DE3029962A1

DE3029962A1 - Verfahren und geraet zum beeinflussen der betriebsweise einer werkzeugmaschine in abhaengigkeit vom drehmoment

Info

Publication number: DE3029962A1
Application number: DE19803029962
Authority: DE
Inventors: Thomas Raymond Frecka
Original assignee: Milacron Inc
Current assignee: Milacron Inc
Priority date: 1979-08-10
Filing date: 1980-08-07
Publication date: 1981-02-19
Also published as: FR2463442A1; JPS6110260B2; US4237408A; FR2463442B1; JPS5682153A; DE3029962C2; GB2056714A; GB2056714B

Description

CINCINNATI MILACRON INC.,
4701 Marburg Avenue,
Cincinnati, Ohio 45209, USA

Verfahren und Gerät zum Beeinflussen der Betriebsweise einer
Werkzeugmaschine in Abhängigkeit vom Drehmoment.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen. Spezieller schafft die Erfindung ein Verfahren und ein Gerät zur Steuerung der Betriebsweise
einer Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von einer Schneid- Drehmoment-Last an einer sich drehenden Spindel. Diese Spindel kann die Spindel eines Schneidwerkzeuges z.B. eines Bohrers oder
eines Fräsers sein oder auch eine das zu bearbeitende Werkstück drehantreibende Spindel z.B. bei einer Drehbank. Steuer- oder
Regelungssysteme für Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik in grosser Anzahl bekannt. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind Systeme von besonderem Interesse, bei denen das
Drehmoment als Steuervariable gemessen wird. Allerdings ist
das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung auch auf eineVielzahl anderer Systeme anwendbar.

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Das Drehmoment ist typischerweise eine aussage-kräftige Steuer- bzw. Regelungsvariable beim Bohrvorgang. Beim Bohrvorgang sind drei Haupteinflussgrössen vorhanden, wobei der Vorzug eines Regelungssystems darin liegt, dass es für die Anpassung an oder die Einstellung dieser drei Haupteinflussgrössen sorgt. Als erstes sind Materialänderungen des zu bohrenden Γ-Iateriales vorhanden. Diese werden durch Änderungen der Materialhärte und Änderungen der Bearbeitbarkeit verursacht. Als zweites muss das Steuersystem in der Lage sein, sich an Änderungen des Bohrers anzupassen. So werden Drehmomentänderungen aufgrund von SpäneVerstopfung in den Spiralnuten des Bohrers auftreten und das Drehmoment wird sich in Abhängigkeit von der relativen Schärfe des Bohrers ändern. Drittens muss das Steuersystemen der Lage sein die Maschinenfunktionen zu steuern, wenn der Bohrer durch das Werkstück hindurchgetreten ist, d.h. aus dem Werkstück heraus in die Luft. Dies tritt nicht nurauf, wenn Durchgangslöcher gebohrt werden, sondern auch wenn Kreuzlöcher innerhalb des Werkstückes auftreten. Das Drehmomentregelungssystem muss ein Anwachsen des Drehmomentes erfassen, das durch eine oder mehrere der oben genanrten Variablen verursacht wird und es muss dieVorschuigeschwindigkeit herabsetzen, um so das Drehmoment innerhalb gewünschter Grenzen zu halten. Wenn eine Maschine ohne Drehmomentsteuerung angewandt wird, so muss die Bedienperson sicherstellen, dass sich im schlimmsten Falle kein übermässig grosses Drehmoment aufbaut. Folglich muss die Maschine in herkömmlicher Weise betrieben werden. Da die Drehmomentsteuerung dieVors chubgeschwindigkeit zur Änderung der

, . ,, ,. , -n . die !faschine . .,,..,

Schneidbedingungen einstellt, kann allgemein mit höherer mittlererVorschu^eschwindigkeit betrieben werden.

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Es ist eine allgemein bekannte Tatsache, dass das Drehmoment dadurch gemessen werden kann, dass zur Messung der dem Spindelmotor zugeführten Energie der Strom und die Spannung gemessen werden und weiterhin zur Bestimmung des Drehmomentes die Winkelgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges gemessen wird. Im Handel ist eine grosse Anzahl von Drehmomentmeßschaltkreisen erhältlich, die die obigen allgemeinen Beziehungen zur Bestimmung des Drehmomentes messen und die Maschinenfunktion als dessen Funktion modifizieren. Typische, herkömmliche Systeme arbeiten vollständig mit Analogtechnik, was zu mehreren dem System inhärenten Nachteilen führt.

Der wesentlichste Nachteil liegt darin, dass eine einzige lineare Skala verwendet werden muss, um den vollen Bereich der gemessenen Drehmomentänderung zu bestimmen. Ein typischer linearer Bereich für analoge Vorrichtung liegt bei 10 Volt. Der typische Bereich für den Strom eines Spindelmotors liegt zwischen 100 Milliampereund 120 Ampere, d. h. ein Bereich von vier G-rössenordnungen oder Dekaden. Folglich müssen analoge Messwertwandler eine Empfindlichkeit im Millivoltbereich haben ohne dass ihr Auflösungsvermögen dabei verloren geht. Die Erfüllung dieser Anforderungen ist -teuer.

Das oben genannte Problem wird dadurch weiterhin verschärft, dass die Notwendigkeit besteht, die Variablen für Strom und Spannung zu multiplizieren, um die Leistung zu erhalten. Für die oben genannten Grössenordnungen muss der Analogmultiplizierer in einem Grössenordnungsbereich von sieben Zehnerpotenzen bzw. Dekaden arbeiten. Mit bisher im Handel erhältlichen Bauteilen kann diese Forderung in der Praxis wirtschaftlich nicht

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erfüllt werden. Es ist leicht einzusehen, dass der dynamische Bereich eines linearen Sjrstems so begrenzt werden muss, dass er unter drei Zehnerpotenzen "bzw. Dekaden liegt. Polglich ist ein solches System im vorliegenden Anwendungsfall zwangsläufig stark "begrenzt.

