DE1948011A1

DE1948011A1 - Verfahren zur adaptiven Regelung von Werkzeugmaschinen,insbesondere Drehmaschinen

Info

Publication number: DE1948011A1
Application number: DE19691948011
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr-Ing Meyer; Gerhard Dipl-Ing Sautter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-23
Filing date: 1969-09-23
Publication date: 1971-03-25
Also published as: CH516975A; FR2066916A2; FR2066916B2; GB1330355A

Description

Verfahren zur adaptiven Regelung von Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen

Zusatzanmeldung zur Patentanmeldung P 18 03 742.8 v.18.10.1968 = PLA 68/1358.

Die Erfindung betrifft die adaptive Regelung einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Drehmaschine.

In der Patentanmeldung P 18 03 742.8, zu der die hier vorliegende Erfindung ein Zusatz ist, ist bereits ein Verfahren zur adaptiven Regelung von Werkzeugmaschinen beschrieben, bei der eine Verminderung des Arbeitsvorschubes und/oder der Bewegung des Werkzeuges in Richtung verminderter Zustellung solange vorgenommen wird, wie die von der Verforraungsleistung abhängige Grosse einen oberen Schwellwert überschreitet und eine Zustellung jeweils bis höchstens zur programmierten Kontur - solange, wie die von der Verformungsleistung abhängige Größe einen unteren Schwellwert überschreitet. Der BearbeitungsVorgang, d.h. die Eingabe desa-elben Programmes indie Steuerung, wird dabei solange wiederholt, bis die tatsächliche Kontur des Werkstückes mit der auf dem Lochstreifen programmierten Kontur übereinstimmt.

Bei dem Ausführungsbeispiel des vorstehend genannten Patentee wurde als Ersatzgröße für die Zerspanungs- bzw. Verformungsleistung einer Drehmaschine das Spindeldrehmoment benutzt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ereatzgröße für die Zerapanungsleistung zu finden, mit der auch bei wechselnder Drehzahl die Maschine voll ausgelastet werden kann und gleichzeitig ein Verfahren anzugeben, mit dem diese Eraatzgröfle zur Steuerung der Vorschübe ausgenutzt werden kann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorschubgeschwind igke it in der einen Richtung der Werkstück- oder Werkzeugbewegung von der aus Drehzahl und Drehmoment errechneten Zerspanungsleistung und mindestens ein Vorschub in einer dazu senkrechten Richtung von der erstgenannten Vorschubgeschwindigkeit und/oder vom Differentialquotienten der errechneten Zerspanungsleistung abhängig ist. Das Verfahren kann bei einer Drehmaschine z.B. in der Weise ausgebildet werden, daß der Planvorschub erst dann freigegeben wird, wenn der Längsvorschub einen bestimmten Wert unterschreitet.

^ Solange die Zerspanungsleistung dann trotzdem noch einen bestimm- * ten Wert überschreitet, kann dann auch der Planvorschub in Abhängigkeit von der Zerspanungsleistung herabgesetzt werden.

Anhand einer Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf von Zerspanungsleistung, Längsund Planvorschub bei einer Drehmaschine,

Pig. 2 die Lage des Bearbeitungswerkzeuges während einiger der in Fig. 1 näher herausgehobenen Zeitpunkte,

Fig. 3 eine Schaltung zur Durchführung des in Fig. 1 dargestellten Bearbeitungsverlaufes,

Fig. 4 eine Schaltung zur Konstanthaltung der Schnittgeschwinfe digkeit bei Drehmaschinen mit zunehmendem Drehdurchmesser,

Fig. 5 die Steuerung des Planvorschubs bei einer Drehmaschine in Abhängigkeit vom Differentialquotienten der Zerspanungsleistung.

Die Adaption geht aus von der Verformungs- bzw. Zerapanungsleistung P als Meßwert. Dieser Meßwert wird errechnet aus Spindeldrehmoment M und Spindeldrehzahl n.

Das Werkzeug Dr, in diesem Beispiel der Drehstahl, führt im sogenannten Schnellgang V_Q an das Werkstück W heran. Zur Zeit ti kommt der Drehstahl Dr in Eingriff. Sine Umschaltung vom Schnellgang auf den programmierten Arbeitsvorachub V kann allerdings erst dann vorgenommen werden, wenn eine bestimmte Mindestschwelle P_min der Zerapanungaleistung P_z überschritten wird. Dies ge-

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schieht zum Zeitpunkt tp. Der Drehstahl· Dr dringt jetzt weiter in das Werkstück W ein, bis zum Zeitpunkt t, die Nennzerspanungsleistung für die Längsbearbeitung P __ (längs) überschritten wird. Ab diesem Zeitpunkt wird die Vorschubgeschwindigkeit

