DE102019200482A1 - Method and device for the automated machining of a workpiece with a machine tool - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines oder mehrerer Werkstücke (2) mit einer automatisierten Werkzeugmaschine (1), wobei ein Bearbeitungskopf (6) und ein Werkstück (2) relativ zueinander entlang einer Bearbeitungstrajektorie bewegt werden, wobei die Bearbeitungstrajektorie durch Bearbeitungsparameter bestimmt ist, mit folgenden Schritten, die jeweils für das Bearbeiten eines des einen oder der mehreren Werkstücke (2) ausgeführt werden:- Bearbeiten (S1) des Werkstücks (2) gemäß vorgegebener Bearbeitungsparameter entlang der Bearbeitungstrajektorie;- Messen (S2) einer oder mehrerer Bearbeitungsgrößen, insbesondere einen oder mehrere Verläufe der Bearbeitungsgrößen während des Bearbeitens des Werkstücks (2) entlang der Bearbeitungstrajektorie;- Optimieren (S4) der Bearbeitungsparameter mithilfe eines Optimierungsverfahrens basierend auf einer Kostenfunktion und mindestens einer Randbedingung, wobei eine modellierte Bearbeitungsgröße und eine dieser modellierten Bearbeitungsgröße zugeordnete Unsicherheitsgröße mithilfe eines Bearbeitungsmodells, das als ein Regressionsmodel vorgesehen ist, abhängig von den bei der Optimierung betrachteten Bearbeitungsparametern bestimmt werden,wobei die Randbedingung von einem von einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit abhängigen Wertebereich um die modellierte Bearbeitungsgröße abhängt,wobei die modellierte Bearbeitungsgröße, die Unsicherheitsgröße und die vorgegebene Wahrscheinlichkeit den Wertebereich um eine modellierte Bearbeitungsgröße angeben.The invention relates to a method for machining one or more workpieces (2) with an automated machine tool (1), a machining head (6) and a workpiece (2) being moved relative to one another along a machining trajectory, the machining trajectory being determined by machining parameters, with the following steps, which are each carried out for machining one or more workpieces (2): - machining (S1) the workpiece (2) according to predetermined machining parameters along the machining trajectory; - measuring (S2) one or more machining variables, in particular one or more courses of the processing sizes during the processing of the workpiece (2) along the processing trajectory; - optimization (S4) of the processing parameters using an optimization method based on a cost function and at least one boundary condition, a modeled processing size and one of these modeled processing The uncertainty variable assigned to the measurement variable is determined using a machining model which is provided as a regression model, depending on the machining parameters considered in the optimization, the boundary condition depending on a range of values dependent on a predetermined probability around the modeled machining variable, the modeled machining variable, the uncertainty variable and the specified probability indicates the range of values around a modeled machining size.
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft Verfahren zum automatisierten Steuern einer Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks. Insbesondere betrifft das vorliegende Verfahren die Optimierung einer Bearbeitungstrajektorie, gemäß der das Werkstück durch die Werkzeugmaschine bearbeitet wird.The invention relates to methods for the automated control of a machine tool for machining a workpiece. In particular, the present method relates to the optimization of a machining trajectory according to which the workpiece is machined by the machine tool.
Technischer HintergrundTechnical background
Bei der zerspanenden Bearbeitung von Werkstücken durch automatisierte Werkzeugmaschinen können verschiedene Faktoren die Bearbeitungszeit, die Qualität der Bearbeitung und die Qualität des bearbeiteten Werkstücks beeinflussen. In der Regel wird für die Bearbeitung eine Bearbeitungstrajektorie vorgegeben, mit der sich ein Bearbeitungskopf der Werkzeugmaschine relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück bewegt. Das Abfahren der Bearbeitungstrajektorie erfolgt dabei entsprechend mehreren Bearbeitungsparametern, die maßgeblich für die Bearbeitungszeit, die Qualität der Bearbeitung und die Qualität des bearbeiteten Werkstücks sind.When machining workpieces using automated machine tools, various factors can influence the machining time, the quality of the machining and the quality of the machined workpiece. As a rule, a machining trajectory is specified for the machining, with which a machining head of the machine tool moves relative to the workpiece to be machined. The machining trajectory is traversed according to several machining parameters which are decisive for the machining time, the quality of the machining and the quality of the machined workpiece.
