DE2114785B2 - Numerische werkzeugmaschinensteuerung - Google Patents
Numerische werkzeugmaschinensteuerungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine numerische Werkzeugmachinensteuerung mit einer Normaleingabeeinheit für
'rogrammdaten, einem Leitwerk zur Steuerung der Coordinatenservoantriebe und des Spindelantriebes der
Verkzeugmaschine und mit einer adaptiven Regelung, lie mit auf der Werkzeugmaschine angeordneten
?üh!crn zusammenarbeitet, und mit einer Hilfseingabeiinheit
zur Eingabe von Grenzwerten für Bearbeitungs- ;rößen verbunden ist und die ein im Hinblick auf
>ptimales Arbeiten der Werkzeugmaschine korrigiertes /orschubgeschwindigkeitssignal und Spindeldrehzahlsignal
an das Leitwerk abgibt, wobei die adaptive Regelung intern das Spindeldrehzahlsignal und ein
Zerspanungskraftsignal als unabhängige Parameter verwendet und eine MuhipKkatorschaltung aufweist, die
aus dem Spindeldrehzahlsignal und dem Zerspanungskraftsignal das Vorschubgeschwindigkeitssignal berechnet,
und wobei die adaptive Regelung eine Planungsschaltung aufweist, die bei Überschreiten zugeordneter
Grenzwerte für das Zerspanungskraftsignal und das Spindeldrehzahlsignal Steuersignale zur Änderung
derselben in entgegengesetztem Sinne bereitstellt.
Festprogrammierte numerische Werkzeugmaschinensteuerungen müssen beim Ansetzen der äußeren
Parameter, z. B. der Härte des zu bearbeitenden Werkstoffes oder der Schärfe des Werkzeugs, im
wesentlichen vom ungünstigsten Fall ausgehen. So muß Beispielsweise bei der Bestimmung des Vorschubs
davon ausgegangen werden, daß der zu bearbeitende Werkstoff das härteste Material ist, welches für das
Programm in Anwendung kommen kann. Wird das Programm für einen weicheren Werkstoff benutzt, so
könnten die Vorschübe erheblich über die programmierten Werte hinaus gesteigert werden. Umgekehrt
kann aber auch ein Werkstück ein gehärtetes Teil enthalten, dessen Härte die vom Programmierer
vorausgesetzten Härtegrenzen übersteigt, wodurch sich ein hoher Werkzeugverschleiß ergibt. Daher kann eine
derart gesteuerte Maschine häufig' nur mit einem erheblich geringeren Wirkungsgrad, gemessen an
verschiedenen Kriterien, z. B. der Abtraggeschwindigkeit des Spanungsvorgangs, betrieben werden als eine
handgesteuerte Maschine, deren Leistung durch die Bedienung erfaßt wird. Im letzteren Falle können
nämlich auch von Hand Faktoren, wie der Vorschub oder die Drehzahl des Schneidwerkzeuge, zur Optimierung
des Betriebes verändert werden.
Es gibt auch numerische Werkzeugmaschinensteue rungen, welche die zum Verspanungsvorgang gehörenden
Faktoren abtasten und adaptiv den programmierten Vorschub sowie die programmierte Spindeldrehzahl auf
den optimalen Wert abändern.
Eine numerische Werkzeugmaschinensteuerung der eingangs genannten Art ist aus der britischen Patentschrift
10 80 277 bekannt. Hier werden die Zerspanungskraft und die Spindeldrehzahl als unabhängige
Parameter bei der Auffindung des optimalen Arbeitspunktes verwendet; aus diesen Parametern wird durch
Multiplikation die Vorschubgeschwindigkeit berechnet. Hierbei findet ein Optimierungsrechner Verwendung.
Bei der aus der Zeitschrift »Control Engineering«, Nov. 64, Seiten 92 — 94 bekannten numerischen Werkzeugmaschinensteuerung
werden die vom Datenträger ausgelesenen Befehle für die Soll-Spindeldrehzahl und
die Soll-Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes gemäß den jeweils momentan angefundenen Arbeitsbedingungen
der Werkzeugmaschine optimiert: Hierzu werden bei einem bestimmten Arbeitspunkt kleine
Probeänderungen der Betriebsparameter vorgenommen; aus den sich hierbei ergebenden Änderungen der
für den Bearbeitungsvorgang charakteristischen Güteziffer wird durch Extrapolation ein neuer, weiter
entfernter Arbeitspunkt bestimmt. Abgesehen davon, daß auch hier ein programmierbarer, teurer Rechner
zum Aufsuchen des optimalen Arbpitspiinkies vorgesehen
werden muß, hat diese Anordnung den Nachteil, daß sie langsam auf Änderungen der Arbeitsbedingungen
anspricht, da vor einer wirklich spürbaren Änderung der Vorschubgeschwindigkeit und der Spin-
deldrehzahl zwei Testpunkte berechnet werden müssen.
Während dieser Rechnung läuft die Werkzeugmaschine unter ungünstigen Arbeitsbedingungen oder möglicherweise
sogar schlechteren Arbeitsbedingungen weiter. Zudem werden in der Nähe des Extremalpunktes
unnötig viele Testpunkte berechnet, ohne daß hierdurch eine entsprechend gute Regelung erhalten wird. Das
hier verwendete Gradientenverfahren arbeitet nämlich in der Nähe eines Extremalpunktes, wo die zu
untersuchende Fläche im wesentlichen horizontal ist, schlecht.
In der deutschen Offenlegungsschrift 18 03 742 ist
eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen worden, mit der die Regelung der Vorschubgeschwindigkeit, nicht
aber die Änderung zweier unabhängiger Parameter (Vorschubgeschwindigkeit und Spindeldrehzahl) möglich
ist.
Optimierungsverfahren für eine unabhängige Variable sind außerdem aus der Zeitschrift »Control
Engineering«, Sept. 68, Seiten 770 — 775, sowie aus der deutschen Auslegeschrift U 21 860 bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine numerische Werkzeugmaschinensteuerung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die bei geringstem Aufwand an hardware als Funktion der beiden
unabhängigen Parameter Zerspanungskraft und Spindeldrehzahl den optimalen Arbeitspunkt rasch auffindet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die adaptive Regelung einen Zerspanungskraftsignaländerungskreis
und einen hiervon unabhängigen Spindeldrehzahlsignaländerungskreis aufweist, die innerhalb
der Periode eines ihnen zugeordneten Taktgebers das vorliegende Zerspanungskraftsignal und
Spindeldrehzahlsignal um einen vorgegebenen Prozentsatz gemäß der ihnen von der Planungsschaltung
übermittelten Steuersignale erhöhen oder erniedrigen; und daß die zugleich mit dem von der Multiplikatorschaltung
berechneten Vorschubgeschwindigkeitssignal beaufschlagte Planungsschaltung zusätzlich auch dann
eine Änderung des Spindeldrehzahlsignales und des Zerspanungskraftsignales bewirkende Steuersignale bereitstellt,
wenn das berechnete Vorschubgeschwindigkeitssignal größer als ein vorgegebener Maximalwert
ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erläutert.
