DE102012223806B4

DE102012223806B4 - Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks und zugehöriges Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102012223806B4
Application number: DE102012223806.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Krutzke; Nico Zimmert
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: DE102012223806A1; CN104871101B; WO2014095439A2; CN104871101A; WO2014095439A3

Abstract

Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1), insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, wobei die Werkstückaufnahme (3) zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben (7) wird, mit den folgenden Verfahrensschritten :
a. Festlegen von werkstückmassenunabhängigen Anfangs-Regelparametern zur Regelung des elektromotorischen Antriebs (7);
b. Durchführen einer der Soll-Werkstückbewegungen basierend auf den Regelparametern;
c. Ermitteln eines Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
d. Anpassen der Regelparameter an den Näherungswert der Werkstückmasse; und
e. wiederholtes Durchführen der Verfahrensschritte b. bis d., bis die Bewegungsabfolge beendet ist, wobei das Ermitteln des Näherungswertes gemäß Verfahrensschritt c. folgende Schritte umfasst:
i. Erstellen eines dynamischen Modells des durch das Werkstück (2), die Werkstückaufnahme (3) und den elektromotorischen Antrieb (7) gebildeten Antriebsstrangs;
ii. Festlegen eines Anfangs-Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
iii. Simulieren der Soll-Werkstückbewegung gemäß Verfahrensschritt b. anhand des Modells basierend auf dem Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse;
iv. Ermitteln eines simulierten Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7) basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung;
v. Ermitteln einer Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit einem in Verfahrensschritt b. erfassten Ist-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7);
vi. Berechnen eines neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Erregerstrom-Abweichung mittels einer Kalman-Filterung und/oder mittels einer Luenberger-Beobachtung;
vii. Wiederholtes Durchführen der Schritte iii. bis vi., bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme eingespannten Werkstücks mittels einer Werkzeugmaschine, insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, wobei die Werkstückaufnahme zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben wird, sowie auch ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 2 209 053 A2 bekannt.
Bei der materialabtragenden Bearbeitung von beweglich gelagerten Werkstücken wird das dynamische Verhalten der Bearbeitungsmaschine, insbesondere das dynamische Verhalten der bewegten und elektromotorisch angetriebenen Werkstückaufnahme, durch die Massenträgheit und/oder das Massenträgheitsmoment des aufgenommenen und zu bearbeitenden Werkstücks mitbestimmt. Auch die durch die materialabtragende Bearbeitung bedingte zeitlich fortschreitende Massenreduktion des Werkstücks beeinflusst dieses dynamische Verhalten über die Dauer des Bearbeitungsvorgangs hinweg.
Das dynamische Verhalten wird allerdings auch durch Regelparameter, die in einer Regeleinrichtung der Bearbeitungsmaschine gespeichert sind und die Bewegung der elektromotorisch angetriebenen Werkstückaufnahme während der Werkstückbearbeitung vorgeben, wesentlich mitbestimmt. Diese Regelparameter sind bei bekannten Bearbeitungsmaschinen typischerweise auf eine angenommene Durchschnittsmasse der Werkstücke voreingestellt, weswegen sich in der Praxis häufig das Problem stellt, dass bei der Bearbeitung von Werkstücken mit von dieser Durchschnittsmasse abweichenden Massen die Regelparameter nicht optimal angepasst, sondern konservativ eingestellt sind. Die Schnelligkeit und Präzision der Werkstückbearbeitung und somit die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Produktionsergebnisses hängen jedoch maßgeblich von der Güte der voreingestellten Regelparameter ab. Die Güte der Regelparameter kann sogar auf die Sicherheit des Bearbeitungsbetriebs großen (und gegebenenfalls negativen) Einfluss nehmen.
Um die Regelparameter für die Werkstückbewegung auf das tatsächlich zu bearbeitende Werkstück anzupassen und die Werkstückbewegung nicht mit konservativen Regelparametern durchführen zu müssen, ist es aus der eingangs genannten EP 2 209 053 A2 , welche den nächstliegenden Stand der Technik darstellt, bekannt, in einem der eigentlichen Werkstückbearbeitung vorausgehenden Verfahren unterschiedliche Bewegungsabläufe mit verschiedenen vorab definierten Beladungszuständen zu vermessen und dadurch Daten (beispielsweise ein Kennfeld) zu generieren, die einen Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs einerseits und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks andererseits bereithalten. Nachdem dieses Verfahren zur Einrichtung der Bearbeitungsmaschine durchgeführt worden ist, kann die Masse eines tatsächlich zu bearbeitenden Werkstücks durch einen Vergleich der Auslastung des Antriebs mit dem vorab generierten Kennfeld ermittelt werden. Durch diese Vorgehensweise können zwar die Regelparameter bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke an die jeweils unterschiedlichen Werkstückmassen dieser Werkstücke angepasst werden, allerdings wird die sich durch den bei der Werkstückbearbeitung auftretenden Materialabtrag einstellende Massenreduktion bzw. Veränderung des Massenträgheitsmoments hierdurch nicht berücksichtigt. Insofern verbleibt bei dem bekannten Verfahren eine Restungenauigkeit bei der Anpassung der Regelparameter an die aktuelle Werkstückmasse während der Bearbeitung. Diese Restungenauigkeit bzw. „Restverstimmung“ kann jedoch erheblich sein und zu unangepassten Regelparametern während der Bearbeitungsdauer führen. Unerwünschte Unwuchten durch veränderte Massenträgheitsmomente des Werkstücks sowie zu langsame oder ungenaue Bewegungsabläufe gefolgt von Positionier- und Bearbeitungsfehlern können die Folge sein. Darüber hinaus ist die vorab durchzuführende Kennfeld-Generierung zeit- und kostenaufwändig.
