DE2520946A1 - Verfahren zur verhinderung oder beseitigung von ratterschwingungen der arbeitsspindel von werkzeugmaschinen und einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

• "Verfahren zur Verhinderung oder Beseitigung von Ratterschwingungen der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung oder Beseitigung von Ratterschwingungen der Arbeitsspindel von Werkzeugma.schinen mit Hilfe eines stufenlos steuerbaren Elektro antriebs und eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
• Es ist bekannt, daß durch die elastische Nachgiebigkeit des systems Werkzeugmaschine - Arbeitsspindel - Werkzeug - Zerspanungsprozeß - Werkstück leicht ein Rattern zwischen der Werkzeugschneide und dem Werkstück auftritt, das sich durch s-tandigen. Wiedereintritt der Werkzeugschneide in bereits vorgebildete Rattermarkierungen, insbesondere bei konstanter Drehzahl und konstantem Vorschub schnell zu einem regenerativem Rattern ausweitet. Diese Erscheinung führt zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß, oft zum Werkzeugbruch, und aufgrund der Rattermarkierungen an der Bearbeitungsoberfläche des Werkstückes zu erhöhten Ausschußquoten.
• Es bietet sich an, zur Begrenzung des atterns die Schnittleistung herabzusetzen. Dies hat aber den Nachteil, daß eine evtl.
• vorhandene höhere Motorleistung nicht in die gewünschte Zerspanungsleistung umgesetzt werden Renn0 kianche BearbeitungsvorFFngeS wie z.B. das Ausspindeln von Bohrungen mit überlangen Bohrstangen (Verhältnis: Länge/Durchmesser größer als 5) lassen sich denn nicht mehr durchführen.
• Eine Erhöhung der statischen Steifigkeit des oben angeführten Systems als weitere mögliche Maßnahme zur Vermeidung des Ratterns ist nur begrenzt anwendbar, da der Elastizitätsmodul der verfendeten Werkstoffe konstant ist. Auch einer Erhöhung der Dämpfung sind Grenzen gesetzt. Schließlich erfordert die Anbringung von Hilfsmassenschwingern aufwendige Konstruktionen und größeren Bauraum, der nicht immer vorhanden ist.
• Mit den genannten Maßnahmen ist aber auch nur eine Verminderung der Schwingungsamplituden oder eine Verlagerung der vorhandenen Resonanzfre'iuenzen in andere Frequenz bereiche möglich, nicht aber eine Beseitigung der Ursache des regenerativen Ratterns.
• Es ist z. 3. aus Porschungsarbeiten von Spur, Milberg9 Stöferle und Grab (Kurz berichte Hochschulgruppe Bertigungstechnik der Technischen Hochschulen und Universitäten der Bundesrepublik Deutschland, 72/38 und 73/33; Werkstatt und Betrieb, 105 (1972), S. 727/730) bekannt, daß das Rattern durch dauernde Störungen der konstanten Schnittbedingungen, aus denen heraus sich die beschriebenen Schwingungen aufschaukeln, nicht nur gemildert, sondern bis zu gewissen Grenzen beseitigt werden kann. In einfachster lteise geschieht dies durch periodisch wiederholte Änderung der Drehzahl der Arbeitsspindel.
• Zur praktischen Verwirklichung dieses Vorschlages liegen einige Lösungen auf der Hand, die aber bei näherer Betrachtung mit Nachteilen für die Praxis verbunden sind: So gibt es zunächst die Möglichkeit, die Drehzahl durch Umschaltung in jeweils benachbarte Drehzahlstufen zu ändern, z. B. bei Kupplungsgetrieben. Die hohe Umschaltungsfrequenz führt jedoch zu einer schnellen Abnutzung der Kupplungen und/oder zu einer dauernden stoßartigen Belastung und entsprechendem Verschleiß des Antriebsmotors.
• Dort, wo stufenlose elektrische Antriebe benutzt werden, deren Drehzahlen üblicherweise manuell über ein Potentiometer eingestellt werden, bietet sich die Möglichkeit, das Potentiometer durch einen mechanischen Schwingantrieb, z. B. eine motorisch angetriebene Kurbelschwinge zu betätigen. Eine solche Einrichtung würde jedoch bald zur Zerstörung des Potentiometers führen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verschleißlos arbeitende Einrichtung zu schaffen, welche zur Beseitigung der Ursachen von Ratterschwingungen mit wenig Aufwand die Drehzahl eines atufenlos regelbaren Antrieb@@tors über einern bestimmbaren Drehzahlbereich selbsttätig ändert und ein Verfahren anzugeben, nach dem nam durch Drehzahlüberlagerung die Schnittbedingungen fortlaufend ändern und damit ein regeneratives Schwingen stirn kann.