Dadurch, daß unabhängig voneinander arbeitende Signaländerungskreise vorgesehen sind und daß Zerspanungskraftsignal
und Spindeldrehzahlsignal unabhängig voneinander geändert werden, ist ein gefahrloses
Auffinden des gewünschten optimalen Arbeitspunktes gewährleistet. Der gesamte Schaltungsaufbau ist
äußerst einfach. Ein gesonderter, innerer oder äußerer Optimierungscomputer ist nicht erforderlich. Der
optimale Arbeitspunkt wird ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung ermittelt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung
näher erläutert; es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer numerischen Steuerung
für eine Fräsmaschine mit der erfindungsgemäßen adaptiven Regelung,
F i g. 2 ein Blockschaltbild des adaptiven Reglers,
F i g. 3 das Blockschaltbild der einen Teil des adaptiven Reglers bildenden Planungsschaliung,
Fig. 4 das Blockschaltbild der einen Teil des
adaptiven Reglers bildenden Steuerung für die Drehzahländerung,
F i g. 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,
F i g. 7 der einen Teil des adaptiven Reglers bildenden logischen 1PM-Schaltung,
F i g. 8 das Blockdiagramm eines den Teil der logischen I PM -Schaltung bildenden Quadrierregisters,
F i g. 9 ein Kurvenbild zur Darstellung der adaptiven Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand einer Fräsmaschine 10 mit dem durch die
Spindel 14 in Drehung versetzten Werkzeug 12 dargestellt. Die Fräsmaschine 10 bearbeitet das
Werkstück 16, dessen Stellung zum spanabhebenden Werkzeug 12 längs dreier zueinander senkrecht
stehender Achsen gesteuert werden soll.
Die Stellung des Werkstücks 16 wird durch numerische, in geeigneten Speichern, wie einem
Magnetband 18, gespeicherte Daten gesteuert. Ein Lese- oder Abtastkopf 20 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 Eingabeeinheit 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. Außerdem werden die Daten in geeigneten Speichern zur Verwendung durch
andere Baugruppen der Steuerungen gespeichert. Die in der Teil- oder Untereinheit 22 gespeicherten Daten
gelangen an das Leitwerk 24, das, durch die Eingabedaten gesteuert, für jede stellungsgesteuerte Achse der
Maschine eine Impulsfolge erzeugt. Diese Impulsfolgen enthalten Impulszahlen, die proportional zum Weg sind,
über welchen das Werkstück 16 relativ zum Werkzeug 12 längs einer jeden Steuerachse bewegt werden soll.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Steuerung über drei zueinander senkrecht
stehende Achsen; dementsprechend gibt das Leitwerk 24 drei Ausgangsimpulsfolgen an den Servo 26 der
X-Achse, den Servo 28 der V-Achse und den Servo 30 der Z-Achse ab. Die Servos bewirken eine Bewegung
des Werkstücks relativ zum Werkzeug über einen Längen- bzw. Wegschritt, z. B. über 2,54 μ für jeden
empfangenen Impuls.
Vorher wurde das Magnetband 18 durch einen Programmierer unter Verwendung eines Computers mil
einer Anzahl von Befehlssignalen kodiert, welche bewirken, daß die Steuerung das Werkstück entlang
einer entsprechenden Kontur- oder Umrißlinie bewegt. Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist ein<
herkömmliche numerische Steuerung zum Nachformen Zusätzlich zu dieser herkömmlichen Maschinenteile
rung, bei welcher im allgemeinen die Drehzahl de Werkzeugs 12 und die Geschwindigkeit, mit welcher de
Regler 24 seine Ausgangsimpulszüge erzeugt, gesteucr werden, werden nun die beiden Größen in Abhängigke
von Rückmeldesignalen aus dem Bcarbeitungsvorgan sowie von vorgegebenen Grenzwerten geregelt. Dies
Regel- bzw. Stcucrfunktionen werden durch di adaptive Regelung 32 ausgeführt. Vor Beginn d(
Bearbeitungsvorganges empfängt der Regler über de Lesekopf 20 und die Leitung 36 Daten bezüglich di
Bearbeitungsvorganges sowohl von der Handeingab einheil 34 für den Grenzwert als auch vom Magnetbat
18 oder auch nur von einer der beiden Quellen. Währci
des Betriebs der Maschine, d. h. während des Bearbeitungsvorganges,
empfängt die adaptive Regelung 32 Signale von den zur Maschine gehörenden Fühlern oder
Abtastern 38. Diese Signale bestehen aus dem über die Leitung 40 laufenden Wert für das Drehmoment sowie
aus dem über die Leitung 42 laufenden Wert für Schwingungen. Die adaptive Regelung 32 empfängt
auch über die Leitungen 64, 66 und 68 die gleichen drei Signale, welche durch das Leitwerk 24 an die Servos 26,
28 und 30 für die X-, Y-, und Z-Achse abgegeben werden. Aufgrund der Grenzwerte und der Werte der
von den Fühlern 38 und dem Leitwerk 24 abgegebenen Signale erzeugt die adaptive Regelung 32 Befehlssignale
für die Spindeldrehzahl, die über die Leitung 44 an die Spindel 14 gelangen, und Vorschubbefehle, die über die
Leitung 46 an das Leitwerk 24 gelangen. Diese während des Bearbeitungsvorgangs regelmäßig nachgestellten
Signale steuern die Drehzahl bzw. Drehgeschwindigkeit der Spindel sowie die Erzeugungsgeschwindigkeit der
Ausgangssignale des Leitwerks 24 und damit die Vorschubgeschwindigkeit der Werkstücks 16 gegenüber
dem Werkzeug 12. Die Änderungen erfolgen so, daß Vorschub und Spindeldrehzahl im Rahmen der für
das System geltenden Grenzwerte optimiert werden.
Der innere Aufbau der adaptiven Regelung 32 ist in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellt. Ihre verschiedenen
Teil- oder Unterbaugruppen und Einheiten werden nachstehend im Hinblick auf ihre Funktion beschrieben.
Vor dem Beginn des Betriebs der Maschine werden verschiedene Grenzwerte in den Grenzwertspeicher 50
über die Leitungen 36 von der Handeingabeeinheit 34 oder dem Magnetband 18 oder auch von beiden Quellen
eingegeben. Der Grenzwertspeicher 50 dient lediglich zur Speicherung dieser Grenzwertsignale, so daß diese
während des Betriebs der Maschine bzw. während eines Bearbeitungsvorgangs der Gesamteinrichtung zur Verfügung
stehen.
Diese Signale werden an die Untereinheit »Planungsschaltung« 52 abgegeben. Diese Einheit empfängt auch
über die Leitungen 40 und 42 die Rückmeldesignale 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 Regelung 32 bildet und nachstehend im
einzelnen beschrieben wird. Aufgrund der Grenzwerte,
der Rückmeldesignalc und der Sollwcrtsignalc bestimmt
die logische Planungsschaltung im weiteren Sinne die für eine Änderung der Spindcldrchzahl und
des Vorschubs einzuhaltende Planung, um eine Optimierung des Bcarbcilungsvorganges zu erreichen. Wie
nachstehend im cin/.clncn 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 besteht ein Luftspalt und keine Überschreitung
der Grenzwerte. Das Werkzeug steht nicht in Berührung mit dem Werkstück; 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 Gren/wcrk· und kein
Luftspalt. Das Werkzeug steht in Berührung mit dem Werkstück, und die (Iren/werte werden nicht
überschritten. Dementsprechend müssen die Signale sowohl für die Zerspanungskraft als auch die
Spindeldrehzahl erhöht werden.
