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Verfanren und Vorrichtung zar Steuerung der Vibrationsbeanspruchung
bei @as@nineller Werkstückbearbeitung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Stederung der Vibrationsbeanspruchung bei der maschinellen Bearbeitung
von Werkstücken, die insbesondere in Abhängigkeit von Änderungen der statischen
und dynamischen eigenschaften von Maseine und Werkstdck kontinuierlich arbeiten.
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Beim Betrieb von Drehbänken, Anordnungen mit Bohrstangen, Schleifmaschinen,
Bohrmaschinen, Räummaschinen usw. ist es wänschenswert, daß das Maschinenwerkzeug
mit der höchst-möglichen Bearbeitungsgeschwindigkeit arbeitet. lDas bedeutet, daß
uas Werkzeug mit der höchst-möglichen Geschwindigkeit in das Werkstück hinein bewegt
werden gauß, um von dort Material abzatragen, weswegen die höchstmögliche
Bearbeitungskraft
zur Anwendung kommen muß. In der Praxis fahrt die Anwendung einer relativ großen
Bearbeitungskraft jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit zum Entstehen von beträchtlichen
schwingangsbewegungen, die an der Berührungsfläche zwischen Werkzeug und Werkstück
auftreten. Diese Vibrationskräfte naben eine Reihe von Ursachen und beeinträchtigen
eine einwandfreie Maschinenbearbeitung beträchtlich. Hinzu kommt, daß diese vibrationskräßte
oft mechanisch verstärkt werden, um Beansprachungen in Fo eines selbsterregenden
Schlagen zu verursachen. Als einige beispiele für die Örsachen solcher Vibrationen
seien eine nicht zentrierte Befestigung des Werkstückes in der Maschine, eine Unwucht
des Werkstückes oder eine unregelmäßige Oberflächenkonfiguration bzw. diskontinuierliche
harte und weiche Oberflächenbereiche des Werkstückes genannt.
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Beträchtliche Vibrationskräfte können auch dann auftreten, wenn die
Resonanzfrequenz entweder des daschinenrahmens oder des Werkstückes erreicht ist.
s handelt sich hierbei um ein schwerwiejendes Problesn, insbesondere da die Resonanzfrequenz
eines Werkstückes sich mit dessen Bearbeitung kontinuierlich ändert.
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Hinzu kommt, daß die Resonanzfrequenz eines Werkstückes auch von dem
Mechanischen Federwiderstand des Werkstackes abhängig ist, der sich längs der Werkstückausdehnung
ändert. Wenn z.E.
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eine Drehbank dazu verwendet wird, material von der Oberfläche eines
zylindrischen Werkstückes abzutragen, nimmt die Lageabweichung des zylinders in
Abhängigkeit von der aufgebrachten Bearbeitungskraft von den abgestützten Enden
des Werkstückes zu dessen Mitte hin kontinuierlich zu. Diese Lageabweichung ist
ein iaß für den mechanischen Federwiderstand des Werkstückes.
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Alle diese Ursachen für Vibrationen können zu unerwünschten und nicht
gleichfönnüjen Abweichungen des vorgeschriebenen Weges des Bearbeitungswerkzeug
in Bezug auf die Werkstückoberfläche führen. d.h., daß das Auftreten solcher Vibrationskräfte
die Ursache nicht gleichförmiger relativer Bewegungen zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug
an deren Berührungsfläche ist,
mit dem Ergebnis, daß durch das Werkzeug
nicht gleichförmige Kräfte auf das Werkstäck übertragen werden.
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Natürlich hat das Vorhandensein solcher nicht gleichförmiger Bearbeitunjskräfte
zur Folge, daß durch das Werkzeug in unerwünschter Weise eine nicht gleichförmige
Werkstückoberfläche erzeugt wird.
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Es sind schon eine Reihe von Verfahren n Vorrichtungen zur Anwendung
gekommen, um das Auftreten dieser unerwünschten Vibrationen oder Schläge an der
Berührungsfläche zwischen Werkzeug und Werkstück einzudämmen bzw. völlig zu ver.nei;-icn.
Eines dieser Verfahren besteht einfach darin, die Bearbeitungsrate, mit der Material
vom Werkstück abgetragen wird, zu verringern. Ein anderes Verfahren besteht darin,
letallplatten bzw. "Klemmblöcke" an geeignet gewahlten Stellen des Maschinenrahmens
zu befestigen, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert ist, daß i.n Betrieb der
Maschine die Resonanzfrequenz des 4aschinenrah£iens erreicht wird. Das erstgenannte
Verfahren verringert in unerwünschter Weise die Ausstoßrate der Maschine, das letztgenannte
Verfahren berücksichtigt solche Vibrationen nicht, die durch Erreichen der Pxesonanzfrequenz
des Werkstückes zustandekommen.
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Lin komplexer es Verfahren zur Vermeidung von Vibrationen zwischen
Werkstück und Werkzeug ist in dem US-Patent 3 754 487 beschrieben.
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Dieses Verfahren macht von einer Steuereinrichtung Gebrauch, die ein
direkt ermitteltes und durch einen mit dem Werkzeug in Verbindung stehenden Umsetzer
erzeugtes Bearbeitungskraftsignal beeinflußt. Die Steuervorrichtung spricht auf
das Dearbeitungskraftsignal und auf Werkzeug- ein die Stellung anzeigendes Signal
an, um ein Steuersignal zu erzeugen, das die geeignete und direkte Einstellung der
Werkzeugstellung in der Weise beeinflußt, daß Änderungen der Bearbeitungskraft kompensiert
werden. Bei diesem Verfahren bzw. der dementsprechenden Vorrichtung muß also eine
direkte Kraftmessung und eine direkte Kraftkompensation vorgenommen werden. Dies
ist jedoch bei vielen Arten von iflaschinenwerkzeugbearbeitung wegen der Schwierigkeiten
bei
der messung der Bearbeitungskraft direkt am Werkzeug nicht gut praktikabel. Hinzu
kommt, daß dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung nicht in der Lage
sind, L.nderungen der statischen und dynamischen Eigenschaften von Werkstück und/oder
Werkzeug oder des Maschinenrahmens während der -ia schinenb earb eitung zu ber icksichtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein automatisch arbeitendes Verfahren
und eine Anordnung zur Durchfiihrung desselben anzugeben, die unerwünschte Vibrationen
bei einer Maschinenwerkzeugbearbeitung in der Weise beeinflussen, daß sie kontinuierlich
sowohl auf die aufgebrachte Bearbeitungskraft als auch auf die Änderungen der statischen
und dynamischen Eigenschaften des Maschinenrahrnens und des Werkstückes in der Weise
ansprechen, daß mit der maximalen b'earbeitungsgeschwindigkeit gearbeitet werden
kann. lurch ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung soll der Bearbeitungsprozeß
dauernd mit optimalem Wirkungsgrad ablaufen können, bei gleichzeitiger Erzielung
einer besser bearbeiteten Werkstückoberfläche, einer Verringerung der Maschinengeräusche,
einer Verlängerung der Lebensdauer von Werkzeug und Maschine und einer Verbesserung
der Maßhaltigkeit aufeinanderfolgend bearbeiteter llerkstücke.
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Bei einer Vorrichtung zur Steuerung einer maschinellen Bearbeitung,
bei der ein Werkstick und ein Maschinenwerkzeug an eine :-laschinenrahmen befestigt
sind, wobei entweder das Werkstück oder das Werkzeug gegenüber dem j jeweils anderen
Element bewegbar ist, um von dem Werkstück/Material abtragen zu können, wird diese
Aufgabe durch die in Kennzeichen des Iiauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
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Es wird dementsprechend durch erste signalerzeugende mittel, die mit
dem Maschinenrahmen an einer von der Ber; rungsflac le zwischen Werkstück und Werkzeug
beabstandeten Stelle ungeordnet sind, die reflektierte Bearbeitungskraft gemessen
und ein dementsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Da die gemessene Kraft über
den Maschine
rahmen reflektiert wird, ändert sich dieses Signal
automatisch aufgrund von Änderungen der statischen und dynamischen Eigenschaften
des Maschinenrah@ens. Die Beschlounigung entweder des Bearbeitungswerkzeuges oder
des Werkstückes wird darch zweite signalerzeugende Mittel kontinuierlich ernittelt,
wobei diese Mittel ein elektrisches Signal erzeugen, das nach Integration ein -laß
für die augenblickliche Lageabweichung z.--. des h;'.rkzeuges ist. Das erste und
das zweite Signal werden einem Werkstück-Bewegungssynthesekreis zugeführt, der die
@ageveränderung des Werkstückes in Abhängigkeit von der aufgebrachten bearbeitungskraft
elektronisch ermittelt. Dies bedeutet genauer jesagt, das die Parameter des Synthesekreises
kontinuierlich angepaßt werden, um Änderungen der statischen und dynamischen Eigenschaften
von Werkstück und Maschinenrahmen beim Abtragen von Material vom Werkstück kontinuierlich
zu kompensieren. Das der errechneten Lageverändrung des Werkstückes entsprechende
Ergebenissignal wird mit dem die tatsächliche bageveränderung des Werkzeuges anzeigenden
Signal verglichen. Die Differenz zwischen den beiden Signalen zeigt das Vorhandensein
unerwünschter Vibrationskräfte bzw. eines Schlagens an der Berährungsfläche zwischen
Werkzeug una Werkstück an.
