DE2237060B2 - Elektrische Kopierregeleinrichtung für Kurbelwellenfräsmaschinen und Kurbelwellenschleifmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Kopierregeleinrichtung für Kurbelwellenfräsmaschinen und Kurbelwellenschleifmaschinen, bei denen die Kopierregelung nur in einer Koordinate erfolgt, mit

γ-, einem ständig gegen die Schablone gedrückten Schablonenschlitten, der ein Geschwindigkeitsmeßglied antreibt, dessen elektrisches Signal den Sollwert für die Geschwindigkeitsregelung des Antriebs für den Kopiervorschub des Werkzeugschlittens darstellt, und

_b0 mit einer zusätzlichen Lageregelung für die gegenseitige Lage von Schablonenschlitten und Werkzeugschlitten, dessen Bewegung mittels eines Hilfs- bzw. Steuerschlittens rückführbar ist, der dem Schablonenschlitten folgt, wobei die Welle der Schablone mit der

_b5 Werkstückspindel über eine elektrische Gleichlaufübertragung in Wirkverbindung bringbar ist.

Eine solche Einrichtung ist aus der DE-OS 1513361 bekannt.

Da eine Kurbelwelle aus einem Stück gefräst wird, handelt es sich um Werkstücke von sehr großen Ausmaßen und hohen statischen Belastungen. Die Wellen zwischen dem Frässchlitten und dem Steuerschlitten (Kontrollschlitten) können bis zu 10 m lang sein. Infolgedessen sind die auftretenden Erschütterungen sehr groß. Eine Übertragung dieser Erschütterungen vom Frässchlitten auf den Schablonenschlitten muß aber unbedingt verhindert werden, wenn die erforderliche hohe Präzision der Bearbeitung des Werkstücks erreicht werden soll. Mit der Einrichtung gemäß der DE-OS 1513361 wird eine Präzision von etwa ± 10 Hundertstel Millimeter erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kopierregeleinrichtung der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die ermöglicht, einen noch höheren Grad der Präzision der Bearbeitung des Werkstücks zu erreichen, und zwar im wesentlichen durch eine Vereinfachung der Bauart.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zwischen der Antriebsspindel des Werkzeugschlittens und der Antriebsspindel des Steuerschlittens eine elektrische Gleichlaufübertragung angeordnet ist und elektronische Einrichtungen zur Kontrolle der gegenseitigen Lage von Werkzeugschlitten und Steuerschlitten vorgesehen sind.

Dadurch, daß die mechanisch-elektrischen und analogen Mittel der bekannten Maschine durch die elektrische Gleichlaufübertragung und die elektronischen Einrichtungen gemäß der Erfindung ersetzt werden, wird eine erhebliche Vereinfachung der Maschine erreicht, wie ein Vergleich der Fig. 3 der DE-OS 1 513361 und der Fig. 1 der Erfindung eindrucksvoll zeigt. Durch diese Vereinfachung der Bauart gemäß der Erfindung wird die Genauigkeit der Bearbeitung auf ± 1-2 Hundertstel Millimeter gesteigert.

Außerdem wird die Maschine durch diese Vereinfachung der Bauart wesentlich verbilligt. Auch wird die Sicherheit der Schaltung erhöht.

Während eine elektrische Gleichlaufübertragung zwischen der Welle der Schablone und der Werkstückspindel mit bekannten Gleichlaufmitteln ohne weiteres hergestellt werden kann, ist es relativ schwierig, eine elektrische Gleichlaufübertragung zwischen dem Steuerschlitten und dem Werkzeugschlitten anzuordnen, da die Bewegung des Steuerschlittens über den auf dem Schablonenschiitten angeordneten Lagefühler die Bewegung des Werkzeugschlittens korrigieren soll. Deshalb wirken sich Fehler im Gleichlauf des Steuerschlittens zu Fehlern in der Bewegung des Werkzeugschlittens aus. Es müssen deshalb an die Sicherheit einer solchen Gleichlaufübertragung sehr hohe Anforderungen gestellt werden, da die Werkstücke sehr hochwertig sind und Fehler von einigen Hundertstel Millimetern schon zum Ausschuß führen.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die elektronischen Steuermittel für die numerische Steuerung des Vorschubes des Werkzeugschlittens und das numerische Teilen der Werkstückspindel auch für den Antrieb und für die Kontrolle des Gleichlaufs benutzt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist der Werkzeugschlitten mit einem elektrischen Geber für eine Lageanzeige verbunden, wobei der Geber gleichzeitig den elektrischen Gleichlaufantrieb für den Steuerschlitten steuert und der Steuerschlitten mit einem gleichartigen elektrischen Geber verbunden ist, wodurch über eine elektronische Vergleichsschaltung d:e Lager von Werkzeugschlitten und Steuerschlitten über eine Differenzlogik vergleichbar sind, wobei eventuell auftretende Differenzen die Korrektur der Lage des Steuerschlittens zum Werkzeugschlitten bewirken.
■ Als Geber für den Werkzeugschlitten kann z. 3. ein absoluter Drehfeldgeber oder ein optischer oder induktiver Digital-Geber mit einer bestimmten Anzahl von Impulsen pro Umdrehung benutzt werden. Es könnten auch über den Werkzeugschlitten unmit-

'<> telbar betätigte optische oder induktive Transversal-Geber benutzt werden, die Positionssignale geben, die über entsprechende Drehfeldantriebe oder Schrittmotoren den Antrieb der Gewindespindel für den Steuerschlitten im Gleichlauf steuern.

ι "i Zur Kontrolle darüber, ob der Steuerschlitten tatsächlich auch die Bewegung ausgeführt hat, kann an dessen Spindel oder am Schlitten selbst ein gleichartiger Dreh- bzw. Transversal-Geber angebaut werden wie am Werkzeugschlitten.

