CN103460151B - 用于借助数字控制的工件加工装置加工工件的方法以及工件加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助数字控制的工件加工装置（10）加工相同构造的工件（14）的方法，所述方法具有以下步骤：在预给定用于所述工件加工装置（10）的工具（12）的额定工具路径（34）的情况下加工工件（14），将所述工具（12）与所述工件（14）的工作间距（22）调节到定义的额定间距上，从而使所述工具（12）在沿着所述额定工具路径（34）加工所述工件时在经间距调节的实际工具路径（36）上运动，根据所加工的工件（14）的经间距调节的实际工具路径（36）优化用于其他工件（4）的额定工具路径（34）以及在预给定经优化的额定工具路径（34'）的情况下加工所述其他工件（14）和/或根据所述经间距调节的实际工具路径（36）评价所加工的工件（14）的工件品质。

Description

用于借助数字控制的工件加工装置加工工件的方法以及工件 加工装置
技术领域
本发明涉及一种用于借助数字控制(NC)的工件加工装置加工相同构造的工件的方法以及用于这样的方法的工件加工装置。
背景技术
在这类工件加工装置中，借助数字控制装置控制在加工工件时使用的工具相对于工件的定位和运动。在加工工件时，所述工具相对于工具沿着工具路径运动，所述工具路径通常基于关于工件的额定几何形状的CAD数据确定(CAD/CAM)。工具路径通过进行路径描述的NC数据编码，所述NC数据保存在控制装置中并且在加工工件时借助NC程序处理。
然而，在实践中，工件经常具有与CAD额定几何形状的几何形状偏差。因此，尤其通过成型工艺获得的工件——例如深拉伸部件时常也具有较大的不准确性，由此使沿着在控制侧固定地预给定的额定工具路径加工工件变得困难。
因此，在借助激光加工装置的工件加工的示例性情形中，出于工艺技术的原因，激光加工头具有与工件持续非常恒定的——例如1mm的工作间距。然而，因为工件不准确性经常大数倍，所以通常在激光加工头中集成用于测量激光加工头与待加工的工件的相应工作间距的间距测量装置。然后，在控制侧基于所求取的间距值将工作间距调节到预给定的额定间距上。所述调节回路与激光加工头沿着由NC控制装置预给定的额定工具路径的运动控制叠加并且称作“间距调节”。
实践中，调节的实际值通常具有与待调整的调整量相应的偏差。调节参数通常相对较小，从而较大的工件不精确性可能负面地作用于加工工艺。如果工件不精确性超过确定的程度，则间距调节不能够充分地调节偏差，这可能导致工具与被加工的工件或者处理轮廓的碰撞。在这种情形中，通常必须手动地再校正在控制侧预给定的额定工具路径，即NC程序。所述工艺在于机器主要时间并且因此成本较高。
由WO 2007/045 223 A1已知了一种方法，其中在加工一个或多个其他工件之前根据分别先前加工的工件来优化保存在控制装置中的进行路径编码的NC数据组，即工具的通过所述NC数据组定义的额定工具路径。为了额定工具路径的校正，在第二步骤中测量分别先前加工的工件并且借助所获得的用于其他工件加工的测量值来优化额定工具路径。因此，基于通过所述方式优化的额定工具路径来进行分别后面的工件的加工。仅仅可以在工件测量的范畴内进行分别先前(最近)加工的工件的工件品质的评价。
尤其由于两个顺序的步骤(加工和测量)，所述方法在整体上非常耗时并且因此从成本角度不太有利。
发明内容
本发明的任务是，说明一种用于借助数字控制的工件加工装置加工相同构造的工件的方法，通过所述方法可以通过更简单且更高效的方式针对其他工件的加工来优化对于工件加工预给定的额定工具路径和/或允许被加工的工件的工件品质的更简单的评价。在此，尤其在现有的工件加工装置——如激光加工装置，例如平板激光器、冲压/激光组合机器或机器人中，也可以在事后实现所述方法。此外，本发明的任务是，说明一种用于实施根据本发明的方法的工具加工装置。
