Schaltungsanordnung mit mindestens einem Vorschubmotor für Werkzeugmaschinell
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem Vorschubmotor für Werkzeugmaschinen, welcher Vorschubmotor durch Ausgangssignale einer numerischen Steuereinrichtung gesteuert ist, um mindestens ein Werkzeug und/oder ein Werkstück in eine bestimmte Richtung zu bewegen.
Maschinen die digital-numerisch angesteuert werden, haben Vorschubmotoren, die das Werkzeug und/oder das Werkstück schrittweise in die gewünschte Richtung bewegen. Die Haltevorrichtung für das Werkstück und der Tisch bzw. Maschinenschlitten für das zu bearbeitende Werkstück besitzen für die Bewegung pro Koordi natennchtung einen Vorschubmotor. Hierdurch ergibt sich schrittweise eine geradlinige Bewegung oder eine Drehbewegung oder eine Kombination beider Bewegungen. Durch diese relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück wird die gewünschte Bearbeitung des Werkstückes vorgenommen. Die Bearbeitung kann entweder spanabhebend (zum Beispiel Fräsen, Drehen, Hobeln, Schleifen) oder elektroerosiv (funkenerosiv oder elektrochemisch) sein.
Diese Vorschubmotoren sind als Schrittmotoren ausgebildet und werden schrittweise vom elektronischen Steuerungssystem angesteuert. Diese Motoren würden ideale Vorschubantriebe bieten, wenn sie nicht begrenzt wären in ihrer Schrittzahl pro Sekunde, in ihrer Schrittzahl pro Umdrehung und in ihrem Drehmoment. Bei PräzXsions-Werkzeugmaschinen, insbesondere bei Erosionsmaschinen, sind Wegauflösungen von 1 m und noch kleiner und Vorschubgeschwindigkeiten von 0,1 mm/Minote bis 1000 mm/Minute erwünscht. Fü Eilverstellungen sind Vorschubgeschwindigkeiten bis 6000 mm/Minute notwendig.
Wenn zu einem Schritt des Schrittmotors eine translatorische Wegverschiebung von 1 im zugeordnet wird und eine Eilverstellung von 6000 mm/Minute erreicht werden soll, dann muss dieser Schrittmotor 100 000 Schritte pro Sekunde machen können. Die besten Schrittmotoren, welche in der Herstellung auch sehr teuer sind, können diese Schrittgeschwindigkeit nicht erreichen. Zum Beispiel werden 16 000 Schritte pro Sekunde erreicht.
Die Präzisionsmaschinenschlitben für die Haltevorrichtung des Werkzeuges und für den Werkstücktisch sind fast ausschliesslich mit Kugelumlaufspindeln angetrieben. Zur Vermeidung zusätzlicher Fehler und eines grösseren Aufwandes wäre es erwünscht, den Antriebsmotor mit der Spindel direkt zu kuppeln. Kugdumlaufs- pindeln können nicht mit beliebig kleiner Steigung hergestellt werden. Die kleinsten Steigungen, welche noch wirtschaftlich sind, liegen in der tGrössenordnung von 4 mm pro Umdrehung. Bei einer Zuordnung von 1 m pro Schritt des Vorschubmotors müsste der Motor 4 000 Schritte pro Umdrehung machen. Vorschubmotoren mit einer so hohen Schrittzahl pro Umdrehung sind bis heute nicht bekannt.
Ein bekannter Schrittmotor macht zum Beispiel nur 480 Schritte pro Umdrehung.
Beim Antrieb von Maschinenschlitten können Drehmomente bis zur Grössenordnung von 1 mkp auftreten.
Solche Drehmomente können nur von Schrittmotoren erreicht werden, welche eine sehr kleine, bzw. langsame Schrittgeschwindigkeit aufweisen. Schrittmotoren mit kleineren räumlichenAbmessungen haben wohl eine etwas höhere Schrittgeschwindigkeit, sind jedoch nur mit einem sehr geringen Drehmoment belastbar. Zur Erhöhung des Drehmomentes wurde ein sehr kostspieliger, hydraulischer Vorschub angewendet. Bei einer solche umständlichen und sehr kostspieligen Anordnung ergab sich für den Vorschubmotor ein maximales Drehmoment von nur 1,15 mkp bei einer maximal möglichen Schrittgeschwindigkeit von 16 000 Schritte pro Sekunde.
Die bekannten Schrittmotoren haben also eine nachteilige Limitierung der Schrittzahl pro Sekunde, der Schrittzahl pro Umdrehung und des Drehmomentes.
Dies bedeutet, dass die Präzision und die Schnelligkeit der Bearbeitung eines Werkstückes begrenzt sind, obwohl das elektronische Steuerungsystem eine extrem hohe Präzision und eine grosse Bearbeitungsgeschwindigkeit gestatten würde.
Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen, bei Verwendung wesentlich billigerer Vor schubmotoren.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin" die Präzision einer Werkzeugmaschine auf der mecha- nischen Seite der guten Präzision der elektronischen Seite anzupassen.
