DE3530593A1

DE3530593A1 - Werkzeugmaschine und verfahren zum betreiben einer derartigen werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE3530593A1
Application number: DE19853530593
Authority: DE
Inventors: Koichi Toyoake Aichi Asakura
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1984-08-27
Filing date: 1985-08-27
Publication date: 1986-03-13
Anticipated expiration: 2005-08-28
Also published as: GB8521211D0; US4704689A; GB2164878A; DE3530593C2; GB2164878B

Description

Werkzeugmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Werkzeugmaschine

Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer deartigen Werkzeugmaschine.

Beim Bohren mit einer Werkzeugmaschine wird im allgemeinen ein Schneidwerkzeug in diskreten,aufeinanderfolgenden Schritten in ein Werkstück eingeführt. Bei jedem Schritt, den das Schneidwerkzeug in das Werk-

stück vorgeschoben wird, müssen Späne von dessen Material entfernt werden. Am Ende jedes dieser Schritte wird das Schneidwerkzeug mindestens teilweise aus dem Werkstück herausgezogen, um das Schneidwerkzeug mit

Schneidöl zu kühlen.
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Bei fortschreitend tieferem Einführen des Schneidwerkzeugs in das Werkstück wird es immer schwieriger,Späne zu entfernen oder auszuwerfen. Außerdem wird es für das Schneidöl immer schwieriger das Schneidwerkzeug zu er-

reichen, wenn dieses in das Werkstück eindringt. Wenn also das Schneidwerkzeug in das Werkstück vorgeschoben wird, sollte die Vorschubrate des Schneidwerkzeugs in das Werkstück schrittweise verringert werden.

Im Stand der Technik wurde das Bedürfnis schon erkannt, die Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs zu reduzieren, wenn dieses in das Werkstück eindringt. Beispielsweise wird in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 223508/1983 angegeben, daß der erste diskrete Vorschubschritt für ein Schneidwerkzeug in ein Werkstück oder zumindestens die ersten paar derartiger Vorschubschritte über jeweils eine vorbestimmte Distanz erfolgen soll. Danach wird die Vorschubdistanz des Schneidwerkzeugs in das Werkstück bei jedem folgenden Schritt in einem geometrischen Verhältnis herabgesetzt. Dieses Verfahren der Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit eines Schneidwerkzeugs weist jedoch mehrere Nachteile auf. Einmal sind Spezialkenntnisse erforderlich, um die vorbestimmte Vorschubdistanz für die ersten paar Schritte festzulegen. Zum zweiten ist die Anzahl der diskreten Schritte, die zur Durchführung einer Operation erforderlich sind, größer als die im Idealfall für das jeweilige Schneidwerkzeug benötigte minimale Anzahl von Schritten, da das Schneidwerkzeug mit einer Distanz in das Werkstück vorgeschoben wird, die sich als Funktion der gesamten Vorschubtiefe ändert, wenn ein Schneidwerkzeug mit großem Durchmesser und hoher Festigkeit verwendet wird. Der Wirkungsgrad liegt daher unter dem optimalen Wert.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein Schneidwerkzeug mit hohem Wirkungsgrad in einer Reihe von diskreten Schritten in ein Werkstück vorgeschoben wird; außerdem soll ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Werkzeugmaschine angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 10 beschriebene Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung verwendet einen Datenspeicher, in dem ein konstanter Wert für jeden der Vorschubschritte gespeichert ist, mit denen ein Schneidwerkzeug in ein Werkstück schrittweise vorgeschoben wird, sowie Rechenvorrichtungen, die für jeden der Einzelschritte einen Vorschubwert als Funktion des für diesen Schritt gespeicherten konstanten Werts und eines variablen Faktors berechnen, der den Betrieb des Schneidwerkzeugs beeinflußt. Schließlich sind in der Werkzeug-

XO maschine Steuervorrichtungen vorgesehen, mit denen das Schneidwerkzeug in einer Vielzahl von Schritten als Funktion des Vorschubwerts in das Werkstück vorgeschoben wird, um nach Beendigung eines Vorschubschritts zumindest teilweise wieder herausgezogen und anschließend als Funktion des Vorschubwerts für den nächsten Schritt wieder in das Werkstück eingeführt zu werden. Der variable Faktor,der den Betrieb des Schneidwerkzeugs beeinflußt, ist vorzugsweise entweder der Durchmesser des Schneidwerkzeugs oder ein Materialkoeffizient des Werkstücks.

Wird als variabler Faktor der Durchmesser des Schneidwerkzeugs gewählt, so berechnet sich der Vorschubwert als Funktion sowohl des Durchmessers des Sehneidwerkzeugs als auch des entsprechenden konstanten Wertes für diesen Vorschubschritt. Ist der Materialkoeffizient des Werkstücks der variable Faktor, so wird der Vorschubwert als Funktion des Materialkoeffizienten des Werkstücks und des entsprechenden konstanten Wertes für diesen Vorschubschritt berechnet.

In einer Ausführungsform werden in die Speichervorrichtungen ein erster konstanter Wert für jeden Schritt und ein zweiter konstanter Wert (Materialkoeffizient des Werkstücks) für jedes der verschiedenen Werkstückmaterialien eingespeichert. Bei dieser Ausführungsform wird für

jeden der diskreten Vorschubschritte ein Vorschubwert als Funktion des Durchmesser des Schneidwerkzeuges, des ersten konstanten Werts für diesen Schritt und des zweiten konstanten Werts für das betreffende Material des Werkstücks berechnet.

