DE3023869A1

DE3023869A1 - Verfahren und vorrichtung zur steuerung des werkzeuges beim unrundbearbeiten insbesondere von kolbenringen

Info

Publication number: DE3023869A1
Application number: DE19803023869
Authority: DE
Inventors: Otto 5653 Leichlingen Feller; Manfred 5090 Leverkusen Kühl; Heinz 5609 Hückeswagen Oepen
Original assignee: Goetze GmbH
Current assignee: Goetze GmbH
Priority date: 1980-06-26
Filing date: 1980-06-26
Publication date: 1982-01-14
Also published as: JPS5715652A; GB2079003B; GB2079003A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung des Werkzeuges beim Unrundbearbeiten insbesondere von Kolbenringen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des radialen Werkzeug Vorschubes in Abhängigkeit des Drehwinkels der das Werkstück aufnehmenden Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Drehmaschine, für die Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere Kolbenringen, mit serienweise unterschiedlichen Durchmessern und / oder Unrundkonturen.

Zur Unrundbearbeitung von Kolbenringen mit unrunden Innen und Außenumfangsflachen sind Drehmaschinen ( US - PS 2 932 227 ) und Schleifmaschinen ( US - PS 3 621 617 ) bekannt. Die meist paketweise axial gegen eine Arbeitsspindel spannbaren und mit dieser umlaufenden Kolbenringe werden vielfach an ihrem Innen - und Außenumfang gleichzeitig bearbeitet, wobei die Bearbeitungswerkzeuge an den Enden von schwenkbaren Werkzeugträgern angeordnet und von einem synchron mit der Arbeitsspindel umlaufenden Kopiernocken radial gegen die Kolbenringe zustellbar sind. Die Zustellung erfolgt dabei entsprechend der vom Kopiernocken vorgegebenen Unrundkontur in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel des Werkstückes beziehungsweise der Arbeitsspindel.

Zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit ist gemäß der DE - OS 27 32 354 ein elektro - mechanischer Schrittantrieb zur elektronischen Steuerung der Werkzeugzustellung für die zuvor beschriebenen Unrund - Bearbeitungsmaschinen vorgeschlagen worden. Die am Werkstück zu erzeugende Unrundkontur ist dabei in einem elektronischen Rechner bespeichert. Die

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digitalen Speicherwerte werden während des Bearbeitungsprozesses entsprechend der jeweiligen Drehwinkel stellung des Werkstückes in analoge Spannungswerte in einem Wandler umgesetzt und einem oder mehreren, mit dem Werkzeugträger gekoppelten Schritt - oder Servomotoren zugeleitet.

Sowohl bei Einsatz der rein mechanisch als auch der elektro mechanisch gesteuerten Werkzeuge ist es nicht möglich, Kolbenringe mit gleichbleibenden Abmessungen und unveränderter Umfangskontur herzustellen. Dieser Mangel zeigt sich sowohl bei der Einzelringbearbeitung als auch verstärkt bei der paketweisen Bearbeitung mehrerer, axial verspannter Kolbenringe und ist auf verschiedene Einflußgrößen, wie beispielsweise Werkzeugverschleiß, nicht absolut schwingungsfreie Lagerung der Arbeitsspindel, Durchbiegung des Werkstückpaketes sowie auch der Werkzeughalter, zurückzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel zu beseitigen und darüberhinaus ein einfaches Umrüsten solcher Maschinen sowohl auf serienweise unterschiedliche Werkstückdurchmesser als auch auf serienweise in bestimmtem Maße voneinander abweichende Umfangskonturen der zu bearbeitenden Werkstücke zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektronisches Steuerungsverfahren gelöst, indem eine η - Zahl von auf einen gemeinsamen Nenndurchmesser bezogenen, unterschiedlichen Unrundkonturen im Speicher des elektronischen Rechners einzeln abrufbar bereitgehalten wird, und daß die für die jeweilige Bearbeitung eines oder mehrerer Werkstücke beziehungsweise Werkstückpakete erforderliche Soll - Unrundkontur unter Berücksichtigung des jeweiligen Werkstückdurch-

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messers errechnet wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß nicht für jeden Durchmesser eine Mehrzahl von in der Charakteristik voneinander abweichenden Soll - Unrundkonturen, wie sie für die Steuerung des Werkzeuges jeweils benötigt werden, im voraus berechnet und bereitgehalten werden müssen. Vielmehr genügt es, eine bestimmte Anzahl η von Unrundkonturen verschiedener Charakteristik bereitzuhalten, wobei diese Unrundkonturen alle auf einen einzigen mittleren Werkstückdurchmesser bezogen sind. Durch Eingabe des jeweils zu fertigenden Werkstückdurchmessers kann während des Umrüstens der Maschine die durchmesserabhängige Soll - Unrundkontur errechnet und in einem Zwischenspeicher des Rechners für die Steuerung des Werkzeuges bereitgehalten werden. Denkbar ist es auch, daß im Rahmen einer Adaptiv Kontroll - Steuerung die Ist - Kontur am Werkstück festgestellt wird und eventuell erforderliche Korrekturwerte bei der Berechnung der jeweiligen Soll - Unrundkontur mit berücksichtigt werden.