Ein weiterer Voteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Geschwindigkeit der Bearbeitung bei extrem kleiner Wegauflösung den vielen Möglichkeiten der elektronischen Seiten angepasst wird. Bei den bekann ten Vorschubmotoren konnten die Bedingungen extrem kleine Wegauflösung, hohe Schrittgeschwindigkeit und hohes Drehmoment - nicht erfüllt werden, da diese Bedingungen sich gegenseitig störten. Mit der Erfindung ist es daher zum ersten Mal möglich, sämtliche Bedingungen, welche an eine moderne Werkzeug masohine gestellt werden, zu erfüllen, so dass das bisher schwächste Glied, nämlich die Imechanische Seite des Vorschubes, einer Werkzeugmaschine sämtliche Möglichkeiten, welche in einer numerischen Steuerung stecken, ausführen kann.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zwischen der numerischen Steuereinrichtung und dem Vorschubmotor anEgeordnet ist und folgende Bauteile enthält: a) einen Speicher, dessen erste Eingänge an den Ausgängen der numerischen Steuereinrichtung angeschlossen sind, zum Empfang der die Schrittweise Bewegung des Vorschubmotors bestimmenden Information, und dessen zweite Eingänge an einem Rückmel deorgan angeschlossen sind, zum Empfang der Signale der vom Vorschubmotor durchgeführten Schritte, wobei die letztgenannten Signale von den Schrittimpulsen subtrahiert werden, und b) einen Logik-Stromkreis, welcher in Abhängigkeit des Inhaltes des Speichers den Vorschubmotor in die eine oder andere Richtung steuert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung stellt ein Blockschaltbild dar, in welchem das numerische Steuerungssystem als Block 1 dargestellt ist. Ein solches Steuerungssystem ist bekannt und besteht im wesentlichen aus einem Lochstreifenleser, einem Rechner, verschiedenen Speichern und einem Zeittaktgenerator. Ein solches numerisches Steuerungssystem ist zum Beispiel in der schweizerischen Patent schrift 476 544 und in der schweizerischen Patentschrift 513 694 beschrieben. Das Steuerungssystem arbeitet in der Weise, dass auf dem Innormationsträger, welcher zum Beispiel als Lochstreifen ausgebildet sein kann, die Daten vorhanden sind, welche für die Bahnsteuerung des Werkzeugs und/oder des Werkstücks notwendig sind. Diese Daten werden im Steuerungssystem 1 so verarbeitet, dass an den beiden Ausgängen Schrittimpul se erscheinen für einen vorschubmotor 20.
Das numerische Steuerungssystem ist so konstruiert, dass es für ieden Vorschubmotor zwei Ausgänge hat. In der Zeichnung ist Ider Verbidungszug zwischen dem Steuerungssy stem 1 und einem einzigen Vorschubmotor 20 gezeigt.
Dieser Verbidungsweg gilt in gleicher Weise für sämtliche an der Werkzeugmaschine angebrachten Vorschubmotoren. Die Schrittimpulse an den Ausgängen des Steuerungssystems 1 können auf folgende Weise kodiert sein:
A) die Schrittimpulse auf Leitung 111 geben die Information für die eine Drehrichtung und die Schrittimpulse auf der Leitung 112 die Information für die andere Drehrichtung des Vorschubmotors 20;
B) alle Schrittimpulse erscheinen auf zum Beispiel Leitung 111, wobei auf der zum Beispiel Leitung 112 der I(ode für die Drehrichtung des Vorschubmotors 20 erscheint,
In der fogenden Beschreibung wird der Fall B vorausgesetzt, obwohl auch der Fall A ohne weiteres anwendbar ist.
Die Schrittimpulse auf der Leitung 111 und die Drehrichtungsangabe auf der Leitung 112, welche zusammen die Information für die schrittweise Bewegung des Vorschubmotors 20 darstellen, können direkt in den Impuls detektor 4 und in den Richtungsdedektor 5 oder über die Pufferspeicher 2, 3 geführt werden Die Pufferspeicher 2, 3 sind für den Fall vorgesehen, wenn die Information aus dem digitalen, numerischen Steuerungssystem 1 nicht kontinuierlich, sondern stossartig kommt, so dass der Vorschubmotor momentan nicht mehr folgen kann. Dieser Fall kann zum Beispiel auftreten, wenn mehrere Werkzeugmaschinen von einem einzigen Rechner im Simultanzeit-Multiplex-Betrieb gesteuert werden.
In diesem als Time Shared Operation bekannten Parallelbetrieb werden die Informationen aus den beiden Pufferspeichern nur dann in den Impulsdetektor 4 und Richtungsdetektor 5 ausgelesen, wenn die Fehlerauswertlogik 10 über die Ausleselogik 19 ein entsprechendes Signal gibt. In der Zeichnung ist die direkte Verbindung zwischen den Ausgängen des Steuerungssystems 1 und Idem Impuls detektor 4 sowie dem Richtungsdetektor 5 gestrichelt gezeichnet.
Die Schrittimpulse werden vom Impulsdetektor 4 auf den Eingang 61 und die Drehrichtungsangabe im Richtungsdetektor 5 auf den Eingang 162 des Speichers 6 gegeben. Die aus den Schrittimpulsen und der Drehrichtungsangabe bestehende Information kann jedoch nur dann auf die Eingänge 61, 62 gelangen, wenn durch eine weitere Einrichtung gewährleistet ist, dass die später noch zu beschreibenden Eingänge 63 , 64 des gleichen Speichers 6 keine Information empfangen. Diese Einrichtung besteht aus dem Impulsgenerator 17, welcher eine sehr hohe Abtast-Impulsfrequenz erzeugt.
Diese Frequenz synchronisiert über die Abtastlogik 18 die gesamte Steuerung in der Weise, dass Impulsdetektor 4 und tungsdetektor 5 gestrichelt Igezeichnet. Die Schrittimpuldie schrittweise Bewegung des Vorschubmotors 20 Sbeinhaltet, auf die Eingänge 61, 62 des Speichers 6 gibt, wenn die später noch näher beschriebenen Diskriminatoren 7, 8 gesperrte Ausgänge 71, 81 aufweisen. In der Zeichnung ist dies durch die Leitun pen 181, 182 gezeigt. In gleicher Weise können die Diskriminatoren 7, 8 Signale auf die -Eingänge 63, 64 des Speichers 6 geben, wenn die Ausgänge der Detektoren 4, 5 gesperrt sind.
Es sei nun angenommen dass der Impuls detektor 4 auf dem Eingang 61 des Speichers 6 einen Schrittimpuls und dass der Richtungsdetektor 5 auf den Eingang 62 des gleichen Speichers eine positive Drehrichtungsangabe geben. Der Inhalt des Speichers 6 wird auf + 1 gesetzt. Der Inhalt glangt über Leitung 65 auf die Auswertelogik 10 und auf den Bremsimpulsmodulator 9. Die Auswertelogik 10 steuert eine der beiden ODER Torschaltungen 11, 12 an, welche für den positiven Inhalt + 1 dimensioniert wurden. Es sei angenommen, dass die Auswertelogik 10 über die Leitung 101 die ODER-Torschaltung 11 ansteuert, welche über die Leitungen 111 die elektronischen Schalter 14, 15 schliesst. Diese beiden elektronischen Schlalter bewirken, dass der Vorschubmotor 20 in eine Richtung sich dreht.