-'Ii Diese beiden Signale werden miteinander in einer Differenzschaltung verglichen. Die Differenzschaltung kann bei vorhandenen Differenzen dazu dienen, entweder eine Korrektur der Lage des Werkzeugschlittens zum Steuerschlitten vorzunehmen oder bei

.'i Überschreitung gewisser voreingestellter Toleranzwerte, die in die Differenzschaltung hineinwirken, die Maschine auf Rücklauf zu schalten bzw. stillzusetzen. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Geber des Werkzeugschlittens ein Di-

m gital-Geber, dessen Anzahl Impulse pro Umdrehung der Steigung der Antriebsspindel des Werkzeugschlittens und der gewünschten Genauigkeit entspricht, wobei diese Impulse zur Lageanzeige bzw. zur Messung des Vorschubs des Werkzeugschlittens sowie

ti über ein Ansteuergerät der Steuerung eines Schrittmotors für den Antrieb der Spindel des Steuerschlittens dienen, und der Geber an der Spindel des Steuerschlittens ist ebenfalls ein Digitalgeber, der eine Zahl von Impulsen abgibt, die den vom Schrittmotor tat-

M) sächlich ausgeführten Schritten entspricht, wobei die Impulszahl der beiden Geber in einer elektronischen Differenzschaltung vergleichbar ist und eventuelle Differenzen digital ausgebbar sind und wobei jeder einzelne Fehlimpuls (Korrekturimpuls) unmittelbar

4i durch zusätzliche Eingabe an den Schrittmotor zur Korrektur der Lage des Steuerschlittens dient sowie

■ die Stillsetzung der Maschine dann bewirkt, wenn bei Überschreitung einer ziffernmäßigen Toleranzvorgabe ein besonderes Signal erscheint.

κι In weiterer Ausgestaltung im Rahmen der Erfindung wird die Gleichlauf korrektur unmittelbar an der Spindel des Steuerschlittens vorgenommen, da dieser die tatsächliche Bewegung des Werkzeugschlittens wiedergeben soll und da der Steuerschlitten in Verbindung mit dem Schablonenschlitten auch die Lagekorrektur des Werkzeugschlittens vornimmt.

Dadurch wird erreicht, daß die notwendigen Korrekturen der elektrischen Welle zwischen Werkzeugschlitten und Steuerschlitten an derselben Stelle

,o durchgeführt werden, die zur Korrektur für die Bewegung des Werkzeugschlittens vorgesehen ist.

Bei großen Maschinen, wie Kurbelwellenfräsmaschinen, bei denen es sich als zweckmäßig erwiesen ha* die Messung der Einstichbewegung des Fräs-

,5 Schlittens, die vor dem eigentlichen Kopiervorgang liegt, numerisch zu steuern, können die Mittel für die digitale Lösung dieser Aufgabe auch für die Gleichlaufsteuerung benutzt werden; z. B. kann der Impuls-

geber an der Welle des Werkzeugschlittens mit der entsprechenden Richtungs- und Zähllogik auch für die Gleichlaufsteuerung eines Schrittmotor-Antriebes des Steuerschlittens mit verwendet werden.

Die Differenzanzeige zwischen der Lage des Steu- ; erschlittens und der Lage des Werkzeugschlittens wird bei der Erfindung zur Korrektur verwendet. Das kann auf besonders einfache Art dadurch erreicht werden, daß jede einzelne auftretende Differenz von einem Bit als zusätzlicher Impuls zur Schrittschaltung dem ι» Schrittmotor des Steuerschlittens aufgedrückt wird.

Es kann eintreten, daß bei der zusätzlichen Differenz-Ausgleichsschaltung die START-STOP-Frequenz des Schrittmotors, die z. B. 300 Hz beträgt (unterhalb dieser Frequenz kann sich die zeitliche Folge ι "> der impuise beliebig ändern), überschritten wird, so daß der Schrittmotor itehenbleibt. Um dies zu vermeiden, müßten die Soll-Impulse vom Werkzeugschlitten und die zusätzlichen Fehl-Impulse (Korrektur-Impulse) aus der Differenzschaltung in zulässiger 2» Frequenz dem Schrittmotor zugeführt werden.

Dieses erfolgt f emäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Soll- und Fehlimpulse einen elektronischen Speicher, z. B. einem Schieberegister, zugeführt und dort durch eine r> regelbare Taktsteuerung, z. B. über einen Taktgenerator, abgerufen werden, wobei die Regelung der Taktsteuerung derart erfolgt, daß der Sollwert für die Drehzahlregelung des Antriebsmotors für den Werkzeugschlitten die Frequenz der Taktsteuerung be- in stimmt, wodurch dem Schrittmotor des Steuerschlittens die der jeweiligen Kopiergeschwindigkeit und zusätzlichen Korrektur entsprechende Schrittfrequcnz über eine an sich bekannte Anlaufsteuerung für hohe Frequenz aufgedrückt wird. r>

Anstelle der vorstehend beschriebenen rein elektronischen Lösung der Korrektureingabe kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch eine elektronisch-mechanische Lösung verwendet werden, wobei die Korrektur-Impulse auf einen Korrektur-Schrittmotor gegeben werden, der über ein Getriebe die Mutter der Antriebsspindel des Steuerschlittens sinngemäß verdreht.

Dabei kann das Getriebe aus einem Satz Zahnräder nestehen, von denen das eine die Mutter umfaßt und 4-, das andere auf der Welle des Korrektur-Schrittmotors angeordnet ist.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Steuerschlitten über ein Getriebe mit einer kleineren Geschwindigkeit laufen zu lassen als den Werkzeug- s, schlitten, um die Größe der Schablone zu verringern. Dieses kann auch dadurch erreicht werden, daß die Steigung der Spindel des Steuerschlittens verkleinert wird. Das kann jedoch unter Umständen bei Kugelrollspindeln schon erhebliche konstruktive Schwierigkeiten verursachen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können zur Veränderung des Maßstabs der Schablone gegenüber dem Werkstück die Impulse pro Umdrehung der Antriebsspindel des Werkzeugschlittens zahlenmäßig bo elektronisch verändert dem Schrittmotor für den Steuerschlitten zugeführt werden und/oder dieser Schrittmotor mit einer anderen Winkelteilung versehen werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung _b5 wird in der elektronischen Zählschaltung der Antriebsspindel des Werkzeugschlittens für die Anzeige eine elektronische Vervierfachung der Impulse des Gebers in einem Impulsvervielfacher durchgeführt, während für die Ansteuerung des Schrittmotors des Steuerschlittens die Impulszahl des Gebers über einen zweiten Impulsvervielfacher verdoppelt wird.

