DE3425181A1

DE3425181A1 - Werkzeugmaschinensteuerung

Info

Publication number: DE3425181A1
Application number: DE19843425181
Authority: DE
Inventors: Walter Gwyn Rugby Warwickshire Edwards; Robert John Holdsworth Tile Hill Coventry West Midlands Winterbottom
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1983-07-23
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1985-01-31
Anticipated expiration: 2004-07-10
Also published as: BE900208A; LU85469A1; US4672550A; EP0132341A3; KR890003339B1; CA1219662A; NL191102B; CH659609A5; DE3425181C2; ATA207584A; ES8602265A1; EP0132341B1; AT395299B; JP2708056B2; DK168678B1; ES8506409A1; GB8417262D0; MX158059A; ES534410A0; GB8319892D0

Description

Werkzeugmaschinensteuerung

Die Erfindung betrifft allgemein die Steuerung der maschinellen Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe einer Werkzeugmaschine, bei der das Werkzeug und das Werkstück relativ zueinander umlaufen, um ein bestimmtes Profil am Werkstück zu erzeugen.

In jüngster Zeit wurde die Rechnersteuerung von Werkzeugmaschinen in breitem Umfang weiter entwickelt. Der Rechner erzeugt eine Folge von digitalen Signalen, welche benützt werden, um das Werkzeug zum Vorsehen eines gewünschten Werkstückprofils in Position zu bringen. Im allgemeinen berechnet der Rechner die erforderlichen digitalen Signale im voraus und führt sie einem Speicher zu, wo sie festgehalten werden, und von dem sie zu den erforderlichen Zeiten einem herkömmlichen Werkzeugantriebssystem zugeführt werden, welches einen Werkzeugschlitten aufweist, der von einem Motor über eine Vorschubspindel angetrieben wird. Es ist dabei nicht immer notwendig, daß irgendeine Werkzeugpositionrückkopplung vorliegt, und demgemäß kann der Motor ein Schrittmotor sein, welcher durch Abwärtszählen eines Registers gesteuert wird, das ein Signal entsprechend der erforderlichen Anzahl von Schritten des Motors enthält, um die erforderliche Werkzeugposition herbeizuführen.

Neben der vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeit der Relativdrehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück und wegen des Fehlens einer Werkzeugrückkopplung kann die Erzeugung der digitalen Signale problemlos mit Hilfe eines Rechners von geringer Größe bewerkstelligt werden. Außerdem ist die Trägheit des Schlittens ausreichend, um den Stufen-

Charakter des an den Motor angelegten Signals auszuglätten.

Wenn jedoch die relative Umlaufgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück stark ansteigt, und wenn das Werkzeug seine Position innerhalb einer Umdrehung ändern soll, ergibt sich eine völlig andere Situation. Es ist dann als erstes notwendig, ein Werkzeug zur Verfügung zu haben, daß außerordentlich rasch bewegt werden kann, d.h. es muß ein Werkzeughalter mit geringer Trägheit vorgesehen sein. Weiters ist eine Werkzeugpositionsrückkopplung notwendig, um sicherzustellen, daß sich die Position des Werkzeuges innerhalb jeder Umdrehung genau ändert. Bei diesen Geschwindigkeiten erzeugen üblicherweise verwendete Rechner digitale Werkzeugsteuersignale mit einer Rate, die nicht genügend häufig ist, . um es dem Werkzeughalter zu ermöglichen, sich in Übereinstimmung mit derartigen Signalen zu bewegen; für den Werkzeughalter wäre eine unendliche Beschleunigung zwischen aufeinanderfolgenden Signalen notwendig, und dies ist selbstverständlich nicht möglich. Der Rechner ist demgemäß nicht imstande, Signale mit einer ausreichend hohen Frequenz zu erzeugen, um es dem Werkzeughalter zu ermöglichen, die erforderlichen Bewegungen auszuführen.

Dieser Mangel in der Leistungsfähigkeit herkömmlicher Rechner führt zu dem weiteren Problem, daß der Rechner nicht imstande ist, die erforderliche Rückkopplungsregelung durchzuführen, während die erforderlichen hohen Drehzahlen beibehalten werden. Tatsächlich ist der Rechner, wenn er digitale Werkzeugsteuersignale bei einer beträchtlichen Anzahl von Positionen innerhalb einer Umdrehung erzeugen soll (wie es notwendig sein kann, um viele erforderliche Profile zu definieren), im allgemeinen nicht imstande, alle erforderlichen digitalen Signale für die Bearbeitungstätigkeit zu speichern.

