DE102020205031A1

DE102020205031A1 - Werkzeugmaschinensteuerung und Verfahren zur kennfeldbasierten Fehlerkompensation an einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020205031A1
Application number: DE102020205031.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brand; Ines Schmidt; Isabella Glöde; Ronny Danek; Alexander Timme
Original assignee: Deckel Maho Seebach GmbH
Current assignee: Deckel Maho Seebach GmbH
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-10-21
Also published as: JP2023523725A; EP4139756A1; WO2021214061A1; CN115398360A; US20230152773A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, welche zumindest eine steuerbare Maschinenachse zur relativen Positionierung von mindestens einem Werkstück gegenüber einer oder mehrerer Bearbeitungseinrichtungen aufweist. Das Verfahren umfasst Erfassen von Ist-Messwerten von zumindest einer einen Zustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Eingangsgröße mittels Sensoren an der Werkzeugmaschine, Bereitstellen von zumindest einem durch eine Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine zu verwertenden Kompensationsparameter an der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine und Kompensation von Fehlern an der Werkzeugmaschine basierend auf dem der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Kompensationsparameter. Die Kompensation umfasst dabei die Kompensation von thermischen Fehlern, die Kompensation von geometrischen Fehlern und die Kompensation von Fehlern aufgrund der Dynamik der Maschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kennfeldbasierten Fehlerkompensation an einer Werkzeugmaschine. Weiterhin betriff die vorliegende Erfindung ein System mit einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer NC- bzw. CNC-Werkzeugmaschine, mit einer Maschinensteuerung eingerichtet zum Kompensieren von Fehlern basierend auf einer kennfeldbasierten Kompensation.
Deformationen und strukturelle sowie dynamische Abweichungen von Werkzeugmaschinen können deren Arbeitsgenauigkeit entscheidend beeinflussen. Um Abweichungen zu kompensieren, sind verschiedene Methoden bekannt.
Beispielsweise ist aus der DE 102014202878 A1 eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinengestell bekannt, an dem Funktionskomponenten angeordnet sind, die im Arbeitsbetrieb Wärme erzeugen, und wobei Hohlraumstrukturen zur Ausbildung eines Umwälzkreislaufs vorgesehen sind. In den Hohlräumen wird ein Kühlmedium innerhalb des Maschinengestells umgewälzt, um einen Temperaturabgleich zwischen den warmen und kalten Bereichen der Werkzeugmaschine zu bewirken.
Zudem können Positionsfehler mit Hilfe der Maschinensteuerung korrigiert werden. Die DE 102010003303 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren einer temperaturabhängigen Lageveränderung an einer Werkzeugmaschine mit zumindest einer Linearachse. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein Temperaturwert an einer Temperaturmessposition der Linearachse der Werkzeugmaschine erfasst, ein Temperaturdifferenzwert zwischen einer Bezugstemperatur und dem erfassten Temperaturwert berechnet, ein Kompensationswert in Abhängigkeit des Temperaturdifferenzwerts bestimmt und eine temperaturabhängige Lageveränderung, z. B. eine temperaturabhängige Verlagerung eines an der Werkzeugmaschine eingespannten Werkzeugs oder Werkstücks oder eines Bauteils der Werkzeugmaschine bzw. einer Linearachse der Werkzeugmaschine, in Abhängigkeit des bestimmten Kompensationswerts bei Steuerung der Werkzeugmaschine kompensiert.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen zum Korrigieren von Lageveränderungen an einer Werkzeugmaschine ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Kompensieren von Fehlern an einer Werkzeugmaschine bereitzustellen, mit dem die Kompensation effizienter und genauer bewerkstelligt werden kann. Zudem ist es eine Aufgabe, eine verbesserte Maschinensteuerung bereitzustellen.
Die vorstehend beschriebenen Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden erfindungsgemäß wie in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem beispielhaften Aspekt wird ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen, wobei die Werkzeugmaschine zumindest eine steuerbare Maschinenachse zur relativen Positionierung von mindestens einem Werkstück gegenüber einer oder mehreren Bearbeitungseinrichtungen aufweist. Das Verfahren kann umfassen, Erfassen von Istwerten (oder aktuellen Messwerten) von zumindest einer einen Zustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Eingangsgröße (insbesondere Spindelposition, Maschinengestelltemperatur, Spannwegüberwachung von Mehrbacken-Spannfuttern, Werkzeug-Position, Spindeldrehzahl) mittels Sensoren an der Werkzeugmaschine, Bereitstellen von zumindest einem durch eine Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine zu verwertenden Kompensationsparameter an der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine und Kompensation von ermittelten Fehlern oder Abweichungen an der Werkzeugmaschine basierend auf dem der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Kompensationsparameter. Der Schritt zur Bereitstellung des zumindest einen Kompensationsparameters kann zudem umfassen: Bereitstellen von einem oder bevorzugt mehreren Kennfeldern (insb. Ursprungskennfelder), die jeweils ein Strukturverhalten der Werkzeugmaschine und/oder eine geometrische Anordnung von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit der jeweiligen Eingangsgröße beschreiben können; Überlagerung der Kennfelder zu einem kombinierten Kennfeld; Bereitstellen eines globalen Korrekturmodells, das dazu eingerichtet ist, die durch die Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine zu verwertenden Kompensationsparameter zu berechnen, basierend auf dem bereitgestellten kombinierten Kennfeld, den erfassten Ist-Messwerten und/oder ein oder mehreren Steuerungsparametern der Steuerungseinrichtung und Berechnung der Kompensationsparameter mit Hilfe des globalen Korrekturmodells basierend auf dem bereitgestellten Einzelkennfeld und oder einem kombinierten Kennfeld, der erfassten Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter und Bereitstellen von durch die Steuerungseinrichtung zu verwertenden Kompensationsparameter an der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine. Kompensationsparameter können dabei die Differenz zwischen einem erforderlichen Soll-Zustand und einem tatsächlichen (gemessenen oder simulierten) Ist-Zustand sein. Ein Kompensationsparameter kann zudem eine Differenz eines aktuellen Steuerparameters zu einem optimierten Steuerparameter angeben, wobei mithilfe des optimierten Steuerparameters der Ist-Zustand der Werkzeugmaschine an den Soll-Zustand angepasst/angenähert werden kann und somit der Fehler der Werkzeugmaschine reduziert oder aufgebhoben werden kann. Durch die erfindungsgemäße, kennfeldbasierte Kompensation wird eine sehr schnelle und effiziente Kompensation von Abweichungen an der Werkzeugmaschine erreicht. Somit kann die Bearbeitungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine signifikant verbessert werden bei gleichzeitiger Optimierung der Rechnerkapazität der Maschinensteuerung.
Die kennfeldbasierte Kompensation wird besonders vorteilhaft um eine volumetrische Kompensation von Fehlern, wie geometrischen Fehlern (bez. Rundachsen und Linearachsen), und eine Kompensation von Fehlern aufgrund der Dynamik der Maschine erweitert. Daher wird eine umfassende Kompensation direkt an der Maschinensteuerung auf Grundlage eines oder mehrerer überlagerter Kennfelder vorgeschlagen. Somit wird eine kennfeldbasierte Korrektur von Fehlern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine erreicht. Die Bearbeitungsgenauigkeit kann daher signifikant verbessert werden, ohne den Rechen- und Kommunikationsaufwand der Maschinensteuerung bedeutsam zu erhöhen.