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Die Differenz zwischen den beiden verglichenen Signalen wird dazu
verwendet ein Fehlersignal zu erzeugen, das eine Kompensationskrafteinrichtung in
Gang Setzt und steuert. Die Kompensationskrafteinrichtung erzeugt mechanisch Kompensationskräfte
einer bestimmten Amplitude und Frequenz, die auf den Maschinenrah@en wirken, um
die aufgebrachte Bearbeitungskraft zu ergcinzen, wobei die Lageveränderung des Werkzeuges
so eingestellt wird, daß Vibrationskräfte eliminiert werden. Wichtig ist es, daß
Kompensationskraftsynthesekreise vorhanden sind, lie Signale erzeugen, durch die
die Wirkungen der Kompensationskräfte direkt auf das Ausgangssignal der ersten signalerzeugenden
Mittel und auf die Lage veränderung des Werkstückes simuliert werden. Diese Signale
werden dazu verwendet, sicherzustellen, daß das Ausgangssignal des Werkstückbewegungssynthesekreises
immer der gesamten errechneten Lageveränderung
des Werkstückes
entspricht. Damit führt das Wirken der Ko;npensationskräfte dazu, daß das die Lageveränderung
des Werkzeuges anzeigende Signal der errechneten Lageveränderung des Werkstückes
folgt, wodurch das Fehlersignal zu Null wird und Vibrationen elilliniert werden.
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{acnstehend wird die Erfindung unter Bezlgnahlae auf die Zeichnung
näher erläutert. In der zeichnung zeigen: Fig. 1 die schematische ansicht einer
Rundschleifmaschine, in der nach die Lage der erfindungsgemäß verwendeten, ersten
signalerzeugenden Mittel veranschaulicht ist, Fig. 2 die schenutische Draufsicht
auf die Schleifmaschine gemäß Fig. 1, Fig. 3 ein blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Anordnung, Fig. 4 eine schematische Darstellung, die der Erlälterung der Bestiiamung
des mechanischen Federwiderstandes eines Werkstückes dient, Fig. 5 die graphische
Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Federwiderstand eines Werkstückes und
dem Ausgangssignal eines nicht linearen Funktionsgenerators bei Anliegen einer spezifischen
Eingangsgröße, Fig. 6 ein Blockschaltbild des Werkstückbewegungssynthesekreises,
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführungsform des Betätijungskraftsynthesekreises,
Fig. t3 ein Blockschaltbild einer beispielsweisen Ausführungsform des Betätigungsbewegungssynthesekreises,
Fig. 9 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform von -litteln zur Anzeige
der Bearbeitungskraft, Fig. 10 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt,
zur Veranschaulichung der Anwendung der Erfindung im Zusaemenhang mit einer Bohrstange.
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Die Erfindung betrifft, wie erwähnt, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Beeinflussen unerwünschter Vibrationen bei der maschinellen Maschinenwerkzeugbearbeitung,
Ub licherweise greift bei einer derartigen Bearbeitung ein iaschinenwerkzeug an
der Oberfläche eines Werkstückes an, um von dort Material abziitragen.
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Während eines derartigen Angriffes an einem T;erkstück können unerwünschte
Vibrationskräfte aus einer Anzahl von Gränden entstehen, von den einige darin liegen,
daß das Werkstück unrund ist oder eine unregelmäßige Oberfläche hat, oder daß die
Resonanzfrequenz des l-1aschinenrahmens oder des Werkstückes erreicht wird. Alle
diese Ursachen für Vibrationen führen zu Vibrationsbeanspruchungen in Form eines
Schlagens, die oft noch mechanisch verstcirkt werden, so daß es zu einem selbsterregten
Schlagen kommen kann. Derartige Auswirkungen beeinflussen selbstverständlich die
Oberfläche der endbearbeiteten Werkstücke und führen zu Iaßabweichungen zwischen
Werkstücken, die nacheinander bearbeitet worden sind.
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In den Figuren 1 und 2 ist die Erfindung im Zus&mmenhang mit der
Beeinflussung der Vibrationsbeanspruchung bei einer speziellen Maschinenarbeit,
nämlich in Zusanmenhang mit einer Rundschleifmaschine erläutert. Selbstverständlich
kann die Erfindung auch im Zusammenhang mit anderen Maschinen-arbeiten Anwendung
finden, durch die unter Anwendung eines Schneidewerkzeugs Material von einem Werkstück
entfernt wird.
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Die dargestellte Rundschleifmaschine weist einen Rahmen 1o auf, der
an einer horizontal verlaufenden Achse 29 schwenkbar befestigt ist. Die Enden der
Achse 29 werden von jeweils an einer Seite des Maschinenfußes 30 befindlichen Auflagern
11 aufgenommen. Der Rahmen 10 trägt eine Schleifradanordnung 13, in der das Schleifrad
12 um eine zentrische Achse drehbar gelagert ist. Die Schleifradanordnung 13 wird
steuerbar von geeigneten, nicht dargestellten Antriebsmitteln einer horizontalen
Achse 15 entlang bewegt, deren Enden von an dem Rahmen befindlichen Auflagern 17
aufgenonmen werden.
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Es sind außerdem geeignete Antriebsmittel vorhanden, die das Schleifrad
um seine Achse herum in eine Drehbewegung geeigneter
Geschwindigkeit
versetzen, aus Gründen der Übersichtlichkeit sind diese Antriebsmittel in der Figur
jedoch nicht dargestellt.
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Das Schleifrad 12 kann an der Außenfläche eines zylindrischen Werkstückes
14 zum Angriff gebracht werden. Wie dargestellt ist das Werkstück um seine Mittelachse
herum drehbeweglich zwischen einem Paar von Auflagern 16 befestigt, die von dem
Maschinenfuß 30 aus nach oben verlaufen. Es sind AntrieSszittel vorgesehen, die
das Werkstück steuerbar während des Maschinenbetrieb-s und seine Mittelachse herum
bewegen, wobei die Drehgeschwindigkeit des Werkzeuges gewöhnlich sich von derjenigen
des Schleifrades unterscheidet. Die mittel, die diese Drehbewegung des Werkstückes
verursachen, sind jedoch ebenfalls aus Grinden der übersichtlichkeit in der Figur
nicht dargestellt.
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it dem IaschinenfuB 30 und dem unteren Teil des Rahmens 1o ist mit
hilfe eines Schaftes 43 ein Radbetätigungsorgan 42 mechanisch verbunden. Dieses
Organ besteht in typischen Aufbau aus einem hydraulisch betätigten kolben oder aus
einer Schraubvorrichtung und dient dazu, den Rahmen 1o mechanisch in Uhrzeigersinn
um die Schwenkachse 29 herum um eine entsprechende Strecke zu verschwenken, wodurch
das Schleifrad 12 an den. Werkstück schleifend zur Anlage korruat. Als Ergebnis
dieser Bewegung wird durch das Schleifrad eine entsprechende Schleifkraft auf das
Werkstück ausgeübt und de,.1entsr)rechend wird auf das Schleifrad eine gleiche und
entgegengesetzte Kraft durch das Werkstück ausgeübt. Die Größe dieser gleichgroßen
und entgegengesetzt gerichteten kräfte hängt von der Strecke ab, um die das Schleifrad
in das Werkstück bei dessen Bearbeitung eingesenkt wird, wie auch von den Drehbewegungen
von Schleifrad und v1erkstück. Diese Kräfte werden durch das Schleifrad und das
Werkstück sowie durch deren entsprechende Halteorgane reflektiert.
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fern das Schleifrad von dem Werkstück/Material abträgt, kommt es zu
verschiedenen relativen Bewegungen zwischen dem Schleifrad und dem Werkstück an
deren Berührungsfläche. Eine dieser relativen
Bewegungen ist die
Drehbewegung von Schleifrad und Werkstück durch ihre horizontale Berührungslinie.
Eine andere relative Bewegung besteht in den Längsüberstreichen ues Werkstückes
durch das Schleifrad während der VerschiehancJ der Schleifradanordnung 13 längs
der horizontalen Achse 15. -och eine andere relative Leweq-ng ist die bewegung des
Schleifrades in das Werkstück hinein, wenn es von diesem Material abträgt. Bei der
üblichen Maschinenwerkzeugarbeit sind diese relativen Bewegungen zwischen Rad und
Werkstück im wesentlichen gleichförmige Bewegungen, die daher nicht zu dein entstehen
einer beträchtlichen Vibrationsbeeinfiussunj führen. Eine andere relative Bewegung
jedoch ist die nicht gleichförmige Bewegung des Schleifrades in das Werkst-iicl-;
hinein bzw. von diesem weg, und diese relative Bewegung führt zu einer Vibrationsbeanspruchung.
