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Zwanglaufsteuerung für Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfräsmaschinen - Dokument DE3540497A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3540497A1 19.06.1986
Titel Zwanglaufsteuerung für Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfräsmaschinen
Anmelder VEB Werkzeugmaschinenkombinat "7. Oktober" Berlin, DDR 1120 Berlin, DD
Erfinder Hölzig, Michael, Dr.-Ing., DDR 9026 Karl-Marx-Stadt, DD;
Barthold, Roland, DDR 9075 Karl-Marx-Stadt, DD
DE-Anmeldedatum 15.11.1985
DE-Aktenzeichen 3540497
Offenlegungstag 19.06.1986
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.06.1986
IPC-Hauptklasse B23Q 5/54
IPC-Nebenklasse B23F 23/10   B23F 5/20   

Beschreibung[de]

Titel der Erfindung

Zwanglaufsteuerung für serkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfrasmaschinen Anwendungsgebiet der Erfindung Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Zwanglaufsteuerungen für Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwalzfräsmaschinen mit elektronisch angesteuerten, separaten Antrieben für die in mehreren Achsen überlagerte Bewegung des Walzfräsers und des zu verzahnenden Werkstückes, wobei der Werkzeugantrieb in Verbindung mit den am Zwanglauf beteiligten Achsen als Leitantrieb für den Werkstückantrieb wirkt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung In der Vergangenheit waren Großwälzfräsmaschinen in der Regel mit mechanischen Getriebezügen ausgerüstet. Die relative Bewegung des Werkzeuges und des zu verzahnenden Werkstückes beim Wälzfräseri in sechs Achsen, wurde mechanisch von einem Hauptantrieb unter Einbeziehung getrennter Vorschubantriebe abgeleitet. Zur Erzeugung der gewüunschten Zähnezahl und der Zahnschrägen am Werkstück ist in dem genannten kinematischen Zwanglauf ein Teilwechsel- und ein Differentialwechselgetriebe eingeordnet.

Dieser Aufbau des Wälzgetriebezuges der Wälzfrasmaschine bedingt eine große AnzEll von Wechselräder und eine erhebliche Umrüstzeit.

Darüber hinaus bringt dieser Maschinenaufbau ungünstige Verhältnisse bezüglich Materialeinsatz sowie statische und dynamische Steife.

Zur wesentlichen Reduzierung der Nebenzeiten wurde im WP 141 634 eine numerisch gesteuerte Wälzfräsmaschine vorgeschlagen, bei der der mechanische Zwanglauf über eine kinematische Verbindung zwischen Werkzeugantrieb und Werkstück beibehalten wird. In diesem Wälzgetriebezug sind jedoch keine Teil- und iifferentialwechselgetriebe mehr vorhanden, sondern ein Umlaufrsdergetriebe, das über den Steg eine Zusatzbewegung erhält, die elektronisch so geregelt werden kann, daß die erforderliche, frei wählbare Tischdrehzahl erreicht wird. Die Sollwertberechnung und Vorgabe für den Stegantrieb erfolgt durch eine N-Steuerung.

Zur weiteren Verbesserung des Zwanglaufes zwischen Werkzeug und Werkstück beim Wälzfräsen wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, bei denen der elektronisch geführte Werkstückantrieb in Abhangigkeit von der Lage ausgewählter iM rungsachsen, wie z. B. beim Wälzfräsen der Werkzeugspindel, dem Axialvorschub und dem Tangentialvorschub gesteuert wird.

Kennzeichnend für alle Lösungen ist, daß der mechanische Zwanglauf zwischen Werkzeug und Werkstück durch einen separaten Tischantrieb ersetzt wird, der einen Sollwert so erhält, daß die erforderliche Lagezuordnung des Werkstückes zu bestimmten anderen Bewegungen immer in den zulässigen Fehlerschranken gehalten wird. Die Erfassung von Lage bzw.

Geschwindigkeit aller beteiligten Achsen erfolgt über digitale oder analoge Meßsysteme. Die Ermittlung des Sollwertes der Folgeachse Tisch wird nach Einbeziehung technologischer bzw. éJeometrischer Vorgaben, wie sie für die Herstellung der Verzrnung erforderlich sind, durch analoge Schaltungen oder digital mit Mikrorechnern vorgenommen.

