeß festzustellen. In beiden
Fällen wird der ermittelte Korrekturwert von Hand an sog. Korrekturschaltern der
numerischen Steuerung eingestellt.
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Solche Methoden zur Ermittlung und 3erüoksichtigung des Werkzeugverschleißes
sind aufwendig und können nur von qualifiziertem Bedienungspersonal vorgenommen
werden. Da Werkzeugmaschinen mit numerischen Steuerungen Jedoch durch ungelernte
Kräfte bedienbar sein sollen, sind die geschilderten Verfahren unbefriedigend.
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Ziel der Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile und Unzulänglichkeiten
zu überwinden und eine Möglichkeit zur automatischen Durchführung von Korrekturen
bei numerasch gesteuerten Werkzeugmaßohinen zu schaffen, so daß es auch nicht mehr
erforderlich ist, für die betreffenden Kontrollmeseungen und für die anschließenden
Eingriffe in die Steuerung besondere geschultes Personal zur Verfügung
zu
haben. Die Erfindung strebt ferner die Schaffung vorteilhafter Nittel zur Erreichung
dieses Ziele an.
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Zu diesem Zweck geht die Erfindung davon aus, daß der Werkzeugträger
mit dem Werkzeug in eine programmierte Kontrollposition verfahren wird, und sieht
vor, daß bei in dieser Kontrollposition festgestellter Abweichung der Werkzeugschneidenlage
von der Sollage der Werkzeugträger mittels selbsttätig gesteuerten Antriebs in eine
der Sollage der Werkzeugschneide entsprechende Korrekturposition verfahren wird
und dabei der vom Werkseugträger zurückgelegte Weg ermittelt und in Form einer von
der Steuerung verwertbaren Größe zum Abruf innerhalb des Programms der Steuerung
gespeichert wird. Es ist also eine Meßstelle vorhanden, die ein bekanntes Msß zum
Bezugapunkt oder der Bezugsachse der Maschine hat.
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Bei Niohterreichen der Nullmarke dieser Meßstelle erfolgt selbsttätig
eine weitere Zustellung des Werkzeuges durch die Antriebe der verschiebbaren Maschinenteile'
in den entsprechenden Achsen und eine gleichzeitige Speicherung der Korrekturgrößen
in Verbindung mit der numerischen Steuerung.
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Auf diese Weise ist es schnell und einfach möglich, ohne geschultes
Personal die erforderliche Korrektur zu erzielen. Dies gilt nicht allein für die
Berücksichtigung des Werkzeugverschleißes, sondern kann z.B. auch dazu dienen, grob
im Werkzeughalter voreingestellte Werkzeuge
in die genaue Bezugsposition
zum Programm zu bekommen.
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Eine zweckmäßige Vorrichtung zur DurchfUhrung des geschilderten Verfahrens
weist Meßelemente für die Erfassung der Position des Werkzeugträgers auf und kennzeichnot
sich gemaß der Erfindung durch einen im Weg der Werkzeugschneide beim Einfahren
des Werkzeugträgers in die Kontrollposition angeordneten beweglichen Stößel od.dgl.,
einen durch die Bewegung des Stößels zu betätigenden mechanisch-elektrischen Wandler
und durch ein das Wandlersignal mit einem von den Meßelementen für die Werkzeugträgerposition
gelieferten Referenzsignal vergleichendes Auswerte- und Steuergerät sowie einen
Speicher für den Korrekturwert.
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Für die Erfassung der Werkzeugträgerposition lassen sich die ohnehin
an der Maschine vorhandenen Meßeinrichtungen der numerischen Steuerung benutzen.
Als mechanisch-elektrischer Wandler, der durch den beweglichen Stößel od.
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dgl. zu betätigen ist, kann ein induktiv oder kapazitiv arbeitender
Geber, ein Potentiometer, ein Resolver od.
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dgl. verwendet werden, wobei sich ohne Schwierigkeiten die Art der
jeweiligen Steuerung berücksichtigen läßt.
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So kann es z.B. vorteilhaft sein, einen Resolver oder ähnlichen Wandleer
vorzusehen, der eine Winkelbewegung durch die Drehung seines Rotors gegenüber dem
Stator in eine analoge elektrische Phasenverschiebung umwandelt.
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Der Antrieb des Resolvers geschieht durch den Stößel
über
ein spielfreies Neßgetriebe.
