DE3843165C1

DE3843165C1 - Method and apparatus for controlling a tool during the machining of workpieces

Info

Publication number: DE3843165C1
Application number: DE19883843165
Authority: DE
Inventors: Oswald 8201 Tuntenhausen De Stoermer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Nest Electronics 8201 Tuntenhausen De GmbH
Priority date: 1988-12-22
Filing date: 1988-12-22
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 2008-12-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Werkzeuges bei maschineller Werkstückbearbeitung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw. 2.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus, wie er z. B. in der Deutschen Offenlegungsschrift 26 26 270 beschrieben ist. Auch bei der bekannten Vorrichtung wird versucht, mit Hilfe von Meßfühlern die tatsächliche Lage des Werkzeuges festzustellen, wobei die Signale des Meßfühlers mit einem vorgegebenen Signal verglichen werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das dann die Tätigkeit einer Kompensationskraftbetätigungseinrichtung beeinflußt. Ein Synthesekreis liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das der errechneten Werkstückslageveränderung in Abhängigkeit von der Bearbeitungskraft unter Berücksichtigung der sich kontinuierlich ändernden statischen und dynamischen Werkstückeigenschaften entspricht. Ein wesentlicher Nachteil einer derartigen Vorrichtung, die einen Beschleunigungsmesser verwendet, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Lageveränderung des Werkzeuges oder Werkstückes anzeigen soll, ist, daß keine Berücksichtigung der Erdbeschleunigung und ihrer Auswirkungen als Störgröße auf die Genauigkeit der in Rede stehenden Steuerung erfolgt.

Auch in jüngeren Schriften wie z. B. in der Deutschen Patentschrift 30 09 393 wird zwar von einer Kompensation von Abweichungen zwischen Ist- und Sollposition eines Werkzeuges gesprochen, jedoch werden nur solche Parameter - als Störeinflüsse - berücksichtigt wie ungleichmäßige Erwärmung und/oder Abkühlung, Werkzeugabnutzung, Fluchtfehler und Perpendikularfehler. An eine Berücksichtigung der Erdbeschleunigung ist auch hier nicht gedacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuerung zu schaffen für ein sich schnell bewegendes Werkzeug einer Maschine für Werkstückbearbeitung, insbesondere mit drehender Werkzeugbewegung wie mittels Spindel oder Drehwelle, bei der die Meßwerte von Meßfühlern, insbesondere Beschleunigungsaufnehmern, mit denen die tatsächliche Lage eines Werkzeuges bestimmt werden soll, korrigiert (normiert) werden, derart, daß Erdbeschleunigungseinflüsse ausgeschlossen werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 2 enthalten sind. In Anspruch 1 ist ein Verfahren und in Anspruch 2 eine Vorrichtung hierfür beschrieben.

Weitere Merkmale im Rahmen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 angegeben.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß bei einer waagerechten Anordnung der Werkzeugspindel oder Welle als Träger eines rotierenden Werkzeuges die Störgröße Erdbeschleunigung ausgefiltert bzw. kompensiert werden kann. Hier würde sie nämlich während einer Umdrehung um die Drehachse Werte annehmen, die über denen des Nutzsignals liegen können. Wird die Erdbeschleunigung nicht kompensiert, so führt dies z. B. bei einer Schräglage von nur 1° bereits zu einem nicht mehr tolerierbaren Fehler.

Die Radialbeschleunigung folgt der Formel:

a _r = ω² · r (1)

wobei gilt:

a _r = Radialbeschleunigung,
ω = Winkelgeschwindigkeit, (2 · π · f)
r = Radius der Kreisbahn.

Bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ist also die Radialbeschleunigung dem Radius der Kreisbahn, und somit der Istlage der Werkzeugspitze proportional.

Aus der Fehlerbetrachtung für Drehzahlschwankungen der Spindel hat es sich gezeigt, daß die Gleichförmigkeit der Drehbewegung nicht genügend hoch ist, um ohne die Ermittlung des Meßwertes für den Weg eine weitere Kompensation durchführen zu können.