Für die Werkstückspindel bzw. deren Antrieb ist gattungsgemäß vorgesehen, eine elektrische Gleichlaufübertragung zur Schablonenwelle zu verwenden, wobei die Werkstückspindelwelle zweckmäßig als Geber arbeitet, der der Empfängerwelle des Schablonenantriebs die gleiche Geschwindigkeit aufdrückt.

Diese Gleichlaufsteuerung kann in der gleichen Weise wie die Gleichlaufsteuerung für die Werkzeug- und Steuerschlitten (numerisches Einstechen und Kopieren), für zwei Aufgaben benutzt werden: 1. für das Teilender Werkstückspindel in beliebiger Winkellage und 2. für den Gleichlauf der Schablone.

Während des Teilens bleibt die Schablonenwelle stehen, da sie nur für den Kopiervorgang, d. h. für die Steuerung des Werkzeugschlittens, benötigt wird. Bei der Kopierbewegung wird die Werkstückwelle, unabhängig von der Teilungsnumerik, von ihrem Antriebsmotor angetrieben, und der Geber auf der Werkstückwelle für die numerische Steuerung des Teilens wird dann beim Kopieren für den Gleichlauf der Schablonenwelle benutzt, wobei wiederum ein Geber auf der Schablonenwelle diesen Gleichlauf über eine entsprechende Zähl-EIektronik in Verbindung mit der Zähl-Elektronik der Werkstückwelle über eine Differenzschaltung überwacht. Hierbei kann diese Differenz sowohl zur Korrektur der Lage der Schablonenwelle als auch zur Steuerung und zum Stillsetzen der Maschine benutzt werden.

Während der Kopierarbeit müssen - wie bekannt - die Drehzahlen der Werkstückspindel entsprechend der Materialabnahme verändert werden. Dies kann z. B. (vgl. DE-OS 1777319) über eine dem Werkstück angepaßte Drehzahlkurve erfolgen, die allerdings jeweils besonders angefertigt werden muß. Wenn aber für das Teilen der Werkstückspindel bereitseine Numerik vorhanden ist, kann diese Numerik auch während des Kopierens benutzt werden, um ständig die erreichten Winkelgrade (z. B. beim Kopierfräsen) zu melden.

Über eine entsprechende Elektronik könnte z. B. alle 20° der Werkstückdrehung ein Signal herausgegeben werden, das in bekannter Weise über Dekadenschalter oder Lochband und Speicher Drehzahlen für die Werkstückspindel abruft. Diese digitalen Größen können über einen Digital-Analog-Wandler in die , Steuerspannung für den Werkstückspindelmotor verwandelt werden.

Um dem Bediener Gelegenheit zu geben, je nach Zustand des Werkzeugs oder Ausfall des Werkstückmaterials das Drehzahl-Niveau generell zu verändern, muß ein zusätzlicher Niveau-Schalter angeordnet sein. Das könnte in der Weise erfolgen, daß die über Digitai-Anaiog-Wandlcr erzeugte Steuerspannung des Vorschubmotors über einen Spannungsteiler geführt wird.

Wenn — wie bei der Erfindung - sowohl der Werkstückspindelantrieb als auch der Werkzeugspindelantrieb über elektrische Gleichlaufübertragungen an die Regel- und Steuereinrichtung angeschlossen sind, kann in vorteilhafter Weise die Regel- und Steuereinrichtung räumlich und mechanisch völlig von der Maschine getrennt, also als selbständige Einheit ausgebildet werden. Der innere Aufbau dieser Einrichtung braucht jeweils nur den Erfordernissen der Regel- und

Steueraufgaben angepaßt zu werden. Eine solche Regel- und Steuereinrichtung kann als Einheit für jede beliebige Maschinengröße der betreffenden Bauart verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der ■'> Erfindung schematisch dargestellt, wobei die Kopierregeleinrichtung für eine Kurbelwellenfräsmaschine als Beispiel benutzt wird. Es zeigt

Fig. 1 eine elektrische Welle zwischen Frässchlitten und Steuerschlitten, m

Fig. 2 eine elektronische Korrekturschaltung für die ausgeführten Schritte des Schrittmotors,

Fig. 3 eine elektronisch-mechanische Korrektureinrichtung über die drehbar gelagerte und mit einem weiteren Schrittmotor angetriebene Mutter der Spin- ι "> dc! des Steuerschiitiens,

Fig. 4 die Möglichkeit einer Verkleinerung der Geschwindigkeit des Steuerschlittens zwecks Verkleinerung der Schablonengröße,

Fig. 5 eine elektrische Welle als Gleichlaufüber- -'» tragung zwischen Werkstückspindel und Schablonenwelle,

Fig. 6 eine Drehzahlregelung des Werkstückspindelmotors über digitale Voreingaben,

Fig. 7 die Anordnung der Kopiereinrichtung im r> Grundaufbau, räumlich und mechanisch getrennt von der Maschine.

Hierbei ist als Ausführungsbeispiel die in der DE-OS 1513361 beschriebene elektrische Kopierregeleinrichtung für eine Kurbelwellenfräsmaschine be- j» nutzt worden und es sind, soweit die Teile übereinstimmen, dieselben Bezugsziffern verwendet worden.

In Fig. 1 wird ein Frässchlitten 12 über eine Spindel 12.1 und einen Vorschubmotor 12.2 angetrieben. Der j-, Vorschubmotor erhält über einen Thyristor-Regler 6.1 eine geregelte Ankerspannung, die von der Höhe der Spannung einer Tachomaschine als Geschwindigkeitsmeßgerät 6 und der Korrekturspannung eines Lagefühlers 3 abhängig ist. Mit 1 ist ein Schablonen- 4» schlitten und mit 2 eine Schablone bezeichnet.

