DE3610750C2 - - Google Patents

Description

Die Erfidnung betrifft eine Regeleinrichtung für die Spindeldrehzahl einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Bohrmaschine, die ein vom Benutzer zu betätigendes Schaltelement zur Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart und eine Einrichtung zur Erfassung des Durchmessers eines an die Spindel festgelegten Werkzeugs enthält.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus der DE-OS 32 28 304 bekannt. Sie dient zur automatischen Vorgabe der Bohrerdrehzahl, die bei herkömmlichen Bohrmaschinen vom Benutzer in aller Regel nur geschätzt und von Hand an der Maschine eingestellt wird. Auf den Bohrmaschinen angebrachte Tabellen werden beim zügigen Arbeiten in der Praxis erfahrungsgemäß kaum beachtet. Das Schätzen der Drehzahl in dem großen möglichen Stellbereich ist nun aber mit viel Unsicherheit verbunden, und führt insbesondere bei Ungeübten oft zu falschen Drehzahleinstellungen. Die Folge ist, daß entweder das Bohrwerkzeug beispielsweise durch Ausglühen beschädigt wird, oder der Arbeitsfortschritt und das Arbeitsergebnis zu wünschen übriglassen. Dem soll durch eine automatische Einstellung der optimalen Drehzahl abgeholfen werden.

Die DE-OS 32 28 304 beschreibt die automatische Vorgabe der Spindel­ drehzahl einer Bohrmaschine anhand einer durch Schalterbetätigung vorgenommenen Einstellung der Materialart sowie anhand des jeweiligen Bohrerdurchmessers. Im Bohrfutter ist ein Signalgeber in Gestalt eines Magnetrings eingebaut. Dieser wird je nach Stellung der Backen einer den Bohrer fassenden Spannzange axial verschoben. Der Magnetring rotiert mit dem Bohrfutter. Sein Feld wird induktiv erfaßt, wobei die Amplitude des erhaltenen Signals von der Drehzahl und der axialen Position des Magnetrings abhängt, die Frequenz des Signals aber nur von der Drehzahl, so daß man im Ergebnis eine Information hinsichtlich des Bohrerdurchmessers und der Drehzahl erhält. Das Signal dient als Ist-Wert einer elektronischen Drehzahlregelung.

Diese bekannte Regeleinrichtung ist wegen der induktiven Signalaufnahme apparativ relativ aufwendig. Als Geber ist ein Magnetring erforderlich, dessen Feldstärke genau bekannt ist und sich über die Dauer des Betriebs nicht nennenswert ändert. Solche Magnetringe sind bekanntlich teuer. Die Induktionsspule muß präzise justiert sein, damit der in das Signal eingehende Abstand des Magnetrings den richtigen Meßwert des Bohrerdurchmessers liefert. Auch erscheint eine Beeinflussung durch Abschirmung der unerwünschten Störfelder zumindest denkbar. Ein prinzipieller Nachteil der induktiven Messung ist, daß sie ein von Drehzahl und Bohrerdurchmesser gleichermaßen abhängiges Signal liefert. Der Induktionsspule müssen deshalb Filter nachgeschaltet werden, durch die der drehzahlabhängige und amplitudenabhängige Signalteil voneinander getrennt werden. Die Auswerteschaltung ist entsprechend kompliziert, und die erreichbare Genauigkeit bei der Vorgabe der optimalen Drehzahl erscheint beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem, kostengünstigem, störunanfälligem Aufbau eine automatische Einstellung der jeweils optimalen Spindeldrehzahl mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein den Werkzeugdurchmesser abgreifender, stiftförmiger, an der Spindel angeordneter mechanischer Taster mit einem in einem elektrischen Steuerkreis für die Solldrehzahl der Spindel liegenden Potentiometer zu dessen Verstellung verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird also der Durchmesser des an der Spindel festliegenden Werkzeugs durch mechanische Abtastung erfaßt. Damit geht ein kompakter, robuster Aufbau einher. Ein die Stellung des Tasters charakterisierendes elektrisches Signal wird apparativ sehr einfach mit einem Potentiometer gewonnen, das der Taster verstellt. Die resultierende Widerstandsänderung hängt allein vom Bohrerdurchmesser ab und läßt sich in einem einfachen Steuerkreis leicht weiterverarbeiten.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das Potentiometer als Schiebewiderstand ausgebildet, und der längsbeweglich geführte, stiftförmige Taster ist mit dem zum Abgriff dienenden Schieber verbunden.

