DE2114785A1

DE2114785A1 - Adaptive Steuerung für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2114785A1
Application number: DE19712114785
Authority: DE
Inventors: Thomas L Warren Cutler Hymie Detroit Mich Glowczewski (V St A )
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1970-03-30
Filing date: 1971-03-26
Publication date: 1971-10-14
Also published as: US3665493A; DE2114785B2; FR2083660A1; CH537779A; FR2083660B1; GB1314132A; JPS5543852B1

Description

Patentanwälte

Dr. Ing. H. l·' - - :danlc

Dip!, !ng. \'.. f i-j'j-dk. Dip!. Pk-s. VV. SJ-.mita

tMUncfcen ii, Ka^arfetr.23

-^ Tel. 5309580

The Bendix Corporation

Executive Offices
! Bendix Center

j Southfield, Michigan 48o75/USA 2H. März 1971

Anwaltsakte M-1528

Adaptive Steuerung für numerisch gesteuerte Werkzeugmas chinen

Die Erfindung betrifft eine Adaptivsteuerung zur Optimierung der Leistung von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen.

Einrichtungen zur Steuerung der Bewegungsbahnen spanabhebender Werkzeuge von Werkzeugmaschinen an den Werkstücken nach vorgegebenen Programmen erfuhren in den letzten Jahren eine intensive Entwicklung und weite Verbreitung. Diese Einrichtungen entheben den Facharbeiter an der Maschine der Notwendigkeit, das Werkzeug dauernd zu führen, und bei vielen Arbeitsvorgängen produzieren mit numerischen Steuerungen ausgerüstete Maschinen Teile von größerer Gleichmäßigkeit bei geringeren Kosten als die gleichen von Hand gesteuerten Maschinen. Außer der Information über den Weg enthalten die vorgegebenen Steuerprogramme für diese Maschinen häufig auch Daten über die Sollgeschwindigkeit der Bewegung des Werkzeugs auf seinem Weg sowie, bei der Steuerung einer Fräsmaschine, Daten über die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs. Diese

— 2 —

.₂. 21H785

Vorschub- und Drehzahlwerte werden durch den Programmierer be-. stimmt, und zwar aufgrund von Annahmen über den zu bearbeitenden j Werkstoff, die Schärfe des Werkzeugs, den Zustand der Maschine und ähnlicher veränderlicher Größen. Bei der Absetzung dieser Faktoren muß sich der Programmierer notwendigerweise vorsichtig verhalten. Die Maschine arbeitet dann mit den durch diese programmierten Daten bestimmten Geschwindigkeiten ohne irgendwelche durch den Spanvorgang bedingten Abweichungen.

Unter bestimmten Umständen kann die Maschine auf diese Weise nur mit einem erheblich geringeren Wirkungsgrad₃ gemessen an verschiedenen Kriterien wie z.B. der Abtraggeschwindigkeit des Spanungsvorgangs , betrieben werden als eine handgesteuerte Maschine deren Leistung durch die Bedienung erfaßt wird, die auch von Hand solche Faktoren wie den Vorschub oder die Drehzahlen des Schneidwerkzeugs zur Optimierung des Betriebs verändern kann. Zum Beispiel muß der Programmierer bei der Bestimmung des Vorschubs von der Voraussetzung ausgehen, daß der zu bearbeitende Werkstoff das härteste Material ist, welches für das Programm in Anwendung kommen kann. Wird das Programm für einen weicheren Werkstoff benützt, so können die Vorschübe erheblich über die programmierten Werte hinaus gesteigert werden, ohne die Maschinenleistung nachteilig zu beeinflussen. Umgekehrt kann aber auch ein Werkstück ein gehärtetes Teil enthalten, dessen Härte die vom Programmierer

j vorausgesetzten Härtegrenzen übersteigt, wodurch sich ein hoher j Werkzeugverschleiß ergibt.

Bei vielen Anlagen sind auch Handbedienungsmöglichkeiten für Vorschub und Spindeldrehzahl vorgesehen, so daß der Fortschritt

109842/1668

■*· (3 *"*■

des Spanungsvorgangs beobachtet werden kann, und daß zur Optimierung des Bearbei-tungsvorganges die programmierten Werte dieser Größen durch Eingriff von Hand verändert werden können.

Um die Notwendigkeit eines Eingriffs von Hand weitgehend herabzusetzen, ist vorgeschlagen worden, Steuereinrichtungen für Werkzeugmaschinen vorzusehen, welche die zum eigentlichen Spanungsvorgang gehörenden Faktoren abtasten und adaptiv den programmierten Vorschub sowie die programmierte Spindeldrehzahl optimal verändern.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung des Werkzeugs einer Werkzeugmaschine, wobei der Werkzeugweg durch eine herkömmliche numerische Steuerung gesteuert wird und die Vor- ^: Schübe und Drehzahlen des spanabhebenden Werkzeugs vollständig durch einen adaptiven Regelkreis geregelt werden, der das durch das Werkzeug ausgeübte Drehmoment sowie die Schwingungen des Werkzeugs abtastet und Vorschub sowie Drehzahl im Rahmen vorgegebener Grenzwerte zur Optimierung des Bearbeitungsvorganges regelt. Der Vorgang kann nach einem von verschiedenen untereinander abhängigen Merkmalen optimiert werden. Zum Beispiel kann , die Geschwindigkeit der Metallabtragung bzw. Spanabhebung bis zum größtmöglichen Wert erhöht werden, jedoch nur auf Kosten der Lebensdauer des Werkzeugs. Das gleiche geschieht, wenn die Kraft, imit welcher das Werkzeug das Werkstück angreift, erhöht wird, ^; dann erhöht sich auch die Geschwindigkeit des Arbeitsvorganges , ! jedoch die Lebensdauer des Werkzeugs verringert sich. Aufgrund ■ solcher Faktoren werden in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel

j _ μ. _

10984?/1668

der Erfindung die höchstzulässigen Werte solcher» Variablen wie z.B. Drehmoment, Schwingung, Spankraft, Spindeldrehzahl, Vorschub und die Stoß-Spanbeanspruchung in die Steuerung als Werte für die mindest zulässigen Spankräfte und Spindeldrehzahlen eingegeben. Diese Faktoren können entweder von Hand zu Beginn des Bearbeitungsvorganges der Einrichtung eingegeben werden oder bei einer numerischen Steuerung in kodierter Form der Datenquelle. Man beginnt mit der geringsten Werkzeugdrehzahl und Bpankraft, wobei diese beiden Veränderlichen Größen regelmäßig um vorgegebene Prozentsätze so lange erhöht werden, bis Rückführungssignale anzeigen, daß einer der vorgegebenen Grenzwerte überschritten wurde. Dann werden je nachdem entweder die Spindeldrehzahl, die Spankraft oder beide Werte so weit herabgesetzt, daß sie innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen. Beide Variablen werden dann wieder verändert, und dieses Verfahren wird fortgesetzt. Wie nachstehend näher erläutert wird, ergibt sich daraus eine Maximierung der Werte beider Veränderlicher.

Wie nachstehend erklärt wird, wird beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das Vorschub-Steuersignal axxh Multiplikation des Vorschubs pro Umdrehung (Spankraft oder Spanbeanspruchung) mit der Spindeldrehzahl in U/min, abgeleitet. Ein Differentialanalysator (DDA) dient zur Durchführung der Multiplikation. Zur Speicherung der Werte für die Spankraft und die Spindeldrehzahl sind eigene Register vorgesehen. Der Inhalt des Spankraftregisters wird wiederholt zum Inhalt eines zweiten Registers addiert, und der Oberlauf dieses zweiten Registers, der mit einer Geschwindigkeit auftritt, die proportional zum Inhalt des Spankraftregisters ist, dient als Befehl zur Steuerung der Addition

109842/1668

des Inhaltes des Spindeldrehzahlregisters zu einem vierten Register. Der Oberlauf dieses vierten Registers tritt somit mit einer Frequenz auf, die proportional zur Zahl des Inhalts des Spankraftregisters sowie proportional zum Inhalt des Spindeldrehzahlregisters ist. Die Frequenz des Vorschubsignals ist proportional zum resultierenden Sollvorschub, der durch die einzelnen durch die Steuerachsen der Maschine dargestellten Bauteile erzeugt wird. Zur Steuerung der Geschwindigkeiten der Impulserzeugung der zu jeder Maschinenachse gehörenden Intervall- oder Interpo lationsoszillatoren sind die Impulsgeberausgänge dieser Interpolationsoszillatoren mit Schaltungen versehen, welche Zahlen erzeugen, die proportional zum Quadrat der Frequenz ihrer Impulszüge sind. Diese Zahlen werden dann aufaddiert und mit dem Ausgang|3-signal einer gleichartigen durch eine Quadrierschaltung erzeugten Zahl verglichen, an welcher das Vorschubsignal als Eingang anliegt!.