D.h., wenn die gedachten Bezugslinien 18 und 20 in Fig. 1, die vertikal durch die
Mittelpunkte des Schleifrades und des Werkstückes verlaufen, es zu einer Vibrationsbeanspruchung
immer dann konat, wenn der Abstand zwischen diesen Linien 18 und 20 sich unregelmäßig
ändert. In Umkehrung hierzu bedeutet dies, daß eine Vibrationsbeanspruchung dann
nicht vorhanden ist, wenn der Abstand zwischen den Bezugslinie 18 und 20 konstant
bleibt oder sich mit einer konstanten Geschwindigkeit ändert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zu deren Durch
führung, durch die Vibrationsbeanspruchungen angezeigt und kompensiert werden, lassen
sich ain besten unter Bezugnahme auf das Blockfunktionsbild gemäß Fig. 3 und auf
die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Itundschleifiaaschine verstehen. In der Fig.
3 sind die mechanischen Bestandteile und Funktionen von den elektronischen Bestandteilen
durch eine gestrichelte Linie 40 getrennt. Wie obenstehend beschrieben, bewegt das
Radbetätigungsorgan 42 den Maschinenrahmen 10 mechanisch um die Schwenkachse 29
herum, wodurch das Schleifrad 12 am Werkstück 14 zur Anlage gebracht wird, um hiervon
Material abzutragen. Bei einem solchen Angriff entstehen gleich große entgegengesetzte
Kräfte an der Berührungsstelle zwischen dem Rad und dem Werkstück. D.h., daß das
Rad eine Bearbeitungskraft auf das Werkstück ausübt, die durch dieses und die zugeordneten
Auflager
weitergeleitet wird. In entsprechender Weise übt das Werkstück
eine gleich große und entgegengesetzte Kraft auf das Schleifrad aus, die über dieses
auf den taschinenrahmen wirkt.
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Bei den meisten Maschinenwerkzeugoperationen ist eine direkte Messung
der Bearbeitungskraft an der Berührungsfläche zwischen Rad und Werkstück unlöglich.
Bei dem erfindungsgeniäßen Steuerungssystem ist daher ein Umsetzer 22, beispielsweise
ein Dehnungsmesser am Maschinenrahmen lo befestigt, und zwar zwischen diesem und
dem Radbetätigungsorgan 42. Dieser Umsetzer bzw. Ixraftdetektor, zei'jt die Wirkungen
der Kraft an, die während des 'laschinenbetriebs auf das Schleifrad ausgeübt und
durch den Maschinenrahmen reflektiert wird. Das bedeutet, daß die auf das Schleifrad
ausgeübte Kraft den Maschinenrahmen, wie Fig. 1 zeigt, um die Schwenkachse 29 herum
i:n Gegenuhrzeigersinn zu verschwenken versucht. Die Wirkung dieser Kraft wird durch
den Umsetzer 22 angezeigt, der ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, 3a
die auf das Schleifrad ausgeübte Kraft der auf aas tSerkstüsk wirkenden Bearbeitungskraft
in ihrer Größe gleicht, ist das elektrische Ausgangssignal des Umsetzers 22 auch
ein Maß für diese Bearbeitungskraft. Das Ausgangssignal des Umsetzers ist jedoch
der Bearbeitungskraft nicht direkt proportional, da die angezeigte Kraft durch die
statischen und dynamischen Eigenschaften des Schleifrades 12 und des Maschinenrahmens
1o bei der Reflektion der Kraft durch diese geändert wird.
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Zu solchen dynainischen Eigenschaften gehören z.B. die snechanische
Stelle, der Dämpfungsfaktor und die Eigenfrequenz. Wegen dieser ebjentümlichen Kraftänderung
ist die spezielle Anordnung des Umsetzers 22 auf den Rahraen lediglich eine Frage
der Zweckiäßigkeit.
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Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Umsetzer 22 jedoch um eine Strecke von
der Schwenkachse beabstandet angeordnet, die eine maximale Nnpfindlichkeit des Umsetzers
gewährleistet.
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Die in Fig. 3 veranschaulicht, wird die auf das Werkstück an der Berührungsfläche
Schlei'rad/Werkstück 48 wirkende Bearbeitungskraft über die Werkstückauflagerl6
an den Maschinenfuß 3c übertragen. In gewissem Auslaß wird diese Kraft außerdem
auf den Maschinenrahmen 1o reflektiert, wodurch die Größe des Ausgangssignals des
Umsetzers
22 in gewissem Umfang verändert wird. In den meisten
Stadien des .Ilaschinenbetriebs ist jedoch die Beeinflussung der Ausgangsgröße des
Umsetzers durch die Eearbeitungskraft im wesentlichen vernachlässigbar. Es kann
daher bn Zusa1imenhang mit dem vorliegenuen Ausführungsbeispiel der Erfindung zuverlässig
davon ausgegangen werden, daß das Ausgangssignal des Umsetzers 22 ein Maß für die
auf das erkstck wirkende Bearbeitungskraft ist, die in ihrer Größe von den statischen
und dynamischen Eigenschaften des Schleifrades 12 und des '{aschinenrahrlens 1o
abhängt. Das erwähnte Ausgangssignal wird einem Suzmierglied 54 zugeführt, dessen
Zweck weiter unten erläutert wird, und gelangt von dort weiter an einen Werkstückbewegungssynthesekreis
5.
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An der Schleifradanordnung 13 ist ein Beschleunigungsmesser 28 befestigt,
der ein elektrisches Signal liefert, das der augenblicklichen horizontalen Geschwindigkeit
entspricht, mit der die Anordnung auf das Werkstück zu bzw. von diesem wegbewegt
wird. Dieses Signal ist wegen der festen relativen Lage des Schleifrades 12 zur
schleif radanordnung 13 auch für die augenblickliche horizontale Geschwindigkeit
des Schleifrades auf das Werkstück zu bzw. von diesem hinweg repräsentativ. Das
Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers wird einem Bewegungsabweichungskreis 61
zugeführt, s. das Blockschaltbild gemäß Fig. 3, der eine Doppelintegration durcfürt,
wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erhalten wird, das dauernd die augenblickliche
horizontale Lageveränderung des Schleifrades in Richtung zum Werkstück bzw. vom
Werkstück weg angibt. Das bedeutet, weiter, daß dann, wenn Vibrationen auftreten,
jede nicht gleichförmige, hier-durch bedingte Lageveränderung des Schleifrades in
horizontaler Richtung durch das Ausgangssignal des Abweichungskreises 61 angezeigt
wird.
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Der besondre Aufbau des Bewegungsabweichungskreises kann ein beliebiger
für die Doppelintegration des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers 28 geeigneter
Aufbau sein. Es ist zwar einem üblichen Analogintegrator der Vorzug zu geben, da
solche Schaltkreise jedoch zum Stand der Technik gehören, sind sie hier nicht dargestellt.
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Wie vorstehend angegeben, dringt das Schleifrad 12 nicht nur in das
Werkstück ein, u;n von diesem Material abzutragen, es wird vielmehr auch in Querrichtung
längs des Werkstückes 14 bewegt, so daß die gesamte Werkstücklänge eine Bearbeitung
erfährt. Miermit wandert die Stelle, an der die Bearbeitungskraft auf das Werkstück
einwirkt, während einer Querbewegung des Schleifrades der Werkstücklängsachse entlang.
Dieses Wandern des Angriffspanktes der Bearbeitungskraft stellt ein besonders schwieriges
Problem in Betrieb der Maschine dar, da der Federwiderstand des Werkstückes sic)
langs dessen Länge verändert. Das bedeutet, daß die Auslenkun des Werkstückes aufgrund
der aufgebrachten Bearbeitungskraft von den abgestützten Wenkstückenden zu der Werkstückmitte
hin größer wird. Dieser Fedefaktor muß für eine wirksame Steuerung der Vibrationsbeeinflussung
in Betracht yezonen werden.
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Um die Änderungen des Federwiderstandes eines Werkstückes berücksichtigen
zu können, ist es zunächst erforderlich, diesen Federwiderstand zu bestimmen. Das
geschieht, wie in Fig. 4 dargestellt ist, dadurch, daß das Werkstück mittig mit
Hilfe der Auflager 16 abgestützt wird, und daß man eine Testkraft an einer Mehrzahl
von Stellen auf das Werkstück wirken läßt, die von den abgestützten Enden um die
Strecke z beabstandet sind. Indem man nun mit einem geeigneten Gerät die Auslenkung
xt der Mittelachse 19 des Werkstäckes in Abnängigkeit von der aufgebrachten Testkraft
ft bestimmt, läßt sich der Federwiderstand errechnen. Dieser Federwiderstand beträgt
an jeden Punkt, an dem die Testkraft wirkt, den Quotienten aus Auslenkung und aufgebrachter
Testkraft (xt/ft) . Der Federwbderstand kann als Funktion des Abstands z aufgetragen
werden, wie dies in Fig. 5 geschehen ist. -Ian sieht, daß der Wert des Federwiderstandes
(xt/ft) eine nicht lineare Funktion des Abstandes z darstellt. Die in Fig. 5 gezeigte
Kurve des Federwiderstandes kann alternativ auch durch eine übliche Analyse der
statisch wirkennen Kräfte mathematisch angenähert werden, wenn die Werkstückdimensionen
bekannt sind.
