DE68923316T2

DE68923316T2 - Werkzeugmaschine zur Werkstückbearbeitung in eine nichtkreisförmige Querschnittskonfiguration.

Info

Publication number: DE68923316T2
Application number: DE68923316T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Kajitani; Hidehiko Miyake
Original assignee: Takisawa Machine Tool Co Ltd
Current assignee: Takisawa Machine Tool Co Ltd
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: EP0338541B1; EP0338541A2; DE68923316D1; JP2672970B2; EP0338541A3; JPH01271102A; US5085109A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG:

Gebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum genauen Verarbeiten bzw. Bearbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration.

Stand der Technik:

In einer Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration weist ein herkömmliches Kopierverfahren, das ein Muster verwendet, einen Nachteil auf, dieses Muster herstellen zu müssen. Entsprechend ist ein solches Verfahren kürzlich dahingehend untersucht worden, daß Programmdaten einer nicht kreisförmigen Querschnittskontur auf einem Computer durch Eingeben der Daten der Kontur herausgearbeitet werden, wobei das Werkstück durch eine numerische Steuerung verarbeitet bzw. bearbeitet wird.
Wenn das Werkstück oder ein Werkzeug in dem Fall des Verarbeitens eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration in der Richtung (Z-Richtung) parallel zu der Drehachse O verschoben wird, kann ein herkömmlich allgemein bekanntes Vorschubspindel- oder dergleichen -verfahren dem Verarbeiten des Werkstücks vollständig gewachsen sein, da es nicht notwendig ist, das Werkstück oder das Werkzeug bei irgendeiner bestimmten Hochgeschwindigkeit zu verschieben, und kann weiterhin eine bestimmte Geschwindigkeit zur Verschiebung festgelegt werden.
Da das geschwindigkeitserhöhte Verarbeiten eines Werkstücks eine Drehung bei sehr hoher Geschwindigkeit benötigt, ist es allerdings kürzlich notwendig geworden, das Werkzeug nicht nur mit hoher Geschwindigkeit, sondern auch ausgesprochen genau in der X-Achsenrichtung, das heißt in der Richtung senkrecht zu der Drehachse O, zu bewegen.
Zu dem oben beschriebenen Erfordernis wird in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 61-8202 zum Beispiel das Arbeitsfluid eines hydraulischen Ölzylinders gesteuert, um einen Werkzeughalter unter der Steuerung eines hydraulischen Servomechanismus hin- und herzubewegen. Da der Hub eines einzigen hydraulischen Ölzylinders so groß wird, daß ein Problem in Antwort auf das Servosystem hinsichtlich einer Trägheit bzw. einer Trägheitskraft der bewegenden Teile, der Kompressibilität des Arbeitsfluids und dergleichen auftritt, wird das Steuersystem bei diesem Verfahren in ein Hauptteil und ein Unterteil getrennt: das Hauptteil steuert den durchschnittlichen Durchmesser des Werkstücks, der eine große Bewegung mittels herkömmlichem Vorschubspindelverfahren erfordert, und das Unterteil steuert die Differenz zwischen den kleinsten und größten Durchmessern jedes Querschnitts des Werkstücks mittels hydraulischem Ölzylinder. Die Hin- und Herbewegung des hydraulischen Zylinders muß daher in dem Mittelpunkt seines Hubes gesteuert werden, um das Werkstück mit einer höheren Präzision zu verarbeiten bzw. zu bearbeiten. Dementsprechend ist ein Nachteil dadurch vorhanden, daß die Größe des Zylinders dazu neigt, eingeschränkt zu sein.
Weiterhin ist ein Fall, der einen hydraulischen Ölservomechanismus verwendet, in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 61-8203 offenbart.
