MACHINE TOOL FOR MAKING GEARS

Abstract: 1. A gear shaping machine by the generating process or a hob cutter comprising electronically controlled, separate drives for moving the tool (10) and the workpiece (14) to be machined, said movement being superimposed on a plurality of axes, the drive of the workpiece being readjusted in accordance with the actual position values of the tool, characterized in that a modular control computer system integrated into the machine and comprising a plurality of processors (MPST) is provided that consists of at least one processor (18) for organizing the access to the data bus (BUS), a processor (22) for coupling the rolling movement between the shaping wheel (10) and the work wheel (14), said processor readjusting the rotating position and speed of the clamping table (12) at least every 5 ms to the actual position of the shaping spindle, and a processor (24) for regulating the linear axes and other additional axes as well as the radial feed motion and run-off control of the lifting ram, the access of the processor (22) for the rolling coupling to the actual position values of the relative angular positions of the shaping and work wheels at predetermined time intervals being ensured in that the access to the data bus (BUS) is requested with a lead time which is longer than the longest time during which the data bus is used by the other processors (18, 24).

Description: Zahnradbearbeitungsmaschine Die Erfindung betrifft eine nach dem Wälzprinzip arbeitende Werkzeugmaschine, insbesondere Wälzstoss- oder Wälzfräsmaschine, mit elektronisch angesteuerten, separaten Antrieben für die in mehreren Achsen überlagerte Bewegung des Werkzeugs und des zu bearbeitenden Werkstücks. In der Vergangenheit waren Zahnradbearbeitungsmaschinen in der Regel mit mechanischen Getriebezügen ausgerüstet. Die relative Bewegung des Schneidrads und des zu verzahnenden Werkrads, beim Stossen beispielsweise in vier und beim Fräsen in sechs Achsen, wurde mechanisch von einem einzigen Hauptantrieb abgeleitet. Zum Umrüsten mussten jedesmal eine grosse Zahl von Teil- und Vorschubwechselrädern verschoben bzw. ausgewechselt werden. Die dadurch bedingten langen Umrüstzeiten verteuern jedes einzelne Zahnrad. Zur Reduzierung der Nebenzeiten ist es bereits bekannt, Zahnradbearbeitungsmaschinen mit dezentralisierten Antrieben auszurüsten, d.h. mit getrennten Antrieben für jede Welle. Die kinematische Kopplung erfolgt dabei nach dem Prinzip der elektrischen Welle, d.h. ein Motor liefert über ein Winkelmesssystem eine Führungsgrösse, die dem anderen Motor als Stellgrösse zugeführt wird. Es ist in diesem Zusammenhang bereits bekannt, die Kopplung fest verdrahtete elektronische Bausteine zu bewirken. Fest verdrahtete elektronische Steuerungen haben aber den Nachteil eines hohen Aufwandes und geringer Zuverlässigkeit. Es liegt in der Natur dieser fest verdrahteten Schaltungen, dass Anderungen und Anpassungen nur in begrenztem Masse möglich sind. Da Werkrad und Stoss rad beim Wälzstossen und Wälzfräsen in komplizierten Bewegungsbahnen geführt werden, beim Stossen wird die Bewegung durch vier unterschiedlich im Raum angeordnete Drehachsen und beim Fräsen durch sechs unterschiedliche Drehachsen dargestellt, müssen die Umdrehungen der separaten Antriebe genau aufeinander abgestimmt sein. Entscheidend ist dabei eine Führungsgrösse, beispielsweise beim Wälzstossen die Hubzahl, welche das Spanvolumen und damit die Zerspanleistung bestimmt. Alle anderen Bewegungen sind von dieser Führungsgrösse abhängig und müssen bei einer Verstellung dieser Führungsgrösse entsprechend nachgeregelt werden. Es hat sich daher eingebürgert, den Vorschub für die Radialbewegung und die Wälzbewegung in mm pro Hub anzugeben. Die handelsüblichen Standard-Steuerungen sind jedoch nur auf bestimmte Vorschübe pro Zeiteinheit einstellbar, so dass bei jedem Umrüsten alle Schalter