DE4208701C2 - Verfahren zum Einspannen eines Werkstücks in einer CNC-Drehmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspannen eines Werkstücks in einer CNC-Drehmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 30 33 497 A1 ist ein Reitstock für Werkzeugma­ schinen bekannt, der in Axialrichtung, insbesondere manuell verstellbar ist. In dem Reitstock ist eine verfahrbare Pi­ nole vorgesehen, welche mittels eines elektrischen Antriebs über eine verhältnismäßig große Strecke in Axialrichtung verschoben werden kann. Liegt die Reitstockspitze an einem Werkstück an, so wird über ein separates Kraftaufnahmeele­ ment die Haltekraft ermittelt, und ein entsprechendes Sig­ nal abgegeben. Aufgrund dieses Signals wird der elektrische Antrieb gesteuert und somit die zum Einspannen des Werk­ stückes erforderliche Haltekraft geregelt.

Zum Betrieb der vorgenannten Vorrichtung ist zum einen eine komplizierte Regelungssteuerung erforderlich. Zum anderen ist ein relativ großer Bau- und Konstruktionsaufwand nötig. Darüber hinaus sind bei einer automatischen Verstellbarkeit des Reitstockes mindestens zwei separate Antriebe notwen­ dig, nämlich ein Antrieb für den Reitstock und ein Antrieb für die Pinole. Zudem verhindert die Notwendigkeit eines separaten Sensors, nämlich des Kraftaufnahmeelements, daß der Reitstock kostengünstig herzustellen ist. Schließlich ist es bei dem komplizierten Regelmechanismus nicht ohne weiteres möglich, einen bestimmten Haltedruck aufzubauen und zu halten. Insbesondere kann die Einstellung des Hal­ tedrucks nur relativ unflexibel verfolgt werden, und eine Anpassung an sich ändernde Betriebsverhältnisse ist nur mit relativ großem Aufwand möglich.

Aus der DE 39 13 138 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren mit zwei sich gegenüberliegenden Spindeln bekannt, wobei eine Spindel auch als Reitstock verwendet werden kann. Die als Reitstock verwendbare Spindel ist ne­ ben einem Spindel-Mutter-Trieb mit einem zusätzlichen, ins­ besondere hydraulischen Verstellantrieb ausgestattet. Ver­ möge des Spindel-Mutter-Triebes ist der Reitstock bis zum Werkstück verfahrbar. Die zur Verschiebung der Spin­ del notwendige Kraftübertragung von einem Kolben auf eine Anschlagfläche des hydraulischen Verstellantriebs erfolgt mittels eines Druckmediums.

Bei der bekannten Vorrichtung werden somit zwei - zum Teil aufwendige - Antriebe zum Einspannen eines Werkstückes be­ nötigt, nämlich ein Mutter-Spindel-Trieb sowie ein Kolben- Zylinder-Antrieb. Ferner ist ein separater Drucksensor zur Ermittlung des hydraulischen Drucks in der Kolben-Zylinder- Anordnung notwendig. Insgesamt ist diese Vorrichtung auf­ wendig und damit auch kostenintensiv aufgebaut. Durch die verschiedenen Antriebe sowie den separaten Drucksensor er­ höht sich ferner dessen Anfälligkeit.

Aus der US-PS 3,731,564 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der ein Reitstock zum Einspannen eines Werkstückes mittels eines Spindel-Mutter-Triebes manuell in Richtung einer Hauptspindel verfahrbar ist. Nachdem der Reitstock beim Einspannvorgang manuell soweit verfahren worden ist, daß die Reitstockspitze am Werkstück anliegt, wird der Mo­ tor durch manuelles Einstellen eines Reglerknopfes derart betrieben, daß über den Reitstock eine entsprechend einge­ stellte Haltekraft auf das Werkstück ausgeübt wird.

Der Betrieb einer CNC-Drehmaschine ist mit dieser bekannten Werkzeugmaschine jedoch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend wei­ terzubilden, daß mit geringem Aufwand ein exaktes Halten des Werktstückes erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 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 dem Sollwert entsprechende Axial­ kraft ein "Anpreßdruck". Wenn das Spannwerkzeug aber eine Ge­ genspindel ist, so kann die Axialkraft 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 die Spanneinrichtung vorgegeben, bei welchem deren werkstückseitiges Ende 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 Axialkraft bzw. dessen Drehmoment. Dieses Dreh­ moment wird nun ständig überwacht und auf einen Maximalwert (Sollwert) 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-Positionsgrenzwert vorzugeben, bei welchem das werkstückseitige Ende vor diesem liegt. Bei Erreichen dieser Position besteht also noch kein Kontakt zwischen der Spanneinrichtung und dem Werkstück. Bei Erreichen dieser Position wird nun vorteilhaf­ terweise 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 der Spanneinrichtung 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 die Spanneinrichtung so lange weiter, bis die gewünschte Axialkraft bzw. 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 Werkstoff-Stange, die durch die Hauptspindel hindurch eingeführt wird, verfährt man vorzugsweise den Reitstock so weit auf die Hauptspindel zu, daß die Spanneinrichtung mit ihrem werkstückseitigen Ende näher an der Hauptspindel liegt, als dies während der eigentlichen Bearbeitung der Fall sein soll. Wenn dann die Stange gegen die Spanneinrichtung, 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, vorbestimmten Kraft wird der Reitstock unter Nachschieben der Stange zurückgefahren und zwar derart, daß zwischen Spanneinrichtung und Werkstückvorderfläche eine definierte Kraft erhalten bleibt. Dadurch ist ein definierter Kontakt zwischen dem Werkstück und der Spanneinrichtung sichergestellt. Gleich­ zeitig wird die Position des Reitstockes bzw. der mit diesem verbundenen Spanneinrichtung überwacht. Sobald nun die Stange in ihrer Bearbeitungsposition ankommt, wird sie vom Futter der Hauptspindel festgespannt. Nun verfährt man den Reitstock so, daß die gewünschte Axialkraft oder 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 Spannein­ richtung. 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 liegt weiterhin darin, daß die Haltekraft der Spanneinrichtung 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 Spanneinrichtung und Werkstück in Richtung der Drehachse einer Drehmaschine kann man durch einen gesonderten Meßfühler messen. Besonders ein­ fach 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 40 durchgeführt. Diese ist über eine Tastatur 16 programmierbar und steht außerdem mit einem Datensichtgerät 15 in Verbin­ dung.

