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BESCHREIBUNG:
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine mit wenigstens
zwei relativ zu einer Werkstückeinspannung beweglichen, ein Werkzeug tragenden,
durch Motoren betätigbaren Teilen, für deren Stellungen mittels Obertrager Signale
gebildet werden, die einem numerischen Steuersystem für die Steuerung der Motoren
zugeführt werden.
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Ein Beispiel einer derartigen Werkzeugmaschine ist eine Drehbank,
bei welcher die beiden Teile den Sattel und den Kreuzschlitten bilden.
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Der Kreuzschlitten trägt den Längsschlitten, während das Werkstück
über das Spannfutter und den Spindel kasten dem Maschinenbett zugeordnet ist. Der
Sattel und der Kreuzschlitten werden mit in üblicher Weise reversierbare Elektromotoren
durch Spindeln und Muttern angetrieben. Die Obertrager können Stellungsgeber mit
Drehteilen sein, welchletztere in Verbindung mit den Spindeln stehen und von diesen
angetrieben werden; sie können jedoch auch für Linearverschiebungen ausgeführt sein.
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Die Genauigkeit der Bearbeitung eines Werkstückes durch ein dem numerischen
Steuersystem aufgegebenes Befehlsprogramm hängt unter anderem von der Versorgung
des Steuersystems mit Informationen über die genaue Stellung des Werkzeuges relativ
zum Werkstück ab.
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Bei bekannten Maschinen wird eine Information bezüglich des Werkzeugvorstandes,
also der Stellung der Werkzeugspitze relativ zur Halteeinrichtung, ermittelt und
dem Steuersystem zugeführt. Dieser Vorstand kann als ein veränderlicher Vorstand
angesehen werden, der sich bei jedem Werkzeugwechsel verändert. Indes gibt es weitere
abweichende l;iaXe, die lediglich von der Werkzeugmaschine abhängig sind. Beispielsweise
lassen sich Nichtlinearitäten der Spindeln sowie das Spiel zwischen Muttern und
Spindel in Betracht ziehen.
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Die vorerwähnte Nichtlinearität ist besonders wichtig, wenn die Obertrager
Stellungsgeber sind. Bei bekannten Maschinen werden diese festen Fehler ausgemessen
und die Fehlerinformationen eingesetzt, um die erforderlichen Stellungssignale für
die beweglichen Teile entsprechend zu verändern.
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Darüber hinaus gibt es jedoch noch weitere, von der Maschine abhängende
Vorgabemaße. Beispielsweise kann im Falle einer Drehbank die Vertikalebene der Drehachse
des Spannfutters nicht parallel zur Vertikalebene, in welcher der den Sattel tragende
Schlitten vorgesehen ist, sein; für eine feststehende Stellung des Kreuzschlittens
kommt es dann bei Ausführung der Drehbearbeitung zu einer Konizität. Hierbei handelt
es sich selbstverständlich um eine wohl bekannte Auswirkung, und um eine saubere
zylindrische Oberflächengestaltung des Werkstückes sicherzustellen, muß man die
Stellung des Kreuzschlittens bei Bewegung des Sattels verändern. Somit kann ein
Fehler in einer Ebene Maßabweichungen in einer anderen Ebene verursachen.
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Veränderliche Fehler können sich aus der Betriebsweise der Maschine
ergeben. Beispielsweise können dann, wenn bei einer starken Schnittleistung eine
entsprechende Last vom Werkzeug aufgenommen werden muß, der Längsschlitten, der
Kreuzschlitten und der Sattel, der die Werkzeugspitze führt, aus ihrer genauen Stellung
abgelenkt werden. Gleichfalls kann das Werkstück seinerseits eine örtliche Verschiebung
erfahren. Ebenfalls könen sich Fehler als Folge von Temperaturänderungen während
des Betriebes der Maschine ergeben.
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Nach Möglichkeit werden die vorstehend genannten Fehler sowie weitere
durch die Betriebsweise der Maschine geeicht und als Informationen festgehalten.
