DE3638698C2 - Einrichtung zur Linearbewegung eines Maschinenteils einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine - Google Patents
Einrichtung zur Linearbewegung eines Maschinenteils einer numerisch gesteuerten WerkzeugmaschineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Linearbe
bewegung eines ersten Maschinenteils einer numerisch ge
steuerten Werkzeugmaschine, bei der das erste Maschinenteil
in Axialrichtung einer Gewindespindel bewegbar ist, indem
eine Gewindemutter am ersten Maschinenteil angreift, die auf
der Gewindespindel aufsitzt, wobei ein zugeordneter Gewinde
spindelantrieb in Abhängigkeit von der Bewegung eines zweiten
Maschinenteils, insbesondere der Hauptspindel der Werkzeug
maschine, ansteuerbar ist.
Mit diesem Oberbegriff wird auf eine Anordnung Bezug genom
men, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 33 04 644 bekannt
ist. Bei dieser bekannten Steuereinrichtung für das Gewinde
bearbeiten auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen wird
der Vorschub von Werkstück zu Werkzeug aus der Werkstück
drehzahl abgeleitet und bei einem vorgegebenen Drehwinkel
wirksam gemacht. Dieser Drehwinkel wird voreilend um einen
Wert kompensiert, der dem Quotienten aus Schleppfehler und
Gewindesteigung proportional ist, so daß Soll- und Istvor
schub übereinstimmen. Damit erhält man eine Art elektroni
sches Getriebe, bei dem die Bewegung von Leit- und Folge
achsen genauso wie durch ein mechanisches Getriebe festgelegt
sind.
Neben dem Gewindeschneiden gibt es auch eine Reihe anderer
Aufgaben an einer Werkzeugmaschine, bei denen es erforderlich
ist, die Bewegung zweier Maschinenteile in irgendeiner Form
zu synchronisieren. So ist es z. B. beim Unrunddrehen von Kol
ben notwendig, einer Zustellachse eine oszillierende Bewegung
zu überlagern, welche in ihrer Amplitude und ihrer Frequenz
direkt von einer Leitachse, d. h. von der Drehung des Werk
stückes abhängig ist. Eine derartige leitachsenabhängige
zusätzliche Bewegung der Zustellachse bewirkt am Umfang des
Werkstückes eine vorausbestimmbare Kontur.
Bei den meisten bisher bekannten Lösungen wird diese zusätz
liche lineare Bewegung mit relativ aufwendiger Mechanik und
seltener elektronisch erzeugt. Die mechanische Realisierung
dieses Gedankens leidet unter erheblichem Verschleiß und er
fordert bei Wechsel der Werkstückart oder Werkstückdimension
einen hohen Umrüst- und Montageaufwand. Bei der elektroni
schen Verwirklichung dieser Idee wird bisher immer auf
direktem Weg eine lineare Bewegung erzeugt, d. h. über Rechts-
oder Linkslauf eines Stellmotors, der z. B. eine Spindel an
treibt. Hierbei sind jedoch die Bearbeitungsgeschwindigkeiten
durch die Regeldynamik der Stellmotoren begrenzt.
Aus der DE 32 37 151 A1 ist es bekannt, daß eine angetriebene
Gewindespindel eine Gewindemutter bewegt. Dabei sind jedoch
keine zusätzlichen Gewindemutterantriebe für eine überlagerte
Zusatzbewegung vorgesehen. Aus der DE-33 09 249 C2 ist es
bekannt, bei Werkzeugmaschinen eine feststehende Spindel zu
verwenden und eine motorisch angetriebene Gewindemutter zu
verwenden. Aus der EP-0 189 018 A1 ist eine Werkzeugmaschine
bekannt, bei der eine drehende Spindel auf zwei Spindel
muttern einwirkt. Ferner ist es aus dieser Entgegenhaltung
bekannt, daß diese Muttern bedarfsweise über Kupplungen be
tätigt werden. Ein eigener Antrieb für die Muttern ist nicht
vorgesehen. Aus allen drei Entgegenhaltungen ist es weder be
kannt noch nahegelegt, daß die Gewindemutter und die Gewinde
spindel mit einem jeweils eigenen Antrieb ausgestattet sind
und daß die von diesen beiden Antrieben in Gemeinschaft er
zeugte Linearbewegung durch die Überlagerung der durch den
Gewindespindelantrieb und den Gewindemutterantrieb ausge
lösten Bewegung bestimmt ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß
eine hohe Regeldynamik in der Folgeachse erreichbar ist. Ins
besondere soll dies für den Fall gelten, daß einer Zustell
achse eine lineare oszillierende Bewegung überlagert wird
oder die Zustellachse selbst in eine oszillierende Bewegung
zu versetzen ist.
