DE3304644A1 - Control device for thread machining on numerically controlled machine tools (thread turn offset compensation) - Google Patents
Control device for thread machining on numerically controlled machine tools (thread turn offset compensation)Info
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Abstract
Description
Steuereinrichtung fiir das Gewindebearbeiten aufControl device for thread machining
nutnerisch gesteuerten 'Jerkzeugmaschlnen (Gewindeglngversatz-Kc)m;)ensation) Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für das Gewindebearbeiten auf NC"ierkzeugmaschinen, bei der der von der zeitlichen Drehwinkeländerung des Werkstückes abhängige Relatiworschub von Werkzeug zu Werkstück bei einem vorgegebenen Drehwinkel des Werkstückes wirksam gemacht ist.Nutnerically controlled tool machines (thread offset-Kc) m;) ensation) The invention relates to a control device for thread machining on NC machine tools, where the change in the angle of rotation over time of the Workpiece-dependent relative feed from tool to workpiece for a given Angle of rotation of the workpiece is made effective.
Beim Schneiden von Gewinden gibt ein mit der Haupt spindel gekuppelter Geber, d.h. ein Geber, der synchron zur Werkstückdrehzahl läuft, die Zuordnung zwischen Spindeldrehzahl und Vorschub von Werkzeug zu Werkstück. Über einen Interpolator kann dann entsprechend der programmierten Gewinde steigung die Vorschubgeschwindigkeit für die jeweilige Achse errechnet werden. Damit man Gewinde in mehreren Schnitten fertigen kann, beginnt der Vorschubstart bei jedem Schnitt ab der gleichen Winkelstellung des Werkstückes, die normalerweise von der Nullstellung des Gebers abgeleitet wird. Zum Schneiden mehrgängiger Gewinde kann die Startstellung mit Hilfe eines Zählers zur Gebernullstellung verschoben sein.When cutting threads there is a spindle coupled to the main spindle Encoder, i.e. an encoder that runs synchronously with the workpiece speed, the assignment between Spindle speed and feed from tool to workpiece. Via an interpolator can then adjust the feed rate according to the programmed thread pitch can be calculated for the respective axis. So that you can thread in several cuts can manufacture, the feed starts with each cut from the same angular position of the workpiece, which is normally derived from the zero position of the encoder. To cut multiple threads, the starting position can be set with the help of a counter moved to zero position of the encoder.
Bei dieser bekannten Lösung müßten die Schnitte mit gleicher Geschwindigkeit, d.h. Spindeldrehzahl, ausgeführt werden, um unterschiedlichen Schleppabstand beim Schnitt zu vermeiden. Durch einen derartigen unterschiedlichen Schleppabstand würde der Gewindegang versetzen.With this known solution, the cuts would have to be at the same speed, i.e. spindle speed, are executed to different following error at Avoid cutting. Such a different lag would offsetting the thread.
Ein Versatz des Gewindeganges tritt auf und wirkt in folgenden Fällen störend: - Beim Schruppen und Schlichten mit unterschiedlicher Spindeldrehzahl. Das Schruppen mit niedrigerer Drehzahl als beim Schlichten würde eine Leistungssteigerung durch stärkere Spanabnahme ermöglichen. Teilweise wird bereits der Gewindegangversatz befehlsmäßig vom Programmierer kompensiert, indem er die Startposition der Achse verlagert. Dies erfordert jedoch eine auf die Maschine zugeschnittene Programmierung, da der Versatz je Maschine unterschiedlich groß sein kann.An offset of the thread occurs and is effective in the following cases disturbing: - When roughing and finishing with different spindle speeds. Roughing at a lower speed than finishing would increase performance enable through stronger chip removal. The thread pitch is already partially offset Compensated as directed by the programmer by specifying the starting position of the axis relocated. However, this requires programming tailored to the machine, because the offset can be different for each machine.
Ferner ist für diesen Versatz nicht immer ausreichender Platz vorhanden, und zwar bedingt durch das Werkstück selbst oder durch den verfügbaren Maschinenverfahrweg. Furthermore, there is not always enough space for this offset, due to the workpiece itself or the available machine travel.
- Beim Finden des Gewindeganges für das Schneiden vorgeformter Gewinde.- When finding the thread for cutting preformed threads.
Das Abgleichen der Achse auf den gefundenen Gang wird möglichst bei Spindelstillstand oder bei Schleichdrehzahl vorgenommen, also abweichend von der erforderlichen Arbeitsdrehzahl. The alignment of the axis to the gear found is possible with Spindle standstill or at creep speed, i.e. different from the required working speed.