Ein solcher Mechanismus, der einen hydraulischen Ölservomechanismus verwendet, weist eine Möglichkeit auf, daß in Übereinstimmung mit einer Erhöhung in der Frequenz der Hin- und Herbewegung des Zylinders in der X-Richtung durch ein Erhöhen der Geschwindigkeit der Drehung des Werkstücks eine Verzögerung in der Phase auftreten wird und die Amplitude abnehmen wird. Da der hydraulische Ölservomechanismus bei hoher Geschwindigkeit betrieben wird, erhöht sich weiterhin die Temperatur des Arbeitsfluids und ändern sich die Charakteristiken, was zu einer Verschlechterung in der Verarbeitungsgenauigkeit aufgrund einer Hitzeverschiebung führt. Da das Arbeitsfluid kompressiv ist, wird es des weiteren durch eine Differenz in einem Schneidebetrag bzw. Abtragungsbetrag und einem Widerstand während des Schneidevorganges bzw. des Abtragungsvorganges, welche durch die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks hervorgerufen wird, beeinflußt, was ein hauptsächlicher Faktor für ein Hervorrufen einer Verschlechterung in der Verarbeitungsgenauigkeit ist.
Es sind weitere Faktoren vorhanden, die eine Möglichkeit verursachen, daß eine Verzögerung in der Phase auftreten wird und die Amplitude abnehmen wird, die aus einer Erhöhung in der Frequenz der Hin- und Herbewegung des Zylinders in der X-Richtung folgt, welche durch ein Erhöhen der Geschwindigkeit der Drehung des Werkstücks hervorgerufen ist. Unter diesen spielen weiterhin das Gewicht des Werkzeughalters, der in einer herkömmlichen Werkzeugmaschine vorgesehen ist, das heißt des Schlittenabschnittes, und eine Änderung in dem Schneidewiderstand usw. eine Rolle.
In den US-Patent Nr. 4,653,360 ist ein Fall, der einen Linearmotormechanismus anstatt des oben beschriebenen hydraulischen Ölservomechanismus verwendet, offenbart. Da das Werkzeug unmittelbar in der X-Richtung durch den Linearmotor hin- und herbewegt wird, trägt der eine Linearmotor in diesem Fall jedoch Lasten, wie das gesamte Gewicht des Werkzeughalters und der Änderung in dem Schneidewiderstand. Dieser Fall weist daher ein Problem auf, daß die Genauigkeit während des Schneidens bzw. Abtragens bei hoher Geschwindigkeit veranlaßt, sich zu verschlechtern.
Da eine Kühleinrichtung zum Unterdrücken einer Wärmeerzeugung bzw. Hitzeerzeugung von dem Linearmotor notwendig ist, ist der obige Fall des weiteren nicht wirtschaftlich.
Zusätzlich hat die herkömmliche Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration den Nachteil, daß die einzugebenden Daten mehrere Zehntausend Zahlen betragen, was eine einfache Verwendung, wie in dem obigen, weit bekannten Fall, schwierig macht.
Aus der US 4,343,206 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die ausgestaltet ist, um Werkstücke mit einer parabolischen Vorderseite zu verarbeiten bzw. bearbeiten, wobei die Vorderseite einen nicht kreisförmigen Querschnitt erhält. Um diese Aufgabe zu lösen, offenbart die US 3,343,206 eine Werkzeugmaschine, die einen herkömmlichen Werkzeugträger umfaßt, der in zwei Achsen, der X-Achse und der Z-Achse, bewegbar ist, wobei die Werkzeugmaschine zusätzlich mit einem Spindelstock versehen ist, der in einer dritten Achse, der Y-Achse verschiebbar bzw. gleitbar ist. Um den kreisförmigen Bereich eines nicht kreisförmigen Werkstücks zu bilden, werden lediglich die Bewegungen in der X- und Y- Achse verwendet. Um die nicht kreisförmige Vorderseite des Werkstücks zu bilden, sind jedoch zusätzliche Bewegungen des Werkzeugs längs der Z-Achse notwendig.
Die in der US 4,343,206 offenbarte Werkzeugmaschine ist mit einer herkömmlichen numerischen Steuereinheit versehen, wodurch die Maschine einen beträchtlichen Aufwand an Zeit erfordert, da die numerische Steuereinrichtung die Befehle für den Verschiebungsbetrag an jeden Servomotor erteilt, während sie den Verschiebungsbetrag zu jedem Servomotor nach einem Lesen des nachfolgenden Programmes errechnet bzw. berechnet.
Die der Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Werkzeugmaschine zu erhalten, die geeignet ist, Werkstücke mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt mit hoher Geschwindigkeit in einem kurzen Zeitabschnitt zu verarbeiten bzw. zu bearbeiten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:

Die vorliegende Erfindung entwickelt eine Struktur einer Werkzeugmaschine zum Verarbeiten bzw. Bearbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration und einen Steuermechanismus zur Verwendung in dieser, wie nachfolgend gezeigt, um die Genauigkeit der Verarbeitung bzw. Bearbeitung beizubehalten, um sich über den gesamten Bewegungshub des Werkzeughalters zu erstrecken sowie um eine Eingabe durch einen Operateur zu vereinfachen.
Ein Merkmal der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration besteht darin, in bezug auf das Werkstück (1), das kontinuierlich gedreht wird, in dem Fall, bei welchem eine Richtung parallel zu der Drehachse O auf eine Z-Achse bezogen ist, eine Richtung senkrecht zur Drehachse eine X-Achse und eine Drehrichtung eine C-Achse ist, die Werkzeugmaschine einen ersten X-Achsenschlitten (2), der in der Z- und X-Achsenrichtung relativ bewegbar vorgesehen ist, einen zweiten X-Achsenschlitten (3), der von dem ersten X-Achsenschlitten (2) getragen ist, welcher mit hoher Geschwindigkeit in der X-Richtung bewegbar ist, einen zweiten X-Achsenservomotor (5) zum Bewegen eines Werkzeugs (4), das an dem zweiten X-Achsenschlitten (3) in der X-Achsenrichtung in jeder Stellung der Z- und Drehrichtungen durch einen vorhergehend programmierten Steuerwert bzw. Sollwert befestigt ist, einen Spindelstock (7), der einen C-Achsenservomotor (6) zum Steuern des Werkstücks (1) in der Drehrichtung, eine numerische Steuereinrichtung (11) zum Ausgeben von Befehlen bei hoher Geschwindigkeit, um so eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration in den drei Richtungen der Z-, C- und zweiten X-Achsen zu bilden, und eine automatische Betätigungsvorrichtung (12) zum Herausarbeiten von steuernden Programmdaten umfaßt.
Bei der Erfindung ist der zweite X-Achsenschlitten (3) aus Feinkeramik hergestellt, welches leicht, wärmebeständig, bei Hitze nicht-ausdehnbar und hoch verschleißfest ist, wobei auch eine Kugelumlaufspindel hoher Genauigkeit und ein Servomotor unmittelbar miteinander verbunden sind.
Gemäß der Erfindung kann das Werkstück folglich mit hoher Geschwindigkeit und genauer verarbeitet bzw. bearbeitet werden.
Ein Steuermechanismus der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Bewegung des zweiten X-Achsenservomotors (5), das heißt der Befehl der Bewegung des Werkzeugs (4) in der X-Richtung, berechnet wird, indem Koordinaten an jeder Position auf dem Werkstück aus einer Funktion f(θ, Z) eines Drehwinkels Θ aus einer Bezugsebene des Werkstücks (1) und einem Abstand Z vom Bezugspunkt in der Z-Richtung parallel zur Drehachse O gefunden werden, wobei eine nicht kreisförmige Querschnittskontur gebildet wird, und daß Programmdaten einer nicht kreisförmigen Querschnittskontur durch die automatische Betriebseinrichtung berechnet werden, indem Elemente des Werkstücks in einer vereinfachten Form eingegeben werden und sie auf die numerische Steuereinrichtung übertragen werden, um den X-Achsenservomotor, der mit dem Werkzeug versehen ist, zu steuern.
Die Elemente des Werkstücks, die oben als einfach eingebbar beschrieben sind, sind mehrere, wie der Abstand (als ein Abmessungswert in der Zeichnung gegeben) von dem Bezugspunkt, der in der Z-Achsenrichtung parallel zu der Drehachse O existiert, zu einer verarbeiteten bzw. bearbeiteten Konfiguration, die einen Bezugsquerschnitt zeigt, wenn das Werkstück kreuzförmig in einer beliebigen bzw. willkürlichen Position geschnitten bzw. abgetragen wird, eine Konfiguration jedes Querschnitts usw. Die Elemente sind mit anderen Worten die kleinsten örtlichen Abmessungswerte und stellen genug Information dar, um die nicht kreisförmige Querschnittskontur auszudrücken.
Die Programmdaten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur werden durch die automatische Betriebseinrichtung in einer solchen Weise berechnet, daß die Radien der Kontur zunächst durch eine interpolierte automatische Operation durch die Betriebseinrichtung betrieben bzw. bearbeitet werden, derart, daß die Kontur die eingegebene Querschnittskonfiguration erhalten kann, und daß ihre Konfiguration in beliebigen Winkeln (die kreuzweise geschnittenen bzw. abgetragenen Konfigurationen durchlaufen die Achse O) aus der Bezugsoberfläche (Θ = 0) geglättet werden können. Auf diese Weise wird der Gesamtbereich durch die automatische Betriebseinrichtung (12) unter Verwendung einer Interpolation und der Daten (P&sub0;&sub1;, P&sub0;&sub2;, P&sub0;&sub3; --- PA1, PA2 --- Pc1, Pc2 --- Pck-1, Pck) berechnet, wobei eine Menge von mehreren Zehntausend Koordinaten an den entsprechenden Punkten an dem Werkstück herausgearbeitet wird, so daß sie spiralförmig sein können und sich glatt erstrecken, wobei der Bewegungsbefehl des Werkzeugs (4) in der X-Richtung als eine Funktion f(Θ, Z) des Drehwinkels Θ aus der Bezugsebene des Werkstücks (1) und dem Abstand Z von dem Bezugspunkt in der Z-Richtung parallel zu der Drehachse O entsprechend den Verarbeitungsbedingungen (Drehgeschwindigkeit, Schnittzufuhr bzw. Vorschubgeschwindigkeit usw.) betrachtet ist.
Eine große Menge von Daten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur, die auf die oben-erwähnte Weise erhalten wird, wird in einem Speicher eines Host-Computers gespeichert, und ebenso werden die Daten in einem Inertialspeicher an der Werkzeugmaschine gespeichert. Die Daten werden auf die numerische Steuereinrichtung erforderlichenfalls übertragen, welche den X-Achsenservomotor, der mit dem Werkzeug versehen ist, steuert.
Gemäß einem solchen Steuerverfahren der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration der Erfindung wird eine große Menge von Daten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur automatisch ausschließlich auf der Basis der Eingabe von mehreren Elementen des Werkstücks betrieben bzw. bearbeitet. Der X-Achsenservomotor, der in den Z- und X-Richtungen verhältnismäßig bewegbar angeordnet und ebenso mit dem Werkzeug versehen ist, wird auf der Basis der obigen Daten gesteuert.
Bei der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration der Erfindung gibt die numerische Steuereinrichtung (11) entsprechend der von der automatischen Betriebseinrichtung (12) ausgearbeiteten steuernden Programmdaten Befehle mit hoher Geschwindigkeit aus, um eine nicht kreisförmige Konfiguration in den Z-, C- und zweiten X-Richtungen zu bilden. In diesem Fall bewegt sich zunächst der erste X-Achsenschlitten (2) schnell relativ in den Z- und X-Richtungen mit Bezug auf das Werkstück (1), das kontinuierlich mittels des C-Achsenservomotors (6) zum Steuern in der Drehrichtung gedreht wird. Nachfolgend bewegt sich der zweite X-Achsenschlitten (3), der an dem ersten X-Achsenschlitten (2) abgestützt ist, in der X-Richtung mit hoher Geschwindigkeit gemäß dem Steuerwert bzw. Sollwert mittels des zweiten X- Achsenservomotors (5).
Der erste X-Achsenschlitten arbeitet bzw. bewegt sich zu einer groben Position in der X-Richtung gemäß der Größe des Werkstücks und hält gewöhnlich während eines Verarbeitens bzw. Bearbeitens des Werkstücks an. Der zweite X-Achsenschlitten (3) ist aus Feinkeramik hergestellt, und wenn der zweite X-Achsenservomotor (5) den zweiten X-Achsenschlitten (3) in der X-Achsenrichtung mit hoher Geschwindigkeit gemäß dem Steuerwert bzw. Sollwert bewegt, kann der zweite X-Achsenschlitten sicher bewegt werden, da eine Kugelumlaufspindel hoher Genauigkeit unmittelbar mit dem Servomotor verbunden ist. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Feinkeramik einem Fünftel desjenigen von Stahl entspricht, kann weiterhin ein ausgesprochen präzises Verarbeiten bzw. Bearbeiten beständig und für eine lange Zeitdauer durchgeführt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ist eine Seitenansicht derselben, von der rechten Seite der obigen gesehen,
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm derselben,
Fig. 4 ist eine erläuternde Ansicht eines durch die Erfindung zu verarbeitenden bzw. bearbeitenden Werkstücks nicht kreisförmigen Querschnitts,
Fig. 5(a) bis 5(d) sind Querschnittsansichten des in der Fig. 4 gezeigten Werkstücks nicht kreisförmigen Querschnitts an den Punkten Z entsprechend in beliebigen Abständen von dem Bezugspunkt in der Z- Richtung,
Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die den Steuerbetrag der Bewegung eines Werkzeugs der Maschine zum Verarbeiten des Werkstücks zeigt,
Fig. 7 ist eine erläuternde Ansicht des Steuerbetrags der Bewegung jeder Achse während einer Drehung des Werkstücks, und
Fig. 8 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen den Steuerbeträgen der Bewegungen der ersten und zweiten X-Achsenschlitten und des Werkstücks zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGEN AUSFÜHRUNGSFORM:

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht derselben, von deren rechter Seite gesehen; und die Fig. 3 ist ein Blockdiagramm derselben.
Die Werkzeugmaschine der Erfindung umfaßt eine automatische Betriebseinrichtung (12), mit welcher es möglich ist, Daten auf eine einfachere Weise einzugeben und somit eine große Menge von Daten zusammen mit einer nicht kreisförmigen Querschnittskontur automatisch in Betrieb zu setzen, eine numerische Steuereinrichtung (11), die Hochgeschwindigkeitsbefehle zum Bilden des nicht kreisförmigen Querschnitts in den drei Richtungen einer X-Achse, einer C- Achse und einer zweiten X-Achse auf der Basis der Daten ausgibt bzw. erteilt, und einen Werkzeugmaschinenengrundkörper (10).
Die automatische Betriebseinrichtung (12) verwendet hauptsächlich einen Personal Computer, wobei es jedoch nicht ausgeschlossen ist, daß eine Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung mittels eines großformatigen Computers durchgeführt werden könnte. Wie in der Fig. 3 gezeigt, werden vereinfachte Daten in die automatische Betriebseinrichtung (12) über eine Tastatur oder eine Online-Eingabe eingegeben. Eine große Menge an hier erhaltenen Daten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur wird zu der nächsten numerischen Steuereinrichtung (11) übertragen, und die Daten werden, wenn notwendig, auf einer Diskette oder einer Kassette durch einen externen Speicher abgespeichert und beibehalten.
Die numerische Steuereinrichtung (11) beinhaltet einen Programmdatenspeicher (13), der durch die automatische Betriebseinrichtung (12) ausgearbeitete Steuerprogrammdaten speichert, und einen Befehlssignalerzeuger (14) zum Erzeugen von Befehlssignalen auf der Basis von den Programmdaten.
Ein Spindelstock (7) ist auf einem Untergestell (20) des Werkzeugmaschinengrundkörpers (10) vorgesehen und ein Spannfutter bzw. Werkzeugfutter (8) zum Abstützen eines Werkstücks (1) ist an einer an dem Spindelstock (7) drehbar abgestützten Spindel (15) angeordnet. Eine Bewegung in der Drehrichtung der Spindel (15) ist durch einen C-Achsenservomotor (6) gesteuert, der mit der Spindel über eine Kupplung verbunden ist.
In der Z-Achsenrichtung parallel zu der Drehachse O der Spindel (15) vorgesehen, ist eine Z-Achsenkugelumlaufspindel (16) vorhanden, die durch einen Z-Achsenservomotor (17) gedreht wird, welcher mit deren Ende verbunden ist.
Ein in der Z-Achsenrichtung bewegbarer Z-Achsenschlitten (18) ist an der Z-Achsenkugelumlaufspindel (16) befestigt und so angeordnet, um auf das Untergestell (20) in der Z- Achsenrichtung gleitbar bzw. verschiebbar einzuwirken.
Ein erster X-Achsenservomotor (21) ist an dem Z-Achsenschlitten (18) in der X-Richtung vorgesehen. Der erste X- Achsenservomotor (21) dreht eine erste X-Achsenkugelumlaufspindel (19), welcher mit deren Ende verbunden ist. Ein blockähnlicher erster X-Achsenschlitten (2) steht mit der ersten X-Achsenkugelumlaufspindel (19) in Eingriff, um sich so relativ in der X-Richtung zu bewegen.
Der erste X-Achsenschlitten (2) ist ein Hauptschlitten, auf welchem ein zweiter X-Achsenservomotor (5) in der X-Achsenrichtung vorgesehen ist. Der zweite X-Achsenservomotor (5) dreht eine zweite X-Achsenkugelumlaufspindel (22), welcher mit deren Ende verbunden ist. Ein blockartiger zweiter X- Achsenschlitten (3), der einen Unterschlitten darstellt, steht mit der zweiten X-Achsenkugelumlaufspindel (22) in Eingriff. Der zweite X-Achsenschlitten (3) hält ein Werkzeug (4) zurück. Zusätzlich ist der zweite X-Achsenschlitten (3) aus leichter, aber fester Feinkeramik hergestellt und wird eine Kugelumlaufspindel hoher Genauigkeit für die zweite X-Achsenkugelumlaufspindel (22) verwendet.
