DE3037553A1 - Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten bewegen eines beweglichen elementes in einer werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten bewegen eines beweglichen elementes in einer werkzeugmaschine

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DE3037553A1 DE19803037553 DE3037553A DE3037553A1 DE 3037553 A1 DE3037553 A1 DE 3037553A1 DE 19803037553 DE19803037553 DE 19803037553 DE 3037553 A DE3037553 A DE 3037553A DE 3037553 A1 DE3037553 A1 DE 3037553A1
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Description

Inoue-Japax Research Incorporated Yokohamashi, Kanagawaken Japan
Verfahren und Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines Elementes in einer Werkzeugmaschine, wie beispielsweise in Fräs-, Schneid-, Bohr- und Schleifmaschinen sowie in Laufdraht- oder Drahtschneid-EDM (EDM = elektrisches Entladungs-Bearbeiten)-Maschinen, Absenk-EDM-Maschinen und anderen Elektroerosions- oder elektrischen Bearbeitungs-Ausrüstungen; insbesondere betrifft die Erfindung aber ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes, wie beispielsweise eines Werkzeuges, einer Werkzeugelektrode oder eines Werkstückes oder eines Werkzeughalters, eines Arbeitstisches oder eines Schlittens, der ein Werkzeug oder ein Werkstück trägt.
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In einer Werkzeugmaschine ist ein Antriebsglied, wie beispielsweise eine Leitspindelanordnüng, gewöhnlich antriebsmäßig mit einem beweglichen Element gekoppelt und durch einen Motor, wie beispielsweise einen Gleichstrommotor oder Schrittmotor, angetrieben, der durch ein Vorschubsignal erregt ist, um eine gegebene Bewegung des beweglichen Elementes zu erzielen.
In einer numerisch gesteuerten (NC-)Werkzeugmaschine ist das Vorschubsignal ein Strom von Impulsen, die auf digitalen Befehlen beruhen, die in einem Aufzeichnungsmedium so vorprogrammiert sind, daß die gewünschte Bewegung so genau als möglich entsprechend den programmierten Befehlen ausgeführt werden kann. Derartige Antriebssysteme erfordern jedoch gewöhnlich eine Umsetzung elektrischer Signale in mechanische Signale und weiterhin eine umsetzung mechanischer (Rotations-) Signale in mechanische (Longitudinal-)Signale oder Verschiebungen. Somit tritt unvermeidbar ein mechanischer Fehler in der Umsetzungsstufe aufgrund beispielsweise eines Fehlers in der Steigung oder Ganghöhe einer Leitspindel und eines Spieles in verschiedenen Bauteilen auf. Als Ergebnis wird ein präziser elektrischer Befehl nicht genau in einer gewünschten Bewegung des beweglichen Elementes wiedergegeben. Diese Fehler sind jeder einzelnen Werkzeugmaschine eigen und können im allgemeinen nicht durch einen Vorprogrammierungsprozeß mit den herkömmlichen Systemen kompensiert werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine anzugeben, so daß unter Überwindung der beim Stand der Technik auftretenden obigen Probleme ein extrem genaues Verschieben
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des beweglichen Elementes gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine mit einem Antriebsglied, das antriebsmäßig mit dem beweglichen Element gekoppelt ist, einem Motor, der antriebsmäßig mit dem Antriebsglied gekoppelt ist, und einer Motorschaltungseinrichtung zum Erregen des Motores, um das Antriebsglied anzutreiben, wodurch das bewegliche Element bewegt wird; dieses Verfahren weist auf:
(a) Einspeisen einer Folge von Vorschubsignalen von einer Befehlsquelle in die Motorschaltungseinrichtung, um dadurch den Motor zu erregen, wodurch die entsprechende Folge gewünschter Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird,
(b) Erfassen einer Verschiebung des beweglichen Elementes aufgrund der Einspeisung jedes sequentiellen Vorschubsignales in die Motorschaltungseinrichtung, um ein erstes Signal als eine Funktion dieser Verschiebung zu erzeugen,
(c) Erfassen der sequentiellen Vorschubsignale, um eine Folge zweiter Signale zu erzeugen, deren jedes von jedem der sequentiellen Vorschubsignale abhängt,
(d) aufeinanderfolgendes Speichern in einem Speichermedium der ersten Signale entsprechend den sequentiellen zweiten Signalen,
(e) aufeinanderfolgendes Wiedergeben der in dem Speichermedium gespeicherten ersten Signale entsprechend den sequentiellen zweiten Signalen, während die Vorschubsigna-
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le sequentiell von der Befehlsquelle abgegeben werden können, und
(f) Verarbeiten der wiedergegebenen ersten Signale und der abgegebenen Vorschubsignale, um die Folge überarbeiteter Vorschubsignale zu erzeugen, und sequentielles Einspeisen der überarbeiteten Vorschubsignale in die Motorschaltungseinrichtung, wodurch die gewünschten sequentiellen Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt werden.
Insbesondere kann der Verfahrensschritt (b) umfassen:
Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der erfaßten Verschiebung des beweglichen Elementes von einer durch das Vorschubsignal vorgeschriebenen imaginären Verschiebung hiervon.
Im Verfahrensschritt (c) kann das zweite Signal durch Erfassen einer Betriebsverschiebung des Motores infolge der Einspeisung jedes sequentiellen Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung erzeugt werden. Der Verfahrensschritt (b) kann das Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der erfaßten Verschiebung des beweglichen Elementes von der Betriebsverschiebung des Motores umfassen.