- Beim Bohren von Gewinden mit Gewindebohrern mit nur kurzem Längenausgleichsfutter. Bei Drehzahlreversierung tritt ein Gangversatz vom doppelten Schleppabstand auf, der vom Längenausgleichsfutter aufgenommen werden muß.- When drilling threads with taps with only a short length compensation chuck. When the speed is reversed, a gear offset of twice the following error occurs, which must be taken up by the length compensation chuck.
Da die Länge des Ausgleichsfutters begrenzt ist, müssen manchmal nachteilige Kompromisse beider Drehzahlwahl getroffen werden. Since the length of the compensating lining is limited, sometimes you have to disadvantageous compromises are made in the choice of speed.
Darüber hinaus bestehen Wünsche, Gewinde auch ganz ohne Ausgleichsfutter bohren zu können, was mit der bisher üblichen Lösung wegen des Gangversatzes um den doppelten Schleppabstand nicht möglich ist. In addition, there are requests, threads even without a compensating chuck to be able to drill what with the previously usual solution because of the gear offset double the following error is not possible.
- Bei Temperaturgang der Spindeldrehzahl, wenn das Gewinde weder in Längsrichtung noch in Drehwinkelrichtung einen Versatz aufweisen darf, z.B. wenn das Gewindeende eines Längsgewindes einen definierten Auslauf in bezug auf eine Werkstückschulter haben muß.- In the case of the temperature variation of the spindle speed, if the thread is neither in Longitudinal direction may still have an offset in the direction of the angle of rotation, e.g. if the thread end of a longitudinal thread has a defined run-out with respect to a Workpiece shoulder must have.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei unterschiedlichen Spindeldrehzahlen Gewinde ohne Versatz gefertigt werden können.The object of the present invention is accordingly to provide a To train device of the type mentioned so that even with different Spindle speeds threads can be produced without offset.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der ausgewertete Drehwinkel um einen Wert voreilend kompensiert ist, der dem jeweiligen Quotienten aus Schleppfehler des Vorschubes und der Gewindesteigung proportional ist. Hierbei kann der Kompensationswert aus der Kreisverstärkung des Vorschubregelkreises, vorgegebenen Beschleunigungskennlinien und der Drehzahl des Werkstücks errechnet werden und zu dem von der Werkstückdrehung abgeleiteten Drehwinkel addiert werden. Auf diese Weise ergibt sich eine derartige Kompensation auch bei unterschiedlichen Spindeldrehzahlen, daß im interessierenden Bereich die tatsächlich in Abhängigkeit vom Drehwinkel zurückgelegte Wegstrecke dem Sollvorschub in Abhängigkeit von der Spindelbewegung entspricht.According to the invention, this object is achieved in that the evaluated Angle of rotation is compensated leading by a value that corresponds to the respective quotient from the following error of the feed and the thread pitch is proportional. Here the compensation value can be specified from the loop gain of the feed control loop Acceleration characteristics and the speed of the workpiece can be calculated and to can be added to the angle of rotation derived from the workpiece rotation. In this way such a compensation also results with different spindle speeds, that in the area of interest the actually covered as a function of the angle of rotation Distance corresponds to the target feed rate depending on the spindle movement.
Anhand einer Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert; es zeigen: Figur 1 das Prinzipschaltbild der Steuereinrichtung, Figur 2 die Verhältnisse zwischen Schleppabstand des Vorschubs und Drehwinkel und Figur 3 BeschleunigunFskennlinien in Abhängigkeit von der Zeit.The invention will be explained in more detail with the aid of a drawing; show it: Figure 1 shows the basic circuit diagram of the control device, Figure 2 shows the relationships between Following distance of the feed and angle of rotation and Figure 3 acceleration characteristics depending on the time.
Von einem Motor 2 wird über die nichtgezeigte Hauptspindel das Werkstück 1 angetrieben, auf dem ein Gewinde in mehreren Schnitten hergestellt werden soll.The workpiece is moved by a motor 2 via the main spindle (not shown) 1 driven, on which a thread is to be made in several cuts.