Zudem kann eine Fehlerkompensation direkt an der Maschinensteuerung auf Grundlage eines kombinierten Kennfeldes (d.h. eine kennfeldbasierte Korrektur von Fehlern wie Positionierfehler an der Werkzeugmaschine) erfolgen, wobei das kombinierte Kennfeld in das globale Korrekturmodell der Werkzeugmaschine integriert sein kann. Besonders bevorzugt kann das kombinierte Kennfeld zumindest einmal oder mehrere Male mittels eines neuronalen Netzes angepasst werden. Dies bringt den synergistischen Vorteil, dass die Kompensation effizient und anwenderfreundlich sowie äußerst schnell und genau in Echtzeit an der Werkzeugmaschinensteuerung auf Grundlage des bereitgestellten Kennfelds durchgeführt werden kann. Das Kennfeld kann auf Basis einer FE-Simulation kombiniert mit tatsächlichen Messwerten erstellt werden (d.h. Kombination aus Simulationsergebnissen der Werkzeugmaschine und tatsächlichen Messwerten, um ein entsprechendes Kennfeld zu erzeugen). Das kombinierte Kennfeld kann zudem vorteilhaft durch ein neuronales Netz stetig optimiert werden. Ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine kann daher zudem den Schritt umfassen: Anpassen des kombinierten Kennfeldes mittels eines computer-implementierten neuronalen Netzes (künstliches neuronales Netz).
Bevorzugt umfasst das globale Korrekturmodell zumindest ein Kennfeld zur Schwingungskompensation der Werkzeugmaschine. Die Kompensationsparameter zur Reduktion der Schwingungen werden durch das globale Korrekturmodell basierend auf dem bereitgestellten kombinierten Kennfeld (welches das Kennfeld zur Schwingungskompensation umfasst) und den erfassten Ist-Messwerten bestimmt. Zur Schwingungskompensation werden die ermittelten Fehler an der Werkzeugmaschine basierend auf dem der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Kompensationsparameter ausgeglichen. Besonders bevorzugt werden Kompensationsparameter zur Schall- und Schwingungskompensation (Fehlerkompensation) der Werkzeugmaschine ermittelt. Die Kompensationsparameter werden dabei zur direkten aktiven Beeinflussung der Fehler an der Werkzeugmaschine verwendet, durch entsprechende Steuerung der Werkzeugmaschine über die Werkzeugmaschinensteuerung. Dazu werden, zusätzlich zur entsprechenden Ansteuerung der Achsen der Werkzeugmaschine, beispielsweise auch aktive Maschinenlager und/oder aktive Tilger zur Reduktion bearbeitungsbedingter Schwingungen während der Werkstückbearbeitung vorgesehen. An numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen lässt sich somit auf effiziente Weise ein Ausgleich der Fehler erreichen, sodass die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Die bereitgestellten Kennfelder können jeweils ein Temperaturverhalten, ein statisches Verlagerungsverhalten und/oder ein dynamisches Verlagerungsverhalten des einzelnen oder der Mehrzahl von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine beschreiben. Insbesondere werden mehrdimensionale Kennfelder verwendet, welche basierend auf Messwerten und Interpolation ermittelt werden.
Das kombinierte Kennfeld kann durch Überlagerung von zwei oder mehreren Kennfeldern bereitgestellt werden. Die Kennfelder können aus einer Gruppe von Kennfeldern ausgewählt werden, wobei die Gruppe drei oder mehrere Kennfelder umfasst; diese können zum Beispiel die jeweils das Temperaturverhalten, das statische Verlagerungsverhalten und/oder das dynamische Verlagerungsverhalten des einzelnen oder der Mehrzahl von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine beschreiben. Durch diese Überlagerung der Kennfelder ist es möglich, ein mehrdimensionales Kennfeld bereitzustellen, welches umfassende Beschreibung der Werkzeugmaschine ermöglicht. Vorteilhaft wird ein Kennfeld zur Kompensation geometrischer Fehler mit anderen Kennfeldern, wie Temperaturkennfelder, Leistungskennfelder, Geschwindigkeitskennfelder, zu einem kombinierten Kennfeld überlagert.
Das kombinierte Kennfeld kann durch Überlagerung oder Kombination von zwei oder mehreren Kennfeldern generiert werden, wodurch ein mehrdimensionaler Kennfeldraum aufgespannt wird. Die Kennfelder können das Temperaturverhalten, das statische Verlagerungsverhalten und das dynamische Verlagerungsverhalten des einzelnen oder der Mehrzahl von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine beschreiben.
Bei den Zustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Eingangsgrößen kann es sich zusätzlich zu Temperaturwerten auch um Positionswerte und/oder Beschleunigungswerte und/oder Kraftwerte und/oder Drehmomentwerte und/oder Dehnungswerte handeln. Insbesondere können auch Luftfeuchtigkeit und am Werkstück gemessene Abmessungen und Positionswerte einbezogen werden. Weiter vorteilhaft wird der Einsatz messtechnisch rückgeführter externer Messmaschinen vorgeschlagen, um die Genauigkeit der Kennfelder weiter zu verbessern.
Die Eingangsgrößen der Kennfelder und des kombinierten Kennfeldes liegen bevorzugt in Form von vektoriellen Größen vor. Bevorzugt wird das mehrdimensionale Kennfeld zunächst in Versuchen ermittelt und später in die Maschinensteuerung integriert. Während des Betriebs kann das multidimensionale Kennfeld dynamisch angepasst werden. Einzelne Parameter der Kennfelder können zudem auch nachträglich in die Maschinensteuerung integriert werden, um das kombinierte Kennfeld zu erweitern. Das kombinierte Kennfeld ist somit derart konfiguriert, dass eine nachträgliche Erweiterung des Kennfelds ohne großen Aufwand möglich ist. Bei einer Erweiterung des Kennfelds ist eine Hinzufügung von neuen Stützstellen in das Kennfeld zur Kennfeldanpassung möglich.
Um in einer besonderen Weiterbildung der Erfindung den für das Kennfeld reservierten Speicherbereich möglichst immer vollständig auszunutzen und auch zur Erhaltung der Adaptionsfähigkeit des Kennfeldes nach längerem Training, wird bevorzugt vor einem Neueintrag eine andere Stützstelle gelöscht. Hierzu kann bevorzugt die Stützstelle mit dem minimalen Informationsgehalt ausgewählt werden. Der Absolutwert des Fehlers, der beim Weglassen einer Stützstelle und Interpolation an deren Position entsteht, ist ein Maß für den Informationsgehalt dieser Stützstelle.
Die Berechnung der Kompensationsparameter und/oder die darauf basierende Kompensation von Fehlern kann in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen. Die Kennfelder können jeweils basierend auf einer Erfassung einer Mehrzahl von Referenzmesswerten der Eingangsgrößen und/oder durch Auswertung eines computerimplementierten Simulationsmodells bereitgestellt werden oder durch externes Vermessen eines Werkstücks oder Werkzeugs.
Die Kennfelder und/oder das kombinierte Kennfeld kann basierend auf den erfassten Ist-Messwerten und/oder der Steuerungsparameter angepasst werden.
Besonders bevorzugt kann das Kennfeld zumindest einmal mittels eines neuronalen Netzes angepasst werden. Dies bringt den synergistischen Vorteil, dass die Kompensation effizient und anwenderfreundlich sowie äußerst schnell und genau in Echtzeit an der Werkzeugmaschinensteuerung auf Grundlage des bereitgestellten Kennfelds durchgeführt werden kann. Besonders vorteilhaft kann das Kennfeld auf Basis einer FE-Simulation kombiniert mit tatsächlichen Messwerten erstellt werden (d.h. Kombination aus Simulationsergebnissen der Werkzeugmaschine und tatsächlichen Messwerten, um ein entsprechendes Kennfeld zu erzeugen). Das kombinierte Kennfeld kann zudem vorteilhaft durch ein neuronales Netz stetig optimiert werden. Die Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes kann basierend auf den Ist-Messwerten und/oder des Steuerungsparameter mit Hilfe eines computerimplementierten neuronalen Netzes oder eines anderen KI Algorithmus erfolgen. Durch diese besondere Kombination ist es möglich, ein umfangreiches Kennfeld zu erhalten, welches sich für den Einsatz mit dem globalen Korrekturmodell optimal eignet, sodass umfangreiche und sehr präzise Korrekturwerte ausgegeben werden können.
Das Anpassen der Kennfelder kann zudem umfassen: Einlesen zumindest eines Teils der momentan bereitgestellten Kennfelder und/oder eines Teils des momentan bereitgestellten kombinierten Kennfeldes am neuronalen Netz oder anderen KI Algorithmen; Einlesen der Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter am neuronalen Netz oder anderen KI Algorithmen; Ermitteln eines angepassten Kennfeldes und/oder eines angepassten kombinierten Kennfeldes.