Die Erfindung sieht deshalb vor, bei der Berechnung dieses Meßwertes nicht, wie an sich naheliegend, mit einer theoretischen Drehzahl, die über einer Umdrehung als konstant angesehen würde, zu rechnen, sondern mit der Ist-Drehzahl und der Ist-Beschleunigung während eines beliebig kleinen Inkrementes einer Umdrehung. Diese Ist-Drehzahl kann mit einem Winkelgeber z. B. im Bereich eines Winkel-Grades genau ermittelt werden und stellt somit eine genügend feine Auflösung einer Umdrehung der Spindel dar. Gleiches gilt für die Winkelbeschleunigung und ggf. eines Sensors hierfür, wenn sie nicht aus der Winkelgeschwindigkeit z. B. durch Differenzieren errechnet wird.

Die zur Realisierung des Erfindungsgedankens erforderliche Signalauswertung wird durch das anliegende Blockschaltbild dargestellt.

Wie aus der Beschreibung des Standes der Technik ersichtlich, gab es bisher keine zufriedenstellende Lösung zur Kompensation der Störgröße: Erdbeschleunigung.

Die Erfindung sieht zur Verwirklichung der nötigen Kompensation eine elektronische Schaltung vor.

Mit der Kenntnis des jeweiligen Drehwinkels der Spindel und Ermittlung der Drehzahl aus entsprechenden Inkrementen ist es möglich, die Erdbeschleunigung zu kompensieren.

In einem Speicher (z. B. EPROM) werden die Werte der Erdbeschleunigung für eine Umdrehung gespeichert (Cosinusfunktion). Bei der Umdrehung der Spindel werden die dem Winkel entsprechenden Funktionswerte aus dem Speicher ausgelesen und zur Kompensation der vom Beschleunigungsaufnehmer mitgemessenen Erdbeschleunigung verwendet.

Mit einer zusätzlichen Multiplikation, z. B. in einem multiplizierenden D/A-Wandler, bei der Auswertung kann noch eine Berücksichtigung des Raumwinkels der Lage der Werkzeugspindel erfolgen. Abhängig von der Lage der Spindel zwischen der Horizontalen (volle Kompensation erforderlich) und der Vertikalen (keine Kompensation erforderlich) wird dann der Faktor der erforderlichen Kompensation eingestellt.

Genauso einstellbar ist eine eventuelle Nullpunktverschiebung zur Kompensationskurve über der Winkelstellung der Welle.

Eine online-Berechnung der Funktionswerte der Erdbeschleunigung für den jeweiligen Winkel anstelle der Einspeicherung der vorberechneten Werte der Erdbeschleunigung wäre ebenfalls ausführbar.

Der Vorteil, den diese Kompensationsmethode bietet, liegt darin, daß der wirkliche Wert der Beschleunigung herangezogen wird und nicht ein mit Störbeschleunigungen verseuchtes Signal, wie es z. B. unter Verwendung eines zweiten Aufnehmers zur Kompensation der Fall wäre. Dadurch würde die eigentliche Zielsetzung der Weg-Messung mittels Beschleunigungs-Aufnehmer beeinträchtigt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung mit den Fig. 1, 2a, 2b erläutert.

Gemäß dem beiliegenden Blockschaltbild (Fig. 1) ist die Realisierung der Erfindung wie folgt möglich, erläutert am Beispiel einer Werkzeugmaschine mit einem Meßfühler im Bereich des Werkzeuges, das an einer Spindel o. ä. Halter befestigt ist.

Eingangssignale

Beschleunigungssignal vom Beschleunigungsaufnehmer, überlagert mit der Erdbeschleunigung und moduliert mit der Absolut-Drehzahl und deren Jitter.
Winkellage der Spindel als Absolutsignal (z. B. 9 Bit für 360 Pulse/ Umdrehung).

Ausgangssignal

Lageinformation bezüglich des Werkzeugs (Wegsignal), frei von Verfälschungen (Nullpunktfeststellung zu Beginn der Messung).

Schaltungsanordnung

Die Information der Winkellage liegt an den Adreßkanälen eines Referenzspeichers 1 parallel an. In diesem Referenzspeicher 1 ist matrixförmig die Information über die zu jedem Winkelwert zugehörigen Werte der Erdbeschleunigung eingespeichert. Diese Information liegt an den Ausgangskanälen des Referenzspeichers 1 parallel an. Der Referenzspeicher 1 selbst kann z. B. ein PROM oder EPROM sein. Die Anzahl der Ausgangskanäle richtet sich nach der gewünschten Auflösung des Wertes der Erdbeschleunigung für die Kompensation.

Bei der Auflösung der Winkellage von 1°, wie hier angenommen wird, erscheint eine Auflösung des Erdbeschleunigungs-Wertes mit 10 Bit als realistisch.