Im Verfahrensschritt (c) kann das zweite Signal alternativ durch Erfassen einer Betriebsverschiebung des Antriebsgliedes infolge der Einspeisung jedes sequentiellen Vorschubsignales in die Motorschaltungsexnrichtung erzeugt werden. Der Verfahrensschritt (d) kann das Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der erfaßten Verschiebung des beweglichen Elementes von der Betriebsver-
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Schiebung des Antriebsgliedes umfassen.
Im Verfahrensschritt (d) können die ersten Signale nacheinander in dem Speichermedium direkt entsprechend den sequentiellen Vorschubsignalen gespeichert werden. Im Verfahrensschritt (e) können die ersten Signale nacheinander direkt entsprechend den sequentiellen Vorschubsignalen wiedergegeben werden.
Im Verfahrensschritt (b) wird die Verschiebung des beweglichen Elementes in vorteilhafter Weise durch Messen der Lage des beweglichen Elementes mit einem Laserstrahl erfaßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin die folgenden Verfahrensschritte umfassen:
Erfassen der Temperatur wenigstens eines kritischen Maschinenbauteiles,
Umsetzen der erfaßten Temperatur in ein entsprechendes elektrisches Signal, das eine thermische Deformation dieses Bauteiles darstellt,
Ableiten eines Korrektursignales aus dem elektrischen Signal, und
Mischen der Vorschubsignale und des Korrektursignales zum Kompensieren eines Fehlers beim Justieren des beweglichen Elementes aufgrund der thermischen Deformation des Bauteiles.
Das wenigstens eine Bauteil kann das bewegliche Element einschließen. Das elektrische Signal kann zusammen mit dem Verfahrensschritt (d) gespeichert und zusammen mit
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dem Verfahrensschritt (e) wiedergegeben werden. Das Korrektursignal kann dann mit den Vorschubsignalen zusammen mit dem Verfahrensschritt (e) oder dem Verfahrensschritt (f) gemischt werden.
Weiterhin sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine vor; diese Vorrichtung hat:
Eine Antriebseinrichtung, die antriebsmäßig mit dem beweglichen Element gekoppelt ist,
einen Motor, der antriebsmäßig mit dieser Einrichtung gekoppelt ist,
eine Motorschaltungseinrichtung zum Erregen des Motores, um die Antriebseinrichtung anzusteuern, so daß das bewegliche Element bewegt wird,
eine Befehlsquelle zum Anlegen einer Folge von Vorschubsignalen an die Motorschaltungseinrichtung, um dadurch den Motor zu erregen, so daß die entsprechende Folge gewünschter Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird,
eine erste Fühlereinrichtung, die auf eine Verschiebung des beweglichen Elementes infolge der Einspeisung jedes der Vorschubsignale in die Motorschaltungseinrichtung anspricht, um ein erstes Signal abhängig von dieser Verschiebung zu erzeugen,
eine zweite Fühlereinrichtung, die auf die Vorschubsignale anspricht, um eine Folge zweiter Signale jeweils abhängig von jedem der sequentiellen Vorschubsignale zu erzeugen,
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eine Speichereinrichtung zum aufeinanderfolgenden Speichern der ersten Signale entsprechend der sequentiellen zweiten Signale,
eine Ausleseeinrichtung für die Speichereinrichtung, um nacheinander die ersten Signale entsprechend den sequentiellen zweiten Signalen wiederzugeben, und
eine Logikeinrichtung zum Verarbeiten der wiedergegebenen ersten Signale und der Vorschubsignale, um die Folge der überarbeiteten Vorschubsignale zu erzeugen und sequentiell die überarbeiteten Vorschubsignale an die Motorschaltungseinrichtung zu legen, wodurch die gewünschte Folge von Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird.
Insbesondere kann die erste Fühlerejnrichtung so gestaltet sein, daß das erste Signal als eine Abweichung einer durch die Vorschubsignale vorgeschriebenen tatsächlichen oder Ist-Verschiebung hiervon erzeugt wird.
Die zweite Fühlereinrichtung kann auf eine Betriebsverschiebung des Motores infolge der Einspeisung jedes der Vorschubsignale in die Motorschaltungseinrichtung ansprechen. Die erste Fühlereinrichtung kann dann so gestaltet sein, daß das erste Signal als eine Abweichung der erfaßten oder Ist-Verschiebung des beweglichen Elementes von der Betriebsverschiebung des Motores erhalten wird.
Die zweite Fühlereinrichtung kann auch auf eine Betriebsverschiebung der Antriebseinrichtung infolge der Einspeisung jedes der Vorschubsignale in die Motorschaltungseinrichtung ansprechen. Die erste Fühlereinrichtung
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kann dann so gestaltet seinr daß das erste Signal als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes von der Betriebsverschiebung der Antriebseinrichtung erzeugt wird.
Die Speichereinrichtung kann so gestaltet sein, daß nacheinander die ersten Signale direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale gespeichert werden.
Die Ausleseeinrichtung kann so gestaltet sein, daß nacheinander die ersten Signale direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale wiedergegeben werden.
Die erste Fühlereinrichtung umfaßt in vorteilhafter Weise eine Meßeinrichtung zum Messen der Lage des beweglichen Elementes mit einem Laserstrahl.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin aufweisen:
Eine Meßeinrichtung zum Messen der Temperatur wenigstens eines kritischen Maschinenbauteiles,
eine Umsetzereinrichtung zum Umsetzen der erfaßten oder Ist-Temperatur in ein entsprechendes elektrisches Signal, das eine thermische Deformation dieses Bauteiles darstellt,
eine Einrichtung zum Ableiten eines Korrektursignales aus dem elektrischen Signal, und
eine Mischeinrichtung zum Mischen der Vorschubsignale und des Korrektursignales, um einen Fehler beim Justieren des beweglichen Elementes aufgrund der thermischen De-
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formation dieses Bauteiles zu kompensieren.
