DE3348159C2

DE3348159C2 -

Info

Publication number: DE3348159C2
Application number: DE3348159A
Authority: DE
Inventors: Eugene A. Olig; Lee R. Fond Du Lac Wis. Us Ladwig
Original assignee: Giddings and Lewis LLC
Current assignee: Giddings and Lewis LLC
Priority date: 1982-06-09
Filing date: 1983-06-01
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2003-06-02
Also published as: GB2168828A; CA1218883A; CA1208050A; US4509126A; GB8603415D0; GB8403256D0; DE3390033C2; GB2168828B; GB2133187A; WO1983004445A1; DE3390033T1; GB2133187B; US4547847A

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für eine Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Steuerungssystem ist aus der DE 30 38 427 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Steuerungs system wird die Bearbeitungsenergie bzw. die Bearbeitungsleistung bestimmt und signalisiert, wobei die Gesamteingangsenergie, welche der Antriebseinrichtung zugeführt wird, zugrunde gelegt wird. Insbesondere ist hierzu eine Schaltung zur Feststellung des von der Ankerschaltung des Spindelmotors verbrauchten Stromes vorgesehen, mit einem Shunt, um ein Signal zu erzeugen, welches dem dem Spindelmotor zugeführten Strom proportional ist. Der dem Spindelmotor zugeführte Strom wird somit der Steuerung als Wert zugrunde gelegt, welcher proportional die Bearbeitungsleistung repräsentiert. Mit diesem Steuerungssystem ist eine optimale Anpassung der Bearbeitung an sich ändernde Bearbeitungsparameter und Parameter des Werkstückes nicht möglich.

Es ist bekannt, daß die Bearbeitungszeit dadurch verringert werden kann, daß die Antriebs- und Zustelleingangs größen der Werkzeugmaschine so gesteuert werden, daß ma mimale Grenzen bestimmter Bearbeitungsparameter aufrecht erhalten werden. Eine derartige Grenze ist die Werkstücks oberflächengeschwindigkeit an der Schneidkante des Schneid werkzeuges, gemessen in Oberflächenmeter pro Minute (sur face feet per minute), welche Größe als SFM bekannt ist. Bei einer zu großen SGM kann das Werkzeug verbrennen, wes halb die Werkzeughersteller eine bestimmte maximale SFM für ein bestimmtes Werkzeug angeben. In der US 38 40 791 wird beisielsweise ein System für eine Drehmaschine beschrieben, bei welchem ein drehendes Werkstück beschleunigt wird, wenn das Schneidwerkzeug erst dem Werkstück genähert wird, um eine maximale SFM am Anfang wie auch während der Bearbeitung zu erzielen. Eine andere derartige Grenze ist die Leistung HP des Maschinenantriebes. Es ist bekannt, daß die Aufrechterhaltung einer maximalen Leistung des Maschinenantriebs HP wünschenswert ist, um die Bearbeitungszeit so gering wie möglich zu machen, wenn nicht andere beschränkende Faktoren vorhanden sind.

Es ist auch bekannt, daß es bestimmte Bereiche von Bearbeitungsparametern gibt, die die Auswahl einer maximalen SFM oder Leistung des Maschinenantriebs HP einschränken. Ein derartiger Parameter ist die Werkzeugzustellgeschwindigkeit am Werkstück, gemessen in cm (inches) pro Umdrehung bei Drehmaschinen und mit IPR bezeichnet. IPR ist ein Maß für die Eindringtiefe des Werkzeuges in das Werkstück und damit für die Breite der Späne oder der "Spandicke" des vom Werkstück abgeschnittenen Materials. Die maximal zulässige Kraft an der Werkzeugspitze bestimmt die maximale IPR, wobei es bei einer Überschreitung dieses Maximums zu einem Rattern oder einem Werkzeugbruch kommen kann. Wenn die IPR andererseits unterhalb eines bestimmten Minimums liegt, welches von der Werkzeuggeometrie abhängt (insbesondere von seinem "Spanbrecher") und vom Material des Werkstückes abhängt, wird eine große Menge dünner, aufgerollter Späne am Schneidwerkzeug erzeugt, welche die Maschine verstopfen können. Normalerweise wird die Drehmaschine bei oder oberhalb dieser minimalen IPR betrieben, so daß das Schneidwerkzeug das Material in kleinen Spänen abnimmt, die sauber abfallen und von der Maschine entfernt werden können.

Es sind zahlreiche mathematische Techniken, wie z. B. li neares Programmieren bekannt, um eine Funktion verschie dener Parameter, die in bekannter Weise funktionsmäßig mit einander in Beziehung stehen, innerhalb bestimmter Grenzen zu optimieren. Für Bearbeitungsparameter ist es jedoch be kannt, daß zahlreiche dieser funktionellen Beziehungen zwi schen steuerbaren und gemessenen Parametern sich während des Bearbeitungsprozesses ändern, in Folge der Abstumpfung der Schneidkante und der sich ändernden Geometrie und des Oberflächenzustandes des Werkstückes. Es ist daher bekannt, daß das Optimierungsverfahren an die sich ändernden Be dingungen der Bearbeitungsparameter und die funktionellen Beziehungen zwischen ihnen angepaßt werden sollte.

Die bekannten Verfahren der adaptiven Steuerung, wie sie beispielsweise in der US 37 84 798 offenbart sind, gehen davon aus, daß die funktionellen Beziehungen zwischen den gemessenen Para metern, den steuerbaren Parametern und den zu optimierenden Parametern bestimmte allgemeine Charakteristika beibehal ten, trotz der Tatsache, daß die funktionellen Beziehungen sich ändern. Insbesondere resultiert eine Zunahme eines ge messenen Parameters entweder von einer Zunahme oder einer Abnahme eines steuerbaren Parameters, und eine Zunahme eines zu optimierenden Parameters resultiert von einer Zunahme oder einer Abnahme eines steuerbaren Parameters. Die Opti mierung kann daher schrittweise dadurch erfolgen, daß steuer bare Parameter inkremental geändert werden, um zweckmäßi gerweise die zu optimierenden Parameter zu erhöhen. Aber die steuerbaren Parameter werden in einer unterschiedlichen Weise geändert, um eine Beschränkung der gemessenen Parameter zu vermeiden, wenn eine Beschränkungsgrenze überschrit ten wird. Mit diesem Verfahren wird ein gewünschter Be triebspunkt angesteuert und iterativ überprüft, wobei eine Hin- und Herbewegung über einschränkende Grenzen erfolgen kann.

Ferner ist aus der Veröffentlichung R. Isermann, "Digitale Regelsysteme", Berlin 1977, Seiten 391-394 und Seiten 430, 431 eine Regelung bekannt, die versucht, für ein zugrunde gelegtes Regelgüte kriterium, für ihn zugrunde gelegten Regler und für die jeweils zur Verfügung stehende Information, über den Prozeß eine optimale mögliche Regelgüte zu erreichen. Dabei sind zur Adaption des Reglers folgende Funktionen unterschieden:

1. Identifikation des Prozesses oder Regelkreises,
2. Entscheidung über die Adaption und
3. Modifikation (Einstellen) des Reglers.

Schleifmaschinen wurden bereits mit Einrichtungen zur Steuerung der Zustellung ausgerüstet, die in Abhängig keit von Änderungen des Stromes, der Leistung oder der Ge schwindigkeit des Motors, welcher die Querschneidegeschwin digkeit bewirkt, aktiviert werden. Die GB-PS 7 82 432 offenbart eine automatische Schleifmaschine mit einer Zustellung, die in Abhängigkeit davon, ob der Strom oder die Geschwindigkeit des Schleif motors kleiner oder größer ist als eine vorgegebene Strom- oder Geschwindigkeitsschwelle, ein- und abgeschaltet wird. Diese GB-PS 7 82 432 wendet auch einen Schnell-Leer-Vorschub an, um die Schleifscheibe zunächst schnell an das Werkstück heranzufüh ren, wobei die Berührung durch die sich ergebende Zunahme des Motorstromes oder den Abfall der Motorgeschwindigkeit festgestellt wird.

Die US 35 89 077 offenbart eine Schleifscheibe, deren Zustell geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Kraft, die auf die Schleifscheibe während ihres Schleifeingriffes mit dem Werk stück ausgeübt wird, gesteuert wird. Die Kraft ist propor rional zu der dem Schleifmotor zugeführten Energie, und die Differenz zwischen der gemessenen Kraft und einer vorgewähl ten Referenzkraft wird verwendet, um die Zustellung anzu treiben. Wenn das Werkstück auf eine vorbestimmte Größe re duziert ist, wird die Referenzkraft geändert. Es sei ange merkt, daß keines dieser Systeme, die in Abhängigkeit von der Zustellmotorleistung arbeiten, die tatsächliche Lei stung bestimmen, welche der Schnittfläche zugeführt werden, beispielsweise durch Korrektur für eine Beschleunigung. Da her ist die Wirksamkeit dieser Steuersysteme beschränkt, um Stabilität zu gewährleisten.

Die Schnittwirksamkeit von Kreissägen zum Schneiden von Halbleiter-Wafers wurde überwacht, um den Zustand der Schneiden der Säge zu messen. In der US 42 28 782 ist ein System zum Steuern der Zustellgeschwindigkeit des Sägeblattes einer Wa fer-Schneidsäge der Art offenbart, daß die von einem mecha nischen Kraftumwandler gemessene Kraft zwischen Sägblatt und Werkstück (blade-to-boule force) im wesentlichen kon stant gehalten wird. Die gemessene Kraft zwischen Sägblatt und Werkstück wird mit einer Referenzkraft verglichen, und der Fehler wird einer Zustellgeschwindigkeitssteuerung zuge führt. Während des Schneidens der ersten und der letzten Kanten des Wafers (Chip) wird die Kraftwahl von einer maximalen Zu stellgeschwindigkeitsbegrenzung aufgehoben, um eine über mäßige Stoßbelastung und ein zu schnelles Eindringen wäh rend des ersten Kontaktes zu vermeiden, da sonst die Säge oder der Chip infolge des übermäßigen Druckes die Werk stücks-(boule) Oberfläche beschädigen könnte. Die Wirksam keit des Schneidvorganges der Säge wird durch die Zustellge schwindigkeit gemessen, und die für das Schneiden eines Wa fers benötigte Zeit wird als Kriterium dafür verwendet, wenn das Sägeblatt nachgeschliffen oder ersetzt werden muß.

Die Messung der vom Abtriebsmotor einer Drehmaschine ver brauchten elektrischen Energie wurde verwendet, um einen Werkzeugbruch festzustellen und die Werkzeugzustellge schwindigkeit zu regulieren. Es sind kommerzielle Systeme erhältlich, bei denen beispielsweise die Zustellge schwindigkeit vermindert wird, wenn die Leistung des An triebsmotors über einer vorgegebenen maximalen Schwelle liegt und bei dem eine Zunahme der Zustellgeschwindig keit erfolgt, wenn die Leistung des Antriebsmotors unter halb einer minimalen Schwelle liegt. Die maximale Schwelle wird oberhalb der minimalen Schwelle eingeschwellt, wo durch ein Fenster gebildet wird, über dem die Verstär kung des Regelkreises Null ist, um Stabilität zu gewähr leisten. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Zustellge schwindigkeit ändert, oder der Ansprechfaktor, ist eine vor bestimmte Konstante, die vorzugsweise auf den größtmögli chen Wert eingestellt ist, der noch ein stabiles Arbeiten der Maschine ermöglicht. Die Maschinen sind so einge richtet, daß der Benutzer eine Anzahl hoher oder niedriger Leistungsgrenzen und damit verbundener Grenzverzögerungen wählen kann, um vom Benutzer festgelegte Maschinenfunk tionen zu steuern, die ermöglicht werden, wenn die hohe oder tiefe Grenze kontinuierlich während eines Zeitabschnit tes erreicht wird, welcher länger ist als die zugehörige Zeitverzögerung. Eine Untergrenze kann beispielsweise dazu benutzt werden, einen Werkzeugbruch festzustellen. Darüber hinaus ist normalerweise eine bestimmte Maschinenhöchstlei stungsgrenze gegeben, die normalerweise als Schutz vorgese hen ist, um die Maschine abzustellen, wenn die Höchstlei stungsgrenze für eine Zeit überschritten wird, die länger ist als die vorgewählte Zeitverzögerungsgrenze. Eine etwas kürzere vorgegebene Spindelstoßzeit kann vorgesehen sein, um die vom Benutzer gewählten Grenzen unwirksam zu machen, wenn die obere Maschinengrenze überschritten wird, da zeit weilige Leistungsstöße während des normalen Betriebes zufäl lig zusammentreffen können und daher unbeachtet bleiben sollten, wenn die Antriebsleistung überwacht wird, um Be nutzerfunktionen zu steuern. Eine vorbestimmte maximale Leerlaufleistungsgrenze ist üblicherweise vorgesehen zu sammen mit einer vorbestimmten Anfangs-"Luftschnitt" (air cut)-Zustellgeschwindigkeit und einer vorgegebenen Über gangs-"Auftreff" (impact)-Zustellgeschwindigkeit, so daß das Werkzeug zunächst mit einer schnellen "Luftschnitt"-Zu stellgeschwindigkeit mit dem Werkstück in Berührung ge bracht wird und die Berührung dadurch festgestellt wird, daß die gemessene Antriebsleistung über die Leerlauflei stungsgrenze ansteigt, worauf die Zustellgeschwindigkeit auf die Auftreff-Zustellgeschwindigkeit geschaltet wird und für eine vorbestimmte Auftreffhaltezeit beibehalten wird, bevor der Zustellregelkreislauf aufgebaut wird. Darüber hinaus wird üblicherweise eine vorbestimmte untere Zustellgrenze, ausgedrückt als Prozentsatz einer vorbestimmten anfängli chen Zustellgeschwindigkeit geschaffen, um eine Basis einzu stellen, unter die die Zustellgeschwindigkeit während des normalen Betriebs der Maschine nicht fällt. Die Kombination einer hohen minimalen Zustellgrenze und einer niedrigen obe ren Maschinenleistungsgrenze kann die Maschine abstellen, wenn ein Werkzeug stumpf wird, jedoch zu Lasten der Begren zung der möglichen Betriebsbereiche der Werkstück- und Werk zeugparameter. Die Verwendung einer niedrigen oberen Ma schinenleistungsgrenze ist beispielsweise unwirksam beim Auffinden stumpfer Werkzeuge, wenn die selbsttätige Rege lung die Bearbeitungsgeschwindigkeit reduziert, um eine im wesentlichen konstante Leistung in Abhängigkeit von einer Werkzeugabstumpfung aufrecht zu halten.

Alle diese bekannten Systeme haben den Nachteil, daß die Bearbeitungsenergie bzw. Bearbeitungsleistung nicht in optimaler Weise den Bearbeitungsbedingungen angepaßt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Steuerungssystem für eine Werkzeugmaschine gemäß der DE 30 38 427 A1 so weiterzuentwickeln, daß die Bearbeitungsleistung der Maschine auf optimale Weise selbsttätig dem gewünschten Bearbeitungsvorgang angepaßt wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das Bearbeitungs leistungsniveau kontinuierlich geregelt, indem eine An zahl von Maschinensteuereingangsgrößen variiert wird und indem die Steuerungseingangssignale in einer zeitvariablen und optimalen Weise in Abhängigkeit von sich ändern den Bearbeitungsparametern beim Fortschreiten des Bearbeitungs prozesses erteilt werden. Es wird eine Regelung geschaffen, die kompatibel mit vom Anwender einstell baren Override- bzw. Übergehungssteuerungen ist, um die gewünschte Maschinenleistung einzustellen, durch unab hängiges Ändern einzelner Maschineneingangssteuersignale trotz der allgemeinen Tendenz einer adaptiven Steuerung, Verstärkungsänderungen in Abhängigkeit der Maschine von einzelnen Steuersignalen zu kompensieren.

Insbesondere wird die Werkzeugantriebsgeschwindigkeit und die Werkzeugzustellgeschwindigkeit selbsttätig ein gestellt, um ein gewünschtes Schnittleistungsniveau zu halten, trotz Änderungen der Tiefe und der Material eigenschaften des Werkstückes, wodurch es dem Program mierer möglich wird, weniger herkömmliche Bearbeitungs parameter zu verwenden.

Die Bearbeitungszeit wird gesenkt, da eine konstante maximale Leistung aufrechterhalten werden kann und da weniger herkömmliche Grenzen für die Bearbeitungs parameter gewählt werden brauchen, um die Bearbei tungsgeschwindigkeit zu maximieren.

Es werden Mittel geschaffen, um eine Werkzeugmaschine, basierend auf der tatsächlich im Bereich Werkzeug-Werk stück verbrauchten Energie adaptiv zu steuern, unabhän gig von einer Beschleunigung des drehenden Werkstückes oder des drehenden Schneidwerkzeuges und von Energie verlusten beim Antrieb des drehenden Werkstückes oder des schneidenden Werkzeuges. Ensprechend wird eine automatische Einrichtung zur Berechnung der System trägheit und anderer Systemverluste geschaffen, wo durch eine Kompensation erreicht wird für Antriebsver luste und die Beschleunigung der drehenden Werkstücke oder Schneidwerkzeuge verschiedener Größen und Formen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann die Standzeit des Werkzeuges erhöht werden, indem die Maschinenpara meter innerhalb bekannter Zustellgeschwindigkeitsgrenz werte gehalten wird, um die Abnutzung des Werkzeugs zu reduzieren und einen Werkzeugbruch zu verhindern. Ferner kann fest gestellt werden, wenn ein Werkzeug stumpf wird oder ein Bruch bevorsteht, während gleichzeitig die Schneid leistung auf einem bestimmten konstanten Niveau gehal ten wird. Speziell wird eine Einrichtung geschaffen, mit der eine Abstumpfung des Werkzeuges auf einen be stimmten oder nicht mehr annehmbaren Grad oder ein be vorstehender Werkzeugbruch festgestellt werden kann, indem die relative oder tatsächliche Schneidwirksam keit eines Werkzeugs aufgrund der für das Entfernen einer Volumeneinheit des Werkstückmaterials benötigten Leistung und im wesentlichen unabhängig von der Schneid tiefe, der Schneidflächengeschwindigkeit und der Zu stellgeschwindigkeit berechnet und überwacht wird.

Es wurden Mittel bereitgestellt zum Veranlassen einer Berührung zwischen Werkzeug und Werkstück und In-Wir kung-Bringen eines adaptiven Bearbeitungsleistungs steuersystems und umgekehrt Außer-Wirkung-Bringen des adaptiven Steuersystems und Vervollständigen des gesteuerten Bearbeitungsprozesses bei einer Mini mierung der Überbelastungen des Werkzeuges.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1A, gekennzeichnet mit Stand der Technik, eine perspektivische Ansicht einer allgemei nen Darstellung eines Schneidwerkzeugs in Ein griff mit einem Werkstück;

Fig. 1B, gekennzeichnet mit Stand der Technik, eine perspektivische Ansicht einer schemati schen Darstellung einer Vertikal-Revol verdrehbank zur Darstellung der Beziehung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück;

Fig. 1C, gekennzeichnet mit Stand der Technik, die Verschiebevektoren und die Zustellgeschwin digkeitsvektoren, welche die relative Bewegung des Schneidwerkzeuges bei seiner Zustellung in das Werkstück hinein repräsentieren;

Fig. 1D, gekennzeichnet mit Stand der Technik, Draufsicht auf die Vertikal-Revolverdrehbank gemäß Fig. 1B bei einer Plandreharbeit;

Fig. 1E Seitenansicht der Vertikal-Revolver drehbank gemäß Fig. 1B bei einer Runddreh arbeit;

Fig. 2 Schaubild der zeitlichen Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Werkstückes, der vom Antrieb verbrauchten gemessenen Leistung, der vom elektrischen Widerstand im Elektromotor antrieb verbrauchten elektrischen Leistung, des Leistungsverlustes infolge mechanischer Reibung und der auf die träge Masse des Antriebs und des Werkstückes in einer drehend arbeitenden Ma schine übertragenen Leistung;

Fig. 3 grafische Darstellung der zeitlich va riablen Winkelgeschwindigkeit in einer dre hend arbeitenden Maschine bei einer schritt weisen Beschleunigung und einer kontinuier lichen Verzögerung zur Berechnung der Reibkon stanten und des Trägheitsmomentes;

Fig. 3B Schaubild der Leistung für die Beschleu nigung und die Drehgeschwindigkeit bei einer schrittweisen Änderung der befohlenen Antriebs geschwindigkeit bei einem Gleichstromantriebsmotor während des bevorzugten Verfahrens der Beschleu nigung des Antriebes mit einer konstanten Ge schwindigkeit zur Bestimmung des Trägheits momentes;

Fig. 4 grafische Darstellung der Abhängig keit der Schneidleistung in einer Werkzeug maschine von der "relativen Bearbeitungsgeschwin digkeit", mit der die Maschine angetrieben wird;

Fig. 5A vereinfachtes Flußdiagramm des Steuer verfahrens einer iterativen Verhältnissteue rung, die direkt abhängig von einer zuvor be rechneten befohlenen Bearbeitungsgeschwindig keit ist;

Fig. 5B vereinfachtes Flußdiagramm eines Steuer verfahrens für eine iterative Verhältnis steuerung, die direkt abhängig ist vom lau fend gemessenen Wert der befohlenen Bearbei tungsgeschwindigkeit;

Fig. C vereinfachtes Blockdiagramm, welches im wesentlichen dem Flußdiagramm der Fig. 5B für die bevorzugte Verhältnissteuerung von Werkzeug maschinen entspricht;

Fig. 6 grafische Darstellung der Antriebs geschwindigkeit in Oberflächenmeter (Fuß pro Mi nute) gegenüber der Zustellgeschwindigkeit in cm (inches) pro Umdrehung, wobei die Gebiete des zu lässigen Betriebs, die bevorzugten Betriebs punkte innerhalb dieser Gebiete und die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit in Verbindung mit den kritischen Punkten im Gebiet des bevorzugten Betriebs dargestellt sind;

Fig. 7 schematisches Diagramm einer beispiels weise Ausführungsform der Erfindung zur Steue rung einer Vertikal-Revolverdrehbank;

Fig. 8 schematisches Diagramm der Hardware der numerischen Steuerungseinheit, wie sie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 verwendet wird;

Fig. 9 erläutert eine zusätzliche Übergehungssteue rung zum Skalieren der zuvor befohlenen Zu stellgeschwindigkeits- und Antriebsgeschwin digkeitssignale bei der Ausführung gemäß Fig. 7;

Fig. 10A, mit Stand der Technik bezeichnet, ist ein Block diagramm eines gewöhnlichen Regelkreises;

Fig. 10B verallgemeinertes Blockdiagramm einer Ausgestaltung der Erfindung, die hier durch all gemeine Funktionsausdrücke dargestellt ist;

Fig. 10C Flußdiagramm eines numerischen Verfah rens zur Ausführung des Blockdiagramms der Fig. 10B in einer numerischen Steuereinheit;

Fig. 10D Blockdiagramm entsprechend Fig. 10B mit Hinzufügung einer Übergehungssteuerung zum Ska lieren der Steuersignale in der Steuerung;

Fig. 10E Blockdiagramm eines Systems entspre chend dem Blockdiagramm gemäß Fig. 10D, wo bei hier jedoch eine Anzahl von Übergehungs steuerungen hinzugefügt ist;

Fig. 11 Diagramm eines Bedienungstableaus zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7;

Fig. 12 Zeit-Diagramm der Grundsignale des Aus führungsbeispieles der Erfindung.

