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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der maschinellen Bearbeitung von Werkstücken insbesondere durch
CNC-Werkzeugmaschinen, und hier speziell durch Schleifmaschinen.
Genauer handelt es sich um ein Verfahren zum endkonturnahen Schleifen
bogenförmiger
Konturen, wie sie zum Beispiel in der Fertigung von Triebwerksschaufeln
und dergleichen vorkommen.
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Zum
Herstellen von präzise
geformten Oberflächen
kommen unter anderem das Verfahren des Schleifens (engl. „grinding") zum Einsatz. Im
Gegensatz zu Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide gehören Schleifverfahren
zu den Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide.
Als Trennmittel werden häufig
in ein Bindemittel eingebettete scharfkantige Körner bestimmter Größenordnung
benutzt. Durch wiederholtes Bewegen des Schleifwerkzeuges entlang
der zu bearbeitenden Oberfläche
unter Druck wird die oberste Schicht der zu bearbeitenden Oberfläche nach
und nach abgetragen. Die herausgelösten Partikel werden zusammen
mit eventuell abgelösten
Schleifkörnern
mittels beispielsweise kreisender Bewegungen zu den Rändern des
Schleifwerkzeuges hin transportiert, wo sie dann abgesaugt oder
abgespült
werden können.
Alternativ zu eingebetteten Schleifmitteln werden auch lose Schleifmittel
verwendet, die in flüssiger
oder pastöser
Form vorliegen können
und zwischen das Werkstück
und eine Schleifscheibe gegeben werden. Die Bearbeitung erfolgt
analog unter Druck und mit sich wiederholenden, beispielsweise kreisenden
Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Durch Einbringen frischen
Schleifmittels, beispielsweise durch eine zentrische Bohrung des
Schleifwerkzeuges, wird verbrauchtes und mit abgetragenem Material
angereichertes Schleifmittel aus dem Kontaktbereich des Werkzeuges
abtransportiert.
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Speziell
zum Herstellen von bogenförmigen Konturen
wie zum Beispiel von Turbinenschaufeln kommen so genannte „Vane"- oder „Blade-Grinder" (Schaufelblatt-Schleifer)
zum Einsatz. Da die Steuerung derartiger Werkzeugmaschinen aufgrund
der komplexen Geometrien nicht trivial ist, werden außerdem entsprechende
Programme (Schleifoperationen, Schleifzyklen) benötigt, die
von den Maschinenherstellern oder unabhängigen Zulieferern bereitgestellt
werden müssen
oder auch vom Anwender selbst zu programmieren sind. Im Falle von
gebogenen Konturen werden derartige Steuerprogramme auch als Bogenschleifoperationen
bezeichnet. Die erzielbare Qualität ist dabei sowohl von der
Präzision der
Werkzeugmaschine als auch von der Güte der Steuersoftware abhängig.
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Problematisch
ist bei der Herstellung insbesondere bogenförmiger Konturen die oft erhebliche Abweichung
zwischen gewünschter
Soll- und erzielter Istkontur. Ein Hauptgrund für diese Abweichung liegt in
der Tatsache begründet,
dass die derzeit kommerziell erhältlichen
Schleifoperationen keine oder nur unzureichende Kompensationen für Verformungen
beinhalten. Diese rühren
zum Einen von den auf das Werkstück
wirkenden Kräften
her, und sind zum anderen auch in der Temperaturausdehnung des Werkstücks begründet. Da
im Extremfall beim Schleifen Temperaturen auftreten können, die
im Bereich der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffes liegen,
resultieren daraus sowohl erhebliche Temperaturausdehnungen als
auch eine lokale Verringerung der Festigkeit, welche die verformende
Wirkung der Schleifkräfte
noch erhöht.
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Einzig
durch Variation in der Kühlmittelzufuhr wird
heute versucht, ein zumindest weitgehend konstantes Temperaturfeld
zu erzeugen, um so die temperaturbedingten Formabweichungen zu minimieren. Die
hierbei erreichbaren Eingriffsmöglichkeiten
sind jedoch äußerst beschränkt; entsprechend
unzufriedenstellende Ergebnisse sind die Folge.
