DE102008008788B3

DE102008008788B3 - Verfahren zur Optimierung von Positioniervorgängen bei Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE102008008788B3
Application number: DE102008008788A
Authority: DE
Inventors: Klaus Kremer; Jürgen Dipl.-Ing. Reingen
Original assignee: Hessapp GmbH
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2028-02-13

Abstract

Bei einem Verfahren zur Optimierung von Positioniervorgängen bei Werkzeugmaschinen (1) wird aus einer maximal zulässigen Belastungsobergrenze, einem Testbelastungsmaximalbetrag und einem Testbeschleunigungsbetrag ein optimaler Beschleunigungswert bestimmt, der zur Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge verwendet wird. Der Testbelastungsmaximalbetrag und der Testbeschleunigungsbetrag werden anhand mindestens eines Testpositioniervorgangs ermittelt. Nachfolgende Positioniervorgänge können somit mit einer optimalen Beschleunigung durchgeführt werden, ohne dass die maximal zulässigeBelastungsobergrenze überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Positioniervorgängen bei Werkzeugmaschinen.
Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einer Werkzeugmaschine müssen eine Vielzahl von Positioniervorgängen durchgeführt werden. Typische Positioniervorgänge sind das Positionieren eines Werkzeugrevolvers, sodass ein bestimmtes Werkzeug zur Bearbeitung des Werkstückes eingesetzt werden kann, oder das Positionieren eines Werkzeugmagazins, sodass ein bestimmtes Werkzeug zur Bearbeitung des Werkstückes entnommen werden kann. Derartige Positioniervorgänge haben schnell zu erfolgen, damit die Bearbeitungszeit des Werkstückes und dementsprechend die Bearbeitungskosten minimiert werden.
Aus der DE 42 38 281 C2 ist es bekannt, einen Werkzeugrevolver mit einer kurzen Schaltzeit in eine neue Winkelstellung zu positionieren. Bei einer Änderung der Winkelstellung wird der Revolverkopf zunächst auf eine Drehzahl beschleunigt, die höher als eine zulässige Indexierdrehzahl ist. Vor dem Erreichen der neuen Winkelstellung wird die Drehzahl auf die zulässige Indexierdrehzahl reduziert, sodass der Revolverkopf mittels des Indexierbolzens ohne mechanische Beschädigungen in der neuen Winkelstellung fixiert werden kann. Nachteilig bei einem derartigen Positioniervorgang ist, dass es während des Beschleunigens auf die über der Indexierdrehzahl liegenden Drehzahl zu unzulässig hohen Belastungen des Werkzeugrevolvers oder des zugehörigen Antriebs kommen kann, wenn der Werkzeugrevolver mit schweren Werkzeugen bestückt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung von Positioniervorgängen bei Werkzeugmaschinen bereitzustellen, sodass Positioniervorgänge möglichst schnell und ohne unzulässig hohe Belastungen durchführbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Bestimmen eines Beschleunigungswerts aus der Belastungsobergrenze, dem Testbelastungsmaximalbetrag und dem Testbeschleunigungsbetrag wird in Abhängigkeit der Bestückung der Positioniereinrichtung vermieden, dass die Belastungsobergrenze bei Positioniervorgängen überschritten wird. Gleichzeitig stellt der ermittelte Beschleunigungswert für die jeweilige Bestückung der Positioniereinrichtung einen in Bezug auf die Positioniergeschwindigkeit optimalen Beschleunigungswert dar. Durch das Durchführen des mindestens einen Testpositioniervorgangs und das Berechnen des optimalen Beschleunigungswerts sind nachfolgende Positioniervorgänge optimal auf die Bestückung der Positioniereinrichtung angepasst. Dies gilt sowohl für lineare als auch rotatorische Positioniervorgänge. Vorzugsweise wird nach jeder neuen Bestückung der Positioniereinrichtung der mindestens eine Testpositioniervorgang wiederholt und der optimale Beschleunigungswert neu berechnet.
Durch Testpositioniervorgänge nach Anspruch 2 kann der Einfluss der Gewichtskraft ermittelt und bei nachfolgenden Positioniervorgängen berücksichtigt werden.
Durch Testpositioniervorgänge nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 4 kann der Einfluss unterschiedlich schwerer Werkzeuge oder Werkstücke, die in der Positioniereinrichtung aufgenommen sind, ermittelt und berücksichtigt werden.