根据本发明的方法能够实现用于一个或多个其他工件的加工的预给定的额定工具路径的整体上更简单且更高效的优化。此外，也可以简化最近加工的工件的工件品质的评价。基于工具与相应工件的工作间距的主动间距调节，沿着在控制侧预给定的额定工具路径在针对相应工件的加工已经优化的、经间距调节的实际工具路径进行工件的加工。可以根据经间距调节的实际工具路径来优化其他工件的额定工具路径，其中所述工具在加工先前、尤其最近加工的工件时在所述经间距调节的实际工具路径上运动。因此，在经优化的额定工具路径中反映或者考虑先前加工的工件的实际几何形状。预给定的额定工具路径在此不仅涉及开始部分解释的通过在控制装置中编程的NC数据组编码的“原始的”额定工具路径。所述NC数据组例如可以由关于工件的额定几何形状的CAD数据生成。替代地，也可以涉及在加工工艺期间已经一次或多次优化的额定工具路径。然后，其相应地在控制装置中通过已经修改的、进行路径编码的NC数据组编码。因为工件在实践中对于每批次经常具有非常相似的偏差、即系统几何形状误差(其例如可以通过深拉伸模具的工具磨损决定)，所以在大多数情形中在预给定(一次)优化的额定工具路径的情况下——即借助针对相同构造的工件优化的NC程序进行另一个工件或者各个其他工件的随后加工。由此能够实现间距调节的显著更少的调整过程。此外，由此可以实现工件的改进的加工结果和在整体上更不易受干扰影响的加工工艺。此外，可以减小叠加的间距调节在工件加工时所需的动态性，从而必要时可以不使用附加装置，如用于间距调节的工具的高动态附加轴线。这在结构方面以及在加工装置不易受噪声影响的运行方面是有利的。此外，不必从加工装置中取出工件并且随后测量工件，这能够实现在整体上简化的并且更少耗费(时间)的加工工艺。通过根据经间距调节的实际工具路径对工件品质的评价，例如可以及早地、即在工件加工期间已经识别并且必要时筛选出例如具有位于确定的公差以外的错误几何形状的工件。由此可以在相应的成本优势下避免耗时的、单独的质量控制或其他不必要的加工步骤或者制造步骤。
可以通过以下方式再次进一步改进工件加工：分别通过相同的方式根据各个先前加工的工件优化用于各个其他工件的加工的额定工具路径。因此，分别在预给定在各个先前加工的工件上经优化的额定工具路径的情况下加工其他工件。通过这种方式可以在加工工件时简单且精确地补偿工件的随着时间变化的、即动态的几何形状误差，其例如可以通过在工件加工前的成型工具的渐进磨损引起。
在相应工件的加工中，优选在相应的实际工具路径上检测工具沿着或围绕其运动轴线的(绝对)轴线位置并且根据工具的相应轴线位置确定相应的实际工具路径。轴线位置在NC控制的工件加工装置中是调节参数并且原本就在控制侧存在或者可以通过工件加工装置的现有传感器简单地检测。
在最简单的情形中，如此优化相应的额定工具路径，使得其相应于加工各个先前加工的工件时工具的实际工具路径。由此可以使所需的计算开销保持得较低，这尤其在高的或最高的加工时钟节拍的情况下是有利的。就此而言，例如在加工相应的工件时在工具的实际工具路径上检测的沿着/围绕其运动轴线的工具轴线位置可以至少部分地用作经优化的额定工具路径上的工具轴线位置。
在所检测的轴线位置会导致额定工具路径的插补点序列的不利情况的情形中，例如借助NC控制装置的优化算法如此修改额定工具路径，使得在工件加工时使工具沿着额定工具路径以经优化的、即最大可能的速度特征运动。为此，例如可以减少、修改和/或至少部分地研磨工具加工头的各个轴线位置作为路径插补点。由此，可以在整体上使对于工件加工而言分别所需的加工时间保持得较小。路径插补点在此理解为额定工具路径的以下点：借助这些点在NC控制装置中对额定工具路径进行编码。
根据本发明的一种特别优选的实施方式，分别借助NC控制装置自动地优化相应的额定工具路径。为此，例如可以根据定义的优化算法由控制装置修改进行路径编码的NC控制数据。替代地或附加地，也可以手动地例如通过(NC)控制装置的图形用户界面进行额定工具路径的优化。