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindug ein verfahren der eingangs beschriebenem @attung vor, bei dem die Steuerspannung und damit die Drehzahl der Arbeitsspindel durch Überlagerung der der Grunddrehzahl entsprechenden Sollspannung Us mit einer sich kontinuierlich und periodisch ändernden Spannung # U@ variiert wird.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, als Überlagerungsspannung eine perriodische Dreiecks- oder sinusspannung zu verwenden. Die Verwendung solcher Überlagerungs-Spannungen hat zunächst den Vorteil, daß evtl. schädliche Drehzahlen nur äußerst kurz angefahren werden und der zeitliche Verlauf der Drehzahländerung leicht kontrollierbar und veränderbar ist. Weiter ist ein Funktionsgenerater zur Erzeugung solcher Spannungsverläufte leicht und billig zu realisieren, insbesondere ein Dreiecksspannungsgenerator.
• Ein weiterbildendes Merkmal der Erfindung besteht darim, daß die Amplitude der Üerlagerungzspannung # Us proportienal zu der Grunddrechzahl geregelt wird. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, daß eine Überlagerung einer Spannung nit konstarter Amplitude bei kleinen Dreh2ahlen zu stark, bei hohen Drehzahlen dagegen fast ohne Einfluß wäre.
• Durch eine drehzahlproportionale Amplitude der ¢berlagerungsspannung wird auch bei niedrig eingestellten Drehzahlen eine Drehri chtungsumkehr infolge der Spannungsüberlagerung aus geschlossen. Bei drehzahlabhängiger Regelung der Überlagerungs spannung braucht der Bedienungsmann der Werkzeugmaschine nur einen Drehzahlknopf einzustellen und die Einstellung der richtigen Uberlagerungsspannungsaiplitude erfolgt dann selbsttätig entsprechend einem bestimmten Prozentsatz der eingestellten Drehzahl. Lediglich der Befehl zur periodischen Drehzahlüberlagerung wird bei Bedarf vom Bedienungsmann durch einen Schalter eingegeben.
• Die Erfindung sieht ferner die Möglichkeit vor, die vorstehend -beschriebenen Funktionen des Bedienungsmannes auch zu automatisieren, z.B, durch Verwendung einer numerischen Steuerung.
• Erfindungsgemäß wird ferner eine Einrichtung zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß dem Antriebsmotor für die Arbeitsspindel eine Drehzahl einrichtung mit einem Drehzahlregler zugeordnet ist und daß der Drehzahlregler ihit einem die der Grunddrehzahl entsprechende Sollspannung variierenden Funktionsgenerator und generator einem die Istdrehzahl der Arbeitsspindel messenden Tachomete eingangsseitig gekoppelt ist.
• In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in dem Funktionsgenerator die der Grunddrehzahl entsprechende Sollspannung U über ein Potentiometer einstellbar ist, eine Dreieckspannung über zwei Operationsverstärker, die als Integrierer und Schmitt-Trigger geschaltet sind, erzeugt wird, auf den invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers die ousgangsspannung des Integriers und auf dessen positiven Eingangs die Sollspannung Us gegeben wird, über ein zweites Po-0 tentiometer eine flückführung des Ausgangs des dritten Operationsverstärkers an dessen invertierenden Eingang stattfindet und die beiden Potentiometer über eine gemeinsame Welle gekuppelt sind.
• Vorteilhafterweise wird zur Begrenzung der Ausgangsspannung des Funktionsgenerators zwischen dessen Ausgangsanschlüssen eine an sich bekannte Antiparallelschaltung zweier Dioden und zweier Zenerdioden angeordnet.
• Schließlich kann noch durch einen weiteren Operationaverstärker die Überlsgerungssmrilitude des Ausgangssignals manuell einstellbar sein, wie auch durch einen Schalter und Schwingtmgsmesser in der Nähe der Arbeitsspindel die Drehzahlüberlagerung automatisch einschaltbar sein kann.
• Anhand der Figuren und Diagramme wird ein Susführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur gusfuhrung des erfindungsgemäßen Verfahrens nachfolgend naher erläutert, und zwar zeigen Fig. 1 als Blockschaltbild einen elektrischen Antrieb einer Werkzeugmaschine mit Drehzahl- und Stromregelkreisw Fig. 2 das Schaltbild eines Funktionsgenerators ur Erzeugung von lreiecksfunktionen für die Drehzahlüberlagerung, Fig. 3 ein Diagramm der im Funktionsgenerator erzeugten zeit abhängigen Überlagerungsfunktionen, Fig. 4 ein Diagramm der zeitaBhängigen Änderung der überlagerten Sollwertspannung für die Drehzahlsteuerung und Fig. 5 ein der Fig. 4 ähnliches Diagrnmm, wenn die Sollwertbegrenzung für die maximal zulässige Drehzahl wirknawird.
