DE1763224A1

DE1763224A1 - Verfahren zur Einhaltung der maximalen Metallentfernungsgeschwindigkeit unter Vermeidung von Werkzeugprellungen bei der Bearbeitung eines Werkstuecks durch eine Werkzeugmaschine und Prellungsmessvorrichtung zur Ausfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1763224A1
Application number: DE19681763224
Authority: DE
Inventors: Grabkowski Stephen Eugene; Bjorn Weichbrodt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-04-24
Filing date: 1968-04-22
Publication date: 1971-04-15
Also published as: SE365970B; FR1571446A; NO130981B; NO130981C; US3504581A; GB1217962A; CH469534A

Description

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GSIiEHAL EIECTRIG GOMPiUY, Schenectady, IT.Y. USA

Verfahren zur Einhaltung der maximalen Metallentfernungsgeschwindigkeit unter Vermeidung von Werkzeugprellungen bei der Bearbeitung eines Werkstücks durch eine Werkzeugmaschine und Prellungsmeßvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Oer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Relativgeschwindigkeit von Werkzeug und /erkstück und damit die Bearbeitun<-;sgeschwindigkeit soweit zu steigern, daß das Werkzeug gerade nicht prellt (schlägt oder zittert)und die Bearbeitungsfläche trotz verhältnismäßig hoher lielativgeschwindigkeit glatt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß erstens die Vibrationen des Werkzeugs gemessen werden, zweitens die Vibrationen in elektrische Signale umgesetzt werden, drittens diejenigen Vibrationssignale ausgewählt werden, die durch das Werkzeugprellen hervorgerufen werden, viertens die Ereilsignale in ein elektrisches Gleichsignal umgesetzt werden und fünftens die Bearbeitungsparameter des Werkzeugs in Abhängigkeit von diesem elektrischen Signal geregelt werden.

D.h. es werden die Vibrationen des Werkzeugs gemessen, dann wird diejenige Vibration, die charakteristisch für den Prellungseinsatz ist, d.h. die "Prelldiskriminante" abgesondert und die Amplitude dieser Diskriminante zur Regelung der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs verwendet* Wenn die Signalamplitude groß ist, verringert der Regler die Vorschubgeschwindigkeit, während'er sie unverändert läßt, wenn die Signalamplitude den gewünschten Prelleinsatzwert hat, und 'wenn die Signalamplitude klein ist, wird die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs solange erhöht, bia die Vibrationen des Werkzeugs die Prelleinsatzamplitude haben. Auf diese Weise werden eine maximale Metallentfernungsgeschwindigkeit und eine glatte Bearbeltungsflache gewährleistet.

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Die Prellungsmeßvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß sie einen Fühler zum Erfassen der Vibrationen des Werkzeugs, einen dem Fühler nachgeschalteten elektrischen Frequenzselektor, der Irelliniormationen enthaltende Vibrationen durchläßt, einen dem Fühler und Selektor nachgeschalteten ersten Vollweggleichrichter, der die Vibrationen gleichrichtet, einen zweiten elektrischen Frequenzselektor, der niederfrequente Modulationen aussondert, einen das gleichgerichtete Signal integrierenden Integrator und einen Rechenverstärker enthält, der einen vorbestimmten ft elektrischen Wert vom integrierten Signal subtrahiert, so daß sich ein oignal zum Regeln der Scrneidgeschwindifkeit des Werkzeugs auf einen optimalen wert ergibt,

Weiterbildungen sind in den UnteranSprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nun anhand der Zeichnungen in Anwendung auf eine numerisch geregelte Drehbank beschrieben, obwohl die Anwendung nicht darauf beschrankt ist.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der PrellungsmeLvorrichtung.

™ Fig. 2 zeigt, wie die irellungsmeßvorrichtung an eine numerisch geregelte Drehbank angeschlossen wird, um die adaptive Lageregeleinrichtung gemäß der Erfindung zu bilden.

Fig. 3 zeigt das Ausgangssignal der wellvorrichtung in verschiedenen Jtufen dieser Vorrichtung.

