EP0865632A1 - Maschine zur spanenden bearbeitung von werkstücken - Google Patents

Maschine zur spanenden bearbeitung von werkstücken

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Publication number
EP0865632A1
EP0865632A1 EP97910427A EP97910427A EP0865632A1 EP 0865632 A1 EP0865632 A1 EP 0865632A1 EP 97910427 A EP97910427 A EP 97910427A EP 97910427 A EP97910427 A EP 97910427A EP 0865632 A1 EP0865632 A1 EP 0865632A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unbalance
tool
machine
sensor
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97910427A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Stoiber
Siegfried Koepp
Michael Sienz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Linear Motor Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
Krauss Maffei AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krauss Maffei AG filed Critical Krauss Maffei AG
Publication of EP0865632A1 publication Critical patent/EP0865632A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/32—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels
    • F16F15/36—Correcting- or balancing-weights or equivalent means for balancing rotating bodies, e.g. vehicle wheels operating automatically, i.e. where, for a given amount of unbalance, there is movement of masses until balance is achieved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37349—Unbalance of tool or tool holder
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45145—Milling
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49177—Runout, eccentricity, unbalance of tool or workpiece
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T82/00—Turning
    • Y10T82/25—Lathe

Definitions

  • the invention relates to a machine for machining workpieces according to the preamble of claim 1, a compensation unit for such a machine and a corresponding method for machining workpieces.
  • Such machines are, for example, milling machines with a rotating milling head, drilling machines, grinding machines and the like. the like , or lathes.
  • CNC numerically controlled
  • the unbalance be it a rotating tool, such as a milling head, or a rotating workpiece, such as a shaft to be machined or the like.
  • a rotating milling head shows an imbalance, depending on the size of the imbalance and the speed, this can result in the milling head being deflected in the circumferential direction and then having a larger milling circumference than intended.
  • This can be counteracted by using high-precision (balanced) milling heads and by adjusting the holder of the milling head, but this unbalance can never be completely avoided.
  • an imbalance on the milling head or the holder can occur due to damage or wear, which necessitates early replacement of the tool or readjustment. Both are relatively expensive and labor intensive.
  • Imbalances also have a negative effect on turned workpieces. If, for example, rapidly rotating rotating bodies such as shafts or the like show an imbalance, this can lead to premature bearing wear. Such components are therefore usually subjected to a balancing process.
  • the rotating part is clamped in a balancing device and set in rotation, and any unbalance with regard to its size and position (rotational position) is determined via unbalance sensors, for example force sensors on the bearing.
  • the rotating part is then braked and material is either removed or applied at a point corresponding to the imbalance; it is also possible to remove material at one point to compensate for the unbalance, to apply at another point.
  • These processes are repeated, ie the rotating part is rotated again to determine an imbalance and then to compensate for the imbalance decelerated until the resulting unbalance falls below a tolerable limit.
  • the invention is therefore based on the object of designing a machine of the type mentioned at the outset and a corresponding method for machining workpieces in such a way that any imbalances in a rotary element can be compensated in a simple manner.
  • an unbalance of a rotating workpiece or a rotating tool is detected by means of an unbalance sensor, and the feed drive, which realizes the relative movement between the tool and the workpiece, is controlled as a function of the unbalance.
  • the unbalance is detected, for example, together with the angular position of the rotating element due to the unbalanced force on the holder of the rotating element or due to unbalanced forces which cause the rotating element to deform, an optical sensor or, for example, an induction sensor being able to be used.
  • a predetermined position control of the relative movement between the tool and the workpiece can thus be corrected on the basis of the detection of the imbalance.
  • the invention thus proposes to detect the unbalance and the associated "virtual enlargement" of the milling head and to take this into account in position control.
  • the invention goes one step further by consciously presupposing that there is still a "residual unbalance" in the tool which is a virtual enlargement of the Tool caused. The machine is then controlled as if a slightly larger milling head were used.
  • the principle according to the invention of controlling the feed depending on a detected unbalance can also be used very effectively in a lathe.
  • the lathe tool is usually slidably mounted in relation to the rotating workpiece, and in the course of the highly developed drive technology, for example using linear motors, very rapid displacements of the lathe tool can also be achieved, for example in the case of non-circular lathes.
  • a fast feed drive for the turning tool is now coupled to an unbalance sensor, and, depending on the rotational position of the unbalance, material is removed from the workpiece according to the rotational position of the unbalance, so that the workpiece can be balanced immediately on the lathe.