根据本发明的一种特别优选的实施方式，确定相应的实际工具路径与(所属的)额定工具路径的路径偏差并且在存在实际工具路径与额定工具路径的定义的路径偏差的情况下优化额定工具路径。由此，可以在仅仅轻微的路径偏差的情况下避免额定工具路径的不必要的路径校正。定义的路径偏差尤其可以通过一个路径偏差区间构成，其例如基于工件的预给定的制造公差来确定。
为了评价(最近)加工的工件的工件品质，优选确定经间距调节的实际工具路径与额定工具路径或与先前加工的工件的经间距调节的实际工具路径的路径偏差。对于相应的路径偏差，在此可以预给定例如最大值，在超过所述最大值时将相应的工件辨识为次品。在工件被辨识为次品并且必要时作为次品被筛选的情形中，对于各个其他工件的加工优选预给定对于各个先前加工的工件的加工预给定的、即分别最近有效的额定工具路径。由此避免额定工具路径的错误优化(即恶化)以及与此相关的不期望的次品制造。由此能够在整体上实现相应的成本优势下的高效工件加工。
根据本发明的一种优选的实施方式，根据实际工具路径与相应的额定工具路径的分别求取的路径偏差来求取偏差趋势。由此，例如可以简化地识别在工件加工的工艺链中位于前面的成型工具的越来越大的磨损并且在工件离开预给定的(几何形状)公差和形成次品工件之前已经采取预防措施。优选随着时间、尤其在每个工件加工之后更新偏差趋势。
在可以借助不同的幅度和在不同的空间方向上进行工件的不同加工位置上的间距调节之后，优选以图形方式输出分别求取的路径偏差趋势，即例如在显示器等等上显示分别求取的路径偏差趋势。由此可以在操作人员方面特别舒适地使信息可视化并且通过简化的方式监视所述信息。由此在机器上制造/加工第一个次品并且在随后的测量过程(质量控制)中才探测到所述次品之前，可以及早且可靠地识别被加工的工件的几何形状例如由深拉伸模具中的磨损引起的渐进变化。
可以通过以下方式再次进一步改进工件加工的监视：以图形方式显示由在控制侧保存的关于待加工的工件的CAD数据生成的虚拟工件图像和/或相应的额定工具路径和/或实际工具路径的至少一部分。
优选无接触地、尤其光学地和/或电容式地测量工具与工件的间距。由此能够实现特别无磨损的并且不易受噪声影响的间距测量。众所周知，在电容式间距测量的情形中，可以通过工件角部区域中的材料堆积产生测量误差。通过分析在工件加工时由加工头实际经历的实际工具路径，可以结合关于工件的相应角部区域的曲率信息推断出必要的校正值/措施，用于使测量误差最小化。
本发明的主题的其他优点和有利构型由说明书、权利要求和附图得出。同样，先前提到的以及还进一步列举的特征可以单独地或多个任意组合地使用。
附图说明
以下根据在附图中给出的实施例详细解释本发明。所示的和所描述的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于说明本发明的示例性特性。附图高度示意性地示出根据本发明的主题并且应理解为按比例的。
图1以侧视图示出具有在工件加工期间由数字控制装置控制的工具的根据本发明的工件加工装置；
图2示出图1的数字控制装置的电路框图；
图3示出根据本发明的方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
图1以侧视图示出被构造为激光加工装置的工件加工装置10，其具有(激光)工具12。为了加工工件14，工具12借助多个伺服驱动装置16能够沿着/围绕多个运动轴线18相对于工件14运动。设置在工具12上的光学间距测量装置20用于测量工具12与工件14的相应工作间距22。间距测量装置20也可以替代地被构造为电容式间距测量装置。
数字控制装置24包括计算机26、与计算机26连接的输入单元28和显示器30。计算机26通过控制线路32与伺服电机16和工具12的间距测量装置20连接并且用于工具12沿着由控制装置24预给定的额定工具路径34的运动控制以及将工具12的工作间距22调节到存储在控制装置24中的额定间距上。
图1中以点线示出由控制装置24预给定的额定工具路径34，沿着所述预给定的额定工具路径在加工工件14时调整工具12。以划线给出实际工具路径36，在加工工件14期间基于间距调节使工具12在所述实际工具路径上运动。工具12的实际工具路径36在此具有以箭头38表示的与额定工具路径的偏差。工具12的实际工具路径36与经优化的额定工具路径34'重叠，工具12在加工下一个相同构造的工件14时应沿着所述经优化的额定工具路径相对于工件14运动。
