DE3037553C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorschubsteuerung für ein in mehreren Achsen durch Antriebsmotore bewegbares Maschinen­ teil einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

In der Fachzeitschrift INDUSTRIE-ANZEIGER 97. Jg. Nr. 28 v. 4. 4. 1975, S. 537 bis 540 ist in dem Aufsatz "Die Laser-Interferometrie in der Fertigung" von T. Derenbach eine gattungsgemäße Vorschubsteuerung für eine Werkzeug­ maschine beschrieben und in Fig. 6 dargestellt, bei der zur Erzielung einer extrem hohen Bearbeitungsgenauigkeit die Winkellage einer auf den Werkstückhalter einwirkenden Vorschubspindel mit Hilfe eines digitalen Drehgebers er­ faßt wird. Die vom Werkstück bzw. von dessen Halterung tatsächlich durchgeführte Längsbewegung wird von einem Laser-Interferometer gemessen. Beide erzeugten Impuls­ folgen werden geteilt, und durch Vergleich der Phasenlagen wird ein Abweichungssignal erzeugt, das den durch Spiel im Getriebe und/oder in der Antriebsspindel verursachten Fehler wiedergibt. Aus diesem Abweichungssignal wird ein Stellsignal abgeleitet, das unmittelbar korrigierend in den Maschinenwirkkreis eingreift. Zur Ausführung der Korrekturbewegungen ist in der von der Vorschubspindel angetriebenen Werkzeughalterung ein zusätzlicher Spindel­ trieb mit eigenem Antriebsmotor (Korrekturspindel) integriert, was einen erheblichen konstruktiven Aufwand bedeutet. Falls die korrigierten Stellsignale in einer elektronischen Schaltung erzeugt werden, wird für die Erzeugung der Korrektursignale eine bestimmte Rechenzeit benötigt, durch die sich bei unmittelbarem Eingriff in den Maschinenwirkkreis die Be­ arbeitungsgeschwindigkeit entsprechend verlangsamen würde.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorschubsteuerung der angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß eine hochgenaue Werk­ stückbearbeitung praktisch ohne Verringerung der Bearbei­ tungsleistung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorschub­ steuerung liegt darin, daß bei der Bearbeitung einer Viel­ zahl gleicher Werkstücke vor dem ersten Bearbeitungsvor­ gang der Meß-Bewegungszyklus einmal durchgeführt und dabei die jeweiligen Korrektursignale für jedes Vorschubinkrement erzeugt sowie im Festwertspeicher abgelegt werden. Für die jeweils gleiche Bearbeitung der Werkstücke werden die einmal gespeicherten Korrekturwerte abgerufen und zur Korrektur der NC-Steuersignale benutzt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung einer Laufdraht-Erodiermaschine anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Laufdraht-Erodiermaschine mit der Vorschubsteuerung im Blockschalt­ bild,

Fig. 2 im Blockschaltbild eine Speichereinheit als Teil der Vorschubsteuerung nach Fig. 1,

Fig. 3 im Blockschaltbild eine Logikeinheit als Teil der Vorschubsteuerung nach Fig. 1.

Bei der Laufdraht-Erodiermaschine nach Fig. 1 wird eine Laufdrahtelektrode 1 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit einem Durchmesser von 0,05 bis 0,5 mm kontinuierlich von einer an einem Gestell 3 befestigten Vorratsspule 2 abgezogen und nach Durchlaufen des Werkstücks 10 auf eine Sammelspule 4 aufgewickelt, die an einem am Gestell 3 befestigten Ausleger 5 gelagert ist. Ein unterer Ausleger 6 am Gestell 3 trägt an seinem Ende ein erstes Drahtfüh­ rungsglied 7. Ein weiteres Drahtführungsglied 8 ist an einer Spindel 9 befestigt, die am oberen Ausleger 5 verti­ kal verschiebbar gelagert ist. Die Laufdrahtelektrode 1 läuft über die Drahtführungsglieder 7 und 8, deren Ab­ stand durch Verschieben der Spindel 9 eingestellt wird. Eine auf der Seite der Vorratsspule 2 angeordnete Antriebs­ einrichtung bewirkt den Durchlauf der Drahtelektrode 1 mit einer geeigneten mechanischen Spannung.

Das Werkstück 10 ist in einem Behälter 11 angeordnet, der auf einem Werkstücktisch 12 befestigt ist. Eine Spül­ flüssigkeit, z. B. Wasser, wird in den Bearbeitungsbereich des Werkstücks 10 und der Drahtelektrode 1 über eine oder mehrere Düsen zugeführt. Eine Strom- bzw. Spannungsversorgung ist elektrisch mit der Drahtelektrode 1 und dem Werkstück 10 verbunden und erzeugt eine Folge von Bearbeitungsimpulsen im Arbeitsspalt zwischen der Drahtelektrode 1 und dem Werkstück 10.