Zur Verbesserung der Änderungsmöglichkeiten und der Vielseitigkeit eines Steuersystems ist es wünschenswert ein auf einem Mikroprozessor basierendes System zu schaffen. Allerdings werden hierdurch neue Probleme geschaffen, die bei analogen Systemen nicht auftreten. Diese Probleme beziehen sich auf Diagnosevorgänge, auf das Zusammenarbeiten mit anderen Elementen des Systems und auf die Bestimmung des Drehmomentes selbst. Jede Drehmomentmessung erfordert, dass die das Drehmoment bezeichnenden Variablen gemessen werden, dass der Wert des Drehmomentes bestimmt wird, dass der Betrag eines übermässigen Drehmomentes bestimmt wird und dass zum Schütze des Werkzeuges zeitgerecht eine Gegenmassnahme eingeleitet wird.

Im G-egensatz zu analogen Systemen, bei denen die Variablen jederzeit oder auf kontinuierlicher Basis gemessen werden können, können bei digitalen Systemen die Variablen lediglich zu bestimmten Zeitpunkten abgetastet werden. Dies lässt schwierige Probleme bei der Bestimmung des Drehmomentes unter Leerlauf oder unbelasteten Zuständen entstehen. Das Le erlauf drehmoment kann sich während einer einzigen. Spindelumdrehung in einem Grössenordnungsbereich von 2:1 ändern. Polglich ist eine einzige Abtastung der Variablen nicht angemessen. Diejenigen Variablen, die das Drehmoment bestimmen, müssen daher während einer einzigen Spindelumdrehung mehrfach abgetastet werden. Aus diesen Le erlauf-Drehmoment-Abtastungen kann dann ein vernünftiger

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ORIGINAL INSPECTED

- χΓ-

Mittelwert des Leerlaufdrehmomentes bestimmt und gespeichert werden.

Das generelle Problem der Bestimmungen des Drehmomentes und das spezielle Problem der Erfassung des Leerlaufdrehmomentes wird weiterhin durch den erforderlichen Arbeitsbereich des Systems kompliziert. Beispielsweise liegt die typische maximale Spindeldrehzahl bei 6000 Umdrehungen/Minute. Will man eine vernünftige Anzahl von Leerlaufdrehmomentabtastungen, d. h. zehn Abtastungen pro Umdrehung, erhalten, so muss das System in der Lage sein, eine DrahmomentbeStimmung pro Millisekunde durchzuführen. Das System muss den Spindelmotorstrom, die Spannung und die Drehzahl in einer Millisekunde messen, den Strom mit der Spannung multiplizieren, dieses Produkt durch die Drehzahl teilen und den Quotienten abspeichern. Polglich müssen, selbst wenn durch die Entscheidung für die Anwendung eines auf einem Mikroprozessor basierenden Systems vom Konzept her die Einschränkungen eines

werden

Systems, das auf Analogtechnik basiert, beseitigt^ neue Probleme gelöst werden, die die Erfassung und Bestimmung des Drehmomentes betreffen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Drehmomentsteuersystem, das in der Lage ist, ein Drehmoment über fünf Zehnerpotenzen bzw. Dekaden zu messen, die durch die erforderlichen Leerlauf-

entabtastwerte /stehen und es erlaubt eine grössere Flexibilität auf dem Gebiet der Maschinenregelung bzw. -steuerung.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verfahren und ein Gerät zur Steuerung der Betriebsweise einer Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von einer Drehmomentbelastung an einem sich drehenden Schneidwerkzeug beansprucht, wobei die Drehmomentbelastung durch das mit einem Werkstück in Kontakt stehende

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Schneidwerkzeug verursacht wird. Die Maschine hat einen Spindelmotor, der das Schneidwerkzeug drehend antreibt und einen Vorschubmotor, der für eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück sorgt. Die Erfindung sieht folgende Einrichtungen vor: Eine erste Einrichtung, die ein Stromsignal erfasst, das einen Strom des Spindelmotors darstellt, der innerhalb eines Bereiches von vier Dekaden auftritt; weiterhin wird ein Spannungssignal erfasst, das die Spannung an dem Spindelmotor erfasst. Diese Spannung kann in einem Bereich von zwei Dekaden auftreten. Schliesslich wird ein Drehzahlsignal erfasst, welches die Winkelgeschwindigkeit des Werkzeuges darstellt. Diese Winkelgeschwindigkeit kann in einem Bereich von drei Dekaden auftreten. Weiterhin sieht die Erfindung eine Einrichtung vor, die die Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale in entsprechende logarithmische Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale umwandelt, die die logarithmischen Werte der Strom-, Spannungs- bzw. Drehzahlsignale darstellen. Es sind Einrichtungen vorgesehen, die ein Drehmomentsignal erzeugen, das die an dem Schneidwerkzeug vorhandene Drehmomentbelastung darstellt. Diese Drehmomentbelastung kann in einem Grössenbereich von fünf Dekaden auftreten. Das Drehmomentsignal wird mit einem vorbestimmten Bezugsdrehmomentsignal verglichen. Es sind Einrichtungen vorgesehen, die die Betriebsweise der Maschine in Abhängigkeit von einem das Bezugsdrehmomentsignal überschreitenden Drehmomentsignal modifizieren.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild, das darstellt, wie das Drehmomentregelungssystem in eine herkömmliche NC-Steuerung integriert werden kann;

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Fig. 2a und 2b stellen, wenn sie an der bezeichneten Verbinbindungslinie miteinander verbunden werden, den von der Fig. 1 gezeigten Gerät ausgeführten Prozess dar;

Fig. 3 ein Flussdiagramm einer Routine zum Bestimmen des Drehmomentwertes;

Fig. 4 ein detailliertes Flussdiagramm einer Routine zur Überprüfung eines errechneten Drehmomentwertes gegenüber einer Anzahl von vorbestimmten Bezugsdrehmomentwerten;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der durch das Drehmoment erzwungenen Betriebsweise; und

Fig. 6 ein detailliertes Flussdiagramm einer Routine zur Bestimmung eines Modifikationswertes für die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem errechneten Drehmoment, das einen der vorbestimmten Bezugsdrehmomentwerte überschreitet.