An der Welle der Spindel 12.1 des Frässchlittens 12 ist ein elektrischer Geber 12.3 angeordnet. Da die Spindel 12.1 eine Steigung von 20 mm hat, muß der Geber 12.3 entsprechend der gewünschten Genauig- 4-. keit von 0,01 mm Weg 2000 IpU (Impulse pro Umdrehung) abgeben. Ein elektrischer Digital-Geber bekannter Bauart gibt 250 IpU ab. Der Geber 12.3 wird über eine mechanische Übersetzung 12.31 ins Schnelle von 1:2 angetrieben, so daß sich die Impuls- -,0 zahl auf 500 pro Umdrehung verdoppelt. Die Impulse des Gebers 12.3 werden in einer elektronischen Schaltung 12.4 vervierfacht, so daß 4 X 500 = 2000 Impulse pro Umdrehung der Spindel 12.1 des Frässchlittens 12 abgegeben werden (1 Impuls = 0,01 mm <-_>5 Weg). Diese Impulse werden über eine Richtungslogik 12.5 für Vor- und Rückwärtslauf erkannt und über einen Zähler 12.6 zur Anzeige 12.7 gebracht, wobei der Zähler 12.6 durch nicht gezeichnete Vorhaltschaltungen in die Steuerung der Frässchlittenbewegung t>o eingreift.

Dieselbe elektronische Zählanordnung wird auch für die Steuerung und Kontrolle des Gleichlaufes des Steuerschlittens 7 benutzt. Wird z. B. an die Spindel 7.1 des Steuerschlittens 7 ein Schrittmotor 7.2 gesetzt _b5 mit z. B. 200 Schritten pro Umdrehung, so würde dieser Schrittmotor bei 2000 IpU des Frässchlittenspindel-Gebers 12.3 10 Umdrehungen machen. Bei einer Steigung von 2 mm der Spindel 7.1 des Steuerschlittens 7 würde dieser also ebenfalls 20 mm Weg machen sntsprechend den 20 mm Weg des Frässchlittens 12. Die numerische Steuerung des Frässchlittens 12 wird also benutzt, um über ein entsprechendes handelsübliches Ansteuergerät 7.7 des Schrittmotors 7.2 diesem über die Richtungslogik 12.5 die Drehrichtung und die Zahl der Impulse aufzudrücken. (Netzspeisung und Pegelumsetzer 24 V auf 5 V TTL-Technik sind hier nicht dargestellt).

Es besteht die Möglichkeit, daß bei Überschreitung der zulässigen Dreh- und Beschleunigungsmomente des Schrittmotors 7.2 Schritte trotz einwandfreier elektrischer Ansteuerung nicht ausgeführt werden. Im allgemeinen wird bei Schrittmotorantrieben die Ansteuerung der Schrittmotoren selbst für den Zählvorgang benutzt, wenn es genügt, etwaige Schrittfehler durch nachträgliche Messung der Werkstücke festzustellen. Dies ist bei großen und teuren Werkstücken nicht zulässig. Es muß gesichert sein, daß der Steuerschlitten tatsächlich die Bewegung des Frässchlittens gemacht hat. Deshalb ist an der Spindel 7.1 des Steuerschlittens 7 ein weiterer Digital-Geber 7.3 angeordnet, der 200 elektrische IpU erzeugt. Da die Spindel 7.1 des Steuerschlittens 710 Umdrehungen macht für eine Umdrehung an der Frässpindel 12.1, werden 10 X 200 = 2000 elektrische Impulse ausgegeben, die einer Elektronik mit Richtungslogik 7.5 und einem Vor- und Rückwärtszähler 7.6 gleicher Bauart wie Gerät 12.6 in der numerischen Steuerung des Frässchlittens zugeführt werden. Die beiden Zähler, also der Zähler 12.6 für die Bewegung des Frässchlittens 12 und der Zähler 7.6 für die Bewegung des Steuerschlittens 7, sind mit einer elektronischen Differenzschaltung 8.1 verbunden, die entsprechend der Zahl der nicht ausgeführten Schritte eine digitale Differenz aufweist. In bekannter Weise kann durch einen Dekadenschalter 8.2 eine Toleranzvorgabe der Differenzschaltung 8.1 eingegeben werden, so daß erst, wenn die Differenz ein bestimmtes Maß überschritten hat, ein Signal 8.3 ausgegeben wird. Dieses Signal dient in erforderlicher Weise zur Steuerung der Maschine, also Rückfahrt des Frässchlittens oder Stillsetzen der Maschine.

Es wäre wünschenswert, die auftretende Differenz sofort bei ihrem Entstehen, also sozusagen Bit für Bit, als Korrektur dem Schrittmotor 7.2 zuzuführen. Schrittmotoren haben aber eine sogenannte STOP-START-Frequenz, die nicht ohne besondere Maßnahmen überschritten werden darf. Würde z. B. bei einem Motor bekannter Bauart diese STOP-START-Frequenz 300 Hz betragen, und fährt zur Zeit der Schrittmotor mit einer Frequenz von 250 Hz, so würde durch Zusetzen von einzelnen Korrektur-Impulsen diese Frequenz verdoppelt werden und damit die START-STOP-Frequenz überschritten werden, und der Motor würde stehenbleiben.

Es gibt zwar Ansteuergeräte für derartige Schrittmotoren, die es gestatten, den Motor auch mit höheren Frequenzen laufen zu lassen als die, die der START-STOP-Frequenz entsprechen. Dabei muß aber der Schrittmotor über die Ansteuerung auf diese höhere Frequenz hochgefahren werden, d. h. die höhere Frequenz darf nicht schlagartig auftreten.