Werkzeugmaschinen gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten mit hohem Wirkungsgrad und sind einfach zu bedienen. Die Eingabe der für die jeweilige Aufgabe erforderlichen Parameter in die Maschine ist einfach und kann auch durch Bedienungspersonen erfolgen, die keine Spezialkenntnisse, beispielsweise NC-Programmiersprachen, besitzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitten dem der Aufbau

einer Werkzeugmaschine dargestellt ist, die zur Realisierung der vorliegenden

Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Äußeren

der Werkzeugmaschine von Fig. 1; 25

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Bewegung

eines Bohrwerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine graphische Darstellung von konstanten

Werten, die gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Bohroperation verwendet werden;

Fig. 5 eine graphische Darstellung von konstanten

Werten, die gemäß der vorliegenden Er-

findung in einer Gewindeschneidoperation

verwendet werden;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Bewegungen eines Gewindeschneidwerkzeugs gemäß der

vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm mit Materialkoeffizienten

von Werkstücken;
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Fig. 8 ein Blockdiagramm eines Systems gemäß

der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ein Flußdiagramm einer Bohroperation

gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ein Flußdiagramm einer Gewindesehneid-

operation gemäß der vorliegenden Erf indung;

Fig. 12 eine Vorderansicht eines Bedienerfeldes (Steuerungsterminal), das im Zusammen

hang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und

Fig. 13-19 verschiedene Einträge, die auf dem Bildschirm des Steuerungsterminals von

Fig. 12 erscheinen können, um Informationen einzugeben, die von der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Fig. 1 zeigt einen von der Seite betrachteten Querschnitt einer Werkzeugmaschine 10, die zur Realisierung der Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Werkzeugmaschine 10 ist vorzugsweise mit einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung ausgestattet und enthält eine Vorschubspindel 12, die durch einen Vorschubmotor 14 gedreht wird. Ein Spindelkopf 16 ist so montiert, daß er durch die Vorschubspindel 12 in beiden vertikalen Richtungen bewegt werden kann. Ein Spindelmotor 18 ist auf dem Spindelkopf 16 befestigt. Der Spindelmotor 18 treibt eine Spindel 20. Die Spindel 20 ihrerseits ist so ausgelegt, daß sie ein Schneidwerkzeug, beispielsweise einen Bohrer 22, aufnehmen kann, das seinerseits durch den Spindelmotor 18 in bekannter Weise angetrieben wird. Ein Werkzeugmagazin 24 ist so in einer Werkzeughalterung 26 befestigt, daß sich das Magazin zu bestimmten, durch Index angezeigten Positionen drehen kann. Die Werkzeughalterung 26 ist außerdem so gehaltert, daß sie sich längs der Axialrichtung der Spindel 20 bewegen kann.

In Fig. 2 ist über dem Werkzeugmagazin 24 eine Abdeckung 28 angebracht. Die Werkzeugmaschine 10 enthält ferner einen Rahmen 30, an dem mit Hilfe eines Haltearms 34 ein Rechner 32 befestigt werden kann. Der Rechner 32 enthält eine Tastatur 36 und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), deren Funktionen später im einzelnen beschrieben werden.

Im üblichen Betrieb schneidet die Werkzeugmaschine 10 ein Loch in ein Werkstück und verwendet dazu ein Schneidwerkzeug, wie beispielsweise einen Bohrer 22. Dieser Schneidvorgang kann entsprechend der Darstellung in Fig. 3 in einer Reihe von aufeineinanderfolgenden

Schritten erfolgen. Am Ende jedes Schrittes N ist das Schneidwerkzeug,wie beispielsweise der Bohrer 22, über eine Distanz X_n in das (nicht dargestellte) Werkstück eingedrungen. Nach Beendigung dieses Schritts wird das Schneidwerkzeug mindestens teilweise herausgezogen damit der Schneidkante des Schnexdwerkzeugs Schneidöl zugeführt werden kann . Anschließend wird beim nächsten inkrementellen Schritt das Schneidwerkzeug über eine neue Distanz X_n+1 in das Werkstück vorgeschoben, wobei X„ ₁ größer ist als X . Dieser Prozeß des in Inkrementen erfolgenden Vorschubes des Schneidwerkzeugs in das Werkstück wird solange fortgesetzt bis die gewünschte Schneiddistanz erreicht wurde.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß der Durchmesser D des Schnexdwerkzeugs eine Auswirkung auf die Distanz X_n eines jeden Vorschubs in das Werkstück haben sollte, da die Schneidoperation umso wirksamer ist und der Vorschub bei einem bestimmten Schritt N umso tiefer erfolgen kann, je größer der Durchmesser des Schnexdwerkzeugs ist. Außerdem wurde festgestellt, daß das Verhältnis zwischen der Vorschubdistanz X_n für einen beliebigen bestimmten Schritt N und dem Bohrdurchmesser D einen bestimmten Wert aufweist, wenn die wirksamste Vorschubdistanz X_n erzielt werden soll, und zwar unabhängig vom Durchmesser D des Bohrers bei einem bestimmten Materialtyp des Werkstücks. Obwohl also das Verhältnis von IL zu D langsam abnimmt, wenn die Anzahl N der Schritte zunimmt,ergibt das Verhältnis X_n zu D eine Sättigungskurve, die in Zusammenhang mit einem beliebigen Bohrerdurchmesser D herangezogen werden kann, um bei einem beliebigen Vorschubschritt N die ideale Vorschubdistanz X_n zu ermitteln. Zusätzlich wurde festgestellt, daß diese Beziehung zwischen der Vorschubdistanz X_n und dem Durchmesser D des Schnexdwerkzeugs sowohl für Bohrwerkzeuge als auch für Werkzeuge gilt, die Gewinde in Bohrlöchern schneiden.

