DE2112458C3 - Adaptive Regeleinrichtung für die Werkstückbearbeitung auf Drehmaschinen o.dgl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine adaptive Regeleinrich tuns; für die Werkstückbearbeitung auf Drehmaschi neif od. dgl., mit mindestens einer Drehmomenten Meßeinrichtung und einer Drehzahl-Meßeinrichtunt zum Bilden eines leistungsproportionalen Signals unc mit einer mit je einem Regler und einem Stellmotoi für die Längs- und die Planvorschubbewegung des Werkzeugs ausgestctteten Programmsteuerung, in die die gewünschte" Fertigteilkontur eingelesen, darin gespeichert und während des Bearbeitungsablaufs die jeweils erreichte Werksiückkontur mit der gespeicherten Fertigteilkontur verglichen wird.

Bei einer bekannten adaptiven Regeleinrichtung dieser Gattung (Siemens-Zeitschrift, 1969, Heft 12, S. °49 bis 955) wird zur Erzielung einer größtmöglichen Ausnutzung der installierten Leistung und zur größtmöglichen Annäherung an die optimalen Zerspanungsverhältnisse primär die Arbeitsvorschubgesehwindigkeit zwischen einem maximalen und einem minimalen Grenzwert und sekundär beim Überschreiten eines dieser Grenzwerte die Schnittiefe so lange verändert, bis die ArbeitsvorschubgeschwindigkeiT die Größe des jeweils entgegengesetzten Grenzwertes erreicht hat. Die primäre Veränderung der Arbeitsvorschubgeschwindigkeit hat zur Folge, daß sich bei zunächst konstanter Schnittiefe der spezifische Schnittwiderstand in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Spandicke ändert, so daß bei gleicher Antriebsleistung eine veränderliche Materialmenge je Zeiteinheit zerspant wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine adaptive Regeleinrichtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die es ermöglicht, die Spandicke und damit den spezifischen Schnittwiderstand weitgehend konstant zu halten, wobei beim Plandrehen mit konstanter SchnittgeschwindigKeit eine möglichst geringe Anzahl von Parametern zu regeln und die geometrische Gestaltung der Werkzeugschneide bei der Bearbeitung auf einfache Weise zu berücksichtigen sein soll.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht crfindungsgemäß darin, daß die Regler für die Anteile der Arbeitsvorscliubgeschwindigkeiten in Plan- und Längsrichtung eine sinusförmige Charakteristik aufweisen, daß der Regelverlauf des Reglers für die Planvorschubgeschwindigkeit dem des Reglers für die Längsvorschubgeschwindigkeit um 90 voreilt und die Stellung der Regler proportional der Regelabweichung des leistungsproportionalcn Signals von der Nennleistung ist und daß die geometrische Summe der Arbeitsvorschubgeschwindigkeiten in Plan- und Längsrichtung in allen Stellungen der Regler gleich ist und mit der vorgegebenen Arbcitsvorschubgesehwindigkeit übereinstimmt, während die Lage des Vorschubvektors in proportionaler Abhängigkeit von der Stellung der Regler und damit von der Regelabweichung des lcistungsproportionalen Signals steht.

Die so ausgebildete adaptive Regeleinrichtung wird vorzugsweise kombiniert mit einer an sich bekannten Mehrschnittaulomatik, mittels der nach Fertigstellung

•ines ersten Schnittes ein oder mehrere weitere Schnitte ausgeführt werden, bis die vorgegebene Endontur, erforderlichenfalls zuzüglich eines Aufmaßes für die'Schlichtbearbeitung, erreicht ist.

Ferner kann die adaptive Regeleinrichtung mil einer Automatik ausgestattet werden, die ein Überfahren von während eines vorhergehenden Schnittes bis auf die Endkontur bearbeiteten Werkstückbereichen im Eilvorschub ermöglicht.

Gemäß Fig. 1 ist die Arbeitsspindel 5 der Drehmaschine mit einem Spannfutter 17 ausgestaltet, in das ein Werkstück 6 eingespannt ist. Die Drehmaschine besitzt einen Kreuzschlitten 8 mit einem ο Antriebsmotor 15 für den Werkzeugvorschub in Planrichtung und einen Antriebsmotor 16 für den Werkzeugvorschub in Längsrichtung.