Die Vergleichschaltung ist an die Interpolationsoszillatpren zurückgeführt und steuert deren Arbeitsgeschwindigkeit, so daß ; eine Gleichheit zwischen dem Quadrat des Vorschubsignals und den Summen der Quadrate der Ausgangssignale des InterpolationsOszillators aufrechterhalten wird. Ein Steuersignal für die Spindel- j

drehzahl wird auch direkt aus dem Inhalt des Spindeldrehzahlregi- ^! sters gewonnen.

Die adaptive Steuerung übt ihre Funktion über Spindeldrehzahl und Vorschub durch Regulierung des Inhalts des Spankraft- und des Spindeldrehzahlregisters aus. Wenn die Maschine zu Beginn der Arbeit angeschaltet wird, und das Werkzeug nicht mit dem Werkstück in Berührung steht, so tastet die Einrichtung diesen Zustand

109842/1668

aufgrund des niedrigen Drehmoments und dar geringen·Schwingung über Rückführsignale ab und gibt Zahlen in die Register für die Spindeldrehzahl ein, welche einen durch die kleinste Einstellung der Stoß- oder Ansatzspankraft und Drehzahlbegrenzung bewirkten relativ schnellen Vorschub erzeugen. Sobald das Werkzeug auf das Werkstück auftrifft, wird der Inhalt des Spankraft- und des Spindeldrehzahlregisters auf die minimale Spankraft- und Drehzahleinstellung verändert, wodurch der kleinste Vorschub und die kleinste Drehzahl ausgelöst werden. Anschließend wird der Inhalt des Spankraft- und des Spindeldrehzahlregisters in kurzen Intervallen schrittweise erhöht. Der Inhalt des SpindeIdrehzahlregisterjs wird stets um einen festen Prozentsatz seines vorhergehenden Inhalts erhöht, und das Spankraftregister wird zunächst in der gleichen Weise schrittweise erhöht.

Dieses Verfahren der Prozentsatzänderung bewirkt einen kleinen Änderungsschritt, wenn die in den Registern gespeicherte Werte niedrig sind und liefert große Änderungen für einen jeweils ^: größeren Inhalt der Register. Dieses Verfahren bietet zwei Vor*" teile: Erstens einen Schutz gegen ein Überschreiten der Sollgrehz·- werte und zweitens einen Schutz des Spanungsvorgangs gegen zu plötzliche Änderungen der Bearbeitungsdaten.

Gleichzeitig mit der Erhöhung des Registers für die Spankraftwerte wird auch der Inhalt des Registers erhöht, das zunächst das Drehmomentrückführungssignal enthält. Die Einstellung bzw. der Zustand dieses Registers wird laufend mit dem Register für die maximale Drehmomenteinstellung verglichen, um zu verhindern, daß eine

109842/1668

weitere schrittweise Vergrößerung des Spankraftregisters erfolgt, wenn das maximale durch diese Schaltung linear interpolierte

Drehmoment überschritten wird. Diese Proportionalregelung gestattet es, den Änderungsbetrag des Spankraftregisters zu berechnen und damit sehr nahe an den Sollgrenzwert heranzukommen.

Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die maximalen Einstellwerte für die Spankraft und die Spindeldrehzahl im Rahmen der Grenzwerte erreicht sind. Ist ein Grenzwert erreicht, so werden eines

bis

oder beide Register so lange stufenweise verringert,/die Oberschreitung aufgehoben ist. Auf diese Weise verändert die Einrichtung dauernd die von vorgegebenen Grenzwerten sowie von Rückführungssignalen für das Ist-Drehmoment und die Ist-Schwingung gesteuerte Spindeldrehzahl und den Vorschub in einer solchen Weise, daß der zur Auswahl der Grenzwerte dienende Faktor optimiert wird. Wenn z.B. bei einem BearbeitungsVorgang ein gehärtetes Teil eines Werkstücks angetroffen wird, so überschreitet das sich daraus ergebende Drehmoment den eingestellten Maximalwert für das Drehmoment und bewirkt sofort eine stufenweise Verringerung des Inhalts des Spankraftregisters, wodurch der Vorschub so weit verringert wird, bis das Ist-Drehmoment das Soll-Drehmoment nicht mehr übersteigt. Ähnliche adaptive Verfahrenszüge werden durch andere Bedingungen im Bearbeitungsvorgang ausgelöst und funktionieren ebenso zur Maximierung der Spindeldrehzahl und des Vorschubs im Rahmen der vorgegebenen Sollgrenzen.

Außer dem vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. _o

— O —

10980/1668

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine hauptsächlich als Blockschaltbild ausgelegte Zeichnung einer numerischen Nachformsteuerung für eine Fräsmaschine mit der erfindungsgemäßen adaptiven Regeleinrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des adaptiven Reglers;

Fig. 3 das Blockschaltbild der einen Teil des adaptiven Reglers bildenden Planungslogik;

Fig. k das. Blockschaltbild der e.inen Teil des adaptiven Reglers bildenden Steuerung für die Drehzahländerung;

Fig. 5 das Blockschaltbild der einen Teil des adaptiven Reglers bildenden Steuerung für die Änderung der Spankraft;

Fig. 6 das Blockschaltbild des einen Teil des adaptiven Reglers bildenden Vorschubgenerators;

Fig. 7 der einen Teil des adaptiven Reglers bildenden logischen IPM-Schaltung;

Fig. 8 das Blockdiagramm eine6 den Teil der logischen IPM-Schaltung bildenden Quadrierregisters;

Fig. 9 ein Kurvenbild zur Darstellung der adaptiven Arbeitsweise

109842/1668

der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer I Fräsmaschine Io mit dem durch die Spindel 14 in Drehung versetzten Werkzeug 12 dargestellt. Die Fräsmaschine Io bearbeitet das Werkstück, dessen Stellung zum spanabhebenden Werkzeug 12 längs dreier,

j zueinander senkrecht stehender Achsen gesteuert werden soll. !

Die Stellung des Werkstücks wird durch numerische, in geeigneten Speichermitteln wie einem Magnetband 18 gespeicherte Daten gesteuert. Ein Lese- oder Abtastkopf 2ο erzeugt beim Vorbeilauf des Bandes am Kopf elektrische Signale, die eine Funktion der auf dem Band gespeicherten Daten sind und überträgt diese Signale an die logische Eingabeschaltung mit aktivem Teilspeicher 22, in welcher die Daten in eine für die Steuerung geeignete Form umgesetzt werden, z.B. durch Umwandlung eines binär kodierten Dezimalsystems in ein Binärsystem, und außerdem die Daten in geeigneten Speichern zur Verwendung durch andere Baugruppen der Steuerungen gespeichert werden. Die in der Teil- oder Untereinheit 2 2 gespeicherten Daten gelangen an den Regler 24, der, durch die Eingabedaten gesteuert, für jede stellungsgesteuerte Achse der Maschine einen Impulszug erzeugt. Diese Impulszüge enthalten Impulszahlen, die proportional zum Weg sind, über welchen das Werk- , stück 16 relativ zum Werkzeug 12 längs einer jeden Steuerachse

bewegt werden soll. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der ' Erfindung erfolgt die Steuerung über drei zueinander senkrecht stehenden Achsen, und dementsprechend gibt der Regler 24 drei Ausgangeiapulezüge an den Servo 26 der X-Achse, den Servo 28 der Y-Aohee und den Servo 3o der Z-Achse ab. Die Servos bewirken

109842/1668

. _lo_ . 21H785

eine Bewegung des Werkstücks relativ zum Werkzeug über einen Längen- bzw. Wegschritt wie z.B. 2,54.u für jeden empfangenen Impuls.