Fig. 13A bis 13F umfaßt ein Flußdiagramm eines numerischen Ver fahrens zur Ausführung in der numerischen Steuer einheit der Fig. 8 und 9 zur adaptiven Steuerung einer Vertikal-Revolverdrehbank, wie in Fig. 7 gezeigt, gemäß dem Zeitdiagramm der Fig. 12. Speziell zeigt Fig. 13 ein Flußdia gramm des Ausführungsprogrammes, welches das in Fig. 5A dargestellte adaptive Steuerverfahren ausführt. Fig. 13A′ zeigt eine Modifizierung des Ausführungsprogrammes der Fig. 13A, welche für die Ausführung des in Fig. 5B dargestellten adaptiven Steuerverfahrens erforderlich ist. Fig. 13B zeigt ein Flußdiagramm des Unterprogram mes TEST, welches vom Ausführungsprogramm der Fig. 13A verwendet wird, um die nächsten be fohlenen Werte von SFM und IPR, basierend auf einem Vergleich der gewünschten Bearbeitungs geschwindigkeit mit Schwellenwerten, zu bestimmen. Fig. 13C zeigt das Unterprogramm PCD für die Be stimmung der Programmkonstanten der Reibung Ms und B und des Trägheitsmomentes H. Fig. 13D zeigt den ersten Teil eines 32-mS-Unterbrechungs verfahrens, welches eine Zustellunterbrechung ausführt und Geschwindigkeitssteuerfolgen initiiert. Fig. 13E zeigt den zweiten Teil des 32-mS-Unterbrechungsverfahrens einschließlich des Lesens des Teilprogrammspeichers, der Berech nung der Wegvektoren und der Funktionen des wei chen Ineingriffnehmens und Außereingriffkommens. Fig. 13F zeigt ein Flußdiagramm des Axis-Unter programmes, welches Zustell- und Antriebssteuer signale erzeugt. Fig. 13G zeigt ein Fluß diagramm einer 64-mS-Unterbrechung, die periodisch die tatsächliche bzw. Ist-Schneidleistung an der Schneide berechnet.

Fig. 13H Flußdiagramm des Werkzeugüberwachungs- Unterprogrammes TLMNTR, mit welchem der rela tive Schneidwirkungsgradfaktor berechnet wird zur Feststellung von Werkzeugbrüchen, Werk zeugabnutzung und der Werkzeugschutzbedingungen und der Ausführung einer Zustellungsunterbre chung, wenn solche unerwünschten Bedingungen wäh rend des Bearbeitungsprozesses auftreten.

Ein Glossar der gewählten Abkürzungen befindet sich am Ende der Beschreibung.

I. Einführung in Bearbeitungsparameter

Die hier im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen allgemein den Bereich einer Werk zeugmaschine. In seiner allgemeinsten Form, wie sie in Fig. 1A dargestellt ist, weist eine Werkzeugmaschine ein Schneidwerkzeug 10′ auf, welches in ein Werkstück 12′ schneidet, die Werkstückmaterial (S pm) 20′ wegschneidet, vom Werkstück 12′ abgeschnitten werden. Dies ist die grundsätzliche Betriebs weise, unabhängig davon, daß es sich bei der Werkzeug maschine handelt.

Zahlreiche Parameter sind in Fig. 1A dargestellt, wel che den Bearbeitungsprozeß beschreiben. Einer der wich tigsten ist die relative Quergeschwindigkeit der Schneid werkzeugkante (Schneidkante) 18′ bezüglich der Oberfläche des Werkstückes 12′, welche normalerweise in Oberflächenmeter pro Minute (surface feet per minute) gemessen und daher mit SFM be zeichnet wird. Ein weiterer wichtiger Werkzeug ist die Ein dringtiefe der Schneidkante 18 in das Werkstück 12′ in einer Rich tung senkrecht zur Werkstücksoberfläche und daher senkrecht zur Richtung der Geschwindigkeit SFM. Diese Tiefe wird mit IPR bezeichnet (und ist auch bekannt als "Spandicke") und hat eine spezielle Bedeutung bei drehenden Maschinen, wie weiter unten beschrieben ist. Ein dritter wichtiger Bearbei tungsparameter ist die Schnittbreite D in einer Richtung pa rallel zur Werkstücksoberfläche und senkrecht zur Bewegungs richtung SFM. Eine Betrachtung der Fig. 1A zeigt, daß die Querschnittsfläche A des Werkstückspanes 20′ das Produkt der Größe IPR und der Breite D ist. Das SFM die Geschwindig keit ist, mit der der Span 20′ von der Kante 18′ des Schneidwerkzeuges 10′ abfließt, ist die Bearbeitungs geschwindigkeit dC/dt, definiert als die Geschwindigkeit, mit der das Werkstoffmaterial entfernt wird, das Produkt von SFM, IPR und D. (In allen Gleichungen ist, wenn nichts an deres beschrieben ist, ein rationales Einheitensystem ange wendet; beispielsweise wird, wie in der Industrie üblich, der Faktor 12 zur Umrechnung von Inches in Fuß verwendet.)

Die Ausgestaltungen der Erfindung sind speziell bezüglich einer drehenden Maschine, wie beispiels weise einer Vertikal-Revolverdrehbank, wie sie schematisch in Fig. 1 gezeigt ist, beschrieben. Das Schneidwerkzeug 10 kommt in Eingriff mit einem Werkstück 12, welches auf einem Tisch 14 befestigt ist, der mittels eines Antriebs 17 drehbar ist. Das Schneidwerkzeug 10, bei spielsweise ein keramischer oder Wolframcarbideinsatz, ist in einem Werkzeughalter 19 gehalten, der mittels einer Werk zeugzustellvorrichtung 20 in radialer und axialer Richtung bewegbar ist. Die axiale Richtung ist, wie üblich, als Z-Rich tung und die radiale Richtung als X-Richtung bezeichnet, so daß die Werkzeugzustellgeschwindigkeit in die Komponenten F_x und F_z zerlegt werden kann.

Die Beziehung zwischen den Werkzeugzustellgeschwindigkeits vektoren und den Verschiebevektoren des Schneidwerkzeuges 10 sind im einzelnen in Fig. 1C gezeigt. Die resul tierende Werkzeugzustellgeschwindigkeit ist mit F_c be zeichnet. Die Werkzeugzustellgeschwindigkeitsvektoren F_x und F_z sind geometrisch ähnlich den Verschiebevektoren I_p und J_p, welche in üblicher Weise die X-Verschiebungskomponente und die Z-Verschiebungskomponente bezeichnen. Der sich ergeben de Verschiebevektor ist mit PATH bezeichnet und geht von einem Anfangspunkt (X_in, Z_in) aus zu einem Endpunkt (XCEP, ZCEP).

Die Vertikal-Revolverdrehbank der Fig. 1B kann in einer oder zwei verschiedenen Betriebsweisen oder einer Kombi nation davon betrieben werden. In einer Plan-Betriebs weise erfolgt die Werkzeugzustellung radial nach innen ent lang der X-Achse in das Werkstück 12 hinein, wie in Fig. 1B gezeigt ist, so daß die Geschwindigkeit SFM gleich der Win kelgeschwindigkeit w des Werkstückes 12, multipliziert mit dem veränderlichen Radius R der Schneidkante 18 von der Mittel achse des Werkstückes 12 ist. Da der Ort der Schneidkante 18 be züglich des Werkstückes 12 eine spiralförmige Bewegung aus führt, ist der Abstand der Schneidkante 18 von der Oberfläche des Werkstückes 12 gleich der radialen Einwärtszustell geschwindigkeit F_x des Schneidwerkzeuges in das Werkstück, di vidiert durch die Drehgeschwindigkeit RPM=w/2π. In übli cher Weise wird die Zustellgeschwindigkeit des Schneidwerk zeuges 10 in Meter pro Minute (inch per minute) und die Drehge schwindigkeit in Umdrehungen pro Minuten gemessen, so daß der Parameter IPR die Dimension pro Umdrehung (inches per revolution) hat, woraus sich die Abkürzung IPR erklärt. Der Abstand IPR in Fig. 1D liegt in X-Richtung, und daher ist in Fig. 1D IPR mit dem Index x versehen. Die Schnitt breite D liegt hingegen in Z-Richtung.

Die andere Betriebsweise einer Vertikal-Revolverdrehbank ist in Fig. 1E gezeigt. Bei einem drehenden Schnitt wird das Schneidwerkzeug 10 in der Z-Richtung in das Werkstück 12 geführt, so daß der Ort der Schneidkante 18 bezüglich des Werk stückes 12 eine Schraubenlinie beschreibt. Daher erstreckt sich IPR in der Z-Richtung und die Schnittbreite D in der X-Richtung. Es sei angemerkt, daß eine strenge Definition der Geschwindigkeit nicht ohne weiteres möglich ist, da SFM entlang der unteren Kante des Schneidwerkzeuges 10 in Berüh rung mit dem Werkstück 12 gemäß Fig. 1E nicht konstant ist. Wenn der Parameter D als die Breite des Spanes 16 definiert ist, dann ist D gleich dem äußeren Radius R_o minus dem inne ren Radius R. Dann ist es möglich, eine effektive oder durchschnittliche SFM zu bestimmen, so daß die Bearbeitungs geschwindigkeit dC/dt noch gleich dem Produkt von D, SFM und IPR ist. Da die Menge des bei einer Umdrehung entfern ten Materials gleich (IPR) · (π) · (R_o²-R²) ist, kann die effek tive SFM abgeleitet werden als:

Aber da (R_o² - R²) = (R_o + R) · (R_o - R) = (R_o + R) · (D)

Daher kann die effektivste SFM mit Hilfe des durchschnitt lichen Radius bestimmt werden als:

Im allgemeinen wird das Schneidwerkzeug 10 durch die Werk zeugzustellvorrichtung 20 auf einem programmierten Weg in beiden Richtungen X und Z bewegt, und das Werkstück 12 wird von der abgerundeten Ecke oder Spitze an der Kante 18 des Schneid werkzeuges 10, welche das Werkstück 12 in Eingriff nimmt, geschnitten. In diesem Fall kann der Abstand IPR bestimmt werden als die Größe der resultierenden Weggeschwindigkeit F_c dividiert durch die Drehgeschwindigkeit RPM des Werk stückes 12. Auch kann, ohne Verlust an Allgemeinheit, die Ge schwindigkeit SFM definiert werden als ein Produkt der Win kelgeschwindigkeit w und des durchschnittlichen Radius R_av, der annähernd gleich dem radialen Abstand von der Achse des Werkstückes zum Zentrum des Berührungsbereiches des Werk stückes mit dem Schneidwerkzeug 10 ist. Die Schnittiefe kann allgemein definiert werden als die effektive Breite D des Spanes oder Chips 16, der vom Werkstück abgetrennt wird. Die "Chip-Dicke" bleibt in allen Fällen in we sentlichen gleich IPR.

II. Schneidwerkzeugspitzen-Leistung

Der tatsächliche Bearbeitungsvorgang erfolgt an der Schneid werkzeugspitze 18, und die Bedingungen dort haben einen Haupteinfluß auf den Bearbeitungsprozeß und die Qualität des so bearbeiteten Werkstückes 12. Neben den steuerbaren Pa rametern IPR, SFM und D haben auch unsteuerbare Parameter wie die Härte und Dichte des Werkstückmaterials und die Schärfe, die Temperatur und die körperliche Unversehrtheit des Schneidwerkzeugs 10 einen wesentlichen Einfluß auf die Qualität des bearbeiteten Werkstücks 12. Die Erfinder haben gefunden, daß die tatsächlich an der Schneidwerkzeugspitze aufgebrachten Leistung einen nützlichen Hinweis auf diese un gesteuerten und unsteuerbaren Parameter des Werkstückes 12 und des Schneidwerkzeuges 10 gibt und daß die tatsächliche Lei stung an der Schneidwerkzeugspitze bestimmt und verwen det werden kann, um den Bearbeitungsvorgang zu steuern und so die Qualität des bearbeiteten Werkstückes 12 zu verbes sern, ohne daß die Bearbeitungszeit zunimmt oder die Werk zeugstandzeit verkürzt wird. Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung haben die Erfinder ein Verfahren gefunden, um die tatsächliche Leistung an der Schneidwerkzeugspitze von der Leistung, welche der Antrieb (Antriebsmotor) 17 aufnimmt, abzuleiten, indem eine Anzahl von Korrekturen vorgenommen wird, basie rend auf vorbestimmten Konstanten, die vor der Bearbeitung oder während eines anfänglichen Verfahrensschrittes be stimmt werden können. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Antrieb 17 einen Elektromotor auf, und die vom Antrieb aufgenommene Leistung kann leicht mittels eines Wattmeters gemessen werden. Dann kann die wahre an der Schneidwerkzeug spitze auftretende Leistung HP_cut aus der gemessenen elek trischen Leistung HP_m abgeleitet werden durch Subtraktion von verschiedenen Korrekturen, wobei diese den angenommenen, d. h. präzise oder mit einiger Annäherung gemessenen elektrischen Widerstandsverlustes HP_e, und die mechani schen Verluste HP_v sowie die der Trägheitsmasse der Antriebsein richtung und der drehenden Teile der Werkzeugmaschine bei der Beschleunigung zugeführten Leistung HP_a umfassen:

HP_cut = HP_m - HP_e - HP_v - HP_a. (2-1)

Diese Gleichung ist in Fig. 2 dargestellt, aus der sich entnehmen läßt, daß diese verschiedenen Korrekturen HP_e , HP_v und HP_a sich zur gemessenen Leistung HP_m addieren, wenn das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff ist, so daß HP_cut gleich Null ist.

Die elektrischen Widerstandsverluste oder die Leistung, die als Wärme im elektrischen Kreis des Antriebsmotors 17 ver braucht wird, ist proportional zum charakerisierenden Wi derstand R_e der Motorwicklung und dem Quadrat des Stromes I, der durch den Antriebsmotor 17 fließt:

HP_e = (I²) · (R_e) · (736), (2-2)

wobei HP_e in PS, I in Ampere und R_e in Ohm angegeben sind. Der Einheitenumwandlungsfaktor 736 ist angegeben, da er in der Technik allgemein erkannt ist. Obwohl der Widerstand R_e etwas von der Temperatur abhängig ist, werden befriedigende Ergebnisse erzielt, indem der Widerstand des Motors als kon stant angenommen wird. Der Widerstand R_e kann mit einem Ohm meter gemessen oder kann vom Motorhersteller angegeben werden. Der Antriebsmotorstrom kann kontinuierlich mit einem Amperemeter gemessen werden, jedoch sind für einen Gleich strommotor befriedigende Ergebnisse erzielbar, indem I indi rekt aus HP_m und RPM gemessen wird.

Wenn die an der Motorwicklung anliegende Spannung V be kannt ist, dann verhält sich der Strom I zur gemessenen Lei stung HP_m (in PS) ausgedrückt in Watt W_m wie:

W_m = (HP_m)/(736), (2-3)

(Anmerkung: 1 PS (metrische horsepower) = 0,986 hp)

gemäß:

Aber die Spannung V braucht nicht direkt gemessen wer den, da sie für einen Gleichstrommotor annähernd eine li neare Funktion von RPM bis zu einer bekannten Basisge schwindigkeit (Grundgeschwindigkeit) BS ist, bei der V eine konstante Nennspan nung V_op ist, so daß gilt:

Die Grundgeschwindigkeit BS und die Nennspannung V_op sind für einen bestimmten Motortyp charakteristische Konstanten und sind normalerweise auf dem Typenschild vom Motorhersteller angegeben.

Der mechanische (Reibungs)Verlust HP_v ist im wesentlichsten pro portional zur Drehgeschwindigkeit RPM des Antriebs 17. Der Reibungsverlust HP_v überwiegt bei einer konstanten Geschwindigkeit RPM. Befriedigende Ergebnisse werden erzielt, indem man an nimmt, daß der Gesamtreibungsverlust HP_v sich als lineare Funk tion aus einem bestimmten Reibkoeffizienten Ms und einer (Schnittstellen-)Konstanten B wie folgt ergibt:

HP_v = (Ms) · (RPM) + B. (2-7)

Ms (Neigungskonstante) und B (Schnittstellenkonstante) werden vorzugsweise für jedes Werkstück 12 bestimmt, indem zu Beginn verschiedene Läufe mit verschiedenen Kon stanten RPM's durchgeführt werden, wobei das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff ist. Dann wird der Reibungsverlust HP_v für jede Konstante RPM bestimmt, indem der elektrische Widerstandsverlust (Verlust) HP_e von der gemessenen Leistung HP_m abgezogen wird. Mit einem statistischen Standard-Fehlerquadratverfahren werden die Konstanten Ms und B aus den verschiedenen Datenpunkten von RPM und dem zugehörigen Reibungsverlust HP_v berechnet. Eine genauere Berech nung für die Reibungsverluste HP_v kann erreicht werden, indem die gemessenen Reibungsverluste HP_v als eine Funktion von RPM mit einem quadratischen oder einem Polynom bzw. einer Funk tion höherer Ordnung von RPM dargestellt werden. Die li neare Funktion in Gleichung (2-7) ist selbst ein zweiglied riges Polynom.

Änderungen der gemessenen Leistung HP_m infolge einer Be schleunigung sind sehr bedeutsam, und da sie nicht allein proportional zu RPM sind, ist es sehr wichtig, eine Kor rektur HP_a für die durch die Beschleunigung aufgebrachte Leistung vor zunehmen, wenn eine Werkzeugmaschine von einer selbst tätigen Regelung in Abhängigkeit von der gemessenen Lei stung HP_m geregelt wird. Der Regelkreis könnte sonst in stabil werden, da eine unkompensierte gemessene Leistung HP_m eine große Dif ferentialkomponente enthält, die von Transienten abhän gig ist. Die Leistung (Korrektur HP_a), die für die Beschleunigung aufge bracht werden muß, ist proportional zum Drehmoment T und der Drehgeschwindigkeit RPM, wobei das Drehmoment T sei nerseits proportional zu einem konstanten Trägheits moment J ist und der zeitlichen Änderung der Drehgeschwin digkeit dRPM/dt gemäß den folgenden Gleichungen:

Der Einheitenumwandlungsfaktor 63,000 ist bekannt. Bei Dreh maschinen wird das Trägheitsmoment J vorzugsweise für jedes Werkstück 12 bestimmt, da das Trägheitsmoment J in der Praxis die träge Masse des Antriebsmotord 17, des Werkstücks 12 und aller anderen drehenden Bauteile der Werkzeugmaschine mit ein schließt. Dann wird das Trägheitsmoment J beispielsweise in einer ersten Betriebsstufe bestimmt, während der die Werk zeugmaschine beschleunigt und verzögert wird, wobei das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff ist. Die für die Beschleu nigung benötigte Leistung HP_a wird dann aus der gemes senen (Antriebs)Leistung HP_m bei sich änderndem RPM wie folgt berechnet:

HP_a = HP_m - HP_v. (2-11)

Somit kann das Trägheitsmoment J wie folgt berechnet werden:

Wie in Fig. 3A dargestellt ist, werden in einer anfäng lichen Betriebsstufe die Konstanten Ms und B, die den Reibungs verlust HP_v annähernd bestimmen, während einer anfänglich vorge nommenen schrittweisen Beschleunigung des Antriebs 17 bestimmt, und dann wird das Trägheitsmoment J während einer konti nuierlichen Verzögerung des Antriebs 17 berechnet. Alternativ kann das Trägheitsmoment J für einen Gleichstromantriebs motor schnell während einer nachfolgenden Beschleunigung be rechnet werden, indem der Gleichstrommotor mit großen schrittweisen Änderungen der befohlenen Antriebsgeschwindig keit RPM_c betrieben wird, wie in Fig. 3B dargestellt ist. Der Gleichstromantriebsmotor reagiert automatisch durch eine kontinuierliche Beschleunigung mit einer konstanten Zu nahme zumindest solange, wie die Drehgeschwindigkeit RPM ge ringer ist als die Grundgeschwindigkeit BS des Gleichstrom antriebsmotors. Diese Technik nutzt die Tatsache aus, daß ein Gleichstromantriebsmotor, wie er typischerweise bei Werkzeugmaschinen verwendet wird, ein konstantes maximales Drehmoment hat, wenn er unterhalb der Grundgeschwindigkeit BS betrieben wird.

Es sei angemerkt, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Dreh geschwindigkeit dRPM/dt dem Zeitdifferential (RPM_i-RPM_i-l)/(t_i-t_i-l) entspricht, wenn die Winkelbe schleunigung konstant ist. Daher ergibt sich das Träg heitsmoment J entsprechend den Daten in Fig. 3B wie folgt:

Für die Berechnung und die nachfolgende Anwendung des Träg heitsmomentes J kann der Einheiten-Umwandlungsfaktor 63,000 gestrichen werden, wenn dieser Faktor in gleicher Weise bei der Berechnung der Korrektur HP_a gemäß Gleichung (2-10) weggelassen wird. Ein beispielsweises numerisches Verfahren zur genauen Ausführung dieser Berechnungen und Korrekturen für gemes sene Leistung, bei dem eine numerische Steuereinheit verwen det wird, ist weiter unten unter V. "Beispielsweise Ausge staltung eines adaptiven Steuerverfahrens zum Steuern der Schneidwerkzeugspitzenleistung einer Drehmaschine" beschrieben.

III. Adaptive Steuerung der Bearbeitungsleistung

Gemäß einem wichtigen Aspekt der Erfindung wird ein ite ratives adaptives Steuerverfahren verwendet, um eine re lative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q automa tisch zu steuern, um die Bearbeitungsleistung HP in Überein stimmung mit einem gewünschten Einstellwert HP_d zu bringen. Ausgedrückt in den steuerbaren Grundbearbeitungsparametern SFM und IPR ist die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q das Produkt aus SFM und IPR. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist die funktionsfähige Beziehung zwischen der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q als unab hängige Variable und der Bearbeitungsleistung HP als abhängige Variable sowohl nicht-linear als auch zeitabhängig. Die funktionsmäßigen Be ziehungen T1 und T2 beispielsweise werden während bestimm ter Zeitintervalle gemessen, die selbst weit voneinander be abstandet sind, relativ zur Zeitdauer der Intervalle. Daher ist es unmöglich, im voraus zu wissen, welcher Wert der be fohlenen relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q benötigt wird, um einen gewünschten Einstellwert HP_d zu erreichen, da andere Variable, wie das Werkstück 12 und der Schneidwerk zeugzustand eine Rolle spielen, die unterschiedlichen Ein fluß auf die Bearbeitungsleistung HP haben.