Insbesondere zur Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit und Verbesserung der Arbeitsgenauigkeit wird vorgeschlagen, zwischen der Nullmarke der Soll - Unrundkontur ( = Stelle des kleinsten Halbmessers im Stoßbereich einer Kolbenring Unrundkontur ) und der Nullmarke am Werkstück eine Phasenverschiebung mit einem bestimmten Winkelwert in der Berechnung so zu berücksichtigen, daß der während der Bearbeitung des Werkstückes beziehungsweise Werkstückpaketes durch die Berechnung und Umwandlung der Rechenwerte in Steuerwerte sowie deren Auswirkung am Werkzeug bedingte Nachlauf im voraus berücksichtigt und kompensiert wird. Dazu ist es denkbar, daß der Winkelwert der Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Verarbeitungszeit innerhalb der elektronischen

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Steuerkette und der Höhe der Arbeitsspindel drehzahl errechnet wird. Zur Vermeidung des Weiterwanderns der Nullmarke und der Veränderung der Phasenverschiebung während der Bearbeitung eines Werkstückpaketes wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Phasenverschiebung nach jeder Umdrehung der Arbeitsspindel elektronisch mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und gegebenenfalls korrigiert.

Eine nach dem zuvor beschriebenen Verfahren arbeitende, zur Unrundbearbeitung von insbesondere Kolbenring - Umfangsflächen dienende Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine, mit einem in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Arbeitsspindel elektronisch nach einer in einem Rechner programmierten Unrundkontur radial steuerbaren Werkzeugträger, weist erfindungsgemäß einen Rechner mit einem Festwertspeicher ( PROM ), in welchem mehrere Unrundkonturen einzeln zugreifbar gespeichert werden können, und einem löschbaren Zwischenspeicher ( RAM ) auf, in welchem die jeweils für die Steuerung errechnete Soll - Unrundkontur speicherbar ist, mehrere Dekadenschalter zum Anwählen der jeweiligen Unrundkontur und zum Eingeben des zu bearbeitenden Werkstückdurchmessers, ein Regel gerät zur Umwandlung der vom Rechner bereitgestellten Digitalwerte in elektrische Spannungswerte zur Steuerung des Werkzeugträger - Antriebes sowie einem mit der Arbeitsspindel gekoppelten Winkelgeber. Mittels letzterem wird die jeweilige Winkelstellung der Arbeitsspindel und damit der darauf verspannten unrunden Werkstücke an den elektronischen Rechner vermittelt, der zu den jeweiligen Winkel Stellungen die die radiale Werkzeugzustellung bestimmende, in Abhängigkeit des Werkstückdurchmessers und der gewählten Art der Unrundkontur errechnete Polarkoordinate zuordnet. Dabei wird in der oben beschriebenen Weise einer Phasenverschiebung

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-inzwischen der Werkstück - Nullmarke und der entsprechenden Nullmarke der Unrundkontur Rechnung getragen.

Darüberhinaus ist es von Vorteil, wenn in Umfangsrichtung unmittelbar hinter dem Werkzeug ein Taster angeordnet ist, welcher die Ist - Kontur des bearbeiteten Werkstückes feststellt und zum Rechner zurückmeldet. Eventuell festgestellte Abweichungen zwischen Soll - und Ist - Unrundkontur können somit vom Rechner bei der ständigen Nachberechnung der Soll - Unrundkontur berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Teilansicht einer Unrunddrehmaschine zur gleichzeitigen Innen und Außenbearbeitung von Kolbenring - Rohlingen Figur 2 einen Kolbenring - Rohling Figur 3 eine Prinzipskizze der Steuereinrichtung 20

