WO1993018885A1 - Verfahren zum betreiben einer cnc-maschine und cnc-maschine - Google Patents

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Franz Gebele
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Weiler Werkzeugmaschinen
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    • B23Q3/00—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
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    • 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
    • G05B2219/50—Machine tool, machine tool null till machine tool work handling
    • G05B2219/50183—Detect correct clamping of workpiece, chucks grip properly workpiece

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a CNC machine and a CNC machine according to the preamble of claim 1 and 8 respectively.
  • the tailstock is usually provided with a hydraulically movable quill in order to apply a predetermined holding pressure after starting a workpiece.
  • a hydraulically movable quill in order to apply a predetermined holding pressure after starting a workpiece.
  • the tailstock therefore no longer has to have a quill which is moved to a predetermined holding force by separate operating means. Rather, this is accomplished by the electric motor provided (per se only) for moving or adjusting the tailstock.
  • the holding force is a "contact pressure".
  • the holding force can also be a tensile force, which is particularly important when parting off workpieces.
  • a position limit is specified for the clamping tool, in which its next part - e.g. B. the Körner ⁇ tip - "within” the workpiece.
  • This position is now approached.
  • the force or torque generated by the electric motor that moves the tailstock increases.
  • This torque is now constantly monitored and limited to a maximum value which is calculated so that it is suitable for generating a desired holding force between the clamping tool and the workpiece.
  • the tailstock itself can be used as a "button", via which the correct position or presence of a workpiece is verifiable. From this point on, the tensioning tool is preferably continued until the desired holding force is reached. This can be done again under CNC control, possibly also in a "creep speed", since the distance still to be covered is now only small.
  • the tailstock When loading a rod that is inserted through the main spindle, the tailstock is preferably moved so far towards the main spindle that the clamping tool with its part closest to the workpiece is closer to the main spindle than is supposed to be the case during the actual machining . If the rod then strikes the clamping tool, i.e. the tip or a corresponding stop surface of a chuck (if the tailstock is equipped with a counter spindle), the force (or the torque) increases by the electric motor for holding the tailstock in its Posi- tion must be applied. When a first, predetermined force is exceeded, the tailstock is retracted by pushing the rod in such a way that a defined force is maintained between the clamping tool and the workpiece front surface.
  • this holding force is a compressive force in the case of tip bearings and possibly a tensile force when using a counter spindle as a clamping tool. In the latter case, a tensile force acts on the workpiece when parting off.
  • this tensile force drops abruptly, so that the end of the parting off process can be determined automatically.
  • the aforementioned measures can also be used with advantage if the counter spindle serves as a workpiece handling device, since the contact of the workpiece with a stop surface in the chuck of the counter spindle can be determined by monitoring the electric motor torque.
  • a particular advantage of the method according to the invention and the device according to the invention is furthermore that the holding force of the clamping tool adapts to the respective machining operation or machining state of the workpiece.
  • the pressing force of a centering tip when turning off a cylindrical workpiece can be (continuously) reduced in accordance with the decreasing diameter in order to counteract deformations of the workpiece by an excessive holding force.
  • the holding force can also be set, for example, in accordance with the force acting on a cutting tool (which can be calculated or measured) in order to ensure that the workpiece is clamped as gently as possible but still safely.
  • the holding force ie the force between the clamping tool and the workpiece in the direction of the axis of rotation of a lathe, can be measured by a separate sensor.
  • Particularly simple and therefore preferred according to the present invention is, however, the measurement of the current with which the electric motor is controlled.
  • This current is essentially proportional to the torque which is applied by the electric motor and thus essentially proportional to the force which tries to move the tailstock in one direction or the other.
  • the programming is particularly simple, among other things, because the tailstock works as a real CNC axis, which can be positioned with high accuracy and speed.
  • An exemplary embodiment is explained below with the aid of the drawing, which shows the essential parts of a CNC lathe in a schematic representation.
  • the figure shows that the machine has a main spindle 17 with a chuck in which a workpiece 11 can be fixed.
  • a tailstock 20 is provided, which can be moved via a spindle 19, so that a centering tip 18 for clamping the workpiece 11 can be placed thereon.
  • the spindle 19 is driven by an electric motor 12 with a possibly additionally provided gear.
