DE3009393A1

DE3009393A1 - Steuerungseinrichtung zur erhoehung der arbeitsgenauigkeit einer werkzeugmaschine - insbesondere einer gross dimensionierten werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE3009393A1
Application number: DE19803009393
Authority: DE
Inventors: Francesco Cotta Ramusino
Original assignee: Innocenti Santeustacchio SpA
Current assignee: Innse Macchine Utensili Srl Brescia It
Priority date: 1979-03-27
Filing date: 1980-03-12
Publication date: 1980-10-16
Also published as: US4354404A; IT1165014B; DE3009393C2; IT7921346A0

Description

DR.- TNG. H. H. WILHELM - DIPL.-TNG. H. DAUSTER

D-7000 STUTTGART 1 - GYMNASIUMSTRASSE 31 B - TELEFON (0711) 29 11

Anmelder:

IliNOCENTI SANTEUSTACCHIO S.p.A. 20, Via A. JFranchi
Brescia/Italien

Stuttgart, den 11. März 198C D 5843/?a Dr. W/m

"Steuerungseinrichtung zur Erhöhung der Arbeitsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine insbesondere einer groß dimensionierten Werk ζ eugmas chine"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung zur Erhöhung der Aroeitsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine - insbesondere einer groß dimensionierten Werkzeugmaschine.

Will man mit Werkzeugmaschinen Werkstücke herstellen, deren Abmessungen innerhalb der heutzutage geforderten, engen Maßtoleranzen liegen, so ist es notwendig, die Werkzeuge mit Hilfe der Schlittenbewegungen entlang der jeweiligen Koordinatenachsen zum Werkstück tatsächlich auch so zu positionieren, wie es der erforderlichen Sollposition entspricht. Nun zeigt sich aber, daß bei den gegenwärtig gebräuchlichen Werkzeugmaschinen aus verschiedenen Gründen - wozu insbesondere elastische Verformungen gehören - die vom Werkzeug hinsichtlich des zu bearbeitenden Werkstückes tatsächlich eingenommene Position Abweichungen von der Werkzeug-Sollposition aufweist, wobei diese Abweichungen von Parametern abhängig sind, welche für die maschinengeometrische Einstellung bestimmend sind - wozu u.a. die Schlittenkoordinaten gehören.

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Eine weitere Ursache für solche Abweichungen sind thermische Verformungen des Maschinengestelles infolge einer ungleichmäßigen Erwärmung und/oder Abkühlung verschiedener Maschinenteile, wobei diese Verformungen in erster Linie von den Jeweiligen Temperaturen abhängen, die an den verschiedenen Punkten der Werkzeugmaschine erreicht werden.

Ein anderer Grund für die Entstehung solcher Abweichungen ist die Verkzeugabnutzung, wodurch die Werkzeugspitze nicht die gewünschte Sollposition einnimmt

Eine weitere Ursache für das Auftreten von Abweichungen liegt in der Tatsache, daß die Struktur der Werkzeugmaschine geometrische Montagefehler aufweist, wie beispielsweise Fluchtabweichungen und Perpendikularfehler.

Solche Abweichungen weisen allgemein sowohl Linear- als auch Winkelkomponenten auf und führen zu Bearbeitungsfehlern, die bei groß dimensionierten Werkzeugmaschinen besonders groß sind, so daß die damit gefertigten Werkstücke doch erhebliche Parallelitäts- und Perpendikularfehler aufweisen.

Zur Behebung der oben beschriebenen Nachteile wurden bereits mehrere Systeme vorgeschlagen, wie beispielsweise Hilfsvorrichtungen um eine größere Struktursteifigkeit der Maschine zu erreichen, bewegliche Gegengewichte und/oder mechanische Kompensiervorrichtungen, deren Einsatz mit Hilfe eines von den Maschinenorganen abgegebenen Steuersignals gesteuert wird, oder z.B. Klimatisierungssysteme für Teile der Maschine und/oder der Maschinenumgebung, oder schließlich entsprechend ausgelegte Einstellvorrichtungen zur Justierung der Parallelität und Orthogonalität zwischen den Bewegungsachsen der Maschinenschlitten.