Aus Vereinfachungsgründen soll diese Drehrichtung mit positiver Richtung bezeichnet werden. Der Vorschubmotor, welcher als normaler Servomotor und nicht als Schrittmotor ausgebildet ist, läuft nun so lange in der positiven Richtung, wie die Spannung über den geschlossenen Schlatern 14, 15 anliegt. Die beiden anderen elektronischen Schalter 13, 16 sind geöffnet. Der Vorschubmotor 200 würde sich in die andere, negative Drehrichtung drehen nach Schliessen der Schalter 13,
16, und Öffnen der Schalter 14, 15. Nun zurück zu dem Zustand, dass ein positiver Inhalt + 1 des Speichers 6 über die Auswertelogik 10 oder Torschaltung 11 die elektronischen Schalter 14, 15 geschlossen hat und den Vorschubmotor 20 in die positive Richtung dreht.
Der Motor 20 ist mit seiner Welle 221 mechanisch an der Gewindespindel 222 des Maschinenschlittens 22 und an den Drehgeber 21 befestigt. Der Maschinenschlitten 22, an welchem entweder die Haltevorrichtung für das Werkzeug oder der Tisch für das Werkstück befestigt sein können. bewegt sich durch die Drehbewegung des Vorschubmotors 20 in die Richtung einer Koordinate.
Wie bereits eingangs erwähnt, muss für jede Koordinate ein eigener Vorschubmotor vorgesehen sein. Die Haltevorrichtung für das Werkzeug und der Tisch für das Werkstück sind in der Zeichnung nicht dargestellt worden. Der in positiver Richtung sich drehende Vorschubmotor 20 dreht den Drehgeber 21, welcher über die beiden Leitungen 211, 212 mit dem Schrittdis kriminator 7 und dem Drehrichtungsdiskriminator 8 verbunden ist. Der Drehgeber 21 ist bekanntlich so konstruiert, dass er auf einer Scheibe optisch undurch sichtige Striche mit durchsichtigen Lücken enthält. Jeder Strich entspricht einer Wegauflösung von 1 zem. Diese
Striche werden optisch abgegriffen. Die elektrischen Signale gelangen auf die Leitungen 211, 212 zu den heiden Diskriminatoren 7, 8.
Bei Drehung des Drehgebers 21 dreht sich die Drehscheibe an den in bestimmter Anordnung vorgesehenen Abtastvorrichtunzen vorbei, so dass die eine Abtastvorrichtung zum Beispiel um eine Viertelperiode früher einen vorbei wandernden Strich abtastet als die andere Abtastvorrichtung. Jede Abtast vorrichtune arbeitet auf ihre eigene Leitung 211 bzw
212.
Es sei nun angenommen, dass auf der Leitung 211 die elektrischen Signale um zum Beisniel eine Viertelpe riode früher erscheinen als die Signale auf der Leitung ?12. Dieses Kriterium repräsentiert die Drehung des
Drehgebers 21 und des Vorschubmotors 20 in der positiven Richtune. Bei translatorischer Versehiebunla des Maschinenschlittens 22 und somit des Drehgebers ?1 lim 1 "m erhält der Schrittdiskrim nator 7 über die Leitung 211 einen Impuls,
wobei im Drehrichtuna,,sdis- lrrirninator 8 infolee der Phasenverschiebuno beider Tm7ulssinnale auf den Leitungen 211. 212 die Drehrich tung festgestellt wird. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, dass im Schrittdiskriminator 7 die Signale des Drehgebers 21 nach dr Regel vervielfacht werden können: Anzahl der Leitungen mal zwei. Hierdurch ergibt sich eine noch kleinere Wegauflösung als 1 m.
Bei der eben diskutierten Drehrichtung des Drehgebers 21 in der positiven Richtung ergibt sich auf den beiden Leitungen 211, 212 eine Phasenverschiebung der Impulse, so dass im Drehrichtungsdiskriminator 8 ein negatives Signal gespeichert ist. Im Schrittdiskriminator 7 ist ein Impulssignal gespeichert. Die beiden Ausgänge 71, 81 der Diskriminatoren 7, 8 werden auf die Eingänge 63, 64 des Speichers 6 freigegeben, wenn Impulsgenerator 17 und Abtastlogik 18 über Leitungen 181 ein Freigabesignal auf die beiden Diskriminatoren gegeben haben. Dieses Freigabesignal wird nur dann abgegeben, wenn der Speicher 6 über die beiden Eingänge 61, 62 mit einem Schrittimpuls aus den beiden Diskriminatoren 4, 5 geladen ist.
Hiernach werden die Diskriminatoren 4, 5 über die Leitungen 181, 182 gesperrt, so dass das Signal und die Drehrichtungsangabe aus den beiden Diskriminatoren 7, 8 über die Eingänge 63, 64 in den Speicher 6 gegeben werden können. Dieses Signal ist bei dem beschriebenen Beispiel ein - mpulspunkt. Der - lÄmpuls setzt den + Inhalt des Speichers 6 auf 0 zurück. Sobald der Inhalt des Speichers 6 auf Q zurückgesetzt wurde, werden über Leitung 65 der Bremsimpulsmodulator 9 und die Auswertelogik 10 angesteuert. Die Funktion des Bremsimpulsmodulators 9 wird später näher beschrieben. Durch die Ansteuerung der Auswertelogik 10 wird die ODER-Torschaltung 11 über die Leitung 101 angereizt, so dass die Schalter 14,
15 über Leitungen 111 geöffnet werden.