nach entsprechend empirisch oder rechnerisch ermittelten Tabellen umgestellt werden müssen. Numerische Standard-Steuerungen können, zur Zahnradbearbeitung eingesetzt, nur Teile der insgesamt zu bewältigenden Steuerungsaufgaben übernehmen. Die Wälzkopplung als Kern der Steuerung einer nach dem Wälzprinzip arbeitenden Zahnradbearbeitungsmaschine muss durch getrennte elektronische Schaltungen verwirklicht werden. Es ist zwar bekannt, als numerische Steuerung einen oder mehrere Rechner zu verwenden (CNC), der Einsatz eines solchen Rechners auch für die Wälzkopplung scheiterte jedoch bisher daran, dass für die exakte Kopplung der Wälzbewegung zwischen Schneid- und Werkrad eine Nachführung in Echtzeit nicht möglich war. Standardmässig können derartige Rechner nur alle 10 bis 15 Millisek. Befehle ausgeben. Derartige Zeitintervalle sind jedoch bei der im vorliegenden Zusammenhang verlangten Präzision nicht tragbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Maschine gemäss Oberbegriff des Hauptanspruches durch eine Integration der Wälzkopplung in die Steuerung den konstruktiven Aufwand zu reduzieren und damit die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Insbesondere wird angestrebt, einen Dialog mit der Maschine in technologisch übligen Grössen, d.h. beispielsweise in mm pro Hub Vorort zu führen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem in der Maschine integrierten,. modular aufgebauten Steuerungsrechnersystem mit mehreren Prozessoren und einem gemeinsam adressierbaren Speicher abhängig von einer Führungsgrösse, insbesondere der Hubstellung des Stossrads einer Wälzstossmaschine, die Soll-Positionen und Geschwindigkeiten der übrigen Achsen mittels entsprechender Programme in den Prozessoren ständig neu errechnet und bei Abweichung vom momentanen Sollwert entsprechend nachjustiert werden. Die zentrale Idee der Erfindung, nämlich die Wälzkopplung in das Steuerungsrechnersystem zu integrieren, resultiert in zahlreichen Vorteilen. Eine Anderung technologischer Parameter vorort ist jederzeit möglich, die Bedienungsperson muss dazu nicht wie bisher auf die Arbeitsvorbereitungen rückgreifen, die für die änderung eines bestimmten Parameters eine entsprechende Serie neuer Einstellwerte errechnet hat. Die Anpassung erfolgt innerhalb des Systems, d.h. die Wälzkopplung wird in Abhängigkeit aller anderen einstellbaren Grössen ständig justiert. Dadurch ergibt sich beispielsweise die Möglichkeit, mehrere sogenannte "Override'-Schalter vorzusehen, mit denen einzelne Vorschübe verlangsamt werden können. Im Gegensatz zur bekannten Lösung handelt es sich hier also um keine feste Kopplung der einzelnen Bewegungen, wie sie beispielsweise ein "elektronisches Getriebe" bietet, die Bewegungsverhältnisse werden vielmehr ständig neu ermittelt und bei Abweichungen nachgestellt. Damit wird eine bisher nicht gekannte Flexibilität erreicht. Die Maschinen können vorort programmiert werden, der Dialog mit der Maschine kann in üblichen Grössen, d.h. in mm pro Hub erfolgen. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, bestimmte Messsysteme in die Steuerung zu integrieren, so dass beispielsweise der Bearbeitungsvorgang abhängig von ständig gemessenen Materialeigenschaften gesteuert wird. Dass die Umsetzung der Werkstückdaten in Maschinensteuerdaten, die bisher in der Arbeitsvorbereitung erfolgte, systemintern durchgeführt wird, kann auch die Verkettung, Arbeitsvorbereitung und der Werkstückfluss nach Fertigstellung systemintern berücksichtigt werden. Weitere Vorteile der Erfindung sind nachfolgend aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Das Ausführungsbeispiel wird anhand einer beigefügten Zeichnung erklärt. Darin zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer Wälzstossmaschine, und Fig. 2 ein Blockschaltbild der hardware struktur einer erfindungsgemässen Wälzstossmaschine. Die in Fig. 1 gezeigte, erfindungsgemässe