DE2016176C3

DE2016176C3 - Steuerungsvorrichtung für spanabhebende Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2016176C3
Application number: DE2016176A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Brookfield Wis. Valek
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Dynapath Systems Inc Detroit Mich Us
Priority date: 1969-04-04
Filing date: 1970-04-04
Publication date: 1981-12-24
Also published as: DE2016176B2; DE2016176A1; US3634664A; FR2038245A1; CH522472A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für spanabhebende Werkzeugmaschinen gemäß dem Ober-

begriff des Anspruchs 1.

Bei einer solchem aus der US-PS 32 59 023 bekannten Steuerungsvorrichtung besteht die Recheneinheit aus einstellbaren, analoge Ausgangssignale abgebenden Widerstandsnetzwerken, denen die Grenzwertsignale und die Signale der Meßfühler zugeführt werden. Der Widerstand eines jeden einem Stellsignal zugeordneten Widerstandsnetzwerks ist von der Lage des Werkzeugs relativ zum Werkstück abhängig. Den Widerslandsnetzwerken sind ausgangsseitig Schalter zugeordnet, deren ι ο Schaltstellung von einem Programmgeber bestimmt wird. Die Signale in den beiden Stellsignalkanälen werden daher in Abhängigkeit von der relativen Lage von Werkzeug und Werkstück geändert. Es liegt also keine reine Anpassungsregelung vor, da eine Überlagerung derselben durch den Programmgeber möglich ist.

Die Relaisstation der bekannten Steuerungsvorrichtung führt zwar in Abhängigkeit von ihrer Schaltstellung den Stellsignalkanälen die von dem Handsteuersystern oder die von dem Anpassungsregelsystem erzeugten Stellsignale zu; jedoch werden di'cch sie noch andere Ansteuersignale für den beiden Stellsignalkanälen zugeordnete Stellregelkreise einerseits und Meßsignale andererseits geschaltet Da die vom Handsteuersystem über die Relaisstation auf die Stellsignalkanäle geführten Signale von Meßsignalen abhängig sind und für jeden Stellsignalkanal ein Regelkreis vorgesehen ist, liegt keine Handsteuerung, sondern eine Regelung mit manueller Grenzwertänderung vor. _J0

Aus der DE-Zeitschrift »Werkstattstechnik«, 1959, Heft 5, S. 241, ist es bekannt, mittels eines Umschalters dem Antrieb einer Fräsmaschine in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Umschalters Handstellsignale, durch Abtastung eines Bezugsformstücks gewonnene ^ Stellsignale oder Stellsignale zuzuleiten, die von gespeicherten Daten abgeleitet werden. Eine Anpassungsregelung ist nicht vorgesehen.

Aus der DE-Zeitschrift »Maschinenmarkt«, Jahrgang 74 (1968), Mr. 45, S. 864-866, und aus der US-Zeitschrift »Control Engineering«, November 1964, S. 92—94, ist die Verwendung eines Anpassungsrege'systems bei Handsteuerung bzw. bei einen Datenträger benutzenden numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bekannt, um in Abhängigkeit von den von einer Meßfühltreinheit abgegebenen Signalen Korrekturbefehle zu erzeugen, die zur Änderung der der Maschinensteuerung von Hand oder von dem Datenträger zugeführten Stellgrößen verwendet werden. Der in dem Anpassungsregelsystem jeweils vorgesehene Optimierrechner stellt mittels einer vorgegebenen Suchstrategie den unbekannten Optimalpunkt fest. Dazu müssen dem Optimierrechner natürlich Grenzwerte eingegeben werden, die bei dem Ziel, den Optimalpunkt zu erreichen, nicht über- oder unterschritten, werden dürfen, um Schaden an Werkzeug oder Werkstück zu vermeiden. In beiden Aufsätzen ist über den Aufbau des Optimierrechners nichts weiter ausgesagt.

Es sind verschiedene Steuerungsvorrichtungen für spanabhebende Werkzeugmaschinen bekannt, die eine ^₀ Meßfühlereinheit mit mindestens einem Fühler für das Erfassen einer sich während des Zerspannungsvorgangs ändernden physikalischen Meßgröße aufweisen. Während bei den drei vorstehend genannten Druckschriften keine Einzelheiten angegeben sind, betrifft die CH-PS 3 72 179 die Erfassung der Thermospannung zwischen Werkzeug und WerkjUJck, wobei das sich drehende Werkzeug über einen Schleifring und das Werkstück

₅₀

₅₅ über eine Festverbindung elektrisch leitend mit der Steuerungsvorrichtung verbunden sind. Bei einer DrehbanKsteuerungsvorrichtung gemäß der US-PS 27 16 368 steht ein einen Teil einer Widerstandsbrücke bildender Widerstand mit dem Werkzeug in Wärmekontakt. Die Ausgangsspannung der Brücke dient der Ansteuerung des Drehmotors der Drehbank.

Aus der US-PS 31 43 041 ist die Verwendung eines piezoelektrischen Kristallfühlers zur Erfassung der Werkzeugschwingungen bekannt

Aus der DE-Zeitschiift »Werkstatt und Betrieb«, 1966, Heft 12, S. 843, ist eine aus vier Dehnungsmeßstreifen bestehende Drehmomentmeßfühlereinheit bekannt, bei der außer den Dehnungsmeßstreifen, einem frequenzmodulierten Oszillator und einer Wicklung eines Wandlers (Sendespule), die alle mit der Achse rotieren, noch eine ortsfeste zweite Wicklung als Wandler (Empfangsspule) vorgesehen ist Es wird in dieser Druckschrift auf die Möglichkeit verwiesen, den mit der Achse rotierenden Oszillator (Sender) induktiv zu speisen.

Ausgehend von einer Steuerungsvorrichtung der im Oberbegriff des A nspruchs I genannten Art, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuerungsvorrichtung zu schaffen, bei der bei Handbetrieb die Handsteuersignale unabhängig von den Meßsignalen der Meßfühler und bei Automatikbetrieb die Automatikregelsignale abhängig von den Meßsignalen der Meßfühler unter Durchführung einer optimierenden Anpassungsregelung mit Hilfe von Digitaltechnik erzeugt werden können.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Es wird nur Schutz für die Gesamtkombination der Merkmale beansprucht.

Durch die Anordnung der Relaisstation werden Handsteuersystem und Anpassungsregelsystem vollkommen voneinander getrennt; damit ks:in ein Bearbeitungsgang zum einen vollkommen frei von Hand gesteuert werden, während zum anderen beim A -.tomatikbetrieb die Signale in den beiden Stellsignalkanälen allein durch die Recheneinheit in Abhängigkeit von den Meßsignalen bestimmt werden, wobei eine Überlagerung der Anpassupgsregelung durch andere Signale nicht möglich ist. Damit ist die Möglichkeit gegeben zu überprüfen, ob die mit Handsteuerung erreichbaren Arbeitsergebnisse auch während der Arbeit des Anpassungsregelsystems mit der diesem vorgegebenen Suchstrategie erreichbar sind oder ob dazu die Suchstrategie geändert werden muß. Da eine Vielzahl von MeÜsignalen mit einer entsprechenden Anzahl von Grenzwertsignalen verglichen wird und da unter Umständen die SuchsJrategie geändert werden muß, sind die einzelnen Abschnitte der Recheneinheit für die Erzeugung bzw. die Weiterverarbeitung digitaler Signale ausgelegt, wobei der Ausgangsabschnitt aus dem ihm zugeführten Digitalsignalen Stellsignale erzeugt. Damit kann die Suchstrategie ohne Schwierigkeiten durch un.^rschiedliche Ansteuerung der Inkrementzähler des Registerabschnitts in einfacher Weise abgeändert werden, wobei durch die Anordnung von Detektor, logischer Schaltung und logischer Steuerschaltung in dem zwischen Vergleichsabschnitt und Registerabschnitt liegenden Logik-Abschnitt auch eine große Vielzahl von verschiedenen Meßsignalen berücksichtigt werden kann.

Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung kann mit Vorteil bei der Durchführung experimenteller

Arbeitsgänge eingesetzt werden, da durch Verstellung der Geber die verschiedensten Anpassungsverhalten untersucht werden können. Dabei können insbesondere Programme für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen erarbeitet werden, ohne daß man sich auf Handbücher, Erfahrungswerte od. dgl. verlassen muß. Bei diesen Versuchen können die nicht interessierenden Arbeitsbereiche mit der Handsteuerung durchfahren werden, d. h. Spindelgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit des Tisches können ohne Berücksichtigung der für die Produktion einzuhaltenden Grenzwerte unter Beobachtung des Verhaltens der Werkzeugmaschine durch die Bedienungsperson auf die für die Produktion erforderlichen Werte hochgefahren werden.

Bei Automatikbetrieb der Steuerungsvorrichtung bestimmt das Anpassungsregelsystem, ob die von der Meßfühlereinheit erfaßten Meßsignale innerhalb des Betriebsbereichs der Werkzeugmaschine liegen, der

keine Grenzwertüberschreitung vor, optimiert die Recheneinheit den Betrieb der Werkzeugmaschine durch Erhöhung der Spanabhebegeschwindigkeit.

Liegt eine durch den Detektor erfaßte Grenzwertüberschreitung vor. erzeugt die logische Steuerschaltung Steuersignale für die Inkrementzähler derart, daß die Signale in den Stcllsignalkanälen im Korrekuirsinnc beeinflußt werden, um den Spanabhub zu verringern.

Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der yo Zeichnung im Zusammenhang mit einer Fräsmaschine beschrieben werden, bei der das Werkzeug an einer Drehspindel und das Werkstück auf einem gegenüber der Spindel verschiebbaren Tisch angeordnet ist. Es zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild der .Steuerungsvorrichtung für eine Fräsmaschine.

F i g. 2 ein mehr ins einzelne gehendes Blockschallbild des Anpassungsregelsystems der Steuerungsvorrichtung gemäß Fig. I.

F i g. 3 schematisch die Spindel einer Fräsmaschine, das Spindelgehäuse, das Schneidwerkzeug und den das Werkstück aufnehmenden Tisch und einen Teil der Meßfühlereinheit der Steuerungsvorrichtung.

Fig.4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Spindelmomentfühlers.

Fig. 5 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Fühlers für die Temperatur der Werkzeugspitze.

Fig. 6 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Spindelschwingungsfühlers.

F i g. 7 das Schaltbild eines Spannungsteilers zur Messung der Spindelgeschwindigkeit und der Vorschubgeschwindigkeit und

F i g. 8 eine vereinfachte grafische Darstellung der Maximierung der Leistungsfähigkeit der Fräsmaschine bei vorgegebenen Grenzwerten für den Vorschub-pro-Umdrehung f. die Spindelgeschwindigkeit ν und die Vorschubgeschwindigkeit Fdes Tisches.

Bei der Bearbeitung eines Werkstückes durch eine Fräsmaschine 10 ändern sich während des Zerspanungs- te Vorgangs verschiedene physikalische Meßgrößen, die von einer Meßfühlereinheit 11 erfaßt werden. Dem Maschinenantrieb 15 der Fräsmaschine werden eingangsseitig die Stellsignale eines Anpassungsregelsystems 12 oder eines Handsteuersystems 13 über eine Relaisstation 14 zugeführt

In Fig. 1 sind die sich durch die Einwirkung des Werkzeuges der Fräsmaschine 10 auf das Werkstück ändernden physikalischen Meßgrößen zu dem Pfeil 16 zusammengefaßt. Die Meßfühlereinheit 11 ist mit dem Anpassungsregelsystem 12 über sechs Kanäle verbunden, von denen der Kanal 17 dem Spindelmoment, der Kanal 18 der Temperatur der Werkzeugspitzc, der Kanal 20 der Werkzeujjschwingung, der Kanal 22 der Spindelgeschwindigkeit, der Kanal 24 der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches und der Kanal 26 der am Werkzeug angreifenden Kraft zugeordnet ist.

Die vorstehend genannten Kanäle 17, 18, 20, 22, 24 und 26 führen zu einer Recheneinheit 30 des Anpassungsregelsystem« 12, zu dem weiterhin ein Steuerfeld 32 gehört. Das Anpassungsregelsystem 12 optimiert den Betrieb der Werkzeugmaschine 10. Auf Ausgangsleitungen 44 und 46 werden von dem Anpassungsregelsystem von den abgefühlten Meßsignalen abhängige automatisch geregelte Stellsignale nach einer vorgegebenen Suchstrategie erzeugt, um den he-rüal'irh c\p<i hf>r7iKH"llrnHpn Werkstücke* und des

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Werkzeuges höchstmöglichen Metallabtrag zu erzielen. Bei der vorgegebenen Suchstrategie werden die Spindelgeschwindigkeit ν (Umdrehungen pro Minute) und der Vorschub-pro-Umdrehung /"(Zoll/Umdrehung) berücksichtigt. Der Vorschub-pro-Umdrehung f kann aber nicht direkt verwendet werden, da die Fräsmaschine 10 Informationen für die Spindelgcschwindigkeit ν uiid den Vorschub F des Tisches (cm/min) braucht. Daher wird die Vorschubgeschwindigkeit F durch Produktbildung aus Spindelgeschwindigkeii r und Vorschub-pro-Umdrehung / bestimmt, wobei eine Umrechnung der Längen berücksichtigt werden muß.

Die Recheneinheit 30 des Anpassungsregelsystems 12 vergleicht die von den Meßfühlern der Meßfühlereinheit 11 abhängigen Signale mit Grcnzwertsignalen. die der Recheneinheit über einen Kanal 34 vom Steuerfeld 32 her zugeführt werden. Diese konstanten Grenzwerte können auf dem Steuerfeld 32 von Hand eingestellt werden. Zur Bestimmung der Schaustellung der Relaisstation 14 ist das Steuerfeld 32 mit einem entsprechenden Schalter versehen (in Fig. I nicht gezeigt). In Fig. 1 befindet sich die Relaisstation 14 in der Schaltstellung, in der die Stcllsignalc des Anpassungsregelsystems 12dem Maschinenantrieb 15 zugeleitet werden. Um eine Veränderung der Schaltstcllung zu ermöglichen, ist das Steuerfeld 32 über Leitungen 38 mit der Relaiswicklung 40 verbunden.die über den Anker 42 des Relais gewickelt ist. In F i g. I ist die Relaisstation 14 erregt, so daß das auf der Ausgangsleitung 46 anstehende und der Tischvorschubgcschwindigkeit F zugeordnete Stellsignal über einen Festkontakt 48. einen Arbeitskontakt 52 und eine Leitung l·⁰· dem Maschinenantrieb 15 zugeführt wird. In derselben Schaltstcllung des Relais !4 wird über die Ausgangsleitung 44 ein der Spindelgeschwindigkeit ν entsprechendes Signal über einen Festkontakt 50. über einen Arbeitskontakt 54 und eine Leitung 70 dem Maschinenantrieb 15 zugeführt.

Bei Nichterregung der Relaisstation 14 berührt der Arbeitskontakt 52 einen Festkontakt 64. dem über eine Leitung 60 die Ausgangssignale einer Vorschubsteuerung 56 des Handsteuersystems 13 zugeführt werden; gleichzeitig liegt der Arbeitskontakt 54 an einem Festkontakt 66. dem über eine Leitung 62 die Ausgangssignale der Spindelgeschwindigkeitssteuerung 58 zugeführt werden. Die von dem Handsteuersystem 13 abgegebenen und dem Maschinenantrieb über die Leitungen 68 und 70 zugeführten Stellsignale können mit Hilfe einstellbarer Potentiometer eingestellt wer-

den, die einen Teil der Vorschubsteuerung 56 und der Spindelgeschwindigkeitssteuerung 58 bilden.

