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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Werkzeugmaschine, die zwei Spindeln hat, insbesondere auf ein
Verfahren zum Steuern des gleichzeitigen Betriebs der Spindeln
einer Werkzeugmaschine, wie einer Drehbank, das dazu
bestimmt ist, zwei Spindeln zu steuern, um ein Werkstück
rationell zu bearbeiten.
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Um kürzere Stückzeiten beim Bearbeiten von Werkstücken zu
realisieren, werden meistens Werkzeugmaschinen mit einer
Mehrspindelkopfeinheit benutzt. Beispielsweise sind, wie
dies bei einer NC-Drehbank der Fall ist, zwei oder mehr
Spindeln für jeden Werkzeugsupport vorgesehen, und die
Spindeln werden mittels unabhängiger Spindelmotoren
gesteuert, um die für das Ein- und Ausspannen der Werkstücke
benötigte Zeit zu verkürzen. Alternativ dazu wird die
Flexibilität, mit der Werkstücke bearbeitet werden, durch
Spindelmotoren erhöht, die unterschiedliche Funktionen
haben.
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Wenn Werkstücke von einer Vielzahl von Spindeln aufgenommen
werden, wird jedem Spindelmotor derselbe
Geschwindigkeitsbefehl erteilt, und wenn die Geschwindigkeiten
zusammenfallen, wird ein Übergang zu dem nächsten Bearbeitungsvorgang
ohne Stopp des Werkstücks, das sich in Drehung befindet,
durchgeführt.
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Bei der herkömmlichen Werkzeugmaschine, in der zwei
Spindeln derart angeordnet sind, daß sie sich auf derselben
Achse gegenüberstehen, und ein Werkzeugsupport in der Lage
ist, das Werkstück auf einer der Spindeln zu bearbeiten,
ist es erforderlich, daß die Geschwindigkeiten beider
Spindeln beim Übernehmen des Werkstücks zuverlässig
zusammenfallen. Wenn dies nicht erreicht wird, kann das Werkstück
durch ein Spannfutter beschädigt werden oder läuft Gefahr,
verformt zu werden. Wenn indessen die Spindelmotoren
unterschiedlich sind, ist es schwierig, deren
Drehgeschwindigkeiten vollkommen zusammenfallen zu lassen. Zusätzlich
schwanken die Drehgeschwindigkeiten infolge der Last selbst
dann, wenn die Geschwindigkeitsbefehle gleich sind.
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Außerdem fallen bei einer herkömmlichen Steuerung zum
Zwecke eines synchronen Spindelbetriebs die
drehwinkelmäßigen Positionen beider Spindeln nicht sofort zusammen, und
zwar selbst dann nicht, wenn die Geschwindigkeiten zum
Zusammenfallen gebracht werden können, und es ist schwierig,
eine Abweichung in der Spannfuttereingreifposition zu
korrigieren.
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Es sind auf unterschiedlichen Gebieten Versuche unternommen
worden, einen Synchronismus zwischen zwei Motoren
herzustellen. Hierzu sei beispielsweise auf die Druckschrift
DE-A-2163474 hingewiesen, in der offenbart ist, wie zwei
Antriebe unter Benutzung eines Aufwärts-/Abwärtszählers in
Synchronismus gebracht werden. Außerdem sei auf die
Druckschrift FR-A-2087055 hingewiesen, in der offenbart ist, wie
eine Hilfsmaschine mit einer Hauptmaschine synchronisiert
wird.