Die Maschine ist ferner mit einer Drehmomenien-Mcßeinrichtung 1 und einer Drehzahl-Meßeinrich-

Durch die erfindungsgemäße Ausführung der io tun« 3 ausgestattet, die hier beide an der Arbeits-

Regeleinrichtung ergeben sich folgende Vorteile:

a) Die Spandicke und damit das Spanungsvolumen sind annähernd konstant.

b) Die Arbeitsvorschubgeschwindigkeiten in Plan- und Längsrichtung sind nur abhängig von der vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit und dem sich automatisch ergebenden Jeislungspropc.riionalen Signal.

c) Veränderungen der Schneidengeometrie des Werkzeuges sind auf einfache Weise in den adaptiven Ablauf einzubeziehen.

d) Beim Drehen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit braucht nur die Große der eingegebenen spindel 5 angeordnet sind. Außer oder an Stelle der Drehmomenten-Meßeinrichtung 1 kann an dem auf dem Schlitten 8 angeordneten Werkzeug 7 eine Meßeinrichtung 2 vorgesehen werden. Bei Maschinen mit mehr als zwei Bewegungskoordinaien kann in bekannter Weise noch eine weitere Meßeinrichtung für ein zweites Werkzeug vorgesehen werden.

Mit Flilfe der vorerwähnten Meßeinrichtungen wird die jeweilige Zerspanungsleistung gemessen und

=o uus den -.on diesen Meßeinrichtungen kommenden S'gnalen in einem Multiplikator 4 ein leisiungsproportionales Signal gebildet, das, über eine Leitung 9 zwei Reglern 10 und 11 zugeführt wird. Von diesen Reglern aus werden die Vorschubniotoren 15 und 16 über

Vorschubgeschwindigkeit proportional zur Dreh- _{25 e}j_ncn Koordinatenumschalter 14 angesteuert. Durch

zahländerung mitgeregelt zu werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielcn erläutert. Es zeigt

Fie. 1 cine schematische Draufsicht einer Einspindel-Drchmaschine mit einem Blockschaltbild der adaptiven Regeleinrichtung,

Fic. 2 das erfindungsgemäße Bearbeiiungsprinzip am Beispiei eines Werkstückes,

Fic. 2a die vektorielle Darstellung des Arbeits- js Vorschubes bei der Werkstückbearbeitung nach Fig. 2.

Fig. 3 die proportionale Regelabweichung und die Reglerauslegung beim Beispiel nach F i g. 2.

F i g. 4 eine vektorielle Darstellung des Vorschubes 4u bei einem zweiten Beispiel einer Reglerauslegung.

Fig. 5 die proportionale Regelabweichung und die vereinfachte Reglerauslegung bei dem Beispie! gemäß F ic. 4,

den Umschalter 14 werden die aus den Reglern 10 und 11 kommenden Signale beispielsweise entsprechend dem Quadranten, in dem zerspant werden soll, gegeneinander vertauscht.

Das den Reglern 10 und 11 über die Leitung 9 zugeführte leisiungsproportionale Signal beeinflußt die Regler 10, II derart, daß die an der Eingabeeinrichtung 12 vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit entsprechend der Regelabweichung des leistungsproportionalen Signals von der \orgegebenen Nennleistung in ihre Bestandteile in .1- und ^-Richtung zerlegt wird.

In F i g. 3 ist die Wirkungsweise der Regler 11) und 11 am Beispiel einer Drehbearbeitung gemäß F i g. 2 und 2 a erläutert.