3. Überschreitung der Grenzwerte. Die Steuersignale ■3 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 Planungsschaltung 52 steuert den Signalände-Ki rungskreis 54. Dieser 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
3. Überschreitung der Grenzwerte. Die Steuersignale ■3 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 Planungsschaltung 52 steuert den Signalände-Ki rungskreis 54. Dieser 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 Drehmomentsteuerstgnal an den
Eingang des Signaländerungskreises 54, welcher dieses Signal zur Festlegung der genauen Einzel-
-1Ii planung für die Änderung der Arbeitsspeicher
verwendet. Ganz allgemein, ändert der Kreis 54 die Spindeldrehzahl stets um einen festen Prozentsatz
des Inhalts des Spindeldrehzahlarbeitsspeichers während einer jeden Abtastperiode. Die Zerspa-2-3
nungskraft wird um feste Prozentsätze geändert,
solange keine Grenzwerte überschritten werden; wenn der Grenzwert für das Drehmoment
überschritten wird, dann wird der Vorgang der stufenweisen Erhöhung beendet.
in Der nachstehend im einzelnen beschriebene Vorschubgenerator
58 enthält den Spindeldrehzahl· und Zerspanungskraft-Arbeitsspeicher, multipliziert im wesentlichen
die in diesen Speichern enthaltenen Faktoren und bildet einen Impuls, dessen Frequenz proportional
dem Produkt der beiden Faktoren ist. Dieser Befehl gelangt über die Leitung 60 an die Untereinheit 62, die
»logische IPM-Schaltung« oder »LEPM-Schaliung«
genannt wird. (IPM = inches/Zoll pro Minute LEPM = Längeneinheit pro Minute, z. B. cm/min).
•ίο 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 Teilbewegungen ergibt, welche beim bevorzugten Ausführungsbei-I) spiel durch die drei gesteuerten Achsen dargestellt werden, müssen die Intervall- oder lnterpolationsosz.il latoren durch Servos gesteuert werden, um sicherzustellen, daß sich die durch die drei einzelnen Bcwegungsbe fehle gegebene resultierende Bewegung auf den >» erforderlichen logischen Pegel befindet. Somit cnip fängt die logische IPM-LEPM-Schaltung 62 auf dei Leitung 60 das Vorschub-Steuersignal vom Vorschub generator sowie auf den Leitungen 64, 66 und 68 die durch den Intcrpolationsos/.illator 24 erzeugten Bc ■ fchlsimpulse folgen der Λ'-, V- und Z-Achse. Aufgrünt dieser Signale gibt die Einheit 62 ein Signal an dk Leitung 46 ab, welches die Arbeitsgeschwindigkeit dci Intcrpolationsoszillatoren im Leitwerk 24 steuert.
•ίο 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 Teilbewegungen ergibt, welche beim bevorzugten Ausführungsbei-I) spiel durch die drei gesteuerten Achsen dargestellt werden, müssen die Intervall- oder lnterpolationsosz.il latoren durch Servos gesteuert werden, um sicherzustellen, daß sich die durch die drei einzelnen Bcwegungsbe fehle gegebene resultierende Bewegung auf den >» erforderlichen logischen Pegel befindet. Somit cnip fängt die logische IPM-LEPM-Schaltung 62 auf dei Leitung 60 das Vorschub-Steuersignal vom Vorschub generator sowie auf den Leitungen 64, 66 und 68 die durch den Intcrpolationsos/.illator 24 erzeugten Bc ■ fchlsimpulse folgen der Λ'-, V- und Z-Achse. Aufgrünt dieser Signale gibt die Einheit 62 ein Signal an dk Leitung 46 ab, welches die Arbeitsgeschwindigkeit dci Intcrpolationsoszillatoren im Leitwerk 24 steuert.
Der Inhalt des im Vorschubgencrator 58 angeordne
in ten Spindeldrchzühl-Arbeitsspeichers 80 gelangt an der
Spindcldrehzahlgcncrator 70, der einen Digital-Ana
logumsetzer darstellt und eine Spannung erzeugt, derer
Amplitude proportional zum Signal für die Drehzahl ist das der Spindel über die Leitung 44 eingespeist wird um
·■'' /in Steuerung der Spindeidichzahl dient.
Nach der allgemeinen Beschreibung der Einrichtung und insbesondere der Funktionsweise des Signaländc
rungskreises 54 wird ti;is Gesamtsystem nachstehen!
der Reihenfolge nach anhand seiner Teilbaugruppen im einzelnen erläutert.
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) höchstzulässiges Drehmoment (Γ-max),
2) höchstzulässige Schwingung (A-max),
3) höchstzulässige Zerspanungskraft ('/'-max),
4) höchstzulässige Spindeldrehzahl f V-max),
5) höchstzulässiger Vorschub fF-max),
6) Mir.dest-Zerspanungskraft (/"-min),
7) Mindest-Spindeldrehzahl f V-min),
8) Stoßzerspanungskraft ('/"-impact).
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese Werte in dekadischer Form von
Eingangsschaltern aus in die Maschine eingegeben; der Grenzwertspeicher 50 setzt diese dekadischen Werte in
herkömmlicher Weise in binäre Form zur Verwendung durch die Maschine um.
Fig.3 zeigt die logische Planungsschaltung 52, ihre
Eingänge und die verschiedenen Arten bzw. Klassen ihrer Ausgänge. Außer den Eingängen für die acht
Grenzwerte werden in der Planungsschaltung 52 noch die Rückmeldeeingänge und die drei Eingänge vom
Vorschubgenerator 58, sowie ein Signal für das minimale Drehmoment (T-min) vorgegeben, wenn sie
mit der Maschine 10 gekoppelt ist und normalerweise nicht verändert wird.
Werden keine Grenzwertüberschreitungen abgetastet, so gibt die logische Planungsschaltung 52 zwei
Signale an den Signaländerungskreis 54 ab und befiehlt dieser, die Werte für die Zerspanungskraft und die
Spindeldrehzahl zu erhöhen.
Wenn der Grenzwert für /"-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 den Signaländerungskreis 54 Signale abgegeben, die eine
Erhöhung der Spindeldrehzahl, jedoch nicht der Zerspanungskraft befehlen. Wenn V-max (höchst
zulässige Spindeldrehzahl) die einzige Grenzwertüberschreitung darstellt, dann wird die Spindeldrehzahl
nicht, jedoch die Zerspanungskraft erhöht.