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Wie die Figuren 1 bis 3 zeigen, erfolgt eine Messung der Lage des
Schleifrades 1 2 längs des Werkstücks 1 1 Damit Iiilfe eines Potentioneters 59,
das auf der Schleifradanordnung 13 befestigt ist. Dieses Potentiometer ist üblicherweise
so angebracht, daß es einen nicht darjestellten Schleifer bewegt, der den durch
es fließenden Gleichstro @ linear entsprechend dem Abstand des Schleifrades von
eines abgestützten Ende des Werkstückes 14 verändert. as bedeutet, daß das Potentiometer
59 die Lage des Schleifrades links des Werkstücks angibt und dabei ein linear veränderliches
Signal liefert, das ein zwar für den Abstand z ist, in den entlang der Längsausdehnung
des Werkstückes aie ßearbeitungskraft auf das Werkstück wirkt.
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Das lineare Potentiometer 59 erzeugt also ein elektrisches Ausganqssignal
ez, das den Ort des Angriffs der Bearbeitungskraft an dem Werkstück anzeigt. Dieses
Ausgangssignal ez wird als Eingangssignal für einen nicht-linearen Funktionsgenerator
60 verwendet, der daraufhin ein nicht-lineares Ausgangssignal ec liefert, das in
seinem Verlauf demjenigen des Federwiderstandes gemäß Fig.5 entspricht und dabei
den Federwiderstand zu jedem zeitpunkt während des Betriebs der Maschine angibt.
.)er nicht-lineare Funktionsgenerator ist in an sich bekannter Weise aufgebaut,
beispielsweise als Diodenfunktionsgenerator.
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Es ist hierbei lediglich erforderlich, daß er in der Lage ist, ein
Ausgangssignal ec zu erzeugen, das von dem linear verändern lichen Signal e des
linearen potentirnieters 59 abhängt und einen Kurvenverlauf aufweist, der demjenigen
des Federwiderstands gemäß Fig. 5 entspricht. Da nicht-lineare Funktionsgeneratoren
Stand der Technik sind und da die Werte der Signale ec und c, z für jeden Typ von
Werkstück entweder experimentell oder mathematisch be-Stimmt werden nüssen, ist
in der Zeichnung kein bestimmter Typ von Funktionsgenerator äanjestellt.
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In Fig. G ist der Werkstückbewegungssynthesekreis 58 in Einzelheiten
dargestellt. lan sieht, daß das elektrische Ausgangssignal
des
Summiergliedes 54, das ein aß für die von dem Umsetzer 22 angezeigte Bearbeitungskraft
ist, einem Eingangsverstärker 70 zugeführt wird und das eine Eingangssignal eines
Phasendiskriainators 74 darstellt. Das andere Eingangssignal des Phasendis-Krininators
74 wird von dera Bewegungsabweichungskreis 61 geliefert, dessen Ausgangssignal zu
jedem Zeitpunkt während des aschinenbetriebes ein 1aß für die augenblickliche Abweichung
des Schleifrades darstellt. Der Phasendiskri1ainator 74 vergleicht die Phasen der
ihm vom Summierglied 54 und von dem Bewegungsabweichungskreis 61 zugeführten Signale
und stellt deren Phasendifferenz fest.
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Es hat sicn gezeigt, daß dann, wenn sich die Maschine in einem Zustand
befinden soll, in der es zu keiner Vibrationsbeanspruchung Kommt, zwischen der auf
das Werkstück wirkenden Bearbeitungskraft und der xaomentanen Lageabweichung des
werkstückes aufgrund dieser BearbeltuIigskra£t ein Phasenunterschied von ungefähr
1 350 vorliegen muß. Und da dann keine Vibrationsbeanspruchung auftritt, wenn die
Lajeabweichung des Schleifrades derjenigen des Werkstückes gleicht, hat sich gezeßgt,
daß die Phase des von derj Bewegungsabweichungskreis 61 gelieferten, die Lageabweichung
des Schleifrades anzeigenauen Signals sich von der Phase des die Bearbeitungskraft
anzeigenden Signals ebenfalls um ungefähr 1350 unterscheiden uß. Es wird daher die
Phasendifferenz zwischen dem die Bearbeitungskraft anzeigenden Signal und dem die
Lageabweichung des Schleifrades anzeigenden Signal , die durch den Phasendiskriminator
74 ermittelt wiri, mit einem konstanten Bezugsphasenschiebesignal, das 1350 entspricht,
verglichen. Immer dann, wenn das die Bearbeitungskraft anzeigende Signal und das
die Lageabweichung des Schleifrades anzeigende Signal sich in ihrer Phase nicht
um 1350 unterscheiden, kann angenommen werden, daß es zu einer Vibrationsbeanspruchung
an der Berührungsfläche $Schleifrad/Werkstück kommt, in welchem Falle der Phasendiskrirninator
74 ein die Abweichung vom Phasenunterschied von 135 Oanzeigenden Signals an einen
integrator 76 liefert.
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Das von dem Surunierglied 54 gelieferte, die Bearbeitungskraft anzeigende
Signal wird außerdem einem Hochpaßfilter 72 des Synthesekreises
5o
zugeführt. Das Filter 72 dient dazu, statische oder mederfrequente Störungen des
ankomenden, die Bearbeitungskraft anzeigenden Signals zu unterdrücken, so daß lediglich
relativ hochfrequente Signale einem Begrenzer 78 zugeführt werden. Der Grund hierfür
liegt darin, daß die Vibrationen eine relativ hohe Frequenz aufweisen. Die Charakteristik
des Filters 72 wird so gewählt, daß nur dann ein Ausgangssignal abgegeben wird,
wenn Vibrationen auftreten, so daß dieses Ausgangssignal tatsächlich das Auftreten
solcher Vibrationen anzeigt. Der Begrenzer 48 setzt das relativ hochfrequente Filterausgangssignal
in ein konstantes Cleichstromsignal derselben Amplitude um, das damit ein Maß für
die Vibrationsbeanspruchung ist. Das Ausgangssignal des Begrenzers 78 wird einem
Komparator 80 zugeführt, der die Amplitude des Gleichstrosignals mit einem konstanten
Schwellwerteingangssignal 82 vergleicht. Damit wird sichergestellt, daß nur eine
Vibrationsbeanspruchung bestimmter Größe angezeigt wird. Wenn das Beanspruchungssignal
größer als das vorgegebene Schwellwertsignal ist, erzeugt der Vergleicher ein elektrisches
Ausgangssignal, das dem Halteteil 84 des Abtast- und Halteintegrators 76 zugeführt
wird. Dieses Ausgangssignal ermöglicht eine Integration des vom Phasendiskriminator
74 kommenden Signals, so daß das Ausgangssignal des Integrators 76 eine Sägezahnfunktion
ist.
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Diese Sägezahnfunktion ist sowohl von der Resonanzfrequenz des Werkstückes
als auch von dessen Federwiderstand abhängig. Das Ausgangssignal des Integrators
wird zwei Verstärkern 86 und 8S zugeführt, um die Parameterwerte des Hauptflußrechnerteils
des Synthesekreises zu verändern, wie nachstehend noch erläutert werden wird.
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Der Hauptflußrechnerteil des Werkstücksynthesekreises 58 wird dazu
verwendet, einen Algorithmus zu lösen, der die Lageabweichung des Werkstäckes 14
in Abhängigkeit von ler aufgebrachten Bearbeitungskraft beschreibt. Dieser Algorithmus
wird im allgemeinen befriedigend durch eine Differentialgleichung zweiten Grades
dargestellt, wie sie von dem in Fig. 6 dargestellten Analogkreis geliefert wird.
Diese Differentialgleichung zweiten Grades hat
die Form ,c/k =
x/lJn2 + 2lx/wn + t wobei bedeuten: = = die Größe des die Bearbeitungskraft anzeigenden,
vom Summierglied 54 gelieferten Signals, x = die horizontale Lageabweichung des
Werkstickes aufgrund der Bearbeitungskraft, Wn = die Resonanzfrequenz des lfferkstückes,
1 = der Dämpfungsfaktor des Werkstäckes und k = eine die Steife des Werkstückes
angebende Konstante.
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Wie die Fig. 6 zeigt, wird das die Bearbeitungskraft anzeigende, vom
Su;aicrglied 54 gelieferte Signal dem Eingangsverstärker 70 zugeführt. Dem Verstärker,
der ein Aaltiplizierverstärker ist, wird ein zweites Eingangssignal von den nicht
linearen Funktionsgenerator zugeführt, so daß das die Bearbeitungskraft angebende
Signal -nit dem die Änderung des Feaerwiderstandes angebenden Signals ec multipliziert
wird. Das Ausgangssignal des aIultiplizierverstärkers 70 wird dann als das eine
Eingangssignal einem Suininierverstärker 36 zugeführt, der, wie sich später ergeben
wird, ein Ausgangssignal liefert, das den negativen Quotienten aus der horizontalen
Nerk s tückb esch leunigung und den Quadrat der Resonanzfrequenz des Werkstückes
darstellt. Dieses Ausgangssignal wird einem ersten Multiplizierverstärker 86 zugeführt,
dessen Parameter kontinuierlich durch das Sägezahnausgangssignal des Integrators
76 in Abhängigkeit von der kontinuierlichen änderung der Resonanzfrequenz des Werkstückes
geändert werden. Das Ausgangssignal des Multiplizierverstärkers 86 stellt hiermit
den negativen Wert der Horizontalkomponente der Werkstückbeschleunigung in Abhängigkeit
von der Resonanzfrequenz dar.