Gemäß Fig. 2 ist im Spannfutter 17 der Drehmaschine ein Werkstück 6 eingespannt, das durch den Drehmeißel 7 bearbeitet wird. Die Große und Richtung der vorgegebenen Werkzeugvorschubgeschwindigkeit ist in F i g. 2 und 2 a durch den Pfeil 20 dar-

Fig. 6 die vektorielle Darstellung der Wirkung 45 gestellt, wobei die geometrische Summe der Einzeleincr Quadrantenumschaltung, Vorschubgeschwindigkeiten 21 und 22 in .:-Rich-

Fi α 7 ein Beispiel der negativen Auswirkung bei tune und konstanter Lage der Werkzeugschneiden,

Fig. 8 die vekiorielle Darstellung der Reglerauslegung mit Korrektur der Werkzeugschneidenlage. 50 lung, wobei der Winkel 23 die Bestimmungsgröße für

F ig. 9 den Verlauf der Spandicke innerhalb des die Vcktorlagc und damit für die Vorschubaufteilung Regelbereiches,

Fig. 10 ein Beispiel einer Werkstück-Außenbearbeitung,

Fig. 11 den Verlauf der Größe des leistungspro- 55 nalen Signals 30. Zur Steuerung der Regler 10 und 11

irtionalen Sicnals beim Bearbeitungsbeispiel nach wird nur ein kleiner Bereich 32 der Regelabweichung

benutzt, der durch die Grenzwerte 30' und 30" beg v-Richtung der vorgegebenen Vorschub-

geschwindigkeit 20 entspricht. Die F i g. 2 a zeigt die Vorschubwerte 20, 21 und 22 in vektorieller Darstel-

in .γ- und c-Anteil ist.

F 1 g 3 zeigt die Abhängigkeit der Reglerstellungen von der Regelabweichung 33 des leistungsproportio-

portionalen Signals
Fig. K).

In der nachfolgenden Beschreibung und i.kn Zeichnungen bedeuten:

stimmt ist. Der Regelbereich 32 entspricht der vollen Rcizleraussteucrung und damit auch dem Bereich

-f .v-Richtung

.v-Richtung

ίζ-RichUing

— ^.-Richtung

6ü his ."WiI) des Winkels 23 der Veklorlauc in der vektoriellen Darstellung nach Fig. 2a. Hieraus ergibt sich, daß mit der Zunahme des leistungsproportionalen Signals 30 von 30' nach 30" der Bestimmungswinkel 23 der Vektorlace zunimmt und dpß zwischen

Werkzcuglängsvorschubiii Richtung s₅ der Reuelabweichun». bezogen auf den Gren/weii 30'.

vom Werkstück, _mu| _tlc7 CirölAo des Winkels 23, der die Vorschubrich-

Wcrkzeuglängsvorschubin Richtung lung des Werkzeuges 7 bestimmt, eine einfache pro-

zum Werkstück. portionalc

-- Werkzeugplan vorschub in Richtung vom Werkstück.

Wcrkzeugplanvorschub in Richtung zum Werkstück.

g
Beziehung besieht.

15 ^-Richtung, um beim Anschneiden Verlustzeiten zu vermeiden, und der Bereich 40", 44 den Eilvorschiib in ^J r.-Richtung. um Werkzeugbruch an Materialanhäufungen zu vermeiden.

Um Innen- und Rückwärtsbearbeitungen mit geeigneten Werkzeugen auf einfache Weise durchführen zu können, werden die Stellgrößen für die Vorschubmotoren 15 und 16 von den Reglern 10 und 11 dem Koordinatenumsetzer 14 zugeführt, der die Zuordnung der Stellgrößen zu den Vorschubmotoren 15 und 16 entsprechend dem jeweils gewünschten Bearbeitungsablauf durchführt oder die Vorzeichen der Vorschubrichtung vertauscht.

In F i g. 6 ist die Wirkung des Koordinatenumschalters 14 veranschaulicht. Der Vektor wird so gedreht und oder geklappt, daß die Wirklagen 60, 61, 62 und 63 alternativ entstehen. Beispielsweise hat der Vektor im Sektor 60 bei 60' sein kleinstes leistungsproportionales Signal entsprechend dem Punkt 40' in F i g. 5 und ist so für die Außenbearbeitung von Drchwerkstückcn geeignet. Der Sektor 63 wird vorzugsweise für die Innenbearbeitung gewählt, wobei der Punkt 63' sinngemäß dem Punkt 60' entspricht.

