DE2023185A1

DE2023185A1 - Steuersystem fuer Metallbearbeitungsmaschinen

Info

Publication number: DE2023185A1
Application number: DE19702023185
Authority: DE
Inventors: Shillam Norman Frederick
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1969-05-12
Filing date: 1970-05-12
Publication date: 1970-11-19
Also published as: US3646839A; GB1293760A

Description

Patentanwälte DlpUng. r. _b E ETZ sen. Dlpl-Ing. K. LAMPRiECHT ~

Dr.-Ing. R. B E ΕΞ T Z jr.

8 München 22, Steinsdorfstr. 10

293-I5.68OP I2.5.I97O

National Research Development Corporation LONDON, S.W.l. (Großbritannien)

Steuersystem für Metallbearbeitungsmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für Metallbearbeitungsmaschinen mit einem auf einem Maschinengestell angeordneten und relativ zu einem Werkstückhalter bewegbaren Schneidwerkzeug.

Einer der wesentlichen Faktoren für eine wirtschaftliche Steuerung der Metallbearbeitung unter Verwendung von Werkzeugmaschinen ist der Zusammenhang zwischen der Abtragungsgeachwindigkeit für das zu entfernende Metall und der erreichbaren Lebensdauer für die Schneidkanten der eingesetzten Schneidwerkzeuge. Aus einer empirischen Bestimmung dieses Zusammenhanges läßt sioh eine optimale Abtragungsgeschwindigkeit für das zu entfernende Metall auswählen. Die an der Schneidkante während des Schneidens entstehende Temperatur ist ein Parameter, der eng mit der Abtragungsgeschwindigkeit und mit der Lebensdauer der Schneidkante verbunden ist} diese

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[Temperatur läßt bekanntlich an der Grenzfläche zwischen der Schneidkante und dem Metall des Werkstücks eine Thermospannung entstehen. Diese Thermospannung ist unter Laborbedingungen mit besonderen Vorkehrungen zur Ausschaltung oder zumindest Verminderung aller äußeren elektrischen Störungen,wie sie üblicherweise in industriellen Metallwerkstätten anzutreffen sind, vorgenommen worden, wobei einige dieser Vorkehrungen sich im Einsatz in der Industrie nicht treffen lassen.

Eine der mit der Messung der Thermospannung verbundenen Schwierigkeiten besteht darin, daß sich rund um das Schneidwerkzeug und das Werkstück Schneidspäne ansammeln. Wenn es zu Anhäufungen langer Abschnitte von Schneidspänen kommt, dann führen diese zu einer Schwächung der abnehmbaren Thermospannung, da sie gleichzeitig das Werkstück und Teile des Maschinengestells berühren. Der Werkzeughalter kann mit einem isolierenden keramischen Überzug versehen werden, so daß die Teile der Schneidspäne, die den Werkzeughalter und das Maschinengestell berühren, keine wesentliche Schwächung der Thermospannung herbeiführen. Alle die Schneidspäne, die noch mit dem Werkstück verbunden sind, das das Maschinen«- gestell berührt, schwächen die Thermospannungjohne sie völlig auszulöschen, da der elektrische Widerstand des für die Messung der Thermospannung vorgesehenen Kreises in der Praxis vergleichbar oder kaum größer ist als der Widerstand an der unerwünschten Kontaktstelle zwischen den Schneidspänen und dein Maschinengestelle · Die zu der Thermospannung als Spannungsquelle gehörige Eigenimpedanz ist sehr niedrig und liegt in typischen Fällen bei einigen wenigen Milliohm.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein relativ einfach aufgebautes Steuersystem für Metallbearbeitungsmaschinen au entwickeln, das unter normalen Werkstattbedingungen zum Einsatz kommen kann und außerdem die Abtragungsgeschwindigkeit für das abzutragende Metall auf dem höchsten mit einer annehmbaren Lebensdauer für die Schneidkanten der Schneidwerkzeuge verträglichen Wert halt, wobei das

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Steuersystem schließlich auch eine sehr rasche Ermittlung von* SehneidspananSammlungen und brauchbare Messungen der Thermospannung trotz des kurzschließenden Effektes der beim Schneiden entstehenden Schneidspäne ermöglichen solle