Der Vorschubmotor 20 erhält hierdurch keinen Strom mehr und bleibt stehen. Allerdings wird infolge der Massenträgheit des Vorschubmotors 20 und des Maschienenschlittens 22 diese Anordnung sich in der alten Richtung noch weiter bewegen. Das wird jedoch später im Zusammenhang mit dem Bremsimpulsmodulator 9 näher beschrieben. Im Augenblick sei festgehalten, dass die elektronischen Schalter 14, 15 geöffnet sind und der Vorschuhmotor 20 keinen Strom erhält. Wenn in dem numerischen
Steuerungssystem keine weiteren Befehle für die Bewegung des Vorschubmotors 20 in der gleichen Richtung vorgesehen sind, laufen die einzelnen Schritte der Funk tion wie eben beschrieben ab, wobei der Vorschubmotor
20 nur um einen Schritt, zum Beispiel 1 tm, weiter bewegt wird.
Wenn der Vorschubmotor 20 in die andere
Richtung bewegt werden soll, erfolgen im Prinzip die gleichen Funktionsschritte, allerdings mit anderen Vor zeichen. Dies wird im folgenden kurz erläutert. Das numerische Steuerungssystem 1 gibt über die Leitungen
111, 112 direkt auf die Detektoren 4, 5 die Information ab, welche aus der Anzahl der Schrittimpulse und aus der Drehrichtungsaneabe besteht. Die Information wird über die Eingänge 61. 62 in den Speicher 6 einaeiegt, sofern dieser Einlesevoraang freigegeben worden ist vom
Impulsgenerator 17 und der Auswertelogik l8 welche iiber die Leitungen 181. 182 mit den Detektoren 4. 5 in Verbindung steht.
Der Speicher 6 kann. wie bereits beim vorherigen Beispiel beschrieben, einen oder mehrere
Schrittimpulse empfangen. I)ies richtet sich nach der
Anzahl seiner Speicherplätze. Zur Vereinfachun der Darstellunr wird angenommen, dass der Speicher 6 über çeine Eingänge 61. 62 einen Schrittirapuls mit einer negativen DrehrichtunpsanoUibe empfangen soll und dass er mit einem - l-Tnhalt geladen ist. Über die Au.aanes leitung 65 wird nur d:e Auswertelogik 10 angereizt. Der Bremsimpulsmodulator 9 wird nur angereizt bei einem 0-Inhalt des Speichers 6.
Die angereizte Auswertelogik 10 steuert über Leitung 102 die ODER-Torschaltung 12 an, welche über die Leitungen 113, 116 die elektronischen Schalter 13, -16 schliesst. Die elektronischen Schalter 14, 15 sind, wie bereits erwähnt, geöffnet. Der Vorschubmotor 20 dreht sich nun in die negative Richtung und bewegt über die Spindel 221 und die Zahnstange 222 den Maschinenschlitten 22 in die negative Vorschubrichtung. Der Drehgeber 21 dreht sich nun in die negative Richtung, so dass die Impulse auf den Leitungen 211, 212 eine andere Phasenverschiebung bekommen als beim vorhergehenden Beispiel beschrieben. In den beiden Diskriminatoren 8 befinden sich nun Impuls signale mit einem positiven Potential.
Der + 1 - Impuls gelangt über die Eingänge 63, 64 in den Speicher 6 und setzt seinen - 1Inhalt auf 0 zurück. Über die Ausgangsleitung 65 werden nun Bremsimpulsmodulator 9 und Auswertelogik 10 beeinflusst. Die Auswertelogik 10 öffnet über die ODER Torschaltung 12 die elektronischen Schalter 13, 16, so dass der Vorschubmotor 20 stromlos wird. Die Wirkungsweise des Bremsimpulsmodulators 9 wird später näher beschrieben im Zusammenhang mit dem Massenträgmoment des Vorschubmotors 20 und des Maschinenschlittens 22, wodurch trotz Stromloswerden des Vorschubmotors 20 der Maschinenschlitten 22 sich in die alte Richtung noch weiter bewegt.
Nun zurück zu den beiden Pufferspeichern 2, 3, welche in den Leitungen 111, 112 des Steuerungssystems angeordnet sind. Wie bereits eingangs gesagt, sind diese beiden P,ufferspeicher 2, 3 in einem solchen Falle vorteilhaft, wenn mehrere numerisch gesteuerten Werk zeugrlllaschinen, d. h. eine grössere Anzahl von Vorschubmotoren und Ma'schinenschlitten, von einem einzigen Rechner im Simultan-Multiplex-Betrileb gesteuert werden. In einem solchen Fall kommen die Informationen von dem numerischen Steuerungssystem 1 nichl mehr kontinuierlich auf die Detektoren 4, 5, sondern stossartig, so dass die Vorschubantriebe nicht mehr ohne weiteres dem Schrittimpuls folgen können.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Speicher 6 eine hinreichend grosse Anzahl von Speicherplätzen hat, um ein gewisses stossartiges Angebot der Schrittimpulse mit Drehrichtungsangabe speichern zu können. Ein eventueller Über- lauf des Speichers 6 wird durch eine bekannte und nicht dargestellte Vorrichtung angezeigt. Um jedoch den Speicher 6 nicht allzu gross werden zu lassen, hat man ihn für normal stossartige Informationsbelastungen ausgelegt. Bei grösseren stossartigen Belfiastungen wie zum Beispiel in dem obenerwähnten Simultan-Multiplex Betrieb von mehreren Werkzeugmaschinen sind vorteilhafterweise die beiden Oberlaufspeicher 2, 3 in den Leitungen 111, 112 angeordnet.
Die in den Pufferspei chern 2, 3 temporär gespeicherte Information wird nur dann auf die Detektoren 4, 5 transportiert,wenn die Ausleselogik 19 über die Leitungen 191, 192 das Auslesesignal gibt. Die Ausleselogik wird von der Auswertelogik 10 über die Leitung 190 gesteuert.
Normalerweise erfolgt die Steuerung dadurch, dass nach iedem zweiten Anreiz der Auswertelogik 10 über die Leitung 65 die Ausleselogik 19 über Leitung 190 angereizt wird für das Auslesen der nächsten Information aus den Pufferspeichern 2, 3. Die Steuerung kann auch so erfolgen, dass die Ausleselogik 19 nur dann angereizt wird, wenn der Speicher 6 einen 0-Inhalt aufweist. Tn diesem Falle würde die Ausleselogik 19 zweckmässigerweise vom Bremsimpulsmodulator 9 angesteuert werden, welcher Bremsimpulsmodulator be kanntlich nur bei 0-Inhalt des Speichers 6 anspricht.
