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Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine.
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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine,
die eine Bearbeitung in einer Folge von Bearbeitungsgängen ausführt, zwischen denen
eine Vorschubzunahme oder -nachstellung entweder durch einen Vorschub des Werkzeugs
zum Werkstück oder umgekehrt ausgeführt wird. Es ist of erforderlich, die Vorschubzunahme
fortlaufend zu verringern, entweder um eine sehr feine Oberflächenbearbeitung sicherzustellen
oder um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß bei gleich großen Vorschubschritten
in aufeinanderfolgenden Bearbeitungsgängen zunehmend größere Metallvolumina abgetragen
werden.
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Die Erfindung eignet sich besonders zum Steuern von Hinterdrehmaschinen,
die zum Hinterdrehen von Abwälzfräsern oder Formfräsern verwendet werden. Die Erfindung
kann auch zum Steuern von Gewindeschneid- und Schleifbänken und beispielsweise Formfräs-
und Formschleifmaschinen sowie zum degressiven Steuern des Vorschubes bei anderen
Werkzeugmaschinen, wie Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Räum- oder Hobelmaschinen u.
dgl.
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verwendet werden.
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Es ist bekannt, die Vorschubnachstellung einer Hinterdrehmaschine
mittels eines geeignet geformten Nockens zu steuern, der die Bewegung eines Schlittens
über ein elektromechanisches Servosystem steuert. Eine derartige Vorrichtung ist
komplex und sperrig und benötigt ein übermäßiges Maß an Wartung.
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Zur Vermeidung dieser Probleme sieht die vorliegende Erfindung eine
Steuervorrichtung für eine Werkzeugmaschine vor, die gekennzeichnet ist durch eine
Einrichtung zum Speichern einer für einen Bearbeitungsgang verwendeten Vorschubzunahme
oder -nachstellung eine Einrichtung zum Speichern einer Modifizierungskonstante
und eine Einrichtung, die die Vorschubzunahmen für einen nachfolgenden Bearbeitungsgang
berechnet durch Bilden einer gegebenen mathematischen Kombination der gespeicherten
Vorschub zunahme und der Konstante und durch Ersetzen der gespeicherten Vorschubzunahme
hierdurch.
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Die Steuervorrichtung arbeitet also bei einer Folge von Arbeitsgängen
iterativ. Die Konstante kann von der Vorschubzunahme subtrahiert werden. In diesem
Fall bilden die Vorschubzuanhmen eine abnehmende arithmetische Reihe und würde ein
Diagramm eines kumulierten Vorschubs über einer Anzahl von Arbeitsgängen eine parabolische
Kurve ergeben. Eine derartige Kurve weist eine gute Anfangsform auf, endet jedoch
ziemlich plötzlich, wenn die Vorschubzunahme gegen Null geht.
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Es wird daher bevorzugt, die Vorschubzunahme mit der Konstanten zu
multiplizieren, die in diesem Fall kleiner als Eins sein muß, so daß die Vorschubzunahmen
eine abnehmende Exponentialreihe bilden und ein Diagramm des kumulierten Vorschubs
eine Exponentialkurve ergibt.
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Obwohl die Vorschub zunahme und die Konstante in analoger Form gespeichert
werden können, wird es bevorzugt, sie digital zu speichern und eine von Hand einstellbare
Einrichtung zum Einstellen ihrer Werte vorzusehen. Der Vorschub kann dann entsprechend
der gespeicherten Vorschub zunahme unter Verwendung bekannter numerischer Steuerungsverfahren
bewirkt werden.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 den Vorgang des Hinterdrehens eines großen Abwälzfräsers; Fig. 2 eine graphische
Darstellung des Vorschubs über dem Bearbeitungsgang; Fig. 3 die Schalttafel der
Steuervorrichtung nach der Erfindung; Fig. 4 die Hauptelemente der Steuervorrichtung
in vereinfachter Blockform.
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Fig. 1 ist ein teilweiser Querschnitt in einer längsgerichteten axialen
Ebene von Teilen zweier benachbarter Zähne 10 und 11 eines schraubenförmigen Walzenfräsers.
Der Walzenfräser ist zwischen den Spitzen einer Hinterdrehbank angeordnet.
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Wenn der Walzenfräser gedreht wird, wird der Support entsprechend
der Ganghöhe der Schraubenlinie verschoben, und zwar mit automatischer Rückführung,
während welcher der X-Schlitten zurückgezogen ist. Dabei wird die Z-Achse von links
nach rechts zwischen den Spitzen verlaufend angenommen und X als die senkrecht von
der Z-Achse weggerichtete waagerechte Achse, vgl.
