DE3020513A1 - Verfahren und anordnung zur messung des differentialquotienten der belastung einer spanabhebenden oder schleifenden maschine nach der zeit - Google Patents

Description

• "Verfahren und Anordnung zur Messung des Differential-
• quotienten der Belastung einer spanabhebenden oder schleifenden Maschine nach der Zeit Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Hierzu ist in der Deutschen Patentanmeldung p 29 31 940.2 vorgesehen, die elektrische Leistungsaufnahme des Werkzeugspindel-Antriebsmotors entweder zweimal je Wechselstromperiode oder sechsmal je Drehstromperiode zu erfassen und durch einen Analogmultiplizierer in ein Spannungssignal umzuformen. Dabei werden die Differentialquotienten der gemessenen Leistung nach der Zeit und nach dem Vorschubweg gebildet und in Spannungssignale umgeformt. Diese drei Signale werden je nach Anwendungsfall einzeln oder in Kombination miteinander als Regelgröße einer elektronischen Steuerung des Vorschubmotors verwendet. Dies hat sich an sich bewährt Nur dauert es eine zwar nicht allzu große, aber doch eine gewisse Zeit, bis eine Anderung der Belastung beim Zerspanen oder Schleifen eines Werkstückes eine entsprechende Änderung des Aufnahmestromes oder der Aufnahmespannung des Antriebsmotors zur Folge hat.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung zu schaffen, bei denen die Zeit zwischen Auftreten einer Änderung der Belastung des Werkstückes oder des Werkzeuges und deren meßtechnisc-hen Erfassen wesentlich kürzer ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe dienen zunächst die Verfahrensmerkmale gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1. Der hiermit gemessene Differentialquotient der Winkelgeschwindigkeit nach der Zeit (dX/dt) ergibt sofort, also ohne ins Gewicht fallende Zeitverzögerung, ein Maß für die zeitliche Änderung der Belastung (Kraft) am Werkstück, d. h. des Differentialquotienten dP/dt. Dies ist etwa um eine Zehnerpotenz schneller als die Messung der Leistungsaufnahme des Motors gemäß der eingangs genannten älteren deutschen Anmeldung. Da hier eine Änderung der Winkelgeschwindigkeit entsprechend der Belastung erfaßt werden soll, ist es für die Erfindung Voraussetzung, daß der Antrieb der Werkzeugmaschine durch einen Elektromotor oder dergleichen erfolgt, dessen Drehzahl mit zunehmender Belastung absinkt, z. B. durch einen Asynchronmotor. Dabei können auch (sofern notwendig) relativ kleine Änderungen der Winkelgeschwindigkeit erfaßt und in eine Regelgröße umgewandelt werden, welche z. B. den Vorschub des Werkzeuges (oder Werkstückes) steuert.
• Mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 vorgesehen. Eine solche Anordnung ist zum einen mit relativ einfachen Mitteln zu verwirklichen. Dies wirkt sih auf den Herstellungspreis aus Zum anderen läßt sich hiermit eine sehr hohe Rsgelgeschwindigkeit erreichen. Wenn z. B. eine Schleifscheibe mit 200 U/sec umläuft und über den Kreisumfang des mit umlaufenden Impulsgebers 100 Impulsgeberteile symmetrisch verteilt sind, so ergibt dies eine Frequenz von 20 000 Impulsen pro Sekunde am Impulsnehmer, o. h. der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen beträgt in diesem Beispiel nur 50 Mikrosekunden.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der nachstehenden Beschreibung und der zugehörigen, schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispieles nach der Erfin-dung.
• Hierin sind alle nicht unbedingt zur Erfindung gehörenden Teile weggelassen, insbesondere sind nicht die an sich bekannten Bauteile und Elemente-einer Merkzeugmaschine mit Spindelantrieb, Vorschubantrieb und den zugehörigen Steuerungsorganen gezeigt.
• Auf der Werkzeugspindel 1 einer Werkzeugmaschine ist das nur angedeutete Werkstück 2 aufgespannt, das durch ein Werkzeug 3 spanabhebend bearbeitet wird. Statt des angedeuteten Drehstahles könnte als Werkzeug auch eine Schleifscheibe dienen. Ebenfalls fest auf der Welle 1 ist ein Impulsgeber 4 vorgesehen, dessen Drehzahl daher genau der Drehzahl des Werkstückes 2 entspricht.
• Im Fall eines ruhenden Werkstückes und eines umlaufenden Werkzeuges, z. B. einer Schleifscheibe, wäre der Impulsgeber 4 auf der Welle des umlaufenden Werkzeuges angebracht.
• Auf einem Kreisumfang, der strichpunktiert mit 5 angedeutet ist, sind Impulsgeberteile 6 symmetrisch verteilt. Der Mittelpunkt des Kreisumfanges 5 fällt mit der Längsachse der Welle 1 zusammen. Stationär ist im Wirkungsbereich der Impulsgeberteile ein Impulsnehmer 7 angeordnet. Z. B. können die Impulsgeberteile 6 Zähne lichtdurchlässige Stellen eines Zahnrades,/oder permanent magnetisierte Stellen eines Magnetringes sein, während der Impulsnehmer so eingerichtet und ausgebildet ist, daß dieses Vorbeiführen eines Impulsgeberteiles 6 in ihm einen elektrischen Impuls auslöst.
• Der Impulsnehmer 7 gibt gemäß Pfeil e die gemessenen Istwerte 9 der elektrischen Impulse auf die Vergleichsstrecke, während ein Oszillator 10, der von einem Tiefpaß 11 gespeist wird, über eine Leitung 12 den Sollwert 13 der elektrischen Impulse auf die Vergleichsstrecke gibt. Ein Phasenkomparator 14 vergleicht Ist- und Sollwert und mißt somit die Änderung der Winkelgeschwindigkeit, d.h.
• den Differentialquotienten do/0t, der dem Differentialquotienten dP/dt entspricht und bei 15 als elektrische Ausgangsgröße abgegeben wird. Dieser Wert geht zunächst gemäß Ziff. 15' zu dem einzuste#lenden Element der Werkzeugmaschine, z. B. in die Regelung des Vorschubes 16 des Werkzeuges 3. Ferner geht die Größe 15 gemäß Ziff. 15" zu dem Tiefpaß 11 ur,d von dort zum Oszillator 10. Dieser Oszillator wird also vom Phasenkomparator nachgesteuert, so daß eine langsame Änderung der Winkelgeschwindigkeit auf diese Weise zu einer Anpassung des Sollwertes 13 an den Istzustand führt. Wird jedoch die Änderung der Winkelgeschwindigkeit größer, z. B. bei einer plötzlichen Belastungsänderung, d. h. steigt der Wert d(#/dt an, so hat dies eine entsprechende Ausgangsgröße 15, bzw. 15' und 15" zur Folge. Diese Ausgangsgröße kann als D-Anteil in der Vorschubregelung der Werkzeugmaschine verwendet werden. Die Vergleichsschaltung ist also als elektrisches Äquivalent des realen rotierenden Werkstückes oder Werkzeuges ausgeführt, jedoch mit dem Unterschied, daß das elektronische Äquivalent mit einer wählbaren Trägheit ausgestattet ist. Hiermit ergibt sich die vorstehend erläuterte Wirkungsweise.
• Auf die vorgenannte langsame Anpassung des Sollwertes an den Istwert mit Hilfe des Tiefpasses 11 kann ggfls. auch verzichtet werden. In diesem Fall erfolgt lediglich ein Vergleich des Istwertes mit einem konstant vorgegebenen Sollwert der Winkelgeschwindigkeit. Damit läßt sich der P-Anteil eines PD-Reglers gewinnen.
• - Ansprüche -

Claims (7)

1. Patentansprüche 0Verfahren zur Messung des Differentialquotienten der Belastung des Werkzeuges oder des Werkstückes einer spanabhebenden oder schleifenden Maschine nach der Zeit, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Antrieb der Maschine durch einen Elektromotor oder dergleichen, dessen Drehzahl mit zunehmender Belastung absinkt, die Winkelgeschwindigkeit des sich drehenden, zu bearbeitenden Werkstückes, oder bei ruhendem Werkstück des sich drehenden Werkzeuges durch Vergleich als Istwert mit einem Sollwert verglichen und damit die Änderung der Winkelgeschwindigkeit (ob ) nach der Zeit, d. h. der Differentialquotient (d«J/dt) gemessen wird und daß dieser Differentialquotient (do)/dt) als Regelgröße dient.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Drehzahl des sich drehenden Teiles (2) umlaufender Impulsgeber (4) vorgesehen ist, der gleichmäßig über den Kreisumfang (5) seiner Drehung verteilte Impulsgeberteile (6) aufweist, wobei der Mittelpunkt dieses Kreises in der Drehachse (1) des sich drehenden Teiles liegt, daß ein stationärer Impulsaufnehmer (7) im Wirkungsbereich der Impulsgeberteile angeordnet ist und daß eine Vergleichsschaltung für den Vergleich des Istwertes der Winkelgeschwindigkeit der Impulsgeberteile mit einem Sollwert und die Bestimmung der Änderung der Istwert-Winkelgeschwindi-gkeit nach der Zeit vorgesehen ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgeber ein Zahnrad dient, wobei symmetrisch über den Zahnradumfang verteilte Zähne als Impulsgeberteile vorgesehen sind und sich der Impulsnehmer nahe der umlaufenden Zähne befindet.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsgeber ein Rad oder eine Scheibe aus einem magnetisierbaren Material mit symmetrisch über den Umfang verteilten magnetisierten Stellen als Impulsgeberteile vorgesehen ist, wobei der Impulsnehmer sich nahe der Umlaufbahn der magnetisierten Stellen befindet.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber auf der das sich drehende Werkzeug oder das sich drehende Werkstück treibenden Welle fest angebracht ist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung als elektrisches Äquivalent des realen rotierenden Werkstückes oder Werkzeuges ausgeführt ist, wobei das elektronische Äquivalent mit einer wählbaren Trägheit ausgestattet ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) mit Fhasenvergleichsschaltung.