  • a look-up table can be created for each tool or for each type of tool, for example, which indicates unbalance deflections ("virtual magnification") as a function of predetermined unbalances.
  • This lookup table can be determined once and for all and then stored, for example, in the work computer of a numerically controlled machine. During operation of the machine, the control then makes reference to the look-up table, and for each unbalance determined by the unbalance sensor, the corresponding unbalance deflection is called up and taken into account in the position control.
  • the unbalance deflections are relatively small deflections, the unbalance deflection should be linearly dependent on the unbalanced mass and quadratically on the speed. It is therefore possible to specify an approximation formula for the unbalance deflection depending on these parameters. Of course, it is also possible to use a combination of an empirically created look-up table together with an approximation algorithm, for example with the speed as a parameter.
  • a preferred embodiment of the invention is a compensation unit for a numerically controlled machine tool with connections for the imbalance sensor, a rotation angle and / or speed sensor and a memory for storing the look-up table and / or the algorithm for an approximation formula, a compensation computer for correcting signals for position control in of the machine.
  • said compensation unit can be used as an interface card for the workstation of the machine ⁇ generating plant, wherein the data and Si- Signal formats are adapted to the standard of the work computer.
  • Fig. 3 is a schematic dart position of an automatic lathe.
  • a numerically controlled milling machine comprises a CNC system consisting of an operating computer 100 and a data carrier 110.
  • the operating computer 100 determines position control data from the operating data in accordance with a target control and transmits this data via an interface 120 to a drive computer 130.
  • the drive computer 130 controls For example, a linear drive 50 of the milling machine 90 for displacing a workpiece 10. Via a further interface 140, position data of a position sensor (not shown) are fed back to the drive computer 130.
  • This essentially serves for a target-actual control of the position, details of this control not being explained further here, since these are generally known.
  • the milling machine 90 further comprises a rotating milling head 40 which is received in a holder 30.
  • An unbalance sensor 60 is assigned to the holder 30 or a rotary drive 20 of the milling machine 90.
  • the unbalance sensor 60 measures, for example, the unbalance forces occurring on the holder 30 and sends corresponding signals to a compensation computer 150.
  • the compensation computer evaluates the signals from the unbalance sensor 60 and outputs corresponding control signals to the work computer 130, which in turn corrects the position control for the feed drive 50 accordingly.
  • the compensation unit 150 is shown separately from the drive computer 130; However, it is of course also possible to integrate the compensation unit 150 directly into the drive computer 130. Furthermore, it should be mentioned that the milling head can also be slidably arranged, as indicated by the double arrow next to the milling head. Also, the feed drive 50 normally not only causes linear movement in one direction, but in one plane, i.e. a movement perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1 is also a movement in the feed direction.
  • All these movements are to be understood here as a movement in the feed direction, and all these movements can be corrected by the compensation computer 50 on the basis of the signals from the sensor 60.
  • a rotational movement of the workpiece 10 in relation to the milling head for milling a specific contour is also a feed movement in this sense.
  • Fig. 2 shows a detail of the milling head to explain the unbalance deflection.
  • the milling head 40 is clamped in the holder 30 with a bearing or the like, and if the milling head 40 shows no imbalance, it is in the position shown by dashed lines. However, if there is an imbalance, the milling head is radially deflected by an unbalance deflection ⁇ , as shown by the solid line (only the deflection to the right is shown in FIG. 2; of course, this deflection also occurs in all others when the milling head is rotated radial directions).
  • the unbalance deflection ⁇ of the milling head 40 depends, for example, on the size of the unbalance (corresponding to the unbalanced mass), the tool material, the tool shape and the speed.
  • the unbalance is preferably measured by means of an unbalance sensor 60 on the bearing or the holder 30 for the milling head 40.
  • a compensation computer determines the corresponding unbalance deflection ⁇ from the unbalance force and the speed, which is determined by a rotation angle or speed sensor 70, and compensates the position control of the drive computer accordingly.
  • the following procedure can be used, for example.
  • a precision tool is assigned a precisely defined unbalance, and the resulting unbalance balance deflection is determined.
  • This unbalance deflection ⁇ can then be determined directly, for example optically, or by machining a sample workpiece, in which case the deviation between the set removal and the additional removal can be determined on the sample workpiece due to the unbalance deflection.
  • This measurement is performed for various well-defined imbalances, and a look-up table is created in this way. As mentioned, speeds, etc. can also be included in this lookup table.