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Die vorliegende Erfindung ist entstanden, um die vorstehend
erläuterten Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe besteht
darin, eine Werkzeugmaschine, die zwei Spindeln hat, und
ein Verfahren zum Steuern derselben zu schaffen, wobei ein
Synchronbetrieb zuverlässig auf das Erreichen der
Koinzidenz zwischen den Drehungswinkeln der Spindeln hin
durchgeführt wird.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung
kann eine Werkzeugmaschine vorgesehen sein, die zwei
Spindeln hat, wobei die Drehgeschwindigkeit einer ersten
Spindel so bestimmt wird, daß sie mit der Drehgeschwindigkeit
einer zweiten Spindel zusammenfallt, und wobei ein
Werkstuck
zwischen den Spindeln verschoben wird, welche
Maschine umfaßt: Befehlsmittel zum Versorgen betreffender
Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen der ersten und zweiten
Spindeln mit identischen Geschwindigkeitsbefehlen, ein
Betriebsart-Einstellmittel zum Einstellen einer
Synchronbetriebs-Regelungsbetriebsart zum Abschalten des
Geschwindigkeitsbefehls für die Geschwindigkeits-Regelungsschaltung
der zweiten Spindel und zum Synchronisieren der zweiten
Spindel mit der ersten Spindel, ein arithmetisches Mittel
zum Berechnen einer Positions-Abweichung bezogen auf
Drehungswinkel der ersten und zweiten Spindeln in der
Synchronbetriebs-Regelungsbetriebsart und Korrekturmittel zum
Korrigieren des Geschwindigkeitsbefehls für die
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung der zweiten Spindel in einer
Weise, daß eine erfaßte Positions-Abweichung zu Null wird.
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Ferner kann in Übereinstimmung mit einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung ein
Spindelsynchronbetriebs-Regelungsvertahren zum Anwenden einer Synchronbetriebs-Regelung
auf erste und zweite Spindeln, die voneinander unabhängige
Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen haben, vorgesehen
sein, welches Verfahren umfaßt: einen ersten Schritt zum
Bewirken, daß die Geschwindigkeitsbefehle für die ersten
und zweiten Spindeln zusammenfallen, einenzweiten Schritt
zum Erfassen der Ist-Geschwindigkeit und der
Drehungswinkel-Position jeder Spindel und zum Berechnen einer
Abweichung zwischen diesen Geschwindigkeiten und einer
Abweichung zwischen diesen Positionen, einen dritten Schritt zum
Korrigieren eines der Geschwindigkeitsbefehle mittels der
berechneten Geschwindigkeits-Abweichung und einen vierten
Schritt zum Korrigieren eines der Geschwindigkeitsbefehle
mittels der berechneten Positions-Abweichung.
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Demzufolge kann eine Werkzeugmaschine, die zwei Spindeln
hat, in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung derart beschaffen sein, daß das
Geschwindigkeitsabweichungssignal der ersten und zweiten Spindeln und das
Positionenabweichungssignal der ersten und zweiten Spindeln
jeweils zu dem Geschwindigkeitsbefehl der zweiten Spindel
addiert werden, um eine Korrektur dieses
Geschwindigkeitsbefehls zu ermöglichen.
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Fig. 1 zeigt eine Systemanordnung, die ein Beispiel der
Geschwindigkeits-Steuerungseinrichtung einer
Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung darstellt.
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Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerungsablaufs für das
zuvor angegebene Werkzeugmaschinensystem.
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Fig. 3 zeigt eine Darstellung eine Beispiels für den Aufbau
des Werkzeugmaschinenmechanism zum Drehen einer
ersten und einer zweiten Spindel.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung im einzelnen anhand der Figuren beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Systemanordnung, die ein Beispiel der
Geschwindigkeits-Steuerungseinrichtung einer Werkzeugmaschine
gemäß der Erfindung darstellt.
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Servomotoren 1, 2, die zum Drehen zweier Spindeln einer
Werkzeugmaschine vorgesehen sind, werden derart durch
Strombefehle aus Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 3, 4
gesteuert, daß sie jeweils bei einer vorbestimmten
Geschwindigkeit drehen. Während eines gewöhnlichen Betriebs
werden die Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 3, 4 mit
Geschwindigkeitsbefehlen Vcmd&sub1;, Vcmd&sub2; zum unabhängigen
Regeln der Drehgeschwindigkeiten der ersten und zweiten
Spindeln versorgt. Den Regelungsschaltungen 3, 4 werden
außerdem Geschwindigkeits- und Stromrückkopplungssignale der
Servomotoren 1, 2 zugeführt. Die Geschwindigkeiten der
Servomotoren 1, 2 werden, wenn den
Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 31 4 Signale V&sub1;, V&sub2; als Befehle für
Soll-Geschwindigkeiten zugeführt werden, mittels betreffender
Geschwindigkeitsdetektoren 5, 6 erfaßt, und die
Erfassungsergebnisse werden einem Addierer 7 als
Geschwindigkeitsdaten &sub1;, &sub2; zugeführt, wodurch eine
Geschwindigkeits-Abweichung e berechnet wird.