  • the position of the tailstock 20 or the tip 18 is tapped via a resolver 14 on the spindle 19 and carried out by a CNC control 20. This is programmable via a keyboard 16 and is also connected to a data display device 15.
  • the controller 20 controls the electric motor 12 via a power amplifier 13.
  • the output current of the amplifier 13 is tapped via a current sensor 10 and fed to the control 20, so that this constantly not only the position (from the resolver 14) of the tailstock 20, but also the force between the tip 18 and the workpiece 11 is known, so that the method according to the invention can be carried out with it.
  • the amplifier 13 and the current sensor 10 can be provided in a PLC control for the electric motor 12, so that no additional "hardware” is necessary compared to a conventional CNC machine.

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Abstract

Bei einer CNC-Maschine, die mindestens eine Hauptspindel (17) und einen mittels eines Elektromotors (12) verfahrbaren Reitstock (20) aufweist, welcher ein Spannwerkzeug (18), nämlich eine Spitze oder eine Gegenspindel trägt, wird vorgeschlagen, einen Positionsgrenzwert für das Spannwerkzeug (18) vorzugeben, bei welchem dessen werkstücknächstes Teil innerhalb des Werkstückes (11) liegt. Das Spannwerkzeug (18) wird dann in Richtung des Positionsgrenzwertes verfahren, wobei kontinuierlich die vom Elektromotor (12) erzeugte Kraft bzw. dessen Drehmoment überwacht wird. Das Drehmoment wird auf einen Maximalwert begrenzt, der zur Erzeugung einer gewünschten Haltekraft zwischen Spannwerkzeug (18) und Werkstück (11) voreingestellt ist.

Description

Verfahren zum Betreiben einer CNC-Maschine und CNC-Maschine
Beschreibunαseinleitun
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer CNC- Maschine sowie eine CNC-Maschine nach dem Oberbegriff des Pa¬ tentanspruches 1 bzw. 8.
Bei derartigen Maschinen ist der Reitstock üblicherweise mit einer hydraulisch verfahrbaren Pinole versehen, um nach dem Anfahren eines Werkstückes einen vorbestimmten Haltedruck aufzubringen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird es nun als nachteilig angesehen, daß zum einen der Bauaufwand rela¬ tiv hoch ist, zum anderen die Einstellung der Haltekraft nur relativ inflexibel verfolgen kann, wobei insbesondere eine Anpassung an sich ändernde Betriebsverhältnisse nur mit großem Aufwand erzielbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend wei¬ terzubilden, daß mit geringem Aufwand ein exaktes Halten des Werktstückes erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Kennzeichen des Anspruches l und vorrichtungsmäßig durch die im Kennzei¬ chen des Anspruches 8 angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung muß also der Reitstock keine Pinole mehr aufweisen, die durch gesonderte Betriebsmittel auf eine vorbestimmte Haltekraft verfahren wird. Dies wird vielmehr durch den (an sich nur) zum Verfahren bzw. Einstel¬ len des Reitstockes vorgesehenen Elektromotor bewerkstelligt.
Wenn das Spannwerkzeug eine Spitze umfaßt, so ist die Halte¬ kraft ein "Anpreßdruck". Wenn das Spannwerkzeug aber eine Ge¬ genspindel ist, so kann die Haltekraft auch eine Zugkraft sein, was insbesondere beim Abstechen von Werkstücken von Be¬ deutung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird beim Spannen eines Werkstückes, das bereits in der Hauptspindel aufgenommen ist, ein Positionsgrenzwert für das Spannwerkzeug vorgegeben, bei welchem dessen werkstücknächstes Teil - z. B. die Körner¬ spitze - "innerhalb" des Werkstückes liegt. Diese Position wird nun angefahren. Wenn die Körnerspitze auf das Werkstück auftrifft, so steigt die vom Elektromotor, der den Reitstock verfährt, erzeugte Kraft bzw. dessen Drehmoment. Dieses Dreh¬ moment wird nun ständig überwacht und auf einen Maximalwert begrenzt, der so berechnet ist, daß er zur Erzeugung einer gewünschten Haltekraft zwischen Spannwerkzeug und Werkstück geeignet ist. Beim Anfahren des Werkstückes ist es von Vorteil, einen in Spannrichtung gesehen vor dem Positionsgrenzwert liegenden Vor-Grenzwert vorzugeben, bei welchem das werkstücknächste Teil vor diesem liegt. Bei Erreichen dieser Position besteht also noch kein Kontakt zwischen dem Spannwerkzeug und dem Werkstück. Bei Erreichen dieser Position wird nun vorteilhaf- terweiεe selbständig von einem SPS-Betrieb des Elektromotors (über dessen eigenen Regelkreis) auf einen CNC-Betrieb umge¬ schaltet, bei welchem also die Bewegungsregelung des Reit¬ stockes durch die Haupt-Steuerung erfolgt. Dadurch ist ein verkürzen der Zykluszeiten möglich, so daß mit relativ hoher Geschwindigkeit zu der Position weitergefahren werden kann, bei welcher die angestrebte Haltekraft vorliegt.