  • Another parameter that can influence the unbalance deflection is, for example, the material to be processed; the unbalance deflection is smaller in the case of a relatively hard material, and possibly larger in the case of a relatively resilient material.
  • FIG. 3 schematically shows a lathe in which a shaft 10 to be machined is clamped in holders 30.
  • the shaft 10 is driven by a rotary drive 20, and the speed and the angular position are determined by a rotary sensor 70, which is only shown schematically.
  • a rotary chisel 40 is used to machine the shaft, which is slidably mounted on a feed drive 50 (in the plane of the drawing in FIG. 3).
  • Unbalance sensors 60 are the brackets 30 or. Bearings assigned to the lathe and determine the unbalance forces caused by the shaft. Together with the data from the unbalance sensors and the rotation angle or speed sensor, the position of the unbalance can be determined by a computer in a manner known per se. The computer continues to determine from the specific weight of the material to be processed, the size of the workpiece etc. and the sensor signals, the location and the amount of the material to be removed by the turning tool 40 in order to compensate for the imbalance.
  • the turning tool 40 is always moved towards the workpiece 10 when the workpiece is in an area of rotation position which corresponds to the unbalance to be compensated, i.e. in extreme cases according to the rotational frequency of the workpiece 10.
  • Such a fast feed is now possible without problems with linear drives, for example, which are already used in non-circular lathes.
  • the material is removed essentially simultaneously with the detection of the unbalance, as a result of which unnecessary operations such as braking the shaft etc. are avoided.
  • the measurements and the approach of the turning tool are preferably carried out at different times in order to largely exclude influences of the machining force acting on the shaft by the tool 40 on the sensors.
  • the control structure for the lathe shown in FIG. 3 corresponds essentially to the structure of FIG. 1, the signals from sensors 70 and 60 being correspondingly output to a compensation computer 150, which in this context can also be referred to as a balancing computer.
  • This computer 150 then controls the feed 50 of the lathe in accordance with the sensor signals and the preset signals of the operating computer 100 etc.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschine zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise eine Fräsmaschine oder eine Drehmaschine. Zur Erfassung einer Unwucht des sich drehenden Elementes, d.h. des Fräskopfes (40) oder des zu bearbeitenden Werkstückes (10), sind Unwuchtsensoren (60) vorgesehen. Abhängig von Signalen der Unwuchtsensoren (60) wird der Vorschub des Werkstückes (10) relativ zum Werkzeug (40) so korrigiert, dass eine eventuelle Unwuchtauslenkung des Werkzeugs (40) komponsiert werden kann. Entsprechend kann bei einer Drehbank der Werkzeugvorschub abhängig von der Drehwinkellage und der ermittelten Unwucht so gesteuert werden, dass während oder direkt nach der Bearbeitung eine Auswuchtung erfolgen kann.

Description

Beschreibung
Titel : Maschine zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken
Die Erfindung betrifft eine Maschine zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Kompensationseinheit für eine derartige Maschine sowie ein entsprechendes Verfahren zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken.
Derartige Maschinen sind beispielsweise Fräsmaschinen mit rotierendem Fräskopf, Bohrmaschinen, Schleifmaschinen u. dgl . , oder auch Drehmaschinen.
Diese Maschinen haben heutzutage in Form von numerisch gesteuerten (CNC) Fertigungsautomaten einen sehr hohen Präzi- sionsstandard erreicht. Dies beruht neben einer hochpräzisen mechanischen Ausgestaltung der Automaten auf ausgeklügelten Steuer- und Regelverfahren, die es ermöglichen, auch aufwendige Strukturen mittels eines relativ kleinen Fräskopfes auszufräsen, so daß kein Werkzeugwechsel erforderlich ist und somit die Stillstandszeit des Fertigungsautomaten reduziert ist.
Um den dabei erforderlichen hohen Qualitätsstandard zu genügen, ist es im Produktionsprozeß erforderlich, alle Fehlerquellen, die das Produktionsergebnis beeinträchtigen, weitgehend zu verhindern oder zu beseitigen. Eine Fehlerquelle, die sich im Produktionsprozeß negativ auswirken kann, ist beispielsweise die Unwucht, sei es eines sich drehenden Werkzeugs, wie ein Fräskopf, oder eines sich dre- henden Werkstücks, wie einer zu bearbeitenden Welle oder dergleichen.