Die in Figur 1 dargestellte Unrunddrehmaschine besteht im wesentlichen aus einem Maschinenbett 1, einem Spindelstock 2, einer Traverse 3 sowie einer Ständerplatte 4. Zwischen dem Kopf der Arbeitsspindel 5 und der Traverse 3 kann ein KoIbenringpaket 6 drehbar und von der Arbeitsspindel 5 antreibbar axial verspannt werden. Die Ständerplatte 4 dient zur Aufnahme eines um eine Achse 7 schwenkbar gelagerten Werkzeugträgers in Form einer Doppel hebel schwinge 8, deren erster Arm 9 eine sich in das Kolbenringpaket 6 erstreckende Bohrstange 10 und deren axial versetzt zweiter Arm 11 die Drehmeißel 12 für die Außenbearbeitung des Kolbenringpaketes 6 trägt. Die Ständerplatte 4 ist axial verschiebbar mit dem

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Maschinenbett 1 verbunden. Zum radialen Antrieb der Werkzeuge - Drehmeißel 12 und Bohrstange 10 - dient ein Gleichstrom - Servomotor 13, dessen nicht weiter sichtbare Antriebsachse über einen Spindeltrieb 14 auf den Hebelarm 9 der Schwinge 8 einwirkt. Der Gleichstrom - Servomotor 13 wird - wie aus Figur 3 ersichtlich - von einem elektronischen Rechner gesteuert.

In Figur 2 ist ein Kolbenring - Rohling 6' mit unrunder innerer 15 und äußerer Umfangsflache 16 dargestellt. Der Stoßbereich 17 wird nach der Bearbeitung beider Umfangsflächen durch Trennfräsen an den Stellen 18,19 herausgeschnitten. Die Lage der Nullmarke der Unrundkontur ist mit 20 bezeichnet.

Aus der in Figur 3 dargestellten Prinzipskizze des Steuerschemas ist die Funktionsweise des vorgeschlagenen Verfahrens ersichtlich. In einem elektronischen Großrechner 21 ist einzeln abrufbar eine η - Zahl verschiedener Unrund - Kontu-

ren U, ,Up₅U₃ ··· U gespeichert. Für die Kolbenringfertigung sind hierfür als wesentliche Unterscheidungskriterien die unterschiedliche Radi alkraftverteilung über den Ring - Umfang, beispielsweise eines Viertakt - oder Zweitakt - Kolbenringes, sowie auch die Spreizung, d. h. Weite des später herauszuschneidenden Stoßes zu benennen. Die vorberechneten und im Festwertspeicher 22 des Großrechners 21 verankerten Konturen sind alle auf der Basis eines mittleren Ringdurchmessers, beispielsweise ^von 100 mm Außendurchmesser, berechnet Ein zweiter elektronischer Rechner 23 dient zum Entnehmen einer bestimmten Unrundkontur aus dem ersten Rechner 21 und Umrechnen der Unrundkontur unter Berücksichtigung des zu fertigenden Kolbenring - Durchmessers in eine Soll - Un-

rundkontur. Die Auswahl der Konturenart erfolgt mittels eines Dekadenschalters 24 über ein PROM oder EPROM 25, in welchem die Satznummern des Festwertspeichers fest programmiert sind. Zur Durchführung dieser Rechenoperation dient ein Mikroprozessor 26. Gleichzeitig mit der Auswahl der Unrundkontur wird der jeweilige Kolbenring - Durchmesser über einen zweiten Dekadenschalter 27 eingegeben. Die vom Mikroprozessor 26 errechnete und in einem löschbaren Speicher ( RAM ) 28 abgestellte Unrundkontur entspricht dann der Soll Umfangskontur des zu bearbeitenden Kolbenringes und dient zur Steuerung der die Bearbeitungswerkzeuge tragenden Doppel hebelschwinge 8. Letztere wird von einem Gleichstrom - Servomotor 29 über ein spielfreies Getriebe 30 angetrieben. Für die Umsetzung der vom elektronischen Rechner 23 bereitgestellten Digitalwerte der Soll - Unrundkonturen in analoge Spannungswerte dient ein Regelgerät 31 mit einem A/D - Wandler 32 und einem PID - Regler 33 zur regelnden überwachung des Drehwinkels der Antriebsachse des Servomotors 29. Zur Abstimmung der Nullmarkenstellung des zu bearbeitenden KoI-benringpaketes 6 mit der Nullmarke der im RAM 28 gespeicherten Unrundkontur und unter Berücksichtigung einer definierten Phasenverschiebung zwischen dem Ist - und Soll - Drehwinkel dient ein mit der Arbeitsspindel 5 gekoppelter Winkelgeber 34, der eine bestimmte Anzahl an Winkelschritten während einer Umdrehung der Arbeitsspindel an den'Mikroprozessor 26 meldet, welcher während des Bearbeitungsvorganges die Phasenverschiebung zwischen Soll - und Ist - Nullmarke in Abhängigkeit der jeweiligen Arbeitsspindel - Drehzahl berücksichtigt. Die Arbeitsspindel 5 der Drehmaschine wird von einem Drehstrommotor 35 angetrieben.