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Weiter
kann versucht werden, durch eine Vielzahl von Fixierungspunkten
und einer entsprechend aufwändig
gestalteten Spannvorrichtung dafür zu
sorgen, Verformungen des Werkstückes
während der
Bearbeitung durch Blockierung zu vermindern. Allerdings treten in
diesem Falle erhöhte
mechanische Spannungen im Material auf, welches sich trotz Temperaturerhöhung nicht
frei ausdehnen kann, so dass diese Vorgehensweise wiederum zu Problemen wie
z. B. zu Werkstoffschädigungen
führen
kann.
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Schließlich kann
durch eine Verringerung der Abtragsrate bzw. der Schnittleistung
(geringerer Andruck, geringere Drehzahl, kleineres Werkzeug, geringere
Schnitttiefe) die Temperatur bei der Bearbeitung gesenkt werden,
so dass die aus der Temperaturausdehnung resultierenden Probleme
weniger stark in Erscheinung treten. Unerwünschter Nebeneffekt ist jedoch
insbesondere eine entsprechend verlängerte Bearbeitungszeit.
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Um
befriedigende Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, werden heute entsprechende
Vorversuche durchgeführt,
anhand derer eine schrittweise Anpassung der Istkontur an die Sollkontur
durchgeführt wird.
Für diese
Versuche wird jeweils jedes Mal ein entsprechendes Halbzeug benötigt, und
die Auswertung jedes Versuches ist zeitintensiv, da die komplexen
Konturen jedes Mal vermessen und die abzufahrenden Bahnen neu angepasst
werden müssen.
Daraus resultieren sowohl entsprechend hohe Kosten bei der Einrichtung
eines Prozesses, als auch eine lange Einrichtdauer. Im Falle ungenügender Vorversuche,
aber auch durch technisch bedingte Limitationen ist ein erhöhter Ausschuss
die Folge. Insbesondere bei komplexen Bauteilen, bei denen bereits
die Halbzeuge kostenintensiv in der Herstellung sind, und/oder bei
Verwendung von teuren Werkstoffen sind diese Nachteile besonders
gravierend.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens
zum endkonturnahen Schleifen bogenförmiger Konturen mittels 2D-
oder 3D-Bogenschleifoperationen. Durch Anwendung des Verfahrens
soll die Anzahl der beim Einrichten eines Schleifbearbeitungsprozesses
notwendigen Versuche und somit die Anzahl der hierzu notwendigen Halbzeuge
minimiert werden. Gleichzeitig soll durch die Erhöhung der
Bearbeitungsqualität
der Ausschuss bei der Fertigung insbesondere bogenförmiger Werkstücke verringert
werden. Die Verwendung aufwändiger
Spannvorrichtungen soll vermieden und die Schnittleistung maximiert
werden.
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Die
Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 vorgeschlagene Verfahren gelöst. Dementsprechend wird
eine kompensierte Bahnbewegung eines Werkzeugs einer CNC-Werkzeugmaschine
abweichend von einer Sollkontur programmiert, so dass das Bearbeitungsergebnis
nach Prozessende in hoher Näherung
die Sollkontur widerspiegelt. Hierzu werden geeignete Kompensationsfunktionen,
insbesondere interpolierende und approximierende kubische Splines,
eingesetzt, so dass eine Minimierung des Formfehlers beim Bogenschleifen
erreicht werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
sind den abhängigen
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bietet eine erhöhte
Formgenauigkeit bei der Durchführung
sowohl bei 2D- und 3D-Bogenschleifoperationen als auch bei analogen
Schleifoperationen.
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Das
Verfahren dient demnach zum endkonturnahen 2D- und 3D-Schleifen
von bogenförmigen Konturen
und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnbewegung S einer CNC-Werkzeugmaschine abweichend
von einer Sollkontur K programmiert wird, so dass das Bearbeitungsergebnis
nach Prozessende in hoher Näherung
die Sollkontur K widerspiegelt.
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Die
bogenförmigen
Konturen können
beispielsweise die Konturen von Triebwerksschaufeln sein, welche
sich insbesondere durch eine sehr hohe Formtreue bzw. geringe Abweichungen
von einer exakt bestimmten Sollform auszeichnen. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich zum Einsatz in unterschiedlichsten Werkzeugmaschinen
mit CNC-Steuerung (CNC = computer numerical controlled; computergesteuert),
jedoch ganz besonders in Schleifmaschinen zur Herstellung von bogenförmigen 2D- oder 3D-Konturen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
dient dabei dazu, eine von einer Sollkontur K abweichende Bahnbewegung
zu programmieren, die dazu führt,
dass bei Anwendung ebendieser Bahnbewegung Formabweichungen nahezu
aufgehoben werden, die sich ansonsten bei Anwendung einer Programmierung
der unveränderten
Sollkontur ergeben würden.