Die Bearbeitungsverfahren können Zerspanungstechniken, wie beispielsweise Bohren, Fräsen, Sägen, Schweißen und dergleichen, Schneidtechniken, wie z.B. Laserschneiden, Wärmebehandlungen, wie z.B. Löten, Sintern usw. , sowie Verbindungstechniken, wie z.B. Bonden, Kleben usw., und dergleichen, und allgemein andere Verfahren umfassen, bei denen sich ein Werkzeug relativ zu einem Werkstück bewegt und dabei stoffliche, d. h. material- und/oder formverändernde Maßnahmen ausführt.The processing methods can include machining techniques such as drilling, milling, sawing, welding and the like, cutting techniques such as e.g. Laser cutting, heat treatments, e.g. Soldering, sintering, etc., as well as connection techniques such as Bonding, gluing, etc., and the like, and generally include other methods in which a tool moves relative to a workpiece, thereby material, i. H. executes material and / or shape-changing measures.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und eine Werkzeugmaschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for machining a workpiece with a machine tool according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further configurations are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer automatisierten Werkzeugmaschine vorgesehen, wobei ein Bearbeitungskopf und ein Werkstück relativ zueinander entlang einer Bearbeitungstrajektorie bewegt werden, wobei die Bearbeitungstrajektorie durch Bearbeitungsparameter bestimmt ist, mit folgenden Schritten:
- - Bearbeiten des Werkstücks gemäß vorgegebener Bearbeitungsparameter entlang der Bearbeitungstrajektorie;
- - Messen einer oder mehrerer Bearbeitungsgrößen, insbesondere einen oder mehrere Verläufe der Bearbeitungsgrößen während des Bearbeitens des Werkstücks entlang der Bearbeitungstrajektorie;
- - Optimieren der Bearbeitungsparameter mithilfe eines Optimierungsverfahrens basierend auf einer Kostenfunktion und mindestens einer Randbedingung,
- - Machining the workpiece according to predetermined machining parameters along the machining trajectory;
- - Measuring one or more machining variables, in particular one or more courses of the machining variables during machining of the workpiece along the machining trajectory;
- Optimization of the machining parameters using an optimization method based on a cost function and at least one boundary condition,
Die Bearbeitung eines Werkstücks in einem automatisierten Bearbeitungsverfahren erfolgt in der Regel durch Bewegen eines Bearbeitungskopfes eines Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, so dass eine stoffliche oder Formveränderung des Werkstücks erfolgt. Die Bewegung des Bearbeitungskopfes erfolgt entlang einer Bearbeitungstrajektorie und kann durch Bearbeitungsparameter charakterisiert werden. Die Bearbeitungstrajektorie kann als durch die Bearbeitungsparameter parametrierte Trajektorie definiert sein oder in Trajektorienabschnitte unterteilt sein, die durch z.B. lineare Abschnittsverläufe durch jeweilige separate Bearbeitungsparameter definiert sind. Je nach Art des Bearbeitungsverfahrens können die Bearbeitungsparameter die Vorschubgeschwindigkeit, eine Vorschubkraft des Bearbeitungswerkzeugs auf das Werkstück, eine Werkzeugdrehzahl (bei rotierenden Bearbeitungsköpfen, wie beispielsweise beim Bohren), eine Bearbeitungstemperatur des Bearbeitungskopfes und dergleichen sein.The machining of a workpiece in an automated machining process is usually carried out by moving a machining head of a tool relative to the workpiece, so that the material or shape of the workpiece is changed. The movement of the machining head takes place along a machining trajectory and can be characterized by machining parameters. The machining trajectory can be defined as a trajectory parameterized by the machining parameters or can be divided into trajectory sections which are e.g. linear section profiles are defined by respective separate processing parameters. Depending on the type of machining method, the machining parameters can be the feed rate, a feed force of the machining tool on the workpiece, a tool speed (in the case of rotating machining heads, such as for example when drilling), a machining temperature of the machining head and the like.
