DE3638698A1 - Einrichtung zur linearen bewegung eines maschinenteils bei einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschine - Google Patents
Einrichtung zur linearen bewegung eines maschinenteils bei einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur linearen
Bewegung eines Maschinenteils bei einer numerisch gesteuerten
Werkzeugmaschine, bei der das Maschinenteil mit einer in einer
Gewindemutter geführten Gewindespindel verbunden ist und der
Antrieb der Gewindespindel in Abhängigkeit von der Bewegung
eines anderen Maschinenteils aussteuerbar ist.
Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Anordnung Bezug genommen,
wie sie beispielsweise aus der DE-OS 33 04 644 bekannt ist.
Bei dieser bekannten Steuereinrichtung für das Gewindebearbeiten
auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen wird der Vorschub
von Werkstück zu Werkzeug aus der Werkstückdrehzahl abgeleitet
und bei einem vorgegebenen Drehwinkel wirksam gemacht.
Dieser Drehwinkel wird voreilend um einen Wert kompensiert,
der dem Quotienten aus Schleppfehler und Gewindesteigung proportional
ist, so daß Soll- und Istvorschub übereinstimmen.
Damit erhält man eine Art elektronisches Getriebe, bei dem
die Bewegung von Leit- und Folgeachsen genauso wie durch ein
mechanisches Getriebe festgelegt sind.
Neben dem Gewindeschneiden gibt gibt es auch eine Reihe anderer Aufgaben
an einer Werkzeugmaschine, bei denen es erforderlich ist,
die Bewegung zweier Maschinenteile in irgendeiner Form zu synchronisieren.
So ist es z. B. beim Unrunddrehen von Kolben
notwendig, einer Zustellachse eine oszillierende Bewegung zu
überlagern, welche in ihrer Amplitude und ihrer Frequenz direkt
von einer Leitachse, d. h. von der Drehung des Werkstückes
abhängig ist. Eine derartige leitachsenabhängige zusätzliche
Bewegung der Zustellachse bewirkt am Umfang des Werkstückes
eine vorausbestimmbare Kontur.
Bei den meisten bisher bekannten Lösungen wird diese zusätzlich
lineare Bewegung mit relativ aufwendiger Mechanik und seltener
elektronisch erzeugt. Die mechanische Realisierung dieses
Gedankens leidet unter erheblichem Verschleiß und erfordert
bei Wechsel der Werkstückart oder Werkstückdimension einen hohen
Umrüst- und Montageaufwand. Bei der elektronischen Verwirklichung
dieser Idee wird bisher immer auf direktem Weg eine
lineare Bewegung erzeugt, d. h. über Rechts- oder Linkslauf
eines Stellmotors, der z. B. eine Spindel antreibt. Hierbei
sind jedoch die Bearbeitungsgeschwindigkeiten durch die Regeldynamik
der Stellmotoren begrenzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß
eine hohe Regeldynamik in der Folgeachse erreichbar ist. Insbesondere
soll dies für den Fall gelten, daß einer Zustellachse
eine lineare oszillierende Bewegung überlagert wird oder die
Zustellachse selbst in eine oszillierende Bewegung zu versetzen
ist. Diese vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß auch die Gewindemutter einen Antrieb aufweist,
der abhängig von der Bewegung des Maschinenteils aussteuerbar
ist und daß die Linearbewegung der Spindel durch die
Überlagerung der beiden Antriebe bestimmt ist.
Auf diese Weise können beide Antriebe bei Nenndrehzahl laufen,
während die Spindel still steht. Eine sehr schnelle Bewegung
der Spindel ist dann relativ einfach dadurch möglich, daß eine
unterschiedliche Relativgeschwindigkeit zwischen Spindel und
Mutter durch Eingriff in einen oder beide Antriebe gewählt
wird.
Durch das vorstehend geschilderte Gerät wird also mit Hilfe
zweier elektronischer Getriebe die Position und Geschwindigkeit
einer oder mehrerer Leitachsen in einem frei wählbaren
Übersetzungsverhältnis schleppabstandsfrei an zwei Antriebseinheiten
(Folgeachsen) übertragen und damit der Bezug zwischen
der Position der Leitachse und den Positionen der Folgeachsen
hergestellt. Die mechanische Kopplung der beiden Folgeachsen
ist durch Gewindemutter und Gewindespindel gegeben.