Ein Verfahren zur automatischen Berechnung von Programmdaten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur und ein Steuerverfahren der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration wird nun in größerem Detail unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 8 beschrieben.
Die Fig. 4 stellt eine erläuternde Ansicht eines durch die Erfindung zu verarbeitenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücks mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt dar; die Fig. 5(a) bis 5(d) sind Querschnittsansichten des in der Fig. 4 gezeigten Werkstücks mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt, entsprechend an einer Reihe von Punkten Z in beliebigen Entfernungen bzw. Abständen von dem Bezugspunkt in der Z-Richtung; die Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht, die den Steuerbetrag der Bewegung des Werkzeugs zum Verarbeiten des Werkstücks zeigt; die Fig. 7 ist eine erläuternde Ansicht des Steuerbetrags der Bewegung von jeder Achse während einer Drehung des Werkstücks; und die Fig. 8 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen den Steuerbeträgen der Bewegungen der ersten und zweiten X-Achsenschlitten und des Werkstücks zeigen.
Der in der Zeichnung dargestellte Querschnitt des Werkstücks nicht kreisförmigen Querschnitts ist zwischen dem Bezugsendabschnitt des Werkstücks und der Linie A-A' kreisförmig, wie in der Fig. 5(a) gezeigt. Als Elemente des Werkstücks werden daher die folgenden als Daten eingegeben: der kleinste Radius mr an dem Bezugspunkt O und die Tatsache, daß der Querschnitt dort kreisförmig ist; die Entfernung bzw. der Abstand Z von dem Bezugspunkt O zu der Linie A-A' und die Tatsache, daß der Querschnitt dort ebenfalls kreisförmig ist; wiederum ein kleinster Radius ra. Es ist nicht notwendig, den größten Radius rb einzugeben, da der Querschnitt kreisförmig ist.
Als nächstes ist der Querschnitt des Werkstücks nicht kreisförmigen Querschnitts an der Linie B-B' hexagonal. In diesem Fall wird die folgende Information eingegeben: der Abstand Z von dem Bezugspunkt O zu der Linie B-B'; die Tatsache, daß der Querschnitt hexagonal ist; der kleinste Radius ra und der größte Radius rb.
In ähnlicher Weise sind die Querschnitte an der Linie C-C' und der Linie D-D' nicht kreisförmig und elliptisch, wobei in den entsprechenden Fällen die Abstände von dem Bezugspunkt O zu den entsprechenden Linien, die kleinsten Radien ra und die größten Radien rb sämtliche Eingaben sind.
Die Programmdaten (P&sub0;&sub1;, P&sub0;&sub2;, P&sub0;&sub3; --- Pck-1, Pck) für die glatte nicht kreisförmige Querschnittskontur von dem Bezugspunkt O zu den Linien A-A', B-B', C-C', D-D' umfassen die Eingabekonfiguration, und die Radien werden berechnet, derart, daß die Konfiguration in der Z-Richtung in beliebigen Winkeln Θ (kreuzweise geschnittene bzw. abgetragene Konfigurationen durchlaufen die Achse O) von der Bezugsebene Θ = 0 glatt sein kann. In diesem Fall wird eine Interpolation verwendet. Wenn Koordinaten jedes Punktes P an dem Werkstück durch eine Funktion f(Θ, Z) des Drehwinkels Θ von der Bezugsebene des Werkstücks (1) und dem Abstand Z von dem Bezugspunkt in der Z-Richtung parallel zu der Drehachse O gefunden werden, werden die Koordinaten in den Daten als eine spiralförmige Ortskurve wie in der Fig. 7 auf der Oberfläche des Werkstücks errichtet, da das Werkzeug in einer Entfernung von h während einer Drehung des Werkstücks bewegt wird. Da für die Bewegung ein Bereich ΔZ in einen ausgesprochen kleinen Betrag unterteilt wird, können die Koordinaten jedes Punktes (PA2, PA3 --- PAj) mit Ausnahme der Punkte PA1 und PA2, die vereinfacht in die Daten eingegeben worden sind und zwischen diesen bestehen, unter der Annahme, daß die Funktion f(Θ, Z) eine glatte ist, gefunden werden. Bei der Interpolation wird eine Differenzaufzeichnung in der Betriebseinrichtung errichtet und wird eine herkömmliche, weithin verbreitete genaue Formel einer Interpolationsfunktion verwendet.