Der Taster kann mit der Spindel rotieren. Er sollte dann bezüglich seiner Drehung von dem gehäusefest an der Bohrmaschine angeordneten Potentiometer entkoppelt sein. In einer besonders einfachen Bauform ist dazu der Taster drehbar und ohne nennenswertes axiales Spiel in einer axial verschieblich am Gehäuse der Werkzeugmaschine angebrachten Lagerbuchse aufgenommen, und die Lagerbuchse ist ihrerseits starr mit dem Schieber des Potentiometers verbunden. Der Taster kann insbesondere mit zwei Axialkugellagern in die Lagerbuchse eingebaut sein.

Werkzeugseitig kann der Taster an einem Gewindestift eines Bohrfutters anliegen, der sich proportional zur Spreizung der Backen des Futters in Axialrichtung vorschraubt. Derartige Gewindestifte sind Teil herkömmlicher Bohrfutter. Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ist damit an ein vorhandenes Gerät gut angepaßt, und der Umbau- oder Nachrüstaufwand ist entsprechend gering.

Allgemein wird der axiale Stellhub des Tasters dem Durchmesser des an der Spindel festgelegten Werkzeugs proportional sein. Entsprechend ändert sich auch der Widerstand des Potentiometers linear mit dem Durchmesser des Werkzeugs. Die einzustellende Drehzahl folgt nun aber selbstverständlich keineswegs derselben linearen Abhängigkeit, sondern einer bestimmten Durchmesser-Drehzahl-Charakteristik, die für die verschiedenen zu bearbeitenden Materialarten unterschiedlich ist. Der elektrische Steuerkreis der erfindungsgemäßen Regel­ einrichtung setzt daher eine lineare Widerstandsänderung des Potentiometers entsprechend dieser nichtlinearen Durchmesser- Drehzahl-Charakteristik um, wobei er eine der Solldrehzahl proportionale Steuerspannung abgibt. Die Steuerspannung kann dann in einem integrierten Schaltkreis weiterverarbeitet werden, mit dem die elektrische Versorgungs­ spannung für den Antriebsmotor der Spindel entsprechend geregelt wird. Derartige integrierte Schaltkreise sind als Fertigbaustein handels­ üblich.

Ein besonders einfacher elektrischer Steuerkreis für die Solldrehzahl der Spindel enthält einen belasteten Spannungsteiler mit Abgriff an dem Potentiometer, wobei zu dem Potentiometer wenigstens ein zuschaltbarer Lastwiderstand parallel liegt. Vorzugsweise sind mehrere Lastwiderstände in parallelen Zweigen mit je einem Schaltkontakt vorgesehen, und es erfolgt eine Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart durch einfaches Zuschalten des zugehörigen Lastwiderstands. Man erhält mit diesem bauteilarmen, unaufwendigen elektrischen Steuerkreis Drehzahlkennlinien in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser, die in guter Näherung der theoretisch gewünschten umgekehrten Proportionalität zwischen diesen beiden Größen entsprechen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Spindel einer Bohrmaschine oberhalb des Bohrfutters, wo der mechanische Teil einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung angeordnet ist;

Fig. 2 ein Kennlinienfeld, das die theoretische Abhängigkeit der optimalen Spindeldrehzahl vom Werkzeugdurchmesser für verschiedene zu bearbeitende Materialien zeigt;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem elektrischen Steuerkreis der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, bei dem mit einem Potentiometer ein belasteter Spannungsteiler aufgebaut ist; der Steuerkreis liefert eine der einzustellenden Drehzahl proportionale Steuerspannung U _ein ;

Fig. 4 ein Kennlinienfeld, das die mit der eingestellten Drehzahl gleichbedeutende Steuerspannung U _ein in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser für verschiedene Materialarten zeigt und in guter Näherung mit dem theoretischen Kennlinienfeld der Fig. 2 übereinstimmt.