Der Maschinenantrieb 15 unterteilt sich in einen Tischantrieb 72 und einen Spindelantrieb 74, die ausgangsseitig über Leitungen 78 bzw. 80 Befehlssignale für den Tischmotor bzw. den Spindelmotor abgeben. Der Maschinenantrieb 15 dient in erster Linie dazu, die auf cc.i Leitungen 68 und 70 herangeführten Stellsignale so zu verstärken, daß durch die verstärkten Signale der Tischmotor und der Spindelmotor der Fräsmaschine 10 in Betrieb gesetzt werden können.

Der genauere Aufbau des Anpassungsregelsystems 12 ist in der Fig. 2 dargestellt. Es weist zunächst einen Vergleichsabschnitt 112 auf, dem die Grenzwertsignale vom Steuerfeld 32 her und die Ausgangssignale der Meßfühlereinheit 11 zugeführt werden. Ausgangsseitig gibt der Vergleichsabschnitt digitale Ausgangssignale ab, die anzeigen, ob die Meßsignale innerhalb oder

gegebener!

g gg

Betriebsgrenzen liegen. Der Vergleichsabschnitt 112 weist mehrere Vergleicher 146-155 auf, auf deren erste Eingänge die Meßsignalc der Meßfühlereinheit 11 gegeben werden. In dem linken Abschnitt der F i g. 2 sind die Kanäle 17-26 aufgeführt. Weiterhin werden auf zweite Eingänge der Vergleicher 146-153 über den Kanal 34 (Fig. I) bildende F.ingangsleitungen 120-127 die konstanten Grenzwcrtsignalc des Steuerfelds 32 zugeführt. Über Leitungen 130 und 132 werden den Vergleichern 154 bzw. 155 noch Gren/wertsignalc für die minimale und die maximale Geschwindigkeit des Tisr..motors von gesondert ausgebildeten Sleuerkreisen her zugeführt, wobei die Grcnzwertsignale ebenfalls fest eingestellte Werte aufweisen. Eine Eingangsleitung 131 führt auf zweite Eingänge der Vergleicher 154 und 155 ein von der Mcßfühlereinheil Il kommendes Meßsignal für die Geschwindigkeit des Tischmotors.

Besonders zu berücksichtigen ist. daß von der Mcßfühlcrcinheit 11 keine analoge Spannung für den Vorschub-pro-Umdrchung f abgegeben werden kann. Daher wird dem einen Eingang des Vcrgleichers 151 über den Kanal 24 die Vorschubgeschwindigkeit Fdes Tisches zugeführt, während der andere Eingang die analoge Spannung aus dem Produkt der Spindclgcschwindigkcit i' mit dem Grenzwert für den Maximalwert des Vorschubs-pro-Umdrehung /über die Leitung 125 von dem Steuerfeld 32 her beaufschlagt wird. Mit anderen Worten: Der Vergleichcr 151 vergleicht das Produkt aus maximalem Vorschub-pro-Umdrehung f_nux und Spindelgcschwindigkeil ι mit der Vorschubgeschwindigkeit F des Tisches. Dieser Vergleich ist sinnvoll, da die Vorschubgeschwindigkeit Fdes Tisches gleich dem Produkt Vorschub-pro-Umdrehung f ■ Spindelgeschwindigkcii ι ist. wobei die Spindelgeschwindigkeit ν bei dem Vergleich herausfällt, so daß der Vergleicher in der Tat den maximalen Vorschub-pro-Umdrehung /"„,.„ mit dem tatsächlichen Vorschub-pro-Umdrehung /'vergleicht.

Grundsätzlich besteht jeder der Vergleicher 146-155 aus der Kombination eines Analog/Digital-Wandlers und einer Addierschaltung. Die Höhe und das Vorzeichen der addierten Signale bestimmen den logischen Zustand am Ausgang des Vergleichers. Die Vergleicher arbeiten ähnlich, da jeder ein analoges Meßsignal mit einem Begrenzungssignal vergleicht und jeder ein digitales Ausgangssignal bildet, das das Ergebnis des Vergleiches anzeigt, jeder Vergieicher arbeitet als Differenzverstärker und gibt ein Ausgangssignal 1 ab. wenn die Amplitude des Meßsignals größer ist als die Amplitude des Grenzwertsignals, und ein Ausgangssignal O, wenn die Amplituden sich umgekehrt verhalten. Wenn ein bestimmtes Meßsignal auf zwei Vergleicher gegeben wird, die einen Vergleich mit einem maximalen und einem minimalen Grenzwert durchführen, ist klar, daß die logischen Wandler derart zusammengeschlossen sind, daß das dem Logik-Abschnitt 114 zuzuführende Signal einen Wert annimmt, der mit dem für die Recheneinheit 30 willkürlich

ίο festgelegten digitalen Kodierungssystem übereinstimmt. Den Vergleichergruppen 146 und 147, 150, 151 und 152 und der Gruppe 154 und 155 sind daher entsprechende jeweils nicht gezeigte logische Wandler zugeordnet.

Da in der Fig. 2 im Vergleichsabschnitt 112 die Grenzwertsignale und die Meßsignalc ausreichend bezeichnet sind, ist die Aufgabe des einzelnen Vergleichers leicht aus der F i g. 2 ablesbar.

jo 114 nachgeschiiltct. in dem die digitalen Ausgangssignale des Vergleichsabschnitts 112 logisch weiterverarbeitet werden. Die Ausgangsleiuingcn 170-179 der Vergieicher 146-155 werden auf den Eingang eines Detektors 194 geführt, der über eine Leitung 196 mit einer auf dem Steuerfeld 32 einstellbaren Abtastfrequenz die Ausgangsleiuingcn der Vergieicher abtastet. Zu Beginn einer jeden durch die Abtastfrequenz bestimmten Abtastperiode fragt ein Abtastsignal die Vergleicher 146-155 ab und leitet die Ausgangssignale der Vergleicher über die Leitungen 170-179 in eine Reihe von Flip-Flops, die in dem Detektor 194 enthalten sind. Die Daten in den Flip-Flops werden bis zum Beginn der nächsten Abtastperiode gespeichert.

Die Ausgangssignale der Flip-Flops werden über eine Leitung 198 einer logischen Schaltung 200 zugeführt, die mit Hilfsmitteln zur Durchführung der Korrekturen, wie sie in einer weiter unten aufgeführten Tabelle näher erläutert sind, verschen ist. Die logische Schaltung 200 stellt fest, ob wegen der Überschreitung eines Grenzwertes der Vorschub-pro-Umdrchung /oder die Spindelgeschwindigkeit rzu korrigieren ist oder ob eine Optimierung durchgeführt werden kann. Der Aufbau einer solchen logischen Schaltung ist im allgemeinen bekannt.

In die logische Schaltung 200 werden über eine Leitung 202 Auswahlsignale für das Ansprechen auf die Grenzwerte vom Steuerfeld 32 eingegeben. Die Ausgangssignale der logischen Schaltung 200 werden über eine Leitung 204 auf eine logische Steuerschaltung 206 geführt. Gleichzeitig werden die Ausgangssignale der logischen Schaltung 200 über Leitungen 212 und 214 in Inkrementzählcr 208 bzw. 210 in einem Registerabschnitt 116 geführt, der dem Logik-Abschnitt 114 nachgesch.iltet ist. Der Registerabschnitt 116 registriert die Signale und ein diesem nachgeschalteter Ausgangsabschnitt 118 wandelt die Signale in entsprechende Analogsignale um. die an den Maschinenantrieb 15 abgegeben werden.