Die Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes kann automatisch erfolgen, in vorbestimmten Zeitabständen.
Die Berechnung des zumindest einen Kompensationsparameter mit Hilfe des globalen Korrekturmodells kann basierend auf dem angepassten Kennfeld oder einem kombinierten Kennfeld erfolgen.
Das Erfassen der Ist-Messwerte kann mit in der Werkzeugmaschine eingebrachtem Werkstück erfolgen.
Die Anpassung des kombinierten Kennfeldes kann zusätzlich umfassen: Erfassen von einer oder mehreren geometrischen Abweichungen zwischen Soll-Geometrien und gemessenen Ist-Geometrien eines ersten durch die Werkzeugmaschine bearbeiteten Werkstücks, Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes basierend auf den erfassten Ist-Messwerten und/oder des zumindest einen Steuerungsparameters und/oder der erfassten geometrischen Abweichung.
Die Ist-Geometrien des Werkstückes kann durch eine optische und/oder antastende Messvorrichtung erfasst werden.
Die Berechnung der Kompensationsparameter kann mit Hilfe des globalen Korrekturmodells durch Interpolation im kombinierten Kennfeld auf Basis der erfassten Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter erfolgen.
Zudem kann eine Auswertungseinrichtung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, die Kennfelder zum kombinierten Kennfeld zu überlagern und/oder das globale Korrekturmodell bereitzustellen, die erfassten Ist-Messwerte und/oder die Steuerungsparameter zu empfangen, die Kompensationsparameter basierend auf den empfangenen Ist-Messwerten und/oder den Steuerungsparameter zu berechnen und die berechneten Kompensationsparameter der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine bereitzustellen.
Die Auswertungseinrichtung kann integral als Teil der Steuerungseinrichtung ausgeführt sein. Die Neuberechnung des Kennfeldes kann bevorzugt direkt auf der Steuerung durchgeführt werden. Alternativ kann die Neuberechnung in der Cloud oder auf einem externen Rechner stattfinden. Das neuberechnetet Kennfeld kann auf der Steuerung ausgetauscht werden bzw. es können mehrere Kennfelder hinterlegt werden, welche dann entsprechend angewählt werden können.
Ein Steuersystem zur Kompensation von Fehlern an einer Werkzeugmaschine kann umfassen: eine Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine, ein oder mehrere an der Werkzeugmaschine angebrachte Sensoren zur Erfassung von Ist-Messwerten von einer oder mehrerer einen Zustand der Werkzeugmaschine beschreibenden Eingangsgrößen, wobei das Steuersystem dazu eingerichtet sein kann, ein Verfahren zum Kompensieren von Fehlern auszuführen. Das Steuersystem kann eingerichtet sein, um Fehler an der Werkzeugmaschine steuerungsintegriert und in Echtzeit zu korrigieren. Als Sensoren sind besonders bevorzugt auch intelligente Sensoren vorgesehen, die Daten nicht nur sammeln, sondern auch interpretieren und kommunizieren können. Zudem wird eine Werkzeugmaschine vorgeschlagen, welche das Steuersystem umfasst.
Das globale Korrekturmodell kann zudem physikalisch basierte Modelle umfassen, die das elastische Verhalten der Werkzeugmaschine inklusive ihrer Strukturvariabilität abbilden. Durch die Verwendung des kombinierten Kennfeldes ist zudem eine effiziente Bestimmung der Störanfälligkeit der Korrektur sowie der zu erwartenden Restfehler möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zudem eine kontinuierliche Berechnung während und zwischen dem Betrieb der Werkzeugmasch i ne.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Werkzeugmaschine kann das Kompensationsverfahren umfassen, wobei die Ansteuersignale korrigiert werden können und wobei das mindestens eine Ansteuersignal mittels einer Kennlinie oder einem Kennfeld korrigiert werden kann, wobei die Kennlinie oder das Kennfeld zur betriebspunktabhängigen Kompensation an einem Prüfstand oder in Bearbeitungsversuchen ermittelt werden. Ein Vorteil ergibt sich, wenn das mindestens eine Ansteuersignal mit Hilfe des Kennfeldes korrigiert wird. Auf diese Weise lässt sich die gesteuerte Korrektur des Ansteuersignals besonders effizient realisieren.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das neuronale Netz das an der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine bereitgestellte Kennfeld steuern. Dem neuronalen Netz können zum Anpassen des Kennfeldes als Eingangsdaten des neuronalen Netzes Sensorwerte (z.B. Positionsmesswerte eines an der Werkzeugmaschine durchgeführten Positionsvermessungsverfahren) von einem oder mehreren Sensoren der Werkzeugmaschine übermittelt werden.
Als Positionsvermessungsverfahren an der Werkzeugmaschine kann ein Messtaster verwendet werden. Zudem können elektromagnetische Messvorrichtungen und/oder optische Messvorrichtungen (z.B. Laservermessungseinrichtung, Kameraeinrichtung) vorgesehen sein. Besonders bevorzugt können zusätzlich FE-Modelle und Simulationen der Werkzeugmaschine verwendet werden, um weitere Positionswerte zu bestimmen.
Vorteilhaft kann die Messeinrichtung auf einer physikalischen Abtastung basieren und/oder als optische Messeinrichtung zur Erfassung 1-dimensionaler, 2-dimensionaler und/oder 3-dimensionaler Strukturen und/oder als ultraschallbasierte Messeinrichtung und/oder als radarbasierte Messeinrichtung und/oder als RFID-basierte Messeinrichtung und/oder als Mikro-GPS basierte Messeinrichtung ausgebildet sein. Mit Hilfe der oben genannten Messeinrichtung kann die Struktur der Werkzeugmaschine und des Werkstücks genau erfasst werden.
Weitere Aspekte und deren Vorteile sowie Vorteile und speziellere Ausführungsmöglichkeiten der vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale werden aus den folgenden, jedoch in keiner Weise einschränkend aufzufassenden, Beschreibungen und Erläuterungen zu den angehängten Figuren beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100;
2 zeigt Kennfelder für verschiedene Kompensationen;
3 zeigt die Kennfeldsteuerung mit Kennfeldoptimierung;

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele und Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale beschränkt ist, sondern weiterhin auch Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst sind, insbesondere im Rahmen des Schutzumfangs der unabhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Kompensation von geometrischen, statischen, dynamischen und thermischen Fehlern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100 auf Grundlage eines oder mehrerer überlagerter Kennfelder vorgeschlagen. Demgemäß wird eine Anpassung einer kennfeldbasierten Kompensation um eine volumetrische Kompensation von Fehlern, wie geometrischen Fehlern (bez. Rundachsen und Linearachsen), und eine Kompensation von Fehlern aufgrund der Dynamik der Maschine vorgeschlagen. Besonders vorteilhaft wird die Steuerung aller Korrekturen in einem einzigen Korrekturmodell vorgeschlagen, einem sog. globalen Korrekturmodell. Somit wird eine präzise kennfeldbasierte Korrektur von Fehlern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine erreicht, bei der nur eine reduzierte Rechenleistung nötig ist. Die Bearbeitungsgenauigkeit kann daher signifikant verbessert werden, ohne den Rechen- und Kommunikationsaufwand der gesamten Maschinensteuerung ausschlaggebend zu erhöhen.
Eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 100 mit einer Maschinensteuerung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist exemplarisch in 1 gezeigt. Die Werkzeugmaschine ist beispielhaft als Fräsmaschine dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Fräsmaschinen beschränkt, sondern kann zudem auf weiteren Werkzeugmaschinentypen Anwendung finden, z.B. bei zerspanenden Werkzeugmaschinen, die zur Werkstückbearbeitung, z.B. durch Bohren, Fräsen, Drehen, Schleifen, eingerichtet sind, wie z.B. Fräsmaschinen, Universalfräsmaschinen, Drehmaschinen, Drehzentren, Drehautomaten, Fräs-/Drehmaschinen, Bearbeitungs-zentren, Schleifmaschinen, Verzahnungsmaschinen usw.