Die Erfinder haben gefunden, daß die befohlene relative Be arbeitungsgeschwindigkeit Q, die erforderlich ist, um eine gewünschte eingestellte Bearbeitungsleistung (Einstellwert) HP_d zu erzie len, schnell bestimmt werden kann, indem ein Näherungsver fahren angewandt wird, bei dem der nächste Wert der be fohlenen relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_i aus dem gegenwärtigen Wert der relativen Bearbeitungsgeschwindig keit Q_i-1und den laufenden Meßwerten der Bearbeitungslei stung HP gemäß folgener Näherungsgleichung berechnet wird:

Q_i = (Q_i-1) · (HP_d)/(HP_i-1). (3-1)

Fig. 4 zeigt grafisch die Lösung dieser Näherungsglei chung. Ausgehend von einem gegenwärtigen Wert der relati ven Bearbeitungsgeschwindigkeit Q₀, wird der gegenwärtige Wert der Bearbeitungsleistung HP₀ aus der Kurve bei T1 am Betriebspunkt OP₀ bestimmt. Die Näherungsformel ist äqui valent zur linearen Extrapolation vom Betriebspunkt OP₀, entlang einer Linie L₀, durch den Ursprung zur horizontalen Einstellwertlinie L_d. Der Schnittpunkt der Linien L₀ und L_d hat eine Abszisse, die dem nächsten Wert der relativen Bear beitungsgeschwindigkeit Q₁ entspricht. Durch Wiederholung dieses grafischen Verfahrens findet man den nächsten Wert der Maschinenleistung HP_l und stellt fest, daß am Ende der zweiten Iteration sich ein Wert der relativen Bearbeitungs geschwindigkeit Q₂ ergibt, der beinahe genau der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q entspricht, die für den gewünschten Ein stellwert HP_d erforderlich ist. Es sei jedoch angemerkt, daß selbst dann, wenn der gewünschte Einstellwert HP_d nicht geändert wird, zu einer anderen Zeit die funktionsmäßige Beziehung T2 zwischen der unabhängigen Variablen (relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q) und der abhängigen Variablen (Bearbeitungsleistung HP) sich von T1 nach T2 ändern kann (beispiels weise, wenn das Werkstückmaterial weniger hart wird), wo bei jedoch durch das iterative Verfahren die relative Bear beitungsgeschwindigkeit Q automatisch eingestellt wird, um den gewünschten Einstellwert HP_d zu erreichen.

In Ausdrücken eines Verfahrens in einer numerischen Steuer einheit ist in Fig. 5A ein vereinfachtes Flußdiagramm für das Verfahren dargestellt. Der Steuerkreis besteht aus zwei Hauptschritten, einem Rechenschritt 30, der den Wert der be fohlenen relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q durch das Verhältnis des Wertes des gewünschten Einstellwertes HP_d zum Wert der Maschinenleistung HP einstellt und einem Zeitverzögerungs glied 31. Das Zeitverzögerungsglied 31 ist erforderlich, um die Stabilität zu gewährleisten. Die Verzögerungszeit muß länger sein als die Verzögerung, während der es sicher ist, daß die Werkzeugmaschine auf die befohlene relative Bearbei tungsgeschwindigkeit Q reagiert. Sonst ergibt sich eine Über steuerung und eine Oszillation in der Schrittantwort des Systems.

Für eine Vertikal-Revolverdrehbank, wie sie in Fig. 1B dar gestellt ist, liegt die Ansprechzeit des (Spindel)Antriebs 17 bei etwa 0,1 Sekunden und die Ansprechzeit der Werkzeugzu stellvorrichtung 20 bei etwa 0,01 bis 0,02 Sekunden. Um ein geeignetes Ansprechen auf Änderungen der befohlenen Bearbei tungsgeschwindigkeit Q zu erreichen, muß das Zeitverzögerungs glied 31 so eingestellt sein, daß es zumindest etwa die vierfache Ansprechzeit der Werkzeugzustellvorrichtung 20 oder des Spindelantriebs 17 hat, in Abhängigkeit davon, ob die Werkzeugzustellvorrichtung 20 oder der Spindelantrieb 17 ein gestellt ist, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit Q zu ändern. Aber dann ist die Zeitverzögerung im wesentlichen vergleich bar dem Ansprechverhalten der gesamten adaptiven Steuerung.

Wenn beispielsweise die Bearbeitungsparameter des Werk stückes 12 an der bearbeiteten Fläche sich ändern, nachdem ge rade eine neue Bearbeitungsgeschwindigkeit Q berechnet wur de, kann die adaptive Steuerung nicht reagieren, bis nach der Zeitverzögerung 31 und nachdem der neue Wert der Bear beitungsgeschwindigkeit Q berechnet ist. Die Zeitverzögerung 31 ist inhärent und kann nicht durch Erhöhung der Ver stärkung des Kreises kompensiert werden. Darüber hinaus ist die Verstärkung der adaptiven Steuerung umgekehrt pro portional abhängig von Änderungen der Zeitverzögerung 31, wie weiter unten in Abschnitt IV, beschrieben ist.

Bei Werkzeugmaschinen ist es möglich, zwischen dem be fohlenen Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c und dem tatsächlichen oder gemessenen Wert der Bearbeitungs geschwindigkeit Q_m zu unterscheiden, so daß die Verstär kung des adaptiven Steuerungssystems unabhängig von der Zeitverzögerung 31 gemacht werden kann. Wie für ein be vorzugtes Verfahren in Fig. 5B gezeigt ist, kann die Zeit verzögerung 31 eliminiert werden, indem die befohlene Bear beitungsgeschwindigkeit Q_c berechnet wird als Produkt der tatsächlichen oder gemessenen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_m und dem Verhältnis des gewünschten Einstellwerts (Leistung) HP_d und der tatsächlichen oder gemessenen elektrischen Leistung HP_m. Die Ausschaltung der Zeitverzögerung 31 führt zu bedeutend verbesserten Ergeb nissen, da wesentliche Änderungen der Bearbeitungsparameter des Werkstückes 12 an der Werkzeugschneidschicht in Zeitab schnitten auftreten, die kürzer sind als die Ansprechzeit der Werkzeugzustellvorrichtung 20 und des Spindelantriebs.

Ein Blockdiagramm eines bevorzugten Werkzeugmaschinen steuersystems, welches das Verfahren gemäß Fig. 5B ver wendet, ist in Fig. 5C dargestellt. Die Bauteile sind in Ausdrücken eines verallgemeinerten Systems bezeichnet, wie sie eine adaptive Steuerung enthält, die ein Verhältnis berechnungsglied 33a zur Steuerung einer Werkzeugmaschine, welche die Werkzeugzustellvorrichtung und den Antrieb 33b aufweist, einen Einstellsensor 33c, den Bearbeitungsprozeß (Prozeß) 33d und ein Leistungsmeßgerät, wie beispielsweise das Wattmeter 33e. Allgemein gesagt ist die Werkzeugmaschine das gesteuerte physikalische System, oder die "Anlage" und die Werkzeugzustellvorrichtung und der Antrieb bilden eine "Einstelleinrichtung" 33b, die den "Bearbeitungsprozeß" 33d regulieren. Das Wattmeter 33e ist ein "Prozeßsensor", der die Ant wort des Prozesses 33d auf die Einstellvorrichtung 33b mißt. Es sei angemerkt, daß bei Werkzeugmaschinen alternative Prozeßsensoren die Kraft, Temperatur oder Vibration des Schneidwerkzeuges 10 in Abhängigkeit von Werkzeugmaschinenein stellungen messen können. Mit anderen Worten zeigen bei Werkzeugmaschinen die Prozeßsensoren vorzugsweise ver schiedene Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die mit zunehmender befohlener Bearbeitungsgeschwindigkeit Q zunehmen. Bei Fräs maschinen oder Schleifmaschinen beispielsweise kann die Sei tenkraft, die auf den Fräser oder die Normalkraft, die auf die Schleifscheibe wirkt, obwohl sie nicht streng propor tional zur Antriebsleistung ist, ein besserer Indikator der Bearbeitungsschwierigkeiten sein als die Spindel- oder An triebsleistung, die aufgebracht wird, um den Fräser oder die Schleifscheibe gegen das Werkstück zu bewegen.

Das Verfahren gemäß Fig. 5B ist dem Verfahren gemäß Fig. 5A immer dann vorzuziehen, wenn die Ansprechzeit oder Zeitkon stante τ_a der Einstellvorrichtung 33b im Vergleich mit den Ansprechzeiten τ_m und τ_ms des Prozesses 33d und des Prozeßsensors 33e wesentlich ist. Das Eingangssignal Q_c er zeugt die physikalischen Variablen (z. B. RPM und Zustellung F), welche von der Einstellvorrichtung 33b ausgegeben werden, um das Eingangssignal für den Prozeß 33d zu bilden; und in zahlreichen Fällen können diese physikalischen Variablen leicht durch einen Einstellsensor 33c gemessen werden, welcher eine vernachlässigbare oder relativ kurze Zeitkon stante τ_as hat. Das Verfahren gemäß Fig. 5B kann beispiels weise zweckmäßig zur Steuerung eines Kernreaktors angewen det werden, wobei die Einstellvorrichtung 33b die Steuer stäbe positioniert, der Prozeß eine Kernspaltung ist, der befohlene Wert Q_c eine Steuerabstellung und der Prozeß sensor 33e den Neutronenfluß mißt, welcher den zu steuern den Anlagenparameter darstellt. Das Verfahren gemäß Fig. 5B kann auch vorteilhaft zur Steuerung von Werkzeugmaschinen und insbesondere für Drehmaschinen angewendet werden, wie im einzelnen weiter unten beschrieben ist.

Allgemein gesagt ist das Steuerverfahren und System ge mäß den Fig. 5B und 5C die bevorzugte Form der Erfindung zur Steuerung von drehenden Werkzeugmaschinen. Die bevor zugte Ausführungsform, wie sie in den Fig. 5B und 5C (wie auch in der später beschriebenen Fig. 13A′) beschrieben ist, arbeitet unbeeinflußt von der dynamischen Ansprechzeit τ_a der Einstellvorrichtung 33b. Das heißt, die dynamische Reaktionszeit τ_a hat keinen Einfluß auf die Gesamtverstär kung des offenen Kreises, und infolgedessen kann die Abtast- bzw. Probezeit Δt eines computergestützten Iterations systems ohne nachteilige Beeinflussung der Gesamtstabili tät des Systems, ohne Rücksicht auf die Abtastzeit per se gewählt werden. Darüber hinaus kann durch die Wahl kurzer Probezeiten Δt eine gegebene Anlage (beispielsweise eine gege bene Werkzeugmaschine) bezüglich eines gegebenen Parameters (beispielsweise der Leistung) adaptiv gesteuert werden, mit einer Gesamtkreisnachteilung oder Verzögerung, die bei dem Verfahren nach Fig. 5B geringer sind als bei dem gemäß Fig. 5A.

Die Gemeinsamkeiten und der allgemeine Vorteil der Ver fahrensausgestaltungen, wie sie in den Fig. 5A einerseits und Fig. 5B und C andererseits dargestellt sind, sind es, daß das Verhältnis des Sollwertes zum Istwert des gesteuer ten Parameters zu einer Steuerung führt, die tatsächlich eine veränderliche Empfindlichkeit aufweist, die sich auto matisch ändert, um zeitabhängige und unvorhersehbare Änderungen der Transferfunktion der gesteuerten Anlage zu kompensieren. Obwohl variable Empfindlichkeiten bekannt sind bei Systemen zur Anwendung einer Fehlermenge, die durch Subtraktion eines Ist-Parameterwertes von einem ge wünschten Sollwert erzeugt wird, haben solche subtraktiven Fehlersysteme kompliziertere Apparaturen und manipulative Schritte. Bei Verwendung entweder eines zuvor errichteten befohlenen Wertes oder eines Einstellsensors 33c vor Berechnung des Wertes der physikalischen Steuervariablen benötigt man bei der hier beschriebenen Verhältnistechnik keinerlei Modell, und es wird ein Steuersystem geschaffen, welches schnell auf Änderungen der Anlagencharakteristika reagiert.

Bei der Steuerung von Werkzeugmaschinen, wie der in Fig. 1B dargestellten Vertikal-Revolverdrehbank, hat das in den Fig. 4, 5A und 5B dargestellte iterative Verfahren eine theoretische Basis in einem Bearbeitungsparameter, der als "Schneid wirkungsgrad" (cutting efficiency factor) CEF bekannt ist. Trotz Änderungen der Zustellgeschwindigkeit F_c und der Dreh antriebsgeschwindigkeit RPM ist die Energiemenge, die für Entfernung einer Materialvolumeneinheit erforderlich ist (hier mit CEF_v bezeichnet) ziemlich konstant für ein gege benes Schneidwerkzeug 10 mit einem vorgegebenen Schärfegrad, welches auf ein gegebenes Werkstückmaterial wirkt.

Es sei angemerkt, daß die Gleichung (3-2) keine Einheit aufweist. Um CEF_v in aboluten Einheiten, wie Kilowatt-Stunden per Kubikzentimeter (cubic inch), auszudrücken, müssen die Einheiten von HP, SFM, IPR und D spezifiziert werden, um einen entsprechenden Einheitenumwandlungsfaktor K_f zu bestimmen. Um CEF_v in Kilowatt-Stunden pro Kubikinch (Kubikzentimeter), HP in PS (und umgerechnet in Kilowatt), SFM in Fuß pro Minute (Meter pro Minute) und IPR und D in inch (cm) anzugeben, ergibt sich der Einheitenumwandlungsfaktor K_f wie folgt:

Es kann vernünftigerweise angenommen werden, daß die Schnittbreite D im wesentlichen konstant ist und der Umwandlungsfaktor außer Betracht bleibt, so daß ein "relativer" Schneidwirkungsgradfaktor CEFR wie folgt definiert werden kann:

Es sei angemerkt, daß, wenn die Wirksamkeit oder Schärfe eines Schneidwerkzeuges 10 abnimmt, CEFR zunimmt und CEFR daher ein numerisches Maß für die Unwirksamkeit des Schneidvorganges ist. Derselbe Effekt tritt auf, wenn das Werkstücksmaterial im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit härter wird.

Das Problem einer adaptiven Steuerung einer drehenden Maschine beinhaltet die Bestimmung von Steuersignalen, um die steuerbaren Bearbeitungsparameter, die die Zustellgeschwindigkeit F_c und die Drehantriebsgeschwindigkeit RPM einzustellen, so daß eine gewünschte Bearbeitungsleistung (Einstellwert) HP_d erreicht wird, trotz Änderung der Bearbeitungsparameter, die ein Abweichen der Ist-Bearbeitungsleistung HP von der Soll-(gewünschten)-Bearbeitungsleistung HP_d bewirken, wobei die Bearbeitungsparameter wie IPR und SFM innerhalb bestimmter Grenzen oder Bereiche gehalten werden sollen. Die erforderlichen neuen Werte der steuerbaren Bearbeitungsparameter werden unter der Annahme berechnet, daß der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR zu dem Zeitpunkt, zu dem die Bearbeitungsparameter gemessen werden und denselben Wert aufweist, wenn das System die gewünschte Betriebsweise bei der Soll-Bearbeitungsleitung HP_d erreicht. Tatsächlich kann eine gewisse Änderung bezüglich der Werkzeugschneidschicht und dem Schneidwirkungsgradfaktor CEFR auftreten. Die Annahme führt jedoch zu einer schnellen Konvergenz der gemessenen Bearbeitungsleistung HP mit der gewünschten bzw. Soll-Bearbeitungsleistung HP_d, da die effektive Änderung von dem Schneidwirkungsgradfaktor CEFR nur einen Bruchteil der Änderung der Bearbeitungsleistung HP infolge von Geschwindigkeits- und Zustellgeschwindigkeitsänderungen ausmacht.

Für die hier behandelte Drehmaschine als spezielles Beispiel wird der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR aus Probewerten IPR_m und SFM_m wie folgt berechnet:

Dann kann eine relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c berechnet werden, mit der eine gewünschte Leistung HP_d erreicht werden kann, wenn der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR sich nicht ändert:

Diese Gleichung (3-9) gibt einen einzigen Wert für die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c, so daß das Produkt von IPR_c und SFM_c bestimmt wird. Durch Auswahl eines Wertes für eine der letztgenannten befohlenen Variablen kann die andere berechnet werden, und beide können als Eingangsgrößen in das Steuersystem eingegeben werden. In einigen Fällen kann die Bestimmung der speziellen Werte von IPR_c und SFM_c begrenzt werden. Einige dieser Grenzen sind durch den Bearbeitungsprozeß selbst infolge des Werkstückmaterials, der Schneidwerkzeugzusammensetzung und der Schneidwerkzeuggeometrie vorgegeben. Für die hier als spezielles Ausführungsbeispiel behandelte Drehbank ergibt sich bei einem maximalen IPR_max für eine gegebene Schnittbreite D eine maximale Querschnittsfläche A der Werkstückmaterialspäne 20 und daher eine maximale Kraft an der Schneidwerkzeugspitze 18. Bei einem Überschreiten von IPR_max kann ein übermäßiges Rattern des Werkzeugs 10 auftreten, welches eine präzise Bearbeitung verhindert und eine übermäßige Werkzeugabnutzung oder einen Werkzeugbruch bewirkt. Ein minimales IPR, hier mit IPR_min bezeichnet, sollte immer aufrechterhalten werden, so daß die Späne 20 in einzelne Chips oder Schnitzel 16 zerbrechen und keine langen Streifen bilden, so daß eine Ansammlung einer großen Spanmenge und damit ein Verstopfen der Werkzeugmaschine verhindert wird. Ein maximales SFM, hier als SFM_max bezeichnet, sollte nicht überschritten werden, da die Reibung an der Schneidwerkzeugspitze zu einer Erwärmung führt, die proportional SFM ist, und eine übermäßige Erwärmung die Schneidwerkzeugspitze ausbrennen und die Schneidkante schnell abstumpfen kann. Die Schneidwerkzeughersteller geben daher gewöhnlich ein SFM_max für Schneidwerkzeuge 10 unterschiedlicher Zusammensetzungen an. Ein minimales SFM, SFM_min, kann gleichfalls angegeben werden. Wenn ein Betrieb der drehenden Maschine unterhalb eines unteren Grenzwertes (IPR_min, SFM_min) erforderlich ist, um nicht HP_d zu überschreiten, ist das Schneidwerkzeug 10 wahrscheinlich stumpf und sollte ersetzt werden. Diese vier Konstanten für die maximalen und minimalen Werte können von einer fachmännischen Maschinenbedienungsperson oder einem Maschinenprogrammierer ausgewählt werden; und für jedes gegebene Schneidwerkzeug 10 und Werkstücksmaterial, die von Hand eingegeben oder vom Teilprogramm in den Speicher eines NC-Systems eingelesen werden.

Wie in Fig. 6 dargestellt, stellt die Fläche, die von den kritischen Punkten (IPR_min, SFM_min), (IPR_max, SFM_min), (IPR_max, SFM_max), (IPR_min, SFM_max) begrenzt wird, ein Rechteck 34 des zulässigen Betriebes dar. Die Kurven Q₁, Q₂, Q₃ stellen eine Kurvenfamilie dar, von denen jede den Ort einer konstanten Leistung definiert, wenn das Produkt Q=IPR · SFM konstant bleibt, wenn IPR und SFM verschiedene Werte annehmen, vorausgesetzt, daß die Werkstücks- Schneidwerkzeug-Grenzschichtbedienungen und daher der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR konstant bleiben. Wenn der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR abnimmt oder zunimmt, stellt jede Kurve Q der Kurvenfamilie eine konstante Leistung niedrigerer oder höherer Größe dar.

Eine neue relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c wird aus der Gleichung (3-9) bestimmt, ein Wert von IPR_c (oder SFM_c) wird ausgewählt, und der andere befohlene Wert SFM_c (oder IPR_c) wird berechnet, wenn die Ist-Werte IPR_m und SFM_m (und damit Q_m) eine Ist-Leistung für HP ergeben, die von der Soll-Bearbeitungsleistung HP_d abweicht. Für das beispielsweise dargestellte begrenzte Rechteck 34 der Fig. 6 sind beide befohlenen Werte in oder auf das Rechteck begrenzt, wenn aufeinanderfolgend neue befohlene Werte das System veranlassen, auf verschiedenen Kurven Q der Kurvenfamilie zu arbeiten, wobei angenommen wird, daß der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR konstant bleibt. Wenn die Bedingungen im Zwischenbereichwerkstück- Schneidwerkzeug 10 sich ändern (wenn z. B. das Werkzeug stumpfer wird) und ein Fehler in der Leistung auftritt, wird/werden durch die korrigierende Wirkung der Gleichung (3-9) IPR_c und/oder SFM_c auf einen Punkt auf der anwendbaren Kurve Q neu eingestellt, was zu einer Eliminierung des Fehlers führt.

In der Praxis ist es wünschenswert, die Werkzeugmaschine mit dem geringstmöglichen IPR zu betreiben, welches noch ermöglicht, die tatsächliche Leistung gleich der Soll-Bearbeitungsleistung HP_d zu machen. Dies vermindert die Kräfte und die Vibration an der Schneidwerkzeugspitze bei jedem Betriebswert der Leistung. Wenn eine neue befohlene relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c aus der Gleichung (3-9) bestimmt ist, wird ein Wert SFM ausgewählt, um eine Angleichung an das maximale SFM_max zu erreichen, welches durch die Linie 38 in Fig. 6 repräsentiert ist, und ein entsprechender Wert IPR_c, wie er erforderlich ist, um die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c in der Maschine zu erzeugen, wird aus der Gleichung (3-9) bestimmt. Wenn dieses Verfahren zu einem berechneten Wert IPR_c führt, der geringer als IPR_min ist, ist der Betriebspunkt auf die untere Begrenzungslinie 39 eingeschränkt. Wenn das Produkt den Punkt 36 erreicht (hier Q₁=IPR_min · SFM_min), wird eine Korrektur, wie beispielsweise ein "Zustell-Stop", vorgenommen, wodurch die Bearbeitung beendet wird oder eine Richtungsumkehr der Werkzeugzustellgeschwindigkeit F_c bewirkt wird, so daß das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff mit dem Werkstück 12 kommt und durch ein scharfes Schneidwerkzeug 10 ersetzt werden kann. Eine alterntive Korrektur könnte darin bestehen, daß nur die Zustellung oder der Antrieb 17 unterbrochen wird oder daß der Bedienungsperson lediglich eine geeignete Nachricht angezeigt wird. Ein "Zustell-Stop" könnte auch nur dann ausgeführt werden, wenn der Punkt des kleinsten Produktes seine vorbestimmte Anzahl innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode erreicht.