如从图2中更详细得出的那样，计算机26具有NC内核40(缩写为NCK 40(系统内核))，用于实时控制工具12沿着/围绕其运动轴线18相对于工件14的运动(图1)。NCK 40通过控制线路32与工具12的伺服驱动装置16连接。计算机26具有操作界面(MMC)42、图形浏览器44、用于数据存储的存储器46和具有保存在其中的优化算法50的监视模块48。
在存储器46中存储有NC控制程序52，所述NC控制程序包括根据CAD数据建立的、原始的、进行路径描述的NC数据组54。因此，NC数据组定义工具12的先前解释的用于工件14的加工的额定工具路径。NC内核40与MMC 42(操作界面)和存储器46通过总线56——例如MPI总线(Multi Point Interface der Simatic S7：Simatic S7的多点接口)连接。MMC 42和图形浏览器与显示器30连接。
以下附加地参考附图3解释用于在时间上彼此相继地加工多个工件的方法。
为了加工(第一个)工件14，在第一步骤100中调用存储在计算机26的存储器46中的进行路径描述的NC数据组54并且通过总线56向NCK 40传输所述NC数据组54。
在下一步骤110中，加工工件14。为此，NCK 40通过伺服电机16控制工具12沿着通过保存在NCK中的NC数据组54定义的额定工具路径34(图1)的运动。在加工工件14期间，将工具12与工件14的工作间距22连续调节到在NC控制程序52中定义的额定间距上。同时，借助在附图中没有详细给出的传感器检测工具12沿着/围绕其运动轴线8的相应轴线位置。检测工具12的相应轴线位置时的典型采样间隔在此可以是约12ms。所检测的轴线位置由NCK40存储在计算机26的存储器46中。
在工件14的加工结束之后，在下一步骤120中，基于所存储的工具12的轴线位置进行所述进行路径描述的NC数据组54的优化。为此，监视模块48在第一分步骤121中读取工具12的存储在存储器46中的轴线位置并且在第二分步骤122中计算在加工工件14时由工具12经历的实际工具路径36。
在第三分步骤123中，由实际工具路径和额定工具路径求取路径差——即路径偏差并且将其与保存在控制装置24中的定义的路径偏差进行比较。
在超过定义的路径偏差的情况下，由监视模块48在另一分步骤124中基于优化算法50计算对于先前加工的工件14的加工分别运行最佳的额定工具路径34。
通过所述方式优化的额定工具路径34——即其进行路径编码的NC数据组54在下一分步骤125中被保存在MMC 42中并且为了另一工件14的加工通过总线56传输给NCK 40。
在下一步骤130中，基于以先前解释的方式优化的NC数据组54，即在工具12沿着经优化的额定工具路径34'运动的情况下，进行另一个相同构造的工件14的加工。
在每一次遍历NC控制程序52之后——即在加工每个工件14之后确定工具12的相应的实际工具路径36与所属的额定工具路径34、34'的路径偏差38，并且在存在定义的路径偏差38的情况下重新优化额定工具路径34、34'。
为了使相应的实际工具路径36与对应的额定工具路径34、34'的路径偏差38可视化，启动计算机26的图形浏览器44。图形浏览器44加载在加工先前加工的工件14期间工具12的保存在存储器46中的轴线位置以及将其或者由其生成的实际运动路径36连同原来的(原始的)CAD生成的额定工具路径34一起在显示器30上显示。
附加地，在显示器30上可以以图形方式显示借助监视模块48由相应的路径偏差38求取的路径偏差趋势。可以在加工各个其他工件之后更新路径偏差趋势。此外，在显示器30上可以借助图形支持进行相应的额定工具路径34、34'的校正。

Claims (13)

1.一种用于借助数字控制的激光加工装置(10)激光加工相同构造的工件(14)的方法，所述方法具有以下步骤：