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach einem wesentlichen Merkmal der "Erfindung dadurch, daß zwischen das Maschinengestell und den Werkstückhalter ein erster elektrischer Yfiderstand und zwischen das Maschinengestell und das Schneidwerkzeug ein zweiter elektrischer Widerstand eingeschaltet ist, daß eine Detektoreinrichtung zum Ermitteln und Verstärken der während der Werkstück- ™ bearbeitung zwischen der Schneidkante des Schneidwerkzeugs und dem Werkstück entstehenden Thermospannung an ihrem ersten Eingang mit dem Werkstückhalter und an ihrem zweiten Eingang mit dem Schneidwerkzeug elektrisch verbunden ist, daß an die Detektoreinrichttmg eine auf deren Ausgangssignal ansprechende Geschwindigkeitssteuereinrichtung zum ständigen Einstellen der Schneidgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs im Sinne einer Einhaltung eines vorgegebenen Wertes für die beim Schneiden entstehende Thermospannung angeschlossen ist, daß mit dem zweiten elektrischen Widerstand eine Schwellwertstufe zum Erzeugen eines bestimmten Ausgangssignals bei jedem "überschreiten eines Bezugswertes durch den an dem zweiten elektrischen Widerstand abfallenden Anteil der beim Schneiden ä entstehenden Thermospannung elektrisch verbunden ist und daß zwischen die Schwellwertstufe und die Geschwindigkeitssteuereinrichtung eine Schalteinrichtung eingefügt ist, die bei jedem Auftreten des bestimmten Ausgangssignals der Schwellwertstufe die Schneidgeschv/indigkeit auf einen vorgegebenen Wert einstellt.

Für die bein Schneiden entstehende Thermospannung liegen der erste und der zweite elektrische Widerstand in Serie zueinander und jede elektrische Verbindung-zwischen dem Werkstück und dem Maschinengestell führt zu einem Nebenschluß für den ersten Widerstand und läßt an dem zweiten Widerstand einen relativ großen all- entstehen, der durch die Detektoreinrichtung or-

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faßt· und mit der vorgegebenen. Bezugsspannung verglichen wird« Die De-feektoreinrichtung kann einen Verstärker mit einer als Differentialverstärker ausgebildeten Eingangsstufe enthalten, dsrsn einer Eingang mit einem an dea ersten Widerstand ab= fallenden Spannungssignal und deren zweiter Eingang mit einem an dem sweiten Widerstand abfallenden Spannungssignal gespeist wird ο

Weiterhin können auf das Vergleichsergebnis ansprechende Sehalteinrichtungen vorgesehen sein., die zum Betriebe einer Warneinrichtung und sur Herabsetzung der Schneidgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen Wert bei jeder Überschreitung der Bezugsspannung durch die Meßspannung dienen»

Die Geschwindigkeitssteuereinrichtung gehört vorzugsweise zu der ohne Verwendung von gepulsten oder digitalen Signalen arbeitenden Bauart« Sie kann eine Drehzahlregelung der Bauart Ward-Leorard oö.er eine der bekannten Abwandlungen davon enthalten. Die ganze Anordnung stellt ein Servosystem dar_o Dieses Servosystem kann einen Wandler_s der ein die Arbeitsgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine anzeigendes Signal liefert, eine auf dieses Signal ansprechende innere Rückkopplungsschleife, welche die Schneidgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine auf einem vorgegebenen Wert zu halten sucht,und eine auf die Thermospannung ansprechende äußere Rückkopplungsschleife enthalte^ die den einstellbaren Wert für die von der inneren Rückkopplungsschleife aufrechtzuerhaltende Schneidgeschwindigkeit so festlegt _s daß die beim Schneiden entstehende Thermospannung einen vorgegebenen Wert annimmt» In der äußeren Rückkopplungsschleife können eine Schwellwertstufe und von dieser betätigte Schalteinrichtungen vorgesehen sein, die immer dann, wenn die Thermospannung völlig ausbleibt oder unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt₉ die äußere Rückkopplun^ssohleife auftrennen und den einstellbaren Wert für die Schneidgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen Maximalwert bringen.

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Gemäß einem anderen wesentlichen Merkmal der Erfindung wird die Schneidgeschwindigkeit "bei einer Metallbearbeitung durch ein Servosystem gesteuert, das eine innere Eückkopplungsschleife, welche die Schneidgeschwindigkeit auf einem vorgegebenen Wert hält, und eine auf die zwischen dem zu bearbeitenden Metall und dem Schneidwerkzeug entstehende ThermoSpannung ansprechende äußere Hückkopplungsschleife enthält, die den von der inneren Eückkopplungsschleife einzuhaltenden Wert für die Schneidgeschwindigkeit so festlegt, daß die Thermospannung einen vorgegebenen Wert ä annimmt. Eine Schwellwertstufe und von dieser betätigbare Schalteinrichtungen sind so angeordnet, daß sie die Schneidgeschwindigkeit bei Ausfall der Thermospannung oder deren Absinken unter eine vorgegebene Schwellwertspannung herabsetzen.

An der Grenzfläche zwischen einem Schneidwerkzeug und einem Werkstück entsteht eine Thermospannung, die eine Funktion der durchschnittlichen Temperatur entlang der Schneidkante des Schneidwerkzeugs darstellt. Diese Thermospannung hat den Vorteil, daß sie sich leicht mit Geräten messen läßt, die keinen unbequem großen Platzbedarf in der Nähe der Schneidkante des Schneidwerkzeugs oder in thermischem Kontakt damit verlangen. Zwischen _Λ der Verschleißrate eines Schneidwerkzeugs und seiner Betriebstempe- ™ ratur besteht ein Zusammenhang und es ist bekannt, daß die Versehieißrate oberhalb einer bestimmten Betriebstemperatur stark zunimmt,' die Größe dieser Betriebstemperatur variiert in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Schneidwerkzeugs und dem Material des zu bearbeitenden Werkstücks. Anhand von experimentellen Untersuchungen läßt sich ein optimaler Wert für diese Betriebstemperatur bzw. für die damit zusammenhängende Thermospannung festlegen.