Fig. 1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild, das darstellt, wie das beanspruchte Drehmomentsteuersystem mit einem herkömmlichen NC-Rechner 10 verwendet werden kann. Ein Eingangsdatendekodierer 14, ein Tastfeld 12 und eine Kathodenstrahlröhre 16 können dazu verwendet werden, programmierte Steuerinformationen und Prozesssteuerinformationen zu dem Rechner 10 bzw. von ihm zu übertragen. Der Rechner 10 (er könnte sinngemäss auch als Regler bezeichnet werden) spricht auf Information von einem Regelungs-Nahtstellenkopplungsschaltkreis 18 an und erzeugt Ausgangssignale für die Maschine über einen Maschinen-Nahtstellenkopplungsschaltkreis Der Rechner 1o liefert Prozessinformation zu spezifischen Ma-

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schinenfunktionselementen 22 und empfängt Eingangsinformationen von diesen. Die Maschinenfunktionselemente 22 enthalten beispielsweise Leuchtanzeigen, Grenzwertschalter, Druckknopfe, Magnetspulen usv/.. Ein Element der Maschinenfunktionsinformation bestimmt die Arbeitsweise eines Spindelmotortreibers 24, der seinerseits die Arbeitsweise eines Spindelmotors 26 steuert. Der Spindelmotor 26 ist mechanisch mit einer Spindel 28 gekoppelt, die ihrerseits ein sich drehendes Schneidwerkzeug 30 hält.

Der Rechner 10 liefert weiterhin Schlitteninformation in Form von Steuersignalen für einen Servoverstärker 32, der ein Antriebssignal für einen Schlittenantrieb 34 liefert. Der Schlittenantrieb 34 ist mechanisch mit einem Maschinenschlitten 36 gekoppelt, der seinerseits ein Werkstück 38 trägt und hierdurch für. eine Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug 30 und dem Werkstück 38 sorgt. Ein Rückkopplungselement 40 erfasst die momentane Schlittenbewegung und ermöglicht dem Servoverstärker 32 die Bewegung des Maschinenschlittens zu beenden, wenn die befohlene Stellung erreicht ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass lediglich eine Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück zu beachten ist. Wie diese Relativbewegung erreicht wird, ist unbedeutend.

Die bisher beschriebenen Elemente sind herkömmliche Elemente einer numerischen Steuerung und werden beispielsweise in der von der Firma Cincinnati Milacron Inc. vertriebenen NC-Steuerung mit dem Namen "ACRAMATIC" verwendet. Die exakten Einzelheiten der Zuordnung der in Fig. 1 dargestellten Elemente variiert offensichtlich von System zu System und sollte daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung verstanden werden.

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Ein Drehmomentregler 42 enthält einen Mikroprozessor 44, der über eine Daten-Sammelschiene 46 mit einem Datenspeicher 48

und einem Programmspeicher 50 verbunden ist. Ein programmieren θ

barer Peripherie-Schnittstellenschaltkreis 54 steuert/Übertragung aller Informationen von dem Drehmomentregler 42 bzw. zu ihm hin. Ein Eingabe/Ausgabe-Nahtstellenkopplungsschaltkreis 56 überträgt Befehle zu dem Regler 42 und Unterbrechungsanforderungen zu dem Rechner 10. Der Drehmomentregler 42 empfängt Daten von den Peripheriegeräten 12 und 14 und von dem Rechner 10, und zwar über einen Dekodierer 58. Der Drehmomentregler 42 überträgt die Daten zurück zu dem Regelungs-Nahtstellenkopplungsschaltkreis 18 mittels eines Ausgangs-Multiplexers 60.

Aufgrund eines Befehles von dem Rechner 10 wird der Peripherie-Nahtstellenkopplungsschaltkreis 54 den Multiplexer 62 veranlassen, ein Eingangssignal von der Maschine abzutasten. Wenn ein Kanal Nr. 2 über den Multiplexer ausgewählt ist, so erfasst ein Spannungswandler 64 (Spannungs-Messwertwandler) eine Spannung des Spindelmotors im Bereich von 10 bis 1000 Volt. Der Ausgang des Spannungswandlers 64 wird über den Maschinen-Schnittstellenkopplungsschaltkreis 20 und einem Drehmoment-Regelungs-Schnittstellenschaltkreis 52 zu einem Verstärker 66 übertragen, der Zwischen -speieherungs- und Zahlenbereichsänderungs-Punktionen ausführt. Nach der Übertragung der entsprechenden Signale durch einen Eingangsmultiplexer 62 hindurch erzeugt ein logarithmischer Verstärker 68 ein logarithmisches Spannungssignal, das den logarithmierten Wert des Spannungssignals darstellt. Ein Analog/Digital-Wandler 70 liefert ein digitales logarithmisches Spannungssignal, das in dem Datenspeicher 48 gespeichert wird. Als nähstes veranlasst der Mikroprozessor 44, dass der Eingangsmultiplexer 62 den Kanal Nr. 1 abtastet; ein Stromwandler 72 (Strom-Messwert-Wandler) erfasst den Strom des Spindelmotors in

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einem Bereich von 100 mA bis 100OA Ein Ausgangssignal des Stromwandlers 72 wird zu dem Regler 42 übertragen und von einem Verstärker 74 skaliert. Wie oben beschrieben, wird ein digitales logarithmisches Stromsignal erzeugt und gespeichert. In ähnlicher Weise wird der Eingangsmultiplexer 62 auf den Kanal Nr. 0 geschaltet, worauf ein Drehzahlwandler 76 (Drehzahl-Messwert-'.Vandler) eine Spindeldrehzahl in der G-rössenordnung von 10 bis 10 000 Umdrehungen/Hinute erfasst. Der Ausgang des Drehzahlwandlers wird zu einem Verstärker 78 übertragen; es wird dann ein digitales logarithmisches Drehzahlsignal erzeugt und gespeichert.

