DE3930306A1 - Antriebsvorrichtung fuer eine werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-PS 29 46 860 bekannt. Der bei dieser Vorrichtung verwendete Mehrphasen- Schrittmotor kann bei Überschreiten eines bestimmten Dreh­ moments umgeschaltet werden. Dieser Zustand tritt z.B. ein, wenn das Werkzeug beim Gewindeschneiden den Boden eines Sacklochs erreicht und dadurch das Drehmoment stark ansteigt.

Bei dieser Antriebsvorrichtung ist nicht berücksichtigt, daß insbesondere beim Gewindeschneiden oder Gewindefurchen, aber auch bei der Schneidbearbeitung empfindlicher Materialien durch die Vorschubkraft des Werkzeugs eine erhebliche Beschädigung des Werkstücks erzeugt werden kann. Diese Vorschubkraft, die bei zu hoher Vorschubge­ schwindigkeit, aber auch durch das Eigengewicht aller auf das Werkzeug einwirkenden Baugruppen hervorgerufen werden kann, kann so große Materialverformungen hervorrufen, daß z.B. die erstellten Gewinde nicht mehr lehrenhaltig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß bei automatischer Bearbeitung eine Beschädigung des Werkstücks mit Sicherheit ausgeschlossen wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß mit einem rotierenden Werkzeug dann optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn das Werkzeug mit optimalem Drehmoment beaufschlagt wird. Beim Gewindeschneiden bedeutet dies, daß sich der Gewindebohrer möglichst ohne Beaufschlagung durch eine zusätzliche Kraft in Vorschubrichtung selbsttätig in das Werkstück hineinarbeitet, da dies die beste Garantie dafür ist, daß ein Gewinde geschnitten wird, das der Negativform des verwendeten Gewindebohrers entspricht und damit lehrenhaltig ist. Je nach der Geometrie des Werkzeugs und der Festigkeit des Werkstoffs des Werkstücks entsteht beim Zerspanen an den Schneiden eine Reaktionskraft, die entweder in Vorschubrichtung oder dieser entgegengerichtet ist. Für ein optimales Fertigungsergebnis ist es daher entscheidend, daß der Anschnitt und der sich daran anschließende Bearbeitungsvorgang mit der richtigen, dem Werkzeug und dem Werkstoff entsprechenden Anpreßkraft bzw. Unterstützungskraft erfolgt. Da sich diese Reaktionskraft beim Gewindeschneiden an den nachfolgenden, nicht zerspanenden Führungsflanken des Werkzeugs abstützt, ist es in den meisten Fällen zur Erzeugung eines lehrenhaltigen Innengewindes ausreichend, wenn dafür gesorgt wird, daß sich das Werkzeug nach dem Anschnitt ohne zusätzliche Kraft in Vorschubrichtung selbständig durch das Werkstück hindurcharbeiten kann.

Durch die Verwendung der drehmomentgesteuerten Vorschubein­ richtung lassen sich alle Schwierigkeiten, die während eines Bearbeitungsvorganges auftreten können, erfassen und größtenteils beseitigen. Bei bestimmten Materialien lassen sich für eine optimale Bearbeitung in Abhängigkeit von Durchmesser, erforderlichem Vorschubweg, verwendetem Schmiermittel und dergl. optimale Bearbeitungsmomente angeben. Das jeweils über den Drehantrieb, der zweckmäßigerweise als Schrittmotor ausgebildet ist, ermittelte Ist-Drehmoment kann mit diesem bekannten Werten verglichen werden. In Abhängigkeit hiervon kann die Vorschubeinrichtung so gesteuert werden, daß z.B. bei vertikalem Aufbau einer Gewindeschneidmaschine das Werkzeug in einer Art Schwebezustand gehalten wird, d.h., daß keine unerwünschten Kräfte in Vorschubrichtung oder dieser entgegengerichtet auftreten.