• In Fig. 1 ist ein Gleichstrommotor 1 dargestellt, der die Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine antreibt und von einem Thyristor-Stormrichter 3 mit Gleichstrom versorgt wird.
• Die Drehzahl des Motors ist proportional einer Gleichspazinnng U zwischen den Werten O und + U max veränderbar. Die Vorzeichen entsprechen der Drehrichtung des Motors. Da es sich um So wertspannungen handelt, werden sie im folgenden mit Uso, Us bzw. Us max. bezeichnet, wobei Us = Us + #Us vari ierte Sollspannung bedeutet. Die primäre Stromversorgung erfolgt aus dem Drehstromnetz 4. Der Brehzahl-Sollwert wird in Form der variierten Sollspannung Us eingegeben. Er wird im Drehzahlregler 5 mit dem vom Dachogenerator 6 an der Motorwelle abgegriffenen Drehzahl-Istwert korrigiert und gelangt von dort in den Stromregler 7. Dieser überprüft anhand des in der Zuleitung zum Motor 1 gemessenen Stromes, ob ein vorgegebener Maximalstrom bzw.
• maximal variierte Sollspannung Us max. nicht überschritten wird.
• Schließlich gelangt das Drehzahl-Sollwertsignal über einen Steuersatz 8 zur Ansteuerung in den Thyristor-Stromrichter 3.
• Üblicherweise wird die Sollspannung Uso für die Drehzahlsteuerung durch ein Potentiometer 9 auf der Bedienungstafel eingestellt (Fig. 2) und läßt sich an den Punkten 10 und 11 abgreifen. Äls Gleichspannungsquelle dient z. B. eine Anzapfung des Thyrister-Stromrichters 3, die die Spannung +UD und -Ug bereitstellt. Mit einem Wahlschalter 12 wird die Drehrichtung vorgewählt.
• Zur Überlagerung der Sollwertspannung Uso mit der Spannungsäderungß Us wird nun die in Fig. 2 beschriebene Schaltung verwendet. Diese Schaltung enthält im wesentlichen eine Kombination von vier Operationsverstärkern 13 bis 16. Damit eine Sparnungsüberlagerung möglich wird, müssen die vier Operationsverstärker aus einem potentialgetrenntem Netzgerät mit den Betriebsspannungen +UB und UB versorgt werden. Die Sollspannung Uso der Grunddrehzahl wird auf den Ausgang 0 des Retzgerätes 17 gegeben.
• Auf diese Weise wird die gesamte Versorgungsspannung der Operationsverstärker um den Betrag U@ gegenüber dem Massepotentio-So nal angehoben.
• Die beiden Operationsverstärker 15 und 14 erzeugen in ihrem Zusammenwirken am Knotenpunkt 18 eine DreiecksfuStion mit einer bestimmten Frequenz, die der Sollspannung U zu überlagern ist.
• 5o Der flperationsverstärker 13 bildet mit der Rückkopplung iiber den Kondensator 19 zum invertierenden Ringang einen Integrierer 21, der Operationsverstärker 14 mit einer Rückführung über den Wiederstand 22 zu dem positiven Eingang einen Schmitt-Trigger 23 mit Hysterese, d.h., der Operationsverstärker 14 kann nur zwei Ausgangszustände +UTr und-UTr annehmen ( Knotenpunkt 24, siehe auch 5g. 5 ). Der Ringangswiderstand 25 des Schmitt-Triggers 23 wird voa Ausgang des Integrierers 21 angesteuert. Die Widerstände 22 und 25 bestimmen die Hysterese des Schmitt-Triggers 23. Sie ist gleich einem bestimmten Prozentsatz des maximal möglichen Spannungssollwertes, also + r U5 max, wie in Fig. 3 dargestellt.
• Beträgt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 14 zu einem bestimmten Zeitpunkt UT, z.B. zur Zeit O in Fig. 3, dann steht diese Spannung über das Potentiometer 26 und den Widerstand 27 am invertierenden Eingang des Integrierers 21 an.
• Die Ausgangsspannung des Integrierers baut sich also in positiver Richtung auf. Erreicht sie die Hysteresegrenze + p . Us max des Schmitt-Triggers 23, dann schaltet dessen Ausgang auf +UTr um. Infolgedessen steht am Integrierer 21 eine entgegengesetzt gerichtete Spannung an und die Spannung an dessen Ausgang der nimmt wieder linear über/Zeit ab. Dies geschieht so lange, bis die Ausgangsspannung des Integrierers 21 die andere Hysterese grenze des Schmitt-Triggers 23 von n . U5 max erreicht. In diesem Moment schaltet der Schmitt-Trigger auf -UTr um, und der Vorgang wiederholt sich periodisch wie beschrieben.