Fig. 1 zeigt die Spindel 10 einer Bohrmaschine mit einem daran sitzenden Bohrfutter 12. Im axialen Mittelbereich des Bohrfutters 12 befindet sich ein Gewindestift 14, der sich proportional zur Spreizung der Backen des Futters 12 in Axialrichtung vorschraubt. Die Position des Gewindestifts 14 wird mit einem stiftförmigen Taster 16 mechanisch abgegriffen, wobei letzterer Teil einer Regeleinrichtung zur automatischen Vorgabe der Bohrerdrehzahl ist.

Die dem Bohrfutter 12 zugewandte Partie der Spindel 10 ist mit einer mittigen Axialbohrung 18 versehen, in der der stiftförmige Taster 16 axial verschieblich aufgenommen ist. Weiter oben ist die Spindel 10 in einer Längsmittelebene zu einem Schlitz 20 geschlitzt. Am oberen Ende des Tasters 16 befindet sich ein Querstift 22, der in dem Schlitz 20 geführt ist und beidseits aus der Spindel 10 heraussteht. Gegen die überstehenden Enden des Querstifts 22 stützen sich ein oberes und unteres Axialkugel­ lager 24, 26 ab.

Die Axialkugellager 24, 26 sitzen in einer Lagerbuchse 28. Diese ist an zwei parallel zur Spindel 10 sich erstreckenden Führungsstangen 30 axial verschieblich geführt. Die Führungs­ stangen 30 sind in nicht näher dargestellter Weise fest am Gehäuse der Bohrmaschine angebracht.

Der Taster 16 dreht sich mit der rotierenden Spindel 10. Seine axiale Position folgt der des Gewindestifts 14, wozu der Querstiff 22 in dem Schlitz 20 ein ausreichendes Bewegungsspiel hat. Die dauernde Anlage des Tasters 16 an dem Gewindestift 14 kann allein durch Schwerkraft gewährleistet sein. Es ist aber auch möglich, den Taster 16 mit einer nicht dargestellten Feder gegen den Gewindestift 14 zu spannen. Nicht zuletzt kann der Schaft des Tasters 16 auch einstückig mit dem Gewindestift 14 ausgebildet sein.

Die Lagerbuchse 28 folgt der axialen Hubbewegung des Tasters 16, ohne die Drehung der Spindel 10 mitzumachen. Sie ist über die Axialkugellager 24, 26 mit minimalem axialen Spiel an den Taster 16 gekoppelt. An der Lagerbuchse 28 setzt ein Arm 32 an, der mit dem zum Abgriff dienenden Schieber 34 eines gehäusefest angeordneten Potentiometers 36 starr verbunden ist. Der Linearhub der Lagerbuchse 28 wird so in eine proportionale Widerstandsänderung des Potentiometers 36 umgesetzt.

Der veränderliche Widerstand des Potentiometers 36 folgt proportional der Spreizung der Backen des Bohrfutters 12, d. h. dem Durchmesser des eingespannten Bohrwerkzeugs. Es gilt nun, aus diesem veränderlichen Widerstand ein die optimale Drehzahl der Spindel 10 kennzeichnendes Signal abzuleiten.

Fig. 2 zeigt die theoretische Abhängigkeit der optimalen Bohrerdrehzahl vom Bohrerdurchmesser für verschiedene Materialien. Die Drehzahl ist der Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers proportional und dem Bohrerdurchmesser umgekehrt proportional. Die Vorschubgeschwindigkeit ist entsprechend der Zerspanbarkeit eines Materials zu wählen, wenn auch daneben andere Kriterien, wie beispielsweise die Härte des Bohrwerkzeugs und seine vorgesehene Standzeit, eingehen. Im Ergebnis kann man für die optimale Bohrspindel­ drehzahl in Abhängigkeit vom Bohrerdurchmesser ein Kennlinienfeld von Hyperbeln 1, 2, 3, 4, 5 angeben. Die Kennlinie 1 gehört zu Grauguß, einem nur schwer zerspanbaren Material, das nur eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit) des Bohrers zuläßt. Die Kennlinie 2 gehört zu hartem und die Kennlinie 3 zu weniger hartem Stahl; die Kennlinie 4 gehört zu Kupfer, und die Kennlinie 5 schließlich zu Aluminium, das eine sehr gute Zerspanbarkeit hat und eine Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers gestattet, die vielleicht zirka sechsmal höher ist als bei Grauguß (Kennlinie 1).