Diese Art der Steuerung ermöglicht aber eine Reihe von Vorgängen zu erfassen, die die automatische Bearbeitung und eine ständige Qualitätskontrolle ermöglichen. So ist es z.B. möglich, bei einem beobachteten Drehmomentanstieg während der Bearbeitung den antreibenden Schrittmotor umzuschalten, und danach die Bearbeitung erneut aufzunehmen. Dadurch kann sich z.B. ein Span, der Ursache für den Drehmomentanstieg war, lösen und dann geschnitten werden. Dies gilt selbstverständlich auch beim Rücklauf des Werkzeugs, bei dem eine kinematische Umkehr der Vorgänge erfolgt, und die auf das Werkzeug ausgeübte Zugkraft so bemessen sein muß, daß ein bestimmtes Reibmoment nicht überschritten wird. Selbstverständlich ist es aufgrund der drehmomentgesteuerten Vorschubeinrichtung auch möglich, die am Beginn eines Arbeitsvorganges erforderliche Anschnittkraft zu erzeugen, da hierfür ein erhöhtes Drehmoment notwendig ist, dessen Wert bekannt ist. Falls dieses Anschnittmoment nicht erreicht wird, sondern ein höheres Moment erforderlich ist, kann bereits am Beginn eines Bearbeitungsvorganges der Schluß gezogen werden, daß die Standzeit des Werkzeugs überschritten ist.

Das optimale Bearbeitungsmoment ist selbstverständlich über den gesamten Bearbeitungsvorgang nicht immer konstant. So ist es z.B. bekannt, daß beim Gewindeschneiden bei einer den doppelten Durchmesser überschreitenden Gewindelänge erhöhte Bearbeitungsmomente erforderlich sind. Dies ist z.B. auf die größere Reibung und die größere Strecke, über die Späne transportiert werden müssen, zurückzuführen.

Es ist auch möglich, jegliche Art von Fehlerquellen zu ermitteln. Wenn z.B. trotz entsprechender Steuerung der Vorschubeinrichtung über mehrere Werkstücke hinweg ein allmählicher Drehmomentanstieg festgestellt wird, kann dies auf die Abnutzung des Werkzeugs zurückzuführen sein. Läßt sich das optimale Drehmoment trotz optimaler Bedingungen nicht erreichen, kann dies z.B. darauf zurückzuführen sein, daß das für das Gewindeschneiden vorgebohrte Loch einen zu geringen Durchmesser hat. Aber auch die Verwendung eiues ungeeigneten Schmiermittels oder die Wahl einer ungeeignetem Schneidgeschwindigkeit können auf diese Weise festgestellt werden.

Wurde bei einem Bearbeitungsvorgang stets das optimale Drehmoment eingehalten, läßt sich ohne weitere Meßvorgänge der Schluß ziehen, daß die gewünschte Qualität erreicht worden ist. Bei Nichteinhalten der optimalen Werte ist es aber auch in einfacher Weise möglich, Werkstücke mit bestimmten Qualitätstoleranzen anzugeben.

Die Antriebsvorrichtung kann aber auch verwendet werden, wenn das optimale Drehmoment noch nicht bekannt ist. In diesem Falle können diese Werte empirisch ermittelt werden. Sobald sie feststehen, kann die Bearbeitung wieder automatisch erfolgen.

Für die erreichten optimaler Ergebnisse kann es auch erforderlich sein, die Vorschubeinrichtung in Abhängigkeit von der Drehzahl des antreibenden Schrittmotors zu steuern. Auch für die Drehzahl gilt dasselbe wie für das Drehmoment, es lassen sich nämlich bestimmte optimale Werte angeben, die erreicht werden können. Wenn es z.B. erforderlich ist, die Drehzahl zu erhöhen, ist es auch erforderlich, die Vorschubeinrichtung entsprechend zu steuern. Dies kann analog zur Drehmomentsteuerung geschehen.

Sowohl das Solldrehmoment als auch die Solldrehzahl können selbstverständlich innerhalb eines Toleranzbereiches liegen, der über einen gesamten Bearbeitungsvorgang z.B. in Abhängigkeit von der Bearbeitungstiefe veränderbar sein kann.

Die drehmomentgesteuerte Vorschubeinrichtung kann z.B. bei einer Gewindeschneidmaschine so ausgebildet sein, daß sie aus zwei in Vorschubrichtung geführten Schlitten besteht, nämlich einem mit dem das Werkzeug direkt treibenden Schrittmotor verbundenen Relativschlitten und einem z.B. über eine Gewindespindel angetriebenem Absolutschlitten, die durch eine Zug- und Druckfeder verbunden sind. Der Absolutschlitten der Vorschubeinrichtung wird dabei in Abhängigkeit von dem erforderlichen Drehmoment am Werkzeug und ggf. in Abhängigkeit von der erforderlichen Drehzahl gesteuert. Es ist aber auch möglich, die Vorschubein­ richtung magnetisch oder durch Druckluft in der erforderlichen Weise zu steuern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Blockschaltbild der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Frontansicht einer senkrecht wirkenden Gewindeschneidmaschine, und

Fig. 3 eine Seitenansicht der Maschine der Fig. 2.