Gemäß Fig. 2 wird die Korrektur in der Weise vorgenommen, daß sowohl die Soll-Impulse als auch die Korrektur-Impulse in ein Schieberegister 7.8 gegeben werden, wobei jeweils zu jedem Soll-Impuls nachfol-

gend ein Korrektur-Impuls gegeben wird, soweit solche Impulse anstehen. Das Schieberegister 7.8 wird über einen Taktgenerator 7.9 abgerufen, der eine analoge Steuerung seiner Frequenz hat. Für die Steuerung des Vorschubmotors ist vom Geschwindigkeitsmeßgerät 6 her ein Soll-Wert vorhanden, der sich entsprechend der Schabionentischgeschwindigkeit ändert. Dieser Sollwert, der immer die Geschwindigkeit des Frässchlittens 12 bestimmt, wird nunmehr benutzt, um die Taktfrequenz des Taktgenerators zu steuern. Mit der Taktfrequenz werden die Impulse, die im Schieberegister 7.8 anstehen, mit einer Frequenz abgerufen, die der augenblicklichen Soll-Geschwindigkeit des Frässchlittens 12 zuzüglich der Korrektur entspricht. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß sich die Takt-Frequenz nur entsprechend der Geschwindigkeit stetig ändert und diese Änderungen daher vom Ansteuergerät 7.7 auch in hoher Frequenz verarbeitet werden können.

Die Korrekturschaltung auf rein elektronischem Wege, wie vorstehend beschrieben und in Fig. 2 dargestellt, erfordert unter Umständen einen nicht unerheblichen Aufwand an elektronischen Baumitteln. Außerdem besteht die Gefahr, daß sie eine gewisse Unruhe in den Gleichlauf bringt.

Es wurde vorstehend bereits dargelegt, daß deshalb - je nach den vorliegenden Verhältnissen - eine elektronisch-mechanische Lösung in Frage kommen kann, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei ist die Mutter 7.24 der Spindel 7.1 des Steuerschlittens 7 drehbar gelagert und wird über ein Getriebe 7.23 durch einen zweiten Schrittmotor 7.22 angetrieben. Dieser Schrittmotor 7.22 erhält nur die Fehlimpulse über eine Ansteuerung 7.21. Würde z. B. ein Schrittmotor mit 200 Schritten pro Umdrehung verwendet, so würde bei einem Antriebsverhältnis von 1:1 die Mutter 7.24 bei 200 Schritten des Schrittmotors 7.22 eine Umdrehung gemacht haben, und damit hätte bei einer Steigung von 2 mm der Spindel 7.1 der Schatten 7 einen Weg von 2 mm zurückgelegt, d. h. pro Schritt 0,01 mm, was genau dem Wegfehler entspricht, den ein Fehl-Impuls beinhaltet.

Um die Abmessungen der Schablone 2 gegenüber dem Werkstück 4 zu verkleinern, ist es notwendig, die Geschwindigkeit des Steuerschlittens 7 entsprechend zu verringern. Abgesehen von den mechanischen Möglichkeiten wie Getriebe im Antrieb des Steuerschlittens 7 und Änderung der Steigung der Spindel 7.1, könnte auch der Schrittwinkel des Schrittmotors 7.2 verkleinert werden, damit die Schrittzahl pro Umdrehung vergrößert wird. Diese Möglichkeit ist aber eng begrenzt durch die konstruktive Bauart der Motoren.

Die Geschwindigkeitsänderung kann derart erfolgen, daß bei der Zählelektronik der Frässchlittenspindel 12.1 in einer Impuls-Vervielfachung 12.4 eine elektronische Vervierfachung der Impulse des Gebers 12.3 vorgenommen wird, jedoch für die Ansteuerung des Schrittmotors 7.2 die Impulszahl des Gebers 12.3 über einen Vervielfacher 12.42 nur verdoppelt wird (Fig. 4).

Durch die Kombination der verschiedenen aufgezeigten Möglichkeiten kann also die Geschwindigkeit des Steuerschlittens 7 in den gewünschten Grenzen verändert werden. Es muß hierbei nur beachtet wer den, daß der Differenzschaltung 8.1 trotzdem beiderseitig die gleiche Zahl von Impulsen von den Zählern 12.62 und 7.6 zugeführt wird. Bei dem angeführten Beispiel (Halbierung der Geschwindigkeit), wobei dem Schrittmotor 7.2 nur 1000 Impulse (= 5 Umdrehungen) zugeführt werden, gibt der Geber 7.3 ebenfalls mit 5 U X 200 I = 1000 Impulse ab. Zur Steue- > rung des Frässchlittens 12 bzw. für dessen Stellungsanzeige wird über den Impuls-Vervielfacher 12.4, die Richtungslogik 12.5, den Zähler 12.6 und die Anzeige 12.7 weiterhin mit 2000 Impulsen pro Umdrehung der Frässchlittenspindel 12.1 gefahren.

i" Fig. 5 zeigt eine elektrische Gleichlaufübertragung von der Werkstückspindel 4 bzw. deren Antrieb 16 zur Schablonenwelle 13.

Die Werkstückspindel 4 wird durch den Motor 16 über ein Untersetzungsgetriebe 40/41 angetrieben

i·"' und muß vor Arbeitsbeginn bei der als Beispiel beschriebenen Kurbelwellenfräsmaschine in die Winkellage geteilt werden, die der Grundstellung der Schablone des zu fräsenden Kurbelzapfens entspricht. Bei großen Maschinen kann für diese Kurbelzapfen

2» bei den verschiedenen Werkstücken eine große Anzahl von unterschiedlichen Winkelstellungen erforderlich werden. Es ist daher zweckmäßig, diese Teilvorgänge dann numerisch zu steuern.