Die Fig. 7 zeigt am Beispiel einer Außenbearbeigezeigten vektoriellen Beispieles den Werten auf der 25 Hing die negative Auswirkung der starren Anordnung Beispiellinie 36 in Fig. 3 entsprechen. Bei diesem eines Werkzeuges 71 und der Schneidengeometrie auf Beispiel sind Spandicke und Arbeitsvorscluibgc- die Forderung nach stets gleichbleibener Spandicke.

Beim Plandrehen 72 in -+ .v-Richtung und beim Langdrehen 73 in — c-Richlung sind die Vorschübe 74 und Prinzip die 30 77 entsprechend dem Rcgelvcrlauf nach Fig. 4 gleich. Die jeweiligen Spandicken 75 und 78 weisen jedoch starke Unterschiede auf. die im Verhältnis des Sinus zum Kosinus des Hauptschneidenwinkels stehen. Um diesen Nachteil zu beseitigen und die Spandicke an-35 nähernd gleich zu halten, muß beim Beispiel der Außenbearbeitung der vorgegebene Vorschub 49 (Fig. 5). bezogen auf die + Λ-Achse um den Faktor - Kotangens des Hauptschneidenwinkels vergrößert werden, wobei sich der Grenzwert des Reglers für die + .v-Achse auf den korrigierten Wert 81 (Fig. 8) einstellt. Mit dieser Veränderung ändert sich proportional auch der bereits beschriebene +z-Wert 59 (Fig. 4).

Um die Vorschubgrenzwerte 52 und 53 sowie die Erweiterungen 59 und 59' der grundsätzlichen Reglcrauslcgung nach F i g. 4 in der beschriebenen Weise nach F i g. 8 zu verändern, werden in die Eingabeeinrichtung nach F i g. 1 zusätzlich zu der vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit die Winkel der

Grenzen 40' und 40" bestimmt und stimmt überein 5° Hauptschneide und der Nebenschneide des Werkmit dem Winkel 90° des Quadranten einschließlich zeuges oder entsprechende Geometriekenndaten einder Winkel 56 und 58. Der Regelverlauf der Regler
ist in Übereinstimmung mit F i g. 4 linear und im Bereich des Quadranten zwischen den Punkten 45' und
47'. sowie 45 und 47, stetig. Im Bereich des Winkels
56 regelt der Regler für die -c-Richrung zwischen
den Punkten 49' und 45' nicht. Der Vorschubanteil
entspricht dem vorgegebenen Vorschub, während der
Regler für die x-Richtung zwischen den Punkten 49
und 45 dem ihm vorgegebenen Regelverlauf folgt. 60
Für den Winkel 58 ist das Regel verhalten umgekehrt.
£)_er -4- x-Anteil bleibt zwischen den Punkten 47 und
50 gleich, während der z-Regler dem ihm vorgegebenen Regelverlauf zwischen 47' und 50' folgt.

In den Bereichen 43, 40' und 40". 44 des leistungs- 65 Startpunkt 110 haf das leistungsproportionale Signal proportionalen Signals sind die Regler 10 und 11 den Wert 150 außerhalb des Regelbereiches 151. 155. übersteuert. Diese Signale steuern die Eilvorschübe und der Drehmeißel 100 bewegt sich senkrecht in an und zwar der Bereich 43. 40' den Eilvorschub in Richtung 101 im Eilvorschub auf das Werkstück 102

Beim Beispiel nach F i g. 2 ist der Drehmeißel 7 um den Punkt 24 schwenkbar sowie quer zur Vorschubrichtung angeordnet, also in einem Winkel 25, der sich aus der Summe des Bcstimmungswinkcls 23 der Vektorlage und dem Winkel + 90/ ergibt. Entsprechend der Drehung des Vorschubvektors 20 wird der Drehmeißel 7 während des Regelvorganges um den Punkt 24 geschwenkt und stets in der günstigsten Zerspanungsposition gehalten.