Wenn man bei Erreichen einer ersten, vom Elektromotor erzeug¬ ten Kraft, die unterhalb der gewünschten Haltekraft liegt, die momentane Position des Spannwerkzeuges ermittelt, so kann man den Reitstock selbst als "Taster" verwenden, über den die korrekte Position bzw. Anwesenheit eines Werkstückes über¬ prüfbar ist. Von diesem Punkt an verfährt man vorzugsweise das Spannwerkzeug so lange weiter, bis die gewünschte Halte¬ kraft erreicht ist. Dies kann wieder unter CNC-Steuerung, ggf. auch in einem "Schleichgang" erfolgen, da der nun zu¬ rückzulegende Restweg nur noch gering ist.
Beim Laden einer Stange, die durch die Hauptspindel hindurch eingeführt wird, verfährt man vorzugsweise den Reitstock so weit auf die Hauptspindel zu, daß das Spannwerkzeug mit sei¬ nem werkstücknächsten Teil näher an der Hauptspindel liegt, als dies während der eigentlichen Bearbeitung der Fall sein soll. Wenn dann die Stange gegen das Spannwerkzeug, also die Spitze oder eine entsprechende Anschlagfläche eines Spannfut¬ ters (wenn der Reitstock mit einer Gegenspindel ausgestattet ist) anschlägt, so steigt die Kraft (bzw. das Drehmoment) die vom Elektromotor zum Halten des Reitstockes in seiner Posi- tion aufgebracht werden muß. Bei Überschreiten einer ersten, vorbesti mten Kraft wird nun der Reitstock unter Nachschieben der Stange zurückgefahren und zwar derart, daß zwischen Spannwerkzeug und Werkstückvorderfläche eine definierte Kraft erhalten bleibt. Dadurch ist ein definierter Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Spannwerkzeug sichergestellt. Gleich¬ zeitig wird die Position des Reitstockes bzw. des mit diesem verbundenen Spannwerkzeuges überwacht. Sobald nun das Werk¬ stück in seiner Bearbeitungsposition ankommt, wird es vom Futter der Hauptspindel festgespannt. Nun verfährt man den Reitstock so, daß die gewünschte Haltekraft, die höher ist als die beim Einschieben der Stange vom Reitstock aufge¬ brachte Kraft ist, erreicht wird. Wie oben erwähnt, ist diese Haltekraft eine Druck-Kraft bei Spitzenlagerung und ggf. eine Zug-Kraft bei Verwendung einer Gegenspindel als Spannwerk¬ zeug. Im letzeren Fall wirkt beim Abstechen auf das Werkstück eine Zug-Kraft. Sobald das Werkstück dann abgestochen ist, sinkt diese Zug-Kraft abrupt ab, so daß man die Beendigung des Abstechvorgangs automatisch feststellen kann. Hierzu ist es möglich, entweder festzustellen, wann die Haltekraft um einen vorbestimmten Betrag abgefallen ist oder einen vorbe¬ stimmten (niedrigeren) Betrag unterschritten hat, oder aber der Reitstock eine vorbestimmte Positionsgrenze erreicht bzw. überschritten hat.