• Mit Hilfe des Potentiometers 26 läßt sich die Frequenz der Dreiecksfunktion einstellen. Wahlweise bietet sich die MOF-lichkeit, das Potentiometer 26 als Trimmwiderstand bei konstanter Frequenz im Inneren des Gerätes zu belassen oder als Potentiometer auf der Bedienungstafel anzuordnen, damit der Bedienungsmann die Frequenz beeinflussen kann, Der Operationsverstärker 15 erhält über den Widerstand 28 das aus dem Integrierer 21 kommende Dreieckssi .- Damit an seinem der Ausgang (Knotenpunkt 29) die Amplitude der Dreiecksspannung/mit dem Faktor pmultiplizierten Grundsollspannung U9 ist, ist der 15 Ausgang des Operationsverstärkers/über ein Potentiometer 30 zu seinem invertierendem Eingang rückgekoppelt. Das Potentiometer 3o hat dieselbe Betätigungssache wie das Potentiometer 9 für die Sollspannung U . Beide Potentiometer werden also zum Zwekke der Drehzahlvorwahl vom Bedienungsmann gleichzeitig betätigt.
• Mit einem weiteren Potentiometer 31, das im Ruckkopplungsweg zum invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 16 liegt, kann die Uberlagerungsamplitude zwischen 0 und dem Höchstwert PUs verändert werden. Auch das Potentiometer 31 kann wahlweise als Trimm-Widerstand für eine konstante Überlagerungsamplitude im Inneren dos Gerätes belassen oder als Potentiometer auf die Bodienungstafel verlegt werden, um dem Bedienungsmann die Möglichkeit zu geben, die Uberlagerungsamplitude zu beeinflussen.
• km Ausgang des Operationsverstärkers 16 (Knotenpunkt 32) ergibt sich jetzt gegenüber dem Massepotentional (Punkt 10) ein liberlagerter Spannungsverlauf, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.
• Nun wird es beim Einstellen höherer Grunddrehzahlen vorkommen, daß Infolge der ttberlagerung ein größerer als der maximal zulässige Sollwert US max erzeugt wird. Um zu vermeiden, daß dem nrehzehlregler 5, der an den Punkten 32a und Oa angeschlossen ist, zu hohe Sollwertspannungen eingegeben weiden, müssen diese durch eine an sich bekannte Antiparallelschaltung von zwei Dioden 33,34 und zwei Zenerioden 35,36 auf Us max begrenzt werden (Fig. 5).
• Der Bedienungsmann hat die Möglichkeit, die eben beschriebene Einrichtung zur periodischen Änderung der Drehzahl-Sollwertspannung wahlweise bei Bedarf zuzuschalten, und zwar über einen handbetätigten Schalter 37. Wird dieser Schalter geschlossen, zieht ein Relais 38 an und betätigt einen Kontakt 39, so daß die erzeugte Dreiecksfunktion vom Funktionsgenerator zum Operationsverstärker 16 übertragen werden kann. Eine an sich bekannte Schutzschaltung mit zwei antiparallel geschalteten Dioden 40 und 41 unterdrückt eventuelle Störspannungen, die bei geöffnetem Relaiskontakt 39 den Operationsverstärker 16 beschädigen könnten.
• Wird der Kontakt 39 geöffnet, so befindet sich der Operationsverstärker 16 über die Rückführung durch das Potentiometer 31 im Iiull-Abgleich. Dann hat der Ausgang des Operationsverstärkers 16 gegenüber dem Nassepotentional das gleiche Potentional wie der O-Ausgang des Netzgerätes 17, d. h. am Punkt 32a steht die am Potentiometer 9 eingestellte Sollspannung U unverändert 5o zur Verfügung.
• Soll die gesamte eben beschriebene Einrichtung zur periodischen Drehzahländerung nicht von Hand eingestellt, sondern z. B. über eine numerische Steuerung automatisch betrieben werden, so sind in an sich bekannter Weise die Potentiometer 9 und 30 durch eine codierte Anordnung von Widerständen zu ersetzen. Hierbei muß darauf geachtet werden, daß entsprechend der programmierten Drehzahl paarweise nicht nur für die Drehzahl-Sollspannung Uso benötigte Widerstand, sondern gleichzeitig ein proportionaler Widerstandswert für die Rückführung des Operationsverstärkers 15 eingestellt wird.
• Das automatische Hinzuschalten der Drehzahlfiberlazerunffl ist In einfacher Weise durch Programmieren von entsprechenden Hilfsfunktionen möglich. Da der Programmierer aber nicht immer im voraus weiß, ob unter bestimmten Schnittbedinguxigen Rattern auftreten wird oder nicht, empfiehlt sich zu@ selbsttätigen Steuerung des Vorganges der Einbau eines an sich bekannten Schwingungsaufnehmers in der Nähe der Arbeitsspindel, der bei Ansprechen eines vorher eingestellten Schwellwertes ein Signal an das Relais HS zur Einschaltirng der Drehzahlüagerung abgibt. Durch Selbsthaltung bleibt das Relais so lange angezogen, bis vom Lochband andere Schnittbedingungen oder ein anderes Werkzeug für d':n nächsten Arbeitsschritt vorgegeben werden.