Der Drehgeber 21 wurde in den bisherigen. Beispiel len in der Weise beschrieben, dass er die Teilung von 1 /tm aufweist, welche bei Drehung optisch abgetastet wird und elektrische Signale erzeugt. Es ist auch ohne weiteres möglich, an den Maschinenschlitten 22 einen linearen Massstab 223 anzuordnen, welcher bei Verschiebung des Maschinenschliftens 22 die die Wegauflösung darstellenden Striche optisch abtastet und als elektrisches Signal über die Leitungen 211, 212 auf die beiden Diskriminatoren 7, 8 gibt. In einem solchen Falle braucht man den Drehgeber 21 nicht.
Der Vorteil der optischen Abtastung am lineares Massstab 223 liegt darin, dass der Fehler durch die Spindel 221 und Übertragung 222 eliminiert worden ist. Der lineare Massstab 223 gibt die echte, wirklich lineare Verschiebung des Maschinenschlittens 22 und somit des Werkzeuges oder des Werkstückes an.
Bei der Beschreibung der beiden Beispiele (positiver oder negativer Inhalt des Speichers 6, positive oder negative Drehrichtung des Vorschubmotors 20, Rück- meldung durch Signale und Rückstellung des Inhaltes des Speichers 6 auf 0) wurde festgestellt, dass bei Rückstellung des Speicherinhaltes auf 0 das geschlossene Paar der elektronischen Schalter 14, 15 oder 13, 16 geöffnet wurde, so dass der Vorschubmotor ohne Strom ist. Wegen der Massenträgheit dieses Vorschubmotors und seiner Übertragung 121, 222 und des Maschinenschlittens 22 bewegt sich der Vorschubmotor im stromlosen Zustand in der alten Drehrichtung weiter.
Bei einer sehr feinen Einteilung, wie sie zum Beispiel mit 1 um Wegauflösung angenommen worden ist, macht sich diese Bewegung in der Weise bemerkbar, dass der Drehgeber 21 oder der Linearmassstab 223 einen oder mehrere Impulse über die Leitungen 211, 212 auf die beiden Diskriminatoren 7, 8 gibt. Von hier gelangen Impulse über die Eingänge 63, 64 in den Speicher 6 und werden dort vom vorhandenen Inhalt subtrahiert, so dass auf der Leitung 65 Spannungssignale entstehen, welche über die Auswertelogik 10, ODER-Schaltung 11, bzw. 12, das Paar der elektronischen Schalter schliesst, welches den Vorschubmotor in die entgegengesetzte Drehrichtung treibt bis der Inhalt des Speichers 6 wieder auf 0 zurückgestellt ist.
Auch in diesem Falle läuft bef Rücksteilung des Speicherinhaltes auf 0 und bei Öffnen der elektronischen Schalter der Vorschubmotor 20 noch weiter in der alten Richtung. Es leuchtet ein, dass sich auf diese Art und Weise ein Pendelzustand des Vorschubmotors 20 zwischen Inhalt +1 und -1 des Speichers 6 einstellt. Zu Vermeidung dieses Pendelzustandes ist der Bremsimpulsmodulator 9 vorgesehen.
Dieser Bremsimpulsmodulator wird über Leitung 65 vom Speicher 6 angereizt, wenn der Inhalt des Speichers 6 auf 0 zurückgestellt worden ist. In diesem Falle gibt der Bremsimpulsmodulato- 9 entweder über Leitung 91 und ODER Torschaltung 12 jbzw. über Leitung 92 und ODER Torschaltung 11 einen Brems-Steuerimpuls zu dem Paar der elektronischen Schalter, welches gegen die augenblickliche Drehrichtung des Vorschubmotors 20 wirken. Da die Auswertelogik 10 ebenfalls durch den 0 Inhalt des Speichers 6 über die Leitung 65 angereizt wurde, wird über die eine oder andere ODER-Torschal tun 11., 12 das Paar der elektronischen Schalter geöffnet, welches gerade für die durchgeführte Vorschubbewegung geschlossen war.
Auf diese Art und Weise erhält der Vorschubmotor 20 einen sogenannten Bremsimpuls in die entgegengesetzte Drehrichtung. Der Bremsimpuls, welcher vom Bremsimpulsmodulator 9 ausgelöst wird, bleibt so lange bestehen, wie der Inhalt des Speichers 6 nicht auf 0 zurückgestellt worden ist.
Mit Ider beschriebenen Schaltungsanordnung werden unter Verwendung von billigen Vorschubmotoren, welche nicht als Schrittmotoren ausgebildet sind, eine 1 000 000 Schritte pro Sekunde, 20 000 Schritte pro Umdrehung und Drehmomente bis zu mehreren mkp erzielt. Hierdurch ist es zum ersten Mal möglich, dass bei so kleinen Wegauflösungen wie zum Beispiel 1,um Eilverstellungen mit Vorschubgeschwindigkeiten von 6000mm pro Minute durchführbar sind, wobei noch hohe Drehmomente erzielt werden. Die Vorschubeinrichtung nach der Erfindung kann Iselbstverständlich an jedes beliebige numerische, digitale Steuerungssystem 1 angeschlossen werden.
Hierdurch ist es also möglich, die Vorschubanlagen bei bestehenden Werkzeugmaschinen zu verbesseren und zwar in der Weise, dass die Möglichkeiten einer numerischen Steuerung voll weitergegeben werden können auf die mechanische Seite des Vorschubs. Weiterhin ersetzt der beschriebene Vorsohub die bekannten, hydraulischen Vorschubanlagen, welche vor einiger Zeit entwickelt wurden, um bei einer gewissen Präzision hohe Vorschubkräfte zu bekommen.
Die Erfindung bringt ein neues Konzept in der Entwicklung von Werkzeugmaschinen, deren wesentlicher Teil der Vorschub ist.
Circuit arrangement with at least one feed motor for machine tools
The invention relates to a circuit arrangement with at least one feed motor for machine tools, which feed motor is controlled by output signals from a numerical control device in order to move at least one tool and / or a workpiece in a specific direction.