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Das Ausgangssignal des ersten Multiplizierverstärkers wird einem ersten
Integrator 102 zugeführt, um ein Signal zu erhalten, das den Horizontalanteil der
Werkstückgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz des Werkstückes
darstellt. Dieses Signal wird sowohl einem zweiten Parameter-tlultipliziorverstärker
88
als auch einem invertierenden Verstärker 104 zugeführt. Der
invertierende Verstärker invertiert das erwähnte Signal und multipliziert es mit
einem Faktor,der den doppelten Wert der Werkstückdämpfung entspricht. Das ergebnis
wird als das eine Eingangssignal 98 dem Summierverstärker 96 zugeführt. Es ist wichtig,
daß die natürliche DLnpfung des Werkstückes unabhängig von dessen Bearbeitung in
üblicher Weise bestimmt wird. Da das Dzmpfungsverhältnis verschiedener Werkstdckarten
sich ändert, muß dieser Faktor bestimmt werden, bevor von dem Werkstück material
abgetragen wird.
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Beim zweiten Multiplikationsverstärker 8 werden ebenfalls die Parameter
kontinuierlich durch das vorn Integrator 76 gelieferte Sägezahnsignal geändert.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 38 ist daher ein Maß für die horizontale Komponente
der Werkstückes geschwindigkeit, es wird einem zweiten Hauptflußintegrator loG zugeführt.
Der Integrator 1o6 liefert ein Signal, das dem negativen Wert der horizontalen Komponente
der Lageveränderung des Werkstückes entspricht. Dieses Signal wird dem ersten Integrator
36 als eine der Eingangsgrößen loo zugeführt und außerdem durch einen Inverter 1o8
invertiert, der das Ausgangssignal des Synthesekreises 58 liefert.
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Das Ausgangssignal des Inverters stellt damit ein Maß für die errechnete
oder vorgegebene horizontale Lageabweichung des Werkstückes als Folge der auf es
wirkenden Bearbeitungskraft dar. Diese nageveränderung wird dadurch vorherbestimmt,
daß der Hauptflußteil 9o des Synthesekreises 58 kontinuierlich den Verhältnissen
angepaßt wird, entsprechend der kontinuierlicher Änderung des Federwiderstandes
und der Resonanzfrequenz des Werkstückes.
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Eine solche kontinuierliche Anpassung ist, wie sich später noch ergeben
wird, maßgeblich für ein zufriedenstellendes Verhindern einer Vibrationsbeanspruchunj
und dafür, daß von dem Werkstück material mit der höchstmöglichen Bearbeitungsrate
abgetragen werden kann.
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Das errechnete, die Lageabweichung des werkstückes anz eigende Signal
wird über ein Sar.unierglied 52, wie die Fig. 3 zeigt, einem weiteren Suramierglied
66 zugeführt. Dieses Signal wird bei den letztgenannten Sumierglied 66 mit dem negativen
Wert des Signals verglichen, das die horizontale Lageänderung des Schleifrades 12
anzeigt und das von dem Bewegungsabweichkreis 61 geliefert wird. Wenn die errechnete
tageänderung des Werkstückes aufgrund der bearbeitungskraft der Lageabweichung des
Schleifrades nicht zu jeden Zeitpunkt des Bearbeitungsprozesses gleicht, kom:nt
es definitionsgeiiäß zu Vibrationsbeanspruchungen.
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L." Falle einer derartigen Ungleichheit liefert das Summierglied 66
ein elektrisches Ausgangssignal bzw. ein Fehlersignal, dessen Amplitude und Frequenz
das Maß der Ungleichheit angeben und damit das Auftreten einer Vibrationsbeanspruchung
anzeigen.
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kieses Fehlersignal wird einer Einrichtung 24 zur Lieferung einer
J:omensationskraft zugeführt, die am Maschinenrahmen 1o befestigt ist.
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Wie die Figuren 1 bis 3 zeigen, ist diese Einrichtung 24 in der Flucütungslinie
der littelachse des Schleifrades 12 am Maschine rahmen 1o befestigt. Die Einrichtung
24 weist eine Vorrichtung auf, die in zwei Richtungen eine Kraft zu liefern vermag
und die ein Gehäuse 27 hat, das eine Reihe von hydraulisch betätigten Kolben aufweist.
Die Betätigungsvorrichtung innerhalb des Gehäuses 27 steuert die Bewegung eines
zwischen dem Maschinenrahmen 1o und einem Massekörper 26 verlaufenden Schaftes 23
in der Weise, daß kräfte einer gegebenen Frequenz, Richtung und Amplitude auf den
Rahmen wirken, um Kräften, die aufgrund der Vibration entstehen, entgegenzuwirken.
Das vom Suminierglied 66 gelieferte Fehlersignal veranlaßt genauer gesagt die Kompensationseinrichtung
24 dazu, Kompensationskräte an den Maschinenrahmen 1o zu liefern. Diese Kompensationskräfte
werden dem Maschinenrahmen zweckmäßigerweise in derselben horizontalen Ebene zugeführt,
wie die Bearbeitungs-Kräfte, um deren Wirkung auf das Werkstück 14 zu ergänzen.
Auf diese Weise regeln die Kompensationskräfte die Lage des Schleifrades 12 derart
nach, daß es den Werkstück angepaßt folgt und dabei eine Vibrationsbeanspruchung
verhindert. Anders ausgedrückt bedeutet
dies, daß dann, wenn das
Werkstück vibriert die Kompensationskräfte das Schleifrad dazu veranlassen, mit
diesem zusammen zu vibrieren, wodurch die Beanspruchung ausgeschaltet wird. In entsprechender
Weise verleihen die Ko.npensation-skräfte dann, wenn das Schleifrad vibriert, diesem
entgegengerichtete und gleich große Vibrationskräfte, so daß die Vibrationen aufgehoben
und damit Vibrationsbeanspruchungen vermieden werden.
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Die Amplitude und Frequenz der Vibrationsbeanspruchung, die beim Betrieb
der Maschine auftritt, ist von vielen Faktoren, wie z.B.
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von der Masse der ,Maschine, der Größe und Gestalt des Werkstückes
usw. abhängig. Die Bedingungen, die an die Amplitude und die Frequenz der Kräfte
zu stellen sind, die durch die Kompensationseinrichtung 24 aufzubringen sind, unterscheiden
sich daher von Maschine zu Maschine. Man kann jedoch davon ausgehen, daß die Kompensationseinrichtung
24 Freçlenzen im Bereich zwischen 30 und So Hz erzeugen können muß, wobei entsprechend
der tasse der Maschine spezifische Massen1 innerhalb eines großen Anderungsbereichs
auftreten.
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Die Kompensationskräfte, die auf den Maschinenrahmen lo wirken, veranlassen
das Schleifrad 12, dem Werkstück 14 zu folgen, um die Vibrationsbeanspruchungen
aufzuheben. Damit regulieren die Kompensationskräfte das Ausgangssignal des Bewegungsabweichungskreises
61, das die augenblickliche Abweichung des Rades angibt und das bei dem Summierglied
66 mit der errechneten Werkstückes abweichung verglichen wird. Diese Einregulierung
macht das Fehlersignal zu Null und beseitigt damit Vibrationsbeanspruchungen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß den Figuren 1 und
2 haben die Kompensationskräfte auch eine Auswirkung auf die Errechnung der Herkstückabweighung
in Abhängigkeit von der Bearbeitungskraft.
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Das bedeutet, daß dann, wenn Kompensationskräfte nach rechts gerichtet
auf den ataschinenralaen lo wirken, sie, wie Fig. 1 zeigt, dazu neigen, den Maschinenrahmen
lo im Uhrzeigersinn um die Achse 29 herum zu verschwenken, wodurch die Stellung
des Schleifrades
eingestellt wird. In entsprechender Meise neigen
Kompensationskräfte, die nach links genen den Massekörper 26 gerichtet sind, dazu,
den Maschinenrähmen um die achse 29 herum i-l Gegenuhrzeigersinn zu schwenken. Diese
Kompensationskräfte ergänzen die ursprdngl ich aufgebrachten, auf das werkstück
wirkenden Bearbeitungskräfte, wenn sie nach rechts wirken, dadurch, daß sie diese
Bearbeitun-skrafte verstärken, und wenn sie nach links wirken, dadurch, daß sie
die Bearbeitungskräfte abschwächen. Das Ausgangssignal des Umsetzers 22, das die
bearbeitungskraft anzeigt, wird daher entsprechend der Angriffsrichtung der Kompensationskrafte
vergrößert oder verkleinert.