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft ein Maschinengestell mit einem Maschinenbett 101 und einem Maschinenständer 102. Beispielhaft ist auf dem Maschinenbett 101 ein verfahrbarer Maschinenschlitten 105 angeordnet, der beispielhaft in eine Z-Richtung horizontal auf dem Maschinenbett 101 verfahrbar gelagert ist (Z-Achse). Auf dem Maschinenschlitten 105, der z.B. einen Werkstücktisch umfassen kann, ist beispielhaft ein Werkstück WP eingespannt. Hierzu können auf dem Maschinenschlitten 105 bzw. Werkzeugtisch auch Spannmittel vorgesehen sein. Zudem kann der Maschinenschlitten 105 in weiteren Ausführungsbeispielen einen Drehtisch umfassen, der um eine vertikale und/oder weitere horizontale Achse dreh- bzw. schwenkbar sein kann (optionale Dreh- bzw. Rund- und/oder Schwenkachse). Weiterhin (oder alternativ) kann der Maschinenschlitten 105 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden.
Der Maschinenständer 102 trägt beispielhaft einen an dem Maschinenständer 102 vertikal in einer X-Richtung verfahrbaren Spindelträgerschlitten 103, an dem eine beispielhaft werkzeugtragende Arbeitsspindel 104 gehalten ist. Die Arbeitsspindel 104 ist dazu eingerichtet, das an der Arbeitsspindel 104 aufgenommene Werkzeug WZ (z.B. ein Bohr- und/oder Fräswerkzeug) um die Spindelachse SA rotierend anzutreiben. Beispielhaft ist der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer X-Achse in X-Richtung vertikal verfahrbar. Weiterhin (oder alternativ) kann der Spindelträgerschlitten 103 mittels einer Y-Achse in einer (potentiell senkrecht zur Zeichenebene stehenden) horizontalen Y-Richtung verfahren werden. Zudem kann der Spindelträgerschlitten 103 in weiteren Ausführungsbeispielen eine Dreh- und/oder Schwenkachse umfassen, um die Spindel 104 zu drehen oder zu schwenken (optionale Dreh- bzw. Rund- und/oder Schwenkachse).
Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft weiterhin eine Maschinensteuerung 200, die zur Bedienung durch einen Bediener der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft einen Bildschirm 210 (z.B. als Touch-Screen ausgebildet) und eine Eingabeeinheit 220 umfasst. Die Eingabeeinheit 220 kann z.B. Mittel zur Nutzereingabe bzw. zum Empfang von Nutzerbefehlen des Bedieners umfassen, wie z.B. Knöpfe, Schieberegler, Drehregler, eine Tastatur, Schalter, eine Maus, einen Trackball und ggf. auch ein oder mehrere touch-sensitive Flächen (z.B. einen Touch-Screen, kombinierbar mit dem Bildschirm 210). Über die Maschinensteuerung 200 kann der Bediener den Betrieb der Werkzeugmaschine bzw. Maschinenprozesse an der Werkzeugmaschine steuern und auch einen Betriebszustand der Werkzeugmaschine 100 bzw. den Bearbeitungsprozess während der Bearbeitung überwachen. Die Maschinensteuerung 200 umfasst beispielhaft eine NC-Steuerung und eine speicherprogrammierbare Steuerung (auch SPS oder PLC). In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann zudem eine Überwachungseinrichtung von der Maschinensteuerung ausgelesene bzw. empfangene Daten als Eingabedaten einem neuronalen Netz NN der Überwachungsanwendung zuführen, insbesondere periodisch während der Werkstückbearbeitung. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Überwachungseinrichtung dazu eingerichtet, wenn ein anormaler Betriebszustand der Werkzeugmaschine 100 vorliegt, den Bearbeitungsprozess beeinflussende Steuerdaten an die Maschinensteuerung auszugeben, um eine Prozessunterbrechung, einen Antriebsstopp, einen Werkzeugwechsel durchzuführen.
Die zu kompensierenden Fehler der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100 sind vorliegend nicht auf thermische Positionierfehler beschränkt, sondern umfassen eine Vielzahl von möglichen Fehlern der (gesamten) Werkzeugmaschine (d.h. die erfindungsgemäße Kompensation erlaubt die Kompensation von globalen Fehlern der Werkzeugmaschine). Die Fehler umfassen insbesondere dynamisch bedingte Positionsabweichungen von beweglichen Maschinenteilen der Werkzeugmaschine wie Spindelaufnahme, Werkzeugschlitten, Maschinenschlitten 105 und Spindelträgerschlitten 103. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Kompensation eine aktive Kompensation von unerwünschten Schwingungen (auch akustische Abweichungen) der Werkzeugmaschine 100. Die zu kompensierenden Fehler der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine umfassen zudem statisch bedingte Positionsabweichungen von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine, welche beispielsweise aus dem Gewicht der eingespannten Werkstücks oder der veränderten Gewichtsverteilung an der Werkzeugmaschine aufgrund von verlagerten Maschinenteilen resultieren. Erfindungsgemäß wird eine kennfeldbasierte Steuerung vorgeschlagen, welche bevorzugt in eine adaptive Maschinensteuerung integriert ist. Die Kompensation von geometrischen, statischen, dynamischen und thermischen Fehlern der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100 wird auf Grundlage eines oder mehrerer überlagerter Kennfelder vorgeschlagen.
In 2 sind beispielhaft mehrere Kennfelder vereinfacht dargestellt. Dabei werden verschiedene Kennfelder für die Kompensation von verschiedenen Fehlern der Werkzeugmaschine vorgesehen. Beispielsweise kann zur volumetrischen Kompensation von geometrischen Fehlern (z.B. Fehler in Linear- und Rundachsen) ein entsprechendes Kennfeld der Werkzeugmaschine 100 (bzw. der Maschinenteil der Werkzeugmaschine) bereitgestellt werden. Für die Kompensation von Fehlern aufgrund der Dynamik der Werkzeugmaschine, wie beispielsweise Nickkompensation, kann ein entsprechendes Kennfeld für die dynamische Kompensation bereitgestellt werden. Auch für die Kompensation von temperaturbedingten Fehlern der Werkzeugmaschine, bspw. aufgrund von bearbeitungsbedingten Temperaturerhöhungen oder Veränderungen der Umgebungstemperatur, wird ein entsprechendes Kennfeld bereitgestellt. Vorteilhaft können diese Kennfelder auch zu einem kombinierten Kennfeld zusammengeführt werden. Vorteilhaft wird somit ein Kennfeld zur Kompensation geometrischer Fehler mit anderen Kennfeldern wie Temperaturkennfelder, Leistungskennfelder, Geschwindigkeitskennfelder zu einem kombinierten Kennfeld überlagert. Daher kann eine steuerungsunabhängige und freie Korrektur verschiedener Fehleranteile der Werkzeugmaschine ermöglicht werden.
Ein Kennfeld kann mehrere Kennlinien in Abhängigkeit von mehreren Eingangsgrößen, beispielsweise in Form mehrerer Kennlinien, oder in einem mehrdimensionalen Koordinatensystem darstellen. Die Kennlinie beschreibt das Verhalten der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit der Eingangsgrößen. Kennlinien dienen in der Praxis u. a. zur Festlegung des Arbeitspunktes, zur Bestimmung einer linearen Näherung in einem bestimmten Punkt der Kennlinie. Weiterhin kann sie zur Bestimmung der Verlustleistung eines Bauteiles oder zur Korrektur des von einem Sensor ausgegebenen Signals dienen.
Für die kennfeldbasierte Kompensation können Kennfelder als stetige Abbildungen von Eingangsvariablen auf eine ein- oder mehrdimensionale Verlagerung bzw. auf Kompensationsparameter verstanden werden. Die wichtigsten Eingangsvariablen sind an der Maschinenstruktur vorliegende Parameter (z.B. aufgenommen bzw. gemessen durch ein oder mehrere Sensoren, die an Sensorpositionen der Maschinenstruktur angeordnet sind, z.B. an dem Maschinenbett, an verfahrbaren Bauteilen der Werkzeugmaschine, an drehbaren bzw. schwenkbaren Bauteilen der Werkzeugmaschine, etc.) und Positionsdaten der Maschinenachsen. Die Kennfelder können zusätzlich zu Messwerten auf Grundlage eines Datenverarbeitungsprozesses bzw. einer Simulation an einer virtuellen Werkzeugmaschine bzw. auf Grundlage eines Digitalen Zwillings der Werkzeugmaschine und/oder auf Grundlage experimenteller Ermittlungen an einer Werkzeugmaschine in einem Testbetrieb berechnet bzw. bestimmt werden.