Machines that are digitally-numerically controlled have feed motors that move the tool and / or workpiece step by step in the desired direction. The holding device for the workpiece and the table or machine slide for the workpiece to be processed have a feed motor for the movement per Koordi natennchtung. This results in a step-by-step linear movement or a rotary movement or a combination of both movements. The desired machining of the workpiece is carried out through this relative movement between tool and workpiece. The processing can either be by cutting (e.g. milling, turning, planing, grinding) or electroerosive (spark erosion or electrochemical).
These feed motors are designed as stepper motors and are controlled step by step by the electronic control system. These motors would provide ideal feed drives if they were not limited in their number of steps per second, in their number of steps per revolution and in their torque. With precision machine tools, especially with erosion machines, path resolutions of 1 m and even smaller and feed speeds of 0.1 mm / minute to 1000 mm / minute are desired. For rapid adjustments, feed speeds of up to 6000 mm / minute are necessary.
If a translational displacement of 1 im is assigned to a step of the stepper motor and a rapid adjustment of 6000 mm / minute is to be achieved, then this stepper motor must be able to make 100,000 steps per second. The best stepper motors, which are also very expensive to manufacture, cannot reach this stepping speed. For example, 16,000 steps per second are achieved.
The precision machine slides for the holding device of the tool and for the workpiece table are almost exclusively driven by recirculating ball screws. To avoid additional errors and greater effort, it would be desirable to couple the drive motor directly to the spindle. Ball screw spindles cannot be manufactured with any small pitch. The smallest gradients, which are still economical, are in the order of 4 mm per revolution. With an allocation of 1 m per step of the feed motor, the motor would have to make 4,000 steps per revolution. Feed motors with such a high number of steps per revolution are not known to this day.
For example, a well-known stepper motor only makes 480 steps per revolution.
When driving machine slides, torques of the order of magnitude of 1 mkp can occur.
Such torques can only be achieved by stepper motors that have a very low or slow step speed. Stepper motors with smaller spatial dimensions have a slightly higher step speed, but can only be loaded with a very low torque. A very expensive hydraulic feed was used to increase the torque. With such a cumbersome and very expensive arrangement, a maximum torque of only 1.15 mkp resulted for the feed motor at a maximum possible step speed of 16,000 steps per second.
The known stepper motors therefore have a disadvantageous limitation of the number of steps per second, the number of steps per revolution and the torque.
This means that the precision and the speed of machining a workpiece are limited, although the electronic control system would allow extremely high precision and a high machining speed.
The invention has the task of eliminating these disadvantages, using much cheaper before thrust motors.
An essential advantage of the invention is "to adapt the precision of a machine tool on the mechanical side to the good precision of the electronic side.
Another advantage of the invention can be seen in the fact that the processing speed is adapted to the many possibilities of the electronic pages with extremely small path resolution. With the known feed motors, the conditions of extremely small path resolution, high step speed and high torque could not be met because these conditions interfered with each other. With the invention it is therefore possible for the first time to meet all the conditions that are placed on a modern tool masohine, so that the weakest link so far, namely the mechanical side of the feed, a machine tool all the possibilities that are available in a numerical control stuck, can run.
The invention is characterized in that the circuit arrangement is arranged between the numerical control device and the feed motor and contains the following components: a) a memory, the first inputs of which are connected to the outputs of the numerical control device, for receiving the information determining the step-by-step movement of the feed motor , and whose second inputs are connected to a feedback device for receiving the signals of the steps carried out by the feed motor, the latter signals being subtracted from the step pulses, and b) a logic circuit which, depending on the content of the memory, the feed motor in steers one direction or the other.
An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing.
The drawing is a block diagram in which the numerical control system is shown as block 1. Such a control system is known and essentially consists of a punched tape reader, a computer, various memories and a clock generator. Such a numerical control system is described, for example, in the Swiss patent specification 476 544 and in the Swiss patent 513 694. The control system works in such a way that the information carrier, which can be designed as a punched tape, for example, contains the data required for the path control of the tool and / or the workpiece. These data are processed in the control system 1 in such a way that step pulses appear at the two outputs for a feed motor 20.
The numerical control system is designed in such a way that it has two outputs for each feed motor. In the drawing Ider Verbidungszug between the control system 1 and a single feed motor 20 is shown.
This connection path applies in the same way to all feed motors attached to the machine tool. The step impulses at the outputs of the control system 1 can be coded as follows:
A) the step pulses on line 111 give the information for one direction of rotation and the step pulses on line 112 the information for the other direction of rotation of the feed motor 20;
B) all step pulses appear on, for example, line 111, with the I (or for the direction of rotation of the feed motor 20 appearing on, for example, line 112,
In the following description, case B is assumed, although case A is also readily applicable.
The step pulses on line 111 and the direction of rotation on line 112, which together represent the information for the step-by-step movement of the feed motor 20, can be fed directly into the pulse detector 4 and into the direction detector 5 or via the buffer memory 2, 3 The buffer memory 2, 3 are provided for the case when the information from the digital, numerical control system 1 does not come continuously, but suddenly, so that the feed motor can no longer follow at the moment. This case can occur, for example, when several machine tools are controlled by a single computer in simultaneous time multiplex mode.
In this parallel operation, known as time shared operation, the information from the two buffer memories is only read into the pulse detector 4 and direction detector 5 when the error evaluation logic 10 emits a corresponding signal via the readout logic 19. In the drawing, the direct connection between the outputs of the control system 1 and Idem pulse detector 4 and the direction detector 5 is shown in dashed lines.
The step impulses are sent from the impulse detector 4 to the input 61 and the indication of the direction of rotation in the direction detector 5 to the input 162 of the memory 6. The information consisting of the step pulses and the indication of the direction of rotation can only reach the inputs 61, 62 if it is ensured by a further device that the inputs 63, 64 of the same memory 6, to be described later, do not receive any information. This device consists of the pulse generator 17, which generates a very high sampling pulse frequency.