Schließlich wurde festgestellt, daß jedem Werkstück ein Materialkoeffizient zugeordnet werden kann, der von dem Material abhängt, aus dem das Werkzeug besteht. Dieser Materialkoeffizient des Werkstücks kann unabhängig von dem Durchmesser des verwendeten Schneidwerkzeugs bestimmt werden. Darüberhinaus kann dieser Materialkoeffizient des Werkstücks im Rechner 32 eingesetzt werden, um die Distanz X für jeden beliebigen Schritt des Schneideprozesses so abzuändern, daß sich der Idealwert X^ für das betreffende Werkstückmaterial ergibt. Im Idealfall kann X„ berechnet werden als Funktion eines konstanten Werts in Form des Verhältnisses X«/D für Schritt N mal dem Durchmesser D des verwendeten Schneidwerkzeugs mal dem Materialkoeffizienten des Werkstücks.

Beispielsweise zeigt Fig. 4 spezifische konstante Werte (5,0, 9,5 , 12,5 ,14,7 , 16,2, 17,5, 18,5, 19,1 , 19,6, 20,0) für jeden Vorschubschritt N = 1 bis N = 10. Wie oben erwähnt, kann jeder dieser konstanten Werte so aufgefaßt werden, daß er das Verhältnis der idealen effektiven Schneidlänge X„ für einen gegebenen Durchmesser D des Schneidwerkzeugs für jeden Schritt N darstellt. Wenn also ein beliebiger der in der Darstellung von Fig. 4 gezeigten konstanten Werte für den Vorschub mit dem Durchmesser des Schneidewerkzeugs multipliziert wird, erhält man die idealisierte Vorschubschneidelänge X für einen bestimmten Schritt N.

Wie oben erwähnt, beziehen sich die in Fig. 4 dargestellten konstanten Werte auf ein Bohrwerkzeug. Vergleichbare konstante Werte sind in Fig. 5 bezüglich eines Gewindeschneidwerkzeugs für Bohrlöcher dargestellt.

Die Fig. 3 und 6 erläutern die bevorzugte Bewegung eines Schneidwerkzeugs wenn die in den Fig. 4 und 5 angegebenen konstanten Werte verwendet werden für ein Bohrwerkzeug

bzw. ein Gewindeschneidwerkzeug. In Fig. 3 erstreckt sich eine erste Vorschubdistanz X_n von einem Ausgangspunkt P.. in ein Werkstück. X wird errechnet indem der Durchmesser des Bohrers mit dem angegebenen konstanten Wert (5,0 für Schritt N = 1) multipliziert wird. Anschließend wird das Bohrwerkzeug zumindest teilweise aus dem Werkstück herausgezogen. Nach der Darstellung in Fig. 3 kann das Bohrwerkzeug auch vollständig aus dem Werkstück entfernt werden. Anschließend wird das Bohrwerkzeug erneut in das Werkstück eingeführt und zwar über eine Distanz ^_n+1/ wobei diese Distanz X . durch Multiplikation des konstanten Werts (9,5 für Schritt N+1=2) mit dem Durchmesser des Bohrwerkzeugs berechnet wird. Dieser Prozeß wird dann solange fortgesetzt bis die gewünschte Schnitttiefe im Werkstück erreicht wurde. In Fig. 6 ist eine vergleichbare Bewegung für ein Gewindeschneidwerkzeug dargestellt. Im dortigen Beispiel wird das Schneidwerkzeug nach jedem Schritt jedoch nur teilweise aus dem Werkstück herausgezogen.

An späterer Stelle erfolgt noch eine genauere Beschreibung der Arbeitsweise, die erforderlich ist, um die Bewegung der Schneidwerkzeuge entsprechend den Fig. 3 und 6 zu erzielen.

Wie schon oben erwähnt, kann der Materialkoeffizient des Werkstücks herangezogen werden, um die spezifische Distanz zu errechnen, mit der ein Schneidwerkzeug in ein Werkstück bei einem bestimmten Schritt N eingeführt werden muß. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Distanz X bestimmt indem einfach ein konstanter Wert (wie beispielsweise in den graphischen Darstellungen der Fig. 4 und 5 angegeben) bei einem bestimmten Schritt N sowohl mit dem Durchmesser D des verwendeten Schneidwerkzeugs multipliziert als auch mit dem Materialkoeffizienten des Werkstücks (beispielsweise den

Koeffizienten, die in Fig. 7 für bestimmte Werkstückmaterialien angegeben sind).

Die konstanten Werte der Fig. 4 und 5 können experimenteil für ein Standardwerkstückmaterial bestimmt werden, beispielsweise Kohlenstoffstahl S45C, wobei dann diesem liaterialkoef f izient der Wert 1,0 zugeordnet wird. Der
Koeffizient für weichere Werkstückmaterialien wird dann Werte größer als 1,0 aufweisen, während der Koeffizient für Materialien, die härter als Kohlenstoffstahl S45C
sind kleinere Werte als 1,0 hat. Obwohl in Fig. 7 gewisse Koeffizienten angegeben sind, können die für jede Ausführungsform der Erfindung verwendeten Materialkoeffizienten der Werkstücke experimentell bestimmt werden.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm der allgemeinen Struktur einer Werkzeugmaschine, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Gemäß Fig. 8 sind vorgesehen: eine Datenspeicherung 50, die so betrieben

wird, daß sie für jeden einer Vielzahl von diskreten

Schneideschritten einen konstanten Wert speichert. Rechenvorrichtungen 52, die auf den Wert eines variablen Faktors ansprechen, der den Betrieb eines Schneidwerkzeugs beeinflußt, beispielsweise der Durchmesser des Schneidwerk-

zeugs oder der Materialkoeffizient eines Werkstücks,und die für jeden der diskreten Schritte einen Vorschubwert errechnen, und zwar als Funktion des entsprechenden in
5er Datenspeichervorrichtung 50 gespeicherten konstanten Wertes für diesen Schritt und des Wertes des variablen