Mit anderen Worten, das Bearbeitungsergebnis spiegelt nach Prozessende
in hoher Näherung
die Sollkontur K wider.
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Nach
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die erforderlichen Abweichungen Δx des Bewegungsablaufes von
der Sollkontur K durch Berücksichtigung des
während
der Bearbeitung wirkenden Kraft- und/oder Temperaturfeldes ermittelt.
Hierzu können numerische
und/oder analytische Methoden zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt
ist die Verwendung von Simulationsmodellen, in welchen sowohl die
geometrischen Daten als auch das physikalische Verhalten des Werkstücks bei
der Bearbeitung in Abhängigkeit
relevanter Parameter wie Temperatur, Druck, Material usw. hinterlegt
sind. Derartige Modelle erlauben neben der Optimierung der Bahnbewegung
auch eine Überprüfung von
beispielsweise analytisch ermittelten Bahnbewegungen, ohne dass
hierzu langwierige und kostspielige reale Versuche nötig wären.
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Nach
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die erforderlichen Abweichungen S des Bewegungsablaufes von
der Sollkontur K durch Erprobung ermittelt. Hierzu ist demnach mindestens
ein realer Versuch notwendig, bei welchem das Werkstück zunächst mit
einer der Sollkontur entsprechenden Bahnbewegung zu fertigen versucht
wird. Die sich dabei ergebenden Abweichungen Δx können dann messtechnisch erfasst
werden. Die Erfassung kann dabei quasi-kontinuierlich (z. B. mittels
Tastschnittverfahren) oder diskret (z. B. mittels Messtastern) erfolgen,
wobei letztere Variante bevorzugt ist, da hierzu eine geringere
Datenmenge aufzunehmen ist, was unter Umständen einen erheblichen Zeitvorteil mit
sich bringen kann. Auch kann das Abtasten komplexer gewölbter Oberflächen, beispielsweise
solcher mit Hinterschneidungen, nur mit sehr großem Zeit- und messtechnischem
Aufwand betrieben werden. Im Falle einzelner diskreter Messpunkte
muss jedoch darauf geachtet werden, dass die zu beschreibende Oberfläche auch
genügend
genau von den Messpunkten repräsentiert
werden kann.
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Für die letztgenannte
bevorzugte Ausführungsform
(Erprobung) kann folgender Formelmechanismus aufgestellt werden.
Demnach gilt für
die zu programmierende Bahnbewegung S im Zeitpunkt t: S(t)
= K(t) + f(t)·(–Δx)mit
- S(t)
- = Bahnbewegung zum
Zeitpunkt t
- K(t)
- = Sollkontur zum Zeitpunkt
t
- Δx
- = Messabweichung nach
Erprobungsabschluss
- f(t)
- = Korrekturfunktion
mit f(t) ≥ 0
zum Zeitpunkt t
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Die
Bahnbewegung zum Zeitpunkt t entspricht also derjenigen Bahn, der
das Werkzeug folgen muss, um die Form- bzw. Messabweichungen Δx gerade
zu kompensieren und so ein konturnahes Bearbeitungsergebnis zu erzielen.
Die Sollkontur K(t) ist aus der Konstruktion vorgegeben; die Korrekturfunktion
muss ggf. anderweitig bestimmt oder zunächst als konstant angenommen
werden.
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Für beide
oben genannten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es besonders bevorzugt, dass die zu programmierenden Bahnbewegungen
S durch eine Funktion S' interpoliert
oder approximiert werden. Insbesondere ist diese Approximation jedoch
in der Ausführungsform
der Erprobung nützlich,
da hier unter Umständen
zunächst
nur eine geringe Anzahl von Messpunkten (Stützstellen) zur Verfügung steht,
die zu programmierende Bahnabweichung S(t) jedoch quasi-kontinuierlich
zur Verfügung
stehen muss, um ein entsprechend genaues Abfahren der gesamten Kontur
auch zwischen den Messpunkten zu ermöglichen. Aufgrund der Bevorzugung
einer Aufnahme lediglich einer geringen Anzahl von Messpunkten,
die als Stützstellen
für derartige
interpolierende oder approximierende Funktionen S' zur Verfügung stehen,
werden zur Approximation der zu programmierenden Bahnbewegungen
S besonders bevorzugt derartige interpolierende oder approximierende
Funktionen S' eingesetzt,
die durch eine sehr geringe Anzahl freier Parameter wie z. B. Stützstellen
gekennzeichnet sind.