Um die beschriebene Wirkung zu erreichen, besitzen die Regler 10 und 11 eine sinusförmige Charakteristik. Die Regelkurve 35 (F i g. 3) des Reglers 11 für den i-Antcil beginnt, bezogen auf den Anfangspunkt 30' der Regelabweichung, mit dem Vorschubanteil 0 und ist begrenzt durch die Werte +z und —:.. die in ihrer Größe dem vorgegebenen Vorschubwert entsprechen. Der Regler 10 für den .v-Anteil ist entsprechend, jedoch mit um 90 voreilend phasenverschobcncm Regelverlauf 38 aufgebaut. Dem Anfangsvorschub 0 des r.-Reglers steht der Maximalvorschub ν des A-Reglcrs gegenüber. Der Regelverlauf entspricht den .ν- und c-Anteilen der vektoriellcn Darstellung in Fig. 2a bei entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn umlaufendem Vorschubvektor, während die Werte des

schwindigkeit in allen Vektorlagcn konstant.

Ein weiteres Beispiel der Rcglerauslegung. insbesondere für Drehmaschinen, zeigen im i F i g. 4 und 5. Bei der üblichen starren Anordnung der Drehmeißel 51 und deren geometrischer Ausbildung (vgl. F i g. 4) ist für die Regler ein Regelbereich von 360 . wie im ersten Beispiel beschrieben, nicht erforderlich: vielmehr kann der Regelbereich hier auf einen Quadranten der vektoricllen Darstellung nach F i g. 2 a. der um die Winkel 56 und 58 (F i g. 4) erweitert ist, begrenzt werden. Die Winkel 56 und 58 sind kleiner, jedoch abhängig von der Größe des Winkels 55 der Werkzeugnebenschneide 51" und des Winkels 57 der Werkzeughauptschneide 51'. Zur Vereinfachung ist die Reglcrcharakteristik jetzt geradlinig gewählt, woraus sich während des Regelvorganges eine Veränderung des vorgegebenen Vorschubes vom Wert 52 über Wert 54 nach Wert 53 ergibt.

F i g. 5 zeigt die Wirkungsweise der Regler entsprechend der vektoriellen Darstellung in F i g. 4. Der kleine, zur Steuerung der Regler benutzte Bereich 42 des leistungsproportionalen Signals 40 ist durch die ' " bi d i übi

45

55 gegeben. In der Geometriesrufe 13 werden die Korrekturwerte in der beschriebenen Weise bestimmt und den Reglern 10 und 11 mitgeteilt.

Die F i g. 9 zeigt daß die Forderung nach gleicher Spandicke 90 praktisch über den ganzen Regelbereich erfüllt ist und daß die vorgenommene Vereinfachung der Reglerauslegung—lineare Reglercharakteristik — nur eine geringe Abweichung 95 zur Folge hat.

Die Fig. 10 zeigt die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und die F i g. 11 das dazugehörige leistungsproportionale Signal bei Übereinstimmung des Regelverlaufes nach der vektoriellen Darstellung in F i g. 8 bei der Außenbearbeitung. Im

7M. Während des Anschneidens 111, 112 nimmt das lcistungsproportionale Signal in Richtung 156 zu, bis es bei 151 die Grenze des Regelbereiches der Regler erreicht hat und der vorgegebene Vorschub mit Größe und Richtung des Vektors 83 wirksam wird. Beim weiteren Eindringen des Drehmeißels 100 in das Werkstück 102 nimmt das leistungsproportionale Signal über 152, 153 hinaus zu, während der Regler den Vorschubvektor und damit die Vorschubrichtung aus der Lage 83 entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und der Drehmeißel 100 sich mit Arbeitsvorschubgeschwindigkeit vom Punkt 112 in Richtung 113 bewegt. Auf der Strecke 114 nimmt die Spanabnahme nicht weiter zu, der Vorschubvektor stellt sich auf die Lage 81 ein und der Drehmeißel bewegt sich in +- x-Richtung.
Vom Punkt 115 bis zum Punkt 116 nimmt die lei-