Faktors, beispielsweise des Durchmessers des Schneidwerkzeuges oder des Materialkoeffizienten des Werkstücks (oder von beiden). In Fig. 8 ist weiterhin eine Steuervorrichtung 54 dargestellt, mit der ein Schneidwerkzeug in ein Werkstück vorgeschoben werden kann, und zwar als Funktion der von den Rechnervorrichtungen 52 ermittelten

Vorschubwerte für jeden einer Vielzahl von Schritten N; außerdem bewirken die Steuervorrichtungen 54. , daß bei Beendigung des Vorschubs für einen Schritt das Schneidwerkzeug mindestens teilweise aus dem Werkstück herausgezogen wird und anschließend wieder in das Werkstück eindringt, und zwar mit einem Vorschub, der durch den Vorschubwert des nächsten Schritts bestimmt wird. Die tatsächliche Bewegung des Schneidwerkzeugs wird durch den Vorschubmotor 56 hervorgerufen, der von den Steuervorrichtungen 54 beeinflußt wird.

Fig. 9 zeigt ein spezifisches bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dort ist ein Speicher 60 mit wahlfreiem Zugriff dargestellt, in den für jeden Schritt einer Schneidoperation ein konstanter Wert gespeichert werden kann. Handelt es sich bei der Schneidoperation beispielsweise um Bohren, so werden konstante Bohrvorschubwerte, wie sie in Fig. 4 angegeben sind, im Teil 62 des RAM 60 gespeichert. Betrifft die Schneidoperation das Schneiden von Gewinden, so werden stattdessen konstante Werte für den Vorschub beim Gewindeschneiden im Teil 64 des RAM 60 gespeichert, wie sie in Fig. 5 wiedergegeben sind. Außerdem werden Materialkoeffizienten der Werkstücke, wie beispielsweise in Fig. 7 dargestellt, im Teil 66 des RAM 60 gespeichert. Im Teil 68 ist ein Bearbeitungsprogramm gespeichert, im Teil 70 eine Standardvorschubkonstante für das Bohren und im Teil 72 eine Standardvorschubkonstante für das Gewindeschneiden. Die Funktion der Standardvorschubkonstanten für das Bohren und das Gewindeschneiden wird im folgenden noch genauer beschrieben.

Das in Teil 68 des Speichers 60 mit wahlfreiem Zugriff gespeicherte Bearbeitungsprogramm kann durch Betätigung der Tastatur 36 des in Fig. 2 dargestellten Rechners 32

eingegeben werden. Zur Veränderung eines Bearbeitungsprogramms kann die Tastatur 36 so bedient werden, daß sie einen Schritt zur Eingabe von Zeichnungsdaten ändert oder hinzufügt, beispielsweise die Durchmesser von Werkzeugen oder Löchern, ein Schritt zur Bestimmung der Bearbeitungsfolge, ein Schritt zur Änderung der Werkzeugmuster, ein Schritt der Zuordnung und Änderung von Werkzeugen, ein Schritt zur Änderung von Schneidbedingungen, ein Schritt zur Anzeige Eliminierung oder Anordnung von Kapazitätsmengen, die in den Programmen und Speichern vecwaxfet oder nkht werden, die im RAM 60 gespeichert sind, und ein Schritt zur übertragung von Daten von und zu den internen Programmspeichern .

Fig. 9 zeigt weiterhin einen Nur-Lese-Speicher 74 , ^{der in} Verbindung mit der tatsächlichen Steuerung der Position des Schneidwerkzeugs verwendet wird, wie es auf dem Gebiet der schrittgesteuerten Maschinenwerkzeuge bekannt ist.

Fig. 9 zeigt außerdem eine zentrale Verarbeitungseinheit 76 des Rechners 32 von Fig. 2, eine Tastatur 36 des Rechners 32, einen Vorschubmotor 14, wie er in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist und einen Spindelmotor 18, wie er ebenfalls aus den Fig. 1 und 2 bekannt ist.

Eine tatsächliche Bohroperation nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann entsprechend dem in Fig. 10 dargestellten Flußdiagramm ausgeführt werden. Das Flußdiagramm von Fig. 10 ist speziell für eine Bohroperation ausgelegt, während das Flußdiagramm von Fig. 11 speziell für eine Gewindeschneidoperation vorgesehen ist.

Nach der Darstellung in Fig. 10 betrifft eine erste

Instruktion 101 den Schritt,in dem der Durchmesser des Schneidwerkzeugs und die Materialtype des Werkstücks ermittelt werden. Diese Daten können durch Betätigung der Tastatur 36 des Rechners 32 erhalten werden, wie später im einzelnen erläutert wird. Zur Erläuterung sei als Beispiel angenommen, daß als Ergebnis der Instruktion 101 ein Durchmesser des Schneidwerkzeugs von 4 (4,0) mm erhalten wurde,und daß Aluminium als Material des Werkstücks vorliegt.
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In Instruktion 102 wird der Materialkoeffizient für das Werkstück aus Aluminium aus Teil 66 des RAM 60 ausgelesen. Im Fall von Aluminium ist dieser Koeffizient nach Fig. 7 gleich 2,0.

Im Schritt 103 wird der Spindelmotor 18 eingeschaltet.