Für eine stufenweise und/oder kontinuierliche Drehzahlregelung von Werkzeugmaschinen sind integrierte Schaltungen in Form von Fertigbausteinen handelsüblich. Exemplarisch sei der Fertigbaustein FSP110 der Firma Struckmeier erwähnt, der in dem Datenblatt A83 spezifiziert ist. Dieser Fertigbaustein regelt eine dreiphasige Wechselspannung, die direkt den Drehstromasynchronmotor für die Spindel einer Werkzeugmaschine versorgt. Die Spindeldrehzahl der Werkzeugmaschine wird dabei entsprechend einer Steuergleichspannung U _ein geregelt, die an Eingangsklemmen des Fertigbausteins ansteht. Die Steuerspannung U _ein liegt dabei zwischen Null und einer Maximalspannung U von beispielsweise 12 V. Die Spindeldrehzahl der Werkzeugmaschine wird proportional zu der Steuerspannung U _ein nachgefahren. Eine Steuerspannung U _ein = 0 entspricht einem Stillstand der Maschine, und eine Steuerspannung U _ein = U entspricht einem Lauf der Maschine bei einer vorgegebenen maximalen Tourenzahl.

Andere Fertigbausteine zur Drehzahlregelung von Werkzeugmaschinen müssen in entsprechender Weise an Eingangsklemmen mit einer der gewünschten Drehzahl proportionalen Steuer­ gleichspannung versorgt werden. Im folgenden wird daher nur behandelt, wie diese Steuergleichspannung U _ein aus der Stellung des vom Taster 16 betätigten Potentiometers 36 und einer manuellen Vorwahl der zu bearbeitenden Materialart zu gewinnen ist, um einen Kennlinienverlauf der Spindeldrehzahl in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser zu erhalten, der dem theoretisch optimalen Kennlinienverlauf der Fig. 2 möglichst nahekommt.

Fig. 3 zeigt eine hierzu geeignete Schaltung. Eine geregelte Gleichspannungsquelle 38 gibt eine konstante Spannung U ab, die der maximalen Steuergleichspannung U _ein entspricht, im Fall des Fertigbausteins FSP110 also 12 V beträgt. Das von dem Taster 16 verstellte Potentiometer 36 liegt zwischen einem Nullpol der Gleichspannungsquelle 38 und an einem Pol, an dem diese Spannung U ansteht. Die Steuergleichspannung U _ein für den Fertigbaustein wird zwischen dem Nullpol der Gleichspannungsquelle 38 und dem Abgriff des Potentiometers 36 abgenommen. An den Abgriff geschaltet liegen dem Potentiometer 36 eine Anzahl von zuschaltbaren Lastwiderständen R _L zum Nullpol hin parallel. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf parallele Zweige vorgesehen, in denen je ein Lastwiderstand R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ liegt. In jedem Zweig ist ein dem entsprechenden Lastwiderstand zugeordneter Schalter vorgesehen.

Die Schaltung der Fig. 3 ist im Prinzip ein belasteter Spannungs­ teiler, bei dem die am Potentiometer 36 abgenommene Steuergleichspannung U _ein entsprechend dem zugeschalteten Lastwiderstand R _L mit der Potentiometerstellung variiert. Man zeigt leicht folgende Abhängigkeit:

x ist dabei ein die Potentiometerstellung chrakterisierender dimensionsloser Parameter mit 0 x 1. Da die Potentiometer­ stellung proportional zum Durchmesser des an der Werkzeugspindel festliegenden Werkzeugs ist, kann man sich unter x auch ein lineares Maß für diesen Durchmesser und insbesondere das Verhältnis des gerade vorliegenden Werkzeugmessers zu einem konstruktiv vorgegebenen maximalen Werkzeugdurchmesser vorstellen.

