DE3503104C1

DE3503104C1 - Hydraulische Antriebsvorrichtung fuer eine Werkzeugmaschine mit hin- und hergehendem Werkzeug,insbesondere Zahnradstossmaschine

Info

Publication number: DE3503104C1
Application number: DE3503104A
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr.-Ing. 8770 Lohr Feuser
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1985-01-30
Publication date: 1986-08-21
Also published as: US4786218A

Description

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len des Oberbegriffs durch die im kennzeichnenden Teil Der Hub des Werkzeugs 10 bzw. die Lage des Werk-

des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. zeuges 10 wird von einem induktiven Lagemeßgeber 30

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- erfaßt, dessen Wicklung 31 gehäusefest angeordnet ist

Sprüchen gekennzeichnet. und in eine Sackbohrung 32 der Kolbenstange 26 ragt.

Das von einem Regler angesteuerte Servoventil für 5 Ferner ist an der Kolbenstange 26 ein Beschleunigungs-

den Antriebsmotor ergibt eine Antriebsvorrichtung, die meßgeber 33 befestigt. Die Signale des Lagemeßgebers

in kostengünstiger, bauraumsparender und funktionsge- 30 und des Beschleunigungsmeßgebers 33 sind an einen

rechter Weise ausgebildet ist. Mittels der elektronischen Regler 35 geführt, der als PI-Regler, also mit proportio-

Regelung läßt sich eine hohe Dämpfung und damit eine nal-integrierendem Verhalten aufgebaut ist. Die Inte-

hohe Verstärkung des Regelkreises erzielen. Dadurch 10 grationskonstante wird so eingestellt, daß das Auftreten

ist der Geschwindigkeitseinbruch beim Eintritt des von Grenzzyklen gerade vermieden wird. Von einer

Werkzeuges in das Werkstück und beim Austritt aus Steuerelektronik 36 kann in den Regler 35 als Führungs-

dem Werkstück vernachlässigbar klein. Ferner kann der größe die vom Werkzeug 10 auszuführende Geschwin-

Werkzeughub minimal eingestellt werden, da wegen der digkeit beim Arbeitshub und beim Rückhub sowie die

kleinen Beschleunigungs- und Abbremsstrecken die 15 Hubamplitude eingegeben werden. Aus den Führungs-

Nachlauffehler gering sind. Demnach ist die Arbeitsfre- großen und den vom Hubzylinder 15 abgegriffenen Zu-

quenz der Maschine hoch. Standsgrößen wie Lage und Beschleunigung erzeugt der

Anstelle der Meßeinrichtung für die Erfassung der Regler (35) in bekannter Weise eine Stellgröße auf der Beschleunigung des Hubzylinders können erfindungs- Leitung 37, die zur Ansteuerung des Proportionalmagemäß die gewünschten Zustandsgrößen als Eingangs- 20 gneten 38 des Servoventils 20 benutzt wird,
signale für die Regeleinheit in einem elektronischen In Fig.2 ist ein Geschwindigkeitsprofil dargestellt, Modell nachgebildet werden. Dieses Modell stellt eine wobei ausgehend von der Geschwindigkeit Null im Nachbildung der aus dem Servoventil und dem An- Uhrzeigersinn des Diagramms das Werkzeug 10 auf die triebsmotor bestehenden hydraulischen Regelstrecke Geschwindigkeit v\ beim Arbeitshub beschleunigt wird, dar. Aus der tatsächlich gemessenen und der im Modell 25 wobei bei 1 das Werkzeug in das Werkstück eintritt und geschätzten Position des Werkzeuges wird ein Diffe- bei 2 aus dem Werkstück austritt, worauf das Werkzeug renzsignal gebildet, das einer Korrekturschaltung züge- bis zum Umkehrpunkt 3 verzögert wird, worauf der führt wird, die entsprechend dem Differenzsignal Kor- Rückhub mit größerer Geschwindigkeit v₂ erfolgt. Aus rektursignale zur Verringerung der Fehler des Modells F i g. 2 ist ersichtlich, daß der hydraulische Antrieb mit bildet. Die in der Bewertungsschaltung erzeugten Kor- 30 konstanter Geschwindigkeit durch das Werkstück fährt, rektursignale werden dem Regler aufgeschaltet. auch bei der schlagartigen Be- und Entlastung an den

Mit dem Regler in Verbindung mit dem elektroni- Enden 1 bzw. 2 des Werkstücks 21.

