DE3220628A1

DE3220628A1 - Numerisch gesteuerte werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE3220628A1
Application number: DE19823220628
Authority: DE
Inventors: David Roberts Wotton-Under-Edge Glos McMurtry
Original assignee: Renishaw Electrical Ltd
Current assignee: Renishaw Electrical Ltd
Priority date: 1981-06-17
Filing date: 1982-06-01
Publication date: 1983-01-05
Also published as: JPS582907A; US4513646A; GB2103833B; GB2103833A

Description

- A - ■

Die Erfindung betrifft eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine. Es ist bei solchen Maschinen bekannt, ein Werkzeug unter Beeinflussung eines Regelsystems in Eingriff mit einem Werkstück zu bringen, wobei das Rückmeldesignal den Abstand zwischen dem Werkzeug und einer Bezugsfläche an einem festen Teil der Maschine bestimmt.

Es ist üblich, dabei das Werkzeug anfangs mit einer relativ hohen Geschwindigkeit zur Vermeidung von Zeitverlusten zu bewegen und die Geschwindigkeit dann zu reduzieren, wenn das Werkzeug in die Nähe des Werkstückes komint, um zu große Auf ochlagkrüf t.e des Werkzeuges auf das Werkstück zu vermeiden Wenn die Stellung der anzulegenden oder in Eingriff zu bringenden Werkzeugfläche nicht genau bekannt ist, muß die Geschwindigkeit schon zu einem relativ frühen Zeitpunkt zurückgenommen werden, so daß die Zeit, mit der das Werkzeug sich mit langsamer Geschwindigkeit bewegt, relativ lange dauern kann. Es ist ein Ziel der Erfindung, diesen Nachteil zu überwinden oder doch weitgehend zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine mit einem in Eingriff mit einem Werkstück zu bewegenden Werkzeug geschaffen, bei dem das Werkzeug unter Beeinflussung durch ein erstes Regelsystem zu dem Werkstück hin bewegt wird, wobei das Rückmeldesignal für das erste System der Abstand zwischen dem Werkzeug und einer an einem festen Teil der Maschine vorgesehenen Bezugsfläche ist, ein zweiter Abstand erfaßt wird, der seit Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ist und bei Erreichen eines Schwellwertes durch den zweiten Abstand automatisch der Einfluß des ersten Systems unterbrochen und die Bewegung des Werkzeuges unter Beeinflussung eines zweiten Regelsystems fortgesetzt wird, das ein den zweiten Abstand bestimmendes Rückmeldesignal besitzt.

Es ist zu sehen, daß das zweite System die Werkzeugstellung durch direkten Bezug auf die Oberfläche des Werkstückes selbst bestimmt und so eine gesteuerte Annäherung an diese Oberfläche auch dann sicherstellt, wenn die Lage dieser Oberfläche nicht oder nicht genau genug bekannt ist.

Erfindungsgemäß wird auch eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine geschaffen mit einem in Eingriff mit einem Werkstück bringbaren Werkzeug, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals, das ein Maß des Abstandes zwischen dem Werkzeug unä. einer Bezugsfläche an einem festen Teil der Maschine ist, mit einem ersten Regelsystem, das zur Bewegung des Werkzeuges zu dem Werkstück hin ausgelegt ist und das erste Signal als Rückmeldesignal besitzt, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches ein Maß für den Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ist, und mit einem zweiten Regelsystem, das das zweite Signal als Rückmeldesignal (Meßgröße) benützt, und mit einer Einrichtung, die in Abhängigkeit davon, daß der zweite Abstand einen Grenzwert erreicht während der Bewegung unter Beeinflussung durch das erste System, eine Änderung der Beeinflussung der Werkzeugbewegung von dem ersten durch das zweite System hervorruft.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert, in der die einzige Figur eine Schemadarstellung einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist.

Eine Drehbank 10 besitzt ein Futter 11, in dem ein Werkstück

12 gehalten ist und besitzt ferner einen Werkzeugschlitten 13, an dem ein Werkzeug 14 zur Bearbeitung des Werkstückes 12 angebracht ist. Das Werkzeug wird durch einen Motor 15 zu dem Werkstück hin bewegt, wobei der Motor 15 auf den Schlitten

13 unter Beeinflussung durch ein erstes Regelschleifensystem 16 einwirkt, bei dem ein Soll-Stellungssignal 17 und ein Rück-

meldesignal (Meßsignal) 18 einer Summierverbindung 19 zugeführt wird, um ein Fehlersignal 20 zu erzeugen, das den Motorantrieb 15 beeinflußt. Das Sollsignal 17 wird durch einen Rechner 21 erzeugt, und das Rückmeldesignal (die Meßgröße 18) wird durch ein zwischen dem Schlitten und einem relativ festen Aufbau 25 eingesetztes Gerät erzeugt, das Impulse 22A bei jeder zurückgelegten Abstandseinheit erzeugt. Die Impulse werden in einem Zähler 22B gezählt, dessen Zählinhalt dadurch ein Maß für den gesamten zurückgelegten Abstand ist und damit das Signal 18 bildet.