Grundsätzlich ist ferner aus der EP 1 143 316 B1 eine automatisierte Werkstückmassenerkennung zur Verbesserung der Regelgüte bekannt, bei der die tatsächlich auf dem Werkstücktisch vorhandene Werkstückmasse ermittelt wird. Die ermittelte Werkstückmasse geht gemäß dieser Lehre mittelbar als Regelgröße in eine Vorschubregelung ein und beeinflusst somit die Güte der Regelung. Bei diesem Verfahren sind mehrere Testläufe mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorgaben erforderlich, um eine Ist-Beschleunigung einer mechanischen Abtriebswelle zu erfassen. Die Ist-Beschleunigung dient dann der Berechnung der tatsächlichen Werkstückmasse. Nachteilig bei diesem Verfahren sind jedoch die im Allgemeinen vergleichsweise geringe Genauigkeit sowie der Umstand, dass kein Einfluss auf einen Interpolator bzw. Sollwertgeber genommen wird.
Aus der JP H02- 12 407 A ist es bekannt, eine Beschleunigungskonstante für die Motorregelung optimal an die während der Werkstückbearbeitung auftretende Gewichts(belastungs)änderung anzupassen. Mithilfe des fortlaufend gemessenen Motorstroms können das Gewicht und daraus die Beschleunigungskonstante für die Motorregelung berechnet werden, um so die optimalen Regelparameter während der Bearbeitung fortlaufend aufgrund des aktuell berechneten Werkstückgewichts einzustellen.
Bei dem aus der DE 39 31 143 A1 bekannten Verfahren beruht eine Parameterschätzung auf einem Modell des Bearbeitungsprozesses, welches den Zusammenhang zwischen der Vorschubkraft und der Vorschubgeschwindigkeit beinhaltet. Die Vorschubgeschwindigkeit wird mit Hilfe eines Sensors direkt gemessen, während ein Maß für die Vorschubkraft aus der Stromaufnahme des Motors gewonnen wird. Als Parameter sind Parameter des Bearbeitungsprozesses und der Werkzeugmaschine offenbart. Mit dem parametrischen Modell sollen bei spanabhebenden Bearbeitungsprozessen wesentliche Fehler mit einem vertretbaren Rechenaufwand erkannt werden. Mit komplexeren Modellen können auch Eigenschaften der Antriebe und Übertragungselemente und/oder weitere Einzelheiten des Bearbeitungsprozesses nachgebildet werden.
Aus der WO 02/ 039 073 A1 ist schließlich noch ein Verfahren zum Bestimmen des Beladungsgewichts eines Bergbaufahrzeugs bekannt, indem das Beladungsgewicht mithilfe eines Kalman-Filters aus Messsignalen bestimmt wird.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine hochgenaue, schnelle und wirtschaftliche Anpassung des dynamischen Verhaltens der Maschine an den aktuellen Beladungszustand der Werkstückaufnahme möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme eingespannten Werkstücks gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die durch die materialabtragende Bearbeitung bedingte Massenreduktion vorteilhaft in Echtzeit (und vor Ort) erfasst, wodurch die Bestimmung der verbleibenden Werkstückmasse präziser erfolgt und die Regelparameter genauer an die aktuelle Beladungssituation der Bearbeitungsmaschine abgestimmt werden können. Hierzu müssen in besonders vorteilhafter Art und Weise keine vor dem eigentlichen Werkstück-Bearbeitungsprozess vorzunehmenden Testläufe oder Bewegungsabläufe mit verschiedenen vorab definierten Beladungszuständen durchgeführt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass zur (Qualitäts) Sicherung des Werkstückbearbeitungsprozesses anhand der identifizierten Werkstückmasse bei vorab zumindest annäherungsweise bekannter Abmessung des Werkstücks überprüft werden kann, ob das richtige Werkstück an der Werkstückaufnahme eingespannt wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die materialabtragende Bearbeitung des Werkstücks beispielsweise durch Drehen, Fräsen und/oder Schneiden erfolgen. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei den zu bearbeitenden Werkstücken um Bleche, die durch Stanzen und/oder Laserschneiden einer Materialabtragung ausgesetzt sind. Zur Bearbeitung des Werkstücks wirken erfindungsgemäß ein oder mehrere Werkzeuge (z.B. Dreh-, Fräs-, Schneid- oder Stanzelemente) mit dem in der Werkstückaufnahme eingespannten Werkstück zusammen. Hierzu wird das Werkstück entsprechend einer gewünschten Bewegungsabfolge über die Dauer der Werkstückbearbeitung hinweg jeweils unterschiedlich positioniert. Diese Bewegungsabfolge (Gesamttrajektorie) umfasst typischerweise mehrere Soll-Werkstückbewegungen (mehrere Solltrajektorien), beispielsweise die zunächst beschleunigte und anschließend verzögerte Bewegung von einer ersten Stanzposition zu einer weiteren Stanzposition des Werkstücks. Diese einzelnen Soll-Werkstückbewegungen können lineare oder rotatorische oder kombinierte Bewegungsabläufe sein. Die Werkstückaufnahme ist zur Durchführung der Bewegungsabfolge bzw. der einzelnen Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben. Zur Durchführung der Bewegungsabfolge bzw. der Soll-Werkstückbewegungen können beispielsweise Servoantriebe oder Torque-Antriebe mit Ritzel-Zahnstangen-Getriebe (Ritzel-Zahnstangenantriebe), Kugel-Spindeltriebe oder Lineardirektantriebe verwendet bzw. eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß werden zunächst werkstückmassenunabhängige Anfangs-Regelparameter festgelegt. Durch die Regelparameter werden die von einem Interpolator hinsichtlich der Dynamik geplanten Solltrajektorien vorgegeben. Diese Regelparameter können voreingestellte Regelparameter der Bearbeitungsmaschine oder durch geeignete Schätzungen erzeugte Regelparameter sein. Eine in diesem Sinne geeignete Schätzung kann beispielsweise eine Schätzung basierend auf dem Werkstückmaterial und der näherungsweise bekannten Werkstückabmessung sein. Nachdem auf der Grundlage dieser voreingestellten oder geschätzten Regelparameter eine erste Soll-Werkstückbewegung durchgeführt und ein erster Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse ermittelt wurde, werden die voreingestellten oder geschätzten Regelparameter durch an die aktuelle Werkstückmasse angepasste Regelparameter ersetzt. Nun kann erfindungsgemäß eine weitere (zweite) Soll-Werkstückbewegung durchgeführt und ein weiterer (zweiter) Näherungswert der sich durch die zwischenzeitlich bewirkte Materialabtragung geänderten aktuellen Werkstückmasse ermittelt werden. Die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können solange nacheinander durchgeführt werden, bis alle Soll-Werkstückbewegungen der Bewegungsabfolge durchgeführt und das Werkstück vollständig bearbeitet wurde. Die erfindungsgemäße Erfassung der Werkstückmassenreduktion (in Echtzeit) erfolgt typischerweise bei jeder Bewegung der Bewegungsabfolge bzw. der Gesamttrajektorie. Diese Erfassung erfolgt insbesondere unabhängig davon, ob die Bewegungsabfolge Phasen konstanter Beschleunigung oder konstanter Geschwindigkeit umfasst oder nicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse folgende Schritte:

Erstellen eines dynamischen Modells des durch das Werkstück, die Werkstückaufnahme und den elektromotorischen Antrieb gebildeten Antriebsstrangs;
Festlegen eines Anfangs-Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
Simulieren der Soll-Werkstückbewegung anhand des Modells basierend auf dem Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse;
Ermitteln eines simulierten Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung;
Ermitteln einer Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit einem während der Durchführung der Soll-Werkstückbewegung erfassten Ist-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs;
Berechnen eines neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Erregerstrom-Abweichung; und
wiederholtes Durchführen der letzten vier Schritte, bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet.

Bei der Ermittlung des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft kein Rückgriff auf einen vorab messtechnisch erfassten Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks erforderlich. Stattdessen wird ein solcher Zusammenhang nur für den aktuellen (Last-)Fall, d.h. für die tatsächlich vorliegende und zu bestimmende Werkstückmasse, in Echtzeit durch einen berechenbaren Simulationslauf des dynamischen Modells des Antriebsstrangs ermittelt. Durch diese Verfahrensvariante können hochpräzise Ergebnisse bei der Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse erreicht werden, sodass die Regelparameter entsprechend hochpräzise an die Massenreduktion angepasst werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse ein während einer durchgeführten Soll-Werkstückbewegung erfasster Ist-Erregerstrom des elektromotorischen Antriebs als Vergleichsmaßstab für jeweils mittels des dynamischen Modells durch iterative Simulation berechnete Soll-Erregerströme herangezogen. Ziel der iterativen Simulation bzw. des iterativen Vergleichs ist es, eine Abweichung bzw. einen Fehler zwischen dem Ist-Erregerstrom und einem jeweils berechneten Soll-Erregerstrom zumindest bis auf einen vorbestimmten Abbruchwert zu minimieren, sodass dann der zum Zeitpunkt des Abbruchs der Simulation vorliegende Näherungswert als tatsächliche aktuelle Werkstückmasse aufgefasst werden kann. Während die erste Simulationsberechnung eines Soll-Erregerstroms noch auf dem anfangs festgelegten oder in geeigneter Weise eingangs geschätzten Anfangs-Näherungswert der Werkstückmasse basiert, erfolgen spätere Simulationsberechnungen von Soll-Erregerströmen jeweils auf der Grundlage eines in dem jeweils vorherigen Iterationsschritt berechneten neuen Näherungswertes der Werkstückmasse. Als Eingangsgröße zur Berechnung der jeweils neuen Näherungswerte der Werkstückmassen wird erfindungsgemäß die jeweils zuvor ermittelte Erregerstrom-Abweichung herangezogen.
Unter einer Echtzeit-Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse wird eine Ermittlung verstanden, die typischerweise eine Berechnungsdauer (für den iterativen Vergleich anhand von Simulationsberechnungen) von unter 10 Millisekunden erfordert, also eine Zeitdauer, die deutlich kürzer als die Dauer einer typischen Soll-Werkstückbewegung ist. Die durch die vorbeschriebene Verfahrensvariante gewonnenen Ergebnisse der aktuellen Werkstückmasse können gegebenenfalls zusätzlich durch gewöhnliche Abschätzungen, die auf dem Werkstückmaterial, der Werkstückabmessung und der Größe der abgetragenen Materialanteile basieren (vgl. hierzu beispielsweise das von der Anmelderin vertriebene Teilprogramm „TruTops“), auf Plausibilität überprüft werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das modellbasierte Berechnen des jeweils neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse mittels einer Kalman-Filterung und/oder mittels einer Luenberger-Beobachtung. Der asymptotisch stabile Entwurf eines Kalman-Filters oder (Luenberger-)Beobachters bewirkt sehr genaue Abschätzungen der Werkstückmasse und führt zu präzisen Ergebnissen bei der Werkstückbearbeitung. Diese Formen der Rückführung der zuvor ermittelten Erregerstrom-Abweichung in das dynamische Simulationsmodell als neu berechneter Näherungswert der Werkstückmasse führen ferner in vorteilhafter Weise zu einer schnellen Konvergenz der Simulationsergebnisse und/oder zu einem schnellen Erreichen des Abbruchkriteriums.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse folgende Schritte:

Bestimmen einer Last, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme ohne das Werkstück gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen;
Ermitteln einer Last-Abweichung durch Vergleichen der bestimmten Last mit einer während der Soll-Werkstückbewegung erfassten Last des elektromotorischen Antriebs; und
Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Last-Abweichung.

Bei der Ermittlung des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß dieser zweiten Verfahrensvariante wird vorteilhaft ein Ist-Soll-Vergleich von Lasten durchgeführt, aus dessen Last-Abweichung die aktuelle Werkstückmasse bestimmt wird. Auch bei dieser zweiten Verfahrensvariante ist kein vorab messtechnisch zu erfassender Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks heranzuziehen. Stattdessen wird ebenfalls die tatsächlich vorliegende und zu bestimmende Werkstückmasse in Echtzeit mit großer Genauigkeit ermittelt.
Bei dieser Verfahrensvariante handelt es sich bei den zu vergleichenden Lasten in der Regel um (Dreh-)Momente, die beispielsweise durch das Erfassen bzw. Aufzeichnen der (momentenbildenden Erreger-)Ströme, die durch die elektromotorischen Antriebe des Antriebsstrangs fließen, in einfacher Art und Weise bestimmt werden können. Bei dem Lasten-Vergleich ist die Last, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme ohne das Werkstück gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen, eine geforderte Last bzw. ein gefordertes Moment, wohingegen die während der Soll-Werkstückbewegung erfasste Last des elektromotorischen Antriebs eine reale (Ist-)Last bzw. ein reales Ist-Moment darstellt, die die aktuelle Werkstückmasse beinhaltet. Die Ist-Last bzw. das Ist-Moment wird bereitgestellt indem eine kaskadierte Regelung wirkt. Die kaskadierte Regelung kann beispielsweise Reibung oder eine nicht optimal eingestellte Proportionalität ausgleichen. Die geforderte Last bzw. das geforderte Moment ergibt sich aus dem Interpolator (bzw. den Solltrajektorien) und eventuell aktivierten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerungen. Bei der Ermittlung der Last-Abweichung können erfindungsgemäß Reibmomente (beispielsweise über Stribeck-Kurven in Verbindung mit quasistatischen Modellen) mit berücksichtigt werden. Die insgesamt bewegte Masse umfasst typischerweise die bekannte Masse der rotierenden (Antriebs-)Motorteile, der rotierenden Bauteile eines eventuell vorhandenen Getriebes, der bewegten Werkstückaufnahme zusammen mit der entsprechenden Einspannvorrichtung sowie die zunächst unbekannte Masse des eingespannten Werkstücks. Auch die so gewonnenen Ergebnisse der aktuellen Werkstückmasse können gegebenenfalls zusätzlich durch gewöhnliche Abschätzungen auf Plausibilität überprüft werden. Ferner führt bei dieser Verfahrensvariante die Berechnung der aktuellen Werkstückmasse mittels einer intelligenten Filterung, z.B. mittels eines Tiefpassfilters (durch den auch ein Auslösen von Fehlerbehandlungen möglich ist), zu besonders genauen Ergebnissen der aktuellen Werkstückmasse.
Besonders bevorzugt wird ferner bei Blech-Werkstücken zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse bei einer Berechnung eines Schwellenwerts zur Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens herangezogen. Dadurch können die Erkennung der Wellblechbildung sowie die Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens besser an den tatsächlichen Bearbeitungsfortschritt des Blech-Werkstücks angepasst werden, wodurch die unerwünschte Erzeugung von Ausschussteilen sowie reparaturbedingte Standzeiten der Bearbeitungsmaschine verringert werden können. Insbesondere kann auf eine Überwachung des Bearbeitungsverfahrens durch optische Systeme, die zusätzliche und kostenintensive Messtechnik erfordert, verzichtet werden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren, die zum Schutz vor Beschädigungen von Maschinenbauteilen durch Kollision oder Verklemmen bei einer Überschreitung eines festgelegten Schwellenwerts einen Nothalt der Maschine auslösen, kann der (zunächst variable) Schwellenwert jeweils auf die Masse des Blech-Werkstücks angepasst werden. Dadurch wird eine Wellblechbildung nicht nur bei vergleichsweise großen Blechdicken, sondern insbesondere auch bei Dünnblechen verhindert, für die die bekannte Überwachung der Überlastströme nicht ausreichend ist. Dünnbleche weisen in der Regel eine Dicke bis zu 2 mm auf.
Vorzugsweise wird die Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung berechneten erforderlichen Last mit der Ist-Last über eine Schwellenwertüberschreitung oder anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung erforderlichen Last mit dem berechneten Schwellenwert ausgelöst. Die für die Erzeugung von Wellblech aufgebrachten Lasten (Ist-Lasten) verursachen einen betragsmäßigen Anstieg des für die Bewegung des Blech-Werkstücks im elektromotorischen Antrieb verbrauchten (Erreger-)Stroms über das erforderliche Last-Maß (Soll-Last) hinaus. Diese Abweichung bzw. Überhöhung kann durch den Soll-Ist-Vergleich in einfacher Art und Weise erfasst und zum Abbruch des Bearbeitungsvorgangs oder zur Einleitung einer Gegenmaßnahme genutzt werden. Die berechnete erforderliche Last kann vorteilhaft in Abhängigkeit der aktuellen Werkstückmasse bestimmt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die mit einer Regeleinrichtung so zusammenwirken, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann vorteilhaft auf bestehende Bearbeitungsmaschinen bzw. deren NC-Steuerungseinrichtung aufgespielt und genutzt werden, ohne dass zusätzliche Messsysteme notwendig sind. Die Steuerung und die elektromotorischen Antriebe der Bearbeitungsmaschinen sind typischerweise bereits in der Lage, die für die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Informationen selbst zu generieren (beispielsweise die Erfassung des momentenbildenden Erregerstroms des Antriebs aufgrund anderer Funktionalitäten vorzunehmen).
Es zeigen:

1 eine Werkzeugmaschine zur materialabtragenden Bearbeitung eines Werkstücks;
2 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Anpassung von Regelparametern;
3 den Ablauf eines Verfahrensschritts des Verfahrens aus 2;
4 eine beispielhafte alternative Variante zu 3; und
5a, 5b weitere Verfahrensvarianten zur Verhinderung von Wellblechbildung.

1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1, mittels derer eine materialabtragende Bearbeitung eines Werkstücks 2 möglich ist, das an einer Werkstückaufnahme 3 mittels einer Einspannvorrichtung 4 eingespannt ist. Die Werkstückaufnahme 3 ist beweglich, insbesondere um eine Drehachse 5 rotierbar, gegenüber einem ortsfesten Maschinengrundkörper 6 der Werkzeugmaschine 1 gelagert und kann mittels eines elektromotorischen Antriebs 7 angetrieben werden. Der Antrieb 7 weist hierzu z.B. einen an dem ortsfesten Maschinengrundkörper 6 angeordneten Stator 8 und einen an der beweglichen Werkstückaufnahme 3 angeordneten Rotor 9 auf.
Zur materialabtragenden Werkstückbearbeitung wirkt ein an einem Bearbeitungskopf 10 der Werkzeugmaschine 1 angeordnetes Werkzeug 11, wie beispielsweise ein Dreh-, Fräs-, (Laser)Schneid- oder Stanzwerkzeug, in koordinierter Weise mit dem an der Werkstückaufnahme 3 eingespannten Werkstück 2 zusammen. Dabei wird das Werkstück 2 in der Regel an mehreren unterschiedlichen Stellen durch das entsprechende Werkzeug 11 bearbeitet und hierfür in unterschiedliche Positionen bewegt (beispielsweise kann das Werkstück 2 zur Einnahme verschiedener Stanzpositionen um die Drehachse 5 fortlaufend weitergedreht werden), oder das Werkstück 2 wird zur materialabtragenden Bearbeitung relativ zum Werkzeug 11 bewegt (beispielsweise bei einem Fräs- oder Drehvorgang). Insgesamt vollführt das Werkstück 2 daher zum Zwecke seiner Bearbeitung eine Bewegungsabfolge, die sich aus mehreren aufeinander folgenden Soll-Werkstückbewegungen zusammensetzt und die auf das Werkzeug 11 bzw. eine eventuelle Werkzeugbewegung abgestimmt ist.
Durch die fortschreitende Materialabtragung an dem Werkstück 2 während dessen Bearbeitung wird das dynamische Verhalten der bewegten Teile fortlaufend verändert, sodass Regelparameter, die in einer Regeleinrichtung 12 der Bearbeitungsmaschine 1 gespeichert sind und die den Bewegungsablauf der Werkstückaufnahme 3 vorgeben, nicht mehr auf optimale Werte angepasst sind, sondern hiervon abweichen. Um eine schnelle und dennoch hochpräzise Werkstückbearbeitung zu erreichen, ist die Güte der Regelparameter jedoch von entscheidender Bedeutung. Das veränderte dynamische Verhalten der bewegten Teile beruht in dem in 1 dargestellten Fall typischerweise auf einer Veränderung des Trägheitsmoments des Werkstücks 2 durch die fortschreitende Materialabtragung (Massenreduktion). Es versteht sich, dass auch bei linear-beweglichen Anwendungen (z.B. bei Werkstücken, die auf verfahrbaren Werkstücktischen gelagert sind) eine Massenreduktion das dynamische Verhalten der bewegten Teile (durch eine veränderte Massenträgheit des Werkstücks) beeinflusst.
2 zeigt den Ablauf eines Verfahrens, durch das eine Anpassung der Regelparameter an die aktuelle Werkstückmasse während der Werkstückbearbeitung in Echtzeit möglich ist. In einem ersten Verfahrensschritt a. werden Anfangs-Regelparameter zur Regelung des elektromotorischen Antriebs 7 festgelegt. Diese Startwerte der Regelparameter können vollkommen werkstückmassenunabhängig festgelegt werden oder vorteilhaft mittels geeigneter und bekannter Schätzmethoden, die zum Beispiel die Werkstückgröße und das Werkstückmaterial berücksichtigen, näherungsweise ermittelt werden. In einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt b. wird basierend auf den (festgelegten) Regelparametern eine (erste) Soll-Werkstückbewegung durchgeführt und die hierfür erforderliche Last, insbesondere ein (Ist-)Erregerstrom des elektromotorischen Antriebs 7, erfasst und vorübergehend gespeichert. In einem weiteren darauf folgenden Verfahrensschritt c. (vgl. hierzu die Ausführungen zu 3 und 4) wird ein Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse ermittelt, sodass in einem weiteren Verfahrensschritt d. die Regelparameter an den zuvor ermittelten Näherungswert der Werkstückmasse angepasst werden können. Die Anpassung bewirkt vorteilhaft, dass die Regelparameter während einer sich anschließenden (zweiten oder weiteren) Soll-Werkstückbewegung an die tatsächlich vorhandene Werkstückmasse optimal angepasst sind, sodass die Werkstückbearbeitung auch bei vergleichsweise hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten hochpräzise erfolgen kann. Hierzu werden die Verfahrensschritte b. bis d. entsprechend einem letzten Verfahrensschrittes e. so oft wiederholt durchgeführt, bis die Bewegungsabfolge vollständig beendet ist. Dabei wird in dem Verfahrensschritt b. anstelle der anfangs festgelegten Regelparameter der jeweils im vorherigen Verfahrensschritt d. zuletzt angepasste Regelparameter bei der Durchführung der nächsten Soll-Werkstückbewegung herangezogen.
3 zeigt den Ablauf des Verfahrens aus 2, bei der das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. anhand folgender, weiterer Schritte erzielt wird. Zunächst wird in einem ersten Schritt i. ein dynamisches Modell des durch das Werkstück 2, die Werkstückaufnahme 3 und die bewegten Teile des elektromotorischen Antriebs 7 gebildeten Antriebsstrangs erstellt. Hierzu wird der Antriebsstrang typischerweise diskretisiert, indem Parameter, wie beispielsweise (punktförmig idealisierte) Massenträgheiten, Trägheitsmomente, physikalische Abmessungen, Dämpfungseigenschaften, Steifigkeit, etc., zur Modellierung eingeführt werden. Ferner werden hinsichtlich eines zur Beschreibung des Modells geeigneten Koordinatensystems und geeigneter Lagerungstypen (Festlager, Loslager, etc.) Annahmen getroffen. Sodann können durch das Formulieren des Impuls- und Drallsatzes die dem bewegten System zugrunde liegenden Bewegungsgleichungen (Bewegungsdifferentialgleichungen) aufgestellt werden. Diese Bewegungsgleichungen weisen neben Zustandsgrößen wie Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung auch Terme auf, die der erzwungenen Bewegung des Antriebsstrangs durch den elektromotorischen Antrieb 7 zugeordnet sind. In diese Terme geht der mess- und erfassbare Erregerstrom des Antriebs 7 ein, da der Zusammenhang zwischen dem abgegebenen Drehmoment und der aufgenommenen elektrischen Leistung des elektromotorischen Antriebs 7 in der Regel (beispielsweise aus Datenblättern des Antriebs 7) bekannt ist.
Im Anschluss an die dynamische Modellierung wird in einem zweiten Schritt ii. ein Anfangs-Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse festgelegt. Dieser Startwert der Werkstückmasse kann vorteilhaft mittels einer geeigneten und bekannten Schätzmethoden, die die Werkstückgröße und das Werkstückmaterial berücksichtigen, näherungsweise ermittelt werden. Dann wird in einem sich anschließenden Schritt iii. eine Simulation der gemäß Verfahrensschritt b. durchgeführten Soll-Werkstückbewegung anhand des erstellten dynamischen Modells durchgeführt, wobei als eine Eingangsgröße der Simulation der Näherungswert der Werkstückmasse verwendet wird. Gemäß einem weiteren Schritt iv. wird dann basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung ein simulierter Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs 7 ermittelt. Anschließend wird in einem weiteren Schritt v. eine Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit dem in Verfahrensschritt b. erfassten bzw. gespeicherten Ist-Erregerstrom des Antriebs 7 ermittelt. Aus dieser ermittelten Erregerstrom-Abweichung kann dann in einem weiteren Schritt vi. ein neuer Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt bevorzugt mittels eines Kaiman-Filters oder einer Luneburg-Beobachtung. Die Schritte iii. bis vi. werden wiederholt (vii.), bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet, d.h. bis der Ist-Erregerstrom und der Soll-Erregerstrom bis auf eine vorbestimmte Toleranz übereinstimmen und der dann vorliegende Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse als tatsächliche aktuelle Werkstückmasse aufgefasst und zur Weiterverarbeitung gemäß Verfahrensschritt d. ausgegeben werden kann.
In 4 ist der Ablauf einer beispielhaften alternativen Verfahrensvariante des Verfahrens aus 2 dargestellt, bei der das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. anhand folgender, weiterer Schritte erzielt wird.
In einem ersten Schritt I. wird eine Last bestimmt, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme 3 ohne das Werkstück 2 gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen. Sodann kann in einem zweiten Schritt II. die in Verfahrensschritt b. bei der Durchführung der Soll-Werkstückbewegung erfasste bzw. gespeicherte Last des elektromotorischen Antriebs 7 mit der zuvor bestimmten Last verglichen und dadurch eine Last-Abweichung ermittelt werden. Diese Last-Abweichung ermöglicht schließlich in einem letzten Schritt III. das Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse. Durch diese Verfahrensvariante wird der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse mit großer Genauigkeit ermittelt. Dabei umfasst die insgesamt bewegte (rotierte und/oder linear bewegte) Masse in der Regel die bekannten Massen der rotierenden Teile des elektromotorischen Antriebs 7, der rotierenden Bauteile eines eventuell eingebundenen Getriebes, der bewegten Werkstückaufnahme 3 zusammen mit der entsprechenden Einspannvorrichtung 4 sowie der zunächst unbekannten Masse des eingespannten Werkstücks 2.
In den 5a, 5b sind schließlich beispielhafte Verfahrensvarianten dargestellt, die die Bearbeitung von Blech-Werkstücken 2 betreffen. Hierbei kann es beim Einsatz von als Stanz- oder Stanz-Kombimaschinen ausgebildeten Werkzeugmaschinen 1 beim Verklemmen des Werkzeugs 11 und einem gleichzeitigen Verfahren des Werkstücks 2 bzw. der Werkstückaufnahme 3 zur Deformation des Blech-Werkstücks 2 bzw. zur Bildung von Wellblech kommen. Bekannte Methoden zur Überwachung des Zustandes des Blech-Werkstücks 2 basieren in der Regel auf bildaufnehmenden Systemen und sind vergleichsweise aufwändig. Daneben existieren Überlast-Schutzmaßnahmen bezüglich des Motorstroms bzw. des Motormomentes, die bei einer Überschreitung eines festgelegten Schwellenwerts einen Nothalt der Maschine 1 auslösen. Die Bildung von Wellblech wird dabei nur bei Blech-Werkstücken 2 verhindert, deren Bearbeitungsfortschritt noch vergleichsweise wenig vorangeschritten ist und die daher strukturell stabil sind. Dünnbleche oder bereits fortschreitend bearbeitete Blech-Werkstücke 2 hingegen werden ohne weiteres verformt, da die hierfür erforderlichen Kräfte von den Antrieben 7 leicht aufgebracht werden können, ohne dass der Überlastschutz anspricht.
Zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung wird gemäß der in 5a dargestellten Verfahrensvariante eine Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens anhand eines Vergleichs der Soll-Last (also der für die Werkstückbewegung berechneten erforderlichen Last) mit der Ist-Last vorgenommen (Vergleich des Soll-Momentes mit dem Ist-Moment). Das Soll-Moment umfasst in der Regel das geforderte Moment und das Reib-/Verlust-Moment, wobei letzteres anhand von Stribeck-Kurven in Verbindung mit quasistatischen Modellen, in die der gemäß Verfahrensschritt c. ermittelte Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse Eingang findet, berechenbar ist. Ferner wird der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. bei der Berechnung eines (variablen) Schwellenwerts herangezogen. Dadurch wird insgesamt die fortschreitende Massenreduktion des Blech-Werkstücks 2 bei der Festlegung des Schwellenwertes berücksichtigt, und eine Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs erfolgt auch bei Blech-Werkstücken 2, deren Bearbeitungszustand bereits vergleichsweise fortgeschritten ist und die daher leichter verformbar sind (beispielsweise Dünnbleche).
Bei der Verfahrensvariante gemäß 5b wird zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung lediglich eine Schwellwertprüfung der Ist-Last bei der Blech-Werkstückbearbeitung vorgenommen. Der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. wird bei der Berechnung eines (variablen) Schwellenwerts herangezogen, sodass ebenfalls die fortschreitende Massenreduktion des Blech-Werkstücks 2 bei der Festlegung des Schwellenwertes berücksichtigt wird und eine Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs auch bei Blech-Werkstücken 2, deren Bearbeitungszustand bereits vergleichsweise fortgeschritten ist, möglich ist.

Claims

Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1), insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, wobei die Werkstückaufnahme (3) zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben (7) wird, mit den folgenden Verfahrensschritten : a. Festlegen von werkstückmassenunabhängigen Anfangs-Regelparametern zur Regelung des elektromotorischen Antriebs (7); b. Durchführen einer der Soll-Werkstückbewegungen basierend auf den Regelparametern; c. Ermitteln eines Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse; d. Anpassen der Regelparameter an den Näherungswert der Werkstückmasse; und e. wiederholtes Durchführen der Verfahrensschritte b. bis d., bis die Bewegungsabfolge beendet ist, wobei das Ermitteln des Näherungswertes gemäß Verfahrensschritt c. folgende Schritte umfasst: i. Erstellen eines dynamischen Modells des durch das Werkstück (2), die Werkstückaufnahme (3) und den elektromotorischen Antrieb (7) gebildeten Antriebsstrangs; ii. Festlegen eines Anfangs-Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse; iii. Simulieren der Soll-Werkstückbewegung gemäß Verfahrensschritt b. anhand des Modells basierend auf dem Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse; iv. Ermitteln eines simulierten Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7) basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung; v. Ermitteln einer Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit einem in Verfahrensschritt b. erfassten Ist-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7); vi. Berechnen eines neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Erregerstrom-Abweichung mittels einer Kalman-Filterung und/oder mittels einer Luenberger-Beobachtung; vii. Wiederholtes Durchführen der Schritte iii. bis vi., bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Werkstückbewegungen translatorische und/oder rotatorische Bewegungen umfassen.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die mit einer Regeleinrichtung (12) so zusammenwirken, dass ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.