Es war daher bisher im allgemeinen nicht möglich, komplexe Profile an einem Werkstück mittels einer numerischen Steue-5 rung mit einem Rechner bei den für eine wirtschaftliche Er-

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zeugung notwendigen Geschwindigkeiten maschinell zu erzeugen,

Eine solche maschinelle Bearbeitung wurde in der Regel mit Hilfe von Steuerwellenexzentermaschinen durchgeführt, in denen eine entsprechend geformte Steuerkurve von einem Nockenstössel abgetastet wird, dessen Bewegung auf das Werkzeug übertragen wird. Die Herstellung der Steuerscheiben ist jedoch sowohl zeitaufwendig als auch teuer, und die Verwendung von Steuerscheiben bewirkt, daß das Verfahren starr und unflexibel wird. Außerdem ist die Geschwindigkeit, mit der ein Nockenstössel oder eine Exzenterrolle einer Steuerscheibe folgen kann, begrenzt, da bei hohen Drehzahlen der Nockenstössel von der Steuerscheibe abheben kann, so daß Ungenauigkeiten in das bearbeitete Werkstück eingeführt werden.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und eine Werkzeugmaschinensteuerung vorzusehen, bei der eine maschinelle Bearbeitung von Werkstücken mit hohen Geschwindigkeiten möglich ist, wobei auch komplexe, nicht kreisförmige Profile erzeugt werden können sollen, und wobei doch eine verhältnismäßig einfache Rechnereinrichtung ausreichend ist.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird diese Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Steuereinrichtung für eine Werkzeugmaschine, bei der ein Werkzeughalter und ein Werkstück während der maschinellen Bearbeitung relativ zueinander gedreht werden, mit einem Rechner zur Erzeugung einer Folge von digitalen Signalen, die die zur maschinellen Bearbeitung des Werkstückes auf ein vorherbestimmtes Profil erforderlichen aufeinanderfolgenden Werkzeughalterpositionen definieren, und die gekennzeichnet ist durch einen Signalprozessor zur Umwandlung der digitalen Signale in ein entsprechendes kontinuierliches Signal, und durch einen kontinuierlichen, das kontinuierliche Signal empfangenden geschlossenen Regelkreis zur Regelung der Bewegung des Werkzeughalters in Übereinstimmung mit diesem kontinuierlichen Signal.

Die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten werden daher durch Umwandeln der digital erzeugten Folge von Werkzeughalterpositionssignalen mit konstanter Amplitude in ein entsprechendes kontinuierliches Signal und durch Anlegen dieses Signals an einen geschlossenen Regelkreis vermieden, wobei die Rückkopplungsregelung nicht vom Rechner durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Rechner einfach zur Berechnung der erforderlichen Werkzeughalterpositionssignale und deren Abgabe zu den erforderlichen Zeitintervallen benutzt werden. Dies ermöglicht es, einen Mikroprozessor zu verwenden, um die maschinelle Bearbeitung zu steuern, wobei doch die maschinelle Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit erfolgen kann und komplexe, unrunde Profile erzeugt werden können. Das Werkzeug wird mit Hilfe eines kontinuierlichen Signals in Gang gesetzt, und es ist daher nicht notwendig, daß es sich mit unendlicher Beschleunigung bewegen können sollte.

In verfahrensmäßiger Hinsicht wird die gestellte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur maschinellen Bearbeitung eines Werkstückes, wobei das Werkstück und ein Werkzeughalter relativ zueinander gedreht werden, und bei dem einem Rechner Daten zugeführt werden, die ein gewünschtes Werkstückprofil definieren, und mit dem Rechner eine Folge von digitalen Signalen erzeugt wird, die eine Folge von zur maschinellen Bearbeitung des Werkstückes auf das genannte Profil erforderliehen Werkzeughalterpositionen definieren, welches Verfahren erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Folge der digitalen Signale verarbeitet und ein entsprechendes kontinuierliches Signal erzeugt wird, das einem geschlossenen Regelkreis zugeführt wird, und daß dann die Bewegung des Werkzeughalters mit diesem Regelkreis gesteuert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den UnteranSprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigen:

FIG. 1: ein schematasches Blockschaltbild einer Steuereinrichtung, die bei der Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung eines Werkstückes, das ein unrundes Profil erhalten soll, verwendet werden kann, und

FIG. 2: ein schematisches Blockschaltbild einer anderen

Steuereinrichtung, die ebenfalls bei der maschinellen Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung eines Werkstückes auf ein nicht-kreisförmiges Profil eingesetzt werden kann.