Die für eine bestimmte Bearbeitung oder eine bestimmte Einstellung der verschiedenen
Teile der Maschine
erforderliche Information läßt sich dann dem
Speicher entnehmen und im Steuersystem verwenden, um die notwendige Verbindung zu
bewirken.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Werkzeugmaschine der
einleitend bezeichneten Art in einer einfachen und zuverlässig drbeitenden Weise
herzustellen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein Speicher für Informationen
für feststehende Maschinenfedern und ein Fehlerrechner vorgesehen sind, dem Informationen
des Informationsspeichers und Signale der Obertrager zugeführt werden, und der zwei
Korrektur signale erzeugt, die auf die Steuersignale des numerischen Steuersystems
für die Motoren einwirken.
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In den Zeichnungen stellen dar: Figur 1 eine schematische Draufsicht
auf eine Werkzeugmaschine, Figur 2 eine Abänderung eines Teils des Werkzeuges gemäß
Fig. 1 und Figuren 3 bis 5 Blockschaltbilder eines elektronischen Steuersystems
der Werkzeugmaschine.
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Die Werkzeugmaschine gemäß Fig. 1 ist eine einfache Drehbank mit einem
Maschinenbett 10, einem Sattel 11, der auf dem Maschinenbett verschiebbar ist, einem
Kreuzschlitten 12 auf dem Sattel, der seinerseits der Aufnahme eines Längsschlittens
13 dient, welcher das Werkzeug trägt. Weiterhin ist das Maschinenbett mit einem
Spindel kasten 14 versehen, der das Spannfutter 15 trägt.
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Der Sattel wird mittels einer Spindel 16 entlang der Schlittenführungen
durch einen reversiebaren Elektromotor 17 bewegt. Die Spindel steht
über
einer nicht dargestellte Mutter mit dem Sattel in Eingriff.
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Eine weitere Spindel und Mutter sind auf dem Sattel für die Bewegung
des Kreuzschlittens relativ zum Sattel vorgesehen, wobei diese weitere Spindel durch
einen Elektromotot 18 zum Zwecke der Bewegung des Kreuzschlittens angetrieben ist.
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Mittels eines Paares Obertrager werden Signale für die Stellung des
Sattels im Maschinenbett und des Kreuzschlittens auf dem Sattel erzeugt. Die Obertrager
können Drehstellungsgeber sein, die mit den Spindeln in Verbindung stehen, oder
es kann sich um lineare Stellungsgeber handeln. Ein Beispiel eines Drehstellungsgebers
zeigt Fig. 2. In diesem Falle sieht der Stellungsgeber in einem Gehäuse 19 ein Drehteil
20 vor, welches mittels einer Kupplung 21 mit der Antriebswelle des Motors 17 verbunden
ist, so daß das Drehteil 20 in einerWirkverbindung mit der Spindel 16 steht. Das
Gehäuse 19 ist auf Lagern angeordnet, welche eine Drehbewegung des Gehäuses gestatten;
weiterhin steht das Gehäuse über ein Getriebe 22 mit einem Schrittmotor 23 in Verbindung.
Für eine vorgegebene Stellung des Drehteils 20 des Stellungsgebers läßt sich das
vom Stellungsgeber gebildete Drehstellungsignal durch eine Drehbewegung des Gehäuses
mittels des Schrittmotors verändern.
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Ein Obertrager für Linearbewegungen ist nicht dargestellt; er kann
ein mit dem Maschinenbett 10 verbundenes Gehäuse aufweisen, während sein bewegliches
Teil mit dem Sattel 11 oder dem Sattel 11 und dem Kreuzschlitten 12 in Verbindung
steht.
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Die numerische Steuereinheit der Werkzeugmaschine sieht gemäß Fig.