Wie nachfolgend beschrieben wird, werden diese Signale dazu verwendet, ein Drehmoment signal in der G-rössenordnung von 10,46 χ 10"^ bis 10,46 χ 10 ITm (0,1 bis 1000 foot-pounds) zu erzeugen, das mit einem vorgegebenen Bezugsdrehmoment verglichen wird. Wenn das tatsächliche Drehmoment das Bezugssignal überschreitet, so wird ein geändertesVorschutgeschwindigkeitssignal erzeugt. Dieses Signal wird in analoger Form über einen Digital-Analog-Wandler 80 zu einem Drehmomentsteuerpult 82 geliefert. Dieses Drehmomentsteuerpult 82 enthält Druckknöpfe, Lichter und ein Messgerät zur selektiven Überwachung des Schneiddrehmomentes oder der geregelten Vorschubgeschwindigkeit, die typischerweise als Prozentsatz des Wertes der programmierten Vorschubgeschwindigkeit angegeben wird. Ein weiterer Digital-Analag-Wandler 84 liefert ein Vorschubgeschwindigkeits-Modifikations-Signal zurück zu dem Rechner 10.

Die Figuren 2a und 2b zeigen, wenn sie längs der gezeichneten Verbindungslinie verbunden werden, den allgemeinen Vorgang, der von dem in Fig. 1 gezeigten Gerät ausgeführt wird. Wie bei allen digitalen Systemen muss das System nach dem Einschalten der Energieversorgung zurück gesetzt und in Startstellung gebracht

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werden. Dieser Arbeitsschritt ist durch, die Subroutine 100 dargestellt. Unmittelbar darauf führt das System einen Eigentest-Schritt durch, um die richtige Funktion der verschiedenen Elemente zu überprüfen. Obwohl dieser Schritt nicht o-bsolut notwendig ist, wird ein Systemdiagnosetest allgemein durchgeführt. Da dieses Eigentestmerkmal kein Teil der vorliegenden Erfindung darstellt, wird es nicht detaillierter beschrieben. Als nächstes überprüft das System ob eine Unterbrechungsroutine von dem Rechner 10 vorliegt. Wie weiter oben erläutert, bestimmt der Rechner 10 die Betriebsweise des Drehmomentreglers. Es werden drei grundlegende Betriebsarten unterschieden: abgeschalteter Betrieb (off-mode), abgeglichener Betriebe (balance-mode) und Blockübertragungsbetrieb .

In einem Entscheidungsblock 105 überprüft das System, ob der Rechner 10 für die drehmomentgesteuerte Betriebsweise bereit ist. Der Drehmomentregl'er arbeitet kontinuierlich, es sei denn,er ist durch den Rechner 10 abgeschaltet. Es existiert eine Vielzahl von Nicht-Bearbeitungs-Betriebsweisen, bei denen der Drehmomentregler nicht betätigt wird, wie z.B. Hochlauf der Maschine, Spindelumkehr usw.. Bei diesen Situationen setzt der Rechner 10 den Drehmomentregler in die abgeschaltete Betriebsweise und der Prozess geht zu dem Schritt 156, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit auf den programmierten Wert gesetzt wird.

In einem Entscheidungsblock 106 überprüft das System ob der Regler einen abgeglichenen Betrieb angefordert hat. Der Zweck des abgeglichenen Betriebes liegt darin, den Leerlauf oder das unbelastete Drehmoment des Spindelmotors einzustellen. Ein Prozessschritt 108 setzt eine Marke für den abgeglichenen Betrieb und löscht die relevanten Zustandsbits. Der Prozess-Schritt 110

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startet einen Abgleich-Zeitgeber. Wie früher erwähnt, erfordert die Bestimmung des Leerlaufdrehmomentes das Drehmoment während einer einzigen Spindelumdrehung mehrfach abzutasten. Für eine angemessene Konstruktion führt das bestimmende Gerät während einer einzigen (Spindel)-Umdrehung acht Abtastungen durch. Unter der Voraussetzung der acht Abtastungen und unter der Voraussetzung einer bekannten Winkelgeschwindigkeit der Spindel kann die Zeit bestimmt werden, die die Spindel zur Drehung um eine 1/8 Umdrehung benötigt. Diese Zeit wird für den Abgleich-Zeitgeber bestimmt. Folglich sorgt der Abgleichs-Zeitgeber für Drehmomentabtastungen mit gleichem Abstand voneinander während einer einzigen Spindelumdrehung. Ein Prozess-Schritt 112 veranlasst, dass ein Abgleichszähler auf die Anzahl von Drehmomentabtastungen gesetzt wird, die während einer Spindelumdrehung ausgeführt werden, d.h. hier auf die Zahl acht.

Der Prozess bewegt sich zur Subroutine 116, welche fordert, dass eine Drehmomentbestimmung durchgeführt wird. Nachdem der Wert des Drehmomentes erhalten ist, erkennt ein Entscheidungsblock die abgeglichene Betriebsweise und führt den Prozess zu dem Schritt 122, welcher erfordert, dass der Drehmomentwert mit anderen während des Abgleichsprozesses erhaltenen Drehmomentablesungen summiert wird. Ein Entscheidungsblock 124 bestimmt, ob der Abgleichs-Zeitgeber abgelaufen ist oder nicht. Nachdem der Zeitgeber abgelaufen ist, dekrementiert der Prozess-Schritt 126 den Abgleichszähler. Wenn der Abgleichszähler noch einen Zählerstand grosser als 0 hat, so kehrt der Prozess zu Schritt 116 zurück, welcher bestimmt, dass eine weitere Drehmomentbestimmung durchgeführt wird. Wie durch den Abgleichs-Zeitgeber 110 bestimmt wird, v/ird die nächste Drehmoment able sung eine achtel Umdrehung später auftreten, nachdem die erste Drehmomentbestim-

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mung durchgeführt worden war.

