DE10139931A1

DE10139931A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation bei der Bewegungsführung eines beweglichen Maschinenelementes

Info

Publication number: DE10139931A1
Application number: DE10139931A
Authority: DE
Inventors: Thomas Puchtler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2021-08-15
Also published as: US20030060935A1; US6694214B2; DE10139931B4

Abstract

Für eine Anzahl verschiedener Arbeitspunkte (P0...Px) im Arbeitsraum (A) einer Bearbeitungsmaschine werden die durch die Gewichtskraft bewirkten Gesamtlängenänderungen ermittelt und zusammen mit den zugehörigen Sollstellungen in eine Kompensationstabelle (K) eingetragen. Bei der Erzeugung der Führungsgrößen aus Stellungsvorgaben werden diese Kompensationswerte eingerechnet. Dadurch verschwindet zunächst an den vorgegebenen Arbeitspunkten der Stellungsfehler. In den Zwischenräumen werden die Werte aus der Kompensationstabelle interpoliert, wodurch auch dort die Abweichungen verringert werden. Besonders einfach können Längenänderungen mit Hilfe der im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor (i) einwirkenden Kraft (Fg) entgegen gerichteten Kraft (Fa) des Motors anhand eines jeweiligen momentanen Stromsollwertes und/oder Stromistwertes des Motors bestimmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine korrespondierende Vorrichtung zur Gewichtskraftkompensation bei der Bewegungsführung eines beweglichen Maschinenelementes einer industriellen Bearbeitungsmaschine wie einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, einem Roboter oder dergleichen, mit einer Sollwertvorgabe zur Erzeugung von Führungsgrößen für mindestens einen Aktor zur Steuerung des Maschinenelementes in einem vorgegebenen Arbeitsraum.
Bei der Konstruktion von industriellen Bearbeitungsmaschinen kommt es unter anderem auf höchste Präzision bei der Positionierung von Maschinenelementen an, um die heutigen Anforderungen an die Genauigkeit von z. B. durch eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine zu fertigenden Werkstücken zu gewährleisten.
Die absolute Positionier- und Orientierungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen und Robotern wird dabei unter anderem durch folgende Faktoren beeinträchtigt:

- durch Spindelsteigungsfehler bei Linearachsen mit Kugelgewindetrieben,
- aufgrund eines Durchhangs von Führungsschienen, z. B. bedingt durch das Gewicht des Werkzeugs und der Spindel einer Werkzeugmaschine,
- durch Verwindung und fehlende Geradheit von Führungsschienen,
- durch Winkligkeitsfehler zwischen den Führungsschienen,
- aufgrund unzugänglicher Information über tatsächliche, geometrische Dimensionen von Bauteilen. Oft wird dann anstelle der richtigen Informationen das Zeichnungsmaß verwendet,
- bei nicht kartesischen Werkzeugmaschinen und Robotern liegt der Koordinatentransformation der Steuerung häufig nur ein vereinfachtes, mathematisches Modell zugrunde, um die Rechenlaufzeit zu begrenzen und die Anzahl der geometrischen Parameter überschaubar zu halten.

Für die Ursachen von Spindelsteigungsfehlern gibt es etablierte Methoden zur Kompensation. Der Verwindung und einem Winkligkeitsfehler begegnet man maschinenbautechnisch durch Vorgabe engerer Toleranzen. Dabei steigt jedoch der Aufwand mit der geforderten Genauigkeit exponentiell an und damit verbunden auch die Kosten für die entsprechende Bearbeitungsmaschine.
Die beiden letzten angeführten Fehlerquellen hingegen werden in der Regel hingenommen oder aber man versucht durch Verfeinerung des mathematischen Modells entgegen zu wirken, wodurch sich aber der softwaretechnische Realisierungs- und Rechenaufwand erhöht.
Die vorliegende Erfindung schafft für die an verschiedenen Bauelementen von Werkzeugmaschinen oder Robotern angreifenden Gewichtskräfte eine vorteilhafte Lösung.
Aufgrund der Elastizität kommt es durch solche Gewichtskräfte zur Veränderung der Dimensionen dieser Bauelemente. Eine Vernachlässigung dieses Effekts führt zu Abweichungen zwischen Soll- und Istpositionen der Maschine. Im Einzelfall können diese 50 µm und mehr betragen.
Häufig wird nach der Inbetriebnahme einer Bearbeitungsmaschine mit Hilfe externer Messmittel die Positioniergenauigkeit und in seltenen Fällen auch die Orientierungsgenauigkeit im Arbeitsraum vermessen. Bei kartesischen Werkzeugmaschinen kann diese elastische Verformung mit hochgenauen, externen Messmitteln, z. B. Laserinterferometer, erfasst und in Kompensationstabellen in der Steuerung hinterlegt werden. Je nach Anwendungsfall sind diese Messwerte aus den voranstehenden Gründen jedoch oft nicht ausreichend.