Das Bauteil kann ein Werkstück aufweisen, das seinerseits das bewegliche Element bilden kann, und ein
Glied zum Lagern des zum Bearbeiten des Werkstückes verwendeten Werkzeuges.
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen
Elementes in einer Werkzeugmaschine mit einer Antriebseinrichtung, die antriebsmäßig mit dem beweglichen Element gekoppelt ist, mit einem Motor, der antriebsmäßig
mit der Antriebseinrichtung gekoppelt ist, und mit einer Motorschaltungseinrichtung zum Erregen des Motores, um
die Antriebseinrichtung anzusteuern, wodurch das bewegliche Element bewegt wird, wobei eine Folge von Vorschubsignalen von einer Befehlsquelle geliefert wird, um den Motor zu erregen, so daß eine entsprechende und gewünschte Folge von Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird. Die Erfindung sieht vor:
Eine erste Fühlereinrichtung, die direkt auf eine
Verschiebung des beweglichen Elementes infolge der Einspeisung jedes der sequentiellen Vorschubsignale in die Motorschaltungseinrichtung anspricht, um ein erstes Signal abhängig von der Verschiebung zu erzeugen,
eine zweite Fühlereinrichtung, die auf die Vorschubsignale anspricht, um eine Folge zweiter Signale zu erzeugen, deren jedes von jedem der sequentiellen Vorschubsignale abhängt,
eine Speichereinrichtung zum aufeinanderfolgenden
Speichern der ersten Signale entsprechend der Folge der zweiten Signale in einem Speichermedium,
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eine -Ausleseeinrichtung für das Speichermedium, um nacheinander die ersten Signale hiervon entsprechend der Folge der zweiten Signale wiederzugeben, und
eine Logikeinrichtung zum Verarbeiten der wiedergegebenen Signale und der Vorschubsignale, um die Folge überarbeiteter Vorschubsignale zu erzeugen und sequentiell die überarbeiteten Vorschubsignale an die Motorschaltungseinrichtung abzugeben, wodurch die gewünschte Folge von Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene und teilweise in einem Blockschaltbild gezeigte schematische Darstellung der Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung, die im wesentlichen in einem Blockschaltbild unter anderem eine Speichersteuereinheit zeigt, die einen Teil des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bildet, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung im wesentlichen in der Form eines Blockschaltbildes, das unter anderem eine Logikschaltungseinheit zeigt, die einen Teil des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 bildet.
Anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 wird die Erfindung für eine Laufdraht- oder Drahtschneid-EDM-Maschine erläutert. Die Maschine umfaßt eine kontinuierliche
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inal inspected
Drahtelektrode 1, die aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wie beispielsweise Messing, besteht und eine Dicke oder einen Durchmesser von 0,05 bis 0,5 mm haben kann. Die Drahtelektrode 1 wird kontinuierlich von einer Vorrats- oder Abwickelspule 2 zugeführt, die auf einem Gestell 3 der Maschine befestigt gezeigt ist, und sie wird auf einer Aufnahme- oder Aufwickelspule 4 gesammelt, die auf einem Ausleger oder Arm 5 befestigt gezeigt ist, der sich vom Gestell 3 aus erstreckt. Ein anderer Arm oder Ausleger 6 erstreckt sich vom Gestell 3 und weist an seinem Ende ein erstes Drahtführungsglied 7 auf. Ein zweites Drahtführungsglied 8 ist an einer Spindel oder Stange 9 befestigt, die durch den oberen Arm 5 vertikal verschiebbar gelagert ist. Auf diese Weise wird die Drahtelektrode 1 über das untere Führungsglied 7 und das obere Führungsglied 8 geführt, deren Abstar- durch Justieren der Spindel 9 durch eine nicht gezeigte Einrichtung reguliert oder eingestellt wird, und sie rückt axial zwischen diesen Gliedern durch eine Antriebseinrichtung vor, die nicht dargestellt ist, jedoch in der Strecke des Drahtlaufes auf der Seite der Abwickelspule 2 liegt, um der Laufdrahtelektrode 1 eine geeignete (mechanische) Spannung zu vermitteln.
Ein Werkstück 10 ist in einer Bearbeitungsbeziehung zu der Drahtelektrode vorgesehen, die kontinuierlich zwischen den Drahtführungsgliedern 7 und 8 läuft. Das Werkstück 10 ist fest in einem Arbeitsbehälter 11 befestigt, der sicher auf einer Arbeitstischanordnung 12 liegt. Ein Bearbeitungsfluid, beispielsweise Wasser, wird in den Bereich des Werkstückes 10 und der Drahtelektrode 1 von einer oder mehreren (nicht gezeigten) Düsen gespeist, während eine (nicht gezeigte) EDM-Strom- bzw. Spannungsversorgung elektrisch mit der Drahtelektrode 1 und dem Werkstück 10
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verbunden ist, um eine Folge von Bearbeitungsimpulsen an den zwischen der Laufdrahtelektrode 1 und dem Werkstück 10 ausgeführten und fluidgefüllten Bearbeitungsspalt zu legen, damit Material vom Werkstück 10 abgetragen wird.