Eine Vorschubspindel (Führungsspindel) 13 wird von einem Motor 14 angetrieben und bewegt den Werkstücktisch 12 in Y-Richtung. Ein Detektor (Drehwinkelgeber) 15 ist mit der Motorwelle gekoppelt und erfaßt deren Ver­ drehwinkel. In entsprechender Weise ist ein X-Achsen-Vorschub mit einem Detektor dem Werkstücktisch 12 zugeordnet.

Ein Vorschubsignal wird den X-Achsen- bzw. den Y-Achsen- Motoren über eine Leitung 16X bzw. 16Y von einer NC-Steuerung 16 zugeführt, in die eine Speichereinheit 17 und eine Logikeinheit 18 integriert ist. Die Speichereinheit 17 kann einen Festwertspeicher (ROM), einen Speicher mit direktem Zugriff (RAM) und ein Magnetband in einer Kassette enthalten. Die Logikeinheit 18 kann ein Rechner sein oder an eine Zentraleinheit mit einem Mikrocomputer oder Mikro­ prozessor angeschlossen sein.

Ein Lasergenerator 19 erzeugt einen Laserstrahl zum Erfassen der Y-Vorschubbewegungen des Werkstücks 10 mit hoher Genauig­ keit. Ein Prisma 20 ist am Werkstück 10 befestigt und ein in der Strecke des Laserstrahls angeordneter Spiegel 21 lenkt den am Werkstück 10 reflektierten Laserstrahl zu einem optoelektrischen Wandler 22, dessen Ausgangssignale der Speichereinheit 17 zugeführt werden. Weiterhin sind Bezugsmaßstäbe 23, 24 in der Y- und X-Achse vorgesehen.

Thermosensoren 25 bis 27 sind an den verschiedenen kritischen Maschinenteilen angeordnet und erfassen die Temperaturen z. B. in den Lagern der Drahtführungsglieder 7, 8, wobei ein weiterer Thermosensor 26 die Werkstücktemperatur über­ wacht. Die den Temperaturen entsprechenden elektrischen Signale werden in einem Rechner (Einrichtung) 28 verarbeitet, dessen Ausgangssignal der Speichereinheit 17 oder direkt der Logikeinheit 18 zugeführt wird.

Die gewünschte Schneidbahn wird durch eine Folge von Bewe­ gungsinkrementen des Werkstücktisches 12 in den X- und Y-Achsen erzeugt. Die Folge der Einzelbewegungen wird durch Befehle bestimmt, die in der NC-Steuerung 16 pro­ grammiert sind und von dieser den jeweiligen Motoren 14 zu­ geführt werden. Diese Vorschubsignale entsprechen jedoch nicht exakt den gewünschten Vorschubbewegungen des Werk­ stücktisches 12, weil im Antriebssystem Fehlerquellen, z. B. in der Gangsteigung der Führungsspindel 13 und im Spiel des Antriebsaggregats vorhanden sind. Die Vorschub­ fehler des Werkstücktisches 12 oder des Werkstücks 10 werden erfaßt, gespeichert und im Rechner 18 verarbeitet, um eine Korrektur des jedem Motor 14 zugeführten Vorschub­ signals zu erzielen.

Anhand der Fig. 2 wird der Aufbau und Betrieb der Speicher­ einheit 17 näher erläutert. Der optoelektrische Wandler 22 führt der Speichereinheit 17 ein Analogsignal zu, das die Ist-Position des Werkstücks 10 wiedergibt, die durch den Laser-Interferometer erfaßt ist. Die Speichereinheit 17 hat einen A/D-Umsetzer 121, der das analoge Lagesignal in einer Folge von Digitalimpulsen umsetzt, die von einem Zähler 122 gezählt werden. Die Ausgangsimpulse des Dreh­ winkelgebers 15 werden in einem Zähler 124 gezählt. Ein Vergleicher 123 vergleicht die Zählerstände der Zähler 122 und 124 und die Differenz dieser Zählerstände wird in einen Verriegelungszähler 125 eingegeben. Die Ausgangs­ impulse des einen Codierer darstellenden Drehwinkelgebers 15 werden auch in weiteren Zählern 128 und 129 gezählt, um einen periodischen Betrieb eines Festwertspeichers (ROM) 126 zu bewirken. Ein Steuerimpulsgenerator 127 spricht auf die Ausgangssignale des Zählers 128 an und erzeugt einen Steuerimpuls, sooft ein Verschiebungsinkrement auf­ gezählt worden ist. Durch diesen Steuerimpuls wird der im Verriegelungszähler 125 existierende Zählerstand frei­ gegeben und im Festwertspeicher 126 abgelegt. Sobald ein solcher Steuerimpuls erzeugt wird, werden die beiden Zähler 122 und 124 gelöscht, und der Differenz-Zählerstand zwischen der erfaßten Ist-Verschiebung des Werkstückes 10 und dem Ausgangssignal des Drehwinkelgebers 15 für jedes Verschiebungsinkre­ ment wird vom Verriegelungszähler 125 zum Festwertspeicher 126 übertragen. Somit werden die Differenzwerte in den aufeinanderfolgenden Verschiebungsinkrementen nacheinander gesammelt und im Festwertspeicher 126 gespeichert. Ein Schalter 130 dient zum Löschen der Zählerstände aller Zähler.