Werden sowohl Testpositioniervorgänge in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung durchgeführt, so kann zusätzlich noch der Einfluss der Gewichtskraft ermittelt und berücksichtigt werden.
Eine Drehung der Positioniereinrichtung nach Anspruch 5 stellt eine Vielzahl von Positionierstellungen bereit. Drehbare Positioniereinrichtungen sind beispielsweise ein Werkzeugrevolver oder ein Werkzeugmagazin.
Eine Drehmomentobergrenze nach Anspruch 6 ist ein zuverlässiges Maß für die maximal zulässige Belastung der Positioniereinrichtung. Die maximal zulässige Belastung der Positioniereinrichtung kann mechanisch oder thermisch bedingt sein.
Ein Ermitteln des Testdrehmoments nach Anspruch 7 ist zuverlässig und genau.
Ein Ermitteln des Testdrehmoments nach Anspruch 8 ist in einfacher Weise möglich.
Eine Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge nach Anspruch 9 stellt in einfacher Weise sicher, dass die Belastungsobergrenze nicht überschritten wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 eine Frontansicht einer als Vertikal-Drehmaschine ausgebildeten Werkzeugmaschine mit einer Positioniereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Frontansicht der als Werkzeugrevolver ausgebildeten Positioniereinrichtung der Vertikal-Drehmaschine in 1,
3 einen zeitlichen Verlauf einer Testbeschleunigung bei Testpositioniervorgängen des Werkzeugrevolvers in 2,
4 einen zeitlichen Verlauf einer zu der Testbeschleunigung in 3 zugehörigen Testbelastung,
5 einen zeitlichen Verlauf einer optimierten Beschleunigung bei Positioniervorgängen des Werkzeugrevolvers in 2,
6 einen zeitlichen Verlauf einer der optimierten Beschleunigung in 5 zugehörigen Belastung des Werkzeugrevolvers in 2,
7 eine Frontansicht einer als Vertikal-Drehmaschine ausgebildeten Werkzeugmaschine mit einer Positioniereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 eine Frontansicht der als Werkzeugmagazin ausgebildeten Positioniereinrichtung der Vertikal-Drehmaschine in 7,
9 einen zeitlichen Verlauf einer Testbeschleunigung bei einem Testpositioniervorgang des Werkzeugmagazins in 8,
10 einen zeitlichen Verlauf einer zu der Testbeschleunigung in 9 zugehörigen Testbelastung,
11 einen zeitlichen Verlauf einer optimierten Beschleunigung bei einem Positioniervorgang des Werkzeugmagazins in 8, und
12 einen zeitlichen Verlauf einer der optimierten Beschleunigung in 11 zugehörigen Belastung des Werkzeugmagazins in 8.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine als Vertikal-Drehmaschine ausgebildete Werkzeugmaschine 1 weist ein Maschinengestell 2 auf, das ein Untergestell 3 und ein darauf angeordnetes Obergestell 4 umfasst. In einem Arbeitsbereich 5 ist an dem Obergestell 4 eine Werkstück-Spindel 6 mit einer vertikal verlaufenden Spindel-Drehachse 7 angeordnet. An einer dem Arbeitsbereich 5 zugewandten Unterseite der Werkstück-Spindel 6 befindet sich eine Spanneinrichtung 8, in der ein zu bearbeitendes Werkstück 9 hängend aufgenommen ist.
Die Werkstück-Spindel 6 ist an einem Kreuz-Schlitten 10 gelagert. Der Kreuz-Schlitten 10 weist einen in einer horizontalen x-Richtung verschiebbaren x-Schlitten 11 auf, der auf x-Führungsschienen 12, die an dem Obergestell 4 angeordnet sind, verschiebbar gelagert ist. Der Antrieb des x-Schlittens 11 erfolgt mittels eines am Obergestell 4 angeordneten elektrischen x-Antriebsmotors 13.
Auf dem x-Schlitten 11 ist ein in einer vertikalen z-Richtung verschiebbarer z-Schlitten 14 auf z-Führungsschienen 15, die an dem x-Schlitten 11 angeordnet sind, verschiebbar gelagert. Der Antrieb des z-Schlittens 14 erfolgt mittels eines an dem x-Schlitten 11 angeordneten elektrischen z-Antriebsmotors 16.