Instruktion 104 setzt die eigentliche Vorschubbewegung in Gang, um die Spitze des Schneidwerkeζugs schnell zum Anfangspunkt P₁ von Fig. 3 unmittelbar benachbart zum

Werkstück zu führen. Dieser Vorschub wird mit Hilfe des Vorschubmotors 14 durchgeführt, wie es im Stand der Technik bekannt ist.

Instruktion 105 erfordert das Auslesen des ersten konstanten Werts (X /D) des Vorschubs für den ersten Schritt N = 1. Nach Fig. 4 kann dieser Wert 5,0 betragen.

In Instruktion 106 wird der erste Vorschubwert erhalten, indem die erste Vorschubkonstante (5,0) mit dem Werkzeugdurchmesser (4,0 mm) und dem Materialkoeffizienten des Werkstücks (2,0) multipliziert wird, um einen ersten Vorschubwert von 40,0 mm zu erhalten.

Die Verzweigungsinstruktion 107 bestimmt, ob der erste

Vorschubwert (40,0) größer ist als die Bearbeitungstiefe, beispielsweise 85 mm. Wenn die Antwort "Nein" ist, wird Instruktion 108 ausgeführt. Abhängig von Instruktion 108 wird der Vorschub über eine Distanz durchgeführt, die durch den ersten Vorschubwert (40,0 mm) bestimmt wird, und zwar mit der Vorschubgeschwindigkeit der Maschine. In Instruktion 109 wird der gerade ausgeführte jeweilige Bearbeitungsschritt registriert. In diesem Beispiel wird der Wert von N als 1 festgestellt.

Instruktion 110 bewirkt, daß die Anzahl der Schritte um 1 erhöht wird, so daß der nächste sequentielle Schritt unternommen werden kann. In dem betrachteten Beispiel ist der Wert von N nach Beendigung der Instruktion 110 gleich N = 2.

Instruktion 111 bewirkt, daß das Schneidwerkzeug schnell aus dem Werkstück herausgezogen wird, und zwar bis zu einer Position P₁, die unmittelbar benachbart zum Werkstück liegt. An dieser Stelle kann dem Schneidwerkzeug Schneidöl zugeführt werden.

Instruktion 112 veranlaßt, daß der Bohrer schnell bis zum vorherigen Vorschubswert (40,0 mm) minus einem Toleranzwert 1 eingeführt wird, der beispielsweise 1,0 mm beträgt.

Als Folge der Instruktion 113 wird die Vorschubkonstante für den nächsten Schritt (N = 2) aus Teil 62 des Speichers 60 mit wahlfreiem Zugriff erhalten. Nach Fig. 4 ist diese nächste Konstante gleich 9,5.

In Schritt 114 wird eine Berechnung ausgeführt, um den nächsten Vorschubwert zu erhalten. Dazu wird der Vorschubwert für den N-ten Schritt erhalten, indem die

Vorschubkonstante für den N-ten Schritt aus Fig. 4 (9,5 für N = 2) mit dem Materialkoeffizient aus Fig. 7 (2,0 für Aluminium) und mit dem Bohrdurchmesser D (4,0mm) multipliziert wird. Für den zweiten Schritt ergibt sich daher mit den oben angegebenen Beispielswerten ein Vorschubswert für den zweiten Schritt X_ von 9,5 χ 2,0 χ 4,0 = 76 mm. Da außerdem das Schneidwerkzeug in Instruktion 112 schon bis zum Vorschubwert X₁-I mm zurückgeführt wurde, bewirkt die Instruktion 114, daß die zusätzliche inkrementeile Distanz bestimmt wird, die das Schneidwerkzeug zurücklegen muß, nämlich X-, . - X_n + 1 oder im Beispiel 76 mm - 40 mm + 1,0 mm = 37 mm.

Verzweigungsinstruktion 115 bestimmt, ob der Vorschubwert X für den N-ten Schritt größer ist als die gewünschte gesamte Bearbeitungstiefe. Bei negativem Ergebnis wird Instruktion 116 ausgeführt, so daß der Vorschub entsprechend dem N-ten Schritt mit Maschinengeschwindigkeit erfolgt, und das Programm zu Instruktion 110 zurückkehrt. In diesem Fall werden die Instruktionen 110 bis 115 wieder ausgeführt.

Stellt 115 allerdings fest, daß der N-te Vorschubswert größer ist als die Vorschubtiefe, so wird Instruktion 117 ausgeführt. In diesem Fall erfolgt der Vorschub bis zur gewünschten gesamten Bearbeitungstiefe entsprechend der Ausführung der Instruktion 117. Anschliessend bewirkt Instruktion 118, daß das Schneidwerkzeug zur Ausgangsposition zurückgeführt wird und Instruktion 119 beendet die Drehung der Spindel.

Wenn der Vorschubswert für den ersten Schritt größer ist als die gesamte Bearbeitungstiefe, wird das Ergebnis der Instruktion 107 zu "Ja", die Instruktionen 108 bis 115 werden übersprungen und die Instruktionen 117 -

119 mit Vorrang ausgeführt.

Entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel kann selbst eine im Bohren ungeübte Person die Vorschubdaten entsprechend dem Durchmesser des Bohrers und/oder des Materials des verwendeten Werkstücks auf einen optimalen Weirt einstellen. Beim Bohrvorgang kann daher die Anzahl der Vorschubschritte auf einen geeigneten Wert herabgesetzt werden. Anders ausgedrück, das Bohren kann mit hohem Wirkungsgrad erfolgen.