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Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Positionendetektor der
ersten Spindel. Der Detektor erfaßt Drehpositionendaten x&sub1;
von der ersten Spindel, die mit dem Servomotor 1 bei einem
Übersetzungsverhältnis von 1:n verbunden ist. Hinsichtlich
der zweiten Spindel werden Drehpositionendaten x&sub2; mittels
eines ähnlichen Positionendetektors 9 erfaßt. Diese
Positionssignale werden an einen Addierer 10 ausgegeben, in dem
eine Positions-Abweichung e berechnet wird.
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Das Bezugszeichen 11 bezeichnet eine sog. PI-Operations-
Einstellungsschaltung, die einen
Geschwindigkeits-Regelungskreis in bezug auf die
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 bildet. Mittels eines Addierers 14 werden
Ausgangssignale eines Verstärkerblocks 12 addiert, der ein
Proportionalelement (P) und einen Block 13 umfaßt, welcher
ein Integrationselement (I) enthält. Demgemäß werden mit
Hilfe eines eingeschalteten Schaltmechanismus SW&sub5;
Proportionalintegrationsdaten y&sub1; auf der Grundlage einer
Geschwindigkeits-Abweichung aus dem Addierer 7 in Übereinstimmung
mit der folgenden Gleichung
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Y&sub1;(s) = K&sub1;[1 + (1/Tis)]E(s)
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mittels der PI-Operations-Einstellungsschaltung 11
gebildet, wobei K&sub1; ein Integrationsübertragungsfaktor ist und Ti
ein konstanter Wert ist, welcher der Zeit entspricht, die
für eine Integrationsverarbeitung erforderlich ist.
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Die Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 bildet außerdem
einen Positions-Regelungskreis auf der Grundlage der
Positions-Abweichung e aus dem Addierer 10. Innerhalb dieses
Positions-Regelungskreises ist ein Verstärkerblock 15
angeordnet,
dessen Proportionalitätskonstante K&sub2; ist.
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Was die Geschwindigkeiten &sub1;, &sub2; betrifft, so ist es
möglich, diese durch Berechnung aus dem Bewegungsbetrag je
Zeiteinheit unter Benutzung der Positionendetektoren 8, 9
zu bestimmen.
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Der Geschwindigkeitsbefehl Vcmd&sub2; für eine der zwei
Werkzeugmaschinen-Spindeln, die mit dem Servomotor 2 verbunden
ist, wird der Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 über
eine Betriebsart-Umschalteinrichtung 16 zugeführt. Die
letztere umfaßt vier Schaltmechanismen SW&sub1; bis SW&sub4; und drei
Addierer 17 bis 19 zum Umschalten der Betriebsart. Der
Geschwindigkeitsbefehl Vcmd&sub2; wird dem Addierer 17 über den
Schaltmechanisinus SW&sub1; zugeführt. Dem Addierer 17 wird
außerdem über den Schaltmechanismus SW&sub2; ein Ausgangssignal
y&sub2; des Verstärkerblocks 15 zugeführt. Das Ergebnis der
Addition, die mittels des Addierers 17 durchgeführt ist, wird
an den nächsten Addierer 18 gelegt, dem der Geschwindig
keitsbefehl Vcmd&sub1; über den Schaltmechanismus SW&sub3; zugeführt
wird. Die Proportionalintegrationsdaten y&sub1; aus der
PI-Operations-Einstellungsschaltung 11 werden dem Addierer 19
über den Schaltmechanismus SW&sub4; zugeführt, um zu dem
Ausgangssignal des Addierers 18 addiert zu werden, um dadurch
ein Signal für die Soll-Geschwindigkeit V&sub2; zu bilden, das
der Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 zugeführt wird.
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Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerungsablaufs des
zuvor erläuterten Werkzeugmaschinensystems.