Vorher wurde das Magnetband 18 durch einen Programmierer unter ;

Verwendung eines Computers mit einer Anzahl von Befehlssignalen |

kodiert, welche bewirken, daß die Steuerung das Werkstück der ^:

Reihenfolge nach entlang einer entsprechenden Kontur- oder Umriß- : linie bewegt.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist eine herkömmliche numerische Steuerung zum Nachformen.

Erfindungsgemäß werden zusätzlich zu dieser herkömmlichen Nachformsteuerung, bei welcher im allgemeinenöie Drehzahl des Werkzeugs 12 und die Geschwindigkeit, mit welcher der Regler 24 seine Ausgangsimpulszüge erzeugt, gesteuert werden, beide Größen in j

Abhängigkeit von RückführungsSignalen aus dem Bearbeitungsvorgang .

sowie von vorgegebenen Grenzwerten geregelt. Diese Regel- bzw. Steuerfunktionen werden durch die adaptive Steuerung 32 ausgeführt. Vor Beginn des Bearbeitungsvorganges empfängt der Regler über den Lesekopf 2o und die Leitung 36 Daten bezüglich des Be-

arbeitungsvorgangs sowohl von der Handeingabeeinheit 34 für den Grenzwert als auch vom Magnetband 18 oder auch nur von einer der , beiden Quellen. Während des Betriebs der Maschine, d.h. während |

des Bearbeitungsvorganges empfängt die adaptive Steuerung 32 Signale von den zur Maschine gehörenden Fühlern oder Abtastern 38« Diese Signale bestehen aus dem über die Leitung Uo laufenden Wert für das Drehmoment sowie aus dem über die Leitung 42 laufenden

, _.. _ „„. -„11.

109842/1668

-ii- 2ΠΑ785"Ί

i Wert für Schwingungen. Die adaptive Steuerung empfängt auch j über die Leitungen 64, 66 und 68 die gleichen drei Signale, welchi durch den Regler 24 an die Servos 26, 28 und 3o für die X-, Y-, j und Z-Achse abgegeben werden. Aufgrund der Grenzwerte und der Werte der von den Fühlern 38 und dem Regler 24 abgegebenen Signale erzeugt die adaptive Steuerung 32 Befehlssignale für die Spindel-! drehzahl, die über die Leitung 44 an die Spindel 14 gelangen und ι Vorschubbefehle, die über die Leitung 46 an den Regler 24 gelan- i gen. Diese während des Bearbeitungsvorgangs regelmäßig nachgestellten Signale steuern die Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit der Spindel sowie die Erzeugungsgeschwxndigkeit der Ausgangssignale des Reglers 24 und damit die Vorschubgeschwindigkeit

des Werkstücks 16 gegenüber dem Werkzeug 12. Die Änderungen er- 1 folgen so, daß Vorschub und Spindeldrehzahl im Rahmen der für !

das System geltenden Grenzwerte optimiert werden.

j Der innere Aufbau der adaptiven Steuerung 32 ist in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellt. Ihre verschiedenen Teil- oder Unter- ; baugruppen und Einheiten werden nachstehend im Hinblick auf ihre Funktion beschrieben. Vor dem Beginn des Betriebs der Maschine werden verschiedene Grenzwerte in den Grenzwertspeicher 5o über die Leitungen 36 von der Handeingabe 34 oder dem Magnetband 18 oder auch von beiden Quellen eingegeben. Die Einheit 5o dient j lediglich zur Speicherung dxeser Grenzwertsignale, so daß sie während des Betriebs der Maschine bzw. während eines Bearbeitungs-* vorgangs der Gesamteinrichtung zur Verfügung stehen.

Diese Signale werden an die Untereinheit Planungslogik 52 abgegeben. Diese Einheit empfängt auch über die Leitungen 4o und 42

109842/1668

■— TT₂ "'-"" 21Γ4785""

die Rückführsignale für Schwingung und Drehmoment von den Fühlern 38. Weiter liegen an der logischen Planungsschaltung 52 die Eingangssignale für den Sollvorschub, die Sollspindeldrehzahl, die Sollzerspanungskraft an, die über die Leitungen 55, 56 und 57 von dem Vorschubgenerator 58 abgegeben werden, der eine andere Unterbaugruppe der adaptiven Steuerung 32 bildet und nachstehend im einzelnen beschrieben wird. Aufgrund der Grenzwerte, der Rückführungssignale und der Sollwertsignale bestimmt die logische Planungsschaltung im weiteren Sinne die für eine Änderung der Spindeldrehzahl und des Vorschubs einzuhaltende Planung, um eine Optimierung des Bearbeitungsvorganges zu erreichen. Wie nachstehe!.d im einzehen beschrieben wird, trifft die logische Planungsschaltung ihre Entscheidungen aufgrund von Vergleichen zwischen den Grenzwerten und Faktoren für die Ist-Leistung und wählt eine \ Planung, welche in drei große Klassen eingeteilt wird:

1. Es bestehen ein Luftspalt und keine Überschreitung der Grenz-. ,

werte. Das Werkzeug steht nicht in Berührung mit dem Werkstück, und Vorschub sowie Drehzahl sind auf hohe Werte einzustellen, wodurch das Werkzeug mit der höchst zulässigen Stoß- oder Aufschlagkraft mit dem Werkstück in Berührung gebracht wird.

2. Keine Überschreitung der Grenzwerte und kein Luftspalt. Das Werkzeug steht in Berührung mit dem Werkstück, und die Grenzwerte werden nicht überschritten. Dementsprechend müssen die Signale sowohl für die Zerspanungskraft und die Spindeldrehzahl erhöht werden.

3. Überschreitung der Grenzwerte. Die Rückführungs- oder Befehls-

109842/1668

signale zeigen an, daß einer der voreingegebenen Grenzwerte überschritten wird. Die Signale für entweder die Zerspanungskraft oder die Spindeldrehzahl oder für beide Werte müssen herabgesetzt werden. Die Planungslogik 52 steuert die Einheit 54 die wie folgt bezeichnet ist: "Steuerung zur Änderung der Spankraft- und der Spindeldrehzahlregister". Die Änderungs- Untereinheit 54 steuert direkt den Vorschubgenerator 58 durch Änderung des Inhalts der Spankraft- und Spindeldrehzahlregister, die sich im Vorschubgenerator befinden und nachstehend im einzelnen beschrieben werden. Diese Änderungen werden in kurzen Intervallen vorgenommen, die "Abtastung" genannt werden. Über die Leitung 42 gelangt ein Drehmomentrückführungssignal an den Eingang der Änderungssteuerung 54, welche dieses Rückführungssignal zur Festlegung der genauen Einzelplanung für die Änderung der Register verwendet. Ganz allgemein, ändert die Steuerung 54 die Spindeldrehzahl stets um einen festen Prozentsatz des Inhalts des Spindeldrehzahlregisters während einer jeden Abtastperiode. Die Zerspanungskraft; wird durch feste Prozentsätze geändert, solange keine Grenzwerte überschritten werden, jedoch wenn der Grenzwert für das Drehmoment überschritten wird, dann wird der Vorgang der stufenweisen Erhöhung beendet.

Der nachstehend im einzelnen beschriebene Vorschubgenerator 58 enthält das Spindeldrehzahl- und Spankraftregister, und multipliziert im wesentlichen die in diesen Registern enthaltenen Faktoren, um einen Impuls zu bilden, dessen Frequenz proportional dem Produkt der beiden Faktoren ist, welche den Vorschubbefehl darstellen. Dieser Befehl gelangt über die Leitung 6o an die Untereinheit 62, die "logische IPM-Schaltung" oder "LEPM-Schaltung"

109842/1668

genannt wird. (IPM = inches/zoll pro Minute; LEPM pro Minute, z.B. cm/min.).

Längeneinheit

Die Frequenz des Impulssignals auf der Leitung 60 ist proportional· dem resultierenden Sollvorschub des Werkzeugs 12 gegenüber dem | Werkstück 16. Da sich die resultierende Bewegung aus den drei j Teilbewegungen ergibt, welche beim bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die drei gesteuerten Achsen dargestellt werden, müssen! die Intervall- oder Interpolationsoszillatoren durch Servos ge- ; steuert werden, um sicherzustellen, daß sich die durch die drei einzelnen Bewegungsbefehle gegebene resultierende Bewegung auf dem erforderlichen logischen Pegel befindet. Somit empfängt die

logische IPM-j(LEPM-Schaltung 62 auf der Leitung 60 das Vorschub-Steuersignal vom Vorschubgenerator sowie auf den Leitungen 64, 66 ; und 68 die durch den Interpolationsoszillator 24 erzeugten Be- ' fehlsimpulszüge der X-, Y- und Z-Achse. Aufgrund dieser Signale , gibt die Einheit 62 ein Signal an die Leitung 46 ab, welches die Arbeitsgeschwindigkeit der Interpolationsoszillatoren im Regler ^j

24 steuert.