In Fig. 1 ist schematisch ein Werkstück 10 veranschaulicht, das von einem Werkstückantrieb 11 mit hoher Drehzahl rotierend angetrieben wird. Die Drehzahl des Werkstückes kann in der Größenordnung von 50 Umdrehungen pro Sekunde (3000 UpM) liegen:

Das Werkstück 10 kann ein im allgemeinen zylindrischer Rohling sein, wie z.B. ein Kolbenrohling aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Das Werkstück soll maschinell bearbeitet werden, damit es ein nicht-zylindrisches Profil erhält, welches beispielsweise einen ovalen oder elliptisehen Querschnitt mit variierenden axialen Abmessungen in Achsrichtung des Werkstückes aufweisen kann, um einen Wölbungseffekt hervorzurufen. Zusätzlich oder anstattdessen kann es erforderlich sein, den Rohling mit einer Mehrzahl von erhöhten Oberflächenteilen auszubilden. Der Grad der Unrundheit, der Wölbung oder der Höhe der hochstehenden Flächenbereiche über dem übrigen Kolben kann selbstverständlich außerordentlich gering sein, in der Größenordnung von einigen wenigen oder einigen 10 μΐη liegen.

Andererseits kann das Werkstück auch ein Rohling zur Bildung einer Lagerfläche sein. Es kann sich dabei um einen zylindrischen Rohling handeln, dessen Innen- oder Außenfläche auf ein gewünschtes nicht-zylindrisches Profil maschinell bearbeitet werden soll, oder um eine im allgemei-5 nen ebene Fläche, die in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht auf die Drehachse steht, und die auf ein

gewünschtes nicht-ebenes Profil abgearbeitet werden soll, um ein Drucklager zu bilden.

Das Werkstück 10 wird mit Hilfe eines Werkzeuges 26 bearbeitet, das nachstehend noch mehr im einzelnen erläutert werden wird, und das radial in Richtung zum und vom Werkstück 10 mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises 22 bewegbar ist (R-Position), welcher nachstehend ebenfalls noch näher erläutert werden wird. Außerdem ist ein Z-Positions-Stellantrieb 29 vorgesehen, um das Werkzeug 26 in einer Richtung (der Z-Richtung) parallel zur Drehachse des Werkstückes 10 zu bewegen. Dieser Z-Positions-Stellantrieb 29 kann entweder durch Signale gesteuert werden, die von der Steuereinrichtung erzeugt werden, oder er kann zur Bewegung des Werkzeuges 26 längs des Werkstückes 10 mit einer eingestellten Geschwindigkeit eingestellt werden.

Vor der Bearbeitung werden Profileingabedaten vorbereitet, die das erforderliche Profil des Werkstückes bei einer Folge von Winkelpositionen rund um das Werkstück und bei einer Folge von Axialpositionen längs des Werkstückes definieren. In Umfangsrichtung ( in Θ-Richtung) kann das Profil in Intervallen rund um das Werkstück 10 als Abfall oder Abnahme, ausgehend von einem maximalen Nennradius, definiert werden. Diese Intervalle können beispielsweise 2,5 für einen Kolben oder 0,5 für ein Lager betragen. Der maximale Abfall kann 1 bis 5 mm in Stufen von 0,125 um betragen. Diese Winkelpositionen können bei einer Folge von Axial-(Z-)Positionen definiert werden, welche in gegenseitigen Abständen von 10 mm längs der Achse des Werkstückes 10 vorliegen.

Wenn das Werkstück bezüglich einer oder mehrerer die Drehachse des Werkstückes enthaltenden Ebenen symmetrisch ist, genügt ist, die Eingabedaten für den ersten symmetrischen Teil zu bestimmen. Wenn beispielsweise der Querschnitt elliptisch ist, brauchen nur die Eingabedaten für ein 90 -Segment der Ellipse zwischen den zwei Symmetrieebenen definiert werden. Außerdem braucht das Querschnittsprofil nur bei jenen

Axialintervallen definiert werden, wo eine nicht-lineare Änderung im Profil oder der Änderungsrate des Profils vorliegt.

Die Eingabedaten werden einer Eingabeeinheit 12 eines Rechners 13 zugeführt und gelangen von der Eingabeeinheit 12 in einen Speicher 14 des Rechners 13. Der Rechner 13 kann ein Mikroprozessor sein.