Die wesentlichen Schritte beim Betrieb dieser Ausführung sind: 1. Das Messen der Vibrationen des Werkzeughalters.

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2c Das Filtern de» rohen Vibrationssignals in einem Breitbandpassfilter, udi den Frequenzbereich anzuheben, in dem die Hauptprellinformation liegte

5. Pas -Jini-eben des gefilterten ^Lgnals in eine Einrichtung, die. eine periodische schwingung des Vignals aussondert, deren Amplitude einen vorbestimmten Wert überschreitet.

4. Dau Erzeugen eines Signals durch diese Einrichtung, dessen Betrag oder .Vert der Frequenz und Amplitude dieser Schwingung proportional ist. Dieses Signal ist das "Prellsignal".

5. Das Regeln der Vorsehubgeschwindigkeit auf einen v/ert, der kurz unter diesem Prelleinsutzpunkt liegt. '

Bei- der in den ?ig. 1 und 2 gezeigten rrellungsmeßvorrichtung, ist ein Vibrutiensfühler 1, z.B. ein herkörnnlicher Beschleunigun, sTTiesser, derart an Werkzeughalter 2 befestigt, dai? die an der Schneidkante 3'entstehenden Vibrationen über den Werkzeughalter 2. zum Fühler 1 übertragen werden.

Die Ausgangscignale des Vibrationefühlers 1 werden einem Vorverstärker 4 zü_t;:ef\.hrt. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers

4 wird einem Filter 5, z.B. einem Krohn-Hite-ü'ilter zugeführt, das als Bandpassfilter dient und nur Signale durchläßt, deren. Frequenz zwischan 20 und 500 Hertz liegt. Der Zweck dieses Filters b besteht darin, hochfrequente Signale, die nicht durch Frelluru::en hervorgerufen werden, und sehr niederfrequente Signale zu eliminieren, dagegen im Bereich von 20 bis 500 Hertz liegende Signale zu erhalten, da in diesem Bereich die Mehrheit der Irellinformation liegt. Das Ausgangssignal des Filters

5 wird einem Verstärker 6, z.B. einem Arvee-Dekadenverstärker, zugeführt. Die Ausgangssigriale des Verstärkers 6 werden einem Vollveggleichrichter 7 zugeführt, dessen gleichgerichtete Ausgangssignale einem zv/eiten Bandpassfilter 8 zugeführt werden,

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dessen Durchlaßbereich zwischen 0,2 und 20 Hertz liegt. Schwingungen, deren frequenz in diesem Bereich liegt, der der einhüllenden des gleichgerichteten Signals entspricht, werden durchgelassen. Die Ausgangssignale dieses zweiten Filters 8 werden einem zweiten Vollweggleichrichter 10 über einen Verstärker 9 zugeführt, und das Ausgangssignal des zweiten Vollweggleichrichters 10 wird von einem Integrator 11 geglättet und in ein Signal umgesetzt, dessen Betrag vom Ausmaß der Prellungen abhängt. Das Ausgangssignal des Integrators wird dann einem Rechenverstärker 12 zugeführt, der eine negative Vorspannung abgibt, deren Betrag zur Regelung verwendet wird. Der Rechenverstärker 12 bildet die letzte Stufe in der Prellungsmeßvorrichtung.

Das Ausgangssignal der Prellungsmeßvorrichtung 13 wird dann dem Adapter 14 für die numerische Drehbanklageregeleinrichtung (Fig. 2) zugeführt. Wenn die Ausgangsspannung des Rechenverstärkers 12 über einem voreingestellten Wert liegt, d.h. die Prellungsmeßvorrichtung 13 "oberhalb normal" anzeigt, dann verringert die Regeleinrichtung 15 die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs, und wenn die Ausgangsspannung unter dem voreingestellten Schwellwert liegt, dann erhöht die Regeleinrichtung 15 die Vorschubgeschwindigkeit. Wenn die Ausgangsspannung Null oder fast Null ist, dann bleibt die Vorschubgeschwindigkeit unverändert. Der Rechenverstärker 12 kann auf jeden gewünschten Schwellwert eingestellt werden. Infolgedessen kann durch Wahl des Schwellwertes, der vom Rechenverstärker 12 zu Hull gemacht wird, irgendein Prellwert als "normal" gewählt werden. Dies ist zweckmäßig, weil die Anforderungen an die Oberflächenbearbeitung bei einem Grobschnitt und einem Feinschnitt nicht gleich sind. Auf diese Weise läßt sich also der Bearbeitungsvorgang adaptiv regeln.