Erfindungsgemäß wird eine integrierte Anwendung von Kennfeldern (bzw. eines kombinierten mehrdimensionalen Kennfelds) vorgeschlagen, zur Kompensation systematischer geometrischer Fehler in Linear- bzw. Rundachsen, zur Kompensation von temperaturbedingten Fehlern und zur Kompensation von Fehlern aufgrund der Dynamik der Maschine wie bspw. Nickkompensation. Vom kombinierten Kennfeld der Maschinensteuerung werden Korrekturterme ausgegeben, welche vorab über eine Vielzahl von Messpunkten im Arbeitsraum und/oder durch rechnerische Simulation wie FEM oder Mehrkörpersimulation ermittelt wurden. Mit anderen Worten wird ein Kennfeld zur Kompensation geometrischer Fehler mit anderen Kennfeldern wie Temperaturkennfelder, Leistungskennfelder, Geschwindigkeitskennfelder zu einem kombinierten Kennfeld überlagert. Daher kann eine steuerungsunabhängige und freie Korrektur verschiedener Fehleranteile der Werkzeugmaschine ermöglicht werden. Zudem können bevorzugt die Kennfelder um Parameter welche die Maschinenstatik (geometrische Genauigkeit) und/oder die Dynamik (Positionierungsgenauigkeit) ergeben ergänzt werden. Vorteilhaft können die Kennfelder korrigiert/optimiert werden, durch Ermittlung von Abweichungen am Teil (Erstmuster) mittels einer Messvorrichtung (Messmaschine) um die Kennfelder genau auf das Teilespektrum anzupassen.
Beispielsweise kann das kombinierte Kennfeld durch eine Anzahl von im Maschinenspeicher vorhandenen Stützstellen repräsentiert werden. Mit Hilfe einer überlagerten Regelung wird die Abweichung des für einen Arbeitspunkt ausgelesenen Kennfeldwertes zu einem optimalen Sollwert ermittelt. Das kombinierte Kennfeld kann in einem globalen Korrekturmodell eingegliedert sein, zur Ermittlung der Kompensationswerte. Das erfindungsgemäße globale Korrekturmodell ist dazu eingerichtet, die durch die Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine zu verwertenden Kompensationsparameter zu berechnen, basierend auf dem bereitgestellten Kennfeld, den erfassten Ist-Messwerten und ein oder mehreren Steuerungsparametern der Steuerungseinrichtung.
Basierend auf dem globalen Korrekturmodel kann für die Korrektur der Fehler (wie bspw. Verlagerungskorrektur) ein mehrdimensionaler Korrekturvektor bspw. für die Lageveränderung ausgegeben werden. Besonders vorteilhaft wird, anders als bei einer herkömmlichen volumetrischen Kompensation, die Kompensation mit Hilfe des globalen Korrekturmodells ausschließlich basierend auf dem bereitgestellten Kennfeld durchgeführt. Dadurch kann die Rechenzeit reduziert werden und eine schnelle und effiziente Kompensation wird erreicht. Zudem wird eine Steuerungsunabhängige und stabile Kompensation ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können periodisch in zeitlich vorbestimmten Abschnitten vom globalen Korrekturmodell auf Grundlage der eingegebenen Eingangsvariablen, z.B. durch Auswertung der Sensoren und/oder steuerungsinternen Daten, Korrekturterme bzw. ein oder mehrere Korrekturparameter zur steuerungsinternen Kompensation der Fehler an die Maschinensteuerung übergeben werden, wobei die Maschinensteuerung dann mittels der übergebenen Korrekturterme die Fehlerkompensation durchführt. Beispielsweise kann durch Anpassen von Sollpositionen der Linear-, Rund-, und/oder Schwenkachsen der Werkzeugmaschine auf Grundlage der übergebenen Korrekturterme ein Ausgleich von geometrischen oder dynamischen Fehlern erreicht werden. Die zu kompensierenden Fehler der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine sind vorliegend nicht auf thermische Positionierfehler beschränkt, sondern umfassen eine Vielzahl von Fehlern, wie geometrische, dynamische und statische Fehler der Werkzeugmaschine (d.h. die erfindungsgemäße Kompensation erlaubt die Kompensation von globalen Fehlern der Werkzeugmaschine).
Zur Optimierung des Kennfelds (Ursprungskennfeld) und/oder des globalen Korrekturmodels wird bevorzugt eine neuronale Netzstruktur implementiert, welche mit Hilfe neuer Daten das Kennfeld aktualisieren kann. Das Neuronale Netz kann dabei extern von der Maschinensteuerung bereitgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist die neuronale Netzstruktur jedoch in die eigentlichen Maschinensteuerung integriert.
Neue Trainings- bzw. Eingangsdaten für das neuronale Netz können bevorzugt aus dem realen Prozess bzw. bei Betrieb an der Werkzeugmaschine ermittelt werden (z.B. bei einem experimentellen Testbetrieb und/oder im reellen Bearbeitungsprozess an der Werkzeugmaschine), und zusätzlich oder alternativ können Trainings- bzw. Eingangsdaten für das neuronale Netz auch aus einer computerimplementierten Simulation einer Werkzeugmaschine, z.B. an einer virtuellen Werkzeugmaschine und/oder auf Basis eines Digitalen Zwillings der Werkzeugmaschine, ermittelt werden. Gemeinsam mit den bestehenden Daten aus einer FE-Analyse, einer Computer-Simulation einer Werkzeugmaschine (virtuelle Werkzeugmaschine bzw. Digitaler Zwilling) und/oder experimentellem Betrieb einer Werkzeugmaschine können mit Hilfe eines neuronalen Netzes neue Daten generiert werden, die die Kennfelder optimieren. Diese Optimierung wird bevorzugt zyklisch durchgeführt. Somit wird eine steuerungsintegrierte Lösung für die selbstüberwachende Werkzeugmaschine erreicht.
Für die Anpassung des Kennfeldes bzw. der Kennfelder durch das neuronale Netz können die Kennfelder bzw. Einträge in den Kennfeldern von der Maschinensteuerung an das neuronale Netz als Eingangsdaten des neuronalen Netzes übertragen werden und die Kennfelder oder zumindest Teile davon an dem neuronalen Netz eingelesen werden. Zudem können neue Daten bzw. Eingangsvariablen von der Werkzeugmaschine, von Sensoren der Werkzeugmaschine und/oder aus der Maschinensteuerung der Werkzeugmaschine eingelesen werden. Bevorzugt werden dann auf Grundlage der Netzstruktur des neuronalen Netzes die Kennfelder aktualisiert bzw. angepasst und/oder zumindest ein oder mehrere Einträge in dem bzw. den Kennfeldern aktualisiert bzw. angepasst. Die Netzstruktur des neuronalen Netzwerks kann auf radialen Basisfunktionen und/oder auf Interpolationsfunktionen (z.B. lineare und nichtlineare Regressionsverfahren) basieren. Kontinuierlich lernende Kompensationsalgorithmen gemäß Ausführungsbeispielen basieren bevorzugt auf Neuronalen Netzen und/oder Interpolationsfunktionen (z.B. lineare und/oder nichtlineare Regressionsverfahren, radiale Basisfunktionen, polynomische Basisfunktionen, etc.). Außerdem können genetische Algorithmen zur selbstständigen Adaption der Interpolationsstützstellen für die Interpolationsfunktionen eingebunden werden. Daher kann eine steuerungsunabhängige und freie Korrektur verschiedener Fehleranteile der Werkzeugmaschine ermöglicht werden.