Mit der Hauptspindel 1 ist ein digitaler Impulsgeber 3 gekuppelt, der somit, wie durch die gestrichelte Verbindung zum Werkstiick 1 angedeutet, synchron zum Werkstück 1 angetrieben wird. Die Pulse dieses Impulsgebers 3 werden in einem Zähler 4 summiert. Der Stand dieses Zählers 4 ist dann ein Maß für den jeweiligen Drehwinkel U. Die zeitliche Änderung # U dieses Drehwinkels U, d.h. ein der Drehzahl# des werkstückes 1 proportionales Signal, kann nach Multiplikation mit der Spindelsteigung L als Geschwindigkeitsführungsgrö!3e des Lageregelkreises des Vorschubes benutzt werden. Diese Lösung ist bei der bekannten Ausführung vorgesehen, wobei das Wirksamwerden dieses Vorschubes durch den Nullstand des Zählers 4 ausgelöst wird, der seinerseits durch die Nullmarke im Impulsgeber 3 auf Null gesetzt wird. Bei einer derartigen Lösung ergibt sich nicht der dem Wert ZSoll entsprechende Vorschub in der Z-Achse in Abhängigkeit vom Drehwinkel U, sondern infolge des Schleppfehlers A Z die gestrichelt gezeichnete Kennlinie Zist Dieser Schleppabstand ist auf zwei Ursachen zurückzuführen; zum einen auf die Kreisverstärkung kv des Lageregelkreises 12 des Vorschubmotors 13 für den Werkzeugschlitten 14 und andererseits auf den Beschleunigungskennlinien, d.h. der zeitlichen Anderung der Geschwindigkeit beim Aufschalten des Vorschubsoliwertes.A digital pulse generator 3 is coupled to the main spindle 1, which, as indicated by the dashed connection to workpiece 1, is synchronous is driven to workpiece 1. The pulses of this pulse generator 3 are in one Counter 4 totaled. The stand this counter 4 is then a measure for the respective angle of rotation U. The time change # U of this angle of rotation U, i.e. A signal proportional to the speed # of workpiece 1 can be generated after multiplication with the spindle pitch L as the speed reference variable of the position control loop of the feed can be used. This solution is provided in the known version, the entry into effect of this feed is triggered by the zero reading of the counter 4 which in turn is set to zero by the zero mark in the pulse generator 3. Such a solution does not result in the feed corresponding to the value Zset in the Z-axis as a function of the angle of rotation U, but rather as a result of the following error A Z the dashed curve Zist This following error is on two Attributable to causes; on the one hand on the loop gain kv of the position control loop 12 of the feed motor 13 for the tool slide 14 and on the other hand on the acceleration characteristics, i.e. the change in speed over time when switching on the feed set value.
Bei einer Kreisverstärkung kv des geschlossenen Lageregelkreises für den Vorschubantrieb ergibt sich bei der Geschwindigkeit V der Schleppabstand hierzu: o Zs = V Da infolge des Gewindes die Beziehung gilt: V = W L d.h. Z = E und ferner auch noch die Beziehung 5 7-Z = L . U. v gilt, ergibt sich insgesamt für den Fehler bUS = Z = L kv Nimmt man ferner an, daß ein plötzlich vorgegebener Geschwindigkeitssollwert nicht schlagartig wirksam genacht wird, sondern nach einer vorgegebenen Funktion, wobei # T die Abtastzeit ist, wie z.B. in Figur 3 näher angedeutet, so ergibt sich ein weiterer zusätzlicher Fehler in Z # ZB = 1 v k#T = 1 k#T # L 2 2 Daraus folgt dann der durch die Beschleunigung erzeugte Fehler zu # 4B = 1/2 k#T .# Insgesamt gesehen, ergibt sich also ein Nachlaufen folgenden Betrages in Z bzw. U # Z = # U . L = f (#) bei # U = # 4s + #UB = (1 + 1 k#T) # kv 2 Da der Schleppabstand#Z eine Funktion der Drehzahl U) ist, ist das Schneiden eines Gewindes in mehreren Schnitten mit unterschiedlicher Drehzahl normalerweise nicht möglich.With a loop gain kv of the closed position control loop for the feed drive results at the speed V the following distance to this: o Zs = V Since the relationship applies due to the thread: V = W L i.e. Z = E and further also the relation 5 7-Z = L. U. v applies, results in total for the error bUS = Z = L kv If one also assumes that a suddenly specified speed setpoint value is not suddenly effective, but according to a predetermined function, where # T is the sampling time, as detailed e.g. in Figure 3 indicated this results in a further additional error in Z # ZB = 1 v k # T = 1 k # T # L 2 2 The error generated by the acceleration of # 4B = 1/2 follows from this k # T. # Overall, there is therefore a lag in the following amount in Z or U # Z = # U. L = f (#) at # U = # 4s + #UB = (1 + 1 k # T) # kv 2 Since the Following error # Z is a function of the speed U), is the cutting of a thread normally not possible in several cuts at different speeds.