Bei der Ausgestaltung wird die Auswahl des einen befohlenen Wertes und die Berechnung des anderen befohlenen Wertes (insbesondere der Werte IPR_c und SFM_c) gemäß dem Bereich ausgeführt, in den der berechnete Wert der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c aus Gleichung (3-9) fällt:

Wenn
Q_c Q₃ = (IPR_max) · (SFM_max) ,
wird vorgegeben
SFM_c = SFM_max
IPR_c = IPR_max
Anzeige "HP" nicht ausgenutzt" (HP_d kann angehoben werden) (3-10)

Wenn
(IPR_min) · (SFM_max) = Q_₂ Q_c Q₃ ≡ (IPR_max) · (SFM_max) ,
dann wird vorgegeben bzw. eingestellt
SFM_c = SFM_max

Wenn
(IPR_min) · (SFM_min) = Q₁ Q_c Q₂ ≡ IPR_min · SFM_max ,
dann wird eingestellt:
IPR_c = IPR_min

Wenn
Q_c < Q₁ ≡ (IPR_min) · (SFM_min) ,
dann Korrektur vornehmen (z. B. Zustell-Stop und Werkzeugaustausch) . (3-13)

Die steuerbaren Bearbeitungsparameter werden dann aus IPR_c und SFM_c wie folgt bestimmt:

F_c = (IPR_c) · (RPM_m) . (3-15)

Es sei angemerkt, daß in (3-10) eine Mitteilung "HP nicht ausgenutzt" für die Bedienungsperson angezeigt wird, um dieser einen Hinweis zu geben, daß der Bearbeitungsprozeß durch die Grenzen von IPR und SFM auf einen Wert begrenzt ist, der nicht mit dem wünschenswerten Betrieb bei einem von der Bedienungsperson oder von einem Teilprogramm gewählten Soll-Leistungswert HP_d übereinstimmt. Es braucht keine Korrektur vorgenommen zu werden, aber die Bedienungsperson sollte erwägen, die IPR_max- und SFM_max-Grenzen über eine von Hand betätigbare Übergehungssteuerung zu erhöhen. Die Bedienungsperson könnte auch in Betracht ziehen, ob die tatsächliche oder programmierte Schnittiefe zu gering ist.

Zur Gleichung (3-11) sei angemerkt, daß bei einem Betrieb im konstanten SFM-Segment 38 der Fig. 6 SFM_m gleich SFM_max ist, so daß sich ergibt:

Mit anderen Worten wird der befohlene Wert der Zustellgeschwindigkeit F_c erreicht, indem der gemessene Wert zu Zustellgeschwindigkeit mit dem Verhältnis der gewünschten Leistung zur gemessenen Leistung multipliziert wird. Auf ähnliche Weise ist in Gleichung (3-12) für einen Betrieb im konstanten IPR-Segment 39 IPR_m gleich IPR_max, so daß sich ergibt:

Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Steuersystems gemäß der Steuermethode der vorliegenden Erfindung ist aus Fig. 7 für eine herkömmliche Vertikal-Revolverdrehbank, welche allgemein mit 40 bezeichnet ist, ersichtlich. Der Betrieb dieser Drehbank 40 erfolgt über drei Motoren; einen Antriebsmotor M_d, einen X-Richtung-Werkzeug-Zustellmotor M_x und einen Z-Richtung-Werkzeug-Zustellmotor M_z. Diese Motoren M_d, M_x und M_z werden mittels Steuersignalen RPMVC, VMX und VMZ angetrieben. Die Zustellmotoren M_x, M_z werden direkt über Servoantriebsverstärker 41 und 42 angetrieben. Der Antriebsmotor M_d wird über einen separaten Analog-Regelkreis gesteuert, der ein Antriebsgeschwindigkeitssignal RPM_m zum Vergleich mit dem Antriebssteuersignal RPMVC erhält, wobei ein Differential-Antriebsverstärker 43 verwendet wird, so daß das Antriebssteuersignal RPMVC einen bestimmten RPM-Wert befiehlt. Da in den herkömmlichen Revolverdrehbänken Resolver, Inductosyn-Systeme oder Pulsgeneratoren auf Zähler arbeiten, werden Positionssignale XAP, ZAP erzeugt, die die tatsächliche Stellung des Schneidwerkzeugs 10 repräsentieren, so daß die Geschwindigkeit und Stellung der Werkzeugzustellung bestimmt und genau gesteuert werden können.

Die Bauteile der Vertikal-Revolverdrehbank, welche oben beschrieben und allgemein mit 40 bezeichnet ist, sind in der Technik bekannt. Ein elektronisches Wattmeter 44 mißt die vom Antriebsmotor M_d verbrauchte elektrische Leistung und erzeugt ein Leistungs-Sensorsignal W_m, welches die gemessene Antriebsleistung anzeigt. Ein geeignetes elektronisches Wattmeter ist das OSI-DC-Watt-Wandlermodell PC8-4-04, welches von der Ohio Semitronics, 1205 Chesapeake Avenue, Columbus, Ohio 43212, hergestellt und verkauft wird. Andere Bauteile des Systems der Fig. 7 haben dasselbe äußere Aussehen und denselben Aufbau wie bekannte Bauteile, wie das Bedienungsstationsterminal 45, welches eine Tastatur 91 und einen Kathodenstrahlröhren-Bildschirm 92 aufweist, einen Teilprogramm- Bandantrieb 46 und eine numerische Steuereinheit 47, welche einen Eingangs-Analog-Digital-(A/D-)Wandler 48 und einen Ausgangs-Digital-Analog-(D/A-)Wandler 49 aufweist. Die numerische Steuereinheit 47 wird jedoch auf neue Weise durch ein gespeichertes Programm gebildet, wie es schematisch durch die funktionellen Bauteile, die allgemein mit 50 bezeichnet sind, dargestellt ist. Diese funktionellen Bauteile umfassen einen Teilprogrammspeicher 51, eine Achsensteuereinheit (Achsensteuerung) 52 und eine adaptive Steuereinheit 53.

Die adaptive Steuereinheit 53 enthält einen Sollwert HP_dp und verschiedene Steuerwerte IPR_cp, SFM_cp, die maximale und minimale Grenzen für IPR und SFM enthalten, und diese programmierten Werte werden mit der tatsächlichen Schneidwerkzeug-Spitzenleistung, die aus dem Wattmeter-Signal W_m, den Schneidwerkzeug- Stellungssignalen XAP und ZAP und dem Antriebsgeschwindigkeitssignal RPM_m berechnet sind, verglichen, um Führungsgrößen IPR_c und SFM_c zu erzeugen und damit die Vertikal-Revolverdrehbank 40 adaptiv zu regeln, so daß die Ist-Schneidspitzenleistung so nahe wie möglich am Sollwert HP_dp gehalten wird. Die Achsensteuerung 52 empfängt Führungsgrößen IPR_c und SFM_c und auch Stellungssignale ZAP, XAP und erzeugt Bearbeitungssteuersignale ZVC, XVC und RPM_c, die die Antriebsmotorsignale VMX, VMZ und RPMVC so einstellen, daß die Werkzeugmaschine das Werkstück 12 entsprechend einer Form, die im Teilprogrammspeicher 51 als X- und Z-Koordinaten XCEP, ZCEP gespeichert ist, formt. Die Achsensteuerung 52 jedoch empfängt einige gemischte MISC-Befehle aus dem Teilprogrammspeicher 51, um eine Interpolation und einige Steuerfunktionen, die für das adaptive Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung eigentümlich sind, auszuführen.

Es sei angemerkt, daß, obwohl die allgemein im Block 50 enthaltenen Funktionen schematisch dargestellt sind, die Hardware zur Ausführung dieser Funktionen im wesentlichen das Aussehen einer numerischen Steuereinheit hat, die in Fig. 8 allgemein mit 50′ bezeichnet ist. Die numerische Steuereinheit 50′ hat Eingangsregister 55, Ausgangsregister 56, eine Zentraleinheit 57, die logische und algebraische Funktionen ausführt, und einen Speicher, der mit 58 bezeichnet ist und der konstante und variable Maschineninstruktionen sowie andere Daten mit bestimmten Adressen speichert. Der Speicher 58 ist in drei Hauptteile untergliedert; den Teilprogrammspeicher 51, den Arbeitsspeicher 59 für Konstante und Variable und den Speicher 60 für das adaptive Steuerverfahren, welcher eine Folge von Befehlen enthält zur Ausführung durch die Zentraleinheit 57, um die numerische Steuereinheit 50′ in der funktionalen Form, die allgemein mit 50 bezeichnet ist, zu bilden.

Der Teilprogrammspeicher 51 ist als eine Folge von Blöcken organisiert, wobei jeder Block der Bewegung des Schneidwerkzeuges 10 zwischen zwei Paaren von X-, Z-Koordinaten zugeordnet ist. In jedem Block ist ein Zielkoordinatenpaar XCEP, ZCEP gespeichert. Auch enthält jeder Block Blockkonstanten, die beschreiben, wie die numerische Steuereinheit 47 während der Zeit arbeitet, in der das Schneidwerkzeug 10 zu den Ziellkoordinatenpaaren eines speziellen Blocks vom letzten Zielkoordinatensatz geführt wird. Es sei angemerkt, daß jedesmal, wenn ein neues Zielkoordinatenpaar aus dem Teilprogrammspeicher 51 gelesen wird, die Blockkonstanten IPR_min, IPR_max, SFM_min, SFM_max und der Sollwert HP_dp gleichfalls gelesen und mit den Zielkoordinaten dem Arbeitsspeicher 59 für Konstanten und Variable zugeführt werden. Obwohl diese Blockkonstanten sich zwischen den Blöcken im Teilprogrammspeicher 51 ändern können, sind sie im wesentlichen konstant, was das adaptive Steuerverfahren anbelangt.

Die allgemeine Konfiguration des adaptiven Steuerverfahrens entspricht der konventionellen Konfiguration eines Ausführungsprogramms, ferner verschiedenen Unterprogrammen, die vom Ausführungsprogramm abgerufen werden, und ein Paar Unterbrechungsprogrammen, die periodisch automatisch ausgeführt werden. Der genaue Aufbau und die Folge der Befehle des adaptiven Steuerverfahrens sind jedoch sehr speziell, wobei die Einzelheiten vom Programmierer ausgewählt werden können. Eine beispielsweise Ausgestaltung einer Befehlsfolge ist weiter unten im Abschnitt V, "Ausführungsbeispiel für ein adaptives Steuerverfahren zum Steuern der Schneidwerkzeugspitzenleistung einer Drehmaschine", beschrieben.

Die allgemeinen funktionellen Bauteile, die in Fig. 7 mit 50 bezeichnet sind, können ausgeweitet werden, um detailliertere und zusätzliche Merkmale einzuschließen, wie sie in Fig. 9 dargetellt sind. Die Achsensteuerung 52 insbesondere weist einen Funktionsblock 61 auf, um aus einem SFM-Steuersignal SFM_o das Drehgeschwindigkeits-Steuersignal RPM_c zu bilden, indem im wesentlichen der Wert von SFM_o durch den Radius R_m dividiert wird, wobei letzterer als Ist-X-Koordinatenstellung XAP gemessen wird. Die Achsensteuerung 52 weist auch einen Interpolator 62 auf, der die Schneidwerkzeug-Zustellsteuersignale XVC und ZVC erzeugt, so daß die gewünschten Schneidwerkzeugkoordinaten XAP und ZAP den programmierten Schneidwerkzeug-Koordinaten XCEP, ZCEP in der gewünschten Weise folgen und so daß das Schneidwerkzeug 10 mit einer resultierenden Zustellgeschwindigkeit F_c angetrieben wird, die durch das Steuersignal IPR_o eingestellt wird.

Fig. 9 enthält auch eine Übergehungsfunktion (override function) 63, die einen Maßstabsfaktor KI_o von einer "Achsen"- Steuerung 64 und einen Maßstabfaktor KS_o von einer "Geschwindigkeits"- Steuerung 65 erhält und die Signale IPR_c und SFM_c aus der adaptiven Steuereinheit 53′ maßstäblich ändert, um die Steuereingangssignale IPR_o, SFM_o für die Achsensteuerung 52 zu schaffen gemäß

IPR_o = (IPR_c) · (KI_o) , (3-16)

SFM_o = (SFM_c) · (KS_o) . (3-17)

Die Achsensteuerung 64 und die Geschwindigkeitssteuerung 65 können Potentiometer, digitale Steuerungen oder Daumenradschalter (thumbwheel switches) sein, um die Werte KI_o und KS_o direkt einzugeben. Numerische Werte für KI_o, KS_o können auch in der Bedienungsstation 45 eingegeben werden. In jedem Fall entsprechen die Achsensteuerung 64 und die Geschwindigkeitssteuerung 65 Übergehungssteuerungen, wie sie herkömmlich verwendet werden, um der Bedienungsperson zu ermöglichen, "Übergehungs"-Einstellungen für die "Geschwindigkeit" oder SFM oder die "Achsen" oder IPR-Parameter einzugeben, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit Q zu ändern. Die beiden Steuerungen 64 und 65 sind üblicherweise mit einem Prozentfaktor kalibriert, um auf die programmierten IPR- und SFM-Werte angewendet zu werden.

Die adaptive Steuereinheit 53′ empfängt die Maßstabsfaktoren KI_o und KS_o als Eingangssignale, um kompatibel mit den vom Benutzer einstellbaren Übergehungssteuerungen 64, 65 zu sein, um die Einstellung der gewünschten Bearbeitungsleistung HP_d vorzunehmen, wobei die einzelnen Bearbeitungs-Steuersignale IPR_o, SFM_o unabhängig skaliert werden, trotz der allgemeinen Tendenz der vereinfachten adaptiven Steuereinheit 53 gemäß Fig. 7, Verstärkungsänderungen in Abhängigkeit der Maschine von den einzelnen Steuersignalen IPR_o, SFM_o zu kompensieren. Wenn beispielsweise die adaptive Steuerungseinheit 53 der Fig. 7 anstelle der adaptiven Steuerungseinheit 53′ der Fig. 9 verwendet wird, würde, wenn die Bedienungsperson IPR_o und SFM_o reduziert, indem sie beispielsweise die Achsen- (64) und Geschwindigkeits- Steuerungen (65) auf 50% entsprechend einem Wert von 0,5 für KI_o und KS_o einstellt, die Achsensteuerung anfänglich die Zustellgeschwindigkeitssignale XVC, ZVC und RPM_c um 50% reduzieren, wobei jedoch die sich ergebende Reduzierung der Bearbeitungsleistung HP, welche von der entsprechenden Verminderung der gemessenen Schneidwerkzeugspitzenleistung festgestellt würde, die Steuerungsausgangssignale IPR_c, SFM_c zu erhöhen, bis die Achsen-Steuereingangssignale IPR_o, SFM_o auf ihre Anfangswerte erhöht sind, bevor die Einstellungen an der Achsen- und Geschwindigkeits- Steuerung 64 und 65 heruntergedreht werden.

Die Erfinder haben gefunden, daß diese unerwünschte Tendenz der adaptiven Steuereinheit 53, die Übergehungseinstellungen des Operators aufzuheben, beseitigt werden kann, indem die Maßstabsfaktoren KI_o und KS_o der adaptiven Steuereinheit 53′ zugeführt und diese Faktoren benutzt werden, um den Vergleich der Maschinenleistung mit dem (programmierten) Sollwert HP_dp durchzuführen. Die adaptive Steuereinheit 53′ bewirkt ein Skalieren und Halten des programmierten Sollwertes HP_dp mittels derselben Maßstabsfaktoren, welche zur Erreichung des korrigierten und tatsächlichen Leistungssollwertes (Soll-Bearbeitungsleistung; gewünschter Einstellwert) HP_d verwendet werden. Das bevorzugte Verfahren für die Verbindung der konventionellen Achsen- und Geschwindigkeitssteuerung 64, 65 mit der adaptiven Steuereinheit 53′, so daß letztere die ursprünglichen, vor einer Änderung der Maßstabsfaktoren KI_o und KS_o existierenden IPR_o- und SFM_o-Werte nicht wieder herstellt, 87486 00070 552 001000280000000200012000285918737500040 0002003348159 00004 87367 ist es, den Leistungssollwert HP_d zu erzeugen, indem der "programmierte Sollwert" HP_dp mit dem Faktor (KI_o · (KS_o) gemäß folgender Beziehung multipliziert wird:

HP_d = (KI_o) · (KS_o) · (HP_dp) . (3-17)

Wenn der Achsenfaktor KI_o beispielsweise von 100% auf 90% reduziert ist und die adaptive Steuerung 53′ auf einer Konstanten SFM_max-Linie 38 in Fig. 6 arbeitet, wird IPR_o durch die Änderung von KI_o um 10% reduziert und bewirkt, daß die Ist-Zustellgeschwindigkeit F_c um 10% vermindert wird; die gemessene Schneidwerkzeugspitzenleistung HP_m fällt um etwa 10% infolge der Reduzierung der Zustellgeschwindigkeit F_c auf den Leistungssollwert HP_d, welcher gemäß Gleichung (3-17) gebildet wird. Da für konstantes SFM gemäß Gleichung (3-11) IPR_c proportional HP_d/HP_m ist, ändert sich IPR_c nicht wesentlich. Dadurch bleibt die Achsensteuerung 64 wirksam, um ein bezüglich ihres Anfangswertes um 10% vermindertes IPR_o zu erzeugen, und das System arbeitet mit einem Leistungssollwert HP_d, der automatisch um 10% bezüglich seines ursprünglichen Wertes reduziert ist. Allgemein bewirkt die Kompensation gemäß Gleichung (3-17), daß die befohlenen Werte IPR_c und SFM_c im wesentlichen unverändert bleiben, so daß die Werte IPR_o und SFM_o durch Einstellung der Achsen- und Geschwindigkeitssteuerung 64 und 65 skaliert werden (gleichzeitig wird der programmierte Sollwert HP_dp mit denselben Faktoren skaliert, um den gewünschten Einstellwert HP_d zu erzielen.

IV. Allgemeine adaptive Steuerverfahren

Aus dem vorstehenden wird verständlich, daß die Erfindung einen allgemeineren Charakter hat als die beispielsweise beschriebene Ausgestaltung eines Steuersystems für eine Werkzeugmaschine. In Fig. 10A ist eine herkömmliche selbsttätige Regelung für ein physikalisches System 70, welches in der Regelungstheorie mit "Anlage" bezeichnet wird, mit einer Übertragungsfunktion G_P(s) vorgesehen, wobei das Systemausgangssignal M arithmetisch mit einem Sollwert m unter Verwendung eines Vergleichers 71 verglichen wird, um ein Differnzsignal (m-M) zu erhalten, welches durch eine Regelfunktion G_C(s) in einem "Regler" 72 verarbeitet wird, um ein Eingangssignal I_p zu erzeugen. Das Systemausgangssignal M ergibt sich bei einem Sollwert m wie folgt:

Der Index (s) zeigt an, daß alle Variablen frequenzabhängig sind und im Laplace-Bereich analysiert werden können. Daher zeigt Gleichung (4-4), um das Ausgangssignal M dem Sollwert (Zielwert) m folgen zu lassen, daß es wünschenswert ist, wenn die Größe der Steuerfunktion G_C(s) so groß wie möglich ist, so daß die Steuerverstärkung, welche als G_C(s) · G_P(s) definiert ist, groß ist. Die Größe der Steuerfunktion G_C(s) kann jedoch nicht beliebig groß gemacht werden, weil in der Praxis eine frequenzabhängige Phasenverschiebung in der Anlagenübertragungsfunktion G_P(s) auftritt, so daß bei bestimmten Frequenzen die Steuerverstärkung -1 ist und der Nenner in Gleichung (4-4) gegen Null geht, wodurch eine Instabilität angezeigt wird. In der Praxis kann die Steuerfunktion G_C(s) frequenzabhängig gemacht werden, so daß sie gegen die Phasenverschiebung in der Anlagenübertragungsfunktion G_P(s) wirkt oder diese kompensiert. Ein typisches Verfahren zur Auswahl der Steuerverstärkung G_C(s) zur Kompensierung einer beliebigen Anlagentransferfunktion ist es, einen frequenzabhängigen Integrator zu verwenden gemäß

Die Leistung des Regelsystems kann dann einfach, aber zweckdienlich mit k charakterisiert werden, wobei k als "Ansprechfaktor" bezeichnet wird, der beschreibt, wie schnell das Eingangssignal I_p auf den Fehler (m-M) anspricht gemäß

In der Praxis ist es wünschenswert, den Ansprechfaktor k so groß wie möglich zu machen und gleichzeitig damit Stabilität zu erreichen.

Ein spezielles Problem, welches die Erfinder bei Maschinensteuerungen gefunden haben, ist es, daß, wenn die Werkzeugmaschine durch eine Anlagenübertragungsfunktion G_P(s) repräsentiert wird, die zeitabhängig und insbesondere ihre Größe sogar bei sehr geringen Frequenzen in hohem Grade variabel ist, so daß der optimale Wert für k in Gleichung (4-5) auch zeitabhängig ist. Die Erfinder haben erkannt, daß, obwohl dies für Werkzeugmaschinen zutrifft, welche als Ausführungsbeispiele eines für Werkzeugmaschinen angepaßten Steuersystems oben beschrieben sind, es andere zeitabhängige Systeme gibt, bei denen das Steuersystem der Erfindung von Nutzen ist.

Wie in Fig. 10B dargestellt ist, kann die Erfindung gemäß dem Verfahren nach Fig. 10A durch Verwendung einer Recheneinheit 73, die anstelle eines Differenz- oder Fehlervergleiches einen Verhältnisvergleich vornimmt, an beliebige Anlagen 70 angepaßt werden. Ein Fehlersignal kann zweckmäßig erzeugt werden, indem der Zielwert m durch das Ausgangssignal M dividiert wird, anstelle das Ausgangssignal M vom Zielwert m abzuziehen. In Fig. 10B ist die Recheneinheit 73 mit der Anlage 70 und mit dem Sollwert oder Zielwert m über Sampler S₁, S₂, S₃ und S₄ verbunden. Die Sampler S₁, S₂, S₃, S₄ erzeugen eine Verzögerungsfunktion, so daß das Ausgangssignal I′_p der Recheneinheit 73 nie direkt zum Eingangssignal I_po zurückgeführt wird. Vorzugsweise werden die Eingangssampler S₁, S₂ und S₃ periodisch in Oppositionsphase zum Ausgangssampler S₄ geschaltet, wobei die Sampling- Periode mit Δt bezeichnet ist. Die Kombination der Recheneinheit 73 und der Sampler S₁-S₄ kann in einer iterativ arbeitenden, rechnergestützten numerischen Steuereinheit mit Ausführungsprogramm (wird beschrieben) ausgeführt sein, wobei die numerische Steuereinheit Eingangs- und Ausgangs- A/D- und -D/A-Konverter aufweist, wie in Fig. 7 bei 48 und 49 gezeigt.

Um die Funktionen der Recheneinheit 73 auszuführen, wie sie in Fig. 10B gezeigt sind, wird das in Fig. 10C dargestellte Verfahren von einer numerischen Steuereinheit ausgeführt. Der erste Schritt P₁ für die numerische Steuereinheit ist es, einen Anfangswert für das Eingangssignal I′_p anzunehmen und einzugeben. Nach einer Verzögerungszeit für das Ausgangssignal M der Anlage 70 als Antwort auf den Eingangswert I′_p, wie in Schritt P₂ gezeigt, stellt die numerische Steuereinheit in Schritt P₃ den Sollwert m und den Ausgangswert M fest. In Schritt P₄ stellt die numerische Steuereinheit ihren Wert I′_p durch das Verhältnis des festgestellten tatsächlichen Wertes m_o, dividiert durch den festgestellten Wert des Systemausgangsparameters M_o, fest. In Schritt P₅ wird dieser festgestellte Wert an die Anlage 70 ausgegeben. Der iterative Kreis wird vervollständigt durch Rückkehr zum Schritt P₂, um auf den Ausgangswert (Systemausgangssignal) M zu warten und so eine Antwort auf das neue Eingangssignal I′_p zu erhalten, bevor fortgeschritten wird.