Die Trajektorienabschnitte der Bearbeitungstrajektorie werden durch Abschnittszeiten oder Abschnittsstrecken definiert. Die Abschnittszeiten bzw. Abschnittsstrecken können gleiche oder unterschiedliche Dauern bzw. Längen aufweisen. Das Bearbeitungsverfahren führt in jedem der Trajektorienabschnitte die Bearbeitung entsprechend der dafür vorgegebenen Bearbeitungsparameter aus. Parameterübergänge können entsprechend Ihrer physikalischen Bedeutung durch Interpolation geglättet werden. So können z.B. eine Vorschubgeschwindigkeit oder eine Werkzeugtemperatur nicht sprunghaft geändert werden.The trajectory sections of the machining trajectory are defined by section times or section sections. The section times or section sections can have the same or different durations or lengths. The processing method carries out processing in each of the trajectory sections in accordance with the processing parameters specified for this. Parameter transitions can be smoothed by interpolation according to their physical meaning. For example, a feed rate or a tool temperature cannot be changed suddenly.
Je nach Wahl der Bearbeitungsparameter der Bearbeitung in den einzelnen Bearbeitungstrajektorien ist die Geschwindigkeit, Dauer und/oder die Qualität der Bearbeitung besser oder schlechter. Es kann daher vorgesehen sein, dass die für die Optimierung betrachtete Kostenfunktion von der Gesamtzeitdauer für die Bearbeitung und/oder einem oder mehreren Qualitätsparametern abhängt, die die Qualität der Bearbeitung angeben und die von der modellierten Bearbeitungsgröße abhängen, wobei der eine oder die mehreren Qualitätsparameter insbesondere durch einen Verlauf der modellierten Bearbeitungsgröße bestimmt wird, und insbesondere als Mittelwert, Maximalwert, Minimalwert des Verlaufs der modellierten Bearbeitungsgröße für die gesamte Bearbeitungstrajektorie oder separat für einen, einige oder alle Trajektorienabschnitte angegeben werden.Depending on the choice of the processing parameters of the processing in the individual processing trajectories, the speed, duration and / or the quality of the processing is better or worse. It can therefore be provided that the cost function considered for the optimization depends on the total time for the processing and / or one or more quality parameters that indicate the quality of the processing and that depend on the modeled processing size, the one or more quality parameters in particular is determined by a course of the modeled processing variable, and in particular can be specified as an average, maximum value, minimum value of the course of the modeled processing variable for the entire processing trajectory or separately for one, some or all of the trajectory sections.
Die Optimierung eines solchen Bearbeitungsverfahrens erfolgt gemäß der Kostenfunktion und Berücksichtigung der Randbedingung. Die Randbedingung kann während des Optimierungsprozess separat oder als Teil der Kostenfunktion berücksichtigt werden. Die Optimierung kann automatisiert durch einen Optimierungsprozess erfolgen, bei dem die Qualität der Bearbeitung bezüglich eines Qualitätsparameters mit den optimierten Bearbeitungsparametern durch eine oder mehrere entsprechende Randbedingungen sichergestellt wird.Such a machining process is optimized in accordance with the cost function and taking the boundary condition into account. The boundary condition can be considered separately during the optimization process or as part of the cost function. The optimization can be carried out automatically by an optimization process in which the quality of the processing with regard to a quality parameter with the optimized processing parameters is ensured by one or more corresponding boundary conditions.