Führt man in die Steuersignale der beiden Antriebe positionsgebundene
Korrekturwerte ein, so ergibt sich eine Relativgeschwindigkeit
zwischen Mutter und Spindel und damit eine lineare
Bewegung, sofern eines der beiden Elemente, Mutter oder
Spindel, gleitend gelagert ist.
Die Korrekturwerte und damit die sich ergebende Kontur am
Werkstück sind elektronisch relativ leicht zu verändern. Soll
eine Verschiebung des Einsatzwinkels der Kontur während der
Bearbeitung vorgenommen werden, kann dies durch Istwerterfassung
der axialen oder tangentialen weiteren Zustellachsen erreicht
werden, und zwar in der Weise, daß aus diesen Bewegungen
zusätzliche Ansteuersignale abgeleitet werden. Hierdurch können
z. B. auch konische und mit einer Kontur beaufschlagte drehende
Teile bearbeitet werden.
Wie ersichtlich, ergeben sich durch die vorstehend geschilderte
Erfindung kürzere Umrüstzeiten durch einfache Umprogrammierung
der Kontur, höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten durch
bessere Ausnützung der Regeldynamik der Antriebe, d. h. Konturtreue
und ein vielfältigerer Einsatz von Bearbeitungsmaschinen.
Als Anwendungsfälle seien hier genannt das Unrunddrehen von
z. B. Kolben oder Autofelgen, das Drehen und Schleifen von Kurbelwellen
und ferner allgemein Oszillationshübe beim Schleifen.
Durch Umstellung der Achszuordnung können auch in anderen
Ebenen liegende oszillierende Bewegungen erzeugt werden, z. B.
kann dies für die Bearbeitung von Exzenterscheiben von Interesse
sein.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
sei die Erfindung näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 den Prinzipaufbau der mechanischen Anordnung,
Fig. 2 eine Frontansicht des zu fertigenden Werkstückes,
Fig. 3 den elektrischen Aufbau der Einrichtung und
Fig. 4 den Einzelaufbau eines elektronischen Getriebes.
Es besteht die Aufgabe, das im Futter 2 eingespannte Werkstück
1 mit der in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten Kontur zu
versehen. Hierzu muß in Abhängigkeit von der Winkelstellung
des Werkstückes 1 eine entsprechende Veränderung der Zustellung
des Bearbeitungswerkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 15
vorgenommen werden. Dies geschieht in der Weise, daß aus der
durch den Hauptspindelmotor 3 bewirkten Drehung des Werkstückes
1 mittels des angekuppelten Weggebers 4 Signale abgeleitet werden,
die zu einer entsprechenden oszillierenden Bewegung des
Werkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 15 führen.
Für die normale axiale Bewegung des Werkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung
10 ist ein Schlitten 11 vorgesehen, der von einem
Elektromotor 12 mit Weggeber 13 angetrieben wird. Zur tangentialen
Bewegung des Werkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 9 dient
ein weiterer, auf den Schlitten 11 verschiebbar gelagerter
Schlitten 6, der von einem Motor 7 mit Weggeber 8 in Doppelpfeilrichtung
9 bewegbar ist. Hierdurch läßt sich eine axiale
und tangentiale Zustellung des Werkzeuges 14 in bezug auf das
Werkstück 1 erreichen. Zusätzlich soll in Abhängigkeit von
der Drehung des Werkstückes 1 in Pfeilrichtung 5 dem tangentialen
Vorschub eine oszillierende Bewegung zwecks Erzeugung
der Kontur nach Fig. 2 überlagert werden. Hierzu sind zwei
gesonderte Antriebe 17 und 19 mit Wegimpulsgebern 18 und 20
vorgesehen. Der Antrieb 19 treibt eine gleitend gelagerte Gewindespindel
21 in Pfeilrichtung 38. Diese Gewindespindel 21
trägt ihrerseits wieder die Halterung 16, in der das Werkzeug
14 angeordnet ist.