Wenn beispielsweise ein sich drehender Fräskopf eine Unwucht zeigt, kann dies, abhängig von der Größe der Unwucht und der Drehzahl, dazu führen, daß der Fräskopf in Umfangs- richtung ausgelenkt wird und dann einen größeren Fräsumfang hat als beabsichtigt. Dem kann zwar durch Einsatz hochpräziser (ausgewuchteter) Fräsköpfe und durch eine Nachstellung an der Halterung des Fräskopfes entgegengewirkt werden, ganz vermeiden läßt sich diese Unwucht aber nie. Desweiteren kann eine Unwucht am Fräskopf oder der Halterung aufgrund von Beschädigungen oder Verschleiß entstehen, was einen frühzeitigen Ersatz des Werkzeugs oder eine Nachstellung erforderlich macht. Beides ist relativ teuer und arbeitsaufwendig .
Auch bei gedrehten Werkstücken wirken sich Unwuchten nachteilig aus. Wenn beispielsweise sich schnell drehende Drehkörper wie Wellen oder dergleichen eine Unwucht zeigen, kann dies zu einem frühzeitigen Lagerverschleiß führen. Derartige Bauteile werden deshalb in der Regel einem Auswuchtvorgang unterzogen.
Bei diesem Auswuchtvorgang wird das Drehteil in eine Auswuchtvorrichtung eingespannt und in Drehung versetzt, und über Unwuchtsensoren, beispielsweise Kraftsensoren an der Lagerung, werden etwaige Unwuchten bezüglich ihre Größe und ihrer Position (Drehlage) festgestellt. Anschließend wird das Drehteil abgebremst, und an einer der Unwucht entsprechenden Stelle wird entweder Material abgetragen oder Material aufgebracht; auch ist es möglich zum Ausgleich der Unwucht an einer Stelle Material abzutragen, an einer anderen Stelle aufzutragen. Diese Vorgänge werden wiederholt, d.h. das Drehteil wird erneut zur Feststellung einer Unwucht in Drehung versetzt und anschließend zum Ausgleich der Unwucht abgebremst, bis die resultierende Unwucht eine tolerierbare Grenze unterschreitet . Auch diese Bearbeitungsvorgänge sind Arbeits- und Zeitaufwendig.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Maschine der eingangs genannten Art sowie ein entsprechendes Verfahren zu spanenden Bearbeitung von Werkstücken so auszubilden, daß eventuelle Unwuchten in einem Drehelement in einfacher Weise kompensiert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Maschine nach Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie durch eine Kompensationseinheit gemäß Anspruch 15; die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Bei einer erfindungsgemäßen Maschine wird mittels eines Unwuchtsensors eine Unwucht eines sich drehenden Werkstückes oder eines sich drehenden Werkzeuges erfaßt, und der Vorschubantrieb, der die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück realisiert, wird abhängig von der Unwucht gesteuert. Die Unwucht wird beispielsweise zusammen mit der Drehwinkellage des Drehelementes aufgrund der Unwuchtkraft an der Halterung des Drehelementes erfaßt oder aufgrund von Unwuchtkräften, die eine Deformation des Drehelementes bewirken, wobei dabei ein optischer Sensor oder beispielsweise ein Induktionssensor eingesetzt werden kann.
Bei einer numerisch gesteuerten Maschine mit drehendem Werkzeug, beispielsweise einem Fräskopf, kann somit eine vorgegebene Positionssteuerung der Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück aufgrund der Erfassung der Unwucht korrigiert werden.