Die Ist-Verschiebung des Werkstücks 10 wird mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad durch die Laseranordnung (Meßanordnung) 19 bis 22 gemessen. Für jedes Vorschubinkrement wird ein Differenzwert zwischen einer gemessenen Ist-Verschiebung des Werkstücks 10 und den Ausgangssignalen des Codierers 15, das eine vom Vorschub-Sollwertsignal bestimmte Bewe­ gung der Motorwelle wiedergibt, ermittelt, wobei diese Differenzwerte für die nachfolgenden Bearbeitungsoperationen inkrementweise gespeichert werden. Die Speicheroperation erfolgt vor der eigentlichen Bearbeitungsoperation. Somit wird ein Fehler z. B. in der Führungsspindel 13, der zu einer fehlerhaften Ist-Verschiebung des Werkstücks 10 führt, im Festwertspeicher 126 für die jeweilige Bearbei­ tungsbahn in einer Folge von Vorschubinkrementen gespeichert, die durch die Befehle der NC-Steuerung 16 geleitet sind. Der im Festwertspeicher 126 gespeicherte Fehler wird bei dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang inkrementweise aus dem Festwertspeicher 126 ausgelesen und zur Korrektur der den Motoren 14 zugeführten Vorschubsignale benutzt.

Die Beschreibung der in Fig. 3 dargestellten Logikeinheit 18 erfolgt wiederum lediglich für eine Vorschubbewegung in der Y-Achse. Ein Signal aus der NC-Steuerung 16 wird einem Signalumformer 131 zugeführt, dessen Ausgangssignale in einem Flipflop 132 digitalisiert werden. Die Digital- Signale werden über einen Diskriminator 133 zum Aufwärts- und Abwärtsanschluß eines reversiblen Zählers 134 geführt. In der Zwischenzeit werden die Ausgangsimpulse des Detektors 15 in einem Schwellwert-Zähler 139 gezählt, dessen Ausgangs­ signale einer Ausleseschaltung 138 für den Festwertspeicher 126 zugeführt werden. Der aus dem Festwertspeicher 126 ausgelesene Inhalt wird an einen Signalumformer 136 abge­ geben. Ein Flipflop 137 setzt das geformte Signal in Digitalimpulse um, die über den Diskriminator 133 zum Aufwärts- oder Abwärts-Anschluß des reversiblen Zählers 134 gelangen. Der Zähler 134 zählt aufwärts oder abwärts bis ein vorein­ gestellter oberer oder unterer Schwellwert erreicht ist. Danach wird das Ausgangssignal über einen Signalformer 135 einem ersten Eingang der Differenz-Steuerschaltung 142 und einer Ansteuerschaltung 143 zugeführt, um den Motor 14 anzusteuern. Ein Signalformer 141 liegt zwischen dem Schnellwert-Zähler 139 und einem zweiten Eingangsanschluß der Differenz-Steuerschaltung 142. Ein Oszillator 140 dient zum Betreiben der beiden Flipflops 132 und 137.