Der Drehantrieb der Werkstück-Spindel 6 um die Spindel-Drehachse 7 erfolgt mittels eines elektrischen Spindel-Antriebsmotors 17, der an dem z-Schlitten 14 angeordnet ist.
Zwischen einer an dem Untergestell 3 angeordneten Auffangwanne 18 und der Werkstück-Spindel 6 ist eine Positioniereinrichtung 19 mit einem elektrischen Positionier-Antriebsmotor 20 und einer damit gekoppelten Positionier-Mechanik 21 an dem Untergestell 3 befestigt. Die Positioniereinrichtung 19 ist als Werkzeugrevolver ausgebildet. Die Positioniereinrichtung wird nachfolgend als Werkzeugrevolver 19, der Positionier-Antriebsmotor als Revolver-Antriebsmotor 20 und die Positionier-Mechanik als Revolver-Mechanik 21 bezeichnet.
Die Revolver-Mechanik 21 umfasst eine um eine horizontal verlaufende Drehachse 22 drehbare Werkzeugaufnahme-Scheibe 23, die über ein Getriebe 24 mit dem Revolver-Antriebsmotor 20 gekoppelt ist. Der Revolver-Antriebsmotor 20 dient zum Positionieren der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 und ist als Servomotor ausgebildet. Der Revolver-Antriebsmotor 20 weist eine Antriebs-Drehachse 25 auf, die parallel zu der Drehachse 22 verläuft.
Die Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 ist der Spindel-Drehachse 7 zugewandt und weist einen Querschnitt in Form eines regelmäßigen Achtecks auf. Umfangsseitig sind an der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 acht gleichmäßig verteilte Werkzeug-Aufnahmen 26 befestigt. Die Werkzeug- Aufnahmen 26 weisen jeweils eine durch die Drehachse 22 verlaufende Mittel-Längs-Achse M auf, die im Einzelnen mit M₁ bis M₈ bezeichnet sind. Jeweils zwei benachbarte Mittel-Längs-Achsen M schließen einen Winkel α von 45° miteinander ein.
Zur Bearbeitung des Werkstücks 9 sind in den Werkzeug-Aufnahmen 26 verschiedene Werkzeuge W aufgenommen, die im Einzelnen W₁ bis W₈ bezeichnet sind. Durch Drehung der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 um die Drehachse 22 kann jedes der Werkzeuge W in eine Arbeitsstellung gebracht werden, in der die Mittel-Längs-Achse M der jeweiligen Werkzeug-Aufnahme 26 im Wesentlichen parallel zu der Spindel-Drehachse 7 ist. Entsprechend der Anzahl der Werkzeuge W weist der Werkzeugrevolver 19 somit acht Positionierstellungen P₁ bis P₈ auf, wobei sich in jeder Positionierstellung P eines der Werkzeuge W₁ bis W₈ in der Arbeitsstellung befindet.
Die Ansteuerung der Spanneinrichtung 8, des x-Antriebsmotors 13, des z-Antriebsmotors 16, des Spindel-Antriebsmotors 17 und des Revolver-Antriebsmotors 20 erfolgt mittels einer Steuereinheit 27, die üblicherweise als CNC-Steuerung ausgebildet ist.
Zum Bestimmen eines optimalen Beschleunigungswerts α_opt für die Winkelbeschleunigung der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 bei Positioniervorgängen von einer Positionierstellung P in eine andere Positionierstellung P ist in der Steuereinheit 27 eine Belastungsobergrenze des Werkzeugrevolvers 19 gespeichert. Die Belastungsobergrenze ist durch eine maximal zulässige Drehmomentobergrenze M_max gegeben, die entweder der maximal zulässigen Drehmomentobergrenze des Revolver-Antriebsmotors 20 oder der Revolver-Mechanik 21 entspricht. Die maximal zulässige Drehmo mentobergrenze M_max wird bei der Konstruktion der Werkzeugmaschine 1 errechnet und ist somit bekannt.