In einer ergänzenden technischen Lösung gemaß WP 154 556 wird beschrieben, wie der Steller des separaten Tischantriebes einer elektronischen Zwanglaufsteuerung durch zwei zu summierende Sollwerte beaufschlagt wird, dessen einer Sollwert durch eine NC-Steuerung entsprechend dem üblichen Soll-Istwertvergleich vorgegeben wird und dessen anderer Sollwert analog ermittelt wird, indem in einem Synchronisationslauf des Antriebes von Werkzeug- und Werkstückspindel die über einen Tachogenerator an der Werkzeugspindel erzeugte Spannung über ein Motorpotentiometer so lange beeinflußt wird, bis der NC-Sollwert extrem klein wird, um die geforderte Lageregelung zu gewährleisten. Damit wird erreicht, daß eine analoge Grundführung des Tisches gegeben ist und Werkzeug-Drehzahlschwankungen auch schnell analog ausgeregelt werden können.

Obwohl die letztgenannte Zwanglaufsteuerung erfolgreich angewendet wird, besitzt sie außer einem relativ hohen schaltungstechnischen und gerätetechnischen Aufwand noch wie alle Lösungen, bei denen eine vollständige Trennung von Werkseug-und Werkstückantrieb vorhanden ist, einen ganz entscheidenden Nachteil. Diese bekannten Lösungen sind für große Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwalzfräsmaschinen mit einem Werkstücktischdurchmesser von etwa ab 2000 mm nicht einsetzbar, da die Leistung und Dynamik der vorhandenen lage regelbaren Motoren für den Werkstückantrieb einer solchen Größe nicht mehr ausreicht. Es müßten hierfür lageregelbare Motoren im Leistungsbereich 10 kW mit einer relativ hohen Regeldynamik vorhanden sein.

Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist es, auch an großen Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfrasmaschinen eine elektronische Zwanglaufsteuerung zur Anwendung zu bringen.

Darlegung des Wesens der Erfindung - Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zwanglaufsteuerung für Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfräsmaschinen, mit elektronisch angesteuerten, separaten Antrieben für die in mehreren Achsen überlagerte Bewegung des Wälzfräsers und des zu verzahnenden Werkstückes, wobei der Werkzeugantrieb in Verbindung mit den am Zwanglauf beteiligten Achsen als Leitantrieb für den Werkstückantrieb wirkt, zu schaffen, die sich bei relativ geringem schaltungs- und geratetechnischen Aufwand, ohne kinematische Teilführung des Werkstücktisches, durch eine hohe Regeldynamik und ausreichend kleine Regelabweichungen auszeichnet.

- Merkmale der Erfindung Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Werkstückspanntisch, speziell dem ihn antreibenden Xeilschneckengetriebe, ein Umlaufrädergetriebe zugeordnet ist, dessen Zentralantrieb mit einem leistungsstarken Hauptantrieb für den Werkstückspanntisch verbunden ist und dessen Steg eine Verbindung zu einem hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb besitzt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Erweiterung des Stellbereiches des Hauptantriebes ein elektronisch ansteuerbares Schaltgetriebe zwischen Hauptantrieb und Umlaufrdergetriebe angeordnet.

Außerdem ist erfindungsgemäß dem Hauptantrieb ein Steuergerät zugeordnet, das aus einem Tachogenerator und einem Thyristorsteller besteht und aus dem integrierten PC-Rechner der ONC-Steuerung über einen Digital-Analog-Wandler in dem Thyristorsteller ein Sollwert eingebbar ist, der von dem aus den Sollwerten Affirangsachsen des Zwanglaufes in der CNO-Sleuerung berechneten um einen kleinen konstanten Differenzbetrag abweicht.

Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung dem Werkzeugantrieb, speziell der Werkzeugspindel, ein Tachogenerator zugeordnet, der einerseits über einen Thyristorsteller auf den Werkzeugantrieb steuernd wirkt und andererseits über einen Analog- Digital-Wandler zur Sollwert berechnung mit dem integrierten PC-Rechner verbunden ist.

Durch den erfindungsgemäßen Antrieb des Werkstückspanntisches über ein Umlaufrädergetriebe einmal über den Zentralantrieb mit einem leistungsstarken Hauptantrieb und zum anderen mit einem hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb über den Steg konnte eine Zwanglaufsteuerung geschaffen werden, die auch für große Werkzeugmaschinen, insbesondere Großwälzfräsmaschinen anwendbar ist. Wesentliche Vorteile bieten auch die volle Nutzung des Geschwindigkeitsregelkreises des leistungsstarken Antriebes nur zur analogen Puhrung, wahrend die NC-interne Bereitstellung des Sollwert es der analogen Führung zu einer wesentlichen Verringerung des schaltungstechnischen und geratetechnischen Aufwandes führt. Durch die Vorgabe eines im integrierten PC-Rechner ermittelten Sollwertes für den Hauptantrieb des Werkstückspanntisches, der um einen kleinen konstanten Betrag vom wirklichen Sollwert abweicht, muß der Stellantrieb über den Steg des Umlaufradergetriebes immer in einer Richtung einen Differenzausgleich bringen, so daß ein Umkehrspiel im Umlaufrädergetriebe nicht auftreten kann.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die zugehörige Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild als Schaltungsanordnung der Zwanglaufsteuerung.