Die logische Steuerschaltung 206 bildet vier Hauptsignale: Vergrößern der Spindelgeschwindigkeit v. Verringern der Spindelgeschwindigkeit v. Vergrößern des Vorschubs-pro-Umdrehung /"und Verkleinern des Vorschubs-pro-Umdrehung f. Entsprechende Signale werden über Leitungen 220 bzw. 222 einem Spindelgeschwindigkeits-Register 216 bzw. einem Vorschub-pro-Umdrehüngs-Regiäier 218 zugeführt, die neben den Inkrementzählern 208 bzw. 2i0 Bestandteile des Registerabschnitts 116 sind. Eine Rücksignalleitung 226

verbindet die logische Steuerschaltung 206 mit der logischen Schaltung 202. Die Register 218 und 216 sind Binärzähler von 9 bit, die die prozentualen Anteile des Vorschubs-pro-Umdrehung /"und der Spindelgeschwindigkeit ν in digitaler Form speichern. Die in Prozenten angegebene Spindelgeschwindigkeit ν und der Vorschub-pro-Umdrehung f (und damit die Vorschubgeschwindigkeit F des Tisches) werden geändert, indem die Register 216 und 218 aufwärts oder abwärts eine Anzahl von Zählungen vornehmen. iü

Dem Inkrementzähler 208 wird über eine Leitung 228 das Schrittweltensignal für die Spindelgeschwindigkeit ν zugeführt, während dem Inkrementzähler 210 das Schrittweitensignal für den Vorschub-pro-Umdrehung f zugeführt wird. Diese Schrittweiten können ebenfalls auf dem Steuerfeld 32 eingestellt werden. Die Schrittweitensignale bestimmen die Anzahl der Zählungen der Inkrementzähler pro Abtastsignal, das über die Leitung 196 dem Detektor 194 zugeführt wird. Befindet sich z. B. der der Schrittweite für die Spindeigeschwindigkeit ν zugeordnete Schalter des Steuerfeldes 32 in der Position 1, dann wird nur eine Zählung pro Abtastperiode zugelassen. Bei einem Register von 9 bit beträgt ein Zählschritt '/-.12 oder etwa 0.2%. Die Positionen 2, 3 und 4 des Schalters sollen 2, 4 oder 8 Zählungen ermöglichen. In der gleichen Weise läßt der Schalter für die Einstellung der Schrittweite für Vorschub-pro-Umdrehung /'Zählungszahlen von 1. 2, 4 oder 8 zu, die zu den bereits im Vorschub-pro-Umdrehung-Register 218 enthaltenen Werten hinzuaddiert yo oder von diesen subtrahiert werden. Aus später noch zu erklärenden Gründen ist das Vorschub-pro-Umdrehung-Register 218 in ein 7-bit-Register und ein 2-»Über«-bits abnehmendes Register unterteilt. Auf diese Weise entspricht eine Zählung von 1 einem Wert von 0,8%. Die Inkrementzähler 208 und 210 enthalten eine Reihe von Flip-Flops, die durch Gatter miteinander verbunden sind. Diese inkrementzähler führen die tatsächliche Zumessung durch und zählen lediglich nach oben. Die Durchführung der Korrekturvorgänge in der logischen Schaltung 200 und der logischen Steuerschaltung 206 erfolgen in der nachstehend beschriebenen Art und Weise.

Die nur aufwärts zählenden Inkrementzähler 208 und 210 sind Binärzähler mit 4 bit, die synchron mit den ihnen zugeordneten Registern 216 bzw. 218 zählen. Jeder Inkrementzähler enthält einen Satz Dekodierer, von denen der eine den Zählungswert anzeigt, bei dem der Inkrementzähler anhält. Die Aktivierung eines besonderen Dekodierers wird durch die vorgewählte Einstellung der Schrittweite bestimmt. Befindet sich beispielsweise der Schalter der Schrittweite für die Spindelgeschwindigkeit ν in der dritten Position, werden vier Zählungen pro Abtastperiode zugelassen. Zu Beginn der Abtastperiode erhält das Spindelgeschwindigkeits-Register einen bestimmten Geschwindigkeksweri in digitaler Form. Der zugehörige Inkrementzähler 208 steht auf Null. Über die Leitung 212 wird von der logischen Schaltung 200 dem Registerabschnitt 116 ein Taktsignal zugeführt, das eine synchrone Zählung von Inkrementzähler 208 und Spindelgeschwindigkeitsregistcr 216 auslöst. Die Zählung hält an, bis der Inkrementzähler 208 einen Zählerinhalt von 4 aufweist Der zugeordnete Dekodierer, der durch die dritte Position des Spindelgeschwindigkeitsschrittweitenschalters angesteuert wird, erzeugt zu aiesem Zeitpunkt ein Signal, das anzeigt, daß die Spindelgeschwindigkeit ν um eine vorgegebene Schrittweite zugenommen hat. Dieses Signal übersteuert das von der logischen Schr.'tung 200 herangeführte Taktsignal und verhindert jede weitere Zählung in dem Spindelgeschwindigkeits-Register 216. Der Inkrementzähler 208 wird auf Null zurückgestellt. Bis zur nächsten Abtastperiode kann in der Spindelgeschwindigkeit ν keine weitere Änderung vorgenommen werden. DaF synchronisierte Zählen zwischen einem Inkrementzähler und dem zugeordneten Register wird durch ein Signal gesteuert, das über eine Leitung 232 bzw. 234 von dem Inkrementzähler 208 zu dem Spindelgeschwindigkeits-Register 216 bzw. von dem Inkrementzähler 210 zu dem Vorschub-pro-Umdrehung-Registtr 218 geführt wird.

Die Zählfrequenz der zählenden Schaltkreise im Registerabschnitt 116 liegt mit 330 kHz weit über der Abtastfrequenz auf der Leitung 1%. Diese Zählfrequenz liegt auch weit über dem Ansprechverhalten uer Fräsmaschine 10. Daher erscheint auch eine jede Änderung der Spindelgeschwindigkeit ν als ein sanfter Übergang. Es wurde bereits vorstehend erwähnt, daß die Schalter des Steuerfeldes 32 zur Bestimmung der Schrittweite für die Spindelgeschwindigkeit ν und zur Bestimmung der Schrittweite für den Vorschub-pro-Umdrehung f vier Schaltpositionen aufweisen. Diese Positionen .nlsprechen 0,2%, 0,4%, 0,8% und 1,6% der für ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis maximalen Spindelgeschwindigkeit bzw. 0,8%, 1,6%, 3,2% und 6,4% des maximalen Vorschubs-pro-Umdrehung. Da die Vorschubgeschwindigkeit Fdes Tisches das Produkt aus Spindelgeschwindigkeit ν und Vorschub-pro-Umdrehung fist, ergeben sich entsprechende Änderungen in der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches als Funktion der vorstehenden Veränderlichen. Läuft z. B. der Spindelmotor bei 50% seiner Maximalgeschwindigkeit, dann ruft ein Schritt von 0,8% im Vorschub-pro-Umdrehung f nur eine Änderung von 0,4% in der Vorschubgeschwindigkeit des Tisches hervor.