Der Prozess schreitet wie oben beschrieben fort und durchläuft iterativ die Blöcke 116 bis 128, bis acht DrehmomentbeStimmungen durchgeführt worden sind. Nach der achten Drehmomentbestimmung wird die Drehmomentsumme aus dem Schritt 122 die Summe der acht Drehmomentablesungen darstellen. Der Abgleichszähler wird dann auf Null sein und der Prozess wird bei einer Subroutine 130 sein, welcher die Berechnung des mittleren Drehmomentes erfordert. Offensichtlich wird diese Berechnung darin bestehen, die Drehmomentsumme aus dem Schritt 112 durch die Anzahl der Drehmomentablesungen zu teilen, d.h. in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die Zahl acht. Der Prozessschritt 132 speichert den mittleren Drehmomentwert und der Prozess 134 sorgt für eine Unterbrechung für den Rechner 10, was anzeigt, dass der Abgleichprozess vollständig ist und dass der Drehmomentregler einen Wert für das Leerlaufdrehmoment bzw. das Drehmoment ohne Last bestimmt hat.

Betrachtet man erneut den Block I06, sofern der Rechner keinen Abgleichbetrieb bestimmt hat, so kann dieser einen Blockübertragungsbetrieb bezeichnen. Dieser Betrieb wird durch den Prozess-Schritt 114 erfasst. In dieser Betriebsweise werden die Daten von dem Rechner 10 zu dem Drehmomentregler übertragen. Diejenigen Daten, die Werte eines Bezugsdrehmomentes bezeichnen, werden anschliessend beschrieben. Jeder Datenblock enthält eine Anzahl von Bytes, die seriell übertragen werden. Ein Entscheidungsblock 146 überprüft, ob die Übertragung eines Datenbytes zu einem Regler-Pufferspeicher vollständig durchgeführt wurde. Wurde die Übertragung nicht vollständig durchgeführt, so wird der Prozess um den Schritt 146 zurück geschleift. Ist die Übertragung vollständig, so liest der Prozessblock I48 die Daten in den Pufferspeicher ein und überträgt sie zu dem Datenspeicher.

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Der Prozessblock 150 liest die Drehmomentgrenzbedingungen aus dem Datenspeicher und sorgt für den logarithmischen Wert der Grenzen. Weiterhin überträgt er den logarithmischen Wert zurück zu dem Datenspeicher. Die logarithmischen und antilogarithmischen Werte können auf verschiedene Arten erhalten werden. Eine einfache Methode besteht jedoch darin, Tabellen der Logarithmen und Antilogarithmen in dem Programmspeicher zu speichern. Folglich wird lediglich eine einfache Nachschlagetabelle bzw. ein Nachschlagen in einer Tabelle benötigt. Der Prozess kehrt dann zu dem Block 104 zurück, wo weitere Befehle von dem Rechner abgewartet werden.

Vor der maschinellen Bearbeitung wird das Leerlaufdrehmoment durch Ausführen des Prozesses der Schritte 106 bis 134 bestimmt. Nachdem der Abgleichbetrieb vollständig durchgeführt wurde, führt der Block 120 den Prozess zu dem Prozess-Schritt 152, der den momentanen Drehmomentwert mit den vorbestimmten Drehmonentgrenzbedingungen vergleicht. Sofern erforderlich, bestimmt der Prozess-Schritt 158 eine Modifikation der Vorschubgeschwindigkeit. Der Prozess-Schritt 160 modifiziert die Vorschubgeschwindigkeit. Diese modifizierte Vorschubgeschwindigkeit wird über den Prozess-Schritt 162 zu dem Regler 10 ausgegeben. Dann kehrt der Prozess zu dem Schritt 116 zurück und es wird ein neuer Drehmomentwert bestimmt. In dieser Betriebsweise wird der Prozess so lange fortgeführt, bis der Drehmomentwert des Reglers 10 unter die Bezugsgrenze absinkt, wodurch ein Grenzwertbetrieb eingeleitet wird.

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm der zur Bestimmung des Drehmomentes benötigten Schritte. Wie oben beschrieben, schaltet der Eingangsmultiplexer 62 zwischen seinen Eingangskanälen 0 bis 2 um,

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um die Eingangsvariablen zur Bestimmung des Drehmomentes abzutasten. Polglich fordert ein Prozess-Schritt 170, dass der Multiplexer den Kanal 2 durchschaltet. Lies ermöglicht, dass die Spannung von dem Spannungswandler 64 durch den '/erstärker 66, den Eingangsmultiplexer 62, den logarithmischen Verstärker 68 und Analog/Digital-Wandler 70 hindurch übertragen wird. Durch den Schritt 172 wird gefordert, dass das digitale logarithmische Spannungssignal gelesen und in dem Datenspeicher 48 gespeichert wird. Als nächstes befiehlt der Prozess-Schritt 174, dass der Eingangsmultiplexer den Kanal 1 durchschaltet. Der Prozessschritt 176 liest das momentane Signal von dem Wandler 162 auf dem Kanal 1. Dieses Signal ist das digitale logarithmische Stromsignal, das den Logarithmus des von dem Wandler 72 erfassten Stromwertes darstellt. In dem Schritt I78 wird das digitale logarithmische Stromsignal zu dem digitalen logarithmischen Spannungssignal addiert. Diese Summe ist ein digitales logarithmisches Leistungssignal, das die von dem Spindelmotor aufgenommene Leistung darstellt. Als nähstes befiehlt der Mikroprozessor 44, dass der Eingangsmultiplexer 62 auf den Kanal 0 umschaltet, was in dem Prozess-Schritt 184 geschieht. Hierdurch wird ein digitales logarithmisches Geschwindigkeitssignal erzeugt, das den logarithmischen Wert der Winkelgeschwindigkeit darstellt, die von dem Wandler 76 stammt. Dieser Wert wird in dem Prozess-Schritt 186 fiesen. Das digitale logarithmische Geschwindigkeitssignal wird dort von dem digitalen logarithmischen Leistungssignal in dem Prozess-Schritt 188 subtrahiert, wodurch ein digitales logarithmisches Drehmomentsignal erzeugt wird. In dem Prozess-Schritt 190 wird ein Tabellen-Nachschlage-Schritt ausgeführt, um das digitale Drehmomentsignal zu bestimmen. Hierbei wird eine in dem Programmspeicher 50 gespeicherte Tabelle der Antilogarithmen verwendet.