Eine Vorschub- oder Leitspindel 13 ist mit der Arbeitstischanordnung 12 verbunden und wird durch einen Motor 14 gedreht, um die Arbeitstischanordnung 12 longitudinal in der Richtung einer Y-Achse zu bewegen. Ein Codierer 15 ist drehbar mit der Welle des Motores 14 gekoppelt vorgesehen, um eine Winkelverschiebung hiervon zu erfassen. Obwohl dies nicht dargestellt ist, so wird eine X-Achsen-Vorschub- oder Leitspindel in ähnlicher Weise mit der Arbeitstischanordnung 12 gekoppelt und in ähnlicher Weise durch einen (nicht gezeigten) X-Achsen-Motor angetrieben, um die Arbeitstischanordnung 12 longitudinal in der Richtung einer X-Achse zu bewegen, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Ein Codierer ist in ähnlicher Weise drehbar gekoppelt mit der Welle des X-Achsen-Motores vorhanden, um eine Winkelverschiebung hiervon zu erfassen.
Ein Ansteuer- oder Vorschubsignal zum X-Achsen- und zum Y-Achsen-Motor wird entlang einer Leitung 16X bzw. 16Y von einer numerischen Steuereinrichtung (NC-Einrichtung) 16 eingespeist, die hier mit einer Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 und einer Steuerlogik-Schaltungseinheit 18 ausgestattet ist, deren jede weiter unten näher erläutert wird. Die Steuerspeicherschaltung 17 umfaßt eine Speichereinheit, die aus einem Festwertspeicher (ROM), einem Speicher mit direktem Zugriff (RAM) und einem Magnetband bestehen kann, das geeignet in einer Kassette zum einfachen Zuführen und Entfernen gehalten ist.
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Die Steuerlogik-Schaltungseinheit 18 kann in geeigneter Weise aus einem Rechner bzw. Computer oder einer Zentraleinheit (beispielsweise einem Mikrocomputer oder Mikroprozessor) bestehen, damit die Einrichtung 16 CNC-Funktionen (CNC = Computer-NC) ausführen kann.
Weiterhin ist ein Lasergenerator 19 vorhanden, um einen Laserstrahl zum Werkstück 10 zur Erfassung einer Verschiebung des Werkstückes 10 mit einem hohen Genauigkeitsgrad auszusenden. Ein Prisma 20 liegt fest auf der Oberfläche des Werkstückes 10, und ein Spiegel 21 ist in der Strecke des Laserstrahles vorhanden, um den durch die Oberfläche des Werkstückes 10 reflektierten Laserstrahl zu einem optoelektrischen Umsetzer 22 zu leiten, dessen elektrischen Ausgangssignale an der Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 liegen. Weiterhin sind eine Bezugsskala 23 bzw. 24 entlang der Y- bzw. der X-Achse vorhanden.
Thermometer 25, 26 und 27 liegen in den Bereichen verschiedener kritischer Maschinenbauteile. Das Thermometer 25 kann verwendet werden, um die Temperatur an einem Lager für die Bearbeitungsführung 7 zu erfassen, das Thermometer 26 kann die Temperatur am Werkstück 10 ermitteln, und das Thermometer 27 kann die Temperatur an einem Lager für die Bearbeitungsführung 8 feststellen. Jedes der Thermometer 25, 26 und 27 ist so gestaltet, daß es das erfaßte oder Ist-Temperatursignal in ein entsprechendes elektrisches Signal umsetzt. Die elektrischen Signale liegen an einem Computer 28, dessen Ausgangssignal der Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 zugeführt ist oder alternativ direkt zur Steuerlogik-Schaltungseinheit 18 gespeist sein kann.
Ein gewünschtes Bearbeitungs- oder Kontur- bzw. Profilmuster, das auf das Werkstück 10 während des Betriebs der dargestellten Drahtschneid-EDM-Maschine zu übertragen
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ist, wird durch eine Folge von Strecken einer Bewegung der Arbeitstischanordnung 12 gegeben, die entlang der X- und der Y-Achse durch den X-Achsen-Motor bzw. durch den Y-Achsen-Motor 14 bewirkt wird. Die Folge der Strecken der Bewegung wird ihrerseits durch die entsprechend vorgeschriebenen Befehle bestimmt, die in der NC-Einrichtung 16 programmiert sind. Um jede Strecke einer Bewegung entlang jeder Achse zu erzielen, liefert die NC-Einrichtung 16 ein entsprechendes Vorschubsignal zu jedem Motor. Dieses genaue Vorschubsignal wird jedoch nicht exakt in die entsprechende oder gewünschte Vorschubbewegung der Arbeitstischanordnung 12 oder des Werkstückes 10 aufgrund von zwingend im Antriebssystem vorhandenen Fehlerfaktoren umgesetzt, wie beispielsweise aufgrund eines Fehlers in:der Ganghöhe oder Steigung der Führungsspindel 13 und eines Spieles in den zugeordneten Bauteilen. Erfindungsgemäß wird ein Fehler in der Verschiebung des bewegten Elementes 12 oder des Werkstückes 10 erfaßt und gesteuert gespeichert sowie mit dem Computer oder Rechner verarbeitet, um eine Überarbeitung in dem an jedem Motor liegenden Vorschubsignal zu erzeugen.