Da, wie eingangs erwähnt, Unwuchten in Werkzeugen aufgrund von Verschleiß oder Beschädigungen nie vollständig vermie- den werden können, schlägt die Erfindung somit vor, die Unwucht und die damit verbundene "virtuelle Vergrößerung" des Fräskopfes zu erfassen und bei der Positionssteuerung zu berücksichtigen. Anders als sbei der bekannten Technik, wo man versucht, die Unwucht nur durch Werkzeugtausch oder Nachstellen zu minimieren, geht man erfindungsgemäß noch einen Schritt weiter, indem man bewußt voraussetzt, daß noch eine "Restunwucht" im Werkzeug vorhanden ist, die eine virtuelle Vergrößerung des Werkzeugs verursacht. Die Steuerung der Maschine erfolgt dann so, als wäre ein etwas größerer Fräskopf eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Steuerung des Vorschubs abhängig von einer erfaßten Unwucht kann auch sehr wirkungsvoll bei einer Drehbank eingesetzt werden. Bei einer Drehbank ist in der Regel der Drehmeißel verschiebbar in bezug auf das sich drehenden Werkstück gelagert, und im Zuge der hochentwickelten Antriebstechnik, beispielsweise über Linearmotoren, können auch sehr schnelle Verschiebungen des Drehmeißels realisiert werden, beispielsweise bei Unrunddrehmaschinen. Erfindungsgemäß wird nun ein derartiger schneller Vorschubantrieb für den Drehmeißel mit einem Unwuchtsensor gekoppelt, und über die Steuerung des Vortriebs wird, abhängig von der Drehlage der Unwucht, Material entsprechend der Unwucht vom Werkstück abgetragen, so daß das Werkstück gleich auf der Drehbank ausgewuchtet werden kann. Dabei ist zu beachten, daß es zum Ausgleichen der Unwucht nicht erforderlich ist, das Werkstück abzubremsen, sondern der Ausgleich erfolgt im gleichen Bewegungszustand wie die Ermittlung der Unwucht. Der aufwendige Auswuchtvorgang, bei dem das Werkstück im Stillstand bearbeitet werden muß, entfällt somit.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Prinzip bei einer reinen Auswuchtvorrichtung einzusetzen . Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise für jedes Werkzeug oder für jede Werkzeugart einmal eine Nachschlagtabelle erstellt werden, die Unwuchtauslenkungen ("virtuelle Vergrößerung") in Abhängigkeit von vorgegebenen Unwuchten angibt . Diese Nachschlagtabelle kann ein für allemal ermittelt werden und dann beispielsweise in dem Arbeitsrechner einer numerisch gesteuerten Maschine abgespeichert werden. Im Betrieb der Maschine wird dann durch die Steuerung Bezug auf die Nachschlagtabelle genommen, und zu jeder von dem Unwuchtsensor ermittelten Unwucht wird die entsprechende Unwuchtauslenkung abgerufen und bei der Positionssteuerung berücksichtigt .
Da es sich bei den Unwuchtauslenkungen um relativ kleine Auslenkungen handelt, sollte die Unwuchtauslenkung linear von der Unwuchtmasse und quadratisch von der Drehzahl abhängig sein. Es ist somit möglich, eine Näherungsformel für die Unwuchtauslenkung abhängig von diesen Parametern anzugeben. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Kombination aus einer empirisch erstellten Nachschlagtabelle zusammen mit einem Näherungsalgorithmus, beispielsweise mit der Drehzahl als Parameter, zu verwenden.
Eine bevorzugte Ausgestaltungsform der Erfindung ist eine Kompensationseinheit für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit Anschlüssen für den Unwuchtsensor , einen Drehwinkel- und/oder Drehzahlgeber und einem Speicher zum Speichern der Nachschlagtabelle und/oder des Algorithmus für eine Näherungsformel, wobei ein Kompensationsrechner Korrektursignale für die Positionssteuerung in der Maschine erzeugt. Vorteilhafterweise kann diese Kompensationseinheit als Schnittstellenkarte für den Arbeitsrechner der Werk¬ zeugmaschine eingesetzt werden, wobei die Daten- und Si- gnalformate entsprechend an die Norm des Arbeitsrechners angepaßt sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines numerisch gesteuerten Fräsautomaten,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Unwuchtauslenkung an einem Fräskopf,
Fig. 3 eine schematische Dartstellung eines Drehautomaten .
Gemäß Fig. 1 umfaßt eine numerisch gesteuerte Fräsmaschine ein CNC-System aus einem Betriebsrechner 100 und einem Datenträger 110. Der Betriebsrechner 100 ermittelt aus den Betriebsdaten Positionssteuerdaten entsprechend einer Sollsteuerung und gibt diese Daten über eine Schnittstelle 120 an einen Antriebsrechner 130. Der Antriebsrechner 130 steuert beispielsweise einen Linearantrieb 50 der Fräsmaschine 90 zur Verschiebung eines Werkstückes 10. Über eine weiter Schnittstelle 140 werden weiterhin Positionsdaten eines Positionssensors (nicht dargestellt) zum Antriebsrechner 130 rückgekoppelt. Dies dient im wesentlichen einer Soll-Ist- Regelung der Position, wobei Einzelheiten dieser Regelung hier nicht weiter erläutert werden sollen, da diese allgemein bekannt sind.