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Die Kompensationskräfte können auch eine entgegengesetzte Wirkung
auf das Ausgangssignal des Umsetzers 22 haben. Wenn z.B. eine Kompensationskraft
nach rechts auf den Maschinenrahmen 10 gerichtet wird, neigt diese dazu, den Rahmen
vom Umsetzer 22 abzuheben, wodurch die Größe dessen Ausgangssignals mechanisch verringert
wird. In diesem Fall gleicht das Ausgangssignal des Umsetzers der gesainten auf
das Werkstück wirkenden Bearbeitungskraft,wie sie über das Schleifrad und den Maschinenrahmen
reflektiert wird, abzüglich der Wirkung der Kompensationskraft,reflektiert von deren
Angriffspunkt über den Maschinenrahmen zum Umsetzer.
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In entsprechender Weise wird, wenn eine Kompensationskraft gegen den
lassekörper nach links gerichtet ist, das Ausgangssignal des Umsetzers 22 mechanisch
vergrößert und gleicht damit der reflektierten gesamten Bearbeitungskraft zuzüglich
der Wirkung der Konpensationskraft, die über den Maschinenrahmen direkt zum Umsetzer
22 hin reflektiert ist.
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Um die direkten Auswirkungen der Kompensationskräfte auf den Umsetzer
22 zu kompensieren, ist am Maschinenrahmen 10 ein zweiter Kraftumsetzer 25 befestigt,und
zwar an der Stelle, an der die Kompensationskräfte angreifen. Dieser zweite Umsetzer
liefert ein Ausgangssignal, das der Größe und der Frequenz der auf den Maschinenrahmen
wirkenden Kompensationskräfte entspricht.
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Dieses Kompensationskraftausgangssignal wird einem Betätigungs-Kraftsynthesekreis
56 und einem Betätigungsbewegungssynthesekreis 64
zugeführt.
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Der Betätigungskraftsynthesekreis liefert ein Ausgangssignal, das
die Wirkungen der Kompensationskräfte nachbildet, die direkt durch den Slaschinenrahmen
reflektiert werden und durch den Bearbeitungskraftumsetzer 22 angezeigt werden.
Das bedeutet, daß der Kreis 56 die vom Kompensationsumsetzer 25 gelieferte Eingangsgröße
ändert, um die statische und dynamische linderung der Kompensationskräfte zu berücksichtigen,
wenn diese durch den Maschinenrahmen lo reflektiert und vom Umsetzer 22 festgestellt
werden. Der Synthesekreis erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das dieser nachgebildeten
l;-;irkung der Kompensationskräfte auf den Umsetzer 22 entspricht, dieses Ausgangssignal
wird dem Summierglied 5t zugeführt, um mit dem Ausgangssignal des Arbeitskraftumsetzers
summiert zu werden. Auf diese .leise werden die Auswirkungen von nach rechts gegen
den Maschinenrahmen lo gerichteten Kompensationskräften auf das Ausgangssignal des
Umsetzers 22 elektronisch nachgebildet und dem Ausgangs signal dieses Umsetzers
hinzugefügt, wogegen die Auswirkungen von nach links gegen den Massekörper gerichteten
Kompensationskräften elektronisch simuliert und von dem Ausgangssignal des Umsetzers
22 abgezogen werden. Das Ausgangssignal des Summiergliedes 54 ist daher immer ein
Maß für die auf das TJei-kstück ausgeübten Bearbei tungskräfte, unabhängig davon,
ob Kompensationskräfte auf den Maschinenrahmen wirken oder nicht.
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Die genauen Parameter und Aufbaumerkinale des Betätigungskraftsynthesekreises
werden beim Aufbau der betreffenden Maschine festgelegt. Zunächst läßt man die Kompensationskräfte
auf den Maschinenrahmen lo wirken, wobei alle anderen krafterzeugenden Bestandteile
wirkungslos gemacht sind. Diese Kompensationskraft werden in einem weiten Größen-
und Frequenzbereich aufgebracht und mit t Hilfe des Kompensationskraftumsetzers
überwacht.
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Zur gleichen Zeit werden die Auswirkungen dieser KompensationskrWifle
auf das Ausgangssignal des Bearbeitungskraftumsetzers 22 dadurch überwacht, daß
dessen Ausgangssignal einfach für jede aufgebrachte Kompensationskraft abgelesen
wird. Eine graphische oder mathematische Korrelation des Ausgangssignals des Kompensationsumsetzers
25 mit dem entsprechenden Ausgangssignal des Bearbeitungskraftumsetzers 22 wird
einfach dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal des Umsetzers 22 für jede aufgebrachte
Kompensationskraft abgelesen wird. Eine derartige graphische oder mathematische
Korrelation ergibt die geeigneten Parameter des Synthesekreises 56. Der Synthesekreis
55 kann aus elektronischen Bauelementen so aufgebaut sein, daß das Ausgangssignaldem
inversen Wert des Ausgangssignals des Umsetzers 22 in Abhängigkeit von den aufgebrachten
Kompensationskrä<=ten entspricht.
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.-iichtig ist, daß der Synthesekreis 56 nur in der Lage zu sein braucht,
die Auswirkungen der Kompensationskräfte auf den Bearbeitungskraftumsetzer 22 anzupassen,
da diese Kompensationskräfte aufgrund der statischen und dynamischen Eigenschaften
des zwischen den Umsetzern 25 und 22 liegenden Teils des Maschinenrahmens zwangsläufig
geändert werden. Aus diesem Grunde benötigt der Kreis keine exakten Parameter, ebenso
ist keine spezielle Schaltkreistechnik erforderlich Die Parameter des Kreises sowie
die Schaltkreistechnik unte scheiden sich notwnndigerweise von Maschine zu Maschine
wegen der mechanischen Eigenschaften derselben. Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen,
daß verschiedene Arten von elektronischen Synthesekreisen verwendbar sind, beispielsweise
analoge oder digitale Schaltkreise.
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In Fig. 7 ist daher lediglich zur Veranschaulichung der möglichte
Aufbau eines S"nthesekreises 56 dargestellt.
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Bei vielen Ausführungsbeispielen der Erfindung bildet der
BetItiqungskraftsynthesekreis
eine Difterentialgleichung zweiten Grades zwischen dem Ausgangssignal des Kompensationskraftum-Umsetzers
25 und den Auswirkungen dieser Kompensationskr;>fte auf den Umsetzer 22. Diese
Beziehung hat im wesentlichen tolgende Form:
herbei bedeuten: fa = die aufgebrachte Kompensationskraft, f = das Ausgangssignal
des Umsetzers 22 in Abhängigkeit von wl = die Resonanzfrequenz des zwischen den
Umsetzern 25 und 22 liegenden Teils des Maschinenrahmens und 11 = die Dämpfung des
zwischen den Umsetzern 25 und 22 liegenden Teils des Maschinenrahmens.
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Wie die Fig. 7 zeigt, erhält der zur Lieferung einer solchen Difterentialgleichung
zweiter Ordnung aurgebaute Schaltkreis von dem Kompensationskraftumsetzer 25 ein
Eingangssignal, das der Kompensationskraft fa entspricht. Dieses Signal wird einem
Potentiometer 130 zugeführt und gelangt von dort als das eine Eingangssignal 131
an einen Integrationsverstärker 132.
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Das Aurgangssignal des Integrationsverstärkers 132 WllU erstens einem
Potentiometer 134 zugeführt und von dort als das zweite Eingangssignal 133 an den
Integrator 132 geliefert, zweitens einem Potentiometer 136 und drittens einem invertierendem
Verstärker 138 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses invertierenden Verstärkers 138
wird durch ein weiteres Potentiometer 140 verändert und gelangt schließlich als
das eine Eingangssignal
141 an einen ausgangsseitigen invertierenden
Verstärker pa2 .
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Das Ausgangssignal des Potentiometers 136 wird einem zweiten Integrationsverstärlrer
144 zugeführt, dessen Ausgangssignal als zweites Eingangssignal 145 des ausgangsseitigen
Inverters 142 dient. Das Ausgangssignal des Integrators 144 wird ebenso durch einen
Inverter lo invertiert und durch ein Potentiometer 148 geändert, bevor es als drittes
Eingangssignal 149 dem ersten Integrator 132 zugeführt wird Beim Synthesekreis 56
gemäß Fig. 7 weisen die Potentiometer 130, 136 und 148 jeweils ein Teilerverhältnis
wl auf. Das Potentiometer 140 hat ein Teilerverhältnis von 211 und das Potentiometer
134 ein Teilerverhältnis von 211wo. Mit diesen Parametern stellt das Ausgangssignal
151 des ausgangsseitigen Inverters 142 ein Ausgangssignal 50 dar, das den Wirkungen
der Kompensationskräfte fa auf das Ausgangssignal des Arbeitskraftumsetzers 22 entspricht.
Auch hier sei darauf hingewiesen, daß der im einzelnen dargestellte Schaltkreis
nur ein Beispiel für die Beziehung zwischen fa und f ist, und daß die 0 genauen
Schaltkreisparameter (z.B. 11, wl usw.) experimentell für jeden Maschinenrahmen
bestimmt werden müssen.