Um das iterative Steuersystem und das Verfahren gemäß Fig. 10B und 10C mit dem bekannten System der Fig. 10A zu vergleichen, kann der algebraische Vergleich der Rechnergleichung der numerischen Steuereinheitsgleichung in Schritt P₄ mathematisch in eine Differentialform umgekehrt werden, um zu einem subtraktiven Ausdruck für den Fehler zu belangen:

Die in Fig. 10B dargestellte Ausführungsform ist damit im Ergebnis, jedoch nicht im Verfahren oder in der Vorrichtung etwa analog zu einem subtraktiven Fehler-, Integrations- Regler; aber in überraschendem Gegensatz zu einem derartigen integrativen Regler wird bei der vorliegenden Erfindung ein Ansprechfaktor k_a erhalten, der automatisch umgekehrt proportional zur Verstärkung G_p≈G_p(s) bei s=0 gemacht wird, d. h., für einen niedrigen Frequenzbereich der Anlagenübertragungsfunktion G_p(s). Etwas überraschend ist der Ansprechfaktor k_a für die Vorrichtung gemäß Fig. 10B auch umgekehrt proportional zur Sampling-Periode Δt. Das kann in manchen Fällen unerwünscht sein, da man Δt so klein wie möglich machen möchte, um eine nahezu kontinuierliche Änderung des Wertes des Eingangssignals I_p der Anlage 70 zu erhalten. Auf der anderen Seite wird gemäß Fig. 10B theoretisch jeder Fehler in einem einzigen Iterationsschritt beseitigt (im Gegensatz zum Integrator der Fig. 10A) und sollte nach nur wenigen Iterationsschritten zu voller Übereinstimmung der Ist-Werte mit den Soll-Werten der Steuerparameter führen.

Um die Vorteile der Erfindung zu erhalten und gleichzeitig ein kurzes Sampling-Intervall Δt zu ermöglichen, kann das Verfahren gemäß Fig. 5B und die Vorrichtung gemäß Fig. 5C verwendet werden. Mit diesem Verfahren wird die Wirkung der Sampling-Periode Δt auf den Ansprechfaktor k_a eliminiert. Damit wird Gleichung (4-12) anwendbar, wobei der Ausdruck Δt entfernt ist. Der Ansprechfaktor k_a wird tatsächlich automatisch umgekehrt proportional zu der Prozeßtransferfunktion, wobei Q_m als Prozeßeingangssignal und Q_c als Eingangsbefehl für die Einstellvorrichtung 33b genommen wird. Da die Itertionsperioden nun sehr kurz sein können, kann die Vorrichtung gemäß Fig. 5C bei der Steuerung eines gegebenen Prozesses so eingerichtet werden, daß die Gesamtverzögerung des Regelkreises geringer ist als die in der Vorrichtung gemäß Fig. 10B.

Als andere Alternative zur Sicherung eines wirksamen Ansprechfaktors, der umgekehrt proportional zur Anlagenverstärkung jedoch kurze Sampling-Perioden Δt ermöglicht, kann die Recheneinheit 73 in Fig. 10B modifiziert werden, um auch eine Interpolation oder eine digitale Filterfunktion zu ermöglichen, beispielsweise gemäß

oder äquivalent

wobei N für eine vom Benutzer ausgewählte Anzahl von Sampling- Perioden steht, die erforderlich ist, um den Arbeitspunkt für die Anlage wirksam zu bestimmen. Die Gleichungen (4-13) und (4-14) können in eine Differentialform umgewandelt werden um zu zeigen, daß der Ansprechfaktor k_an für die Interpolation oder den Filterprozeß umgekehrt proportional reduziert wird auf das Produkt von Δt und N gemäß

Daraus ist ersichtlich, daß der Ansprechfaktor k_an beliebig klein gemacht werden kann, indem N möglichst groß gewählt wird. In der Praxis können auch andere Interpolations- und digitale Filtermethoden verwendet werden, wie sie weiter unten in Verbindung mit dem Unterprogramm FILTER der Fig. 13F beschrieben ist, welches allgemein mit 210 bezeichnet ist.

Es sei angemerkt, daß der numerische Steuerschritt P₄ gemäß Fig. 10C in Differentialform gebracht werden kann, wodurch der arithmetische Vergleich explizit wird gemäß

Für die Interpolation lautet der Schritt P₄ in dem numerischen Verfahren

oder äquivalent in einem einzigen Schritt

Die Summierung der Gleichungen (4-1) bis (4-21) zeigt, daß mit dem Verhältnis-Steuerverfahren der vorliegenden Erfindung ein Regleransprechfaktor gegeben wird, der sich automatisch ändert, um umgekehrt proportional zur Übertragungsfunktion der gesteuerten Anlage 70 zu sein - zumindest für Null oder die unteren Frequenzbereiche. Wenn die Anlagenverstärkung und die Übertragungsfunktion wie hier unvorhergesehen zeitabhängig sind, hält diese umgekehrte Änderung des Reglerverhaltens die Systemparameter in Übereinstimmung mit dem Sollwert. Bei Verständnis dieser vorteilhaften Arbeitsweise ist ersichtlich, daß das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dieselbe Art von Leistungsergebnissen liefert, wie ein subtraktives Filtersystem (Fig. 10A), wobei ein Regler (Steuerung) 72 einen Integrator aufweist, der automatisch seinen Integrationsfaktor k_a zeitlich variiert, so daß letzterer immer umgekehrt proportional zur Anlagenübertragungsfunktion gehalten wird.

Das Merkmal der Übergehung gemäß Fig. 9 kann natürlich bei jeder Ausführungsform der Erfindung angewendet werden. Dies wurde in der allgemeinen Darstellung der Fig. 10D gezeigt, bei der die Recheneinheit 73′ auch auf von der Bedienungsperson eingestellte Werte des Skalierungsfaktors k_s anspricht, indem das Verhältnis von I_po und I_pco für Skalierung des Primärsollwertes m_o genommen wird, um zu einem effektiven Sollwert m′ zu kommen. Um die Verwendung des Merkmals der Übergehung für jede Art der Rechnersteuerfunktion f_n zu verallgemeinern, wird in Fig. 10E mathematisch davon ausgegangen, daß der Sollwertausdruck der Steuerfunktion f_n mit dem Produkt

aller Skalierungsfaktoren ks_n skaliert wird. Dies ist eine hinreichende Bedingung, um zu gewährleisten, daß eine Änderung des Skalierungsfaktors ks_n das Systemausgangssignal M mit demselben Skalierungsfaktor ks_n skaliert, da im linearen Fall das Ausgangssignal M anfänglich mit dem Faktor ks_n skaliert wird und eine lineare Änderung von M_o der Rechnerfunktion f_n durch eine lineare Änderung von m_o der Funktion ausgeglichen wird, so daß die Werte I′_pn sich nicht ändern. Ein bemerkenswertes Merkmal des Systems der Fig. 10E ist es, daß, selbst wenn die Iterationszeit Δt sehr lang ist, das Systemausgangssignal M sofort auf Einstellungen der Übergehungssteuerung ks reagiert und daß die Recheneinheit 73″ auf jede Änderung der Verstärkung des Systems 70′ und Zuteilung der Steuersignale I_p1 . . . I_pN, welche durch die Verhältnisse der jeweiligen Skalierungsfaktoren ks_₁ . . . ks_N ausgewählt sind, reagiert.

V. Ausführungsbeispiel eines adaptiven Steuerverfahrens zur Steuerung der Schneidwerkzeugspitzenleistung in einer Drehmaschine

Nachdem die Erfindung hinsichtlich ihrer Funktion allgemein beschrieben ist, ist ersichtlich, daß sie bei einer Vielzahl spezieller Ausgestaltungen eingesetzt werden kann. Um darzustellen, wie eine spezielle Ausführungsform sich aus der allgemeinen funktionellen Beschreibung ableitet, wird eine bevorzugte Ausführungsform für die adaptive Steuerung der Schneidwerkzeugspitzen-Ist-Leistung einer drehenden Maschine im einzelnen beschrieben. Mit anderen Worten werden die funktionellen Beschreibungen, wie sie in den Fig. 2 bis 9 dargestellt sind, genau definiert durch die Beschreibung eines speziellen adaptiven Steuerverfahrens für dessen Speicher 60, welches in der numerischen Steuereinheit 50′ der Fig. 8 ausgeführt werden kann. Auch die in Fig. 9 dargestellten gemischten Signale MISC werden im einzelnen beschrieben, einschließlich eines weichen Ineingriffnehmens und Außereingriffkommens sowie der Werkzeugüberwachungsfunktionen, wie der Feststellung eines Werkzeugbruches, der Werkzeugabnutzung und des Werkzeugschutzes.

Die Verbindung zwischen dem Benutzer und der beispielsweisen Ausführungsform ist die Bedienungsstation 45 in Fig. 7, welche ein Tastenfeld 91, einen Kathodenstrahlröhrenschirm 92 und ein Übergehungssteuerungs-Schaltfeld 93 aufweist, welches in Fig. 11 dargestellt ist. Die Bedienungsperson wird darüber informiert, ob die adaptive Steuerung 53′ in Betrieb ist oder nicht und erhält die numerischen Werte der Bearbeitungsleistung als HP_m-, HP_v-, HP_a-, HP_e- und HP_cut- Durchschnittswerte entsprechend den Reihen MTR, VEL, ACC, IIR und CUT in Fig. 11. Zu SFM gehören die Variablen SFM_min, SFM_o, SFM_max, HP_dp und HP_d entsprechend den Reihen MIN, ACT, MAX, PROG HP und DES HP in Fig. 11. Zu IPR gehören die Parameter IPR_min, IPR_o, IPR_max und RPM gemäß den Reihen MIN, ACT, MAX und RPM in Fig. 11.

Gleichfalls von Bedeutung für den Aufbau der beispielsweisen Ausführungsform für das Steuerverfahren ist die zeitliche Abstimmung der Systemeingangssignale und Ausgangssignale und der Sollwerte beim Prüfvorgang (sampling). Wie in Fig. 12 dargestellt ist, werden die Steuereingangssignale IPR_c und SFM_c alle zwei Sekunden auf den neuesten Stand gebracht. Bei einer Drehmaschine wird nach einer Zeitverzögerung von einer Sekunde, welche für die Reaktion auf Änderungen der Eingangssignale erforderlich ist, die gemessene elektrische Leistung HP_m an 16 Punkten, die 64 Millisekunden beabstandet sind, gemessen, um einen Durchschnittswert zu bilden, der für die Berechnungen in der adaptiven Steuerung 53′ geeignet ist. Nachdem man die gemessene elektrische Leistung HP_m erhalten hat, wird der gewünschte Sollwert HP_d mit der an der Schneidwerkzeugspitze auftretenden Leistung HP_cut verglichen, welche durch Korrektur aus der gemessenen elektrischen Leistung HP_m abgeleitet wird, und dann werden die Steuereingangssignale IPR_c und SFM_c so eingestellt, daß sie die an der Schneidwerkzeugspitze auftretende Leistung (Schneidleistung) HP_cut in Übereinstimmung mit dem gewünschten Sollwert HP_d bringen.

In seiner allgemeinen Form ist das adaptive Steuerungsverfahren durch ein Hauptausführungsprogramm gekennzeichnet, welches einen iterativ arbeitenden adaptiven Steuerablauf aufweist, wie er in Fig. 13A dargestellt ist. Das Ausführungsprogramm beginnt, wenn die Drehmaschine angeschaltet wird oder wenn ein Auslöseschalter betätigt wird. Der erste Schritt 100 der numerischen Steuereinheit ist eine Anzeige asuf der Kathodenstrahlröhre des Bedienungsterminals, daß das System bereit ist. Dann folgt in Schritt 101 der numerischen Steuereinheit ein kontinuierliches Abfragen des Zyklusstartschalters, der normalerweise in Werkzeugmaschinen verwendet wird. Wenn die numerische Steuereinheit in Schritt 102 feststellt, daß der Zyklusstartschalter niedergedrückt ist, ist damit bekannt, daß der Maschinenbediener ein Werkstück 12 in die Drehmaschine eingesetzt und ein Schneidwerkzeug 10 genau in den Werkzeughalter 19 eingesetzt und eingestellt hat. Dann betätigt die numerische Steuerungseinheit anfänglich in Schritt 103 eine Anzahl von Software- Schaltern (d. h. flags) und Akkumulatoren auf Anfangswerte und ermöglicht Unterbrechungen, welche Hintergrundfunktionen ausführen, welche kontinuierlich und wiederholt in 64-Millisekunden- und 32-Millisekunden-Intervallen ausgeführt werden. Diese Software-Schalter und Akkumulatoren sind speziell der Adaptivsteuerungs-Betriebsartenwahlschalter AC, der eine Möglichkeit gibt, den adaptiven Regelkreis bei einem ungenauen Werkzeugzustand zu unterbrechen, der Zustellhalteschalter FH, der die Unterbrechungsprogramme veranlaßt, die Zustellbewegung zu unterbrechen, ein programmkonstanter Bestimmungsschalter für die Geschwindigkeit PCDV, der die Unterbrechungsprogramme veranlaßt, die Geschwindigkeitskonstanten Ms und B zu bestimmen, der Programmkonstanten- Bestimmungs-Beschleunigungsschalter PCDA, der die Unterbrechungsprogramme veranlaßt, das Trägheitsmoment J zu berechnen, der Zähler NC, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob eine hinreichend große Anzahl anfänglicher Schneidleistungsprüfungen vorliegt zur Verwendung als Schwelle für die Werkzeugüberwachung, ein Index PPROG für einen laufenden Block im Teilprogrammspeicher, ein Schalter NEWB, der verwendet wird um zu bestimmen, ob ein neuer Block aus dem Teilprogrammspeicher gelesen werden muß und die Anfangswerte SFM_c und IPR_c vn SFM und IPR. Alle diese Software-Schalter und Akkumulatoren werden abgeschaltet oder auf Null gestellt mit Ausnahme des AC-Schalters, der eingeschaltet ist, wobei SFM_c und IPR_c auf Null gestellt sind, für die Bestimmung der Anfangsprogrammkonstanten und mit Ausnahme der Software-Schalter NEWB für einen neuen Block und NEWT für ein neues Werkzeug, die eingeschaltet sind, so daß der erste Teilprogrammblock gelesen wird und daß der Schneidwirkungsgradfaktor CEFR für das neue Werkzeug gemessen wird.

Nachdem die Unterbrechungen ermöglicht sind, wird das Unterprogramm PCD in Schritt 104 abgerufen, um das Trägheitsmoment J, die Reibungsneigungskonstante Ms und die Reibungsschnittpunktkonstante B zu bestimmen. Wenn diese Anfangskonstanten bestimmt sind, werden die Berechnungen der adaptiven Steuerung in Schritt 105 ausgeführt, indem die laufenden Werte der Drehgeschwindigkeit RPM_m, die Ist-Stellungskoordinaten der Schneidwerkzeugspitze XAP, ZAP und die vom Benutzer eingestellten Übergehungsfaktoren KI_o und KS_o eingegeben werden. Der gewünschte Sollwert HP_d wird als ein Produkt eines programmierten Sollwertes HP_dp und der vom Benutzer eingestellten Übergehungsfaktoren KI_o und KS_o berechnet. Dann wird die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c (die einen laufenden befohlenen Wert Q_c in Gleichung (3-9) bildet) als Produkt von IPR_c und SFM_c berechnet, welches durch das Verhältnis von HP_d und AVHP_cut eingestellt ist (der letzte Ausdruck steht für die bestimmte Ist-Schneidwerkzeugspitzenleistung). Da IPR_c und SFM_c verwendet werden, um die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c in Schritt 105 gemäß Fig. 13A zu berechnen, wird besser das Verfahren gemäß Fig. 5A angewendet als das der Fig. 5B und 5C. Die beispielsweise Ausführung gemäß den Fig. 13A und 13F schließt einen digitalen Filterschritt dein und eine hinzugefügte Zwei-Sekunden-Wartezeit, wie oben bezüglich der Fig. 5A und 10B beschrieben ist.

Wie bei 105 (Fig. 13A) dargestrellt ist, wird das Unterprogramm TEST (Fig. 13B) abgerufen, um die neu berchneten Werte der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c zu verwenden, um die neuen Werte von IPR_c und SFM_c zu bestimmen. Die adaptive Steuerfunktion 105 wird dann mit einer Zwei-Sekunden-Verzögerung beendet, bevor die Schleife durch eine Prüfung des AC-Schalters in Schritt 106 geschlossen wird. Normalerweise erfolgen sukzessive Durchgänge durch die Stufen 105 und 106 bei der Bearbeitung eines Teils. Wenn jedoch der AC-Schalter abgetastet ist, was durch den Eingriff der Bedienungsperson oder eine automatische Unterbrechung infolge Werkzeugbruches usw. der Fall sein kann, wird ein "System bereit" unmittelbar in Schritt 107 angezeigt. In Schritt 108 wird der Zyklusstartschalter abgefragt, und wenn er (durch eine Bedienungsperson) in seine Schließstellung gebracht ist, wird dies in Schritt 109 festgetellt, um am Eingang von Punkt 110 den AC-Steuerkreis wieder zu starten, worauf der AC-Schalter beim Schritt 111 eingeschaltet wird und die Berechnungen der adaptiven Steuerung in Schritt 105 wiederholt werden.

Wie weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 5B und 5C beschrieben ist, ist es vorteilhaft und bevorzugt, Q aus den Ist-Werten von IPR_m und SFM_m zu berechnen. Die beiden letzten physikalischen Variablen können einfach aus Wandlersignalen berechnet werden, die die festgestellten Werte der Ist-Zustellgeschwindigkeit F_m, der Ist-Drehgeschwindigkeit RPM_m und der Ist-Radiusposition des Schneidwerkzeugspitzenortes (hier die X-Achsenstellung XAP), gemessen relativ zur Werkstücksdrehachse, wiedergeben. Die bevorzugte Ausführungsform ist praktisch ausgeführt, indem das Verfahren des Schrittes 105 (Fig. 13A) durch das im Schritt 105′ in Fig. 13A′ gezeigte ersetzt ist.

Die aktuelle Zustellgeschwindigkeit kann beispielsweise mittels eines Tachometers festgestellt werden, der von der Zustelleitspindel angetrieben wird oder vorzugsweise mittels eines aktuellen Prüfwertes der Stellungssensoreinrichtung, um F_m als Stellungsänderung über ein bekanntes Prüfintervall zu erhalten. In einigen Fällen ist die zuvor befohlene Zustellgeschwindigkeit F_c eine annehmbare Schätzung der aktuellen Zustellgeschwindigkeit, wie in Gleichung (3-6) angenommen ist. Ein Tachometer oder ein RPM-Digitalisierer ist als Quelle für die gemessenen Signale RPM_m geeignet. Der gemessene Wert IPR_m wird einfach berechnet als F_m/RPM_m. Der gemessene Wert SFM_m wird berechnet als 2π · XAP · RPM_m, wobei XAP die radiale Verschiebung R der Schneidspitze von der Werkstücksachse ist. Die neue relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c wird dann, wie in Schritt 105′ dargestellt, gebildet, indem die Werte IPR_m und SFM_m verwendet werden, welche zusammen die tatsächliche oder gemessene Geschwindigkeit Q_m in Fig. 5C bilden. Die neu befohlene Bearbeitungsgeschwindigkeit Q wird erhalten, indem einfach der gemessene Wert Q_m mit dem Verhältnis der Soll-Leistung zur gemessenen, an der Schneidwerkzeugspitze auftretenden Leistung HP_cut multipliziert wird.

Das in Schritt 105 (Fig. 13A) gemessene Zwei-Sekunden-Intervall ist in Schritt 105′ gemäß Fig. 13A′ nicht erforderlich und wird vorteilhaft weggelassen. Es sei in Erinnerung gerufen, daß bei dem Verfahren gemäß Fig. 5A eine Verzögerung verwendet wird, um Stabilität zu gewährleisten, wodurch jedoch die Ansprechgeschwindigkeit der adaptiven Steuerung auf Änderungen der Werkstück- oder Schneidwerkzeugeigenschaften im Schneidbereich (z. B. unvorhersehbare Änderungen vom Schneidwirkungsgradfaktor CEFR) verlangsamt wird. Aber bei den Verfahren gemäß Fig. 5B und 13A′ ist die Empfindlichkeit und Stabilität der adaptiven Steuerung unabhängig von Zeitverzögerungen, und daher kann die absichtliche Erzeugung von Zeitverzögerungen (wie in Fig. 5B) unterbleiben, und die Probezeiten können verkürzt werden, so daß ein Ansprechen der adaptiven Steuerung auf Änderungen im Schneidwerkzeugbereich erzielt wird ohne extreme oder unzulässige Verzögerungen.

Das Unterprogramm TEST ist in Fig. 13B dargestellt. In einem ersten Schritt 119 müssen die beiden Schalter AC und G_ac beide eingeschaltet sein, um neue Werte von SFM_c und IPR_c zu berechnen; andernfalls wird die Durchführung des Programms sofort unterbrochen. Um die neuen Werte von SFM_c und IPR_c zu bestimmen, werden die kritischen Werte oder Schwellen Q₁, Q₂, Q₃ für die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c in Schritt 120 aus den minimalen und maximalen IPR- und SFM-Werten berechnet. Es sei in Erinnerung gerufen, daß diese Werte aus dem Teilprogrammspeicher 51 (Fig. 7) erhalten werden, wie in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 13E erläutert ist. Wenn der neue Wert der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c größer als die oberste Schwelle Q₃ ist, was in Schritt 121 bestimmt wird, dann wird in Schritt 122 der befohlene Wert SFM_c auf den maximalen Wert von SFM eingestellt, und der befohlene Wert IPR_c wird auf den maximalen Wert von IPR eingestellt. In Schritt 122 kann auch eine Mitteilung angezeigt werden, welche darauf hinweist, daß die gewünschte Schneidleistung nicht voll ausgenutzt wird. Wenn die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit Q_c nicht größer ist als die höchste Schwelle Q₃, wird sie mit der zweiten Schwelle Q₂ in Schritt 123 verglichen um zu bestimmen, ob sie zwischen der zweiten Schwelle Q₂ und der dritten Schwelle Q₃ liegt. Wenn sie zwischen diesen beiden Schwellen liegt, dann wird in Schritt 124 der befohlene Wert SFM_c auf SFM_max eingestellt und der befohlene Wert IPR_c auf den befohlenen Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q, dividiert durch SFM_max, eingestellt. Wenn der Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q nicht größer als der zweite Schwellenwert Q₂ ist, wird in Schritt 125 der Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q mit dem untersten Schwellenwert Q₁ verglichen, und wenn er größer als der unterste Schwellenwert Q₁ und daher zwischen dem untersten Schwellenwert Q₁ und dem zweiten Schwellenwert Q₂ liegt, wird in Schritt 126 der befohlene Wert von SFM_c auf den Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q, dividiert durch IPR_min, und der befohlene Wert IPR_c auf IPR_min eingestellt. Aber wenn der Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q nicht größer ist als der niedrigste Schwellenwert Q₁, dann kann der Wert der Bearbeitungsgeschwindigkeit Q nicht durch irgendeine zulässige Kombination dere befohlenen Werte SFM_c und IPR_c gewonnen werden, d. h., in diesem Fall muß der Bearbeitungsprozeß beendet werden. Daher wird in Schritt 127 ein "Zustellungsstop" erforderlich, zusammen mit einer Aktion, die ein Zurückziehen des Werkzeugs 12 und eine Unterbrechung des Antriebs 17 bewirkt. Zu diesem Zweck wird der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME auf Null gestellt, und der Zustellunterbrechungsschalter FH wird eingeschaltet, während der AC-Schalter ausgeschaltet wird. Der Zustellunterbrechungsschalter FH durchläufteine Zustellunterbrechungsanforderung zur 32-mS-Unterbrechung, wo er gemäß Fig. 13D behandelt wird, wie weiter unten beschrieben ist. Wenn er beim Schritt 128 als bedient erkannt wird, geht die Ausführung auf den Schritt 105 in der adaptiven Steuerung in Fig. 13A zurück, und da der Schalter AC der adaptiven Steuerung abgeschaltet ist, wird der adaptive Steuerkreis durch Schritt 106 beendet, bis der Zyklusstartschalter von der Bedienungsperson zurückgestellt ist, was durch die numerische Steuereinheit in Schritt 109 der Fig. 13A festgestellt wird.