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Alle diese Systeme entsprechen aber nicht vollständig den oben erwähnten Anforderungen, da sich durch ihren Einsatz eine Reduzierung in den Abweichungen lediglich darauf beschränkt, daß einzelne Ursachen für die Abweichungen behoben werden. Außerdem weisen diese Systeme den Nachteil auf,' daß sie eine bedeutende konstruktive Komplikation, eine erhebliche Zunahme des Platzbedarfes und eine erhebliche Kostensteigerung zur Folge haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungseinrichtung für Werkzeugmaschinen zu schaffen, deren strukturelle und funktionelle Merkmale den oben erwähnten Anforderungen vollständig entsprechen und gleichzeitig eine Beseitigung der oben erwähnten Nachteile der bekannten Technik ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Steuerungseinrichtung zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer groß dimensionierten Werkzeugmaschine vorgesehen, in welcher die vom Werkzeug relativ zum Werkstück tatsächlich eingenommene Position Abweichungen von der jeweiligen Werkzeug-Sollposition aufweist, wobei die Positionsabweichungen von Parametern abhängig sind, welche durch die jeweilige Maschineneinstellung bedingt sind - wozu u.a. die Schlittenkoordinaten der Maschine gehören, wobei kennzeichnend für die Steuerungseinrichtung folgende Merkmale sind:

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- Eine Kompensiervorrichtung, die einen mechanischen Ausgleich der elastischen Verformungen der Werkzeugmaschine vornimmt und von einem Steuersignal so beaufschlagt wird, daß Positionsänderungen des Werkzeuges zum Werkstück vorgenommen und mindestens eine der oben genannten Abweichungen behoben werden;

- eine Speicher-Rechner-Einheit, in der eine Reihe von Bezugswerten zur Auslösung des oben genannten Steuersignals enthalten sind, die experimentell und/oder analytisch in Abhängigkeit von einer Reihe von verschiedenen, vorherbestimmten Maschinendaten ermittelt wurden;

- eine Reihe von Geberelementen, die der oben genannten Werkzeugmaschine zugeordnet sind und zum Erfassen der Parameterwerte in der jeweils gegebenen Maschineneinstellung dienen, wobei die ermittelten Werte nach und nach der genannten Speicher-Rechner-Einheit zugeführt werden, in welcher sie mit den Parametern der Solleinstellung verglichen werden, wonach die Ausgabe des Steuersignals für die Kompensiervorrichtung zum Abgleich mit der Ist'einstellung erfolgt.

Vorteilhaft ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung die Speicher-Rechher-Einheit außerdem für jede der Solleinstellungen auch die Werte für die verbleibenden, nicht behobenen, experimentell und/oder analytisch ermittelten Restabweichungen enthält und die Werte der verbleibenden, nicht behobenen Restabweichungen ausgibt und wenn Subtrahierelemente vorhanden, sind, mit denen die algebraischen Differenzen

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zwischen den nicht behobenen Restabvreichungen und den ermittelten Werten der jeweiligen Koordinaten erstellt werden; sowie Steuerungselemente vorgesehen sind, die mit den Differenzwerten gespeist werden und in Abhängigkeit von den Differenzwerten eine Positionierung der Schlitten auf den jeweils zugehörigen Koordinaten vornehmen.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Steuerungssystemes werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hervorgehen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist und lediglich als nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel· zu verstehen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung,

Fig. 2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt von Fig. 1, wobei mögliche Positionsabweichungen des Werkzeuges vom Sollwert der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt sind.

In den Zeichnungen ist mit dem Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung versehen, welche zur Ausrüstung einer groß dimensionierten Werkzeugmaschine 2 und zur Erhöhung von deren Bearbeitungsgenauigkeit dient.