Neben dem bisher beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel im Hinblick auf das Bohren, sind vielfältige Modifikationen möglich. Beispielsweise können die Vorschubwerte auch nur entsprechend dem Materialkoeffizient des Werkstücks berechnet werden, obwohl es vorteilhaft ist, daß im variablen Faktor der Durchmesser des Schneidwerkzeugs berücksichtigt wird. In dieser Hinsicht ist es notwendig, im Teil 70 des Speichers 60 einen Standardwert für die Bohrvorschubskonstante zu speichern. Dann übernimmt der Standardwert für die Bohrvorschubkonstante die Rolle des Durchmessers des Schneidwerkzeugs, der gewöhnlich bei der Ausführung der Instruktion 110 eingegeben worden wäre. Dementsprechend wäre der erste Vorschubswert der durch Ausführung von Instruktion 106 erhalten wird gleich dem Standardwert für die Bohrvorschubskonstante mal der ersten Vorschubskonstante (5,0) für den ersten Schritt mal dem Materialkoeffizienten des Werkstücks (2,0). Es ist daher selbstverständlich vorzuziehen, den Standardwert für die Vorschubskonstante nicht zu verwenden und stattdessen den tatsächlichen Durchmesser des Schneidwerkzeugs zu ermitteln und einzusetzen.

Es ist weiterhin möglich, die vorliegende Erfindung ein-

zusetzen,ohne von dem Materialkoeffizienten des Werkstücks Gebrauch zu machen. In einem derartigen Fall, kann der Materialkoeffizient für das Werkstück auf den Wert 1,0 gesetzt werden, so daß er bei der Berechnung der Vorschubswerte tatsächlich keine Rolle spielt. Der Vorschubswert ist dann nur eine Funktion des Durchmessers des Schneidwerkzeugs und der entsprechenden konstanten Werte, die in Fig. 4 für den jeweiligen ausgeführten Schritt dargestellt sind.

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Flußdiagramm von Fig. 11 wird eine Gewindesehneidoperation in einem Bohrloch durchgeführt, statt des Bohrvorgangs, der Fig.

zugrundeliegt. Die Instruktionen, die bei der Gewindeschneidoperation durchgeführt werden, sind ähnlich denen, die beim Bohren vorkommen. In dieser Hinsicht sind die Instruktionen 201 bis 210 identisch mit den Instruktionen 101 bis 110. In Instruktion 211 wird jedoch die Hauptspindel in einer Richtung gedreht, die entgegengesetzt ist zur Schneidrichtung, um die Gewindenuten nicht zu zerstören, die auf der inneren Oberfläche des Werkzeugs erzeugt wurden.

Außerdem ist bei einer Gewindeschneidoperation die Menge der ausgeworfenen Späne relativ klein. Das Schneidwerkzeug wird daher nur um eine kleine Distanz aus dem Werkstück herausgezogen, beispielsweise die Distanz 1 , die in Fig. 6 dargestellt ist. Bei diesem Herausziehen des Schneidwerkzeugs über eine Distanz 1 bleibt das Schneidwerkzeug tatsächlich innerhalb des Werkstücks. Instruktion 212 nimmt die normale Drehung wieder auf. Zusätzlich erfordert Instruktion 218, daß zu einem Ausgangspunkt mit umgekehrter Drehrichtung der Spindel zurückgekehrt wird. Abgesehen von diesen Unterschieden sind die Instruktionen 213 bis 219 im wesentlichen identisch

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f ''■'. 1 mit den Instruktionen 113 bis 119. von Fig. 10.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 bringt Vorteile, da

\ .'■■■■ die Vorschubwerte auf den für den Durchmesser der Gewinde-■: . ' 5 bohrung am besten geeigneten Wert eingestellt werden ■f>; I)■■) können und da die Anzahl der Vorschubschritte auf einen ,{.. ■ '.V! geeigneten Wert herabgesetzt werden kann, so daß die '../'/ Gewindeschneidoperation schnell und mit hohem Wirkungsgrad ausführbar ist.
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Wie im oben erläuterten Fall eines Bohrvorgangs, kann auch eine Gewindeschneidoperation entweder nur mit einer Variablen des Gewindeschneiddurchmessers und/oder nur mit einer Variablen des Materialkoeffizienten des Werk-Stücks durchgeführt werden. Wenn nur der Gewindeschneiddurchmesser variabel ist, kann der Materialkoeffizient des Werkstücks auf den Wert 1,0 gesetzt werden. Wenn nur der Materialkoeffizient des Werkstücks variabel ist, kann anstelle der Variablen des Durchmessers des Ge-Windeschneidwerkzeugs eine Standard-Gewindeschneidvorschubkonstante in Teil 72 des RAM 60 gespeichert werden.

Zusammengefaßt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung des Werkstücks, indem ein Schneidewerkzeug, beispielsweise ein Bohrer oder ein? Gewindebohrer in einer Reihe von diskreten Schritten in ein Werkstück vorgeschoben wird. Die Werkzeugmaschine enthält einen Datenspeicher, in dem mindestens ein erster konstanter Wert für jeden dieser Schritte gespeichert ist. Ein weiterer verwendeter Berechnungsmechanismus spricht auf den Wert eines variablen Faktors an, der die Wirkungsweise des Schneidewerkzeugs beeinflußt, beispielsweise der Durchmesser des Schneidewerkzeugs oder ein Materialkoeffizient des Werkstücks, um für jeden der diskreten Schritte einen Vorschubwert

zu berechnen, und zwar als Funktion der zugehörigen Konstante für diesen Wert und des Werts des variablen Faktors, nämlich des Durchmessers des Schneidewerkzeugs oder des Materialkoeffizienten des Werkstücks. Schließlich wird ein Steuermechanismus verwendet, um das Schneidewerkzeug als Funktion der Vorschubwerte für eine Vielzahl dieser Schritte in das Werkzeug vorzuschieben und nach Beendigung des Vorschubs für einen Schritt mindestens teilweise wieder herauszuziehen; anschließend bewirkt der Steuermechanismus, daß das Sehneidewerkezug als Funktion des Vorschubswerts des nächsten Schrittes wieder in das Werkstück eingeführt wird.