V des Längsvorschubes heruntergeregelt. Unterschreitet die Geschwindigkeit V einen bestimmten Mindestwert Y . , wie es zum Zeitpunkt t. geschieht, so setzt zusätzlich eine Regelung des Planvorschubes V ein. Zunächst bewirkt die Regelung des Plan-Vorschubes nur eine Verminderung der Schnittiefe, indem nämlich mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit V in Planrichtung X der Drehmeißel Dr zurückgezogen wird. Nur in dem Fall, wenn diese Maßnahme keine Verminderung der Zerspanungsleistung P bringt, sondern diese den Wert P (plan) überschreitet, wird zusatzlieh auch noch die Vorschubgeschwindigkeit V in Planrichtung X

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heruntergeregelt. Dies ist z.B. dann notwendig, wenn ein Drehteil mit konstanter Spindeldrehzahl bearbeitet wird, da bei zunehmendem Drehdurchmesser die Zerspanungsleistung ebenfalls zunimmt. Durch die Regelung des Planvorschubs wird verhindert, daß beim Plandrehen bzw. bei der Verminderung der Schnittiefe die maximale Zerspanungsleistung P_VTno_ (plan) überschritten wird. Ist der Drehstahl Dr am äußeren Durchmesser des Werkstückes W angelangt, nimmt die effektive Schnittiefe wieder ab und damit auch die Zerspanungsleistung P . Es handelt sich hier um einen Zeitpunkt kurz vor tg. Beim Erreichen des Zeitpunktes tg hat der Arbeitsvorschub seinen Schwellwert V_min bereits überschritten und eine weitere Verringerung der Schnittiefe mittels des Planvorschubes V Ywieder verhindert.

Bei dieser vorgenannten Bearbeitungsstrategie wird der maximale Arbeit.svorschub durch die programmierte Vorschubgeschwindigkeit

V begrenzt; Schnittiefe und Vorschub werden optimal selbsttätig bestimmt.

Bei dem in Pig. 2 gezeigten Bearbeitungavorgang ist mit F die Fertigkontur des Werkstückes W, mit Rk die Rohkontur und mit Zk eine Zwischenkontur bezeichnet.

Eine Prinzipschaltung zur Verwirklichung der Strategie nach Fig. 1 zeigt Fig. 3. Die Werkzeugmaschine 1 liefert Daten, wie

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z.B. Spindeldrehmoment M und Spindeldrehzahl n, die als Ersatzgröße für die Zerspanungsleistung P_z benutzt werden, an eine Adaption 3, die ihrerseits entsprechende Steuerbefehle an die numerische Steuerung 2 der Werkzeugmaschine 1 abgibt.

In der Adaption 3 wird aus Spindeldrehzahl η und Spindeldrehmoment M in einem Multipliziergerät 4 eine der Zerspanungsleistung P_ proportionale Größe gebildet. Dieser Istwert der Zerspanungsleistung wird der weiteren Regelung des Vorschubs zugrundegelegt. Solange die Zerspanungsieistung P unterhalb des Wertes P-. ·_ liegt, hat der Grenzwertmelder 5 noch nicht angesprochen, so daß das Gatter 12 freigegeben ist und eine dem Schnellgang V entsprechende Zahl von Pulsen auf die numerische Steuerung 2 gelangt und somit einen entsprechenden Vorschub in Längsrichtung ζ bewirkt. Überschreitet die Zerspanungsleistung einen vorbestimmten Wert P . , so spricht die Grenzwertstufe 5 an, sperrt über die Umkehrstufe 11 das Gatter 12 und Öffnet gleichzeitig das Gatter 13 (Zeitpunkt tp). Die Zerspanungsleistung P_ liegt zusammen mit dem in Fig. 1 dargestellten Zer— spanungssollwert P__,_e__ (längs) an einem Integral bzw. IP-Regler 6, dessen Ausgangssignal einen Spannungsfrequenzumsetzer 8 steuert. Da zwischen dem Sollwert 2„_mav (längs) und der Zer-

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spanungsleistung P eine erhebliche Differenz besteht, wird der Integralregler 6 bis zur maximalen Ausgangsspannung öffnen und damit über den Spannungsfrequenzwandler 8 eine dem programmierten Arbeitsvorschub V proportionale Pulsfolge zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit V" an die numerische Steuerung 2 abgeben. Wird im Zeitpunkt t, (Fig. 1) der Sollwert P (längs)