Der Inhalt des im Vorschubgenerator 58 angeordneten Spindeldrehzahlregisters 80 gelangt an den Spindeldrehzahlgenerator 7o, der einen Digital-Analogumsetzer darstellt und eine Spannung erzeugt, deren Amplitude proportional zum Signal für die Drehzahl ist, das der Spindel über die Leitung 44 eingespeist wird und zur Steuerung der Spindeldrehzahl dient.

Nach der allgemeinen Beschreibung der Einrichtung und insbesondere; der Funktionsweise der Änderungssteuerung 54 wird das Gesamt- )

109842/1668

system nachstehend der Reihenfolge nach anhand seiner Teilbaugruppen im einzelnen erläutert.

SPEICHERUNG DER GRENZWERTE

Die Grenzwerte, die entweder durch von Hand einstellbare Schalter am Schaltbrett oder über das Band mit numerischer Steuerung der Anlage eingegeben werden können, bestehen aus den folgenden Werten:

1) Höchst zulässiges Drehmoment (T-max)

2) Höchst zulässige Schwingung (A-max)

3) Höchst zulässige Zerspanungskraft (f-max) -*0 Höchst zulässige Spindeldrehzahl (V-max)

5) Höchst zulässiger Vorschub (F-max)

6) Mindest-Zerspanungskraft (f-min)

7) Mindest-Spindeldrehzahl (V-min)

8) Stoßzerspanungskraft (f-impact)

Beim bevorzugten Ausführungsbeispxel der Erfindung werden diese Werte in dekadischer Form von Eingangsschaltern' aus in die Maschine eingegeben, und der Grenzwertspeicher 5o setzt diese dekadischen Werte in herkömmlicher Weise in binäre Form zur Verwendung durch die Maschine um.

Fig, 3 zeigt die logische Planungseinheit 52, ihre Eingänge und die verschiedenen Arten bzw. Klassen ihrer Ausgänge. Außer den Eingängen für die acht Grenzwerte werden in der Einheit 52 noch

- 16 -

109842/1668

die Rückführungseingänge und die drei Eingänge vom Vorschubgenerator 58, sowie ein Signal für das minimale Drehmoment (T-min) vorgegeben, wenn sie mit der Maschine Io gekoppelt ist und normalerweise nicht verändert wird.

PLANUNGSLOGIK

Werden keine Grenzwertüberschreitungen abgetastet, so gibt die logische Planungseinheit 52 zwei Signale an die Änderungssteuerung 54 ab, und befiehlt dieser die Werte für die Zerspanungskraft und die Spindeldrehzahl zu erhöhen.

Wenn der Grenzwert für f-max (höchst zulässige Zerspanungskraft) infolge eines den vorgegebenen Maximalwert übersteigenden Befehls für die Zerspanungskraft überschritten wird, und wenn dies die einzige Grenzwertüberschreitung ist, dann werden an die Änderungs steuerung 54 Signale abgegeben, die eine Erhöhung der Spindeldrehzahl, jedoch nicht der Zerspanungskraft befehlen. Wenn V-max (höchst zulässige Spindeldrehzahl) die einzige Grenzwertüber- ψ schreitung darstellt, dann wird die Spindeldrehzahl nicht, jedoch die Zerspanungskraft erhöht.

Liegt eine Überschreitung des Drehmoment-Grenzwertes und keine Überschreitung von F-min (Mindest-Zerspanungskraft) vor, so gelangt ein Signal an die Änderungssteuerung, um die Zerspanungskraft herabzusetzen. Sind die Grenzwerte für die Schwingung oder den Vorschub überschritten, nicht aber für die Mindestspindeldrehzahl, so erzeugt die Einheit 52 ein Signal, welches · eine verringerte Spindeldrehzahl bewirkt.

- 17 - :

10984?/1668

' Es ist zu beachten, daß aufgrund dieser Bedingungen f-max bei weiteren Erhöhungen der Spindeldrehzahl erreicht werden kann und umgekehrt, daß V-max bei weiteren Erhöhungen der Zerspanungskraft erreicht werden kann. Nur eine Überschreitung der Werte für das maximale Drehmoment, die maximale Schwingung oder den maximalen Vorschub verhindert eine Erhöhung sowohl der Spindeldrehzahl als auch der Zerspanungskraft. Weiterhin ist zu beachten, daß eine Überschreitung des maximalen Drehmoments der einzige Zustand ist, bei welchem eine Herabsetzung der Zerspanungskraft erfolgt, während nur Überschreitungen des Vorschubs oder der Schwingung eine Herabsetzung der Spindeldrehzahl bewirken.

! Eine dritte Klasse von Signalen wird von der Planungslogik er-• zeugt, wenn T-actual (Xst - Drehmoment) unter T-min abfällt

und damit anzeigt, daß zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ! ein Luftspalt vorhanden ist. In diesem Falle wird der Zustand j des Spankraft- und Spindeldrehzahlregisters sofort auf f-impact und V-min umgestellt, womit ein Vorschubbefehl bei der höchsten Geschwindigkeit gegeben ist, mit welcher das Werkstück im freien Raum an das Werkzeug herangefahren werden kann.

Die Korrekturen, welche die Steuerung bei Überschreitung der verschiedenen Grenzwerte auslöst und die Auswirkung dieser Korrekturen auf die Funktion des Werkstücks sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

18 -

109842/1668

Überschreitung

T-max

A-max

f-max

f-min

F-max

V-min

V-max

- 18 Korrektur

Verringert Zerspanungskraft

Ändert Spindeldrehzahl

T-min

Verhindert weitere Erhöhung der Zerspanungskraft

Verhindert weitere Herabsetzung der Zerspanungskraft

Herabsetzung des Vorschubs und der Spindeldrehzahl

Verhindert weitere Herabsetzung der Spindeldrehzahl

Verhindert weitere Erhöhung der Spindeldrehzahl

Stellt den Vorschub auf Stoßzerspanungskraft (f-impact) ein

Ergebnis

Begrenzt Werkzeugauslenkung ; verhindert • weitgehend Werkzeugbruch; erhöht Lebensdauer des Werkzeugs

Begrenzt Werkzeugrattern; steuert Oberflächenbehandlung; erhöht Werkzeuglebensdauer

Begrenzt Vorschub zwecks geringem Drehmoment oder Endbearbeitungen; steuert die Oberflächenbearbeitung

Einstellung für minimale. Zerspangeschwindigkeit und Verhinderung von Unterlauf

Begrenzt die Vorschübe auf für die Schlittenantriebe höchst zulässigen Werte; verbessert Lebensdauer des Werkzeugs

Verhindert schlechte Oberflächenbehandlung und schützt den Spinde lmot or

Verhindert übermäßige Vers chleißge s chwindigkeit des Werkzeugs und Verhärtung des Werkstücks

Setzt nicht programmierte Totzeiten im freien Raum herab

- 19 -

109842/1668

21U785

ÄNDERUNGS-STEUERUNG

Die Änderungssteuerung 54 ist schematisch· in den Fign. 4 und 5 dargestellt und besteht aus zwei Teilen: 54a (Fig. 4) sorgt für die Steuerung der Spindeldrehzahl und 54b (Fig. 5) sorgt für die Steuerung der Zerspanungskraft. Beide Teile empfangen die Ausgangssignale der logischen Planungseinheit 52 der Fig. 3 und werden von diesen Signalen gesteuert, um den Inhalt des Spindeldrehzahlregisters und des Sprankraftregxsters zu ändern, die beide im Vorschubgenerator 58 angeordnet sind, jedoch aus Gründen der eindeutigen Beschreibung in den Fign. 4 und 5 als Teil der Änderungssteuerung gezeigt sind.

