PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3610750A1 01.10.1987
Titel Regeleinrichtung für die Spindeldrehzahl einer Werkzeugmaschine
Anmelder Adam Opel AG, 6090 Rüsselsheim, DE
Erfinder Gonter, Stefan;
Scherer, Klaus, 6090 Rüsselsheim, DE;
Zerbe, Bernd, 6506 Nackenheim, DE
DE-Anmeldedatum 29.03.1986
DE-Aktenzeichen 3610750
Offenlegungstag 01.10.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.10.1987
IPC-Hauptklasse B23Q 5/10
IPC-Nebenklasse B23Q 17/10   B23B 47/06   G01B 7/12   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für die Spindeldrehzahl einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Bohrmaschine, die ein vom Benutzer zu betätigendes Schaltelement zur Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart und eine Einrichtung zur Erfassung des Durchmessers eines an der Spindel festgelegten Werkzeuges enthält.

Eine solche Regeleinrichtung ist aus der DE-OS 32 28 304 bekannt. Sie dient zur automatischen Vorgabe der Bohrerdrehzahl, die bei herkömmlichen Bohrmaschinen vom Benutzer in aller Regel nur geschätzt und von Hand an der Maschine eingestellt wird. Auf den Bohrmaschinen angebrachte Tabellen werden beim zügigen Arbeiten in der Praxis erfahrungsgemäß kaum beachtet. Das Schätzen der Drehzahl in dem großen möglichen Stellbereich ist nun aber mit viel Unsicherheit verbunden, und führt insbesondere bei Ungeübten oft zu falschen Drehzahleinstellungen. Die Folge ist, daß entweder das Bohrwerkzeug beispielsweise durch Ausglühen beschädigt wird, oder der Arbeitsfortschritt und das Arbeitsergebnis zu wünschen übrig lassen. Dem soll durch eine automatische Einstellung der optimalen Drehzahl abgeholfen werden.

Die DE-OS 32 28 304 beschreibt die automatische Vorgabe der Drehzahl einer Bohrmaschine anhand einer durch Schalterbetätigung vorgenommenen Einstellung der Materialart sowie anhand des jeweiligen Bohrerdurchmessers. Im Bohrfutter ist ein Signalgeber in Gestalt eines Magnetrings eingebaut. Dieser wird je nach Stellung der Backen einer den Bohrer fassenden Spannzange axial verschoben. Der Magnetring rotiert mit dem Bohrfutter. Sein Feld wird induktiv erfaßt, wobei die Amplitude des erhaltenen Signals von der Drehzahl und der axialen Position des Magnetrings abhängt, die Frequenz des Signals aber nur von der Drehzahl, so daß man im Ergebnis eine Information hinsichtlich des Bohrerdurchmessers und der Drehzahl erhält. Das Signal dient als Ist-Wert einer elektronischen Drehzahlregelung.

Diese bekannte Regeleinrichtung ist wegen der induktiven Signalaufnahme apparativ relativ aufwendig. Als Geber ist ein Magnetring erforderlich, dessen Feldstärke genau bekannt ist und sich über die Dauer des Betriebs nicht nennenswert ändert. Solche Magnetringe sind bekanntlich teuer. Die Induktionsspule muß präzise justiert sein, damit der in das Signal eingehende Abstand des Magnetrings den richtigen Meßwert des Bohrerdurchmessers liefert. Auch erscheint eine Beeinflußung durch Abschirmung oder unerwünschte Störfelder zumindest denkbar. Ein prinzipieller Nachteil der induktiven Messung ist, daß sie ein von Drehzahl und Bohrerdurchmesser gleichermaßen abhängiges Signal liefert. Der Induktionsspule müssen deshalb Filter nachgeschaltet werden, durch die der drehzahlabhängige und amplitudenabhängige Signalteil voneinander getrennt wird. Die Auswerteschaltung ist entsprechend kompliziert, und die erreichbare Genauigkeit bei der Vorgabe der optimalen Drehzahl erscheint beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeleinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem, kostengünstigem, störunanfälligem Aufbau eine automatische Einstellung der jeweils optimalen Spindeldrehzahl mit hoher Genauigkeit ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß ein den Werkzeugdurchmesser abgreifender mechanischer Taster mit einem in einem Steuerkreis liegenden Potentiometer zu dessen Verstellung verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird der Durchmesser des an der Spindel festliegenden Werkzeugs durch mechanische Abtastung erfaßt. Damit geht ein kompakter, robuster Aufbau einher. Ein die Stellung des Tasters charkterisierendes elektrisches Signal wird apparativ sehr einfach mit einem Potentiometer gewonnen, das der Taster verstellt. Die resultierende Widerstandsänderung hängt allein vom Bohrerdurchmesser ab und läßt sich in einem einfachen Steuerkreis leicht weiterverarbeiten.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Potentiometer als Schiebewiderstand ausgebildet, und der längsbeweglich geführte Taster mit dem zum Abgriff dienenden Schieber verbunden.

