DE102012202158A1

DE102012202158A1 - Bearbeitungsmaschine und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE102012202158A1
Application number: DE201210202158
Authority: DE
Inventors: Marc Müller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine (1) und ein Verfahren zu deren Steuerung zur Bearbeitung eines entlang einer Bearbeitungsachse (9) eingespannten Werkstücks (8) mittels eines in einem Koordinatensystem zweier zueinander senkrecht stehender Maschinenachsen (6, 7) verlagerten Bearbeitungsmittels (2) und einem dieses mittels aus Achswerten der Maschinenachsen (6, 7) gebildeten Steuerdaten steuernden Steuergerät (3). Um die Formtreue der hergestellten Werkstücke (8) bei vertretbaren Kosten verbessern zu können, sind beide Maschinenachsen (6, 7) gegenüber der Bearbeitungsachse (9) um einen vorgegebenen Winkel (α) verkippt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine und ein Verfahren zu deren Steuerung zur Bearbeitung eines entlang einer Bearbeitungsachse eingespannten Werkstücks mittels einer in einem Koordinatensystem zweier zueinander senkrecht stehender Maschinenachsen verlagerten Bearbeitungsmittels und einem dieses mittels aus Achswerten der Maschinenachsen gebildeten Steuerdaten steuernden Steuergeräts.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Bearbeitungsmaschinen sind beispielsweise spanabhebende Werkzeugmaschinen wie Dreh- oder Fräsmaschinen, Schleif- und Poliermaschinen und dergleichen. Beispielsweise ist eine Bearbeitungsmaschine in Form einer Werkzeugmaschine aus der DE 10 2009 025 009 A1 bekannt. Zur Durchführung der entsprechenden Bearbeitung eines Werkstücks wird dieses entlang einer Bearbeitungsachse aufgespannt. Unter Bearbeitungsachse ist hierbei die Achse einer Relativbewegung von Bearbeitungsmittel und Werkstück zu verstehen, wobei beispielsweise bei einem Drehvorgang das Werkzeug entlang einer Bearbeitungsachse verlagert wird und das Bearbeitungsmittel entlang der Bearbeitungsachse feststeht oder bei einem Fräsvorgang das Werkzeug entlang der Bearbeitungsachse fest eingespannt ist und das Bearbeitungsmittel entlang der Bearbeitungsachse verlagert wird. Zusätzlich wird das Bearbeitungsmittel senkrecht zur Bearbeitungsachse verlagert. Die Bearbeitung erfolgt mittels Bearbeitungsmitteln wie Drehmeißel, Fräser, Schleifstein und dergleichen, das mittels entsprechender Manipulatoren in einem Koordinatensystem zweier senkrecht zueinander stehender Koordinatenachsen, beispielsweise entlang einer Vorschubachse und einer Zustellachse zweidimensional verlagert wird, indem ein Steuergerät entsprechende Steuerdaten für die beiden Maschinenachsen ausgibt. Hierbei fällt die Vorschubachse mit der Bearbeitungsachse zusammen, so dass beispielsweise bei konstantem Achswert für die Zustellachse in einer Drehmaschine ein Längsdrehvorgang mit einer Ausbildung eines zylindrischen Werkstücks resultiert. Hierbei legt das Bearbeitungsmittel in Vorschubrichtung einen großen und in Zustellrichtung keinen Weg zurück.
Hierbei sind sehr hohe Genauigkeitsanforderungen an die Abweichung der Vorschubachse von der Bearbeitungsachse und eine hohe Wegauflösung und Führungen der Zustellachse zu stellen, um einerseits die Formtreue längs der Bearbeitungsachse und andererseits Stick-Slip-Effekte zu verhindern.
Werden beispielsweise Gewindetriebe zur Verstellung der Achsen verwendet, kann infolge eines Gewindespiels die Formtreue der Oberfläche, insbesondere bei gekrümmten Oberflächen, welche zumindest eine Quadrantengrenze des Koordinatensystems der Bearbeitungsachse übergreifen, also beispielsweise linsen- oder tonnenförmigen Oberflächen bei einer Richtungsumkehr der Zustellachse der Werkstücke negativ beeinflusst werden. Dieser Formfehler tritt beispielsweise bei Wälzkörpern und dergleichen in einem Bereich hoher Formtreueanforderungen auf. Bei linearen Antrieben zur Verlagerung der Achsen tritt bei kleinen und/oder langsamen Bewegungen der Beträge oder bei Nullbewegung einer der Bearbeitungsachsen, insbesondere an der Zustellachse ein Zittern auf, das die Oberflächenqualität der Werkstücke negativ beeinflusst. Eine Erhöhung der Genauigkeit der Antriebe für die Achsen der Bearbeitungsmaschine erhöht deren Fertigungskosten übermäßig.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Bearbeitungsmaschine und ein Verfahren zu deren Steuerung vorzuschlagen, die die Qualität der Bearbeitung der Werkstücke bei vertretbarer Kostenerhöhung ermöglicht.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch eine Bearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines entlang einer Bearbeitungsachse eingespannten Werkstücks mittels eines in einem Koordinatensystem zweier zueinander senkrecht stehender Maschinenachsen verlagerten Bearbeitungsmittels und einem dieses mittels aus Achswerten der Maschinenachsen gebildeten Steuerdaten steuernden Steuergerät gelöst, wobei beide Maschinenachsen gegenüber der Bearbeitungsachse um einen vorgegebenen Winkel verkippt sind. Dies bedeutet, dass die ursprünglich koaxial oder achsparallel zur Bearbeitungsachse angeordnete Maschinenachse wie Vorschubachse gegenüber der Bearbeitungsachse um einen vorgebbaren Winkel verkippt angeordnet wird.
Hierbei bleiben die Maschinenachsen für sich rechtwinklig zueinander angeordnet. Die sich daraus ergebende Transformation der Achsdaten erfolgt, um eine Bewegung des Bearbeitungsmittels entsprechend einer koaxialen oder achsparallelem Anordnung einer Maschinenachse zur Bearbeitungsachse zu erzielen, durch Interpolation der ursprünglichen Achswerte unter Berücksichtigung des vorgegebenen Winkels in dem Steuergerät. Hierdurch resultieren bei einer Verlagerung des Bearbeitungsmittels größere und/oder schnellere Änderungen der Beträge beider Maschinenachsen, beispielsweise bei einem Winkel von α = 45° vergleichsweise ähnliche Beträge der Achswerte, so dass Stick-Slip-Effekte einer wenig verlagerten Maschinenachse, beispielsweise einer Zustellachse bei der Herstellung eines zylindrischen, tonnenförmigen oder ähnlichen Werkstücks vermieden oder zumindest verringert werden. Die Hauptbearbeitungsrichtungen eines Werkstücks werden dabei nicht von einer in der Bearbeitungsmaschine vorzuhaltenden, kostenintensiven Genauigkeit einer koaxialen oder achsparallelen Anordnung einer Maschinenachse zur Bearbeitungsachse vorgegeben. Vielmehr entstehen die Hauptbearbeitungsebenen durch die Überlagerung der Bewegungen der Maschinenachsen.
Durch einen entsprechend vorgegebenen Winkel zwischen Bearbeitungsachse und einer Maschinenachse können Umkehrpunkte, an denen sich die Richtung des Bearbeitungsmittels in einer oder beiden Maschinenachsen ändert und welche daher sehr große Toleranzabweichungen bedingen, so gelegt werden, dass sie einen geringeren oder gar keinen Einfluss auf die spätere Qualität des Werkstücks haben. Vielmehr können die Umkehrpunkte an Positionen des Werkstücks vorgesehen werden, die eine geringere Formtreue erfordern als Positionen mit höherer Formtreue, beispielsweise wälzbelastete Funktionsflächen und dergleichen.
Hierbei können Bearbeitungsmaschinen vorgesehen werden, an denen stets dieselben oder ähnliche Werkstücke bearbeitet werden, so dass ein fester Winkel zwischen Bearbeitungsachse und einer Maschinenachse vorgesehen werden kann. Alternativ kann eine Bearbeitungsmaschine vorgesehen werden, deren Winkel zwischen Bearbeitungsachse und einer Maschinenachse einstellbar ist. Insbesondere kann vorteilhaft sein, den Winkel mittels eines Aktors einzustellen, der von dem Steuergerät gesteuert wird. Hier kann beispielsweise in Spezialfällen der Winkel während der Bearbeitung eines Werkstücks geändert werden, so dass eine Lage der Umlenkpunkte der die Maschinenachsen des Bearbeitungsmittels einstellenden Mittel wie lineare Antriebe, beispielsweise Gewindetrieb, Linearantrieb und dergleichen noch vielfältiger ausgelegt werden kann.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Steuerung der vorgeschlagenen Bearbeitungsmaschine gelöst, wobei abhängig von einem vorgegebenen Winkel zwischen der Bearbeitungsachse und einer der Maschinenachsen Achsdaten zur Steuerung des Bearbeitungsmittels von einem um die Bearbeitungsachse aufgespannten kartesischen Koordinatensystem auf ein um die Vorschubachse aufgespanntes kartesisches Koordinatensystem transformiert werden. Hierbei kann der Winkel derart vorgegeben werden, dass eine Richtungsumkehr der Achswerte einer der Maschinenachsen in einen Bereich des Werkstücks mit gegenüber hohem Formtreueanspruch vermindertem Formtreueanspruch fällt. Weiterhin kann der Winkel so gewählt werden, dass über einen Bearbeitungsweg des Werkstücks entlang der Bearbeitungsachse die Achsantriebe der Maschinenachsen ähnliche Wege zurücklegen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische dargestellte Bearbeitungsmaschine,
2 ein mit einer herkömmlichen Bearbeitungsmaschine hergestelltes Werkstück
und
3 ein mit der Bearbeitungsmaschine der 1 hergestelltes Werkstück.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt schematisch die Bearbeitungsmaschine 1 mit dem Bearbeitungsmittel 2, beispielsweiseweise einem Fräser, Drehmeißel oder dergleichen, und den von dem Steuergerät 3 mit mittels entsprechender Achswerte gesteuerten Antriebe 4, 5 wie Linearantriebe, Gewindeantriebe und dergleichen, welche das Bearbeitungsmittel 2 in Richtung der rechtwinklig zueinander angeordneten Maschinenachsen 6, 7 verlagern. Das Bearbeitungsmittel 2 bearbeitet das Werkstück 8 an dessen Oberfläche, beispielsweise spanabhebend. Das Werkstück 8 ist entlang der Bearbeitungsachse 9 eingespannt oder in ähnlicher Weise fest angeordnet. Die Maschinenachse 6 ist dabei gegenüber der Bearbeitungsachse 9 um den Winkel α verkippt, so dass die Antriebe 4, 5 über den Bearbeitungsweg entlang der Bearbeitungsachse 9 bei Einarbeitung einer zylindrischen, konischen oder tonnenförmigen Kontur in die Oberfläche des Werkstücks 8 mit ähnlichen Achswerten betrieben werden können.
2 zeigt das mittels einer herkömmlichen Bearbeitungsmaschine hergestellte Werkstück 8‘ im Schnitt. Die herkömmliche Bearbeitungsmaschine weist senkrecht zueinander angeordnete Maschinenachsen auf, von denen eine koaxial oder achsparallel zu der Bearbeitungsachse 9‘ angeordnet ist. Hierdurch legt der entlang der Bearbeitungsachse 9‘ linear wirksame Antrieb den Bearbeitungsweg x entlang des Werkstücks 8‘ zurück. Der Antrieb senkrecht zur Bearbeitungsachse 9‘ legt den hierzu geringen Bearbeitungsweg y zurück. Zudem ist die Oberfläche 10‘ des Werkstücks 8‘ tonnenförmig ausgebildet, so dass der senkrecht zur Bearbeitungsachse 9‘ wirksame Linearaktor zuerst bis zum Maximum M auf Zug beansprucht ist. Am Maximum M tritt zudem eine Richtungsumkehr des linear wirksamen Aktors auf, der infolge des Umkehrspiels und dem Wechsel von Zug auf Schub zu Stick-Slip-Effekten und Wegungenauigkeiten führen kann, die nachfolgend zu der hier überzeichnet dargestellten Kante 11 führen.
Das Werkstück 8 der 3 ist mit der Bearbeitungsmaschine 1 der 1 hergestellt. Durch die um den Winkel α gegenüber der Bearbeitungsachse 9 gekippte Maschinenachse 6 und die senkrecht zu dieser angeordnete Maschinenachse 7 wird der Umkehrpunkt des linear wirksamen Antriebs 4 in die Kante 12 verlegt, die bezüglich der Formtreue der Oberfläche 10 von untergeordneter Bedeutung ist. Über den gesamten Bearbeitungsweg x tritt mit der Bearbeitungsmaschine 1 an keinem der linear wirksamen Antriebe 4, 5 eine Richtungsumkehr auf, so dass eine qualitativ hochwertige Oberfläche 10 dargestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsmaschine
2: Bearbeitungsmittel
3: Steuergerät
4: Antrieb
5: Antrieb
6: Maschinenachse
7: Maschinenachse
8: Werkstück
8‘: Werkstück
9: Bearbeitungsachse
9‘: Bearbeitungsachse
10: Oberfläche
10‘: Oberfläche
11: Kante
12: Kante
M: Maximum
x: Bearbeitungsweg
y: Bearbeitungsweg
α: Winkel

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

DE 102009025009 A1 [0002]

Claims

Bearbeitungsmaschine (1) zur Bearbeitung eines entlang einer Bearbeitungsachse (9) eingespannten Werkstücks (8) mittels eines in einem Koordinatensystem zweier zueinander senkrecht stehender Maschinenachsen (6, 7) verlagerten Bearbeitungsmittels (2) und einem dieses mittels aus Achswerten der Maschinenachsen (6, 7) gebildeten Steuerdaten steuernden Steuergerät (3), dadurch gekennzeichnet, dass beide Maschinenachsen (6, 7) gegenüber der Bearbeitungsachse (9) um einen vorgegebenen Winkel (α) verkippt sind.
Bearbeitungsmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlagerung des Bearbeitungsmittels (2) entlang der Bearbeitungsachse (9) mittels einer Änderung beider Achswerte einstellbar ist.
Bearbeitungsmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlagerung des Bearbeitungsmittels (2) senkrecht zur Bearbeitungsachse (9) mittels einer Änderung beider Achswerte einstellbar ist.
Bearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) abhängig von einer zu erstellenden Oberfläche (10) des Werkstücks (8) einstellbar ist.
Bearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsmittel (2) entlang zumindest einer Maschinenachse (6, 7) mittels eines Gewindetriebs verlagert wird.
Bearbeitungsmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsmittel (2) entlang zumindest einer Maschinenachse (6, 7) mittels eines entlang der Achse wirksamen Antriebs (4, 5) verlagert wird.
Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einem vorgegebenen Winkel (α) zwischen der Bearbeitungsachse (9) und einer der Maschinenachsen (6, 7) Achsdaten zur Steuerung des Bearbeitungsmittels (2) von einem um die Bearbeitungsachse (9) aufgespannten kartesischen Koordinatensystem auf ein um eine Maschinenachse (6) aufgespanntes kartesisches Koordinatensystem transformiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) derart vorgegeben wird, dass eine Richtungsumkehr zumindest eines Achswerts in einen Bereich des Werkstücks (8) mit gegenüber hohem Formtreueanspruch vermindertem Formtreueanspruch fällt.