Wälzstossmaschine weist einen Hauptantrieb Mf für die Hubbewegung des Stoss- oder Schneidrades 10 auf, einen Antrieb MC für die Wälzbewegung des Stossrades 10, einen Antrieb Mc, für die Wälzbewegung des Tisches 12 bzw. des auf dem Tisch aufgespannten Werkrades 14, sowie einen Antrieb Mx, für die Radialzustellung des Tisches 12. Der Bewegungsablauf beim Stossen schrägverzahnter Stirnräder ist bekannt. Das Stossrad 10 führt eine axial hin- und hergehende Hubbewegung aus, von der als Führungsgrösse alle anderen Bewegungen abhängen. Der Hubbewegung des Stossrades 10 ist eine Wälz- bzw. Drehbewegung überlagert, die mit der Wälzbzw. Drehbewegung des Werkrades 14, bewirkt durch den Antrieb Mc, korrespondiert. Der Drehbewegung des Tisches 12 ist bei Herstellung schrägverzahnter Stirnräder noch eine hubabhängige Zusatzbewegung zur Herstellung der Schrägung des Zahnes überlagert. Schliesslich bewirkt die radiale Zustellung ein spiraliges Eintauchen des Stoss rads in das Material des Werkrads. Die Arbeitsweise einer derartigen Maschine ist bekannt und braucht daher in vorliegendem Zusammenhang nicht weiter behandelt zu werden. Der Maschine zugeordnet ist ein modulares Mehrprozessor-Steuersystem, d.h. Prozessorrechner, welche die Vorschübe der einzelnen Antriebe abhängig von der jeweiligen Hubzahl steuern. Ein Schemabild dieses Systems zeigt Fig. 2. Kernbestandteil des Systems sind drei modulare Prozessoren, die über eine Datensammelleitung miteinander bzw. mit sogenannten Achsenkarten kommunizieren, deren Funktion nachfolgend noch näher erläutert wird. Der Dialog mit der Maschine findet über ein Bedienfeld 16 statt, das sämtliche Grössen in technologisch üblicher Form, d.h. in mm pro Hub angibt. Vor Weiterleitung der Signale an die Prozessorbausteine werden die Grössen entsprechend umgerechnet und digitalisiert. Der Prozessor 18 ist im wesentlichen für den Verkehr mit der Datensammelleitung 20 dem sogenannten BUS verantwortlich. Will ein Prozessor über den BUS 20 mit einer der Achsenkarten 22,24 kommunizieren, muss er vorher beim Prozessor 18 den Zugriff beantragen. Der Prozessor 18 teilt den Zugriff dann abhängig von den jeweiligen Prioritäten des Gesamtsystems bei nächster Gelegenheit zu. Der Prozessor 22 ist allein für die Wälzkopplung zwischen Stossrad 10 und Werkrad 14 bzw. Stossspindel und Tisch 12 verantwortlich. Der Prozessor 24 schliesslich dient der Regelung der anderen Parameter wie radialer Zustellung und Ablaufsteuerung des Hubstössels. Die Achsenkarten 26,28 enthalten Impulszähler, die von Inkrementalgebern an Stoss spindel und Tisch gespeist werden. Die Summe der in einer bestimmten Zeiteinheit aufsummierten Impulse entspricht somit einer bestimmten Winkeldrehung bzw. Vorschubstrecke. Zur Sicherstellung einer exakten Wälzkopplung zwischen Stossrad und Werkrad wird der Zugriff zur Achsenkarte 28 vom Prozessor 22 mit einer Vorlaufzeit beantragt, die jedenfalls länger ist, als die längste Zeit, die einer der anderen Prozessoren die Datenleitung blockiert. Mit dieser Massnahme wird sichergestellt, dass zu einem ganz bestimmten definiertem Zeitpunkt der Zugriff auf die Zähler für die Stellung von Stossrad und Werkrad erfolgt. Dies ist deswegen von besonderer Wichtigkeit, weil die Zähler ständig weiterzählen, so dass ein verspäteter Zugriff eine andere "Winkelstellung" anzeigen würde. Die Achsenkarten 26,28 enthalten im übrigen noch jeweils einen Digital-Analogwandler, der die zunächst in digitaler Form übermittelten Sollwerte in Analogsignale für die Antriebsmotore umsetzt. Der Prozessor 24, der abhängig von der Führungsgrösse, d.h. des Ist-Wertes des Stossspindelhubes, die Positionen aller anderen Achsen berechnet, berechnet pro Zyklus auch jeweils mehrere korrespondierende Werte für die Wälzbewegung Stoss rad-Schneid- rad. Diese Werte werden dann absatzweise in einen Speicher des Prozessors 22 übertragen, der alle 2,5 