Claims (10)

Patentansprüche

1) Verfahren zur Verminderung oder Beseitigung von Ratterschwingungen der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen mit Hilfe eines stufenlos steuerbaren Elektroantriebs, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Arbeitsspindel durch Uberlagerung der der Grunddrehzahl entsprechenden Sollspannung U5 mit einer sich kontinuierlich und periodisch 0 ändernden Spannung Us variiert wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Uberlagerungsspannung eine periodische Dreiecks- oder Sinusspannung verwendet wird.

3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Uberlageningsspannung Us und damit die Größe der Drehzahländerung proportional zu der Grunddrehzahl geregelt wird.

4) Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Antriebsmotor (1) für die Arbeitsspindel eine Drehzahlregeleinrichtung (3,5,7,8) mit einem Drehzahlregler (5) zugeordnet ist und daß der Drehzahlregler (5) eingangsseitig mit einem die der Grunddrehzahl zugeordnete Sollspannung variierenden Funktionsgenerator (Fig. 2) und einem die Istdrehzahl der Arbeitsspindel messenden Tachometergenerator (6) gekoppelt ist.

5) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Funktionsgenerator (Fig. 2) über ein Potentiometer (9) die der Grunddrehzahl entsprechende Sollspannung Us 0 und über zwei Operationsverstärker (13,14), von denen einer als Integrierer (21) und der andere als Schmitt-Trigger (24) geschaltet ist, eine Dreiecksspannung erzeugt wird, daß auf den invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärker (15) die Ausgangsspannung des Integrierers (21) und auf dessen positiven Eingang die Sollspannung Uso gegeben wird, daß über ein Potentiometer (30) eine Rückkopplung des Ausgangs des Operationsverstärkers (15) an seinen invertierenden Eingang gebildet ist und daß die Potentiometer (9,30) eine gemeinsame Betätigungswelle haben.

6) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Ausgangsstannung Us zwischen den Ausgangsanschlüssen des Funktionsgenerators eine an sich bekannte Antiparallelschaltung zweier Dioden (33,34) und zweier Zenerdioden (35,36) angeordnet ist.

7) Winrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (16) mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers (ins) verbunden ist, an deren positiven Eingang die Sollspannung gegeben wird, und daß eine Rückkopplungsschleife vom Ausgang des weiteren Operationsverstärkers über ein Potentiometer (31) zu dessen invertierenden Eingang derart gebildet ist, dsß die Überlagerungsamplitude Us zwischen O und einem Maximalwert, der gleich einem vorgewählten Prozentsatz P der Sollapannung U ist, einstellbar ist.

5o 8) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem dritten Operationsverstärker (15) und dem weiteren Operationsverstäker (16) ein Schalter (37) zum Ein- oder Abschalten der Drehzahlüberlagerv<g angeordnet ist.

9) Einrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zum automatischen Zuschalten der Drehzahlüberlagerung (Schelter 37) in der Nahe der Arbeitsspindel ein an sich bekannter Schwingungsaufnehmehmer mit Schwellwertauslöser vorgesehen ist.

10) Einrichtung nach Anspruch 6 bis 9, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß zwischen dem invertierenden Eingantg des weiteren Onerationsverstärkers (16) und dessen die Sollspannung Us führenden positiven Eingang eine an 0 sich be@annt@ schutzschaltung mit zwei antiparallel geschalteten Dioder (40,41) angeordnet ist.

L e e r s e i t e