Die Ausgänge des Spindelgeschwindigkeits-Registers 216 und des Vorschub-pro-Umdrehungsregisters 218 sind über Leitungen 235 bzw. 236 mit Digital/Analog-Wandlern 238 bzw. 240 verbunden. Die Wandler 238 und 240 werden von einer Reihe A .alogschalter gebildet, die von den über die Leitungen 235 bzw. 236 herangeführten Digitalsignalen angesteuert werden und mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden sind. Jeder Schalter legt eine Referenzspannung über einen Teil der Widerstandskette. Zum Beispiel schaltet das höchstwertigste bit des Spindelgeschwindigkeits-Registers 216 50% der Referenzspannung auf den Ausgang (ein volles Register entspricht einem Wert von 100%). Für die Umwandlung des digitalen Ausgangssignals auf der Leitung 235 durch den Digital/Analog-Wandler 238 wird eine einstellbare Bezugsspannung dem Digital/ Analog-Wandler 238 über eine Leitung 242 von einer nicht gezeigten Gleichspannungsquelle her zugeführt, deren andere Klemme geerdet ist. Das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 238 gelangt über eine Leitung 244 auf einen Zwischenverstärker 246, der das Analogsignal so weit verstärkt, wie es für die Ansteuerung des Spindelantriebs 74 im Maschinenantrieb 15 erforderlich ist (vgl. Fig. 1). Im allgemeinen ist das Ausgangssignal eines Digital/Analog-Wandlers das Produkt aus dem analogen Referenzsignal und dem digitalen Steuersignal. Eine solche Schaltung wird auch manchmal als Hybridmultiplikator bezeichnet Das analoge Ausgangssignal auf Leitung 244 wird auch als analoges Referenzsignal auf den Digital/Analog-Wandler 240 geführt der von dem digitalen Ausgangssignal

des Voischub-pro-Umdrehungsregisters 218 angesteuert wird Damit ist das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 240 gleich dem Produkt aus der Spindelgeschwindigkeit ν und dem Vorschub-pro-Umdrehung f. Über eine Leitung 248, einen Verstärker 250 und eine Leitung 252 wird dieses Signal einem Zwischenverstärker 254 zugeführt. Der Verstärker 250 verstärkt das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 240 um einen Faktor 4. Daher kann für die Vorschubgeschwindigkeit F des Tisches ein voller Aussteuerbereich erzielt werden, selbst wenn die der prozentualen Spindelgeschwindigkeit entsprechende Ausgangsspannung des Digital/Analog-Wandlers 238 lediglich ein Bruchteil des Gesamtbetrages ist. Ohne den Verstärker 250 würde ein kleinerer prozentualer Anteil der Spindelgeschwindigkeit die maximale prozentuale Vorschubgeschwindigkeit auf denselben Betrag begrenzen. Da der Vierfach-Verstärker 250 den bit-Wert in dem Vorschub-pro-Umdrehungsregister 218 um den Faktor 4 vergrößert, entspricht dem höchstwertigsten bit tatsächlich ein Prozentsatz von 200% anstelle der üblichen 5υ%. In dieser Weise besteht das Vorschubpro-Umdrehung-Register 218 tatsächlich aus einem 7-bit-Register mit zwei Über-bits. Daher entspricht eine Zählung von 1 in dem Vorschub-pro-Umdrehungsregister 218 einem Wert 0,03%, während eine Zählung von 1 in dem Spindelgeschwindigkeitsregister 216 einem Wert 0,02% entspricht. Die wirksame prozentuale Schrittweite für die Vorschubgeschwindigkeit ist eine Funktion des Schrittweitensignals für den Vorschub-pro-Umdrehung f, das über die Leitung 230 dem Inkrementzähler 210 vom Steuerfeld 32 her zugeführt wird und eine Funktion des Wertes der prozentualen Spindelgeschwindigkeit v. Wenn der Wert der Spindelgeschwindigkeit z. B. 100% beträgt, dann macht eine Zählung von 1 in dem Vorschub-pro-Umdrehung-Register 218 0,08% der Vorschubgeschwindigkeit aus. Wenn jedoch die prozentuale Spindelgeschwindigkeit 25% beträgt, macht die gleiche Zählung von 1 nur noch den Wert von 0.02% aus. Die Ausgangssignale der Zwischenverstärker 246 und 254 werden als %-Stellsignal für Spindelgeschwindigkeit über die Leitung 44 bzw. als %-Stellsignal für die Tischvorschubgeschwindigkeit über die Leitung 46 der Relaisstation 14 zugeführt

Ehe nun anhand der Fig.8 die Betriebsweise der Steuerungsvorrichtung beschrieben wird, soll noch einmal zusammengefaßt werden, welche Parameter unter anderem auf dem Steuerfeld 32 der Steuerungsvorrichtung eingestellt werden können. Zunächst ist ein Netzschalter vorhanden. Dann ein Start-Stop-Schalter, dessen Schaltfunktion über eine Leitung 224 (F i g. 2) auf die logische Schaltung 206 geführt wird. Dann befindet sich auf dem Steuerfeld 32 ein Schalter für das Umschalten von Handbetrieb auf Automatikbetrieb und umgekehrt. Ein weiterer Schalter ermöglicht die Einstellung der Abtastfrequenz, die über die Leitung 196 dem Detektor 194 zugeführt wird. Durch Verstellen der Abtastfrequenz wird die Geschwindigkeit bestimmt, mit der eine Optimierung oder eine Änderung der festgesetzten Werte erfolgen soll. Weiterhin sind die 4-Positionsschalter für die Schrittweiten der Inkrementzähler 208 und 210 vorgesehen, die das Ausmaß der Vergrößerung oder Verringerung der festgesetzten Werte bei einer Änderung bestimmen. Der logischen Schaltung 200 werden über eine Leitung 202 von einem Wahlschalter her die Auswahlsignale zugeführt, die bestimmen, ob die Spindelgeschwindigkeit oder die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von uer Übertretung einzelner Grenzwerte geändert werden soll. Weiterhin sind Optimierungsabbruchschalter vorgesehen, wobei bei der Betätigung des einen Schalters die Spindelgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit auf ihre Anfangswerte zurückge-f.el't werden, während im anderen Fall die Optimierung unter Beibehaltung der vorhandenen Werte für Spindelgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit abgebrochen wird.

Anhand der Fig. 8 wird nun die F.rzeugung automatisch geregelter Stellsignale durch das Anpassungstegelsystem 12 zur Optimierung des Betriebs der Fräsmaschine 10 beschrieben. Die folgenden konstanten

ij Grenzwerte sind vorgegeben: Maximaler Vorschubpro-Umdrehung f„,_a, 0,070 Zoll/Umdrehung (0,18 cm/ Umdrehung), maximale Spindelgeschwindigkeit v™,= 750 Umdrehungen/min und maximale Vorschubgeschwindigkeit F,„,„ des Tisches von 40 Zoll/min

(1U2 cm/min). Es wird angenommen, daß bei Überschreitung der maximalen Spindelgeschwindigkeii v_mal oder der maximalen Vorschubgeschwindigkeit F_mj, des Tisches eine Korrektur durch Verringerung der Spindelgeschwindigkeit ν und bei Überschreiten des maximalen Vorschubs-pro-Umdrehung f_m„ eine Korrektur durch Verringerung des Vorschubs-pro-Umdrehung /"erfolgt. Der Punkt A möge den Anfangspunkt des Automatikbetriebs darstellen. Beim Punkt A findet keine Überschreitung eines Grenzwertes statt und das Anpassungsregelsystem 12 beginnt automatisch die Optimierung. Durch entsprechende Signalerzeugung im Registerabschnitt 116 werden über den Ausgangsabschnitt 118 dem Spindelmotor und dem Tischmotor solche Signale zugeführt, die zu einer Erhöhung der Spindelgeschwindigkeit ν und einer Vergrößerung des Vorschubs-pro-U.ndrehung /"derart führen, daß in der F i g. 8 der Punkt Berreicht wird. Die Koordinater.differenz zwischen den Punkten A und B in Abszissenrichtung (Spindelgeschwindigkeit) und in Ordinatenrichtung (Vorschub-pro-Umdrehu.'.g) werden durch die an den Inkrementzählern 208 bzw. 210 anliegender. Schrittwci-•■ensignale bestimmt. Da auch am Punkt B keine Überschreitung von Grenzwerten stattfindet, setzt das Anpassungsregelsystem 12 die Optimier« .<? unter

Ί5 schrittweiser Änderung der Stellsignale fort, bis der Punkt Cerreicht wird, der mit einer Überschreitung des Grenzwertes für die Vorschubgeschwindigkeit F des Tisches verbunden is». Dies wird von dem Vergleichsabschnitt 112 festgestellt, und der Logik-Abschnitt 114 erzeugt auf Leitung 220 ein Korrektursignal, das zu einor Verringerung der Spindelgeschwindigkeit, d. h. zu einem Abwärtszählen im Spindelgeschwindigkeitsregister 216 führt. Die Verringerung der Spindelgeschwindigkeit erfolgt in zwei Schritten, bis der Punkt D erreicht ist, bei dem keine Grenzwertüberschreitung mehr vorliegt. Bei Erreichen des Punktes D wird die Optimierung wiederaufgenommen. Danach läßt das Anpassungsregelsystem 12 den Arbeitspunkt der Fräsmaschine in dem in der F i g. 8 gezeigten Grenzzyklus wandern. Bei dem vereinfachten Beispiel gemäß Fig.8 werden nur drei Grenzwerte bemeksichtigt. Beim tatsächlichen Betrieb werden aber noch die Grenzwerte anderer Größen berücksichtigt wie Spindelmoment, Spindelschwingung, Temperatur der Werkzeugspitze usw„ weil diese das Arbeitsergebnis am Werkstück entscheidend bestimmen. Die drei in der Fig.8 berücksichtigten Grenzwerte machen in erster Linie ein sicheres Arbeiten der Fräsmaschine möglich.