Nach einer Neubestückung des Werkzeugrevolvers 19 mit Werkzeugen W werden Testpositioniervorgänge T derart durchgeführt, dass alle Positionierstellungen P der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 in einer Vorwärtsrichtung 28 sequentiell angefahren werden. Bei jedem Testpositioniervorgang T wird die Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 mittels des Revolver-Antriebsmotors 20 von einer Positionierstellung P in die jeweils nächste Positionierstellung P um den Winkel α gedreht. Hierzu wird die Werkzeugaufnahme-Scheibe 23 zunächst mit einer durch die Steuereinheit 27 vorgegebenen positiven Testbeschleunigung α = α₀ beschleunigt und anschließend mit einer negativen Testbeschleunigung α = –α₀ wieder abgebremst, bis die nächste Positionierstellung P erreicht ist. Die Testbeschleunigung α ist derart gewählt, dass eine Testbelastung, das bedeutet ein zum Durchführen der Testpositioniervorgänge T erforderliches Testdrehmoment M, betragsmäßig unterhalb der maximal zulässigen Drehmomentobergrenze M_max bleibt. Anschließend werden weitere Testpositioniervorgänge T' derart durchgeführt, dass alle Positionierstellungen P in einer Rückwärtsrichtung 29 angefahren werden. Die Testpositioniervorgänge T' in Rückwärtsrichtung 29 erfolgen in entsprechender Weise wie die Testpositioniervorgänge T in der Vorwärtsrichtung 28.
Das Testdrehmoment M wird während aller Testpositioniervorgänge T, T' von der Steuereinheit 27 gespeichert. Das Testdrehmoment M kann entweder durch Messen des von dem Revolver-Antriebsmotor 20 bereitgestellten Antriebsdrehmomentes oder durch Bestimmen des von der Steuereinheit 27 selbst vorgegebenen Solldrehmomentes für den Revolver-Antriebsmotor 20 ermittelt werden.
Die 3 und 4 zeigen den zeitlichen Verlauf der Testbeschleunigung α und des Testdrehmomentes M während der Positioniervorgänge, wobei in den 3 und 4 zusätzlich die Zuordnung der Testbeschleunigung α und des Testdrehmomentes M zu den einzelnen Positionierstellungen P₁ bis P₈ und den einzelnen Testpositioniervorgängen T₁ bis T₈ bzw. T₁' bis T₈' dargestellt ist.
Die Steuereinheit 27 ermittelt aus dem gespeicherten Testdrehmoment M als Testbelastungsmaximalbetrag einen Testdrehmomentmaximalbetrag M₀ sowie den zeitlich zugehörigen Testbeschleunigungsbetrag α₀. Aus der Drehmomentobergrenze M_max, dem Testdrehmomentmaximalbetrag M₀ und dem Testbeschleunigungsbetrag α₀ bestimmt die Steuereinheit 27 einen optimalen Beschleunigungswert α_opt nach folgender Gleichung αopt = α0·Mmax/M0.
Der optimale Beschleunigungswert α_opt wird in der Steuereinheit 27 zur Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge bei der Bearbeitung des Werkstückes 9 verwendet. Bei der Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge dient der Beschleunigungswert α_opt als Begrenzung der Sollbeschleunigung, sodass sichergestellt ist, dass die maximal zulässige Drehmomentobergrenze M_max erreicht, jedoch nicht überschritten wird.
Die 5 und 6 zeigen beispielhaft nachfolgende Positioniervorgänge mit dem optimalen Beschleunigungswert α_opt. Wie aus 6 ersichtlich ist, wird die maximal zulässige Drehmomentobergrenze M_max betragsmäßig nicht überschritten. Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung des opti malen Beschleunigungswerts α_opt wird nach jeder Neubestückung des Werkzeugrevolvers 19 wiederholt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 7 bis 12 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten „a". Der wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Positioniereinrichtung 19a als Werkzeugmagazin ausgebildet ist und Werkzeuge W für einen Werkzeugträger 30 bereitstellt, der an dem z-Schlitten 14a angeordnet ist. Zur Bearbeitung des Werkstückes 9a, das stehend in der Werkstück-Spindel 6a aufgenommen ist, ist in dem Werkzeugträger 30 ein Werkzeug W aufgenommen, das vorher aus der nachfolgend als Werkzeugmagazin 19a bezeichneten Positioniereinrichtung entnommen wurde.