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Besonders
bevorzugt kommen daher zur Interpolation oder Approximation der
zu programmierenden Bahnbewegungen S insbesondere interpolierende
oder approximierende Spline-Funktionen S' zum Einsatz, wie B-Splines oder am
meisten bevorzugt kubische Splines. Alternativ können jedoch auch höhergradige
Polynome, stückweise
Interpolationen u. a. benutzt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
läuft mindestens einer
der oben beschriebenen Schritte der Messung der Messabweichung Δx, der Berechung
der Bahnbewegung S und der interpolierenden oder approximierenden
Funktion S' automatisiert
ab. Die Berechungen können
dabei besonders bevorzugt mittels eines handelsüblichen PCs erfolgen. Für die Erfassung
der Messabweichung Δx
kann ebenfalls ein automatisches oder halbautomatisches Verfahren unter Nutzung
einer entsprechenden Vorrichtung dienen; ggf. sind die entsprechenden
Messpunkte zuvor manuell vorzugeben, können aber auch mittels einer
automatisierten Auswerte- und Planungssoftware erfolgen, welche
die Sollkontur einliest und aus ihr die optimale Lage von Messpunkten
bestimmt. Das Anfahren und Messen an diesen Stützstellen erfolgt dann bevorzugt
wiederum automatisch. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform
laufen alle der im vorigen Absatz beschriebenen Schritte automatisiert ab.
Daraus ergibt sich eine möglichst
kurze Durchlaufzeit vom ersten Einmessen bis zur Bestimmung der
interpolierenden oder approximierenden Funktion S'. Außerdem ist
das Ergebnis insofern reproduzierbar, als dass der Einfluss möglicherweise
unterschiedlicher Bediener weitgehend ausgeschlossen ist.
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Durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Anzahl der beim Einrichten eines Schleifbearbeitungsprozesses
notwendigen Versuche und somit die Anzahl der hierzu notwendigen Halbzeuge
minimiert, da zur Ermittlung der Messabweichung mittels Erprobung
im optimalen Fall nur ein einziger Versuch nötig ist. Gleichzeitig wird
durch die Erhöhung
der Bearbeitungsqualität
der Ausschuss bei der Fertigung bogenförmiger Werkstücke verringert.
Die Verwendung aufwändiger
Spannvorrichtungen wird vermieden, da die sich bei der Verwendung einfacherer
Spannvorrichtungen ergebenden Formabweichungen ausgeglichen werden.
Ebenso werden die durch erhöhte
Bearbeitungstemperaturen beobachteten Formabweichungen ausgeglichen,
so dass die Schnittleistung insofern maximiert wird, als dass eine
Verringerung der Belastung des Werkstückes während der Bearbeitung beispielsweise
mittels geringerer Abtragsrate nicht notwendig ist.
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1 zeigt
ein Flussdiagramm beider Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt
exemplarisch und vereinfacht den beispielhaften Verlauf einer Sollkontur,
einer Istkontur, und einer Bahnbewegung.
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Die 1 zeigt
ein Flussdiagramm beider Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der linken Bildhälfte
ist die „analytische" oder „numerische" Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Die dieser Variante entsprechenden Diagrammbestandteile
sind durch gestrichelte Verbindungslinien gekennzeichnet.
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Demnach
ist eine Sollwertkontur K(t) vorgegeben, die der gewünschten
Werkstückform
nach der Bearbeitung entspricht. Außerdem ist das physikalische
Verhalten des Werkstückes
bei der Bearbeitung mittels eines entsprechenden Modells hinterlegt.
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Mithilfe
analytischer oder numerischer Verfahren wird nun eine Berechnung
der zu erwartenden Messabweichung Δx durchgeführt.