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Wie oben erwähnt, kann durch Speicherung der Eingangsvariablen für Spannung, Strom und Drehzahl das System in einem Dekadenoder Grössenordnungsbereich der Eingangsvariablen arbeiten, der bisher nicht erreichbar war. In ähnlicher Weise ist jetzt ein Bereich von Drehmomentwerten über fünf Dekaden handhabbar. Der logarithmische Zustand der Eingangsvariablen hat den weiteren Vorteil, dass komplexe Berechnungen des Drehmomentes, die eine I.Iultiplikation und eine Division erforderten, nunmehr durch einfache Addition und Subtraktion von logarithmischen Werten erhalten werden kann. Für den Fachmann, der sich mit fort-

-oren hat

schrittlicheren Hikroprozess/schon beschäftigt/, ist es klar, wie die Antilogarithmen von gespeicherten Eingangsvariablen erhalten werden können. Weiterhin, dass das Drehmoment durch Ausführung einer Multiplikation von Strom- und Spannungsvariablen und Division dieses Produktes durch die Drehzahlvariable erhalten v/erden kann.

Figur 4 ist ein Flussdiagramm,das die Schritte darstellt, die zur Überprüfung des Drehmomentsignales im Vergleich mit gewissen vorgegebenen Bezugsdrehmomentwerten erforderlich sind. Die nachfolgend genannten Drehmomentbezugswerte sind lediglich Beispiele , die die Vielseitigkeit des Drehmomentreglers verdeutlichen. Sie sollten nicht als Grenzen für die Anwendung der beanspruchten Erfindung interpretiert werden.

Ein erster Drehmomentwert, der willkürlich als M-Wert bezeichnet wird, stellt die Drehmomentgrenzen für den Katastrophenfall der entsprechenden Maschine dar. Der Prozess-Schritt 200 bestimmt, ob das Drehmomentsignal grosser ist als dieser M-Bezugswert. Ist dies der Fall, so wird in dem Prozess-Schritt 202 der M-G-renzwertzustand festgesetzt und der Prozess 204 unterbricht

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den Rechner 10. Darauf wartet der Prozess dann auf die Aktivierung der Unterbrechung mittels des Schrittes 206. Es sei darauf hingewiesen, dass der Vergleich des Schrittes 200 das Bruttodrehmoment darstellt. Der Frozess-Schritt 208 subtrahiert das zuvor bestimmte Leerlaufdrehmoment von der Bruttodrehmomentbestimmung und erzeugt ein Nettodrehmomentsignal, welches die aktuellen Schneidkräfte an dem Schneidwerkzeug darstellt.

In dem Prozess-Schritt 210 wird das momentane Drehmomentsignal mit einem vorbestimmten Drehmomentbezugswert verglichen, der willkürlich als I-Grenzwert bezeichnet wird. Dieser I-Grenzwert stellt eine momentane Drehmomentgrenze dar, die für ein spezielles Werkzeug katastrophal sein kann. Sofern dieser Grenzwert überschritten ist, sollte der Bearbeitungsvorgang unverzüglich beendet bzw. unterbrochen werden. Wenn der Prozess-Schritt 210 ein übermässiges Drehmoment erfasst, so wird der Prozess-Schritt 211 ein I-Grenzwert-Zustand-Bit setzen. Der Prozess 204 wird den Rechner 10 unterbrechen und der weitere Vorgang wird in Übereinstimmung mit dem Schritt 206 auf eine Unterbrechung warten.

Sofern der Prozess-Schritt 210 keine Überschreitung der Drehmomentgrenze feststellt, so überprüft der Schritt 212, ob das tatsächliche Drehmomentsignal eine weitere Drehmomentgrenze überschreitet, die willkürlich mit B-Grenzwert bezeichnet wird. Der B-Grenzwert stellt den minimalen Betrag eines Drehmomentes dar, das vorhanden sein sollte, wenn ein Schneidwerkzeug mit dem Werkstück in Kontakt ist. Sofern dieses minimale Drehmoment nicht vorhanden ist, so ist das Schneidwerkzeug höchstwahrscheinlich gebrochen. Wenn der Grenzwert für dieses minimale Drehmoment erfasst wird, so setzt der Prozess-Schritt 214 ein B-Grenzwert-Zustand-Bit.

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Der Prozess-Schritt 216 bestimmt, ob das tatsächliche Drehmoment grosser ist als ein weiterer Drehmomentgrenzwert, der willkürlich mit C-Grenzwert bezeichnet ist. Dieser C-Grenzwert stellt einen Drehmomentwert dar, der anzeigt, dass das Werkzeug in Kontakt mit dem Werkstück ist. Dieser C-Grenzwert wird dazu verwendet, einen Kühlmittelfluss einzuleiten, wenn eine Kühlung durch das Werkzeug hindurch verv/endet wird. Wenn der Schneid-Drehmoment-Wert den C-Grenzwert überschreitet, so führt der Prozess-Schritt 218 dazu, dass der Kühlmittelfluss eingeleitet wird. Wenn der Drehmoment wert unter den C-Grenzwert fällt, so bewirkt dies, dass der Kühlmittelfluss beendet wird.