Die Auswirkungen einer Ansammlung von Schneidspänen rund um die Grenzfläche zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück würde bei einem auf die Thermoepannung ansprechenden Steuersystem normalerweise zu einem Pendeln der Schneidgeschwindigkeit. der V/erk-

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saugmaschine führen_o

Pendslerscheinungen im Steuersystem einer Werkzeugmaschine sind jedoch unerwünscht und es empfiehlt sich_s Vorkehrungen au treffen j, um solche Pendelerscheinungen zu -vermindern oder überhaupt au verhindern« Abgesehen davon, daß sie zu einem schlechten Endbearbeitungszustand des Werkstücks führen_a vergrößern sie auch die Wahrscheinlichkeit eines Werkzeugbruches< >

Durch die erfindungsgemäß getroffene Anordnung der Detektor» einrichtung führen starke Absenkungen der Thermospannung durch das Werkstück einerseits und das Maschinengestell oder den Werk= aeughalter oder beides andererseits berührende Schneidspäne zu einer leicht feststellbaren Spannungsänderung, die zur Absenkung der Schneidgeschwindigkeit und sum Betriebe einer Warneinrichtung verwendet werden kann»

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll nunmehr ein mögliches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Steuersystem näher beschrieben werden, das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Deren einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild für ein erfindungsgemäßes Steuersystem für eine Metallbearbeitungsmaschine ο

Das in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Steuersystem ist zum Betriebe einer üblichen Drehbank gedacht» Das Steuersystem enthält ein Potentiometer 1, dessen Schleifer mit einem Eingang einer Schalteinrichtung 2 und mit einer Anschlußklemme eines Voltmeters 3 verbunden ist» Ein Ende des Potentiometers 1 ist mit Erde verbunden₈und das andere Ende ist an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossene Die zweite Anschlußklemme des Voltmeters 3 ist mit Erde verbunden» Die Schalteinrichtung 2 hat einen Steuereingang₉ der mit einem Ausgang einer Schwel !wart stufe 4 verbundaa ist«, Der Ausgang der Schalteinrichtung 2 iut über einen Widerstand 6 mit einem Summier-

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eingang eines Verstärkers 5 verbunden» Ein zweiter Sununiereingang des Verstärkers 5 ist über einen Widerstand 7 mit einer Bück» kopplungsleitung 8 verbunden. Die Eückkopplungsleitung 8 ist außerdem an einen Eingang der Schwellwerk stufe 4^ an eine Anschlußklemme eines Voltmeters 9 und über eine Spitzenladungssehaltung 33 mit., dem Ausgang eines Differentialverstärkers 10 verbunden. Der Summierpunkt des Verstärkers 5 ist mit einem Überlastungsansseiger 11 und mit einem Eontakt eines Modeschalters 12 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 5 ist mit einem Summiereingang einer Geschwindigkeitssteuereinrichtung 13 nach Ward-Leonard verbunden. Die beiden anderen Summiereingänge der Geschwindigkeitssteuereinrichtung 13 f

sind an einen Drehzahlmesser 14 bzw. an den Ausgang einer Schalteinrichtung 15 angeschlossen. Ein Steuereingang der Schalteinrichtung 15 ist an den Ausgang der Schwellwertstufe 4 angeschlossen. Der Signaleingang der Schalteinrichtung 15 ist mit dem Schleifer eines Potentiometers 16 verbunden. Ein Ende des Potentiometers 16 ist geerdet₍ und das andere Ende ist mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Die Drehbank ist in üblicher Weise auf einem Gestell aufgebaut, das in der Zeichnung durch eine strichpunktierte Linie veranschaulicht und elektrisch geerdet ist. Die Drehbank besitzt eine Drehspindel 17, die durch das Geschwindigkeitssteuersystem 13 betrieben wird. Auf der Drehspindel 17 ist nahe bei ihrem Werkstückhalter 19 ein goldplattier- g ter Schleifring 18 angebracht. Eine Schleifbürste 20 aus einer Platin-Iridium-Legierung steht in elektrischem Kontakt mit dem Schleifring 18 und ist mit dem positiven Eingang des Verstärkers verbunden. Ein Werkstück 21 ist in den Werkstückhalter 19 eingesetzt. Ein Werkzeughalter 22 der Einschubbauart hält ein Schneidwerkzeug 23. Die am Schneidwerkzeug 23 auftretende Thermospannung V_1J1H wird dem negativen Eingang des Verstärkers 10 zugeführt.Durch eine Leitung 24 wird von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Vorratsquelle her ein Kühlmittelstrom zugeführt und fließt über das Schneidwerkzeug 23. Der V/erkzeughalter 22 besitzt einen in der Zeichnung nicht dargestellten isolierenden Überzug aus

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keramischem Material, der ihn elektrisch von dem Gestell der Drehbank isoliert.