sehen Modell lassen sich besonders kurze Regelzeiten Infolge der Berücksichtigung der Werkzeugbeerzielen. Auch bei der geringen Dämpfung eines Servo- schleunigung erhält der hydraulische Antrieb eine hohe ventils und mit einem großen Verstärkungsfaktor läßt 35 Dämpfung und damit eine hohe Verstärkung, d. h. es sich ein Überschwingen beim Ausregeln vermeiden. wird eine hohe Beschleunigung sowie Verzögerung er-

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Aus- zielt, ohne daß die Regelstrecke zum Überschwingen

führungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung neigt bzw. instabil wird,

zeigt Durch die hohen Beschleunigungs- und Verzöge-

F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines 40 rungswerte ist es möglich, den Arbeitshub mit konstan-

Hubantriebes für eine Zahnradstoßmaschine, ter Geschwindigkeit zu fahren, so daß die zu bearbeiten-

Fig.2 ein Geschwindigkeitsprofil des Werkzeuges de Oberfläche gleichmäßiger wird. Ferner kann die

und Hubgeschwindigkeit erheblich, beispielsweise bis zu

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Regelein- 35 m pro Minute, gesteigert werden. Durch die größere

richtung mit Modell-und Bewertungsschaltung. 45 Verstärkung im Regelkreis ergibt sich ein schnelleres

Der in F i g. 1 dargestellte hydraulische Antrieb für Ansprechen der Regelung und damit eine größere Geeine Zahnradstoßmaschine kann bei allen spanenden nauigkeit des Proportionalreglers, während Schleppfeh-Werkzeugmaschinen mit unterbrochenem Schnitt, wie ler durch das integrierende Verhalten des Reglers kleibeispielsweise Räummaschinen oder Keilnuten-Zieh- nersind.
maschinen, Verwendung finden. 50 Schleppfehler des hydraulischen Antriebes, also Ab-

In F i g. 1 ist ein Werkzeug 10 an der Kolbenstange 11 weichungen des Werkzeuges von einer bestimmten des Kolbens 12 eines Hubzylinders 15 befestigt, dessen Ausgangslage infolge Übertretens von Druckmittel Druckräume 16 und 17 an ein Servoventil 20 ange- über den Kolben 12, insbesondere beim Arbeitshub aus schlossen sind, das mit einer Druckmittelquelle P und dem Druckraum 17 in den Raum 16, werden durch entmit einem Vorratsbehälter T verbunden ist. Je nach 55 sprechend leckölfreie Dichtungen 14 minimiert. Ferner Schaltstellung des Servoventils ist der Druckraum 17 sollen die Dichtungen reibungsarm ausgeführt sein, damit der Druckmittelquelle und der gegenüberliegende mit nicht das Regelverhalten des Antriebs verschlech-Druckraum 16 mit dem Tank "verbunden, so daß das tert wird, da die Integrationskonstante entsprechend Werkzeug 10 einen Arbeitshub ausführt, während im hoch eingestellt werden kann,
umgekehrten Fall das Werkzeug den Rückhub ausführt. 60 Bei den hohen Hubgeschwindigkeiten des Werkzeu-

Ein Werkstück 21, z. B. ein Zahnrad, ist auf einem ges muß der Beschleunigungsmeßgeber 33 hohe dyna-Maschinentisch 22 befestigt, der von einem nicht darge- mische Anforderungen erfüllen. Außerdem stellt der rosteilten Antrieb drehbar angetrieben ist. Auch das tierende Kolben für eine meßtechnische Erfassung ein Werkzeug 10 kann drehbar angeordnet sein. Der An- großes Konstruktionsproblem dar. Die meßtechnische trieb erfolgt über ein mit einem Schneckenrad 23 kam- 65 Erfassung der Beschleunigung des Antriebes läßt sich mendes hülsenförmiges Zahnrad 24, das über die Feder vermeiden, wenn gemäß F i g. 3 der aus dem Servoventil 25 mit der verlängerten Kolbenstange 26 drehfest, doch 20 und dem Hubzylinder 15 bestehenden Regelstrecke axial verschiebbar gekuppelt ist. ein elektronisches Modell der Regelstrecke parallel ge-