13 14

Bei Grenzwertüberschreitung dieser drei Grenzwerte oder der anderen Grenzwerte ergeben sich die in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellten Korrekturregeln.

Grenzwerte

Korrekturbefehl bei Grenzwertüberschreitung Wirkung

Maximales Spindelmoment

Maximale Temperatur der

Werkzeugspitze

Maximale Werkzeugschwingung

Maximale Spindelgeschwindigkeit

Maximaler Vorschub-pro-Umdrehung

Maximale Tisch-Vorschubgeschwindigkeit
Minimale Spindelgeschwindigkeit

Minimaler Vorschub-pro-Umdrehung

Minimale Tisch-Vorschubgeschwindigkeit
Minimales Spindelmoment

Verringerung von f

Verkleinerung von ν Verringerung von f Verkleinerung von ν

Verkleinerung von Γ wählbar

Vergrößern von ν Vergrößern von f

Vergrößern von /"oder Vergrößern von ν kein Korrekturbefehl Schnittkräfte werden begrenzt, dadurch Verkleinerung der Ablenkung des Werkzeugs und
der Bruchgefahr

verhindert überstarke Abnutzung des Werkzeugs und Zündern an der Werkstückoberfläche
verhindert ein Rattern des Werkzeugs und eine
schlechte Oberflächengüte des Werkstücks
verhindert übermäßige Abnutzung des Werkzeugs und ein Zündern auf der Werkstückoberfläche; schützt den Spindelmotor
verhindert Ablenkung und Brechen des Werkzeugs
schützt den Tischmotor

verhindert schlechte Oberflächengüte; schützt

Spindelmotor

garantiert minimalen Spanabtrag

garantiert minimalen Spanabtrag; schützt

Tischmotor

eine Schnittunterbrechung wird festgestellt

Für jedes periodische Fräsen stellt es ein wünschenswertes Merkmal dar, wenn das Anpassungsregelsystem 12 in der Lage ist, festzustellen, ob die Fräsmaschine zur Zeit Metall fräst. Während eines schweren Schnittes wird die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend einem hohen Spindelmoment auf einem niedrigen Wert gehalten. Wird der Schnitt unterbrochen, dann ist die Begrenzung für die maximale Spindelgeschwindigkeit nicht langer wirksam und die Vorschubgeschwindigkeil vergrößert sich bis zu ihrem Maximum. Unter diesen Bedingungen setzt der Fräser mit maximaler Vorschubgeschwindigkeit erneut am Werkstück an, so daß der Fräser brechen kann. Um dies zu vermeiden, ist eine minimale Momentbegrenzung für die Spindel vorgesehen, die bei Verletzung, d. h. bei Unterschreitung sämtliche Änderungen in der Spindelgeschwindigkeit und im Vorschub-pro-Umdrehung verhindert. Jede Unterschreitung dieses Grcnzwerles beendet die Optimierung, führt jedoch nicht zur Bildung eines Korrektursignals. Die Strategie besteht hier darin, daß der Fräser mil Sicherheil mit der gleichen Vorschubgeschwindigkeit in das Werkstück wieder eindringt, mit der er das Werkstück verlassen hai. Aus der obenstehenden Tabelle, die auch eine wählbare Korrektur aufführt, wählt die Bedienungsperson die Art der Korrektur durch Wählschalter auf dem Steuerfeld 32 des Anpassungsrcgelsystems 12 aus.

In Fig. 3 ist eine Fräsmaschine teilweise im Schnitt gezeigt. F.in Gehäuse 266 umgibt eine Spindel 268. die einen Fräser 262 hält. Die .Spindel 268 ist elektrisch gegenüber dem Gehäuse 266 mittels Isoliertcilcn 270 isoliert und wird über ein auf eine Antriebswelle 280 aufgekeiltes Zahnrad 279 angetrieben. Auf die Spindel 2f>8 ist ein Antriebszahnrad 278 aufgekeilt. Fin nicht ''? gezeigter Kraftmesser für die beim Fräsen auf den Fräser 262 ausgeübten Kräfte ist an einem ein Werkstück 2W) tragenden lisch 264 befestigt. Der Kraftmesser erfaßt Kräfte in drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen und bildet entsprechende Ausgangssignale auf drei Leitungen 272, 274 und 276 des Kanals 26(Fi g. 1).

Der Meßfühler für das Spindelmoment ist schematisch in F i g. 3 und vollständig in F i g. 4 dargestellt. Vier Dehnungsmeßstreifen 306, 308, 310 und 312. wobei lediglich die Dehnungsmeßstreifen 306 und 310 in F i g. 3 dargestellt sind, sind in einem Teil 313 der Spindel 268 mit geringerem Durchmesser angeordnet. Die Dehnungsmeßstreifen sind in zwei V-Anordnungen angebracht und elektrisch in Form einer Brückenschaltung miteinander verbunden. Der Widerstand dei Dehnungsmeßstreifen nimmt mit einer Ausdehnung zu Indem die Dehnungsmeßstreifen um 45° geneigi gegenüber der Spindelachse angeordnet werden, bilder sie eine Spannung, die proportional dem Moment der Spindel ist. Geringe Unterschiede in den Dehnungsstreifen können bei einem Moment von Null ein Ausgangssignal hervorrufen. Dies wird durch Hinzufügen vor ausgleichenden Elementen vermieden, beispielsweise durch einen Widerstand 314 und einen Kondensator 316, die dem Dehnungsmeßstreifen 308 paralle geschaltet sind (Fig.4). Falls erforderlich, kann eine weitere Nulleinstellung dadurch erhalten werden. daC weitere Ausgleichselemente parallel zu den anderer Dehnungsmeßstreifen geschaltet werden. Die Brückenschaltung wird über Leitungen 290 und 292 und die feststehende Primärwicklung eines Wandlers 294 vor einem 10=kHz-Oszillator 318 gespeist, wobei die Brückenschaltung über Leitungen 302 und 304 versorgl wird, die an die Enden der mit der Brückenschaltung rotierenden Sekundärwicklung 5und an eine Diagonale der Brücke angeschlossen sind. Wenn die Spindel 26f angetrieben ist, um den Fräser 262 in Fingriff mit derr Werkstück 260 zu bringen, und ein den Sehncidkräftcr entgegengesetzt gerichtetes Moment entwickelt wird

werden die Dehnungsmeßstreifen 306,308,310 und 312 unterschiedlich gedehnt. Die Brückenschaltung ist daher nicht mehr abgeglichen. Das Ausgangssignal wird über an die andere Diagonale der Brückenschaltung angeschlossene Leitungen 298 und 300 auf die rotierende Primärwicklung P' eines zweiten Wandlers 320 gegeben. Die Signale, die an der feststehenden Sekundärwicklung S' des Wandlers 320 anstehen, werden über eine Leitung 297 auf einen dreistufigen ÄC-Verstärker 328 übertragen. Das andere Ende der Sekundärwicklung S' des rotierenden Wandlers 320 ist über eine Leitung 290 geerdet Die Wechselspannungssignale, die an der Sekundärwicklung 5' des Wandlers 320 anstehen, sind im allgemeinen wegen der geringen Änderungen im Widerstand, die durch eine Dehnung des Dehnungsmeßstreifens hervorgerufen werden, klein. Daher wird ein verhältnismäßig kleines Signal dem Verstärker 328 zugeführt

Die dargestellte Brückenschaltung ist in Wirklichkeit ein amplitudenmoduliertes Übertragungssystem mit unterdrückter Trägerwelle. Bei einem positiven Moment erscheint ein Ausgangssigna!, das in Phase ist mit dem Signal des Oszillators 318. Bei einem negativen Moment ist das Ausgangssignal gegenüber dem Signal des Oszillators 318 um 180° phasenverschoben. Für beide Vorzeichen des Moments ist jedoch die Amplitude des Ausgangssignals proportional dem Moment der Spindel.