.Die in den einzelnen Stufen der Meßvorrichtung auftretenden Signale sind in Fig. 3 gezeigt. Links ist ein Signal ohne Prellungen und rechts das entsprechende Signal dargestellt,

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das sich, in den verschiedenen Stufen ergibt, wenn Prellungen auftreten. Das Diagramm A zeigt das. Ausgangssignal des ersten Bandpassfilters 5. Das Diagramm B zeigt das gleiche Signal, wie es am Ausgang des Gleichrichters 7 auftritt. Das Diagramm O zeigt das gleiche Signal als Ausgangssignal des zweiten Bandpassfilters 8. Das Ausgangssignal des zweiten Vollweggleichrichters 10 ist im Diagramm D und das geglättete oder Ausgangssignal des Integrators 11 im Diagramm E gezeigt. Die Integration des links dargestellten Signals ohne Prellungen ergibt eine Spannung von ungefähr 0 Volt, während sich eine positive Spannung ergibt, wenn Prellungen auftreten. Dies sind die Signale, die dem Adapter 14 zugeführt werden.

Beim Schneiden eines langen verhältnismäßig dünnen Stabes arbeitet diese Maschine folgendermaßenί Die während der Bearbeitung an der Schneidkante des Werkzeugs auftretenden Vibrationen werden von dem am Werkzeughalter befestigten Fühler erfaßt und dann in einer Prellungsmeßvorrichtung, wie beschrieben, verarbeitet. Solange wie das Werkzeug prellfrei schneidet, werden auch keine Prellungen angezeigt« Nimmt man beispielsweise einen langen dünnen Stab, so wird dieser am einen Ende in der Einspannvorrichtung und am anderen von dem Spindelsupport gehalten. Wenn das Werkzeug vom einen Ende des Stabes zur Mitte hin arbeitet, treten Prellungen auf, weil die Mitte des Stabes nachgiebiger ist als die Enden, und die Vorschubgeschwindigkeit wird von der Regeleinrichtung solange verringert, bis das Prellen aufhört. So wird die Vorschubgeschwindigkeit in der Mitte des Stabes, wo die Prellungen normalerweise am stärksten sind, bis auf die für diesen Stab vorgesehene Minimalvorsohubgeschwindigkeit verringert. Wenn das Werkzeug fortfährt zu schneiden, wird die Vorschubgeschwindigkeit etwas erhöht, weil das andere Ende des Stabes eingespannt ist, so daß schwächere Prellungen auftreten· Dieser Vorgang läuft während der gesamten Vor-

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Schubbewegung des Werkzeugs vom einen Ende zum anderen ab. D ..hi die Regeleinrichtung ändert die Vorschubgeschwindigkeit in kleinen Stufen, um den optimalen Wert herum, das Prellen zu vermeiden und so eine glatte Oberfläche zu erzielen. Die Vorschubgeschwindigkeit erhöht sich, wenn sich das Werkzeug dem Ende des Stabes nähert, da das -%ide des Stabes nicht so leicht prellt. Die Schneidgeschwindigkeit wird ständig so geregelt, daß die Bearbeitung stets kurz vor dem Prelleinsatz und mit hoher Metallentfernungsgeschwindigkeit erfolgt. Dies hat den Vorteil größter Wirtschaftlichkeit bei vorgegebener Oberflächenglätte,