Von einem Kennfeld der Maschinensteuerung bzw. dem globalen Korrekturmodell werden Kompensationsparameter übergeben, welche vorab durch ausreichend Messpunkte im Arbeitsraum und bevorzugt durch rechnerische Simulation ermittelt wurden. Das Kennfeld wird bevorzugt auch zeitlich aktualisiert oder optimiert, um zeitliche Veränderungen der Werkzeugmaschine (bspw. Verschleiß) im Kennfeld zu berücksichtigen und somit auch zeitliche Änderungen der Geometrie zu kompensieren.
Die Kompensationsparameter werden zur Anpassung von einer oder mehrerer Sollpositionen verwendet, zur Korrektur bzw. Kompensation von geometrisch, dynamisch, statisch und thermisch bedingten Lageveränderungen an der Werkzeugmaschine. Hierbei können die jeweiligen Kompensationsparameter jeweils für einzelne Achsen der Werkzeugmaschine anwendbare Korrekturparameter angeben oder auch in einzelne orthogonale Richtungen Korrekturparameter angeben.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann beispielhaft ein PLC Echtzeitsystem bereitgestellt werden, welches die Eingangsvariablen einliest und die Ausgangsvariablen ausgibt. Für die Berechnung eines Index kann zudem ein mit dem PLC-System verbundenes IPC System vorgesehen. Das IPC System dient zum Aufbereiten der eingegebenen Daten in Form eines Index unter Berücksichtigung extern gespeicherter Kennfelder, um in weiterer Folge die Kompensationsparameter entsprechend den ermittelten Fehlern bzw. Abweichungen über das Echtzeitsystem an die Werkzeugmaschine auszugeben.
In einem ersten Schritt werden die Eingangsvariablen erfasst, wobei Messwerte welche den Zustand der Werkzeugmaschine beschreiben, erfasst und eingelesen werden. Als Eingangsvariablen werden mehrere Werte, wie beispielsweise Temperaturwerte T1-T8, Positionswerte POS etc., eingelesen. Zudem können weitere Sensorwerte als Eingangsvariablen verwendet werden, wie z.B. Druckmesswerte (z.B. Druckwerte in Hydraulik- und/oder Pneumatiksystemen der Werkzeugmaschine, Druckwerte in Kühlkreislaufsystemen der Werkzeugmaschine, etc.), Schwingungs- bzw. Vibrationsmesswerte (z.B. von Vibrations- bzw. Schwingungssensoren), Kraftmesswerte (z.B. von Kraftsensoren, Dehnstreifensensoren, etc.), Drehmomentmesswerte (z.B. aus Drehmomentsensoren oder auf Grundlage von Berechnungen basierend auf Kraftmesswerten), Wirkleistungswerte, Beschleunigungsmesswerte (z.B. aus Beschleunigungssensoren), Körperschallwerte (z.B. aus Körperschallsensoren), etc. Das Einlesen der Eingangsvariablen wird dabei zumindest einmal bei Start des Prozesses durchgeführt. Vorteilhaft kann das Einlesen zudem wiederholt in regelmäßigen Zeitabständen durchgeführt werden. Zu aus der Maschinensteuerung entnommenen oder aus der Maschinensteuerung ermittelten bzw. ausgewerteten Parametern können z.B. Sollpositionswerte für Achsen der Werkzeugmaschine, ermittelte Ist-Positionswerte für Achsen der Werkzeugmaschinen, Drehzahlen (z.B. Spindeldrehzahlen), Motorströme, Motorleistung, etc. gehören.
Eingelesene Eingangsvariablen werden im Echtzeitsystem einer Plausibilitätsprüfung unterzogen, um eine robuste Verarbeitung der Daten zu gewährleisten und bspw. Messfehler frühzeitig zu erkennen. In einem weiteren Schritt werden die Kompensationsparameter bereitgestellt. Das Bereitstellen der Kompensationsparameter umfasst das Einlesen der Kennfelder oder kombinierten Kennfelds und Überlagern der Kennfelder zu einem kombinierten Kennfeld. Aus dem Kennfeld wird ein globales Korrekturmodell der Werkzeugmaschine erstellt, mit dem die Kompensationsparameter ermittelt werden. Insbesondere werden Abweichungen der Eingangsvariablen von idealen Parametern der Kennfelder erfasst. Basierend auf der erfassten Differenz werden Korrekturparameter oder Kompensationsparameter berechnet. Über die Maschinensteuerung können die Kompensationsparameter auf die Steuerungswerte der Werkzeugmaschine appliziert werden, sodass die Fehler der Werkzeugmaschine kompensiert werden, z.B. durch Anpassen von Sollpositionen einer oder mehrerer verfahrbarer Bauteile der Werkzeugmaschine (z.B. der Linear-, Rund- und/oder Schwenkachsen der Werkzeugmaschine) auf Grundlage der übergebenen Kompensationsparameter. Beispielsweise kann ein Positionsbefehl durch Addieren der Kompensationsparameter des Versatzes zu dem Positionsbefehl kompensiert werden. Zudem kann eine Änderung zwischen der zum letzten Zeitpunkt berechneten Versatzgröße und einer aktuellen Versatzgröße für jeden vorbestimmten Zeitpunkt ermittelt werden.
Gemäß einiger Ausführungsbeispiele kann eine vollständige Analyse der Werkzeugmaschine in einem Datenverarbeitungsverfahren bzw. einer computerbasierten Simulation ausgehend aus der Analyse eines oder mehrerer FE-Modelle der Maschine bzw. Werkzeugmaschine ein oder mehrere Kennfelder erzeugen bzw. berechnen, das/die bevorzugt ein Temperaturverhalten der Maschine bzw. Werkzeugmaschine beschreibt. In weiteren Ausführungsbeispielen können - zusätzlich oder alternativ zur Berechnung von einem oder mehreren Kennfeldern auf Basis einer FEM-basierten Simulation - Kennfelder auch auf Grundlage einer Computer-Simulation einer Werkzeugmaschine (sog. virtuelle Werkzeugmaschine bzw. sog. Digitaler Zwilling) berechnet, bestimmt und/oder angepasst werden. Zusätzlich oder alternativ können Kennfelder auch auf Grundlage einer experimentellen Ermittlung an einer Werkzeugmaschine im Testbetrieb bestimmt und/oder angepasst werden.
In 3 wird die Anwendung eines neuronalen Netzes zur Kennfeldoptimierung für das kennfeldbasierte Verfahren zur Fehlerkompensation an der Werkzeugmaschine dargestellt.
Im ersten Schritt werden Parameter bestimmt bzw. ausgelesen. Insbesondere werden erste Parameter zyklisch in bestimmten Zeitabständen bestimmt und eingelesen. Diese ersten Parameter umfassen beispielsweise die Temperatur und geometrische und dynamische Abweichungen. Zudem werden zweite Parameter bestimmt und eingelesen. Die zweiten Parameter werden in Steuerungsechtzeit bestimmt und/oder ausgelesen. Die zweiten Parameter umfassen beispielsweise die Position, die Geschwindigkeit, die Leistung, die Drehzahl etc. der Werkzeugmaschine. Im ersten Schritt werden somit die Eingangsvariablen der Kennfelder eingelesen (z.B. aus der Maschinensteuerung oder durch direkte Übertragung von Sensorwerten von Sensoren der Werkzeugmaschine).
Bevorzugt werden einige oder alle der Eingangsvariablen des zu aktualisierenden Kennfeldes eingelesen. Es ist auch möglich, weitere Eingangsvariablen einzulesen. Alternativ oder zusätzlich können Sensordaten auch aus einer computerimplementierten Simulation einer Werkzeugmaschine (z.B. an einer virtuellen Werkzeugmaschine oder auf Grundlage eines Digitalen Zwillings der Werkzeugmaschine) erzeugt werden, d.h. sogenannte synthetisch erzeugte Sensordaten. Dies umfasst bevorzugt das Einlesen von Temperaturmesswerten von Temperatursensoren der Werkzeugmaschine. Zudem kann dies das Einlesen von Positionsdaten betreffend Ist-Positionen von beweglichen Bauteilen (z.B. verfahrbaren Achsen) der Werkzeugmaschine, z.B. aus der Maschinensteuerung oder aus Positionsmesssensoren der Werkzeugmaschine, umfassen. Weiterhin können zusätzliche Sensordaten bzw. Steuerungsdaten eingelesen werden.