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Die den Soll- oder Nullwert verkörpernde Stößelposition wird zweckmäßig
in die Mitte des Bewegungsbereiches des Stößels gelegt. Bei vorhandenem Werkzeugverschleiß
wird die vorgegebene Nullstellung nicht erreicht. Ist als Wandler ein Resolver gewählt,
dann erzeugt dieser ein auf das von der Meßeinrichtung der numerischen Steuerung
gelieferte Maßstabssignal (Referenz- oder Bezugsphasensignal) bezogenes phasenabhängiges
Ausgangesignal, das sowohl für die Positionsermittlung als auch für die Richtungsauswertung
verwendet wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Speicherung des
Korrekturwertes ein mittels Schrittmotors antreibbares Potentiometer vorgesehen,
wobei der Schrittmotor in Abhängigkeit von dem verarbeiteten Wandlersignal steuerbar
ist. Dies stellt eine einfache, genaue und betriebssichere Lösung dar. Der Schrittmotor
kann seine Impulse von einem Zähler erhalten, dem ggfs.
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über einen Analog-iigital-Umsetzer die sich aus der Auswertung der
Positionefestatellung ergebenden Signale zugeführt werden.
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Wenn Korrekturen in mehreren Richtungen oder Achsen vorzunehmen sind,
besteht eine einfache Ausbildung der Vorrichtung gemäß der Erfindung darin, daß
einem einzigen meohanisoh-eleXtrisohen Wandler mehrere in versohiedene Richtungen
weisende Stößel od.dgl. zugeordnet sind.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachstehenden Erläuterung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen: Fig. 1 wesentliche Teile einer numerisch gesteuerten Senkrechtdrehmaschine
mit Korrektureinrichtung, Fig. 2 die Anordnung mehrerer Stößel zur Betätigung eines
mechanisch-elektrischen Wandlers, Fig. 3 ein Blockschaltbild der Korrektureinrichtung,
Fig. 4 ein Diagramm des Korrekturvorganges und Fig. 5 schematisch ein Speicherglied
mit zugehörigem Ausgangssignal.
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Die in Fig. 1 lediglich mit den hier interessierenden Teilen dargestellte
Senkrechtdrehmaschine enthält eine auf einem Untersatz 1 um die Achse 2 drehbar
gelagerte Planscheibe 3, einen Querbalken 4 mit daran horizontal in X-Richtung verschiebbarem
Schlitten 5 und einen an dem Schlitten 5 vertikal in Z-Ric1rng verstellbaren Schieber
6 mit einem Werkzeughalter 7 oder Revolverkopf für Drehwerkzeuge W1, W20 Mit der
Ziffer 8 ist der Schaltschrank einer numerischen Steuerung far die Maschine bszeichnet.
Die Verschiebung des Schlittens 5 in X-RichtuRg wird mittels eines Antriebs 9 und
sonstiger bekannter im einzelnen nicht dargestellter Elemente bewirkt. Zur Ermittlung
der Position des Sohlittena 5 Querbalken 4 dient eine Meßeinrichtung, die beiBpielaweise
einen
in den WQuerbalken 4 eingelassenen induktiven Maßstab 10 und ein am Schlitten 5
angeordnetes Abtastgerät 11 aufweist. Ein entsprechender Antrieb und eine entsprechende
Meßeinrichtung sind fttr die Verstellung des Schiebers 6 vorgesehen, Jedoch der
Übersichtlichkeit halber nicht besonders wiedergegeben.
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In einem genau definierten Abstand a von der Drehachse 2 der Planscheibe
3 und ebenso in einer genau definierten Höhe über der Planscheibensufspannfläche
oder einer anderen Bezugaebene ist eine Vorrichtung 12 zur Ermittlung der Werkzeugschneidenlage
bei einer gegebenen Position von Schlitten 5 und Stößel 6 angeordnet. Dieselbe kann
beispielsweise Justierbar an einem feststehenden Maschinenteil angebracht sein.
Diese Vorrichtung 12 enthält in einem Gehäuse 13 (vgl. auch Fig. 2) drei translatorisch
bewegbare Stößel 812 S2 83, von denen Jeder eine Anschlagplatte 14 aufweist und
auf einem Teil seiner Länge als Zahnstange 15 ausgebildet ist.
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Alle drei Stößel 81 S2, S3 greifen mit ihren Zahnstangenteilen 15
in eine entsprechend breite Verzahnung eines Ritzels 16 ein, das auf einer Welle
mit einem weiteren Zahnrad 17 sitzt, welches seinerseits in ein Zahnrad 18 eingreift.