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Das summierte Ausgangssignal des Summiergliedes 54 ist damit ein Maß
für die gesamte auf das Werkstück 14 ausgeübte Bearbeitungskraft einschließlich
der Wirkungen der Kompensationskräfte zu jeden Zeitpunkt der Maschinenbearbeitung.
Dieses Ausgangssignal wird dem Werkstückbewegungssynthesekreis 58 wie vorstehend
beschrieben zugeführt Das Ausgangssignal dieses Synthesekreises 58 ist damit ein
Maß für die errechnete Lageveränderung des Werkstückes aufgrund der gesamten Bearbeitungskräfte,
die auch die Kompensationskräfte einschließen, die durch den Maschinenrahmen lo
auf das Schleifrad 12 übertragen
werden wenn die Kompensations]rCifte
auf den Maschinenrahmen wirken, werden Vibrationseffekte der Kompensationskräfte
durch diesen und den Naschinenfuß 30 an die Auflager 16 des Werkstückes übertragen.
Das bedeutet, daß die an dem Maschinenrahmen angreifenden Kompensationskräfte eine
Lageveränderung des Werkstückes 14 bewirken, wobei diese Komponente der Werkstücklageveränderung
nicht von der Bearbeitungskraft herrührt. Aus diesem Grunde ist der Betätigungsbewegungssynthesekreis
64 vorgesehen. Dieser Synthesekreis 64 spricht auf das Ausgangssignal des Kompensationskraftumsetzers
25 an, um die Lageveränderung des Werkstückes in Abhängigkeit von den durch den
Fuß 30 auf die Auflager 16 übertragenen Kompensationskräfte zu beeinflussen. Dieser
nachgebildete Lageveränderungsfaktor wird durch das Summierglied 62 dem durch den
Synthesekreis 58 errechneten Werkstücklageveränderungssignal hinzugefügt. Hiermit
stellt das Ausgangssignal des Summiergliedes ein Maß für die gesamte errechnete
Werkstücklageveränderung in Abhängigkeit von der gesamten Bearbeitungskraft und
der Kompensationskräfte dar, die durch den Maschinenfuß übertragen werden.
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Dieseasehesamtlageveränderung entsprechende Signal wird mit dem die
tatsächliche Lageabweichung angebenden Signal des Bewegungsabweichungskreises 61
durch das ausgangsseitige Summierglied 66 verglichen, um die Erzeugung eines Fehlersignals
zu beeinflussen, das seinerseits die Kompensationskrafteinrichtung 24 beeinflußt.
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Die genauen Parameter sowie der Bchaltungsmäßige Aufbau des Betätigungsbewegungssynthesekreises
64 wird in weitgehend derselben Art bestimmt, wie dies für die Parameter und den
Aufbau des Betätigungskraftsynthesekreises 56 der Fall war. D.h., daß man auf den
Maschinenrahmen lo Kompensationskräfte wirken läßt, während alle anderen Kräfte
unwirksam gemacht sind. Das Wirksamwerden
dieser Kompensationskräfte
erfolgt über einen breiten Amplituden- und Frequenzbereich, wobei die Lageveränderung
des Werkstückes in Abhängigkeit von diesen Kompensationskräften durch geeignete
Mittel gemessen wird. Eine graphische oder mathematische Korrelation der Lageveränderung
des Werkstückes in Abhängigkeit von den aufgebrachten Kompensationskräften liefert
dann die Parameter für den Synthesekreis 64. Dieser Schaltkreis kann dann unter
Verwendung elektronischer Bauelemente in der Art aufgebaut werden, daß das von ihm
gelieferte elektrische Ausgangssignal ein Maß für die Lageveränderung des Werkstückes
in Abhängigkeit von den aufgebrachten und durch den Maschinenrahmen, den Maschinenfuß
und die Auflager für das Werkstück übertragenen Kompensationskräfte ist.
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Wie auch bei dem Betätigungskraftsynthesekreis 56 braucht der Betätigungsbewegungssynthesekreis
64 lediglich in der Lage sein, die Auswirkungen der Kompensationskräfte auf die
Lage -veränderung des Werkstückes anzupassen, da die Bearbeitungskräfte zwangsläufig
durch die statischen und dynamischen Eigenschafte-n des Maschinenrahmens lo, des
Maschinen fusses 30 und der Werkstückauflager 16 geändert werden. Da diese statischen
und dynamischen Eigenschaften für jeden Anwendungsfall der Erfindung verschieden
sind, werden keine genauen Angaben über die Parameter bzw. über den schaltungsmäßigen
Aufbau gemacht.
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Die Schaltkreisparameter müssen experimentell für jede Maschine bestimmt
werden, die Schaltkreistechnik kann sich geeigneter elektronischer Schaltelemente
bedienen und sowohl zu einem analogen als auch zu einem digitalen Schaltkreis führen.
Zur Veranschaulichung ist jedoch ein Beispiel eines möglichen schaltungsmäßigen
Aufbaus des Synthesekreises 64 in Fig. 8 angegeben. Ähnlich wie der Betätigungskraftsynthesekreis
56 bildet der Betätigungsbewegungssynthesekreis 64 eine Differentialgleichung zweiter
Ordnung folgender Form:
Herbei bedeuten: = = die Werkstücklageveränderung in Abhängigkeit der über den Maschinenrahmen,
den Maschinenfuß und die Werkstückauflager übertragenen Kompensationskräfte, fa
= die aufgebrachten Kompensationskräfte, 12 = die Dämpfung des Maschinenrahmens,
des Maschinenfusses und der Werkstückauflager, w = die Resonanzfrequenz von Maschinenrahmen,
Maschinenfuß und Werkstückauflager und k2 = ein Faktor für die Steifheit von Maschinenrahmen,
Maschinenfuß und Werkstückauflager.
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Wie die Fig. 8 zeigt, wird dem eine Differentialgleichung zweiter
Ordnung bildenden Schaltkreis das Eingangssignal von dem Kompensationskraftumsetzer
25 geliefert, das der aufgebrachten Kompensationskraft fa entspricht. Das Kompensationskraftsignal
gelangt an ein Potentiometer 160 und von da als das eine Eingangssignal 161 an einen
Integrationsverstärker 162. Das Ausgangssignal des Integrators wird über ein Potentiometer
164 einem zweiten Eingang 165 des Integrators 162 zugeführt und außerdem über ein
weiteres Potentiometer 166 an einen zweiten Integrator 168 geliefert. Das Ausgangssignal
dieses zweiten Integrators 168 wird durch einen invertierenden Verstärker 170 verstärkt
und durch ein weiteres Potentiometer 172 verändert, um als drittes Eingangssignal
173 dem ersten Integrator 162 zugeführt zu werden. Das Ausgangssignal dieses zweiten
Integrators stellt auch das Ausgangssignal des Synthesekreises 64 dar und wird dem
Summierglied 62 zugeführt.
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Die Potentiometer 16o und 172 weisen ein Teilerverhältnis von w2/k2
auf, das Teilerverhältnis des Potentiometers 164 betiagt 212w2. Mit diesen experimentell
ermittelten Parametern stellt das ausgangsseitige Signal 174 des Schaltkreises ein
Maß für die Lageveränderung des Werkstückes in Abhängigkeit von den Kompensationskrä,ten
dar, die über den Maschinenrahmen, den Maschinenfuß und die Werkstückauflager übertragen
werden.
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Dieses Ausgangssignal wird durch das Summierglied 62 dem Signal des
Synthesekreises 58 hinzugefügt, das der errechneten : rkstückla geveränderung entspricht,
wodurch das endgültige t.Jerkstücklageveränderungssignal gebildet wird.
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Das letzt erwähnte Signal wird durch das Summierglied 66 mit einem
Signal verglichen, das die tatsächliche Lageveränderung des Schleifrades angibt,
um ein Fehlersignal zu erzeugen.
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dann die Lageveränderung des Werkstückes und des Schleifrades identisch
sind, kommt es zu keinen Vibrationsbeanspruchungen, weswegen die Kompensationskrafteinrichtung
24 nicht aktiviert wird. Wenn dies der Fall ist, haben die Ausgangssignale des Synthesekreises
56 und des Synthesekreises 64 beide den Wert 1'Tull.
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Bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
liefert der Werkstückbewegungssynthesekreis 58 ein Signal, das der errechneten Werkstücklageveränderung
in Abhängigkeit von der aufgebrachten Bearbeitungskraft entspricht.
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Dieser Kreis 58 rührt die Errechnung der Lageveränderung des Werkstückes
in der Form durch, daß er kontinuierlich und unverzüglich seine Schaltkreisparameter
den kontinuierlichen Änderungen der statischen und dynamischen Werkstückeigenschaften
anpaßt.