Gemäß dieser Daten ist die Funktion (Θ, Z) der Abstände Z von dem Bezugspunkt in der Z-Richtung in der Fig. 6 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß dort eine Amplitude zwischen der Ortskurve des Werkzeugs an einem Punkt des größten Radius und der Ortskurve des Werkzeugs an dem Punkt des größten Radius und der Ortskurve des Werkzeugs an dem Punkt des kleinsten Radius besteht. Der Durchschnittsradius zwischen den größten und kleinsten Radien ist in der Erfindung nicht bedeutsam.
Die Fig. 8 zeigt das obige durch die Beziehung zwischen den Steuerbeträgen der Bewegungen der ersten und zweiten X-Achsenschlitten und des Werkstücks. Der in der Zeichnung gezeigte erste X-Achsenschlitten (2) verschiebt sich schnell um den Abstand von f&sub1;, der durch Verminderung des Wertes des größten Radius rb von dem Abstand zwischen dem Bezugspunkt O und dem distalen Ende des Werkzeugs (4), das durch den zweiten X-Achsenschlitten (3) abgestützt ist, unter dem Programmbefehl erhalten wird, wobei er zum Verarbeiten der Amplitude (f&sub2;) zwischen der Ortskurve des Werkzeugs an dem Punkt des größten Radius und der Ortskurve des Werkzeugs an dem Punkt des kleinsten Radius durch den zweiten X-Achsenschlitten (3) bereit ist. Zu dieser Zeit ist es natürlich klar, daß die Position der Kante des Werkzeugs (4) in bezug auf die Rotationsachse O automatisch auf den Befehl des Programms eingestellt wird. Des weiteren dreht die C-Achse den zuvor in der Fig. 1 gezeigten C-Achsenservomotor (6) mit einer bestimmten Geschwindigkeit zum Steuern des Drehwinkels Θ.
Gemäß der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration der Erfindung und des Steuerverfahrens derselben werden eine große Menge an Daten der nicht kreisförmigen Querschnittskontur automatisch auf der Grundlage nur der Eingabe mehrerer Elemente des Werkstücks bearbeitet. Der X-Achsenservomotor, der in den X- und Z-Achsenrichtungen relativ bewegbar angeordnet und mit dem Werkzeug versehen ist, wird auf der Basis der obigen Daten gesteuert. Daher ist es möglich geworden, die Eingabe der Daten zu vermindern und deren Geschwindigkeit zu erhöhen.
In der Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration gibt die numerische Steuereinrichtung in Übereinstimmung mit den durch die automatische Betriebseinrichtung ausgearbeiteten Steuerprogrammdaten Befehle mit hoher Geschwindigkeit aus, um das Werkstück in eine nicht kreisförmige Querschnittsfunktion in den drei Richtungen der Z-Achse, C-Achse und zweiten X-Achse, zu bilden, wobei der erste X-Achsenschlitten des Hauptschlittens relativ schnell das Werkzeug in den Z-Achsen- und X-Achsenrichtungen in bezug auf das kontinuierlich gedrehte Werkstück bewegt und sich der zweite X- Achsenschlitten des Unterschlittens in der X-Richtung bewegt, um das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit in Übereinstimmung mit dem Steuerwert bzw. Sollwert zu verarbeiten bzw. zu bearbeiten, wobei es möglich wird, das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit automatisch zu verarbeiten bzw. zu bearbeiten.
Da die Schlitten aus leichter Feinkeramik hergestellt sind und präzise Kugelumlaufspindeln in der Werkzeugmaschine vorgesehen sind, kann das Werkstück weiterhin zuverlässig dem Steuerwert bzw. Sollwert folgen, so daß die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung des Werkstücks genauer geworden ist.