Die Welle des letzteren ist die Antriebswelle für einen am Gehäuse 13 befestigten
Reschrere 19 (Fig. 1), der eine Winkeländerung in eine analoge elektrische Phasenverschiebung
umwandelt.
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In Fig. 2 sind die Stößel S1, S2, 83 in einer Mittelstellung wiedergegeben,
die der Nullstellung des Resolvers 19 entspricht. Diese Lage der Teile ergibt sich,
wenn ein Werkzeug einen der Segel bewegt hat und sich dann in der Sollage befindet.
Ein solches Werkzeug W1 ist in Fig. 2 strichpunktiert angedeutet. Im übrigen ist
daß Neßgetriebe durch geeignete Mittel, z.B Federt ein geteiltes Ritzel oddgl. so
vorbelastet, daß die Stößel S1, S2, S, gegen nicht dargestellte, ihre Bewegung begrenzende
Anschläge in eine Richtung gedrückt werden, die der Richtung des Verschleißes am
Werkzeug entspricht.
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Der Resolver 19 ist über eine Leitung 20 mit einem Gerät 21 verbunden,
das seinerseits über ein Kabel 22 an den Schaltschrank 8 der numerischen Steuerung
angeschlossen ist und die Speicher für die Korrekturwerte enthält.
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In der Steuerung ist für Jedes Werkzeug bzw. Jede Richtung eine Kontrollposition
programmiert, d.h. eine solche Lage des Schlittens 5 und des Schiebers 6, daß Jeweils
ein Werkzeug auf die Ansohlagplatte 14 eines ibm zugeordneten Stößels auftrifft,
In Fig. 1 ist strichpunktiert der Weg eingezeichnet, den das Werkzeug W1 aus der
dargestellten Position zurücklegen muß, um zur Anlage an der Anschlagplatte 14 des
Stößel. B; zu kommen und den Stößel zu bewegen Ist diese Kontrollposition erreicht,
kann durch einen Hilfsbefehl oder auch durch ein auszulösendes Kommando
der
Korrekturvorgang gestartet werden. Ergibt sich dabei durch Auswertung des vom Resolver
19 abgegebenen Signals mit Bezug auf den von der Meßeinrichtung 10, 11 gelieferten
Positionswert für den Schlitten 5, daß die Werkzeugschneide ihre Sollposition erreicht
hat, braucht naturgemäß keine Berichtigung zu erfolgen.
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Wird dagegen eine Abweichung der Werkzeugschneidenlage von der Sollage
festgestellt, so erfolgt ein selbsttätiges Einschalten des Antriebs 9, der den Schlitten
5 so lange weiter zusteht, bis die Werkzeugschneide ihre Sollage erreicht hat. Der
bei dieser weiteren Zustellung in der betreffenden Richtung zurückgelegte Weg wird
als Korrekturwert in einer der Steuerung angepaßten Weise gespeichert und kann dann
Jeweils beim Einsatz des betreffenden Werkzeuges vom Programm abgerufen werden.
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird bei einer solchen weiteren Zustellung
s des Werkzeugträgers die Vorschubgesohwindigkeit v herabgesetzt. Dies geschieht
selbsttätig vom Erreichen einer in bestimmtem B Abstand vor dem Nullwert liegenden
Position mit an sich bekannten Mitteln, wie sie auch sonst bei numerischen Steuerungen
zur allmählichen Verminderung der Einfahrgeschwindigkeit in eine Position verwendet
werden.
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Die Nullage befindet sich in einem Bereich, der hier als Totbandson
beseichnet ist.
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Die Größe dieser Zone kann einstellbar sein und wird so bemensen,
daß beim Korrekturvorgang des betreffende
Werkzeug unter Berücksichtigung
der Trägheit der bewegten Massen genau in die Nullage einfährt.
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Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine zweckmäßige Einrichtung zur Durchführung
des zuletzt geschilderten Vorganges.
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In Fig, 3 ist mit strichpunktierten Linien 23 eine im Blockschaltbild
wiedergegebene Einheit angedeutet, die dem Gerät 21 nach Fig. 1 entsprechen kann,
während mit strichpunktierten Linien 24 die numerische Steuerung selbst angedeutet
ist, wie sie nach Fig. 1 im Schaltschrank 8 untergebracht ist. Mit der Ziffer 19
ist wieder der vorgesehene Resolver bezeichnet.
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Die Einheit 23 umfaßt ein Auswerte- und Steuergerät 25 mit Phas endiskriminator,
einen Korrekturhilfsbefehlspeicher 26, Korrekturpaarspeicher 27 und Korrektur-Speicher
28, aus dennX Jeweils die erforderlichen Korrekturwerte 29 abgerufen werden können.