Die Werkzeugaufnahme-Scheibe 23a der nachfolgend als Magazin-Mechanik 21a bezeichneten Positionier-Mechanik ist horizontal angeordnet und um die vertikal verlaufende Drehachse 22a drehbar. In der Werkzeugaufnahme-Scheibe 23a sind zwei Werkzeuge W aufgenommen, die im Einzelnen mit W₁ und W₂ bezeichnet sind. Die Werkzeuge W können mittels des nachfolgend als Magazin-Antriebsmotors 20a bezeichneten Positionier-Antriebsmotors von einer ersten Positionierstellung P₁, in der sich das erste Werkzeug W₁ in einer dem Werkzeugträger 30 zugewandten Aufnahmestellung befindet, um den Winkel α = 180° in eine zweite Positionierstellung P₂, in der sich das zweite Werkzeug W₂ in der Aufnahmestellung befindet, gedreht werden.
Da die Werkzeugaufnahme-Scheibe 23a horizontal angeordnet ist, muss zum Bestimmen des optimalen Beschleunigungswerts α_opt nur ein Testpositioniervorgang T bzw. T' in Vorwärtsrichtung 28 oder in Rückwärtsrichtung 29 durchgeführt werden. Mehrere Testpositioniervorgänge T bzw. T' in Vorwärtsrichtung 28 und in Rückwärtsrichtung 29 sind nicht erforderlich, da die Gewichtskraft keinen Einfluss auf das zum Durchführen der Testpositioniervorgänge T, T' erforderliche Testdrehmoment M hat. Die 9 und 10 zeigen die Testbeschleunigung α bei dem Testpositioniervorgang T und das zugehörige Testdrehmoment M. Das Ermitteln des optimalen Beschleunigungswerts α_opt aus der Drehmomentobergrenze M_max, dem Testdrehmomentmaximalbetrag M₀ und dem Testbeschleunigungsbetrag α₀ erfolgt entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der optimale Beschleunigungswert α_opt wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel für die Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge in der Steuereinheit 27 verwendet. Die 11 und 12 zeigen beispielhaft einen nachfolgenden Positioniervorgang des Werkzeugmagazins 19a.

Claims

Verfahren zur Optimierung von Positioniervorgängen bei Werkzeugmaschinen, umfassend die Schritte: a. Bereitstellen einer Positioniereinrichtung (19; 19a) mit mehreren Positionierstellungen (P), b. Bestimmen einer Belastungsobergrenze (M_max) der Positioniereinrichtung (19; 19a), c. Durchführen mindestens eines Testpositioniervorgangs (T, T'), wobei die Positioniereinrichtung (19; 19a) mit einer Testbeschleunigung (a) derart positioniert wird, dass eine Testbelastung (M) der Positioniereinrichtung (19; 19a) betragsmäßig unterhalb der Belastungsobergrenze (M_max) bleibt, d. Bestimmen eines Testbelastungsmaximalbetrags (M₀) und eines zugehörigen Testbeschleunigungsbetrags (α₀), und e. Bestimmen eines optimalen Beschleunigungswerts (α_opt) aus der Belastungsobergrenze (M_max), dem Testbelastungsmaximalbetrag (M₀) und dem Testbeschleunigungsbetrag (α₀), wobei der Beschleunigungswert (α_opt) zur Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testpositioniervorgang (T) in einer Vorwärtsrichtung (28) und ein weiterer Testpositioniervorgang (T') in einer Rückwärtsrichtung (29) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Testpositioniervorgänge (T) derart durchgeführt werden, dass alle Positionierstellungen (P) in einer Vorwärtsrichtung (28) sequentiell angefahren werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Testpositioniervorgänge (T') derart durchgeführt werden, dass alle Positionierstellungen (P) in einer Rückwärtsrichtung (29) sequentiell angefahren werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierstellungen (P) durch Drehung der Positioniereinrichtung (19; 19a) um eine Drehachse (22; 22a) angefahren werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsobergrenze (M_max) eine Drehmomentobergrenze und die Testbelastung (M) ein Testdrehmoment ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Testdrehmoment (M) durch Messen eines von einem Positionier-Antriebsmotors (20; 20a) bereitgestellten Antriebsdrehmomentes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Testdrehmoment (M) aus einem von einer Steuereinheit (27) vorgegebenen Sollantriebsdrehmoments zur Steuerung eines Positionier-Antriebsmotors (20; 20a) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungswert (α_opt) als Begrenzung der Sollbe schleunigung bei der Steuerung nachfolgender Positioniervorgänge verwendet wird.