Der Schleifä-fcftg- 20 ist außerdem über einen Widerstand 25 mit Erde verbunden. Der negative Eingang des Verstärkers 10 ist außerdem über einen Widerstand 26 mit Erde und mit dem Eingang einer Schwellwertstufe 27 verbunden. Die Schwellwertstufe 27 besitzt einen Bezugseingang, der mit dem Schleifer eines Potentiometers 28 verbunden ist. Das Potentiometer 28 ist einerseits mit A Erde und andererseits über einen Widerstand 29 mit dem Schleifer des Potentiometers 1 verbunden. Der Ausgang der Schwellwertstufe 27 ist mit dem Steuereingang einer Schalteinrichtung 30 verbunden. Die Schalteinrichtung 30 besitzt von Hand betätigbare Rückstellkontakte 31· Ein Schaltausgang der Schalteinrichtung 30 ist mit einem Einstelleingang der Schwellwertstufe 4 und ein weiterer Schaltausgang der Schalteinrichtung 30 ist mit einer Anzeigelampe 32 verbunden.

Das in der Zeichnung dargestellte Steuersystem ist in der Praxis ein Servosystem mit zwei Rückkopplungsschleifen. Es besitzt eine innere Rückkopplungsschleife mit einem raschen Ansprechen auf Veränderungen in der verlangten Geschwindigkeit, die W so angeordnet ist, daß sie auf Spannungssignale entweder von dem Potentiometer 16 oder-dem Verstärker 5 in Verbindung mit einem Spannungssignal von dem Drehzahlmesser I4 anspricht. Diese innere Rückkopplungsschleife steuert die Drehspindel 17 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit. Eine äußere temperaturempfindliche Rückkopplungsschleife spricht auf die an der Grenzfläche zwischen dem Schneidwerkzeug 23 und dem Werkstück 21 entstehende Thermospannung V_TW an und ist so angeordnet, daß sie die Arbeitsweise der inneren Rückkopplungsschleife verändert und damit den eingestellten Wert für die durch die innere Rückkopplungsschleife aufrechtzuerhaltende Geschwindigkeit für die Drehspindel 17 festlegt. Die äußere Rückkopplungsschleife umfaßt den Verstärker 5, die Geschwindigkeits-

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steuereinrichtung 13, die thermische Verbindung zwischen dem Werkstück 21 und dem Schneidwerkzeug 23, den Verstärker 10, die Spitzenladungsschaltung 33 und die Leitung 8.

Die Schwellwertstufe 4 spricht auf den Pegel der verstärkten Thermo spannung V™. an. Sie "besitzt zwei Ausgangs zustände. In ihrem ersten Ausgangs zustand, in dem die Thermo spannung T^ unterhalb eines vorgegebenen Pegels liegt, wirkt die Schwellwertstufe 4 durch Öffnen der Schalteinrichtung 2 als Sperre für die Spannung V₁-, und läßt das Signal aus dem Potentiometer 16 durch Schließen der Schalteinrichtung 15 wirksam werden« In ihrem zweiten Ausgangs- ^ zustand bei Überschreiten des vorgegebenen Pegels durch die Thermospannung V„, läßt die Schwellwert stufe 4 die Spannung V_ wirksam werden und wirkt als Sperre für das Signal von dem Potentiometer Wenn sich die Schwellwertstufe 4 i*¹ ihrem ersten Ausgangszustand befindet, hat der Verstärker 5 keine Steuerwirkung für die Geschwindigkeit der Drehspindel IJ. Die Schwellwertstufe 4 hat außerdem einen Einstelleingang, der bei Speisung mit einem Signal von der Schalteinrichtung 30 an dsn Ausgängen der Schwellwertstufe 4 unabhängig von der Größe der Thermo spannung V™ den ersten Ausgangszustand erscheinen läßt, bei dem die Schalteinrichtung 2 geöffnet und die Schalteinrichtung 15 geschlossen ist.

Der Modeschalter 12 ist so angeordnet, daß er gewünschtenfalls geschlossen werden kann und dann den Verstärker 5 für jedes Eingangssignal sperrt und auf diese Weise die äußere Rückkopplungsschleife des Steuersystem unwirksam macht.

