DE2931940C2

DE2931940C2 - Vorrichtung zur Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit an spanabhebenden Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2931940C2
Application number: DE2931940A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. Dr. 8530 Neustadt Nahr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-07
Filing date: 1979-08-07
Publication date: 1985-01-31
Also published as: DE2931940A1; IT8024053A0; CH648785A5; IT1132349B; FR2462968A1; FR2462968B3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das Prinzip einer solchen Vorschubregelung in Abhängigkeit von bestimmten Bearbeitungsparamütern, z. B. Kräften, ist bekannt und verschiedentlich beschrieben (siehe z.B. DE-Z. »Werkstatt und Betrieb«, 1968, Heft 11, S. 683-687 sowie DE-Z. »wt-Z. ind. Fertig.«, 1971, Nr. 12, S. 797, 798). Leider zeigt jedoch die Erfahrung, daß eine Umsetzung der theoretischen Ansätze in praktische Lösungen häufig problematisch ist. Selbst in Fällen, wo diese Umsetzung gelungen ist, ist die Handhabung eines ACC-Regelkreises kritisch. Aufgrund der üblichen Meß- und Auswerteverfahren neigt der Regelkreis nämlich zu Schwingungen, die vor allem durch die systemimmanente Totzeit gegeben sind. Daher wird entweder der Weg gegangen, die Regelverstärkung auf sehr geringe Werte herabzusetzen oder die Regelung ganz zu umgehen und zu einem offenen System überzugehen, wo z. B. die Schleifkraft einfach durch Federdruck oder ein vergleichbares System vorgegeben ist.
Eine Vorrichtung zur Regelung der Zerspanungsleistung durch Verändern der Werkzeugvorschubgeschwindigkeit an spanabhebenden Maschinen, insbesondere der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, wobei die Leistungsaufnahme am Antriebsmotor gemessen wird, ist aus der DE-OS 16 02 973 bekannt, wobei aber nur der absolute Wert der Zerspanungsbzw. Verformungsleistung — und damit die vom Werkzeug ausgeübte Zerspankraft — erfaßt wird. Dies wird jedoch den Problemen, wie sie für eine möglichst optimale Ausnutzung von spanabhebenden Werkzeugmaschinen auftreten, nicht ganz gerecht. Insbesondere werden hiermit schnelle Änderungen in der Belastung, wie sie durch plötzlich auftretende Vorsprünge am Werkstück oder harte Stellen im Werkstück auftreten können, nicht rasch genug erfaßt. In Konsequenz dessen ergibt sich nachteiligerweise entweder eine Überlastung der Werkzeugmaschine oder über relativ große Zeiträume eine nicht genügende Auslastung der Maschine.
Die DE-OS 19 48 011 sieht zwar vor, den Differentialquotienten der Zerspanungsleistung nach der Zeit, also dP/dt für die Einstellung des Arbeitsvorschubes zu verwenden. Dabei ist zunächst meßtechnisch die vorgesehene Ermittlung der Zerspanungsleistung aus Spindeldrehmoment und -drehzahl wesentlich umständlicher als die entsprechende Messung am Antriebsmotor, von der die Erfindung ausgeht. Nachteilig ist hierbei aber insbesondere, daß die Erfassung des Differentialquotienten dP/dt nur dann ein brauchbares Maß für die Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit ergibt, wenn die relative Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeuges zum Werkstück konstant ist. Gerade hier können sich aber Abweichungen und Unregelmäßigkeiten ergeben. Insbesondere kann der Druck des Werkzeuges auf das Werkstück rechnerisch kaum zu erfassende Ausweich-

M bewegungen aufgrund der Elastizität des eingespannten Werkstückes bewirken. Die hierdurch bedingte Ausweichgeschwindigkeit des Werkstückes ist also weitgehend unbekannt. Ein weiteres Problem besteht in der