Fig. 12 zeigt als Beispiel eine Vorderansicht des Rechners 32. Wie oben erwähnt, weist der Rechner 32 eine Tastatur 36 auf. Der Rechner 32 enthält weiterhin eine Kathodenstrahlröhre (Bildschirm) 316. Der Rechner 32 steuert die Anzeige auf dem Bildschirm 316; außerdem enthält er nach der Darstellung in Fig. 12 eine Taste 341 für einen Editierbetriebszustand, zehn numerische Tasten 342 und eine Einstelltaste 343.

Wenn die Taste 341 für den Programmeditierbetrieb auf der Tastatur 36 gedrückt wird, erscheint beispielsweise auf dem Bildschirm 316 die in Fig. 13 wiedergegebene Anzeige. Diese Anzeige kann z. B. sieben (7) Menüs enthalten, wie sie in Fig. 13 dargestellt sind, wobei die verschiedenen Zahlen in jedem dieser Menüs auf Blinken eingestellt sein können» Für den Fall, daß die gesamte Bearbeitungsoperation durchgeführt werden soll, wie es durch einen Cursor (Positionsanzeiger) 316a verlangt wird, sollten die Bearbeitungsdaten entsprechend dem Menü Nr. 1 eingegeben werden. Deshalb wird die Taste 1 von den zehn numerischen Tasten 34 2 sowie die Einstelltaste 343 von Fig. 12 gedrückt, um in den Eingabe-

modus für die Bearbeitungsdaten zu gelangen. Man erhält daraufhin auf dem Bildschirm 316 die in Fig. 14 dargestellte Anzeige und der Cursor 316a verlangt die Eingabe einer Programmnummer. Wenn eine Programmnummer, z. B. 1000 ausgewählt ist, wird diese Nummer mit Hilfe der zehn numerischen Tasten 342 und der Einstelltaste 343 eingegeben. Die Programmnummer wird dann in das Gebiet der Programmanzexge verschoben, wie es in Fig. 15 dargestellt ist und Eingabedaten zur Bestimmung des Ursprungs des X-Werts verlangt. Wenn dieser bekannt ist wird er eingegeben. Ist der X-Wert jedoch nicht bekannt, so wird die Einstelltaste 343 gedrückt. Im nächsten Schritt wird verlangt, den Ursprung für den Y-Wert der Bearbeitungsoperation einzugeben. Es wird deshalb in ähnlicher Weise die Einstelltaste 343 gedrückt, worauf sich das Bild auf dem Bildschirm 316 zu dem in Fig. 16 gezeigten Format ändert. Unter dieser Bedingung verlangt die Anzeige 316, daß die Anzahl der verwendeten Werkstücke eingegeben wird. Wenn diese Anzahl gleich 1 ist, wird die Ziffer "1" mit Hilfe der numerischen Tasten 342 eingegeben und anschließend die Einstelltaste 343 gedrückt. Ist die Anzahl der Werkstücke größer als eins (beispielsweise sind bis zu vier erlaubt), so wird für jedes Werkstück eine Eingabe verlangt.

Anschließend ändert sich die Anzeige auf dem Bildschirm 316 entsprechend Fig. 17, wo die Art des verwendeten Materials des Werkstücks eingegeben werden muß. Handelt es sich bei dem Material um S45C, so wird die Ziffer "1" aus dem Menü ausgewählt, das im unteren Teil der Anzeige auf Bildschirm 316 wiedergegeben ist und mit Hilfe der numerischen Tasten 342 eingegeben; anschliessend wird wieder die Einstelltaste 343 gedruckt.

Daraufhin ändert sich die Anzeige auf dem Bildschirm

zu dem in Fig. 18 gezeigten Format. Die Anzeige entsprechend Fig. 18 verlangt die Eingabe der Art der Bearbeitung, die in der ersten Operation erforderlich ist. Für den Fall, daß in der ersten Operation ein Loch zu bohren ist, wird also die Ziffer "2" eingegeben und anschließend die Einstelltaste gedrückt. Das hat zur Folge, daß die Anzeige auf dem Bildschirm 316 das in Fig. 19 gezeigte Format annimmt. In dem Format von Fig. 19 verlangt der Cursor 316a die Eingabe des Lochdurchmessers. XO ^ⁿ dem oben erläuterten Beispiel mit einem Lochdurchmesser von 4 mm wird daher mit Hilfe der numerischen Tasten

342 der Wert 4,0 eingegeben und wieder die Einstelltaste

343 gedrückt.

Nun kann die Operation durchgeführt werden, die Löcher mit einem Durchmesser von 4,0 mm bohrt. In der Praxis sollten jedoch die folgenden zusätzlichen Daten eingegeben werden:
Eine Angabe der Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche; eine Angabe des Bearbeitungsmusters, z. B. daß das Bohren längs eines Umfangs durchgeführt werden soll oder längs der vier Seiten eines Rechtecks oder in einer geraden Linie sowie die Abstände und Winkel des Musters; eine Angabe bezüglich der vertikalen Achse (Z-Achse), ob das Muster ein Durchgangsloch oder ein Sackloch ist; eine Angabe der gesamten Bearbeitungstiefe (z. B. 85 mm entsprechend dem oben erläuterten Beispiel); eine Angabe der Höhe des Werkstücks; und eine Angabe der Rückführhöhe.

Nachdem das Bohrprogramm entsprechend der obigen Beschreibung aufgestellt wurde, kann das Bohren gemäß den in Fig. 10 und 11 gezeigten Flußdiagrammen durchgeführt werden.