Die Steuerung 40 steuert über einen Leistungsverstärker 13 den Elektromotor 12 an. Der Ausgangsstrom des Verstärkers 13 wird über einen Strommeßfühler 10 abgegriffen und der Steue­ rung 40 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 (7)

1. Verfahren zum Einspannen eines Werkstücks in einer CNC- Drehmaschine bei der das Werkstück (11) am einen Ende in der Hauptspindel (17) und am anderen Ende in einem mittels Elektromotor (12) axial verfahrbaren Reitstock (20) je­ weils in einer Spanneinrichtung einspannbar ist, wobei sowohl die axiale Position des werkstückseitigen Endes der Reitstock-Spanneinrichtung, als auch die vom Elektromotor (12) erzeugte, auf das Werkstück (11) ausgeübte Axialkraft in einer Steuerung (40) überwacht und mit einem Sollwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerung (40) ein Positionsgrenzwert für die Reitstock-Spanneinrichtung vorgegeben wird, bei welchem deren werkstückseitiges Ende innerhalb des Werkstückes (11) liegt, daß das der Axialkraft entsprechende Drehmo­ ment des Elektromotors (12) ständig überwacht und die dem Sollwert entsprechende Axialkraft während weiterer Einwir­ kung auf das Werkstück (11) als Haltekraft aufrechterhal­ ten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, in Spannrichtung vor dem Positionsgrenzwert lie­ gender Vor-Positionsgrenzwert vorgegeben wird, bei welchem das werkstückseitige Ende der Reitstock-Spanneinrichtung in Axialrichtung vor dem Werkstück liegt, und daß bei Überschreiten des Vor-Positionsgrenzwertes von einem eige­ nen Regelbetrieb des Elektromotors (SPS-Betrieb) auf einen CNC-Betrieb zur Verkürzung der Zykluszeit umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer ersten, vom Elektromotor (12) er­ zeugten Kraft, die unterhalb der dem Sollwert entspre­ chenden Axialkrat liegt, die momentane Position der Reit­ stock-Spanneinrichtung ermittelt wird, und daß danach der Reitstock (20) so lange weiterverfahren wird, bis die ge­ wünschte, dem Sollwert entsprechende Axialkraft erreicht ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die CNC- Drehmaschine zum Einspannen einer Werkstoff-Stange ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Laden einer Stange der Reitstock (20) so weit auf die Hauptspindel (17) zu verfahren wird, daß die Reit­ stock-Spanneinrichtung mit ihrem werkstückseitigen Ende näher an der Hauptspindel (17) liegt, als dies einer wäh­ rend einer Bearbeitung einzunehmenden Bearbeitungsposition entspricht, daß die Stange unter Positionsbeibehaltung des Reitstockes (20) eingeschoben wird, bis die Axialkraft zwischen der Reitstock-Spanneinrichtung und der Stange bzw. die Kraft des Elektromotors (12) einen ersten, vorbe­ stimmten Kraftwert erreicht, daß der Reitstock (20) unter Nachschieben der Stange und im wesentlichen unter Beibe­ haltung des ersten vorbestimmten Kraftwertes zurückgefah­ ren wird, bis die Bearbeitungsposition erreicht ist, daß die Stange in die Hauptspindel (17) eingespannt wird, und daß dann der Reitstock (20) wieder vorgefahren wird, bis die dem Sollwert entsprechende Axialkraft erreicht ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reitstock-Spanneinrichtung an einer Gegenspindel angeordnet ist und ein Abstechvorgang durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstechvorgang dann als beendet gemeldet wird, wenn die dem Sollwert entsprechende Axialkraft um einen vorbestimmten Betrag abfällt und/oder einen vorbestimmten Betrag unterschreitet und/oder eine vorbestimmte Posi­ tionsgrenze des Reitstockes (20) oder der Reitstock- Spanneinrichtung erreicht oder überschritten wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reitstock-Spanneinrichtung an einer Gegenspindel an­ geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einspannen eines Werkstückes mittels der Gegen­ spindel mit Spanneinrichtung diese auf das Werkstück (11) zu verfahren und die Spanneinrichtung dann geschlossen wird, wenn die dem Sollwert entsprechende Axialkraft er­ reicht ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltekraft während der Bearbeitung in Übereinstim­ mung mit Bearbeitungsparametern eingestellt oder verändert wird.