This frequency synchronizes the entire control via the scanning logic 18 in such a way that the pulse detector 4 and the line detector 5 are shown in dashed lines. The step impulse, which includes the step-by-step movement of the feed motor 20 S, is sent to the inputs 61, 62 of the memory 6 when the discriminators 7, 8, which will be described in more detail below, have blocked outputs 71, 81. In the drawing, this is shown by the Leitun pen 181, 182. In the same way, the discriminators 7, 8 can give signals to the inputs 63, 64 of the memory 6 when the outputs of the detectors 4, 5 are blocked.
It is now assumed that the pulse detector 4 gives a step pulse to the input 61 of the memory 6 and that the direction detector 5 gives a positive indication of the direction of rotation to the input 62 of the same memory. The content of the memory 6 is set to +1. The content reaches the evaluation logic 10 and the brake pulse modulator 9 via line 65. The evaluation logic 10 controls one of the two OR gate circuits 11, 12, which were dimensioned for the positive content + 1. It is assumed that the evaluation logic 10 controls the OR gate circuit 11 via the line 101, which closes the electronic switches 14, 15 via the lines 111. These two electronic switches cause the feed motor 20 to rotate in one direction.
For reasons of simplification, this direction of rotation should be referred to as a positive direction. The feed motor, which is designed as a normal servo motor and not as a stepping motor, now runs in the positive direction as long as the voltage is applied across the closed Schlatern 14, 15. The other two electronic switches 13, 16 are open. The feed motor 200 would rotate in the other, negative direction of rotation after closing the switch 13,
16, and opening the switches 14, 15. Now back to the state that a positive content + 1 of the memory 6 has closed the electronic switches 14, 15 via the evaluation logic 10 or gate circuit 11 and rotates the feed motor 20 in the positive direction.
The motor 20 is mechanically fastened with its shaft 221 to the threaded spindle 222 of the machine slide 22 and to the rotary encoder 21. The machine slide 22, to which either the holding device for the tool or the table for the workpiece can be attached. moves in the direction of a coordinate by the rotational movement of the feed motor 20.
As already mentioned at the beginning, a separate feed motor must be provided for each coordinate. The holding device for the tool and the table for the workpiece have not been shown in the drawing. The feed motor 20 rotating in the positive direction rotates the rotary encoder 21, which is connected to the step discriminator 7 and the direction of rotation discriminator 8 via the two lines 211, 212. As is known, the rotary encoder 21 is constructed so that it contains optically opaque lines with transparent gaps on a disk. Each line corresponds to a path resolution of 1 zem. This
Lines are optically picked up. The electrical signals arrive on lines 211, 212 to the two discriminators 7, 8.
When the rotary encoder 21 is rotated, the turntable rotates past the scanning devices provided in a certain arrangement, so that one scanning device, for example, scans a passing line a quarter period earlier than the other scanning device. Each scanning device works on its own line 211 or respectively
212.
It is now assumed that the electrical signals appear on line 211, for example a quarter period earlier than the signals on line? 12. This criterion represents the rotation of the
Rotary encoder 21 and the feed motor 20 in the positive direction. In the event of a translational displacement of the machine slide 22 and thus of the rotary encoder? 1 lim 1 "m, the step discriminator 7 receives a pulse via the line 211,
the direction of rotation being determined in the direction of rotation in the direction of rotation 8 infolee the phase shift of both signals on the lines 211, 212. Of course, there is the possibility that the signals of the rotary encoder 21 can be multiplied in the step discriminator 7 according to the rule: number of lines times two. This results in an even smaller path resolution than 1 m.
In the just discussed direction of rotation of the rotary encoder 21 in the positive direction, there is a phase shift of the pulses on the two lines 211, 212, so that a negative signal is stored in the direction of rotation discriminator 8. A pulse signal is stored in the step discriminator 7. The two outputs 71, 81 of the discriminators 7, 8 are released to the inputs 63, 64 of the memory 6 when the pulse generator 17 and scanning logic 18 have given an enable signal to the two discriminators via lines 181. This release signal is only emitted when the memory 6 is loaded with a step pulse from the two discriminators 4, 5 via the two inputs 61, 62.
The discriminators 4, 5 are then blocked via the lines 181, 182, so that the signal and the indication of the direction of rotation from the two discriminators 7, 8 can be sent to the memory 6 via the inputs 63, 64. In the example described, this signal is a pulse point. The - pulse resets the + content of memory 6 to 0. As soon as the content of the memory 6 has been reset to Q, the brake pulse modulator 9 and the evaluation logic 10 are controlled via line 65. The function of the braking pulse modulator 9 will be described in more detail later. By controlling the evaluation logic 10, the OR gate circuit 11 is activated via the line 101, so that the switches 14,
15 are opened via lines 111.
As a result, the feed motor 20 no longer receives any current and stops. However, due to the inertia of the feed motor 20 and the machine slide 22, this arrangement will continue to move in the old direction. However, this will be described in more detail later in connection with the braking pulse modulator 9. At the moment it should be noted that the electronic switches 14, 15 are open and the feed motor 20 receives no power. If in the numeric
Control system no further commands are provided for the movement of the feed motor 20 in the same direction, the individual steps of the function run as just described, with the feed motor
20 is only moved one step, for example 1 tm.
When the feed motor 20 in the other
Direction is to be moved, basically the same functional steps take place, but with different signs. This is briefly explained below. The numerical control system 1 gives over the lines
111, 112 directly to the detectors 4, 5 from the information, which consists of the number of step pulses and the rotation direction indicator. The information is input into the memory 6 via the inputs 61, 62, provided that this input process has been released by
Pulse generator 17 and evaluation logic 18 which is connected to detectors 4, 5 via lines 181, 182.
The memory 6 can. as already described in the previous example, one or more
Receive step impulses. I) this depends on the
Number of its storage locations. To simplify the illustration, it is assumed that the memory 6 is to receive a step pulse with a negative direction of rotation via inputs 61, 62 and that it is loaded with a content. Only the evaluation logic 10 is stimulated via the Au.aanes line 65. The braking pulse modulator 9 is only activated when the memory 6 contains 0.