Das Werkstück 10 wird in Drehung versetzt, und ein Θ-Positionskodierer 15 sowie ein Z-Positionskodierer 16 führen dem Speicher 14 im Echtzeitbetrieb digitale Signale zu, die die Θ- und Z-Positionen des Werkstückes 10 und des Werkzeuges 26 relativ zu einem Bezugspunkt (Maschinennullpunkt) definieren. Der Θ-Positionskodierer 15 erzeugt alle 2,5 (oder 0,5 ) bei der Drehung des Werkstückes ein Signal, und der Z-Positionskodierer 16 erzeugt alle 10 μΐΐι der Axialbewegung des Werkzeuges 26 ein Signal.

Wenn der Rechner 13 die Z- und Θ-Positionssignale empfängt, erzeugt er eine Gruppe von Bits entsprechend der erforderlichen R-Position des Werkzeuges bei der (Z, Θ)-Position, um das gewünschte Werkzeugprofil zu erzeugen. Der Rechner 13 führt dies auf folgende Weise aus. Wenn angenommen das Werkstück mit 50 Zyklen pro Sekunde umläuft und der Θ-Positionskodierer 15 alle 2,5 ein Signal erzeugt, muß der Rechner 13 alle 140 |is eine Bitgruppe erzeugen. Selbstverständlich ist es möglich, daß dieses Zeitintervall - bei höheren Geschwindigkeiten und komplexeren Profilen - kürzer als vorstehend angegeben ist und beispielsweise 14 με beträgt. Da der Speicher 14 in der Praxis nicht alle zur Festlegung des vollständigen Profils des Werkstückes 10 erforderlichen Bits speichern kann, berechnet eine Recheneinheit 17 des Rechners 13 einige wenige Anfangsbitgruppen aus den im Speicher 14 gespeicherten Eingabedaten und übergibt diese Anfangsgruppen an den Speicher 14, aus dem sie als Ausgangssignal einem Signalprozessor 19 zugeführt werden, der nachstehend noch im einzelnen erläutert werden wird. Während der übrigen Zeit des

140 us-Intervalls zwischen den Gruppen erzeugt die Recheneinheit Bitgruppen für nachfolgende, zukünftige Werkzeugpositionen. Die Zahl der so erzeugten Gruppen hängt von der innerhalb eines jeden Intervalls zur Verfügung stehenden Zeit und der Kapazität des Speichers 14 hinsichtlich der Speicherung dieser Gruppen ab.

Die Erzeugung dieser Bitgruppen aus den Eingabedaten bedingt eine Interpolation zwischen den Eingabedaten, da die Gruppen bei Intervallen erforderlich sein können, welche kleiner sind als jene Intervalle, bei denen die Eingabedaten vorliegen.

In diesem Fall ist die Interpolation vorzugsweise eine lineare Interpolation, wenngleich selbstverständlich der Rechner 13 auch programmiert werden könnte, um eine andere gewünschte Interpolation auszuführen. Außerdem wird der Rechner 13 programmiert, um Bitgruppen für den gesamten Profilumfang des Werkstückes zu erzeugen, auch wenn die Eingabedaten nur einen Teil eines symmetrischen Profils definieren. Beispielsweise berechnet die Recheneinheit 17, wenn das Profil elliptisch ist und die Eingabedaten nur ein 90°-Segment der Ellipse definieren, Bitgruppen rund um den gesamten Umfang des elliptischen Profils.

Da nicht alle künftigen Bitgruppen vor Beginn der Bearbeitung berechnet werden, benötigt der Speicher 14 keine wesentliche Speicherkapazität, und demgemäß ist der in gängigen Mikroprozessoren vorhandene Speicher in den meisten Fällen ausreichend.

Der Ausgang des Rechners 13 ist daher eine Folge von aufeinfolgende Werkzeugpositionen definierenden Bitgruppen, die als Echtzeitdaten in Zeitintervallen erzeugt werden, die durch die Signale des Θ-Positionskodierers 15 und des Z-Positionskodierers 16 bestimmt sind. Diese Folge von Bitgruppen wird von einem Digital/Analog-Wandler 18 empfangen, der jede Bitgruppe in ein Werkzeughalter-Positionssignal mit konstanter Amplitude entsprechend dem Wert der zugehörigen Bitgruppe umwandelt, wobei die Dauer eines jeden Werkzeughalter-Positionssignals gleich dem Intervall zwischen aufeinanderfolgen-

den Gruppen ist.

