DE2014640C3

DE2014640C3 - Vorrichtung zur optimalen Anpassung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine an den Bearbeitungsvorgang eines Werkstückes

Info

Publication number: DE2014640C3
Application number: DE19702014640
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr.-Ing. 8520 Erlangen Meyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-03-26
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1981-04-02
Also published as: DE2014640B2; FR2096724A2; IT983303B; CH538328A; DE2014640A1; FR2096724B2; JPS5233355B1; GB1352351A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optimalen Anpassung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine an den Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks, bei der die numerische Steuerung der programmierten Kontur entsprechende Befehle zur Lageregelung von Werkzeug bzw. Werkstück an die S Maschine liefert und die Vorschubgeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück in Abhängigkeit von der am Werkstück aufgebrachten Verformungsleistung oder einer von ihr abgeleiteten Größe regelbar ist, derart, daß die

ίο Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmender Verformungsleistung herabsetzbar und mit abnehmender Verformungsleistung heraufsetzbar ist, wobei beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Verformungsleistung Befehle zur Abweichung von der

is programmierten Kontur in Richtung abnehmender Bearbeitungstiefe ausgebbar sind und beim Unterschreiten eines darunterliegenden Wertes wieder Befehle zum Fahren in Richtung zunehmender Bearbeitungstiefe — bis höchstens zur programmierten Kontur — abgebbar sind, wobei die Abweichungen von den von der numerischen Steuerung vorgegebenen Befehlen zur Lageregelung von Werkzeug bzw. Werkstück digital speicherbar sind und zusätzlich zur Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück im Sinne einer Verringerung der Abweichung dienen und wobei der Befehl zum Abfahren der Kontur so lange wiederholbar ist, bis die tatsächliche Kontur des Werkstücks mit der programmierten Kontur übereinstimmt, nach Patent 18 03 742.

Auf diese Weise kann die Vorgabe aller Zwischenkonturen entfallen, und es braucht nur die Endkontur auf den Datenträger gespeichert zu werden, wobei die Maschine bis zum Erreichen der Endkontur stets optimal ausgelastet ist

Um die auf dem Steuerlochstreifen aufzubringende Datenmenge noch weiter verringern zu können, ist es bereits bekannt, in der Steuerung einen fest verdrahteten Rechner, einen sogenannten lnneninterpolator, vorzusehen, der aus Anfangs- und Endkoordinatenwer ten eir.er Kurve und ihrer Funktionsgleichung die dazwischenliegenden Koordinatenwerte errechnet und als Sollwerte ausgibt.

Wegen ihrer Einfachheit werden hierbei häufig nach der DDA-Methode (DDA = Digital Differential Analy ser) arbeitende Interpolatoren benutzt, die aus den zu Differenzengleichungen umgeformten Funktionsgleichungen mittels Integrationsvorgängen die Koordinatenwerte nacheinander errechnen (vgl. hierzu z. B. Siemens-Zeitschrift, Februar 1966, S. 61 bis 64).

Bei der Bearbeitung mit einer adaptiven Regelung kann die tatsächlich gefahrene Bahn von der programmierten und vom Interpolator ausgegebenen Bahn stark abweichen, da die Schnittiefe adaptiv geregelt ist. Bei vom Interpolator vorgegebener konstanter Bahnge-

SS schwindigkeit ist dann die tatsächlich gefahrene Geschwindigkeit auf der adaptiv bestimmten Kontur nur gleich der Komponente der programmierten Bahngeschwindigkeit in Richtung der tatsächlich gefahrenen Kontur.

Ist z. B. statt eines programmierten Viertelkreises bei starker Abweichung von der Fertigkontur eine Gerade abzufahren, so entspricht die Bahngeschwindigkeit auf der Geraden der Geschwindigkeitskomponente des Kreises in Geradenrichtung. Dabei geht die Bahnge schwindigkeit vom programmierten Wert bis auf Null herunter.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten

Gattung so auszubilden, daß auch bei Abweichungen von der programmierten Bahn eine günstige Bahngeschwindigkeit beibehalten werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei an sich bekannter Verwendung eines Inneninterpolators zur Lieferung der Kontursollwerte die Rechenwerte des Interpolators jeweils abhängig von der Abweichung zwischen programmierter Kontur und tatsächlich gefahrener Kontur derart veränderbar sind, daß die Bahngeschwindigkeit auf dem tatsächlich zurückgelegten Konturabschnitt der programmierten Geschwindigkeit auf der zugeordneten programmierten Kontur entspricht

Auf diese Weise wird eine optimale Zerspanungsgeschwindigkeit auch bei Abweichung von der programmierten Kontur eingehalten.

