DE4028006A1

DE4028006A1 - Verfahren zur kompensation von masslichen abweichungen von werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE4028006A1
Application number: DE19904028006
Authority: DE
Inventors: Robert Schmid; Walter Dipl Ing Pfeiffer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Aumovio Microelectronic GmbH
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1992-03-05
Anticipated expiration: 2010-09-05
Also published as: DE4028006C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von maßli chen Abweichungen einer NC- oder CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine.

Moderne Werkzeugmaschinen werden mit äußerster Präzision konstruiert und gefertigt, um mit Hilfe dieser Werkzeugmaschinen entsprechend genaue Teile produzieren zu können. Im Zuge der ständig wachsenden Genauig keitsanforderungen für die zu fertigenden Teile steigen daher auch stän dig die Anforderungen an die Maßhaltigkeit der Werkzeugmaschinen selbst. Hierbei sind neben der Anfangsgenauigkeit und -maßhaltigkeit der Werk zeugmaschine im fertigmontierten Zustand zunehmend auch maßliche Abwei chungen zu berücksichtigen, die durch ungleichmäßige thermische Ausdeh nung einzelner Maschinenteile, durch Einwirken von statischen und dyna mischen Kräften, wie beispielsweise die Verformung des Maschinenbettes einer Drehmaschine unter den Einfluß von Gewichts- und Schnittkräften, entstehen.

Entsprechend dem Stand der Technik werden diese maßlichen Abweichungen durch konstruktive Maßnahmen minimiert. Insbesondere werden negativer Sturz und maximale Steifigkeit der geometriebestimmenden Teile einer Werkzeugmaschine als konstruktive Gegenmaßnahme angewandt. Dies setzt jedoch aufwendige Berechnungen und Versuchsreihen voraus. Darüberhinaus sind verschiedentlich Lösungen bekannt geworden, die versuchen, das be schriebene Problem zu lösen.

Hierzu ist aus der DE-PS 36 33 573 bekannt, daß von einer zusätzlichen Abtasteinrichtung die temperaturbedingte Verlagerung nach Richtung und Betrag direkt an einer Maßverkörperung der Positionsmeßeinrichtung be stimmt wird. Diese Vorrichtung erfaßt somit nur Verlagerungen in Rich tung der jeweiligen Meßachsen, also jeweils nur in einer Achse. Es wird die Kompensation der maßlichen Abweichung über eine Korrektur des Ist- Wertes im Lageregelkreis vorgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs ge nannten Art anzugeben, das eine Kompensation aller maßlichen Abweichun gen an einer Werkzeugmaschine erlaubt und das nicht in die internen Ma schinenregelkreise eingreift.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die gesamten maßlichen Abweichungen in allen Freiheitsgeraden der Werkzeugmaschine ermittelt und die Zustellbewegung in den jeweiligen Achsen über einen entsprechenden Algorithmus kompensiert werden. Es wird also eine Korrek tur der Soll-Werte der Werkstückgeometrie im Lageregelkreis vorgenommen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Ständerfräsmaschine mit einem Werkstück;

Fig. 2 eine Ständerfräsmaschine nach Anspruch 1 bei starker Erwärmung des Maschinenständers;

Fig. 3 das Werkstück nach Fig. 1;

Fig. 4 das Werkstück nach der Fig. 1 und 3 bei einer korrigierten Bear beitung;

Fig. 5 eine Anordnung zur Erfassung der maßlichen Abweichung des Ma schinenständers und

Fig. 6 ein Schema zur Korrektur der Sollwertvorgaben in den jeweiligen Antriebssteuerungen der Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine.

In Fig. 1 ist eine Ständerfräsmaschine 1 dargestellt, die aus einem Werkstücktisch 2 und einem darauf angebrachten Ständer 3 besteht. An dem Ständer 3 ist eine verschiebliche Arbeitsspindel 4 mit einem Werkzeug 5 angebracht. Auf dem Werkzeugtisch 2 ist ein Werkstück 6 aufgesetzt. Die Verschiebung der Arbeitsspindel 4 erfolgt in üblicher Weise in der z-Achse. Das Werkstück 6 kann auf dem Werkstücktisch 2 in der x- und y-Achse verschoben werden.

Bei idealer Orthogonalität der drei Achsen x, y und z reichen zur Er stellung eines maßhaltigen Teiles auf der Maschine 1 Megmeßeinrichtungen entlang der drei Maschinenachsen aus. Tritt nun aber beispielsweise, be dingt durch ungleichmäßige thermische Erwärmung des Ständers 3, ein Ver zug des Ständers 3 ein, so kann sich die Situation wie in Fig. 2 darge stellt ergeben. Eine Bearbeitung eines Teiles unter derartigen Bedingun gen führt zwangsläufig zu einem mit einem entsprechenden Winkelfehler behafteten Werkstück 6a. Dieser Fehler ist, wie direkt ersichtlich ist, abhängig von der Teilegeometrie. Zur Korrektur dieses Fehlers ist vorge sehen, aus einer Messung der maßlichen Abweichung der Werkzeugmaschine Korrekturwerte für die Zustellbewegungen zu ermitteln, die dann entweder direkt in die Sollwertvorgabe der Vorschubachsen eingehen oder aber zur Erstellung eines modifizierten Werkstückprogrammes dienen.