Bei nicht-kartesischen Werkzeugmaschinen und Robotern ist dieses Verfahren jedoch gar nicht anwendbar. Zur Lösung des Problems einer Gewichtskraftkompensation für solche Maschinen mit Parallelkinematiken wurde daher bereits in der deutschen Patentanmeldung 100 33 074.6 eine andere Lösung vorgeschlagen. Zur Kompensation der durch eine Gewichtskrafteinwirkung verursachten positionsabhängigen Längenveränderungen in einer Mehrzahl geschlossener kinematischer Ketten zur Verbindung eines stationären ersten Elementes mit einem beweglichen zweiten Element wird dabei unter Ausnutzung einer Vorwärtstransformation die auf das bewegte Element einwirkende Gewichtskraft auf die jeweiligen kinematischen Ketten verteilt und aus den daraus resultierenden jeweiligen Längenänderungen ein jeweiliger Kompensationswert ermittelt.

Hierbei ist eine aufwendige Berechnung in der zyklischen Prozessortask durchzuführen. Außerdem wird dabei die Gewichtskraft im Arbeitsraum als konstant vorausgesetzt, was bei verschiedenen Ausführungen von parallelen Werkzeugmaschinen sowie in der Regel bei Gelenkrobotern nicht der Fall ist. Bei der analytischen Berechnung der auf die an der Bewegungsführung beteiligten Aktoren wirkenden Gewichtskraft muss die Lage des Schwerpunkts aller zu berücksichtigenden Bauelemente bekannt sein. Darüber hinaus ist die Berechnung der wirksamen Kräfte und Momente für jede Stellung der Maschine erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das sowohl bei kartesischen, als auch bei nichtkartesischen Maschinen eine automatische Ermittlung von geeigneten Kompensationswerten ermöglicht wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- automatische Ermittlung von durch die Gewichtskraft resultierenden Längenänderungen für jeden Aktor (i) für eine vorgegebene Anzahl von verschiedenen Arbeitspunkten des Maschinenelementes im Arbeitsraum, indem jeweils
- eine durch eine im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor einwirkende Kraft bewirkte elastische Längenänderung des Aktors und
- weitere durch diese Kraft verursachte additive elastische Längenänderungen an Gelenken und/oder an weiteren Bauelementen des Aktors mit unveränderlicher Länge zu einer Gesamtlängenänderung addiert werden,
- Hinterlegung von jeweiligem Arbeitspunkt und ermittelter zugehöriger Gesamtlängenänderung in einer Kompensationstabelle für jeden Aktor,
- Berücksichtigung der ermittelten Gesamtlängenänderungen der Kompensationstabelle als Kompensationswerte bei der Erzeugung von Führungsgrößen für jeden Aktor durch
- deren Aufschaltung auf die jeweiligen Sollpositionen, sofern eine Sollposition mit einem der vorgegebenen Arbeitspunkte identisch ist, oder durch
- Aufschaltung eines durch Interpolation der Kompensationswerte aus der Kompensationstabelle in den Zwischenräumen der jeweiligen Arbeitspunkte ermittelten Kompensationswertes.

Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn gemäß der Erfindung eine im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor einwirkende Kraft gleich der entgegen gerichteten Kraft des Motors am jeweiligen Aktor angenommen wird. Letztere wird vorteilhaft anhand eines jeweiligen momentanen Stromsollwertes und/oder Stromistwertes des Motors des jeweiligen Aktors bestimmt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die der im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor einwirkenden Kraft entgegen gerichtete Kraft des Motors am jeweiligen Aktor gemäß der Berechnungsvorschrift

bei Ausführung eines Aktors als Kugelgewindetrieb (KGT) oder

F_a = i_s.m_k

bei Ausführung eines Aktors als Lineardirektantrieb (LDA)
mit
i_s als momentanem Stromsoll- und/oder Stromistwert,
m_k als Motorkonstante in [Nm/A] und
P als der Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs des Aktors bestimmt.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird eine elastische Längenänderung eines Aktors gemäß der Berechnungsvorschrift

mit
k als der aktuellen Länge,
A als der Querschnittsfläche und
E als dem Elastizitätsmodul des Aktors
bestimmt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine elastische Längenänderung von Gelenken und weiteren Bauelementen mit unveränderlicher Länge gemäß der Berechnungsvorschrift

dk₀ = F_a.c₀

mit c₀ als reziproke Steifigkeit
bestimmt.