Grundlage für die Zwanglaufsteuerung bildet eine an sich bekannte CNC-Steuerung 1. Sie beinhaltet unter anderem ein ONO-Eingabesystem 2. Über dieses JNC-Eingabesystem 2 erfolgt die Eingabe der speziellen technologischen Aufgabe. Neben den anzufahrenden Positionen, Schaltbefehlen usw. werden der CN5-Steuerung 1 die Geschwindigkeiten der Radialvorschubachse x, der Axialvorschubachse y und der Tangentialvorschubachse z, die Drehzahl der Werkzeugspindel S und die Zwanglaufparameter für die entsprechend dem jeweiligen Arbeitsverfahren zugeordnete Werkstückdrehung, wie Zähnezahl des Werkstückes, Gangzahl des Fräsers, Schragungswinkel des Werkstockes, Steigungswinkel des Fräsers und Normalmodul übergeben. Das CNC-Eingabesystem 2 ist ausgangsseitig mit einem integrierten PC-Rechner 3 und einem CSC-Lagerechtler 4 verbundes Dem CNO-Lagerechner 4 ist eine Meßsystemauswer tung 5 zugeordnet, deren Ausgange in den CNC-Lagerechner 4 münden.

Die Ausgänge aus dem CNC-Lagerechner 4 führen über einen Digital-Analog-Wandler 6 zu den einzelnen Vorschubachsen, die lagegeregelt werden müssen. Bbenso sind spezielle Ausgänge aus dem integrierten PC-Rechner 3 über einen Digital-Analog-Wandler 7 geleitet.

Der Werks tückant rieb führt über ein Teilsehneckengetriebe 8 zum Werkstückspanntisch 9. Dem Werkstückspanntisch 9 bzw. dem Teilschneckengetriebe 8 ist ein Umlaufräaergetriebe 10 zugeordnet. PUr den Werkstückantrieb ist ein leistungsstarker Hauptantrieb 11, vorzugsweise ein Gleichstromantrieb, vorgesehen, der direkt oder über ein Schaltgetriebe 12 den Zentralantrieb, d. h. das Sonnenrad 13 des UmlaufrGdergetriebes 10 antreibt und über das Teilschneckengetriebe 8 den Werkstückspanntisch 9 in Drehung versetzt. Zur Sollwertbildung der Geschwindigkeit für den leistungsstarken Hauptantrieb ii ist dieser einerseits mit einem Tachogenerator 14 verbunden, dessen Ausgang in einen Thyristorsteller 15 führt, wahrend andererseits spezielle Ausgänge des integrierten PC-Rechners 3 über den Digital-Analog-Wandler 7 in den Thyristorsteller 15 geleitet sind, der mit dem leistungsstarken Hauptantrieb 11 in Wirkverbindung steht. Das zur Erweiterung des Stellbereiches des leistungsstarken Hauptantrieb 11 dienende Schaltgetriebe 12 wird vom integrierten PC-Rechner 3 über eine Proeeßausgabe-Schnittstelle 16 angesteuert. Dem Umlaufrädergetriebe 10 ist noch ein hochdynamischer lagegeregelter Stellantrieb 17 zugeordnet, der das Umlaufrädergetriebe 10 z. B. über ein Schneckengetriebe über den Steg 18 antreibt. Der hochdynamische lagegeregelte Stellantrieb 17 ist über einen Tachogenerator 19 mit einem Thyristorsteller 20 verbunden, in den über den DigitaI-Analog-\5Wandler 6 die Ausgänge des ONO-Lagerechners 4 geführt sind und der den hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb 17 regelt.

Der separate Antrieb des Werkzeuges 21 erfolgt über einen Gleichstromantrieb 22. Dabei ist dem Werkzeug 21, beispielsweise der Werkzeugspindel ein Tachogenerator 23 zugeordnet, der über einen Thyristorsteller 24 auf den Gleichstromantrieb 22 wirkt. Der Thyristorsteller 24 ist eingangsseitig über den Digital-Analog-Wandler 6 mit dem ONC-Iagerechner 4 verbunden. Vom CNC-Lagerechner 4 fuhren Ausgänge über den Digital-bnalog-Wandler 6 zu lhyristorstellern 25 für die Antriebe der Achsen x; y; z. Mit dem Werkstückspanntisch 9, speziell mit dem Teilschneckengetriebe 8 ist ein rotatorisches Meßsystem 26 verbunden, dessen Ausgang über die Meßsystemauswertung 5 in den CNO-Lagerechner 4 geführt ist.