Die Werkzeugmaschine besitzt ein Maschinenbett 3, einen auf dem Maschinenbett 3 montierten Maschinenständer 4-, eine horizontal angeordnete und vertikal auf dem Ständer 4- bewegliche !averse 5> einen horizontal entlang der Traverse beweglichen Kopf 6, sowie eine auf dem Kopf 6 montierte und vertikal bewegliche Pinole 7, die mit einem Werkzeug 8 bestückt ist. Außerdem weist die Maschine 2 ein Spannfutter 9 auf, welches drehbar auf dem Maschinenbett 3 montiert ist und auf welchem mit Hilfe von Spannbacken 10 ein

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zu bearbeitendes Werkstück 11 ausgespannt ist.

Kopf 6, Traverse 5 sowie Pinole 7 bilden die Schlitten der Maschine und bewegen sich entlang ihren jeweiligen Achsen x-x, y-y bzw. z-z, wobei die entsprechenden Koordinaten X, Y, Z entstehen, so daß das Werkzeug 8 mit dem Werkstück 11 in Eingriff kommt.

Die Maschinenschlitten 6, 5> 7 werden durch entsprechende Gleichstromantriebe betätigt; diese Antriebe sind durch die Ziffern 12, 13, 14- gekennzeichnet und sind an sich bekannt sowie im wesentlichen einander gleich. Der Einfachheit halber sei in diesem Rahmen nur der Antrieb 12 beschrieben, der aus einem Gleichstrommotor 15 und- einem Tacho-Dynamo 16 besteht, welche beide über entsprechende Leitungen 17 bzw. 18 an eine Antriebseinheit 19 angeschlossen sind, die über eine Speiseleitung 20 mit einem elektrischen Geschwindigkeitεsignal ν versorgt wird.

In der Pig. 2 kennzeichnet die Ziffer 8a_ die vom Werkzeug 8 erreichte Position, wenn die Schlitten 5i 6 und entsprechend ihren jeweiligen Koordinaten X, Y, Z positioniert sind. Ziffer 8b_ kennzeichnet die Sollposition des Werkzeuges 8, die das besagte Werkzeug für die Schlittenkoordinaten X, Y, Z einnehmen würde,' wenn bei der Werkzeugmaschine keine elastischen und thermischen Verformungen, Werkzeugabnutzung und Eluchtabweichungen bzw. Perpendikularfehler gegeben wären.

Zwischen der Werkzeug-Istposition 8a. und der Werkzeug-Sollposition 8b sind die-übertrieben dargestellten- Abweichungen e , e , e , e^ gegeben, wobei insbesondere die χ y ζ τ

Abweichung e^ allgemein "Winkelfehler" genannt wird.

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Diese Abweichungen sind von verschiedenen maschinengebundenen, geometrischen Parametern abhängig, wobei vor allem die Schlittenkoordinaten, die !Temperaturen der verschiedenen Maschinenteile und die Werkzeugabnutzung eine Rolle spielen.

Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung 1 weist eine Kompensiervorrichtung zum mechanischen Ausgleich der Maschinenverformungen auf. Diese Kompensiervorrichtung wird durch Ziffer 21 gekennzeichnet und wird über eine Leitung 22 mit einem Steuersignal F zur Positionskorrektur

der Werte e¹ , e^f , e¹ , ej> versorgt, wodurch die Abx y ζ ύ

weichung e^> beseitigt wird.

Die Kompensiervorrichtung 21 weist ein Seil 23 auf, dessen Ende 23a. an einem Zwischenpunkt 5a der Traverse 5 und dessen anderes Ende 23]b am äußersten und vom Kopf 6 entfernten Ende ^b der Traverse 5 "befestigt ist, wobei das Seil 23 über die beiden Seilscheiben 24a, 24b - die an einem oberhalb des Maschinenträgers 4 angeordneten Träger 4a befestigt sind - und über einen Rollenzug 25 zugeführt wird, der mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 26 zum Spannen des Seils 23 verstellt wird.