Die Bestimmung der Programmkonstanten wird durch das in Fig. 13C dargestellte Unterprogramm PCD ausgeführt. Zunächst wird eine 32-mS-Unterbrechung, wie sie in Verbindung mit Fig. 13D beschrieben ist, angefordert, um schrittweise den Antrieb 17 auf verschiedene Winkelgeschwindigkeiten zu beschleunigen, entsprechend der Beschleunigung in Fig. 23, indem die programmkonstanten Zeitgeber PCTIME und PCSEC auf Null gestellt und der Schalter PCDV für die Geschwindigkeitsprogrammkonstante eingeschaltet wird. Das Unterprogramm PCD wartet dann auf die Anforderung zur Feststellung n Schritt 131, ob der Schalter PCDV abgeschaltet ist. Wenn PCDV abgeschaltet ist, hat das Unterbrechungsprogramm gemäß Fig. 13D die elektrische Antriebsleistung bei einer Anzahl verschiedener Werte von RPM gemessen und in ein Datenfeld der elektrischen Leistung HP_vm eingegeben, die in einem Vektor v gespeichert sind. Dann werden die Reibkonstanten Ms und B aus diesen Datenpunkten mittels eines statistischen Standardverfahrens der kleinsten Fehlerquadrate gemäß den Gleichungen, wie sie in Schritt 132 enthalten sind, bestimmt. Nachdem die Reibneigung Ms und der Schnittpunkt B bestimmt sind, wird die für die Beschleunigung erforderliche Leistung gemäß Schritt 133 berechnet, indem die Programmkonstanten- Zeitgeber PCTIME und PCSET auf Null gestellt und der Beschleunigungsschalter PCDA eingeschaltet werden. Dieses Erfordernis wird durch die Unterbrechung in Fig. 13D behandelt, wobei der Antrieb 17 kontinuierlich beschleunigt wird, wie in Fig. 3B angegeben und weiter unten beschrieben ist, und wenn das Unterprogramm PCD feststellt, daß die Ausführung vollständig durchgeführt ist, indem der Schalter PCDA in Schritt 134 geprüft wird, wird das Trägheitsmoment J in Schritt 135 gemäß Gleichung (2-12) berechnet.

Eine 32-mS-Unterbrechung (Fig. 13D) wird verwendet, um die Zustellunterbrechung auszuführen, die Programmkonstanten zu bestimmen, ein weiches Ineingriff- und Außereingriffkommen zu gewährleisten und den Teilprogrammspeicher 51 zu lesen, die Bewegungswegvektoren zu berechnen und die Achsensteuerung der Schneidwerkzeugzuführung und des (Werkzeugmaschinen) Antriebs 17 zu steuern. Die Zustellunterbrechungs- Funktion wird ausgeführt, wenn der Zustellunterbrechungsschalter FH eingeschaltet ist, was in Schritt 140 festgestellt wird, worauf der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME in Schritt 141 weitergeschaltet wird. Der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME ist in seiner Wirkung ein Programmschrittzähler zur Ausführung einer Zustellunterbrechungsfolge. Daher wird das Ende einer Zustellunterbrechungsfolge bestimmt, indem der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME in Schritt 142 mit einer Endzeit FEND verglichen wird, und wenn die Endzeit FEND erreicht ist, wird der Zustellunterbrechungsschalter FH in Schritt 143 abgeschaltet, um das Unterbrechungsverfahren zu beenden, wobei der Zustellunterbrechungsschalter FH ausgeschaltet wird und das Unterbrechungsverfahren zu Schritt 128 in Fig. 13B zurückgebracht wird, wodurch angezeigt wird, daß die Zustellunterbrechungsfolge vollständig ausgeführt ist. Wenn jedoch der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME einen Wert aufweist, der geringer als die Endzeit FEND ist, wird das Schneidwerkzeug 10 aufgrund des Zustellunterbrechungszeitgebers FTIME aus dem Werkstück 12 zurückgezogen, um den Bearbeitungsvorgang zu unterbrechen. Das einfachste Verfahren, das Schneidwerkzeug 10 aus dem Werkstück 12 zu ziehen, ist es, die Richtung der Schneidwerkzeugzustellung durch Umkehrung der Bewegungswegvektoren I_p und J_p umzukehren, wie in Schritt 144 dargestellt ist. Auch die befohlene Geschwindigkeit RPM_c der Zustellung IPR_c wird auf den Wert IPR_min eingestellt, so daß die Rückstellgeschwindigkeit konstant ist. Wenn der Zustellunterbrechungszeitgeber FTIME eine Unterbrechungszeit FSTOP erreicht, werden die Zustellung und der Antrieb durch Einstellung von IPR_t und SFM_c auf Null unterbrochen, so daß das Schneidwerkzeug 10 um ein im wesentlichen konstantes Stück vom Werkstück 12 zurückgezogen wird. Die tatsächliche Rückzugsbewegung des Schneidwerkzeugs 10 wird der Einfachheit halber in Schritt 145 durch das Unterprogramm AXIS ausgeführt.

Die Unterbrechung von 32 mS gemäß Fig. 13D setzt auch den Anfangszyklus der Werkzeugmaschine in Gang, wobei das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff ist, gemäß dem Winkelgeschwindigkeitsprofil der Fig. 3A und 3B, um die Programmkonstante zu bestimmen. Wenn bei der Unterbrechung festgestellt wird, daß entweder der Beschleunigungsschalter PCDA oder der Geschwindigkeitsschalter PCVD eingeschaltet ist, werden in Schritt 150 die Programmkonstanten-Zeitgeber PCTIME und PCSEC eingesetzt, so daß der Zeitgeber PCSEC die Anzahl der Sekunden entweder für die schrittweise Beschleunigungsfolge gemäß Fig. 3A oder die kontinuierliche Beschleunigungsfolge gemäß Fig. 3B durch Ausführung der Inkrementierung und Vergleiche der Schritte 151, 152, 153, 154 und 155 angibt. Aus diesen Schritten ist ersichtlich, daß der Programmkonstanten-Zeitgeber PCTIME jedes Mal, wenn der Sekundenzähler PCSEC einen Zuwachs erhält, 32 Unterbrechungsintervalle auszählt.

Der Geschwindigkeitsschalter PCDV wird in Schritt 156 geprüft, und wenn er eingeschaltet ist, wird die schrittweise Geschwindigkeitsbeschleunigungsfolge ausgelöst. Der Sekundenzähler PCSEC wird in Schritt 158 mit einer Endzeit PVEND verglichen um festzustellen, ob die Geschwindigkeitsfolge beendet ist, und wenn dem so ist, werden die Schalter Beschleunigungsschalter PCDA und Geschwindigkeitsschalter PCDV zur Programmkonstantenbestimmung in Schritt 157 abgeschaltet. Aber wenn der Sekundenzähler PCSEC eine geringere Zeit enthält als die Endzeit PVEND, wird der Geschwindigkeitsschalter PCVD geprüft um zu bestimmen, ob die schrittweise Beschleunigung für die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten erforderlich ist, wie in Schritt 158 gezeigt. Wenn der Geschwindigkeitsschalter PCDV eingeschaltet ist, nimmt die Antriebsgeschwindigkeit in Zehnsekundenintervallen schrittweise gemäß Schritt 159 zu. Die Zehnsekundenintervalle können einfache geprüft werden, indem bestimmt wird, ob der Wert im Sekundenzähler PCSEC durch zehn dividierbar ist, und wenn dies zutrifft, wird die laufende Drehgeschwindigkeit gemessen und in ein Geschwindigkeitsdatenfeld v gegeben, wobei der Zehnsekundenzähler IPSEC als Index verwendet wird, und die Leistung infolge Reibung, die koinzident mit der Geschwindigkeit ist, wird berechnet und in das Datenfeld der Leistung HP_vm gegeben, wobei gleichfalls der Zehnsekundenzähler IPSEC als Index verwendet wird. Es sei angemerkt, daß die Leistung infolge reibender Bewegung bzw. Geschwindigkeit gerade dem Durchschnitt der gemessenen Leistung AVHP_m minus der durchschnittlichen Leistung, die im elektrischen Antriebsmotor infolge des effektiven Widerstandes der Motorwicklung AVHP_e verlorengeht, entspricht. Diese Durchschnittswerte werden in dem 64-Millisekunden-Unterbrechungsprogramm der Fig. 13G berechnet, welches weiter unten beschrieben ist. Nachdem das Geschwindigkeitsdatenfeld v und das Datenfeld der Leistung HP_vm infolge Geschwindigkeit auf den neuesten Wert gebracht sind, wird die befohlene Geschwindigkeit RPM_c schrittweise auf das nächste Niveau gehoben, wie dies in einem vorbestimmten Konstantenfeld PVRPM programmiert ist, wobei wiederum der Wert des Sekundenzeitgebers IPSCE als Index benutzt wird. Die befohlene Geschwindigkeit RPM_c wird dann in Schritt 160 ausgegeben, um den Antrieb 17 zu beschleunigen.

Während die Bestimmung der Reibkonstanten MS und B eine schrittweise Änderung der Drehgeschwindigkeit erfordert, erfordert die Bestimmung des Trägheitsmomentes J eine kontinuierliche Beschleunigung, welche positiv oder negativ sein kann. Zu diesem Zweck wird der Beschleunigungsschalter PCDA während jeder der 32-mS-Unterbrechungszeiten in Schritt 170 geprüft. Dann wird das Sekundenzeitglied PSEC in Schritt 171 mit der Endzeit PAEND verglichen, um festzustellen, ob die Beschleunigungsfolge vollständig ist. Wenn sie nicht vollständig ist, wird gemäß der bevorzugten Beschleunigungsfolge der Fig. 3B für einen Gleichstromantriebsmotor der Antrieb unterbrochen und, indem letzterer durch Schritt 172 der 32-Millisekunden-Unterbrechung läuft, wird der Gleichstromantriebsmotor schrittweise auf ein maximales RPM, RPMH gebracht, welches größer ist als die Basisgeschwindigkeit BS des Motors. Die gemessenen Werte HP_am, RPM_am und ACC_am werden auch betimmt, solange die Drehgeschwindigkeit RPM_m geringer ist als die Basisgeschwindigkeit BS. Die Nettoleistung HP_am, die auf die träge Masse des Werkzeugmaschinenatriebs übertragen wird, wird berchnet, indem der Leistungsverlust HP_e durch den elektrischen Widerstand dere Antriebsmotorwicklung und der Leistungsverlust HP_v infolge mechanischer Reibung des Werkzeugmaschinenantriebs von der gemessenen elektrischen Leistung HP_m abgezogen wird, die vom Antriebsmotor verbraucht wird. Es sei angemerkt, daß, wenn die Beschleunigungsfolge ausgeführt ist, die gemessenen Werte HP_am, RPM_am und ACC_am den Werten entsprechen, wie sie gemessen wurden, kurz bevor die RPM die Basisgeschwindigkeit BS überschreitet. Damit ist der Berechnungsvorgang der Programmkonstanten des Werkzeugmashinenantriebs während der 32-Millisekunden-Unterbrechung beendet.

Es wird nun auf Fig. 13E Bezug genommen, welche eine Fortsetung der 32-Millisekunden-Unterbrechung darstellt, wie durch das oben zu sehende Verbindungsglied angedeutet ist, das den Fig. 13D und 13E gemeinsam ist, und es ist zu sehen, daß der neue Block-Schalter NEWB in Schritt 180 geprüft wird. Wenn der Block-Schalter NEWB eingeschaltet ist, wird der Teilprogrammspeicher 51, der als ein PPMEM bezeichnetes Feld betrachtet wird, im Schritt 181 in alle Speicherstellen, welche den nächsten Block darstellen, eingelesen. Der "Offset-Index" des Teilprogramm-Speicherfeldes PPMEM, der Blockoffset BLKOFST, wird als das Produkt einer Blocknummer PPROG und der Nummer NBLK der Teilprogrammstellen per Block berechnet. Der Wert des Teilprogrammspeichers 51 des Blockoffsets BLKOFST ist die erste Blockkonstante im Block, welche die Z-Koordinate ZCRP der gewünschten Endstellung ist. Wenn die Z-Koordinate gelesen ist, ist es auch wünschenswert, eine Anfangs-Z-Koordinate zu speichern, welche die alte Z-Koordinate ZCEP sein kann, aber wie dargestellt, ist es zweckmäßiger, die tatsächliche Stellung ZAP als Anfangskoordinate Z_in zu speichern. In ähnlicher Weise wird die nächste Ziel-X-Koordinate XCEP an der Stelle BLKOFST+1 gelesen, und in ähnlicher Weise werden die anderen Blockkonstanten, die allgemein als Feld C dargestellt sind, an zunehmenden Stellen des Teilprogrammspeichers PPMEM gelesen. Diese anderen Konstanten schließen beispielsweise das obere IPR-Betriebsniveau IPR_max, das unterste IPR-Betriebsniveau IPR_min, den obersten SFM-Betriebswert SFM_max, den untersten SFM-Betriebswert SFM_min, der programmierte Sollwert (Soll-Leistung) HP_dp, den inkrementalen Anfangsabstand Ap, den inkrementalen Endabstand Bp, das AC-Kennzeichen G_ac, das Kennzeichen G_soft für die weiche Ineingriffnahme (Weichschalter), das Kennzeichen G_tm für die Werkzeugüberwachung, das Kennzeichen G_tb für den Werkzeugbruch und den minimalen Faktor des Schneidwirkungsgrades CEFR, das Kennzeichen G_tp für den Werkzeugschutz und den maximalen Faktor des Schneidwirkungsgrades CEFR und das Kennzeichen G_tw für die Werkzeugabnutzung sowie den AVCFR-Faktor C_tw ein. Alternativ können diese Kennzeichen und Konstanten in der bekannten modalen Weise gehandhabt werden; d. h. nur Änderungen des Logikzustandes der Kennzeichen oder geänderte Werte der Blockkonstanten sind im Teilprogrammspeicher PPMEM programmiert.

In Schritt 182 werden die Wegvektoren I_p und J_p und die resultierende Weglänge PATH aus den Unterschieden zwischen den Anfangs- und Endkoordinaten berechnet. Um diese Schritte des Lesens und Bearbeitens des jeweiligen Blocks des Teilprogrammspeichers PPMEM auszuführen, wird der neue Block-Schalter NEWB in Schritt 133 ausgeschaltet, so daß der nächste Block nur dann eingelesen wird, wenn er durch das AXIS-Unterprogramm gemäß Fig. 13F abgerufen wird, wie weiter unten beschrieben ist.

A. Die Funktion des weichen Ineingriffnehmens

Die 32-Millisekunden-Unterbrechung ermöglicht auch eine weiche Eingriffsfunktion. Eine der verschiedenen im Teilprogrammspeicher PPMEM gespeicherten Konstanten ist der Weichschalter G_soft, der anzeigt, daß der laufende Wegvektor in der Werkstücksoberfläche ist, wenn das AC-Kennzeichen G_ac auch wegfällt oder daß der Weg aus dem Werkstück 12 heraus verläuft, wenn das Kennzeichen G_ac vorhanden ist. Wenn das Schneidwerkzeug 10 nicht in Eingriff mit dem Werkstück 12 ist, sollte die adaptive Steuerung ausgeschaltet sein, weil die Schneidleistung dann weder von IPR noch von SFM abhängig ist. Es muß daher ein Verfahren gefunden werden, um das Schneidwerkzeug 10 zu Anfang mit dem Werkstück 12 in Eingriff zu bringen und die adaptive Steuerung einzuschalten. Ein vorteilhaftes Verfahren des anfänglichen Ineingriffbringens des Schneidwerkzeuges 10 mit dem Werkstück 12 und des Einschaltens der adaptiven Steuerung besteht darin, SFM mit dem maximalen Wert SFM_max und IPR mit dem minimalen Wert IPR_min zu befehlen und das Schneidwerkzeug 10 genügend tief in das Werkstück 12 zu treiben, um die gemessenen Leistungswerte zu stabilisieren. Der Punkt der ersten Berührung kann entweder durch Kenntnis des Werkstückprofiles oder durch Messen der Zunahme der Schneidleistung HP_cut bei der Prüfung des Schneidwerkzeuges 10 mit dem Werkstück 12 bestimmt werden. Bei dem Ausführungsbeispiel sind beide Verfahren beschrieben. Die adaptive Steuerung wird eingeschaltet, wenn die Schneidwerkzeugstellung (XAP, ZAP) einen bestimmten Abstand A_p von der Anfangsstellung (X_in, Z_in) hat, der durch die Zielkoordinaten (XCEP, ZCEP) des ersten Blockes als Zustellposition der Werkstücksoberfläche programmiert ist. Bei dem Ausführungsbeispiel jedoch wird davon Gebrauch gemacht, daß eine Zunahme der Schneidleistung HP_cut über einen Luftschnitt-Schwellenwert HP_air eingestellt wird, welcher größer ist als der Luft- oder Störwert der Schneidleistung HP_cut, bei der das Schneidwerkzeug 10 außer Eingriff ist, um zu gewährleisten, daß die Messungen der Schneidleistung HP_cut nur dann verwendet werden, wenn das Schneidwerkzeug 10 mit dem Werkstück 12 in Eingriff ist. Die Anfangsmessungen der Schneidleistung HP_cut werden verwendet, um eine Anfangsschneidleistung HP_incut zu berechnen, welche ihrerseits verwendet wird, um eine relative Schneidwirksamkeit CEFR_in zu berechnen. Diese anfängliche relative Schneidwirksamkeit CEFR_in wird verwendet, um einen Werkzeugbruch oder eine Werkzeugabnutzung festzustellen und das Schneidwerkzeug 10 vor übermäßigen Einschaltkräften zu schützen, wie weiter unten in Zusammenhang mit der Werkzeugüberwachungsfunktion beschrieben ist.

Wie in Fig. 13E dargestellt ist, ist die weiche Eingriffsfunktion ausgewählt, wenn das Kennzeichen G_ac der adaptiven Steuerung nicht vorhanden ist, was in Schritt 184 festgestellt wird und wenn das Kennzeichen G_soft des weichen Eingriffes vorhanden ist, was in Schritt 185 festgestellt wird. Der Abstand von den Anfangskoordinaten (X_in, Z_in) wird in Schritt 186 berechnet. In Schritt 187 wird die durchlaufende Strecke DGONE mit einer vorprogrammierten Anfangsschneidstrecke Ap verglichen, welche eine der verschiedenen Konstanten G(i) ist, die aus den Teilprogramm-Speicherblocks gelesen werden, um zu bestimmen, ob ein Anfangsschneidschritt erfolgt. In Schritt 188, welcher auch ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des Beginns eines ersten Schneidens darstellt, wird die Schneidleistung HP_cut mit einem Luftschnitt-Schwellenwert HP_air verglichen, und wenn die Schneidleistung HP_cut geringer ist als der anfängliche Luftschnitts-Schwellenwert HP_air, wird ein Prüfungszähler NC in Schritt 189 auf Null gestellt, da die gemessene Schneidleistung HP_cut wahrscheinlich ein Laufen außerhalb des Werkstückes 12 in Luft anzeigt und nicht ein Bearbeiten des Werkstückes 12. Sonst läuft der Prüfungszähler NC weiter wie in Schritt 190 dargestellt. In jedem Fall wird während des Anfangsschnittes in das Werkstück 12 der befohlene SFM_c auf seinen Maximalwert SFM_max und das befohlene IPR_c auf seinen minimalen Wert IPR_min gestellt, wie in Schritt 191 dargestellt ist. Wenn der Schritt 187 anzeigt, daß die durchlaufene Strecke DGONE größer ist als die vorprogrammierte Anfangsschneidstrecke Ap, wird die adaptive Steuerung eingeschaltet, indem der Schalter G_ac eingeschaltet wird, und der weiche Eingriff wird durch Einschalten des Weichschalters G_soft in Schritt 192 eingeleitet.

Eine anfängliche relative Schneidwirksamkeit CEFR_in wird im allgemeinen mit 193 bezeichneten Schritt bestimmt, indem zunächst eine Anfangsschneidleistung HP_incut berechnet und dann die anfängliche relative Schneidwirksamkeit CEFR_in berechnet wird als die Anfangsschneidleistung HP_incut dividiert durch das Produkt der Steuerwerte SFM_o und IPR_o. Die Steuerwerte SFM_o, IPR_o werden anstelle der befohlenen Werte von SFM_c und IPR_c verwendet, da für konstante SFM_c und IPR_c eine Änderung der Übergehungssteuerung die Schneidleistung HP_cut, nicht jedoch das Verhältnis der Anfangsschneidleistung HP_incut dividiert durch die Steuerwerte SFM_o und IPR_o ändert. Für die Berechnungen der Schneidwirksamkeit CEFR bzw. des Schneidwirksamkeitsgrades wird angenommen, daß die Steuerwerte SFM_o und IPR_o sich nicht momentan ändern und daher die Ist-Werte von SFM und IPR darstellen, was durch ein geeignetes Verfahren der Eingabe der Skalierungsfaktoren KI_o und KS_o in die numerische Steuerungseinheit gewährleistet werden kann. Wenn diese vom Benutzer eingestellten Skalierungsfaktoren KI_o, KS_o durch Ablesen von Potentiometern mittels eines Analog/Digital-Wandlers erhalten werden, wird durch die Tatsache, daß die Bedienungsperson die Stellungen der Potentiometer nicht momentan ändern kann, gewährleistet, daß sich die Skalierungsfaktoren KI_o, KS_o nicht plötzlich ändern. Sonst kann ein digitaler Tiefpaß-Filtervorgang hinzugefügt werden, um sicherzustellen, daß die gefilterten Werte SFM_o′ und IPR_o′ sich nicht ändern, was die bevorzugte Methode darstellt. Das AXIS-Unterprogramm, welches in Fig. 13F dargestellt ist, schließt einen derartigen digitalen Filtervorgang ein. Die genauen Schritte, welche allgemein mit 193 bezeichnet sind, sind weiter unten in Verbindung mit dem Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR der Fig. 13H beschrieben.