Anhand der Fig. 2 wird der Aufbau und Betrieb eines bestimmten Ausführungsbeispiels der Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 näher erläutert. In dieser Anordnung, die sich beispielsweise auf die Y-Achsen-Bewegung bezieht, versorgt der optoelektrische Wandler 22 die Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 mit einem Analog-Eingangssignal, das die Lage des Werkstückes 10 wiedergibt, die durch den Laserstrahl erfaßt ist. Die Steuerspeicher-Schaltungseinheit 17 hat einen Analog/Digital-Umsetzer (A/D-Umsetzer) 121, der das Analog-Lagesignal in eine Folge von Digital-Impulsen umsetzt, die durch einen Zähler 122 gezählt wer-
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den, während die Fühler-Ausgangsimpulse des Codierers 15 durch einen Zähler 124 gezählt werden. Ein Vergleicher 123 vergleicht die Zählerstände der Zähler 122 und 124 und liefert eine Differenz in den Zählerständen, die in einem Verriegelungszähler 125 verriegelt oder zwischengespeichert wird. Die Fühler-Ausgangsimpulse des Codierers 15 werden auch durch Zähler 128 und 129 gezählt, um einen aufeinanderfolgenden Betrieb eines Festwertspeichers (ROM)
126 zu bewirken. Ein Takt- oder Zeitsteuerimpulsgenerator
127 spricht auf ein Ausgangssignal des Zählers 128 an, um einen Takt- oder Zeitsteuerimpuls zu erzeugen, sooft ein Inkrement einer Verschiebung gezählt wird, damit das in der Schaltung 125 verriegelte Signal zur Speicherung im Festwertspeicher 126 freigegeben wird. Sooft ein Taktoder Zeitsteuerimpuls erzeugt wird, sind beide Zähler 122 und 124 gelöscht, und der Differenz-'ahlerstand zwischen der tatsächlichen oder Ist-Verschiebung des Werkstückes 10 und dem Ausgangssignal des Codierers für jedes Inkrement einer Verschiebung wird vom Verriegelungszähler 125 zum Festwertspeicher 126 übertragen. Somit werden die Differenzwerte in den aufeinanderfolgenden Inkrementen der Verschiebung nacheinander gesammelt und im Festwertspeicher 126 gespeichert. Ein Schalter 130 dient zum Löschen des Zählerstandes von allen Zählern.
Die tatsächliche oder Ist-Verschiebung des Werkstückes 11 wird mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad durch die Laseranordnuny 19, 20, 21 und 22 gemessen. Ein Differenzwert zwischen einer derartigen tatsächlichen oder Ist-Verschiebung des gemessenen bewegten Gliedes 10 und dem Ausgangssignal des Codierers 14, das eine Verschiebung der Welle des Motores 14 wiedergibt, die abhängig von einem Vorschubsignal bewirkt wird, wird so für jeden Inkrement-Vorschub ermittelt, wobei die Werte nacheinander über aufeinanderfolgenden Inkrement-Vorschüben gespeichert werden.
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Die Speicherungsoperation erfolgt vor einer gegebenen Bearbeitungsoperation. Somit wird ein Fehler in der Führungsspindel 13, der zu einem Fehler in der tatsächlichen oder Ist-Verschiebung des bewegten Gliedes bzw. der bewegten Einheit, des Werkstückes 10 oder der Arbeitstischanordnung 12 führt, im Festwertspeicher 126 in jedem Vorschub einer Folge von Inkrement-VorSchüben gespeichert, die durch vorprogrammierte Befehle der NC-Einrichtung 16 geleitet sind. Der gespeicherte Fehler im Festwertspeicher 126 wird ausgelesen, und die korrigierten Vorschubsignale liegen am Motor 14.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuerlogik-Schaltungseinheit 18. Die Erläuterung erfolgt wiederum anhand einer Verschiebung entlang der Y-Achse. Ein Signal von der NC-Einrichtung 16 liegt an einem Signalformer 131, dessen Ausgangssignal einem Flipflop 132 zugeführt wird, das so Digital-Signale erzeugt. Diese Digital-Signale werden über einen Diskriminator 133 zum Aufwärts- oder Abwärts-Anschluß eines Zweirichtungs- oder reversiblen Zählers gespeist. In der Zwischenzeit zählt ein Voreinstellzähler 139 die Fühler-Ausgangsimpulse des Codierers 15, um ein Ausgangssignal zu liefern, das an einer Ausleseschaltung 138 für den Festwertspeicher 126 liegt. Der Speicher im Festwertspeicher wird ausgelesen, und der Inhalt wird an einen Signalformer 136 abgegeben. Ein Flipflop 137 setzt das geformte Signal in Digital-Impulse um, die über den Diskriminator 133 in den Aufwärts- oder Abwärts-Anschluß des Zählers 134 gespeist werden. Der Zähler 134 führt ein Aufwärts-Zählen oder Abwärts-Zählen durch, bis ein voreingestellter oberer oder unterer Grenzwert erreicht ist. Dann wird ein Ausgangssignal durch einen Signalformer 135 abgegeben und einer Differenz-Steuerschaltung 142 über einen ersten Eingang von dieser und wiederum einer Ansteuerschaltung 143 zugeführt, um gesteuert den Motor 14 anzusteuern.
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Ein Signalformer 141 liegt zwischen dem Zähler 139 und einem zweiten Eingangsanschluß der Differenzsteuerschaltung 142. Ein Oszillator 140 dient zum Betreiben der beiden Flipflops 132 und 137.