Diese vorstehend genannte Aufgabe wird
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gewindemutter mittels
eines eigenen Gewindemutterantriebs in gleicher Drehrichtung wie die Gewindespindel
drehantreibbar ist, so daß die Linearbewegung des ersten Maschinen
teils durch die Überlagerung der durch den Gewindespindel
antrieb und den Gewindemutterantrieb ausgelösten Bewegungen
bestimmt ist.
Auf diese Weise können beide Antriebe bei Nenndrehzahl
laufen, während die Spindel still steht. Eine sehr schnelle
Bewegung der Spindel ist dann relativ einfach dadurch mög
lich, daß eine unterschiedliche Relativgeschwindigkeit zwi
schen Spindel und Mutter durch Eingriff in einen oder beide
Antriebe gewählt wird.
Durch das vorstehend geschilderte Gerät wird also mit Hilfe
zweier elektronischer Getriebe die Position und Geschwindig
keit einer oder mehrerer Leitachsen in einem frei wählbaren
Übersetzungsverhältnis schleppabstandsfrei an zwei Antriebs
einheiten (Folgeachsen) übertragen und damit der Bezug zwi
schen der Position der Leitachse und den Positionen der Folge
achsen hergestellt. Die mechanische Kopplung der beiden Folge
achsen ist durch Gewindemutter und Gewindespindel gegeben.
Führt man in die Steuersignale der beiden Antriebe positions
gebundene Korrekturwerte ein, so ergibt sich eine Relativge
schwindigkeit zwischen Mutter und Spindel und damit eine line
are Bewegung, sofern eines der beiden Elemente, Mutter oder
Spindel, gleitend gelagert ist.
Die Korrekturwerte und damit die sich ergebende Kontur am
Werkstück sind elektronisch relativ leicht zu verändern. Soll
eine Verschiebung des Einsatzwinkels der Kontur während der
Bearbeitung vorgenommen werden, kann dies durch Istwerterfas
sung der axialen oder tangentialen weiteren Zustellachsen er
reicht werden, und zwar in der Weise, daß aus diesen Bewegungen
zusätzliche Ansteuersignale abgeleitet werden. Hierdurch können
z. B. auch konische und mit einer Kontur beaufschlagte drehende
Teile bearbeitet werden.
Wie ersichtlich, ergeben sich durch die vorstehend geschil
derte Erfindung kürzere Umrüstzeiten durch einfache Umprogram
mierung der Kontur, höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten durch
bessere Ausnützung der Regeldynamik der Antriebe, d. h. Kon
turtreue und ein vielfältigerer Einsatz von Bearbeitungsma
schinen.
Als Anwendungsfälle seien hier genannt das Unrunddrehen von
Kolben, das Drehen und Schleifen von Kur
belwellen und ferner allgemein Oszillationshübe beim Schlei
fen.
Durch Umstellung der Achszuordnung können auch in anderen
Ebenen liegende oszillierende Bewegungen erzeugt werden, z. B.
kann dies für die Bearbeitung von Exzenterscheiben von Interes
se sein.
Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei
spiels sei die Erfindung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 den Prinzipaufbau der mechanischen Anordnung,
Fig. 2 eine Frontansicht des zu fertigenden Werkstückes,
Fig. 3 den elektrischen Aufbau der Einrichtung und
Fig. 4 den Einzelaufbau eines elektronischen Getriebes.
Es besteht die fertigungstechnische Aufgabe, das im Futter 2 eingespannte Werkstück
1 mit der in Fig. 2 strichpunktiert angedeuteten Kontur zu
versehen. Hierzu muß in Abhängigkeit von der Winkelstellung
des Werkstückes 1 eine entsprechende Veränderung der Zustel
lung des Bearbeitungswerkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 15
vorgenommen werden. Dies geschieht in der Weise, daß aus der
durch den Hauptspindelmotor 3 bewirkten Drehung des Werkstückes
1 mittels des angekuppelten Weggebers 4 Signale abgeleitet wer
den, die zu einer entsprechenden oszillierenden Bewegung des
Werkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 15 führen.
Für die normale axiale Bewegung des Werkzeuges 14 in Doppel
pfeilrichtung 10 ist ein Schlitten 11 vorgesehen, der von einem
Elektromotor 12 mit Weggeber 13 angetrieben wird. Zur radi
alen Bewegung des Werkzeuges 14 in Doppelpfeilrichtung 9 dient
ein weiterer, auf den Schlitten 11 verschiebbar gelagerter
Schlitten 6, der von einem Motor 7 mit Weggeber 8 in Doppel
pfeilrichtung 9 bewegbar ist. Hierdurch läßt sich eine axiale
und radiale Zustellung des Werkzeuges 14 in bezug auf das
Werkstück 1 erreichen. Zusätzlich soll in Abhängigkeit von
der Drehung des Werkstückes 1 in Pfeilrichtung 5 dem radialen
Vorschub eine oszillierende Bewegung zwecks Erzeugung
der Kontur nach Fig. 2 überlagert werden. Hierzu sind zwei
gesonderte Antriebe 17 und 19 mit Wegimpulsgebern 18 und 20
vorgesehen. Der Antrieb 19 treibt eine gleitend gelagerte Ge
windespindel 21 in Pfeilrichtung 38. Diese Gewindespindel 21
trägt ihrerseits wieder die Halterung 16, in der das Werkzeug
14 angeordnet ist.
Die der Gewindespindel 21 zugeordnete Gewindemutter 22 ist
nicht maschinenbettfest, sondern in Umfangsrichtung (Pfeilrich
tung 39) über ein Zahnrad 23 vom Antrieb 17 drehbar. Damit
überlagern sich die Drehung von Gewindespindel 21 und Gewinde
mutter 22. Bei entsprechender Ansteuerung der Antriebe 17 und
19 kann dadurch erreicht werden, daß die Linearbewegung in
Doppelpfeilrichtung 15 Null ist. Ist eine Bewegung erwünscht,
so wird in Abhängigkeit von der Winkellage des Werkstückes 1
entsprechend in die Antriebe 17 und 19 eingegriffen. Die
vorstehend beschriebene Anordnung unterscheidet sich im
wesentlichen also von den bekannten Lösungen dadurch, daß auch
die Gewindemutter drehbar gelagert ist und gesondert angetrieben
werden kann.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden von einer numerischen
Steuerung 24 in Kanälen 25, 26 und 27 sowohl die an die Antrie
be 7, 12 und 3 gehenden Sollwerte erzeugt als auch die von den
Weggebern 8, 13 und 4 kommenden Istwerte verarbeitet.
Wie ersichtlich, wird zur Aussteuerung der Antriebe 17 und 19
die Istwinkellage des Antriebes 3 bzw. des Werkstückes 1 mit
tels der vom Weggeber 4 kommenden Steuersignale über elektro
nische Getriebe 28 und 29 in Steuersignale für die Antriebe 17
und 19 umgesetzt. Zur Herstellung der gewünschten Kontur wer
den von der Steuerung 24 her mittels einer Korrektureinrich
tung 30 die Steuersignale für die Antriebe 17 und 19 entspre
chend winkelabhängig verändert, und zwar im elektronischen Ge
triebe 28 bzw. 29.