The activated evaluation logic 10 controls the OR gate circuit 12 via line 102, which closes the electronic switches 13, -16 via lines 113, 116. The electronic switches 14, 15 are, as already mentioned, open. The feed motor 20 now rotates in the negative direction and moves the machine slide 22 in the negative feed direction via the spindle 221 and the rack 222. The rotary encoder 21 now rotates in the negative direction, so that the pulses on the lines 211, 212 have a different phase shift than described in the previous example. In the two discriminators 8 there are now pulse signals with a positive potential.
The + 1 - pulse arrives at the inputs 63, 64 in the memory 6 and resets its - 1 content to 0. Brake pulse modulator 9 and evaluation logic 10 are now influenced via output line 65. The evaluation logic 10 opens the electronic switches 13, 16 via the OR gate circuit 12, so that the feed motor 20 is de-energized. The operation of the braking pulse modulator 9 will be described in more detail later in connection with the mass moment of inertia of the feed motor 20 and the machine slide 22, which means that the machine slide 22 continues to move in the old direction despite the feed motor 20 being de-energized.
Now back to the two buffer stores 2, 3, which are arranged in the lines 111, 112 of the control system. As already said at the beginning, these two buffer memories 2, 3 are advantageous in such a case if several numerically controlled work tools, i.e. H. a larger number of feed motors and machine slides can be controlled by a single computer in simultaneous multiplex operation. In such a case, the information from the numerical control system 1 no longer comes continuously to the detectors 4, 5, but rather abruptly, so that the feed drives can no longer easily follow the step pulse.
At this point it should be mentioned that the memory 6 has a sufficiently large number of memory locations in order to be able to store a certain abrupt supply of step pulses with indication of the direction of rotation. A possible overflow of the memory 6 is indicated by a known and not shown device. However, in order not to allow the memory 6 to become too large, it has been designed for normal, sudden information loads. In the case of larger, jerky loads, for example in the above-mentioned simultaneous multiplex operation of several machine tools, the two overflow stores 2, 3 are advantageously arranged in the lines 111, 112.
The information temporarily stored in the buffer stores 2, 3 is only transported to the detectors 4, 5 when the readout logic 19 sends the readout signal via the lines 191, 192. The readout logic is controlled by the evaluation logic 10 via the line 190.
Normally, the control takes place in that after each second stimulus of the evaluation logic 10 via the line 65, the readout logic 19 is stimulated via the line 190 to read out the next information from the buffer memories 2, 3. The control can also take place in such a way that the readout logic 19 is only stimulated when the memory 6 has a 0 content. In this case, the readout logic 19 would expediently be controlled by the brake pulse modulator 9, which brake pulse modulator is known to only respond when the memory 6 contains 0.
The rotary encoder 21 was in the previous. Example len described in such a way that it has the division of 1 / tm, which is optically scanned when rotated and generates electrical signals. It is also easily possible to arrange a linear scale 223 on the machine slide 22, which, when the machine slide 22 is moved, optically scans the lines representing the path resolution and sends them as an electrical signal via the lines 211, 212 to the two discriminators 7, 8. In such a case, the rotary encoder 21 is not needed.
The advantage of optical scanning at the linear scale 223 is that the error caused by the spindle 221 and transmission 222 has been eliminated. The linear scale 223 indicates the real, really linear displacement of the machine slide 22 and thus of the tool or the workpiece.
In the description of the two examples (positive or negative content of the memory 6, positive or negative direction of rotation of the feed motor 20, feedback by signals and resetting the contents of the memory 6 to 0) it was found that when the memory contents are reset to 0, the closed Pair of electronic switches 14, 15 or 13, 16 has been opened so that the feed motor is without power. Because of the inertia of this feed motor and its transmission 121, 222 and the machine slide 22, the feed motor continues to move in the old direction of rotation in the currentless state.
In the case of a very fine division, as has been assumed, for example, with 1 µm path resolution, this movement is noticeable in such a way that the rotary encoder 21 or the linear scale 223 sends one or more pulses via the lines 211, 212 to the two discriminators 7 , 8 there. From here, pulses reach the memory 6 via the inputs 63, 64 and are subtracted from the existing content, so that voltage signals are generated on the line 65, which via the evaluation logic 10, OR circuit 11 or 12, the pair of electronic The switch closes, which drives the feed motor in the opposite direction of rotation until the content of the memory 6 is reset to 0 again.
In this case, too, the memory contents are reset to 0 and the feed motor 20 continues in the old direction when the electronic switch is opened. It is clear that in this way a pendulum state of the feed motor 20 between contents +1 and -1 of the memory 6 is established. The braking pulse modulator 9 is provided to avoid this pendulum state.
This braking pulse modulator is activated by the memory 6 via line 65 when the content of the memory 6 has been reset to 0. In this case, the braking pulse modulator 9 is either via line 91 and OR gate circuit 12 jbzw. Via line 92 and OR gate circuit 11, a brake control pulse to the pair of electronic switches which act against the current direction of rotation of the feed motor 20. Since the evaluation logic 10 was also stimulated by the 0 content of the memory 6 via the line 65, the pair of electronic switches is opened via one or the other OR gate switch 11., 12, which was just closed for the feed movement carried out.
In this way, the feed motor 20 receives a so-called braking pulse in the opposite direction of rotation. The braking pulse, which is triggered by the braking pulse modulator 9, remains as long as the content of the memory 6 has not been reset to 0.
With the circuit arrangement described, using cheap feed motors which are not designed as stepper motors, 1,000,000 steps per second, 20,000 steps per revolution and torques of up to several mkp are achieved. This makes it possible for the first time that with path resolutions as small as 1, for example, rapid adjustments can be carried out at feed speeds of 6000 mm per minute, with high torques still being achieved. The feed device according to the invention can of course be connected to any numerical, digital control system 1.
This makes it possible to improve the feed systems in existing machine tools in such a way that the possibilities of a numerical control can be fully passed on to the mechanical side of the feed. Furthermore, the pre-lift described replaces the known hydraulic feed systems which were developed some time ago in order to obtain high feed forces with a certain precision.
The invention brings a new concept in the development of machine tools, the essential part of which is the feed.