Die Erdbeschleunigungsinformation liegt an den Digitaleingängen eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 2 an. An dem Referenzeingang dieses Digital-Analog-Wandlers 2 liegt eine Gleichspannungsinformation, die ein Maß für die Schräglage der Spindel darstellt (z. B. 10 V für waagerechte Lage, 0 V für senkrechte Lage).

Das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 2 stellt somit die Erdbeschleunigung für die Spindel in ihrer Einbaulage und in ihrer jeweiligen Drehstellung dar.

Mittels eines Differenzverstärkers 3 erfolgt eine Subtraktion der "synthetisch" ermittelten Erdbeschleunigung von dem gemessenen Beschleunigungssignal, das diese Erdbeschleunigung parasitär enthält.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 3 enthält nur noch die Anteile des Beschleunigungs-Signals, das aus der Unrundheit/Exzentrizität der Bewegung des Werkzeuges, aus der Ablage aus dem Drehmittelpunkt, wie auch aus sonstigen Störbeschleunigungen herrührt, jedoch nicht mehr aus der Überlagerung der Erdbeschleunigung bei der Drehung. Die Drehzahlabhängigkeit, insbesondere des Anteils aus der Ablage aus dem Drehmittelpunkt, ist noch gegeben.

Eine Pulsformer-Schaltung 4 filtert die beiden Flanken des (LSB)-Signals der Winkellage-Information (Least Significant Bit) aus und generiert jeweils einen Schaltpuls für eine nachfolgend beschriebene Zählerschaltung 6 und eine bistabile Kippschaltung 7.

In der Zeitbasis 5 wird ein Zeittakt generiert, der wesentlich höher ist als der Takt des niedrigsten Bits (LSB) der Winkellageinformation der Spindel.

Im Beispiel soll der Takt die 1000fache Frequenz aufweisen wie die LSB-Spur bei der niedrigsten Arbeitsdrehzahl (ungefähr halbe Maximaldrehzahl) der Spindel.

Am Clock-Eingang der Zählerschaltung 6 liegt der Taktausgang der Zeitbasis 5 an. Am Reset-Eingang liegt einer der Ausgänge der Pulsformer- Schaltung 4 an.

Der Zählerstand, der zwischen zwei Reset-Pulsen erreicht wird, ist proportional mit der Zeit T′ des letzten LSB-Pulses und damit proportional mit der Zählerschaltung 6 Winkelgeschwindigkeit ω während dieses 1° langen Augenblicks der Umdrehung der Spindel.

Der jeweils aktuelle Zählerstand liegt an den Eingängen der bistabilen Kippschaltung 7 parallel an. Mit einem Speicherimpuls (Store) von der Pulsformer-Schaltung 4, der geringfügig vor dem Reset-Signal für die Zählerschaltung 6 liegt, wird der jeweils maximale Zählerstand der Zählerschaltung in der bistabilen Kippschaltung 7 eingespeichert.

Es gelten für diesen Wert die gleichen Proportionalitätsgesetze wie zuvor für den Zählerstand beschrieben.

Die parallelen Ausgänge der bistabilen Kippschaltung 7 liegen an den Digitaleingängen jeweils eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 8 und 9 an.

An dem Referenzeingang des Digital-Analog-Wandlers 8 liegt die Beschleunigungsinformation a aus dem Differenzverstärker 3 an. Der Ausgang dieses Digital-Analog-Wandlers 8 stellt somit ein Signal zur Verfügung, das proportional mit a · T′ ist.

Dieses Signal wird auf den Referenzeingang des Digital-Analog-Wandlers 9 gelegt. Hier erfolgt eine weitere Multiplikation mit dem gespeicherten, T′-proportionalen Zählerstand.

Das Ergebnis ist somit proportional mit a · T′ ² und somit proportional mit dem Radius r der Kreisbahn. Dieser ist ein Maß für die Ablage aus der Mitte der Drehbewegung und somit die Weg-Information für die Steuerung oder die Regelung des Werkzeugs (Wegfehlerkompensation). Obwohl für die Kompensation der Wert T′ des vorhergehenden Inkrementes herangezogen wird, ist der daraus resultierende Fehler vernachlässigbar, da die Änderung zwischen zwei benachbarten Inkrementen gering ist.

Durch die Wahl der Frequenz des Zeittaktes (s. o.) ergibt sich für die Schaltungen 6, 7, 8 und 9 eine "Daten-Breite" von 10 Bit. Wird eine feinere Auflösung gefordert, kann z. B. auf 12 Bit durch eine um 4 höhere Frequenz der Zeitbasis umgestellt werden.