Der Prozess-Schritt 220 bestimmt, wann die Schneiddrehmomentgrenze die Hälfte des Α-Grenzwertes überschreitet. Der A-Grenz— wert stellt den Betrag des Drehmomentes dar, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit auf O gebracht wird. Dieser O-Wert bezeichnet das Basisende eines Drehmomenteinschränkungsbetriebes. Der Einschränkungsbetrieb wird durch den Block 222 gesetzt, wenn das Drehmoment die Hälfte des Α-Grenzwertes überschritten hat. Dann wird von dem Prozessblock 223 eine Marke für den Einschränkungsbetrieb gesetzt. An diesem Punkt wird die Vorschubgeschwindigkeit auf 0 reduziert, und zwar in direkter Proportion mit der Vergrösserung des Drehmomentes, so dass die Vorschubgeschwindigkeit auf 0 gesetzt wird, wenn das Drehmoment gleich dem Α-Grenzwert ist. Wenn das gemessene Drehmoment kleiner ist als die Hälfte des Α-Grenzwertes, so setzt der Prozess-Schritt 225 die Marke für den Einschränkungsbetrieb zurück. Der Einschränkungsbetrieb ist damit beendet.

Figur 4 zeigt die Vielseitigkeit des beschriebenen Regelungssystems. Im Gegensatz zu den bisherigen Regelungssystemen, bei denen lediglich ein Einschränkungsbetrieb verwendet wurde, sorgt das vorliegende System für einen vollständig unterschiedlichen

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Betrieb der Drehmomentsteuerung bzw. -regelung, d.h. eine Regelung nach Drehmomentgrenzwerten. Im Gegensatz zu dem Einschränkungsbetrieb der Regelung, bei dem die Vorschubgeschwindigkeit automatisch als Funktion der Vergrösserung des Drehmomentes verringert wird, sorgt die Regelung nach Drehniornentgrenzwerten für ein Signal, das der numerischen Steuerung zugeführt wird, welches ein spezielles Drehmoment bezeichnet, das von der jeweiligen Bearbeitungssituation abhängig ist. Die NC-Steuerung arbeitet dann so, dass sie Prozess-Schritte ausführt, die mit dem erfassten Drehmomentgrenzwert in Übereinst imniung sind.

Figur 5 zeigt eine grafische Darstellung des Drehmomenteinschränkungsbetriebes. Ein maximaler Drehmomentwert A wurde vorgegeben, und zwar als Funktion des Drehmomentes, das einen Bruch des Werkzeuges verursachen würde. Normalerweise liegt die Vorschubgeschwindigkeit bei 10O^ des programmierten Wertes. Überschreitet jedoch das Drehmomentsignal die Hälfte des A-Wertes. so gelangt das System in die eingeschränkte Betriebsweise. Die Vorschubgeschwindigkeit wird dann in direkter Proportion mit der Vergrösserung des Drehmomentes verringert. Folglich wird, wenn das Drehmoment den Α-Wert erreicht, die Vorschubgeschwindigkeit den Wert von 0 haben. Ein Bruch des Werkzeuges wird hierdurch vermieden. Ist folglich der A-Wert bekannt und die Steigung einer Drehmoment-Einsehränkungs-Kurve 230, so kann der gewünschte Prozentsatz der programmierten Vorschubgeschwindigkeit für Drehmomentwerte berechnet werden, die über der Hälfte des A-Wertes liegen.

In dem Prozess-Schritt 152 der Fig. 2b überprüft das System das gemessene Drehmoment im Vergleich mit den Drehmomentgrenzwerten.

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Im einzelnen wird in dem Entscheidungsschritt 220 der Fig. 4 das gemessene Drehmoment mit der Hälfte des Α-Wertes verglichen. Ist das gemessene Drehmoment grosser, so wird in dem Schritt 222 der Einschränkungsbetrieb eingeleitet. In dem Schritt 223 wird die Marke für den Einschränkungs"betrieb gesetzt. Kehrt man zurück zu Fig. 2b, so wird, da der Einschränkungsbetrieb gesetzt ist, der Entscheidungsblock 154 den Prozess zu dem Schritt 158 leiten, wo ein Llodifikator für die Vorschubgeschwindigkeit berechnet wird.

Figur 6 zeigt ein Flussdiagramm, das diejenigen Schritte darstellt, die zur Bestimmung eines neuen Modifikators für die Vorschubgeschwindigkeit nötig sind. In Übereinstimmung mit dem Diagramm der Fig. 5 kann der Modifikator für die Vorschubgeschwindigkeit aus folgender Formel berechnet werden: <0 = 2(1-T/A). Folglich wird in dem Prozess—Schritt 240 das Verhältnis des Drehmomentes zu dem A-G-renzwert bestimmt. In dem Schritt 242 wird dieses Verhältnis von dem Einheitswert subtrahiert. In dem Schritt 244 wird die obige Differenz mit dem Faktor 2 multipliziert. Der Prozess kehrt dann zu dem Block 260 der Fig. 2b zurück, wo gefordert wird, dass der Modifikator für die Vorschubgeschwindigkeit mit der programmierten Vorschubgeschwindigkeit multipliziert wird, wodurch ein neuer Wert für eine eingeschränkte Vorschubgeschwindigkeit erzeugt wird.

Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einigen Einzelheiten nach einem Ausführungsbeispiel der Figuren beschrieben wurde und obwohl das Ausführungsbeispiel in einigen Details besehrieben wurde, ist nicht beabsichtigt, dass hierdurch die Erfindung auf solche Details beschränkt wurde. Im Gegenteil sollen alle Modifikationen, Abwandlungen und Äquivalente unter den Schutzbereich der Patentansprüche fallen.

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BROSE^DK" BROSE' Karl A ΠΠ/ΝΟΓ ^{D Karl} Π 1"1/"NOT" Diplom

Ingenieure

D-8023 Munchen-Pullach. Wiener SIr 2; Tel. (089) 7 93 jO 71: lelex j 21£ 1-»7 b.os d: Cab:e-: -Pjtentibus· München

CINCINNATI MILACRON INC.,
Marburg Avenue,
Cincinnati, Ohio 45209, USA

IhrZeichen: 7QQ8-F ' ^TaQ: 7· August I98O

Yourref: ^ Date: vBÜ/Pe

1) Die mit der Anmeldung und im Laufe des Verfahrens eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsversuche ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes .

2) In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die v/eitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeiieiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen,gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.

3) Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung offenbarte Merkmale von erfindungswesentlicher Bedeutung zu beanspruchen; insbesondere beabsichtigt die Anmelderin, auf in den Unterlagen etwa offenbarte neue Stoffe Stoffansprüche zu richten.