Die Fräsmaschine 90 umfaßt weiterhin einen sich drehenden Fräskopf 40, der in einer Halterung 30 aufgenommen ist. Der Halterung 30 bzw. einem Drehantrieb 20 der Fräsmaschine 90 ist ein Unwuchtsensor 60 zugeordnet. Der Unwuchtsensor 60 mißt beispielsweise die an der Halterung 30 auftretenden Unwuchtkräfte und gibt entsprechende Signale an einen Kompensationsrechner 150. Der Kompensationsrechner wertet die Signale des Unwuchtsensors 60 aus und gibt entsprechende Steuersignale an den Arbeitsrechner 130, der seinerseits die Positionssteuerung für den Vorschubantrieb 50 entsprechend korrigiert.
In Fig. 1 ist die Kompensationseinheit 150 separat vom Antriebsrechner 130 dargestellt; selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die Kompensationseinheit 150 direkt in den Antriebsrechner 130 zu integrieren. Desweiteren soll erwähnt werden, daß auch der Fräskopf verschiebbar eingerichtet sein kann, wie durch den Doppelpfeil neben dem Fräskopf angedeutet ist . Auch bewirkt der Vorschubantrieb 50 normalerweise nicht nur eine lineare Bewegung in eine Richtung, sondern in einer Ebene, d.h. auch eine Bewegung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 ist eine Bewegung in Vorschubrichtung .
Alle diese Bewegungen sollen hier als Bewegung im Vorschubrichtung verstanden werden, und alle diese Bewegungen können von dem Kompensationsrechner 50 aufgrund der Signale des Sensors 60 korrigiert werden. Auch eine Drehbewegung des Werkstückes 10 in Bezug auf den Fräskopf zum Ausfräsen einer bestimmten Kontur ist in diesem Sinne eine Vorschubbewegung .
Desweiteren sei hier klargestellt, daß der hier im Singular verwendete Begriff "Sensor" auch ein Sensorsystem mit mehreren Sensoren umfassen soll.
Fig. 2 zeigt ein Detail des Fräskopfes zur Erläuterung der Unwuchtauslenkung. In der Halterung 30 mit einem Lager oder dergleichen ist der Fräskopf 40 eingespannt, und wenn der Fräskopf 40 keine Unwucht zeigt, befindet er sich in der durch gestrichelte Linien dargstellten Position. Ist jedoch eine Unwucht vorhanden, so ist der Fräskopf um eine Unwuchtauslenkung Δ radial ausgelenkt, wie durch die durchgezogene Linie dargestellt ist (nur die Auslenkung nach rechts in Fig. 2 ist dargestellt; selbstverständlich liegt diese Auslenkung bei einer Drehung des Fräskopfes auch in alle anderen radialen Richtungen vor) . Die Unwuchtauslenkung Δ des Fräskopfes 40 ist z.B. abhängig von der Größe der Unwucht (entsprechend der Unwuchtmasse) , dem Werkzeugmaterial, der Werkzeugform und der Drehzahl.
Vorzugsweise wird die Unwucht mittels eines Unwuchtsensors 60 am Lager oder der Halterung 30 für den Fräskopf 40 gemessen. Ein Kompensationsrechner ermittelt dann aus der Unwuchtkraft und der Drehzahl, die durch einen Drehwinkeloder Drehzahlgeber 70 ermittelt wird, die entsprechende Unwuchtauslenkung Δ und kompensiert die Positionssteuerung des Antriebsrechners entsprechend.
Weiterhin ist es möglich, die Unwuchtauslenkung Δ, die den "virtuellen Radius" des Fräskopfes 40 vergrößert, auch direkt zu messen, beispielsweise durch einen optischen Sensor 80 oder einem Induktionssensor. Wegen des beschränkten Raumes am Fräskopfes und wegen der ungünstigen Umgebungsbedi- nungen aufgrund von Materialspänen, Öl, Rauch etc. scheint jedoch der Einsatz eines Unwuchtsensors 60 an der Halterung, der Kräfte mißt, dem Einsatz eines optischen Sensors oder eines Induktionssensors 80 vorzuziehen zu sein.
Zur Ermittlung der Unwuchtauslenkung Δ in Abhängigkeit von den Signalen des Unwuchtsensors 60 bzw. des Drehzahl- und/ oder Drehlagengebers 70 kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden.