B. Weiches Außereingriffkommen

Da die adaptive Steuerung nicht genau arbeitet, wenn das Schneidwerkzeug 10 in Luft schneidet, müssen Mittel vorgesehen sein, um sie abzustellen, wenn das Schneidwerkzeug 10 im Begriff ist, durch das Werkstück 12 zu schneiden. Die Erfinder haben gefunden, daß das beste Verfahren zum Außereingriffbringen des Schneidwerkzeuges 10 und des Werkstückes 12 und des Beendens der adaptiven Steuerung, welche sonst eine Beschleunigung bewirken würde, um eine konstante Bearbeitungsleistung aufrechtzuerhalten, ist, festzustellen, wenn das Schneidwerkzeug 10 innerhalb einer vorgegebenen Strecke vor dem Heraustreten aus dem Werkstück 12 ist, und danach die Zustellgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges 10 auf die minimale Zustellgeschwindigkeit IPR_min zu vermindern, während SFM im wesentlichen auf dem laufenden Wert bleibt, bis das Schneidwerkzeug 10 aus dem Werkstück 12 heraustritt.

Wie in Fig. 13E gezeigt ist, wird die Funktion des weichen Heraustretens ausgeführt, wenn das Kennzeichen G_ac der adaptiven Steuerung vorhanden ist, was im Schritt 184 festgestellt wird, und wenn der Weichschalter G_soft für den weichen Eintritt eingeschaltet ist, was in Schritt 195 festgestellt wird. Die Zielkoordinaten (XCEP, ZCEP) sind im Teilprogramm für den Block vorprogrammiert, wobei das AC-Kennzeichen und der Weichschalter G_soft für den weichen Eintritt eingeschaltet sind, um zu signalisieren, daß der Austritt des Schneidwerkzeuges 10 aus der Werkstückoberfläche erwartet wird. Dann wird die zu durchlaufende Strecke DTG vor dem Austreten in Schritt 196 als der Abstand zwischen der tatsächlichen Schneidwerkzeugstellung (XAP, ZAP) und den Zielkoordinaten (XCEP, ZCEP) berechnet. Um zu bestimmen, ob es Zeit zum Abschalten der Steuerung und zum Vermindern des Wertes IPR auf IPR_min ist, wird die zu durchlaufende Strecke DTG mit einem inkrementalen Endabstand B_p in Schritt 197 verglichen und wenn die zu durchlaufende Strecke DTG geringer ist als der inkrementale Endabstand B_p, wird der befohlene Wert IPR_c auf einen Minimalwert IPR_min reduziert, die adaptive Steuerung wird durch Abstellen des Kennzeichens G_ac gesperrt und der Schritt des weichen Ineingriffnehmens wird durch Ausschalten des Weichschalters G_soft beendet, wie im Schritt 198 dargestellt.

Die 32-Millisekunden-Unterbrechungen gemäß den Fig. 13D und 13E wird in Schritt 199 vervollständigt, indem das AXIS-Unterprogramm der Fig. 13F abgerufen wird, welches die IST-Steuersignale RPM_c, XVC und ZVC aus den befohlenen Werten SFM_c und IPR_c erzeugt.

Das AXIS-Unterprogramm gibt zunächst die vom Benutzer eingestellten Skalierungsfaktoren KS_o und KI_o von der Übergehungssteuerung in Schritt 200 ein. Dann werden die Steuerwerte SFM_o und IPR_o berechnet, indem die befohlenen Werte SFM_c und IPR_c in Schritt 201 mittels der Skalierungsfaktoren KS_o und KI_o skaliert werden. Diese Steuerwerte SFM_o, IPR_o werden dann durch Abruf des Unterprogrammes FILTER gefiltert, um in Schritt 202 gefilterte Steuerwerte SFM_o′ und IPR_o′ zu erzeugen. Der befohlene Wert der Drehgeschwindigkeit RPM_c wird in Schritt 203 durch Division von SFM_o′ durch das Produkt 2π mal der Ist-Stellungskoordinate XAP, welche dem Radius R_av von der Achse des Werkstückes 12 zur Schneidwerkzeugkante 18 entspricht, berechnet. In Schritt 204 wird die Größe der resultierenden Schneidwerkzeuggeschwindigkeit F_c berechnet als das Produkt des Steuerwertes IPR_o und des gemessenen Wertes RPM_m und die X- und Z-Verschiebungskomponenten F_x und F_z können berechnet werden, indem die Größe der resultierenden F_c mit den Faktoren Ip dividiert durch PATH und Jp dividiert durch PATH skaliert werden.

In Schritt 205 werden die Komponenten der Scheidwerkzeuggeschwindigkeit F einer Interpolationsfunktion unterworfen, wodurch sie in Ist-Zustellmotorsteuersignale XVC und ZVC umgewandelt werden. Bei der einfachsten Interpolationsfunktion werden einfach die Werte der Motorsteuersignale proportional zu den Zustellgeschwindigkeitskomponenten F_x, F_z gemacht. So bewegt die Schneidwerkzeugzustellung bei einer einfachen Linearinterpolation das Schneidwerkzeug von den Anfangskoordinaten (X_in, Z_in) in einer geraden Linie zu den Endkoordinaten (XCEP, ZCEP). Manchmal ist es jedoch wünschenswert, das Schneidwerkzeug 10 entlang eines nicht-linearen Weges, beispielsweise eines Bogens mit gegebenem Radius zu bewegen. Der Radius ist beispielsweise eine der verschiedenen Blockkonstanten G(i), welche im Teilprogrammspeicher PPMEM gespeichert sind. In diesem Fall sind die Steuersignale XVC und ZVC für den Zustellmotor eine Funktion der Ist-Stellungskoordinaten (XAP, ZAP) bezüglich der Anfangskoordinaten (X_in, Z_in) und der Endkoordinaten (XCEP, ZCEP). Weitere Einzelheiten einer bevorzugten Interpolationsfunktion sind der US 36 56 124 zu entnehmen. Nach jeder Interpolationsneuberechnung im 32-Millisekunden-Takt werden die Steuersignale RPM_c, XVC und ZVC in Schritt 206 ausgegeben, um eine Änderung des Bearbeitungsprozesses zu bewirken.

Das AXIS-Unterprogramm bestimmt auch, ob es Zeit ist, einen neuen Blockkonstanten aus dem Teilprogrammspeicher PPMEM einzulesen. Der zu den Endkoordinaten (XCP, ZCP) zu durchlaufende Abstand DTG wird in Schritt 207 berechnet und in Schritt 208 mit einem Minimalwert D_min verglichen. Wenn die zu durchlaufende Strecke DTG geringer als der Minimalwert D_min ist, wird der neue Block-Schalter NEWB eingeschaltet und der Blockzeiger PPROG wird einen Schritt weiter bewegt. Damit ist das AXIS-Unterprogramm beendet.

Gleichfalls aus Fig. 13F ist das Unterprogramm FILTER ersichtlich, welches allgemein mit 210 bezeichnet ist, und welches die Änderungsgeschwindigkeit der gefilterten Steuerwerte SFM_o′ und IPR_o′ auf Drehgeschwindigkeitsgrenzen SSLR und ISLR begrenzt, die eine zulässige Änderung der Ausgangswerte in einem 32-Millisekunden-Unterbrechungssignal darstellen. Ein digitaler Filtervorgang wird vorzugsweise angewendet, so daß die gefilterten Steuerwerte SFM_o′ und IPR_o′ sich nicht momentan ändern, wodurch das Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR der Fig. 13H fälschlicherweise ausgelöst werden oder die Zustell- und Antriebsmotoren möglicherweise überdreht werden könnten. Es sei auch angemerkt, daß das Unterprogramm FILTER bewirkt, daß es die durch den adaptiven Steuerkreis der Fig. 13A befohlenen Änderungen ausbreitet bzw. weichmacht, wenn sie tatsächlich ausgeführt werden, wenn das Unterprogramm in den Schritten 122, 124 und 126 das TEST-Unterprogramm der Fig. 13B abruft. Die Einzelheiten dieses digitalen Filtervorganges sind für die Durchführung der Erfindung nicht kritisch und werden daher nicht weiter beschrieben. Eine andere Möglichkeit der Vergleichsmäßigung der großen Geschwindigkeitsänderungsschritte, wie sie durch das Teilprogramm oder die adaptive Steuerung erzeugt werden, ist in der US 40 41 287 offenbart, auf die hier Bezug genommen wird.

Die an der Schneidwerkzeugspitze tatsächlich abgegebene Schneidleistung HP_cut wird in einem Unterbrechungsverfahren gemäß Fig. 13G in 64-Millisekunden-Intervallen berechnet und gemittelt. Die Unterbrechung führt auch eine Werkzeugüberwachungsfunktion aus, da vorzugsweise mit der Feststellung eines gebrochenen Werkzeuges 10 oder einer übermäßigen Werkzeugbelastung schnell ein am Werkzeug oder Werkstück 12 auftretender Schaden reduziert werden kann. Die 64-Millisekunden-Unterbrechung schließt die vom Antriebsmotor verbrauchte elektrische Leistung W_m (in Watt), die Ist-Drehgeschwindigkeit des Antriebs RPM_m und die Ist-Schneidwerkzeugspitzen-Stellungskoordinaten XAP, ZAP in Schritt 220 ein. Dann wird in Schritt 221 die Drehbeschleunigung ACC als Änderung der Drehgeschwindigkeit RPM_m des 64-Millisekunden-Unterbrechungsintervalles berechnet. Die Korrekturen der gemessenen elektrischen Leistung W_m zur Erlangung einer (Ist-)Schneidleistung HP_cut werden in Schritt 222 ausgeführt. Die Nettoleistung HP_a, welche der trägen Masse der drehenden Teile der Werkzeugmaschine zugeführt wird, wird als Produkt eines bestimmten Trägheitsmomentes J (zuvor in Schritt 135 gemäß Fig. 13C gespeichert), der Drehbeschleunigung ACC und der Drehgeschwindigkeit RPM_m berechnet. Die von der mechanischen Reibung im Werkzeugmaschinenantrieb verbrauchte Leistung HP_v wird als die Summe der Schnittkonstanten B und des Produktes der Neigungskonstanten M_s (diese Konstanten wurden zuvor in Schritt 132 gemäß Fig. 13C gespeichert) und der Drehgeschwindigkeit RPM_m berechnet. Die Spannung V an den Antriebsmotoranschlüssen wird berechnet als die dem Motor zugeführte maximale Antriebsspannung in Volt, multipiziert mit der Drehgeschwindigkeit RPM_m, dividiert durch die vorbestimmte Grundgeschwindigkeitskonstante BS. (Es sei angemerkt, daß manche Motorantriebe Steuerungen zur Einstellung der Grundgeschwindigkeit BS und der maximalen Antriebsspannung auf Werte, die sich von der maximalen Nennspannung und der Nenn-Grundgeschwindigkeit des Motors unterscheiden, aufweisen. Diese Motorantriebe regulieren beispielsweise die Felderregung des Motors, um dessen elektrische Charakteristika zu ändern. Gemäß den Fig. 13G, Schritt 222, ist ein 240-Volt-Gleichstrommotor für eine maximale Spannung von 225 Volt eingerichtet.) Dann wird der durch die Motorwicklung gehende Strom I berechnet, indem die dem Antriebsmotor zugeführte Leistung W_m in Watt durch die Spannung V dividiert wird. Die vom Widerstand der Motorwicklung verbrauchte elektrische Leistung W_e in Watt wird berechnet als das Produkt des Quadrates des Stromes I und der vorgegebenen Konstanten des Widerstandes R_e der Motorwicklung in Ohm. Dann werden die gemessene Leistung HP_m und die Verlustleistung HP_e der Motorwicklung aus den entsprechenden Werten W_m und W_e in Watt erhalten, indem die Wattwerte durch den Umwandlungsfaktor 736 Watt pro PS dividiert werden. Schließlich erhält man die Schneidleistung HP_cut durch Subtraktion der mechanischen Reibungsverluste HP_v, der Beschleunigungsleistung HP_a und der Nettoleistung infolge elektrischer Verluste HP_e in der Motorwicklung von der gemessenen Leistung HP_m.

In Schritt 223 werden verschiedene Leistungen HP_m, HP_d, HP_a, HP_e und HP_cut auf laufende Durchschnittseinrichtungen (average tables) addiert, und es werden Durchschnitte gebildet, um die Anzeige auf den neuesten Wert zu bringen und um die durchschnittliche Schneidleistung AVHP_cut für die adaptive Steuerung zu erhalten. Diese Durchschnitte werden erhalten, indem die Leistungswerte in einen first-in-first-out (FIFO)-Stapel, der beispielsweise 16 Werte tief ist, gegeben werden. Dann werden die laufenden Durchschnitte gebildet durch Inkrementierung des Durchschnittes, durch die in den Stapel eingegebene Leistung und Substraktion vom Durchschnitt der aus dem Stapel ausgegebenen Leistung.

Um das 64-Millisekunden-Verfahren zu unterbrechen, wird in Schritt 224 das Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR abgerufen.

C. Werkzeugüberwachungs-Funktion

Das Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR in Fig. 13H berechnet den relativen Schneidwirkungsgrad CEFR und stellt ungeeignete Werkzeugzustände einschließlich eines Werkzeugbruches, einer übermäßigen Werkzeugbelastung und eines abgenutzten Werkzeuges durch Vergleich des relativen Schneidwirkungsgrads CEFR mit einer relativen Anfangs-Schneidwirksamkeit CEFR_in fest. Es sei in Erinnerung gerufen, daß der Schneidwirkungsgrad CEFR die Unwirksamkeit oder Stumpfheit eines Schneidwerkzeuges 10 mißt, wie in Gleichung (3-5) bestimmt ist. In äquivalenter Weise wird mit dem Kehrwert des Schneidwirkungsgrades CEFR die Wirksamkeit oder Schärfe des Schneidwerkzeuges 10 gemessen. Alternativ kann somit dieser reziproke Wert mit einem reziproken Anfangswert verglichen werden. Natürlich ist eine derartige Alternative mathematisch äquivalent, da lediglich die Richtung einer Ungleichmäßigkeit umgekehrt wird, wenn die Reziprokwerte der Ausdrücke genommen werden.

Die Werkzeugüberwachung kann mittels eines Werkzeugüberwachungsschalters G_tm außer Betrieb genommen werden, der zu jedem Block im Teilprogrammspeicher PPMEM gehört. Wenn das Teilprogramm gemacht wird, werden Programmblocks, die zu Beginn Wege in das Werkstück oder aus dem Werkstück darstellen, programmiert, wobei der Schalter G_tm ausgeschaltet ist, so daß ein Schneidvorgang in Luft oder der anfängliche Kontakt mit dem Werkstück 12 nicht als Werkzeugbruch oder übermäßige Werkzeugbelastung interpretiert wird. Der Werkzeugüberwachungsschalter G_tm wird in Schritt 230 geprüft, und wenn er ausgeschaltet ist, wird das Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR ausgeführt. Sonst wird in Schritt 231 der Prüfungszähler NC mit einer vorbestimmten Zahl NS verglichen, um festzustellen, ob ein anfänglicher relativer Schneidwirksamkeits-Faktor CEFR_in gemäß Fig. 13E bestimmt wurde. Wenn dies nicht der Fall ist, liegt wahrscheinlich ein Programmierungsfehler des Werkzeugüberwachungsschalters G_tm im Teilprogramm vor, so daß in Schritt 232 dem Maschinenbediener der Fehlerzustand angezeigt wird. Sonst wird der relative Schneidwirkungsgrad CEFR in Schritt 233 berechnet aus der Schneidleitung HP_cut dividiert durch das Produkt von SFM_o′ und IPR_o′. Es sei angemerkt, daß die Ausführung der Vergleiche des relativen Schneidwirkungsgrades CEFR mit dem Werkzeugüberwachungszustand es erforderlich machen, daß die Schnittbreite D im wesentlichen konstant ist, da der Ist-Schneidwirkungsgradfaktor CEF_v als die Leistung definiert ist, die erforderlich ist, um eine Volumeneinheit Material zu entfernen, relativ konstant ist, und CEF_v gleich CEFR/D ist. Wenn die Schnittbreite D nicht konstant, aber bekannt ist, kann der zugehörige Ist-Schneidwirkungsgradfaktor CEF_v′ berechnet werden, oder der relative Schneidwirkungsgrad CEFR′ kann in äquivalenter Weise ermittelt werden, indem der Anfangs-Schneidwirkungsgrad CEFR mit dem Verhältnis aus der Anfangs-Schnittbreite D_in und der aktuellen Schnittbreite D_a multipliziert wird, gemäß der Gleichung:

CEFR′ = (CEFR) (D_in)/(D_a), (5-1)

wobei D_in die Anfangstiefe und D_a die laufende Tiefe ist. Der ermittelte Schneidwirkungsgrad CEFR′ kann dann mit dem Anfangs-Schneidwirkungsgradfaktor CEFR_in verglichen werden. Die Schneidtiefe kann ein Parameter G(i) sein, der in jedem Block des Teilprogrammspeichers PPMEM gespeichert ist.

Wenn der relative Schneidwirkungsgrad CEFR bestimmt ist, wird er mit maximalen und minimalen Grenzwerten verglichen, um festzustellen, ob ein ungeeigneter Werkzeugzustand vorliegt. Der maximale Grenzwert muß größer sein als der unfängliche relativen Schneidwirksamkeit CEFR_in, und die maximalen und minimalen Grenzwerte werden vorzugsweise bestimmt durch Multiplikation der anfänglichen Schneidwirksamkeit CEFR_in mit Konstanten, die etwas größer oder etwas kleiner als 1 sind. Wenn beispielsweise der Werkzeugbruchschalter G_tb eingeschaltet ist, was in Schritt 235 festgestellt wird, wird der relative Schneidwirkungsgrad CEFR mit dem Produkt der anfänglichen Schneidwirksamkeit CEFR_in und einem Minimumfaktor C_min verglichen, wie in Schritt 236 gezeigt, wobei C_min etwas kleiner als 1, beispielsweise mit 0,85 gewählt wird. Wenn der relative Schneidwirkungsgrad CEFR diesen Minimumfaktor C_min überschreitet, wird in Schritt 237 ein "Zustellstop" angefordert durch Rückstellen des Zustellstop-Zeitgliedes FTIME, Einstellen des Zuführstop-Schalters FH und Abschalten des Schalters AC der adaptiven Steuerung. Dann wird der Werkzeugbruch in Schritt 238 dem Operator angezeigt, wodurch die Ausführung des Werkzeugüberwachungs-Unterprogrammes TLMNTR beendet ist.

Eine andere Werkzeugüberwachungsfunktion, welche ausgeführt werden kann, ist die Feststellung übermäßiger Stoßbelastungen des Schneidwerkzeuges 10. Um das Werkzeug vor diesen Stoßbelastungen zu schützen, wird der relative Schneidwirkungsgrad CEFR überwacht und mit einem maximalen Grenzwert verglichen, da eine Stoßbelastung durch eine steile Zunahme der Schneidleistung HP_cut gekennzeichnet ist, während die relative Bearbeitungsgeschwindigkeit (SFM_o′) (IPR_o′) relativ konstant bleibt, so daß infolge des Stoßes der relative Schneidwirkungsgrad CEFR nahezu momentan ansteigt, in Übereinstimmung mit der Zunahme der Schneidleistung HP_cut. Die Erfinder haben festgestellt, daß zur Feststellung derartiger Stöße der Schneidwirkungsgrad CEFR vorzugsweise mit einer hohen Geschwindigkeit wiederholt berechnet wird, beispielsweise alle 64 Millisekunden, welches der Geschwindigkeit der Unterbrechung zum Abruf des Werkzeugüberwachungs-Unterprogramms TLMNTR entspricht.

Wie in Fig. 13H gezeigt ist, wird der Werkzeugbruchschalter (Werkzeugschutzschalter) G_tb des laufenden Blockes des Teilprogrammspeichers PPMEM in Schritt 240 geprüft, und wenn er eingeschaltet ist, wird der relative Schneidwirkungsgrad CEFR mit einem hohen Schwellenwert verglichen, der durch das Produkt eines maximalen Faktors C_max, welcher wesentlich größer als 1, beispielsweise 1,2 ist, mit der anfänglichen Schneidwirksamkeit CEFR_in bestimmt wird, wie in Schritt 241 gezeigt ist. Wenn der relative Schneidwirkungsgrad CEFR oberhalb der oberen Schwelle liegt, ist damit eine übermäßige Stoßbelastung am Werkzeug festgestellt, und ein "Zustellstop" wird in Schritt 242 ausgeführt. Der "Werkzeugschutz"-Zustand wird der Bedienungsperson in Schritt 243 angezeigt.

Eine dritte Werkzeugüberwachungsfunktion ist die Feststellung eines abgenutzten Werkzeuges. Durch Vergleich des relativen Schneidwirkungsgrads CEFR des Werkzeuges mit einer anfänglichen Schneidwirksamkeit CEFR_in, welche gemessen wird, wenn das Werkzeug in scharfem Zustand zuerst in die Maschine eingesetzt wird, kann ein unzulässig abgenutztes Werkzeug festgestellt werden. Wenn ein Werkzeug stumpf wird, nimmt der relative Schneidwirkungsgrad CEFR zu, selbst dann, wenn programmierte oder adaptiv erzeugte Änderungen von SFM oder IPR auftreten. Im Gegensatz zu einer Feststellung einer übermäßigen Stoßbelastung des Werkzeugs sollte die Feststellung eines abgenutzten Werkzeuges nicht in Abhängigkeit von schnellen Änderungen des Schneidwirkungsgrades CEFR erfolgen, da ein Werkzeug, welches stumpfer wird, einen langsam ansteigenden Schneidwirkungsgrad CEFR aufweist. Während die Werkzeugschutzfunktion vorzugsweise mit hoher Geschwindigkeit wiederholt ausgeführt wird, wird daher die Feststellung einer Werkzeugabnutzung mit einer geringen Geschwindigkeit ausgeführt oder vorzugsweise mit einer relativ hohen Geschwindigkeit, wobei ausgeglichene oder Durchschnittswerte verwendet werden, die nicht von schnellen Stoßänderungen des Schneidwirkungsgrades CEFR beeinflußt sind.

Wie in Fig. 13H dargestellt, wird der relative Schneidwirkungsgradfaktor CEFR mit einer hohen Geschwindigkeit von 64-Millisekunden-Unterbrechungen überwacht, während Vergleiche unter Benutzung von Durchschnittswerten ausgeführt werden. Zunächst wird in Schritt 250 die Stellung des Schalters G_tw für die Werkzeugabnutzung festgestellt, und wenn er eingeschaltet ist, wird der Prüfungszähler NC für die Prüfung des relativen Anfangs-Schneidwirkungsgrades mit einer vorbestimmten Minimumzahl von Prüfungen NS verglichen, um eine Differenz festzustellen, welche die Anzahl der zur Errechnung des Durchschnittswertes verwendeten Anfangs-Schneidwirkungsgradfaktorprüfungen darstellt, und wenn diese Differenz oder gleich 16 ist, eine willkürliche Zahl für die zur Ermittlung eines geeigneten Durchschnittswertes für erforderlich gehaltenen Prüfungen, dann ist ein geeigneter relativer Anfangs-Schneidwirkungsgrad CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug durch Ausführung der in Fig. 13E mit 193 bezeichneten Schritte verfügbar.

