FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1575 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretar Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 621.941.24 Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz Dipl.-Ing. Maftberg Dipl.-Ing. Derichs Dipl.-Ing. Schmitt Dipl.-Ing. Mobius Laboratorium fiir Werkzeugmaschinen und Betriebslehre an der Rhein.-Westf Techn. Hochschule Aachen Automatisierung der Werkzeugmaschine fiir die spanabhebende Bearbeitung SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-06186-1 ISBN 978-3-663-07099-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07099-3 VerIags-Nr. 2011575 © 1966 b Y Springer F.chmedien Wiesbaden Urspriinglich crschienen bei WeSldeutscher Verlag, Koln und Opladen 1966 Inhalt A. Untersuchungen an Positionier- und Speichereinrichtungen .......... 7 1. Aufbau der Steuerung ........................................ 7 1.1 MaBstab und Optik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 Signalverstarker und Impulsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 1.3 Storimpulsunterdriicker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14 1.4 Richtungsunterscheider und Kreuzschaltung . . . . . . . . . . . . . . .. 18 1.5 Der Zweirichtungszahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19 1.6 Speicher und Zahleinheit mit Obertragaddierer ............. 20 1.7 Um- und Abschaltstufe .................................. 21 1.8 Fehlerspeicher und Fehlerkorrektur ...................... . 22 1.9 Dateneingabe und Zeichenpriifung ....................... . 24 1.9.1 Handeingabe .......................................... . 25 1.9.2 Eingabe durch Lochstreifen ............................. . 27 1.9.3 Ringzahler und Zeichenpriifung .......................... . 28 2. Betriebserfahrungen .......................................... 31 2.1 Das WegmeBsystem ... . ............ ................. .... 31 2.2 Storeinfliisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32 2.3 Oberlauf und Wiederholgenauigkeit ....................... 34 2.4 Die Optimierung ....................................... 37 2.5 Messungen an der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42 3. WegmeBsystem mit Drehgeber und Zahnstange .................. 43 3.1 EinfluB der Zahnteilungsfehler auf die MeBgenauigkeit . . . . . .. 47 3.2 Teilungsfehler bei der elektrischen Impulsverdoppelung . . . . .. 52 3.3 Antrieb der Maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 3.4 Um- und Abschaltstufe mit Warteschaltung. . . . . . . . . . . . . . . .. 53 3.5 Oberlauf und Wiederholgenauigkeit ....................... 55 3.6 Die Optimierung der Vorschiibe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57 B. Untersuchung an Stellantrieben fiir numerisch gesteuerte Werkzeug- mas chinen ..................................................... 59 1. Moment und Bewegungsgleichung des Schrittmotors ............. 59 1.1 Losung der Bewegungsgleichung eines Schrittmotors . . . . . . .. 63 1.2 Schrittmotor mit Dampferzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64 5 2. Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Untersuchungen 66 2.1 Grenzfrequenzkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2 Schrittfehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71 C. Untersuchungen an hydraulischen Kopiersteuerungen ............... 77 1. Aufbau und Wirkungsweise der Steuerzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78 2. Versuchsdurchfiihrung und Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 2.1 Stationare Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81 2.2 Dynamische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3. Untersuchung eines Drehmomentverstarkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1 Stationare Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 3.1.1 Wirkungsweise des Drehmomentverstarkers ................ 86 3.1.2 Versuchsaufbau und Ergebnisse .......................... 86 3.2 Dynamische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90 3.2.1 Messung der Reaktionskrafte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91 3.2.2 Frequenzgang des Drehmomentverstarkers .... . . . . . . . . . . . .. 