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übersehritten, so wird entsprechend auch das vom Regler 6 abgegebene Vorschubsignal zurückgenommen. Unterschreitet das Ausgangssignal des Reglers 6 zum Zeitpunkt t. einen bestimmten Wert V_min, dessen Erreichen durch eine Grenzwertstufe 9 angezeigt wird, so wird das Gatter 14 freigegeben. Hierdurch wird der Regler 7 für den Planvorschub V wirksam, der entsprechend der Differenz zwischen dem Sollwert P (plan) und der Zerspanungsleistung P₃ über den Spannungsfrequenzwandler 10 eine Pulsfolge zur Schnittiefenänderung abgibt. Wird auch durch diese Schnittiefenänderung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit V keine ausreichende Verringerung der Zerspanungsleistung B_n,

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erreicht, so setzt im Zeitpunkt t,- ebenfalls eine Verringerung des Ausgangssignales des Reglers 7 und damit eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit V in Planrichtung ein. Im Zeit-

punkt t_c überschreitet der Längsvorschub V_ wieder die Grenze ο ζ

V . , damit wird der Planvorschub V abgeschaltet.

Die von den Spannungsfrequenzwandlern 8 bzw. 10 abgegebenen Pulsfolgen können z.B. in der Weise zur Bestimmung der Vorschubgeschwindigkeit ausgewertet werden, daß sie zur Taktung eines in der numerischen Steuerung 2 enthaltenen Interpolators oder zur Ansteuerung von Schrittmotoren verwendet werden.

Wie ersichtlich, ist das Einschalten des Planvorschubes V bei zu hoher Zerspanungsleistung einer Abweichung von der vorgegebenen programmierten Kontur gleichzusetzen. Diese Abweichung muß daher in einem Zähler 15 registriert werden.. Da diese im Zähler 15 registrierte Abweichung wieder zu Null gemacht werden muß, ist auch noch eine Steuerlogik vorgesehen, die entsprechend auf die numerische Steuerung 2 einwirkt', und die gleichzeitig zur Steuerung der einzelnen Bearbeitungszyklen in Abhängigkeit vom Stand dieses Zählers dienen kann.

Wie vorstehend ausgeführt, wird bei der Adaption in Abhängigkeit von der gemessenen Zerspanungsleistung die Schnittiefe geändert. Damit würde sich bei konstant gehaltener Spindeldrehzahl auch die Schnittgeschwindigkeit ändern. Dies ist vom Standpunkt der Zerspanungstechnik her unerwünscht, da in diesem Falle die Zerspanungsverhältnisse zu ungünstigeren Werten geändert werden. Bs ist daher sinnvoll, mit der Adaption eine Regeleinrichtung zu kombinieren, die in Abhängigkeit von der Schlittenstellung bzw. des Drehdurchmeasers die Schnittgeschwindigkeit durch Regeln der Spindeldrehzahl konstant hält.

Pig. 4 zeigt schematiach ©in Blockschaltbild einer derartigen Anordnung. Die Schnittgeschwindigkeit V iat beispieleweise an einem nichtgezeigten Potentiometer einstellbar oder wird per Programm eingegeben. Die Schnittgeschwindigkeit V wird auf einen Verstärker 17 gegeben, an dessen Ausgang die gewünschte Spindeldrehzahl η abnehmbar ist. Der Ausgang des Veretärkera 17 ist über einen Multiplizierer 18 rückgekoppelt, an dessen anderen

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Eingang ein Meßsignal gelegt wird, welches dem Drehdurchmesser* d entspricht. Ein derartiges Signal kann entweder am Schlitten oder an der Spindel des Vorschubantriebes abgenommen werden oder von einem internen Istwertzähler in der Steuerung. Das Ausgangssignal η ist dann proportional dem Wert aus Vorschub dividiert durch Drehdurchmesser.

Im Zusammenhang mit der Steuerung des Planvorschubes sei noch erwähnt, daß es zweckmäßig sein kann, den Planvorschub V nicht nur in Abhängigkeit von der Höhe der Zerspanungsleistung bzw. Größe des geregelten Arbeitsvorschubes freizugeben, sondern in Abhängigkeit von einem Signal, das der Steilheit des Anstieges, d.h. dem Differentialquotienten der Zerspanungsleistung ^z proportional ist. Der Grund hierfür ist, daß die Frei- ^dt gäbe des Planvorechubes beim Anfahrvorgang relativ kritisch ist, da die Zerspanungsleistung hier sehr steil ansteigt.