Bei einer Einrichttätigkoit, die von Hand durchgeführt werden kann, wird der Zähler 22B auf Null gestellt, sobald das Werkzeug 14 an einer Bezugsfläche 24 an dem Futter 11 anliegt. Das Signal 18 ist deshalb ein Maß für die Stellung des Werkzeugs zur Oberfläche 24, die durch einen Abstand angezeigt wird.

Obwohl der Abstand 23 mit Hilfe des Signals 18 bekannt ist, ist der Abstand 32 zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück selbst in diesem Bearbeitungszustand nicht bekannt. Das Werkzeug soll in Eingriff mit dem Werkstück gebracht werden, um die Lage einer Oberfläche 12A des Werkstückes zu bestimmen, sobald die Werkzeugspitze diese berührt hat, oder um eine Bearbeitung vorzunehmen. In jedem Fall macht die Tatsache, daß die Lage der Oberfläche 12A nicht oder nicht mit der gleichen Genauigkeit bekannt ist, es schwierig, das Werkzeug mit der richtigen Geschwindigkeit in sicherer Weise in Eingriff mit dem Werkstück zu bringen, allein unter Beeinflussung des Systems 16. Um diese Schwierigkeit zu überwinden oder doch zu verringern, wird ein Vorgang zum Erfassen des Abstandes 32 zwischen dem Werkzeug und der Oberfläche 12A eingeführt, und in diesem Sinn kann das Werkzeug 14 als eine Sonde zum Erfassen der Oberfläche 12A angesehen werden. Für diesen Erfassungsvorgang werden das Werkstück und das Werkzeug

in einen elektrischen Schaltkreis 30 aufgenommen, der durch einen Generator 31 mit einem Sägezahnsignal beaufschlagt wird, dessen Spitzenspannung so hoch ist, daß ein Stromfluß in Form einer Funkenfolge zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug erzeugt wird, sobald der Abstand 32 zwischen den beiden einen vorbestimmten Grenzwert-32A erreicht. Da der mittlere Stromfluß bei einer Reduzierung des Abstandes ansteigt, ist die Schaltung ein Mittel zum Erfassen des Abstandes 32 zwischen dem Grenzwert und dem Wert Null. Beim Grenzwert ist eier mittlere Stromfluß bei seinem Minimalwert und beim Wert Null, d.h. dann, wenn das Werkzeug das Werkstück berührt, tritt der maximale mittlere Stromfluß ein.

Die Schaltung 30 ist in einem zweiten Regelsystem 33 enthalten, das ein Vorgabe- oder Sollsignal 34 entsprechend dem maximalen Stromfluß und ein Rückmelde- oder Meßsignal 35 den tatsächlichen mittleren Stromfluß/ in der Schaltung aufweist. Das Signal 35 wird von einem Stromerfassungelement 35A abgenommen. Die Signale 34 und 35 sind an einer Addierverbindung 36 zusammengeführt und ergeben dort ein Fehlersignal 37, das über ein Relais 38 zu einem Schalter 39 geführt wird, der die Fehlersignalverbindung zum Motor von der Beaufschlagung mit dem Signal 20 des Systems 16 (dies ist der Normalzustand des Schalters 39) zur Beaufschlagung mit dem Signal 37 des Systems 33 ändert. Es kann auch statt der getrennten Summier- oder Addierverbindungen 19 und 36 eine einzige derartige Verbindung vorgesehen werden, und der Schalter 39 kann so angeordnet sein, daß er die Signale 18 oder 35 direkt einer solchen einzigen Summier- oder Addierverbindung zuführt.