Im Betrieb wird der Motor 14 angesteuert, um die Leit- oder Führungsspindel 13 anzutreiben, die ihrerseits die Arbeitstischanordnung 12 und damit das Werkstück 10 bewegt. Eine Winkelverschiebung des Motores 14 oder der Leitspindel 13 wird durch den Codierer 15 erfaßt, der so Impulse entsprechend der Winkelverschiebung erzeugt, die abhängig von einem am Motor 14 liegenden Vorschubsignal bewirkt wird. Der Codierer 15 kann hier auch ein Geschwindigkeits- oder Ratesignal aus der Anzahl von Impulsen je Zeiteinheit zusätzlich zum Lage- oder Verschiebungssignal entsprechend der Impulszahl erzeugen. Das Ausgangssignal des Codierers 15 wird im Voreinstellzähler 139 gesammelt, und sooft die erfaßten Impulse eine voreingestellte Zahl erreichen, gibt der Zähler 139 einen Signalimpuls ab, um die Ausleseschaltung 138 freizugeben. Die Speicherinhalte im Festwertspeicher 126 werden so nacheinander ausgelesen und über die Schaltung 136 dem Flipflop 137 zugeführt, wo sie in Digital-Signale umgesetzt werden. Die Digital-Signale liegen dann über den Diskriminator 133 am Zähler 134, in den die vorprogrammierten Vorschubsignale von der NC-Einrichtung 16 eingespeist werden. Der Zähler 134 liefert so die Vorschubsignale, die durch die Fehlerkompensiersignale von der Speichereinheit 136 durch deren Differenz-Zählbetrieb überarbeitet sind. Die überarbeiteten Vorschubsignale vom Zähler 134 werden durch den Signalformer 135 erneut geformt und verlaufen durch die Differenz-Steuerschaltung 142 und die Ansteuerschaltung 143, um den Motor 14 zl. erregen, wodurch genau die Arbeitstischanordnung 12 in befohlener Weise trotz eines Fehlers bewegt wird, der dem mechanischen System eigen ist, das den Motor 14 mit der Anordnung 12 verbindet.
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Das Werkstück 10 ist sicher auf der Arbeitstischanordnung 12 befestigt und wird in einer vorbestimmten Bearbeitungslage mit der Drahtelektrode 1 gehalten. Demgemäß wird ein gewünschtes Bearbeitungsprofil mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad erzielt. Es sei darauf hingewiesen, daß ein ähnlicher Antriebsmechanismus, der die oben erläuterte Fehlerkompensieranordnung enthält, entlang einer oder mehreren Achsen in einer X-Z-Ebene senkrecht zur beschriebenen Y-Achse verwendet werden kann.
Aus den obigen Erläuterungen folgt auch, daß trotz des Vorliegens von Fehlern in der Ganghöhe oder Steigung der Vorschubspindel 13 diese Fehler tatsächlich durch eine sehr genaue Messung mittels der Laseranordnung 19, 20, 21, 22 festgestellt werden können, und ein Fehler in jedem der Inkrement-Vorschübe wird nacheinander in der Steuerspeichereinheit 17 gespeichert, um eine gegebene Bearbeitungsoperation vorzubereiten. In der tatsächlichen Bearbeitungsoperation werden die gespeicherten Fehlersignale synchron mit der Folge vorprogrammierter Vorschubsignale wiedergegeben, die von der NC-Einrichtung oder Befehlsquelle 16 eingespeist sind, so daß eine überarbeitete Folge von Vorschubsignalen auftritt und in den Motor eingespeist wird, wodurch das bewegliche Element in gewünschter Weise genau bewegt wird.
Die Verwendung eines Codierers als eines Detektors zum Erzeugen eines Bezugssignales abhängig von einem Vorschubsignal ist vorteilhaft, da dadurch das Erfassen der Verschiebungsgeschwindigkeit möglich ist. Somit können die Ausgangsimpulse des Zählers 139 der Differenz-Steuerschaltung 142 zugeführt werden, und ein Geschwindigkeits-Abweichungssignal, das am Ausgang der Differenz-Steuerschaltung 142 auftritt, kann am Motor 14 liegen, um die Geschwindigkeit oder Änderung der Winkelverschiebung von
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dessen Welle zu steuern. Auf diese Weise wird eine Justiersteuerung mit erhöhter Ansprechempfindlichkeit erzielt.
Es hat sich weiter gezeigt, daß eine thermische Deformation (Ausdehnung), unter der verschiedene kritische Maschinenbauteile leiden, einen ernsten Bearbeitungs-Justierfehler hervorruft. Dieser Fehler wird wirksam nach weiteren Merkmalen der Erfindung kompensiert. So sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Thermometer 25, 26 und 27 vorgesehen, um die Temperaturen des Bearbeitungs-Führungsgliedes 7 oder dessen Trägerarmes 6, des Werkstückes 10 und des Bearbeitungs-Führungsgliedes 8 oder dessen Trägergliedes 9 zu erfassen, damit die entsprechenden elektrischen Signale erzeugt werden. Die thermische Deformation (Ausdehnung) jedes Teiles ist aus dessen erfaßter Temperatur und den entsprechenden elektrischen Signalen bekannt, die am Ausgang der Thermometer 25, 26 und 27 auftreten. Ein Entscheidungsglied oder Computer bzw. Rechner 28, der mit den Temperatursignalen beaufschlagt ist, analysiert dann die Einflüsse der thermischen Deformation (Ausdehnungen) der jeweiligen Teile auf die tatsächliche oder effektive Stellung des Werkstückes 10 bezüglich der Achse des Laufdrahtwerkzeuges 1 und liefert ein Kompensationssignal, das über eine Leitung 28a direkt an die Logikschaltung 18 gelegt werden kann, um dadurch das in den Motor 14 gespeiste Vorschubsignal zu überarbeiten oder zu überprüfen. Die Schaltung 28 kann alternativ eine einfache Verbinduagssuiidltung sein, und dann kann die Analyse durch die Logikschaltung 18 durchgeführt werden. Die Entscheidungsschaltung oder der Rechner 28 kann auch eine Folge von Signalen erzeugen, die den Einfluß der thermischen Ausdehnung der abgetasteten Bauteile auf die Lage oder Stellung des Werkstückes wiedergeben, die als Funktion der Zeit bekannt ist. Die Folge derartiger Signale kann über eine Leitung 2 8b an der Speichereinheit 17 liegen, und die ge-
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speicherten Signale können wiedergegeben und zu den vorprogrammierten Vorschubsignalen von der NC-Einrichtung 16 während einer Bearbeitungsoperation geführt werden. Eine gesteigerte Bearbeitungsgenauigkeit wird so unabhängig von thermischen Deformationen (Ausdehnungen) dieser kritischen Maschinenbauteile erzielt.