Bei der Verwendung eines nach der DDA-Methode arbeitenden Interpolators läßt sich in Ausgestaltung der Erfindung die Veränderung schaltungstechnisch relativ einfach dadurch erreichen, daß die Stände von Registern in den Koordinaten zugeordneten Integratoren in Abhängigkeit von der Abweichung von der programmierten Kontur veränderbar sind, d. h. bei der Geradeninterpolatior. werden die Wegabschnitte und bei der Kreisinterpolation die Kreismittelpunktskoordinaten verändert

Hierzu kann nach jedem Interpolationsabschnitt die Abweichung von der programmierten Kontur mit der Koordinatenänderung im nächsten Interpolationsabschnitt verglichen werden und jeweils der kleinere der beiden Werte zum Stand des Registers des Integrators ir. der dazu senkrechten Richtung addiert werden.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Schaltungsschema der gesamten numerischen Steuerung,

Fig.2 einige geometrische Verhältnisse bei der Geradeninterpolation zwischen zwei Punkten,

Fig.3 die korrigierte Bahngeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Geradensteigung zwischen den beiden Punkten,

Fig.4a und 4b die programmierte Kontur, den tatsächlich gefahrenen Weg und den korrigierten Interpolatorweg bei einer Kreisinterpolation und

F i g. 5 eine Schaltung zur Ermittlung der Rechenkorrekturwerte bei der Interpolation.

Auf einer schematisch dargestellten Drehmaschine 1 soll aus einen: strichpunktiert gezeichneten Rohling 4 das Werkstück 2 mit der Kontur 3 in mehreren Schnitten hergestellt werden. Hierzu ist der Drehstahl 5 mittels eines schematisch angedeuteten Schlittens 6 durch Schrittmotorantriebe 7 und 8 in Z- und in X-Richtung verfahrbar. Die Antriebe 7 und 8 erhalten ihre Steuerpulsfolgen 4Zbzw. AX von einem gestrichelt umrandet gezeichneten DDA-lnterpolator 9. In die X-Steuerleitung ist eine Adaptionslogik 10 eingeschaltet, die abhängig von der durch den Pfeil 101 angedeuteten Momentüberwachung der Spindel der Maschine 1 die Schnittiefenänderung in + X-Richtung steuert. Wird z. B. das DrP^-T <-ient zu hoch, so werden die ΛΧ-Pulse für den Antrieb 8 gesperrt und gelangen in den Überlaufzähler 11; tritt trotzdem noch eine weitere Steigerung· des Drehmoments auf, so werden von der Logik 10 selber Pulse zur Schnittiefenverringerung an den X-Antrieb 8 und auch an den Überlaufzähler 11 abgegeben; der Stand dieses Überlaufzählers 11 ist also stets ein Maß für die Abweichung xa der tatsächlich gefahrenen Kontur von der programmierten, vom Interpolator 9 vorgegebenen Kontur 3.

Der umgekehrte Vorgang tritt sinngemäß bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Moments auf, und zwar wird hier die Schnittiefe solange — bis höchstens zur vorprogrammierten Kontur, also xo = 0 — vergrößert, bis ein vorher festgelegter Drehmomentwert wieder erreicht ist Gleiches gilt unter Umständen entsprechend für die Z-Koordinate. Näher ist eine derartige Arbeitsweise im eingangs genannten Hauptpatent 18 03 742 beschrieben.

Der Interpolator 9 erzeugt die beiden Pulsfolgen AX und AZm derartigen zeitlichen Abständen, daß sich eine konstante Bahngeschwindigkeit längs der zu verfahrenden gewünschten Kontur ergibt Die Wirkungsweise des DDA-Interpolators beruht auf folgender Überlegung: für eine Gerade in der Ebene von der Länge S (Koordinatenabstände Ze, Xc, s. Fig.2), die mit konstanter Geschwindigkeit s durchlaufen werden soll, lassen sich durch Komponentenzerlegung die Geschwindigkeiten in den Hauptachsen Z, Vermitteln, und zwar verhalten sich diese Geschwindigkeiten wie die Koordinatenabstände Ze, Xe in den Hauptachsen Z, X zur Gesamtlänge S. Daraus ergeben sich für die Gerade die Differenzengleichungen

AZ =

Z- At

AX = ■-- · .V₁. ■ At.