Das in Fig. 1 gezeigte Blockschaltbild bezieht sich z.B. auf eine Gewindeschneidmaschine, bei der ein Schrittmotor 11 ein Werkzeug 12 antreibt, mit dem ein Werkstück 13 bearbeitet werden soll. Zwischen dem Werkzeug 12 und dem Werkstück 13 befindet sich eine Abstandsmeßeinrichtung, um insbesondere das Ende eines Bearbeitungsvorganges festzustellen. Der Schrittmotor 11 ist mit einer Vorschubeinrichtung verbunden, die es ermöglicht, daß das Werkzeug 12 mit möglichst geringer Vorschubkraft beaufschlagt wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Abstandsmeßeinrichtung 18 an der Vorschubeinrichtung 14 anzubringen, wie später gezeigt wird.

Das am Werkzeug 12 auftretende Drehmoment wird mittels eines Drehmomentfühlers 15 erfaßt, der die Stromaufnahme des Motors 11 ermittelt. Der Drehmomentfühler 15 ist mit einem Ist/Sollwert-Drehmomentkomparator 16 verbunden, dessen Ausgangssignal einer Vorschub- und Motorsteuerein­ richtung 17 zugeführt wird, die die Vorschubeinrichtung 14 in Abhängigkeit von dem erforderlichen Drehmoment, aber auch den Motor 11 bei erforderlicher Umschaltung, wenn also z.B. der erforderliche Vorschubweg erreicht ist oder wenn während der Bearbeitung ein zu hohes Drehmoment auftritt, steuert. Der Vorschub- und Motorumschaltung 27 wird auch das Ausgangssignal der Abstandsmeßeinrichtung 18 zugeführt, so daß festgestellt werden kann, ob ein Bearbeitungsvorgang beendet und damit die Umschaltung des Motors erforderlich ist. Der Drehmomentkomparator 16 erhält von einem Sollwert- Drehmomentspeicher 19 das jeweils erforderliche optimale Drehmoment. Aus dem Speicher 19 können, soweit vorhanden, alle je nach Material, Gewindeart, Gewindelänge usw. erforderlichen Werte abgerufen werden. Die Eingabe dieser kann bereits herstellerseitig erfolgen, oder nach empirischer Ermittlung beim Anwender. Die vom Drehmomentfühler 15 während der Bearbeitung ermittelten Drehmomemte und die im Speicher 19 gespeicherten Drehmomente können in einer Aufzeichnungs- und Auswerte­ einrichtung 20 verglichen und einer Qualitätskontrollein­ richtung 21 zugeführt werden, so daß sich für jeden Bearbeitungsvorgang Aussagen über die erzielte Qualität machen lassen.

Analog zur beschriebenen Drehmomentsteuerung erfolgt auch eine Drehzahlsteuerung. Hierfür ist ein Fühler 22 vorgesehen, der die Drehzahl des Motors 11 ermittelt, die dann in einem Ist/Sollwert-Drehzahlkomparator 23 mit einem aus einem Solldrehzahlspeicher 24 abgerufenen Wert vergleicht, und ein Vergleichssignal erzeugt, das einer drehzahlabhängigen Vorschub- und Motorsteuereinrichtung 25 zugeführt wird, die auf die Vorschubeinrichtung 14 und den Motor 11 einwirkt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den mechanischen Aufbau einer Gewindeschneidmaschine mit vertikaler Anordnung und vertikaler Dreh- und Vorschubachse Z. Die Maschine hat einen Schrittmotor 11 zum direkten Antrieb eines Werkzeugs 12, mit dem ein Werkstück 13 bearbeitet werden soll. Der Motor 11 ist mit einer Vorschubeinrichtung verbunden, die aus einem mit dem Motor 11 fest verbundenen Relativ­ schlitten 26 und einem angetriebenen Absolutschlitten 27 besteht, die durch eine Zug- und Druckfeder 28 und einen hierzu parallelgeschalteten Dämpfer 29 verbunden sind. Beide Schlitten sind mittel Führungsbuchsen 34 auf Führungsstangen 33 parallel zur Werkzeugdrehachse verschiebbar gelagert. Der Absolutschlitten 27 ist mit einer Spindelmutter 30 verbunden, die auf einer Spindel 31 sitzt, die von eimem Motor 32 angetrieben wird. Zur Messung des Abstandes zwischen dem Werkzeug 12 und dem Werkstück 13 sind zwei Abstandsmeßeinrichtungen 35 und 36 vorgesehen, nämlich eine zwischen den beiden Schlitten 26 und 27 und eine zwischen dem Schlitten 26 oder 27 und einem festen Bezugspunkt, z.B. einer fest angeordneten Skala. Diese beiden Meßeinrichtungen liefern nicht nur den Abstand zwischen dem Werkzeug 12 und dem Werkstück 13, sondern auch ein von der Drehung der Feder 28 abhängiges Signal, das dazu verwendet wird, den Werkzeugvorschub in Verbindung mit dem Motor 32 mit der erforderlichen Vorschubkraft zu steuern.