Für die Quadrierung des T′-Signals wurde im Beispiel die Verwendung von zwei Digital-Analog-Wandlern vorgesehen. Eine Quadrierung des T′-Signals alleine und danach die Verknüpfung mit dem Beschleunigungssignal a hätte die gleiche Wirkung.

Die Zeichnung zeigt in Fig. 2a eine Kurve der Meßwerte für die Erdbeschleunigung, bezogen auf eine Umdrehung um die Drehachse der Werkzeugspindel (in waagerechter Lage), welche über die Zeit t einen deutlichen Sinusverlauf nimmt.

In Fig. 2b ist die LSB-Spur des Drehwinkelgebers in der entsprechenden Zeit t aufgezeichnet mit entsprechenden Werten T′ der Inkremente. Zu beachten ist, daß in der Darstellung Fig. 2a und Fig. 2b alle Signalverläufe nicht maßstäblich sind, dies gilt neben der LSB-Spur auch für die Store-Pulse, für die Reset-Pulse und für die Clock-Pulse.

Verwendete Nomenklatur

n = Anzahl der Pulse (clock) der Zeitbasis während der Länge des LSB-Signals,
T′ = Zeitdauer eines LSB-Signals,
a _Mess = Gemessener Beschleunigungs-Wert,
a _Komp = Berechneter Kompensationswert für die Erdbeschleunigung,
a = Bereinigter Beschleunigungswert (drehzahlabhängig),
f = Drehfrequenz,
r = Radius der Kreisbahn (= gewünschtes Ergebnis).

Es gelten die Zusammenhänge:

T′ ∼ 1/f
r ∼ a · T′ ² (∼ a/f ²)

Abwandlungen der Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich möglich, ebenso Anwendungen auf anderen Gebieten, wo eine Exzentrizität einer Welle bzw. eines daran befestigten Teils sich auswirkt, sowie bei der Kompensation der Erdbeschleunigung bei allen Beschleunigungs-Messungen an drehenden Teilen.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Werkzeuges bei maschineller Werkstückbearbeitung unter Berücksichtigung der tatsächlichen Lage des Werkzeuges, gekennzeichnet durch

a) Messung des Drehwinkels eines Trägers für das Werkzeug,
b) hieraus Berechnung der Drehzahl für das jeweilige winkelbezogene Inkrement,
c) Messung der Beschleunigung des Werkzeuges,
d) Berechnung der Lage-/Weginformation des Werkzeuges aus den zuvor ermittelten Größen,
e) Kompensation der Erdbeschleunigung zu der Berechnung nach d) nach Maßgabe von den Drehwinkeln zugeordneten, eingespeicherten bzw. online-berechneten Erdbeschleunigungswerten.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

a) eine Einrichtung zur Messung des Drehwinkels eines Trägers für das Werkzeug und Berechnung der Drehzahl für das jeweilige winkelbezogene Inkrement hieraus sowie Messung der Beschleunigung des Werkzeugs,
b) einen Rechner zur Verarbeitung und Auswertung der Meßwerte zur Berechnung der Lage-/Weginformation des Werkzeuges aus den zuvor gewonnenen Größen und zur Korrektur der Meßwerte mit für den jeweiligen Drehwinkel um die Drehachse gespeicherten bzw. online-berechneten Werten der Erdbeschleunigung, sofern diese Werte von dem Wert in der Vertikalen abweichen,
c) eine Einrichtung zum Rückstellen (Reset) in die Ausgangsstellung (Nullpunkt) und ihre Winkellage (Schräglage).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch wenigstens einen multiplizierenden Wandler (2), durch den die Digitalsignale eines die Erdbeschleunigungswerte enthaltenden Referenzspeichers (1) mit dem Faktor für die Schräglage der Drehachse verknüpfbar und in Analogsignale für die Erdbeschleunigungskompensation umwandelbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitbasis (5) mit einer Zählerschaltung (6) und einer bistabilen Kippschaltung (7) als Speicher verbunden ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Digitalsignale aus der bistabilen Kippschaltung (7) mit Hilfe von zwei multiplizierenden D/A-Wandlern (8, 9) und Beschleunigungssignalen aus einem dem Wandler (2) nachgeschalteten Differenzverstärker (3) zu der Weginformation verknüpfbar sind.