Abarbeitung von Unrundheiten. Bei einem konstanten Vorschub würde das Werkzeug der Werkstückkontur elastisch folgen und die Unrundheit nur asymptotisch abbauen. Im Zusammenhang mit den beiden vorgenannten Problemen tritt die Forderung auf, daß nach Erreichen der Endlage des Werkzeuges, bei dem sogenannten »Ausfeuern«, das Werkstück das gewünschte Endmaß u. a. dadurch erreichen soll, daß die durch die Vorschubkraft bedingten elastischen Verspannungen (z. B. Biegung der Maschinenspindel) sich zurückstellen. Aus anderen Literaturstellen — hierzu wird beispielsweise auf die DE-PS 11 14 239 verwiesen — ist es bekannt die vorgenannte Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit aufgrund des aufgenommenen Stromes des Werkzeug-Antriebsmotors als Meßgröße vorzunehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung (vgl. Oberbegriff des Anspruchs 1) in relativ einfacher Weise bei unkritischer Einstellung der Prozeßparameter für eine einwandfreie und relativ schnelle Beseitigung von Unrundheiten am Werkstück zu sorgen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1, die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 vor.

Dabei bedeutet P die aufgenommene Wirkleistung des Antriebsmotors der Werkzeugmaschine und s den Vorschubweg des Werkzeuges am Werkstück. Dabei versteht es sich, daß die Erfindung auch bei einem sich zum Werkzeug hin bewegenden Werkstück in der gleichen Weise anwendbar ist. Hiermit wird ein Regelalgorithmus angewendet, so daß der D-Anteil der PID-Regelung schnell, hinreichend groß und asymmetrisch wird. Diese Asymmetrie des D-Anteils bewirkt, daß eine Störgröße mit einer Fouriertransformierten, die vergleichbar oder schneller als die Regelzeitkonstante ist und zu einer normalerweise gedämpften Regelschwingung führen würde, dergestalt wirkt, daß der Vorschub wohl abgebremst, nicht aber anschließend sofort wieder beschleunigt wird. Die Vorschubgeschwindigkeit erreicht erst dann wieder den ursprünglichen Wert, wenn die Störung abgeklungen ist. Diese Regelung ist eigensicher gegen Regelschwingungen, wobei die Wahl der Regelparameter recht unkritisch ist, zum anderen aber ist sie schnell, wenn es darauf ankommt, Maschine und Werkzeug vor plötzlich auftretender Überlastung zu schützen. Mit anderen Worten: Es wird eine schnellwirkende Abbremsung des Vorschubes im Zeitpunkt der ersten Berührung des Werkzeuges mit dem Werkstück bewirkt. In diesem Stadium wird nämlich der Differentialquotient aPias mit einem Maximalwert (Schranke) verglichen, der nur wenig über Null liegt. Ein Oberschreiten dieses Wertes führt zu dem Signal »Erkennen der Werkstückkontur« und zu einer entsprechenden Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit oder im Fall des Berührungsschutzes zur Stillsetzung des Vorschubes. Bei einem normalen Arbeitsvorschub (Zerspanbetrieb) bedeutet jede Änderung von aPias eine Änderung der Werkstückkontur oder der Werkstückbeschaffenheit an der betreffenden Stelle. Eine Änderung der Werkstückkontur hat in der Regel eine Änderung der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück zur Folge, z. B. der Übergang von Luft in das Werkstückmaterial oder von einem schmalen Werkstück gerade ins volle Material des Werkstückes. Ein besonderer Vorteil der Verarbeitung des Differentialquotienten aPias liegt darin, daß hiermit der Maschine gewissermaßen ein »Tastsinn« oder ein »taktiles Empfinden« gegeben wird mit der Möglichkeit den Vorschub derart zu verändern, daß gerade Vorsprünge, Oxydschichten usw. erkannt und abgearbeitet werden, ohne daß das Werkzeug ins eigentliche Material des Werkstückes einschneiden muß. Insbesondere wird dabei eine Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit an die jeweilige efektive Belastung erreicht Die Messung der genannten Änderung der Wirkleistung über dem Vorschubweg in Form des vorgenannten Differentialquotienten bewirkt ferner,