schaltet wird. In F i g. 3 besteht das elektronische Modell aus drei Integrierverstärkern 40,41 und 42, an deren Eingänge Verknüpfungsglieder 43, 44 und 45 angeschlossen sind. Das Eingangssignal für den Verstärker 40 bildet die dritte Ableitung i'der Lage des Werkzeuges. Der Integrierverstärker 40 erzeugt aus diesem Eingangssignal ein die geschätzte Beschleunigung des Werkzeuges darstellendes Signal χ und der Integrierverstärker 41 aus diesem Signal das der geschätzten Geschwindigkeit des Werkzeuges darstellende Signal i, das im nachfolgenden Verstärker 42 zu einem Signal χ integriert wird, welches die geschätzte Lage des Werkzeuges wiedergibt. Das Signal χ der geschätzten Lage wird im Verknüpfungsglied 46 mit dem vom Lagemeßgeber 30 in F i g. 1 erzeugten tatsächlichen Lageistwertsignal x_s verglichen und hieraus die Differenz, nämlich der Schätzfehler ε ermittelt, der über eine aus Verstärkern 47, 48 und 49 bestehende Bewertungsschaltung Korrektursignale liefert, welche den Verknüpfungsgliedern 43,44 und 45 zugeführt werden und die Eingangsgrößen für die Verstärker in der Weise ändern, daß der Schätzfehler ε nach Null geht.

Die geschätzten Zustandsgrößen für die Beschleunigung χ und die Geschwindigkeit χ des Werkzeuges werden über Leitungen 50 und 51 in den Regler 35 eingegeben, der unter zusätzlicher Berücksichtigung der Differenz aus dem Lageistwert Xj und dem eingegebenen Lagesollwert x_w eine Stellgröße auf der Leitung 52 erzeugt, die sowohl dem Servoventil 20 als auch dem Verknüpfungsglied 43 für die Modellschaltung zugeführt wird. Die Rückführungsschleifen für die Integrierverstärker 40 und 41 für Beschleunigung und Geschwindigkeit sind mit 53 und 54 bezeichnet. Werden die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 47, 48, 49 der Bewertungsschaltung sowie der Rückführungsverstärker 53 und 54 optimiert, so werden die Zustandsgrößen für die geschätzte Beschleunigung und die geschätzte Geschwindigkeit des Werkzeuges so groß sein, daß eine Stellgröße für das Servoventil 20 vom Regler 35 erzeugt werden kann, welche einen Istwert der Lage des Werkzeuges zur FoI-ge hat, der gleich der geschätzten Lage χ der Modellschaltung ist, so daß der Schätzfehler ε gegen Null geht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 PI-Regler ist, dessen Integrationskonstante so einge- Patentansprüche: stellt wird, daß das Auftreten von Grenzschwingun gen vermieden wird.

1. Hydraulische Antriebsvorrichtung für eine 8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche Werkzeugmaschine mit hin- und hergehendem 5 1 bis 7 mit einem Hubzylinder als Antriebsmotor, Werkzeug, insbesondere Zahnradstoßmaschine, mit dadurch gekennzeichnet, daß das Servoventil (20) einem Steuerventil zur Steuerung der Druckmittel- unmittelbar am oder in unmittelbarer Nähe des wege zwischen einem hydraulischen Antriebsmotor Hubzylinders befestigt ist.

und einer Druckmittelquelle bzw. einem Vorratsbe- 9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch

halter und mit einer elektrischen Schaltungsanord- 10 gekennzeichnet, daß der Hubzylinder eine durchge-

nung zur Steuerung der Hubgeschwindigkeit und hende Kolbenstange (11, 26) aufweist, an deren ei-

des Vorschubes des Werkzeuges, dadurch ge- nem Ende das Werkzeug (10) und am anderen Ende

kennzeichnet, daß am Antriebsmotor ein La- der Lagemeßgeber (30) angebracht ist.

gemeßgeber (30) zur Erfassung der Position des 10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,

Werkzeuges und als Steuerventil ein elektrisch an- 15 dadurch gekennzeichnet, daß der Hubzylinder mit

steuerbares Servoventil (20) vorgesehen ist, das von reibungsarmen und im wesentlichen leckölfreien

einem den Istwert und den Sollwert der Werkzeug- Dichtungen versehen ist.

position sowie einen Sollwert für die Zeitdauer bzw. 11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprü-

Frequenz des Werkzeughubes verarbeitenden Reg- ehe 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler

ler (35) angesteuert wird. 20 (35) und die Steuerelektronik voneinander getrennte

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch Funktionseinheiten sind, gekennzeichnet, daß am Antriebsmotor ein Beschleunigungsmeßgeber (33) zur Erfassung der Be-

schleunigung bzw. Verzögerung des Werkzeuges

vorgesehen ist, dessen Signal dem Regler (35) aufge- 25

schaltet ist. Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvor-

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch richtung für eine Werkzeugmaschine mit hin- und hergekennzeichnet, daß zur Nachbildung der Werk- gehendem Werkzeug, insbesondere Zahnradstoßmazeugbewegung ein elektronisches Modell vorgese- schine, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegehen ist, dem als Eingangssignal der Istwert der 30 benen Merkmalen.