Die Verstärkung des Verstärkers 328 ist annähernd 80 000 bei 1OkHz und wird geringer für andere Frequenzen. Das verstärkte Wechselspannungs-Momentensignal am Ausgang des Verstärkers 328 wird über eine leitung 332 auf einen phasenempfindlichen Demodulator 330 übertragen. Der Demodulator 330 wird durch einen Taster 336 über eine Leitung 338 getastet. Die Tastfunktion wird durch den Oszillator 318 gesteuert, der über die Leitungen 290 und 334 mit dem Taster 336 verbunden ist. Der Demodulator 330 unterdrückt die positiven oder negativen Teile der in Phase liegenden Signale der Brückenschaltung. Der phasenempfindliche Demodulator 330 bildet ein Ausgangssignal, das auf ein Tiefpaßfilter 340 gegeben wird, das aus einem in Reihe liegenden Widerstand 342 und einem geerdeten Kondensator 344 gebildet ist. Das gefilterte Ausgangssignal wird auf einen direkt angekoppelten Verstärker 346 gegeben. Der Verstärker 346 gibt auf den Kanal 17 ein Ausgangssignal, das ein Gleichstromsignal ist und analog dem Moment der Spindel ist.

Der Meßfühler für die Temperatur an der Werkzeugspitze ist teilweise in F i g. 3 und ausführlicher in F i g. 5 dargestellt. Da das Werkzeug 262 und das Werkstück 260 aus verschiedenen Metallen bestehen, bilden sie an ihrem Berührungspunkt ein Thermoelement. Die Schnittwärme ruft an der Grenzschicht eine Thermospannung hervor, die gemessen werden kann. Wie in F i g. 3 und 5 dargestellt, ist das Werkstück 260 über eine Leitung 348 geerdet Die Thermospannung oberhalb des Erdpotentials erscheint ebenfalls zwischen Erde und der metallischen Spindel 268. Diese Spannung wird über 6ο eine Ringbandfeder 350 auf eine Leitung 358 übertragen. Die Ringbändfeder 350 dreh) sich zwischen einer inneren Lauffläche 352 in der Spindel 268 und einer stationären äußeren Lauffläche 354 in einem Kontaktgeber 356. Die Thermospannung wird auf diese Weise von dem Fräser über die Spindel 268, die elektrisch gegenüber dem Gehäuse mittels Isolatoren 270 isoliert ist, über die Ringbandfeder 350, den Kontaktgeber 356 und über eine Leitung 358 auf einen Verstärker 360 übertragen. Da die Höhe des Signals in großem Maße von dem Materialunterschied zwischen dem Werkzeug 262 und dem Werkstück 260 abhängt, wird entweder die Verstärkung des Verstärkers 360 nachgestellt oder der konstante Wert des Begrenzungssignals wird von Hand so eingestellt daß der Vergleich möglich wird. Das letztere ist wünschenswerter. Der Verstärker 360 besitzt eine Verstärkung bis zu 10 000 und überträgt das verstärkte Signal auf eine Klemme eines zweipoligen polarisierten Schalters 362 über die Leitung 364. Das verstärkte Signal wird außerdem über eine Leitung 366 auf einen Umkehrverstärker 368 von der Verstärkung 1 gegeben. Der Umkehrverstärker 368 ist mit der anderen Klemme des polarisierten Schalters über eine Leitung. 369 verbunden. Abhängig von dem Material des Werkzeugs 262 und dem des Werkstücks 260 ist die Thermospannung entweder positiv oder negativ. Der Umkehrverstärker 368 und der polarisierte Schalter 362 tragen dieser Möglichkeit Rechnung und geben auf den Kanal 18 ein Gleichstromsignal, das analog der Temperatur ist

Der Meßfühler für die Schwingung des Werkzeugs ist teilweise in F i g. 3 und vollständig in F i g. 6 dargestellt Ein Kristall-Beschleunigungsmesser 370, dessen eine Klemme über eine Leitung 372 geerdet ist, ist an dem Spindelgehäuse 266 befestigt und erzeugt eine Wechselspannung in Abhängigkeit von den sinusförmigen Schwingungen des Gehäuses 266. Die Amplitude der Spannung ist direkt proportional der Amplitude des Ausschlags des Spindelgehäuses 266 und ist daher ein Maß für die Schwingung der Spindel 268.

Der Beschleunigungsmesser 370 ist empfindlich genug, um die normalen Schwingungen zu erfassen, die in den unbelasteten Spindellagern entstehen. Größere Schwingungen infolge eines Ratterns des Werkzeugs bei Lastbedingungen werden entsprechend sicher erfaßt. Die Ausgangsspannung wird über eine Leitung 374 auf einen Feldeffekttransistor-Verstärker 376 gegeben, der eine Eingangsimpedanz aufweist wie sie für den Beschleunigungsmesser 370 erforderlich ist. Der Verstärker 376 hat eine Verstärkung von 1/2. Das Ausgangssignal des Verstärkers 376 wird über eine Leitung 378 auf eine Schaltungsanordnung 382 zur Erfassung der Spitzenspannung gegeben. Die Schaltungsanordnung 382 enthält eine in Reihe geschaltete Diode 390 mit der gezeigten Durchlaßrichtung und einen Kondensator 392, der zwischen der Kathode der Diode 290 und Erde liegt Das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung ist daher eine analoge Gleichspannung, die der Schwingung der Spindel entspricht und die auf dem Kanal 20 der Meßfühlereinheit 11 der Recheneinheit 30 zugeführt wird.

F i g. 7 stellt den Spannungsteiler zur Messung der absoluten Spindelgeschwindigkeit dar.

Die ,Spindel der Fräsmaschine 10 ist über ein Getriebe 398 mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis antreibbar. Das Übersetzungsverhältnis kann manuell mit Hilfe eines Verstellhebels 396 eingestellt werden. Ein Dreh- oder Schiebeschalter 393 besitzt einen Schieber 394, der über ein mechanisches Gestänge 395 mit dem Getriebeverstellhebel 396 verbunden ist. Die Bewegungsrichtungen des Schiebers 394 und des Getriebeverstellhebels 396 sind durch Richtungspfeile 399 angedeutet Der Schalter 393 besitzt eine Kette von Widerständen 400, 402,404, 406,408 und 410, die an in Reihe geschaltete Kontakte 420 angeschlossen sind, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Widerständen

liegen. Obgleich sechs Widerstände 400 bis 410 dargestellt sind, ist offensichtlich, daß mehr oder weniger Widerstände entsprechend der Anzahl der Übersetzungsverhältnisse des Getriebes verwendet werden können. Die Widerstände bilden einen Spannungsteiler für das Ausgangssignal eines Tachogenerators 412. Das Ausgangssignal des Tachogenerators 412 wird über eine Leitung 414 auf die Widerstandskette des Schalters 393 gegeben. Die elektrische Schaltung weist ferner zwei Erdleitungen 416 und 418 auf. Wenn der Getriebeverstellhebel 396 verstellt wird, dann verstellt das Gestänge 395 den Schieber 394 in eine geeignete Lage auf einem der zahlreichen Kontakte 420. Der Wert jedes Widerstandes der in Reihe geschalteten Widerstände 400 bis 410 ist proportional der entsprechenden Geschwindigkeitsdifferenz zwischen zwei benachbarten Übersetzungsverhältnissen des Getriebes 398. Daraus

folgt, daß die an dem Schieber 394 auftretende Spannung proportional der absoluten Spindelgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute ist.