Die einzugebenden Dimensionen sind Endwerte. Für den Fall, daß die Bearbeitung auf einer gewöhnlichen, konventionellen numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (NC) durchgeführt werden soll, ist es deshalb notwendig, daß das Programm die Daten über die Lager erhält, in die das Werkstück bewegt werden soll, sowie über die Geschwindigkeit der Bewegung des Werkstücks der zu verwendenden Werkzeuge, der Geschwindigkeit der Spindel usw; diese Daten müssen dann in NC-Sprache umgesetzt werden und in das Programm der NC-Werkzeugmaschine eingebaut werden. Der NC-Programmierer derartiger konventioneller Systeme muß sich deshalb auf dem Gebiet der Bearbeitungstechniken und der NC-Sprache auskennen.

In einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch keine NC-Sprache verwendet und die Eingabe der Bearbeitungsbedigungen und ähnlicher Daten ist von'dem Programmeditiervorgang getrennt, der oben anhand der Fig. 13 bis 19 beschrieben wurde. Zum Zeitpunkt, in dem eine derartige Programmierung durchgeführt wird, kann daher jede Person, die eine technische Zeichnung richtig lesen kann, das Programmeditieren durchführen. D. h., alles was von dem Programmierer verlangt wird, besteht darin, der Reihe nach die endgültige Bearbeitungsoperaticr. und die relevanten Dimensionen entsprechend den auf dem Bildschirm angezeigten Fragen einzugeben. Die Programmierung durch die Bedienungsperson der Werkzeugmaschine kann daher mit Leichtigkeit erfolgen·. Die Reihenfolge der Verwendung von Werkzeugen, die Bearbeitungsbedingungen, die Auswahl von Werkzeugen u. ä. für den Iroarbeitungsvorgang können getrennt als Daten für die Werkzeugmaschine eingegeben werden. Außerdem können die Daten für die Programme modifiziert werden, so daß sie :\]s Tc-i lc Ici- Programms gespeichert sind.

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Claims

e - European'Patent Attorneys e *? 'D-8000 München 19 !': H« mi u:i- O I'- |.>,..iji ί)ι(·,!ΐ)ΐι; pi-v.ikf·· Ar>ton Frt'ihe'f p!^derer vor· Pt-i' P:p!.-lng fir Dr Woifgang VVaD'a: Dip' -Chem 26. August 1985 D/we-T. B 4452-D 10 BROTHER KOGYO KABUSHIKI KAISHA No. 35, Horitadori 9-chome, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi, Japan Werkzeugmaschine und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Werkzeugmaschine 25 Patentansprüche

1. Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Schneidwerkzeug, das in einer Reihe von diskreten Vorschubschritten in das Werkstück eingeführt wird, wobei die Werkzeugmaschine Speichervorrichtungen und Rechenvorrichtungen enthält,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

35 a) in den Speichervorrichtungen (60) sind für jeden der Vorschubschritte Konstanten (62, 64) gespeichert,

b) Rechenvorrichtungen (76) lesen bei jedem Verarbeitungsschritt die gespeicherten Konstanten aus der Speichervorrichtung aus und verknüpfen sie multiplikativ mit mindestens einem variablen Faktor, der die Arbeitsweise des Schneidewerkzeugs bestimmt, um für jeden Vorschubschritt einen Vorschubwert zu ermitteln, und

c) es sind Steuervorrichtungen (54) vorgesehen, die das Schneidewerkzeug bei jedem Vorschubschritt um den errechneten Vorschubwert bewegen und nach Beendigung jedes Vorschubschritts das Schneidwerkzeug mindestens teilweise aus dem Werkstück herausziehen und anschließend als Funktion des Vorschubwerts für den nächsten Vorschubschritt wieder in das Werkzeug einführen.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor der Durchmesser des Schneidwerkzeugs ist.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor ein Materialkoeffizient des Werkstücks ist.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialkoeffizienten verschiedener Werkstücke in der Speichereinrichtung gespeichert sind.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor das Produkt aus dem Durchmesser des Schneidwerkzeugs und dem Materialkoeffizienten des Werkstücks ist.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante für alle Vorschubschritte gleich ist.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialkoeffizient für alle Werkstücke gleich ist.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug ein Bohrer ist.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidwerkzeug ein Gewindebohrer ist.

10. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Schneidwerkzeug, das in einer Reihe von diskreten Vorschubschritten in das Werkstück eingeführt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Ermitteln einer Konstante, die für die Länge jedes Vorschubschritts bestimmend ist (Fig. 4; Fig. 5);

b) Berechnen des Vorschubwerts für jeden Vorschubschritt durch multiplikative Verknüpfung der Konstanten für diesen Vorschubschritt mit einem variablen Faktor, der die Arbeitsweise des Schneid-Werkzeugs bestimmt; und

c) Vorschieben des Schneidwerkzeugs entsprechend dem ermittelten Vorschubwert und anschließendes, zumindest teilweises Zurückziehen des Schneid-Werkzeugs und erneutes Vorschieben als Funktion des Vorschubwerts für den nächsten Vorschubschritt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor der Durchmesser des Schneid-Werkzeugs ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor der Materialkoeffizient des Werkstücks, ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der variable Faktor die multiplikative Verknüpfung des Durchmessers des Schneidwerkzeugs mit dem Materialkoeffizienten des Werkstücks ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante für alle Vorschubschritte gleich ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da-¹^ durch gekennzeichnet, daß der Materialkoeffizient des Werkstücks für alle Materialien gleich ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung durch Bohren erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung ein Gewindeschneidvorgang ist.