Der Motor im System kann entweder ein umlaufender Motor oder ein Linearmotor sein. Ein Wechselstrommotor kann mit einer phasengesteuerten Ansteuerschaltung versehen werden. Ein Schrittmotor und ein Gleichstrommotor sollte durch eine "pulsierende" bzw. "kontinuierliche" Ansteuerschaltung von üblichem Aufbau versorgt werden. Ein Flüssigkeitsmotor oder ein Elektrohydromotor kann in gleicher Weise verwendet werden. Eine Einrichtung zum Erfassen der Betriebsverschiebung des Motores oder des Antriebsgliedes (beispielsweise der Leitspindel) besteht in vorteilhafter Weise aus einem umlaufenden (wie dargestellt) oder linearen Codierer, obwohl andere Detektoren der gleichen Funktion alternativ verwendbar sind, wie beispielsweise ein Induktor-Tachometer, ein Moire-Interferenz-Fühler, ein Funktionsdrehmelder oder eine magnetische Skala. Die Befehlsquelle ist in vorteilhafter Weise eine NC-Einrichtung eines herkömmlichen Aufbaues; sie kann jedoch auch einen herkömmlichen Aufbau kopieren. Die direkt auf eine Verschiebung des beweglichen Gliedes ansprechende Einrichtung ist nicht auf die gezeigte Laseranordnung beschränkt; sie kann unter anderem in vorteilhafter Weise ein Ultraschall-Fühlersystem verwenden, das beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung OOO6O22A1 (veröffentlicht am 12. Dezember 19 79) beschrieben ist.
Die Erfindung ermöglicht so ein vorteilhaftes Verfahren und eine zweckmäßige Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Gliedes in einer Werkzeugmaschine, wobei eine extrem hohe Verschiebungsgenauigkeit gewährleistet ist.
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Claims (28)

Ansprüche
1. !Verfahren zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine, mit einer Antriebseinheit, die antriebsmäßig mit dem beweglichen Element gekoppelt ist, einem Motor, der antriebsmäßig mit der Antriebseinheit gekoppelt ist, und einer Änsteuerschaltungseinrichtung zum Erregen des Motores, um die Antriebseinheit anzutreiben, wodurch das bewegliche Element bewegt wird,
- (a) Einspeisen einer Folge von Vorschubsignalen von einer Befehlsquelle (16) in die Ansteuerschaltungseinrichtung, um dadurch den Motor (14) zu erregen, so daß die entsprechende Folge gewünschter Bewegungen des beweglichen Elementes (13) erzielt wird,
- (b) Erfassen einer Verschiebung des beweglichen Elementes (13) aufgrund der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung und den Motor (14), um ein erstes Signal als Funktion der Verschiebung zu erzeugen,
- (c) Erfassen der Vorschubsignale, um eine Folge zweiter
Signale jeweils als Funktion jedes Vorschubsignales zu erzeugen,
- (d) aufeinanderfolgendes Speichern in einem Speichermedium (17), wobei die ersten Signale der Folge der
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zweiten Signale entsprechen,
- (e) aufeinanderfolgendes Wiedergeben der in dem Speichermedium (17) gespeicherten ersten Signale entsprechend der Folge der zweiten Signale, während die Vorschubsignale in einer Folge von der Befehlsquelle (16) abgegeben werden können, und
- (f) Verarbeiten der wiedergegebenen ersten Signale und
der Vorschubsignale, um die Folge überarbeiteter Vorschubsignale zu erzeugen, und Einspeisen der überarbeiteten Vorschubsignale in die Ansteuerschaltungseinrichtung, um dadurch die gewünschten Bewegungen in einer Folge des beweglichen Elementes (13) zu erzielen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- daß der Verfahrensschritt (b) aufweist:
- Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von einer imaginären Verschiebung hiervon, die durch das Vorschubsignal vorgeschrieben ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (c) das zweite Signal durch Erfassen einer Betriebsverschiebung des Motores (14) infolge der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekenn ζ ei chnet,
- daß der Verfahrensschritt (b) aufweist:
- Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von der Betriebsverschiebung des Motores (14).
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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (c) das zweite Signal erzeugt wird durch Erfassen einer Betriebsverschiebung der Antriebseinheit infolge der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Verfahrensschritt (b) aufweist:
- Erzeugen des ersten Signales als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von der Betriebsverschiebung der Antriebseinheit.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (d) die ersten Signale nacheinander im Speichermedium (17) direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale gespeichert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (e) die ersten Signale, die im Speichermedium (17) gespeichert sind, nacheinander direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale wiedergegeben werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (e) die ersten Signale, die im Speichermedium (17) gespeichert sind, nacheinander direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale wiedergegeben werden.