Dieser Ausgang ( welcher tatsächlich eine Reihe von aufeinanderfolgenden Stufen ist) wird einem Stufenwandler 20 des Signalprozessors 19 zugeführt. Im Stufenwandler 20 wird die Amplitude eines jeden Signals gespeichert, bis das nächstfolgende Signal empfangen wird. Sobald die Amplitude des nächstfolgenden Signals erfaßt wurde, gibt der Stufenwandler 20 an seinem Ausgang ein kontinuierliches Signal ab, welches einen Anfangswert gleich dem Wert des ersten empfangenen Signals und einen Endwert gleich dem Wert des nächstfolgenden Signals hat. Wenn also ein Unterschied in den Amplituden der zwei aufeinanderfolgenden Signale vorliegt, steigt oder fällt das kontinuierliche Signal zwischen dem Anfangswert und dem Endwert allmählich. Dieser Anstieg oder Abfall kann linear sein, jedoch ist dies nicht unbedingt notwendig.

Der Ausgangs des Stufenwandlers 20 ist daher ein kontinuierliches Signal, welches sich fortschreitend derart ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen gleich den Zeitintervallen der digitalen Signale die Amplitude des Signals auf die aufeinanderfolgenden Werte der digitalen Signale bezogen ist. Dieses kontinuierliche Signal kann daher als ein Analogon zur Folge der Werkzeughalterpositionssignale angesehen werden, die die gewünschte radiale Position des Werkzeuges 26 bei einer Folge von (Θ, Z)-Positionen am Werkstück 10 darstellen.

Dieses kontinuierliche Signal wird als Eingangssignal einer Rückkopplungs-Regelcinrichtung 21 des kontinuierlichen geschlossenen Werkzeug-Regelkreises 22 zugeführt. Der Ausgang der Rückkopplungs-Regeleinrichtung 21 wird einem Werkzeugbetätigungsantrieb 23 zugeführt, der das Werkzeug und den Werkzeughalter in radialer Richtung in Übereinstimmung mit dem Ausgangssignal bewegt. Der Ausgang des Werkzeugbetätigungsantriebs 2 3 wird von einem Werkzeug-Radialpositionswandler 24 (Proportional—Rückkopplung) und einem Werkzeug-Ra-

dialgeschwindigkeitswandler 25 (Differential-Rückkopplung) überwacht, wobei diese beiden Wandler Rückkopplungssignale bezüglich der Werkzeugposition und der Werkzeuggeschwindigkeit an die Rückkopplungs-Regeleinrichtung 21 anlegen, die diese Rückkopplungssignale benutzt, um das vom Signalprozessor 19 kommende kontinuierliche Signal in Übereinstimmung mit den Rückkopplungssignalen zu modifizieren.

Demgemäß braucht sich der Rechner 13 nicht mit der Rückkopplungsregelung der Werkzeugpositioniersignale befassen. Dies wird in rein analoger Weise im Regelkreis 22 bewerkstelligt. Dies ist ein weiterer Faktor, der es ermöglicht, daß der Rechner 13 ein Mikroprozessor ist, wobei doch hohe Umlaufgeschwindigkeiten und Änderungen der Werkzeugposition innerhalb einer Umdrehung möglich sind.

Der Stufenwandler 20 bewirkt durch seine Arbeitsweise eine Zeitverzögerung im System. Eine weitere Zeitverzögerung wird durch die Trägheit des Werkzeugs 26 und des zugehörigen Werkzeughalters eingeführt. In der Regel ist dies nicht'problematisch, da diese Zeitverzögerungen, die konstant sind, einfach das Profil rund um das Werkstück um einen bestimmten Winkel verschieben, etwa um eine oder zwei der aufeinanderfolgenden Θ-Positionen, um 2,5° oder 5°. Es kann jedoch der Fall sein, daß das Werkstückprofil eine ganz bestimmte räumliche Ausrichtung zu irgendeinem anderen Werkstückmerkmal aufweisen soll. Beispielsweise kann es, wenn das Werkstück 10 ein Kolbenrohling ist, erforderlich sein, daß der Kolben eine bestimmte räumliche Ausrichtung bezüglich eines Kolbenmerkmals, wie der Kolbenbolzenbohrung, aufweist. In diesem Fall kann der Rechner 13 so programmiert werden, daß die Bezugspunktpositionen, von denen weg die Werkzeugpositionen berechnet werden, um einen Abstand gleich der Zeitverzögerung im System versetzt werden. Dies bringt das Profil in die erforderliche räumliche Ausrichtung.