Diese numerischen Steuermittel werden für die

-'^ri GleichlaufanordnungnachFig. 5 benutzt. Dabei wird dem Werkstück 4 ebenfalls ein Geber 4.3 zugeordnet, der aber insgesamt 36000IpU abgeben muß, entsprechend der Teilgenauigkeit von 0,01°. Hierbei macht es keinen Unterschied - wie dies bei optischen

i<> Gebern der Fall ist —, ob diese Signale direkt erzeugt werden oder ob durch den Geber 4.3 z. B. nur 9000 Impulse erzeugt und diese dann elektronisch vervierfacht werden. Der Geber 4.3 gibt zum Zwecke des Teilens seine Signale an eine Elektronik ab, die aus

r> der Impuls-Vervielfachung 4.4, aus Richtungslogik 4.5, Vor- und Rückwärtszähler 4.6 und Anzeige 4.7 mit Vorwahleinstellung für die gewünschte Winkellage besteht.

Dabei ist zu beachten, daß die numerische Steuerung nur für das Teilen der Werkstückspindel in beliebige Winkellagen benötigt wird, jedoch nicht für den Antrieb der Werkstückspindel beim eigentlichen Kopier-Fräsvorgang, für den jeweils eine Umdrehung des Werkstücks 4 und damit der Werkstückspindel

4^r> benötigt wird.

Gemäß Fig. 5 wird die numerische Steuerung auch für den Gleichlaufantrieb der Schablonenwelle 13 während des Kopierfräsens benutzt. Dazu wird die Schablonenwelle 13 mit einem Schrittmotor 13.2 als

>o Antrieb versehen. Wenn von einem Schrittmotor mit 200 Schritten pro Umdrehung ausgegangen wird, so ergeben 36000 IpU an der Werkzeugspinde! 180 Umdrehungen am Schrittmotor. Es muß also zwischen Schrittmotor 13.2 und Schablonenwelle 13 noch ein Untersetzungsgetriebe 13.1 mit dem Verhältnis 1:180 vorgesehen werden, damit die Schablonenwelle 13 genau eine Umdrehung macht, wenn die Antriebsspindel für das Werkstück 4 eine Umdrehung macht. Auf der Welle 13 der Schablone 2 ist wiederum ein

bo Geber 13.3 angeordnet, der bei einer Umdrehung die gleiche Impulszahl, nämlich 36000 IpU, wie der Geber 4.3 an der Werkstückspindel abgibt, gegebenen falls über einen Vervielfacher 13.4.

Anstelle dieser Lösung kann der Geber 13.3 auch

b5 auf der Welle des Schrittmotors 13.2 angeordnet sein, wobei der nur 200 Umdrehungen abzugeben braucht.

Mittels einer Elektronik aus Vervielfacher 13.4,

Richtungslogik 13.5, Vor- und Rückwärtszähler 13.6

und über eine Vergleichs- bzw. Differenzschaltung 14.1 mit der Elektronik er Werkstückspindel wird der Gleichlauf von Werkstückspindel und Schablonenwelle 13 überprüft. In gleicher Weise wie beim Frässchlitten- und Steuerschlittengleichlauf wird auch hier durch eine Toleranzeingabe 14.2 ein Signal 14.3 für das Steuern oder Stillsetzen der Maschine beim Überschreiten dieser Toleranz gegeben. Es muß aber auch in gleicher Weise, wie für die Frässchlittensteuerung beschrieben, die auftretende Differenz zur Korrektur an die Ansteuerung 13.7 für den Schrittmotor 13.2 gegeben werden.

Beim Teilen gibt also der Geber 4.3 keine Signale an den Schrittmotor 13.2 ab, sondern dient nur zur Steuerung der Werkstückspindel in eine bestimmte Winkellage. Jedoch wird während des Kopierens der Geber 4.3 benutzt, damit der Schrittmotor 13.2 über das Getriebe 13.1 die Welle 13 der Schablone 2 in Gleichlauf mit der Werkstückspindel antreibt.

Es ist zu beachten, daß für das Kopieren genau eine Umdrehung der Werkstückspindel benötigt wird. Um dies zu erreichen, ist auf der Welle 13 eine Nockenscheibe 18 mit einem Nocken 19 angeordnet, der einen Endschalter 20 betätigt (s. Fig. 5). Der Endschalter 20 ist nur in der Stellung 0° bzw. 360° betätigt. Die Stillsetzung bei 360° erfolgt also beim Kopierfräsen durch Stillsetzung der Steuerung des Antriebsmotors 16 für die Werkstückspindel über den genau justierbaren Endschalter 20, wobei vorher auf Schleichgang geschaltet wird, um die entsprechende Stillsetzungsgenauigkeit zu erzielen. Andererseits muß während des Teilens dieser Endschalter 20 in der Stellung 0° bzw. 360° betätigt sein, da diese Stellung für jede neue Winkellage der Welle als Null-Bezugspunkt (Grundstellung) für das Kopierfräsen des Zapfens gilt.

Es ist nun wichtig, daß jederzeit die Sicherheit besteht, daß nach Beendigung des Kopierfräsens die Zahl von 36000 Impulsen auch tatsächlich über den Schrittmotor 13.2 von der Schablonenwelle 13 ausgeführt worden ist. Das wird einerseits von dem Endschalter 20 und andererseits von dem Zählerstand der Elektronik, also zweifach, kontrolliert.

Die optischen und induktiven Geber können mit einem sogenannten Nullpunkt ausgerüstet sein, so daß eine bestimmte Stelle des Gebers innerhalb der 360° jederzeit mit Schleichgang angefahren werden kann, die dann durch ein besonderes Signal als Nullpunkt gekennzeichnet ist. Wird für die elektrische Welle an der Schablonenwelle 13 der Geber 13.3 angebracht, so kann dieser mit einem Nullpunkt-Signal 13.31 versehen werden. Dieser Nullpunkt würde mit einer sehr hohen Genauigkeit (1:36000 = 0,01°) mechanisch gefertigt und elektronisch angefahren werden, also wesentlich genauer, als dies durch Nockenscheibe 18 und Endschalter 20 erreicht werden kann. Hierbei kann die Zähllogik des Gebers 13.3 zusätzlich so ausgebildet werden, daß sie entsprechend der Winkeleinheit von 0,01° für 360° auf die Zahl 36000 gesetzt wird, wenn das Kommando Werkstückdrehung für das Kopierfräsen erfolgt. Diese Zahl wird entsprechend der Winkelbewegung durch die Impulse des Gebers 13.3 in Richtung auf Null abgebaut. Dadurch können über Dekadenschalter Vorschalt-Signale, z. B. bei Stellung 350° = 10° vor Null = 1000 Impulse vor Null, ausgegeben werden, die für das Herabschalten der Drehzahl der Werkstückspindel auf Schleichgang zum genauen Einfahren auf 360°/0° benutzt werden.

