DE102015113510A1

DE102015113510A1 - Charakterisierung des Wärmegangs von CNC-Maschinen

Info

Publication number: DE102015113510A1
Application number: DE102015113510.8A
Authority: DE
Inventors: Chandra Sekhar Jalluri; David Norman DILLEY; Trevor LeRoi HILL; Amando Jose Sebastian; Mark GODERIS
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2016-02-25
Also published as: RU2015134862A3; BR102015019898B1; BR102015019898A2; US10088826B2; RU2015134862A; CN105389455B; RU2699885C2; CN105389455A; US20160054722A1

Abstract

In wenigstens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zur Analyse und Charakterisierung des Wärmegangs einer CNC-Maschine bereitgestellt. Das Verfahren kann das Montieren eines Artefakts mit einer Bohrung auf einer CNC-Maschine und das Durchführen eines Testzyklus umfassen. Der Testzyklus kann das Prüfen der Bohrung des Artefakts, um seine Position relativ zur CNC-Maschine zu bestimmen, und das Durchführen eines Trockenzyklus, welcher einen oder mehrere CNC-Bearbeitungsprozesse umfasst, umfassen. Das Verfahren kann ferner das Berechnen einer Abweichung der Bohrungsposition von einer referenzbezogenen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine umfassen. Das Verfahren kann verwendet werden, um die Effektivität von CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismen zu verbessern, zu beurteilen oder eine Fehlersuche durchzuführen. Das Verfahren kann bei Umgebungstemperatur starten und das Wiederholen von Testzyklen umfassen, bis eine stationäre Temperatur in der Maschine erreicht wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Charakterisieren des Wärmegangs von CNC-Maschinen.
HINTERGRUND
CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control, computergestützte numerische Steuerung) wird in der Produktion einer Vielzahl von hergestellten Komponenten weithin verwendet, einschließlich in der Automobilindustrie. CNC-Bearbeitungszentren erfahren Temperaturänderungen während des Einsatzes, was zu einer reduzierten Bearbeitungsgenauigkeit aufgrund der thermischen Ausdehnung von verschiedenen Komponenten innerhalb der Maschine führen kann. Die Temperaturänderungen können durch eine Anzahl von Faktoren, einschließlich Maschinenaufwärmung, Wärme, welche von den Maschinenkomponenten erzeugt wird, und Änderungen in der Umgebungstemperatur, verursacht werden. Die thermische Ausdehnung kann bewirken, dass die relative Position zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug um bis zu 70 μm in der tatsächlichen Position im Vergleich zur befohlenen Position abweicht. Bei Anwendungen, welche hochgradig gesteuerte Toleranzen erfordern, kann ein solcher Fehler aufgrund von thermischer Ausdehnung inakzeptabel sein. Um dieses Problem anzugehen, haben Hersteller von CNC-Maschinen verschiedene Ansätze implementiert, um Wärmegang zu begegnen. Ein Ansatz ist die Thermokompensation, welche das Erfassen der Temperatur von einer oder mehreren Komponenten der Maschine und Anwenden vorkalibrierter Algorithmen umfassen kann, um die befohlene Position des Werkstücks und/oder Werkzeugs anzupassen, um thermische Ausdehnung zu kompensieren.
KURZFASSUNG
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, einschließlich Montieren eines Artefakts mit einer Bohrung auf einer CNC-Maschine und Bestimmen einer ersten Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und einer zweiten Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂, welche höher als T₁ ist. Das Verfahren kann ferner das Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position umfassen, um eine thermische Stabilität der CNC-Maschine zu bestimmen.
Das Verfahren kann den Betrieb der CNC-Maschine umfassen, um die Temperatur von T₁ auf T₂ zu erhöhen. Die CNC-Maschine kann eine Spindel und Sonde umfassen, und der Bestimmungsschritt kann das Bestimmen einer ersten und zweiten Position der Artefaktbohrung relativ zur Spindel und Sonde umfassen. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Messen der Temperatur an einer oder mehreren Positionen auf der CNC-Maschine. Ein CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus kann vor dem Bestimmen der zweiten Position aktiviert werden. Der Schritt des Bestimmens der zweiten Position kann mit aktiviertem CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus und mit deaktiviertem Thermokompensationsmechanismus durchgeführt werden, und der Rechenschritt kann das Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position mit aktiviertem und deaktiviertem Thermokompensationsmechanismus umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst das Artefakt wenigstens zwei Bohrungen, und der Bestimmungsschritt umfasst das Bestimmen einer ersten Position jeder Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und einer zweiten Position jeder Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂, und der Berechnungsschritt umfasst das Berechnen einer Abweichung der zweiten Position jeder Artefaktbohrung von der ersten Position jeder Artefaktbohrung. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Bestimmungsschritt ferner das Bestimmen einer Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Mehrzahl von Temperaturen, welche höher als T₁ sind, und der Berechnungsschritt umfasst das Berechnen einer Abweichung der Position bei jeder der Mehrzahl von Temperaturen von der ersten Position.
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, welches das Montieren eines Artefakts mit einer Bohrung auf einer CNC-Maschine und das Durchführen eines Testzyklus umfasst. Der Testzyklus kann das Prüfen der Bohrung des Artefakts, um seine Position relativ zur CNC-Maschine zu bestimmen, und das Durchführen eines Trockenzyklus, welcher einen oder mehrere CNC-Bearbeitungsprozesse umfasst, umfassen. Das Verfahren kann ferner das Berechnen einer Abweichung der Bohrungsposition von einer referenzbezogenen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine umfassen.
Das Verfahren kann das Wiederholen des Testzyklus ein oder mehrere Male und das Berechnen einer Abweichung der Bohrungsposition von einer referenzbezogenen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine für jeden Testzyklus umfassen. In einer Ausführungsform wird eine Temperatur von wenigstens einer Position auf der CNC-Maschine überwacht, und eine Temperatur von der wenigstens einen Position zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ wird mit einer Temperatur zu einem ersten Zeitpunkt t₁ verglichen. Falls eine Differenz zwischen der Temperatur bei t₂ und der Temperatur bei t₁ größer als ein vorbestimmter Wert ist, kann ein zusätzlicher Testzyklus durchgeführt werden. In einer Ausführungsform werden die Testzyklen wenigstens eine minimale Zeit und bis zu einer maximalen Zeit, unabhängig von einer Differenz zwischen den Temperaturen bei t₂ und t₁, wiederholt. Das Verfahren kann das Vergleichen der Abweichung mit einer vorbestimmten Toleranz umfassen.
In einer Ausführungsform umfasst der Trockenzyklus einen Bohr- oder Fräsprozess. Der Trockenzyklus kann auch eines oder mehrere von einem Werkzeugwechsel, Eilgang, A/B-Indexierung und Drehzahl/Vorschub umfassen. Der vorbestimmte Wert kann im Bereich von 0,5 bis 5,0°C liegen. Die CNC-Maschine kann vor einem ersten Testzyklus bei Umgebungstemperatur sein. In einer Ausführungsform wird der Antastschritt mit einem ausgeschalteten Temperatursteuermechanismus und mit eingeschaltetem Temperatursteuermechanismus durchgeführt.