Es wird nun nochmals kurz auf Fig. 13E Bezug genommen, in der die Berechnung des relativen Anfangs-Schneidwirkungsgrades CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug dargestellt ist. Nachdem der relative Anfangs-Schneidwirkungsgradfaktor (anfängliche Schneidwirksamkeit) CEFR_in in Schritt 226 berechnet ist, wird der Schalter NEWT für ein neues Werkzeug in Schritt 227 geprüft, um festzustellen, ob er eingeschaltet ist. Der Schalter NEWT für ein neues Werkzeug ist einer der Schalter, die in Schritt 103 (Fig. 13A) anfänglich eingeschaltet werden, wenn die Maschine gestartet wird, wobei angenommen wird, daß die Maschine zunächst mit einem scharfen Werkzeug eingeschaltet wird. Da mit der Werkzeugabnutzungsfunktion vorzugsweise ein Durchschnittswert festgestellt wird, wird Prüfungszähler NC die Anzahl der (anfänglichen Leistungs-)Prüfungen NS gezählt und in Schritt 228 mit 16 verglichen. Es sei angemerkt, daß NS der Anzahl der (anfänglich) nach der Berührung des Schneidwerkzeuges 10 mit dem Werkstück 12 ausgeführten Leistungsprüfungen entspricht, wie in Schritt 188 festgestellt wird, die durchgeführt werden muß, bevor der Bearbeitungsprozeß genügend stabil ist für einen berechneten relativen Anfangs-Schneidwirkungsgradfaktor CEFR_shp, der sinnvoll und repräsentativ für eine kontinuierliche Bearbeitung ist. Wenn daher mehr als 16 Prüfungen vorgenommen wurden, wird der relative Anfangs-Schneidwirkungsgrad CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug in Schritt 229 auf den relativen Anfangs-Schneidwirkungsgradfaktor CEFR_in gestellt, der in Schritt 226 aus den Prüfungen HP_cut (i) berechnet wurde. In Schritt 229 wird der Schalter NEWT für ein neues Werkzeug ausgeschaltet, so daß nachfolgende Berechnungen von CEFR_in, die in Übereinstimmung mit nachfolgenden Eingriffen des Werkzeuges erfolgen, sich nicht auf den Wert von CEFR_shp auswirken, da CEFR_shp nur einmal während des anfänglichen weichen Ineingrifftretens eingestellt wird, wenn der Schalter NEWT für das neue Werkzeug in Schritt 227 eingeschaltet wird.

Es wird nun wieder auf Fig. 13H Bezug genommen, welche das Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR zeigt, welches bestimmt, ob der relative Anfangs-Schneidwirkungsgrad CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug durch Vergleich der Anzahl der Prüfungen NS mit 16 in Schritt 251 berechnet wurde. Wenn CEFR_shp nicht verfügbar ist, wird dies der Bedienungsperson in Schritt 252 mitgeteilt. Sonst wird ein laufender relativer Durchschnitts-Schneidwirkungsgradfaktor AVCFR berechnet, indem die durchschnittliche Schneidleistung AVHP_cut in Schritt 253 durch das Produkt von SFM_o′ und IPR_o′ berechnet wird. Dann wird der laufende relative Durchschnitts-Schneidwirkungsgradfaktor AVCFR mit einem hohen Schwellenwert verglichen, der etwas oberhalb des Anfangs-Schneidwirkungsgrades CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug liegt. Vorzugsweise wird dies durch Multiplikation des Anfangs-Schneidwirkungsgrades CEFR_shp für ein scharfes Werkzeug mit einer vorbestimmten Konstanten C_tw, die auf einen Wert wesentlich größer als 1, beispielsweiese 1,1 eingestellt ist, ausgeführt. Es sei angemerkt, daß C_tw vorzugsweise geringer ist als als C_max, da der Durchschnittswert von dem relativen Schneidwirkungsgrad CEFR geringer als der Maximalwert der Stoßwerte von dem relativen Schneidwirkungsgrad CEFR ist. Der Vergleich wird in Schritt 254 ausgeführt, und wenn der relative Durchschnitts-Schneidwirkungsgradfaktor AVCFR geringer ist als der Schwellenwert, wird der Bedienungsperson in Schritt 256 mitgeteilt, daß die Werkzeugzustellung infolge Werkzeugabnutzung unterbrochen ist. Damit ist die Beschreibung der Werkzeugüberwachungsfunktion, die in dem Werkzeugüberwachungs-Unterprogramm TLMNTR ausgeführt wird, beendet.

Glossar der verwendeten Symbole (unvollständig)

A - Schneid-Querschnitt=(IPR) · (D).
A_p - Inkrementeller Anfangsweg der Schneidwerkzeugspitze in die Werkstückoberfläche während des weichen Ineingriffnehmens bevor die adaptive Steuerung eingeschaltet wird.
B - Reibungsschnittkonstante zur Bestimmung der Reibung des Antriebs als lineare Funktion der Antriebsgeschwindigkeit.
BS - Grundgeschwindigkeitskonstante eines Gleichstrommotors.
Bp - Inkrementeller Endabstand der Schneidwerkzeugspitze von dem Punkt, an dem die adaptive Steuerung abgeschaltet wird und der weiche Austritt beginnt, bis zu dem Punkt, an dem die Schneidwerkzeugspitze aus dem Werkstück heraustritt.
C - Werkstückmaterial-Volumen, welches durch den Bearbeitungsprozeß abgetragen wird.
CEF_v - Schneidwirkungsgradfaktor, ausgedrückt in der für das Abtragen einer Volumeneinheit von Werkstücksmaterial benötigten Bearbeitungsleistung.
CEFR - Relativer Schneidwirkungsgradfaktor, ausgedrückt als Verhältnis der Bearbeitungsleistung HP zur relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit Q=(IPR) · (SFM).
D - Schnittbreite, ausgedrückt als Dimension des Schnittes normal zu IPR und SFM.
d - Differential-Operator.
F_c - Tatsächliche Zustellgeschwindigkeit der Schneidwerkzeugspitze.
F_x - Zustellgeschwindigkeitskomponente in X-Richtung.
F_z - Zustellgeschwindigkeitskomponente in Z-Richtung.
HP - Bearbeitungsleistung allgemein ohne Begrenzung hinsichtlich des Meßverfahrens oder der Verlustkorrekturen.
HP_a - Tatsächlicher oder Netto-Bearbeitungsleistungsverlust (+ oder -), welcher auf die träge Masse der bewegten Teile der Werkzeugmaschine übertragen wird und daher mit der tatsächlichen oder Netto-Beschleunigung (+ oder -) verbunden ist.
HP_e - Bearbeitungsleistungsverlust, der im elektrischen Kreis eines elektrischen Antriebsmotors in Wärme umgewandelt wird.
HP_v - Bearbeitungsleistungsverlust infolge mechanischer Reibung im Werkzeugmaschinenantrieb ohne die Reibung an der Schneidwerkzeugspitze.
HP_cut - Tatsächliche, an der Schneidwerkzeugspitze verbrauchte Bearbeitungsleistung.
I - Strom des elektrischen Antriebsmotors.
I_p - X-Komponente des Schneidwerkzeugspitzen-Verschiebungsvektors zwischen aufeinanderfolgenden Abrufen sukzessiver Blocks des Teilprogramm-Speichers.
I_p - Steuerungs- bzw. Regelungseingangsgröße eines physikalischen Systems.
IPR - Zentimeter pro Umdrehung (inches per revolution), Dimension des Schnittes in der Richtung der Schneidwerkzeug-Zustellgeschwindigkeit, bei einer drehend arbeitenden Maschine, proportional zur Zustellgeschwindigkeit F_c dividiert durch die Drehantriebsgeschwindigkeit RPM.
IPRc - Von der adaptiven Steuerungseinheit befohlenes IPR.
IPR_max, IPR_min - Obere und untere Grenzen von IPR bei einem gewünschten Werkzeugmaschinen-Bearbeitungsvorgang.
IPR_o - Steuer- bzw. Regeleingangsgröße der Werkzeugmaschine, die zu einem gleichmäßigen tatsächlichen IPR führen soll.
J - Vom Antrieb festgestelltes Trägheitsmoment.
Jp - Z-Komponente des Schneidwerkzeugspitzen-Verschiebevektors zwischen aufeinanderfolgenden Lesungen aufeinanderfolgender Blocks des Teilprogramm-Speichers.
k - Ansprechfaktor eines Regelkreises.
Ms - Steigungskonstante der Reibung zur Bestimmung der Reibung des Antriebs als lineare Funktion der Antriebsgeschwindigkeit.
PATH - Abstand oder Größe des resultierenden Schneidwerkzeugspitzen-Verschiebungsvektors zwischen aufeinanderfolgenden Lesungen aufeinanderfolgender Blocks des Teilprogramm-Speichers.
Q - Relative Bearbeitungsgeschwindigkeit, ausgedrückt als das Produkt von SFM und IPR.
Q_c - Befehlswert der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit, ausgedrückt als das Produkt von SFM_c und IPR_c.
Q_m - Gemessener Wert zur Berechnung der tatsächlichen Bearbeitungsgeschwindigkeit, ausgedrückt als das Produkt von SFM_m und IPR_m.
R - Innerer Bearbeitungsradius des Werkstückes einer drehend arbeitenden Maschine.
R_o - Äußerer Bearbeitungsradius eines Werkstückes in einer drehend arbeitenden Maschine.
R_av - Durchschnitts- oder Effektivbearbeitungsradius eines Werkstückes in einer drehend arbeitenden Maschine.
R_e - Elektrischer Widerstand der Antriebsmotorwicklung.
RPM - Umdrehungen pro Minute (revolutions per minute), Drehgeschwindigkeit des Antriebes in einer drehend arbeitenden Maschine.
RPM_c - Befohlener Wert von RPM.
RPM_m - Gemessener Wert zur Feststellung der Ist-RPM des Antriebs.
SFM - Oberflächenmeter pro Minute (Surface Feet Per Minute), relative Quergeschwindigkeit der Werkstückoberfläche an und bezüglich der Schneidkante.
SFM_c - Von der adaptiven Steuereinheit befohlener SFM-Wert.
SFM_m - Gemessener Wert zur Bestimmung der Ist-SFM der Werkzeugmaschine.
SFM_max, SFM_min - Obere und untere Grenzen von SFM bei einem bestimmten Bearbeitungsvorgang.
SFM_o - SFM-Steuer- bzw. Regeleingangswert für die Werkzeugmaschine, der zu einem gleichbleibenden Ist-SFM führen soll.
s - Komplexer Frequenzparameter, der den Frequenzbereich der Laplace-Transformation bezeichnet.
T - Vom Antrieb ausgeübtes Drehmoment.
t - Zeit.
V - Am Antriebsmotor anliegende Spannung.
Vop - Nennspannung des Antriebsmotors.
W_m - In Watt ausgedrückte, gemessene Antriebsleistung.
w - Winkelgeschwindigkeit des Antriebs.

Claims

1. Steuerungssystem für eine Werkzeugmaschine, um eine gewünschte Bearbeitung durchzuführen

- mit einem Antrieb (17, M_d), um ein Schneidwerkzeug (10) mit einer veränderlichen Bearbeitungsgeschwindigkeit (dc/dt) relativ zu einem Werkstück (12) zu bewegen und
- mit einer ersten Vorrichtung zur Ermittlung einer dem Antrieb (17, M_d) zugeführten gesamten Antriebsleistung (HP_m) und zur Erzeugung eines entsprechenden ersten Signales,

wobei bei der Bearbeitung des Werkstücks (12) an der Schneidwerkzeugspitze eine Leistung (HP_cut) vorhanden ist, die veränderlich ist in Abhängigkeit von

- der Bearbeitungsgeschwindigkeit (dc/dt),
- zufällig veränderlichen physikalischen Größen des Werkstückes (12) und
- zufällig veränderlichen physikalischen Größen der aktiven Schneidkante,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die an der Schneidwerkzeugspitze vorhandene Leistung (HP_cut) infolge einer Anzahl von Leistungsverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a), die bei einer Veränderung der Bearbeitungsgeschwindigkeit (dc/dt) relativ zu dem Werkstück (12) unterschiedliche Leistungsmengen aufnehmen, somit geringer ist als die dem Antrieb (17) zugeführte Antriebsleistung (HP_m),
b) eine zweite Vorrichtung vorgesehen ist, zur Ermittlung einer Verlustleistung (HP_f), die infolge zumindest eines der Leistungsverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a) verbraucht wird und zur Erzeugung eines dieser Verlustleistung (HP_f) entsprechenden zweiten Signales,
c) eine dritte Vorrichtung vorgesehen ist, welche durch Subtraktion des Wertes des zweiten Signales, das der infolge des zumindest einen Leistungsverlustfaktors (HP_e, HP_v, HP_a) verbrauchten Verlustleistung (HP_f) entspricht, vom Wert des ersten Signals, das der dem Antrieb (17) zugeführten Antriebsleistung (HP_m) entspricht, die an der Schneidwerkzeugspitze vorhandene Leistung (HP_cut) bildet und ein entsprechendes drittes Signal erzeugt, und
d) die gewünschte Bearbeitung des Werkstücks (12) durch eine adaptive Steuerung der relativen Bearbeitungsgeschwindigkeit (dc/dt, Q) erreicht wird, wobei als ein Parameter die an der Schneidwerkzeugspitze vorhandene Leistung (HP_cut) verwendet wird.

2. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine der Leistungsverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a) eine Leistung (HP_a) darstellt, die für die Erzeugung einer Beschleunigung oder einer Verzögerung des Antriebs (17) und der angetriebenen Teile der Geschwindigkeitsänderungen aufgebracht wird, wobei diese Leistung (HP_a) der durch die zweite Vorrichtung ermittelten Verlustleistung (HP_f) entspricht.

3. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine der Leistungsverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a) eine Leistung (HP_v) darstellt, die sich aus Reibungs- und Spaltverlusten im Antrieb (17) und den angetriebenen Teilen ergibt, wobei diese Leistung (HP_v) der durch die zweite Vorrichtung ermittelten Verlustleistung (HP_f) entspricht.

4. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Antrieb (17) einen Elektromotor (Motor) aufweist zur Erzeugung einer Bewegung des Schneidwerkzeugs (10) relativ zum Werkstück (12), und
- daß der zumindest eine der Leistungsverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a) eine Leistung (HP_e) darstellt, die infolge von Widerstandsverlusten in der Motorwicklung als Wärme entsteht, wobei diese Leistung (HP_e) der durch die zweite Vorrichtung ermittelten Verlustleistung (HP_f) entspricht.

5. Steuerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Leistungsverlustfaktoren drei einzelne Leistungen beinhalten, nämlich
- - eine Leistung (HP_e), die als Wärme infolge von Widerstandsverlusten in einem elektrischen Motor, der ein Hauptelement des Antriebs (17) darstellt, verlorengeht,
- - eine Leistung (HP_v), die infolge Reibungs- und Spaltverlusten im Antrieb (17) und den angetriebenen Teilen verlorengeht,
- - eine Leistung (HP_a), die für die Beschleunigung oder Verzögerung des Antriebs (17) und der angetriebenen Teile bei Geschwindigkeitsänderungen aufgebracht wird und
- daß die von der zweiten Vorrichtung ermittelte Verlustleistung (HP_f) der Summe der drei einzelnen Leistungen (Energieverlustfaktoren (HP_e, HP_v, HP_a)) entspricht.

6. Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Antrieb ein Drehantrieb (17) ist, der eine drehbare Last (12, 14) drehend antreibt, und
- daß die zweite Vorrichtung, welche die Leistung (HP_a) ermittelt, die bei Geschwindigkeitsänderungen für die Beschleunigung oder Verzögerung des Drehantriebs (17) sowie der drehbar von diesem angetriebenen Last (12, 14) aufgebracht wird, aufweist:
- - erste Einrichtungen zum direkten oder indirekten Bestimmen eines am Antrieb (17) und der Last (12, 14) allein für die Beschleunigung oder die Verzögerung aufgebrachten Drehmomentes (T),
- - zweite Einrichtungen zum Feststellen einer Winkelgeschwindigkeit (w) des Antriebes (17) und der Last (12, 14), und
- - dritte Einrichtungen zum Berechnen der Leistung (HP_a) als Produkt des bestimmten Drehmomentes (T) und der ermittelten Winkelgeschwindigkeit (w) und zur Erzeugung eines dieser Leistung (HP_a) entsprechenden Signales.

7. Steuerungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen aufweisen:

- Einrichtungen zur Ermittlung der Winkelbeschleunigung oder
- Verzögerung des Antriebs (17) und der Last (12, 14), und
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Signales als Äquivalent des Drehmomentes (T), das seinerseits proportional zum Produkt der Winkelbeschleunigung oder -verzögerung und einem vorgegebenen und gespeicherten Trägheitsmoment (J) für den Antrieb (17) und die Last (12, 14) ist.

8. Steuerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Antrieb ein Drehantrieb (17) ist, der eine drehbare Last (angetriebene Teile (12, 14)) drehend antreibt und
- daß die zweite Vorrichtung, welche die Leistung (HP_a) ermittelt, die bei Geschwindigkeitsänderungen für die Beschleunigung oder Verzögerung des Drehantriebs (17) sowie der drehbar von diesem angetriebenen Last (12, 14) aufgebracht wird, aufweist:
- - erste Einrichtungen zur Ermittlung und zur Erzeugung eines Signals, das der Winkelgeschwindigkeit (w) des Antriebs (17) und der Last (12, 14) entspricht,
- - zweite Einrichtungen zur Ermittlung und zur Erzeugung eines Signals, das einer Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w) des Antriebs (17) und der Last (12, 14) entspricht, und
- - dritte Einrichtungen zum Bestimmen der Leistung (HP_a) aus den Werten der
  - - Winkelgeschwindigkeit (w),
  - - der Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w), und
  - - des vorgegebenen und gespeicherten Trägheitsmoments (J) des Antriebes (17) und der Last (12, 14).

9. Steuerungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtungen

- Mittel aufweisen, um das Produkt zu bilden aus den Werten
- - der Winkelgeschwindigkeit (w),
- - der Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w), und
- - des Trägheitsmomentes (J), und
- ein entsprechendes Signal zu erzeugen.

10. Steuerungssystem nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment (J) dadurch bestimmt und gespeichert wird,

- daß der Antrieb (17) und die Last (12, 14) zu ihrer Beschleunigung gesteuert werden, wobei das Schneidwerkzeug (10) außer Eingriff ist,
- daß die bei der Beschleunigung dem Antrieb (17) zugeführte gesamte Antriebsleistung (HP_m) gemessen und signalisiert wird,
- daß während der Beschleunigung des Antriebs (17) die Winkelgeschwindigkeit (w) und die Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w) signalisiert werden, und
- daß der Wert für das Trägheitsmoment (J) als eine Funktion der dem Antrieb (17) zugeführten Antriebsleistung (HP_m), der Winkelgeschwindigkeit (w) und der Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w) berechnet und gespeichert wird.

11. Steuerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment (J) proportional zu der dem Antrieb (17) zugeführten gesamten Antriebsleistung (HP_m) dividiert durch die Winkelgeschwindigkeit (w) und die Änderung der Winkelgeschwindigkeit (w) ist.

12. Steuerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung und Speicherung des Trägheitsmomentes (J) die gesamte Antriebsleistung (HP_m), die dem Antrieb (17) zugeführt wird, um den Betrag der Leistung reduziert wird, die infolge eines oder beider Leistungsverlustfaktoren, nämlich

- die Leistung (HP_v) für die Reibungs- und Spaltverluste und
- die Leistung (HP_e), die als Wärmeverluste infolge von Widerstandsverlusten in der Motorwicklung des Antriebs (17) verlorengeht.

13. Steuerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (HP_v), die infolge von Reibungs- und Spaltverlusten verlorengeht, als eine vorgegebene Funktion einer gemessenen Drehgeschwindigkeit (RPM) des Antriebs (17) berechnet wird.

14. Steuerungssystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Funktion eine lineare Funktion mit Neigungs- und Schnittstellenkonstanten ist in Form von: HP_v = M_s · S+B,wobei B die Schnittstellenkonstante, M_s die Neigungskonstante und S die gemessene Drehgeschwindigkeit des Antriebs (17) sind.

15. Steuerungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellenkonstante B und die Neigungskonstante M_s bestimmt und für einen späteren Gebrauch gespeichert werden, nachdem verschiedene Werkstücke (12) in der Werkzeugmaschine angeordnet wurden, durch folgende Schritte:

- Betätigen des Antriebes (17) ohne einen Eingriff des Schneidwerkzeugs (10) bei einer Anzahl von unterschiedlichen, jedoch konstanten Drehgeschwindigkeiten innerhalb eines Bereiches,
- Messen und Signalisieren der jeweiligen Werte der Leistung (HP_m), die dem Antrieb (17) bei jeder der verschiedenen Drehgeschwindigkeiten zugeführt wird,
- Bestimmen der Werte der Schnittstellenkonstanten B und der Neigungskonstanten M_s mittels eines Standard-Fehlerquadratverfahrens (Kurvenanpassungstechnik), wobei die unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten und die jeweils dem Antrieb (17) zugeführte Leistung (HP_m) verwendet werden, und
- Speichern der so bestimmten Schnittstellenkonstanten B und der Neigungskonstanten M_s.

16. Steuerungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Antrieb (17, M_d) einen Elektromotor (M_d) als Primärelement aufweist,
- daß nach jeder Messung und Signalisierung der diesem zugeführten Leistung (HP_m) von diesem ein gemessener und signalisierter Wert der Leistung (HP_e), die sich in der Motorwicklung als Wärmeverlust ergibt, abgezogen wird, um einen genaueren Wert für die Reibungs- und Spaltverlustenergie zu bilden, und
- daß die resultierende Differenz verwendet wird als angepaßter Wert für die zugeführte Leistung (HP_m), für die Anwendung der Kurvenanpassungstechnik.

17. Steuerungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (HP_e), die infolge von Widerstandsverlusten in der Motorwicklung als Wärme entsteht, durch direkte oder indirekte Messung des Stromes I, der durch die Motorwicklung des Antriebs (17) fließt, bestimmt wird, entsprechend der nachfolgenden Gleichung HP_e = I²R_e,wobei R_e der Widerstand des Antriebs (17) (Motor) ist (Gleichung 2-2).

18. Steuerungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung (HP_e), die sich infolge von Widerstandsverlusten in der Motorwicklung als Wärme ergibt, entsprechend der Gleichung signalisiert wird, wobei HP_m die gemessene zugeführte Antriebsleistung, V die am Motor (17) anliegende Spannung sind und R_e der Widerstand des Antriebs (17) ist (Gleichung 2-5).