In einem Testlauf wird ein Präzisionswerkzeug mit einer genau definierten Unwucht belegt, und die sich ergebene Un- wuchtauslenkung wird ermittelt. Diese Unwuchtauslenkung Δ kann dann direkt, beispielsweise auf optischem Wege ermittelt werden, oder durch Bearbeitung eines Musterwerkstük- kes, wobei dann am Musterwerkstück die Abweichung zwischen der eingestellten Abtragung und der zusätzlichen Abtragung aufgrund der Unwuchtauslenkung ermittelbar ist. Diese Messung wird für verschiedene genau definierte Unwuchten durchgeführt, und auf diese Weise wird eine Nachschlagtabelle erstellt. Wie erwähnt, können in diese Nachschlagtabelle auch Drehzahlen etc. eingehen. Ein weiterer Parameter, der die Unwuchtauslenkung beeinflussen kann, ist beispielsweise das zu bearbeitende Material; bei einem relativ harten Material ist die Unwuchtauslenkung kleiner, bei einem relativ nachgiebigen Material gegebenenfalls größer.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Funktion der Unwuchtauslenkung abhängig von der Drehzahl, der Unwuchtmasse, dem Material etc. in Form einer Näherungsformel anzugeben oder eine Kombination von Nachschlagtabelle und Näherungsformel zu verwenden.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Drehbank, bei der in Halterungen 30 eine zu bearbeitende Welle 10 eingespannt ist. Die Welle 10 wird von einem Drehantrieb 20 angetrieben, und die Drehzahl und die Drehwinkellage werden durch einen Drehsensor 70, der nur schematisch dargestellt ist, ermittelt. Zur Bearbeitung der Welle dient ein Drehmeißel 40, der auf einem Vorschubantrieb 50 verschiebbar gelagert ist (in der Zeichenebene der Fig. 3) .
Unwuchtsensoren 60 sind den Halterungen 30 bwz . Lagern der Drehmaschine zugeordnet und ermitteln die von der Welle verursachten Unwuchtkräfte. Zusammen mit den Daten der Unwuchtsensoren und des Drehwinkel- bzw. Drehzahlgebers kann die Lage der Unwucht durch einen Rechner in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Der Rechner ermittelt weiterhin aus dem spezifischen Gewicht des zu bearbeitenden Materials, der Größe des Werkstücks etc. und den Sensorsignalen den Ort und die Menge des durch den Drehmeißel 40 abzutragenden Materials, um die Unwucht auszugleichen.
Der Drehmeißel 40 wird dazu immer dann an das Werkstück 10 herangefahren, wenn das Werkstück in einem Drehlagenbereich ist, der der auszugleichenden Unwucht entspricht, d.h. im Extremfall entsprechend der Drehfrequenz des Werkstücks 10. Ein derartig schneller Vorschub ist heutzutage beispielsweise mit Linearantrieben problemlos möglich, die bereits bei Unrunddrehmaschinen eingesetzt werden.
Zwar erfolgt erfindungsgemäß der Materialabtrag im wesentlichen gleichzeitig mit der Erfassung der Unwucht, wodurch unnötige Arbeitsgänge wie Abbremsen der Welle etc. vermieden werden. Es soll hier jedoch betont werden, daß vorzugsweise die Messungen und das Heranfahren des Drehmeißels zeitversetzt erfolgen, um Einflüsse der auf die Welle wirkenden Bearbeitungskraft durch den Meißel 40 auf die Sensoren weitgehend auszuschließen.
Der Steuerungsaufbau für die in Fig. 3 dargestellte Drehbank entspricht im wesentlichen dem Aufbau der Fig. 1, wobei die Signale der Sensoren 70 und 60 entsprechend an einem Kompensationsrechner 150 abgegeben werden, der in diesem Zusammenhang auch als Auswuchtrechner bezeichnet werden kann. Dieser Rechner 150 steuert dann den Vorschub 50 der Drehbank entsprechend den Sensorsignalen und den Vorgabesignalen des Betriebsrechners 100 etc.

Claims

Patentansprüche
1. Maschine zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken (10) mit einem Drehantrieb (20) mit einer Halterung (30) für ein Drehelement, nämlich ein Werkzeug (40) oder ein Werkstück (10), und mindestens einem Vorschubantrieb (50) zur Umsetzung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, g e k e n n z e i c h n e t durch mindestens einen Unwuchtsensor (60) zur Erfassung einer Unwucht des sich drehenden Drehelementes, wobei der Vorschubantrieb (50) abhängig von der Größe der erfaßten Unwucht steuerbar ist .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Erfassung der Unwucht und die Steuerung des Vorschubantriebes (50) im wesentlichen gleichzeitig erfolgen.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Drehgeber (70) zur Erfassung der Drehwinkellage der Unwucht und/oder der Drehzahl des Drehelements .