Liegt eine Überschreitung des Drehmoment-Grenzwertes und keine Überschreitung von F-min (Mindest-Zerspanungsknjft)
vor, so gelangt ein Signal an den Signaländerungskreis 54, das die Zerspanungskraft
herabsetzt. Sind die Grenzwerte für die Schwingung oder den Vorschub überschritten, nicht aber für die
Mindestspindcldrehzahl, so erzeugt die Planungsschaltung 52 ein Signal, welches eine verringerte Spindeldrehzahl
bewirkt.
Es ist zu beachten, daß aufgrund dieser Bedingungen /"-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 Spindcldrch/.ahl bewirken.
Eine dritte Klasse von Signalen wird von de Planungsschaltung erzeugt, wenn Γ-actual (lst-Drehmo
ment) unter Γ-min abfällt und damit anzeigt, dal zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück eil
Luftspalt vorhanden ist. In diesem Falle wird de Zustand des Spankraft- und Spindeldrehzahlarbeitsspei
chers sofort auf /"-impact und V-min umgestellt, womi
ein Vorschubbefehl bei der höchsten Geschwindigkei gegeben ist, mit welcher das Werkstück im freien Raun
an das Werkzeug herangefahren werden kann.
Die Korrekturen, welche die Steuerung bei Über schreitung der verschiedenen Grenzwerte auslöst unc
die Auswirkung dieser Korrekturen auf die Funktior des Werkstücks sind in der folgenden Tabelle
zusammengefaßt:
Über | Korrektur | Ergebnis |
schreitung | ||
Γ-max | Verringert | Begrenzt Werkzeug |
Zerspanungs | auslenkung; verhindert | |
kraft | weitgehend Werkzeug- | |
bruch; erhöht Lebens | ||
dauer des Werkzeugs | ||
/4-max | Ändert | Begrenzt Werkzeug |
Spindel- | rattern; steuert Ober | |
drchzahl | flächenbehandlung; | |
erhöht Werkzeug | ||
lebensdauer | ||
/"-max | Verhindert | Begrenzt Vorschub |
weitere Erhö | zwecks geringem Dreh | |
hung der | moment oder Endbear | |
Zerspanungs | beitungen; steuert die | |
krart | Oberflächenbearbeitung | |
/:ni in | Verhindert | Einstellung für mini |
weitere Her | male Zerspangeschwin | |
absetzung der | digkeit und Verhinde | |
Zerspanungs- | rung von Unterlauf | |
kraft | ||
/•"-max | Herabsetzung | Begrenzt die Vorschübe |
des Vor | auf für die Schlittcn- | |
schubs und | anlricbc höchst zuläs | |
der Spindcl- | sigen Werte; verbessert | |
drchzahl | Lebensdauer des Werk | |
zeugs | ||
I-min | Verhindert | Verhindert schlechte |
weitere Her | Oberflächenbehandlung | |
absetzung eier | und schützt den Spin- | |
Spindel- | delmotor | |
(lrelvahl | ||
I'-max | Verhindert | Verhindert übermäßige |
weitere Erhö | VerschlciUgcsch windig | |
hung tier | keit des Werkzeugs und | |
Spindel | Verhärtung des Werk | |
drehzahl | stücks | |
/'-min | Stellt den | Scl/.t nicht program |
Vorschub aiii' | mierte Totzeiten im | |
Sloß/erspa- | Ire ic η Raum heran | |
nimgs kraft | ||
(/-impact) ein |
Der Signiiliinderungskreis 54 isl schemalisch in den
!·" i g. 4 und 5 dargestellt und besteht aus zwei Teilen: 54;) (Fig. 4) sorgt für die Steuerung der Spindcldrchzahl
und 546 (Fig.5) sorgt für die Steuerung der
Zerspanungskraft. Beide Teile empfangen die Ausgangssignale der logischen Planungsschaltung 52 der
F i g. 3 und werden von diesen Signalen gesteuert, um den Inhalt des Spindeldrehzahl- und des Zerspanungskraft-Arbeitsregisters
zu ändern, die beide im Vorschubgenerator 58 angeordnet sind, jedoch aus Gründen der
eindeutigen Beschreibung in den F i g. 4 und 5 als Teil des Signaländerungskreises gezeigt sind.
Der Signaländerungskreis 54a für die Spindeldrehzahl dient zur Erhöhung oder Verringerung des Inhalts des
Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 80, wobei diese Änderung von Signalen der Planungsschaltung 52 gesteuert
wird. Der Arbeitsspeicher 80 kann eine magnetostriktive Verzögerungsstrecke oder ein Flip-Flop-Schieberegister
sein. Von den Signalen des Taktgebers 82 gesteuert, erfolgt die Änderung des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 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 Tatsache bedingt, daß das Werkzeug außer seinen
beiden Spanwinkeln 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
Ausführungsbeispiel der Erfindung dauert diese Abtastperiode ca. 100 Mikrosekunden.
Während einer jeden Abtastperiode wird der Inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 80 um etwa 1,6%
verändert. Der Speicher ist ein Binärregister mit einer Länge von zehn Bits. Er kann so jede Zahl bis 1023
aufnehmen. Der Vorgang der Änderung des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers erfordert zuerst die Eingabe
des Inhalts des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 80 in das Hilfsregister 84 für den Prozentsatz der Spindeldrehzahl,
dessen Länge ebenfalls 10 Bits beträgt. Das Prozentsatz-Hilfsregister 84 ist eine Umlaufverzögerungsstrecke,
welche ihren Inhalt über das Subtrahierwerk 86 und den Nullwertabtaster 88 ständig umlaufen
läßt. Der Ausgang des Nullwertabtasters wird zum Prozentsatz-Hilfsregister 84 zurückgeführt. Um den
inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers um 1,6% zu verändern, wird der Inhalt des Prozentsatz-Hilfsrcgisters
84, der zunächst gleich ist dem Inhalt des Spindcldrehzahl-Arbeitsspeichers 80, über das Subtrahierwerk
86 und den Nullwertabtaster 88 in Umlauf gesetzt; 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 Register anfänglich alle Einer enthalten hat, so würden 69 Subtraktionen erforderlich sein, um den
Inhalt des Prozentsatz-Hilfsrcgistcrs auf Null zu bringen. Wenn der Inhalt kleiner ist, so sind weniger
Umlaufsubtraktionen erforderlich. Der Zustand aller Nullen wird durch den Nullwertabtaslcr 88 abgetastet.
Gleichzeitig mit jeder Subtraktion vom Prozentsatz-Hilfsregister 84 wird die Zahl I entweder zur letzten
Stelle des Spindcldrchzahl-Arbcitsspcichcrs 80 addiert oder von ihr subtrahiert, je nachdem, ob die
Spindcldrehzahl erhöht oder verringert werden soll. Dieser Vorgang wird von der Slcuerstufc 90 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 86
überträgt. Gesteuert von Signalen der Planungsschaltung 52 für eine stufenweise Erhöhung oder Verminderung,
addiert das Addier-/Subtrahierwerk 92 zum Spindeldrehzahl-Arbeitsspeicher 80 einen Impuls oder
subtrahiert diesen von ihm. Dieses Änderungsverfahren
ίο wird unterbrochen, wenn der Nullwertabtaster 88
mitteilt, daß das Prozentsatz-Hilfsregister 84 vollkommen leer ist. Jetzt wurde der Inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers
um 1,6% verändert.