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Claims

B4TENWNH0LTE ¹^BROSE ^DM BROSE

D-8023 München-Pullach. Wiener Str. 2; Tel. (080) 7 &3 30 7'.; TeLx 521C147 bros 1; C.b'es: Patentibus· München

Diplom Ingenieure

CINCINNATI MILACRON INC.,
Marburg Avenue,
Cincinnati, Ohio 45209, USA

Ihr Zeichen: „_QnR _, Tag: 7. August 1980

Yourref.: ίϊίθο-ϋ Date:

PATENTANSPRÜCHE

( 1.!Verfahren zum· Beeinflussen der Betriebsweise einer Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von einer Drehmomentbelastung an einer sich drehenden Spindel, wobei die Drehmomentbelastung durch ein Schneidwerkzeug verursacht wird, das in Kontakt mit einem Werkstück ist, wobei die Werkzeugmaschine einen Spindelmotor aufweist, der die Spindel antreibt, sowie einen Vorschubmotor, der für eine Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück in Abhängigkeit von Steuersignalen einer numerischen Steuerung sorgt, gekennzeichnet durch folgende Schritte: (a) Erfassen

(1) eines Stromsignales, das den Strom des Spindelmotors darstellt, der innerhalb eines Bereiches von vier Dekaden auftritt, • (2) eines Spannungssignales, das die Spannung an dem Spindelmotor darstellt, die innerhalb eines Bereiches von zwei Dekaden auftritt, und

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(3) eines Drehzahlsignales, das die Winkelgeschwindigkeit der Spindel darstellt, wobei die Winkelgeschwindigkeit in einem Bereich von drei Dekaden auftritt;

(b) umwandeln der Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale in entsprechende logarithmische Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale, die die logarithmischen Werte der Strom-, Spannungs- bzw. Drehzahlsignale darstellen;

(c) speichern der logarithmischen Strom-, Spannungs- und Drehzahlsignale;

(d) erzeugen eines Drehmomentsignales in Abhängigkeit von den gespeicherten Signalen, wobei das Drehmomentsignal das innerhalb eines Bereiches von fünf Dekaden auftretende Drehmoment des Spindelmotors darstellt;

(e) vergleichen des Drehmomentsignales mit einem vorgegebenen Drehmomentbezugssignal; und

(f) erzeugen eines Steuersignales in Abhängigkeit von einem das vorgegebene Drehmomentbezugssignal überschreitenden Drehmomentsignal, zur Beeinflussung bzw., Änderung der Arbeitsweise der Werkzeugmaschine.
2. Gerät zum Beeinflussen der Betriebsweise einer Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von der Drehmomentbelastung an einer sich drehenden Spindel, wobei die Drehmomentbelastung durch ein mit einem Werkstück in Kontakt stehendes. Schneidwerkzeug verursacht wird, wobei die Werkzeugmaschine einen Spindelmotor zum Drehantreiben der Spindel und einen Vorschubmotor aufweist, der für eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück in Abhängigkeit von Steuersignalen von einer numerischen Steuerung sorgt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

(a) einen Spannungswandler (64), der mit dem Spindelmotor (26) zusammenwirkt und ein Spannungssignal erzeugt, das

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die innerhalb eines Bereiches von zwei Dekaden auftretende G-rösse der Spannung an dem Spindelmotor darstellt;

(b) einen Stromwandler (72), der mit Spindelmotor (26) zusammenwirkt und ein Stromsignal erzeugt, das die innerhalb eines Bereiches von vier Dekaden auftretende Grosse des Spindelmotorstromes darstellt;

(c) einen Drehzahlwandler (76), der mit dem Spindelmotor (26) zusammenwirkt und ein Drehzahlsignal erzeugt, das einer innerhalb eines Bereiches von drei Dekaden auftretenden Geschwindigkeit des Spindelmotors entspricht;

(d) einen Verstärkerschaltkreis (70,68,66,74,78), der auf die Spannungs-, Strom- und Geschwindigkeitssignale anspricht und logarithmische Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignale erzeugt, die den logarithmischen Werten der Spannungs-, Strom- bzw. Drehzahlsignale entspricht;

(e) einen Datenspeicher (48), der die logarithmischen Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignale speichert; und

(f) einen Rechner (44,50,54,62,45,56,58,60,84), der einen Prozessor (44,45,46,48), einen Programmspeicher (50) und einen Schnittstellenschaltkreis (54,56,58,60,62,80,84) enthält und folgende Funktionen ausführt:

(1) Steuerung des Erfassens, Umwandeins und Speicherns der Signale, die die Spannung, den Strom und die Drehzahl des Spindelmotors (26) darstellen,

(2) bestimmen eines Drehmomentsignales in Abhängigkeit von den gespeicherten logarithmischen Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignalen, wobei das Drehmomentsignal ein Spindelmotordrehmoment darstellt, das innerhalb eines Bereiches von fünf Dekaden auftritt,

(3) erzeugen eines Steuersignales für eine numerische Steuerung (10) in Abhängigkeit von einem Drehmomentsignal, das ein vorgegebenes Bezugsdrehmomentsignal überschreitet.

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Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignale analoge Werte der Spannung, des Stromes und der Drehzahl des Spindelmotors darstellen und dass das Gerät weiterhin einen Analog/Digitalwandler (70) aufweist, der auf die logarithmischen Spannungs—, Strom- und Drehzahlsignale anspricht, um digitale logarithmische Spannungs-, Strom- und Drehzahlsignale zu erzeugen, die digitale Werte der entsprechenden erfassten analogen Signale darstellen.

Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner weiterhin einen Peripherie-Nahtstellenkopplungsschaltkreis (54) in elektrischer Verbindung mit der numerischen Steuerung (10) aufweist, der auf Steuersignale anspricht, die von der numerischen Steuerung (10) zur Einleitung einer oder mehrerer Betriebsweisen des Gerätes erzeugt werden.

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