Auch diese Ausnutzung des Nullpunktes bringt weiterhin eine mechanische Vereinfachung des Kopiergerätes.

Die numerische Steuerung des Teilens wird zugleich benutzt, um anstelle der Drehzahlsteuerung der Werkstückspindel über eine Kurve die Drehzahlen numerisch entsprechend vorbestimmter Winkel der Steuerung für den Werkstückspindelantrieb 16 einzugeben.

Während einer Umdrehung der Werkstückspindel muß deren Drehzahl gesteuert werden, da der Anteil des wegzufräsenden Materials sich ständig ändert. Die Drehzahlen hängen auch davon ab, ob der Zapfen einer Kurbelwelle gefräst wird oder die Wange des Zapfens. Je nach Größe und Form der Werkstücke sind die Drehzahlen, die in den verschiedenen Winkellagen des Werkstückes, in Richtung zum Fräser gesehen, zulässig sind, errechenbar. Bei Anwendung einer numerischen Steuerung für das Teilen der Werkstückspindel wird zu jedem Winkel beim Kopieren die entsprechende Drehzahl in eine Dekadenschaltung oder in ein Band eingegeben. Erfahrungsgemäß kommt man mit etwa 18 Winkellagen aus, d. h. jeweils nach 20° wird die Drehzahl für die Werkstückspindel neu eingegeben.

Dies erfolgt nach Fig. 6 in der Weise, daß die Impulse vom Geber 13.3 zu einem Zähler 15.1 und Komperator 15.2 geführt werden, an den ein Dekadenschalter 15.3 angeschlossen ist für die Einstellung der Winkelgröße, z. B. 20,00°. Das bedeutet, daß jedes Mal, wenn 2000 Impulse eingelaufen sind (= 20,00°), ein Signal herausgegeben wird, das über eine entsprechende Logikschaltung und THYRI-STOR-Regler 15.5 von Drehzahldekadenschaltern oder von entsprechenden Speicherstellen eines Lochbandes vorbestimmte Drehzahlen des Motors 16 und damit der Werkstückspindel wirksam macht.

Über den Nullpunkt 13.31 des Gebers 13.3 ist die mechanische Lage für den Beginn des Kopierfräsens gegenüber dem Werkstück 4 festgelegt. Dadurch kann auch mittels einer entsprechenden Verriegelung sichergestellt werden, daß in dieser Lage des Gebers 13.3 die Drehzahlkette beginnt.

Durch die Anwendung der beiden elektrischen Wellen gemäß den Fig. 1 und 5 wird eine ganz erhebliche mechanische Vereinfachung der gesamten Kopieranordnung erreicht. Es entsteht dadurch der Vorteil, daß für alle Maschinen gleicher Bauart, aber verschiedener Baugrößen und Fräsleistungen, dieselbe Kopierregeleinrichtung verwendet werden kann.

Gemäß Fig. 7 besteht die Kopierregeleinrichtung nunmehr im Grundaufbau aus dem Steuerschlitten 7, der den Weg des Frässchlittens 12 kopiert, dem Schrittmotor 7.2 und seinem Kontrollgeber 7.3, dem Schablonenschlitten 1 mit der Schablone 2, der Schablonenantriebswelle 13 mit dem Kontrollgeber 13.3 und dem Untersetzungsgetriebe 13.1 mit dem Schrittmotor 13.2. Für die Kopiersteuerung des Vorschubmotors 12.2 dient das Geschwindigkeitsmeßgerät 6 oder ein Digitalgeber mit Digjtal-Analog-Spannungswandler, das bzw. der die Grundgeschwindigkeit dem Vorschubmotor 12.2 aufdrückt, und zwar entsprechend der Bewegung, die der Schablonenschlitten 1 beim Nachfolgen der Schablone 2 erhält. Die vom Geschwindigkeitsmeßgeräte abgegebene Spannung wird korrigiert durch den Lagefühler 3, der sinngemäß vom Steuerschlitten 7 betätigt wird, wobei bei korrek-

tem Gleichlauf zwischen Schablonenschlitten 1 und Steuerschlitten 7 sowie Frässchlitten 12 der Fühler 3 sich immer in der Mittellage befinden muß. Ändert sich diese Mittellage, ;.j wird eine Korrekturspannung abgegeben, die den Wert der Spannung der Tachomaschine 6 erhöht oder erniedrigt. Wie bereits erwähnt, kann nur innerhalb dieser Gesamtanordnung die Schablonengröße dadurch bestimmt werden, daß der Antrieb des Steuerschlittens 7 in seiner Geschwindigkeit sinngemäß durch die beschriebenen Mittel verändert wird, also durch Mittel, die mechanisch die Bauweise der Einrichtung nicht mehr verändern. Die Schablone 2 ist für Kurbelzapfen sehr einfach aufgebaut, da der Durchmesser der Kopierscheibe 2.1 dem des Werkstückes entsprechen muß und der Kurbel hub (Abstand Kurbelzapfen -Mittellinie der Kurbelwelle) an der Schablone 2 du.ch den Abstand der Kopier-

scheibe 2.1 von der Mitte M der Schablone 2 bestimmt wird. Durch Änderung des Durchmessers der Kopierscheibe 2.1 sowie ihres Abstandes von der Mitte M kann die Schablone 2 also leicht für verschiedene Kurbelzapfen eingestellt werden. Nur beim Wangen-Fräsen müssen von der gewünschten Werkstückform entsprechende Modelle hergestellt werden. Die mechanische Kopier-Anordnung ist also außerordentlich einfach geworden. Durch Verkleinerung der Geschwindigkeit des Steuerschlittens 7 kann die Schablone 2 entsprechend verkleinert werden.