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Fig. 1. Das Rechteck 12 - 15 zeigt die Verbundbewegung des X-Schlittens
wie folgt: 12 - Schneidvorgang 13 - Zurückziehen 14 - Rückführung 15 - Einstichvorschub
Das rohe Zahnprofil vor dem Beginn des Hinterdrehens ist bei A, B, C, D, E, F gezeigt.
Zu Beginn werden die Spitzen der Zähne durch Entfernen der Querschnitte A, B, G,
H und E, F, I, J in Bearbeitungsgängen P1 usw. hinterdreht, während welcher die
entsprechend bezeichneten Dicken von Metall von einem vom
X-Schlitten
getragenen Werkzeug entfernt werden. Für die Klarheit der Zeichnung sind die entfernten
Dicken stark übertrieben dargestellt. Der Einstichvorschub 15 muß vor jedem Schneidgang
12 entsprechend mit einer Vorschubzunahme versehen werden, wobei die Vorschubzunahmen,
wie bei P1 bis P5 gezeigt, zunehmend vermindert werden müssen.
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Der nächste Schritt ist das Drehen der rechten Flanke der Schraube
unter Verwendung eines Formwerkzeugs 16, das in der Stellung zu Beginn dieses Schritts
gezeigt ist. Während der Gänge Q1 usw., wird die rechte Flanke geschnitten und es
ist zu sehen, daß eine kombinierte Eins tichvorschub zunahme mit Vorschubzunahmen
-dZ und -h * rforderlich ist, die so im Verhältnis stehen, daß iAZ/AX| = tan a,
wobei a der gezeigte Winkel ist (der schließlich der Eingriffswinkel des Zahnradzahns
sein wird), so daß das Werkzeug 16 gleitet ohne an der linken Flanke E, J, D zu
schneiden. Die Vorschubzunahmen müssen sich wiederum zunehmend vermindern. Bei diesem
zweiten Schritt wird der Bereich G, C, D, K, L, M entfernt.
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In einer dritten Stufe wird der Bereich L, K, J, N, O, P unter Hinterdrehen
der linken Flanke entfernt, wobei die Vorschubzunahmen +AZ und -X so gewählt sind,
daß IZ/AXI wiederum tan a ist.
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Bei allen drei Schritten wird das tatsächliche Hinterdrehen jedes
Zahns in an sich bekannter Weise ausgeführt unter Zerwendung eines auf einen weiteren
X-Schlitten wirkenden Nockens, der diesen Schlitten einwärts bewegt, während das
Werkzeug über jeden Zahn schneidet, und den Schlitten zwischen den Zähnen zurückzieht.
Wegen der Abschrägung a der Flanken ergibt der X-Vorschub die Hinterdrehung des
Eingriffswinkels (Hauptschneide) beim zweiten und dritten Schritt.
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Fig. 2 zeigt den X-Vorschub als Funktion der Anzahl der Bearbeitungsgänge.Längs
der Ordinate ist -X aufgetragen, da der Einstichvorschub in der (-X)-Richtung erfolgt.
Der Ursprung
der Ordinate wird der Einfachheit wegen als Anfangsstellung
des Werkzeugs angenommen, d.h. die in Fig. 1 für den zweiten Schritt dargestellte
Stellung. Der Einfachheit wegen ist die anfängliche Vorschubzunahme als 1 mm angenommen,
obwohl dies in der Praxis ziemlich groß sein dürfte.
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Die Kurve 17 zeigt die Verhältnisse, die sich ergeben, wenn eine
Konstante von 0,2 bei jedem Bearbeitungsgang von der Vorschubzunahme abgezogen wird.
Die Vorschubzunahmen sind daher 1,00, 0,80, 0,60, 0,40, 0,20 (eine arithmetische
Reihe), wobei vom sechsten Bearbeitungsgang aufwärts ab keine Vorschubzunahme erfolgt,
d.h. kein weiterer Vorschub. Die Kurve 17 ist annähernd parabolisch und der Vorschub
hört ziemlich plötzlich auf. Obwohl dies für einige Anwendungen zufriedenstellend
sein kann, wird der Vorschub vorzugsweise entsprechend einer Exponentialkurve 18
geändert.
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Die Exponentialkurve 18 wird unter Verwendung einer anfänglichen
Vorschubzunahme von 1,00 mm und einer multiplikativen Konstante von 0,8 so erzeugt,
daß die Vorschubzunahmen der geanetrischen Reihe folgen: 2 3 1 1 x 0,8 1 x (0,8)
1 x (0,8) usw., d.h. 1,00, 0,80, 0,64, 0,51, 0,41, 0,33, 0,26 usw., wodurch der
kumulative Vorschub dem Exponentialverlauf folgt: 1,00, 1,80, 2,44, 2,95, 3,36,
3,69, 3,95, usw.