Die Randbedingungen sind hinsichtlich der Bearbeitungsgrößen definiert. Da bei dem Rechenprozess der Optimierung die Bearbeitungsgrößen nicht gemessen werden können, werden diese entsprechend dem Bearbeitungsmodell als modellierte Bearbeitungsgröße bereitgestellt. Da das Bearbeitungsmodell häufig fehlerbehaftet ist, nutzt man für das obige Verfahren Regressionsmodelle als Bearbeitungsmodelle, die neben dem Modellwert auch eine Unsicherheitsgröße bereitstellen, die eine Zuverlässigkeit des Modellwerts angibt. Durch Definition der Randbedingung mit einem Wertebereich, in dem der wahre Wert der betrachteten Bearbeitungsgröße mit einer durch die Randbedingung vorgegebenen Wahrscheinlichkeit liegt, ist es möglich die Qualität der Bearbeitung durch Vermeiden von außerhalb des Wertebereichs liegenden Bearbeitungsgrößen für eine zu lange Zeitdauer zu vermeiden. Zwar ist es möglich, dass der wahre Wert der Bearbeitungsgröße zeitweise außerhalb des durch die Randbedingung definierten Wertebereichs liegt, dies ist jedoch aufgrund der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit nur in vergleichsweise kurzen Zeiträumen der Fall.The boundary conditions are defined with regard to the processing sizes. Since the processing sizes cannot be measured in the optimization computing process, they are provided as a modeled processing size according to the processing model. Since the machining model is often faulty, regression models are used as machining models for the above method, which in addition to the model value also provide an uncertainty variable that indicates the reliability of the model value. By defining the boundary condition with a range of values in which the true value of the machining size under consideration lies with a probability predetermined by the boundary condition, it is possible to avoid the quality of the machining for too long by avoiding machining variables that are outside the range of values. Although it is possible that the true value of the processing variable is temporarily outside the value range defined by the boundary condition, this is only the case in comparatively short periods of time due to the given probability.
Gemäß dem obigen Verfahren wird nun das Bearbeitungsziel, das durch die Minimierung der Gesamtkosten vorgegeben ist, unter probabilistischer Einhaltung der Randbedingungen optimiert. Dazu wird ein Gradient des Bearbeitungsmodells der Zielgröße berechnet und diesem so weit gefolgt, dass die Randbedingungen mindestens mit einer bestimmten vorgegebenen Wahrscheinlichkeit eingehalten werden, d.h. dass der Grenzwert für die betreffende Bearbeitungsgröße mit einer vorbestimmten Wahrscheinlichkeit innerhalb eines Wertebereichs für die betreffende Bearbeitungsgröße liegt.In accordance with the above method, the machining target, which is predetermined by minimizing the total costs, is now optimized with probabilistic compliance with the boundary conditions. For this purpose, a gradient of the processing model of the target size is calculated and followed so far that the boundary conditions are met at least with a certain predetermined probability, i.e. that the limit value for the processing size in question lies with a predetermined probability within a range of values for the processing size in question.
Beispielsweise bedingt eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs eine bestimmte Vorschubkraft (Bearbeitungsgröße), die auf das Werkstück wirkt. Beim Bearbeiten eines Werkstücks kann diese Vorschubkraft über der Vorschubgeschwindigkeit (Bearbeitungsparameter) aufgezeichnet werden und ein entsprechendes Bearbeitungsmodell angelernt werden. Als Randbedingung bei der Optimierung kann die Vorschubkraft aus Gründen des Werkzeugschutzes bzw. der Verschleißreduzierung begrenzt werden. Durch das Trainieren des Bearbeitungsmodells ergibt sich eine Regression zwischen der Vorschubkraft und der Vorschubgeschwindigkeit mit einer Unsicherheitsmarge. Die für die Optimierung geltende Randbedingung kann nun vorgegeben sein, dass mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit ein vorgegebener Grenzwert für die Vorschubkraft (Bearbeitungsgröße) nicht überschritten wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine verbesserte Trajektorienbestimmung für Bearbeitungstrajektorien von Werkzeugmaschinen.For example, a certain feed rate of the tool requires a certain feed force (machining size) that acts on the workpiece. When machining a workpiece, this feed force can be recorded against the feed speed (machining parameters) and a corresponding machining model can be taught. As a boundary condition during optimization, the feed force can be limited for reasons of tool protection or wear reduction. Training the machining model results in a regression between the feed force and the feed speed with an uncertainty margin. The boundary condition that applies to the optimization can now be specified so that with a certain probability a specified limit value for the feed force (machining quantity) is not exceeded. This method enables an improved trajectory determination for machining trajectories of machine tools.