Im Betrieb treibt der angesteuerte Motor 14 die Führungs­ spindel 13, welche den Werkstücktisch 12 und damit das Werkstück 10 verschiebt. Eine Winkeldrehung der Führungsspindel 13 wird vom Drehwinkelgeber 15 erfaßt und in entsprechende Im­ pulse umgesetzt, die in einer bestimmten Beziehung zu den Vorschubsignalen des Motors 14 stehen. Der Drehwinkelgeber 15 kann auch ein Geschwindigkeitssignal aus einer Anzahl von Impulsen je Zeiteinheit zusätzlich zum Vorschubsignal erzeugen. Die Ausgangssignale des Drehwinkelgebers 15 werden im Schwellwert-Zähler 139 gesammelt und sooft sie eine voreingestellte Zahl (Schwellwert) erreichen, gibt der Schwellwert- Zähler 139 ein Signal ab, um die Ausleseschaltung 138 freizugeben. Die Speicherinhalte im Festwertspeicher 126 werden so nacheinander ausgelesen und über den Signalumformer 136 dem Flipflop 137 zugeführt, in dem sie in Digital- Signale umgewandelt werden. Diese Digital-Signale gelangen über den Diskriminator 133 zum reversiblen Zähler 134, in den auch die Vorschubsignale aus der NC-Steuerung 16 eingespeist werden. Der reversible Zähler 134 liefert so die Vorschubsignale, die durch die Korrektursignale aus dem Festwertspeicher 126 korrigiert sind. Die vom reversiblen Zähler 134 überarbeiteten Vorschubsignale werden im Signalformer 135 erneut geformt und über die Differenz-Steuerschaltung 142 und die Ansteuer­ schaltung 143 dem Motor 14 zugeführt, welcher den Werk­ stücktisch 12 programmgemäß und ohne die systembedingten Fehler antreibt.

Da das Werkstück 10 starr auf dem Werkstücktisch 12 be­ festigt und in einer vorbestimmten Position zur Draht­ elektrode 1 gehalten wird, kann ein gewünschtes Werkstück­ profil mit extrem hoher Genauigkeit erarbeitet werden. Ähnliche Antriebsmechanismen mit Fehlerkompensation werden auch für Bewegungen in einer oder mehreren Achsen in der X-Z-Ebene verwendet.

Die Fehler in der Steigung der Vorschubspindel 13 können somit durch die sehr genaue Messung mittels der Laseran­ ordnung 19 bis 22 festgestellt werden und für jedes Vor­ schubinkrement in der Speichereinheit 17 gespeichert werden, bevor eine Bearbeitung beginnt. Während der tatsächlichen Bearbeitung werden die gespeicherten Fehlersignale synchron mit der Folge der vorprogrammierten Vorschubsignale ausge­ lesen, so daß eine Folge von korrigierten Vorschubsignalen den jeweiligen Motor 14 ansteuert.

Die Verwendung eines Detektors 15 in Form eines Codierers zum Erzeugen eines vom Vorschubsignal abhängigen Bezugs­ signals ist vorteilhaft, weil dadurch auch die Vorschub­ geschwindigkeit erfaßt werden kann. Wenn die Ausgangs­ impulse des Schwellwert-Zählers 139 der Differenz-Steuerschaltung 142 zugeführt werden, kann ein Geschwindigkeits-Abweichungs­ signal am Ausgang der Differenz-Steuerschaltung 142 zum Motor 14 gelangen, um die Drehgeschwindigkeit seiner Ausgangswelle zu steuern. Auf diese Weise wird eine Justiersteuerung mit erhöhter Ansprechempfindlichkeit erzielt.

Ferner können mit der erfindungsgemäßen Steuerung auch die auf Wärmedehnungen bestimmter Maschinenteile zurück­ zuführenden Fühler wirksam kompensiert werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, messen die Thermosensoren 25, 26 und 27 die Temperaturen der Drahtführungsglieder 7, 8 oder deren Träger­ arme (Ausleger) 5, 6 sowie des Werkstücks 10. Die Wärmedehnung jedes Bauteils ist aus der erfaßten Temperatur bzw. den ent­ sprechenden elektrischen Ausgangssignalen der Thermosenso­ ren 25, 26 und 27 bekannt. Der Rechner 28 analysiert die Einflüsse der Wärmedehnungen der jeweiligen Bauteile auf die Stellung des Werkstücks 10 bezüglich der Achse der Laufdrahtelektrode 1 und liefert ein Kompensationssignal, das über eine Leitung 28a direkt in die Logikeinheit 18 eingeführt wird, um das korrigierte Vorschubsignal für den Motor 14 nochmals zu überarbeiten. Es kann auch eine einfache Verbindungsschaltung ohne gesonderten Rechner 28 vorgesehen sein, wobei die Analyse in der Logikeinheit 18 durchgeführt wird. Der Rechner 28 kann auch eine Folge von Signalen erzeugen, die den Einfluß der Wärmedehnung der überwachten Bauteile auf die Lage des Werkstücks 10 als Funktion der Zeit wiedergeben. Diese Signalfolge kann über eine Leitung 28b der Speichereinheit 17 eingegeben und die gespeicherten Signale können während des Bear­ beitungsvorgangs in der den Vorschubsignalen entsprechen­ den Folge ausgelesen sowie zu deren Korrektur herangezogen werden.