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10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- daß im Verfahrensschritt (b) die Verschiebung des beweglichen Elementes (13) durch Messen der Stellung des beweglichen Elementes (13) mittels eines Laserstrahles erfaßt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
- Erfassen der Temperatur wenigstens eines kritischen Maschinenbauteiles,
- Umsetzen der erfaßten Temperatur in ein entsprechendes elektrisches Signal, das eine thermische Deformation des Bauteiles darstellt,
- Ableiten eines Korrektursignales aus dem elektrischen Signal, und
- Mischen der Vorschubsignale und des Korrektursignales, um einen Fehler in der Justierung des beweglichen Elementes (13) aufgrund der thermischen Deformation des Bauteiles zu kompensieren.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das wenigstens eine Bauteil das bewegliche Element (13) umfaßt.
13. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das elektrische Signal zusammen mit dem Verfahrensschritt (d) gespeichert und zusammen mit dem Verfahrensschritt (e) wiedergegeben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
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- daß das Korrektursignal zusammen mit dem Verfahrensschritt (d) gespeichert und zusammen mit dem Verfahrensschritt (e) wiedergegeben wird.
15. Vorrichtung zum gesteuerten Bewegen eines beweglichen Elementes in einer Werkzeugmaschine, mit
- einer Antriebseinheit, die antriebsmäßig mit dem beweglichen Element gekoppelt ist,
- einem Motor, der antriebsmäßig mit der Antriebseinheit gekoppelt ist,
- einer Ansteuerschaltungseinrichtung zum Erregen des Motores, um die Antriebseinheit anzusteuern, wodurch das bewegliche Element bewegt wird, und
- einer Befehlsquelle zum Einspeisen einer Folge von Vorschubsignalen in die Ansteuerschaltungseinrichtung, um dadurch den Motor zu erregen, so daß die entsprechende Folge gewünschter Bewegungen des beweglichen Elementes erzielt wird,
gekennzeichnet durch
- eine erste Fühlereinrichtung (19), die auf eine Verschiebung des beweglichen Elementes (13) infolge der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung und den Motor (14) anspricht, um ein erstes Signal als Funktion der Verschiebung zu erzeugen,
- eine zweite Fühlereinrichtung, die auf die Vorschubsignale anspricht, um eine Folge zweiter Signale jeweils als eine Funktion jedes der Vorschubsignale zu erzeugen,
- einen Speicher (17) zum aufeinanderfolgenden Speichern der ersten Signale entsprechend der Folge der zweiten Signale,
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- eine Ausleseeinrichtung für die Speichereinrichtung (17), um nacheinander die ersten Signale entsprechend der Folge der zweiten Signale wiederzugeben, und
- eine Logikeinrichtung zum Verarbeiten der wiedergegebenen ersten Signale und der Vorschubsignale, um die Folge überarbeiteter Vorschubsignale zu erzeugen und die überarbeiteten Vorschubsignale sequentiell an die Ansteuerschaltungseinrichtung und den Motor (14) zu legen, so daß dadurch die gewünschte Folge von Bewegungen des beweglichen Elementes (13) erzielt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die erste Fühlereinrichtung (19) gestaltet ist, um das erste Signal als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von einer imaginären Verschiebung hiervon zu erzeugen> die durch das Vorschubsignal vorgeschrieben ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die zweite Fühlereinrichtung auf eine Betriebsverschiebung des Motores (14) infolge der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung anspricht.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die erste Fühlereinrichtung (19) gestaltet ist, um das erste Signal als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von der Betriebsverschiebung des Motores (14) zu erzeugen.
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19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
- daß die zweite Fühlereinrichtung auf eine Betriebsverschiebung der Antriebseinheit infolge der Einspeisung jedes Vorschubsignales in die Ansteuerschaltungseinrichtung anspricht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
- daß die erste Fühlereinrichtung (19) gestaltet ist, um das erste Signal als eine Abweichung der Verschiebung des beweglichen Elementes (13) von der Betriebsverschiebung der Antriebseinheit zu erzeugen.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Speichereinrichtung (17) gestaltet ist, um nacheinander die ersten Signale direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale zu speichern.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Ausleseeinrichtung gestaltet ist, um nacheinander die ersten Signale direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale wiederzugeben.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Ausleseeinrichtung gestaltet ist, um nacheinander die ersten Signale direkt entsprechend der Folge der Vorschubsignale wiederzugeben.
24. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
- daß die erste Fühlereinrichtung eine Einheit zum Messen der Lage des beweglichen Elementes (13) mit einem Laserstrahl aufweist.
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25. Vorrichtung nach Anspruch 15,
gekennzeichnet durch
- eine Temperaturfühlereinrichtung (25, 26, 27) zum Messen der Temperatur wenigstens eines kritischen Maschinenbauteiles,
- eine Umsetzereinrichtung zum Umsetzen der erfaßten oder Ist-Temperatur in ein entsprechendes elektrisches Signal, das eine thermische Deformation des Bauteiles darstellt,
- eine Einrichtung zum Ableiten eines Korrektursignales aus dem elektrischen Signal, und
- eine Mischeinrichtung zum Mischen der Vorschubsignale und des Korrektursignales, um einen Fehler in der Justierung des beweglichen Elementes (13) aufgrund der thermischen Deformation des Bauteiles zu kompensieren.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das wenigstens eine kritische Maschinenbauteil das bewegliche Element (13) umfaßt.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das bewegliche Element ein Werkstück (10) ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das wenigstens eine kritische Maschinenbauteil wenigstens ein Glied zum Lagern eines Werkzeuges (1) zum Bearbeiten des Werkstückes (10) umfaßt.
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DE19803037553 1979-10-03 1980-10-03 Verfahren und vorrichtung zum gesteuerten bewegen eines beweglichen elementes in einer werkzeugmaschine Granted DE3037553A1 (de)

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