ίο daß auch die genannten Ausweichbewegungen bzw. die Ausweichgeschwindigkeit des Werkstückes (bzw. eine entsprechende Bewegung des Werkzeuges) meßtechnisch mit erfaßt und daher bei der Einstellung berücksichtigt werden können. Das Endmaß Werkstückes wird aufgrund des nunmehr gegebenen definierten Belastungszustandes bis zum Ende des Bearbeitungsvorganges sicher eingehalten. Erwähnt sei, daß es nicht genügt (siehe vorstehend), zur Regelung nur den Strom des Antriebsmotors zu verwenden, wie es M.Acs in der genannten Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb« beschreibt da die Wirkleistung gegeben ist durch

P=U-I=U-

Wenn auch die Spannung U in der Regel hinreichend konstant ist, muß außer dem Strom / aucii der Faktor cos φ berücksichtigt werden, da insbesondere bei kleiner Wirkleistungsaufnahme sich zunächst cos φ ändert, während / annähernd gleich bleibt Erst wenn die Wirkleistung in die Größenordnung der Nennleistung kommt, ändert sich der Strom in gleichem Maße.

In Ausgestaltung der Erfindung können die Merkmale des Anspruchs 2 vorgesehen sein. Hiermit wird erreicht, daß zwar ein Anstieg der Leistung die Vorschubgeschwindigkeit verzögert, jedoch ein Abfall der Leistung die Vorschubbewegung nicht wieder beschleunigt. Hierdurch wird also die Abarbeitung von Ungenauigkeiten des Werkstückes verbessert. Diese Wirkung kann noch durch die Merkmale des Anspruchs 3 verstärkt werden, die vermeiden, daß — wie es bei einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit der Fall wäre — das Werkzeug der Werkstückkontur elastisch folgt, d. h. sich die Unregelmäßigkeiten bis ins Endmaß fortsetzen. Dieser Vorteil ergibt sich daraus, daß nicht der Spitzenwert der Leistung, sondern der der zeitlichen Ableitung gespeichert wird.

Ferner sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Merkmale des Anspruchs 4 vorgesehen. Der Überlastungsschutz aufgrund einer Messung der aufgenommenen absoluten Leistung ist an sich bekannt. In Verbindung mit den genannten Differentialquotienten wird die Regelung noch optimiert Insbesondere in Verbindung mit der Messung des Differentialquotienten dPldt und der Zeitkonstanten ist hier eine spezielle PD-Regelung (Leistung-Zeit-Regelung) gegeben mit dem Effekt, daß die Regelung um so empfindlicher auf plötzliche Widerstände reagiert, je höher die bereits vorliegende effektive Leistung ist, d. h. je geringer der noch verbleibende Spielraum bis zur Nennleistung ist. Die Nennleistung bildet also die obere Grenze für die Summe aus der gemessenen Wirkleistungsaufnahme des Motors und dem Ladungszustand des Speichers. Bei auftretenden Unrundheiten wird also die Vorschubbewegung verlangsamt oder sogar so lange stillgesetzt, bis die vorspringenden Teile des Werkstückes abgetragen sind, ohne daß zugleich mit den vorspringenden auch tiefer liegende Stellen des Werkstückes zerspant werden würden, wodurch nämlich die Unrundheit mehr oder weni-

I 5

^:j.^:!j ger erhalten oder zumindest nur asymptotisch ver-

\''-' schwinden würde.

■ ■: Die vorstehend erläuterte Funktion wird durch eine

p Ausgestaltung der Erfindung gemäß deii Ansprüchen 5

;i: und 6 ermöglicht

\':} Ferner sind zwecks Ausgestaltung der Erfindung die

~h Merkmale des Anspruchs 7 vorgesehen. Hiermit liegt

I- beispielsweise bei Wechselstromantrieb alle 10 Millisekunden ein verwertbares Leistungsmaß Pin Form eines

U Spannun^jsignals vor, wobei die Verzögerung zwischen

Ki Auftreten der Leistung und Ausgang des Signals gerin-

5?; ger als eine Millisekunde ist Die Erfassung der Regel-

f ;· größe ist also sehr schnell möglich. Falls ein Wechsel-

|/i oder Drehstromantrieb mit höherer Frequenz als 50 Hz

s| voriiegt, ist auch die Zahl der Messungen pro Sekunde

}W entsprechend höher.