Die vorgenannten Maßnahmen lassen sich mit Vorteil auch dann anwenden, wenn die Gegenspindel als Werkstückhandhabungsgerät dient, da die Anlage des Werkstückes an einer Anschlagfläche im Futter der Gegenspindel durch die Überwachung des Elektro¬ motoren-Drehmomentes festgestellt werden kann.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt weiterhin darin, daß die Haltekraft des Spannwerkzeuges dem jeweiligen Bearbei- tungsvorgang bzw. Bearbeitungszustand des Werkstückes anpaß- bar ist. So kann beispielsweise die Andruck-Kraft einer Zen¬ trierspitze beim Abdrehen eines zylindrischen Werkstückes dem sinkenden Durchmesser entsprechend (kontinuierlich) verrin¬ gert werden, um Verformungen des Werkstückes durch eine zu große Haltekraft entgegenzuwirken. Andererseits kann - so¬ lange das Werkstück noch seinen vollen Durchmesser besitzt - mit einer Haltekraft gearbeitet werden, die groß genug ist, um eine sichere und schwingungsfreie Bearbeitung zu gewähr¬ leisten. Man kann auch beispielsweise die Haltekraft in Über¬ einstimmung mit der auf ein Schneidwerkzeug wirkenden Kraft (die berechnet oder gemessen werden kann) einstellen, um ein möglichst schonendes aber dennoch sicheres Spannen des Werk¬ stückes zu gewährleisten.
Die Haltekraft, also die Kraft zwischen Spannwerkzeug und Werkstück in Richtung der Drehachse einer Drehmaschine kann man durch einen gesonderten Meßfühler messen. Besonders ein¬ fach und darum auch gemäß der vorliegenden Erfindung bevor¬ zugt ist jedoch die Messung des Stromes, mit welchem der Elektromotor angesteuert wird. Dieser Strom ist im wesentli¬ chen proportional dem Drehmoment, das vom Elektromotor aufge¬ bracht wird, und damit im Wesentlichen proportional der Kraft, welche den Reitstock in die eine oder andere Richtung zu bewegen sucht. Genauere Werte erreicht man, wenn man eine Drehmoment-Kennlinie des Motors speichert und entsprechend den vorliegenden Betriebsparametern (Drehzahl, Strom, usw.) ausliest und hieraus die Haltekraft herleitet. Hierbei kann die in einer CNC-Maschine ohnehin vorhandene Hardware verwen¬ det werden, man braucht also keine zusätzlichen Einrichtun¬ gen. Die Programmierung ist unter anderem auch deshalb beson¬ ders einfach, weil der Reitstock als echte CNC-Achse arbei¬ tet, die mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit positio¬ nierbar ist. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel erläutert und zwar anhand der Zeichnung, welche - in schematisierter Darstellung die wesentlichen Teile einer CNC-Drehmaschine zeigt.
Aus der Abbildung geht hervor, daß die Maschine eine Haupt¬ spindel 17 mit Spannfutter aufweist, in der ein Werkstück 11 festsetzbar ist. Ein Reitstock 20 ist vorgesehen, der über eine Spindel 19 verfahrbar ist, so daß eine Zentrierspitze 18 zum Spannen des Werkstückes 11 auf dieses aufsetzbar ist.
Die Spindel 19 wird über einen Elektromotor 12 mit ggf. zu¬ sätzlich vorgesehenem Getriebe angetrieben. Die Position des Reitstockes 20 bzw. der Spitze 18 wird über einen Drehmelder 14 an der Spindel 19 abgegriffen und einer CNC-Steuerung 20 durchgeführt. Diese ist über eine Tastatur 16 programmierbar und steht außerdem mit einem Datensichtgerät 15 in Verbin¬ dung.
Die Steuerung 20 steuert über einen LeistungsVerstärker 13 den Elektromotor 12 an. Der Ausgangsstrom des Verstärkers 13 wird über einen Strommeßfühler 10 abgegriffen und der Steue¬ rung 20 zugeführt, so daß dieser ständig nicht nur die Posi¬ tion (aus dem Drehmelder 14) des Reitstockes 20, sondern auch die Kraft zwischen der Spitze 18 und dem Werkstück 11 bekannt ist, so daß mit ihr das erfindungsgemäße Verfahren durchführ¬ bar ist.