4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unwuchtsensor (60) eine Unwuchtkraft an der Halterung (30) des Drehelementes erfaßt.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unwuchtsensor (60) Deformationen (Δ) des Drehelementes aufgrund von Unwucht - kräften erfaßt .
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unwuchtsensor (60) ein optischer Sensor oder ein Induktionssensor ist.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maschine eine numerisch gesteuerte Fräs-, Schleif-, Bohrmaschine oder dergleichen ist, daß das Drehelement ein Fräskopf, Schleifköpf oder Bohrkopf oder dergleichen ist und daß eine vorgegebene Positionssteuerung der Relativbewegung zwischen dem Drehelement und dem Werkstück (10) aufgrund der Erfassung durch den Unwuchtsensor korrigierbar ist .
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maschine eine Drehmaschine oder eine Schleifmaschine ist, daß das Drehelement das zu bearbeitende Werkstück (10) ist und daß eine vorgegebene Positionssteuerung der Relativbewegung zwischen dem Drehelement und dem Drehmeißel aufgrund der Erfassung durch den Unwuchtsensor korrigierbar ist.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Maschine eine Auswuchtvorrichtung ist, bei der das Drehelement ein auszuwuchtender Körper ist, wobei der Vorschubantrieb (50) so steuerbar ist, daß das Werkzeug (40) eine der ermittelten Größe und Drehlage der Unwucht entsprechende Materialmenge vom Drehelement abnimmt.
10. Verfahren zum spanenden Bearbeiten von Werkstücken, wobei man ein Drehelement, nämlich ein Werkstück oder ein Werkzeug, in Drehbewegung versetzt und weiterhin das Werkstück und das Werkzeug relativ zueinander bewegt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man eine Unwucht des Drehelementes erfaßt und die Relativbewegung abhängig von der erfaßten Unwucht steuert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Steuerung der Relativbewegung im wesentlichen gleichzeitig mit der Erfassung der Unwucht durchführt .
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man als Drehelement ein auszuwuchtenden Körper in Drehung versetzt und mittels des Werkzeuges diesen Körper auswuchtet .
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Drehelement ein Werkzeug ist und daß man für jedes Werkzeug bzw. jede Werkzeugart in einem Testlauf die bei einer bestimmten Unwucht erzeugte Unwucht - auslenkung (Δ) ermittelt, diesen Vorgang für verschiedene Unwuchten wiederholt und eine Nachschlagtabelle und/oder eine Näherungsformel erstellt und daß man bei der Bearbeitung die Relativbewegung anhand der momentanen Unwucht und der Näherungsformel bzw. der Nachschlagtabelle korrigiert.
14. Verfahren nach Anspruch 13 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Drehzahl des Werkzeuges als weiterer Parameter in die Nachschlagtabelle oder die Näherungsformel eingeht .
15. Kompensationseinheit zum Kompensieren einer Unwuchtauslenkung eines sich drehenden Werkzeugs in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder dergleichen, mit einem Anschluß zum Empfang von Signalen eines Unwucht- sensors , einem Anschluß zum Empfang von Signalen eines Drehwinkel- und/oder Drehzahlgebers (70), einem Speicher, in dem eine Nachschlagtabelle für Unwuchtauslenkung in Abhängigkeit von Unwuchten und/oder eine Näherungs ormel in Form eines Algorithmus gespeichert sind, und einem Kompensationsrechner, der abhängig von den Daten der Nachschlagtabelle und/oder der Näherungsformel Kompensationsdaten für einen Antriebsrechner der Werkzeugmaschine erzeugt .
16. Kompensationseinheit zum Ausgleich einer Unwucht eines sich drehenden Werkstücks auf einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine oder dergleichen, mit einem Anschluß zum Empfang von Signalen eines Unwucht - sensors , einem Anschluß zum Empfang von Signalen eines Drehwinkel- und/oder Drehzahlgebers (70), einem Speicher, in dem eine Nachschlagtabelle für Materialabtrag in Abhängigkeit von Unwuchten und Drehzahlen und/oder eine Näherungsformel in Form eines Algorithmus gespeichert sind, und einem Kompensationsrechner, der abhängig von den Daten der Nachschlagtabelle und/oder der Näherungsformel Kompensationsdaten für einen Antriebsrechner der Werkzeugmaschine erzeugt .
17. Kompensationseinheit nach Anspruch 15 oder 16, in Form einer Interfacekarte für den Arbeitsrechner der Werkzeugmaschine .
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