Der Taster kann mit der Spindel rotieren. Er sollte dann bezüglich seiner Drehung von dem gehäusefest an der Bohrmaschine angeordneten Potentiometer entkoppelt sein. In einer besonders einfachen Bauform ist dazu der Taster drehbar und ohne nennenswertes axiales Spiel in einer axial verschieblich am Gehäuse der Werkzeugmaschine angebrachten Lagerbuchse aufgenommen, und die Lagerbuchse ist ihrerseits starr mit dem Schieber des Potentiometers verbunden. Der Taster kann insbesondere mit zwei Axialkugellagern in die Lagerbuchse eingebaut sein.

Werkzeugseitig kann der Taster an dem Gewindestift eines Bohrfutters anliegen, der sich proportional zur Spreizung der Backen des Futters in Axialrichtung vorschraubt. Derartige Gewindestifte sind Teil herkömmlicher Bohrfutter. Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung ist damit an ein vorhandenes Gerät gut angepaßt, und der Umbau- oder Nachrüstaufwand ist entsprechend gering.

Allgemein wird der axiale Stellhub des Tasters häufig dem Durchmesser des an der Spindel festgelegten Werkzeugs proportional sein. Entsprechend ändert sich auch der Widerstand des Potentiometers linear mit dem Durchmesser des Werkzeugs. Die einzustellende Drehzahl folgt nun aber selbstverständlich keineswegs derselben linearen Abhängigkeit, sondern einer bestimmten Durchmesser-Drehzahl-Charakteristik, die für die verschiedenen zu bearbeitenden Materialarten unterschiedlich ist. Der Steuerkreis der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung setzt daher eine lineare Widerstandsänderung des Potentiometers entsprechend dieser nichtlinearen Durchmesser- Drehzahl-Charakteristik um, wobei er vorzugsweise eine der Solldrehzahl proportionale Steuerspannung angibt. Die Steuerspannung kann dann in einem integrierten Schaltkreis weiterverarbeitet werden, mit dem die elektrische Versorgungsspannung der Werkzeugmaschine entsprechend geregelt wird. Derartige Schaltkreise sind als Fertigbaustein handelsüblich.

Ein besonders einfacher Steuerkreis enthält einen belasteten Spannungsteiler mit Abgriff an dem Potentiometer, wobei dem Potentiometer wenigstens ein zuschaltbarer Lastwiderstand parallel liegt. Vorzugsweise sind mehrere Lastwiderstände in parallelen Zweigen mit je einem Schaltkontakt vorgesehen, und es erfolgt eine Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart durch einfaches Zuschalten des zugehörigen Lastwiderstands. Man erhält mit dieser bauteilarmen, unaufwendigen Steuerschaltung Drehzahlkennlinien in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser, die in guter Näherung der theoretisch gewünschten umgekehrten Proportionalität zwischen diesen beiden Größen entsprechen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Teilweise schematisch zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Spindel einer Bohrmaschine oberhalb des Bohrfutters, wo der mechanische Teil einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung angeordnet ist;

Fig. 2 ein Kennlinienfeld, das die theoretische Abhängigkeit der optimalen Spindeldrehzahl vom Werkzeugdurchmesser für verschiedene zu bearbeitende Materialien zeigt;

Fig. 3 ein Ausschnitt aus einem Steuerkreis der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung, bei dem mit dem Potentiometer ein belasteter Spannungsteiler aufgebaut ist; der Steuerkreis liefert eine der einzustellenden Drehzahl proportionale Steuerspannung Uein;

Fig. 4 ein Kennlinienfeld, das die mit der eingestellten Drehzahl gleichbedeutende Steuerspannung Uein in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser für verschiedene Materialarten zeigt und in guter Näherung mit dem theoretischen Kennlinienfeld der Fig. 2 übereinstimmt.