Es sei hier noch angemerkt, daß der Verstärker 13 und der Strommeßfühler 10 in einer SPS-Steuerung für den Elektromotor 12 vorgesehen sein können, so daß keine zusätzliche "Hard¬ ware" gegenüber einer herkömmlichen CNC-Maschine notwendig ist.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer CNC-Maschine und CNC-MaschinePatentansprüche
Verfahren zum Betreiben einer CNC-Maschine, die minde¬ stens eine Hauptspindel und einen mittels eines Elektro¬ motors verfahrbaren Reitstock aufweist, welcher ein Spannwerkzeug, nämlich eine (Körner-) Spitze oder eine Gegenspindel trägt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Positionsgrenzwert für das Spannwerkzeug vorgege¬ ben wird, bei welchem dessen werkstücknächstes Teil in¬ nerhalb des Werkstückes liegt, das Spannwerkzeug in Rich¬ tung des Positionsgrenzwertes verfahren wird, und daß die vom Elektromotor erzeugte Kraft oder dessen Drehmoment ständig überwacht und auf einen Maximalwert begrenzt wird, der zur Erzeugung einer gewünschten Haltekraft zwi¬ schen Spannwerkzeug und Werkstück voreingestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, in Spannrichtung vor dem Positionsgrenzwert lie¬ gender Vor-Grenzwert vorgegeben wird, bei welchem das werkstücknächste Teil vor dem Werkstück liegt, und daß bei Überschreiten des Vorgrenzwertes von einem SPS-Be- trieb des Elektromotores auf einen CNC-Betrieb zur Ver¬ kürzung der Zykluszeit umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer ersten vom Elektromotor erzeugten Kraft, die unterhalb der gewünschten Haltekraft liegt, die momentane Position des Spannwerkzeuges ermittelt wird, und daß danach das Spannwerkzeug so lange weiter¬ verfahren wird, bis die gewünschte Haltekraft erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden einer Stange der Reitstock so weit auf die Hauptspindel zu verfahren wird, daß das Spannwerkzeug mit seinem werkstücknächsten Teil näher an der Hauptspindel liegt, als dies einer während einer Bearbeitung einzuneh¬ menden Bearbeitungsposition entspricht, daß die Stange unter Positionsbeibehaltung des Reitstockes eingeschoben wird, bis die Haltekraft zwischen Spannwerkzeug und Stange bzw. die Kraft des Elektromotores einen ersten, vorbestimmten Kraftwert erreicht, daß der Reitstock unter Nachschieben der Stange und im wesentlichen unter Beibe¬ haltung des ersten vorbestimmten Kraftwertes zurückgefah¬ ren wird, bis die Bearbeitungsposition erreicht ist, bei welcher das Werkstück an der Hauptspindel gespannt wird, und daß dann der Reitstock wieder vorgefahren wird, bis die gewünschte Haltekraft erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannwerkzeug eine Gegenspindel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstechvorgang dann als beendet gemeldet wird, wenn die Haltekraft um einen vorbestimmten Betrag abfällt und/oder einen vorbestimmten Betrag unterschreitet und/oder eine vorbestimmte Positionsgrenze des Reitstok- kes erreicht oder überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannwerkzeug eine Gegenspindel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Spannen eines Werkstückes mittels der Gegenspin¬ del mit Spannwerkzeug diese auf das Werkstück zu verfah¬ ren und dann das Spannwerkzeug geschlossen wird, wenn der Maximalwert erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft während der Bearbeitung in Überein¬ stimmung mit Bearbeitungspara etern, z. B. der Schnittge¬ schwindigkeit (kontinuierlich) eingestellt bzw. verändert wird.
CNC-Maschine mit mindestens einer Hauptspindel und minde¬ stens einem mittels Elektromotor verfahrbaren Reitstock, der ein Spannwerkzeug, nämlich eine (Körner-) Spitze oder eine Gegenspindel trägt, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (10) zum Erfas¬ sen der vom Spannwerkzeug (18) auf ein Werkstück (11) aufgebrachten Haltekraft, eine Speichereinrichtung (in 20) zum Speichern eines Maximalwertes, eine Komparator- einrichtung (in 20) , welche die momentane Haltekraft mit dem Maximalwert ständig vergleicht, und eine Steuerung (20) , welche den Elektromotor (12) bei Übereinstimmung von momentaner Haltekraft und Maximalwert mit einem vor¬ einstellbaren Betriebsstromwert ansteuert.
9. CNC-Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung einen Strommeßfühler (10) umfaßt, der den Betriebsstrom des Elektromotors (12) abtastet.
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