Es hat sich dabei als weiter vorteilhaft erwiesen, wenn eine Aufschaltung von Kompensationswerten durch Addition der Gesamtlängenänderungen auf die entsprechenden Sollpositionen nach der Rücktransformation erfolgt, also nach der Transformation vom kartesischen Basiskoordinatensystem in die Maschinenachsen des beweglichen Maschinenelementes.

Wenn der Arbeitsraum der Bearbeitungsmaschine quaderförmige Gestalt aufweist und zur Bestimmung von Arbeitspunkten in eine dreidimensionale Gitterstruktur aufgeteilt ist, wobei zu jedem Gitterpunkt oder einer Auswahl von Gitterpunkten für jeden Aktor die ermittelte Gesamtlängenänderung in ein Datenfeld der Kompensationstabelle eingespeichert wird, so lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach und effektiv realisieren.

Alternativ kann für Sollpositionen außerhalb des vorgegebenen Arbeitsraums als Kompensationswert aus Kompensationswerten innerhalb des Arbeitsraums ein Wert mittels Extrapolation gewonnen werden.

Sofern eine Kompensation für Sollpositionen außerhalb des vorgegebenen Arbeitsraums erforderlich sein sollte, so wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausprägung als Kompensationswert der dem nächstgelegenen Punkt am Rand des Arbeitsraumes zugehörige Kompensationswert gewählt.

Besonders vorteilhaft ist die Kompensationstabelle als Datenarray ausgeprägt.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich weiter vereinfachen, indem für jeden Freiheitsgrad der Bearbeitungsmaschine der Verfahrbereich des Maschinenelementes äquidistant unterteilt wird, besonders wenn jede Dimension des Arbeitsraumes durch den Minimalwert, den Maximalwert und die Anzahl der äquidistanten Intervalle beschrieben wird.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das erfindungsgemäße Verfahren automatisch bei der Inbetriebnahme der Bearbeitungsmaschine durchgeführt wird, indem über ein entsprechendes Teileprogramm mit Verfahranweisungen für die Sollwertvorgabe die gewünschten Stellungen im Arbeitsraum angefahren werden und nach Erreichen der jeweiligen Stellung die zugehörigen momentanen Stromsollwerte und/oder Stromistwerte eines Motors jedes Aktors gemessen und in die Steuerung der Maschine übertragen werden, wo anhand dieser Werte die Gesamtlängenänderungen ermittelt und mit den zugehörigen Stellungen in die Kompensationstabelle eingetragen werden.

Besonders gut lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit einer geeignet programmierten numerischen Steuerung realisieren, deren Rechenleistung unter anderem zur Ermittlung der Kompensationswerte herangezogen wird.

Durch die voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ergeben sich unter anderem die folgenden Vorteile:

- es sind keine externen Messmittel notwendig;
- eine Messung der wirksamen Kräfte erfolgt in den Aktoren selbst;
- Fehlermöglichkeiten durch fehlerbehaftete Simulation der Gewichtsverteilung sind damit ausgeschlossen;
- einfache Realisierbarkeit in der numerischen Steuerung CNC;
- Übertragbarkeit auf beliebige Werkzeugmaschinen mit bekannten Elastizitätsmoduln und Steifigkeit;
- eine Überprüfung der Kompensationswerte für die Längenveränderung wird an der Bedientafel durch das Servicepersonal möglich;
- eine Ermittlung der Längenveränderungswerte ist einfach automatisierbar;
- es erfolgt eine Kompensation von tatsächlichen, statischen Gewichtseffekten und damit Erhöhung der Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine oder Roboters;
- es werden geringere Anforderungen an die Fertigungstoleranz der Bauteile der Bearbeitungsmaschine gestellt, wodurch Kosteneinsparungen bei der Fertigung möglich sind;
- eine Vereinfachung des mathematischen Modells wird ermöglicht, wodurch eine Laufzeitreduzierung in der Steuerung möglich wird.

Gegenüber den bekannten oder vorgeschlagenen Verfahren können die Schwierigkeiten der analytischen Berechnung der Längenveränderung durch diese Erfindung nahezu vollständig eliminiert werden. Idealerweise bieten moderne, digitale elektrische Antriebe die Möglichkeit, die benötigten Messungen mit Hilfe eines NC-Teileprogramms vollautomatisch zu berechnen. Der zentrale Fortschritt liegt in der wesentlich vereinfachten Durchführung im Vergleich zu den bisherigen, akademischen Möglichkeiten für eine Gewichtskraftkompensation sowie der universellen Verwendbarkeit.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand des im folgenden dargestellten Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt:

Fig. 1 einen quaderförmigen Arbeitsraum mit äquidistant unterteiltem Verfahrbereich,

Fig. 2 einen quaderförmigen Arbeitsraum für ein Maschinenelement mit dreidimensionaler Gitterstruktur und

Fig. 3 ein Beispiel einer Kompensationstabelle für Kompensationswerte in Form von Gesamtlängenänderungen.