Bei offenen Modeschalter arbeitet das Steuersystem in folgender Weise:

Zunächst befindet sich das Schneidwerkzeug 23 außer Eingriff mit dem Werkstück 21 und durch in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel wird die Antriebsleistung für das System eingeschaltet. Die

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Geschwindigkeit für die Drehspindel 17 wird mit Hilfe des Potentiometers 16 auf einen relativ niedrigen Wert eingestellt. Das Potentiometer 1 wird so eingestellt, daß es eine Spannung V abgibt, die einer gewählten Schneidkantentemperatur entspricht

Diese Spannung läßt sich an dem Voltmeter 3 bequem ablesen. Sobald der Schneidvorgang beginnt, steigt die Schneidkantentemperatur an und führt zum Entstehen einer Thermo spannung V™,» Die Thermospannung ν_φ™ nimmt mit steigender Schneidkantentemperatur rasch üsfe und schaltet die Schwellwertstufe 4 in ihren zweiten Ausgangszustand um. Dadurch kommt die Schalteinrichtung 15 Öffnen und die Schalteinrichtung 2 zum Schließen, wodurch die Steuerung der Geschwindigkeitssteuereinrichtung 13 von dem Potentiometer 16 auf das Potentiometer 1 übergeht. Die Thermospannung V„_w wird so in die Schaltung eingeführt, daß sie das entgegengesetzte Vorzeichen der Spannung ν_π aufweist. Der Ver-

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stärker 5 spricht auf die Differenzen zwischen den Spannungen V und V„_w an und sein Ausgangssignal steuert die Geschwindigkeitssteuereinrichtung 13· Die Servowirkung der äußeren Rückkopplungsschleife stellt die Geschwindigkeit der Drehspindel 17 so lange nach, bis die Thermospannung V_mw der Spannung V_ im wesentlichen

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gleich wird. Dieser Zustand zeigt an, daß die gewünschte Betriebstemperatur für die Schneidkante 23 des Schneidwerkzeugs 22 erreicht ist. Das Voltmeter 9 zeigt den Wert der Thermospannung V_T„ an und die Übereinstimmung seiner Anzeige mit der Anzeige des Voltmeters 3 ist ein Zeichen für einen normalen Betrieb der Drehbank. Sollte die Temperatur der Schneidkante 23 des Schneidwerkzeugs 22 aus irgendeinem Grunde zunehmen oder abnehmen, so wird die Schneidgeschwindigkeit entsprechend abgesenkt oder gesteigert, um die Betriebstemperatur wieder auf dai gewünschten Wert zu bringen.

Auf diese Weise wird die Temperatur an der Schneidkante 23 des Schneidwerkzeugs 22 auf einen von der Spannung V₇₁ kontrollier-

Jil

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ten Wert eingestellt, der so gewählt ist, daß die erreichte Temperatur unterhalb der Grenztemperatur liegt, bei der ein erhöhter Schneidwerkzeugverschleiß auftritt= Diese Temperatur wird dann während des gesamten Bearbeitungsvorganges angenähert konstant gehalten. Wenn sich infolge eines Fehlers oder sonst eines unvorhergesehenen Umstandes am Eingangspunkt des Verstärkers 5 ein großes Signal aufbaut, dann tritt der Überlastungsanzeiger in Tätigkeit und gibt ein Warnsignal für den Bedienungsmann ab, der daraufhin Abhilfe schaffen kann.

Kommt das Schneidwerkzeug 23 außer Eingriff mit dem Werkstück 21 , so sinkt die Thermospannung V_mw schnell ab„ Die Schwellwertstufe 4 wird dann wieder in ihren ersten Ausgangszustand umgeschaltet, in dem sie als Sperre für die Spannung V_ wirkt und stellt die Geschwindigkeitssteuereinrichtung 13 für die Drehspindel 17 wieder unter die Überwachung durch das Potentiometer 16. Die Geschwindigkeit der Drehspinäel I7 kehrt daher auf ihren anfänglichen relativ niedrigen V/ert zurück.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Thermospannung V_TW in zwei Hauptteile zerlegt, nämlich einen ersten Teil V , der über dem Widerstand 25 abfällt.und einen zweiten Teil .Ymji! der über dem Widerstand 26 abfällt. Die beiden Widerstände und 26 haben Widerstandswerte von 10 bzw. von 1 Ohm. Die Thermospannung V„,_w ist angenähert gleich der Summe aus den Spannungen V_gR und V_TH» Wie die Zeichnung zeigt, fließt der von der Thermospannung hervorgerufene Thermostrom von der Grenzfläche zwischen Werkstück 21 und Schneidwerkzeug 23 durch den Werkzeughalter 22, den Widerstand 26, das Maschinengestell, den Widerstand 25, die Schleifbürste 20, den Sch - ifring 18, die Drehspindel 17, den Werkstückhalter I9 und in das Werkstück 21 hinein, womit der Stromkreis geschlossen ist. Der Eingangswiderstand des Verstärkers ist sehr hoch und kann hinsichtlich dieses Thermostromes vernach- · lässigt werden. Auch der Widerstand an der Verbindungsstelle zwischen

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der Drehspindel 17 und dem Maschinengestell über die Maschinenlager ist bei Betriebsgeschwindigkeit wesentlich größer als 10 Ohm und kann daher vernachlässigt werden, obwohl er parallel zu dem · Widerstand 25 liegt. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß die Eigenimpedanz der durch die Thermospannung geschaffenen Spannungsquelle in der Größenordnung einiger Milliohm liegt, während die kombinierten Widerstände aller anderen Übergangsstellen zwischen dem Werkstück 21 und dem Schleifring 18 nicht größer sind als 0,5 Ohm. Der elektrische Widerstand der Drehspindellager kann bei Betriebsgeschwindigkeit einige hundert Ohm betragen.