Die Optimierung eines solchen Bearbeitungsverfahrens kann automatisiert durch einen Optimierungsprozess erfolgen, bei dem zudem entsprechend der Qualitätsparameter eine Kostenfunktion definiert wird und die Bearbeitungsparameter für jeden Trajektorienabschnitt basierend auf der Kostenfunktion optimiert werden.Such a processing method can be optimized automatically by an optimization process, in which a cost function is also defined in accordance with the quality parameters and the processing parameters for each trajectory section are optimized based on the cost function.
Die Kostenfunktion gibt einen Kostenwert abhängig von den Qualitätsparametern an, die jeweils eine Bewertung des Bearbeitungsverfahrens oder eines Teils davon darstellen. Beispielsweise können die Qualitätsparameter den Zeitaufwand für die Bearbeitung eines Werkstücks, das Auftreten von Vibrationen während der Bearbeitung des Werkstücks, den Materialverschleiß des Bearbeitungskopfes und die Bearbeitungspräzision bezüglich des bearbeiteten Werkstücks, eine Temperatur des Werkstücks, eine Temperatur des Bearbeitungskopfes, und/oder eine Vorschubkraft, die auf den Bearbeitungskopf wirkt, angeben.The cost function specifies a cost value depending on the quality parameters, each of which represents an evaluation of the machining process or a part thereof. For example, the quality parameters can include the time required for machining a workpiece, the occurrence of vibrations during machining of the workpiece, the material wear of the machining head and the machining precision with respect to the machined workpiece, a temperature of the workpiece, a temperature of the machining head, and / or a feed force, that affects the machining head.
Das obige Verfahren nutzt ein trainierbares Bearbeitungsmodell über die physikalischen Wirkzusammenhänge bei der Bearbeitung eines Werkstücks, um die Optimierung der Bearbeitungstrajektorie zu verbessern. Dies wird ermöglicht durch die Wahl des Modells als ein Bearbeitungsmodell, das zum einen eine Regressionskurve der Modellwerte und entsprechende Unsicherheiten für die einzelnen Modellwerte der Regressionskurve bereitstellt. Das trainierbare Modell ermöglicht damit die sichere Optimierung der Kostenfunktionen. Bei Verwendung z. B. eines Gradientenabstiegsverfahrens kann durch das Modell nicht nur ein Gradient für die Optimierung berechnet werden, sondern auch der Abstand seiner Sicherheitsgrenze, in der die modellierten Bearbeitungsparameter angegeben werden, ermittelt werden.The above method uses a trainable machining model about the physical interrelationships when machining a workpiece in order to improve the optimization of the machining trajectory. This is made possible by choosing the model as a machining model that on the one hand provides a regression curve of the model values and corresponding uncertainties for the individual model values of the regression curve. The trainable model thus enables the safe optimization of the cost functions. When using z. B. a gradient descent method, the model can not only calculate a gradient for the optimization, but also the distance of its safety limit, in which the modeled machining parameters are specified, can be determined.