a)在预给定用于所述激光加工装置(10)的激光工具(12)的额定工具路径(34)的情况下，激光加工工件(14)，以及
b)将所述激光工具(12)与所述工件(14)的工作间距(22)调节到定义的额定间距上，从而使所述激光工具(12)在沿着所述额定工具路径(34)激光加工所述工件时在经间距调节的实际工具路径(36)上运动，
其特征在于，所述方法还包括下述步骤，
c)根据所加工的工件(14)的经间距调节的实际工具路径(36)优化用于其他工件(14)的额定工具路径(34)，以及在预给定经优化的额定工具路径(34')的情况下激光加工所述其他工件(14)，
和/或
d)根据所述经间距调节的实际工具路径(36)评价所加工的工件(14)的工件品质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，检测所述激光工具(12)在相应的实际工具路径(36)上沿着/围绕所述激光工具的运动轴线(18)的轴线位置，以及基于所检测的轴线位置确定所述相应的实际工具路径(36)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别如此优化所述额定工具路径，使其相应于在激光加工各个先前加工的工件(14)时所述激光工具(12)的相应的实际工具路径(36)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别如此优化所述额定工具路径，使得所述额定工具路径能够借助路径插补点的针对所述激光工具(12)的运行优化的运动的数量和/或空间顺序进行编码。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，分别借助数字控制装置(24)自动地优化所述额定工具路径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述经间距调节的实际工具路径(36)与所述额定工具路径的相应的路径偏差(38)，以及在存在定义的路径偏差(38)的情况下优化所述额定工具路径。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述经间距调节的实际工具路径(36)与所述额定工具路径或先前加工的工件(14)的经间距调节的实际工具路径(36)的路径偏差(38)，以及将所述路径偏差用于所加工的工件(14)的工件品质的评价。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，由多个路径偏差(38)求取路径偏差趋势。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，以图形方式显示所述路径偏差趋势。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以图形方式显示由在控制侧保存的关于待加工的工件(14)的CAD数据生成的虚拟工件图像和/或所述额定工具路径和/或所述实际工具路径(36)的至少一部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无接触地测量所述激光工具(12)与相应的工件(14)的工作间距(22)。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光学地和/或电容式地测量所述激光工具(12)与相应的工件(14)的工作间距(22)。
13.一种激光加工装置(10)，其具有
激光工具(12)，
分配给所述激光工具(12)的用于测量所述激光工具(12)与工件(14)的相应的工作间距(22)的间距测量装置(20)，
数字控制装置(24)，
其特征在于，
所述数字控制装置(24)被编程用于执行根据以上权利要求中任一项所述的方法。
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