Der Werkzeugbetätigungsantrieb 23 und der Werkzeughalter 26 können von jeder herkömmlichen Art sein, vorausgesetzt, daß

sie eine Bandbreite aufweisen, die eine Reaktion auf das Regelsignal mit ausreichender Geschwindigkeit ermöglicht, um das Werkzeug in die erforderliche Position innerhalb des notwendigen Zeitintervalls zu bewegen. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, einen herkömmlichen Werkzeugschlitten zu verwenden, der von einem Schrittmotor über eine Leitspindel angetrieben wird. Auch ist es nicht möglich, eine Langdrehmaschine ("Schweizer Drehbank-Mechanismus") zu verwenden, bei der ein Motor über eine Leitspindel eine Steuerkurven tragende Welle antreibt, wobei die Steuerkurven oder Exzenter umlaufen, um die Werkzeughalter in die und aus der Position zu bewegen. In beiden Fällen sind die Trägheit und die Zeitverzögerung im System so groß, daß eine erfolgreiche Arbeitsweise verhindert wird. Da das an diese Betätigungsantriebe angelegte Signal ein kontinuierliches Signal ist, ergibt sich nicht das Problem der Notwendigkeit einer unendlichen Beschleunigung des Werkzeuges.

Als Beispiel für einen geeigneten Werkzeugbetätigungsantrieb 23 kann ein Elektromotor mit hohem Drehmoment und niedriger Trägheit genannt werden, mit einem auf dessen Ausgangswelle direkt angebrachten Exzenter, und mit einem sich direkt am schwenkbar befestigten Werkzeughalter abstützenden Exzenter, um den Werkzeughalter entgegen der Kraft einer Feder zu bewegen. Andererseits kann der Werkzeugbetätigungsantrieb ein sich am Werkzeughalter abstützendes Solenoid aufweisen, oder das Werkzeug 26 kann direkt am Anker des Solenoids befestigt sein. Das Werkzeug kann am Anker eines Linearmotors an- j gebracht sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Werkzeug 26 durch Ultraschall-, Magnetostriktions- oder Drucklufteinrichtungen zu bewegen, die mit ausreichender Geschwindigkeit reagieren können, d.h. eine ausreichend große Bandbreite aufweisen.

Der Rechner 13 kann rasch und einfach programmiert werden, um jedes gewünschte Werkzeugprofil zu erzeugen. Insbesondere ist es durch Vorsehen einer Tastatur, wie in Fig. 1 bei 27 mit gestrichelten Linien veranschaulicht ist, möglich, das

Werkzeugprofil während der maschinellen Bearbeitung zu ändern. Auch ist die Maschinenbearbeitung nicht auf die Bearbeitung eines zylindrischen Werkstückes beschränkt; es könnte auch eine im allgemeinen ebene Fläche bearbeitet werden, um ein unebenes Profil zu erzeugen. Außerdem ist es nicht nur möglich, das Äußere des Werkstückes zu bearbeiten, sondern es kann auch das Innere des Werkstückes bearbeitet werden.

Die Fähigkeit des vorstehend beschriebenen Steuersystems das Werkzeug rasch innerhalb einer Umdrehung bei hoher Drehzahl zu bewegen, ermöglicht es, daß Werkstücke außerordentlich genau und schnell sowie mit jeden gewünschten Oberflächenprofil bearbeitet werden können.

Selbstverständlich ist es auch nicht notwendig, daß das Werkstück umläuft. Es wäre auch möglich, den Werkzeughalter drehend anzutreiben und das Werkstück stationär zu halten. In diesem Fall wurden die Θ-Positionssignale von einem Werkzeughalterantrieb abgeleitet werden, welcher gesondert vom Antrieb vorlage, der das Werkzeug in radialer Richtung in Position bringt.

Es kann wünschenswert sein, das Werkstück 10 mit zwei Werkzeugen gleichzeitig maschinell zu bearbeiten. In diesem Fall können zwei Regelkreise der Art, wie vorstehend an Hand von Fig. 1 beschrieben, vorgesehen werden, wobei ein jeder zur Betätigung eines entsprechenden Werkzeuges in Übereinstimmung mit der erforderlichen Werkzeugbewegung dient. Beispielsweise kann gleichzeitig ein Drehen und Bohren eines Werkstückes, ein Plandrehen und Drehen oder Bohren des Werkstückes erfolgen.