3 eine Antriebsschaltung für den Motor 17 vor, die mit 23 bezeichnet ist. Die Antriebsschaltungen
werden mit analogen Signalen mittels eines DA-Wandlers 24 beaufschlagt, der vom
Fehlerspeicher 25 Fingangssignale erhält. Der Fehlerspeicher speichert den Ausgang
eines Komparators 26, dem ein gefordertes Stellungssignal von einer
Bearbeitungssteuereinheit
27 beaufschlagt wird; die Bearbeitungssteuereinheit kann die Bearbeitungsinstruktion
auf Band oder auf einem anderen Medium gespeichert halten.
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Das andere, dem Komparator 26 zugeführte Signal stammt vom übertrager
28 und wird dem Komparator über eine Schnittstelle, die durch den Block 29 bezeichnet
ist, aufgegeben. Wenn zunächst einmal der zwischen dem Block 29 und dem Obertrager
28 dargestellte Block außer acht gelassen wird,stellt das System ein einfaches geschlossenes
Schleifensteuersystem dar, das im Betriebszustand darauf abgestellt ist, sicherzustellen,
daß die Stellung des Sattels'die vom Obertrager 28 repräsentiert wird, auf dem Signal
beruht, welches die Bearbeitungssteuereinheit 27 abgibt.
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Somit ist verständlich, daß Fig. 3 nur die Steuerung des Motors 17
darstellt. Die Bearbeitungssteuereinheit 27 ist mit einem ähnlichen Ausgang für
die Beaufschlagung einer ähnlichen Schaltung für den Motor 18 ausgeführt.
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Wie bereits beschrieben, sollen Ungenauigkeiten der Maschinenkonstruktion
sowie unterschiedliche Arbeitsbedingungen der Maschine, die auf die Stellung der
Werkzeugspitzen in Bezug auf das Werkzeug von Einfluß sind, korrigiert sind. Aus
diesem Grunde ist ein Fehlerrechner 30 vorgesehen, der ein Korrektursignal erzeugt,
welches im Block 31 zwischen dem Obertrager 28 und dem Schnittstellenblock 29 Verwendung
findet, um das Ausgangssignal des Obertragers 11 zu modifizieren. In diesem Falle
ist der Obertrager 28 ein linearer Stellungsgeber. Der Block 31 ist nicht als ein
Teil der numerischen Steuerungseinheit auffaßbar, was gleichfalls für den Fehlerrechner
30 gilt. Der Fehlerrechner erzeugt tatsächlich ein zweites Korrektursignal, welches
einem Block mitgeteilt wird, der dem Block 31 entspricht, um den Ausgang des Obertragers
zu modifizieren, der dem Kreuzschlitten zugeordnet ist. Bei dieser Anordnung sieht
der Block eine elektrische Modifizierung des vom Obertrager erzeugten Signals vor.
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Bei Verwendung eines Drehstellungsgebers wird das vom Fehlerrechner
erhaltene Signal zur Steuerung des Schrittmotors 23 verwendet; es ist möglich, das
feste Teil eines linearen Stellungsgebers einstellbar zu befestigen, und seine Stellung
in gleicher Weise zu verändern.
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Nachstehend wird der Fehlerrechner veranschaulicht. Zum vorstehend
beschriebenen Beispiel war davon ausgegangen worden, daß die Vertikalebene der Drehachse
des Einspannfutters nicht parallel mit der Vertikalebene der den Sattel auf dem
Maschinenbett tragenden Gleitführungen war. Es war dargelegt worden, daß als Ergebnis
einer Bewegung des Sattels bei der Bearbteitung des Sattels eines Werkstückes die
sich ergebene Oberfläche kegelförmig ausfallen würde, und daß zur Korruktur eine
Einstellung des Kreuzschlittens erforderlich war. Wenn die Schienen zusätzlich nicht
gerade sind, kommt es zu einer Veränderung des Winkels zwischen dem Kreuzschlitten
und der Drehachse bei einer Bewegung des Sattels. Somit würde das Ausmaß der Konizität
sowohl von der Stellung des Sattels und derjenigen des Kreuzschlittens abhängig
sein. Die durch die Maschine bedingte Abweichung würde daher nach der Herstellung
der Maschine gemessen und in einem mit 32 bezeichneten Speicher gespeichert werden.