Erhöhungen des Inhalts des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 werden von dem Signaländerungskreis
54b gesteuert und erfolgen in einer anderen und komplizierteren Weise als die Änderungen des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers
80. Da die Zerspanungskraft im allgemeinen linear auf das Drehmoment bezogen ist, werden 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
Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers begrenzt, wobei ein ähnliches Verfahren zur Steuerung des Prozentsatzes
verwendet wird wie bei der Spindeldrehzahl. So wird in
jo 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; der volle Schritt auf 3,2% wird nicht ausgeführt.
Wenn die Planungsschaltung 52 eine Verringerung der Zerspanungskraft verlangt, dann bleibt die Prozentsatz-Steuerung
außer Betrieb, und eine proportionale
■ίο Verringerung der Zerspanungskraft erfolgt während
der nächsten Abtastperiode.
Während der Erhöhung oder Verringerung des Inhalts des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 wird
ein Drehmomentregister ebenso in linearer Weise
■45 verändert, um die Drehmomentänderungen intern
festzustellen und ohne Abhängigkeit von dem etwas verzögerten Steuersignal für das Drehmoment.
Am Beginn der Abtastperiode wird der Inhalt des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 in das Hilfsregister
102 zur Steuerung des Zerspanungskraftprozentsatzes eingegeben, und die Zahl bzw. das Signal für das
Ist-Drehmoment wird in das Eingangsregister 104 für das Drehmoment i eingegeben. Alle drei Einheiten
bilden Umlaufschicberegister.
Der Inhalt des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 läuft regelmäßig durch das Addierwerk 106, ebenso
wie der Inhalt des Umlaufregisters 110 für die Zerspanungskraft R. Der Inhalt des Registers 104 für
das Drehmoment / läuft durch das Addierwerk 108
Wi zusammen mit dem Inhalt des /MJmlaufregisters 112 für
das Drehmoment A. Durch das Addierwerk 106 wird der Inhalt des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100
regelmäßig zum Register 110 für clic Zerspanungskraft A addiert. F.bcnso wird durch das Addierwerk 108 der
(V. Inhalt des /-Registers 104 für das Drehmoment A
regelmäßig zum R-Register 112 für das Drehmoment X
addiert.
Die Strecke, über welche das Ausgangssignal des
Die Strecke, über welche das Ausgangssignal des
\ddierwerks 106 zum ß-Register 110 für die Zerspamngskraft
X zurückgeführt A-ird läuft durch den Überlaufabtaster 114, der den Überlauf der höchsten
Stelle des /^-Registers 110 abtastet. Wann immer ein
Überlauf austritt, wird der Zerspanungskraft-Überlaufspeicher 100 um die Zählung 1 erhöht oder verringert.
Dies wird durch die Steuerstufe 116 für die stufenweise Veränderung der Zerspanungskrafi besorgt, welche das
Ausgangssignal des Überlaufabtasters 114 empfängt und einen Impuls an das Addier-Subtrahierwerk 118
abgibt. Dort liegen Eingangssignale von der Planungsschaltung 52 an, die anzeigen, ob der Zerspanungskraftarbeilsspeicher
erhöht oder verringert werden soll und dementsprechend eine Eins zum Zerspanungskraft-Arbeitsspeicher
addiert bzw. von ihm subtrahiert wird.
Ebenso durchläuft das Ausgangssignal des Addierwerks 108 den Überlaufabtaster 120, ehe es zum
/^-Register 112 für das Drehmoment X zurückgeführt wird. Somit wird der Überlauf des Drehmoment-R-Registers
abgetastet und zur Erhöhung oder Verringerung des /-Registers 104 für das Drehmoment X verwendet,
wobei die Steuerung dieses Vorgangs durch das Addier-/Subtrahierwerk 122 durchgeführt wird, welche
von der Planungsschaltung 52 die Signale zur Erhöhung oder Verringerung der Zerspanungskraft erhält. Wenn
die Zerspanungskraft erhöht werden soll, so wird eine Eins zum /-Register 104 für das Drehmoment X
jedesmal dann addiert, wenn ein Überlauf durch den Abtaster 120 erkannt wird; ebenso wird eine Eins vom
/-Register 104 für das Drehmoment X beim Auftreten von Überlauf abgezogen, wenn das Zerspanungskraltregister
verringert werden soll. Durch dieses Verfahren werden der Inhalt des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers
100 und des /-Registers 104 für das Drehmoment X mit Geschwindigkeiten verändert, die ihrem Inhalt
proportional sind. Mit dieser Linearinterpolation 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 Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers
beschränkt. Dieser Vorgang wird vom Hilfsregister 102 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 Steuerstufe 116 für die Zerspanungskraft eine Änderung des
Zerspanungskraft-Ärbeitsspeichers 100 bewirkt, so wird ein Impuls an das Subtrahierwerk 124 abgegeben,
welches einen Impuls von der sechsthöchsten Stelle des 10 Bit umfassenden HiKsregisters 102 für den Zerspanungskraft-Prozentsatz
subtrahiert. Somit fällt nach 32 Subtraktionsvorgängen der Inhalt des Hilfsregisters 102
für den Zerspanungskraftprozentsatz auf Null ab; dieser Zustand wird durch den Nullwertabtaster 126 abgegriffen,
der seinerseits ein Signal an die Start-Stop-Steuerung 128 abgibt, wodurch eine weitere Änderung des
Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 während dieser Abtastperiode unterbunden wird. Zum Beginn der
nächsten Abtastperiode gelangt ein Impuls vom Taktgeber 82 an die Start-Stop-Steuerung 128 und löst
einen weiteren Arbeitszyklus für die stufenweise Erhöhung oder Verringerung aus.
Der Wert des /-Registers 104 für das Drehmoment X wird dauernd mit dem Wert von 7-max (höchst
zulässiges Drehmoment) durch die Vergleichsschaltung 130 verglichen. Wenn der Inhalt des /-Registers 104 für
das Drehmoment A' Γ-max. während eines Erhöhungszyklus erreicht wird, so wird von der Vergleichsschaltung
130 ein Signal an die Start-Stop-Steuerung 128 abgegeben und unterbindet eine weitere Erhöhung
während dieses Zyklus. Ebenso, wenn der Zerspanungs-Arbeitsspeicher 100 während einer Abtastperiode
verringert wird und Γ-max. erreicht ist, wird eine weitere Verringerung fortgesetzt.
Bisher beschränkte sich die Beschreibung auf den Teil der Anlage, der den Inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers
80 und des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers 100 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.