Im Fall von komplexen Formen kann es auch wünschenswert sein, die Z- und Θ-Positionssignale getrennt zu. bearbeiten. Eine hiefür geeignete Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Bei dieser Anordnung sind zwei parallele Systeme vorgesehen. Das erste System ist im wesentlich so wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben ausgebildet und enthält

1 Q

einen Rechner 13, einen Signalprozessor 19 und einen geschlossenen Regelkreis 22, der die radiale Position des Werkzeuges 26 (oder die Position des Werkzeuges in einer Richtung) regelt. Der Rechner 13 wird mit Daten versorgt, die die erforderliche Radialposition des Werkzeuges bei verschiedenen (Θ, Z)-Positionen definieren. Das zweite System enthält einen Z-Positionsrechner 30, welcher Daten empfängt, die durch die erforderliche Geschwindigkeit für die Bewegung des Werkzeuges 26 in der Z-Richtung definiert sind. Diese Daten brauchen diese Vorschub-geschwindigkeit nur bei verschiedenen Änderungspunkten definieren, wobei der Rechner eine vorprogrammierte Interpolation ausführt. Der Rechner 30 gibt am Ausgang Positionssignale ab, die an einen Z-Positions-Betätigungsantrieb 29 angelegt werden, der ein Schrittmotor sein kann, um das Werkzeug 26 mit der erforderlichen Geschwindigkeit in der Z-Richtung zu bewegen. Da die notwendigen Geschwindigkeiten oder Änderungen in der Geschwindigkeit in Z-Richtung vergleichsweise niedrig sind, ist es möglich, einen herkömmlichen Schrittmotor ohne Rückkopplungsregelung oder einen hydraulischen oder pneumatischen, mit konstanter Geschwindigkeit zwischen festen Endanschlägen angetriebenen Schlitten zu verwenden.

Das Vorsehen eines gesonderten Z-Positions-Systems ermöglicht ein Ändern der Vorschub-geschwindigkeit, was notwendig sein kann, wenn das Werkstück aus Materialien von unterschiedlicher Härte zusammengesetzt ist, welche eine maschinelle Bearbeitung mit verschiedenen Geschwindigkeiten erfordern.

Bei allen vorstehend an Hand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen kann der Rechner auch zur Steuerung anderer Maschinenfunktionen eingesetzt werden, wie etwa zur Steuerung der Umlaufgeschwindigkeit des Werkstückes und/oder der Anbringung und Entfernung von Werkstücken, etwa mit Hilfe von Automatikarmen.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche :

10

Steuereinrichtung für eine Werkzeugmaschine, bei der ein Werkzeughalter und ein Werkstück während der maschinellen Bearbeitung relativ zueinander gedreht werden, mit einem Rechner (13) zur Erzeugung einer Folge von digitalen Signalen, die die zur maschinellen Bearbeitung des Werkstückes auf ein vorherbestimmtes Profil erforderlichen aufeinanderfolgenden Werkzeughalterpositionen definieren, gekennzeichnet durch einen Signalprozessor (19) zur Umwandlung der digitalen Signale in ein entsprechendes kontinuierliches Signal, und durch einen kontinuierlichen, das kontinuierliche Signal empfangenden geschlossenen Regelkreis (22) zur Regelung der Bewegung des Werkzeughalters in Übereinstimmung mit diesem kontinuierlichen Signal.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Signale während eines jeden Zaitintervalls einer Folge von gleichen Zeitintervallen erzeugt werden, wobei