Um ein korrigiertes Werkstück 6 mit einer Teilegeometrie gemäß Fig. 3, die derjenigen in Fig. 1 entspricht, zu erlangen, muß auf der Ständer fräsmaschine 1 mit den maßlichen Abweichungen des Ständers 3 entspre chend Fig. 2 die Teilegeometrie des Werkstückes entsprechend dem Werk stück 6b nach Fig. 4 modifiziert werden. Somit führt die Bearbeitung des Werkstückes 6a auf der Ständerfräsmaschine 1 nach Fig. 2 zu dem eigent lich gewünschten Werkstück 6 nach Fig. 3.

In Fig. 5 ist eine mögliche Anordnung zur Erfassung der maßlichen Abwei chung des Maschinenständers 3 schematisch dargestellt. Hierbei werden vom Fußpunkt des Ständers 3 aus an der Rückseite senkrecht nach oben zwei parallele, hier nicht dargestellte Laserstrahlen gerichtet, die am oberen Ende des Ständers 3 auf zwei mit der Ständeroberseite verbundene, positionsempfindliche Detektoren 7 und 8 treffen. Tritt nun ein maßli ches Abweichen des Ständers 3 mit jeweiligen Auslenkungen Δx_z, Δy_z aus seiner Sollage auf, so werden in den den Detektoren 7 und 8 zugeordneten Meßachsen x_M1, y_M1, x_M2 und y_M2 proportionale Si gnale Δx_M1, Δy_M1, Δx_M2 und Δy_M2 erzeugt. Durch geeignete Verknüpfung dieser Signale läßt sich dann die Verlagerung Δx_z, Δy_z der z-Achse in der Höhe H der Detektoren ermitteln. Geht man von den Bezeichnungen nach Fig. 5 und einer allgemeinen Ständerverformung aus, die sich durch Drehung um die Maschinenkoordinatenachsen x, y und z beschreiben läßt, so ergibt sich für den Drehwinkel um die z-Achse

woraus sich die Verlagerung Δx_z, Δy_z der z-Achse in der Höhe H zu
Δx_z = 1/2 · (Δx_M1 + Δx_M2) - sin (Δϕ_z) · A

Δy_z = 1/2 · (Δy_M1 + Δy_M2) + A · [1 - cos (Δϕ_z)]

berechnen läßt.

Somit ist für jede Position z der Spindel 4 in Richtung der z-Achse ein Korrekturwert Δx(z) und Δy(z) in folgender Reihe angebbar:

Δx(z) = Δx_z/H · z

Δy(z) = Δy_z/H · z

Dieser Korrekturwert kann entweder dazu verwendet werden, im Teilepro gramm sämtliche Werte für x- bzw. y-Koordinaten zu ersetzen durch um Δx(z) bzw. Δy(z) korrigierte Werte

x_soll → x + Δx(z)

y_soll → y + Δy(z)

oder zur Korrektur der Sollwertvorgaben in den jeweiligen Antriebssteue rungen der Vorschubachsen, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Dabei ist für die x-Achse der Antriebssteuerung der Ständerfräsmaschine 1 dargestellt, wie ein Istwert 9 aus einer Regelstrecke 10 der Antriebs steuerung mit dem Korrekturwert Δx(z) zum Wert x_soll für die korri gierte Sollwertvorgabe der Vorschubachse überlagert wird.

Diese Darstellung am Beispiel der Ständerfräsmaschine 1 soll nur exem plarisch ohne Einschränkung der Allgemeinheit den Erfindungsgedanken be schreiben. Es lassen sich darüberhinaus weitere maßliche Abweichungen von Werkzeugmaschinen aller Art mit dem vorliegenden Verfahren kompen sieren.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von maßlichen Abweichungen von NC oder CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Sensor Werte der maßlichen Abweichungen in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie ermittelt werden, daß darauf aus diesen Werten modifizierte Verfahr- und Zustellbewegungen der Werkzeugmaschine in al len Freiheitsgraden errechnet werden und aus einer Überlagerung von den von den Sensor ermittelten maßlichen Abweichungen mit den modifizierten Verfahr- und Zustellbewegungen die exakten Sollwerte der Werkstückgeome trie bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mo difizierten Verfahr- und Zustellbewegungen durch Korrrektur der von der übergeordneten Maschinensteuerung an die jeweilige Antriebsbewegung der Vorschubachsen abgegebenen Sollwerte ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mo difizierten Verfahr- und Zustellbewegungen durch Korrektur der entspre chenden Werkstückgeometriewerte im zugehörigen Werkstückprogramm ermit telt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Sollwert der übergeordneten Maschinensteuerung ein Korrekturwert addiert oder subtrahiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sen sor eine photoelektrische Anordnung aus Laserstrahlen mit positionsemp findlichen Detektoren verwendet wird.