ÄNDERUNG DER SPINDELDREHZAHL

Die Änderungssteuerung 54a für die Spindeldrehzahl dient zur Erhöhung oder Verringerung des Inhalts des Spindeldrehzahlregisters 8o, wobei diese Änderung von Signalen der Planungslogik gesteuert wird. Das Register 8o kann eine magnetostrictive Verzögerungsstrecke oder ein Flip-Flop-Schieberegister sein. Von den Signalen der Zeitgebereinheit 82 gesteuert,erfolgt die Änderung des Spindeldrehzahlregisters in regelmäßigen Zeitintervallen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese, eine Abtastperiode kennzeichnenden Zeitgebersignale erzeugt, wenn eine vorhergehende Änderung vollendet ist, so daß die durch die Fühler gemessenen Werte die durch neue Vorschübe oder Spindeldrehzahlen bewirkten Istwerte sind, und die Spindel sich um mindestens eine Umdrehung weitergedreht hat. Die Forderung, daß sich die Spindel um eine volle Umdrehung weiterdreht, ist durch die

109842/1668

! -2o- 2TH785

j Tatsache bedingt, daß das Werkzeug außer seinen beiden Spanwinkeln

ί - . ■

einen Schlag haben kann und nicht vollkommen gleichmäßig ist.

\ Somit bedarf es mindestens einer Spindelumdrehung, um den Höchstwert des Drehmoments genau messen zu können. Beim bevorzugten j Ausführungsbeispiel der Erfindung dauert diese Abtastperiode ^s ca. loo Mikrosekunden.

, Während einer jeden· Abtastperiode wird der Inhalt des Spindel- : drehzahlregisters 80 um etwa 1,6% verändert. Das Register ist fc ι ein Binärregister mit einer Länge von zehn Bits. Es kann so

! jede Zahl bis Io2 3 aufnehmen. Der Vorgang der Änderung des Spin- ^: deldrehZahlregisters erfordert zuerst die Eingabe des Inhalts des Spindeldrehzahlregisters 80 in das Steuerregister 84 für .den Prozentsatz der Spindeldrehzahl, dessen Länge ebenfalls Io Bits beträgt. Das Prozentsatz-Steuerregister 84- ist eine Umlauf verzögerungsstrecke, welche ihren Inhalt über das Subtrahierwerk 86 . und den Nullwertabtaster 88 ständig umlaufen läßt. Der Ausgang des Nullwertabtasters wird zum Prozentsatz-Steuerregister 8·+ zurückgeführt. Um den Inhalt des Spindeldrehzahlregisters um

1,6% zu verändern, wird der Inhalt des Prozentsatz-Steuerregisters 84, der zunächst gleich ist dem Inhalt des Spindeldrehzahlregisters 80, über das Subtrahierwerk 8 6 und den Nullwertabtaster 88 in Umlauf gesetzt, und bei jedem Umlauf wird eine binäre Eins von der fünften Stufe des Registers subtrahiert. Dies ist gleich einer» Subtraktion der Zahl 16 vom Inhalt des Registers. Wenn das Re-

: gister anfänglich alle Einer enthalten hat, so würden 69 Subtraktionen erforderlich sein, um den Inhalt des Prozentsatz-Steuer-

; registers auf Null zu bringen. Wenn der Inhalt kleiner ist, so sind weniger UmlaufSubtraktionen erforderlich. Der Zustand :

- 21 - '

109842/1668

aller Nullen wird durch den Nullwertabtaster 8 8 abgetastet. Gleichzeitig mit jeder Subtraktion vom Prozentsatz-Steuerregister 84 wird die Zahl JL, entweder zur letzten Stelle des Spindeldrehzahlregisters 8ο addiert oder von ihr subtrahier+, je nachdem, ob die Spindeldrehzahl erhöht oder verringert werden soll. Dieser Vorgang wird von der Steuerung 9o für eine stufenweise Veränderung der Spindeldrehzahl gesteuert, die einen einzigen Impuls an das logische Addier-/Subtrahierwerk 92 abgibt und gleichzeitig

; einen Subtraktionsimpuls an das Subtrahierwerk 36 überträgt.

j Gesteuert von Signalen der Planungslogik 52 für eine stufenweise j Erhöhung oder Verminderung, addiert die logische Schaltung 92

j zum Spindeldrehzahlregister 8ο einen Impuls oder subtrahiert diesen von ihm. Dieses Änderungsverfahren wird unterbrochen, wenn der Nullwertabtaster 88 mitteilt, daß das Prozentsatzsteuerregister 84 vollkommen leer ist. Jetzt wurde der Inhalt des Spinde ldrehzahlregisters um 1,6% verändert.

ÄNDERUNG DER ZERSPANUNGSKRAFT

Erhöhungen des Inhalts des Zerspanungskraftregisters loo werden von der Änderungseinheit 54 b gesteuert und erfolgen in einer j anderen und komplizierteren Weise als die Änderungen des Spindeldrehzahlregisters 8o. Da die Zerspanungskraft im allgemeinen linear auf das Drehmoment bezogen ist, wird sowohl das Drehmoment als auch die Zerspanungskraft linear interpoliert, um die für das höchst zulässige Drehmoment erforderliche Zerspanungskraft zu erreichen. Um jedoch plötzliche Änderungen der Zerspanungskraft zu vermeiden, ist die Änderung an ihren oberen Grenzwert durch eine Änderung von 3,2% des ursprünglichen Inhalts des Zerspa-

109842/1668

- 22 - 21ΊΑ785

nungskraftregisters begrenzt, wobei ein ähnliches Verfahren zur Steuerung des Prozentsatzes verwendet wird wie bei der Spindeldrehzahl. So wird in einem normalen Arbeitsgang die Zerspanungskraft während einer jeden Abtastperiode um 3,2% erhöht, bis das maximale Drehmoment erreicht ist. Dieses Drehmoment wird normalerweise während einer Erhöhungsperiode erreicht, und die schrittweise Erhöhung wird an diesem Punkt beendet und der volle Schritt auf 3,2% wird nicht durchgeführt.

ρ j Wenn die Planungslogik 52 eine Verringerung der Zerspanungskraft verlangt, dann bleibt die Prozentsatz-Steuerung außer Betrieb, und eine proportionale Verringerung der Zerspanungskraft erfolgt während der nächsten Abtastperiode.

Während der Erhöhung oder Verringerung des Inhalts des Zerspanungskraftregisters loo wird ein Drehmomentregister ebenso in linearer Weise verändert, um die Drehmomentänderungen intern festzustellen und ohne Abhängigkeit von dem etwas verzögerten Rückführungssignal für das Drehmoment.

Am Beginn der Abtastperiode wird der Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo in das Register Io2 zur Steuerung des Zerspanungskraftprozentsatzes eingegeben, und die Zahl bzw. das Signal für das Ist-Drehmoment wird in das Register lo¹* für das Drehmoment I eingegeben. Alle drei Einheiten bilden Umlaufschieberegister.

Der Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo läuft regelmäßig durch das Addierwerk Io6, ebenso wie der Inhalt des Umlaufregisters

- 23 -

109842/1668

_23- 21U785

Ho für die Zerspanungskraft R. Der Inhalt des Registers Io4 für das Drehmoment I läuft durch das Addierwerk I08 zusammen mit dem Inhalt des Umlaufregisters 112 für das Drehmoment R. Durch das Addierwerk I06 wird der Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo regelmäßig zum Register llo für die Zerspanungskraft R addiert. Ebenso wird durch das Addierwerk I08 der Inhalt des Registers loH für das Drehmoment I regelmäßig zum Register 112 für das Drehmoment R addiert.

Die Strecke, über welcher das Ausgangssignal des Addierwerks Io6 zum Register llo für die Zerspanungskraft R zurückgeführt wird läuft durch den Überlauf abtaster 114, der den Überlauf der höch-

Ho

sten Stelle des R-Registers/abtastet.Wann immer ein Überlauf auftritt, wird das Zerspanungskraftregister loo um die Zählung 1 erhöht oder verringert. Dies wird durch die Steuerung 116 für die stufenweise Veränderung der Zerspanungskraft besorgt, welche das Aus gangs signal des Über lauf ab tasters HM- empfängt und einen Impuls an die logische Addier-/Subtrahierschaltung 118 abgibt. An dieser logischen Schaltung liegen Eingangssignale von der Planungslogik 52 an, die anzeigen, ob das Zerspanungskraftregister erhöht oder verringert werden soll und dementsprechend die Zählung einer Eins zum Zerspanungskraftregister addiert bzw. von ihm abzieht.