Den Aufbau eines derartigen elektronischen Getriebes zeigt
schematisch Fig. 4, wobei zu beachten sein wird, daß die dort
gezeigten Funktionsbausteine in der Praxis durch einen Rechner
realisiert werden. Wie ersichtlich, gelangen die vom Weggeber 4
kommenden Pulse über den Eingang ü in einen Zähler 31, dessen
Stand u ein Maß für die jeweilige Winkelposition des Werk
stückes 1 ist. Die zeitliche Änderung dieses Winkelwertes u
und eines Wertes Δu je Abtastperiode T, die im Baustein 35
gebildet wird, dient als Sollwert für den Antrieb 17. Durch
Vergleich mit dem in geeigneter Form vom Weggeber 18 geliefer
ten Istwert lassen sich dann in einer Vergleichsstelle 37 ge
eignete Ansteuerwerte gewinnen. Die Verstärkung kr in diesem
Antriebsregelkreis ist dabei durch den Baustein 36 angedeutet.
Der Wert Δu dient dabei zur Kompensation des Schleppabstan
des oder dergleichen. Hierzu wird in einem Baustein 32 ein der
zeitlichen Änderung Δu/ΔI proportionaler Wert gebildet und mit
einem von der Kreisverstärkung abhängigen Faktor c gewertet.
Der sich so ergebende Kompensationswinkel Δu wird dem Win
kel u in der Summierstelle 34 zugefügt und damit der Schlepp
fehler weitgehend kompensiert.
Wird in die Summierstelle ein von der Winkellage des Werk
stückes 1 abhängiger Korrekturwert über die Einrichtung 30
eingeführt, so wird der Gleichlauf zwischen den elektrischen
Antrieben 3 und 17 bewußt verändert und damit die gewünschte
programmierte Kontur erzeugt. Zweckmäßigerweise wird dabei
über die Korrektureinrichtung 30 gegensinnig in die beiden
elektronischen Getriebe 28 und 29 eingegriffen.
Wie Fig. 4 erkennen läßt, können an den Eingängen a und t der
elektronischen Getriebe 28 und 29 auch von den Bewegungen der
Antriebe 7 und 12 abgeleitete Signale eingeführt werden.
Claims (4)
1. Einrichtung zur Linearbewegung eines ersten Maschinenteils
einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, bei der das er
ste Maschinenteil in Axialrichtung einer Gewindespindel be
wegbar ist, indem eine Gewindemutter am ersten Maschinenteil
angreift, die auf der Gewindespindel aufsitzt, wobei ein zu
geordneter Gewindespindelantrieb in Abhängigkeit von der Be
wegung eines zweiten Maschinenteils, insbesondere der Haupt
spindel der Werkzeugmaschine, ansteuerbar ist, da
durch gekennzeichnet, daß die Gewinde
mutter (22) mittels eines eigenen Gewindemutterantriebs (17)
in gleicher Drehrichtung wie die
Gewindespindel (21) drehantreibbar ist, so daß die Linear
bewegung des ersten Maschinenteils (16) durch die Überlage
rung der durch den Gewindespindelantrieb (19) und den Ge
windemutterantrieb (17) ausgelösten Bewegungen bestimmt ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Ansteuerung
des Gewindespindelantriebs (19) und des Gewindemutterantriebs
(17) Signale aus der Drehung der Hauptspindel (5) abgeleitet werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Linearbewegung (15)
weitere, durch zusätzliche Bewegungsachsen auslösbare Bewe
gungen (9, 10) überlagerbar sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Signale
zur Ansteuerung des Gewindespindelantriebs (19) und des
Gewindemutterantriebs (17) durch von zusätzlichen Be
wegungsachsen (9, 10) abgeleiteten Signalen beeinflußbar sind.
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