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Fig. 3 zeigt ein Steuerpanel für eine Steuereinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. Ein Schalter 20 mit zwei Stellungen ermöglicht wahlweise
mit manueller Steuerung M oder autanatischer Steuerung A der Vorschub zunahme zu
arbeiten. Für den Automatikbetrieb ist eine Reihe von dekadischen Rändeldrehschaltern
vorgesehen, nämlich vier Schalter 21 zum Einstellen des erforderlichen Gesamtvorschubs,
drei Schalter 22 zum Einstellen der anfänglichen Vorschubzunahme und
drei
Schalter 23 zum Einschalten der Konstante. Ein Kipp-oder Wippenschalter 24 bestimmt,
ob die Größen die X- oder die Z-Achse betreffen, während ein Kipp- oder Wippenschalter
25 bestimmt, ob der Vorschub für diese Achse positiv oder negativ ist.
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Drei Nummernschalter 26 und ein Kipp- oder Wippenschalter 27 dienen
zur Eingabe von tan a oder cot a und des zugehörigen Vorzeichens, wenn Vorschubzunahmen
für beide Achsen benötigt werden wie bei den Schritten 2 und 3 von Fig. 1. Ein weiterer
Nummernschalter 28 dient zur Einstellung einer Anzahl von "Ausfeuer"-Arbeitsgängen
ohne jeglichen Vorschub am Ende eines Schritts. Wenn die Schalter eingestellt worden
sind, wird ein Druckknopf 30 gedrückt, um die verschiedenen Größen in Speicher einzugeben,
die in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben werden.
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Eine mit Leuchtdioden arbeitende vierstellige Anzeigevorrichtung
29 oder andere bekannte numerische Anzeigevorrichtungen zeigen den Vorschubrest
an. Dies ist die an den Schaltern 21 anfänglich eingestellte und durch die tatsächlich
ausgeführten Vorschubzunahmen verringerte Größe. Wenn dieser Vorschubrest den Wert
Null erreicht, hört der Vorgang auf oder geht, wenn der Schalter 28 auf einen von
Null verschiedenen Wert eingestellt wurde, auf die Durchführung der Ausfeuerzyklen
über.
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Die Einrichtung gemäß Fig. 4 enthält digitale Speicher 31, 32 und
33, in die beim Drücken des Druckknopfs 30 die gesamte Vorschubzunahme bzw. Konstante
von den Schaltern 21, 22 bzw. 23 in bekannter Weise eingegeben werden. Die Bewegungen
12-15 der Schlitten (Fig. 1) werden in an sich bekannter Weise durch Grenzschalter
gesteuert, von denen einer an einer geeigneten Stelle im Zyklus, etwa am Ende des
Bearbeitungsgangs 12, über eine Leitung 34 ein Signal liefert. Dieses Signal bewirkt,
daß der Inhalt des Vorschubzunahmespeichers 32 in einem den kumulativen Vorschub
speichernden Akkumulator 35 aufaddiert wird und leitet auch einen Rechenzyklus ein,
in
dem der Inhalt des Vorschubzunahmespeichers 32 in einem digitalen Multiplizierer
36 mit der Konstanten im Speicher 33 multipliziert wird, wobei das Produkt als neue
Vorschubzunahme in den Speicher 32 rückgespeichert wird. Das Produkt wird auch durch
einen Subtrahierer 37 vom Inhalt des Speichers 31 abgezogen, so daß der Gesamtvorschub
um die neue Vorschubzunahme vermindert wird, wobei der Rest durch die Anzeigevorrichtung
29 angezeigt wird.
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Ein weiterer Grenzschalter an der Maschine liefert am Ende der Rückführung
14 über eine Leitung 38 ein Signal, das die Notwendigkeit für einen erneuten Einstichvorschub
signalisiert.
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Dieses Signal setzt ein bistabiles Flip-Flop 39, der ein Tor 40 öffnet,
das Impulse von einem Oszillator 41 zu einem Zähler 42 durchläßt. Der Zähler zählt,
bis ein Vergleicher 43 die Gleichheit mit dem Inhalt des Akkumulators 35 anzeigt,
worauf ein Impuls vom Vergleicher 43 das Flip-Flop 39 zurückstellt, um das Tor 40
zu schließen, und auch den Zähler 42 löscht.
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Die Impulse vom Tor 40 werden auch als Vorschubimpulse für einen
Schrittschaltn'otor verwendet, die über den Schalter 25 und dann über Kontakte 24a
und 24b des Schalters 24 zu einem von-vier Ausgängen +X, -X, +Z und -Z geleitet
werden, um einen Antrieb längs der am Schalter 24 eingestellten Achse und in der
am Schalter 25 eingestellten Richtung zu bewirken.