Die der Gewindespindel 21 zugeordnete Gewindemutter 22 ist
nicht maschinenbettfest, sondern in Umfangsrichtung (Pfeilrichtung
39) über ein Zahnrad 23 vom Antrieb 17 drehbar. Damit
überlagern sich die Drehung von Gewindespindel 21 und Gewindemutter
22. Bei entsprechender Aussteuerung der Antriebe 17 und
19 kann dadurch erreicht werden, daß die Linearbewegung in
Doppelpfeilrichtung 15 Null ist. Ist eine Bewegung erwünscht,
so wird in Abhängigkeit von der Winkellage des Werkstückes 1
entsprechend in die Antriebe 18 und 19 eingegriffen. Die
vorstehend beschriebene Anordnung unterscheidet sich im
wesentlichen also von den bekannten Lösungen dadurch, daß auch
die Gewindemutter drehbar gelagert ist und gesondert angetrieben
werden kann.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden von einer numerischen
Steuerung 24 in Kanälen 25, 26 und 27 sowohl die an die Antriebe
7, 12 und 3 gehenden Sollwerte erzeugt als auch die von den
Weggebern 8, 13 und 4 kommenden Istwerte verarbeitet.
Wie ersichtlich, wird zur Aussteuerung der Antriebe 17 und 19
die Istwinkellage des Antriebes 3 bzw. des Werkstückes 1 mittels
der vom Weggeber 4 kommenden Steuersignale über elektronische
Getriebe 28 und 29 in Steuersignale für die Antriebe 17
und 19 umgesetzt. Zur Herstellung der gewünschten Kontur werden
von der Steuerung 24 her mittels einer Korrektureinrichtung
30 die Steuersignale für die Antriebe 17 und 19 entsprechend
winkelabhängig verändert, und zwar im elektronischen Getriebe
28 bzw. 29.
Den Aufbau eines derartigen elektronischen Getriebes zeigt
schematisch Fig. 4, wobei zu beachten sein wird, daß die dort
gezeigten Funktionsbausteine in der Praxis durch einen Rechner
realisiert werden. Wie ersichtlich, gelangen die vom Weggeber 4
kommenden Pulse über den Eingang ü in einen Zähler 31, dessen
Stand u ein Maß für die jeweilige Winkelposition des Werkstückes
1 ist. Die zeitliche Änderung dieses Winkelwertes u
und eines Wertes Δ u je Abtastperiode T, die im Baustein 35
gebildet wird, dient als Sollwert für den Antrieb 17. Durch
Vergleich mit dem in geeigneter Form vom Weggeber 18 gelieferten
Istwert lassen sich dann in einer Vergleichsstelle 37 geeignete
Ansteuerwerte gewinnen. Die Verstärkung k r in diesem
Antriebsregelkreis ist dabei durch den Baustein 36 angedeutet.
Der Wert Δ u dient dabei zur Kompensation des Schleppabstandes
oder dergleichen. Hierzu wird in einem Baustein 32 ein der
zeitlichen Änderung proportionaler Wert gebildet und mit
einem von der Kreisverstärkung abhängigen Faktor c gewertet.
Der sich so ergebende Kompensationswinkel Δ u wird dem Winkel
u in der Summierstelle 34 zugefügt und damit der Schleppfehler
weitgehend kompensiert.
Wird in die Summierstelle ein von der Winkellage des Werkstückes
1 abhängiger Korrekturwert über die Einrichtung 30
eingeführt, so wird der Gleichlauf zwischen den elektrischen
Antrieben 3 und 17 bewußt verändert und damit die gewünschte
programmierte Kontur erzeugt. Zweckmäßigerweise wird dabei
über die Korrektureinrichtung 30 gegensinnig in die beiden
elektronischen Getriebe 28 und 29 eingegriffen.
Wie Fig. 4 erkennen läßt, können an den Eingängen a und t der
elektronischen Getriebe 28 und 29 auch von den Bewegungen der
Antriebe 7 und 12 abgeleitete Signale eingeführt werden.
Claims (4)
1. Einrichtung zur linearen Bewegung eines Maschinenteils bei
einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, bei der das
Maschinenteil mit einer in einer Gewindemutter geführten Gewindespindel
verbunden ist und der Antrieb der Gewindespindel
in Abhängigkeit von der Bewegung eines zweiten Maschinenteils
aussteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewindemutter (22) einen Antrieb
(17) aufweist, der abhängig von der Bewegung des zweiten Maschinenteils
(2) aussteuerbar ist und daß die Linearbewegung des Maschinenteils
(16) durch die Überlagerung der beiden Antriebe
(17, 19) bestimmt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Signale der Ansteuerung der beiden
Antriebe (17, 19) aus der Hauptspindeldrehung (5) abgeleitet
sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spindelbewegung (15) einer in der
gleichen Achse liegenden Linearbewegung (9) überlagert ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Antriebe (17, 19) zusätzlich
durch aus weiteren Bewegungsachsen (9, 10) abgeleitete Signale
aussteuerbar sind.
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