92 4. Zusammenfassung ........................................... 93 D. Untersuchungen an MeBsteuerungen .............................. 97 1. StorgroBen in Fertigungssystemen ............................. 97 2. Untersuchungen einiger StorgroBen im Fertigungssystem an einem Modellpriifstand ............................................. 98 3. Zufallige Lagefehler durch das Fertigungssystem .. . . . . . . . . . . . . . . . 99 4. Zufallige und systematische Fehler der WegmeB- und Schaltelemente 102 5. Untersuchung pneumatischer MeBsysteme unter dem EinfluB stocha- stischer Signale .............................................. 107 6. Gesichtspunkte zu statistischen Kontrollverfahren ................ 109 7. Beziehung zwischen Information und Toleranzfeld in meBgesteuerten Fertigungssystemen ........................................... 110 8. Untersuchung der Differenz- und Mittelwertsteuerung ............ 110 8.1 DifferenzmeBsteuerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11 0 8.2 Theoretische Behandlung der DifferenzmeBsteuerung ........ 111 8.3 Die Mittelwertsteuerung ................................. 114 8.4 Vergleich beider MeBsteuerungen ......................... 116 9. Zusammenfassung............................................ 116 6 A. Untersuchungen an Positionier- und Speichereinrichtungen Der vorliegende Bericht befaBt sich mit dem Aufbau und den Betriebseigenschaf ten numerischer Punktsteuerungen fur Werkzeugmaschinen mit incrementalen WegmeBsystemen. Ausgehend von den Anforderungen der Werkzeugmaschine an die Steuerung wird untersucht, wie diese Bedingungen mit dem geringsten Auf wand an logischen Verknupfungen und Schaltungsmitteln im datenverarbeitenden Teil der Steuerung zu erfiillen sind. Die Arbeitsgenauigkeit einer numerisch gesteuerten Maschine ist abhiingig von den Eigenschaften der Stellglieder und von den Fehlern der WegmeBelemente. Es wird gezeigt, welche EinfluBgroBen bei linearen MeBsystemen und bei Dreh gebern die Fehler bestimmen. 1. Aufbau der Steuerung Als Grundmodell sollte die Steuerung folgende Bedingungen erfullen: 1. V ollautomatisches, gleichzeitiges Einfahren in die Position in zwei Koordi- naten. 2. Auflosung des WegmeBsystems 1/100 mm. 3. Dateneingabe von Lochstreifen, wahlweise von Hand. 4. Moglichkeiten einer Programmerweiterung zur Auslosung von Hilfsfunktionen wie Spindeldrehzahl, Werkzeugwechsel etc. 5. Die Steuerung solI als Abschaltkreis arbeiten. Vorgesehen sind drei V orschub geschwindigkeiten: Eilgang, Vorschub und Schleichgang. Die Umschaltung der Vorschube ist aus der Soll-Istwert-Differenz abzuleiten, wobei sich die Ab stande aus Versuchen uber die kurzeste Einfahrzeit ergeben. 6. Die Steuerung solI moglichst wenig mechanische Kontakte enthalten. Man war bisher der Ansicht, daB sich Zahlersteuerungen wegen der Moglichkeit der Fehleraddition besonders unter dem EinfluB von elektrischen Storungen nur fUr solche Arbeitsvorgange eignen, bei denen eine mehrfache Nullpunkt-Kontrolle innerhalb eines umfangreichen Programmes moglich ist. Dies hatte die Anwen dung eines solchen Systems beispielsweise bei Bohrwerken ausgeschlossen. Es wird nachgewiesen, daB durch Verwendung bestimmter Schaltungen Stor einflusse mit Sicherheit und ohne besondere AbschirmmaBnahmen zu beherr schen sind, und daB man die Vorteile der Impulszahlung auch ohne Nullpunkt Kontrollen voll ausnutzen kann. 7 Urn einerseits eine Zahlsteuerung mit minimalem Aufwand aufzubauen, anderer seits aber dennoch ein HochstmaB an Betriebssicherheit und Genauigkeit zu er reichen, mu13ten folgende MaBnahmen getroffen werden: 1. Der Zahler-Eingang mu13 hinreichend gegenuber StOrsignalen abgesichert werden. 2. Der Zahler selbst muB als Zweirichtungszahler aufgebaut werden, urn Ma schinenschwingungeo zu berucksichtigen. 