Bei einem typischen praktischen Ablauf steht das Werkzeug anfangs so, daß der Abstand 32 größer als der zugehörige Schwell- oder CrenzwerL 32Λ ist, und die Bewegung des Werk-

zeugs zu dem Werkstück hin geschieht unter Beeinflussung durcl) das System 16. Wenn während der Bewegung des Werkzeuges und der fortschreitenden Reduzierung des Abstandes 32 dieser den Grenz- oder Schwellwert 32A annimmt, wird die Beeinflussung der Bewegung des Werkzeuges durch das System 33 vom System 16 übernommen, d.h. das Werkzeug wird weiterhin gemäß dem Pehlersignal 37 bewegt, das fortschreitend abnimmt, während das Signal 3 5 bis zu dem Wert des Signals 35 hin ansteigt. Wenn diese beiden Signale den gleichen Wert erhalten, hat das Signal 37 den Wert Null und das Werkzeug hält am Berührungspunkt mit der Oberfläche 12A an, und zwar mit einer Genauigkeit, die dem Auflösungsvermögen des Systems entspricht. Das System 33 ist so ausgelegt, daß die Geschwindigkeit des Motors 15 unter seiner Beeinflussung langsamer als unter Beeinflussung durch das System 16 geschieht und vorzugsweise wird dabei die Geschwindigkeit des Motors 15 immer mehr reduziert, je näher die Stellung kommt, an der das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung kommt. So kann die Werkzeugbewegung, solange die Steuerung durch das System 16 besteht, relativ schnell vor sich gehen, da die Maschine durch das System 33 gegen Schaden gesichert ist.

Das Gerät 22 arbeitet weiter, während die Bewegung unter Beeinflussung durch das System 33 geschieht, so daß die Stellung des Werkzeuges 14 bezüglich der Bezugsfläche 24 für den Rechner weiterhin zugreifbar ist. Die Summieroder Addierverbindung 36 ist so ausgelegt, daß sie ein Signal 41 ausgibt, das die Gleichheit der Signale 34 und 35 bezeichnet, d.h. den Zeitpunkt, an dem das Werkzeug mit dem Werkstück in Berührung kommt.

Das Signn.1 41 Ist so geführt, daß os durch den Rechner gelesen werden kann. Falls nach der Berührung dos Werkzeuges mit dem Werkstück ein Bearbeitungsvorgang folgen soll, ist der Rechner so programmiert, daß er nach Empfang

des Signals 41 die Werkzeugbewegung wieder unter Beeinflussung durch das System 16 nimmt und den Bearbeitungsvorgang fortsetzt. Falls die Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück zum Vermessen des Werkstückes geschehen soll, ist der Rechner so programmiert, daß er das Signal 18 speichert, sobald das Signal 41 auftritt, so daß sich eine Aufzeichnung der Lage der Oberfläche 12A bezüglich der Bezugsfläche ergibt. Ein derartiger Meßvorgang kann so einprogrammiert sein, daß er vor dem Bearbeitungsvorgang auftritt, um dem Programm zu ermöglichen, die dem Bearbeitungsvorgang angemessene Schneidtiefe zu bestimmen. Das System 33 kann auch benutzt werden, wenn ein Anlegen des Werkzeuges an die Bezugsfläche 24 zum Einrichten erfolgen soll.

Die Erfindung kann jedoch auch lediglich dazu benutzt worden, das Werkstück zu vermessen. In diesem Falle wird der Rechner so programmiert, daß er das Signal 18 beim Auftreten des Signals 41 speichert und dann auf das System so einwirkt, daß das Werkzeug von der Fläche 12A abgezogen und zu einer anderen zu vermessenden Fläche des Werkstückes hin bewegt wird. In diesem Umfeld ist der Ausdruck "numerisch gesteuerte Werk- : zeugmaschine" so zu verstehen, daß auch ein numerisch gesteuertes Koordinatenmeßgerät eingeschlossen ist, und der Ausdruck "Werkzeug" bezieht sich, wie bereits mehrfach erwähnt, auch auf eine Flächensonde oder ein Sondenteil.

Dor Rechner ir.I so procjrainini ort , daß er dir· Schaltung 30 durch das Signal 4ϋΛ vom Rechner ire.1cj.fbL (enable), wobei das Signal 4OA vom Rechner einen Schalter 40 im Schaltkreis 30 beeinflußt. Dadurch ist es möglich, eine unnötige Betägigung des Systems 33, z.B. zwischen kleineren Bewegungen des Schlittens 13, zu vermeiden. Weiter ist der Rechner so programmiert, daß er den Zustand des Schalters 39 liest, und dieser Zustand wird dem Rechner durch ein Signal 39A gemeldet. Dadurch wird das Programm freigegeben, den nächsten Bearbeituncjs- oder Belriebsschritt einzuleiten, der nach Berührung

zwischen Werk.stüek und Werkzeug erfolgt.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Abstand des Werkzeugs vom Werkstück dadurch erfaßt, daß ein Stromfluß zwischen den beiden Teilen erreichtet wird. Es können dazu aber auch andere Einrichtungen oder andere Erfassungsmöglichkeiten benutzt werden. Beispielsweise kann eine Kapazitätsänderung zwischen Werkzeug und Werkstück durch eine geeignete Einrichtung erfaßt werden, oder es kann eine optische Einrichtung benutzt werden, durch die der Abstand überwacht wird, z.B. durch Erfassen einer Änderung der Intensität oder der Lage von reflektiertem Licht.