S§ Mit den Merkmalen des Anspruchs 8 wir die effektive

II elektrische Leistung U-I- cos φ und nicht etwa die P Scheinleistung gemessen. Die effektive Leistung ist nach

^ Abzug der Leerlaufleistung des Motors ein direktes Maß für die Tangentialkraft der Zerspanung zwischen Werkzeug und Werkstück. Bei gegebenen Zerspanungsbedingungen steht diese Tangentialkraft in einem bestimmten Verhältnis zur Normalkraft, so daß die gemessene effektive elektrische Leistungsaufnahme auch ein Maß für die Normalkraft ist Der Analogmultiplizierer weist die Mittel auf, um ohne mechanische Zwischenglieder die eingegebenen Werte und insbesondere die genannten Differentialquotienten in entsprechende elektrische Ausgangssignale, ζ. Β. Spannungssignale, umzusetzen; von hier aus können sie einem Regler, z. B. einem Zweipunktregler, zugeführt werden (Anspruch 9). Die vorstehend umrissene Meß- und Regelvorrichtung vermeidet mechanisch bewegte Teile und ist so schnell, daß sie den bei 50-Hz-Antrieben hundertmal bzw. dreihundertmal pro Sekunde auftretenden Änderungen folgen und eine entsprechende schnelle Regelung der aufgenommenen Wirkleistung des Antriebsmotors bewirken kann.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit als Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkzeug mittels Regelung der Wirkleistungsaufnahme an spanabhebenden Werkzeugmaschinen, insbesondere Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Schleifmaschinen, Randschleifmaschinen, Entgratmaschinen, Drehmaschinen, wobei die Wirkleistungsaufnahme aus am Hauptantriebsmotor gemessenen Strom- und Spannungswerten ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wirkleistungsaufnahme (P) in Relation zur Änderung des Vorschubweges fs), d. h. der Differentialquotient aPias ermittelt und in ein Steuersignal für die Vorschubbewegung umgesetzt wird, wobei ein Vergleich des Ist-Differentialquotienten dPlds mit einem oder mehreren vorgebbaren Grenzwerten dieses Differentialquotienten erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Änderung der Wirkleistungsaufnahme (P) des Motors in Relation zur Zeit (t), d. h. der Differentialquotient dP/dt ermittelt und asymmetrisch derart verarbeitet wird, daß nur ein Anstieg der Leistung in den Regelprozeß eingeht, ein Abfall der Leistung jedoch unberücksichtigt bleibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicherung des aus dem zeitlichen Anstieg der Leistung gewonnenen Signals vorgesehen und derart gestaltet ist, daß der Speicher mit einer Zeitkonstanten entladen wird, wobei bei sich drehendem Werkstück die Zeitkonstante der Drehzahl des Werkstückes so anpaßbar ist, daß Unrundheiten des Werkstückes abgebaut werden, bevor die Vorschubbewegung wieder beschleunigt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene aufgenommene Wirkleistung mit einer oberen Nenngrenze verglichen und zusammen mit einem oder beiden der Differentialquotienten dP/as und dP/dt in den Regelprozeß eingeführt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand des Speichers in Kombination mit der gemessenen Wirkleistung als Teil der Regelgröße verwendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der gemessenen Wirkleistung resultierende Signal zu dem aus dem Ladungszustand des Speichers resultierenden Signal addiert wird und die Summe einen Teil der Regelgröße darstellt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsmessung zweimal je Wechselstromperiode bzw. sechsmal je Drehstromperiode erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur vektoriellen Zuordnung und Weitergabe der gemessenen Strom- und Spannungswerte des Hauptantriebsmotors an einen Analogmultiplizierer vorgesehen sind und daß im Analogmultiplizierer eine Anordnung zur Umwandlung der eingegebenen Werte in entsprechende elektrische Ausgangssignale vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Ausgangssignale des Analogmultiplizierers ohne mechanische Zwischenglieder gebildet und als Regelgröße in den Regelprozeß eingegeben werden.