Ebenso durchläuft das Ausgangssignal des Addierwerks Io8 den Überlaufabtaster 12o, ehe es zum Register 112 für das Drehmoment R zurückgeführt wird. Somit wird der Überlauf des Drehmoment-R-Registers abgetastet und zur Erhöhung oder Verringerung de6 Registers Io4 für das Drehmoment I verwendet, wobei die Steue-

109847/1668

rung dieses Vorgangs durch die logische Addier-/Subtrahierschaltung 122 durchgeführt wird, welche von der Planungslogik 52 die Signale zur Erhöhung oder Verringerung der Zerspanungskraft erhält. Wennyäie Zerspanungskraft erhöht werden soll, so wird eine Eins zum Register Io4 für das Drehmoment I jedesmal dann addiert, wenn ein Überlauf durch den Abtaster 12o erkannt wird, und ebenso werden Einer vom Register Io4 für das Drehmoment I beim Auftreten von Überlauf abgezogen, wenn das Zerspanungskraftregister verringert werden soll. Durch dieses Verfahren wird der Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo und des Registers für das Drehmoment I mit Geschwindigkeiten verändert, die

inter ihrem Inhalt proportional sind. Mit dieser Linearpolation wird

ein Drehmomentwert abgeleitet, der auf der geraden Drehmoment-/ ; , Zerspanungskraftkurve liegt.

: Wenn, wie oben festgestellt, die Zerspanungskraft schrittweise erhöht wird, dann ist die Änderung die in jeder Abtastperiode · auftritt, auf 3,2% des vorhergehenden Wertes des Zerspanungskraftregisters beschränkt. Dieser Vorgang wird vom Register Io2 für die Steuerung des Zerspanungskraftprozentsatzes gesteuert, wobei der Inhalt des Registers über das Subtrahierwerk 124 und den Nullwertabtaster 126 dauernd in Umlauf gesetzt wird. Wenn die ÄnderungssteiH?ung 116 für die Zerspanungskraft eine Änderung des Zerspanungskraftregisters loo bewirkt, so wird ein

! Impuls an das Subtrahierwerk 124 abgegeben, welches einen Impuls von der sechsthöchsten Stelle des Io Bit umfassenden Steuer-

t t

; registers Io2 für den Zerspanungskraft-Prozentsatz subtrahiert. ^! j Somit fällt nach 32 Subtraktionsvorgängen der Inhalt des Steuer- ;

- 25 - !

109842/1668

registers Io2 für den Zerspanungskraftprozentsatz auf Null ab, und dieser Zustand wird durch den Nullwertdetektor 126 abgegriffen, der seinerseits ein Signal an die Start-Stop-Steuerung 128 abgibt, wodurch eine weitere Änderung des Zerspanungskraftregisters loo während dieser Abtastperiode unterbunden wird. Zum Beginn der nächsten Abtastperiode gelangt ein Impuls von der Zeitgebereinheit 8 2 an die Start-Stop-Steuerung 128 und löst einen anderen Arbeitszyklus für die stufenweise Erhöhung oder Verringerung aus.

Der Wert des Registers Io4 für das Drehmoment I wird dauernd mit dem Wert von T-max (höchst zulässiges Drehmoment) durch die Vergleichsschaltung 13o verglichen. Wenn der Inhalt des Registers Io4 für das Drehmoment I T-max während eines Erhöhungszyklus erreicht, so wird von der Vergleichschaltung 13o ein Signal an die Start-Stop-Steuerung 128 abgegeben und unterbindet eine weitere Erhöhung während dieses Zyklus. Ebenso, wenn das Zerspanungskraftregister loo während einer Abtastperiode verringert wird und T-max erreicht ist, wird eine weitere Verringerung fortgesetzt.

VORSCHUBGENERATOR

Bisher beschränkte sich die Beschreibung auf den Teil der Anlage, der den Inhalt des Spindeldrehzahlregxsters 8o und des Zerspanungskraftregisters loo verändert, um die an die numerische Steuerung und die Maschine abgegebenen Signale für die Spindeldrehzahl und den Vorschub im Sinne der adaptiven Steuerung zu verändern.

- 26 -

109842/1668

21U785

Die Hauptaufgabe des in Fig. 6 als Blockschaltbild dargestellten Vorschubgenerators 58 besteht in der Erzeugung von Signalen für den wirklichen Vorschub und die wirkliche Spindeldrehzahl. Da die Zerspanungskraft als Vorschub pro Umdrehung definiert wird, j ist der Vorschub das Produkt aus der Spanungskraft und Spindeldrehzahl. Somit multipliziert der Vorschubgenerator 58 die Zer-I spanungskraft mit der Spindeldrehzahl zur Ableitung eines Vor-I schubsignals. Dies wird durch Interpolation des Inhalts des

Zerspanungskraftregisters nach Art eines Differentialanalysators erreicht, so daß ein Impulszug gewonnen wird, dessen Frequenz proportional zum Inhalt des Registers ist. Die Impulse dieses

• Zuges dienen als Additionsbefehle für die Interpolation des

! Spindeldrehzahlregisters, so daß der Oberlauf von Differential-, analysatorverfahren für die Spindeldrehzahl mit einer Geschwin-

; digkeit auftritt, die proportional ist dem Produkt des Inhalts i des Zerspanungskraftregisters und des Spindeldrehzahlregisters.

i Das Zerspanungskraftregister loo und der Oberlaufabtaster 114,

die in Fig. 5 als Teil der Proportionalregelung der Zerspanungsi kraft dargestellt wurden, sind auch in Fig. 6 gezeigt. Der ; Oszillator 14o für den Additionsbefehl der Zerspanungskraft

j gibt Impulse an das Addierwerk Io6 ab, welche bewirken, daß der

I Inhalt des Umlaufregisters loo für die Zerspanungskraft zum I Register Ho für die Zerspanungskraft R hinzu addiert wird. Diese Additionsbefehle dienen auch zur Proportionalregelung der Zerspanungskraft der Änderungssteuerung 54. Der Oberlauf aus diesen Additionen wird vom Abtaster 114 abgegriffen, wobei dieser dann einen Ausgangsimpuls immer dann abgibt, wenn ein Oberlauf auf- j

- 27 - j

109842/1668

tritt. Somit erfolgen diese Oberläufe mit einer Geschwindigkeit, die proportional ist dem Produkt aus dem Inhalt des Zerspanungskraftregisters und dem durch die Ausgangsgeschwindigkeit des Oszillators 14o für den Additionsbefehl der Zerspanungskraft dargestellten konstanten Wert.

Dieser Impulszug gelangt vom Oberlaufabtaster 114 an das zweite Addierwerk 142, welches dauernd die Umlaufdaten, d.h. den Inhalt des Spindeldrehzahlregisters 8o empfängt. Bei Empfang eines jeden Impulses vom Oberlaufabtaster 114 addiert das Addierwerk 142 den Inhalt des Spindeldrehzahlregisters 8o zum Register 144 für die Spindeldrehzahl R, das sich ebenfalls über das Addierwerk in ständigem Umlauf befindet. Der Oberlauf des Registers 144R wird durch den Abtaster 146 abgegriffen, der jedesmal dann einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn ein Oberlauf auftritt. Somit ist der Ausgang des Öberlaufabtasters 146 ein Impulszug, der sowohl dem Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo und des Spindeldrehzahlregisters 8o proportional ist und damit auch proportional dem Produkt der beiden. Dieses auf der Leitung 6o erscheinende Ausgangssignal gelangt auch an den Impuls-Digital-Umsetzer 148, dessen Ausgangssignal an die logische Planungsschaltung 52 übertragen wird. Dieses Eingangssignal der Planungslogik 52 stellt das wirkliche Vorschubsignal dar.

. Ebenso gelangt der Inhalt des Zerspanungskraftregisters loo und des Spindeldrehzahlregisters 8o an die Planungs logik. Der Inhalt . des Spindeldrehzahlregisters 8o wird auch an den Spindeldrehzahl- ; generator 7o übertragen, der ein Digital-Analog-Umsetzer ist und ^! . - 28 -

109847/1668

. -28- 21U785

!die entsprechende Regelspannung über die Leitung 44 an die Spindel '■ überträgt.