Die über den Hydraulikzylinder 26 ausgeübte Spannkraft wird mit Hilfe einer an sich bekannten, elektrohydraulisehen Vorrichtung 27 eingestellt, welche ihrerseits mit dem vorhergenannten Steuersignal Έ versorgt wird. Im Endbereich des Hydraulikzylinders 26 ist ein Spannkraft-Meßgeber 27a, montiert, mit dem ein geschlossener Überwachungskreis für die gemäß Steuersignal F anliegende Spannung des Seils 23 möglich ist.

Weiterhin weist die Steuerungseinrichtung 1 eine Speicher-Rechner-Einheit 28 auf, die ihrerseits Eingabegeräte,

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bestehend aus einem Lesegerät 28a und einer Tastatur 28b, aufweist. Die Speicher-Rechner-Einheit 28 enthält für das vorhergenannte Steuersignal ¥ eine Reihe von Signalwerten, die abhängig von einer Vielzahl von festliegenden Maschinendaten experimentell und/oder analytisch ermittelt wurden. Diese in den Tabellen 29 aufgeführten Werte werden mit Hilfe der oben genannten Eingabegeräte in die Einheit 28 eingegeben und dort gespeichert.

Die Werkzeugmaschine 2 ist außerdem mit den an sich bekannten Positionsgebern 31, 32, 33 zur Erfassung der Istwerte X, X, Z der Koordinaten X, Y, Z der Maschinenschlitten 5, 6 7 sowie mit den Temperaturgebern 34-, 36 zur Erfassung der Temperaturen T1, T2, T3 an verschiedenen vorgegebenen Stellen des Maschinenständers und der Werkstückaufnahme 9 sowie mit einem Geber 37 zur Erfassung der Werkzeugabnutzung U ausgerüstet.

Die von diesen Geberelementen erfaßten Signale werden über die Leitungen 31a., 32_a, 33.a, 3^a,, 35a., 36a, 37.a an die Einheit 28 weitergeleitet, wo sie mit den Parametern der oben genannten So11einsteilungen verglichen werden, wonach entsprechend der Isteinstellung der Werkzeugmaschine 2 das Steuersignal S¹ zur Betätigung der Kompensiervorrichtung 21 abgegeben wird. Entsprechend dem Steuersignal JF führt die Kompensiervorrichtung 21 die Verschiebung e', e¹, und eo>

xy τ

durch, wodurch eine Positionskorrektur des Werkzeuges von der Position 8a. in die Position 8c_ erfolgt. Insbesondere wird hierbei durch den Verschiebungsschritt elp die Abweichung e^> behoben. Mach dem Einsatz der Kompensationseinheit 21 weist das Werkzeug 8 in seiner Position 8c_ hinsichtlich seiner Position 8b_ nur noch die Restabweichungen e" und e" auf.

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Die Compensationseinheit 21 enthält für jede Solleinstellung auch noch die Werte der verbleibenden und nicht behobenen Restabweichungen e". Diese experimentell und/oder analytisch ermittelten Werte werden in den Tabellen 50 festgehalten und über ein Lesegerät 28a oder eine Tastatur 28b_ in die Speicher-Rechner-Einheit 28 eingegeben. Die Einheit 28 liefert über eine Leitung 38 die Werte e", e" der entsprechend der Istein-

-X. Zr

stellung verbleibenden und nicht behobenen Restabweichungen. Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält außerdem noch die durch die Ziffer 39 gekennzeichneten Subtrahierelemente, die über eine Leitung 38 die verbleibenden Restabweichungen e", e" und über eine Leitung die verbleibenden Restabweichungen e", e" und über eine Leitung 40 die erfaßten Werte X, Y, Z der Schlittenkoordinaten zugeführt bekommen. Die Subtrahierelemente 39 bilden die algebraischen Differenzen zwischen den Werten X, Ϋ, Z und den e"-Werten. Daneben enthält die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung auch noch die durch Ziffer 41 gekennzeichneten Überwachungselemente, die über eine Leitung 42 die algebraischen Differenzen zugeführt bekommen und zur Positionierung der Maschinenschlitten gemäß deren jeweiligen Schlittenkoordinaten dienen. Die Überwachungselemente 41 bestehen aus einer Anzeigeeinrichtung 43, die über eine Leitung 42 an ihrem Eingang 43a die algebraischen Differenzen zugeführt bekommt.