Das Signal für die absolute Spindelgeschwindigkeit wird vom Schieber 394 auf den Kontaktgeber 422 übertragen. Der Schieber 394 und der Kontaktgeber 422 bleiben dauernd miteinander in Berührung, wenn der Schieber 394 entlang der Widerstandskette 400 bis 410 verstellt wird. Das Signal läuft durch den Kontaktgeber 422 und den Kanal 22 zur Recheneinheit 30 (vgl. F i g. 1).

Eine ähnliche Schaltungsanordnung wird verwendet, um über einen Tachogenerator im Antrieb des Maschinentisches die absolute Vorschubgeschwindigkeit zu messen. Die absolute Vorschubgeschwindigkeit wird von der Meßfühlereinheit 11 über den Kanal 24 auf die Recheneinheit 30 gegeben.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerungsvorrichtung für spanabhebende Werkzeugmaschinen, bei denen Werkzeug und Werkstück in Abhängigkeit von Stellsignalen mindestens zweier Stellsignalkanäle relativ zueinander bewegbar und in Eingriff miteinander bringbar sind, mit einer mehrere Fühler für das Erfassen von sich während des Zerspannungsvorgangs ändernden physikalischen Meßgrößen aufweisenden Meßfühlereinheit für die Abgabe entsprechender Signale, mit einem Handsteuersystem mit von Hand einstellbaren Signalerzeugern für die Abgabe von Handsteuersignalen für die beiden Stellsignalkanäle, mit einem automatischen Anpassungsregelsystem ι·, mit Gebern für von der gewünschten Betriebsart der Maschine abhängige konstante Grenzwertsignale und mit einer mit der Meßfühlereinheit und den Gebern verbundenden Recheneinheit, die nach Vergleich vorgegebener Grenzwertsignale mit von den Meßfühlern abhängigen Signalen automatisch geregelte Stellsignale für die beiden Stellsignalkanä-Ie erzeugt, und mit einer Relaisstation, die in Abhängigkeit von ihrer Schaltstellung den Stellsignalkanälen die vom Handsteuersystem oder die vom Anpassungsregelsystem erzeugten Signale zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisstation (14) entweder direkt gesteuerte Siellsignale (60, 62) des Handsteuersystems (13) oder geregelte Stellsignale (48, 50) des Anpassungsregel-Systems (1?^ auf die Stellsignalkanäle (68, 70) für die Relativbewegung von Werkzeug und Werkstück schaltet, daß die Recheneinheit (30) die automatisch geregelten S ..d !signale des Anpassungsregelsystems zur Optimierung des Betriebs der Werkzeugmaschine (10) nach einer vorgegebenen Suchstrategie unter schrittweiser Änderung der Stellsignale erzeugt und zu diesem Zweck einen einerseits mit der Meßfühlereinheit (11) und andererseits mit den Gebern (120-127,130-132) für die Grenzwertsignale verbundenen und digitale Ausgangssignale liefernden Vergleichsabschnitt (112) aufweist, dem ein Logik-Abschnitt (114) nachgeschaltet ist, der einen den Ausgang des Vergleichsabschnitts (112) abtastenden Detektor (194) zum Erfassen und Speichern von Grenzzuständen, eine dem Detektor (194) nachgeschaltete logische Schaltung (200) für die Festlegung der Art der Signalverarbeitung bei Feststellung einer Verletzung eines vorgegebenen Grenzwerts durch den DeteKtor (194) bzw. bei Fehlen einer solchen Verletzung und eine mit der logischen Schaltung (200) verbundene logische Steuerschaltung (206) für die Erzeugung von zur festgelegten Art der Signalverarbeitung führenden Steuersignalen aufweist, daß dem Logik-Abschnitt (114) ein Registerabschnitt (116) nachgeschaltet ist, der für jeden Stellsignalkanal einen an einen Ausgang (212; 214) der logischen Schaltung (200) angeschlossenen Inkrementzähler (208; 210) und ein diesem nachgeschaltetes sowie mit der logischen Steuerschaltung (206) verbundenes Register (216; 218) aufweist, daß dem Registerabschnitt (116) ein Ausgangsabschnitt (118) nachgeschaltet ist, der für jeden Stellsignalkanal einen mit dem Ausgang des Registers (216; 218) verbundenen Digital/Analog-Wandler (238; 240) und einen dem Wandler nachgeschalteten Zwischenverstärker (246; 254) aufweist, wobei die Ausgänge der Zwischenverstärker mit der Relaisstation (14) verbunden sind, und daß dem Detektor (194), der logischen Schaltung (200), der logischen Steuerschaltung (206) und den Inkrementzählern (208, 210) von einem zum Anpassungsregelsystem (12) gehörenden und die Geber (120-127,130-132) einschließenden Steuerfeld (32) Betriebssignale (196, 202, 224, ΓΪ28, 230) zufüiirbar sind, die das Abtasten des Detektors (194), die Abfrage der Grenzzustände durch die logische Schaltung (200), den Start der logischen Steuerschaltung (206) und durch Ansteuerung der Inkrementzähler (208,210) die Schrittweite der Signaländerungen in den Stellsignalkanälen bestimmen.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 für eine Werkzeugmaschine, bei der das Werkzeug an einer Drehspindel und das Werkstück auf einem gegenüber der Spindel verschiebbaren Tisch angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühler zum Teil der Spindel (268) und zum Teil dem Tisch (264) zugeordnet sind und daß die Ausgangssignale der Steükanäle ein Signa! für die Spulgeschwindigkeit (v) und ein Signal für die Vorschubgeschwindigkeit (F)des Tisches sind.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurci. gekennzeichnet, daß das der Spindelgeschwindigkeit (Vj entsprechende Ausgangssignal des einen Digital/,"«nalog-Wandlers (238) dem zweiten Digital/Analog-Wandler (240) zuführbar ist, auf dessen Eingang das dem Vorschub-pro-Umdrehung (f) entsprechende Signal geschaltet ist, und daß im zweiten Digital/Analog-Wandler (240) durch Produktbildung (vy. f) aus den beiden zugeführten Signalen das der Vorschubgeschwindigkeit (F) des Tisches (264) entsprechende Stellsignal erzeugbar ist.

4. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Spindeldrehmoments auf der Spindel (268) vier Dehnungsmeßstreifen (306-30 in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, daß ein Brükkenzweig (302, 304) an eine mit der Spindel rotierende Wicklung eines ersten Wandlers (294) angeschlossen ist, dessen feststehende Wicklung mit dem Ausgang eines Oszillators (318) verbunden ist, und daß der andere Brückenzweig (298,300) an eine mit der Spindel rotierende Wicklung eines zweiten Wandlers (320) angeschlossen ist, dessen feststehende Wicklung mit der Signalverarbeitungsschaltung (328-346) verbunden ist derart, daß Energie induktiv auf die Spindel koppelbar ist und eine durch die Dehnungsmeßstreifen modulierte Schwingung induktiv von der Spindel auf die Signalverarbeitungsschaltung auskoppelbar ist.

5. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Spindelgeschwindigkeit das Ausgangssignal eines Tachogenerators (412) an einem Spannungsteiler (400-408) liegt und daß die Teilwiderstandswerte des Spannungsteilers (400-408) durch einen Schieber (394) abgreifbar sind, der mechanisch über ein Gestänge (395) mit einem Verstellhebel (3%) eines Spindelgetriebes (398) verbunden ist.