Die Hauptaufgabe des in F i g. 6 als Blockschaltbild
dargestellten Vorschubgenerators 58 besteht in der Erzeugung von Signalen für den wirklichen Vorschub
und die wirkliche Spinaeidrehzahl. Da die Zerspanungskraft als Vorschub pro Umdrehung definiert wird, ist der
Vorschub das Prciukt aus Zerspanungskraft und Spindeldrehzahl. Somit multipliziert der Vorschubgenerator
58 die Zerspanungskraft mit der Spindeldrehzahl zur Ableitung eines Vorschubsignals. Dies wird durch
Interpolation des Inhalts des Zerspanungskraftregisters nach Art eines Differentialanalysators erreicht, so daß
eine Impulsfolge gewonnen wird, deren Frequenz proportional zum Inhalt des Registers ist. Die Impulse
dieser Folge dienen als Additionsbefehle für die Interpolation des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers, so
daß der Überlauf vom Differentialanalysatorverfahren für die Spindeldrehzahl mit einer Geschwindigkeit
auftritt, die proportional ist dem Produkt des Inhalts des Zerspanungskraft- und des Spindeldrehzahl-Arbeitsregisters.
Das Zerspanungskraft-Arbeitsregister 100 und der Überlaufabtaster 114, die in Fig. 5 als Teil der
Proportionalregelung der Zerspanungskraft dargestellt wurden, sind auch in F i g. 6 gezeigt. Der Hilfs-Oszillator
140 für den Additionsbefehl der Zerspanungskraft gibt Impulse an das Addierwerk 106 ab, welche bewirken,
daß der Inhalt des Arbeitsspeichers 100 für die Zerspanungskraft zum /?-Register 110 für die Zerspanungskraft
X hinzu addiert wird. Diese Additionsbefehle dienen auch zur Proportionalregelung der Zerspanungskraft
des Signaländerungskreises 54. Der Überlauf aus diesen Additionen wird vom Überlauf-Abtaster 114
abgegriffen, wobei dieser einen Ausgangsimpuh; immer
dann abgibt, wenn ein Überlauf auftritt. Somit e:rfolgen diese Überläufe mit einer Geschwindigkeit, die proportional
ist dem Produkt aus dem Inhalt des Zerspanungskraft-Arbeitsspeichers
und dem durch die Ausgangsgeschwindigkeit des Oszillators 140 für den Additionsbefehl
der Zerspanungskraft dargestellten konstanten Wert.
Diese Impulsfolge gelangt vom Überlaufabtaster 114
an das zweite Addierwerk 142, welches dauernd die Umlaufdaten, d.h. den Inhalt des Spindeldrehzahl-Aibeitsspeichers
80 empfängt. Bei Empfang eines jeden Impulses vom Überlaufabtaster 114 addiert das
Addierwerk 142 den Inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 80 zum R-Register 144 für die Spindeldrehbar!!
X, das sich ebenfalls über das Addierwerk 142
in ständigem Umlauf befindet. Der Überlauf des R-Registers 144/? wird durch den Abtaster 146
abgegriffen, der jedesmal dann einen Ausgangsimpuls abgibt, wenn ein Überlauf auftritt. Somit ist das
Ausgangssignal des Überlaufabtasters 146 eine Impuls-
folge, die sowohl dem Inhalt des Zerspanungskralt-Arseitsspeichers
100 als auch des Spindeldrehzahl-Araeitsspeichers
80 pn.pc. lional ist und damit auch proportional dem Produkt der beiden. Dieses auf der
Leitung 60 erscheinende Ausgangssignal gelangt auch an den Impuis-Digital-Umsctzer 148, dessen Ausgangssignal
an die logische Planungsschaltung 52 übertragen wird. Dieses Eingangssignal der Planungsschaltung 52
stellt das wirkliche Vorschubsignal dar.
F.benso gelangt der Inhalt des Zerspanungskraft-Ar- ■<>
beitsspeichers 100 und des Spindeldreh/ahl-Arbeiisspeichers
80 an die Planungsschahung. Der Inhalt des Spindeldrehzahl-Arbeitsspeichers 80 wird auch an den
Spindeldrehzahlgenerator 70 übertragen, der ein Digital-Analog-Umsetzer ist und die entsprechende Regel- ■■;
spannung über die Leitung 44 an die Spindel übertragt.
Die resultierende Momentangeschwindigkeit des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück ist gleich der
Quadratwurzel der Summe der Quadrate der drei Teügeschwindigkeiten längs der drei aufeinander Ju
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 lstgesehwindig- j~>
keiten der drei gesteuerten Achsen proportional sind den Frequenzen der durch das Leitwerk 24 an die
Servos 26, 28 und 30 für die A-. Y- und Z-Aehse
abgegebenen Impulsfolgen, erfolgt die resultierende Bewegung des Werkzeugs mit der befohlenen Ge- w
schwindigkeit, 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 Impulsfolgen.
Mit anderen Worten kann diese Gleichheit wie folgt Γι
ausgedrückt werden: Das Quadrat der Frequenz der auf der Leitung 60 liegenden Impulsfolge muß gleich sein
der Summe der Quadrate der Frequenzen der auf den Leitungen 64, 66 und 68 erscheinenden Impulsfolgen,
damit die Ist-Bewegung mit der Soll-Geschwindigkeit -■
verläuft. Die IPM-ZLEPM-Schaltung empfängt die
Impulsfolgen aus den Leitungen 60, 64, 66 und 68 und gibt über die Leitung 46 ein Ausgangssignal an das
Leitwerk 24 ab, welches die Erzeugungsgeschwindigkeit der Befehlsimpulsfolgen für die X-. Y- und Z-Achse -■
ändert, um so den Gleichheitszusland aufrechtzuerhalten.
Ein Blockschaltbild der logischen IPM-/LEPM-Schaltung
62 ist in F i g. 7 dargestellt. Die Impulsfolge auf der Leitung 60 gelangt an das Quadrierregister 200. welches '■
eine Reihe von Binärzahlen erzeugt, deren Summe gleich ist dem Quadrat der empfangenen Impulszahl.
Die Funktion dieser Einrichtung wird nachstehend an Hand der F i g. 8 beschrieben. Die drei Befehlsimpulsfolgen
für die A'-. Y- und Z-Achse gelangen über die <·.
Leitungen 64, 66 und 68 an die drei weiteren Quadrierregister 202, 204 und 206. Die durch die
Register 202, 204 und 206 erzeugten Zahlen werden gleichzeitig dem Addierwerk 208 eingespeist, dessen
Ausgangssignal an die Vergleichsschaltung 212 übertra- -<·
gen wird, in welcher sie von den durch das Quadrierregister 200 gelieferten Zahlen abgezogen
wird. Solange die A.usgangssignale des Registers 200
größer sind als die Ausgangssignale des Addierwerks 208, gelangen Ansteuerungssignale an den Additionsbe- f"<
fehlsgenerator 214. der Impulse an das Leitwerk 24 abgibt und damit die Erzeugung von Befehlsimpulsen
für die .V-. V- und Z-Achse bewirkt.