Mit der Ziffer 30 ist ein Referenzeignal bezeichnet, das aus der vorhandenen numerischen
Steuerung 24 übernommen wird und auf der Positionsmessung für den verstellbaren
Werkzeugträger mittels der Neßeinrichtung 10, 11 beruht. Dieses Referenzaignal 30
wird zusammen mit dem vom Resolver 19 gelieferten Rückmeldesignal 31 im Gerät 25
nach hohtung und Größe ausgewertet. Das Vorzeichen wird verwendet, um den nur an
einer Seite der Nullstelle (Fig. 4) liegenden Bereich der Herabsetzung der Vorsohubgeschwindigkeit
zu erkennen. Die Größe der Phasenabweichung gibt die Positionsabweichung an. Entsprechend
der Auswertung
des Größen- und Richtungssignals des Phasendiskriminators
durch das Gerät 25 wird ein Geschwindigkeitssignal 32 an den Korrekturspeicher 28
gegeben. Außerdem ergeht eine Meldung an den Korrekturhilfebefehlespeicher 26, sobald
die Totbandsone (Fig. 4) erreicht ist.
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Der Korrekturhilfebefehlespeicher 26 erhält von der numerischen Steuerung
24 Eilfsbefehla 53, die die zu korrigierende Ach@@ und deren Verfahrrichtung angebau.
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Die Hilfebefehle 33 bleiben während des Korrekturvorganges gespsichert
und werden wieder gel@scht, wenn das betreffende Werksaug die Totbandsone erreicht
hat und für eine gewisse Beit in derselben verweilt. Während des Korrekturvorganges
wird über ein Signal 34 das Programm gestoppt. Die Hilfabefehle 33 werden in Korrekturhilfsspeicher
26 nach Achse und Korrekturrichtung aus-Jg cher 28 weitergeleitet. Das Signal 37
gibt an, daß ein Korrekturzyklus läuft. Von der vorbandenen numerischen Steuerung
her werden die Signale 58 einer Dekade der Werkzeugadresse in der Einheit 27 sur
Speicherung der Korrekturpaare ausgewertet und gespeichert. Die Ausgangasignale
39 des Speichers 27 gehen ebenfalls an die Korrekturspeicher 28.
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Zur Speicherung der Korrekturwerte dienen Potentiometer 40 (Fig. 3
und 5), die von Schrittmotoren 41 angetrieben werden. Letztere werden Jeweils nach
entsprechender Auswahl vom Auswerte- und Steuergerät 25 über einen
Analog-Digital-Umsetzer
und Zähler angesteuert. Die Stellung jedes dieser Potentiometer 40 ist dann ein
Maß für den Korrekturweg. Der Korrekturbereich entspricht jeweils dem elektrischen
Verstellbereich eines solchen Potentiometers. Die Potentiometer haben keine Anschläge,
so daß jedes derselben über seine elektrische Endstellung hinaus verdreht werden
kann. Beim Uberfahren der Endstellung des Potentiometers springt daher das Ausgangssignal
wieder auf das Anfangssignal bzw.
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auf Null (Fig. 5).
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Das analoge Ausgaugssignal jedes Potentiometers 40 wird zum Erzeugen
einer Drift im Analogteil des Positionsregelkreises der Steuerung verwendet, die
sich im geschlossenen Regelkreis als Positionsversatz auswirkt.
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Wird bei einem Korrekturvorgang die Nullstellse vor der Korrektur
überfahren - Ursache hierfür kan z.B. die Wärmedehnung der Masch@@e oder ein nicht
richtig eingestelltes Werkzeug sein-, so erfolgt eine weitere Verstellung des Werkzeuges
mit maximaler Korrekturgeschwindigkeit in der gleichen Richtung, wie Fig. 4 zeigt.
Dieses Weiterfahren in der gleichen Richtung dient dazu, den Einfluß des Umkehrspieles
auf den Korrekturvergang zu eliminieren. Die Nullposition wird dann dadurch erreicht,
daß das an der Grenze de Korrekturbereichs angekommene Werkzeug mit der größten
möglichen Geschwindigkeit an den Anfang desselben zurückfährt, worauf dann der Einfahrvorgang
in die Nullstellung stattfindet.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw.
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in der Zeichnung dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte
Stand der Technik es zuläßt, für sich allein oder auch in Kombinationen als unter
die Erfindung fallend angesehen werden, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich
erwähnt sind.
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PatentansrUche