3. Die Addition von Fehlern, die durch den Oberlauf des Tisches, durch die Klemmung oder durch die Bearbeitung verursacht wird, muS verhindert wer den. Die Berucksichtigung der eingangs beschriebenen Forderungco sowie der zur Erhohung der Betriebssicherheit notwendigen Ma13nahmen fuhrte zu folgendem Blockschaltbild (Abb. 1). ~ Geber Antrieb V Abb. 1 Blockschaltbild 1. Die Zahlketten mussen hir beide Zahlrichtungen ausgelegt sein. Da sowohl bei Schwiogungen als auch wahrend der Bearbeitung nur wenige Riickwarts impulse zu verarbeiten sind, wurde eine Schaltung entworfen, in der nur die erstc Zahldekade in beiden Zahlrichtungen zahlt, wahrend aile folgenden, wie bisher, Einrichtungszahler bleiben. Die Riickwarts-Obertrage werden in einem Obertragaddierer gespeichert und beim V orwartszahlen wieder ab gerufen. Auf diese Weise lassen sich z. B. bei Impulsabstanden von 10 [Lm zehn Impulse oder 1/10 mm in negativer Zahlrichtung verarbeiten. Es hat sich gezeigt, daB dieser Bereich in den meisten Anwendungsfiillen ausreichend ist. 2. Der Zahlspeicher wird vor jedem Einfahren einer neuen Position geloscht und auf den nachsten Soil wert eingestellt, d. h. er »vergiBt« die vorhergehende Tischposition und bezieht sich auf den jeweiligen Lage-Istwert. Sollwert abweichungen durch Verschieben des Tisches sind erfahrungsgemaB nicht 8 groBer als die Schwingungseinfliisse. Es geniigt also, die Fehlerimpulse in einem Vor-Riickwarts-Zahler zu speichern und nach der Sollwerteingabe vor zeichenrichtig wieder einzuzahlen. Der Zahler besteht aus vier Binarstufen. Er verarbeitet ± 15 Fehlerimpulse. 3. Die Eingabe des Sollwert-Komplementes hat den Vorteil, daB immer bei der gleichen Zahl, d. h. wenn alle Zahler auf 9 stehen, abgeschaltet wird. Diese Ziffernfolge kann aber auch dann entstehen, wenn der Sollwert noch nicht er reicht ist, d. h. wenn durch Schwingungseinfliisse bei folgender Ziffernkombi nation Riickwartsimpulse eintreffen 999,90 -1 = 999,99 Da die Zahlkette nicht »echt« riickwarts zahlt (der Riickwarts-Dbertrag der ersten Dekade wird getrennt gespeichert und erscheint nicht im Zahlergebnis), kann ein Riickwarts-Impuls an dieser Stelle Koinzidenz vortauschen und den Abschaltbefehl auslosen. Die Zweideutigkeit ist behoben, wenn man die Aus losung des Abschaltsignals mit dem Obertragspeicher verriegelt. Die Ver riegelung gibt nur dann das Abschaltsignal frei, wenn es als Folge eines V or wartsimpulses ausgelost wird. 4. Die Kreuzschaltung hat die Aufgabe, die beiden Impulskanale in der richtigen Weise an den Vor-Riickwarts-Zahler anzukoppeln. Da je nach Bewegungs richtung die Impulse am Ausgang des Richtungsunterscheiders an dem einen oder dem anderen Kanal erscheinen, die Zahlkette jedoch in der Riickwarts Zahlrichtung eine begrenzte Zahlkapazitat hat, werden in der Kreuzschaltung die Kanale vorzeichenabhiingig auf den V orwarts-Zahleingang umgeschaltet. Die einzelnen Baugruppen der Steuerung werden im folgenden naher be sprochen. 1.1 Majstab und Optik Fiir die Messung der Wege wurden zwei optische ImpulsmaBstabe mit 1/100 Tei lung eingebaut. Die Abtastung erfolgt mit Hilfe einer Abtastplatte, die zwei iiber einanderliegende Strichteilungen tragt, die gegeneinander um 14 Teilung ver setzt sind. MaBstab und Abtastplatte werden von einer Optik mit parallelem Licht durchleuchtet. Eine doppelte Abbildungsoptik bildet die beiden MeBflachen auf zwei Fotodioden ab (Abb. 2). Die Verhiiltnisse bei einer Verschiebung des MaBstabes gegeniiber der Abtast platte sind in Abb. 3a-d wiedergegeben. Die Strichteilung des MaBstabes ist jeweils um 14 Teilung nach rechts verschoben. Die umrahmten Flachen werden von den Fotodioden abgetastet. Die Helligkeits werte der durchleuchteten Flachen sind in Prozentwerten aufgetragen, wobei 100% die Lichtintensitat einer Flache ist, in der die beiden Strichteilungen sich decken. 9 1 Beleuchtungsoptik 4 Doppelte Abbildungsoptik 2 MaBstab 5 Fotodioden 3 Abtastplatte Abb. 2 MaBstab und Optik III b. Abb. 3 Schema der 90o-Abtastung MaBstab und Abtastplatte werden so justiert, daB ihre Striche genau parallel ver laufen. Abweichungen von der Parallelitiit ergeben Anderungen der gewiinschten 90° Phasenbeziehung zwischen den Ausgangssignalen. Man erhiilt den bekannten Moire-Effekt. Da MaBstab und Optik getrennt am Maschinenbett und am Maschinentisch befestigt sind, lassen sich folgende U r sachen fUr eine Abweichung von der idealen Einstellung anfiihren: 10