Claims

1. Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration, umfassend: ein auf eine Hauptwelle aufgespanntes und kontinuierlich gedrehtes Werkstück (1), wobei eine Richtung parallel zur Drehachse O des Werkstücks als eine Z-Achse, eine Richtung senkrecht zu dieser Drehrichtung O als eine X-Achse und eine Drehrichtung C um die Drehrichtung O definiert ist;

einen Z- Achsenservomotor (17);

einen Z- Achsenschlitten (18), der durch diesen Z-Achsenservomotor bewegt wird;

einen ersten X-Achsenservomotor (21);

einen ersten X-Schlitten (2), der in dieser X-Achsenrichtung durch diesen X-Achsenservomotor bewegt und auf diesem Z-Achsenschlitten gelagert ist;

ein Werkzeug (4), das vor und zurück in jeweilige Positionen in der Z-Achsen- und C-Achsenrichtung nach vorher programmiertem sollwert bewegt wird;

einen Spindelstock (7), der einen Drehservomotor (6) umfaßt, um dieses Werkstück (1) in der Drehrichtung (C) zu steuern;

gekennzeichnet durch

einen zweiten X-Achsenschlitten (3), der fein als Unterschlitten bei hoher Geschwindigkeit auf diesem ersten X-Achsenschlitten (2) in X-Achsenrichtung durch einen zweiten X-Achsenservomotor (5) beweglich ist, wobei das Werkzeug (4) an diesem zweiten X- Achsenschlitten (3) befestigt ist und eine numerische Steuereinrichtung (11), die Befehle hoher Verteilungsgeschwindigkeit in den drei Richtungen von Z-Achse, Drehrichtung C und zweiter X-Achse, um das Werkstück in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration umzuformen, ausgibt; und

eine automatische Betätigungsvorrichtung (12) zum Bestimmen der steuernden Programmdaten;

wobei ein Betrag der Verschiebung des zweiten X-Achsenmotors (5), welcher die Bewegungssteuerung des Werkzeugs (4) in der X- Richtung darstellt, berechnet wird, indem Koordinaten an jeder Position auf dem Werkstück aus einer Funktion f(Θ, z) eines Drehwinkels 6 aus einer Bezugsebene des Werkstücks (1) und eine Entfernung Z vom Bezugspunkt in der Z-Richtung parallel zur Drehachse dieses Werkstücks gefunden werden, eine nicht kreisförmige Querschnittskontur in der automatischen Betriebseinrichtung bestimmt wird, indem Elemente des Werkstücks in einer vereinfachten Form durch interpolierten automatischen Betrieb eingegeben werden und die Daten auf die numerische Steuereinrichtung übertragen werden, so daß die Hochgeschwindigkeitsfeinbewegungen, die durch Drehung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung dieses Servomotors der zweiten Achse, der mit dem Werkzeug vorgesehen ist, hervorgerufen werden.

2. Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration nach Anspruch 1, wobei der zweite X-Achsenschlitten (3) aus Feinkeramik gemacht ist.

3. Werkzeugmaschine zum Verarbeiten eines Werkstücks in eine nicht kreisförmige Querschnittskonfiguration nach Anspruch 1, wobei der Betrag der Verschiebebewegung des Sevomotors (5) der zweiten X-Achse, d.h. der Bewegungsbefehl bzw. der Bewegungssollwert des Werkstücks (4) in X-Richtung berechnet wird, indem Koordinaten an jeder Position auf dem Werkstück aus einer Funktion f(Θ, Z) eines Drehwinkels Θ aus der Bezugsebene des Werkstücks (1) sowie eine Entfernung Z von dem Bezugspunkt in der Z-Richtung parallel zur Drehachse O gefunden werden, um hierdurch eine nicht kreisförmige Querschnittskontur zu bilden; Programmdaten dieser nicht kreisförmigen Querschnittskontur in der Vorrichtung mit automatischem Betrieb ausgearbeitet werden, wobei Elemente des Werkstücks in einer vereinfachten Weise eingegeben werden und die Daten auf die numerische Steuereinrichtung übertragen werden, so daß der mit dem Werkzeug vorgesehene X-Achsenservomotor geregelt wird.