Claims

- Patentansprüche -

MJ

Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine mit einem in Eingriff mit einem Werkstück zu bringenden Werkzeug dadurch gekennzeichnet , daß das Werkzeug zu dem Werkstück hin unter Beeinflussung eines ersten Regelsystems mit einem Rückmeldesignal bewegt wird, das einen ersten Abstand bestimmt, der der Abstand zwischen dem Werkzeug und einer an einem relativ feststehenden Teil der Maschine vorgesehenen Bezugsfläche ist, daß ein zweiter Abstand erfaßt wird, der der Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück ist, und daß in Abhängigkeit von dem Erreichen eines Schwellwertes durch den zweiten Abstand automatisch die Benutzung dos ersten Rcgelsyr,t oins unterbrochen und die Bewegung des Werkzeuges unter Beeinflussung eines zweiten

Regelsystems fortgesetzt wird mit einem Rückmeldesignal, das den zweiten Abstand bestimmt.
2. Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem in Eingriff mit einem Werkstück bringbaren Werkzeug, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Signals, das ein Maß des Abstandes zwischen dem Werkzeug und einer an einem relativ feststehenden Teil der Maschine vorgesehenen Bezugsfläche ist, mit einem ersten Regelschleifensystem zur Regelung der Werkzeugbewegung zu dem Werkstück hin mit einem ersten Rückmeldesignal, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen (30) zur Erzeugung eines zweiten, ein Maß für den Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück darstellenden Signals

(37) vorgesehen ist, daß ein zweites Regelsystem (33) mit dem zweiten Signal (37) als Rückmeldung vorgesehen ist und eine Einrichtung, die in Abhängigkeit von dem Erreichen eines Schwellwertes durch den zweiterwähnten Abstand (32) unter Beeinflussung des ersten Systemes eine Änderung der Steuerung der Werkzeugbewegung vom ersten zum zweiten System erreicht.
3. Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem zur Halterung eines Werkstückes ausgelegten Werkstückhalter, mit einem Werkzeugsupport, mit einer Antriebseinrichtung zur Positionierung des Halters und des Supportes, wobei jeweils eines der beiden Teile gegenüber einer an dem anderen Teil bestimmten Bezugsgröße positioniert wird, mit einer Regelschleifeneinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung, um diese relative Positionierung zu bewirken, mit einem ersten Sensor zum Erfassen der Relativstellung des Halters und des Supportes, dessen Ausgangssignal ein erstes Rückmeldesignal für die Regelschleifeneinrichtung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sondenteil (14) mit dem Werkzeugsupport (13) verbunden ist, daß eine zweite

Sensoreinrichtung (30) mit dem Sondenteil (.14) verbunden ist, um eine Oberfläche (12A) des Werkstückes zu erfassen, wenn während der Relativpositionierung des Sondenteils (14) und des Werkstückes (12) eines gegen das andere hin bewegt und ein dazwischen befindlicher Spalt (32) fortschreitend reduziert ist, daß eine Erzeugereinrichtung (35A) zur Erzeugung eines Sondensignals (35) vorgesehen ist, wenn der Spalt (32) zu einer vorbestimmten Größe reduziert ist, wobei das Sondensignal (3 5) ein zweites Rückmeldesignal (37) für die Regeleinrichtung (16, 33) bestimmt, daß eine in eine erste Stellung zur Verbindung des ersten Rückmeldesignals (18) zur Regeleinrichtung (16, 33) setzbare Schalteinrichtung (39) vorgesehen ist, und Einrichtungen (30, 35A) zur Änderung der Schaltstellung der Schalteinrichtung (39) von der ersten in eine zweite Stellung in Abhängigkeit von dem Auftreten des Sondensignals (35).
4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Sensorscinrichtung (30) eine Einrichtung (31) zur Erzeugung einer elektrischen Spannung zwischen dem Sondenteil (14) und dem Werkstück (12) von ausreichender Höhe enthält, um einen Stromfluß über den Spalt (32) mindestens dann einzuleiten, wenn der Spalt die vorbestimmte Größe (32A) erreicht hat, und daß die Erzeugereinrichtung ein Schaltelement (3 5A) umfaßt, das dann, wenn der Stromfluß einen der vorbestimmten Spaltgröße entsprechenden Wert annimmt, das Sondensignal (35) erzeugt.
5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Sondenteil (14) ein Schneidwerkzeug ist.