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Um während des Betriebes die beabsichtigte Veränderung vornehmen zu
können, muß der Fehlerrechner Signale erhalten, die eine Aussage über die Stellung
des Sattels und des Kreuzschlittens darstellen; wie sich aus Fig. 3 ergibt, läßt
sich ein derartiges Signal mittels des Obertragers 28 erzeugen; ein weiteres Signal
wird mit dem Obertrager erzeugt, der mit dem Kreuzschlitten verbunden ist.
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Das Korrektursignal für die zum Motor 18 gehörende Schaltung, welches
der Fehlerrechner gebildet hat, berücksichtigt die im Speicher 32 anstehende Information
im Hinblick auf den Maschinenfehler; somit kommt es zu einer kontinuierlichen Verstellung
des Kreuzschlittens bei Bewegung des Sattels.
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Um den Veränderungen i der Schnittiefe Rechnung zu tragen, läßt sich
die Stromaufnahme des Antriebsmotors 17 ermitteln. Wahlweise kann man auch die Stromaufnahme
des Motors, der die Einspannung 15 antreibt, ermitteln. Zu berücksichtigen ist der
Anstieg in der für den Antrieb der Spindel erforderlichen Kraft bei einer hohen
Schnittleistung. In gleicher Weise läßt sich der Fehlerrechner mit Signalen speisen,
die der Temperatur der verschiedenen Teile der Werkzeugmaschine und der Temeperatur
des Werkstückes selbst entsprechen. Vor allem bei Verwendung linearer Obertrager
ist es wesentlich, die Veränderungen der Temperatur des übertragers zu berücksichtigen.
Die drei Blöcke 33, 34 und 35 repräsentieren Temperaturmesseinrichtungen für die
verschiedenen Teile der Werkzeuges maschine einschließlich des zu bearbeitenden
Werkstückes. Die Blöcke 36 und 37 veranschaulichen Schaltungen, die das Stromaufnahlllesignal
des Motors 17 und das Temperatursignal des Obertragers 28 erzeugen, wobei gleiche
Schaltungen für den Motor 18 und den mit dem Kreuzschlitten verbundenen übertrager
vorgesehen sind.
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Der Speicher 32 muß sämtliche Informationen aufnehmen, die der Fehlerrechner
benötigt, um das gewünschte Korrektursignal zu bilden.
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Wie erwähnt, lassen sich einige Informationen als Ergebnis von Messungen
an der Werkzeugmaschine in den Speicher einführen. Andere Informationen, wie Verformung
von Teilen, Ausdehnung von Teilen auf Grund von Temperaturänderungen und dergleichen
werden dem Speicher entweder als ein Messergebnis bei mittels der Werkzeugmaschine
zu bearbeitenden Werkstücken oder als ein empirisch erfaßtes Ergebnis zugeführt,
welchletzteres durch die Bearbeitung eines Werkstückes von vergleichbarer Form und
vergleichbare Material gewonnen wurde.
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Der Fehlerrechner 30 ist ausführlich in Fig. 4 dargestellt, die gleichfalls
den Speicher 32 veranschaulicht. Der Fehlerrechner besteht aus einem Mikroprozessor
38, den der Speicher 32 zusammen mit zwei weiteren Speichern 39, 40 zugeordnet ist.
Der Speicher 39
enthält das Befehlsprogramm, während der Speicher
40 Informationen enthält, die sich auf die noch zu beschreibenden Korrekturen beziehen.
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In Verbindung mit dem Mikroprozessor 38 steht eine Schnittstelle 41,
an der die Ausgänge für die Einwirkung auf die Schaltungen 31 oder für die Steuerung
des Schrittmotors 23 anstehen. Die vorhandenen Eingänge sind mit A bis I bezeichnet.