Die folgenden Ausführungen nehmen zunächst einmal auf einen Arbeitsraum A bezug, wie er beispielsweise in den Darstellungen nach Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt ist. An einer Anzahl verschiedener Arbeitspunkte P0. . .Px im Arbeitsraum A eines Maschinenelements (nicht gezeigt) einer Bearbeitungsmaschine werden zunächst Kompensationswerte K zum Ausgleich von durch die Gewichtskraft Fg verursachten elastischen Längenänderungen wie im Folgenden ausgeführt ermittelt.
Nach dem Prinzip "actio = reactio" wird erfindungsgemäß im statischen Zustand die eine elastische Längenveränderung bewirkende Kraft Fg auf einen Aktor gleich der entgegen gerichteten Kraft F_a des Motors am Aktor angenommen. Hier lässt sich das Hooke'sche Gesetz anwenden. Es lautet:

s = E.s (Hooke'sches Gesetz) (1)

wobei
s die Normalspannung, d. h. die Kraft F_a normal zu einer Fläche A dividiert durch diese Fläche (Einheit [N/m²]),
E das Elastizitätsmodul (Einheit [N/m²]) und
e = dk/k die relative Längenänderung ist.
Hier ist die Normalspannung σ_i am i-ten Aktor direkt proportional zur Kraft F_a,i in Richtung des Aktors i.
Für die elastische Längenveränderung dk_Aktor des Aktors gilt demnach:

wobei
k die aktuelle Länge,
A die Querschnittsfläche und
F_a die axiale Zug- bzw. Druckkraft auf den Aktor,
E den Elastizitätsmodul des Aktors bezeichnen.
Elastizitäten der Gelenke und weiterer Bauelemente mit unveränderlicher Länge führen abhängig von der Kraft zu additiven Längenveränderungen

dk₀ = F_a.c₀ (2)

in Richtung der Aktoren. Mit c₀ ist hierbei eine reziproke Steifigkeit bezeichnet.
Moderne digitale Antriebe stellen in der Regel den momentanen Stromsoll- und istwert i_s für Auswertungen zur Verfügung.
Daraus lässt sich die Kraft F_a im Aktor nach folgender Gleichung berechnen:

bei Ausführung eines Aktors als Kugelgewindetrieb (KGT) oder

F_a = i_s.m_k (3b)

bei Ausführung eines Aktors als Lineardirektantrieb (LDA),
wobei
m_k die Motorkonstante in [Nm/A] und
P die Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs des Aktors bezeichnet.
Damit ergibt sich für die gesamte resultierende Längenveränderung dk, die auch als Gesamtlängenänderung bezeichnet wird:

bei Ausführung eines Aktors als Kugelgewindetrieb (KGT) oder

bei Ausführung eines Aktors als Lineardirektantrieb (LDA).
In einer Steuerung CNC der Werkzeugmaschine können damit die Längenveränderungen an verschiedenen Punkten P0. . .Px im Arbeitsraum A ermittelt und in einer Kompensationstabelle hinterlegt werden.
Die Sollstellungen werden zusammen mit den zugeordneten Gesamtlängenänderungen dk in die Kompensationstabelle K eingetragen. Eine solche Kompensationstabelle K ist beispielhaft in der Darstellung nach Fig. 3 gezeigt, indem in einer Liste stets der Positionssollwert X_soll und darauffolgend der zugehörige Kompensationswert dk abgelegt sind, und zwar für alle Arbeitspunkte P0. . .Px.
Bei der Erzeugung der Führungsgrößen für nicht gezeigte Antriebe aus Stellungsvorgaben werden diese Kompensationswerte eingerechnet, indem die entsprechenden Stellungssollwerte um die zugehörigen Kompensationswerte korrigiert als Führungsgrößen zur Steuerung der Antriebe ausgegeben werden. Dadurch verschwindet zunächst an den ausgewählten Arbeitspunkten P0. . .Px ein vorhandener Stellungsfehler.
Da aber die Mehrzahl der möglichen Arbeitspunkte im Arbeitsraum A in der Regel nicht zu diesen Messwerten zählt, die nur eine repräsentative Auswahl möglicher Stellungen im Arbeitsraum A darstellen, gilt es auch in diesen zwischen den Messpunkten liegenden Bereichen eventuell vorhandene Stellungsfehler zu kompensieren.
In diesen Zwischenräumen werden deshalb erfindungsgemäß die Kompensationswerte aus der Kompensationstabelle K interpoliert, wodurch auch dort die Abweichungen verringert werden. Für Punkte außerhalb des Arbeitsraums A wird der nächstgelegene Punkt am Rand des Arbeitsraums berechnet und dessen Kompensationswert verwendet.
Eine mögliche Vorgehensweise zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, z. B. bei der Abnahme einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters die benötigten Messungen mit Hilfe eines NC-Teileprogramms vollautomatisch zu berechnen. Dies kann etwa in der Form erfolgen, dass über ein entsprechendes Teileprogramm mit Verfahranweisungen für die Sollwertvorgabe die gewünschten Stellungen im Arbeitsraum angefahren werden und nach Erreichen der jeweiligen Stellung die zugehörigen momentanen Stromsollwerte und/oder Stromistwerte eines Motors jedes Aktors gemessen und für die weiteren Berechnungen gemäß der Berechnungsvorschriften (1) bis (4) in die Steuerung der Maschine übertragen werden.
Die wie vorangehend beschrieben ermittelten Gesamtlängenänderungen dk werden dann in geeigneter Form als Kompensationstabelle K (vgl. Fig. 3) in der numerischen Steuerung hinterlegt. Diese kann dann auf die vorangehend beschriebene Weise zur Kompensation der Einflüsse der Gewichtskraft wiederverwendet werden. Dadurch lassen sich Abweichungen drastisch reduzieren. Der Implementierungsaufwand und der Rechenzeitbedarf in einer numerischen Steuerung sind dazu verhältnismäßig gering.
Eine besonders effektive Realisierung ergibt sich, wenn über einen quaderförmigen Arbeitsraum A ein reguläres, dreidimensionales Gitter gelegt wird. Eine solche Konstellation ist in der Darstellung nach Fig. 2 gezeigt, wo die Gitterstruktur G angedeutet ist. Zu jedem Gitterpunkt, dem zu messenden Arbeitspunkt P0. . .Px, ist die Gesamtlängenänderung dk in ein Datenfeld einzutragen.
Die eigentliche Kompensation erfolgt dann vorzugsweise, indem die jeweiligen Längenänderungen zu den aktuellen Sollpositionen der Maschinenachsen nach der Rückwärtstransformation addiert wird, d. h. nach der Transformation vom Basiskoordinatensystem in die Maschinenachsen. Dadurch werden die durch Elastizitäten der Maschinenelemente und Aktoren verursachten Positionsfehler kompensiert.
Bei geeigneter Wahl der Stellungen im Arbeitsraum A lässt sich der erforderliche Speicherplatz für die Kompensationstabelle K optimieren. Wird zum Beispiel für jeden Freiheitsgrad (z. B. die Dimensionen X, Y, Z in Fig. 1) der Maschine der Verfahrbereich äquidistant in Abstände Δx bzw. Δy bzw. Δz unterteilt, so liegen die Messpunkte P0. . .Px auf einem regulären Gitter. Diesem Zusammenhang liegt die Darstellung nach Fig. 1 zugrunde, wo exemplarisch äquidistante Arbeitspunkte P0 bis P16 bezeichnet sind.
Jede Dimension X, Y und Z wird durch Angabe von Minimal-, Maximalwert und der Anzahl der äquidistanten Intervalle beschrieben. Dieses Vorgehen bietet den weiteren Vorteil, dass die Interpolation der Kompensationswerte in den Zwischenräumen sehr einfach und damit unkritisch hinsichtlich der Laufzeit und des Rechenbedarfs realisiert werden kann. Für Punkte zwischen den Gitterpunkten wird die Abweichung z. B. durch lineare Interpolation der benachbarten acht Gitterpunkte berechnet.
Das Gitter wird definiert durch die Grenzwerte x_min, y_min, z_min, x_max, y_max, z_max des betrachteten Quaders und die Anzahlen n_x, n_y, n_z der äquidistanten Intervalle entlang jeder Achse des beweglichen Maschinenelementes.
Ein Kompensationsdatensatz besteht dann aus

(n_x + 1)*(n_y + 1)*(n_z + 1)