Zur Auflösung dieser Differenzengleichungen werden Integratoren 92 bis 94 benutzt Jeder Integrator besteht aus zwei Registern und einem von außen steuerbaren Addierwerk. Durch einen Impuls auf das Addierwerk wird der Inhalt des einen Registers einmal in das andere Register addiert. Dies entspricht einer Multiplikation des Registerwertes mit dem Steuerpuls. Übersteigt im Verlaufe der Additionsvorgänge die im Register aufscheinende Summe die Kapazität des Registers, so wird jeweils ein Ausgangsimpuls abgegeben.

Schaltungsmäßig ist der Interpolator 9 so aufgebaut, daß die von einem Impulsgeber 91 gelieferten 4r-Pulse an das Addierwerk eines Integrators 92 gegeben werden, in dessen Register der Wert -f, die sogenannte Vorschubzahl bei der Geradeninterpolation, steht; das Ausgangssignal dieses Integrators 92 dient wieder zur Taktung des Addierwerkes der Integratoren 93 und 94 mit den Koordinaten werten Ze, Xe (bzw. Mittelpunkte Xm, Zm bei der Kreisinterpolation). Die aus diesen Integratoren 93 und 94 gelieferten Pulsfolgen AZ und AX entsprechen den gewünschten Pulsfolgen und werden über eine Logik 95 den Antrieben 7 und 8 vorgegeben. Bei der Kreisinterpolation werden analog die Kreismittelpunkte Xm, Zm, der Radius r und die Vorschubzahl -f- benutzt. Die Logik 95 dient bei der Kreisinterpolation dazu, die in den Registern stehenden Anfangswerte entsprechend der Differenzengleichung zu verändern.

Das Ende der Interpolation wird dadurch festgelegt, d;3 in den beiden Endwertspeichern 13 und 14, denen die AZ- bzw. 4A"-Pulsfolgen ebenfalls zugeführt werden, die Endwerte Ze bzw. Xe erreicht sind.

Da bei einer adaptiven Schnittzerlegung die tatsächlich gefahrene Bahn von der programmierten Bahn

abweichen kann und daher auch die tatsächliche Bahngeschwindigkeit sich von der programmierten Bahngeschwindigkeit unterscheiden kann, ist noch eine Vergleichslogik 12 vorgesehen, mit der abhängig vom Vergleich Xe ^ Xa einer dieser beiden Werte zur Veränderung des Zc- Koordinaten wertes im Interpolator 9 benutzt wird, wie nachfolgend an Hand der F i g. 2 und 3 näher erläutert wird.

Bei der in Fig.2 gezeigten Geraden P\Pi von der Länge s ist die interpolierte Bahngeschwindigkeit in Z-Richtung

AZ _ .s·
T. ~ "T" '■

und in X-Richtung

jlX

At '

-X₁..

Aus der geometrischen Addition dieser beiden Koordinatengeschwindigkeiten und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß -f- die eingegebene fest programmierte Vorschubzahl, z. B. C, ist, ergibt sich

.S = C- )/zJ~+~XY.

Weicht bei der numerischen Steuerung mit Adaption die Bahn jedoch um den Überlaufwert Xo von der programmierten Fertigkontur 3 ab, so muß statt des Weges s von Pi nach Pi der geänderte Weg s' von Pi' nach Pi zurückgelegt werden; mit anderen Worten, die Geschwindigkeitskomponente der Bahngeschwindigkeit in Richtung X entfällt, und es verbleibt auf der Strecke s' die Bahngeschwindigkeit s' = C · Ze. Diese Bahngeschwindigkeit kann je nach dem Verhältnis Xe: Ze wesentlich kleiner als die programmierte Geschwindigkeit 's sein.

Das Verhältnis beider Bahngeschwindigkeiten

ist in Fig. 3, Kurve a näher dargestellt

Ist in der Steuerung keine Regelung der Bahngeschwindigkeit selbst vorgesehen, so läßt sich doch über eine Korrektur der Koordinatenwerte im Interpolator 9 die Bahngeschwindigkeit auf der adaptiv gefahrenen Strecke an die programmierte Bahngeschwindigkeit annähern. Wird dem Interpolator für die Strecke s'statt des ur.geär.derter. Koordinatenwertes Zr ein korrigierter Koordinatenwert Ze + Zk angeboten, so ergibt sich für die Geschwindigkeit in Z-Richtung die korrigierte Bahngeschwindigkeit Sk = C · (Zc + Zk) als neue Bahngeschwindigkeit Das Verhältnis zur programmierten Geschwindigkeit ist dann durch

gegeben.