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Die
Differenz zwischen Abweichung Δx
und Sollwertkontur K(t) entspricht im Wesentlichen der tatsächlich zu
programmierenden Bahnbewegung S(t).
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In
einem nächsten
Schritt wird die so gefundene Funktion mittels einer erfindungsgemäß vorgesehenen
interpolierenden oder approximierenden Spline-Funktion S'(t) angenähert.
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Bei
der konturnahen Fertigung des Werkstückes folgt das Werkzeug dann
der durch die Spline-Funktion S'(t)
vorgegebenen Bahn.
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In
der rechten Bildhälfte
ist die „Erprobungs"-Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Die dieser Variante entsprechenden Diagrammbestandteile sind mittels
durchgezogener Verbindungslinien gekennzeichnet.
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Demnach
ist auch hier eine Sollwertkontur K(t) gegeben.
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Unter
Verwendung der Bahndaten dieser Sollwertkontur werden einer oder
mehrere Versuche durchgeführt.
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Aus
diesen Versuchen kann die Messabweichung Δx von der Sollwertkontur K(t)
bestimmt werden. Bevorzugt werden hier möglichst wenige diskrete Messpunkte
angefahren, die dennoch ausreichen, um die Istkontur mit genügend guter Übereinstimmung
anzunähern.
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Weiterhin
sollte noch eine Korrekturfunktion f(t) bekannt sein, für welche
jederzeit f(t) ≥ 0
gilt. Die Funktion f(t) kann aber auch konstant sein.
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Durch
Verknüpfung
der Sollwertkontur K(t) mit der Korrekturfunktion f(t) und der Messabweichung Δx kann auf
die zu programmierende Bahnbewegung S(t) geschlossen werden. Allerdings
ist diese Funktion lediglich für
die zuvor aufgenommenen diskreten Messwerte Δx bestimmbar. Um auch für dazwischen
liegenden Orte der Kontur Bahninformationen bereitstellen zu können, erfolgt
nun – analog zu
der vorstehend beschriebenen Variante – eine Approximation der Stützstellen
mittels einer erfindungsgemäß vorgesehenen
interpolierenden oder approximierenden Spline-Funktion S'(t).
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Bei
der konturnahen Fertigung des Werkstückes folgt das Werkzeug dann
der durch die Spline-Funktion S'(t)
vorgegebenen Bahn.
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Die 2 zeigt
exemplarisch und vereinfacht den beispielhaften Verlauf einer Sollkontur
K, einer Istkontur I, und einer Bahnbewegung S.
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Die
Konturen sind dabei in ein Achsenkreuz eingetragen, welches durch
die dünnen,
senkrecht aufeinander stehenden Linien symbolisiert ist.
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Die
Sollkontur K ist ein symmetrisch zur Y-Achse liegender Halbkreis,
der in der 2 als dicke halbkreisförmige Linie
dargestellt ist. Im Gegensatz hierzu ist die aus einer ersten, nicht
optimierten Bearbeitung resultierende Istkontur I als deutlich von der
Sollkontur K abweichende dicke, gepunktete Linie zu erkennen. Im
dargestellten Beispiel ist der Radius der Istkontur I deutlich größer als
der Radius der Sollkontur K. Zwischen den beiden Konturen ergibt sich
demnach ein Messabstand Δx,
der hier exemplarisch für
einen einzelnen Ort bzw. Fertigungszeitpunkt t angegeben ist.
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Durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann nun eine Bahnbewegung S (gestrichelte dünne Linie) bestimmt werden,
die, wenn sie anstelle der Sollkontur zur Steuerung des Werkzeuges
dient, zu der gewünschten
konturnahen Fertigung des Werkstückes
führt.
Im einfachsten Fall ergibt sich diese Bahnbewegung durch Subtraktion
der Messabweichung Δx
von der Sollkontur K, ggf. unter Zuhilfenahme einer hier nicht dargestellten
Korrekturfunktion f(t).
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- I
- Istkontur
- K
- Sollkontur,
Sollwertkontur
- f
- Korrekturfunktion
- Δx
- Abweichung
des Bewegungsablaufes, Messabweichung
- t
- Zeitpunkt
- S
- Bahnbewegung,
zu programmierende Bahnbewegung
- S'
- (interpolierende
oder approximierende), (Spline-)Funktion