Im zweiten Schritt werden auf die ein oder mehrere Kennfelder zurückgegriffen. Insbesondere werden Korrekturparameter in Echtzeit entsprechend der im ersten Schritt bestimmten Parameter ermittelt. Das zumindest eine Kennfeld kann dabei auf einem externen Rechner oder auch direkt auf der Steuerung liegen. Die verwendeten Kennfelder umfassen Kennfelder die ein Strukturverhalten (insb. Kennfeld zur Kompensation geometrischer Fehler), ein dynamisches Verhalten (Geschwindigkeitskennfeld), ein Leistungskennfeld und ein Temperaturverhalten der Werkzeugmaschine (Temperaturkennfeld) beschreiben. Die Kennfelder können aufgrund von Messwerten und einer FE-Model-basierten Simulation erzeugt worden sein und sind an der Maschinensteuerung bevorzugt als gespeicherte Datenstruktur bereitgestellt (z.B. als Lookup-Tabelle oder Lookup-Matrix). Zusätzlich zu den genannten Kennfeldern können vorteilhaft spezielle werkstückspezifische Kennfelder eingelesen werden. Die werkstückspezifischen Kennfelder beschreiben das Maschinenverhalten bei der Bearbeitung eines speziellen, vordefinierten Werkstücks. Die Kennfelder können zudem zu einem kombinierten (mehrdimensionalen) Kennfeld kombiniert werden. Dies ermöglicht in weiterer Folge die Bereitstellung eines globalen Korrekturmodells, wobei alle Korrekturen in dem einen Modell abgebildet werden können. Dies führt steuerungsseitig zu einer höheren Genauigkeit bei reduzierter Rechenleistung.
Vorteilhaft wird ein konkretes Temperaturkennfeld, das die Temperatur in Abhängigkeit von den gemessenen Eingangsgrößen angibt, erweitert durch Kennfelder, welche virtuell durch Modellberechnungen errechnet werden. Zusätzlich können weitere gemessene und/oder simulierte Kennfelder wie Kennfelder zur Kompensation geometrischer Fehler, Leistungskennfelder, und Geschwindigkeitskennfelder kombiniert werden. Durch Zusammenfügen der Kennfelder (simuliert und gemessen) zu einem kombinierten Kennfeld können die im virtuellen Kennfeld enthaltenen Parameter adaptiert werden, sodass das globale Korrekturmodell der Werkzeugmaschine, das die Wechselwirkungen aller eingehenden Größen enthält, sowohl rein theoretische Vorhersagen ermöglicht, als auch Aussagen ermöglicht, die nur geringe versuchstechnische Unterstützung benötigen.
Der zweite Schritt kann zudem vorteilhaft eine Kennfeldanpassung umfassen, wie in 3 dargestellt. Dabei werden zunächst Trainingsdaten für die Kennfeldanpassung ermittelt. Beispielsweise durch ein Testprogramm, eine Maschinevermessung oder eine externe Werkstückvermessung können die Trainingsdaten ermittelt werden. Die Trainingsdaten werden eingelesen zum Trainieren des neuronalen Netzes oder eines Kl-Algorithmus. Dazu können extern gemessene Positionsdaten verwendet werden, um Ist- und Soll-Positionen an der Maschinensteuerung mit zusätzlichen Positionsmesswerten zu vergleichen. Zusätzlich können Trainingsdaten auch aus einer computerimplementierten Simulation der Werkzeugmaschine bereitgestellt werden.
Im nächsten Schritt wird das Ursprungskennfeld (Kennfeld im Ausgangszustand vor der Optimierung) geladen. Das Ursprungskennfeld kann auf einem externen Rechner oder direkt auf der Maschinensteuerung gespeichert sein. Im nächsten Schritt kann ein Anpassen des zumindest einen (Ursprungs-) Kennfelds durchgeführt werden. Das Kennfeld wird dabei mithilfe eine KI Algorithmus oder eines neuronalen Netzes basierend auf den Trainingsdaten und den zuvor bestimmten Parametern angepasst bzw. optimiert. Im letzten Teil kann das Kennfeld (optimierte Kennfeld) der Maschinensteuerung bereitgestellt werden. Die optimierten Kennfelder werden beispielsweise in das globale Korrekturmodell integriert und der Werkzeugmaschine dadurch bereitgestellt. Die Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine kann mit Hilfe des globalen Korrekturmodells inkl. optimierter Kennfelder die zu verwertenden Kompensationsparameter berechnen.
Im letzten Schritt werden die Korrekturwerte an die Steuerung der Maschine übergeben.
Das globale Korrekturmodell kann zur Beschreibung des strukturellen und dynamischen sowie thermischen Verhaltens der gesamten Werkzeugmaschine und zu dessen Korrektur verwendet werden. Zunächst kann der aktuelle Status der Werkzeugmaschine ermittelt werden auf Grundlage der aktuellen Messwerte bzw. Eingangsgrößen. Für jeden Status existiert ein separater Parametersatz, welcher das Kennfeld abbildet in dem die Parameter als Funktion der Eingangsgrößen u hinterlegt sind. Auf Basis der aktuellen Eingangsgröße u(tn) werden die Parameter ermittelt, bspw. durch Interpolation. Anschließend kann eine Kompensation von Fehler an der Werkzeugmaschine basierend auf dem der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Kompensationsparameter durchgeführt werden. Beispielsweise kann zu fixen oder variablen Zeiten mit Hilfe des globalen Korrekturmodells die Verlagerung bspw. des TCP (tool center point; Arbeitspunkt Wirk-, Werkzeugreferenz-Werkzeugarbeitspunk) bestimmt werden. Die berechnete Verlagerung kann anschließend als Offset verwendet werden. Das globale Korrekturmodell kann ein Regelkreis sein und bevorzugt ein Black-Box Modell oder ein White-box Modell der Werkzeugmaschine umfassen. Das globale Korrekturmodell kann zudem eine Kette von Einzelsystemen der Werkzeugmaschine umfassen, deren Ausgangsgröße über ein Messglied gemessen und über einen Soll- Istwertvergleich die Maschinensteuerung zurückgeführt wird. Das Stellglied als Schnittstelle zwischen Maschinensteuerung und Regelstrecke kann Bestandteil der Regelstrecke sein.
Bevorzugt ist dabei das globale Korrekturmodell direkt in die Maschinensteuerung integriert, sodass eine autonome Kompensation von Abweichungen erfolgen kann. Daher ist eine nahezu verzögerungsfreie Kompensation von Fehlern direkt an der Werkzeugmaschine möglich. Mit der steuerungsintegrierten Kompensation ist zudem eine Vorhersage von Verlagerungen auf Basis des globalen Korrekturmodells möglich, wobei bestimmte Eingangsgrößen, wie bspw. die Drehzahl, direkt aus dem NC-Code ausgelesen werden können. Auch das Temperaturverhalten, die Positionen und die Verlagerungen lassen sich in bestimmten Grenzen im Betrieb der Werkzeugmaschine vorhersagen, sodass die Kompensationsparameter bereits an die zu erwartenden Fehler angepasst werden können, um die Fehler zu minimieren. Sollten dennoch weitere Abweichungen durch Auswertung der Messwerte festgestellt werden, so können die Kompensationsparameter weiter angepasst werden. Auch die während der Messzeit auftretenden Fehler der Werkzeugmaschine können mit Hilfe des globalen Korrekturmodells antizipiert werden, sodass auch das zeitlich veränderliche Verhalten der Werkzeugmaschine berücksichtigt ist. Die Kopplung der Messung/ Ermittlung der Eingangsgrößen und die Verarbeitung der Werte im globalen Korrekturmodell in einem iterativen Verfahren ermöglicht eine optimale Gesamtminimierung des Residuums.