Millisek. entsprechende Regelsignale an den Stoss spindel- und Tischantrieb abgibt. Dieser Speicher ist deswegen erforderlich, weil der Zyklus des Prozessors 24 etwa 10 bis 15 Millisek. beträgt, andererseits aber die Steuerbefehle für die Wälzkopplung alle 2,5 Millisek. gegeben werden müssen. Neben den bereits erwähnten Vorteilen, bietet die erfindungsgemässe Maschine auch die Möglichkeit, die Zusatzdrehbewegung, die der eigentlichen Wälzdrehbewegung des Tisches 12 überlagert werden muss, falls schrägverzahnte Stirnräder gestossen werden sollen, über eine entsprechende Programmierung des Prozessors 24 zu erzeugen. Damit kann die üblicherweise verwendete Führungsbüchse für die Stoss spindel entfallen. Obwohl die Erfindung vorstehend anhand einer Wälzstossmaschine beschrieben wurde, kann sie mit gleichem Erfolg auch bei einer Wälzfräsmaschine eingesetzt werden. Hier sind lediglich die Bewegungsabläufe noch etwas komplexer, da statt vier Achsen beim Wälzstossen sechs Achsen überwacht und gesteuert werden müssen. Entscheidend ist jedoch auch in dieser Anwendung, dass eine Führungsgrösse bestimmt wird, aus deren Ist-Wert der Sollwert gekoppelter Bewegungen abgeleitet wird. Die Wälzkopplung des miteinander kämmenden Schneid- und Werkrades wird wieder dadurch sichergestellt, dass Steuerbefehle wenigstens alle 5 Millisek., vorzugsweise alle 2,5 Millisek. abgegeben werden.

Claims: Patentansprüche 1. Nach dem Wälzprinzip arbeitende Werkzeugmaschine, insbesondere älzstoss- oder Wälzfräsmaschine, mit elektronisch angesteuerten, separaten Antrieben für die in mehreren Achsen überlagerte Bewegung des Werkzeugs und des zu bearbeitenden Werkstücks, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem in der Maschine integrierten, modular aufgebauten Steuerungsrechnersystem mit mehreren Prozessoren und einem gemeinsam adressierbaren Speicher abhängig von einer Führungsgrösse, insbesondere der Hubstellung des Stossrads einer Wälzstossmaschine, die Soll-Positionen und Geschwindigkeiten der übrigen Achsen mittels entsprechender Programme in den Prozessoren ständig neu errechnet und bei Abweichung vom momentanen Sollwert entsprechend nachjustiert werden. 2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kopplung für die Wälzbewegung zwischen Stoss- und Werkrad einer Wälzstossmaschine durch einen gesonderten Prozessor mit eigenem Programm geregelt wird, der die Drehstellung und Geschwindigkeit des Spanntisches (12) wenigstens alle 5 Millisek., vorzugsweise alle 2,5 Millisek. der Ist-Stellung der Stoss spindel nachregelt. 3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Messen der Positionen der einzelnen Achsen mittels Pulszählern erfolgt, die von Inkrementalgebern gelieferte Impulse drehrichtig aufaddieren und die in exakt festgelegten Zeitintervallen abgerufen werden. 4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zugriff des Prozessors für die Wälzbewegung zu den Zählern für die Ist-Position von Werkzeug und Werkstück zu exakt festgelegten Zeitintervallen erfolgt, die dadurch sichergestellt sind, dass der Zugriff zur Datensammelleitung (BUS) und damit zu den Zählern mit einer Vorlaufzeit beantragt wird, die grösser ist, als die längste Benutzungszeit der Datensammelleitung durch die anderen Prozessoren. 5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das System zusätzlich zum Prozessor für die Wälzbewegung einen Prozessor für die Organisation des Zugriffs zur Datensammelleitung und einen Prozessor für die Sollwert-Erzeugung der anderen Achsen aufweist. 6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Maschine ein Bedienfeld zugeordnet ist, welches die Eingabe aller Grössen in technologisch üblicher Form, insbesondere bezogen auf mm pro Hub ermöglicht.

Inventors: SCHWIEGELSHOHN, KARL, DR., STUTE, GOTTFRIED, DR.
Applicants: LIEBHERR-VERZAHNTECHNIK GMBH
Application year: 1982
Main classification: G05B19
IPC codes: G05B19, B23F23