gemessenen, Längenveränderungen dk = (d_x, d_y, d_z). Jedem Gitterpunkt P₀. . .Px bzw. w sind drei ganzzahlige Werte i, j, k eindeutig zugeordnet gemäß
Im folgenden soll eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe einer geeignet programmierten numerischen Steuerung CNC dargestellt werden. Es wird somit eine Möglichkeit einer software-technischen Realisierung gezeigt, wobei exemplarisch eine Anwendung mit drei Aktoren zugrunde gelegt ist, welche das bewegliche Maschinenelement, z. B. eine Hauptspindel einer numerischen Werkzeugmaschine, antreiben. Die Abkürzung CFC wird im folgenden für die englischsprachige Bezeichnung "Cartesian Force Compensation" verwendet.
Die Länge eines verwendeten Messtasters (Probe length) gehört zu den Konfigurationsdaten der CFC. Diese wird mit der aktuellen Werkzeuglänge während der Bearbeitung verrechnet.
Im Folgenden werden benötigte Definitionsdaten, sogenannte GUD Variablen ("Global User Data"), beschrieben. Alle Daten für die CFC sind als kanalspezifische System-Anwenderdaten SGUD angenommen. Die Namen beginnen jeweils mit "CC_CFC_ ". Bei zweidimensionalen GUDs bezeichnet der jeweils zweite Index die Koordinatenachse, d. h. 0 = x, 1 = y, 2 = z.
Die CFC wird aktiviert durch Setzen des GUD CC_CFC_APPLY auf 1. Um Änderungen an den CFC-Daten gültig zu erklären, wird der Wert 4 auf den Wert von CC_CFC_APPLY addiert und ein kanalspezifischer RESET verursacht. Der Compile Cycle (CC) liest daraufhin alle CC_CFC_. . .-GUDs. Abschließend wird von CC_CFC_APPLY der Wert 4 abgezogen. Diese Rückmeldung zeigt dem Bediener an, dass die Daten vollständig verarbeitet und wirksam sind.
Folgende Daten beziehen sich auf das Gitter:
CC_CFC_INTERVALS[0,0] = Anzahl n_x der Intervalle entlang der x-Achse
CC_CFC_INTERVALS[0,1] = Anzahl n_y der Intervalle entlang der y-Achse
CC_CFC_INTERVALS[0,2] = Anzahl n_z der Intervalle entlang der z-Achse
CC_CFC_BORDERS[0,0] = Minimale x Koordinate des Gitters
CC_CFC_BORDERS[0,1] = Minimale y Koordinate des Gitters
CC_CFC_BORDERS[0,2] = Minimale z Koordinate des Gitters
CC_CFC_BORDERS[1,0] = Maximale x Koordinate des Gitters
CC_CFC_BORDERS[1,1] = Maximale y Koordinate des Gitters
CC_CFC_BORDERS[1,2] = Maximale z Koordinate des Gitters
Die Längenveränderungen werden in einem zweidimensionalen Feld CC_CFC_VALUE abgelegt. Für die Längenveränderung am Gitterpunkt gp_ijk ergibt sich der erste Index in CC_CFC_VALUE zu

m = i+(n_x + 1).j + (n_x + 1).(n_y +₁).k, 0 ≤ i ≤ n_x, 0 ≤ j ≤ n_y, 0 ≤ k ≤ n_z (6).
Der CC begrenzt die Anzahlen n_x, n_y, n_z beispielsweise auf den Wert 19. Damit stehen maximal 203 = 8000 Punkte zur Verfügung.
Alle gemessenen Kompensationswerte werden beispielsweise ganzzahlig in Mikrometern eingegeben. Im Vergleich zu Zahlen im Fließkommaformat wird dadurch nur die Hälfte an Speicherplatz im statischen Schreib-/Lesespeicher der CNC benötigt.
Die folgende Übersicht zeigt beispielhafte CFC GUDs, die in einem Definitions-Verzeichnis eingerichtet werden. Zur Diagnose wird der an der aktuellen Position wirksame Kompensationswert im GUD CC_CFC_COMP_VAL angezeigt. Die Längenveränderungen werden in einem zweidimensionalen Feld CC_CFC_VALUE abgelegt und sind für Zugkräfte, d. h. Längenzunahmen, positiv einzugeben.

Beispiel

Es sei CC_CFC_INTERVALS = 4/2/5
Dies bedeutet, dass 4 + 1 = 5 mal 2 + 1 = 3 mal 5 + 1 = 6 Kompensationswerte ermittelt und eingegeben werden sollen. Daraus ergibt sich die folgende Situation:
CC_CFC_VALUE[0-4]: 5 Längenänderungen für die kleinsten Y- und Z-Koordinaten des Quaders
CC_CFC_VALUE[5-9]: 5 Längenänderungen für die zweitkleinste Y-Koordinate und die kleinste Z- Koordinate des Quaders
CC_CFC_VALUE[10-14]: 5 Längenänderungen für die größte Y- Koordinate und kleinste Z-Koordinate des Quaders
CC_CFC_VALUE[15-19]: 5 Längenänderungen für die kleinste Y- Koordinate und zweitkleinste Z-Koordinate des Quaders
CC_CFC_VALUE[85-89]: 5 Längenänderungen für die größten Y- und Z-Koordinaten des Quaders
Überträgt man dies auf die Darstellung gemäß Fig. 1, so zeigt diese den ersten Index des Feldes CC_CFC_VALUE für die ersten 17 Gitterpunkte P0 bis P16.
Nachfolgend steht ein Muster für ein mögliches NC- Teileprogramm, mit dem die Längenkompensationswerte dk auf Grundlage der vorangehend dargestellten Berechnungsvorschriften ermittelt und abgespeichert werden können:
; CFCINIT fährt die Gitterpunkte an, misst die Aktorenmomente,
; berechnet die Aktorenverlängerungen und speichert diese in den CFC-GUD-Variablen ab.
DEF INT VIX, VIY, VIZ, VIN
DEF INT WERKZEUGNR = 0; Werkzeug mit Durchschnittsgewicht für die Vermessung
DEF INT SCHNEIDENNR = 1
DEF REAL SCHRITTWEITE[3]
DEF REAL FORCE
; Umrechnungsfaktor vom Moment bzw. Strom in Armverlängerung
DEF REAL FORCEFAKTOR
FORCEFAKTOR = (0.0034*0.15)