! LOGISCHE IPM-ZLEPM-SCHALTUNG

:Die resultierende Momentangeschwindigkeit des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück ist gleich der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der drei Teilgeschwindigkeiten längs der drei aufeinander senkrecht stehenden Koordinaten- oder Steuerachsen der Maschine. Da die Frequenz des über die Leitung 60 laufenden Vorschubimpulszuges proportional ist der resultierenden Sollgeschwindigkeit ;des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück, und da die Istgeschwindigkeiten der drei gesteuerten Achsen proportional sind den Frequenzen der durch den Regler 24 an die Servos 26, 28 und 3o für die X-, Y- und Z-Achse abgegebenen Impulszüge, erfolgt die resultierende Bewegung des Werkzeugs mit der befohlenen Geschwindigkeit, wenn die Frequenz des auf der Leitung 60 erscheinenden Impulszuges gleich ist der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der Frequenzen der auf den Leitungen 64, 66 und 68 laufenden Impulszüge. Mit ψ anderen Worten kann diese Gleichheit wie folgt ausgedrückt werden: Das Quadrat der Frequenz des auf der Leitung 60 liegenden Impulszuges muß gleich sein der Summe der Quadrate der Frequenzen der auf den Leitungen 64, 66 und 68 erscheinenden Impulszüge, damit die Ist-Bewegung mit der .Soll-Geschwindigkeit verläuft. Die IPM-/ LEPM-Schaltung empfängt die Impulszüge aus den Leitungen 60, 64, 66 und 68 und gibt über die Leitung 46 ein Ausgangssignal an den Regler 24 ab, welches die Erzeugungsgeschwindigkeit der Befehlsimpulszüge für die X-, Y- und Z-Achse ändert, um so den Gleichheit szustand aufrechtzuerhalten.

- 29 -

109842/1668

-29- 21H785

Ein Blockschaltbild der» logischen IPM-/LEPM-Schaltung 62 ist in Fig. 7 dargestellt. Der Impulszug auf der Leitung 6o gelangt an das Quadrierregister 2oo, welches eine Reihe von Binärzahlen erzeugt, deren Summe gleich ist dem Quadrat der empfangenen Impulszahl. Die Funktion dieser Einrichtung wird nachstehend anhand der Fig. 8 beschrieben. Die drei Befehlsimpulszüge für die X-,

die Y- und Z-Achse gelangen über die Leitungen 64, 66 und 68 an/drei weiteren Quadrierregister 2o2, 2o4 und 2o6. Die durch die Register 2o2, 2o4 und 2o6 erzeugten Zahlen werden gleichzeitig dem Addierwerk 2o8 eingespeist, dessen Ausgangssignal an die Vergleichsschaltung 212 übertragen wird, in welcher sie von den durch das Quadrierregister 2oo gelieferten Zahlen abgezogen wird. Solange die Ausgangssignale des Registers 2oo größer sind als die Ausgangssignale des Addierwerks 2o8, gelangen Ansteuerungssignale an den Additionsbefehlsgenerator 214, der Impulse an den Regler 24 abgibt und damit die Erzeugung von Befehlsimpulsen für die X-, Y- und Z-Achse bewirkt.

Wie bereits vorstehend bemerkt, arbeitet der Regler beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf dem Prinzip des Differentialanalysators, und die Ausgangssignale des Generators 214 stellen Additionsbefehle dar, welche den Regler veranlassen, den Inhalt der drei I-Register zum Inhalt ihrer entsprechenden R-Register hinzu zu addieren. Wenn nun das Integral der Ausgänge des Addierwerks 2o8 gleich ist dem Integral der Ausgänge des Quadrierregisters 2oo, dann überträgt die Vergleichsschaltung 212 ein Signal an den Additionsbefehlsgenerator 214, wodurch die Erzeugung aller Additionsbefehle beendet wird. In dieser

- 3o -

109842/1668

-so- 21H785

Weise gibt der Additionsbefehlsgenerator so lange Ausgangsimpulse ab, bis das Quadrierregister 2oo über die Leitung 60 genügend ! weitere Impulse empfangen hat, so daß seine Ausgangssignale ; größer sind als die des Addierwerks 2o8. In der Art eines Regel- ; kreises wird die Gleichheit zwischen dem Inhalt der beiden Register beibehalten und somit sichergestellt, daß die resultierende Istbewegung mit der durch die adaptive Steuerung vorgegebenen Sollgeschwindigkeit verläuft.

Zu einem gewissen Zeitpunkt sind die Quadrierregister 2oo, 2o2, 2o4 und 2o6 voll aufgefüllt. Wenn dieser Zustand abgetastet wird, werden alle diese Register gleichzeitig gelöscht, und das Verfahren beginnt von neuem. Dieser Löschvorgang kann einen kleinen Fehler in die Additionsbefehle einführen, jedoch läßt sich dieser Fehler so klein wie möglich halten, indem die Register vergrößert werden.

Der innere Aufbau des Quadrierregisters 2oo, der mit dem der ■ Quadrierregister 2o2, 2o4 und 2o6 identisch ist, ist in Fig. 8 ! gezeigt. Die auf der Leitung 60 laufenden Impulse werden dem Zähler 2 2o eingespeist. Nach der Addition eines jeden Impulses

: wird gleichzeitig der Inhalt dieses Zählers durch die Einheit 22 2 um eine Binärstelle nach links verschoben (im Ergebnis wird : die im Impulszähler 2 2o enthaltene Größe um den Faktor 2 multipliziert, und eine Eins wird dann durch das Subtrahierwerk 224 von der verschobenen Größe abgezogen. Die Eins ist der gleiche Impuls, der von der Leitung 60 in den Zähler eingespeist wurde.

Der Ausgang des Subtrahierwerks stellt eine Reihe von Zahlen dar, die an die Vergleichschaltung 212 gelangen. Das Integral der

109842/1668

-31- ■ 21U785

der _

/Vergleichsschaltung 212 eingespeisten Zahlen ist gleich n_, nachdem n_ Impulse auf der Leitung 60 erscheinen. Im Endergebnis addiert diese Einrichtung die Größe (2n - 1) zum Inhalt der Vergleichschaltung 212 für jedenempfangenen Impuls, wobei n_ die Zählung dieses Impulses darstellt. Wie nachstehend gezeigt, hat der Inhalt des Registers 212 den Wert von η .

η (Zähler 22o) (2n - 1) n²

0 0

: 1 1 0 + 1 = 1

2 3 1 + 3 = M-

3 5 4 + 5 = 9 H 7 9 + 7 = 16 5 9 16 + 9 = 25

Der mathematische Ausdruck für den vorstehend durchgeführten Vor-

η
gang ist A = X , (2n-l).

n=l

Dies ist eine arithmetische Reihe. Wendet man die Formel für die Summe dieser Reihe an, so erhält man

Summe = Anzahl der Glieder (erstes Glied + letztes Glied)

Hier ist das erste Glied = 1 und das letzte Glied = 2n-l wobei substituiert wird: A = y (l+2n- l)=n .

Fig. 9 zeigt eine charakteristische Arbeitsweise der adaptiven Steuerung bei der Optimierung der Werkzeugmaschinenfunktion. Die Spindeldrehzahl ist als Abszisse aufgetragen und die Zer-, spanungskraft als Ordinate, wobei die Minimal- und Maximalwerte der Spindeldrehzahl und der Zerspanungskraft eine Fläche um-

- 32 -

109842/1668

- 32 - 21H785

schreiben, innerhalb welcher die Maschine arbeitet. Die Kurve für das Maximaldrehmoment erstreckt sich in gewissem Sinne parallel zur maximalen Zerspanungskraft. In Abhängigkeit von verschiedenen anderen Faktoren kann sie entweder über oder unter dieser verlaufen. In Fig. 9 ist sie als gestrichelte Linie unterhalb von f-max dargestellt, wodurch der Arbeitsbereich der Anlage weiter eingeschränkt wird. Ebenso kann auch F-max, welcher sich als Funktion von sowohl der Zerspanungskraft als auch der Spindeldrehzahl ändert, den Bereich der Maschinenfunktion einengen.

Wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 9 gezeigt, erhöhen sich anfänglich unter der Prozentsatzs-feuerung sowohl die Zerspanungskraft als auch die Spindeldrehzahl während einer jeden Abtastperiode, wenn man bei den Minimalwerten für die Spindeldrehzahl und die Zerspanungskraft beginnt, die auftreten, sobald das Werkzeug das Werkstück berührt. Wenn die Kurve V-max geschnitten wird, dann wird die Spindeldrehzahl nicht weiter erhöht, jedoch die Zerspanungskraft wird weiterhin während einer jeden Abtastperiode

soerhöht. Wenn die Kurve F-max geschnitten wird, so werden/wohl die Spindeldrehzahl als auch der Vorschub herabgesetzt, bis die Überschreitung korrigiert ist. Beide Werte werden dann in Prozentsätzen wieder erhöht. Dies ergibt eine Zick-Zack-Bewegung längs der Kurve F-max, bis T-max erreicht ist, wobei dann an diesem Punkt die Steuerung um diesen Punkt herum schwingt.

- 33 -

109842/1668

Claims

The Bendix Corporation

Executive Offices
Bendix Center

j Southfield, Michigan 48o75/USA 24. März 1971

" Anwaltsakte M-I528

j Patentansprüche

jfl. J Steuerung für eine Werkzeugmaschine mit einem in Wirkverbini dung mit einem Werkstück stehenden Werkzeug, bestehend aus: : zur Maschine gehörenden Fühlern zur Messung der Parameter der ! Wirkverbindung zwischen Werkzeug und Werkstück und zur Erzeugung von Signalen für die Werte dieser Parameter, sowie aus einer adaptiven Steuerung, welche Daten des durchzuführenden Spanvorgangs empfängt sowie Daten von den Fühlern zur Erzeugung zweier Steuersignale für die Werkzeugmaschine, dadurch

gekennzeichnet, daß die adaptive Steuerung (32) folgende Bauj gruppen umfaßt: einen Grenzwertspeicher (5o), eine logische : Planungseinheit (52) zum Empfang der durch die Fühler (38) ; erzeugten Signale und zur Entscheidung über die im Großen ein- ! zuhaltende Planung für die Änderung der Steuersignale, um den

Bearbeitungsvorgang der Maschine zu optimieren, eine Änderungssteuerung (54) zur Änderung mindestens eines Signals von zwei Steuersignalen während eines Zeitintervalls um eine Größe, die proportional ist ihrem Wert zum Beginn dieses Intervalls, Signalgeneratoren (58, 7o) für die beiden Steuersignale, wobei

109847/1668

_3,_ 21U785

die Rückführungsausgänge (55, 56, 57) des einen Generators ^: (58) an die logische Planungseinheit (52) geführt sind und ' ein anderer Ausgang (6o) mit einer logischen IPM-/LEPM-

j Untereinheit (62) verbunden ist, welche Servos über Inter-

i polationsoszxllatoren (24, 26, 28, 3o) steuert.

ί 2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

I Änderungssteuerung <5U) die folgenden Untereinheiten enthält: j ein erstes Register (8o, loo) mit einem numerischen Wert, P ! der eine Funktion eines der Steuersignale darstellt, ein mit ; dem Ausgang des ersten Registers (80-I00) verbundenes sowie j in einem Regelkreis mit einem'Subtrahierwerk (86-184·) und j einem Hullwertabtaster (88-126) liegendes Prozentsatzsteuerregister (84-lo2), wobei der Betrieb des Subtrahierwerks (8 6-124) von einer mit einer Zeitgebereinheit (82) und einer logischen Addier-/Subtrahierschaltung (92-118) verbundenen ; schrittweise arbeitenden Veränderungssteuerung O0-II6) ^; gesteuert wird, und die logische Addier-/Subtrahierschaltung ^ an die logische Planungseinheit (52), das erste Register (80-loo) sowie an die schrittweise arbeitende Veränderungssteuerung (9Ο-116) angeschlossen ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungssteuerung (54) die folgenden Unterbaugruppen enthält ein erstes Register (8o-loo-lo4) mit einem numerischen Wert, der entweder eines der beiden Steuersignale oder einen der j Grenzwerte (Drehmoment) darstellt, sowie ein mit dem ersten Register über ein Addierwerk (142-lo6-lo8) und einen Überlauf-

- 35 -

109842/1668

21U785

abtaster (146-114-12o) verbundenes Restregister (144, Ho, 112).

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anderungssteuerung (54B) eine logische Addier-Subtrahierschaltung (118-122) zwischen dem Oberlaufabtaster (114-12o) und dem ersten Register (Ioo-lo4) angeordnet ist, und daß die logische Addier-Subtrahierschaltung (118-122) auch mit der logischen Planungseinheit (52) verbunden ist.

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlaufabtaster (114) an die schrittweise arbeitende Änderungssteuerung (116) angeschlossen ist, die über eine Start-Stop-Steuerungseinrichtung (128) mit der Zeitgeberschaltung (82) verbunden ist.

6. Steuerung nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vor seiner Veränderung in das erste Register (Io4) eingegebene numerische Wert ein Drehmoment darstellt, daß der Ausgang des Registers (Io4) mit einer den Grenzwert empfangenden Vergleichschaltung (13o) verbunden ist, welcher das höchst zulässige Drehmoment darstellt, sowie daß der Ausgang der Vergleichschaltung (13o) an die Start-Stop-Steuereinrichtung (128) geführt ist, welche in der Schaltung des ersten Registers (loo) enthalten ist, das den numerischen Wert eines der Steuersignale darstellt.

: 7. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (Fig. 6) der Änderungssteuerung (54) im Hinblick

- 36 -

109842/1668

- 36 - 21U785 ;

auf die Änderung der beiden Steuersignale für die Werkzeugmaschine durch das Merkmal verbunden sind, daß der Überlaufabtaster (114) des einen Schaltungsteils im Hinblick auf das erste der beiden Signale mit dem Addierwerk (142) verbunden ist, das zwischen dem Restregister (144) und dem ersten Register (8o) des ersten Schaltungsteils im Hinblick auf das zweite der beiden Signale angeordnet ist.

8. Steuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wonach die Werkzeugmaschine eine Fräsmaschine ist, die beiden Steuersignale den Vorschub und die Drehzahl des Werkzeugs steuern, der eine numerische Wert die Drehzahl des Werkzeugs und der andere numerische Wert die Zerspanungskraft der Maschine darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal für den Vorschub der Maschine durch Multiplikation der numerischen Werte nach Anspruch 7 abgeleitet wird, daß das Addierwerk (Io6) des die Zerspanungskraft steuernden Schaltungsteils mit einem Additionsbefehlsoszillator (14o) verbunden ist, und schließ-

• lieh daß ein Ausgang des ersten, den numerischen Wert der Spindeldrehzahl speichernden Registers (8o) an einen Spindeldrehzahlgenerator (7o) geführt ist.

9. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die logische IPM-/LEPM-Schaltung (62) die folgenden Unterbaugruppen enthält: ein erstes mit dem Ausgang des Vorschubgeneratoi'S (58) verbundenes Quadrierregister (2oo), eine Anzahl von zweiten Quadrierregistern (2oo, 2o4, 2o6) ; welche jeweils die Impulsbefehlszüge für die Servos (26, 28, !

3o) der einzelnen Koordinatenachsen empfangen, ein an die

- 37 -

10984 2/1668

Ausgänge der zweiten Quadrierregister angeschlossenes Addierwerk (2o8), eine mit den Ausgängen des ersten Quadrierregisters (2oo) und des Addierwerks (2o8) verbundene Vergleichschaltung (212), und ein Additionsbefehlsgenerator (214), der zwischen den Ausgang der Vergleichschaltung (212) und einem die Befehlsimpulszüge für die Servos der Koordinatenachsen erzeugenden Regler (2H) angeordnet ist.

lo. Steuerung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Quadrierregister (2oo, 2o2, 2o4, 2o6) aus folgenden Unterbaugruppen besteht: einen mit einem Schieberegister (222) in Reihe geschalteten Impulszähler (2 2o) sowie einen zwischen den Eingang des Impulszählers (22o) und dem Ausgang des Schieberegisters (222) parallelgeschalteten Subtrahierwerk (224), wobei der Ausgang des Quadrierregisters mit dem Ausgang des Subtrahierwerks (224) identisch ist.

109842/1668

, 38 .

Leerseite