Grundsätzlich erfolgt das Optimierungsverfahren durch Optimierung der Bearbeitungsparameter entsprechend einem Optimierungsziel, das beispielsweise als Minimierung einer Bearbeitungszeit oder allgemein als Minimierung von Kosten gemäß einer Kostenfunktion vorgegeben sein kann, und Randbedingungen, wie z. B. die Qualität und der Bearbeitung, und Verschleiß des Werkzeugs berücksichtigen können. Dabei werden die Bearbeitungsparameter durch Minimierung der Kosten optimiert, während die Randbedingungen eingehalten werden.Basically, the optimization process is carried out by optimizing the machining parameters in accordance with an optimization goal, which can be specified, for example, as minimizing a machining time or generally as minimizing costs according to a cost function, and boundary conditions, such as B. the quality and machining, and wear of the tool can take into account. The processing parameters are optimized by minimizing costs, while the boundary conditions are observed.
Es kann vorgesehen sein, dass das Bearbeitungsmodell als trainierbares Bearbeitungsmodell gewählt ist, wobei ein Lernvorgang basierend auf den bezüglich einer Bearbeitung mit den vorgegebenen Bearbeitungsparametern gemessenen einen oder mehreren Bearbeitungsgrößen durchgeführt wird. Dadurch kann vorgesehen werden, dass das trainierbare Bearbeitungsmodell nach jedem oder nach jeweils mehreren Bearbeitungsdurchläufen aktualisiert wird, wobei das Bearbeitungsergebnis abhängig von den verwendeten Bearbeitungsparametern in dem Lernvorgang berücksichtigt wird.It can be provided that the machining model is selected as a trainable machining model, a learning process being carried out on the basis of the one or more machining variables measured with respect to machining with the predetermined machining parameters. It can thereby be provided that the trainable machining model is updated after each or after several machining runs, the machining result being taken into account in the learning process depending on the machining parameters used.
Das trainierbare Bearbeitungsmodell kann ein beliebiges Regressionsmodell sein, das zudem eine Unsicherheit des Modellwerts bezüglich jedem der Bearbeitungsparameter bereitstellen kann. Zudem sind Regressionsmodelle vorteilhaft, die zudem einen Gradienten bezüglich jedem der Bearbeitungsparameter angeben. Insbesondere können ein Gauß-Prozess-Modell, ein Bayesian Linear Regression-Modell, ein Regularized Kernel Ridge Regressionsmodell, und/oder ein Bayesianisches neuronales Netzwerk und dergleichen verwendet werden.The trainable machining model can be any regression model that can also provide an uncertainty in the model value with respect to each of the machining parameters. In addition, regression models are advantageous, which also specify a gradient with respect to each of the processing parameters. In particular, a Gaussian process model, a Bayesian linear regression model, a regularized kernel ridge regression model, and / or a Bayesian neural network and the like can be used.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer automatisierten Werkzeugmaschine, die zur Durchführung eines Verfahrens zum Bearbeiten von Werkstücken ausgebildet ist, -
2 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bearbeitung von Werkstücken durch die Werkzeugmaschine der1 ; und -
3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Berücksichtigung eines Unsicherheitswert für eine modellierte Bearbeitungsgröße.