Die Spannung V₀- beträgt daher etwa /11 der Thermospannung

on. λ

V ₍und die Spannung V__H beläuft sich auf etwa /11 der Thermo-

spannung V_mw. Die beiden Spannungen V₀₁₃ und V_mrr werden im 1W Οχι Ιti.

Differenzverstärker 10 miteinander kombiniert und ergeben die verstärkte Thermo spannung V' „.

ι w ·

Da der Werkzeughalter 22 isoliert ist, haben Schneidspäne, die sich ansammeln und zwischen dem Werkzeughalter 22 einerseits und dem Maschinengestell oder irgendeinem mit dem Maschinengestell in elektrischem Kontakt stehenden Bauteil andererseits Brücken bilden,nur geringen Einfluß auf die Thermospannung Vm_W· Schneidspäne dagegen, die gleichzeitig das Werkstück 21 und das Maschinengestell berühren, schließen den Widerstand 25 im wesentlichen kurz und führen so zu einem relativ starken Anstieg des in dem Thermospannungskreis fließenden Thermostroms. Dies führt wiederum zu einem entsprechenden Anstieg der über den Widerstand abfallenden Spannung V „« Auf diese Weise nimmt die Spannung V_TH an dem einen Eingang des Verstärkers 10 zu, während die Spannung V_gR an dem anderen Eingang des Verstärkers 10 praktisch verschwindet. Die Summe der beiden Spannungen V_aD und V_m„ ändert

or. In

sich nicht _t und die verstärkte Ausgangsepannung V' des Verstärkers

in

10 bleibt relativ unbeeinflußt. Wird die Schneidspananhäufung je-

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doch sehr stark, so werden einzelne Schneidspäne eine Brücke auch zwischen dem Werkstück 21 und dem heißen Teil des Schneidwerkzeugs 22 nahe dessen Schneidkante 23 bilden, was zu einer Verminderung der gesamten dem Verstärker 10 zugeführten Thermospannung V™ führt. Normalerweise würde dies zu einem Pendeln der Geschwindigkeit führen.

Praktische Untersuchungen haben gezeigt, daß Schneidspäne ohne Brechung durch Spanbrecher und bei ungehinderter Ansammlung zu vorübergehender Brückenbildung zwischen Werkstück und Maschi- f nengestell neigen, bevor die Schneidspanbildung stark genug wird, um die Geschwindigkeitssteuerschaltungen in unerwünschter Weise zu beeinflussen. Bei dem vorliegenden System wird schon früher eine Anzeige für die Schneidspananhäufung durch den relativen Anstieg der Spannung Y~„ geliefert.

Die Schwellwertstufe 27 vergleicht die Spannung V_T„ mit einer von dem gewünschten und durch die Spannung V„ dargestellten Wert

Xl

für die Thermo spannung V,__w abgeleiteten Be zugsspannung. Die Be-

xw

zugsspannung wird bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung gleich einem Fünftel der Spannung V_ angesetzt, jedoch gibt es selbstverständlich keine Beschränkung auf einen solchen M Wert. Wenn die Spannung V„„ die eingestellte Bezugsspannung V_/5 übersteigt, ändert das Ausgangssignal der Schwellwertstufe 27 seinen Pegel und bringt die Schalteinrichtung 30 in ihren Betriebszustand. In diesem Zustand leuchtet eine Anzeigelampe 32 auf, die ein Signal für den Bedienungsmann darstellt₍ und außerdem wird der Schwellwertstufe 4 ein Signal zugeführt, da/ diese die Schalteinrichtung 2 zum Öffnen und die Schalteinrichtung 15 zum Schließen bringt. Diese Schaltvorgänge bringen die Steuerung für die Drehspindelgeschwindigkeit auf die anfänglichen Sohneidbedingungen, die durch die vorgegebene Einstellung des Potentiometers 16 beherrscht werden. Wie oben erwähnt, bekommt unter diesen Umständen daa der Schwellwertatufe 4 von der Schalteinrichtung 30 zugeführte

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Signal das Vorrecht gegenüber jedem Signal auf der die verstärkte Thermospannung fL· führenden Leitung 8.

Sobald der Bedienungsmann diese fehlerhaften Arbeitsbedingungen feststellt, kann er die Schneidspäne entfernen und die Kontakte 3I der Schalteinrichtung 30 betätigen, um diese und damit die Schwellwertstufe 4 wieder in ihren normalen Betriebszustand zu bringen. Auf diese Weise wird ein Pendeln der Ge-

n el

schwindigkeit infolge SchZei^spanbildung vermieden.