In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsparameter erzeugt und in Verbindung mit Systemzuständen der Werkzeugmaschine gespeichert werden, die zum Zeitpunkt der Kompensationsparametererzeugung erfasst werden. Beim Erkennen entsprechender Systembedingungen zu einem späteren Zeitpunkt ist die Werkzeugmaschinensteuerung in der Lage, die zuvor erzeugten und gespeicherten Kompensationsparameter zu verwenden, um damit die Zeitsteuerung von Werkzeugmaschinenfunktionen einzustellen, so dass die Genauigkeit der Werkzeugmaschine auf einfache und effiziente Weise verbessert werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden zusätzlich zu den genannten Kennfeldern spezielle werkstückspezifische Kennfelder verwendet. Die werkstückspezifischen Kennfelder beschreiben das Maschinenverhalten bei der Bearbeitung eines speziellen, vordefinierten Werkstücks. Durch die Integration eines Werkstückspezifischen Kennfelds in das kombinierte Kennfeld kann die Präzision der Werkzeugmaschine bei der Bearbeitung des definierten Werkstücks signifikant verbessert werden, da werkstückspezifische Abweichungen bereits in der Steuerung antizipiert sind. Daher ist es auch möglich, bereits vor dem Auftreten eigentlicher Abweichungen oder Fehler diese vorherzubestimmen und bereits vor dem Auftreten der Fehler eine entsprechende Kompensation über die Maschinensteuerung einzuleiten. Während des Bearbeitungsvorgangs können zusätzlich auftretende Fehler erfasst werden und in Echtzeit kompensiert werden.
Vorstehend wurden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es sei erneut hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Anspruche umfasst sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014202878 A1 [0003]
DE 102010003303 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (100), welche zumindest eine steuerbare Maschinenachse zur relativen Positionierung von mindestem einem Werkstück gegenüber einer oder mehrerer Bearbeitungseinrichtungen aufweist, wobei das Verfahren umfasst: - Erfassen von Ist-Messwerten von zumindest einer einen Zustand der Werkzeugmaschine (100) beschreibenden Eingangsgröße mittels Sensoren an der Werkzeugmaschine (100), - Bereitstellen von zumindest einem durch eine Steuerungseinrichtung (200) der Werkzeugmaschine (100) zu verwertenden Kompensationsparameter an der Steuerungseinrichtung (200) der Werkzeugmasch i ne, - Kompensation von Fehlern an der Werkzeugmaschine (100) basierend auf dem der Steuerungseinrichtung (200) bereitgestellten Kompensationsparameter, wobei der Schritt der Bereitstellung des zumindest einen Kompensationsparameters weiterhin umfasst: - Bereitstellen von einem oder mehreren Kennfeldern, die jeweils ein Strukturverhalten der Werkzeugmaschine (100) und/oder eine geometrische Anordnung von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine (100) in Abhängigkeit der jeweiligen Eingangsgröße beschreiben, - Bereitstellen eines globalen Korrekturmodells, das dazu eingerichtet ist, die durch die Steuerungseinrichtung (200) der Werkzeugmaschine (100) zu verwertenden Kompensationsparameter zu berechnen, basierend auf dem zumindest einen bereitgestellten Kennfeld, den erfassten Ist-Messwerten und/oder ein oder mehreren Steuerungsparametern der Steuerungseinrichtung (200), - Berechnung der Kompensationsparameter mit Hilfe des globalen Korrekturmodells basierend auf dem zumindest einen bereitgestellten Kennfeld, der erfassten Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter, - Bereitstellen von durch die Steuerungseinrichtung zu verwertenden Kompensationsparameter an der Steuerungseinrichtung (200) der Werkzeugmaschine (100).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Kennfelder jeweils ein Temperaturverhalten, ein statisches Verlagerungsverhalten und/oder ein dynamisches Verlagerungsverhalten des einzelnen oder der Mehrzahl von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine (100) beschreiben.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kennfelder zu einem kombinierten Kennfeld überlagert werden und das kombinierte Kennfeld bereitgestellt wird, wobei die Kennfelder aus einer Gruppe von Kennfeldern ausgewählt werden und die Gruppe mehrere Kennfelder umfasst die bevorzugt das Temperaturverhalten, das statische Verlagerungsverhalten, das Leistungsverhalten und/oder das dynamische Verlagerungsverhalten des einzelnen oder der Mehrzahl von Maschinenteilen der Werkzeugmaschine (100) beschreiben.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Eingangsgrößen die den Zustand der Werkzeugmaschine (100) beschreibend zumindest um Temperaturwerte und zusätzlich Positionswerte und/oder Beschleunigungswerte und/oder Kraftwerte und/oder Drehmomentwerte und/oder Dehnungswerte und/oder Luftfeuchtigkeitswerte und/oder direkt am Werkstück gemessene Werte handelt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsgrößen der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes in Form von vektoriellen Größen vorliegen.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Kompensationsparameter und/oder die darauf basierende Kompensation von Fehlern frei wählbaren Zeitabständen erfolgen kann.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfelder jeweils basierend auf einer Erfassung einer Mehrzahl von Referenzmesswerten der Eingangsgrößen und/oder durch Auswertung eines computerimplementierten Simulationsmodells bereitgestellt werden oder durch externes Vermessen eines Werkstücks.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennfelder und/oder das kombinierte Kennfeld basierend auf den erfassten Ist-Messwerten und/oder der Steuerungsparameter angepasst werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes basierend auf den Ist-Messwerten und/oder des Steuerungsparameter mit Hilfe eines computerimplementierten neuronalen Netzes oder eines anderen KI Algorithmus erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes umfasst: - Einlesen zumindest eines Teils der momentan bereitgestellten Kennfelder und/oder eines Teils des momentan bereitgestellten kombinierten Kennfeldes am neuronalen Netz oder anderen KI Algorithmen - Einlesen der Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter am neuronalen Netz oder anderen KI Algorithmen - Ermitteln eines angepassten Kennfeldes und/oder eines angepassten kombinierten Kennfeldes.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes automatisch in vorbestimmten Zeitabständen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des zumindest einen Kompensationsparameter mit Hilfe des globalen Korrekturmodells basierend auf dem angepassten Kennfeld oder einem kombinierten Kennfeld erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Ist-Messwerte mit in der Werkzeugmaschine (100) eingebrachtem Werkstück erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes zusätzlich umfasst: - Erfassen von einer oder mehreren geometrischen Abweichungen zwischen Soll-Geometrien und gemessenen Ist-Geometrien eines ersten durch die Werkzeugmaschine bearbeiteten Werkstücks, - Anpassung der Kennfelder und/oder des kombinierten Kennfeldes basierend auf den erfassten Ist-Messwerten und/oder des zumindest einen Steuerungsparameters und/oder der erfassten geometrischen Abweichung.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Geometrien des ersten Werkstückes durch eine optische und/oder antastende Messvorrichtung erfasst werden.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Kompensationsparameter mit Hilfe des globalen Korrekturmodells durch Interpolation im kombinierten Kennfeld auf Basis der erfassten Ist-Messwerte und/oder der Steuerungsparameter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Kennfelder zum kombinierten Kennfeld zu überlagern und/oder das globale Korrekturmodell bereitzustellen, die erfassten Ist-Messwerte und/oder die Steuerungsparameter zu empfangen, die Kompensationsparameter basierend auf den empfangenen Ist-Messwerten und/oder den Steuerungsparameter zu berechnen, und die berechneten Kompensationsparameter der Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine (100) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung integral als Teil der Steuerungseinrichtung (200) ausgeführt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neuberechnung des Kennfeldes in einer Cloud oder auf einem externen Rechner durchgeführt wird und das neuberechnete Kennfeld auf der Maschinensteuerung ausgetauscht wird.
Steuersystem zur Kompensation von Fehlern an einer Werkzeugmaschine (100), umfassend: - eine Steuerungseinrichtung (200) der Werkzeugmaschine, - ein oder mehrere an der Werkzeugmaschine angebrachte Sensoren zur Erfassung von Ist-Messwerten von einer oder mehrerer einen Zustand der Werkzeugmaschine (100) beschreibenden Eingangsgrößen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.