Wach einer Ausführungsvariante bestehen die Überwachungselemente aus einer numerischen Steuerungseinheit 44, die über ihrem Eingang 44a. die algebraischen Differenzen der Rückführsignale und über eine Leitung 45 die mit Hilfe von Lochstreifen 46 einprogrammierten Werte X , Y , Z der Schlittenkoordinaten X, Y, Z zugeführt bekommt.

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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung ist folgende:

Zunächst werden in die Speicher-Bechner-Einheit 28 die zum Ausgleich der Abweichung e^ erforderlichen Werte für das Steuersignal P eingegeben - welche anhand von Messungen einer Reihe von verschiedenen Maschinendaten experimentell ermittelt oder als Punktion der von der Geometrie der Maschine abhängigen Parameter analytisch ausgedrückt sein können -, sowie die e"-Werte der mechanisch nicht kompensierten 'Restabweichungen, die entweder experimentell gemessen oder ebenfalls als Punktion der von den Maschinendaten abhängigen Parameter ausgedrückt sein können. Wach Durchführung dieser Vorarbeit arbeitet das erfindungsgemäße System 1 folgendermaßen:

Pur jede Einstellung liefern die vorher genannten Geberelemente die Istwerte der jeweiligen Parameter an die Speicher-Rechner-Einheit 28; insbesondere sind hierbei die Schlittenkoordinate X, Y, Z von Bedeutung. Nach Durchführung einer Interpolation, bzw. nach Errechnung der gespeicherten Punktionen, liefert die Einheit 28 an die Kompensiervorrichtung einen entsprechenden Wert für das Steuersignal P zum Ausgleich der Abweichung e^ und liefert an die Subtrahierglieder 39 die Werte der Restabweichungen e". Die genannten Subtrahierglieder 39 erstellen die algebraischen Differenzen zwischen den gespeicherten Koordinatenwerten und den oben genannten Restabweichungen und senden diese Differenzwerte über die Leitung 42 entweder an die Anzeigeeinrichtung 43 zu deren optischen Darstellung oder aber an die MC-Steuerungseinheit 44, wo sie dann als Rückführungswerte eintreffen.

Im ersten Pail nimmt eine in Position O befindliche Bedienungsperson mit Hilfe einer konventionellen und durch eine gestrichelte Linie 47 gekennzeichnete Handsteuerung ehe ent-

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sprechende Schlittenpositionierung vor, wobei der Positionierungsvorgang aufgrund der an der Anzeigeeinrichtung 43 optisch dargestellten Werte und der von einer Zeichnung 48 abgelesenen Sollwerte zu erfolgen hat. Da die optisch dargestellten Werte jeweils um die Restabweichungen e" reduziert werden, wird das Werkzeug effektiv die gewünschte Position 8b_ einnehmen. Im zweiten Fall erfolgt eine automatische Positionierung der Maschinenschlitten durch die NC-Steuerungseinheit 44, indem die Gleichstromantriebe 12, I3 und 14 über die Leitung 20 die Signale V , V_, V zugeführt bekommen. Die

χ y ζ

genannten Signalwerte V , V_, V werden dadurch erhalten,

χ y ζ

daß mit Hilfe eines Verstärkers 44b_ eine Verstärkung des Ausgangssignales des Vergleichspunktes 44_c erfolgt, mit dem die einprogrammierten Werte X , Y , Z und die Rückführungswerte verglichen werden. Da die Rückführungswerte um die Restabweichungen e" reduziert werden, erreicht auch in diesem Fall das Werkzeug effektiv die gewünschte Position 8b_.