In gleicher Weise ist dem Werkzeug 21, speziell der Werkzeugspindel, ein rotatorisches Meßsystem 27 zugeordnet, das über die Meßsystemauswertung 5 mit dem CNC-Lagerechner 4 verbunden ist. Mit dem CKO-Iagerechner 4 stehen auch über die Meßsystemauswertung 5 rotatorische Meßsysteme 28 für die Achsen x; y; z in Wirkverbindung. Der Gleichatromantrieb 22 für das Werkzeug 21 besitzt über den Tachogenerator 23 und über einen Analog-Digital-Wandler 29 eine Verbindung zum integrierten PC-Rechner 3.

Die Wirkungsweise der Zwanglaufsteuerung ist nun folgende: Nachdem über das CNC-Eingabesystem 2 alle für die spezielle technologische Aufgabe erforderlichen Daten in die CNC-Steuerung 1 eingegeben wurden, wird im integrierten PO-Rechner 3 nach einem speziellen Mikrorechnerprogramm mit den Zwanglaufparametern und den Sollgeschwindigkeiten der entsprechenden Achsen, z. B. nach der Gleichung

ein Sollwert für die Werkstückdrehung ermittelt. Dieser Sollwert wird, vermindert um einen kleinen konstanten Differenzbetrag, von der CNC-Steuerung 1 über den Digital-Analog-Wandler 7 an den Thyristorsteller 15 ausgegeben, der den leistungsstarken Hauptantrieb ii mit Hilfe des Dachogenerators 14 in der Drehzahl regelt.

Wird infolge des großen Leistungsbedarfes des Werkstückantriebes als leistungsstarker Hauptantrieb i1 ein fremderreg ter Gleichstrommotor eingesetzt, so ist zur Erreichung des erforderlichen Stellbereiches der Werkstückdrehung ein Schaltgetriebe 12 erforderlich, dessen Schaltstellung vom integrierten PC-Rechner 3 ermittelt und durch die Prozeßausgabe-Schnittstelle 16 angesteuert wird. Der leistungsstarke Hauptantrieb 11 treibt über das Schaltgetriebe 12, insbesondere dessen Ausgangswelle, den Zentralantrieb, d. h. das Sonnenrad 13 des spielarmen Umlaufrädergetriebes 10 an.

Gleichzeitig zu dieser Gesohwindigkeitsregelung der Werkstückdrehzahl erfolgt über den hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb 17 auf den Steg 18 des Umlaufrädergetriebes 10 eine Zusatzdrehung als Lageregelung durch die der ge-0inschte Zwanglauf zwischen Werkzeug und Werkstück exakt erreicht wird. Dabei wird von dem ONC-Lagexechner 4, ausgehend von der Vorgabe der Werkzeugdrehzahl S, über den Digital-Analog-Wandler 6 dem Thyristorsteller 24 für den Gleichstromantrieb 22 als Werkzeugantrieb ein Drehzahlsollwert vorgegeben. Die Regelung dieser Drehzahl erfolgt über die Rückmeldung des Tachogenerators 23 im Thyristorsteller 24.

Dieser Drehzahlistwert kann gleichzeitig im Analog-Digital-1andler 28 erfaßt und dem integrierten PO-Rechner 3 zugeführt werden, um den Drehzahlsollwert für den Thyristorsteller 15 zu ermitteln. Die Lage des Werkzeuges 21 wird durch das rotatorische Meßsystem 27 erfaßt. Entsprechend dem bekannten Grundprinzip erfolgt durch den CNC-Lagerechner 4 weiterhin die Ansteuerung der Achsen x; y; z, was über den Digital-Analog-Wandler 6 durch die Thyristorsteller 25 geschieht.

Die Rückmeldung der Positionen wird über die rotatorischen Meßsysteme 28 der Achsen x; y; z vorgenommen. Analog arbeitet auch die Lageregelung zur Ermittlung der Sollposition für die Achse B des Werkstückspanntisches 9. Dies geschieht nach der eingangs genannten Gleichung. Der CRC-Lagerechner 4 erfaßt mit jeder Taktzeit die aktuellen Positionen der Axialvorschubachse y, der Tangentialvorschubachse z, der Werkzeugachse C und der Werkstückachse B. Aus dem folgenden Soll-Ist-Wertvergleich ermittelt der ONC-Lagerechner 4 den neuen Sollwert für den Antrieb, der die Lageregelung der Werkstückachse B übernimmt. Dies geschieht durch den Thyristorsteller 20, der den hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb 17 ansteuert. Unterlagert wird dieser Antrieb über den Dachogenerator 19 durch den Thyristorsteller 20 drehzahlgeregelt.