Es hat sich herausgestellt, daß bei erfindungsgemäßer Bearbeitung eines Stahlstabes mit kleinem Durchmesser ein Schneidarbeit sgang doppelt so schnell ausgeführt werden kann, wie wenn die Vorschubgeschwindigkeit während des gesamten Arbeitsgangs konstant gehalten wird. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß der Mittelteil eines Stabes stärker vibriert als die Enden, die fest eingespannt sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Einhaltung der maximalen Metallentfernungsgeschwindigkeit unter Vermeidung von Werkzeugprellungen bei der Bearbeitung eines Werkstücks durch eine Werkzeugmaschine, dadurch g e k e η η ζ e i c h n. et, daß erstens die Vibrationen des Werkzeugs gemessen werden, zweitens die Vibrationen in elektrische Signale umgesetzt werden, drittens diejenigen Vibrationssignale ausgewählt werden, die durch das Werkzeugprellen hervorgerufen werden, viertens die Prellsignale in ein elektrisches Gleichsignal umgesetzt werden

- und fünftens die Bearbeitungsparameter des Werkzeugs in Abhängigkeit von diesem elektrischen Signal geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Trellsignale beim Umsetzen in ein elektrisches Gleichsignal gleichgerichtet werden, daß die zwischen 0,2 und 20 Hertz liegenden Frequenzen aus dem gleichgerichteten Prellsignal ausgewählt werden, daß die ausgewählten Frequenzen gleichgerichtet werden und das gleichgerichtete Signal integriert (geglättet) wird, so daß sich ein Gleichsignal ergibt.

( 3* Prellungsineßvorrichtung zur Ausführung der ersten vier ""Schritte des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e kenn ze i c h η e t, daß sie einen Fühler (1) zum Erfassen der Vibrationen des Werkzeugs, einen dem Fühler naehgeschalteten elektrischen Frequenzselektor (5)» der PrelliniOrmationen enthaltende Vibrationen durchläßt, einen dem Fühler und Selektor naehgeschalteten ersten Vollweggleichrichter (7), der die Vibrationen gleichrichtet, einen zweiten elektrischen Frequenzselektor (8), der niederfrequente Modulationen aussondert, einen das gleichgerichtete signal integrierenden Integrator (1t) und einen Rechenverstärker (12) enthält, der

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einen vorbestimmten elektrischen Wert vom integrierten Signal subtrahiert, so daß sich ein Signal zum Hegeln der Schneidgeschvindigkeit des Werkzeugs auf einen optimalen Wert ergibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadu.rch gekennzeichnet, daß der erste elektrische Frequenzselektor (5) ein zwischen dem Fühler (1) und einem ersten Gleichrichter (7) liegendes Filter ist, das Prellinformationen enthaltende Frequenzen durchläßt und alle anderen Frequenzen sperrt, und daß der zweite elektrische Frequenzselektor (8) ein zwischen dem ersten Gleichrichter (7) und einem zweiten Gleichrichter (10) liegendes Filter ist, das niedrige Frequenzen durchläßt, die Prelleinsatzinformationen enthalten, und alle anderen Frequenzen sperrt,

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gleichrichter (7) einen ersten zwischen dem ersten Filter (5) und dem zweiten Filter (8) liegenden Vollweggleichrichter und einen zwischen dem zweiten Frequenzselektor (8) und dem Integrator (11) liegenden zweiten Vollweggleichrichter (10) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie über einen Adapter (14), der das Gleichsignal zur Betätigung einer numerischen Regeleinrichtung vorspannt, an eine numerische Werkzeugmaschinen-Regeleinrichtung (15) angeschlossen ist, die die Schneidgeschwindigkei' verringert, wenn ihr ein Signal zugeführt wird, das ein Maß für das Prellen ist, dagegen die Schneidgeschwindigkeit nicht ändert, wenn das Gleichsignal die gewünschte Prellamplitude anzeigt, und die Schneidgeschwindigkeit erhöht, wenn das Gleichsignal kein Prellen anzeigt.

.7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (1 ). ein Beschleunigungsmesser ist und derart befestigt ist, daß er die Vibrationen des Werkzeugs mißt.

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