Erfindungsgemäß wird dies nun dadurch möglich, daß dem Drehwinkel u ein zusätzlicher Winkelwert # u zugefügt wird und die Summe beider Winkel ausgewertet wird. Zur Erzeugung des Kompensationswertes b u nach der vorgenannten Beziehung, wird in einem Rechenglied 5 aus der zeitlichen Änderung des Drehwinkel u die Spindeldrehzahl##U berechnet und mit dem Wert c = 1 + 1 k#T in #T kv 2 einem Glied 6 multipliziert, so daß sich am Ausgang dieses Gliedes 6 der Wert#u ergibt. Sei z.B. angenommen, daß der Zähler 4 bei einem Winkelstand von 1000 wieder auf 0 spränge, also hier das Nullsignal liefern würde, so käme, wenn z.B.a u einem Kompensationswert von 30 Pulsen entspräche, bereits an der Summationsstelle 71 ein dem Wert 1000 entsprechendes Nullsignal zustande, obgleich der Zähler 4 selbst erst z.B. auf 970 stünde. Es wird also nicht die feste Diullmarke des Impulsgebers 4 ausgenutzt, sondern eine dem gegenüber von der Kreisverstärkung und der Spindeldrehzahl abhängige um den Wert u kompensierte "Nullmarke". Dieses Erkennen des Synchronisierpunktes veranlaßt eine Auswerteeinrichtung 7 durch Schließen des Schalters 11 den Vorschub des Lageregelkreises des Vorschubantriebes 13 wirksam zu machen. Der Sollwert für die Geschwindigkeit dieses Vorschubregelkreises wird in der Weise gebildet, daß in einem Glied 8 aus der zeitlichen Änderung des Drehwinkel u ein der Drehzahl der Hauptspindel und damit des Werkstückes 1 proportionales DrehzahlsignalW' erzeugt wird. Dieses ergibt nach Nultiplikation mit der Spindelsteigung L in einem Glied 9 die erforderliche Vorschubgeschwindigkeit vz. Dieser Wert wird, wie durch das Glied 10 angedeutet, noch entsprechend den in Figur 3 angegebenen Beschleunigungs kennlinien zu einem Wert vz, korrigiert.According to the invention this is now possible in that the angle of rotation u an additional angle value # u is added and the sum of both angles is evaluated will. To generate the compensation value b u according to the aforementioned relationship, the spindle speed ## U is obtained from the change in the angle of rotation u over time in an arithmetic unit 5 calculated and multiplied by the value c = 1 + 1 k # T in #T kv 2 a member 6, so that the value # u results at the output of this element 6. Suppose, for example, that the counter 4 would jump back to 0 at an angle of 1000, so here would deliver the zero signal, if, for example, a u had a compensation value of 30 pulses would correspond to a value of 1000 at the summation point 71 Zero signal comes about, although the counter 4 itself would only be at 970, for example. It will So not the fixed diull mark of the pulse generator 4 used, but one of the compared to the loop gain and the spindle speed dependent "Zero mark" compensated by the value u. This recognition of the synchronization point an evaluation device 7 initiates the advance by closing the switch 11 to make the position control loop of the feed drive 13 effective. The setpoint for the speed of this feed control loop is formed in such a way that in a member 8 from the temporal change in the angle of rotation u a the speed of the Main spindle and thus the workpiece 1 proportional speed signal W 'generated will. After multiplication with the spindle pitch L, this results in one link 9 the required feed rate vz. This value is, as shown by the Link 10 indicated, still corresponding to the acceleration indicated in FIG characteristics to a value vz, corrected.
Durch das Wirksammachen des Geschwindigkeitssollwertes v'2 an einer Stelle, die um -n u gegenüber derjenigen Winkelposition u versetzt ist, an der der Sollvorschub bei idealen Verhältnissen beginnen müßte, wird erreicht, daß sich die punktiert gezeichnet kompensierte Istkurve Z ik einstellt.By making the speed setpoint v'2 effective on a Place which is offset by -n u from the angular position u at which the Set feed would have to begin with ideal conditions, it is achieved that the Dotted line sets compensated actual curve Z ik.
Die vorstehend beschriebene Anordnung wird anhand von einzelnen Bausteinen dargestellt; in der Ausführung wird man sich natürlich häufig zur Realisierung der einzelnen Funktionen eines Rechners bedienen, in dem z.B. der zeitliche Abstand der Abfrage aus dem Rechentakt T abgeleitet ist.The arrangement described above is based on individual building blocks shown; in the execution one will of course often turn to the realization of the operate individual functions of a computer in which, for example, the time interval the query is derived from the computing clock T.
2 Patentansprüche 3 Figuren - L e e r s e i t e -2 claims 3 figures - L e r s e i t e -
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