Ohme den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, kann an Stelle einer Reduzierung der ermittelten Koordinatenwerte X, Y, Z um die Restabweichungen e" auch eine Reduzierung der einprogrammierten Werte X , Ϊ , Z um die Restabweichungen e" stattfinden. In einem solchen Fall wird die Steuerungseinheit über den Eingang für die Rückführungswerte direkt mit den ermittelten Werten X, Y, Z gespeist und es ist ein Summationsglied vorgesehen, mit welchem die oben genannten Restabweichungen e" den einprogrammierten Werten X , Y , Z zuaddiert werden.

Das erfindungsgemäße Steuerungssystem bietet den Vorteil einer entscheidenden Verbesserung der Arbeitsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine unter Verwendung kostengünstiger und platzsparender Mittel, wobei nicht so sehr die einzelnen Fehlerquellen beseitigt, sondern vielmehr die auftretenden Fehler als Ganzes behoben werden.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

f1. Steuerungseinrichtung zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen - insbesondere von groß dimensionierten Werkzeugmaschinen -, bei welchen Abweichungen auftreten zwischen der vom Werkzeug in bezug auf das Werkstück erreichten Istposition und der Sollposition, wobei diese Abweichungen von Parametern - zu welchen u.a. die Schlittenkoordinaten gehören - abhängig sind, die durch die Geometrie der Maschine gegeben sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

Eine Kompensiervorrichtung (21), die einen mechanischen Ausgleich der elastischen Verformungen der Werkzeugmaschine (2) vornimmt und von einem Steuersignal (ϊ) so beaufschlagt wird, daß Positionsänderungen (e¹) des Werkzeuges (8) zum Werkstück (11) vorgenommen und mindestens eine der oben genannten Abweichungen behoben werden;

eine Speicher-Rechner-Einheit (28), in der eine Reihe von Bezugswerten zur Auslösung des oben genannten Steuersignals (J") enthalten sind, die experimentell und/oder analytisch in Abhängigkeit von einer Reihe von verschiedenen, vorherbestimmten Maschinendaten ermittelt wurden;

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- eine Reihe von Geberelementen (31 bis 37), die der oben genannten Werkzeugmaschine zugeordnet sind und zum Erfassen der Parameterwerte in der jeweils gegebenen Maschineneinstellung dienen, wobei die ermittelten Werte nach und nach der genannten Speicher-Rechner-Einheit (28) zugeführt werden, in welcher sie mit den Parametern der Solleinstellung verglichen werden, wonach die Ausgabe des Steuersignals Q?) für die Kompensiervorrichtung (21) zum Abgleich mit der Isteinstellung erfolgt.
2. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher-Rechner-Einheit (28) außerdem für jede der vorhergenannten Solleinstellungen auch noch die experimentell und/oder analytisch ermittelten Werte der nicht behobenen Restabweichungen (e") enthält und eine Ausgabe der Werte der verbleibenden, der Isteinstellung entsprechenden, nicht behobenen Restabweichungen (e") vornimmt, sowie dadurch, daß Subtrahierelemente (39), mit denen die algebraischen Differenzen zwischen den nicht behobenen Restabweichungen (e") und den ermittelten Werten (X, Ϋ, Z) der jeweiligen Koordinaten (X, Y, Z) erstellt werden, sowie Überwachungselemente (41) vorgesehen sind, die mit den Differenzwerten gespeist werden und eine entsprechende Positionierung der Maschinenschlitten (5, 6, 7) auf deren Koordinatenachsen vornehmen.
3- Steuerungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungselemente (41) aus einer Anzeigevorrichtung (43) bestehen, welche über ihren Eingang (43a) die vorhergenannten Differenzwerte zur Anzeige zugeführt bekommt.

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4. Steuerungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungselemente (41) aus einer numerischen NC-Steuerungseinheit (44) bestehen, die über ihren Eingang (44a) die vorhergenannten Differenzwerte zugeführt bekommt.

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