Die Kopierregeleinrichtung übernimmt außer dem eigentlichen Kopiervorgang noch die Festlegung der jeweiligen Nullage der Grundstellung für den Beginn des Kopierfräsens der verschiedenen Zapfen der Kurbelwelle K sowie die Steuerung der Drehzahlen des Antriebsmotors 16 für die Werkstückspindel.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Kopierregeleinrichtung für Kurbelweilenfräsmaschinen und Kurbelwellenschleifmaschinen, bei denen die Kopierregelung nur in einer Koordinate erfolgt, mit einem ständig gegen die Schablone gedrückten Schablonenschlitten, der ein Geschwindigkeitsmeßglied antreibt, dessen elektrisches Signal den Sollwert für die Geschwindigkeitsregelung des Antriebs für den Kopiervorschub des Werkzeugschlittens darstellt, und mit einer zusätzlichen Lageregelung für die gegenseitige Lage von Schablonenschlitten und Werkzeugschlitten, dessen Bewegung mittels eines Hilfs- bzw. Steuerschlittens rückführbar ist, der dem Schablonenschlitten folgt, wobei die Welle der Schablone mit der Werkstückspindel über eine elektrische Gleichlaufübertragung in Wirkverbindung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Antriebsspindel (12.1) des Werkzeugschlittens (12) und der Antriebsspindel (7.1) des Steuerschlittens (7) eine elektrische Gleichlaufübertragung angeordnet ist und elektronische Einrichtungen zur Kontrolle der gegenseitigen Lage von Werkzeugschlitten (12) und Steuerschlitten (7) vorgesehen sind.

2. Kopierregeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugschlitten (12) mit einem elektrischen Geber (12.3) für eine Lageanzeige verbunden ist, wobei der Geber (12.3) gleichzeitig den elektrischen Gleichlaufantrieb für den Steuerschlitten (7) steuert und der Steuerschlitten (7) mit einem gleichartigen elektrischen Geber (7.3) verbunden ist, wodurch über eine elektronische Vergleichsschaltung die Lager von Werkzeugschlitten (12) und Steuerschlitten (7) über eine Differcnzlogik (8.1) vergleichbar sind, wobei eventuell auftretende Differenzen die Korrektur der Lage des Steuerschlittens (7) zum Werkzeugschlitten (12) bewirken.

3. Kopierregeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (12.3) des Werkzeugschlittens (12) ein Digitalgeber ist, dessen Anzahl Impulse pro Umdrehung der Steigung der Antriebsspindel (12.1) des Werkzeugschlittens (12) und der gewünschten Genauigkeit entspricht, wobei diese Impulse zur Lageanzeige bzw. zur Messung des Vorschubs des Werkzeugschlittens (12) sowie über ein Ansteuergerät (7.7) der Steuerung eines Schrittmotors (7.2) für den Antrieb der Spindel (7.1) des Steuerschlittens (7) dienen, und daß der Geber (7.3) an der Spindel (7.1) des Steuerschlittens (7) ebenfalls ein Digitalgeber ist, der eine Zahl von Impulsen abgibt, die den vom Schrittmotor (7.2) tatsächlich ausgeführten Schritten entspricht, wobei die Impulszahl der beiden Geber (7.3; 12.3) in einer elektronischen Differenzschaltung (8.1) vergleichbar ist und eventuelle Differenzen digital ausgebbar sind und wobei jeder einzelne Fehlimpuls (Korrekturimpuls) unmittelbar durch zusätzliche Eingabe an den Schrittmotor (7.2) zur Korrektur der Lage des Steuerschlittens (7) dient sowie die Stillsetzung der Maschine dann bewirkt, wenn bei Überschreitung einer ziffernmäßigen Toleranzvorgabe (8.2) ein besonderes Signal (8.3) erscheint.

4. Kopierregeleinrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichlauf korrektur unmittelbar an der Spindel (7.1) des Steuerschlittens (7) vorgenommen wird.

5. Kopierregeleinrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll- und Fehlimpulse einem elektronischen Speicher (7.8), z. B. einem Schieberegister, zugeführt und dort durch eine regelbare Taktsteuerung, z. B. über einen Taktgenerator (7.9), abgerufen werden, wobei die Regelung der Taktsteuerung derart erfolgt, daß der Sollwert für die Drehzahlregelung des Antriebsmotors (12.2) für den Werkzeugschlitten (12) die Frequenz der Taktsteuerung bestimmt, wodurch dem Schrittmotor (7.2) des Steuerschlittens (7) die der jeweiligen Kopiergeschwindigkeit und zusätzlichen Korrektur entsprechende Schrittfrequenz über eine an sich bekannte Anlaufsleuerung für hohe Frequenz aufgedrückt wird.

6. Kopierregeleinrichtung nach den Ansprüchen 4 und S, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur-Impulse auf einen Korrektur-Schrittmotor (7.22) gegeben werden, der über ein Getriebe (7.23) die Mutter (7.24) der Antriebsspindel (7.1) des Steuerschlittens (7) sinngemäß verdreht.

7. Kopierregeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Maßstabs der Schablone (2) gegenüber dem Werkstück die Impulse pro Umdrehung der Antriebsspindel (12.1) des Werkzeugschlittens (12) zahlenmäßig elektronisch verändert dem Schrittmotor (7.2) für den Steuerschlitten (7) zuführbar sind und/oder dieser Schrittmotor (7.2) mit einer anderen Winkelteilung versehen wird.

8. Kopierregeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Zählschaltung der Antriebsspindel (12.1) des Werkzeugschlittens (12) für die Anzeige eine elektronische Vervierfachung der Impulse des Gebers (12.3) in einem Impulsvervielfacher (12.4) durchgeführt wird, während für die Ansteuerung des Schrittmotors (7.2) des Steuerschlittens (7) die Impulszahl des Gebers (12.3) über einen zweiten Impulsvervielfacher (12.42) verdoppelt wird.