Fig. 4 zeigt ein Kennlinienfeld der Steuergleichspannung U _ein in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser d beim Zuschalten verschiedener Lastwiderstände R _L . Die Spindeldrehzahl ist, wie schon gesagt, der Steuergleichspannung U _ein proportional.

Wird kein Lastwiderstand zugeschaltet (R _L = ∞), so folgt die Steuerspannung U _ein der Potentiometerstellung linear. Bei Zuschalten von verglichen mit dem Potentiometerwiderstand R _pot sehr großen Lastwiderständen ändert sich der Kennlinien­ verlauf nur wenig. Mit Verringerung des Lastwiderstandes R _L hat die Kennlinie zunehmend hyperbolischen Charakter, so daß man eine gute Annäherung an den theoretisch optimalen Kennlinienverlauf der Fig. 2 erhält. Wie an den Eingangs­ klemmen des integrierten Schaltkreises erforderlich, variiert aber U _ein jeweils zwischen Null und der maximalen Spannung U.

Bei Grauguß als zu bearbeitendem Material muß also durch entsprechende Schalterbetätigung gemäß Fig. 3 ein niedriger Lastwiderstand zugeschaltet werden, wodurch man die Kennlinie 1 erhält. Stahl in verschiedener Härte (Kennlinien 2 und 3), Kupfer (Kennlinie 4) und Aluminium (Kennlinie 5) als zu bearbeitendem Material sind in aufsteigender Reihe jeweils höhere Lastwiderstände zugeordnet, deren Dimensionierung dem Fachmann im einzelnen keine Schwierigkeit bereitet.

Claims (9)

1. Regeleinrichtung für die Spindeldrehzahl einer Werk­ zeugmaschine, insbesondere einer Bohrmaschine, die ein vom Benutzer zu betätigendes Schaltelement zur Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart und eine Einrichtung zur Erfassung des Durchmessers eines an der Spindel festgelegten Werkzeugs enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Werkzeugdurchmesser abgreifender, stiftförmiger, an der Spindel (10) angeordneter mechanischer Taster (16) mit einem in einem elektrischen Steuerkreis für die Solldrehzahl der Spindel (10) liegenden Potentiometer (36) zu dessen Verstellung verbunden ist.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (36) als Schiebewiderstand ausgebildet und der längsbeweglich geführte, stiftförmige Taster (16) mit dem zum Abgriff dienenden Schieber (34) verbunden ist.

3. Regeleinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) mit der Spindel (10) rotiert und drehbar und ohne nennens­ wertes axiales Spiel in einer axial verschieblich am Gehäuse der Werkzeugmaschine angebrachten Lager­ buchse (28) aufgenommen ist und daß die Lagerbuchse (28) mit dem Schieber (34) des Potentiometers (36) starr verbunden ist.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) mit zwei Axialkugellagern (24, 26) in die Lagerbuchse (28) eingebaut ist.

5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) an einem entsprechend dem Werkzeugdurchmesser axial verschieblichen Gewindestift (14) eines an der Spindel (10) angebrachten Futters (12) anliegt.

6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) einen dem Durchmesser des Werkzeugs proportionalen axialen Stellhub hat und daß der elektrische Steuerkreis für die Solldrehzahl der Spindel (10) die sich daraus ergebende lineare Widerstandsänderung des Potentiometers (36) entsprechend einer nichtlinearen Durchmesser-Drehzahl-Charakteristik in eine der Solldrehzahl proportionale Steuerspannung U _ein umsetzt.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung U _ein an den Eingangsklemmen eines integrierten Schaltkreises ansteht, der die elektrische Versorgungsspannung für den Antriebsmotor der Spindel (10) entsprechend regelt.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Steuerkreis für die Solldrehzahl der Spindel (10) einen belasteten Spannungsteiler mit Abgriff an dem Potentiometer (36) enthält, wobei zu letzterem wenigstens ein zuschaltbarer Lastwiderstand (R _L ) parallel liegt.

9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in parallelen Zweigen mit je einem Schaltkontakt mehrere Lastwiderstände (R₁, R₂, R₃, R₄, R₅) liegen und daß die Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart durch Zuschalten eines zugehörigen Lastwiderstands (R₁, R₂, R₃, R₄, R₅) erfolgt.