DE102015113890A1

DE102015113890A1 - Machine tool with workpiece position and weight-dependent deflection compensation

Info

Publication number: DE102015113890A1
Application number: DE102015113890.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Altstädter
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-22
Also published as: DE102015113890B4

Abstract

Nach dem erfindungsgemäßen Konzept wird bei einer Werkzeugmaschine die Nachgiebigkeit derselben für mindestens einen Zustand der relativen Position und Orientierung zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) bestimmt. Außerdem wird das Gewicht des Werkstücks (21) sowie die Lage seines Schwerpunkts (22) berücksichtigt und daraus für jede bei der Bearbeitung zu durchlaufende Lage und Position des Werkstücks (21) Korrekturinformation berechnet. Diese wird zur Korrektur der relativen Position zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) genutzt, um die Präzision des Bearbeitungsergebnisses unabhängig von der Nachgiebigkeit des Grundgestells (11) und/oder der Werkstückpositionieranordnung (13) sicher zu stellen. Die Wirksamkeit der Maßnahme ist daran ablesbar, dass auch sehr schwere und weit auskragende Werkstücke, bei denen der Schwerpunkt (22) einen großen Abstand zu der horizontalen Drehachse A und/oder der Drehachse B hat, bei verschiedenen Werkstückpositionen (Drehpositionen) unterschiedliche Korrekturinformation 35 bereitgestellt wird, sodass die Korrekturabweichung des Werkzeugs von der vom CAD-vorgegebenen Idealbahn bei verschiedenen Drehpositionen unterschiedlich ist. Es lässt sich somit nachweisen, dass die Korrekturbewegung des Werkzeugs bei einem schweren Werkstück eine andere ist als bei einem leichten Werkstück. Auch bei gleichbleibender, relativer Orientierung zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) kann sich die Korrekturbewegung bei einer Änderung der relativen Position zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) ändern. Auch bei gleichbleibender, relativer Position zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) kann sich die Korrekturbewegung bei einer Änderung der relativen Orientierung zwischen dem Werkzeug (14) und dem Werkstück (21) ändern.According to the inventive concept, the flexibility of a machine tool is determined for at least one state of the relative position and orientation between the tool (14) and the workpiece (21). In addition, the weight of the workpiece (21) and the position of its center of gravity (22) is taken into account and from this correction information is calculated for each position and position of the workpiece (21) to be traversed during machining. This is used to correct the relative position between the tool (14) and the workpiece (21) to ensure the precision of the machining result regardless of the compliance of the base frame (11) and / or the workpiece positioning assembly (13). The effectiveness of the measure is evident from the fact that even very heavy and far projecting workpieces in which the center of gravity (22) has a large distance from the horizontal axis of rotation A and / or the axis of rotation B, different correction information 35 provided at different workpiece positions (rotational positions) is such that the correction deviation of the tool from the CAD-predetermined ideal orbit at different rotational positions is different. It can thus be demonstrated that the correction movement of the tool is different for a heavy workpiece than for a light workpiece. Even with a constant, relative orientation between the tool (14) and the workpiece (21), the correction movement may change with a change in the relative position between the tool (14) and the workpiece (21). Even with a constant, relative position between the tool (14) and the workpiece (21), the correction movement may change with a change in the relative orientation between the tool (14) and the workpiece (21).

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken.The invention relates to a machine tool, in particular for the machining of workpieces.

Mehrachsige Werkzeugmaschinen können geometrische Fehler aufweisen, die bei der Steuerung der Werkzeugmaschine zur Erreichung eines hochwertigen Bearbeitungsergebnisses zu kompensieren sind. Dazu schlägt beispielsweise die JP-2004-272887A die Berechnung eines Kompensationswerts für die Ansteuerung der Achsen der Werkzeugmaschine auf Basis einer Matrizenoperation vor. Dazu wird eine 4×4 Matrix verwendet, die die Kompensationskoeffizienten enthält. Multi-axis machine tools may have geometric errors that are to be compensated in the control of the machine tool to achieve a high-quality machining result. This suggests, for example, the JP-2004-272887A the calculation of a compensation value for the control of the axes of the machine tool on the basis of a Matrizenoperation. For this a 4 × 4 matrix is used which contains the compensation coefficients.

Die DE 10 2012 209 017 A1 kritisiert diese Vorgehensweise in Bezug auf den Rechenaufwand und die fehlende Flexibilität und will entsprechend ein Verfahren vorschlagen, das lediglich geringen Rechenaufwand erfordert. Dazu wird ein erster Index ermittelt, der einen geometrischen Fehler einer Maschine kompensiert und der eine Abfolge der Verbindungen der Antriebsachsen in der Maschine repräsentiert. Weiter wird ein zweiter Index ermittelt, der eine Abfolge der Verbindungen der Antriebsachsen sowie den geometrischen Fehler repräsentiert. Der erste Vektor wird durch eine Matrixoperation eines Referenzvektors entsprechend einer Information bezüglich der Abfolge der Verbindungen in dem ersten Index ermittelt. Ebenso wird ein zweiter Referenzvektor und dann der Unterschied zwischen den beiden Vektoren als Kompensationswert ermittelt. Hinter der Ermittlung des ersten und des zweiten Index, die jeweils eine Abfolge der Verbindung der Antriebsachsen der Maschinen repräsentieren, verbirgt sich die Koordinatentransformation der geometrischen Fehler der Maschine entsprechend der Achskonfiguration. The DE 10 2012 209 017 A1 criticizes this approach in terms of computational effort and the lack of flexibility and wants to propose a corresponding procedure that requires only little computational effort. For this purpose, a first index is determined, which compensates for a geometric error of a machine and represents a sequence of connections of the drive axes in the machine. Furthermore, a second index is determined, which represents a sequence of the connections of the drive axes as well as the geometric error. The first vector is determined by a matrix operation of a reference vector corresponding to information regarding the sequence of connections in the first index. Likewise, a second reference vector and then the difference between the two vectors is determined as the compensation value. After the determination of the first and the second index, each of which represents a sequence of the connection of the drive axes of the machines, the coordinate transformation of the geometrical errors of the machine is concealed in accordance with the axis configuration.

Es hat sich aber herausgestellt, dass die bei einer Werkzeugmaschine auftretenden Fehler werkstück- und bearbeitungsabhängig sind. Es wird deswegen nach einem einfachen und übersichtlichen Konzept für die Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen gesucht.However, it has been found that the errors occurring in a machine tool are workpiece and machining dependent. It is therefore looking for a simple and clear concept for increasing the machining accuracy of machine tools.

Diese Aufgabe wird mit der Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist eine Steuereinrichtung mit einem Korrekturmodul auf. Das Korrekturmodul ist dazu eingerichtet, der Stellbewegung der Werkzeug- oder Werkstückpositionieranordnung eine von der Linearposition und der Schwenkposition und der Masse und der Geometrie des Werkstücks oder Werkzeugs abhängige Korrekturbewegung zu überlagern, um Verformungen des Maschinengestells und/oder der Werkstückpositioniereinrichtung zu kompensieren. Die nachfolgend auf das Werkstück bezogenen Korrekturmaßnahmen können ebenso für das Werkzeug vorgenommen werden.This object is achieved with the machine tool according to claim 1:
The machine tool according to the invention has a control device with a correction module. The correction module is configured to superimpose on the adjusting movement of the tool or workpiece positioning arrangement a correction movement dependent on the linear position and the pivoting position and the mass and the geometry of the workpiece or tool in order to compensate for deformations of the machine frame and / or the workpiece positioning device. The subsequent corrective actions on the workpiece can also be made for the tool.

Insbesondere Werkstücke mit hohem Gewicht können die Werkzeugmaschine, d.h. deren Maschinengestell, einschließlich Teilen der Werkstückpositioniereinrichtung messbar elastisch verformen. Hinzu kommen die elastischen Verformungen durch Gewichtskräfte der bewegten Maschinenkomponenten. Diese elastischen Verformungen können von der Position eines Vorschubschlittens abhängen. Beispielsweise kann das Werkstück auf einem Schlitten entlang einer Führung auf dem Maschinengestell linear verfahrbar sein. Dabei können an unterschiedlichen Stellen des Verfahrweges unterschiedliche Nachgiebigkeiten auftreten. In particular, high weight workpieces may cause the machine tool, i. whose machine frame, including parts of the workpiece positioning deformable measurable elastic. Added to this are the elastic deformations due to weight forces of the moving machine components. These elastic deformations may depend on the position of a feed carriage. For example, the workpiece can be moved linearly on a carriage along a guide on the machine frame. In this case, different compliances may occur at different points of the travel.

Insbesondere bei Mehrachs-Werkzeugmaschinen, die ein Schwenken und/oder Drehen des Werkstücks um eine oder mehrere Achsen erlauben, kann die Drehposition des Werkstücks Einfluss auf die eintretende Verformung der Maschine haben. Dies gilt insbesondere bei Werkstücken, deren Schwerpunkt nicht auf der betreffenden Dreh- oder Schwenkachse liegt. Hierdurch kann abhängig von der jeweiligen Schwenkposition ein Drehmoment entstehen, das von dem Maschinengestell aufgenommen wird und zu Verformungen desselben führt. Das erfindungsgemäße Korrekturmodul berechnet solche Verformungen anhand der Werkstückposition und des Werkstückgewichts insbesondere anhand von Information über die Werkstückgeometrie. Optional wird dabei die Masse und Geometrie der zusammen mit dem Werkstück bewegten Maschinenkomponenten berücksichtigt. Das Korrekturmodul erstellt somit eine Korrekturbewegung zur Kompensation der Verformung des Maschinengestells einschließlich der Verformung der Werkstückpositionieranordnung. In particular, in multi-axis machine tools that allow pivoting and / or rotation of the workpiece about one or more axes, the rotational position of the workpiece may affect the incoming deformation of the machine. This is especially true for workpieces whose center of gravity is not on the relevant pivot or pivot axis. As a result, depending on the respective pivot position, a torque can arise which is absorbed by the machine frame and leads to deformations thereof. The correction module according to the invention calculates such deformations on the basis of the workpiece position and the workpiece weight, in particular based on information about the workpiece geometry. Optionally, the mass and geometry of the machine components moved together with the workpiece are taken into account. The correction module thus provides a correction movement to compensate for the deformation of the machine frame including the deformation of the workpiece positioning assembly.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die dem Korrekturmodul zu übergebende Eingangsinformation Information über Geometrie und Gewicht des Werkstücks. Zur Information über die Geometrie des Werkstücks gehört vorzugsweise Information über die Position des Schwerpunkts des Werkstücks in Bezug auf eine Aufspann- oder Bezugsfläche desselben. Die Information kann in Gestalt von CAD-Daten über eine entsprechende Eingangsschnittstelle an das Korrekturmodul übergeben werden. Es ist andererseits auch möglich, Information über die Position des Schwerpunkts und/oder das Gewicht des Werkstücks manuell über eine geeignete Eingangsschnittstelle einzugeben. Weiter ist es möglich, das Korrekturmodul dazu einzurichten, aus CAD-Daten des Werkstücks, die zur Bearbeitung desselben ohnehin an die Maschinensteuerung zu übergeben sind, die Position des Schwerpunkts des Werkstücks zu berechnen. Damit sind zusätzliche Eingaben überflüssig, die ein Bediener hinsichtlich des Werkstückgewichts und der Position des Schwerpunkts sonst machen müsste. In an advantageous embodiment, the input information to be transmitted to the correction module includes information about the geometry and weight of the workpiece. Information about the geometry of the workpiece preferably includes information about the position of the center of gravity of the workpiece with respect to a clamping or reference surface thereof. The information can be transferred to the correction module in the form of CAD data via a corresponding input interface. On the other hand, it is also possible to manually input information about the position of the center of gravity and / or the weight of the workpiece via a suitable input interface. It is also possible to use the correction module set up to calculate the position of the center of gravity of the workpiece from CAD data of the workpiece, which are anyway to be passed to the machine control for processing. This eliminates the need for additional inputs that an operator would otherwise have to make in terms of workpiece weight and center of gravity position.

Das Korrekturmodul kann außerdem über positionsabhängige Koeffizientensätze verfügen, wobei verschiedenen Achspositionen, insbesondere der Werkstückpositionieranordnung, unterschiedliche Koeffiziententabellen zugeordnet sein können. Damit können auf einfache Weise ortsabhängige Nachgiebigkeiten des Maschinengestells und/oder der Werkstückpositionieranordnung berücksichtigt werden. Es ist möglich, dass diese Koeffiziententabellen in äquidistanten Abständen entlang der jeweiligen Bewegungsrichtung festgelegt sind. Es ist aber auch möglich, Koeffiziententabellen in kleineren Abständen dort vorzusehen, wo sich die Nachgiebigkeitseigenschaften des Maschinengestells und/oder der Werkstückpositionieranordnung lokal stark ändern. Unabhängig davon, können die Koeffizienten an Stellen, für die keine Koeffiziententabellen vorliegen, anhand der benachbarten Koeffizienten interpoliert werden. Es kann beispielsweise eine lineare, quadratische oder kubische Approximation vorgenommen werden.The correction module can also have position-dependent coefficient sets, with different axis positions, in particular the workpiece positioning arrangement, different coefficients tables can be assigned. In this way, location-dependent resiliencies of the machine frame and / or the workpiece positioning arrangement can be taken into account in a simple manner. It is possible that these coefficient tables are set at equidistant intervals along the respective direction of movement. However, it is also possible to provide coefficient tables at smaller intervals where the resilience properties of the machine frame and / or the workpiece positioning arrangement change greatly locally. Regardless, the coefficients at locations for which there are no coefficient tables can be interpolated based on the adjacent coefficients. For example, a linear, quadratic or cubic approximation can be made.

Das Korrekturmodul kann die Korrekturbewegungen während der Werkstückbearbeitung online oder auch vor Durchführung der eigentlichen Werkstückbearbeitung gewissermaßen auf Vorrat bestimmen.The correction module can to some extent determine the correction movements during workpiece machining online or even before the actual workpiece machining is carried out.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, der Zeichnung oder der nachfolgenden Beschreibung. Diese bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 1 schematisch veranschaulicht ist. Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of claims, the drawings or the description below. This relates to an embodiment of the invention, which in 1 is illustrated schematically.

1 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine mit einer graphischen Veranschaulichung der Informationsverarbeitung in der Steuerung. 1 schematically shows a machine tool with a graphic illustration of the information processing in the controller.

In 1 ist eine Werkzeugmaschine 10 veranschaulicht, die zum Beispiel zur spanenden Werkstückbearbeitung eingerichtet sein kann. Zu der Werkzeugmaschine 10 gehört ein Grundgestell 11, auf oder an dem eine Werkzeugpositionieranordnung 12 und eine Werkstückpositionieranordnung 13 angeordnet sein können. Bei der Werkzeugmaschine 10 handelt es sich um eine mehrachsige Werkzeugmaschine, die vorzugsweise insgesamt fünf Bewegungsachsen aufweist. Dazu kann die Werkzeugpositionieranordnung 12 insgesamt zwei zueinander orthogonale Bewegungsrichtungen X und Y festlegen, in denen ein durch eine strichpunktierte Linie 14 symbolisiertes Werkzeug bewegbar ist. Dieses wird von einer Arbeitsspindel 15 getragen, mit der das Werkzeug um die Linie 14 drehend antreibbar ist. In 1 is a machine tool 10 illustrated, which may be arranged, for example, for cutting workpiece machining. To the machine tool 10 belongs to a basic frame 11 on or on which a tool positioning arrangement 12 and a workpiece positioning assembly 13 can be arranged. At the machine tool 10 it is a multi-axis machine tool, which preferably has a total of five axes of movement. For this purpose, the tool positioning arrangement 12 define a total of two mutually orthogonal directions of movement X and Y, in which one by a dashed line 14 symbolized tool is movable. This is from a work spindle 15 worn, with the tool around the line 14 is rotationally drivable.

Die Arbeitsspindel 15 kann von einem Schlitten 16 getragen sein, der in Y-Richtung (vertikal) bewegbar ist. Ein den Schlitten 16 tragendes Element 17 ist dagegen auf dem Maschinenbett 11 angeordnet und in Horizontalrichtung quer zu der Linie 14 in X-Richtung bewegbar. The work spindle 15 can from a sledge 16 be worn, which is movable in the Y direction (vertical). A sled 16 carrying element 17 is on the machine bed 11 arranged and in the horizontal direction transverse to the line 14 movable in the X direction.

Die Bewegung des Schlittens 16 und des Elements 17 wird durch Stellmotoren bewirkt, die von der Maschinensteuerung 18 gesteuert werden. Außerdem kann die Maschinensteuerung 18 den Antrieb der Arbeitsspindel 15 steuern. Die Maschinensteuerung 18 ist in 1 lediglich auszugsweise als Blockbild veranschaulicht. Die Wirkbeziehung zur Bewegung des Maschinenelements 17 und des Schlittens 16, die in der Praxis durch Leistungselektronik und Stellmotoren gegeben ist, ist in 1 durch Pfeile angedeutet, die durch ein strichpunktiertes Liniennetz 19 an die Maschinensteuerung 18 angeschlossen sind.The movement of the sled 16 and the element 17 is caused by servomotors, by the machine control 18 to be controlled. In addition, the machine control 18 the drive of the work spindle 15 Taxes. The machine control 18 is in 1 only partially illustrated as a block diagram. The operative relationship to the movement of the machine element 17 and the sled 16 , which is given in practice by power electronics and servo motors, is in 1 indicated by arrows, by a dash-dotted line network 19 to the machine control 18 are connected.

Die Werkstückpositionieranordnung 13 weist einen Werkstückaufspannplatz 20 auf, auf dem mittels nicht weiter veranschaulichter Spannmittel ein Werkstück 21 aufspannbar ist. Das Werkstück 21 ist in 1 links gesondert veranschaulicht. Die geometrische Form des Werkstücks 21 wird beispielsweise durch CAD-Daten bestimmt. In 1 ist lediglich eine Beispielsform veranschaulicht. Das Werkstück 21 weist einen Massenschwerpunkt 22 und eine Auflagefläche 23 auf, die beim Spannen auf dem Werkstückaufspannplatz aufliegt und die Position des Werkstücks 21 in Bezug auf den Werkstückaufspannplatz 20 bestimmt. Damit ist zugleich die Position des Schwerpunkts 22 in Bezug auf einen Koordinatenursprung 24 eines werkstückfesten Koordinatensystems festgelegt. Der Schwerpunkt 22 ist vorzugsweise der Schwerpunkt des fertig bearbeiteten Werkstücks 21, nicht der Schwerpunkt eines etwaigen Rohlings. Die Masse des Werkstücks 21 ist vorzugsweise die Masse des fertig bearbeiteten Werkstücks 21, nicht die Masse eines etwaigen Rohlings.The workpiece positioning arrangement 13 has a workpiece clamping station 20 on, on the means of not further illustrated clamping means a workpiece 21 is aufspannbar. The workpiece 21 is in 1 illustrated separately on the left. The geometric shape of the workpiece 21 is determined, for example, by CAD data. In 1 only one example form is illustrated. The workpiece 21 has a mass center of gravity 22 and a support surface 23 on, which rests on the Werkstückspannspannplatz during clamping and the position of the workpiece 21 in relation to the work piece clamping station 20 certainly. This is also the position of the center of gravity 22 with respect to a coordinate origin 24 of a workpiece-fixed coordinate system. The focus 22 is preferably the center of gravity of the finished workpiece 21 , not the center of gravity of any blank. The mass of the workpiece 21 is preferably the mass of the finished workpiece 21 , not the mass of any blank.

Zu der Werkstückpositionieranordnung 13 gehört ein Drehtisch 25 zur Aufnahme des Werkstücks, wobei der Drehtisch 25 eine Drehung des Werkstücks 21 um eine Drehachse B gestattet. Der Drehtisch 25 ist beispielsweise an einem Schwenkträger 26 gehalten, der seinerseits um eine Drehachse A schwenkbar gelagert ist, die vorzugsweise horizontal orientiert ist. Den Drehachsen A und B sind Antriebsmotoren zugeordnet, die von der Maschinensteuerung 18 kontrolliert, d.h. gesteuert werden, wie durch das Liniennetz 19 angedeutet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schneiden die Achse A und B den Koordinatenursprung 24.To the workpiece positioning arrangement 13 heard a turntable 25 for receiving the workpiece, wherein the turntable 25 a rotation of the workpiece 21 allowed about a rotation axis B. The turntable 25 is for example on a swivel carrier 26 held, which in turn pivotable about a rotation axis A. is stored, which is preferably oriented horizontally. The axes of rotation A and B are associated with drive motors, which are provided by the machine control 18 controlled, ie controlled, as by the line network 19 is indicated. In a preferred embodiment, the axes A and B intersect the origin of the coordinates 24 ,

Weiter umfasst die Werkstückpositionieranordnung 13 einen von einem Schlitten 27 getragenen Aufbau zur Lagerung der Antriebseinheit für die Achse A, wobei dieser Schlitten 27 an dem Maschinenbett 11 in einer Richtung Z vorzugsweise linearverstellbar ist. Die zugehörige Richtung Z ist vorzugsweise horizontal orientiert. Die Richtung Z bildet mit den Richtungen X und Y vorzugsweise ein Orthogonalsystem. Furthermore, the workpiece positioning arrangement comprises 13 one from a sledge 27 supported structure for supporting the drive unit for the axis A, said slide 27 on the machine bed 11 in a direction Z is preferably linearly adjustable. The associated direction Z is preferably oriented horizontally. The direction Z preferably forms an orthogonal system with the directions X and Y.

Die Maschinensteuerung 18 weist einen geeigneten Eingang 28 zur Eingabe von Bearbeitungs- und Geometriedaten des Werkstücks 21 auf. Der Eingang 28 kann ein Eingang zur Übernahme von CAD-Daten, ein Bedienfeld zur Eingabe von Maschinenbefehlen, ein Datenlesegerät, ein Netzwerkanschluss, eine Funkverbindung oder dergleichen sein. The machine control 18 has a suitable entrance 28 for entering machining and geometric data of the workpiece 21 on. The entrance 28 may be an input for receiving CAD data, a control panel for inputting machine commands, a data reader, a network connection, a radio link or the like.

Die Maschinensteuerung 18 enthält ein Verarbeitungsmodul 29, das aus diesen Daten Positionierbefehle erzeugt, die die Bewegungen der Achsantriebe in den Richtungen X, Y, Z und um die Achsen A und B charakterisieren. Diese Daten sind durch einen Pfeil 30 symbolisiert. Außerdem enthält die Maschinensteuerung 18 ein Korrekturmodul 31, das an seinem Eingang 32 die durch den Pfeil 30 symbolisierten Daten über die Stellbewegungen der Achsen empfängt. Außerdem erhält das Korrekturmodul 31 über einen gesonderten Eingabeblock 33 oder über einen Eingang 34 Geometriedaten des Werkstücks 21. Diese umfassen zumindest zwei Informationen nämlich a) die Masse des Werkstücks 21 und b) die Position des Schwerpunkts 22 in Bezug auf die Auflagefläche 23 und/oder in Bezug auf den Koordinatenursprung 24 des Werkstückkoordinatensystems. Zur Ermittlung dieser Geometriedaten kann das Verarbeitungsmodul 29 entsprechende Rechenprogramme enthalten, die aus der zu erzeugenden Geometrie die Lage des Schwerpunkts 22 bestimmen.The machine control 18 contains a processing module 29 , which generates from this data positioning commands that characterize the movements of the axis drives in the directions X, Y, Z and about the axes A and B. These data are indicated by an arrow 30 symbolizes. It also contains the machine control 18 a correction module 31 at the entrance 32 by the arrow 30 symbolized data about the positioning movements of the axes receives. In addition, the correction module receives 31 via a separate input block 33 or via an entrance 34 Geometry data of the workpiece 21 , These include at least two pieces of information namely a) the mass of the workpiece 21 and b) the position of the center of gravity 22 in relation to the support surface 23 and / or with respect to the coordinate origin 24 of the workpiece coordinate system. To determine this geometry data, the processing module 29 contain appropriate computer programs, the position of the center of gravity to be generated from the geometry 22 determine.

Das Korrekturmodul 31 dient dazu, Korrekturinformation bereit zu stellen (Pfeil 35), die einem Additionsmodul 36 zugeführt wird. Das Additionsmodul 36 führt die Korrekturinformation mit der Stellinformation (Pfeil 30) zusammen und erzeugt daraus Stellbefehle, die über eine Ausgabemodul 37 in Achssteuerbefehle umgesetzt und an die Stellantriebe der Achsen (X, Y, Z, A, B) gesendet werden.The correction module 31 serves to provide correction information (arrow 35 ), which is an addition module 36 is supplied. The addition module 36 leads the correction information with the control information (arrow 30 ) and generates therefrom control commands, which have an output module 37 converted into axis control commands and sent to the actuators of the axes (X, Y, Z, A, B).

Zur Erzeugung der Korrekturinformation 35 nutzt das Korrekturmodul 31 Information über Gewicht, Z-Position sowie räumliche Lage (Drehung um A und B) des Werkstücks 21 sowie Information über die spezifische statische Steifigkeit des Maschinengestells 11 sowie der Werkstückpositionieranordnung 13. Diese Information 38, 39 umfasst beispielsweise Tabellen, die diskreten Z-Positionen (1, 2, 3, 4, usw.) zugeordnet sind. In 1 ist links dazu eine Tabelle für die Position „Ziffer 1“ veranschaulicht.To generate the correction information 35 uses the correction module 31 Information about weight, Z position and spatial position (rotation around A and B) of the workpiece 21 and information about the specific static stiffness of the machine frame 11 as well as the workpiece positioning arrangement 13 , This information 38 . 39 includes, for example, tables associated with discrete Z positions (1, 2, 3, 4, etc.). In 1 On the left is a table for the position "figure 1" illustrated.

Jede Tabellebildet eine statische Steifigkeitsmatrix einer Baugruppe oder einer Komponente mit translatorischen und rotativen Steifigkeitskoeffizienten bezüglich eines globalen kartesischen Koordinatensystems. Die Steifigkeitsmatrix wird entweder absolut für eine Koppelstelle oder relativ zwischen zwei Koppelstellen definiert. Solche Koeffiziententabellen für das Maschinengestell 11 können mehrfach, jeweils für diskrete Z-Positionen (1, 2, 3, 4, usw.), gegeben sein. Entsprechend sind Tabellensätze für die rotativen Achsen A und B vorhanden, wie bei 39 schematisch angedeutet. Damit kann das Korrekturmodul 31 aus:

a) der Masse des Werkstücks 21, optional aus der Masse der zusammen mit dem Werkstück bewegten Maschinenkomponenten,
b) der Schwerpunktlage sowie
c) der räumlichen Orientierung des Werkstücks 21,
d) den dieser räumlichen Orientierung zugeordneten jeweiligen Steifigkeitsmatrizen der rotativ bewegten Komponenten 13 und anhand
e) der Z-Position der Werkstückpositionieranordnung, sowie
f) der dieser Z-Position zugeordneten Steifigkeitsmatrizen

die daraus resultierte Maschinenverformung errechnen. Diese einzelnen Steifigkeitsmatrizen aller Komponenten in der kinematischen Kette werden an den Freiheitsgraden ihrer Koppelstellen zu einer quadratischen Gesamtmatrix [K] montiert, die zusammen mit dem Lastvektor [F], der sich aus der äußeren Beanspruchung durch die Gewichtskraft des Werkstücks 21 ergibt, und einem unbekannten Lösungsvektor [X], der die Verlagerungen bzw. Rotationen der Freiheitsgrade beschreibt, ein lineares Gleichungssystem bildet, dessen Lösung Rückschlüsse auf die Verlagerung an der Bearbeitungsposition zulässt. Die Lösung lässt sich beispielsweise durch Invertierung der Gesamtmatrix [K] erzielen:

[K]·[X] = [F] ⇔ [X] = [K]^–1·[F]

Each table forms a static stiffness matrix of an assembly or component having translational and rotational stiffness coefficients with respect to a global Cartesian coordinate system. The stiffness matrix is defined either absolutely for a coupling point or relatively between two coupling points. Such coefficient tables for the machine frame 11 can be given multiple times, each for discrete Z positions (1, 2, 3, 4, etc.). Accordingly, table sets for the rotary axes A and B are present as in 39 indicated schematically. This allows the correction module 31 out:

a) the mass of the workpiece 21 , optionally from the mass of the machine components moved together with the workpiece,
b) the center of gravity position as well
c) the spatial orientation of the workpiece 21 .
d) the respective stiffness matrices of the rotationally moved components associated with this spatial orientation 13 and based
e) the Z position of the workpiece positioning arrangement, as well
f) the stiffness matrices associated with this Z position

calculate the resulting machine deformation. These individual stiffness matrices of all components in the kinematic chain are mounted at the degrees of freedom of their coupling points to a square total matrix [K], which together with the load vector [F], resulting from the external stress by the weight of the workpiece 21 and an unknown solution vector [X], which describes the displacements or rotations of the degrees of freedom, forms a system of linear equations whose solution allows conclusions to be drawn about the displacement at the machining position. The solution can be achieved, for example, by inverting the total matrix [K]:

[K] · [X] = [F] ⇔ [X] = [K] ^-1 · [F]

Die Maschinenverformung kann dann in einen Korrekturwert umgerechnet werden, um den die Stelle, an der das Werkzeug mit dem Werkstück in Eingriff kommen soll, von der Sollposition abweicht. Dieser Korrekturwert wird als Korrekturinformation 35 ausgegeben und als Stellinformation für die translatorische Korrekturbewegung des Werkzeugs in X- und Y-Richtung sowie für die translatorische Korrekturbewegung des Werkstücks in Z-Richtung umgesetzt. The machine deformation can then be converted into a correction value by which the point at which the tool is to engage the workpiece deviates from the setpoint position. This correction value is used as correction information 35 output and converted as control information for the translational correction movement of the tool in the X and Y direction and for the translational correction movement of the workpiece in the Z direction.

Bei der vorigen Beschreibung ist vereinfachend davon ausgegangen worden, dass für die betreffende Z-Position des Schlittens 27 sowie für die betreffende Schwenkposition des Werkstückaufspannplatzes 20 eine Koeffiziententabelle zugeordnet ist. Tatsächlich aber können die vorhandene Z-Position und die vorhandene Schwenkposition um die A-Achse zwischen Positionen liegen, für die entsprechende Koeffiziententabellen gegeben sind. In diesen Fällen können die für die jeweilige Position gültigen Nachgiebigkeitskoeffizienten durch Interpolation, beispielsweise quadratische Interpolation, aus den Koeffiziententabellen benachbarter Positionen berechnet werden. Die Steifigkeitsmatrizen der rotativ bewegten Komponenten oder Baugruppen können alternativ zur Interpolation an die jeweilige Schwenkposition angepasst werden, indem die Steifigkeitsmatrizen der rotativ bewegten Komponenten oder Baugruppen bezüglich einer Grundstellung über Koordinatentransformationen in die jeweilige Schwenklage umgerechnet werden.In the previous description has been simplified assumed that for the relevant Z-position of the carriage 27 as well as for the respective pivot position of the Werkstückaufspannplatzes 20 a coefficient table is assigned. In fact, however, the existing Z position and existing pivot position about the A axis may be between positions for which corresponding coefficient tables are given. In these cases, the compliance coefficients valid for the respective position can be calculated by interpolation, for example quadratic interpolation, from the coefficient tables of adjacent positions. The rigidity matrices of the rotationally moved components or assemblies can alternatively be adapted for interpolation to the respective pivot position by the stiffness matrices of the rotationally moved components or assemblies are converted to a basic position via coordinate transformations in the respective pivot position.

Die Koeffiziententabellen können, wie in 1 symbolisiert, für äquidistante Positionen gegeben sein. Sie können jedoch auch in größerer Dichte für Positionen definiert sein, an denen sich die Koeffizienten stark ändern, d.h. einen großen Gradienten aufweisen. Die Koeffiziententabellen für die Z-Achse, die A-Achse und die B-Achse können maschinenspezifisch rechnerisch bestimmt werden. Dazu kann die Werkzeugmaschine 10, insbesondere das Maschinengestell 11 und die Werkstückpositioniereinrichtung 13 einer finiten Elementeanalyse unterzogen werden. Aus der finiten Elementeberechnung lassen sich zum Beispiel über eine Guyan-Reduktion des Finite-Elemente-Modells Koeffizienten für die Koeffiziententabellen bestimmen, die letztendlich Steifigkeitsmatrizen sind. Diese liegen dann für diskrete Positionen des Schlittens 27 sowie des Werkstückaufspannplatzes 20 vor. The coefficient tables can, as in 1 symbolizes being given for equidistant positions. However, they can also be defined in greater density for positions where the coefficients change greatly, ie have a large gradient. The coefficient tables for the Z-axis, the A-axis and the B-axis can be determined by machine calculation. This can be done by the machine tool 10 , in particular the machine frame 11 and the workpiece positioning device 13 be subjected to a finite elemental analysis. From the finite element calculation, for example, a Guyan reduction of the finite element model can be used to determine coefficients for the coefficient tables, which are ultimately stiffness matrices. These are then for discrete positions of the carriage 27 as well as the Werkstückspannspannplatzes 20 in front.

Das Korrekturmodul 31 kann die Korrekturinformation 35 während des Bearbeitungsprozesses bereitstellen. Es ist jedoch auch möglich, diese Information vor der eigentlichen Durchführung der Werkstückbearbeitung zu errechnen, sobald die CAD-Daten dem Verarbeitungsmodul 29 bereitgestellt sind. Hier kann das Korrekturmodul 31 für jede Position des Werkstücks im Voraus Korrekturinformation berechnen, abspeichern und dann bei der Durchführung der Bearbeitung abrufen.The correction module 31 can the correction information 35 during the editing process. However, it is also possible to calculate this information before the actual execution of the workpiece machining as soon as the CAD data to the processing module 29 are provided. Here is the correction module 31 Calculate correction information for each position of the workpiece in advance, store it and then retrieve it when performing the processing.

Neben der Berücksichtigung der von dem Werkstück 21 ausgehenden Gewichtskraft und daraus resultierender Momente ist das vorgestellte System in der Lage, Maschinendeformationen infolge von quasistatischen Bearbeitungskräften zu berücksichtigen. In addition to the consideration of the workpiece 21 Outgoing weight and resulting moments, the system presented is able to account for machine deformation due to quasi-static machining forces.

Diese müssen im Vorhinein bestimmt werden und können beispielsweise Teil des CAD-Datensatzes sein. Die bei einer Bearbeitung auftretenden Bearbeitungskräfte können anhand der geplanten Vorschubgeschwindigkeiten und der Bearbeitungsoperation mehr oder weniger grob abgeschätzt oder voraus berechnet werden. Alternativ kann die Beanspruchung aus den Bearbeitungskräften während der Bearbeitung aus den Kräften der Vorschubachsen abgeschätzt werden. Zusätzlich zu den in den verschiedenen Bearbeitungspositionen des Werkstücks 21 auftretenden Gewichtskräften und Momenten kann somit der Einfluss der Bearbeitungskräfte korrigiert werden.These must be determined in advance and, for example, can be part of the CAD data set. The machining forces occurring during machining can be more or less roughly estimated or predicted based on the planned feed rates and the machining operation. Alternatively, the stress from the machining forces during machining can be estimated from the forces of the feed axes. In addition to those in the various machining positions of the workpiece 21 occurring weight forces and moments can thus be corrected the influence of the machining forces.

Nach dem erfindungsgemäßen Konzept wird bei einer Werkzeugmaschine die Nachgiebigkeit derselben für mindestens einen Zustand der relativen Position und Orientierung zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 bestimmt. Außerdem wird das Gewicht des Werkstücks 21 sowie die Lage seines Schwerpunkts (22) berücksichtigt und daraus für jede bei der Bearbeitung zu durchlaufende Lage und Position des Werkstücks 21 Korrekturinformation berechnet. Diese wird zur Korrektur der relativen Position zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 genutzt, um die Präzision des Bearbeitungsergebnisses unabhängig von der Nachgiebigkeit des Grundgestells 11 und/oder der Werkstückpositionieranordnung 13 sicher zu stellen. Die Wirksamkeit der Maßnahme ist daran ablesbar, dass auch sehr schwere und weit auskragende Werkstücke, bei denen der Schwerpunkt 22 einen großen Abstand zu der horizontalen Drehachse A und/oder der Drehachse B hat, bei verschiedenen Werkstückpositionen (Drehpositionen) unterschiedliche Korrekturinformation 35 bereitgestellt wird, so dass die Korrekturabweichung des Werkzeugs von der vom CAD-vorgegebenen Idealbahn bei verschiedenen Drehpositionen unterschiedlich ist. Es lässt sich somit nachweisen, dass die Korrekturbewegung des Werkzeugs bei einem schweren Werkstück eine andere ist als bei einem leichten Werkstück.According to the concept according to the invention, in a machine tool the flexibility of the latter is at least one state of the relative position and orientation between the tool 14 and the workpiece 21 certainly. In addition, the weight of the workpiece 21 and the location of its center of gravity ( 22 ) and from this for every position and position of the workpiece to be traversed during machining 21 Correction information calculated. This will correct the relative position between the tool 14 and the workpiece 21 used the precision of the machining result regardless of the compliance of the base frame 11 and / or the workpiece positioning arrangement 13 to make sure. The effectiveness of the measure is evident from the fact that even very heavy and far-projecting workpieces, where the focus 22 a large distance to the horizontal axis of rotation A and / or the axis of rotation B has, at different workpiece positions (rotational positions) different correction information 35 is provided, so that the correction deviation of the tool from the CAD-predetermined ideal orbit at different rotational positions is different. It can thus be demonstrated that the correction movement of the tool is different for a heavy workpiece than for a light workpiece.

Auch bei gleichbleibender, relativer Orientierung zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 kann sich die Korrekturbewegung bei einer Änderung der relativen Position zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 ändern. Auch bei gleichbleibender, relativer Position zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 kann sich die Korrekturbewegung bei einer Änderung der relativen Orientierung zwischen dem Werkzeug 14 und dem Werkstück 21 ändern. Even with constant, relative orientation between the tool 14 and the workpiece 21 The correction movement may occur when the relative position between the tool changes 14 and the workpiece 21 to change. Even with a constant, relative position between the tool 14 and the workpiece 21 The correction movement may be due to a change in the relative orientation between the tool 14 and the workpiece 21 to change.

Die Korrekturmaßnahmen können neben der Masse und der Schwerpunktlage des Werkstücks zusätzlich die Masse und Schwerpunktlage der Maschinenkomponenten berücksichtigen, die zusammen mit dem Werkstück translatorisch oder rotativ bewegt werden.In addition to the mass and the center of gravity of the workpiece, the corrective measures can additionally take into account the mass and center of gravity of the machine components, which are moved translationally or rotationally together with the workpiece.

Die für die Werkstückseite beschriebene Korrekturmaßnahme ist auch auf die Werkzeugseite übertragbar. Bezugszeichen: 10 Werkzeugmaschine 11 Grundgestell 12 Werkzeugpositionieranordnung 13 Werkstückpositionieranordnung 14 strichpunktierte Linie, symbolisch für Werkzeug 15 Arbeitsspindel 16 Schlitten 17 Maschinenelement 18 Maschinensteuerung 19 Liniennetz zur Veranschaulichung der Steuerung der Achsen X, Y, Z, A, B 20 Werkstückaufspannplatz 21 Werkstück 22 Schwerpunkt 23 Auflagefläche 24 Koordinatenursprung 25 Drehtisch 26 Schwenkträger 27 Schlitten 28 Eingang 29 Verarbeitungsmodul 30 Pfeil 31 Korrekturmodul 32 Eingang 33 Eingabeblock 34 Eingang 35 Korrekturinformation 36 Additionsmodul 37 Ausgabemodul 38, 39 Information über spezifische Nachgiebigkeit The corrective action described for the workpiece side can also be transferred to the tool side. Reference numerals: 10 machine tool 11 base frame 12 Werkzeugpositionieranordnung 13 Werkstückpositionieranordnung 14 dotted line, symbolic of tool 15 work spindle 16 carriage 17 machine element 18 machine control 19 Line network to illustrate the control of the axes X, Y, Z, A, B 20 Werkstückaufspannplatz 21 workpiece 22 main emphasis 23 bearing surface 24 origin 25 turntable 26 pivoting support 27 carriage 28 entrance 29 processing module 30 arrow 31 correction module 32 entrance 33 input block 34 entrance 35 correction information 36 addition module 37 output module 38 . 39 Information about specific compliance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2004-272887 A [0002]
DE 102012209017 A1 [0003]

Claims

Machine tool ( 10 ), in particular for machining workpieces ( 21 ), with a machine frame ( 11 ) at which: at least one for receiving a tool ( 14 ) tool holder ( 15 ) and at least one for receiving a workpiece ( 21 ) arranged workpiece clamping station ( 20 ) is arranged, wherein the tool holder ( 15 ) and / or the Werkstückaufspannplatz ( 20 ) by means of a tool positioning arrangement ( 12 ) or by means of a workpiece positioning arrangement ( 13 ) is linearly movable in at least one direction (X, Y, Z), with a control device ( 18 ) for generating positioning movements of the tool positioning arrangement ( 12 ) and / or the workpiece positioning arrangement ( 13 ) corresponding to a desired relative movement between the workpiece ( 21 ) and the tool ( 14 ), with a correction module ( 31 ), which is part of the control device ( 18 ) and which is adapted to the adjusting movements one of the linear position and / or the pivot position of the Werkstückpositionieranordnung ( 13 ) and / or the tool positioning arrangement ( 12 ) dependent correction movement in order to deform the machine frame ( 11 ) and / or the workpiece positioning device ( 13 ) and / or the tool positioning device ( 12 ), the correction module ( 31 ) is adapted to adjust the correction values via the acting weight forces and / or weight moments and over the compliances or stiffnesses of the components lying in the force flow depending on the relative position and / or the relative orientation between the workpiece ( 21 ) and the tool ( 14 ) to calculate.

Machine tool according to claim 1, characterized in that the correction module ( 31 ) Input information about geometry and weight of the workpiece ( 21 ) can be fed.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that the correction module ( 31 ) an entrance ( 34 ) for entering input information about geometry and weight of the workpiece ( 21 ) having.

Machine tool according to claim 3, characterized in that the input ( 34 ) is a data interface for the adoption of CAD data or derived from the CAD data.

Machine tool according to claim 2, characterized in that the input information about the geometry at least the position of the center of gravity ( 22 ) of the workpiece ( 21 ) with respect to a clamping or reference surface ( 23 ) thereof.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in (that at least one of said directions (Z) and / or at least one of the axes (A, B) state-dependent coefficient sets for the compliance or stiffness of the machine frame 11 ), the condition being related to the relative position and / or the relative orientation between the workpiece ( 21 ) and the tool ( 14 ).

Machine tool according to claim 6, characterized in that each coefficient set from a finite element calculation or from a measurement of the compliance of the machine frame ( 11 ) is determined.

Machine tool according to claim 6 or 7, characterized in that each coefficient set is assigned to a specific state according to claim 6.

Machine tool according to claim 8, characterized in that the correction module ( 31 ) is arranged to determine coefficients between locations for which a coefficient set is given by interpolation.

Machine tool according to claim 6 or 7, characterized in that the correction module ( 31 ) is adapted to convert coefficients of the rotationally moved components with respect to a basic position via coordinate transformations in the respective pivot position.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that the correction module ( 31 ) is designed to detect the correcting movement before or during the workpiece processing.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that the tool holder ( 15 ) and / or the Werkstückaufspannplatz ( 20 ) by means of a positioning arrangement ( 12 . 13 ) are guided pivotably relative to each other about at least one axis (A, B).