Diese Beziehung ist in F i g. 3 für Zk = 0 (Kurve a \ Zk = Xe (Kurve b) und Zt =2Xe (Kurve c) näher dargestellt

Die Kurve für Zk = Xe zeigt für den vorliegenden Zweck einen sehr brauchbaren Verlauf: sie weist Werte sä : 5 = 1 auf, deren Maximum bei ungefähr 1,4 liegt Diesen Wert kann die Vorschubregelung der Adaptionslogik 10 z. B. durch Verringerung der Taktfrequenz im Taktgeber 91 auf den gewünschten Wert herunterregeln.

Es ist nun vorteilhaft, den Korrekturwert Zk von dem Wert Xa, der die Abweichung von der programmierten Kontur angibt, abzuleiten, und zwar derart, daß Aiobis zu der maximalen Größe Xe dem Wegelement Ze im Interpolator 9 hinzugefügt wird. Die schaltungstechnische Ausführung zeigt Fig. 5.

Fig.4a und 4b zeigen zwei mögliche Fälle der Kreisinterpolation, in denen so stark von der programmierten Kontur 5 abgewichen wird, daß die Bahnkurve statt des programmierten Kreises (Mittelpunkt M) eine Gerade 5' wird. Das dem Interpolator 9 zugeführte Programm enthält einen Satz, in dem der Weg s von Pl nach Pi durch die Wegabschnitte Xe und Zc, die im Endwertspeicher stehen, und durch die auf den Anfangspunkt Pi bezogenen Kreismittelpunktskoordinaten Xm und Zm, die vertauscht in den Interpolationsregistern stehen, festgelegt wird.

Die Bahngeschwindigkeit s hängt hier außer von der Vorschubzahl τ von den jeweiligen Koordinatenwerten im Interpolator 9 ab, die nur am Anfang mit den

2s programmierten Mittelpunktskoordinaten Xm, Zm übereinstimmen, sich jedoch im Laufe der Interpolation durch die Kreisrückspeisung mittels der Logik 95 ständig ändern.
Im Falle der adaptiv gesteuerten Numerik wird statt

ίο des programmierten Kreises s in dem Fall Xa > Xe tatsächlich die Gerade s'(Pi', Pi) zurückgelegt, die sich als Z-Komponente des interpolierten Kreises ergibt Da die Bahngeschwindigkeit auf der programmierten Kreisbahn s von der Numerik konstant gehalten wird, ändert sich die Geschwindigkeit auf der Geraden s' entsprechend der Z-Komponente des Kreises. Ohne zusätzlich getroffene Maßnahmen ergäben sich dann die in Fig.4a und 4b oben dargestellten stark durchgezogenen Kurven für die Bahngeschwindigkeit auf der Geraden. Sie liegt zwischen Null und dem programmierten Wert.

Um die Bahngeschwindigkeit mehr zu vergleichmäßigen, muß wieder ein Korrekturwert im Interpolator eingebracht werden. Es bietet sich hier an, eine Korrektur der Kreismittelpunktskoordinate Xm in Abhängigkeit von der Abweichung Xa vorzusehen, und zwar so, daß Xa dem Wert Xm bis zum Wert von Xc als Korrekturwert hinzugefügt wird. Eine derartige Korrektur hat die in Fig.4a und 4b oben gestrichelt eingetragenen Bahngeschwindigkeiten s': szur Folge.

Die korrigierten Werte liegen oberhalb der programmierten Geschwindigkeit Die Korrektur ist damit für den vorliegenden Zweck geeignet, da die Adaption die zu hohen Vorschubwerte herunterregeln kann. Für den Interpolator 9 bedeutet die Veränderung der Kreismittelpunktskoordinate Xm in Abhängigkeit von der Abweichung Xa, daß dem Interpolator 9 als Fahrstrecke ein Kreis von der Kontur st und dem Mittelpunkt M' vorgetäuscht wird.