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Wenn ein gleichzeitiger Antrieb in Richtung beider Achsen benötigt
wird, wird der an den Schaltern 26 eingestellte Wert von tan a oder cot a in einen
Speicher 44 eingegeben. Für α # 45°, wird der Schalter 24 auf X eingestellt
und tan a eingegeben. Für a > 450 wird der Schalter 45 auf Z eingestellt und
cot a eingegeben. Für einen Vorschub längs einer einzigen Achse werden die Schalter
26 auf Null eingestellt. Die Größe im Speicher 44 steuert einen Frequenzvervielfacher
45, der die Impulsfrequenz des Signales vom Tor 40 mit dem Wert (stets < 1) von
tan a oder cot a multipliziert. Diese Impulse werden von dem mit den Schaltern 26
und weiteren Kontakten 24c
und 24d des Schalters 24 verbundenen
Vorzeichenschalter 27 zu den Ausgängen +X, -X, +Z, -Z geleitet. Die Schalter sind
fur (-X)- und (+Z)-Antrieb dargestellt, was beim Bearbeiten der Flanke J, D, K in
Fig. 2 der Fall ist.
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Das Steuerpanel von Fig. 3 kann im Bedarfsfall weitere Sätze von
Schaltern aufweisen um die für mehr als einen Bearbeitungsschritt, wie es für Fig.
2 erforderlich ist benötigten Parameter eingeben zu können, so daß die Stufen automatisch
aufeinanderfolgen. Jede Stufe kann automatisch beendet werden, wenn ein STOP-Signal
auf einer Leitung 46 anzeigt, daß der Gesamtvorschubspeicher 31 auf Null zurückgestellt
worden ist. Eine nicht dargestellte Einrichtung kann dann die Anzahl der am Schalter
28 eingestellten Bearbeitungsgänge abzählen, um ein "Ausfeuern" ohne weiteren Vorschub
zu bewirken.
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Abwälzfräser können eingängig (ES) oder mehrgängig (MS) sein. Soweit
beschrieben, steuert die Steuervorrichtung eine Eingangbearbeitung bei Einstellung
eines Schalters 47 (Fig. 3) auf "SS". Die verschiedenen Gänge können alle nacheinander
gemäß dem beschriebenen Verfahren mit den dazwischen erforderlichen Teilungsverstellungen
bearbeitet werden. Diese werden durch Unterbrechen der Getriebekette zwischen der
Drehstockspindel und der Supportleitspindel und durch Drehen der Drehbankspindel
oder der Supportleitspindel um den gewünschten Betrag bewirkt. Wegen der Übersetzung
im Getriebe, wird die Drehung vorzugsweise durch einen Drehfeldgeber oder Drehwinkelgeber
gemessen, der an ein Element angeschlossen ist, das sich unmittelbar an der Stelle
befindet, an der die Verbindung, z.B. durch eine elektromagnetische Kupplung, unterbrochen
wurde.
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Es kann wahlweise erwünscht sein, die erste Vorschubzunahme nacheinander
bei allen Gängen, anschließend die zweite Vorschubzunahme bei allen Gängen usw.
zu bewirken. In diesem Fall wird der Schalter 47 auf MS gestellt, während die Anzahl
der
Starts oder Gänge an einem Dekadenschalter 48 eingestellt wird. Die Vorrichtung
ändert dann die Vorschubzunahme (und den kumulativen Vorschub) erst nach einer der
Anzahl der (Gewinde-)Gänge gleichen Anzahl von Bearbeitungsgängen. Die Steuerung
der Drehbank selbst ist so eingestellt, daß sie die nach jedem Bearbeitungsgang
erforderliche Teilungsverstellung durch automatisches Lösen der elektromagnetischen
Kupplung und durch Drehen der Drehstockspindel oder Supportleitspindel um den erforderlichen
Betrag ausführt.
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Bei Verwendung für eine Hinterdrehbank ist ein kombinierter X- und
Z-Antrieb erforderlich. Die Einrichtung kann auch das nachfolgende Schleifen steuern,
wobei nur ein X-Vorschub erforderlich ist (mit dem überlagerten nockengesteuerten
Hinterdrehvorschub an einem weiteren X-Schlitten wie beim Drehen).
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Die vorangehenden Hinweise für Ausfeuerzyklen gelten selbstverständlich
auch für den Schleifvorgang, jedoch nicht für den Drehvorgang.
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Die Erfindung ist oben am Beispiel der Steuerung der Vorschubverstellung,
insbesondere Vorschubverminderung bei einem Schleifvorgang beschrieben worden, sie
läßt sich selbstverständlich aber auch zur Steuerung anderer Maschinenoperationen
verwenden, bei denen eine Folge von Vorschubinkrementen einzustellen ist, deren
Größe fortlaufend abnimmt, z.B. beim Drehen, Fräsen, Hobeln, Räumen u. dgl.
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