Beim Arbeitsverfahren "ForrufrasEn im Teilverfahren" wird in der beschriebenen Zwanglaufsteuerung der Hauptantrieb 11 stillgesetzt und elektrisch oder mechanisch arretiert, wShrend der Stellantrieb 17 den Teilprozeß lagegeregelt realisiert.

Mit diesem lagegeregelten Antrieb verhaltnismäßig geringer Leistung ist es gelungen, hochdynamisch Lageabweichungen im Zwanglauf zwischen Werkzeug und Werkstück zu minimieren und eine Variante zur vollen elektronischen Fiihrung des Werkstückspanntisches, insbesondere an Großwälzfräsmaschinen zu schaffen. Durch Errechnung eines Sollwert es für den leistungsstarken Hauptantrieb in dem integrierten PO-Rechner, der um einen kleinen konstanten Betrag kleiner ist als der für die entsprechenden Zwanglaufbedingungen erforderliche, wird erreicht, daß die Zusatzdrehung über den Stellantrieb im Umlaufrädergetriebe immer in einer Richtung verläuft, so daß ein Umkehrspiel im Umlaufradergetriebe ausgeschaltet ist.

Verwendete Bezugszeichen 1 CNC-Steuerung 2 CNC-Eingabesystem 3 integrierter PC-Rechner 4 CNC-Lagerechner 5 Meßsystemauswertung 6 Digital-Analog-Wandler 7 Digital-Anal og-Wandler 8 Teilschneckengetriebe 9 Werkstückspanntisch 10 Umlaufradergetriebe 11 leistungsstarker Hauptantrieb 12 Schaltgetriebe 13 Sonnenrad 14 Tachogenerator 15 Thyristorsteller 16 Prozeßausgabe-Schnittstelle 17 hochdynamischer lagegeregelter Stellantrieb 18 Steg 19 lachogenerator 20 Thyristorsteller 21 Werkzeug 22 Gleichstromantrieb 23 Tachogenerator 24 Thyristorsteller 25 Thyristorsteller für Achsen x; y; z 26 rotatorisches Meßsystem für das Werkstück 27 rotatorisches Meßsystem für das Werkzeug 28 rotatorische Meßsysteme für Achsen x; y; z 29 Analog-Digital-Wandler


Anspruch[de]

Erfindungsanspruch 1. Zwanglauisteuerung für erkzeugmaschinen, insbesondere Großwälefräsmaschinen mit elektronisch angesteuerten, separaten Antrieben für die in mehreren Achsen überlagerte Bewegung des Walzfroisers und des zu verzahnenden Werkstückes, wobei der Werkzeugantrieb in Verbindung mit den am Zwanglaui beteiligten Achsen als Leitantrieb für den Werkstückantrieb wirkt, gekennzeichnet dadurch, daß dem Werkstückspanntisch (9) ein Umlaufradergetriebe (10) zugeordnet ist, dessen Zentralantrieb über ein Sonnenrad (13) mit einem leistungsstarken Hauptantrieb (11) für den Werkstückspanntisch (9) verbunden ist und dessen Steg (18) eine Verbindung zu einem hochdynamischen lagegeregelten Stellantrieb (17) besitzt.

2. Zwanglaufsteuerung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erweiterung des Stellbereiches des Hauptantriebes (11) ein elektronisch ansteuerbares Schaltgetriebe (12) zwischen Hauptantrieb (11) und Umlaufrädergetriebe (10) angeordnet ist.

3. Zwanglaufsteuerung nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Hauptantrieb (11) ein Steuergerat zugeordnet ist, das aus einem Tachogenerator (14) und einem Thyristorsteller (15) besteht und aus dem in der CHC-Steuerung (i) integrierten PC-Rechner (3) über einen Digital-Analog-Wandler (7) in dem Thyristorsteller (is) ein Sollwert eingebbar ist, der von dem aus den Führungsachsen des Zwanglaufes in der CNC-Steuerung (1) berechneten um eine kleine konstante Differenz abweicht.

4. Zwanglaufsteuerung nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß dem Werkzeugantrieb (22) ein Tachogenerator (23) Zuge ordnet ist, der einerseits über einen Thyristorsteller (24) auf den izerkzeugantrieb (22) steuernd wirkt und andererseits über einen Analog-Digital-Wandler (29) zur Sollwertberechnung mit dem integrierten PO-Rechner (3) verbunden ist.







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