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In einem Fall, in dem die Drehgeschwindigkeit der ersten
Spindel in Koinzidenz mit der Drehgeschwindigkeit der
zweiten Spindel gebracht ist und ein Werkstück zwischen den
zwei Spindeln übergeben wird, besteht ein erster Schritt
darin, eine Steuerungs-Betriebsart M1 (Schritt a) zum
Einschalten von SW&sub1; und Ausschalten von SW&sub2; bis SW&sub4; in der
Betriebsart-Umschalteinrichtung 16 einzustellen. Dies
veranlaßt,
daß die Geschwindigkeitsbefehls Vcmd&sub1;, Vcmd&sub2; an die
Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 3, 4 geliefert werden
(Schritt b).
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Als nächstes wird die Steuerungs-Betriebsart durch
Ausschalten von SW&sub1;, SW&sub2;, SW&sub4; und Einschalten von SW&sub3;, SW&sub5; von
M1 nach M2 umgeschaltet (Schritt c), und den
Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 3, 4 wird Vcmd&sub1; zugeführt
(Schritt d).
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Der Befehl wird angelegt, bis sich der absolute Wert der
Differenz zwischen der erfaßten Geschwindigkeit &sub1; der
ersten Spindel und Vcmd&sub1; einem vorbestimmten Wert ξ nähert
(Schritt e).
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Als nächstes wird die Steuerungs-Betriebsart durch
Ausschalten von SW&sub1;, SW&sub2; und Einschalten von SW&sub3; bis SW&sub5; von
M2 nach M3 umgeschaltet, und beiden Spindeln wird der
gleiche Geschwindigkeitsbefehl zugeführt (Schritt f). Als
Ergebnis beginnt die Regelung lediglich mittels der
Geschwindigkeits-Regelungskreise, zu welcher Zeit die
Geschwindigkeiten &sub1;, &sub2; und die Positionen x&sub1;, x&sub2; der Servomotoren 1,
2 der betreffenden Spindeln erfaßt werden und die
Geschwindigkeits-Abweichung e berechnet wird. Die Positionen x&sub1;, x&sub2;
der Spindeln werden zu diesem Zeitpunkt ebenfalls berechnet
(Schritt g). In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß
die Soll-Geschwindigkeit V&sub1; der
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 3 der ersten Spindel als
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V&sub1; = vcmd&sub1;
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zugeführt wird und der Geschwindigkeitsbefehl V&sub2;
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 der zweiten Spindel als
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V&sub2; = vcmd&sub1; + K&sub1;( &sub1; - &sub2;)
+ (K&sub1;/T&sub1;) [(x&sub1; - x&sub2;) + (x&sub1;&sub0; - x&sub2;&sub0;)]
zugeführt wird (Schritt h), der durch Addieren der Soll-
Geschwindigkeit V&sub1; der ersten Spindel, die der
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 3 zugeführt ist, und des
Proportionalintegrationsausgangssignals y&sub1; gewonnen ist,
welches letztere aus der Geschwindigkeits-Abweichung e
gewonnen ist. Es sei angemerkt, daß x&sub1;&sub0;, x&sub2;&sub0; die Versetzungen
der jeweiligen ersten und zweiten Spindeln von dem
Maschinen-Nullpunkt repräsentieren.
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Die Geschwindigkeit V&sub2; wird wiederholt mit einem
vorbestimmten Berechnungszyklus berechnet, bis die erfaßten
Geschwindigkeiten &sub1;, &sub2; der zwei Spindelmotoren
zusammenfallen (Schritt i). Bei Koinzidenz wird die
Steuerungs-Betriebsart durch Ausschalten von SW&sub1;, SW&sub5; und Einschalten
von SW&sub2; bis SW&sub4; von M3 nach M4 umgeschaltet (Schritt j).
In anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die
Drehgeschwindigkeit der zweiten Spindel einer gleichzeitigen
Regelung den Geschwindigkeits-Regelungskreis und den
Positions-Regelungskreis unterzogen wird. Als nächstes wewrden
Geschwindigkeiten &sub1;, &sub2; und die Positionen x&sub1;, x&sub2; der
Spindel-Servomotoren 1, 2 wie in Schritt d erfaßt, und es
werden die Geschwindigkeits-Abweichung e und die Positions-
Abweichung berechnet (Schritt k). Das bedeutet, daß wenn
die Soll-Geschwindigkeit V&sub1;, welche der Geschwindigkeits-
Regelungsschaltung 3 der ersten Spindel bei
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V&sub1; = vcmd&sub1;
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gehalten wird, das Signal für die Geschwindigkeit V&sub2;,
welches der Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 4 der zweiten
Spindel zugeführt wird, wie folgt korrigiert wird:
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V&sub2; = Vcmd&sub1; + K&sub1;(x&sub1; - X&sub2;) + K&sub2;[(x&sub1; - x&sub2;) + (x&sub1; - x&sub2;)]
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Der Korrekturausdruck wird durch Addieren der
Soll-Geschwindigkeit V&sub1;, für die das entsprechende Signal der
Geschwindigkeits-Regelungsschaltung 3 der ersten Spindel
zugeführt wird, des Proportional-Ausgangssignals y&sub2; auf der
Grundlage der Positionenabweichung e und des Proportional-
Ausgangssignals y&sub1; gewonnen, welches letztere aus der
Geschwindigkeitsabweichung e gewonnen ist (Schritt l). Die
Geschwindigkeit V&sub2; wird wiederholt mit einem vorbestimmten
Berechnungszyklus berechnet, bis die erfaßten Positionen
x&sub1;, x&sub2; der zwei Spindeln zusammenfallen (Schritt m).
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Als Ergebnis dieser Reihe von Verarbeitungsschritten werden
die Spindeln zuverlässig in Synchronismus betrieben, wobei
die Drehungswinkel derselben übereinstimmen. In dem
Augenblick, in dem die Geschwindigkeiten und Positionen der zwei
Spindelmotoren zusammenfallen, wird ein vorbestimmtes
Signal erzeugt, um die Spindeln zu bewegen und das Werkstück
zu übergeben. Die Schaltmechanismen SW&sub1; bis SW&sub3; der
Betriebsart-Umschalteinrichtung 16 verdeutlichen das Konzept
der Betriebsart-Umschaltung. In Wirklichkeit sind die
Schaltmechanismen als elektronische Einrichtungen aufgebaut
oder sind als ein Steuerprogramm in jedem von
Servo-Prozessoren gebildet. Dementsprechend ist es, gleichgültig, von
welcher der Spindeln das Werkstück aufgenommen ist,
möglich, Koinzidenz hinsichtlich Geschwindigkeit und Position
zu erreichen.
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Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines
Werkzeugmaschinenmechanismus, der derart beschaffen ist, daß die
Servomotoren 1, 2 eine erste Spindel 23 und eine zweite
Spindel 24 über betreffende Getriebemechanismen 21, 22 drehen.
Wenn ein Werkstück 27, das mittels eines Spannfutters 25
gehalten ist, welches an der ersten Spindel 23 angebracht
ist, von einem Spannfutter 26 auf der Seite der zweiten
Spindel übernommen wird, werden die Geschwindigkeitsbefehle
für die Geschwindigkeits-Regelungsschaltungen 3, 4 durch
die zuvor beschriebene Regelung zum Zwecke eines synchronen
Spindelbetriebs korrigiert, wodurch die Genauigkeit der
synchronen Geschwindigkeiten erhöht wird, um die auf das
Werkstück 27 einwirkende Last zu verringern, wenn das
Werkstück übergeben wird. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet
eine Synchronbetriebs-Regelungsschaltung zum Regeln dieses
Synchronbetriebs der Spindeln.
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Obwohl ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf dieses
beschränkt und kann ohne Verlassen des Schutzumfangs, wie
er in den Ansprüchen angegeben ist, in verschiedener Art
und Weise modifiziert werden.
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Eine Werkzeugmaschine mit zwei Spindeln in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist derart beschaffen, daß ein
Synchronbetrieb auf das Erreichen der Koinzidenz zwischen den
Drehungswinkeln der Spindeln hin durchgeführt wird, um dadurch
zu ermöglichen, daß ein Werkstück während seiner Drehung
übernommen werden kann. Als Ergebnis kann der
Arbeitsaufwand bei einem Schneidbearbeitungsvorgang verringert
werden, und die Bearbeitungszeit kann ohne Beschädigung von
Werkstücken verkürzt werden.