jedes digitale Signal in ein Werkzeugpositionssignal mit konstanter Amplitude entsprechend dem Wert des zugehörigen digitalen Signals umgewandelt wird, und der Signalprozessor (19) aus der Folge der Werkzeugpositionssignale mit konstanter Amplitude das kontinuierliche Signal erzeugt, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, die je gleich dem Zeitintervall der Werkzeugpositionssignale sind, die Amplitude des kontinuierlichen Signals in Beziehung zu den aufeinanderfolgenden Werten der Werkzeugpositionssignale steht.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes vom Rechner (13) in einem Zeitintervall erzeugte digitale Signal durch eine die erforderliche Werkzeughalterposition für dieses Zeitintervall darstellende Bitgruppe gebildet ist, und daß ein Digital/Analog-Wandler (18) zum Umwandeln der Bitgruppen in die Werkzeughalterpositionssignale vorgesehen ist.
4. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (13) einen Speicher (14) enthält, dem ein gewünschtes Werkstückprofil definierende Eingabedaten zugeführt werden, wobei der Rechner (13) während zumindest einiger der Zeitintervalle aus diesen Daten Bitgruppen entsprechend einigen der künftigen Werkzeughalterpositionen erzeugt, welche dem Speicher (14) zugeführt werden, und wobei der Rechner (13) während eines jeden Zeitintervalls eine Bitgruppe entsprechend der für dieses Zeitintervall erforderlichen Werkzeughalterposition aus dem Speicher (14) am Ausgang abgibt.
5. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Werkstückpositionsrückkopplung (15) vorgesehen ist, um dem Rechner (13) digitale Signale entsprechend der momentanen Position des Werkstückes (10) _t relativ zu einem Bezugspunkt zuzuführen, wobei die Dauer der Folge der gleichen Zeitintervalle durch diese Rückkopplungssignale bestimmt ist.
6. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer maschinellen Bearbeitung eines Werkstückes auf ein Profil, das bezüglich wenigstens einer Ebene symmetrisch ist, die die Achse enthält, um die die Relativdrehung zwischen Werkstück und Werkzeughalter erfolgt, der Rechner (13) Daten empfängt, die das Werkstückprofil für nur einen der symmetrischen Teile definieren, wobei der Rechner (13) aus diesen Daten Werkzeughalterpositionssignale erzeugt, die die erforderliche Werkzeugpositionem sowohl in dem einen Teil als auch in dem übrigen Teil bzw. den übrigen Teilen darstellen.
7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Regelkreis (22) einen Proportional- (24) und einen Differential-Rückkopplungszweig (25) aufweist.
8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Regelkreis (22) einen Linearmotor (23) enthält, der das kontinuierliche Signal empfängt und den Werkzeughalter in Übereinstimmung damit bewegt.
9. Verfahren zur maschinellen Bearbeitung eines Werkstückes, wobei das Werkstück und ein Werkzeughalter relativ zueinander gedreht werden, und bei dem einem Rechner Daten zugeführt werden, die ein gewünschtes Werkstückprofil definieren, und mit dem Rechner eine Folge von digitalen Signalen erzeugt wird, die eine Folge von zur maschinellen Bearbeitung des Werkstückes auf das genannte Profil erforderlichen Werkzeughalterpositionen definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der digitalen Signale verarbeitet und ein entsprechendes kontinuierliches Signal erzeugt wird, das einem geschlossenen Regelkreis zugeführt wird, und daß dann die Bewegung des Werkzeughalters mit diesem Regelkreis gesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Folge der digitalen Signale in jedem einer entsprechenden Folge von gleichen Zeitintervallen ein Signal mit konstanter Amplitude entsprechend den digitalen Signalen erzeugt wird und die Werkzeughalterpositionssignale verarbeitet werden, um das kontinuierliche Signal zu erzeugen, welches sich fortschreitend so ändert, daß am Ende von aufeinanderfolgenden Zeitintervallen, die gleich den Zeitintervallen der Werkzeughalterpositionssignale sind, die Amplitude des Signals in Be-Ziehung zu den aufeinanderfolgenden Werten der Werkzeughalterpositionssignale steht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Rechner Daten zugeführt werden, die das gewünschte Werkstückprofil in Intervallen definieren, die größer sind als jene Intervalle, in denen die digitalen Signale erzeugt werden, wobei die Eingabedaten in einem Speicher des Rechners gespeichert und während zumindest einiger der Zeitintervalle zur Berechnung künftiger Werte der Werkzeughalterpositionssignale benutzt werden, die zur Erzeugung des gewünschten Profils notwendig sind, wobei die künftigen Werte dem Speicher zugeführt werden, und wobei während eines jeden Intervalls das Werkzeughalterpositionssignal entsprechend der in diesem Intervall erforderlichen Werkzeughalterposition am Ausgang abgegeben wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Zwischensignale zwischen definierten Profileingabedaten durch lineare Interpolation berechnet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer maschinellen Bearbeitung des Werk-Stückes, um ein Profil zu erhalten, das bezüglich wenigstens einer Ebene symmetrisch ist, die die Achse enthält, um die die Relativdrehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfolgt, dem Rechner Profildaten zugeführt werden, die das

Profil für einen der symmetrischen Teile definieren, wobei mit dem Rechner Signale entsprechend den erforderlichen Werkzeugpositionen für alle symmetrischen Teile berechnet werden.

- Beschreibung -