Die Motoren 14 im System können auch Linearmotoren sein. Ein Wechselstrommotor kann mit einer phasengesteuerten Ansteuerschaltung versehen werden. Ein Schrittmotor und ein Gleichstrommotor sollten durch eine "pulsierende" bzw. "kontinuierliche" Ansteuerschaltung gesteuert werden. Es können auch Servomotoren für den Vorschubantrieb ein­ gesetzt werden. Der Detektor 15 kann ein dargestellter Winkel­ geber oder ein Induktionstachometer, ein Moire-Interferenz- Fühler, ein Funktionsdrehmelder oder eine magnetische Skala sein. Die Meßanordnung für den Ist-Vorschub des Maschinenteils ist nicht auf die dargestellte Laseranordnung beschränkt, sondern kann auch ein Ultraschall-Meßsystem gemäß der EP 00 06 022 A1 sein.

Claims (4)

1. Vorschubsteuerung für ein in mehreren Achsen durch Antriebsmotore bewegbares Maschinenteil einer NC-gesteuerten Werkzeugmaschine, bestehend

• - aus einer Meßanordnung zur genauen kontinuierlichen Istwert-Bestimmung der jeweiligen Vorschubpositionen des bewegbaren Maschinenteils,
• - aus einem Detektor zur kontinuierlichen Erfassung der Vorschubbewegungen eines Antriebselementes für das bewegbare Maschinenteil und
• - aus einer Schaltungsanordnung, die auf der Grundlage der Vorschubsignale aus der NC-Steuerung sowie der Ausgangssignale der Meßanordnung und des Detektors korrigierte Vorschubsignale zur Ansteuerung der Antriebsmotoren des bewegbaren Maschinenteils für einen Bearbeitungs-Bewegungszyklus erzeugt,

gekennzeichnet durch

• - eine der Schaltungsanordnung zugehörige Speichereinheit (17) zur von Erzeugung Korrektursignalen in einem vor dem Bearbeitungs-Bewegungszyklus durchgeführten Meß-Bewegungszyklus des bewegbaren Maschinenteils (10), wobei die Speichereinheit (17) aufweist,
  • - einen digitalen Vergleicher (123) für digitalisierte Ausgangssignale der Meßanordnung (19 bis 22) und des Detektors (15)
  • - einen Verriegelungszähler (125) für die in jedem Vorschubinkrement erzeugten Ausgangsimpulse des digitalen Vergleichers (123) sowie
  • - einen Festwertspeicher (126) zur inkrementweisen Ablage der Zählerstände des Verriegelungszählers (125), wobei für das jeweilige Vorschubinkrement der Zählerstand des Verriegelungszählers (125) das Korrektursignal darstellt,
• - eine der Schaltungsanordnung zugehörige Logikeinheit (18) zur Erzeugung der korrigierten Vorschubsignale für den Bearbeitungs-Bewegungszyklus auf der Grundlage der Vorschubsignale aus der NC-Steuerung (16) und der im Meß-Bewegungszyklus erzeugten Korrektursignale, wobei die Logikeinheit (18) aufweist,
  • - einen mit dem Detektor (15) gekoppelten Schwellwert-Zähler (139) zum Bestimmen der Auslese-Zeitpunkte der Korrektursignale aus dem Festwertspeicher (126) und
    einen Aufwärts-Abwärts-Zähler (134) mit nachgeschalteter Differenz-Steuerschaltung (142) zur Verarbeitung der digitalisierten Vorschubsignale aus der NC-Steuerung (16) und der aus dem Festwertspeicher (126) taktweise ausgelesenen Korrektursignale zu den korrigierten Vorschubsignalen für die Antriebsmotoren (14).

2. Vorschubsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (19 bis 22) ein Laserstrahl-Interferometer ist und der Detektor (15) einen mit einer Vorschubspindel (13) gekoppelten Drehwinkelgeber enthält.

3. Vorschubsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß kritischen Maschinenteilen Thermosensoren (25 bis 27) zugeordnet sind und
• - daß eine Einrichtung (28) den Einfluß der von den Thermosensoren (25 bis 27) erfaßten Wärmedehnung der jeweiligen kritischen Maschinenteile auf die Vorschubbewegung des bewegbaren Maschinenteils (10) analysiert und ein Kompensationssignal erzeugt, welches in der Logikeinheit (18) zur zusätzlichen Korrektur der bereits korrigierten Vorschubsignale zur Ansteuerung für die Antriebsmotore (14) verarbeitet wird.