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Der Synthesekreis 58 weist jedoch keine Mittel auf, mit deren Hilfe
er eine Anpassung an die statischen und dynamischen Eigenschaften des Maschinenrahmens
lo vornehmen kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Eigenschaften des Maschinenrahmens
sich
während des Bearbeitungsprozesses nicht wesentlich ändern und deswegen eine Anpassung
nicht erforderlich machen. enn die Erfindung im Zusammenhang mit einer Maschine
bzw. einem Bearbeitungswerkzeug zur Anwendung kOirL, bei denen wesentliche diesbezügliche
Änderungen während des Bearbeitungsprozesses auftreten, könnte noch ein Anpassungskreis
vorgesehen sein, der dem Synthesekreis 58 entspricht.
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Aus der vorstehenden Beschreibuny dürfte sich ergeben haben, daß eine
Reihe von Modirikationen der Ereindung möglich sind, ohne daß deren Rahmen verlassen
wird. So ist es, wie beim doppelt integrierenden Schaltkreis lol gemäß Fig. 9 gezeigt,
beispielsweise möglich, die auf das Werkstück wirkende Bearbeitungskraft aus dem
Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers 28 abzuleiten, anstatt hierfür den Bearbeitungskraftumsetzer
22 zu verwenden. Wie dargestellt, wird dem Beschleunigungsmesser 28 ein zweites
Ausgangssignal entnommen und einem Potentiometer 103 zugeführt, dessen Ausgang sowohl
mit einem Integrationsverstärker 105 als auch mit einem Sumr.lierverstärker 107
über eine Leitung 1o9 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Integrators 105 wird
einem zweiten Potentiometer llo zugeführt, dessen Ausgangssignal an einen zweiten
Integrator 112 und üoer einen invertierenden Verstärker 114 als zweites Eingangssignal
an den Summierverstärker 107 gelangt Das Ausgangssignal des zweiten Integrators
112 wird außerdem über ein drittes Potentiometer einem dritten und letzten Eingang
120 des Summierverstärkers 107 zugeführt. Das Ausgangssignal des Summierversta.crkers
107 wird dann über ein Potentiometer 122 abgegeben und stellt ein Maß für die auf
das Wer)-stück 14 wirkende Bearbeitungskraft dar. Dieses Signal wird in der oben
stehend beschriebenen Weise dem Summierglied 54 zugeführt. Das Ausgangssignal des
Schaltkreises lol wird in gewissem Umfang durch die Kompensationskräfte beeinflußt,
die
über den Maschinenrahmen lo übertragen und durch den Beschleunigungsmesser
28 angezeigt werden. Es ist daher notwendig, dIese Auswirkungen auf den Beschleunigungsmesser
in derselben Weise zu synthetisieren, wie dies bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
der Fall war, und zwar mit Hilfe eines Betätigungskraftsynthesekreises 50'. Das
Ausgangssignal des Kreises 56t wird einem Summierglied 54 entsprechender Ausgestaltung
zugeführt, so daß das Ausgangssignal desselben ein Maß für die gesamte auf das ;werkstück
wirkende Bearbeitungskraft ist.
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Die Parameter des in Fig. 9 dargestellten Schaltkreises lol werden
in weitgehend derselben Weise e>perimentell bestimmt, wie dies bei den vorstehend
beschriebenen Synthesekreisen 56 und o4 der Fall war. D.h., daß man beim Aufbau
der Maschine verschiedene bekannte Bearbeitungskräfte auf das Werkstück wirken läßt,
und gleichzeitig das Ausgangssignal des Summierverstärkers 1o7 für jede einzelne
Bearbeitungskraft anzeigt.
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Die drei Potentiometer 103, llo und 118 werden dann so dimensioniert,
daß die physikalischen Eigenschaften des Maschinenrahmens lo Berücksichtigung finden.
Die Einstellung der Potentiometer erfolgt derart, daß das Teilerverhältnis im ersten
Fall dem Kehrwert des Quadrats der Resonanzfrequenz des Maschinenrahmens, im zweiten
Fall dem doppelten Produkt aus dem Dämpfungsfaktor des Rahmens und aus dessen Resonanzfrequenz
und im dritten Fall dem Quotienten aus der Resonanzfrequenz des Maschinenrahmens
und aus dessen doppelten Dämpfungsfaktor entspricht. Das Ausgangssignal des letzten
Potentiometers 122 im Schaltkreis lol wird dann derart eingestellt, daß es eine
Amplitude aufweist, die der auf das Werkstück ausgeübten Bearbeitungskraft entspricht.
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Eine andere mögliche Modifikation der Erfindung besteht darin, daß
der doppelt integrierende Bewegungsabweichungskreis 61 durch einen einfach integrierenden
Kreis ersetzt wird, so daß
ein ->usgangssignal entsteht, das
der jeweiligen Geschwindigkeit des Schleifrades entspricht. Bei dieser Modifikation
würde der Aufbau des Werkstückbewegungssynthesekreises 58 und des Betätigungsbewegungssynthesekreises
64 in der Weise zu ändern sein, daß das Ausgangssignal des Summiergliedes 62 die
errechnete Werkstückgeschwindigkeit darstellt. Es würde dann ein Vergleich der Werkstückgeschwindigkeit
und der Schleifradgeschwindigkeit mit Hilfe des Summiergliedes vorzunehmen sein,
um ein Fehlersignal zu erzeugen.
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Die vorstehende Beschreibung hat sich speziell mit der Anwendung der
Erfindung auf die Vermeidung von Vibrationsbeanspruchungen bei einem üblichen Schleifprozeß
bezogen. Die Erfindung ist jedoch gleichermaßen im Zusammehang mit jeder anderen
Art von Maschinenbearbeitung anwendbar, durch die Material von einem Werkstück abgetragen
wird. So kann sie beispielsweise im Zusammenhang mit einer Bohrstangendrehmaschine
Verwendung finden, wie sie in Fig. lo dargestellt ist. Bei einer derartigen Anwendung
ist eine Bohrstange 180 in üblicher Weise an einer Vorrichtung 182 zur Halterung
und zur Erzeugung des Vorschubes befestigt.
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Das geeignete Werkzeug 186 in Form eines Bohrstangenmeisels ist in
üblicher Weise am vorderen Ende l88 der Bohrstange 180 befestigt, und zwar unter
einem Winkel von etwa 90° hierzu.
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Das Werkzeug wird unter entsprechender Steuerung des Mechanismus 182
in Richtung des Pfeiles 189 in ein sich drehendes Werkstück l9o hinein bewegt, um
von dessen Innenwandung 191 Material abzutragen.
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An der Bohrstange ist in geeigneter Weise ein Bearbeitungskraftumsetzer
222 befestigt, der die Bearbeitungskräfte an-zeigt, die an der Angriffsfläche des
Werkzeuges am Werkstück auftreten, wenn diese Kräfte von da aus zur Stange 180 zurückreflektiert
werden. Nahe dem Ende 184 der Bohrstange 180 ist ein Beschleunigungsmesser 228 angeordnet,
der ein Signal erzeugt, das der
Beschleunigung des erkzeuges in
einer senkrecht zur Bohrstange verlaufenden Ebene entspricht. Eine Kompensationskraftbetätigungseinrichtung
224 ist, wie auch bei der Schleifmaschine, innerhalb eines Gehäuses 227 angeordnet
und zwischen einem Kompensationskraftumsetzer 225 auf der Bohrstange und einem Massekörper
226 angeordnet.
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Der Bearbeitungskraftunsetzer 222 liefert ein Eingangssignal für einen
Werkstückbewegungssynthesekreis, der ähnlich wie der in Fig. 6 dargestellte aufgebaut
ist. Dieser Synthesekreis liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das der errechneten
?rkstückslageveränderung in Abhängigkeit von der Bearbeitungskraft unter Berücksichtigung
der sich kontinuierlich ändernden statischen und dynamischen Werkstückeigenschaften
entspricht.
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Dieses Signal wird mit einem Signal verglichen, das der tatsächlichen
Lageveränderung des Werkzeuges entspricht, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das
Fehlersignal beeinflußt die Tätigkeit der Kompensationskraftbetätigungseinrichtung
224, die zwischen der Bohrstange 18o und dem Massekörper 226 wirksam wird, um Kräfte
geeigneter Größe und Frequenz zu erzeugen, durch die Vibrationsbeanspruchungen ausgeglichen
und ausgeschaltet werden Wie bei der Schleifmaschine ist auch ein Betatigungskraftsynthesekreis
und ein Betätigungsbewegungssynthesekreis vorhanden, wenn die vorliegende Brfindung
zusammen mit einem Bohrstab Anwendung findet. Der Betätigungskraftsynthesekreis
synthetisiert die direkten Auswirkungen der Kompensationskräfte auf das Ausgangssignal
des Bearbeitungskraftumsetzers 222. Das Ausgangssignal dieses Synthesekreises wird
dann dem Ausgangssignal des Bearbeitungskraftumsetzers 222 hinzugefügt, wodurch
die unerwünschten Kompensationseffekte aufgehoben werden.
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In ähnlicher Weise wird jegliche Lageveränderung des Werkstückes,
die durch nicht auf das Bearbeitungswerkzeug wirkende Kompensationskräfte
hervorgerufen
wird, durch den Betätigungsbewegungssynthesekreis synthetisiert, um in geeigneter
Weise dem Ausgangssignal des Werkstückbewegungssynthesekreises hinzugefügt zu werden.