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Stand der Technik
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Bei der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken können verschiedene Faktoren die Qualität der Bearbeitung und damit auch die Qualität der bearbeiteten Werkstücke beeinflussen. Zur Steigerung der Qualität können Prozessparameter des Zerspanungswerkzeugs optimiert werden. Das erfolgt bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik üblicherweise manuell. Auch durch erfahrene Benutzer eines Zerspanungswerkzeuges kann aber nicht immer die geforderte Qualität erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Hier wird ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Planung der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Zerspanungswerkzeug vorgestellt. Das Verfahren kann insbesondere mit einer Werkzeugmaschine mit einem Zerspanungswerkzeug durchgeführt werden.
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Das Zerspanungswerkzeug kann beispielsweise eine Fräsmaschine sein, bei welcher ein sich drehendes Werkzeug (beispielsweise ein Fräskopf) in ein ruhendes Werkstück eingreift. Das Zerspanungswerkzeug kann auch eine Drehmaschine sein, bei welcher ein stehendes Werkzeug (beispielsweise ein Drehmeißel) ein sich bewegendes (insbesondere ein sich drehendes) Werkstück bearbeitet. Für Fräsköpfe, Drehmeißel, Zerspannungswerkzeuge im Allgemeinen sowie die Strukturen einer Werkzeugmaschine, die zur Halterung von solchen Zerspanungswerkzeugen dienen, wird im Folgenden auch der Oberbegriff „Bearbeitungskopf“ verwendet.
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Das beschriebene Verfahren ist insbesondere auf die Bearbeitung einer Vielzahl von gleichen Werkstücken gerichtet, wobei insbesondere jedes Werkstück auf die gleiche Weise bearbeitet wird. Das kann beispielsweise in der Serienproduktion von Komponenten für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge oder Maschinen der Fall sein.
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Die Bearbeitung eines Werkstücks umfasst vorzugsweise drei Phasen: ein Eintauchen des Bearbeitungskopfes in das Werkstück, ein Bearbeiten des Werkstücks mit dem Bearbeitungskopf und ein Austauchen des Bearbeitungskopfes aus dem Werkstück. Das beschriebene Verfahren ist insbesondere auf die zweite dieser Phasen, d.h. auf das Bearbeiten des Werkstücks mit dem Bearbeitungskopf bzw. deren Planung gerichtet.
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Gemäß dem beschriebenen Verfahren kann die Bearbeitung eines vorherigen Werkstücks bewertet werden und die Bearbeitung eines anschließend zu bearbeitenden Werkstücks entsprechend angepasst werden. Damit kann ein für das vorherige Werkstück tatsächlich erhaltenes Ergebnis genutzt werden, um die Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks zu verbessern. Auf diese Weise kann die Qualität der Bearbeitung kontinuierlich verbessert werden. Man kann das beschriebene Verfahren daher auch als einen iterativen Lernprozess beschreiben, bei dem die Bearbeitung eines Werkstücks beurteilt wird und bei dem das anschließend zu bearbeitende Werkstück unter Berücksichtigung dieser Beurteilung bearbeitet wird. Auch kann mit dem beschriebenen Verfahren ein Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs ausgeglichen werden. Insbesondere kann mit dem beschriebenen Verfahren auch auf eine langsame Veränderung des Zerspanungswerkzeugs automatisiert reagiert werden.
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Bei der Bearbeitung eines Werkstücks kann mindestens ein Prozessparameter an dem Zerspanungswerkzeug eingestellt werden. Bei dem mindestens einen Prozessparameter kann es sich beispielsweise um eine Drehgeschwindigkeit des Zerspanungswerkzeugs handeln. Die Bearbeitung eines Werkstücks kann insbesondere durch die Anpassung des mindestens einen Prozessparameters verbessert werden. Der beschriebene iterative Lernprozess ist mithin auf die kontinuierliche Verbesserung des mindestens einen Prozessparameters gerichtet.
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Das beschriebene Verfahren ist auf die Planung der Bearbeitung eines Werkstücks gerichtet und setzt nach einer zuvor durchgeführten Bearbeitung eines vorherigen gleichen Werkstücks an. Wird eine Vielzahl von gleichen Werkstücken nacheinander bearbeitet, kann das beschriebene Verfahren jeweils zwischen der Bearbeitung zweier Werkstücke durchgeführt werden. Bevorzugt wird das beschriebene Verfahren nach jeder Bearbeitung eines Werkstücks durchgeführt. Insbesondere bei einer großen Zahl von zu bearbeitenden Werkstücken kann der zuvor beschriebene iterative Lernprozess zu besonders guten Ergebnissen führen. Es ist aber auch möglich, das beschriebene Verfahren einzusetzen, wenn lediglich zwei Werkstücke bearbeitet werden. In dem Fall kann mit dem beschriebenen Verfahren die Bearbeitung eines zweiten Werkstücks anhand einer Beurteilung der Bearbeitung eines ersten Werkstücks geplant werden.
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Vor der Bearbeitung des Werkstücks gemäß dem beschriebenen Verfahren wurde ein vorheriges gleiches Werkstück bearbeitet. Dazu wurde zunächst in einem Schritt a) ein Bearbeitungsbereich des vorherigen Werkstücks in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt. Die Segmente sind (virtuelle) Abschnitte des Werkstücks, die bei der Planung der Bearbeitung eine zielgerichtete Betrachtung ermöglichen. Der Bearbeitungsbereich ist der Teil des Werkstücks, der mit dem Zerspanungswerkzeug bearbeitet wird. Zur Planung der Bearbeitung des Bearbeitungsbereichs wird der Bearbeitungsbereich in die Segmente unterteilt. Bevorzugt ist jeder Bereich des Bearbeitungsbereichs genau einem Segment zugeordnet, so dass die Segmente sich nicht gegenseitig überlappen und der gesamte Bearbeitungsbereich von den Segmenten abgedeckt ist. Die Segmente können alle mit der gleichen Größe gewählt worden sein. In dem Fall kann insbesondere eine Anzahl an Segmenten vorgegeben worden sein, wobei sich die Größe der einzelnen Segmente unmittelbar als die Größe des Bearbeitungsbereichs geteilt durch die Anzahl der Segmente ergibt. Die Segmente können aber auch unterschiedlich groß gewählt worden sein. In dem Fall können die einzelnen Segmente insbesondere manuell festgelegt worden sein. Auch ist möglich, dass die Größe der Segmente festgelegt ist und die Anzahl der Segmente anhand der Größe des Bearbeitungsbereichs festgelegt wird. Auch ist möglich, dass die Größe der Segmente basierend auf dem vorherigen Werkstück für die folgende Bearbeitung automatisiert angepasst wird.
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In Schritt b) wurde für jedes der Segmente ein Wert für den mindestens einen Prozessparameter festgelegt. Das bedeutet, dass unterschiedliche Teile des Bearbeitungsbereichs mit unterschiedlichen Werten für den mindestens einen Prozessparameter bearbeitet worden sein können. Weist der Bearbeitungsbereich beispielsweise an einer Stelle eine besonders feine Struktur auf, kann für das entsprechende Segment oder die entsprechenden Segmente beispielsweise eine besonders langsame und damit besonders präzise Bearbeitung gewählt worden sein. Weist der Bearbeitungsbereich zusätzlich oder alternativ an einer Stelle eine besonders grobe Struktur auf, kann dort entsprechend eine besonders schnelle und dafür ungenauere Bearbeitung erfolgt sein. Durch die Segmentierung konnte insbesondere die Genauigkeit der Bearbeitung an kritischen Stellen lokal erhöht worden sein, ohne dass die Bearbeitungsdauer unnötig vergrößert wurde.
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Bei der Bearbeitung eines ersten von vielen Werkstücken kann für den mindestens einen Prozessparameter ein initialer Wert festgelegt worden sein. Das kann insbesondere gemäß bekannter Verfahren zur Festlegung von Prozessparametern für Zerspanungswerkzeuge erfolgt sein. Beispielsweise kann ein erfahrener Benutzer des Zerspanungswerkzeuges die initialen Werte manuell festgelegt haben. Bei der erstmaligen Durchführung der Bearbeitung eines bestimmten Werkstücktyps, welcher nachfolgend mehrmals bearbeitet werden soll, ist es auch möglich, dass die Prozessparameter für alle Segmente gleich festgelegt sind. Wird das beschriebene Verfahren bei der Bearbeitung einer Vielzahl von Werkstücken jeweils zwischen zwei Werkstücken eingesetzt, kann der Wert für den mindestens einen Prozessparameter insbesondere das Ergebnis der vorherigen Durchführung des beschriebenen Verfahrens sein.
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In Schritt c) wurde der Bearbeitungsbereich des vorherigen Werkstücks mit dem gemäß Schritt b) festgelegten Wert für den mindestens einen Prozessparameter bearbeitet. Die Schritte a) bis c) bilden die Grundlage für das beschriebene Verfahren. Insoweit gehören auch die Schritte a) bis zu c) zu dem beschriebenen Verfahren. Unter der „Durchführung des beschriebenen Verfahrens“ soll hier aber nur verstanden werden, dass von den Schritten a) bis c) ausgehend weitere Schritte durchgeführt werden. Die „Durchführung des beschriebenen Verfahrens“ soll also die Durchführung der Schritte a) bis c) voraussetzen und nicht umfassen.
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Ausgehend von den Schritten a) bis c) erfolgt gemäß dem beschriebenen Verfahren die Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks. Dazu wird in Schritt i) ein Bearbeitungsbereich des zu bearbeitenden Werkstücks in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt. Bevorzugt sind das zuvor bearbeitete und das anschließend zu bearbeitende Werkstück identisch, wobei vorzugsweise ein identischer Bearbeitungsbereich insbesondere auf gleiche Art und Weise bearbeitet wird. Die Unterteilung des Bearbeitungsbereichs des vorherigen Werkstücks ist bevorzugt identisch mit der Unterteilung des Bearbeitungsbereichs des anschließend zu bearbeitenden Bearbeitungsbereichs. Die Unterteilung des Bearbeitungsbereichs des zu bearbeitenden Werkstücks und des zuvor bearbeiteten Werkstücks kann aber auch unterschiedlich sein. Unterschiedliche Unterteilungen in Segmente können beispielsweise dann auftreten, wenn eine Anpassung der Unterteilung der Segmente erfolgt, um eine verbesserte Anpassung der Prozessparameter zu erreichen. Segmente werden beispielsweise angepasst, um eine bessere Anpassung der Prozessparameter für die Bearbeitung des Werkstücks zu erreichen. In Schritt ii) werden die Segmente des Bearbeitungsbereichs des vorherigen Werkstücks zu entsprechenden Segmenten des anschließend (gemäß dem beschriebenen Verfahren) zu bearbeitenden Werkstücks zugeordnet. Wurde bei dem vorherigen Werkstück die gleiche Unterteilung in Segmente vorgenommen wie bei dem zu bearbeitenden Werkstück, wird jedes Segment des vorherigen Werkstücks bevorzugt zu dem jeweils entsprechenden (identischen) Segment des anschließend zu bearbeitenden Werkstück zugeordnet. Es erfolgt also vorzugsweise eine Eins-zu-Eins-Zuordnung der Segmente. Wird die Unterteilung in die Segmente von dem zuvor bearbeiteten Werkstück zu dem anschließend zu bearbeitenden Werkstück verändert, bleibt bevorzugt die Zahl der Segmente unverändert. Die Segmente werden einander vorzugsweise so zugeordnet, dass die Segmente des zuvor bearbeiteten Werkstücks den Segmenten des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks bestmöglich (insbesondere hinsichtlich räumlicher Nähe der Segmente zueinander, Größe der Segmente und/oder Art der vorzunehmenden Bearbeitung in dem jeweiligen Segment) entsprechen. Wird die Zahl der Segmente vergrößert, wird bevorzugt für die neu hinzugekommenen Segmente ein jeweiliger initialer Wert für den mindestens einen Prozessparameter festgelegt. Dieser initiale Wert kann beispielsweise durch eine Interpolation des Prozessparameters für benachbarte Segmente festgelegt werden. Wird die Zahl der Segmente verkleinert, können einzelne Segmente des zuvor bearbeiteten Werkstücks bei der Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks unberücksichtigt bleiben.
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In Schritt iii) wird die Bearbeitung des vorherigen Werkstücks anhand von mindestens einem Qualitätsparameter bewertet.
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Der mindestens eine Qualitätsparameter ist bevorzugt ein während der Bearbeitung des zuvor bearbeiteten Werkstücks aufgenommener Wert. Dabei kann es sich insbesondere um physikalisch wirkende Prozessgrößen wie beispielsweise eine Prozesskraft (die an dem Zerspanungswerkzeug während der Bearbeitung angreift) oder um eine Vibration des Werkstücks und/oder des Zerspanungswerkzeugs handeln. Insbesondere kann der mindestens eine Qualitätsparameter aus momentan gemessenen Werten für diese Größen, aus einem im zeitlichen Mittel für diese Größen gemessenen Wert und/oder aus einem maximalen oder minimalen für diese Größen gemessenen Wert ermittelt werden. Beispielsweise kann eine besonders schwache Vibration des Werkzeugs zu einer besonders stabilen Bearbeitung führen, (die insbesondere besonders zuverlässig und besonders wenig störanfällig ist) . Dabei können insbesondere Werkstücke mit besonders hoher Bearbeitungsqualität erhalten werden. Damit kann die Zahl der aus Qualitätsgründen auszusortierenden Werkstücke besonders klein sein. Als der mindestens eine Qualitätsparamter wird entsprechend bevorzugt ein Maß für die Vibrationen des Werkstücks während der Bearbeitung des zuvor bearbeiteten Werkstücks verwendet. Insbesondere kann ein zeitliches Mittel und/oder ein Höchstwert der aufgetretenen Vibrationsamplituden verwendet werden.
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Auch kann ein zeitlicher Verlauf dieser Größen (bereits während der Bearbeitung des zuvor bearbeiteten Werkstücks) aufgezeichnet werden. Ausgehend von dem zeitlichen Verlauf kann die Qualität der Bearbeitung bewertet werden, was beispielsweise durch einen Zahlenwert als der mindestens eine Qualitätsparameter ausgedrückt werden kann. So kann beispielsweise ein glatter Verlauf der Prozesskraft zu einem reduzierten Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs führen. Einem besonders glatten zeitlichen Verlauf der Prozesskraft wird entsprechend bevorzugt ein besonders guter Qualitätsparameter zugeordnet (der - je nach Definition des Qualitätsparameters - beispielsweise besonders hoch oder besonders niedrig sein kann). Der mindestens eine Qualitätsparameter ist vorzugsweise ein Maß für die Qualität der Bearbeitung des Werkstücks (also für die Qualität des Werkstücks nach der Bearbeitung) und/oder für den Verschleiß des Zerspanungswerkzeugs.
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Bei dem mindestens einen Qualitätsparameter kann es sich auch um eine Eigenschaft des zuvor bearbeiteten Werkstücks nach Abschluss der Bearbeitung handeln. Das kann beispielsweise eine (insbesondere durchschnittliche) Abweichung der Bearbeitung von einer Vorgabe sein. Besteht die Bearbeitung beispielsweise in dem Fräsen einer Struktur, kann die tatsächlich erhaltene Struktur mit einer gewünschten Struktur verglichen werden. Die (räumliche) Abweichung einzelner Merkmale der tatsächlich erhaltenen Struktur von der gewünschten Struktur kann ermittelt und für die Bestimmung des mindestens einen Qualitätsparameters verwendet werden.
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Bevorzugt wird der mindestens eine Qualitätsparameter ohne Bezug zu den Segmenten bestimmt. Das bedeutet, dass der mindestens eine Qualitätsparameter für das bearbeitete Werkstück als Ganzes bestimmt wird. Es ist aber auch möglich, dass der mindestens eine Qualitätsparameter für die einzelnen Segmente jeweils einzeln bestimmt wird. Beispielsweise können die Prozesskraft und/oder die Vibrationen des Werkstücks bestimmt werden, die während der Bearbeitung eines bestimmten Segments auftreten. Auch kann eine Genauigkeit der Bearbeitung am fertigen Werkstück segmentweise beurteilt werden. Wird der mindestens eine Qualitätsparameter für die einzelnen Segmente bestimmt, kann insbesondere eine Anpassung des mindestens einen Prozessparameters anhand einer lokalen (und insbesondere segmentbezogenen) Beurteilung der Bearbeitung erfolgen.
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Auch kann eine Bearbeitungszeit, also eine Dauer für die Bearbeitung eines Werkstücks, als der mindestens eine Qualitätsparameter verwendet werden. Die Bearbeitungszeit kann ein erheblicher Kostenfaktor sein. Daher ist eine Berücksichtigung der Bearbeitungszeit als Qualitätsparameter besonders vorteilhaft. Ein solcher Qualitätsparameter ist weniger ein Qualitätsparameter des Werkstücks sondern mehr ein Qualitätsparameter des Bearbeitungsprozesses.
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Der mindestens eine Qualitätsparameter wird bevorzugt mit einem Computerprogramm in einem Steuergerät des Zerspanungswerkzeugs bestimmt. Dazu kann das Steuergerät insbesondere an Sensoren für auftretende Prozesskräfte, Vibrationen des Werkstücks und/oder Eigenschaften des bearbeiteten Werkstücks angebunden sein. Die Sensoren können in dem Zerspanungswerkzeug oder außerhalb des Zerspanungswerkzeugs (insbesondere an dem Werkstück) angeordnet sein. Das Computerprogramm umfasst bevorzugt einen Algorithmus, mittels dessen der mindestens eine Qualitätsparameter aus den von den Sensoren erhaltenen Informationen bestimmt werden kann.
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In Schritt iv) wird der mindestens eine Prozessparameter für jedes der Segmente anhand der Bewertung gemäß Schritt iii) angepasst. Bei der Anpassung wird insbesondere der gemäß Schritt iii) bestimmte mindestens eine Qualitätsparameter berücksichtigt. Vorzugsweise ist für den mindestens einen Qualitätsparameter ein Grenzwert festlegbar oder bestimmbar vorgegeben. Bei Überschreitung dieses Grenzwerts erfolgt bevorzugt eine Anpassung des mindestens einen Prozessparameters. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der mindestens eine Prozessparameter umso stärker verändert wird, je weiter der mindestens eine Qualitätsparamter über dem festlegbaren Grenzwert liegt.
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Auch kann mit dem beschriebenen Verfahren eine Minimierung oder eine Maximierung des mindestens einen Qualitätsparameters angestrebt werden. Beispielsweise kann eine Anpassung des mindestens einen Prozessparameters solange erfolgen, bis die Vibrationen des Werkstücks (im Rahmen des Messbaren) auf den Wert null bzw. unter einen vorgegebenen Grenzwert abgesunken und damit minimiert sind. Auch wenn regelmäßig nicht davon auszugehen ist, dass Vibrationen auf den Wert null reduziert werden können, kann doch zumindest stets eine Verringerung der Vibrationen angestrebt werden.
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Es ist insbesondere möglich, dass für eine Mehrzahl von Qualitätsparametern ein jeweiliger Grenzwert festgelegt wird. Die einzelnen Grenzwerte können in einem Konkurrenzverhältnis zueinander stehen. Beispielsweise kann eine besonders schwache Vibration bei einer besonders langsamen Bearbeitung erreicht werden. Ist für die Vibration der Grenzwert null vorgegeben, werden die Vibrationen minimiert. Ist für die Bearbeitungszeit ebenfalls der Grenzwert null vorgegeben, wird auch die Bearbeitungszeit minimiert. Beide Größen können aber nicht zugleich minimiert werden. In dem Fall kann insbesondere angestrebt werden, für die konkurrierenden Prozessparameter in ihrer Gesamtheit die bestmöglichen Werte zu erreichen. Dazu können konkurrierende Prozessparameter insbesondere in ihrer Bedeutung gewichtet werden.
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Bevorzugt ist in dem Computerprogramm in dem Steuergerät hinterlegt, wie der mindestens eine Prozessparameter anhand des mindestens einen Qualitätsparameters zu verändern ist. Bevorzugt ist für den mindestens einen Prozessparameter eine mathematische Funktion vorgegeben, die zumindest von dem mindestens einen Qualitätsparameter abhängt. Bei einer Mehrzahl von anzupassenden Prozessparametern ist vorzugsweise für jeden Prozessparameter eine jeweilige mathematische Funktion vorgegeben. Werden mehrere Qualitätsparameter bestimmt, kann die mathematische Funktion eines Prozessparameters von einem, von mehreren oder auch von allen der bestimmten Qualitätsparameter abhängen.
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Bevorzugt wird der Wert des mindestens einen Prozessparameters für jedes Segment anhand einer jeweiligen mathematischen Funktion bestimmt. In diese mathematische Funktion kann insbesondere auch ein Wert dieses Prozessparameters für dieses Segment bei der Bearbeitung des vorherigen Werkstücks eingehen. Weiterhin können auch Werte dieses Prozessparameters in anderen Segmenten eingehen (sowohl bezogen auf die Bearbeitung des zuvor bearbeiteten Werkstücks und/oder auf die Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks). Beispielsweise kann es sinnvoll sein, dass der mindestens eine Prozessparameter von einem Segment zum nachfolgend zu bearbeitenden Segment nicht sprunghaft (also nicht stetig und/oder nicht differenzierbar) verändert wird. Eine sprunghafte Veränderung könnte die Qualität der Bearbeitung mindern. Auch kann eine derartige Veränderung aus technischen Gründen undurchführbar sein, beispielsweise weil der Prozessparameter nicht beliebig schnell verändert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich können aber auch Werte für andere Prozessparameter in den anzupassenden Prozessparametern eingehen. Dabei kann es sich um Werte für das gleiche und/oder für andere Segmente handeln. Auch können die Werte auf die Bearbeitung des zuvor bearbeiteten Werkstücks und/oder gegebenenfalls auf die Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks bezogen sein.
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Insbesondere kann durch das Computerprogramm für jeden Prozessparameter für jedes Segment ein jeweiliger Wert bestimmt werden, der von jedem Qualitätsparameter (der für das gesamte Werkstück oder für jedes Segment einzeln gegeben sein kann) und von jedem Prozessparameter für jedes Segment sowohl bei der vorherigen als auch bei der anschließend folgenden Bearbeitung abhängt. Dabei kann insbesondere ein umfangreiches Gleichungssystem entstehen, das analytisch nicht lösbar ist. Es kann aber mit üblichen Verfahren zur Lösung von Gleichungssystem eine numerische Lösung und/oder eine Näherungslösung gefunden werden.
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Auch ist es möglich, bei der Anpassung des mindestens einen Prozessparameters nicht nur die Beurteilung des unmittelbar zuvor bearbeiteten Werkstücks zu berücksichtigen, sondern darüber hinaus auch die Beurteilung der Bearbeitung von mehreren zuvor bearbeiteten Werkstücken. So kann beispielsweise verhindert werden, dass eine einmal als ungünstig erkannte Wahl des mindestens einen Prozessparameters wiederholt wird.
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Die beschriebenen Abhängigkeiten zwischen dem mindestens einen Prozessparameter und dem mindestens einen Qualitätsparameter können insbesondere experimentell bestimmt und in dem Steuergerät hinterlegt werden. Beispielsweise kann festgestellt werden, dass eine Verlangsamung der Bearbeitung zu einer Reduzierung von Vibrationen führen kann. Wird also eine besonders hohe Vibration gemessen, so gibt das Computerprogramm bevorzugt Werte für den mindestens einen Prozessparameter aus, die einer langsameren Bearbeitung entsprechen.
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Nach der Anpassung des mindestens einen Prozessparameters gemäß Schritt iv) wird das anschließend zu bearbeitende Werkstück bevorzugt in einem Schritt v) anhand des in Schritt iv) erhaltenen mindestens einen Prozessparameters bearbeitet. Ist eine Vielzahl von Werkstücken zu bearbeiten, so können die Schritte i) bis v) für jedes der Werkstücke und damit wiederholt durchgeführt werden. Aus dem zunächst „zu bearbeitenden Werkstück“ wird für die Bearbeitung des nächsten Werkstücks das „zuvor bearbeitete Werkstück“ bzw. das „vorherige Werkstück“. Wenn das Verfahren wiederholt durchgeführt wird, werden bevorzugt die Verfahrensschritte a) bis c) und die Verfahrensschritte i) bis v) für jedes Werkstück durchgeführt. Dabei finden die Verfahrensschritte i) bis v) einer vorhergehenden Durchführung des Verfahrens parallel zu den Verfahrensschritten a) bis c) einer nachfolgenden (aktuellen) Durchführung des Verfahrens statt.
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Die Segmente werden bevorzugt anhand der Bearbeitungszeit festgelegt. Das bedeutet, dass für den mindestens einen Prozessparameter ein jeweiliger Wert für verschiedene Zeiten ab Beginn der Bearbeitung festgelegt ist. Über die seit Beginn der Bearbeitung vergangene Zeit kann besonders einfach erkannt werden, welches Segment aktuell bearbeitet wird. Insbesondere kann die Einstellung der (segmentabhängigen) Werte für den mindestens einen Prozessparameter anhand einer einfachen Zeitmessung erfolgen. Auf eine (insbesondere besonders aufwändige) Bestimmung der tatsächlich aktuell bearbeiteten Stelle des Werkstücks kann verzichtet werden.
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Alternativ ist die Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, in der die Segmente in Schritt a) und in Schritt i) ortsbezogen festgelegt sind.
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Entspricht die tatsächliche Bearbeitungsgeschwindigkeit genau der geplanten Bearbeitungsgeschwindigkeit, ergibt sich kein Unterschied zwischen der zuvor beschriebenen zeitbezogenen und der hier beschriebenen ortsbezogenen Unterteilung des Bearbeitungsbereichs in die Segmente. Mit der vorliegenden Ausführungsform kann aber auch eine Abweichung der tatsächlichen Bearbeitungsgeschwindigkeit von der geplanten Bearbeitungsgeschwindigkeit (beispielsweise durch eine unvorhergesehene Verzögerung) berücksichtigt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der mindestens eine Prozessparameter zumindest einer der folgenden Parameter des Zerspanungswerkzeugs:
- - eine Zustellung,
- - eine Drehzahl,
- - eine Schnitttiefe,
- - eine Vorschubgeschwindigkeit,
- - eine Schneidegeschwindigkeit, und
- - ein elastisches Verhalten von mindestens einer Komponente des Zerspanungswerkzeugs.
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Die Zustellung ist ein Maß für eine Dicke, mit der Material des Werkstücks abzutragen ist. Die Drehzahl des Zerspanungswerkzeugs kann insbesondere eine Drehzahl eines Bearbeitungskopfes sein. Auch kann die Drehzahl angeben, wie schnell ein Werkstück in einer Drehmaschine dreht. Eine Schnitttiefe ist ein Maß dafür, wie tief der Bearbeitungskopf in das Werkstück einschneidet. Die Vorschubgeschwindigkeit und die Schneidegeschwindigkeit geben die Geschwindigkeit der Bearbeitung an. Insbesondere das elastische Verhalten des Bearbeitungskopfes kann als der mindestens eine Prozessparameter verwendet werden. Die genannten Prozessparameter können zusammenfassend als Zerspanungsbedingungen bezeichnet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der mindestens eine Qualitätsparameter zumindest einer der folgenden Parameter:
- - ein Maß für eine Vibration des Werkstücks, und
- - eine an dem Zerspanungswerkzeug angreifende Kraft.
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Als Maß für die Vibration des Werkstücks kommen insbesondere eine Amplitude, eine Frequenz und ein Dämpfungsparameter der Vibration in Betracht. Zur Bestimmung dieser Werte kann insbesondere ein Vibrationssensor an dem Werkstück vorgesehen sein. Die an dem Zerspanungswerkzeug angreifende Kraft kann insbesondere mit einem Kraftsensor gemessen werden. Insbesondere kann die an dem Zerspanungswerkzeug angreifende Kraft durch das Werkstück bzw. durch den Bearbeitungskopf vermittelt auf das Zerspanungswerkzeug angreifen. Der Kraftsensor zur Messung der Kraft kann entweder an der Halterung des Werkstücks oder an der Halterung des Zerpannungswerkzeugs angeordnet sein. Der Kraftsensor und/oder der Vibrationssensor sind bevorzugt mit dem Steuergerät verbunden.
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Als Qualitätsparameter kann insbesondere ein momentaner Wert für diese Größen (der insbesondere zu einem bestimmten Zeitpunkt aufgenommen wird), ein zeitlicher Mittelwert dieser Größen und/oder ein minimaler oder maximaler für diese Größen auftretender Wert verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird für den mindestens einen Prozessparameter mindestens eine Randbedingung vorgegeben.
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Als Randbedingung für den mindestens einen Prozessparameter kommt insbesondere ein minimaler und/oder ein maximaler Wert in Betracht. Insbesondere die maximalen Werte können sich beispielsweise aus der Konstruktion des Zerspanungswerkzeugs ergeben. So kann beispielsweise der Bearbeitungskopf des Zerspanungswerkzeugs nur mit einer maximal erreichbaren Drehzahl gedreht werden. Auch kann insbesondere ein maximaler Wert festgelegt werden, um beispielsweise besonders große Vibrationen auszuschließen. Ein minimaler Wert kann beispielsweise für die Vorschubgeschwindigkeit vorgegeben werden, um eine zu große Bearbeitungszeit auszuschließen.
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Die Randbedingungen können für alle Segmente und/oder für die einzelnen Segmente einzeln vorgegeben werden.
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Weiterhin können sich Randbedingungen dadurch ergeben, dass der mindestens eine Prozessparameter am Übergang zwischen zwei Segmenten stetig und/oder differenzierbar sein soll. So können beispielsweise bei der Bestimmung eines Wertes für einen Prozessparameter in einem Segment die Werte für diesen Parameter in benachbarten Segmenten als Randbedingungen verwendet werden. Die tatsächliche Anpassung des Prozessparameters von Segment zu Segment während der Durchführung der Bearbeitung eines Werkstücks findet bevorzugt kontinuierlich und nicht schlagartig an der Segmentgrenze statt. Beispielsweise können für Mittelpunkte der Segmente die Prozessparameter jeweils festgelegt sein. Der Verlauf des Prozessparameters über die einzelnen Segmente für die tatsächliche Bearbeitung wird dann beispielsweise durch eine polynominale Interpolation derart festgelegt, dass dieser Prozessparameter in den Mittelpunkten der Segmente jeweils eingehalten ist.
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Die Randbedingungen können insbesondere bei der Lösung des weiter oben beschriebenen Gleichungssystems in dem Computerprogramm berücksichtigt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weicht die Unterteilung in Segmente in Schritt i) von der Unterteilung in Segmente in Schritt a) ab.
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Die Qualität der Bearbeitung kann insbesondere von der Unterteilung des Bearbeitungsbereichs in die Segmente abhängen. Die Segmente werden bevorzugt zunächst (insbesondere für ein erstes zu bearbeitendes Werkstück) manuell festgelegt. Die so vorgenommene Unterteilung kann verbesserungsbedürftig sein. Eine Verbesserungsmöglichkeit kann einerseits im Hinblick auf die effiziente Durchführung des beschriebenen Verfahrens und der im Rahmen des Verfahrens stattfindenden Berechnungen bestehen. Eine Verbesserungsmöglichkeit kann aber auch im Hinblick darauf bestehen, dass eine andere Unterteilung besser geeignet ist besonders gute Qualitätsparameter zu erreichen. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Unterteilung des Bearbeitungsbereichs in die Segmente iterativ verbessert werden. Dazu kann insbesondere in dem Computerprogramm hinterlegt sein, wie die Unterteilung des Bearbeitungsbereichs in die Segmente zu verändern ist. Insbesondere kann für die Größe der Segmente und/oder für die Anzahl der Segmente eine jeweilige mathematische Funktion vorgegeben sein, die von dem mindestens einen Qualitätsparameter und/oder von dem mindestens einen Prozessparameter (bezogen auf die vorherige und/oder auf die anschließende Bearbeitung) abhängen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Bearbeitung des Bearbeitungsbereichs ein Verfahren des Zerspanungswerkzeugs entlang mindestens einer Bearbeitungsbahn, wobei der Bearbeitungsbereich für jede der Bearbeitungsbahnen jeweils eindimensional in die Segmente unterteilt wird.
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Die Bearbeitung des Bearbeitungsbereichs kann insbesondere dadurch erfolgen, dass das Zerspanungswerkzeug (und insbesondere der Bearbeitungskopf des Zerspanungswerkzeugs) den Bearbeitungsbereich entlang der Bearbeitungsbahnen und damit zeilenweise abfährt. Benachbarte Bearbeitungsbahnen können gegenläufig oder gleichläufig abgefahren werden. Die einzelnen Bearbeitungsbahnen werden jeweils eindimensional unterteilt. Entsprechend der Bewegung des Zerspanungswerkzeugs (und insbesondere des Bearbeitungskopfes des Zerspanungswerkzeugs) können die Segmente aller Bearbeitungsbahnen durchnummeriert werden. Das kann die Durchführung des beschriebenen Verfahrens insofern erleichtern, als dass für die einzelnen Segmente nur eine fortlaufende Nummer verwendet wird und nicht etwa eine Position in einer zweidimensionalen Fläche. Auch kann der Bearbeitungsbereich in der vorliegenden Ausführungsform besonders einfach in die Segmente unterteilt werden. Werden die Segmente beispielsweise gleich groß gewählt, genügt die Angabe der Anzahl an Segmenten, um die Segmente eindeutig festzulegen (sofern davon ausgegangen wird, dass die Anzahl der Bearbeitungsbahnen festgelegt ist bzw. sich beispielsweise aus einer Breite des Bearbeitungskopfes zwangsläufig ergibt). Würden hingegen die Größe, die Position und/oder die Form der einzelnen Segmente zweidimensional festgelegt, könnte es auch bei einer vorgegebenen Anzahl an Segmenten unbegrenzt viele verschiedene Möglichkeiten zur Unterteilung des Bearbeitungsbereichs in die Segmente geben. Für eine eindeutige Unterteilung des Bearbeitungsbereichs müssten dann weitere Informationen, wie beispielsweise eine Form der Segmente, vorgegeben werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Größe der Segmente in Abhängigkeit von der durchzuführenden Bearbeitung gewählt.
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An Stellen des Bearbeitungsbereichs, an denen eine besonders feine Bearbeitung erfolgen soll, werden die Segmente bevorzugt besonders klein gewählt. An den übrigen Stellen können die Segmente größer gewählt werden. Insbesondere ist damit gemeint, dass die Größe der Segmente in Abhängigkeit von der durchzuführenden Bearbeitung gewählt wird. Die Größe der Segmente kann insbesondere manuell vorgegeben werden. Auch kann die Größe der Segmente gemäß dem beschriebenen Verfahren iterativ angepasst werden.
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Als weiterer Aspekt wird ein Steuergerät für ein Zerspanungswerkzeug vorgestellt, wobei das Steuergerät zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Zudem wird ein Computerprogramm vorgestellt, welches zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Weiterhin wird ein maschinenlesbares Speichermedium vorgestellt, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Die weiter vorne beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens sind auf das Steuergerät, das Computerprogramm und das maschinenlesbare Speichermedium anwendbar und übertragbar.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und ein Ausführungsbeispiel, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Zerspanungswerkzeugs, das zur Durchführung eines Verfahren zur Planung der Bearbeitung eines Werkstücks bestimmt und eingerichtet ist,
- 2: eine schematische Darstellung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsbereich, das mit dem Zerspanungswerkzeug aus 1 bearbeitet werden kann, und
- 3: ein schematisches Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Planung der Bearbeitung eines Werkstücks wie dem in 2 gezeigten mit dem Zerspanungswerkzeug aus 1.
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1 zeigt ein Zerspanungswerkzeug 1 mit einem Bearbeitungskopf 6, der über eine Welle 7 angetrieben werden kann. Der Bearbeitungskopf 6 kann insbesondere um seine eigene Achse gedreht werden, um so durch Eingreifen in ein Werkstück 2 das Werkstück 2 zu bearbeiten. Das Werkstück 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel ortsfest gehalten. Durch einen Vibrationssensor 8 an dem Werkstück 2 können Vibrationen des Werkstücks 2 gemessen werden. Mit einem Kraftsensor 9, der an der Welle 7 angeordnet ist, kann eine auf das Zerspanungswerkzeug 1 angreifende Kraft gemessen werden. Der Vibrationssensor 8, der Kraftsensor 9 und das Zerspanungswerkzeug 1 sind an ein Steuergerät 10 angebunden. Das Steuergerät 10 ist zur Durchführung eines Verfahrens zur Planung einer Bearbeitung des Werkstücks 2 mit dem Zerspanungswerkzeug 1 bestimmt und eingerichtet.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Werkstück 2 aus 1. Ein Bearbeitungsbereich 3 ist in zwölf Segmente 4 unterteilt. Die Segmente 4 sind in vier Bearbeitungsbahnen 5 angeordnet.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zur Planung der Bearbeitung eines Werkstücks 2 wie dem in 2 gezeigten mit dem Zerspanungswerkzeug 1 aus 1. Für eine zuvor durchgeführte Bearbeitung eines vorherigen gleichen Werkstücks 2 wurden dabei die folgenden Schritte durchgeführt:
- a) Unterteilen des Bearbeitungsbereichs 3 des vorherigen Werkstücks 2 in eine Mehrzahl von Segmenten 4,
- b) für jedes der Segmente 4 Festlegen eines Wertes für mindestens einen Prozessparameter,
- c) Bearbeiten des Bearbeitungsbereichs 3 des vorherigen Werkstücks 2 mit dem gemäß Schritt b) festgelegten Wert für den mindestens einen Prozessparameter.
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Anschließend werden für die Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks 2 die folgenden Schritte durchgeführt:
- i) Unterteilen des Bearbeitungsbereichs 3 des Werkstücks 2 in eine Mehrzahl von Segmenten 4,
- ii) Zuordnen der Segmente 4 des Bearbeitungsbereichs 3 des vorherigen Werkstücks 2 zu den gemäß Schritt i) festgelegten Segmenten 4 des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks 2,
- iii) Bewerten der Bearbeitung des vorherigen Werkstücks 2 anhand von mindestens einem Qualitätsparameter,
- iv) für jedes der Segmente 4 Anpassen des mindestens einen Prozessparameters anhand der Bewertung gemäß Schritt iii), und
- v) Bearbeitung des anschließend zu bearbeitenden Werkstücks anhand des in Schritt iv) erhaltenen mindestens einen Prozessparameters.
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Die Schritte i) bis v) werden für eine Mehrzahl von gleichen Werkstücken 2 durchgeführt.