TRAORI(1)
SPOS = 0
N10 FOR VIX = 0 TO 2
N20 IF CC_CFC_INTERVALS[0,VIX] > 0
N30 SCHRITTWEITE[VIX] = (CC_CFC_BORDERS[1,VIX] -
CC_CFC_BORDERS[0,VIX])/CC_CFC_INTERVALS[0,VIX]
N40 ELSE
N50 SCHRITTWEITE[VIX] = 0
N60 ENDIF
N70 ENDFOR

; Bei Zugriff auf $AA-Werte siehe MD36730 und MD32920
N100 MSG("Ermittlung der CFC-Daten")
N120 IF WERKZEUGNR > 0
N130 CC_CFC_PROBE_LENGTH = $MC_CC_TOOL_FLANGE[2] +
$TC_DP3[WERKZEUGNR, SCHNEIDENNR]
N140 ELSE
N150 CC_CFC_PROBE_LENGTH = $MC_CC_TOOL_FLANGE[2]
N160 ENDIF
ID = 101 DO $r1 = $AA_CURR[AX1] $r2 = $AA_CURR[AX2]
N199 VIN = 0
N200 FOR VIZ = 0 TO_CC_CFC_INTERVALS[0,2]
N210 G1 F5000 Z = CC_CFC_BORDERS[0,2] + SCHRITTWEITE[2]*VIZ
N220 FOR VIY = 0 TO CC_CFC_INTERVALS[0,1]
N230 Y = CC_CFC_BORDERS[0,1] + SCHRITTWEITE[1]*VIY
N240 FOR VIX = 0 TO CC_CFC_INTERVALS[0,0]
N250 X = CC_CFC_BORDERS[0,0] + SCHRITTWEITE[0]*VIX
N270 G4 F2
N260 STOPRE
N280 CC_CFC_VALUE[VIN,0] =
$AA IM[AX1]*$AA_CURR[AX1]*FORCEFAKTOR
N290 CC_CFC_VALUE[VIN,1] =
$AA_IM[AX2]*$AA_CURR[AX2]*FORCEFAKTOR
N300 CC_CFC_VALUE[VIN,2] =
$AA_IM[AX3]*$AA_CURR[AX3]*FORCEFAKTOR
N310 VIN = VIN + 1
N320 ENDFOR
N330 ENDFOR
N340 ENDFOR
N1000 M30

Claims

1. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation bei der Bewegungsführung eines beweglichen Maschinenelementes einer industriellen Bearbeitungsmaschine mit einer Sollwertvorgabe zur Erzeugung von Führungsgrößen für mindestens einen Aktor (i) zur Steuerung des Maschinenelementes in einem vorgegebenen Arbeitsraum (A) mit folgenden Verfahrensschritten:

- automatische Ermittlung von durch die Gewichtskraft resultierenden Längenänderungen (dk0. . .dkx) für jeden Aktor (i) für eine vorgegebene Anzahl von verschiedenen Arbeitspunkten (P0. . .Px) des Maschinenelementes im Arbeitsraum (A), indem jeweils

- eine durch eine im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor (i) einwirkende Kraft (Fg) bewirkte elastische Längenänderung (dk_Aktor) des Aktors (i) und

- weitere durch diese Kraft (Fg) verursachte additive elastische Längenänderungen (dk0) an Gelenken und/oder an weiteren Bauelementen des Aktors mit unveränderlicher Länge zu einer Gesamtlängenänderung (dk) addiert werden,

- Hinterlegung von jeweiligem Arbeitspunkt (P0. . .Px) und ermittelter zugehöriger Gesamtlängenänderung (dk0. . .dkx) in einer Kompensationstabelle (K) für jeden Aktor (i),

- Berücksichtigung der ermittelten Gesamtlängenänderungen der Kompensationstabelle (K) als Kompensationswerte bei der Erzeugung von Führungsgrößen für jeden Aktor durch

- deren Aufschaltung auf die jeweiligen Sollpositionen, sofern eine Sollposition mit einem der vorgegebenen Arbeitspunkte (P0. . .Px) identisch ist, oder durch

- Aufschaltung eines durch Interpolation der Kompensationswerte aus der Kompensationstabelle (K) in den Zwischenräumen der jeweiligen Arbeitspunkte ermittelten Kompensationswertes.

2. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach Anspruch 1, wobei eine im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor (i) einwirkende Kraft (Fg) gleich der entgegen gerichteten Kraft (Fa) des Motors am jeweiligen Aktor (i) angenommen wird.

3. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach Anspruch 2, wobei die der im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor (i) einwirkenden Kraft (Fg) entgegen gerichtete Kraft (Fa) des Motors am jeweiligen Aktor (i) anhand eines jeweiligen momentanen Stromsollwertes und/oder Stromistwertes des Motors bestimmt wird.

4. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach Anspruch 3, wobei die der im statischen Zustand auf den jeweiligen Aktor (i) einwirkenden Kraft (Fg) entgegen gerichtete Kraft (Fa) des Motors am jeweiligen Aktor (i) gemäß der Berechnungsvorschrift

bei Ausführung eines Aktors als Kugelgewindetrieb (KGT) oder

F_a = i_s.m_k

bei Ausführung eines Aktors als Lineardirektantrieb (LDA)
mit
i_s als momentanem Stromsoll- und/oder Stromistwert,
m_k als Motorkonstante in [Nm/A] und
P als der Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs des Aktors bestimmt wird.

5. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 4, wobei eine elastische Längenänderung (dk_Aktor) eines Aktors (i) gemäß der Berechnungsvorschrift

mit
k als der aktuellen Länge,
A als der Querschnittsfläche und
E als dem Elastizitätsmodul des Aktors (i)
bestimmt wird.

6. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei eine elastische Längenänderung (dk₀) von Gelenken und weiteren Bauelementen mit unveränderlicher Länge gemäß der Berechnungsvorschrift

dk₀ = F_a.c₀

mit c₀ als reziproke Steifigkeit
bestimmt wird.

7. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Aufschaltung von Kompensationswerten durch Addition der Gesamtlängenänderungen (dk0. . .dkx) auf die entsprechenden Sollpositionen nach der Rücktransformation erfolgt, also nach der Transformation vom kartesischen Basiskoordinatensystem in die Maschinenachsen des beweglichen Maschinenelementes.

8. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Arbeitsraum (A) der Bearbeitungsmaschine quaderförmige Gestalt aufweist und zur Bestimmung von Arbeitspunkten (P0. . .Px) in eine dreidimensionale Gitterstruktur (G) aufgeteilt ist, wobei zu jedem Gitterpunkt oder einer Auswahl von Gitterpunkten für jeden Aktor (i) die ermittelte Gesamtlängenänderung (d0. . .dkx) in ein Datenfeld der Kompensationstabelle (K) eingespeichert wird.

9. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für Sollpositionen außerhalb des vorgegebenen Arbeitsraums (A) als Kompensationswert der dem nächstgelegenen Punkt am Rand des Arbeitsraumes zugehörige Kompensationswert gewählt wird.

10. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei für Sollpositionen außerhalb des vorgegebenen Arbeitsraums (A) als Kompensationswert aus Kompensationswerten innerhalb des Arbeitsraums ein Wert mittels Extrapolation gewonnen wird.

11. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kompensationstabelle (K) als Datenarray ausgeprägt ist.

12. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für jeden Freiheitsgrad der Bearbeitungsmaschine der Verfahrbereich des Maschinenelementes äquidistant (Δx) unterteilt wird.

13. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach Anspruch 12, wobei jede Dimension des Arbeitsraumes (A) durch den Minimalwert, den Maximalwert und die Anzahl der äquidistanten Intervalle (Δx) beschrieben wird.

14. Verfahren zur Gewichtskraftkompensation nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 13, wobei dieses automatisch bei der Inbetriebnahme der Bearbeitungsmaschine durchgeführt wird, indem über ein entsprechendes Teileprogramm mit Verfahranweisungen für die Sollwertvorgabe die gewünschten Stellungen im Arbeitsraum (A) angefahren werden und nach Erreichen der jeweiligen Stellung die zugehörigen momentanen Stromsollwerte und/oder Stromistwerte eines Motors jedes Aktors (i) gemessen und in die Steuerung der Maschine übertragen werden, wo anhand dieser Werte die Gesamtlängenänderungen (dk0. . .dkx) ermittelt und mit den zugehörigen Stellungen in die Kompensationstabelle (K) eingetragen werden.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere geeignet programmierte numerische Steuerung.