-
1 1 shows a schematic representation of an automated machine tool that is designed to carry out a method for machining workpieces, -
2nd is a schematic representation of a flowchart to illustrate the method for machining workpieces by the machine tool of the1 ; and -
3rd a diagram illustrating the consideration of an uncertainty value for a modeled processing variable.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die Antriebseinheit
Mithilfe einer Steuereinheit
Die Bearbeitung erfolgt gesteuert durch die Steuereinheit
Während der Bearbeitung entsprechend der Bearbeitungstrajektorie kann die Steuereinheit
Anhand des Flussdiagramms der
In Schritt
Gleichzeitig mit der Bearbeitung, die durch Abfahren der Bearbeitungstrajektorie durch den Bearbeitungskopf
Basierend auf den verwendeten Bearbeitungsparametern und den gemessenen Bearbeitungsgrößen wird in Schritt
Gemäß einem Näherungsverfahren werden nachfolgend in Schritt
Die Kostenfunktion kann Kosten abhängig von einer Bearbeitungszeitdauer, eines oder mehrerer Qualitätsparameter der Bearbeitung und/oder dergleichen definieren. Beispielsweise können die Qualitätsparameter für einen , mehrere oder alle Trajektorienabschnitte die jeweiligen Zeitdauern für die Bearbeitung, ein jeweiliges Maß für den Verlauf des Auftretens von Vibrationen während der Bearbeitung des Werkstücks (gemessen als Schwingung durch die Sensorik
Die neuen optimierten Bearbeitungsparameter werden nun für eine nachfolgende Bearbeitung eines weiteren Werkstücks zur Verfügung gestellt.The new optimized machining parameters are now made available for subsequent machining of another workpiece.
Das Optimierungsverfahren kann neben der vorgegebenen Kosten- bzw. Zielfunktion auch eine oder mehrere Randbedingungen berücksichtigen, die hinsichtlich einer oder mehrerer Bearbeitungsgrößen vorgegeben sein können. Eine Randbedingung kann dabei einen Grenzwert für eine Bearbeitungsgröße vorgeben, die sich aus den während der Durchführung des Optimierungsverfahrens betrachteten Bearbeitungsparametern ergibt. Optimierungslösungen, bei denen der Grenzwert durch den zu erwartenden Wert der Bearbeitungsgröße überschritten bzw. unterschritten wird, sind entsprechend nicht zulässig. Dazu wird die modellierte Bearbeitungsgröße entsprechend der jeweils betrachteten Bearbeitungsparameter als Modellwert aus dem trainierbaren, insbesondere selbstlernenden Bearbeitungsmodell bestimmt und während der Minimierung der Zielgröße/Kosten gemäß der Kostenfunktion entsprechend berücksichtigt.In addition to the specified cost or target function, the optimization method can also take one or more boundary conditions into account, which can be specified with regard to one or more processing variables. A boundary condition can be a limit for a Specify the machining size that results from the machining parameters considered during the implementation of the optimization process. Optimization solutions in which the limit value is exceeded or undershot by the expected value of the machining size are accordingly not permitted. For this purpose, the modeled machining size is determined as a model value from the trainable, in particular self-learning, machining model in accordance with the machining parameters under consideration and is taken into account accordingly during the minimization of the target size / costs according to the cost function.
Die Randbedingung ist dabei nicht nur als fester Grenzwert für die Bearbeitungsgröße definiert, sondern es kann auch die durch den entsprechenden Unsicherheitswert angegebene Unsicherheit des jeweiligen Modellwerts der Bearbeitungsgröße während der Optimierung in geeigneter Weise berücksichtigt werden. In diesem Fall hängt der bzw. die Grenzwerte bzw. der Bereich zulässiger Werte der Bearbeitungsgröße von dem modellierten Wert der Bearbeitungsgröße und dessen zugeordneter Unsicherheitswert für eine bestimmte Kombination von Parameterwerten ab.The boundary condition is not only defined as a fixed limit for the processing size, but the uncertainty of the respective model value of the processing size specified by the corresponding uncertainty value can also be taken into account in a suitable manner during the optimization. In this case, the limit value (s) or the range of permissible values of the processing variable depends on the modeled value of the processing variable and its associated uncertainty value for a specific combination of parameter values.
Aus dem Modellwert der Bearbeitungsgröße bei Vorgabewerten eines bestimmten Bearbeitungsparameters bzw. einer bestimmten betrachtetem Bearbeitungsparameterkombination kann bei einer durch die Randbedingung vorgegebenen Wahrscheinlichkeit jeweils ein Wertebereich um den Modellwert der Bearbeitungsgröße bestimmt werden, der angibt, dass der tatsächliche Wert der Bearbeitungsgröße bei einer Bearbeitung mit den entsprechenden Bearbeitungsparameterwerten mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit innerhalb des Wertebereichs liegen wird. Darin spiegelt sich die Unsicherheit der Modellierung durch das trainierbare Bearbeitungsmodell wider.A range of values around the model value of the machining size can be determined from the model value of the machining size for default values of a specific machining parameter or a specific machining parameter combination considered, given a probability specified by the boundary condition, which indicates that the actual value of the machining size during machining with the corresponding Machining parameter values with the specified probability will lie within the value range. This reflects the uncertainty of the modeling through the trainable machining model.
Durch das Bearbeitungsmodell erhält man für jeden einzelnen Punkt der modellierten Bearbeitungstrajektorie eine punktweise (point-wise) Posterior Verteilung, d.h. für ein Gaußprozess als das Regressionsmodell entspricht dies einer Gauß-Verteilung.The processing model provides a point-wise posterior distribution for each individual point of the modeled processing trajectory, i.e. for a Gaussian process as the regression model, this corresponds to a Gaussian distribution.
Der Wertebereich der Bearbeitungsgröße xE[x1, x2], innerhalb dem der tatsächliche Wert der Bearbeitungsgröße, mit der vorgegebenen Wahrscheinlichkeit liegt, bestimmt sich aus:
Wie in
Somit wird während der Optimierung jeweils das Einhalten der Randbedingung für die aktuell betrachteten Werte der Bearbeitungsparameter überprüft. Um die jeweilige Bereichsgrenze durch die Vorgabe einer Wahrscheinlichkeit zu erhalten, wird die Gleichung für die kumulative Dichte (Verteilungsfunktion) als Ausgangspunkt herangezogen, die gewünschte Wahrscheinlichkeit eingesetzt und nach der Standardabweichung aufgelöst. Diesen Wert (z.B. bei 99% erhält man eine Breite von z=2,576 σ) nutzt man mit der posterior Standardabweichung des Gaußprozesses. (Also: obere Grenze = µ + z σ).In this way, compliance with the boundary conditions for the currently considered values of the processing parameters is checked during the optimization. In order to obtain the respective range limit by specifying a probability, the equation for the cumulative density (distribution function) is used as the starting point, the desired probability is used and is resolved according to the standard deviation. This value (e.g. at 99% you get a width of z = 2.576 σ) is used with the posterior standard deviation of the Gaussian process. (So: upper limit = µ + z σ).
Beispielsweise ist in
Soll der Bearbeitungsparameter „Vorschubgeschwindigkeit“ so gewählt werden, dass die Kraft auf das Werkzeug 120 N mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% nicht übersteigen soll, so ergibt sich dadurch eine Vorschubgeschwindigkeit von 320 mm/min bei einem Wert der oberen Grenze des Wertebereichs von 120 N.If the machining parameter "feed speed" should be selected so that the force on the tool should not exceed 120 N with a probability of 95%, this results in a feed speed of 320 mm / min with a value of the upper limit of the value range of 120 N .
Das obige Verfahren kann zyklisch während der Bearbeitung von Werkstücken durch die Werkzeugmaschine ausgeführt werden. Es kann auch im Vorfeld bei der initialen Einstellung von Werkzeugmaschinen verwendet werden, um einen Satz von initialen Bearbeitungsparametern für die Bearbeitung von Werkstücken zu bestimmen. Bei der Verwendung während eines Optimierungsverfahrens würde dann als Randbedingung die Vorschubgeschwindigkeit auf einen Wert begrenzt werden, bei dem mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit die Kraft auf das Werkzeug nicht überschritten wird.The above method can be carried out cyclically during the machining of workpieces by the machine tool. It can also be used in advance during the initial setting of machine tools to determine a set of initial machining parameters for machining workpieces. When used during an optimization process, the feed rate would then be limited to a value at which the force on the tool is not exceeded with a certain probability.
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