Fig. 1 zeigt die Spindel 10 einer Bohrmaschine mit einem daran sitzenden Bohrfutter 12. Im axialen Mittelbereich des Bohrfutters 12 befindet sich ein Gewindestift 14, der sich proportional zur Spreizung der Backen des Futters in Axialrichtung vorschraubt. Die Position des Gewindestifts 14 wird mit einem Taster 16 mechanisch abgegriffen, wobei letzterer Teil einer Regeleinrichtung zur automatischen Vorgabe der Bohrerdrehzahl ist.

Die dem Bohrfutter 12 zugewandte Partie der Spindel 10 ist mit einer mittigen Axialbohrung 18 versehen, in der der stiftförmige Taster 16 axial verschieblich aufgenommen ist. Weiter oben ist die Spindel 10 in einer Längsmittelebene geschlitzt 20. Am oberen Ende des Tasters 16 befindet sich ein Querstift 22, der in dem Schlitz 20 geführt ist und beidseits aus der Spindel 10 heraussteht. Gegen die überstehenden Enden des Querstifts 22 stützen sich ein oberes und unteres Axialkugellager 24, 26 ab.

Die Axialkugellager 24, 26 sitzen in einer Lagerbuchse 28. Diese ist an zwei parallel zur Spindel 10 sich erstreckenden Führungsstange 30 axial verschieblich geführt. Die Führungsstangen 30 sind in nicht näher dargestellter Weise fest am Gehäuse der Bohrmaschine angebracht.

Der Taster 16 dreht mit der rotierenden Spindel 10. Seine axiale Position folgt der des Gewindestifts 14, wozu der Querstift 22 in dem Schlitz 20 ein ausreichendes Bewegungsspiel hat. Die dauernde Anlage des Tasters 16 an dem Gewindestift 14 kann allein durch Schwerkraftwirkung gewährleistet sein. Es ist aber auch möglich, den Taster 16 mit einer nicht näher dargestellten Feder gegen den Gewindestift 14 zu spannen. Nicht zuletzt kann der Schaft des Tasters 16 auch einstückig mit dem Gewindestift 14 ausgebildet sein.

Die Lagerbuchse 28 folgt der axialen Hubbewegung des Tasters 16, ohne die Drehung der Spindel 10 mitzumachen. Sie ist über die Axialkugellager 24, 26 mit minimalem axialen Spiel an den Taster 16 gekoppelt. An der Lagerbuchse 28 setzt ein Arm 32 an, der mit dem zum Abgriff dienenden Schieber 34 eines gehäusefest angeordneten Potentiometers 36 starr verbunden ist. Der Linearhub der Lagerbuchse 28 wird so in eine proportionale Widerstandsänderung des Potentiometers 36 umgesetzt.

Der veränderliche Widerstand des Potentiometers 36 folgt proportional der Spreizung der Backen des Bohrfutters 12, d. h. dem Durchmesser des eingespannten Bohrwerkzeugs. Es gilt nun, aus diesem veränderlichen Widerstand ein die optimale Drehzahl der Spindel 10 kennzeichnendes Signal abzuleiten.

Fig. 2 zeigt die theoretische Abhängigkeit der optimalen Bohrerdrehzahl von Bohrerdurchmesser für verschiedene Materialien. Die Drehzahl ist der Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers proportional und dem Bohrerdurchmesser umgekehrt proportional. Die Vorschubgeschwindigkeit ist entsprechend der Zerspanbarkeit eines Materials zu wählen, wenn auch daneben andere Kriterien wie beispielsweise die Härte des Bohrwerkzeugs und seine vorgesehene Standzeit eingehen. Im Ergebnis kann man für die optimale Bohrspindeldrehzahl in Abhängigkeit vom Bohrerdurchmesser ein Kennlinienfeld von Hyperbeln 1, 2, 3, 4, 5 angeben. Die Kennlinie 1 gehört zu Grauguß, einem nur schwer zerspanbaren Material, das nur eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit (Schnittgeschwindigkeit) des Bohrers zuläßt. Die Kennlinie 2 gehört zu hartem, und die Kennlinie 3 zu weniger hartem Stahl; die Kennlinie 4 gehört zu Kupfer, und die Kennlinie 5 schließlich zu Aluminium, das eine sehr gute Zerspanbarkeit hat und eine Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers gestattet, die vielleicht zirka sechsmal höher ist als bei Grauguß (Kennlinie 1).