Werkzeugposition zugeführt ist und dessen Aus- In der Regel sind zum Antrieb von Zahnradstoßma-

gangssignale dem Regler aufgeschaltet sind. schinen mechanische Hubantriebe für das Werkzeug

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch vorgesehen. Die mechanischen Antriebe können nur gekennzeichnet, daß der aus dem Servoventil und verhältnismäßig kleine Zerspanungsleistungen bei kurdem Hubzylinder bestehenden Regelstrecke das aus 35 zem Hub aufbringen. Außerdem verläuft die Geschwin-Integrierverstärkern (40, 41, 42) bestehende Modell digkeit bei solchen Antrieben sinusförmig. Diese sinusder Regelstrecke parallel geschaltet ist, daß die im förmige Bewegung kann die Bearbeitungsqualität des Regler (35) erzeugte Stellgröße an die Regelstrecke Zahnrades verschlechtern.

und das Modell geführt ist, daß die aus dem Istwert Es ist auch ein mechanisch-hydraulischer Hubantrieb der Werkzeugposition und der geschätzten Werk- 40 einer Zahnradstoßmaschine bekannt (CH-PS 6 25 150).

zeugposition gebildete Fehlerdifferenz einer Bewer- Dabei ist das Wegeventil zur Steuerung des Hubzylin-

tungsschaltung (47, 48, 49) zugeführt wird, deren ders im Kolben des Hubzylinders eingebaut und wird

Korrektursignale mit den Eingangssignalen der Inte- der Schieberkolben des Wegeventils von einem elektro-

grierverstärker verknüpft werden, wobei die Aus- mechanischen Vorsteuersystem angetrieben, das mit ei-

gangssignale der Integrierverstärker (40, 41) für die 45 ner exzentrischen Übertragung versehen ist, an dem die

Beschleunigung und Geschwindigkeit jeweils auf Geschwindigkeit, die Hubzahl und der Arbeitshub ein-

den Regler (35) geschaltet sind und die abhängig von stellbar sind. Das Vorsteuersystem ist kosten- und platz-

dem Istwertsignal der Werkzeugposition im Regler mäßig relativ aufwendig, ferner ist die Einstellung der

erzeugte Stellgröße derart beeinflussen, daß die Arbeitsgrößen am Vorsteuersystem zeitaufwendig und

Fehlerdifferenz zwischen Sollwert und Istwert ge- 50 erfährt der Hubzylinder insbesondere beim Eintritt des

gen Null geht. Werkzeuges in das Werkstück relativ große Geschwin-

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, digkeitsänderungen.

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Modell Anstelle der mechanischen Betätigung des Wegeven-

aus drei Integrierverstärkern (40, 41, 42) besteht, in tils zur Steuerung des Hubzylinders ist es auch bekannt

denen aus der dritten Ableitung der Werkzeugposi- 55 (CH-PS 6 35 020), das mit der Kolbenstange des Hubzy-

tion die geschätzte Beschleunigung, aus der ge- linders gekuppelte Servoventil über ein Hubgestänge

schätzten Beschleunigung die geschätzte Geschwin- von einem Elektromotor zu verstellen. Die Ansteuerung

digkeit und aus der geschätzten Geschwindigkeit die des Motors zur Steuerung der Hubgeschwindigkeit und

geschätzte Werkzeugposition durch Integrieren er- Werkzeugposition erfolgt durch eine elektrische Mo-

mitteltwird. 60 torsteuerung.

6. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bedadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsschal- steht darin, den Antrieb der Werkzeugmaschine zu vertung aus je einem dem Integrierverstärker zugeord- einfachen und dem Werkzeug eine möglichst konstante neten Verstärker (47, 48, 49) besteht, dessen Aus- Geschwindigkeit auch bei schlagartigen Be- und Entlagangssignal jeweils mit dem Eingangssignal eines In- 65 stungen an den Enden des Werkstückes zu verleihen, tegrierverstärkers verknüpft ist. um eine gleichmäßig gute Bearbeitungsqualität des

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche Werkstückes zu erzielen.

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler ein Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkma-