DE102018114034A1

DE102018114034A1 - Verfahren zum erzeugen eines cnc-maschinenversatzes auf grundlage eines thermischen modells

Info

Publication number: DE102018114034A1
Application number: DE102018114034.7A
Authority: DE
Inventors: Chandra Sekhar Jalluri; Himanshu Rajoria; Jon Guske; Michael Allen Schmitz
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-12-20
Also published as: US10365633B2; CN109085797A; US20180364677A1; US11150628B2; US20190294142A1; CA2997451A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung beschreibt allgemein ein Verfahren zum Verarbeiten eines Werkstücks in einer Maschine, wobei das Verfahren einen Versatz der Maschine bestimmt und eine Einstellung für den Versatz während des Produktionsbetriebs vornimmt. In einer Form beinhaltet das Verfahren das Protokollieren von Versatzdaten der Maschine über einen Betriebszeitraum mit variierenden thermischen Bedingungen und das Vergleichen der protokollierten Versatzdaten mit einem thermischen Modell, wobei das thermische Modell auf Grundlage einer Sondierungsroutine und eines Trockenlaufs für eine Vielzahl von Prüfzyklen an einem Kalibrierungsartefakt erzeugt wird. Auf Grundlage des Vergleichens schätzt das Verfahren Versätze der Maschine und stellt Versätze der Maschine während des Betriebs ein.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Versatzes in einer CNC-Maschine aufgrund von thermischem Wachstum einer oder mehrerer Komponenten.
HINTERGRUND
Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung bereit und müssen nicht Teil des Stands der Technik sein.
Allgemein führen Maschinen für rechnergestützte numerische Steuerung (computer numerical control, CNC) eine programmierte Sequenz von Befehlen aus um verschiedene Bearbeitungsvorgänge zu automatisieren. Beispielsweise können Bohrer, Drehbänke und Wasserstrahlschneider als CNC-Maschinen konfiguriert werden. Eine CNC-Maschine beinhaltet in der Regel mehrere Komponenten wie etwa einen Motor, eine Spindel, eine Kugelumlaufspindel, Drehachsen und Ständer, und kann betrieben werden, um ein Werkstück relativ zu einem Werkzeug auszurichten, das an der Spindel angebracht ist, bevor das Werkstück bearbeitet wird. Jede dieser Komponenten kann unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen und kann bewirken, dass sich die CNC-Maschine aus ihrer Position verlagert.
Um das Werkzeug korrekt mit einem Werkstück zu positionieren, wird die CNC-Maschine mit einem Maschinenbezugspunkt (im Folgenden „Bezugspunkt“) kalibriert, der als der Ursprung des von der CNC-Maschine verwendeten Koordinatensystem dient. Der Bezugspunkt kann mithilfe einer Sondierungsroutine bestimmt werden, die eine Präzisionskaliberbohrung, die an einer Aufspannvorrichtung positioniert werden kann, und eine Berührungssonde nutzt, die an der Spindel angebracht wird. Während der Bearbeitung kann die Temperatur aufgrund von Wärme schwanken, die beispielsweise durch den Motor, Schneidenergie, Leerlaufbetrieb und Reibung erzeugt wird. Die Temperaturschwankung kann zu thermischem Wachstum verschiedener Komponenten führen, wie etwa der Spindel, der Kugelumlaufspindel, der Drehachsen und des Ständers, und eine Verschiebung des Bezugspunkts bewirken. Bei der Bearbeitung mit Minimalmengenschmierung (MMS) beispielsweise, bei der die Kühlmittelspülung minimal ist, kann das thermische Wachstum bis zu 100 µm betragen. In der Großproduktion kommt es aus verschiedenen Gründen zu einem häufigen Starten und Anhalten einer Maschine, etwa wegen einer Maschineblockade, mangelhaften Schmierung, eines Gerüstproblems und eines Schichtwechsels, was den Bezugspunkt ebenfalls aufgrund von thermischem Wachstum verschieben kann.
Die vorliegende Offenbarung geht neben anderen Problemen rund um die Leistung diese Versatzeinstellungsprobleme und die Zykluszeit der CNC-Maschine an.
KURZDARSTELLUNG
In einer Form stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Kompensieren von thermischen Schwankungen in einer Maschine bereit. Das Verfahren beinhaltet das Ausstatten der Maschine mit einer Vielzahl von Temperatursensoren, Einschließen der Maschine in einer Atmosphäre mit steuerbarer Umgebung und Anbringen eines Kalibrierungsartefakts in der Maschine. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchwärmen der Maschine bei einer Vielzahl von vorgegebenen Umgebungstemperaturen, Sondieren des Kalibrierungsartefakts bei der Vielzahl von Temperaturen und Erzeugen eines thermischen Modells der Maschine auf Grundlage des Sondierens.
In einer anderen Form stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Verarbeiten eines Werkstücks in einer Maschine bereit. Das Verfahren beinhaltet das Protokollieren von Versatzdaten der Maschine über einen Betriebszeitraum mit variierenden thermischen Bedingungen, Vergleichen der protokollierten Versatzdaten mit einem thermischen Modell, wobei das thermische Modell auf Grundlage einer Sondierungsroutine und eines Trockenlaufs für eine Vielzahl von Prüfzyklen an einem Kalibrierungsartefakt erzeugt wird. Auf Grundlage des Vergleichens schätzt das Verfahren Versätze der Maschine und stellt Versätze der Maschine während des Betriebs ein.
In noch einer anderen Form stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Verarbeiten eines Werkstücks in einer CNC-Maschine bereit. Das Verfahren beinhaltet das Protokollieren von Versatzdaten der CNC-Maschine während des Produktionsbetriebs über einen Zeitraum mit variierenden Umgebungsbedingungen. Das Verfahren vergleicht die protokollierten Versatzdaten mit einem thermischen Modell der CNC-Maschine während des Produktionsbetriebs, schätzt Versätze für die CNC-Maschine auf Grundlage des Vergleichens; und stellt Versätze der Maschine während des Produktionsbetriebs ein, derart, dass die CNC-Maschine ohne Stillstandszeit eingestellt wird.
Weitere Anwendungsbereiche gehen aus der hierin bereitgestellten Beschreibung hervor. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele der Veranschaulichung dienen und den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Offenbarung werden nun verschiedene beispielhafte Formen derselben beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird; es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer CNC-Maschine mit einer Steuerung, die gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruiert ist;
2 ein Blockdiagramm der Steuerung der CNC-Maschine aus 1;
3 einen Prozess zur thermischen Charakterisierung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
4 ein Ablaufdiagramm eines Beispielprozesses zur thermischen Charakterisierung gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung; und
5 ein Ablaufdiagramm eines Beispiels eines Kalibrierungsprozesses für thermischen Versatz gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung.

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur der Veranschaulichung und sollen den Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es versteht sich, dass in den Zeichnungen einander entsprechende Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Art und soll die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Verwendungsweisen nicht einschränken.
In einer Fertigungsumgebung werden im Allgemeinen CNC-Maschinen benötigt, um innerhalb einer vorgeschriebenen Zykluszeit einen oder mehrere Bearbeitungsvorgänge an einem Werkstück durchzuführen. Um der Verschiebung des Bezugspunkts entgegenzuwirken, können Hersteller von CNC-Maschinen die Bearbeitungsvorgänge unterbrechen, um eine Kalibrierungsbohrungssondierung durchzuführen, um thermisches Wachstum zu identifizieren und entsprechend zu kompensieren. Obwohl Kalibrierungssondierung die Verschiebung beheben kann, kann sie Zykluszeit in Anspruch nehmen und gilt in der Regel als nicht wertschöpfender Fertigungsvorgang, obgleich sie nur eine beschränkte Anzahl von Schneidebenen berücksichtigt. Häufiges Sondieren erhöht somit die Zykluszeit und ist in der Massenproduktion von Nachteil.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren eines Versatzes der CNC-Maschine mithilfe eines vorgegebenen thermischen Modells, und erfordert keine Hochpräzisionskalibrierungssondierung, die wertvolle Bearbeitungszeit in Anspruch nehmen kann. Insbesondere ist ein Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz der vorliegenden Offenbarung in einer Steuerung der CNC-Maschine gespeichert und wird von dieser ausgeführt, um einen Versatz der CNC-Maschine auf Grundlage eines thermischen Modells, das in der CNC-Maschine gespeichert ist, und anderer Daten wie etwa Temperatur und gespeicherter Versatz/gespeicherte Versätze, zu schätzen. Der Prozess kann dann die CNC-Maschine so einstellen, dass der Ursprung des Koordinatensystems am ursprünglichen Bezugspunkt ausgerichtet ist. Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen folgt nun eine ausführliche Erläuterung der Kalibrierung für thermischen Versatz.
Bezug nehmend auf 1 ist eine CNC-Maschine 100 gezeigt, die einen Tisch 102 mit einer Präzisionskalibrierungsbohrung 103, eine Spindel 104, einen Drehzapfen 105, ein Werkzeug 106 das am Ende der Spindel 104 angeordnet ist, eine Steuerung 108, eine oder mehrere Benutzerschnittstellen 110, die kommunizierend an die Steuerung 108 gekoppelt sind, und einen oder mehrere Temperatursensoren 112 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung beinhaltet. Die Spindel 104 ist allgemein betriebsfähig, um sich relativ zu einem auf dem Tisch 102 angeordneten Werkstück 114 an der X-, Y- und Z-Achse entlang zu bewegen. Das Teil ist allgemein betriebsfähig, um sich anhand der A-, B-Achse auszurichten, um die Teilfläche/-ebene zu präsentieren, die bearbeitet werden muss. Das Werkzeug 106 kann betriebsfähig sei, um sich um die Z-Achse zu drehen und eine Kraft auf das Werkstück 114 auszuüben, um einen Maschinenvorgang durchzuführen, etwa eine Bohrung durch das Werkstück 114 zu bohren. Die CNC-Maschine 100 kann dazu konfiguriert sein, mehrere Werkzeuge aufzuweisen, derart, dass die Spindel 104 betriebsfähig ist, um zwischen Vorgängen ohne Bearbeitung zwischen den Werkzeugen zu wechseln.
Die Temperatursensoren 112 messen die Umgebungstemperatur und können an unterschiedlichen Positionen der CNC-Maschinen 100 angeordnet sein, wie etwa der Spindel 104, dem Tisch 102, dem Maschinensockel (nicht gezeigt), der Kugelumlaufspindel (nicht gezeigt) und anderen geeigneten Positionen, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden können, wie nachstehend ausführlicher erörtert wird. Der Temperatursensor 112 kann während der Vorgänge mit und ohne Bearbeitung in einem festgelegten Intervall Daten an die Steuerung 108 ausgeben. Alternativ können die Temperatursensoren 112 Daten zu einer festgelegten Betriebszeit ausgeben, wie etwa am Start und Halt bestimmter Vorgänge, und/oder bei Anforderung durch die Steuerung 108.
Die CNC-Maschine 100 kann durch einen Benutzer wie etwa einen Maschinenbediener über die Benutzerschnittstelle 110 betreibbar sein. In der dargestellten Form beinhaltet die Benutzerschnittstelle 110 einen Monitor 116, der eine grafische Benutzeroberfläche und eine Tastatur 118 anzeigen kann. Die Benutzerschnittstelle 110 kann weitere Komponenten wie eine Maus, eine Touchscreen-Anzeige und andere geeignete Vorrichtungen zum Betreiben der CNC-Maschine 100 beinhalten.
Die Steuerung 108 steuert den Betrieb der CNC-Maschine 100 auf Grundlage empfangener Eingaben und vorgegebener Programme, die von der Steuerung 108 gespeichert und ausgeführt werden. Die Steuerung 108 kann durch drahtgebundene und drahtlose Kommunikation mit verschiedenen externen Vorrichtungen in Kommunikationsverbindung stehen. Beispielsweise kann die Steuerung 108 kommunizierend an die Benutzerschnittstellen 110 und die Temperatursensoren 112 gekoppelt sein über einen Kommunikationsanschluss und Kabel und/oder durch drahtlose Kommunikation über einen Transceiver (z. B. Bluetooth, ZigBee und/oder Wi-Fi). Die Steuerung 108 kann unter anderem mit anderen externen Vorrichtungen wie etwa Servern, die außerhalb der CNC-Maschine 100 angeordnet sind, und externem Speicher kommunizieren.
Unter Bezugnahme auf 2 kann die Steuerung 108 Speicher 202 (z. B. RAM, ROM, EPROM und/oder EEPROM), der Steuerprogramme speichert, und einen Prozessor 208 zum Ausführen der Programme im Speicher 202 beinhalten. Einige der Programme können einen oder mehrere Bearbeitungsvorgänge zur Ausführung durch die CNC-Maschine 100 betreffen und können die CNC-Maschine 100 beispielsweise so steuern, dass sie ein Werkstück 114 auf dem Tisch 102 ablegt, das Werkstück bearbeitet, das Werkstück 114 dreht und das Werkstück 114 vom Tisch 102 nimmt. Andere Programme können Vorgänge ohne Bearbeitung wie etwa den Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz betreffen, um eine Einstellung für einen durch thermisches Wachstum verursachten Versatz von einer oder mehreren Komponenten der CNC-Maschine 100 vorzunehmen, wie hierin ausführlich beschrieben wird. Neben den Steuerprogrammen kann der Speicher 202 auch andere Informationen wie etwa Daten, die vom Benutzer über die Benutzerschnittstellen 110 eingegeben werden, die von den Temperatursensoren 112 erfasste Temperatur und im Voraus gespeicherte Daten wie etwa kalibrierte Positionsinformationen der Kalibrierungsbohrung 103 und ein thermisches Modell speichern.
Wie oben beschrieben, können Komponenten der CNC-Maschine 100 thermischem Wachstum unterliegen, was bewirkt, dass sich der Bezugspunkt des Maschinenkoordinatensystems verschiebt. Um diese Verschiebung zu kompensieren, führt die Steuerung 108 den Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz aus, bei dem die Steuerung 108 einen Versatz der CNC-Maschine 100 unter Verwendung eines vorgegebenen thermischen Modells und protokollierter Versatzdaten schätzt, und nimmt dann eine Einstellung für den Versatz vor, derart, dass das Werkstück auf Grundlage des Bezugspunkts beispielsweise relativ zum Werkzeug 106 ausgerichtet wird.
Das thermische Modell charakterisiert das thermische Wachstum der CNC-Maschine 100 und dient zum Schätzen des Maschinenwachstumsversatzes an einer oder mehreren Achsen bei einer gegebenen Temperatur und des Maschinenzustands (z. B. Aufwärmzeit und Pausenzeit usw.). Ein Faktor beim Formulieren des thermischen Modells beinhaltet das Bewerten der Auswirkung, die die Temperatur auf das thermische Wachstum von einer oder mehreren Komponenten der CNC-Maschine 100 ausübt. Dazu kann die CNC-Maschine 100 einem oder mehreren Versuchen auf thermischer Basis unterzogen werden, in denen die Umgebungsbedingung der CNC-Maschine 100 gesteuert wird und das thermische Wachstum wichtiger Komponenten gemessen wird.
3 stellt einen Prozess zur thermischen Charakterisierung dar und 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispielprozesses zur thermischen Charakterisierung. Der Prozess zur thermischen Charakterisierung kann beispielsweise bei der ursprünglichen Fertigung der CNC-Maschine 100 oder in der Fertigungsanlage durchgeführt werden, die die CNC-Maschine 100 nutzt. In beiden Situationen wird die Charakterisierung vor dem Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz durchgeführt. Vor dem Ausführen der thermischen Charakterisierung kann außerdem eine Hochpräzisionskalibrierungssondierung zum Kalibrieren des Bezugspunkts der CNC-Maschine 100 durchgeführt werden.
Zum Überwachen von Temperaturen wird die CNC-Maschine 100 bei 402 mit verschiedenen Sensoren wie etwa mehreren Temperatursensoren ausgestattet, die an verschiedenen Positionen an der Maschine 100 angeordnet werden. Um die Umgebungstemperatur wirksam zu regulieren, kann die CNC-Maschine 100 bei 404 in einer Atmosphäre mit steuerbarer Umgebung wie etwa einem Zelt (Bild 300 aus 3) eingeschlossen werden.
Ein Kalibrierungsartefakt, wie etwa ein rechteckiger Block, der in Bild 302 von 3 gezeigt ist, kann bei 406 in der CNC-Maschine 100 angebracht werden. Das Kalibrierungsartefakt weist präzise bekannte Abmessungen auf und kann aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein. Das Artefakt kann mehrere Bohrungen an unterschiedlichen Flächen des Artefakts beinhalten.
Die CNC-Maschine 100 und das Artefakt können dann bei 408 bei einer oder mehreren vorgegebenen Umgebungstemperaturen durchgewärmt werden, und das Artefakt wird bei jeder Temperatur sondiert, um die Position der einen oder mehreren Bohrungen zu überprüfen. Insbesondere wird die CNC-Maschine 100 bei 408 einer Artefaktprüfung unterzogen, bei der die Umgebungstemperatur eingestellt wird, um unterschiedliche Umgebungsbedingungen zu simulieren, wie etwa Winter, Frühling, Sommer und Herbst. Die Artefaktprüfung kann auch das Sondieren des Artefakts bei unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen Maschinenzuständen beinhalten, um die Position der Bohrungsmitte und/oder der Bohrungstiefe von einer oder mehreren der Bohrungen am Artefakt zu messen (z. B. stellt Bild 302 aus 3 ein sondiertes Artefakt dar). Die Prüfung kann auch andere Positionen wie etwa die Ober- und Unterseite des Artefakts messen.
Die Artefaktprüfung kann auch einen Trockenlauf ausführen, bei dem die CNC-Maschine 100 so gesteuert wird, dass sie einen oder mehrere Bearbeitungsvorgänge ohne Werkstück und Werkzeug ausführt. Das heißt, die CNC-Maschine 100 simuliert Bearbeitungsvorgänge, die das Drehen der Spindel 104 und Umpositionieren eines Werkstücks durch Durchführen der erforderlichen Bewegung ohne das Werkstück beinhalten kann, was jeweils das thermische Wachstum der Komponenten beeinflussen kann. Zusätzlich zu den Bearbeitungsvorgängen kann der Trockenlauf auch Vorgänge ohne Bearbeitung wie etwa Werkzeugwechsel, Schnellvorschub und/oder A/B-Indexierung unterschiedlicher Winkelindexpositionen und Kombinationen des Drehzapfens 105 (A-Achse) und des Tisches 102 (B-Achse) beinhalten, der auf dem Drehzapfen 105 ruht. Nach dem Trockenlauf sondiert die Artefaktprüfung das Artefakt erneut. Weitere Details zu einer solchen temperaturgesteuerten Artefaktprüfung zum Charakterisieren von thermischem Wachstum sind in der gemeinschaftlich erteilten US-Patentanmeldung 14/463,988 beschrieben, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Gegenstand mit einbezogen wird.
Die Artefaktprüfung kann Einblicke in das thermische Wachstum beispielsweise empfindlicher Komponenten der CNC-Maschine 100 bereitstellen und zum Identifizieren von Positionen an der CNC-Maschine 100 dienen, die ideal zum Erfassen der Umgebungstemperatur sind. Beispielsweise stellt das Kurvendiagramm 304 in 3 ein aufgrund einer thermischen Studie, in der eine Temperaturkompensation für Einstellungen in Bezug auf Versatz für einen Datensatz ausgeschaltet und für einen anderen Datensatz eingeschaltet wird, erwartetes thermisches Wachstum dar. Wie gezeigt, weicht das thermische Wachstum ohne thermische Kompensation stark von der wahren Messung ab.
Die Artefaktprüfung kann auch verwendet werden, um thermische Subsystemmodelle für empfindliche Komponenten wie die Spindel, den Drehzapfen, die Kugelumlaufspindel zu erzeugen, was für tieferes Verständnis im Zuge des thermischen Wachstums dieser Komponenten sorgen kann. Beispielsweise kann sich eine Schneidspindel, die der Schneidlast direkt ausgesetzt ist, schneller als andere Komponenten erwärmen und daher mit ansteigender Temperatur wachsen. Die Schneidspindel kann untersucht werden, indem ein oder mehrere Sensoren an der Spindel angeordnet werden, nur die Spindel angetrieben wird und dann auf Grundlage der gesammelten Daten ein nur für die Spindel geltendes thermisches Modell entwickelt wird. Zum Messen des Spindelwachstums können Sonden- und andere Systeme verwendet werden. Andere Maschinenkomponenten, wie etwa Teiletisch, Spannvorrichtung, Ständer und Bett, die nicht direkt am Schneiden beteiligt sind, können durch Durchwärmen derselben bei anderen Umgebungstemperaturen untersucht werden.
Mithilfe der in der Artefaktprüfung gesammelten Daten wird bei 410 ein thermisches Modell erzeugt und in der Steuerung 108 der CNC-Maschine 100 gespeichert. Das Modell beinhaltet das thermische Wachstum der CNC-Maschine 100, das als Wachstumsversätze bestimmt wird, die beispielsweise an einem kartesischen Koordinatensystem gemessen werden, das auf den während der Artefaktprüfung am Artefakt gemessenen Positionen (z. B. Bohrungsmitte und -tiefe) und bekannten Positionen des Artefakts beruht. Beispielsweise wird die Differenz zwischen jeder gemessenen Position und ihrer jeweiligen bekannten Position als ein Wachstumsversatz für diese Bohrung identifiziert. Der Wachstumsversatz steht mit der Temperatur und dem Maschinenzustand im Zusammenhang mit der gemessenen Position in Zusammenhang. Das thermische Modell setzt das thermische Wachstum, die Temperatur und die Zeit miteinander in Beziehung (z. B. grafisches Darstellungssystem 306 aus 3), und wird zum Schätzen des Maschinenwachstumsversatzes bei einer gegebenen Temperatur und einem bekannten Maschinenzustand (z. B. Aufwärmen, Beharrungszustand, Abkühlung und Pausenzeit) verwendet.
Wenn die CNC-Maschine 100 in Betrieb ist, führt die Steuerung 108 routinemäßig den Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz aus, um den Versatz der CNC-Maschine 100 zu korrigieren. Die Häufigkeit, mit der die Steuerung 108 dies ausführt, kann vom Umgebungs- und Betriebszustand abhängen, denen die CNC-Maschine 100 unterlag. Insbesondere kann der Prozess durchgeführt werden, wenn die CNC-Maschine 100 verschiedenen Betriebsszenarien ausgesetzt war, wie etwa Start- und Haltvorgängen, kontinuierlicher Laufzeit und Temperaturumschwüngen. Wenn also die CNC-Maschine 100 nach zwei Tagen des Betriebs solchen Szenarien unterliegt, kann die Häufigkeit auf jede Woche oder jeden Monat eingestellt werden. Die Häufigkeit kann auch über die Benutzerschnittstelle eingestellt werden und wird daher für jede CNC-Maschine individuell eingestellt.
5 stellt ein Beispiel eines Kalibrierungsprozesses für thermischen Versatz dar, der von der Steuerung 108 ausgeführt wird und in einer Form der vorliegenden Offenbarung während eines Betriebszustands der CNC-Maschine 100 ohne Bearbeitung während der Produktion durchgeführt wird, etwa Werkzeugwechsel, Beharrungszustand usw. Das heißt, die CNC-Maschine 100 wird nicht wie bei der Hochpräzisionskalibrierungssondierung offline genommen, und wird während eines Vorgangs ohne Bearbeitung in der Produktion eingestellt.
Bei 502 von 5 bestimmt die Steuerung 108 einen Versatz der Präzisionskalibrierungsbohrung 103 relativ zu einer Komponente der CNC-Maschine 100. Beispielsweise führt die Steuerung 108 eine Sondierungsroutine aus, um die Position der Bohrung 103 (z. B. X-, Y-, Z-Position) relativ zur Spindel 104 zu bestimmen, und speichert die Position als eine gemessene Position im Speicher 202. Die Steuerung 108 bestimmt dann den Versatz der Bohrung 103 relativ zur Spindel 104 durch Subtrahieren einer gemessenen Position von einer bekannten Position, die im Speicher 202 gespeichert ist. Obwohl die Versatzdaten auf der Spindel 104 beruhen, können auch andere Komponenten der CNC-Maschine wie etwa Kugelumlaufspindel, Drehzapfen, Ständer und Tisch verwendet werden.
Die Steuerung 108 erfasst dann bei 504 die Umgebungstemperatur von dem einen oder den mehreren Temperatursensoren 112 und einen Maschinenzustand der CNC-Maschine 100, und speichert oder protokolliert die bei 502 bestimmten Versatzdaten mit der Temperatur und dem Maschinenzustand, die erfasst wurden, im Speicher 202 als einen Versatzeintrag. Die Steuerung 108 kann fortfahren, den Versatzeintrag zu speichern, auch wenn der Prozess beendet ist, um ihn für künftige Versatzkalibrierungsprozesse zu verwenden. Der Maschinenzustand kann vom Maschinenbediener über die Benutzerschnittstelle eingegeben werden.
Bei 506 vergleicht die Steuerung 108 anhand eines Korrelationsanalysemodells den oder die protokollierten Versatzeinträge mit dem thermischen Modell. In einem Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerung 108 Regressionsanalyse als Korrelationsanalysemodell. Regressionsanalyse ist ein bekannter statistischer Prozess zum Schätzen der Beziehung zwischen einer abhängigen Variablen und einer oder mehreren unabhängigen Variablen. Hier beispielsweise kann es sich bei der abhängigen Variable um die Versätze des Bezugspunkts der CNC-Maschine 100 entlang den Positionierungsachsen (z. B. X, Y, Z) handeln, und die unabhängigen Variablen können die Temperatur und den Maschinenzustand beinhalten. Die Steuerung 108 kann auch andere Verfahren zum Vergleichen des protokollierten Versatzeintrags mit dem thermischen Modell verwenden. Beispielsweise kann die Steuerung 108 zusätzlich zu oder anstelle von der Regressionsanalyse eine Hauptkomponentenanalyse, Lookup-Tabellen und andere geeignete Datenanalyseverfahren verwenden.
Bei 508 schätzt die Steuerung 108 die Versätze der CNC-Maschine 100 und nimmt eine Einstellung für die Versätze während des Bearbeitungsvorgangs vor. Bei Verwendung von Regressionsanalyse beispielsweise erzeugt die Steuerung 108 Regressionsgleichungen, die zum Schätzen der Versätze der CNC-Maschine 100 entlang den Positionierungsachsen (z. B. X, Y, Z) verwendet werden. Zum Beispiel sind die Gleichungen 1 bis 3 Beispielgleichungen zum Bestimmen der Versätze auf Grundlage der Temperaturen von Bett und Spindel (d. h. T_bett und T_spi). Mit den geschätzten Versätzen kann die Steuerung 108 die Verschiebung im Bezugspunkt während normaler Bearbeitungsvorgänge kompensieren. Beispielsweise berechnet die Steuerung 108 die Versätze und wendet sie durch Einstellungen von Positionen in einem CNC-Programm an, das in der Steuerung 108 gespeichert ist. Es versteht sich, dass die spezifischen Koeffizienten und Konstanten, die in den Gleichungen 1 bis 3 bereitgestellt werden, von den gemessenen Versätzen abhängen, weshalb die vorliegende Offenbarung nicht auf die in den Gleichungen bereitgestellten spezifischen Werte beschränkt sein sollte. $\begin{matrix} x-Versatz = 0,0400 - 0,00160 T_{bett} + 0,00303 T_{spi} & R^{2} = 0,85 \end{matrix}$
$\begin{matrix} y-Versatz = 0,300 - 0,02357 T_{bett} + 0,00121 T_{spi} & R^{2} = 0,955 \end{matrix}$
$\begin{matrix} z-Versatz = 0,1661 - 0,00734 T_{bett} + 0,00541 T_{spi} & R^{2} = 0,879 \end{matrix}$
Auf Grundlage des Vorstehenden kompensiert der Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz die Verschiebung in der CNC-Maschine, ohne die zeitaufwändigen Prozess der Hochpräzisionskalibrierungssondierung durchzuführen, und reduziert die zum Korrigieren des Bezugspunkts benötigte Zykluszeit wesentlich. Das heißt, in einer Form der vorliegenden Offenbarung wird der Kalibrierungsprozess für thermischen Versatz während eines Produktionsvorgangs ohne Bearbeitung wie etwa einem Werkzeugwechsel durchgeführt. Die hierin beschriebene Temperaturkompensationsroutine nutzt ein vorgegebenes thermisches Modell zum Schätzen des Versatzes anstelle der Durchführung einer aufwändigen Sondierungsroutine.
Es versteht sich, dass die in Bezug auf die in 4 und 5 dargestellten Prozesse beschriebenen Schritte abgewandelt werden können und nicht auf das hier bereitgestellte Beispiel beschränkt sein sollen. Bezüglich 4 etwa kann das Artefakt zum Beispiel in der CNC-Maschine angeordnet werden, bevor die CNC-Maschine in Atmosphäre mit steuerbarer Umgebung eingeschlossen wird, und in 5 kann die Steuerung dazu konfiguriert sein, den Versatz erst zu schätzen und die CNC-Maschine einzustellen, nachdem eine gewisse Anzahl gemessener Versatzeinträge im System protokolliert wurden.
Die Beschreibung der Offenbarung ist lediglich beispielhafter Natur, weshalb vorgesehen ist, dass Abwandlungen, die nicht vom Inhalt der Offenbarung abweichen, in den Geltungsbereich der Offenbarung fallen. Diese Abwandlungen gelten nicht als eine Abweichung von Wesen und Geltungsbereich der Offenbarung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 14463988 [0026]

Claims

Verfahren zum Verarbeiten eines Werkstücks in einer Maschine, umfassend: Protokollieren von Versatzdaten der Maschine über einen Betriebszeitraum mit variierenden thermischen Bedingungen; Vergleichen der protokollierten Versatzdaten mit einem thermischen Modell, wobei das thermische Modell auf Grundlage einer Sondierungsroutine und eines Trockenlaufs für eine Vielzahl von Prüfzyklen an einem Kalibrierungsartefakt erzeugt wird; Schätzen von Versätzen für die Maschine auf Grundlage des Vergleichens; und Einstellen von Versätzen der Maschine während des Betriebs.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Ausstatten der Maschine mit einer Vielzahl von Temperatursensoren; Einschließen der Maschine in einer Atmosphäre mit steuerbarer Umgebung; Anbringen des Kalibrierungsartefakts in der Maschine; Durchwärmen der Maschine bei einer Vielzahl von vorgegebenen Umgebungstemperaturen; Sondieren des Kalibrierungsartefakts bei der Vielzahl von Temperaturen; und Erzeugen des thermischen Modells der Maschine auf Grundlage des Sondierens.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von vorgegebenen Umgebungstemperaturen die vier Jahreszeiten Winter, Frühling, Sommer und Herbst simuliert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausstatten das Ausstatten von Komponenten der Maschine mit mehreren Sensoren und Erzeugen eines thermischen Modells der Komponenten auf Grundlage von Daten von den Sensoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Maschine eine CNC-Maschine ist und das Ausstatten das Ausstatten wenigstens einer Komponente der CNC-Maschine mit einem oder mehreren Sensoren und Erzeugen eines thermischen Modells der wenigstens einen Komponente auf Grundlage von Daten von den Sensoren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Komponente ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einer Spindel, einer Kugelumlaufspindel, einem Teiletisch, einem Drehzapfen, einem Ständer, einem Bett und einer Spannvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsartefakt ein Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Modell Maschinenwachstum der Maschine in einem mehrachsigen Koordinatensystem beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maschine eine CNC-Maschine ist und die protokollierten Versatzdaten auf wenigstens einer Komponente der CNC-Maschine beruhen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Komponente ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einer Spindel, einer Kugelumlaufspindel, einem Teiletisch, einem Drehzapfen, einem Ständer, einem Bett und einer Spannvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maschine Temperatursensoren umfasst und Positionen der Temperatursensoren auf Grundlage des Vergleichens und des thermischen Modells eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Vergleichen unter Verwendung von wenigstens einem von Regressionsanalyse, Hauptkomponentenanalyse und Lookup-Tabelle durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das thermische Modell ein thermisches Wachstum der Maschine bei unterschiedlichen Temperaturen in Beziehung setzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner umfassend: Durchführen einer Sondierungsroutine zum Bestimmen einer Position einer Bohrung im Verhältnis zu einer Komponente der Maschine; und Bestimmen eines Versatzes auf Grundlage der bestimmten Position und einer im Voraus gespeicherten bekannten Position der Bohrung relativ zur Komponente, wobei der Versatz als Versatzdaten der Maschine protokolliert wird
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Maschine einen oder mehrere Temperatursensoren umfasst und das Verfahren ferner das Erfassen einer oder mehrerer Temperaturen von dem einen oder den mehreren Temperatursensoren und eines Maschinenzustands der Maschine während der Sondierungsroutine umfasst, wobei die eine oder mehreren Temperaturen und der Maschinenzustand in Beziehung zu dem Versatz gespeichert und als die Versatzdaten protokolliert werden.