Für eine stufenweise und/oder kontinuierliche Drehzahlregelung von Werkzeugmaschinen sind integrierte Schaltungen in Form von Fertigbausteinen handelsüblich. Exemplarisch sei der Fertigbaustein FSP110 der Firma Struckmeier erwähnt, der in dem Datenblatt A83 spezifiziert ist. Dieser Fertigbaustein regelt eine dreiphasige Wechselspannung, die direkt den Drehstromasynchronmotor einer Werkzeugmaschine versorgt. Die Spindeldrehzahl der Werkzeugmaschine wird dabei entsprechend einer Steuergleichspannung Uein geregelt, die an Eingangsklemmen des Fertigbausteins ansteht. Die Steuerspannung Uein liegt dabei zwischen Null und einer Maximalspannung U von beispielsweise 12 V. Die Spindeldrehzahl der Werkzeugmaschine wird proportional zu der Steuerspannung Uein nachgefahren. Eine Steuerspannung Uein = 0 entspricht einem Stillstand der Maschine, und eine Steuerspannung Uein = U entspricht einem Lauf der Maschine bei einer vorgegebenen maximalen Tourenzahl.

Andere Fertigbausteine zur Drehzahlregelung von Werkzeugmaschinen müssen in entsprechender Weise an Eingangsklemmen mit einer der gewünschten Drehzahl proportionalen Steuergleichspannung versorgt werden. Im folgenden wird daher nur behandelt, wie diese Steuergleichspannung Uein aus der Stellung des vom Taster 16 betätigten Potentiometers 36 und einer manuellen Vorwahl der zu bearbeitenden Materialart zu gewinnen ist, um einen Kennlinienverlauf der Spindeldrehzahl in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser zu erhalten, der dem theoretisch optimalen Kennlinienverlauf der Fig. 2 möglichst nahe kommt.

Fig. 3 zeigt eine hierzu geeignete Schaltung. Eine geregelte Gleichspannungsquelle 38 gibt eine konstante Spannung U ab, die der maximalen Steuergleichspannung Uein entspricht, im Fall des Fertigbausteins FSP110 also 12 V beträgt. Das von dem Taster 16 verstellte Potentiometer 36 liegt zwischen einem Nullpol der Gleichspannungsquelle 38 und an einem Pol, an dem diese Spannung U ansteht. Die Steuergleichspannung Uein für den Fertigbaustein wird zwischen dem Nullpol der Gleichspannungsquelle 38 und dem Abgriff des Potentiometers 36 abgenommen. An den Abgriff geschaltet liegen dem Potentiometer 36 eine Anzahl von zuschaltbaren Lastwiderständen RL zum Nullpol hin parallel. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf parallele Zweige vorgesehen, in denen je ein Lastwiderstand R1, R2, R3, R4, R5 liegt. In jedem Zweig ist ein dem entsprechenden Lastwiderstand zugeordneter Schalter vorgesehen.

Die Schaltung der Fig. 3 ist im Prinzip ein belasteter Spannungsteiler, bei dem die am Potentiometer 36 abgenommene Steuergleichspannung Uein entsprechend dem zugeschalteten Lastwiderstand RL mit der Potentiometerstellung variiert. Man zeigt leicht folgende Abhängigkeit:



x ist dabei ein die Potentiometerstellung charakterisierender dimensionsloser Parameter mit 0 ≤x ≤ 1. Da die Potentiometerstellung proportional zum Durchmesser des an der Werkzeugspindel festliegenden Werkzeugs ist, kann man sich unter x auch ein lineares Maß für diesen Durchmesser und insbesondere das Verhältnis des gerade vorliegenden Werkzeugdurchmessers zu einem konstruktiv vorgegebenen maximalen Werkzeugdurchmesser vorstellen.