Schließlich ist, in Umfangsrichtung des Werkstückes 6 ge-

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sehen, unmittelbar hinter dem Werkzeug 12 ein Taster 36 vorgesehen, der die Ist - Kontur des Werkstückes 6 abtastet und an den Rechner 23 zurückmeldet. Auf diese Weise können beispielsweise durch Werkzeugverschleiß oder dergleichen bedingte Abweichungen zwischen der vorgegebenen Soll - Unrund kontur und der Ist - Unrundkontur ermittelt und die festgestellten Abweichungen als Korrekturwert bei neu zu berechnenden Soll - Unrundkonturen ( Bearbeitungskonturen ) berücksichtigt werden.

Die zuvor beschriebene Drehmaschine und das damit verbundene Steuerungs - Verfahren sind in abgewandelter Form auch zur Herstellung anderer Werkstücke mit unrunder Umfangskontur, wie beispielsweise Synchronringe, Kolben, Nocken oder der gleichen anwendbar. Außerdem schließt die Erfindung andere Umfangs - Bearbeitungsmöglichkeiten, wie Schleifen, Fräsen und dergleichen ein.

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Claims

Patentansprüche:

Verfahren zur elektronischen Steuerung des radialen Werkzeug - Vorschubes in Abhängigkeit des Drehwinkels der das Werkstück aufnehmenden Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Drehmaschine, für die Umfangsbearbeitung von unrunden Werkstücken, insbesondere Kolbenringen, mit serienweise unterschiedlichen Durchmessern und / oder Unrundkonturen, dadurch gekennzeichnet, daß eine η - Zahl von auf einen gemeinsamen Nenndurchmesser bezogenen, unterschiedlichen Unrundkonturen im Speicher eines elektronischen Rechners einzeln abrufbar bereitgehalten und daß die für die jeweilige Bearbeitung des Werkstückes erforderliche Unrundkontur unter Berücksichtigung des jeweiligen Werkstückdurchmessers errechnet wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Bearbeitung am Werkstück erzeugte Ist - Kontur abgetastet und im Rechner mit der zuvor errechneten Soll - Kontur verglichen wird und daß festgestellte Abweichungen als Korrekturwerte zur Umrechnung der Soll - Kontur in eine individuelle Bearbeitungskontur dienen.

Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der vom Rechner vorgegebenen Soll - Unrundkontur gegenüber den am Werkzeug wirksam werdenden, von der Kontur abhängigen analogen Steuerwerten eine Phasenverschiebung eingerechnet wird, deren Größe ( Winkelwert ) von der

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Rechen - und Steuergeschwindigkeit des Systems abhängig ist.

. ) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung nach jeder Umdrehung der Arbeitsspindel elektronisch mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen und gegebenenfalls korrigiert wird.

5 . ) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einer zur Unrundbearbeitung von insbesondere Kolbenring - Umfangsflachen dienenden Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine, mit einem in Abhängigkeit vom Dreh winkel der Arbeitsspindel elektronisch nach einer in einem Rechner programmierten Unrundkontur radial steuerbaren Werkzeugträger, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner ( 21,23 ) einen Festwertspeicher aufweist, in welchem eine η - Zahl-von verschiedenen, auf einen Basisdurchmesser bezogenen Unrundkonturen ( U,,U2 ... U ) einzeln zugreifbar gespeichert werden können, daß ein zweiter löschbarer Speicher ( 26 ) zur Aufnahme der zur Steuerung des Werkzeuges dienenden Soll - Unrundkontur, daß ein Dekadenschalter ( 24 ) zum Auswählen einer Unrundkontur ( U. oder U₂ oder U_n ), daß ein Dekadenschalter ( 27 j zum Eingeben des zu bearbeitenden Werkstückdurchmessers, daß ein Regel gerät ( 31 ) für die Umwandlung der vom Rechner ( 23 ) bereitgestellten Digitalwerte in ana löge elektrische Spannungswerte zur Steuerung des Werkzeug - Antriebes ( 29 ) sowie ein mit der Arbeitsspindel ( 5 ) gekoppelter Winkelgeber ( 34 ) vorge-

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sehen sind.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, in Umfangsrichtung gesehen, unmittelbar hinter dem Bearbeitungswerkzeug ( 12 ) ein Taster ( 36 ) zur Feststellung und Rückmeldung der Ist - Kontur an den Rechner ( 23 ) vorgesehen ist.

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