In wenigstens einer Ausführungsform kann ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium bereitgestellt sein. Das nicht-transitorische computerlesbare Speichermedium kann Anweisungen für die Beurteilung der Effektivität eines CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus speichern. Wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, können die Anweisungen den Computer veranlassen, die folgenden Funktionen auszuführen: Empfangen von Informationen von einer CNC-Maschine über eine erste Position einer Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und eine zweite Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂, welche höher als T₁ ist, und Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position, um die Effektivität des CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Artefakts, welches verwendet wird, um den Wärmegang von CNC-Maschinen zu analysieren, gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine Draufsicht eines Artefakts, welches an einem Teiletisch angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
3 ist eine Seitenansicht eines Artefakts, welches an einem Teiletisch angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
4 ist eine weitere Seitenansicht des Artefakts aus 3, wobei der Teiletisch um 180 Grad gedreht ist;
5 ist ein Algorithmus für die Charakterisierung des Wärmegangs von CNC-Maschinen gemäß einer Ausführungsform;
6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Computersystems, welches verwendet werden kann, um den Algorithmus aus 5 durchzuführen, gemäß einer Ausführungsform;
7 ist ein Beispiel von Temperaturtestdaten, welche die Temperaturänderung eines CNC-Maschinenbetts und einer CNC-Maschinenspindel über die Zeit zeigen;
8 ist ein Beispiel von Testdaten der linearen Abweichung für eine Bohrung in der X-, Y- und Z-Richtung mit ausgeschalteter und eingeschalteter Thermokompensation;
9 ist ein Beispiel von Testdaten der linearen Abweichung für eine weitere Bohrung in der X-, Y- und Z-Richtung mit ausgeschalteter und eingeschalteter Thermokompensation; und
10 ist ein Beispiel von Testdaten der linearen Abweichung für sechs Bohrungen in der X-Richtung mit eingeschalteter Thermokompensation.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, welche in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Deshalb sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Details nicht als beschränkend auszulegen, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um Fachleuten auf dem Gebiet zu lehren, wie sie die vorliegende Erfindung unterschiedlich einsetzen können.
Unter Verwendung von CNC-Maschinen können eine große Vielzahl von Bearbeitungsoperationen durchgeführt werden. Beispielsweise können Fräsen, Drehmaschinen, Bohrmaschinen, Funkenerosionsmaschinen (Electric Discharge Machines, EDM), Oberfräsen, Schneider (z. B. Wasser, Plasma, Laser usw.), Schleifmaschinen, Schweißgeräte, Stanzen, Lackiermaschinen und andere alle als CNC-Maschinen ausgelegt sein. Die Betriebsprinzipien von CNC-Maschinen sind Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet bekannt und werden nicht im Detail erläutert. Im Allgemeinen umfassen CNC-Maschinen einen Teiletisch, welcher sich in den X- und Y-Achsen bewegt, und eine Werkzeugspindel, welche sich auf der Z-Achse bewegt. Das zu bearbeitende Teil ist am Teiletisch angebracht, und die Operation wird durch Bewegen des Teils in den X- und Y-Richtungen und des Werkzeugs in der Z-Richtung durchgeführt. Alternativ kann das Teil stationär gehalten werden, und das Werkzeug kann in den X-, Y- und Z-Richtungen bewegt werden. Fortschrittlichere CNC-Maschinen können auch Drehungen um eine oder mehrere Achsen unter Verwendung einer Kombination aus Drehtischen und/oder Drehzapfen umfassen.
Im Allgemeinen umfassen CNC-Maschinen zahlreiche Komponenten, beispielsweise eine Spindel, einen Kugelgewindetrieb, einen Teiletisch, einen Drehzapfen, einen Maschinenständer, ein Bett, eine Befestigung und andere. Die Komponenten können jeweils ihre eigene Geometrie aufweisen und können aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Dementsprechend können die Komponenten aufgrund der Unterschiede in Größe und Form und/oder Unterschiede in thermischen Ausdehnungseigenschaften (z. B. CTEs) jeweils unterschiedlich auf Temperaturänderungen reagieren. In einem Versuch, die thermische Ausdehnung oder den Wärmegang der Maschinenkomponenten zu kompensieren, haben Lieferanten von CNC-Maschinen Algorithmen entwickelt, welche Temperaturdaten verwenden, die von einer oder mehreren Positionen auf der Maschine erfasst werden, und die befohlene Position des Werkzeugs und/oder Werkstücks anpassen, so dass die relative Position des Werkzeugs und des Werkstücks präzise ist. Die Thermokompensation kann auch die Verwendung verschiedener Temperatursteuermechanismen umfassen. Beispielsweise kann die CNC-Maschine Luft- oder Flüssigkeitskühlung, Ventilatoren, Kühlkörper oder andere Mechanismen für die Entfernung von Wärme oder anderweitige Steuerung der Temperatur umfassen.
Die Thermokompensation kann die Wärmeausdehnung der CNC-Maschine jedoch auf verschiedene Weise möglicherweise nicht genau korrigieren. Eine Möglichkeit ist, dass die im Algorithmus durchgeführten Berechnungen ungenau sind. Der Algorithmus kann die richtigen Eingaben (z. B. Temperaturdaten) empfangen, aber er nimmt nicht die richtigen Anpassungen an der befohlenen Position des Werkzeugs und/oder Werkstücks vor, wodurch eine Abweichung bewirkt wird, welche eine akzeptable Toleranz überschreitet. Die Ungenauigkeiten könnten durch falsche Berechnungen, fehlerhafte Materialeigenschaftsdaten, falsche Materialwahl oder andere Fehlerquellen verursacht werden. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Eingaben für den Algorithmus falsch sind. Beispielsweise können die Temperaturdaten nicht genau sein, zu wenige Temperatursensoren können vorhanden sein, die Sensoren können an den falschen Positionen angeordnet sein oder es können andere Komplikationen hinsichtlich der Eingabedaten vorhanden sein. Ein weiteres potenzielles Problem ist, dass die Temperatursteuermechanismen nicht effektiv sind. Der Algorithmus kann eine Luft- oder Flüssigkeitskühlung einer Komponente oder eines Bereichs innerhalb der Maschine fordern, um die Temperatur zu reduzieren, die Kühlung kann jedoch unzureichend (oder zu effektiv) sein oder die Temperatursteuereinrichtung kann nicht ordnungsgemäß funktionieren.
Ein Ausfall des Thermokompensationsmechanismus bzw. der Thermokompensationsmechanismen kann für eine oder mehrere Dimensionen auftreten. Beispielsweise kann die Position aller drei Achsen (X, Y, Z) ungenau sein oder nur ein oder zwei können ungenau sein. Darüber hinaus kann die Positionierung, falls mehr als drei Achsen vorhanden sind, beispielsweise wenn eine 5-Achsen-Maschine verwendet wird, in der X-, Y- und Z-Richtung für bestimmte Orientierungen genau sen, aber nicht in anderen. Ferner können Probleme nur bei bestimmten Temperaturen oder Temperaturbereichen auftreten. Dementsprechend kann die Erkennung, wann ein Thermokompensationssystem nicht genau funktioniert, schwierig sein.
Der Bedarf an hochgradig gesteuerten Toleranzen in der CNC-Bearbeitung wächst, und die thermische Leistung der CNC-Maschine ist ein wichtiger Teil zur Erreichung enger Toleranzen. Käufer von CNC-Maschinen würden von einem Verfahren zum Charakterisieren des Wärmegangs von CNC-Maschinen profitieren, um sicherzustellen, dass die Maschinen ihre Zieltoleranzen einhalten. Unter Bezugnahme auf 1 bis 5 werden Verfahren zum Charakterisieren des Wärmegangs von CNC-Maschinen und Analysieren der Effektivität ihrer Thermokompensationsmechanismen offenbart. Diese Verfahren können ermöglichen, dass die Thermokompensationsmechanismen einer CNC-Maschine getestet werden, um zu bestätigen, dass die Thermokompensation unter variierenden Bedingungen ordnungsgemäß arbeitet und dass die erforderlichen Toleranzen eingehalten werden. Wenn festgestellt wird, dass die Thermokompensation nicht ordnungsgemäß arbeitet, können die Verfahren die Diagnose und Behebung des Problems bzw. der Probleme unterstützen.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Artefakt 10 bereitgestellt, welches in den offenbarten Verfahren verwendet werden kann. Das Artefakt 10 kann hochpräzise Abmessungen aufweisen und aus einem Material mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) ausgebildet sein. Ein beliebiges Material mit einem geeigneten niedrigen CTE kann für das Artefakt 10 verwendet werden (z. B. weniger als 10 × 10^–6 m/m K). In einer Ausführungsform ist das Artefakt aus einem Gestein oder Mineral ausgebildet, wie beispielsweise Granit. Das Artefakt 10 kann eine beliebige Form aufweisen, jedoch in wenigstens einer Ausführungsform ist es ein rechteckiges Prisma, wie in 1 gezeigt. Das Artefakt 10 kann mehrere Flächen 12 aufweisen. Für ein Artefakt 10, welches ein rechteckiges Prisma ist, können die Flächen als vordere (F), hintere (B), linke (L), rechte (R), obere (T) und untere (BT) bezeichnet werden. Eine oder mehrere Bohrungen 14 können in jeder Fläche 12 ausgebildet sein. Die Bohrungen 14 können hochpräzise Abmessungen (z. B. Submikron-Toleranzen) aufweisen. Falls die Bohrungen 14 beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie in 1 gezeigt, können der Durchmesser und/oder die Tiefe der Bohrungen 14 hochpräzise sein und über einen bestimmten Temperaturbereich so verbleiben. Hochpräzisionshülsen (nicht gezeigt) können in die Bohrungen 14 eingeführt werden, um die Bereitstellung von hochpräzisen Abmessungen des Artefakts ferner zu unterstützen. Die Hülsen können auch aus einem Material mit niedrigem CTE ausgebildet sein und können sehr hochpräzise Abmessungen aufweisen (z. B. Submikron-Toleranzen), welche über einen bestimmten Temperaturbereich präzise bleiben (z. B. thermisch qualifizierte Präzision).
Die vordere (F), rechte (R) und obere (T) Fläche 12 des Artefakts 10 sind in 1 gezeigt. Jede Fläche 12 wird mit zwei Bohrungen 14 gezeigt, jedoch können einige Flächen null oder eine Bohrung oder mehr als zwei Bohrungen aufweisen. Jeder Bohrung 14 kann eine Bezeichnung basierend auf der Fläche, auf der sie angeordnet ist, und eine Nummer zugewiesen sein. Die in 1 gezeigten sechs Bohrungen 14 können somit als F1, F2, R1, R2, T1 und T2 bezeichnet sein, wie veranschaulicht. Die Bohrungen 14 können eine beliebige Größe (z. B. Durchmesser und Tiefe für eine zylindrische Bohrung) aufweisen, welche der Größe eines Fräs-, Bohr- oder anderen Bearbeitungsprozesses, für den die Maschine programmiert ist, entsprechen kann. Die Bohrungen 14 auf jeder Fläche 12 können ausgerichtet oder zufällig angeordnet sein. Beispielsweise sind die Bohrungen F1 und F2 horizontal ausgerichtet, während R1 und R2 einen diagonalen Abstand bzw. eine diagonale Orientierung aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 2–4 kann das Artefakt 10 an einem Teiletisch 20 einer CNC-Maschine befestigt sein. Obgleich CNC-Maschinen zahlreiche Konfigurationen aufweisen können, sind 2–4 in Bezug auf eine 5-achsige B-über-A-Konfiguration beschrieben. In dieser Konfiguration kann der Teiletisch 20 als B-Tisch bezeichnet werden. Der B-Tisch kann sich um die Z-Achse drehen, wie in 2 gezeigt, so dass das Artefakt ganze 360 Grad von einem Startpunkt (z. B. 0 Grad) gedreht werden kann. Die CNC-Maschine kann programmiert sein, um den B-Tisch auf bestimmte Positionen zu drehen, wie beispielsweise 0, 90, 180 und 270 Grad, wie in 2 gezeigt. Das Artefakt ist in der Position B = 270 Grad gezeigt, und die Positionen 0, 90 und 180 Grad sind gestrichelt gezeigt. Jedoch können zusätzliche oder andere Positionen verwendet werden, beispielsweise Intervalle von 30, 45 oder 60 Grad.
In 2–4 ist die Spindel ausgelegt, um sich in der Z-Achse zu bewegen, der B-Tisch dreht sich um die Z-Achse und der B-Tisch kann auch mittels eines Drehzapfens (nicht gezeigt) um die X-Achse gedreht werden. Der Winkel der Drehung um die X-Achse kann als A-Position bezeichnet werden. In 2 beträgt A 90 Grad, was zu den Bohrungen T1 und T2 der oberen Fläche des Artefakts 10, welche der Spindel zugewandt ist, führt. In 3 ist der B-Tisch immer noch in der Position B = 270 Grad und die Position A wurde auf 0 Grad geändert. Mit dem um die X-Achse gedrehten B-Tisch ist nun eine der Seitenflächen 12 der Spindel zugewandt. Daher sind der Spindel verschiedene Bohrungen 14 zugänglich, wie beispielsweise die Bohrungen R1 und R2. In 4 ist der B-Tisch zu einer Position B von 90 Grad und einer Position A von 180 Grad gedreht. Als Ergebnis wurde das Artefakt 10 relativ zu 3 auf den Kopf gestellt, aber auch um die Z-Achse gedreht (Position B), so dass die gleiche Fläche 14 der Spindel zugewandt ist. Unter Verwendung einer Kombination von Positionen A und B kann das Artefakt 10 gedreht werden, so dass jede Fläche 12 der Spindel zugewandt werden kann (mit Ausnahme der Fläche, welche am Teiletisch 20 befestigt ist). Dies kann ermöglichen, dass jede Bohrung 14 der Spindel zugänglich ist.
Das Artefakt 10 kann verwendet werden, um den Wärmegang einer CNC-Maschine zu charakterisieren, wie beispielsweise eine 5-Achsen-Maschine, wie oben beschrieben. Die Charakterisierung kann für verschiedene Zwecke, einschließlich der Maschinenabnahme und/oder Fehlersuche, verwendet werden. Wie oben beschrieben, schließen Lieferanten von CNC-Maschinen oft Temperaturkompensationsmechanismen in ihren Maschinen ein, um Änderungen in der Position aufgrund von Wärmeausdehnung zu korrigieren. Der offenbarte Wärmegangcharakterisierungsprozess kann es einem Kunden oder potenziellen Kunden ermöglichen, die Genauigkeit und Effektivität der Temperaturkompensationsmechanismen vor der Annahme der Auslieferung oder als Voraussetzung für die abschließende Zahlung (z. B. Maschinenabnahme) zu bewerten. Der Wärmegangcharakterisierungsprozess kann auch ermöglichen, dass Lieferanten von CNC-Maschinen eine Fehlersuche in ihren Thermokompensationsmechanismen unter realen Bedingungen und in einer Vielzahl von Situationen durchführen.
Der Prozess der Wärmegangcharakterisierung (Thermal Growth Characterization, TGC) kann im Allgemeinen eine Antastroutine und einen Trockenzyklus umfassen, welche einen Testzyklus bilden können. Die Sonde kann in die Spindel eingesetzt werden und ersetzt das Werkzeug. Die Antastroutine kann das Prüfen von einer oder mehreren Bohrungen (oder anderen Positionierungsmerkmalen) eines Artefakts umfassen, um die Position des Bohrungszentrums (z. B. X- und Y-Koordinaten) und/oder die Tiefe der Bohrung (beispielsweise Z-Koordinate) zu bestimmen. Positionen außer dem Bohrungszentrum können auch verwendet werden, wie beispielsweise oben/unten oder die Seiten. Die Position kann eine relative Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine sein (z. B. Spindel und Sonde). Durch Drehen des Teiletischs, beispielsweise durch Anpassen der oben beschriebenen Positionen A und B, kann das Artefakt gedreht werden, so dass jede Fläche der Sonde (mit Ausnahme der Fläche, welche am Teiletisch befestigt ist) exponiert wird. Obgleich jede Fläche des Artefakts der Sonde zugewandt ist, können eine, ein Teil oder alle der Bohrungen auf dieser Fläche angetastet werden, um die Position des Bohrungszentrums und/oder der Tiefe zu bestimmen. Das Artefakt kann dann so gedreht werden, dass eine andere Fläche der Sonde gegenüber exponiert ist, und die Messungen können wieder vorgenommen werden. Dieser Prozess kann fortgeführt werden, bis jede Fläche und jede Bohrung angetastet wurde. Falls eine kürzere Antastroutine gewünscht wird, können manche Flächen und/oder Bohrungen in der Antastroutine übersprungen werden. Darüber hinaus kann die Anzahl der angetastenen Flächen und/oder Bohrungen für jeden Zyklus gleich bleiben oder die Antastroutine kann sich von Zyklus zu Zyklus ändern. Beispielsweise kann eine vollständige Antastroutine für den ersten Testzyklus und den letzten Testzyklus durchgeführt werden, aber eine kürzere Antastroutine könnte für einige oder alle der dazwischenliegenden Testzyklen durchgeführt werden, um die Gesamtzeit des TGC-Prozesses zu reduzieren.
Die Antastroutine kann mit eingeschalteten oder ausgeschalteten Mechanismen der Thermokompensation (Thermal Compensation, TC) der CNC-Maschine durchgeführt werden. In wenigstens einer Ausführungsform wird die Antastroutine einmal mit ausgeschalteter Thermokompensation und dann wieder mit eingeschalteter Thermokompensation (oder umgekehrt) durchgeführt. Das Durchführen der Antastroutine mit eingeschalteter oder ausgeschalteter TC kann zusätzlichen Einblick in die Effektivität und/oder Genauigkeit der Thermokompensation liefern. Während der Antastroutine kann die Thermokompensation in beliebigen Intervallen ein- oder ausgeschaltet werden. Beispielsweise können alle Bohrungen mit ausgeschalteter TC gemessen werden und dann kann die Antastroutine wieder mit eingeschalteter TC durchgeführt werden. Alternativ kann die TC während der Antastung einer jeden Fläche oder der Antastung jeder Bohrung aus- und eingeschaltet werden. Beispielsweise können die Bohrungen der oberen Fläche (z. B. T1 und T2) vor dem Drehen des Artefakts mit ausgeschalteter TC angetastet werden und dann erneut mit eingeschalteter TC angetastet werden, so dass eine andere Fläche der Sonde gegenüber exponiert ist.
Nach (oder vor) der Antastroutine kann ein Trockenzyklus von der CNC-Maschine durchgeführt werden. Ein Trockenzyklus kann einige oder alle der normalen Routinen, welche von einer CNC-Maschine bei der Bearbeitung eines Werkstücks durchgeführt werden, umfassen. Zusätzlich zu den grundlegenden Bearbeitungsprozessen, wie beispielsweise Drehen der Spindel und Bewegen des Teiletischs, können andere Prozesse, welche während einer Bearbeitungsoperation auftreten, ebenfalls im Trockenzyklus enthalten sein. Beispielsweise kann der Trockenzyklus Werkzeugwechsel, Eilgänge, A/B-Indexierung, Drehzahl/Vorschub oder andere Prozesse umfassen. Dementsprechend kann der Trockenzyklus einige oder alle der Operationen simulieren, welche normalerweise innerhalb des CNC-Bearbeitungszentrums auftreten würden, aber ohne installiertes Werkzeug oder reales Werkstück.
Vor dem ersten Testzyklus kann eine Sondenkalibrierung oder ein Genauigkeitsverfahren durchgeführt werden. In einer Ausführungsform kann ein Gerätefähigkeitstest (Gage R&R) vor den Testzyklen durchgeführt werden, Gage-R&R-Tests (Repeatability and Reproducibility, Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit) sind Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet bekannt und werden nicht im Detail erläutert. Kurz gesagt, messen Gage-R&R-Tests den Level der Variabilität, welche durch das Messsystem selbst bewirkt wird, und vergleichen diese mit der beobachteten Gesamtvariabilität, um die Durchführbarkeit des Messsystems zu bestimmen. Die Wiederholbarkeit betrifft die Variation in Messungen, welche von einer bestimmten Person bzw. einem bestimmten Instrument für das gleiche Ziel und unter den gleichen Bedingungen durchgeführt werden. Die Reproduzierbarkeit betrifft die Variation, welche bewirkt wird, wenn verschiedene Bediener oder Instrumente das gleiche Ziel messen. Der erforderliche Level der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, um den Gage-R&R-Test zu bestehen, kann von Kunde zu Kunde (oder Lieferant zu Lieferant usw.) variieren. Beispielsweise können einige Prozesse einen R&R von bis zu 5%, bis zu 10%, bis zu 15% oder anderen erfordern. Das Sondenkalibrierungs- oder Genauigkeitsverfahren (z. B. Gage R&R) kann an einer einzigen Artefaktposition durchgeführt werden, wie beispielsweise A = 90 und B = 0, oder es kann an mehreren Artefaktpositionen durchgeführt werden.
In wenigstens einer Ausführungsform kann der TGC-Prozess von einem Kaltstart initiiert werden. Ein Kaltstart kann das Starten der Maschine umfassen, nachdem sie lange genug abgeschaltet wurde, um sich auf Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur) zu kühlen. Je nach Maschinentyp, Größe, Umgebungsbedingungen und anderen Faktoren, kann die erforderliche Abschaltzeit, um Umgebungsbedingungen zu erreichen, variieren. Im Allgemeinen, wenn die Maschine für einen Zeitraum von 24 Stunden steht, wird die Umgebungstemperatur erreicht, es kann jedoch 12, 10, 8, 6 Stunden oder weniger dauern. Der TGC-Prozess kann bei jeder Umgebungstemperatur der Maschine während des Betriebs durchgeführt werden. Dementsprechend wird in wenigstens einer Ausführungsform kein Gehäuse (z. B. Abzeltung) um die Maschine angeordnet und keine externe Wärmung oder Kühlung (außerhalb typischer Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen von Gebäuden) wird durchgeführt. In einer anderen Ausführungsform kann die Umgebungstemperatur jedoch innerhalb eines bestimmten Bereichs gesteuert werden. Beispielsweise kann die Umgebungstemperatur innerhalb von 20–30°C oder einem Teilbereich darin, wie beispielsweise 24 ± 2°C, gesteuert werden. Im Allgemeinen kann eine ausreichende Vorbereitung für den TGC-Prozess das Einrichten einer CNC-Maschine am Morgen oder Nachmittag, das Akklimatisieren der Maschine und das Durchführen eines Kaltstarts am folgenden Morgen umfassen.
Wenn der TGC-Prozess von einem Kaltstart gestartet wird, können die CNC-Maschinenkomponenten einen breiteren Temperaturbereich erfahren. Beispielsweise starten die CNC-Maschinenkomponenten bei Umgebungstemperatur und können eine stationäre Temperatur während des TGC-Prozesses erreichen. Dies kann ermöglichen, dass der TGC-Prozess mehr Temperatur- und Sondenpositionsdatenpunkte analysiert, als wenn der Prozess auf einer aufgewärmten Maschine gestartet wurde. Obgleich es Vorteile gibt, mit einem Kaltstart zu starten, kann der TGC-Prozess von einem Nicht-Kaltstart initiiert werden (z. B. Maschine oberhalb der Umgebungstemperatur).
Nachdem die CNC-Maschine gestartet wurde und das optionale Sondenkalbrierungs- oder Genauigkeitsverfahren abgeschlossen ist, kann der erste Testzyklus durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, kann der Testzyklus eine Antastroutine gefolgt von einem Trockenzyklus (oder umgekehrt) umfassen. Während der Antastroutine können einige oder alle der Bohrungen im Artefakt in Bezug auf ihre Bohrungszentrumskoordinaten (z. B. X, Y und Z) oder beliebige andere geeignete Referenzposition gemessen werden. Die Position des Bohrungszentrums (oder anderen Referenzpunkts) kann für die CNC-Maschine (z. B. für die Spindel und Sonde) relevant sein. In einer Ausführungsform kann die Antastroutine während des ersten Zyklus eine Referenzposition für jede Bohrung festlegen, welche der programmierten oder beabsichtigten relativen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine entspricht. In einer anderen Ausführungsform kann die Referenzposition für jede Bohrung bekannt und in einem Speicher vor dem ersten Testzyklus gespeichert sein (z. B. von einer vorherigen Antastroutine). Während nachfolgenden Testzyklen können die relativen Positionen jeder Bohrung mit der Referenzposition für die Bohrung verglichen werden, um eine Abweichung von der Referenzposition zu bestimmen. Die Antastroutine kann Messungen mit ausgeschalteter oder eingeschalteter Thermokompensation umfassen, wie oben beschrieben. Jede Fläche und Bohrung kann angetastet werden oder eine repräsentative oder statistisch ausreichende Anzahl kann angetastet werden. Die Sondenmessdaten werden aufgezeichnet und für jeden Zyklus gespeichert.
Nach Abschluss der Antastroutine kann ein Trockenzyklus von der CNC-Maschine durchgeführt werden. Der Trockenzyklus kann einen beliebigen oder alle der programmierten Schritte für eine CNC-Bearbeitungsoperation (z. B. Fräs- oder Bohroperation) umfassen, jedoch sind das Werkzeug und das Werkstück nicht während des Trockenzyklus eingeschlossen. Der Trockenzyklus kann Operationen wie Werkzeugwechsel, Eilgänge, A/B-Indexierung, Drehzahl/Vorschub oder andere Prozesse umfassen. Der Trockenzyklus simuliert daher eine tatsächliche CNC-Bearbeitungsoperation genau, was zu genauen Temperaturänderungen innerhalb der Maschine führt. Temperatursensoren innerhalb der Maschine, beispielsweise an der Maschinenbasis, einer Befestigung, dem Artefakt, der Spindel oder dem Spindellager und Motor, dem Kugelgewindetrieb, dem Teiletisch, dem Drehzapfen, dem Maschinenständer, dem Bett usw. befestigt, können Temperaturdaten während des Testzyklus messen, aufzeichnen und speichern. Die Temperaturdaten können in festgelegten Intervallen während des gesamten Testzyklus (manuell oder programmiert), beim Start und Ende des Testzyklus, kontinuierlich während des gesamten Testzyklus oder gemäß einem beliebigen anderen geeigneten Algorithmus gemessen und aufgezeichnet werden. Die Temperatursensoren, welche verwendet werden, um die Temperaturdaten während des Testzyklus aufzuzeichnen, können die gleichen Sensoren sein, die von CNC-Maschinen-Temperaturkompensationsmechanismen verwendet werden, oder sie können zusätzliche Sensoren sein, die für den TGC-Prozess zur Maschine hinzugefügt werden (oder eine Kombination von beiden).
Die Länge des Trockenzyklus kann basierend auf dem Typ der CNC-Maschine und dem Typ der simulierten Bearbeitungsoperation variieren. In einer Ausführungsform weist der Trockenzyklus eine Länge von 5 bis 60 Minuten oder einen beliebigen Teilbereich darin auf. Beispielsweise kann der Trockenzyklus 10 bis 50 Minuten, 15 bis 45 Minuten oder 15 bis 30 Minuten lang dauern. Am Ende des Trockenzyklus kann der Testzyklus abgeschlossen sein. Die Temperaturdaten können dann analysiert werden, um zu bestimmen, ob zusätzliche Testzyklen durchgeführt werden sollten. In wenigstens einer Ausführungsform werden, falls die Differenz zwischen der Maximaltemperatur und der Minimaltemperatur über eine bestimmte Zeitdauer kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, keine weiteren Testzyklen durchgeführt. Falls die Temperaturdifferenz den vorbestimmten Wert überschreitet, wird ein weiterer Testzyklus (z. B. Antastroutine und Trockenzyklus) durchgeführt.
Der vorbestimmte Wert und die Zeitdauer können basierend auf dem Typ der CNC-Maschine und dem Typ der simulierten Bearbeitungsoperation variieren. In einer Ausführungsform ist der vorbestimmte Wert von 0,5 bis 5°C oder ein beliebiger Teilbereich darin. Beispielsweise kann der vorbestimmte Wert von 0,5 bis 4°C, 0,5 bis 3,0°C oder 0,5 bis 2,0°C sein, einschließlich 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 3,0, 3,5 oder 4,0°C. In einer Ausführungsform kann die Zeitdauer von 0,25 bis 2 Stunden oder ein beliebiger Teilbereich darin sein. Beispielsweise kann die Zeitdauer 0,5 Stunden, 1 Stunde oder 1,5 Stunden sein. Die Zeitdauer, über der die Temperaturdifferenz bestimmt wird, kann ein sich bewegendes Zeitfenster sein. Falls die Zeitdauer beispielsweise eine Stunde beträgt, kann für jede Temperaturmessung die Temperatur zum Zeitpunkt der Messung mit der Temperatur eine Stunde vor der Messung verglichen werden. Alternativ könnten die Temperaturdifferenzen in regelmäßigen Intervallen verglichen werden. Beispielsweise jede Stunde nach dem Start des ersten Zyklus (z. B. beim Start um 9.00 Uhr Überprüfung um 10.00 Uhr, 11.00 Uhr, am Mittag, 13.00 Uhr usw.).
In wenigstens einer Ausführungsform kann eine minimale Zeit für den TGC-Prozess eingestellt werden. Das Durchführen des TGC-Prozesses für wenigstens eine bestimmte Zeitdauer kann sicherstellen, dass die CNC-Maschine einen stationären Zustand der Temperatur erreicht oder ungefähr dort ist oder sich nähert. Es kann auch wenigstens eine bestimmte Anzahl von Antastroutinen und Trockenzyklen ermöglichen, welche durchgeführt werden, um ausreichende Daten zur Analyse zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann die minimale Laufzeit für den TGC-Prozess wenigstens eine Stunde, zum Beispiel wenigstens 1, 2, 3 oder 4 Stunden, betragen. Dementsprechend wird der TGC-Prozess, falls der TGC-Prozess kürzer als die minimale Laufzeit ausgeführt wurde und die Temperaturdifferenz nach einem Trockenzyklus unter dem vorbestimmten Wert liegt, nicht beendet. Stattdessen können zusätzliche Testzyklen durchgeführt werden, bis die minimale Laufzeit erreicht ist. Falls der TGC-Prozess die minimale Laufzeit ausgeführt wurde und die Temperaturdifferenz unter dem vorbestimmten Wert liegt, kann der TGC-Prozess ohne Ausführung von zusätzlichen Testzyklen beendet werden. Falls die Temperaturdifferenz über dem vorbestimmten Wert liegt, kann die minimale Laufzeit keinen Effekt auf den TGC-Prozess haben.
In wenigstens einer Ausführungsform kann eine maximale Zeit für den TGC-Prozess eingestellt werden. Die maximale Zeit kann eingestellt werden, so dass der TGC-Prozess in einem einzigen Tag durchgeführt werden kann, was ermöglichen kann, dass ein potenzieller Kunde die Maschinenabnahme am gleichen Tag wie den TGC-Prozess bestimmen kann. Die maximale Zeit kann auch verhindern, dass der TGC-Prozess über die Abschaltzeit der Einrichtung, in der der TGC-Prozess durchgeführt wird, hinaus ausgeführt wird, so dass keine zusätzliche personelle Überwachung erforderlich ist. Zusätzlich kann eine maximale Zeit eingestellt werden, welche einer Zeitdauer entspricht, nach der die stationäre Temperatur der CNC-Maschine erreicht sein sollte. CNC-Maschinen erhöhen ihre Temperatur in der Regel nicht auf unbestimmte Zeit, es sei denn, es gibt ein Problem oder eine Fehlfunktion. Die maximale Zeit kann daher dazu dienen, den TGC-Prozess einzustellen, so dass die Quelle des Problems ermittelt und angesprochen werden kann. In einer Ausführungsform kann die maximale Laufzeit für den TGC-Prozess weniger als oder gleich 24 Stunden betragen. Beispielsweise kann die maximale Laufzeit weniger als oder gleich 18 Stunden, 12 Stunden, 8 Stunden oder 6 Stunden betragen. Dementsprechend kann, falls die Laufzeit des TGC-Prozesses länger als die maximale Zeit ist oder diese überschreitet, der TGC-Prozess gestoppt werden, selbst falls die Temperaturdifferenz den vorbestimmten Wert überschreitet. Falls die Laufzeit des TGC-Prozesses kürzer als die maximale Zeit ist, können zusätzliche Testzyklen durchgeführt werden (falls die Temperaturdifferenz über dem vorbestimmten Wert liegt).
Die minimalen und maximalen Zeiten für den TGC-Prozess können abhängig von mehreren Faktoren variieren, einschließlich der Art der CNC-Maschine, der Antastroutinen- und Trockenzykluszeiten, der Umgebungstemperatur, der Art und der Anzahl von Operationen, welche während des Trockenzyklus durchgeführt werden, oder anderen. Dementsprechend können die minimalen und maximalen Zeiten von den oben beschriebenen abweichen. Ferner können die minimalen und maximalen Zeiten für den TGC-Prozess weggelassen werden. Beispielsweise kann, falls es wünschenswert ist, den TGC-Prozess so schnell wie möglich durchzuführen, die minimale Zeitanforderung entfernt werden, so dass der Prozess beendet wird, sobald die Temperaturdifferenzanforderung erfüllt ist. Auf ähnliche Weise kann, falls es erwünscht ist, einen äußerst gründlichen TGC-Prozess durchzuführen und Zeit- oder potenzielle Maschinenprobleme keine Bedenken sind, die maximale Zeitanforderung entfernt werden, so dass der TGC-Prozess auf unbestimmte Zeit fortgeführt wird, bis die Temperaturdifferenzanforderung erfüllt wird oder der Prozess manuell gestoppt wird.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Flussdiagramm des TGC-Prozesses 100 gemäß einer Ausführungsform gezeigt. Bei Schritt 102 wird der TGC-Prozess initiiert Bei Schritt 104 wird die CNC-Maschine bei Umgebungstemperatur kalt gestartet und ein Gage-R&R-Test wird an der Sonde durchgeführt. Falls die Ergebnisse des Gage-R&R-Tests akzeptabel sind, wird ein Testzyklus bei Schritt 106 durchgeführt. Der Testzyklus umfasst einen Antastschritt 108 und einen Trockenzyklusschritt 110. Während des ersten Testzyklus kann der Antastschritt 108 eine Referenzstelle für jede Bohrung einrichten, wie oben beschrieben. Bei anschließenden Testzyklen kann der Antastschritt 108 die Position jeder einzelnen Bohrung messen, welche relativ zur CNC-Maschine sein kann. Die Abweichung jeder Bohrungsposition von der Referenzstelle kann auch berechnet werden. Die Positions-, Abweichungs- und Temperaturdaten können während jedes Testzyklus 106 aufgezeichnet und gespeichert werden.
Nach dem Testzyklus erfolgt eine Temperaturdifferenzberechnung bei Schritt 112. Falls die Differenz zwischen der maximalen Temperatur und der minimalen Temperatur größer als 1°C in der letzten Stunde ist (d. h. Tmax – Tmin ist nicht kleiner als 1°C in der letzten Stunde), wird bestimmt, dass die Temperatur nicht bei oder nahe einem stationären Zustand ist. Falls die Temperaturdifferenz in der letzten Stunde nicht kleiner als 1°C ist, wird die Laufzeit des TGC-Prozesses bei Schritt 114 mit der maximalen Laufzeit von 8 Stunden verglichen. Falls der TGC-Prozess 8 Stunden lang oder länger nicht ausgeführt wurde, wird ein erneuter Testzyklus bei Schritt 106 ausgeführt. Falls der TGC-Prozess 8 Stunden oder länger läuft, werden keine zusätzlichen Testzyklen durchgeführt und ein zweiter Gage-R&R-Test wird bei der Sonde bei Schritt 118 durchgeführt.
Falls bei der Temperaturdifferenzberechnung bei Schritt 112 bestimmt wird, dass die Differenz zwischen der maximalen Temperatur und der minimalen Temperatur kleiner als 1°C in der letzten Stunde ist (d. h. Tmax – Tmin ist kleiner als 1°C in der letzten Stunde), wird bestimmt, dass die Temperatur bei oder nahe einem stationären Zustand ist. Falls die Temperaturdifferenz in der letzten Stunde kleiner als 1°C ist, wird die Laufzeit des TGC-Prozesses bei Schritt 116 mit der minimalen Laufzeit von 3 Stunden verglichen. Falls der TGC-Prozess 3 Stunden lang nicht ausgeführt wurde, wird ein erneuter Testzyklus in Schritt 106 ausgeführt. Falls der TGC-Prozess 3 Stunden läuft, werden keine zusätzlichen Testzyklen durchgeführt und ein zweiter Gage-R&R-Test wird bei der Sonde bei Schritt 118 durchgeführt. Nach dem zweiten Gage-R&R-Test wird der TGC-Prozess bei Schritt 120 beendet.
Der in 5 gezeigte TGC-Prozess 100 ist ein Beispiel eines TGC-Prozesses und ist nicht einschränkend in Bezug auf den offenbarten Wärmegangcharakterisierungsprozess. Wie oben beschrieben, können die Parameter, wie beispielsweise die minimale Zeit, die maximale Zeit, die Temperaturdifferenz und die Temperaturdifferenzzeitperiode, abhängig von der CNC-Maschine, der Art und Länge der Antastroutine und des Trockenzyklus und anderen Faktoren variieren. Ferner sind möglicherweise nicht alle Schritte im Prozess 100 erforderlich, wie oben beschrieben. Beispielsweise können die minimalen und/oder maximalen Zeitanforderungen entfernt werden. Darüber hinaus kann der Gage-R&R-Test durch eine andere Sondenkalibrierung oder einen anderen Genauigkeitstest ersetzt werden, oder er kann ganz entfernt werden.
Im Anschluss an einen TGC-Prozess können Temperatur-, Positions- und Abweichungsdaten abgerufen und analysiert werden. Die Daten können zum Bestimmen, ob die Thermokompensationsmechanismen der CNC-Maschine angemessen funktionieren, verwendet werden. Abhängig vom Benutzer, Kunden oder Lieferanten kann der Betrag der Abweichung, welche von der referenzbezogenen/beabsichtigten relativen Position der Sonde akzeptabel ist, unterschiedlich sein. Bei Anwendungen, bei denen sehr enge Toleranzen erforderlich sind, kann die akzeptable Abweichung klein sein. Falls enge Toleranzen jedoch nicht erforderlich sind, kann die akzeptable Abweichung relativ hoch sein. Ferner kann sich die akzeptable Abweichung abhängig davon, welche Achse analysiert wird, ändern. Beispielsweise kann die Z-Achsen-Abweichung bei einigen Anwendungen nicht so wichtig wie die X- und Y-Achsen-Abweichungen sein (oder umgekehrt). In einer Ausführungsform kann die akzeptable Abweichung in einer oder allen Richtungen innerhalb von 1 bis 50 μm, oder einem Teilbereich darin, wie beispielsweise 5 bis 30 μm, 5 bis 25 μm, 5 bis 15 μm oder bei etwa 10 μm, liegen.
Die erfassten Abweichungsdaten können verwendet werden, um die Effektivität der Thermokompensationsmechanismen der Maschine zu analysieren, eine Fehlersuche dieser Mechanismen durchzuführen, eine Kauf- oder Maschinenabnahmeentscheidung zu treffen oder für einen beliebigen anderen Zweck. Falls die Thermokompensation für die Abweichungsanforderungen effektiv funktioniert, kann ein Kunde eine Auslieferung der Maschine akzeptieren, eine Zahlung abschließen oder anderweitig einen Kaufvertrag abschließen. Ein Maschinenlieferant kann den TGC-Prozess verwenden, um eine Qualitätskontrolle der Maschinen und ihrer Thermokompensationsmechanismen durchzuführen. Falls festgestellt wird, dass die Thermokompensationsmechanismen nicht ausreichend gut in einer oder mehreren Achsen funktionieren, kann ein Kunde die Auslieferung oder Zahlung verweigern oder den Lieferanten auffordern, die erforderlichen Anpassungen vorzunehmen, um den Abweichungsanforderungen zu entsprechen. Ein Maschinenlieferant kann auch einen fehlgeschlagenen TGC-Prozess verwenden, um Probleme mit Thermokompensationsmechanismen zu beheben. Beispielsweise können die in den Thermokompensationsalgorithmen verwendeten Berechnungen ungenau sein oder Temperatursteuermechanismen (z. B. Kühlsysteme, Ventilatoren usw.) können nicht ordnungsgemäß funktionieren.
Die während des Wärmegangcharakterisierungsprozesses erfassten Temperaturdaten können auch bei der Beurteilung der Effektivität der Thermokompensationsmechanismen oder bei der Fehlersuche nützlich sein. Falls der TGC-Prozess beispielsweise die maximal zulässige Laufzeit läuft, kann dies ein Zeichen sein, dass mit der Maschine etwas nicht stimmt. Im Allgemeinen erreichen CNC-Maschinen relativ stationäre Temperaturen innerhalb von 6–10 Stunden. Falls die Maschine 8 Stunden läuft und die Temperatur weiterhin ansteigt, kann deshalb ein Problem mit der Maschine vorliegen. Bei Maschinen, welche eine relativ stationäre Temperatur erreichen, zeigen die Temperaturdaten, wie schnell ein stationärer Zustand auftritt und welche Temperaturen die verschiedenen Maschinenkomponenten erfahren.
Um zusätzlichen Kontext für verschiedene Aspekte der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen, soll die nachfolgende Diskussion eine kurze, allgemeine Beschreibung einer geeigneten Rechenumgebung bereitstellen, in der die verschiedenen Aspekte der Offenbarung implementiert werden können. Obgleich eine oder mehrere Ausführungsformen der Offenbarung den allgemeinen Kontext von computerausführbaren Anweisungen betreffen, welche auf einem oder mehreren Computern ausgeführt werden können, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass der Gegenstand auch in Kombination mit anderen Programmmodulen und/oder als Kombination von Hardware und Software implementiert werden kann.
Im Allgemeinen umfassen Programmmodule Routinen, Programme, Komponenten, Datenstrukturen usw., welche bestimmte Aufgaben durchführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. Darüber hinaus werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass Aspekte der erfindungsgemäßen Verfahren mit anderen Computersystemkonfigurationen ausgeführt werden können, einschließlich Einzelprozessor- oder Multiprozessor-Computersysteme, Minicomputer, Mainframe-Computer sowie Personal Computer, handgehaltene drahtlose Rechenvorrichtungen, mikroprozessorbasierte oder programmierbare Verbraucherelektronik und dergleichen, welche alle operativ mit einer oder mehreren zugeordneten Vorrichtungen gekoppelt sein können. Aspekte der Offenbarung können auch in verteilten Rechenumgebungen ausgeführt werden, in denen bestimmte Aufgaben durch entfernte Verarbeitungsvorrichtungen, welche über ein Kommunikationsnetz verbunden sind, durchgeführt werden. In einer verteilten Rechenumgebung können Programmmodule sowohl in lokalen als auch entfernten Speichervorrichtungen angeordnet sein.
Die offenbarten Verfahren und Prozesse können von einem Computer oder Computern, welche Teil einer CNC-Maschine sein können (oder anderweitig in Kommunikation mit der Maschine sind), durchgeführt werden. Alternativ können Daten von der CNC-Maschine erzeugt und an einen Computer, welcher nicht in Kommunikation mit der CNC-Maschine ist, übertragen werden. Unter Bezugnahme auf 6 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Computersystems 200, welches verwendet wird, um die offenbarten Funktionen durchzuführen, gezeigt. Das Computersystem kann eine Steuerung 202, wie beispielsweise einen Prozessor oder Mikroprozessor, umfassen. Es kann ferner einen Speicher 204 und RAM 206 umfassen. Der Computer kann einen Eingang 208, wie beispielsweise eine Maus, eine Tastatur oder eine andere Schnittstelle, und einen Ausgang 210, wie beispielsweise eine Anzeige, aufweisen. Das Computersystem kann Informationen von der CNC-Maschine 212 empfangen, wie beispielsweise Zeit, Temperatur, Position, Abweichung und andere Informationen, wie oben beschrieben.
Das Computersystem 200 ist eine vereinfachte schematische Darstellung, und es wird nicht verkannt, dass der/die Computer eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten hiervon) und Software umfassen kann/können, welche zusammen tätig sind, um die hierin offenbarte(n) Operation(en) durchzuführen. Zusätzlich können ein beliebiger oder mehrere der Computer ausgelegt sein, um ein Computerprogramm auszuführen, welches in einem nicht-transitorischen computerlesbaren Medium ausgeführt ist, das programmiert ist, um eine beliebige Anzahl von Funktionen wie offenbart durchzuführen. Im Allgemeinen kann persistenter (nicht-transitorischer) Speicher alle Formen von Speicher umfassen, welche Daten erhalten, wenn ein Computer oder eine andere Vorrichtung ausgeschaltet ist. Diese umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Festplattenlaufwerke, CDs, DVDs, Magnetbänder, Solid-State-Drives, tragbare USB-Laufwerke und eine beliebige andere geeignete Form von persistentem Speicher.
Eine beispielhafte Umgebung zum Implementieren verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung kann einen Computer, welcher eine Verarbeitungseinheit, einen Systemspeicher und einen Systembus umfasst, umfassen. Der Systembus koppelt Systemkomponenten, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, den Systemspeicher mit der Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit kann ein beliebiger von verschiedenen kommerziell erhältlichen Prozessoren sein. Dual-Mikroprozessoren und andere Multiprozessor-Architekturen können auch als Verarbeitungseinheit verwendet werden.
Der Systembus kann eine beliebige von mehreren Arten von Busstrukturen sein, welche sich ferner mit einem Speicherbus (mit oder ohne Speichersteuerung), einem Peripheriebus und einem lokalen Bus unter Verwendung einer Vielzahl von kommerziell erhältlichen Busarchitekturen verbinden können. Der Systemspeicher kann Nur-Lese-Speicher (ROM) und/oder Direktzugriffsspeicher (RAM) enthalten. Ein Basic Input/Output System (BIOS) ist in einem nicht-flüchtigen Speicher, wie beispielsweise ROM, EPROM, EEPROM, gespeichert, wobei das BIOS die Basisroutinen enthält, welche bei der Übertragung von Informationen zwischen Elementen innerhalb des Computers, wie beispielsweise während des Starts, helfen. Das RAM kann auch ein Hochgeschwindigkeits-RAM umfassen, wie beispielsweise statisches RAM zum Zwischenspeichern von Daten.
Eine Anzahl von Programmmodulen kann in den Laufwerken und im RAM gespeichert sein, einschließlich eines Betriebssystems, eines oder mehrerer Anwendungsprogramme, anderer Programmmodule und Programmdaten. Alle oder Teile des Betriebssystems, der Anwendungen, der Module und/oder der Daten können auch im RAM zwischengespeichert werden. Es ist zu beachten, dass der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung mit verschiedenen kommerziell erhältlichen Betriebssystemen oder Kombinationen von Betriebssystemen implementiert werden kann.
Der Computer kann in einer vernetzten Umgebung unter Verwendung von logischen Verbindungen über drahtgebundene und/oder drahtlose Kommunikation zu einem oder mehreren Remote-Computern arbeiten. Der/die Remote-Computer kann/können eine Workstation, ein Server-Computer, ein Router, ein Personal Computer, ein tragbarer Computer, ein persönlicher digitaler Assistent, eine Mobilvorrichtung, ein mikroprozessorbasiertes Unterhaltungsgerät, eine Peer-Vorrichtung oder ein anderer üblicher Netzknoten sein und viele oder alle der relativ zum Computer beschriebenen Elemente umfassen. Die dargestellten logischen Verbindungen umfassen drahtgebundene/drahtlose Konnektivität zu einem Local Area Network (LAN) und/oder größeren Netzen, wie beispielsweise Wide Area Network (WAN). Solche LAN- und WAN-Netzumgebungen sind in Büros und Unternehmen alltäglich und ermöglichen unternehmensweite Computernetze, wie beispielsweise Intranets, welche sich alle mit einem globalen Kommunikationsnetz, wie beispielsweise dem Internet, verbinden können.
BEISPIELE
Unter Bezugnahme auf 7–10 werden Beispiele von Temperatur- und Abweichungsdaten, welche unter Verwendung der offenbarten TGC-Prozesse erfasst wurden, gezeigt. 7 zeigt Temperaturdaten von Sensoren, welche am CNC-Maschinenbett und an der CNC-Maschinenspindel angebracht sind. Wie in der graphischen Darstellung zu sehen ist, steigt die Spindeltemperatur schnell aus dem Kaltstart vor einer Erhöhung mit einer graduelleren Rate an. Im Gegensatz dazu weist die Betttemperatur einen graduelleren Temperaturanstieg aus dem Kaltstart auf. Abhängig von der minimalen Laufzeit, Temperaturdifferenz und Temperaturdifferenzzeitperiode könnte ein Wärmegangcharakterisierungsprozess mit den Temperaturdaten aus 7 weiterhin zusätzliche Testzyklen durchführen oder er könnte aufgrund der Verlangsamung des Temperaturanstiegs gestoppt werden.
8 und 9 zeigen Testdaten für zwei Bohrungen in einem Artefakt, Bohrung 1 (B1) und Bohrung 2 (B2). Die Bohrungen wurden in den X-, Y- und Z-Richtungen ohne und mit Thermokompensation der CNC-Maschine (jeweils „woc” und „wc”) angetastet. Die akzeptable lineare Abweichung für diese Tests war 10 μm mit eingeschalteter Thermokompensation. Wie in 8 und 9 gezeigt, bleiben die Y- und Z-Abweichungen beider Bohrungen innerhalb von 10 μm von ihrer Start-/Referenzposition mit eingeschalteter Thermokompensation. Die Y-Abweichung bleibt innerhalb von 10 μm selbst mit ausgeschalteter Thermokompensation, und die Z-Abweichung kommt sehr nahe an die Grenze von 10 μm mit ausgeschalteter Thermokompensation nahe des Ende des Tests. Im Gegensatz dazu überschreitet die X-Abweichung der beiden Bohrungen die akzeptable Grenze von 10 μm jedoch signifikant mit ausgeschalteter und mit eingeschalteter Thermokompensation. Dementsprechend hat der TGC-Prozess erkannt, dass die X-Achsen-Thermokompensation nicht effektiv arbeitet.
10 zeigt Testdaten für die X-Abweichung von sechs Bohrungen (F1, F2, L1, L2, R1, R2) in einem Artefakt. Die Testdaten wurden im Anschluss an eine Korrektur des Thermokompensationsmechanismus einer CNC-Maschine erfasst, welche eine Abnahmeanforderung von 10 μm in der X-Richtung nicht erfüllte (wie beispielsweise in 7–8 gezeigt). Nach der Korrektur des Thermokompensationsmechanismus wurde ein weiterer TGC-Prozess bei sechs Bohrungen mit eingeschalteter Thermokompensation durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Korrekturen ausreichend waren. Die Daten für die X-Achsen-Abweichung jeder Bohrung werden gezeigt, wobei das Daten-Offset eine einheitliche Startposition aufweist. Wie in der graphischen Darstellung gezeigt wird, liegt jede der X-Achsen-Abweichungen gut innerhalb der Grenze von 10 μm. In der Tat liegt jede Bohrung innerhalb von 5 μm von der Referenzposition.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Beschreibung verwendeten Worte beschreibende und nicht beschränkende Worte, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Verfahren, umfassend: Montieren eines Artefakts mit einer Bohrung auf einer CNC-Maschine; Bestimmen einer ersten Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und einer zweiten Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂, welche höher als T₁ ist; und Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position, um eine thermische Stabilität der CNC-Maschine zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Betrieb der CNC-Maschine, um die Temperatur von T₁ auf T₂ zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die CNC-Maschine eine Spindel und Sonde umfasst und der Bestimmungsschritt das Bestimmen einer ersten und zweiten Position der Artefaktbohrung relativ zur Spindel und Sonde umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend das Messen der Temperatur an einer oder mehreren Positionen auf der CNC-Maschine.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend das Aktivieren eines CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus vor dem Bestimmen der zweiten Position.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens der zweiten Position mit aktiviertem CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus und mit deaktiviertem Thermokompensationsmechanismus durchgeführt wird, und der Rechenschritt das Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position mit aktiviertem und deaktiviertem Thermokompensationsmechanismus umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Artefakt wenigstens zwei Bohrungen umfasst und der Bestimmungsschritt das Bestimmen einer ersten Position jeder Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und einer zweiten Position jeder Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂ umfasst; und der Berechnungsschritt das Berechnen einer Abweichung der zweiten Position jeder Artefaktbohrung von der ersten Position jeder Artefaktbohrung umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bestimmungsschritt ferner das Bestimmen einer Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Mehrzahl von Temperaturen, welche höher als T₁ sind, umfasst; und der Berechnungsschritt das Berechnen einer Abweichung der Position bei jeder der Mehrzahl von Temperaturen von der ersten Position umfasst.
Verfahren, umfassend: Montieren eines Artefakts mit einer Bohrung auf einer CNC-Maschine; Durchführen eines Testzyklus, umfassend: Prüfen der Bohrung des Artefakts, um seine Position relativ zur CNC-Maschine zu bestimmen; und Durchführen eines Trockenzyklus, welcher einen oder mehrere CNC-Bearbeitungsprozesse umfasst; und Berechnen einer Abweichung der Bohrungsposition von einer referenzbezogenen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend das Wiederholen des Testzyklus ein oder mehrere Male und das Berechnen einer Abweichung der Bohrungsposition von einer referenzbezogenen Position zwischen der Bohrung und der CNC-Maschine für jeden Testzyklus.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, ferner umfassend das Überwachen einer Temperatur von wenigstens einer Position auf der CNC-Maschine und das Vergleichen einer Temperatur von der wenigstens einen Position zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ mit einer Temperatur zu einem ersten Zeitpunkt t₁.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei, falls eine Differenz zwischen der Temperatur bei t₂ und der Temperatur bei t₁ größer als ein vorbestimmter Wert ist, ein zusätzlicher Testzyklus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Testzyklen wenigstens eine minimale Zeit und bis zu einer maximalen Zeit, unabhängig von einer Differenz zwischen den Temperaturen bei t₂ und t₁, wiederholt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ferner umfassend das Vergleichen der Abweichung mit einer vorbestimmten Toleranz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Trockenzyklus einen Bohr- oder Fräsprozess umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei der Trockenzyklus ferner eines oder mehrere von einem Werkzeugwechsel, Eilgang, A/B-Indexierung und Drehzahl/Vorschub umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der vorbestimmte Wert im Bereich von 0,5 bis 5,0°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei der Antastschritt mit einem ausgeschalteten Temperatursteuermechanismus und mit eingeschaltetem Temperatursteuermechanismus durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei die CNC-Maschine vor einem ersten Testzyklus bei Umgebungstemperatur ist.
Nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium, welches Anweisungen für die Beurteilung der Effektivität eines CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus speichert, welche, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, die folgenden Funktionen auszuführen: Empfangen von Informationen von einer CNC-Maschine über eine erste Position einer Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₁ und eine zweite Position der Artefaktbohrung relativ zur CNC-Maschine bei einer Temperatur T₂, welche höher als T₁ ist; und Berechnen einer Abweichung der zweiten Position von der ersten Position, um die Effektivität des CNC-Maschinen-Thermokompensationsmechanismus zu bestimmen.