Wie bereits vorstehend bemerkt, wird beim besor-.'.ugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Prinzip des Differentialanalysators gearbeitet: die
Ausgangssignale des Generators 214 'teilen Additionsbefehle dar, welche den Regler den Inhalt det drei
/Register zum Inhalt ihrer entsprechenden R- Register hinzuaddieren lassen. Wenn nun das Integral der
Ausgänge des Addierwerks 208 gleich ist dem Integral
der Ausgänge des Quadrierregisters 200, dann überträgt die Vergleichsschaltung 212 ein Signal an den
Additionsbefehlsgenerator 214, wodurch die Erzeugung aller Additionsbefehle beendet wird. In dieser Weise
gibt der Additionsbefehlsgenerator so lange Ausgangsimpulse ab, bis das Quadrierregister 200 über die
Leitung 60 genügend weitere Impulse empfangen hat, so daß seine Ausgangssignale größer sind als die des
Addierwerks 208. In der Art eines Regelkreises 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 200, 202, 204 und 206 voll aufgefüllt. Wenn dieser
Zustand abgetastet wird, werden aile 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 klein halten, indem die Register vergrößert werden.
Der innere Aufbau des Quadrierregisters 200, der mit dem der Quadrierregister 202, 204 und 206 identisch ist.
ist in F i 3. 8 gezeigt. Die auf der Leitung 60 laufenden Impulse werden dem Impulszähler 220 eingespeist.
Nach der Addition eines jeden Impulses wird gleichzeitig der Inhalt dieses Zählers durch das Schieberegister
222 um eine Bitstelle nach links verschoben (im Ergebnis wird die im Impulszähler 220 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 Vergleichsschaltung 212 gelangen.
Das Integral der der Vergleichsschaltung 212 eingespeisten Zchlen ist gleich n2. nachdem η Impulse auf der
Leitung 60 erscheinen, im Endergebnis addiert diese Einrichtung die Größe (2n-l) zum Inhalt der
Vergleichsschaltung 212 für jeden empfangenen Impuls, wobei π die Zählung dieses Impulses darstellt. Wie
nachstehend gezeigt, hat der Inhalt des Registers 212 den Wert von n2.
η (/ahler 22Ol
(2 κ 1)
0 0
1 1 0 * 1 1
: 3 1 - 3 4
5 4 + 5 ■■ 9
4 " 9-716
5 9 16 - 9 -■■ 25
Der mathematische Ausdruck für den vorstehenc durchgeführten Vorgang ist
A = Y Cn- II.
Dies ist eine arithmetische Reihe. Wenuet man die Formel für die.Summe dieser Reihe an, so erhall man
Anzahl der Glieder
Summe = Ί
Summe = Ί
(erstes Glied I letztes Ci
Hier ist das erste Glied = I und das letzte Glied = 2n— 1 wobei substituiert wird:
A = " (I f 2/1- 1) = ir.
F ig. 9 zeigt eine charakteristische Arbeitsweise der
adaptiven Steuerung bei der Optimierung der Werkzeugmaschinenfunktion. Die Spindeldrehzahl ist als
Abszisse aufgetragen und die Zerspanungskraft als Ordinate, wobei die Minimal- und Maximalwerte der
Spindeldrehzahl und der Zerspanungskraft eine Fläche umschreiben, innerhalb welcher die Maschine arbeitet.
Die Kurve für das Maximaldrehmomen, erstreckt sich in gewissem Sinne parallel zur maximalen Zerspanungskraft.
!n Abhängigkeit von verschiedenen anderen Faktoren kann sie entweder über oder unter diesel
verlaufen. In F i g. 9 ist sie als gestrichelte Liniv
unterhalb von /'-max dargestellt, wodurch der Arbeitsbereich der Anlage weiter eingeschränkt wird. Ebensc
kann auch /'-max, welcher sich als Funktion von sowoh der Zerspanungskraft als auch der Spindeldreh2ah
ändert, den Bereich der Maschinenfunktion einengen.
Wie durch die ausgezogene Linie in F i g. 9 gezeigt erhöhen sich anfänglich unter der Prozentsatzsteuerung
sowohl die Zerspanungskraft als auch die Spindeldrehzahl während einer jeden Abtastperiode, wenn man be
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 erhöht
Wenn die Kurve F-max geschnitten wird, so werden sowohl die Spindeldrehzahl als auch der Vorschub
herabgesetzt, bis die Überschreitung korrigiert ist. Beide Werte werden dann in Prozentsätzen wieder
erhöht. Dies gibt eine Zick-Zack-Bewegung längs der Kurve F-max, bis 7"-max erreicht ist. wobei dann an
diesem Punkt die Steuerung um diesen Punkt herumschwingi.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Numerische Werkzeugmaschinensten 1I/ mit
einer Normaleingabeeinheit für Progra Jäten, ·-, einem Leitwerk zur Steuerung der Koordiüutenservoantriebe
und des Spindelantriebs der Werkzeugmaschine und mit einer adaptiven Regelung die mit
auf der Werkzeugmaschine angeordneten Fühlern zusammenarbeitet und mit einer Hilfseingabeeinheit m
zur Eingabe von Grenzwerten für Bearbeitungsgrößen verbunden ist und die ein im Hinblick auf
optimales Arbeiten der Werkzeugmaschine korrigiertes Vorschubgeschwindigkeitssignal und Spindeldrehzahlsignal
an das Leitwerk abgibt, wobei die \-, adaptive Regelung intern das Spindeldrehzahlsignal
und ein Zerspanungskraftsignal als unabhängige Parameter verwendet und eine MuJtipükatorscha!-
tung aufweist, die aus dem Spindeldrehzahlsignal und dem Zerspanungskraftsignal das Vorschubgeschwindigkeitssignal
berechnet, und wobei die adaptive Regelung eine Planungsschaltung aufweist, die bei Überschreiten zugeordneter Grenzwerte für
das Zerspanungskraftsignal und das Spindeldrehzahlsigna! Steuersignale zur Änderung derselben im
entgegengesetzten Sinne bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive Regelung
einen Zerspanungskraftsignaländerungskreis (54ßj und einen hiervon unabhängigen Spindeldrehzahlsignaländerungskreis
(54Λ^ aufweist, die innerhalb jo
der Periode eines ihnen zugeordneten Taktgebers (82) das vorliegende Zerspanungskraftsignal und
Spindeldrehzahlsignal um einen vorgegebenen Prozentsatz gemäß der ihnen von der Planungsschaltung
(52) übermittelten Steuersignale erhöhen oder r, erniedrigen; und daß die zugleich mit dem von der
Multiplikatorschaltung (80, 142—146) berechneten Vorschubgeschwindigkeitssignal beaufschlagte Planungsschaltung
zusätzlich auch dann eine Änderung des Spindeldrehzahlsignales und des Zerspanungskraftsignals
bewirkende Steuersignale bereitstellt, wenn das berechnete Vorschubgeschwindigkeitssignal
größer als ein vorgegebener Maximalwert ist.
2. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die -r>
Änderungskreise (54/4, 54B) jeweils einen Arbeitsspeicher (80, 100) und eine Schaltung (94-92; 102,
116, 124, 126) zur schrittweisen Änderung des Inhaltes des Arbeitsspeichers (80; 100) um einen
vorgegebenen Prozentsatz aufweisen. ■>(>
3. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltung zur schrittweisen Änderung des Inhaltes des Arbeitsspeichers (80; 100) einen Prozentgenerator
(84-88; 102, 124, 126), ein steuerbares Addier-Subtrahierwerk (92; 118) um eine Steuerstufe
(90; 116) für das letztere aufweist, wobei das Addier-Subtrahierwerk (92; 118) bei Erhalt eines
von der Steuerstufe (90,116) erzeugten Impulses die niedrigste Stelle des Arbeitsspeichers (80; 100) en
jeweils um Eins erhöht oder erniedrigt, je nachdem ob ihm von der Planungsschaltung (52) ein die
Zunahme oder ein die Abnahme des Sollwertsignales bewirkendes Steuersignal zugeführt wird, und
wobei der Prozentgenerator ebenfalls die von der br>
Steuerstufe bereitgestellten Impulse erhält und nach Erhalt einer dem ursprünglichen Inhalt des Arbeitssignalspeichers
proportionalen Anzahl von Impulsen an die Steuerstufe (90; 116) ein Sperrsigrial
abgibt, so daß hier keine Impulse mehr an das Addier-Subtrahierwerk (92; 118) weitergibt.
4. Numerische WerkzeugmaschinenstRuerung
nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentgenerator aufweist: Ein Hilfsregister (84;
102), das zu Beginn jeder Periode der adaptiven Regelung gemäß dem Inhalt des Arbeitsspeichers
(80; 100) gesetzt wird; ein Subtrahierwerk (86; 124), das die von der Steuerstufe (90, 116) auf den
Prozentgenerator gegebenen Impulse erhält und hierbei jedesmal vom Inhalt des Hilfsregisters (84;
102) die Zahl 2" abzieht; und einen Nullwertabtaster (88; 126), der das Sperrsignal erzeugt, wenn der
Inhalt des Kilfsregisters auf Null kommt, so daß 2~" ■ 100 der Prozentsatz ist, um den der Inhalt des
Arbeitsspeichers während einer Periode der adaptiven Regelung geändert wird.
5. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Periode des Taktgebers (82) größer ist als die Zeit für einen Umlauf der Spindel.
6. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zerspanungskraftsignaländerungskreis {54B) zur Erzeugung von internen
Impulsen für die Steuerstufe (16) weiter aufweist: Ein zweites Addierwerk (106), ein Umlaufregister (110)
und einen Überlaufabtaster (114), wobei das Addierwerk (106) gemäß der Periode eines Hilfsoszillators
(140) den Inhalt des Arbeitsspeichers (100) zum Inhalt des Umlaufregisters (110) hinzuzählt,
wobei der Überlaufabtaster (114) bei Überlauf des Umlaufregisters (110) ein Überlaufsignal an die
Steuerstufe (116) abgibt, und wobei die Steuerstufe (116) jeweils bei Erhalt eines solchen Überlaufsignales
das Addier-Subtrahierwerk (118) aktiviert, um den Inhalt des Arbeitsspeichers (100) um Eins zu
erhöhen oder zu erniedrigen, so daß die Geschwindigkeit der Änderung des Inhaltes des Arbeitssignalspeichers
proportional zu dessen Inhalt ist; und daß die Überlaufsignale zugleich auf den Prozentgenerator
(102, 124, 126) gegeben werden, so daß die gesamte Änderung des Inhaltes des Arbeitsspeichers,
welche durch die internen Impulse herbeigeführt wird, höchstens gleich dem vom Prozentgenerator
vorgegebenen Prozentsatz ist, wobei das vom Prozentgenerator (102,104, 126) auf die Steuerstufe
(116) gegebene Sperrsignal die Weitergabe von Überlaufimpulsen durch die letztere unterbindet.
7. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für
die Muliiplikationsschaltung und die Schaltung zur Erzeugung der internen Impulse für die Steuerstufe
ein gemeinsamer Binärzahl-Frequenzwandler (106, 110,114) vorgesehen ist.
8. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zerspanungskraftsignaländerungskreis weiter einen Drehmomentüberwachungskreis (104,108,
112, 120, 122, 130) und eine der Steuerstufe (116) vorgeordnete Start-Slopsteuerung (128) aufweist,
wobei der Drehmomentüberwachungskreis ein dem Zerspanungskraftsignal proportionales Solldrehmomentsignal
erzeugt und ein Sperrsignal bereitstellt, wenn das Solldrehrromentsigna! über einem vorgegebenen
Grenzwert liegt; daß das Sperrsignal des Prozentgenerators (102, 124, 126) ebenfalls auf die
Start-Stopsteuerung (128) gegeben wird; und daß die Start-Stopsteuerung (128) bei Anliegen eines Sperrsignals
vom Prozentgenerator her oder vom Drehmomentüberwachungskreis he/ auf die Steuerstufe
(116) ein Sperrsignal abgibi.
9. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Drehmomentüberwachungskreis aufweist: Ein Eingangsregister (104), ein Umlaufregister (112), ein
Addierwerk (108) zur periodischen Addition des Inhaltes des Eingangsregisters zum Inhalt des
Umlaufregisters einen Überlaufabtaster (120), der bei jedem Überlauf des Umlaufregisters (112) ein
Betätigungssignal erzeugt, ein Addier-Subtrahierwerk (122), das gemäß dem von der Planungsschaltung
(52) bereitgestellten Steuersignal bei Erhalt jedes Betätigungssignals den Inhalt des Eingangsregisters
(104) um Eins erhöht oder erniedrigt, und eine Vergleichsschaltung (130), die den Inhalt des
Eingangsregisters mit dem zugehörigen Grenzwert vergleicht und bei Überschreiten des letzteren das
zweite Sperrsignal bereitstellt.
10. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Schaltung (62) zur Umrechnung des Vorschubgeschwindigkeitssignals
im Hinblick auf die den Koordinatenservoantrieb (16) zu übermittelnden Fahrbefehle folgende Einheiten
aufweist; erstes, mit dem Ausgang des Vorschubgeschwindigkeitsänderungskreises [54B) verbundenes
Quadrierregister (200), jeweils einer Koordinatenachse zugeordnete zweite Quadrierregister (200,
204, 206), welche die Fahrbefehle für die einzelnen Koordinatenservoantriebe (26, 28, 30) quadrieren,
ein Addierwerk (208), welches die Ausgangssignale der zweiten Quadrierregister (202—206) addiert,
eine Vergleichsschaltung (212), welche das vom Addierer (208) bereitgestellte Signal mit dem vom
Vorschubgeschwindigkeitsänderungskreis (54B) bereitgestellten Signal vergleicht und einen nachgeschalteten
Additionsbefehlsgenerator (214) steuert, der das dem Leitwerk (24) übermittelte Steuersignal
für die Vorschubgeschwindigkeit bereitstellt.
11. Numerische Werkzeugmaschinensteuerung nach Anspruch i0, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der
Quadrierregister (200 — 206) aufweist: einen mit einem Schieberegister (222) in Reihe geschalteten
Impulszähler (220) und ein das auf den Impulszähler (220) gegebene Signal und das am Ausgang des
Schieberegisters (222) bereitgestellte Signal erhaltendes Subtrahierwerk (224), an dessen Ausgang das
Ausgangssignal des Quadrierregisters (200—206) bereitgestellt wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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