stungsproportionale Große \on 154 nach 153 ab. und der Vorschubvektor wird in die neue Lage 85 gedreht, in der keine weitere Leistungsveränderung erfolgt und der Kegel 117 gefertigt wird. Im weiteren Verlauf der Außenkontur des Werkstückes 102 nimmt die leistungsproportionale Größe von 153 nach 152 ab, und der Vorschubvektor schwenkt von 118 nach 119 in seine neue Lage 82, die er bis zum Erreichen der Fertigkontur 103 im Punkte 120 beibehält. Im weiteren Verlauf der Bearbeitung wird der Drehmeißel 100 vom Werkstück abgehoben und bei Mehrschnittautomatik in bekannter Weise zum neuen Startpunkt geführt, worauf sich der beschriebene Zyklus so oft wiederholt, bis die vorgegebene Endkontur 103 des Werkstückes mit Schlichtaufmaß erreicht ist. Bereits bearbeitete Fertigkonturen können dabei im Eilvorschub überfahren werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Adaptive Regeleinrichtung für die Werkstückbearbeitung auf Drehmaschinen od. dgl., mit mindestens einer Drehmomenten-Meßeinrichtung und einer Drehzahlmeßeinrichtung zum Bilden eines leistungsproportionalen Signals und mit einer mit je einem Regler und einem Stellmotor für die Längs- und Planvorschubbewegung des Werkzeuges ausgestatteten Programmsteuerung, in die die gewünschte Fertigteilkontur eingelesen, darin gespeichert und während des Bearbeitungsablaufs die jeweils erreichte Werkstückkontur mit der gespeicherten Fertigteilkontur verglichen wird. dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (10, 11) für die Anteile der Arbeitsvorschubgeschwindigkeiten in Plan- und Längsrichtung eine sinusförmige Charakteristik aufweisen, daß der Regelverlauf des Reglers (10) für die Planvor-Schubgeschwindigkeit dem des Reglers (II) für die Längsvorschubgeschwindigkeit um 90 voreilt und die Stellung der Regler (10, 11) proportional der Regelabweichung des !eistungsproportionalen Signals von der Nennleistung ist und daß die geometrische Summe der Arbeitsvorschubgeschwindigkeiten in Plan- und Längsrichtung in allen Stellungen der Regler (10, 11) gleich ist und mit der vorgegebenen Arbeitsvorschubgeschwindigkeit übereinstimmt, während die Lage des Vorschubvektors in proportionaler Abhängigkeit von der Stellung der Regler(10, Ii) und damit von der Regelabweichung des leistungsprcportionalen Signals steht.

2. Adaptive Regeleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß während des Bearbeitungsablaufs die Stellung, des Drehmeißels so mitgcregelt wird, daß seine HauptscNneide zu der sich ändernden Lage der Vorschubrichtimg stets die gleiche Winkelstellung einnimmt.

3. Adaptive Regeleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (10, 11) für einen Quadranten ausgelegt sind, der um Winkel erweitert ist, die abhangig von den Winkeln der Haupt- und Nebenschnnde des Werkzeuges. jedoch kleiner als diese sind, und daß die Regelcharakteristik linear ist.

4. Adaptive Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Regler (1(1, 11) auf einen Koordinatenumschalter (14) geführt sind, der dem jeweils gewünschten Arbeitsablauf entsprechend die Vorschubkoordinaten und oder deren Vorzeichen vertauscht.

5. Adaptive Regelcinrichlung nach den An- 5ö Sprüchen I, 3 und 4, gekennzeichnet durch eine Geometriestufc (13), in der die von der Geometrie der Werkzeugschneiden abhängigen Korrekturweite fiiniltclt und den Reglern (10, 11) mitgeteilt werden, so daß die tatsächliche Spandicke unabhängig von der Geometrie der Werkzeugschneiden stets eine annähernd gleiche Größe aufweist.

ft. Adaptive Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 3ei Übersteuerung der Regler (10, 11) durch ein ^u kleines leisitungsproportionales Signal der \rbeitsvorschub in einen auf das Werkstück zu gerichteten Eilvorschub umgewandelt wird, wäli rend bei Übersteuerung der Regler (10, 11) durc ein zu großes leistungsproportionales Signal de Eilvorschub des Werkzeuges vom Werkstück we: gerichtet ist.