DE102011055036A1

DE102011055036A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kompensieren einer thermischen Versetzung in einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102011055036A1
Application number: DE102011055036A
Authority: DE
Inventors: Susumu Maekawa; Takahiro ENDOU
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-05
Also published as: US8924003B2; US20120123586A1; JP2012101330A; JP4917665B1; DE102011055036B4; CN102528558A

Abstract

Bei einem Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine, bei dem eine thermische Versatzgröße für die Vorschubwelle erhalten wird und eine Größe, die die erhaltene thermische Versatzgröße für die Vorschubwelle aufhebt, als Kompensationsgröße des thermischen Versatzes zu einem Positionsbefehl für eine Vorschubachse addiert wird, wird eine Position, in der ein Positionssensor, der die Position eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfasst, ein Signal erstmalig ausgibt, vorab als Anfangsposition gespeichert. Daraufhin wird die Position erfasst, an der der Positionssensor das Signal ausgibt, und die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes wird gemäß einem Kompensationsfehler modifiziert, bei dem es sich um die Differenz zwischen der erfassten Position (tatsächlichen Position) und der Anfangsposition handelt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren des thermischen Versatzes bei einer Werkzeugmaschine.
Beschreibung des Stands der Technik
In einer Werkzeugmaschine werden Vorschubspindeln und Wellen von Motoren angetrieben, und sie dehnen sich durch die Wärme der Motoren, die Reibungswärme von sich drehenden Lagern und die Reibungswärme der ineinander eingreifenden Teile von Kugelumlaufspindeln und Muttern der Vorschubspindeln aus. Dies verursacht eine Verschiebung der Bearbeitungsposition. Dadurch verschieben sich die gegenseitigen Positionen eines Werkstücks, das angeordnet werden muss, und eines Werkzeugs. Diese Verschiebung der Bearbeitungsposition durch Wärme erschwert eine hochpräzise Bearbeitung.
Üblicherweise setzt man gewisse Vorgehensweisen und Anordnungen ein, um diese wärmebedingten Verschiebungen der Bearbeitungsposition zu verhindern. Bei einer solchen Vorgehensweise wird der thermische Versatz einfach kostengünstig kompensiert, ohne dass man einen Temperatursensor verwendet. Bei einer anderen Vorgehensweise wird eine angewiesene Position abhängig von dem Versatz und der Temperatur kompensiert, die mit Versatz- und Temperatursensoren erfasst wird. Zudem kennt man vorbeugende Anordnungen, bei denen eine Vorbelastung auf eine Vorschubspindel ausgeübt wird, um den Einfluss der thermischen Dehnung zu beseitigen.
Es folgt eine Beschreibung von Beispielen des Stands der Technik, die sich auf den Ausgleich thermischer Verschiebungen beziehen.

1) Bei einer Vorgehensweise, die in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-18677 offenbart ist, wird der gesamte Hub einer Vorschubwelle in mehrere Abschnitte unterteilt. Die Position eines jeden Abschnitts der Vorschubwelle wird erfasst, und man bestimmt eine mittlere Bewegungsgeschwindigkeit für den Abschnitt aus der erfassten Position. Aus der auf diese Weise erhaltenen mittleren Bewegungsgeschwindigkeit schätzt man eine thermische Versatzgröße für den betreffenden Abschnitt (abhängig von der Wärmeerzeugung und -strahlung und der Wärme, die von anderen Abschnitten in der Nachbarschaft des betreffenden Abschnitts durch Wärmeleitung übertragen wird). Bei dieser Vorgehensweise lässt sich eine hochpräzise Kompensation erzielen, und zwar unabhängig von der Position der Vorschubwelle (bzw. für jede Position). Zudem kann man den thermischen Versatz, der aufgrund von thermischen Verschiebungen durch Wärme von einer Spindel oder einem Spindelmotor zustande kommt, und durch Wärme von der Vorschubspindel, präzise kompensieren. Ferner kann man eine genauere Kompensation dadurch erreichen, dass man den Wärmeerzeugungskoeffizienten in einer Berechnungsformel für die thermische Versatzgröße abwandelt, und zwar abhängig von einer Abweichung (Kompensationsfehler) zwischen der geschätzten thermischen Versatzgröße (Kompensationsgröße) und der tatsächlichen Bearbeitungsposition.

Bei der Vorgehensweise, die in dem oben genannten Patentdokument offenbart ist, wird also die thermische Versatzgröße abhängig von der Position und Geschwindigkeit der Vorschubspindel, der Wellendrehzahl und der Last des Wellenmotors geschätzt, wodurch sich eine hochpräzise Kompensation unabhängig von der Position der Vorschubspindel erreichen lässt. Für eine noch genauere Kompensation kann man jedoch daran denken, thermische Verschiebungen einzubeziehen, die von Änderungen der Umgebungstemperaturen abhängen, beispielsweise der Raumtemperatur, der Temperatur der Kühl- und Schmierflüssigkeit usw. Zudem ist in dem oben genannten Patentdokument ein Verfahren offenbart, bei dem ein Wärmeerzeugungskoeffizient in einer Berechnungsformel für die thermische Versatzgröße mit Hilfe eines Kompensationsfehlers abgewandelt wird. Da die Berechnungsformel weitere Koeffizienten enthält (Wärmeverlustkoeffizient und Wärmeleitkoeffizient zum Berechnen der Wärmeleitung von benachbarten Abschnitten), lässt sich in manchen Fällen die Kompensationsgenauigkeit nicht dadurch weiter erhöhen, dass man nur den Wärmeerzeugungskoeffizienten verändert. Obgleich die Kompensation an Positionen genauer ist, an denen der tatsächliche Kompensationsfehler gemessen wird, trifft dies nicht immer für andere Positionen zu.

2) Bei einer Vorgehensweise, die in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2010-82724 offenbart ist, gewinnt man die thermische Versatzgröße einer Kugelumlaufspindel (thermische Versatzgröße einer gesamten Kugelumlaufspindel einschließlich der Abschnitte der Kugelumlaufspindel, an denen sich eine Mutter nicht bewegen kann, und des Teils der Umlaufspindel, der eine Mutter trägt) durch das Erfassen der Drehzahl eines Servomotors ohne einen Sensor zu verwenden.

Die in dem oben beschriebenen Patent offenbarte Vorgehensweise ist – wie die in der genannten veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-18677 offenbarte Vorgehensweise – dafür entworfen, eine thermische Versatzgröße ohne den Einsatz eines Sensors präzise zu schätzen und zu kompensieren. Da die Kompensation erfolgt, ohne die Einflüsse von Änderungen in Umgebungstemperaturen zu berücksichtigen, beispielsweise die Raumtemperatur, die Temperatur der Kühl- und Schmierflüssigkeit usw., lässt sich in manchen Fällen eine exakte Kompensation nicht erreichen. Zudem gibt es keine Angabe eines Verfahrens, mit dem man Kompensationsfehler beseitigen kann, falls sie auftreten.

3) Bei einer Vorgehensweise, die in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2007-21721 offenbart ist, erhält man die thermische Versatzgröße einer Kugelumlaufspindel mit Hilfe eines Sensors, und man erhält einen Kompensationswert für den Steigungsfehler der Kugelumlaufspindel abhängig von der gewonnenen thermischen Versatzgröße. im Einzelnen werden die Länge (A) der Kugelumlaufspindel, die Steigungsfehler-Kompensationswerte (Pn) für mehrere Unterteilungen der Gesamtlänge (Hub) der Kugelumlaufspindel und Positionen (Dn) der Unterteilungen vorab in einer NC-Vorrichtung registriert. Anschließend misst ein Sensor eine Änderung (ΔA) der Länge der Kugelumlaufspindel, die durch den thermischen Versatz verursacht wird. Die Längenäderung der Kugelumlaufspindel für die Position (Dn) einer jeden Unterteilung erhält man aus der Berechnungsformel Dn × ΔA/A. Die Summe aus dem Steigungsfehler-Kompensationswert (Pn) für die betreffende Unterteilung und der Änderung (Dn × ΔA/A) wird als neuer Steigungsfehler-Kompensationswert in der NC-Vorrichtung registriert. Die Steigungsfehlerkompensation erfolgt nun mit Hilfe des registrierten neuen Steigungsfehler-Kompensationswerts.

Bei der Vorgehensweise, die in dem beschriebenen Patentdokument offenbart ist, erfolgt die Berechnung des neuen Steigungsfehler-Kompensationswerts ausgehend von der Annahme, dass die Kugelumlaufspindel unabhängig von der Position gleichförmig verschoben wird. In der Regel hängt jedoch die Versatzgröße für jede Unterteilung der Kugelumlaufspindel von der Drehzahl der Kugelumlaufspindel (Bewegungsgeschwindigkeit der Mutter) und der Position ab, in die sie bewegt wurde. Somit kann man mit diesem Verfahren keine exakte Kompensation abhängig von der Position der Kugelumlaufspindel erreichen. Im Unterschied zu der Vorgehensweise, die in der genannten veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-18677 offenbart ist, wird bei der Vorgehensweise, die in diesem Patent offenbart ist, die Versatzgröße von einem Positionssensor erfasst. Da jedoch die Verteilung der thermischen Verschiebungen auf die einzelnen Positionen der Kugelumlaufspindel in diesem Fall nicht beachtet wird, lässt sich keine exakte Kompensation erzielen.

4) Bei der Vorgehensweise, die in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-144192 offenbart ist, handelt es sich um ein Versatz-Kompensationsverfahren zwischen zwei Punkten für eine Kugelumlaufspindel, bei dem man eine Differenz zwischen zwei Punkten an den entgegengesetzten Enden der Kugelumlaufspindel erhält. Die Fehlerkompensation erfolgt für den gesamten Hub, für den eine Ursprungs-Versatzgröße und eine Steigungsfehler-Kompensationsgröße durch die Differenz bestimmt werden.

Die in dem obigen Patentdokument offenbarte Vorgehensweise beruht ähnlich wie die in der genannten veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-21721 offenbarte Vorgehensweise auf der Voraussetzung, dass die Verteilung der thermischen Verschiebungen zwischen zwei Punkten gleichförmig ist; daher kann abhängig von der Position der Kugelumlaufspindel keine exakte Kompensation erzielt werden. Im Unterschied zu der Vorgehensweise, die in der genannten veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-18677 offenbart ist, wird bei der Vorgehensweise, die in diesem Patent offenbart ist, die Versatzgröße von einem Positionssensor erfasst. Da jedoch die Verteilung der thermischen Verschiebungen auf die einzelnen Positionen der Kugelumlaufspindel in diesem Fall nicht beachtet wird, lässt sich keine exakte Kompensation erzielen.

5) Bei einer Vorgehensweise, die in der veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 10-138091 offenbart ist, gewinnt man eine Kompensationsgröße aus einer Näherungsformel, die abhängt von einer mittleren Bewegungsgeschwindigkeit, der Frequenz der Bewegung, der bewegten Position und dem Störungslastdrehmonent einer Vorschubwelle. Falls die Veränderung der erhaltenen Kompensationsgröße einen vorbestimmten Wert überschreitet, so wird die Position oder die Temperatur von einem Sensor gemessen, und die Kompensationsgröße wird abhängig von dem gemessenen Wert aktualisiert.

Bei der Vorgehensweise, die in dem beschriebenen Patentdokument offenbart ist, wird eine von einem Sensor gemessene thermische Versatzgröße und nicht eine von einer Näherungsformel vorhergesagte Versatzgröße als Kompensationsgröße verwendet, falls die Veränderung der Kompensationsgröße beträchtlich ist. Da die Koeffizienten einer Berechnungsformel zum Schätzen der thermischen Versatzgröße und ähnlicher Größen nicht dafür entworfen sind, dass sie abhängig vom Ergebnis der Sensormessung modifiziert werden, wird das Messergebnis in der Schätzung der nachfolgenden thermischen Versatzgrößen nicht widergespiegelt. Dadurch kann die Genauigkeit der Versatzgrößenschätzung nicht verbessert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, für eine Werkzeugmaschine ein Kompensationsverfahren und eine Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz bereitzustellen, wobei die Verteilung der thermischen Verschiebung in jeder Position einer Vorschubachse geschätzt wird, die Position der Vorschubachse von einem Positionssensor erfasst wird und eine Kompensationsgröße für einen Positionsbefehl der Vorschubachse abhängig von der erkannten Position vergrößert oder verkleinert wird, wodurch eine Kompensation erzielt werden kann, in die auch thermische Verschiebungen eingehen, die nicht vom Maschinenbetrieb abhängen, beispielsweise Veränderungen der Umgebungstemperaturen.
Bei einem Kompensationsverfahren der Erfindung für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine wird ein Positionsbefehl für eine Vorschubachse dadurch kompensiert, dass man eine thermische Versatzgröße für die Vorschubwelle gewinnt und als Kompensationsgröße für den thermischen Versatz eine Größe zu dem Positionsbefehl für die Vorschubachse addiert, die die gewonnene thermische Versatzgröße aufhebt. Dieses Verfahren umfasst einen Schritt, in dem ein Positionssensor in einer Detektierposition angebracht wird, in der die Position eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfasst werden kann, damit der Positionssensor ein Signal ausgibt, wenn das bewegliche Teil die Detektierposition erreicht. Anschließend wird eine Position vorab als Anfangsposition gespeichert, in der der Positionssensor das Signal erstmals ausgibt. Das Verfahren umfasst einen Schritt, in dem die Position als tatsächliche Position erfasst wird, in der der Positionssensor das Signal ausgibt, einen Schritt, in dem die Differenz zwischen der gespeicherten Anfangsposition und der erfassten tatsächlichen Position als Kompensationsfehler in der Anfangsposition berechnet wird, und einen Schritt, in dem die Kompensationsgröße für den thermischen Versatz entsprechend zu dem berechneten Kompensationsfehler modifiziert wird.
Die Anfangsposition kann vor dem Beginn der Bearbeitung vorab gespeichert werden.
Das Modifizieren der Kompensationsgröße für den thermischen Versatz kann dadurch vorgenommen werden, dass man eine Fehlerkompensationsrate aus dem Verhältnis des Kompensationsfehlers zur Kompensationsgröße des thermischen Versatzes in der Anfangsposition gewinnt und anschließend die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem man die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle mit der erhaltenen Fehlerkompensationsrate multipliziert.
Die Kompensation des thermischen Versatzes kann dadurch erfolgen, dass man eine thermische Versatzgröße der Vorschubwelle abhängig von der Position der Vorschubachse gewinnt, und das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann dadurch vorgenommen werden, dass man eine Fehlerkompensationsgröße aus dem Kompensationsfehler und dem Verhältnis der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Position der Vorschubachse zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Anfangsposition erhält und daraufhin die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem man die erhaltene Fehlerkompensationsgröße zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle addiert.
Die Kompensation der thermischen Versatzgröße kann dadurch ausgeführt werden, dass man die Vorschubachse in eine Anzahl Abschnitte unterteilt und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle für jeden Abschnitt gewinnt. Das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann entsprechend zum Kompensationsfehler und zur Kompensationsgröße des thermischen Versatzes für denjenigen Abschnitt erfolgen, der die Anfangsposition abdeckt, oder individuell abhängig von den thermischen Versatzgrößen der Vorschubwelle für diejenigen Abschnitte, die die Anfangsposition und die Position der Vorschubachse abdecken.
Den Positionssensor kann man in einer Stellung anordnen, die es dem Positionssensor erlaubt, die Position des beweglichen Teils innerhalb eines Bewegungsbereichs des beweglichen Teils gestützt auf ein Bearbeitungsprogramm zu erfassen. Das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann erfolgen, während das Bearbeitungsprogramm ausgeführt wird.
Eine Kompensationsvorrichtung der Erfindung für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine umfasst eine Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle, die eine thermische Versatzgröße der Vorschubwelle berechnet, eine Berechnungsvorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes, die als Kompensationsgröße des thermischen Versatzes eine Größe berechnet, die die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle aufhebt, die die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle berechnet, und eine Kompensationsvorrichtung, die die Kompensation vornimmt, indem sie die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes zu einem Positionsbefehl für eine Vorschubachse addiert. Die Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz umfasst zudem eine Positionserfassungsvorrichtung, die in einer Lage angeordnet wird, in der die Position eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfasst werden kann, und sie umfasst einen Positionssensor, der dafür konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, wenn das bewegliche Teil die erfassbare Position erreicht, eine Anfangspositions-Speichervorrichtung, die vorab eine Position als Anfangsposition speichert, in der die Positionserfassungsvorrichtung das Signal erstmalig ausgibt, eine Erfassungsvorrichtung für die tatsächliche Position, die als tatsächliche Position die Position erfasst, in der die Positionserfassungsvorrichtung das Signal ausgibt, eine Kompensationsfehler-Berechnungsvorrichtung, die als Kompensationsfehler die Differenz zwischen der Anfangsposition berechnet, die in der Anfangspositions-Speichervorrichtung gespeichert ist, und der tatsächlichen Position, die die Erfassungsvorrichtung für die tatsächliche Position erfasst, und eine Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes, die die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes abhängig vom Kompensationsfehler abwandelt.
Die Anfangspositions-Speichervorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie die Anfangsposition vor dem Beginn der Bearbeitung vorab speichert.
Die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann eine Fehlerkompensationsrate aus dem Verhältnis des Kompensationsfehlers zur Kompensationsgröße des thermischen Versatzes in der Anfangsposition gewinnen, und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößern oder verkleinern, indem sie die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle mit der erhaltenen Fehlerkompensations rate multipliziert.
Die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle kann die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle entsprechend der Position der Vorschubachse berechnen. Die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann eine Fehlerkompensationsrate aus dem Kompensationsfehler und dem Verhältnis der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Position der Vorschubachse zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Anfangsposition gewinnen, und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößern oder verkleinern, indem sie die erhaltene Fehlerkompensationsgröße zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle addiert.
Die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle kann die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle berechnen, indem sie die Vorschubachse in eine Anzahl Abschnitte unterteilt und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle für jeden Abschnitt gewinnt. Die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes gemäß dem Kompensationsfehler und der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes für denjenigen Abschnitt anpassen, der die Anfangsposition abdeckt, oder abhängig von den thermischen Versatzgrößen der Vorschubwelle individuell für diejenigen Abschnitte, die die Anfangsposition und die Position der Vorschubachse abdecken.
Die Positionserfassungsvorrichtung kann man in einer Position anordnen, die es der Positionserfassungsvorrichtung erlaubt, die Position des beweglichen Teils innerhalb eines Bewegungsbereichs des beweglichen Teils gestützt auf ein Bearbeitungsprogramm zu erfassen. Die Modifiziervorrichtung der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes kann die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes verändern, während das Bearbeitungsprogramm ausgeführt wird.
Erfindungsgemäß kann ein Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz und eine Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, wobei die Verteilung des thermischen Versatzes in jeder Position einer Vorschubachse geschätzt wird, die Position der Vorschubachse von einem Positionssensor erfasst wird und eine Kompensationsgröße für einen Positionsbefehl der Vorschubachse abhängig von der erfassten Position vergrößert oder verkleinert wird, und man eine Kompensation auch hinsichtlich der thermischen Verschiebungen erzielen kann, die nicht vom Maschinenbetrieb abhängen, beispielsweise von Änderungen der Umgebungstemperaturen. Erfindungsgemäß wird zudem die Verteilung der thermischen Verschiebung an jeder Position der Vorschubachse geschätzt, und die Kompensationsgröße wird modifiziert, ohne die Verteilung der geschätzten thermischen Verschiebung zu verändern, und zwar abhängig von der Position, die der Positionssensor erfasst. Damit lässt sich unabhängig von der Position der Vorschubachse eine hochpräzise Kompensation auch für thermische Verschiebungen erreichen, die nicht vom Maschinenbetrieb abhängen, beispielsweise für Änderungen der Umgebungstemperaturen. Erfindungsgemäß lässt sich ferner die Position erfassen und kompensieren, ohne dass irgendein besonderer Vorgang für die Positionserfassung nötig ist und ohne dass die Bearbeitungszeit beeinträchtigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beschriebenen Aufgaben und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsform anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
Es zeigt:
1 eine Ansicht eines Beispiels für den Ort eines Positionssensors, der dafür konfiguriert ist, die Position einer Vorschubachse zu erfassen, und der für die Kompensation des thermischen Versatzes einer Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung verwendet wird;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines wesentlichen Teils eines numerischen Controllers einer Werkzeugmaschine;
3 eine Skizze, die darstellt, wie die Gesamtlänge einer Vorschubwelle, die eine Vorschubachse bildet, in mehrere Abschnitte unterteilt wird;
4 ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsprozeduren für den thermischen Versatz darstellt;
5 ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsprozeduren für die Berechnung der thermischen Versatzgröße darstellt;
6 ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsprozeduren für die Berechnung der Fehlerkompensationsrate darstellt;
7 ein Flussdiagramm, das die Verarbeitungsprozeduren für die Berechnung der thermischen Versatzgröße darstellt; und
8 ein Flussdiagramm, das die Kompensationsfehlerberechnung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

A. Anhand von 1 wird zuerst ein Positionssensor beschrieben, der dafür konfiguriert ist, die Position einer Vorschubachse zu erfassen, und der erfindungsgemäß für die Kompensation des thermischen Versatzes einer Werkzeugmaschine verwendet wird.

1 zeigt eine Ansicht eines Beispiels für den Ort eines Positionssensors, der den thermischen Versatz der Vorschubachse der Werkzeugmaschine erfasst.
Zum Erfassen der Position einer Z-Achse als Vorschubachse wird der Positionssensor in einer vorbestimmten Position am Hauptkörper der Werkzeugmaschine montiert. Als Positionssensor wird beispielsweise ein kontaktloser magnetischer Näherungsschalter (im Weiteren als ”Näherungsschalter” bezeichnet) verwendet, der aus einem Erfassungskopf 4 und einem Magnetfeld-Erzeugungskörper 5 aufgebaut ist. Der Erfassungskopf 4 wird an einem stationären Teil der Werkzeugmaschine (beispielsweise einem Bett, einer Säule oder einem Schlitten, die sich bezüglich einer jeden Vorschubachse nicht bewegen) angebracht. Der Magnetfeld-Erzeugungskörper 5 wird mit einem beweglichen Teil (beispielsweise einem Spindelkopf, einem Tisch, einem Schlitten oder einer Mutter, die mit einer der Vorschubwellen verbunden sind, die sich entlang jeder Vorschubachse bewegen können) verbunden. Wahlweise kann man den Magnetfeld-Erzeugungskörper 5 an dem stationären Teil des Maschinenkörpers anbringen und den Erfassungskopf 4 am beweglichen Teil anordnen.
Bei der Montageposition des Näherungsschalters auf dem Maschinenkörper kann es sich um jede beliebige Position innerhalb eines Bereichs handeln, in dem man die Position des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfassen kann. Eine Kompensation mit höherer Genauigkeit lässt sich erzielen, indem man den Näherungsschalter so anordnet, dass die Position des beweglichen Teils, die der Näherungsschalter erfasst, nahe am Bearbeitungspunkt liegt.
Wird der Näherungsschalter zumindest während des Bearbeitungsvorgangs in einer beliebigen Position innerhalb des Bewegungsbereichs des beweglichen Teils der Werkzeugmaschine angebracht, so kann man die Position während des Bearbeitungsvorgangs erfassen, ohne dass irgendein besonderer Erfassungsvorgang erforderlich ist. Folglich kann man die Position des beweglichen Teils erfassen und kompensieren, ohne dass die Bearbeitungszykluszeit beeinträchtigt wird. Ist der Näherungsschalter während des Bearbeitungsvorgangs innerhalb des Bewegungsbereichs angeordnet, so kann man die Position des beweglichen Teils trotzdem dadurch erfassen, dass man einen besonderen Erfassungsvorgang ausführt. Befindet sich der Ort des Näherungsschalters außerhalb des Bewegungsbereichs für den Bearbeitungsvorgang, so wird der Sondervorgang für die Positionserfassung zeitlich geeignet vorgenommen.
Eine mit dem Näherungsschalter zu erfassende Position wird 'vor dem Beginn der Werkstückbearbeitung' in einem nicht flüchtigen Speicher als Anfangsposition abgelegt. Der genannte Ausdruck 'vor dem Beginn der Werkstückbearbeitung' umfasst beispielsweise 'vor der Auslieferung aus der Fabrik'. Dabei wird die von einem Näherungsschalter erfasste Position als Anfangsposition in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt. Man beachte, dass der Ausdruck 'vor dem Beginn der Werkstückbearbeitung' nicht auf den Zeitpunkt vor der Auslieferung aus der Fabrik eingeschränkt ist. Wahlweise kann es sich um den Zeitpunkt handeln, zu dem die Montageposition des Näherungsschalters abhängig von Feinheiten der Bearbeitung verändert wird, und zwar nach der Auslieferung aus der Fabrik oder jeden Morgen vor der Inbetriebnahme. Ferner kann die Anfangsposition unmittelbar nach dem Beginn der Werkstückbearbeitung gespeichert werden, und nicht zuvor, so dass man den Einfluss der thermischen Verschiebung durch den Betrieb der Werkzeugmaschine vernachlässigen kann.
Falls die Werte der im nicht flüchtigen Speicher abgelegten Anfangsposition und der vom Näherungsschalter erfassten Position größer sind als voreingestellte Grenzwerte, so kann eine Warnung ausgegeben werden, die eine Bedienperson veranlasst, die Anfangsposition neu abzuspeichern, weil festgestellt wird, dass sich die Befestigungsposition des Näherungsschalters verändert (oder verschoben) hat.
Der Positionssensor ist nicht auf einen magnetischen Näherungsschalter eingeschränkt. Wahlweise kann es sich um einen berührungslosen Schalter für die Positionserfassung handeln, beispielsweise einen induktiven Näherungsschalter, einen kapazitiven Näherungsschalter usw., oder um einen Kontaktschalter für die Positionserfassung, beispielsweise einen Grenzschalter, einen Mikroschalter usw.
2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm eines wesentlichen Teils eines numerischen Controllers der Werkzeugmaschine.
Ein Prozessor (CPU) 11 eines numerischen Controllers 10 liest über einen Bus 21 ein Systemprogramm, das in einem ROM 12 gespeichert ist, und kontrolliert den numerischen Controller 10 insgesamt entsprechend dem gelesenen Systemprogramm. Ein RAM 13 wird mit temporären Berechnungsdaten, Anzeigedaten und verschiedenen Daten geladen, die eine Bedienperson über eine LCD/MDI-Einheit 70 eingibt.
Ein SRAM 14 ist ein nicht flüchtiger Speicher, der von einer Batterie (nicht dargestellt) versorgt wird, damit er seinen Speicherstatus auch halten kann, wenn der numerische Controller 10 ausgeschaltet ist. Im SRAM 14 sind diverse Programme gespeichert, beispielsweise ein Programm zum Messen der Anfangsposition, ein Programm für die Kompensation der thermischen Verschiebung der Werkzeugmaschine, ein Bearbeitungsprogramm (wird später beschrieben), das über eine Schnittstelle 15 gelesen wird, und ein Bearbeitungsprogramm, das über die LCD/MDI-Einheit 70 eingegeben wird. Zudem sind im RAM 12 bereits verschiedene Systemprogramme geladen, die der Ausführung der Editiermodusverarbeitung dienen und für das Erzeugen und Editieren des Bearbeitungsprogramms nötig sind, sowie für die Verarbeitung im automatischen Betrieb.
Die Schnittstelle 15 dient dazu, externe Geräte mit dem numerischen Controller 10 zu verbinden, und ist an die externe Vorrichtung 72 angeschlossen, beispielsweise eine äußere Speichervorrichtung. Von der externen Speichervorrichtung werden das Bearbeitungsprogramm, das Messprogramm für den thermischen Versatz usw. gelesen. Ein programmierbarer Maschinencontroller 16 (PMC) kontrolliert Hilfsvorrichtungen oder ähnliche Geräte auf der Werkzeugmaschinenseite mit Hilfe von Folgeprogrammen, die im numerischen Controller 10 installiert sind. Benötigte Signale auf der Hilfsvorrichtungsseite werden mit diesen Folgeprogrammen gemäß der M-, S- und T-Funktionen konvertiert, die durch des Bearbeitungsprogramm angewiesen sind. Die umgesetzten Signale werden über die Eingabe-Ausgabe-Einheit 17 an die Hilfsvorrichtungsseite ausgegeben. Durch diese Ausgangssignale werden die diversen Hilfsvorrichtungen, z. B. Stellglieder, in Gang gesetzt. Werden zudem Signale von den diversen Schaltern einer Steuertafel auf dem Werkzeugmaschinenkörper empfangen, so werden sie wie erforderlich bearbeitet und an den Prozessor 11 geliefert.
Die LCD/MDI-Einheit 70 ist eine manuelle Dateneingabevorrichtung, die eine Anzeige, eine Tastatur usw. umfasst. Bildsignale, die die aktuelle Position einer jeden Achse der Werkzeugmaschine, Alarme, Parameter, Bilddaten usw. darstellen, werden an die LCD/MDI-Einheit 70 geliefert und auf ihrer Anzeige dargestellt. Eine Schnittstelle 18 empfängt Daten von der Tastatur der LCD/MDI-Einheit 70 und liefert sie an den Prozessor 11.
Eine Schnittstelle 19 ist mit einem manuellen Impulsgenerator 71 verbunden. Der manuelle Impulsgenerator 71 ist auf der Steuertafel der Werkzeugmaschine angebracht und wird dazu verwendet, bewegliche Teile der Werkzeugmaschine präzise zu positionieren, indem man die jeweiligen Achsen mit verteilten Impulsen steuert, die von Hand eingegeben werden.
X- und Y-Achsen-Steuerschaltungen 30 und 31 zum Bewegen des Tischs (nicht dargestellt) der Werkzeugmaschine und eine Steuerschaltung 32 für die Z-Achse als Vorschubachse der Werkzeugmaschine empfangen Bewegungsbefehle für die einzelnen Achsen vom Prozessor 11 und geben diese Befehle an die Servoverstärker 40 bis 42 aus. Nach dem Erhalt dieser Befehle steuern die Servoverstärker 40 bis 42 jeweils die Servomotoren 50 bis 52 der einzelnen Achsen der Werkzeugmaschine an. In den Servomotoren 50 bis 52 sind jeweils Geber für die Positionserfassung enthalten. Die Positionssignale dieser Geber werden als Impulsfolgen zurückgeführt.
Eine Wellensteuerschaltung 60 empfängt einen Wellendrehbefehl für die Werkzeugmaschine und gibt ein Wellendrehzahlsignal an einen Wellenverstärker 61 aus. Nach dem Empfang dieses Wellendrehzahlsignals dreht der Wellenverstärker 61 einen Wellenmotor 62 der Werkzeugmaschine mit der befohlenen Drehzahl und treibt dadurch ein Werkzeug an.
Ein Positionsdetektor 63 ist über Zahnräder, einen Riemen oder ein ähnliches Teil mit dem Wellenmotor 62 verbunden. Der Positionsdetektor 63 gibt synchron zur Drehung der Welle Rückführimpulse aus. Der Prozessor 11 liest die Rückführimpulse über eine Schnittstelle 20. Das Bezugszeichen 65 bezeichnet eine Takteinrichtung, die so eingestellt ist, dass sie mit der aktuellen Zeit synchronisiert.

B. Es folgt eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform der Erfindung für die Kompensation der thermischen Verschiebung einer Werkzeugmaschine.

b1) Einstellung von Abschnitten zum Schätzen und Kompensieren der thermischen Versatzgröße von Vorschubachsen.
Zuerst sei das Berechnen und Kompensieren der thermischen Versatzgröße einer Vorschubachse beschrieben. Das hier beschriebene Berechnungs- bzw. Schätzungsverfahren gleicht dem Verfahren, das in der oben beschriebenen veröffentlichten japanischen Patentschrift Nr. 2002-18677 offenbart ist.
Zuerst wird die Gesamtlänge (Hub) einer Vorschubspindel 2, die eine Vorschubachse darstellt, in eine Anzahl Abschnitte unterteilt, siehe 3. Die Gesamtlänge der Vorschubspindel 2 ist gleich dem Abstand von einer Endfläche eines festen Lagers (genauer einer Endfläche des festen Lagers auf der Seite einer Mutter 6, definiert als Bezugsposition 7), das ein Ende der Vorschubspindel trägt, zu einer Endfläche der Mutter 6, die in die Vorschubspindel 2 eingreift und sich entlang der Vorschubspindel 2 bewegt und die Position erreicht hat, die am weitesten von dem festen Lager entfernt ist (genauer einer Endfläche der Mutter 6 gegenüber der Endfläche, die zum festen Lager zeigt). Die Gesamtlänge der Vorschubspindel 2 wird in eine Anzahl Abschnitte unterteilt. Der Abschnitt, der an die Bezugsposition 7 angrenzt, wird als Abschnitt 0 definiert, sein benachbarter Abschnitt wird als Abschnitt 1 definiert, und der am weitesten von der Bezugsposition 7 entfernte Abschnitt wird als Abschnitt X definiert.
Ist die Gesamtlänge der Vorschubspindel 2 in eine endliche Anzahl (X) von Abschnitten unterteilt, so erhält man die Größe der thermischen Verschiebung (thermische Versatzgröße der Vorschubwelle) in der Position X, die durch die thermische Verschiebung der Vorschubachse erzeugt wird, d. h. eine thermische Versatzgröße L_nx der Vorschubwelle im Abschnitt X zum Zeitpunkt n durch das Aufaddieren der thermischen Versatzgrößen der einzelnen Abschnitte von der Bezugsposition 7 zum Abschnitt X gemäß Gleichung (1) wie folgt: L_nx = δ_n0 + δ_n1 + ≅≅≅ + δ_nI + ≅≅≅ + δ_nx. (1)
In Gleichung (1) ist δ_nI die thermische Versatzgröße für den Abschnitt I (= 0, 1, 2, ≅≅≅ X), und L_nx ist die thermische Versatzgröße einer Vorschubwelle für den Abschnitt X zum Zeitpunkt n.
b2) Kompensation der thermischen Verschiebung der Vorschubachse.
Es folgt eine Beschreibung der Kompensation der thermischen Verschiebung. Bei der Kompensation der thermischen Verschiebung wird die im Flussdiagramm nach 4 dargestellte Verarbeitung in jeder vorbestimmten Kurzperiode (z. B. alle 4 Millisekunden) vorgenommen.
Bei dieser Verarbeitung wird die Position der Vorschubachse erfasst und in den Speicher geladen. Nun wird eine ”modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle” für den Abschnitt I entsprechend der erfassten Position der Vorschubachse aus dem Speicher gelesen. Eine Größe, die die dieserart gelesene modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle aufhebt, wird als eine Kompensationsgröße für die thermische Verschiebung angenommen. Im Einzelnen ist die Kompensationsgröße für die thermische Verschiebung gegeben durch (–1 × modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle). Auf diese Weise wird die Kompensationsgröße der thermischen Verschiebung zu einem Positionsbefehl für die Vorschubachse addiert, um eine Kompensation zu erzielen.
Es folgt eine Beschreibung der Schrittfolge der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 4.
[Schritt SA01] Die Position der Vorschubachse wird erfasst und in den Speicher geladen.
[Schritt SA02] Die modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle für den Abschnitt I (= 0, 1, 2, ≅≅≅ X), die zu der im Schritt SA01 erfassten Vorschubachsenposition gehört, wird aus dem Speicher gelesen. Die modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle wird im Folgenden beschrieben.
[Schritt SA03] Die Größe (–1 × L_nI'), die die im Schritt SA02 gelesene modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle aufhebt, wird als Kompensationsgröße für den thermischen Versatz an die Kompensationsvorrichtung geliefert.
[Schritt SA04] Die Kompensationsvorrichtung führt die Kompensationsverarbeitung mit Hilfe der Kompensationsgröße für den thermischen Versatz (–1 × L_nI') für jeden im Schritt SA03 gelieferten Abschnitt aus. Daraufhin endet die Verarbeitung.
b3) Berechnung der thermischen Versatzgröße der Vorschubachse.
Zum Berechnen der thermischen Versatzgröße wird die im Flussdiagramm in 5 dargestellte Verarbeitung für jede vorbestimmte Periode (z. B. in jeder Sekunde) vorgenommen. Es schließt sich eine Beschreibung der Schrittfolge der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 5 an.
[Schritt SB01] Die Position der Vorschubachse in der vergangenen Sekunde, die in der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 4 (Schritt SA01) in einem Speicher abgelegt wurde, wird aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SB02] Eine mittlere Bewegungsgeschwindigkeit für jeden Abschnitt wird aus der Vorschubachsenposition gewonnen, die im Schritt SB01 aus dem Speicher gelesen wurde.
[Schritt SB03] Die thermische Versatzgröße für jeden Abschnitt wird für jeden Abschnitt aus der mittleren Bewegungsgeschwindigkeit des Schritts SB02 bestimmt und in den nicht flüchtigen Speicher geladen.
[Schritt SB04] Eine thermische Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für das Intervall von der Bezugsposition 7 zum Abschnitt I (I = 0, 1, 2, ≅≅≅) wird aus der folgenden Gleichung (1') gewonnen, die eine Umformung der Gleichung (1) darstellt, und in den Speicher geladen: L_nI = δ_n0 + δ_n1 + δ_n2 + ≅≅≅ δ_nI. (1')
Beispielsweise sind die thermischen Versatzgrößen für die Vorschubwelle der Abschnitte 0, 1 und 2 jeweils L_n0 = δ_n0, L_n1 = δ_n0 + δ_n1, L_n2 = δ_n0 + δ_n1 + δ_n2.
[Schritt SB05] Die thermische Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für jeden Abschnitt I (1 = 0, 1, 2, ≅≅≅) und eine vorab geladene Fehlerkompensationsrate E werden aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SB06] Die im Schritt SB05 aus dem Speicher gelesene thermische Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für jeden Abschnitt I (I = 0, 1, 2, ≅≅≅) wird gemäß der folgenden Gleichung (2) modifiziert, und zwar abhängig von der ebenfalls im Schritt SB05 aus dem Speicher gelesenen Fehlerkompensationsrate E. Die modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle wird in den Speicher geladen. Daraufhin endet die Verarbeitung. L_nI' = L_nI × E (2)
b4) Berechnung der Fehlerkompensationsrate E
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zum Berechnen der Fehlerkompensationsrate E. Die Fehlerkompensationsrate E wird berechnet, indem man die im Flussdiagramm in 6 dargestellte Verarbeitung in jeder vorbestimmten Kurzperiode (z. B. alle 4 Millisekunden wie im Fall von 4) vornimmt. Es schließt sich eine Beschreibung der Schrittfolge der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 6 an.
[Schritt SC01] Es wird festgestellt, ob der Positionssensor ein Signal ausgibt. Wird ein Signal ausgegeben, so geht das Programm zum Schritt SC02 über. Wenn nicht, so endet die Verarbeitung.
[Schritt SC02] Wird das Ausgabesignal des Positionssensors empfangen während sich die Vorschubachse bewegt, so wird die tatsächliche Position der Vorschubachse anhand des Signals vom Positionssensor erkannt. Diese tatsächliche Position ist eine Position, die nach dem Kompensieren der thermischen Verschiebung erkannt wird.
[Schritt SC03] Ein Fehler ε in der vorab gespeicherten Anfangsposition wird aus der Differenz zwischen der Anfangsposition und der im Schritt SC02 tatsächlich erfassten Position gewonnen. Dieser Fehler ε ist die Differenz zwischen der vorab gespeicherten Anfangsposition und der während des Bearbeitungsvorgangs erfassten Position nach vorgenommener Kompensation des thermischen Versatzes, d. h. es ist ein Kompensationsfehler.
[Schritt SC04] Eine modifizierte thermische Versatzgröße L_nS' der Vorschubwelle für den Abschnitt (es sei der Abschnitt S), der die Anfangsposition abdeckt, wird aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SC06] Die Fehlerkompensationsrate E wird aus dem nicht flüchtigen Speicher gelesen.
[Schritt SC06] Eine modifizierte Fehlerkompensationsrate E' erhält man gemäß der folgenden Gleichung (3) aus der im Schritt SC04 gelesenen modifizierten thermischen Versatzgröße L_nS' der Vorschubwelle für den Abschnitt (es sei der Abschnitt S), der die Anfangsposition abdeckt, dem im Schritt SC03 bestimmten Kompensationsfehler ε und der im Schritt SC05 gelesenen Fehlerkompensationsrate E: E' = E × (1 + ε/L_nS'). (3)
[Schritt SC07] Die im Schritt SC06 erhaltene modifizierte Fehlerkompensationsrate E' wird als neue Fehlerkompensationsrate E in den nicht flüchtigen Speicher geladen. Daraufhin endet die Verarbeitung.
In der im Flussdiagramm nach 6 dargestellten Verarbeitung wird die Fehlerkompensationsrate E fortlaufend aktualisiert, und zwar abhängig von den tatsächlichen Positionen, die der Näherungsschalter erfasst, der als Positionssensor verwendet wird. Anders ausgedrückt wird die Fehlerkompensationsrate E im Schritt SC06 im Flussdiagramm nach 6 fortgesetzt aktualisiert, und zwar mit Hilfe der Differenz ε zwischen der Anfangsposition und den tatsächlichen Positionen. Damit lässt sich eine hochpräzise Kompensation auch solcher thermischer Verschiebungen erzielen, die nicht vom Maschinenbetrieb abhängen, beispielsweise ständige Änderungen der Umgebungstemperaturen.
Wird die Werkzeugmaschine nach dem Stilllegen erneut eingeschaltet, so ist die Fehlerkompensationsrate E im nicht flüchtigen Speicher hinterlegt. Damit kann man die Kompensation mit dem Wert der Fehlerkompensationsrate E wieder aufnehmen, die zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Abschalten der Werkzeugmaschine gespeichert wurde. Hierdurch kann man die Fehlerkompensationsrate E verwenden, die abhängig von der Umgebung modifiziert wurde, in der die Werkzeugmaschine eingebaut ist, und nicht die Fehlerkompensationsrate E, die beim Versenden aus der Fabrik eingestellt wurde. Die Fehlerkompensationsrate E wird beim Versenden aus der Fabrik mit 1,0 initialisiert und im Speicher abgelegt.

C. Es folgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zum Kompensieren des thermischen Versatzes einer Werkzeugmaschine.

c1) Einstellen der Abschnitte zum Schätzen und Kompensieren der thermischen Versatzgröße von Vorschubachsen.
Da diese Verarbeitung in der gleichen Weise erfolgt wie ”b1) Einstellung von Abschnitten zum Schätzen und Kompensieren der thermischen Versatzgröße von Vorschubachsen” in der ersten Ausführungsform wird auf eine Beschreibung verzichtet.
c2) Kompensation der thermischen Verschiebung der Vorschubachse.
Da diese Verarbeitung in der gleichen Weise erfolgt wie ”b2) Kompensation der thermischen Verschiebung der Vorschubachse” in der ersten Ausführungsform wird auf eine Beschreibung verzichtet.
c3) Berechnung der thermischen Versatzgröße der Vorschubachse.
Zum Berechnen der thermischen Versatzgröße der Vorschubachse wird die im Flussdiagramm in 7 dargestellte Verarbeitung für jede vorbestimmte Periode (z. B. in jeder Sekunde) vorgenommen. Es schließt sich eine Beschreibung der Schrittfolge der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 7 an.
[Schritt SD01] Die Position der Vorschubachse in der vergangenen Sekunde, die in der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 4 (Schritt SA01) in einem Speicher abgelegt wurde, wird aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SD02] Eine mittlere Bewegungsgeschwindigkeit für jeden Abschnitt wird aus der Vorschubachsenposition gewonnen, die im Schritt SD01 aus dem Speicher gelesen wurde.
[Schritt SD03] Die thermische Versatzgröße für jeden Abschnitt wird für jeden Abschnitt aus der mittleren Bewegungsgeschwindigkeit des Schritts SD02 bestimmt und in den nicht flüchtigen Speicher geladen.
[Schritt SD04] Eine thermische Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für das Intervall von der Bezugsposition 7 zum Abschnitt I (I = 0, 1, 2, ≅≅≅) wird durch Aufaddieren der thermischen Versatzgrößen der einzelnen Abschnitte I mit Hilfe von Gleichung (1') ermittelt und im Speicher abgelegt. Beispielsweise sind die thermischen Versatzgrößen für die Abschnitte 0, 1 und 2 der Vorschubwelle jeweils L_n0 = δ_n0, L_n1 = δ_n0 + δ_n1, L_n2 = δ_n0 + δ_n1 + δ_n2.
[Schritt SD05] Ein Verhältnis D_nI (= L_nI/L_ns) (im Weiteren als Verteilung der thermischen Versatzgrößen der Vorschubwelle bezeichnet) der thermischen Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für den Abschnitt I zu einer thermischen Versatzgröße L_nS der Vorschubwelle für den Abschnitt S, der eine Anfangsposition abdeckt, wird berechnet und in den Speicher geladen.
[Schritt SD06] Die thermische Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für den Abschnitt I (I = 0, 1, 2, ≅≅≅) die Verteilung der thermischen Versatzgröße D_nI der Vorschubwelle und ein Kompensationsfehler ε werden aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SD07] Eine modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle wird durch das Addieren einer Fehlerkompensationsgröße (D_nI × ε) zu der thermischen Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle für den Abschnitt I (I = 0, 1, 2, ≅≅≅) erhalten und im Speicher abgelegt. Im Einzelnen erhält man die modifizierte thermische Versatzgröße L_nI' der Vorschubwelle für den Abschnitt I aus der folgenden Gleichung (4) abhängig von der thermischen Versatzgröße L_nI der Vorschubwelle, der Verteilung der thermischen Versatzgröße D_nI der Vorschubwelle und dem Kompensationsfehler ε, die im Schritt SD06 gelesen wurden. Die modifizierte thermische Versatzgröße wird in den Speicher geladen, woraufhin die Verarbeitung endet: L_nI' = L_nI + (D_nI × ε). (4)
c4) Berechnung des Kompensationsfehlers ε
Der Kompensationsfehler ε wird berechnet, indem man die im Flussdiagramm in 8 dargestellte Verarbeitung in jeder vorbestimmten Periode (z. B. alle 4 Millisekunden wie im Fall von 4) vornimmt. Es schließt sich eine Beschreibung der Schrittfolge der Verarbeitung gemäß dem Flussdiagramm in 8 an.
[Schritt SE01] Es wird festgestellt, ob ein Positionssensor ein Signal ausgibt. Wird ein Signal ausgegeben, so geht das Programm zum Schritt SE02 über. Wenn nicht, so endet die Verarbeitung.
[Schritt SE02] Wird das Ausgabesignal des Positionssensors empfangen, während sich die Vorschubachse bewegt, so wird die tatsächliche Position anhand des Signals vom Positionssensor erkannt. Diese tatsächliche Position ist eine Position, die nach dem Kompensieren der thermischen Verschiebung erkannt wird.
[Schritt SE03] Ein Fehler ε in der vorab gespeicherten Anfangsposition wird aus der Differenz zwischen der Anfangsposition und der im Schritt SE02 tatsächlich erfassten Position gewonnen. Dieser Fehler ε ist die Differenz zwischen der vorab gespeicherten Anfangsposition und der Position, die nach vorgenommener Kompensation des thermischen Versatzes während des Bearbeitungsvorgangs erfasst wird, d. h. es ist ein Kompensationsfehler.
[Schritt SE04] Die thermische Versatzgröße L_nS der Vorschubwelle und die modifizierte thermische Versatzgröße L_nS' der Vorschubwelle für den Abschnitt (es sei der Abschnitt S), der die Anfangsposition abdeckt, werden aus dem Speicher gelesen.
[Schritt SE05] Einen modifizierten Kompensationsfehler ε' erhält man gemäß der folgenden Gleichung (5) aus der thermischen Versatzgröße L_nS der Vorschubwelle und aus der im Schritt SE04 gelesenen modifizierten thermischen Versatzgröße L_nS' der Vorschubwelle für den Abschnitt (es sei der Abschnitt S), der die Anfangsposition abdeckt, und dem im Schritt SE03 bestimmten Kompensationsfehler ε: ε' = ε + (L_nS' – L_nS). (5)
[Schritt SE06] Der im Schritt SE05 erhaltene modifizierte Kompensationsfehler ε' wird als neuer Kompensationsfehler ε in den nicht flüchtigen Speicher geladen. Daraufhin endet die Verarbeitung.

D. Es folgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform der Erfindung für die Kompensation der thermischen Verschiebung einer Werkzeugmaschine.

In der beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle durch Unterteilen der Gesamtlänge der Vorschubachse in eine Anzahl Abschnitte und das Bestimmen der thermischen Versatzgröße für jeden Abschnitt berechnet.
Die Erfindung ist nicht auf die Verfahren eingeschränkt, die im Zusammenhang mit der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben sind. Sie ist auch auf ein Verfahren anwendbar, bei dem die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle erhalten wird, ohne eine Vorschubachse in Abschnitte zu unterteilen, wie dies in der dritten Ausführungsform geschieht. In der dritten Ausführungsform wird wie in der ersten und zweiten Ausführungsform ein Kompensationsfehler in einer vorab gespeicherten Anfangsposition aus der Differenz zwischen der Anfangsposition und einer tatsächlichen Position gewonnen.
Beim Bestimmen einer Fehlerkompensationsrate wie im Zusammenhang mit ''b4) Berechnung der Fehlerkompensationsrate E'' in der ersten Ausführungsform beschrieben gewinnt man eine modifizierte Fehlerkompensationsrate aus einer modifizierten thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Anfangsposition, dem Kompensationsfehler und der Fehlerkompensationsrate. Sie wird als neue Fehlerkompensationsrate E in einen nicht flüchtigen Speicher geladen. Beim Berechnen des Kompensationsfehlers wie in Verbindung mit ''c4) Berechnung des Kompensationsfehlers ε'' in der zweiten Ausführungsform beschrieben erhält man einen modifizierten Kompensationsfehler aus der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes in der Anfangsposition, der modifizierten Kompensationsgröße der thermischen Verschiebung und dem Kompensationsfehler. Er wird als neuer Kompensationsfehler ε in den nicht flüchtigen Speicher geladen.
Die Berechnung der thermischen Versatzgröße kann abhängig von irgendeiner oder von mehreren der folgenden Bedingungen, zu denen die Motordrehzahl, die Motortemperatur, die Motorlast, der Wert des Motorstroms, die Leistungsaufnahme des Motors und die vom Motor erzeugte Energie gehören, anstelle der mittleren Bewegungsgeschwindigkeit der Vorschubachse vorgenommen werden. Ferner kann die Berechnung anhand von Temperaturdaten erfolgen, die von einem am Ort eingebauten Temperatursensor stammen.
Zudem kann ein Mittel vorhanden sein, das dem Aktivieren oder Deaktivieren der Modifikation der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes dient. Beispielsweise wird ein Wert gelesen, der mit Hilfe eines Bildschirms eingestellt wird, oder ein Wert eines Signals wird von einer Steuertafel oder von externen Schaltern gelesen, um festzustellen, ob der gelesene Wert dazu dient, die Modifikation der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes zu aktivieren. Wird festgestellt, dass der Wert dazu dient, die Modifikation zu aktivieren, so erfolgt die Verarbeitung wie in den obigen Ausführungsformen. Wird festgestellt, dass der Wert nicht dazu dient, die Modifikation zu aktivieren, so braucht man nur die Fehlerkompensationsrate auf 1,0 zu setzen. Nicht vorzunehmen braucht man das Erfassen der tatsächlichen Position, die Berechnung des Kompensationsfehlers ε oder das Modifizieren der Fehlerkompensationsrate E, und zwar auch dann nicht, wenn ein Ausgabesignal von einem Positionssensor empfangen wird. Ist der Kompensationsfehler ε zu berechnen, so braucht man nur den Kompensationsfehler ε auf null zu setzen, ohne die Berechnung und Modifikation des Kompensationsfehlers ε oder das Erfassen der tatsächlichen Position vorzunehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2002-18677 [0004, 0006, 0007, 0008, 0050]
JP 2010-82724 [0005]
JP 2007-21721 [0006]
JP 2002-144192 [0007]
JP 2002-21721 [0008]
JP 10-138091 [0008]

Claims

Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine, bei dem ein Positionsbefehl für eine Vorschubachse dadurch kompensiert wird, dass man eine thermische Versatzgröße für eine Vorschubwelle gewinnt und als Kompensationsgröße für den thermischen Versatz eine Größe zu dem Positionsbefehl für die Vorschubachse addiert, die die gewonnene thermische Versatzgröße der Vorschubwelle aufhebt, wobei das Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz umfasst: das Anbringen eines Positionssensors in einer erfassbaren Position, in der die Position eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfasst werden kann, damit der Positionssensor ein Signal ausgibt, wenn das bewegliche Teil die detektierbare Position erreicht, und anschließend das Speichern einer Position vorab, in der der Positionssensor das Signal erstmalig ausgibt, als Anfangsposition; das Erfassen der Position als tatsächliche Position, in der der Positionssensor das Signal ausgibt; das Berechnen der Differenz zwischen der gespeicherten Anfangsposition und der erfassten tatsächlichen Position als Kompensationsfehler in der Anfangsposition; und das Modifizieren der Kompensationsgröße für den thermischen Versatz entsprechend zu dem berechneten Kompensationsfehler.
Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei die Anfangsposition vor dem Beginn der Bearbeitung vorab gespeichert wird.
Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei das Modifizieren der Kompensationsgröße für den thermischen Versatz dadurch vorgenommen wird, dass man eine Fehlerkompensationsrate aus dem Verhältnis des Kompensationsfehlers zur Kompensationsgröße des thermischen Versatzes in der Anfangsposition gewinnt und anschließend die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem man die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle mit der erhaltenen Fehlerkompensationsrate multipliziert.
Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei die Kompensation des thermischen Versatzes dadurch erfolgt, dass man eine thermische Versatzgröße der Vorschubwelle abhängig von der Position der Vorschubachse gewinnt, und das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes dadurch vorgenommen wird, dass man eine Fehlerkompensationsgröße aus dem Kompensationsfehler und dem Verhältnis der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Position der Vorschubachse zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Anfangsposition erhält und daraufhin die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem man die erhaltene Fehlerkompensationsgröße zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle addiert.
Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei die Kompensation der thermischen Versatzgröße dadurch ausgeführt wird, dass man die Vorschubachse in eine Anzahl Abschnitte unterteilt und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle für jeden Abschnitt gewinnt, und das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes entsprechend zum Kompensationsfehler und der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes für denjenigen Abschnitt erfolgt, der die Anfangsposition abdeckt, oder abhängig von den thermischen Versatzgrößen der Vorschubwelle individuell für diejenigen Abschnitte, die die Anfangsposition und die Position der Vorschubachse abdecken.
Kompensationsverfahren für den thermischen Versatz in einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, wobei der Positionssensor in einer Position angeordnet wird, die es dem Positionssensor erlaubt, die Position des beweglichen Teils innerhalb eines Bewegungsbereichs des beweglichen Teils gestützt auf ein Bearbeitungsprogramm zu erfassen, und das Modifizieren der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes erfolgt, während das Bearbeitungsprogramm ausgeführt wird.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine, umfassend: eine Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle, die eine thermische Versatzgröße der Vorschubwelle berechnet; eine Berechnungsvorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes, die als Kompensationsgröße des thermischen Versatzes eine Größe berechnet, die die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle aufhebt, die die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle berechnet; und eine Kompensationsvorrichtung, die die Kompensation vornimmt, indem sie die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes zu einem Positionsbefehl für eine Vorschubachse addiert, und die Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz zudem umfasst: eine Positionserfassungsvorrichtung, die in einer Position angeordnet wird, in der die Position eines beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfasst werden kann, und die einen Positionssensor umfasst, der dafür konfiguriert ist, ein Signal auszugeben, wenn das bewegliche Teil die erfassbare Position erreicht; eine Anfangspositions-Speichervorrichtung, die vorab eine Position als Anfangsposition speichert, in der die Positionserfassungsvorrichtung das Signal erstmalig ausgibt; eine Erfassungsvorrichtung für die tatsächliche Position, die als tatsächliche Position die Position erfasst, in der die Positionserfassungsvorrichtung das Signal ausgibt; eine Kompensationsfehler-Berechnungsvorrichtung, die als Kompensationsfehler die Differenz zwischen der Anfangsposition berechnet, die in der Anfangspositions-Speichervorrichtung gespeichert ist, und der tatsächlichen Position, die die Erfassungsvorrichtung für die tatsächliche Position erfasst; und eine Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes, die die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes abhängig vom Kompensationsfehler abwandelt.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, wobei die Speichervorrichtung für die Anfangsposition die Anfangsposition vor dem Beginn der Bearbeitung vorab speichert.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, wobei die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes eine Fehlerkompensationsrate aus dem Verhältnis des Kompensationsfehlers zur Kompensationsgröße des thermischen Versatzes in der Anfangsposition gewinnt und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem sie die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle mit der erhaltenen Fehlerkompensationsrate multipliziert.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, wobei die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle eine thermische Versatzgröße der Vorschubwelle abhängig von der Position der Vorschubachse berechnet, und die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes eine Fehlerkompensationsgröße aus dem Kompensationsfehler und dem Verhältnis der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Position der Vorschubachse zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle in der Anfangsposition gewinnt, und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle vergrößert oder verkleinert, indem sie die erhaltene Fehlerkompensationsgröße zu der thermischen Versatzgröße der Vorschubwelle addiert.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, wobei die Berechnungsvorrichtung für die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle dadurch berechnet, dass sie die Vorschubachse in eine Anzahl Abschnitte unterteilt und die thermische Versatzgröße der Vorschubwelle für jeden Abschnitt gewinnt, und die Modifiziervorrichtung für die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes entsprechend zum Kompensationsfehler und der Kompensationsgröße des thermischen Versatzes für denjenigen Abschnitt modifiziert, der die Anfangsposition abdeckt, oder abhängig von den thermischen Versatzgrößen der Vorschubwelle individuell für diejenigen Abschnitte, die die Anfangsposition und die Position der Vorschubachse abdecken.
Kompensationsvorrichtung für den thermischen Versatz einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, wobei die Positionserfassungsvorrichtung in einer Position angeordnet wird, die es der Positionserfassungsvorrichtung erlaubt, die Position des beweglichen Teils innerhalb eines Bewegungsbereichs des beweglichen Teils gestützt auf ein Bearbeitungsprogramm zu erfassen, und die Modifiziervorrichtung der Kompensationsgröße für den thermischen Versatz die Kompensationsgröße des thermischen Versatzes modifiziert, während das Bearbeitungsprogramm ausgeführt wird.