Bei einem Steuersystem für Werkzeugmaschinen unter Verwendung von Thermospannungskontrollen sollte man normalerweise .annehmen, daß die Schneidgeschwindigkeit bei Kurzschließen der Thermospannung zunähme, da die steuernde Rückkopplungsschleife den entsprechenden Spannungsabfall normalerweise als Forderung nach Geschwindigkeitserhöhung deuten würde. Bei dem in der erfindungsgemäßen Steuerung verwendeten Detektorsystem dagegen ist das Ergebnis eine Herabsetzung der Schneidgeschwindigkeit auf irgendeinen relativ geringen Wert und ein Warnsignal für den Bedienungsmann, aufgrund dessen er Abhilfe treffen kann.

Die Zufuhr von Kühlmitteln zu dem Schneidwerkzeug 23 schließt die Thermospannung gegenüber dem Maschinengestell nicht wesentlich kurz, da die Eigenimpedanz der aus dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück bestehenden Kombination sehr klein ist und das Thermospannungssignal wird daher durch das Leitvermögen des über das Werkstück und das Werkzeug strömenden Kühlmittels nicht merklich beeinflußt. Der Kühlmittelstrom hat'dabei,», abgesehen von seiner normalen Funktion^ einer Erleichterung des Schneidvorganges zwischen Werkzeug und Werkstück noch den weiteren Vorteil, daß er die Erscheinungen erheblich vermindert, die unter der Bezeichnung Kalt-Kontakt-Effekte bekannt sind. Diese Effekte ergeben sich aus den Thermospannungen, die .an anderen intermetallischen Grenzflä-

o a chen in dem Stromkreis zwiaohen der Schneidkante 23 des Werkzeugs

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und dem Eingang des Verstärkers 10 auftreten. Die Hauptquelle-für Kalt-Kontakt-Effekte liegt bei Verwendung üblicher Werkzeuge mit Karbidspitze an der Grenzfläche zwischen der Spitze und dem Schaft des Werkzeugs. Die Thermospannung an dieser Grenzfläche ist der Thermospannung V™. entgegengerichtet und vermindert die Empfindlichkeit des Steuersystems. Es ist daher in hohem Maße wünschenswert, alle solchen Kalt-Kontakt-Zwischenflachen kalt zu halten, um die an ihnen entstehenden Thermospannungen auf Minimalwerte zu bringen. Ein bequemes und sehr wirksames Mittel zur Erreichung dieses Zieles besteht darin, das Kühlmittel über diese Kalt-Kontakt-Zwischenflächen strömen zu lassen und diese auf diese Weise kalt zu halten.

Das Problem der Kalt-Kontakt-Spannungen läßt sich auch ohne Kühlmittel überwinden. So ist es beispielsweise möglich, eine Art Temperaturfühler in Form einer Kupfer-Konstantan-Lötstelle oder eines Widerstandsthermometers vorzusehen, das in gutem thermischen Kontakt mit dem Kalt-Kontakt-Gebiet des Werkzeugs in dieses eingebettet oder daran angebracht wird und dessen Ausgangssignal zur Kompensation des unerwünschten Effektes dienen kann.

Die bpitzenladungsschaltung 33 besteht aus einer in Serie in die Ausgangsleitung des Verstärkers 10 eingeschalteten Diode und einem zwischen die Leitung 8 und Erde eingefügten Kondensator. Die Polarität der Diodenverbindung ist so zu wählen, daß sie zu der Polarität der Spannung Vg und der Polarität der Thermospannung ^VTW ^paßt· ^Bei ansteigenden Werten für die Thermospannung V .

TW lädt sich der Kondensator durch die dann leitende Diode schnell auf, während bei abnehmenden liierten für die Thermospannung V dieser Kondensator sich über die Diode relativ langsam entlädt, da diese dann in Späferichtung vorgespannt ist. Auf diese Weise wird in die äußere iiückkopplungsschleife eine zusätzliche zeitliche Verzögerung für abnehmende Werte der Thermospannung V

JL W

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eingeführt, während bei ansteigenden Werten der Thermospannung V™, das Ansprechen der Rückkopplungsschleife unverändert bleibt..

Der Einfluß der Spitzenladungsschaltung 33 auf das Steuersystem besteht darin, daß sie einen relativ raschen Abfall der Sch#ei£geschwindigkeit zuläßt, wenn beispielsweise das Schneidwerkzeug auf ein hartes Werkstückgebiet trifft oder wenn die gewünschte und durch die Spannung Y_ dargestellte Temperatur vermindert wird. Harte Bereiche treten in nicht homogenen Materialien wie etwa Gußeisen auf und führen dann zu einem momentanen Anstei- W gen der Thermospannung und dementsprechend zu einer Neigung des . Steuersystems zur Herabsetzung der Schneidgeschwindigkeit.