Eine Schaltung zur Verwirklichung der vorstehend genannten Korrekturen zeigt F i g. 5. Vor Beginn der Verarbeitung eines neuen Satzes durch den Interpolator stehen in den Endwertspeichern 13 und 14 die Wegabschnitte Xc und Ze, im Oberlaufspeicher 11 die Abweichung Xo von der Fertigkontur und gegebenenfalls in einem nicht dargestellten Speicher die Abweichung Zs von der Fertigkontur. Nach Beendigung eines Satzes mit Adaption werden durch einen Befehl F

die Speicherinhalte Ac und Xa über die Gatter 121 und 122 für einen Umlauf an den Vergleicher 12 freigegeben. Im Fall Xa >Xe gibt das Gatter 123 den Wert Xc, im Falle Xa<Xe das Gatter 124 den Wert X» auf den Volladdierer 96, der dem Z-Register des Interpolators 9 vorgeschaltet ist. Xe bzw. Xo werden so als Korrekturwert dem Interpolator bei einem Umlauf hinzugefügt, und zwar bei Geradeninterpolation dem Wegabschniti in Z-Richtung Zc und bei Kreisinterpolation der Kreismittelpunktskoordinate Xm im Z-Register. Bei der

in F i g. 2 gezeigten Geradeninterpolation wird also zur Bestimmung der Geschwindigkeit in Z-Richtung dem Wert Zc ein Korrekturwert Z* von der Größe Xe addiert. Damit liegt die resultierende Bahngeschwindigkeit s, nach F i g. 3, Kurve b in etwa in der Größenordnung der programmierten Bahngeschwindigkeit s.

Der zusätzliche Aufwand zur Erzeugung annähernd konstanter Bahngeschwindigkeit ist verhältnismäßig klein, und zwar werden nur ein Vergleicher, ein Volladdierer und einige zusätzliche Gatter benötigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur optimalen Anpassung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine an den Bearbeitungsvorgang eines Werkstücks, bei der die numerische Steuerung der programmierten Kontur entsprechende Befehle zur Lageregelung von Werkzeug bzw. Werkstück an die Maschine liefert und die Vorschubgeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück in Abhängigkeit von der am Werkstück aufgebrachten Verformungsleistung oder einer von ihr abgeleiteten Größe regelbar ist, derart, daß die Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmender Verformungsleistung herabsetzbar und mit abnehmender Verformungsleistung heraufsetzbar ist, wobei beim Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der Verformungsleistung Befehle zur Abweichung von der programmierten Kontur in Richtung abnehmender Bearbeitungstiefe ausgebbar sind und beim Unterschreiten eines darunterliegenden Wertes wieder Befehle zum Fahren in Richtung zunehmender Bearbeitungstiefe — bis höchstens zur programmierten Kontur — abgebbar sind, wobei die Abweichungen von den von der numerischen Steuerung vorgegebenen Befehlen zur Lageregelung von Werkzeug bzw. Werkstück digital speicherbar sind und zusätzlich zur Steuerung der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück im Sinne einer Verringerung der Abweichung dienen und wobei der Befehl zum Abfahren der Kontur so lange wiederholbar ist, bis die tatsächliche Kontur des Werkstückes mit der programmierten Kontur übereinstimmt, nach Patent 1803742, dadurch gekennzeichnet, daß bei an sich bekannter Verwendung eines Inneninterpolators (9) zur Lieferung der Kontursollwerte die Rechenwerte (Ze, Xe) des Interpolators (9) jeweils abhängig von der Abweichung (Xa) zwischen programmierter Kontur (3) und tatsächlich gefahrener Kontur derart veränderbar sind, daß die Bahngeschwindigkeit (s') auf dem tatsächlich zurückgelegten Konturabschnitt der programmierten Geschwindigkeit (s) auf der zugeordneten programmierten Kontur entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines nach der DDA-Methode arbeitenden Interpolators (9) die Stände von Registern in den Koordinaten zugeordneten Integratoren (93,94) in Abhängigkeit von der Abweichung (Xa) von der programmierten Kontur veränderbar sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Interpolationsabschnitt die Abweichung (Xa) von der programmierten Kontur (3) mit der Koordinatenänderung (Xe, Ze) im nächsten Interpolationsabschnitt vergleichbar ist und jeweils der kleinere der beiden Werte zum Stand des Registers des Integrators (93, 94) in der dazu senkrechten Richtung addierbar ist.