Schaltungstechnisch läßt sich diese Betriebsart dadurch verwirklichen (Fig. 5)t daß ein der gemessenen Zerspanungsleistung P₂ proportionaler Strom i als Meßsignal benutzt wird. Wird dieser Strom über eine Induktivität 21 geführt, so ist der Spannungsanstieg an dieser Induktivität proportional der zeitlichen Änderung des Stromes und damit der zeitlichen Änderung der gemessenen Zerspanungsleistung. Überschreitet die Änderung der gemessenen Zerspanungsleistung einen vorbestimmten Wert, so spricht ein Grenzwertmelder 19 an und gibt über seinen Ausgang 20 das in Fig. 3 dargestellte Gatter H anstelle des Grenzwertmelders 9 frei.

Erwähnt sei auch, daß bei der Bearbeitung stark unregelmäßiger Rohlinge einer Drehmaschine verschiedene Gesichtspunkte noch berückaichtigt werden müssen. Am kritischsten ist eine Unrundheit, die nur an einer Stelle des Umfangea auftritt. Die Anpas-. sung der Bahngeschwindigkeit an diese Verhältnisse muß in der Weise vorgenommen werden, daß mit zunehmendem Moment die Drehzahl schnell heruntergeregelt wird, aber bei sinkendem Moment eine Zeitkonatante wirksam wird, deren Größe abhängig von der jeweiligen Spindeldrehzahl iat. In gleicher Weise muß die Umschaltung von Sohneil- auf Normalvorschub sofort, dagegen die Umschaltung von Normal-auf Schnellvorachub aber mit einer be-

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stimmten Verzögerungszeit vorgenommen werden. Diese Forderungen lassen sich durch geeignete Beschallung der Segler für den Vorschub (Pig. 3) und durch den Einbau eines Totzeitgliedes im Grenzwertmelder 5 realisieren.

Außer radialen Unregelmäßigkeiten kann jedoch auch ein Rohling Unregelmäßigkeiten in axialer Richtung aufweisen. Hiermit sind vor allen Dingen die Unregelmäßigkeiten gemeint, die der Rohling auf der Planfläche aufweist, welche beim ersten Schnitt angefahren wird. In diesem Fall muß zusätzlich zu den vorstehend genannten Haßnahmen entweder der Schnellgang so stark reduziert werden, daß sich eine angenommene Unrundheit nicht mehr schädlich beim Anfahren auswirken kann, oder es muß ein geeigneter Fühler noch zusätzlich angebracht werden, der die Unregelmäßigkeiten vor Eindringen des Werkzeuges abtastet. Bei Unregelmäßigkeiten sehr großen Ausmaßes dürfte es dann noch zweckmäßig sein, die Adaption zusätzlich so zu gestalten, daß auch ein Zurückziehen des Werkzeuges in Längsrichtung Z. analog zu der Schnitttiefenänderung in Planrichtung X möglich ist.

5 Patentansprüche
5 Figuren

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Claims

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1. Verfahren zur adaptiven Regelung von Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen, bei dem eine Verminderung des Arbeitsvorschubs und/oder eine Bewegung des Werkzeugs in Richtung verminderter Zustellung solange vorgenommen wird, wie die von der Verformungsleistung abhängige Größe einen oberen Schwellwert überschreitet und eine Zustellung - jeweils bis höchstens zur programmierten Kontur - solange vorgenommen wird, wie die von der Verformungs- oder Zerspanungsleistung abhängige Größe einen unteren Schwellwert überschreitet, und bei dem der Bearbeitungsvorgang sooft wiederholt wird, bis die tatsächliche Kontur des Werkstückes mit der programmierten Kontur übereinstimmt, nach Patent (Patentanmeldung P 18 03 742.8), dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit (V) in der einen Richtung der Werkstück(W) oder Werkzeugbewegung (Dr) von der aus Drehzahl (n) und Drehmoment (M) errechneten Zerspanungsleistung (P₂) und mindestens ein Vorschub (V ) in einer dazu senkrechten Riehtung von der erstgenannten Vorschubgeschwindigkeit (V_) und/ oder vom Differentialquotienten (dp) der errechneten Zer-

spanungsleistung (P ) abhängig dt
ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorschub in der anderen Richtung (V ) freigegeben wird, wenn der von der Größe der Zerspanungsleistung (P₀.) abhängige Vorschub (V ) einen bestimmten Wert (V . ) unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit (V ) in der anderen Richtung ab-

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hängig von der Zerspanungslei&tung(P„) regelbar ist, solange die Zerspanungsleistung einen bestimmten Wert (P „.__.,) überschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehmaschine zusätzlich die Spindeldrehzahl abhängig vom Planvorschub änderbar ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Zerspanungsleistung (P ) abhängige Verringerung des Vorschubs unverzögert, dagegen eine davon abhängige Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit verzögert vorgenommen wird.

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