Der Einbau der Spitzenladungsschaltung 33 hat noch einen weiteren Vorteil insofern als sie der Kompensation gewisser Rauschstörungen in der Thermospannung dienen kann. Derartige auf Rauschen zurückgehende Änderungen führen zu unerwünschten Pendelerscheinungen in der Geschwindigkeitssteuereinrichtung. Die Spitzenladungsschaltung 33 führt jedoch wegen ihres langsamen Ansprechens auf abfallende Werte für die Thermospannung V„_w zu einer Glättung dieser Änderungen in der Rückkopplungsspannung auf der Leitung 8 und führt auf diese Weise zu einer gleichmäßigeren ^ Schneidgeschwindigkeit.

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Claims

- 17 - ■ . -' . Patentansprüche

M .^Steuersystem für Metallbearbeitungsmaschinen mit einem auf einem Maschinengestell angeordneten und relativ zu einem Werkstückhalter bewegbaren Schneidwerkzeug, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen das Maschinengestell und den Werkstückhalter (I9) ein erster elektrischer Widerstand (25) und zwischen das Maschinengestell und das Schneidwerkzeug (22) ein zweiter elektrischer Widerstand (26) eingeschaltet ist, daß g

eine Detektoreinrichtung (10) zum Ermitteln und Verstärken der während der Werkstückbearbeitung zwischen der Schneidkante (23) des Schneidwerkzeugs (22) und dem Werkstück (21) entstehenden Thermospannung an ihrem ersten Eingang mit dem Werkstückhalter (19) und an ihrem zweiten Eingang mit dem Schneidwerkzeug (22) elektrisch verbunden ist, daß an die Detektoreinrichtung (1O) eine auf deren Ausgangssignal ansprechende Geschwindigkeitssteuereinrichtung (13) zum ständigen Einstellen der Schneidgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs (22) im Sinne einer Einhaltung eines vorgegebenen Wertes für die beim Schneiden entstehende Thermospannung angeschlossen ist, daß mit dem zweiten elektrischen Widerstand (26) eine Schwellwertstufe (27) zum Erzeugen eines bestimmten Ausgangssignals bei jedem Überschreiten eines Bezugs- " wertes durch den an dem zweiten elektrischen Widerstand (26) abfallenden Anteil der beim Schneiden entstehenden Thermospannung elektrisch verbunden ist und daß zwischen die Schwellwertstufe (27) und die Geschwindigkeitssteuereinrichtung (I3) eine Schalteinrichtung (3P) eingefügt ist, die bei jedem Auftreten des bestimmten Ausgangssignals der Sohwellwertstufe (27) die Schneidgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen Wert einstellt.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Servosystem mit einer auf ein von einem die Arbeitsgeschwindigkeit ermittelnden Wandler (14) abgeleitetes Signal ansprechenden inneren Rückkopplungaechleife (I3) mit der Neigung zum Festhalten

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der Schneidgeschwindigkeit auf einem eingestellten Wert und mit einer auf die beim Schneiden entstehende Thermospannung und auf ein Steuersignal (V„) ansprechenden äußeren Rückkopplungsschlei-

-El

fe (5, 13, 17, 21, 22, 10, 8) enthält, die den vorgebbaren Wert für die von der inneren Rückkopplungsschleife (13) aufrechtzuerhaltende Schneidgeschwindigkeit so einstellt, daß die beim Schneiden entstehende Thermospannung einen vorgegebenen Wert annimmt.

3ο Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die verstärkte Thermospannung ansprechende Schwellwertstufe (4) und von dieser betätigbare Schalteinrichtung^!^, 15) vorgesehen sind, die bei völligem Ausfall der verstärkten Thermospannung oder deren Absinken unter einen vorgegebenen Schwellenwert die äußere Rückkopplungsschleife (5,13, 17, 21, 22, 10, 8) auftrennen und den einstellbaren Wert für die von der inneren Rückkopplungsschleife (I3) aufrechtzuerhaltende Schneidgeschwindigkeit auf einen vorgegebenen Maximalwert bringen.

4o Steuersystem nach einem der Ansprüche 1- 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung für die Thermospannungen einen Differenzverstärker (1O) enthält, der mit seinem einen Eingang (+) an den ersten Widerstand (25) und mit seinem anderen Eingang (-) an den zweiten Widerstand (26) angeschlossen und so geschaltet ist, daß sein Ausgangssignal die verstärkte algebraische Summe der seinen beiden Eingängen (+ und -) zugeführten Signale darstellt.

5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Spitzenladungsschaltung (33) enthält, die mit dem Ausgang der Verstärkers (1O) in Serie geschaltet und so angeordnet ist, daß sie eine Ausgangsspannung abgibt, die dem Durchschnittswert der Spitzenwerte der Schwankungen der verstärkten Thermospannung entspricht.

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'""Bi¹

-i960 Steuersystem nach einem der Ansprüche 2-5 > dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertstufe (27) mit ihrem Bezugsspannungseingang so an die Bezugsspannungsquelle angeschlossen ist, daß diese ihr eine Bezugsspannung zuführt, die einem bestimmten Bruchteil des Steuersignals (V„) entspricht.

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4ο

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