Fig. 4 zeigt ein Kennlinienfeld der Steuergleichspannung Uein in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser d bei Zuschalten verschiedener Lastwiderstände RL. Die Spindeldrehzahl ist, wie schon gesagt, der Steuergleichspannung Uein proportional.

Wird kein Lastwiderstand zugeschaltet (RL = ∞), so folgt die Steuergleichspannung Uein der Potentiometerstellung linear. Bei Zuschalten von verglichen mit dem Potentiometerwiderstand Rpot sehr großen Lastwiderständen ändert sich der Kennlinienverlauf nur wenig. Mit Verringerung des Lastwiderstands RL hat die Kennlinie zunehmend hyperbolischen Charakter, so daß man eine gute Annäherung an den theoretisch optimalen Kennlinienverlauf der Fig. 2 erhält. Wie an den Eingangsklemmen des integrierten Schaltkreises erforderlich, variiert aber Uein jeweils zwischen Null und der maximalen Spannung U.

Bei Grauguß als zu bearbeitendem Materials muß also durch entsprechende Schalterbetätigung gemäß Fig. 3 ein niedriger Lastwiderstand zugeschaltet werden, wodurch man die Kennlinie 1 erhält. Stahl in verschiedener Härte (Kennlinien 2 und 3), Kupfer (Kennlinie 4) und Aluminium (Kennlinie 5) als zu bearbeitendem Material sind in aufsteigender Reihe jeweils höhere Lastwiderstände zugeordnet, deren Dimensionierung dem Fachmann im einzelnen keine Schwierigkeit bereitet.

  • Liste der Bezugszeichen

    10 Spindel

    12 Bohrfutter

    14 Gewindestift

    18 Axialbohrung

    20 Schlitz

    22 Querstift

    24 oberes Axialkugellager

    26 unteres Axialkugellager

    28 Lagerbuchse

    30 Führungsstange

    32 Arm

    34 Schieber

    36 Potentiometer

    38 Gleichspannungsquelle


Anspruch[de]
  1. 1. Regeleinrichtung für die Spindeldrehzahl einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Bohrmaschine, die ein vom Benutzer zu betätigendes Schaltelement zur Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart und eine Einrichtung zur Erfassung des Durchmessers eines an der Spindel festgelegten Werkzeugs enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Werkzeugdurchmesser abgreifender mechanischer Taster (16) mit einem in einem Steuerkreis liegenden Potentiometer (36) zu dessen Verstellung verbunden ist.
  2. 2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (36) als Schiebewiderstand ausgebildet, und der längsbeweglich geführte Taster (16) mit dem zum Abgriff dienenden Schieber (34) verbunden ist.
  3. 3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) mit der Spindel (10) rotiert und drehbar und ohne nennenswertes axiales Spiel in einer axial verschieblich am Gehäuse der Werkzeugmaschine angebrachten Lagerbuchse (28) aufgenommen ist, und daß die Lagerbuchse (28) mit dem Schieber (34) des Potentiometers (36) starr verbunden ist.
  4. 4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) mit zwei Axialkugellagern (24, 26) in die Lagerbuchse (28) eingebaut ist.
  5. 5. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) an einem Gewindestift eines an der Spindel (10) angebrachten Futters (12) anliegt.
  6. 6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (16) einem dem Durchmesser des Werkzeugs proportionalen axialen Stellhub hat, und daß der Steuerkreis die sich daraus ergebende lineare Widerstandsänderung des Potentiometers (36) entsprechend einer nichtlinearen Durchmesser-Drehzahl-Charakteristik in eine der Solldrehzahl proportionale Steuerspannung Uein umsetzt.
  7. 7. Regeleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung Uein an den Eingangsklemmen eines integrierten Schaltkreises ansteht, der die elektrische Versorgungsspannung der Werkzeugmaschine entsprechend regelt.
  8. 8. Regeleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis einen belasteten Spannungsteiler mit Abgriff an dem Potentiometer (36) enthält, wobei letzterem wenigstens ein zuschaltbarer Lastwiderstand (RL) parallel liegt.
  9. 9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in parallelen Zweigen mit je einem Schaltkontakt mehrere Lastwiderstände (R1, R2, R3, R4, R5) liegen, und daß die Voreinstellung der zu bearbeitenden Materialart durch Zuschalten eines zugehörigen Lastwiderstandes (R1, R2, R3, R4, R5) erfolgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com