Claims (16)

1. Antriebsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine mit relativer Drehbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück und relativer Vorschubbewegung in Richtung der Drehbewegungsachse, insbesondere Gewindeschneid- und/oder Bohrmaschine, bestehend aus einem drehmomentgesteuerten, umschaltbaren elektrischen Drehantrieb, aus einem den Strom des Drehantriebs erfassenden Drehmomentfühler und aus einer Einrichtung zum Erfassen des bewirkten Vorschubs, gekennzeichnet durch eine drehmomentgesteuerte Vorschubeinrichtung (14), deren Vorschubkraft in Abhängigkeit von einem optimalen Bearbeitungsmoment des Werkzeugs (12) auf einem Minimalwert gehalten wird.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubkraft der Vorschubeinrichtung (14) bei der relativen Rücklaufbewegung zwischen Werkzeug (12) und Werkstück (13) in Abhängigkeit von einem optimalen Reib­ moment des Werkzeugs auf einem Minimalwert gehalten wird.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gewindeschneid- und/oder Bohrmaschine die Vorschubkraft der Vorschubeinrichtung (14) am Beginn eines Bearbeitungsvorgangs in Abhängigkeit von der erforderlichen Anschnittkraft gesteuert wird.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Drehmomentkomparator (16), der das vom Drehmomentfühler ermittelte Ist-Drehmoment mit einem Soll-Dreh­ moment vergleicht und ein Ausgangssignal erzeugt, das einer drehmomentabhängigen Vorschub- und Motorsteuerein­ richtung (17) zugeführt wird, die auch das Ausgangssignal der Abstandsmeßeinrichtung (18) erhält und die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Abstandsmeßeinrichtung (18) die Vorschubeinrichtung (14) und den Drehantrieb (11) steuert.

5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch durch eine Aufzeichnungseinrichtung (20), die das vom Drehmomentfühler (15) ermittelte Drehmoment über einen gesamten Arbeitsvorgang mit Vor- und Rücklauf aufzeichnet.

6. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch durch einen Drehzahlkomparator (23), der die von einem Drehzahlfühler (22) ermittelte Ist-Drehzahl des Schrittmotors (11) mit einer Soll-Drehzahl vergleicht und ein Ausgangssignal erzeugt, das einer drehzahlabhängigen Vorschub- und Motorsteuereinrichtung (25) zugeführt wird, die auch das Ausgangssignal der Abstandsmeßeinrichtung (18) erhält und die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Abstandsmeßeinrichtung (18) die Vorschubeinrichtung (14) und den Drehantrieb (11) steuert.

7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert in einem Toleranzbereich liegt.

8. Anstriebseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Toleranzbereich über einen Bearbeitungsvorgang veränderbar ist.

9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (11) als Schrittmotor ausgebildet ist.

10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei direktem Antrieb des Werkzeugs (12) durch den Schritt­ motor (11) die Vorschubeinrichtung (14) aus einem mit dem Schrittmotor verbundenen Relativschlitten (26) und einem mit diesem über wenigstens ein elastisches Element (5) verbundenen angetriebenen Absolutschlitten (27) besteht.

11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schlitten (26, 27) auf einer gemeinsamen Führungsanordnung (33, 34) gelagert sind.

12. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutschlitten (27) an einer Spindelmutter (30) sitzt, deren Spindelstange (31) von einem Motor (32) angetrieben ist.

13. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen des bewirkten Vorschubs aus einer Abstandsmeßeinrichtung (35) zwischen dem Relativschlitten (26) und dem Absolutschlitten (27) und einer Abstandsmeßeinrichtung (36) zwischen einem der Schlitten (26, 27) und einem festen Bezugspunkt besteht.

14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch einen Dämpfer (29) zwischen dem Relativschlitten (26) und dem Absolutschlitten (27).

15. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung aus einer Zug- und Druckfeder (5) besteht.

16. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubrichtung und die Drehachse vertikal verlaufen.