Die Eingänge A und I sind für die Signale des Sattels und des Kreuzschlittens vorgesehen,
während die Eingänge B bis H wie nachstehend belegt sind: B - die Stromaufnahme
des Motors 17 C - die Temperatur des Obertragers für den Sattel D - die Temperatur
des Maschinenbettes E -. die Temperatur des Sattels F - die Temperatur des Werkstückes
G - die Temperatur des Obertragers für den Kreuzschlitten H - die Stromaufnahme
des Motors 18.
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Die Eingänge B bis H einschließlich werden einem AD-Wandler 42 multiplex
zugeführt, der sein Signal an die Schnittstelle 41 abgibt und von letzterer ein
Kontrollsignal empfängt. Die Obertragersignale A, I werden Phasen-Konparatoren 43,
44 zugeführt, die mit den Speichern 45, 46 verbunden sind. Die Obertragersignale
werden in den Komparatoren mit einem Bezugssignal verglichen, um Stellungssignale
zu bilden, die in den Speichern 45, 46 gespeichert werden. Die Ausgänge der Speicher
führen zur Schnittstelle 41. Auf Grund der im Speicher 32 gespeicherten Information
werden die Signale A bis I verwendet, um die Signale festzulegen, die zur Schaltung
31 führen.
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Ein Beispiel der Schaltung 31 ist in Fig. 5 veranschaulicht; es schließt
ein Schieberegister 47 ein, dessen Ausgang über ein Tiefpaßfilter 48 zur Schnittstelle
29 führt. Das Signal des entsprechenden Obertragers gelangt über einen Nulldurchgangsdetektor
49 auf das Schieberegister,
während der Zeitgebereingang des Schieberegisters
der Ausgang eines Binär-Verstärkers 50 ist. Dieser besitzt einen Eingang für einen
Kristall-Oszillator 51 und einen weiteren Eingang von der Schnittstelle 41.
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Bei bekannten Maschinen lassen sich Korrekturen für Werkzeugabweichungen
durch manuelle Einführung von Daten in die Bearbeitungsanweisungseinheit vornehmen.
Es ist jedoch für die Korrektur der Werkzeugabweichung möglich, eine Einstellung
über das Signal zu bewirken, welches der Obertrager in das numerische Steuersystem
einführt. Die Bestimmung von Werkzeugabweichungen läßt sich in verschiedenen Ebene
in einer gesteuerten Aufeinanderfolge vornehmen, wobei die Werkzeugabweichung in
jeder Ebene so lange zunimmt, bis eine Detektoreinrichtung betätigt wird und als
Ergebnis hiervon die Abweichung im Speicher aufgenommen wird, so zum Beispiel im
Speicher 40. Selbstverständlich können verschiedene Werkzeuge zur Bearbeitung eines
Werkstückes vorgesehen sein, wobei der Maschinist die Abweichungen der Werkzeuge
seinerseits messen kann und die Abweichungen in den Speicher eingeführt werden,
um dort selbsttätig zur Verfügung zu stehen, wenn dieses bestimmte Ierkzeuo wieder
gebracht wird. Wenn mithin die Abweichungen einmal festgestellt worden sind, besteht
für den Maschinisten keire Notwendigkeit, die Abweichung des nächsten Werkzeuges,
welches in Betrieb genommen wird, erneut festzustellen.
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Die beschriebene Werkzeugmaschine muß nicht mit der gleichen Genauigkeit
hergestellt werden, die bei bekannten Werkzeugmaschinen mit einem numel-ischen Steuersystem
erforderlich ist. Maßgeblich hierfür ist, daß Fehler der Werkzeugmaschine im Betrieb
auskompensiert werden können, und daß im Rahmen dieser Kompensation auch die Arbeitsbedingungen
der Maschine erfaßt werden. Bei den bekannten Werkzeugmaschinen mit einem numerischen
Steuersystem muß hingegen die Genauigkeit beim Bsu der Maschine derart sein, daß
die Maschine die Programminstruktionen ausführen kann.