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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren, die einen durch eine Temperaturänderung in einer Werkzeugmaschine verursachten Versatz kompensieren.
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In einer Werkzeugmaschine wird aufgrund einer Temperaturänderung in einer Installationsumgebung und einer Wärmeerzeugung von beweglichen Teilen ein thermischer Versatz bei jedem Element einer Werkzeugmaschine erzeugt, was in einer Verringerung einer Bearbeitungsgenauigkeit resultiert. Als eine verbeugende Maßnahme gegen diesen Versatz gibt es ein Verfahren zum Abschätzen und Kompensieren des thermischen Versatzes aus einer Temperaturinformation eines Maschinenkörpers oder ein Verfahren zum Kompensieren durch direktes Messen einer Verformung des Maschinenkörpers.
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Als früherer Stand der Technik offenbart
JP 1994-71541 A ein Verfahren, in dem ein Temperatursensor an einem Werkzeugmaschinenkörper installiert ist und ein thermischer Versatz einer Hauptspindel basierend auf einer von dem Temperatursensor erhaltenen Temperaturänderung kompensiert wird. Als verwandter Stand der Technik des Letzteren offenbart
JP 2016-48499 A ein Verfahren, in dem Neigungswinkeldetektoren an dem oberen Ende und dem unteren Ende einer Säule eines Bearbeitungszentrums installiert sind, eine an der Maschinensäule erzeugte thermische Verformung (Neigungswinkel) direkt gemessen wird, und ein Versatz einer Schneidkante basierend auf dem Messergebnis abgeschätzt und kompensiert wird.
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Währenddessen wird die thermische Verformung durch die Temperaturänderung in der Installationsumgebung nicht nur bei der Werkzeugmaschine erzeugt, sondern auch bei einem Boden, auf dem die Werkzeugmaschine installiert ist. Wenn sich der Boden verformt, werden ein Bett und ein Tisch der Werkzeugmaschine auch verformt und eine Genauigkeit der Maschine ändert sich auch. Daher muss ein Zustand des Bodens auch in Betracht gezogen werden, um die durch die Temperaturänderung in der Installationsumgebung erzeugte Änderung in der Bearbeitungsgenauigkeit exakt zu kompensieren. Jedoch schätzt die Erfindung von
JP 1994-71541 A den thermischen Versatz der Hauptspindel basierend auf der durch den an der Maschine installierten Temperatursensor gemessenen Temperaturinformation ab, um einen Versatz einer Schneidkante zu kompensieren. Die Offenbarung von
JP 2016-48499 A schätzt den thermischen Versatz der Säule basierend auf einer Differenz zwischen den durch die in dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt der Säule installierten Neigungswinkeldetektoren gemessenen Neigungen ab, um den Versatz der Schneidkante zu kompensieren. Spezieller kann, da der verwandte Stand der Technik einen Einfluss der Verformung eines Bodens auf die Maschine nicht in Betracht zieht, eine Genauigkeitsänderung der Maschine durch die Verformung des Bodens nicht kompensiert werden.
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Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Versatzkompensationseinrichtung und ein Versatzkompensationsverfahren für eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die eine Genauigkeitsänderung einer Werkzeugmaschine präzise kompensieren können und eine Bearbeitungsgenauigkeit verbessern selbst wenn eine Verformung bei einem Boden durch eine Temperaturänderung in einer Installationsumgebung der Werkzeugmaschine erzeugt wird.
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Die Aufgabe wird durch eine Versatzkompensationseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Versatzkompensationsverfahren gemäß Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
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Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, ist eine erste Konfiguration der Erfindung eine Versatzkompensationseinrichtung für eine Werkzeugmaschine. Die Versatzkompensationseinrichtung schätzt einen Versatz einer Werkzeugmaschine basierend auf einer Temperaturinformation von einem an der Werkzeugmaschine installierten Temperatursensor ab und kompensiert einen Achsenanweisungswert. Die Versatzkompensationseinrichtung enthält eine Temperaturinformationserlangungseinheit, eine Bodeninformationserlangungseinheit, eine Versatzausmaßberechnungseinheit und eine Kompensationseinheit. Die Temperaturinformationserlangungseinheit erlangt die Temperaturinformation von dem Temperatursensor. Die Bodeninformationserlangungseinheit erlangt eine Bodeninformation unter Verwendung eines Bodenzustandssensors, der einen Zustand einer Oberfläche oder eines Inneren eines Bodens, auf dem die Werkzeugmaschine installiert ist, misst. Die Versatzausmaßberechnungseinheit berechnet, unter Verwendung der durch die Temperaturinformationserlangungseinheit erlangten Temperaturinformation und der durch die Bodeninformationserlangungseinheit erlangten Bodeninformation als Eingaben, ein abgeschätztes Versatzausmaß der Werkzeugmaschine mittels einer vorgegebenen Versatzabschätzungsformel. Die Kompensationseinheit kompensiert den Achsenanweisungswert basierend auf dem durch die Versatzausmaßberechnungseinheit berechneten abgeschätzten Versatzausmaß.
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Gemäß einem anderen Aspekt der ersten Konfiguration der Erfindung, die in der obigen Konfiguration enthalten ist, misst der Bodenzustandssensor eines von einer Temperatur eines Bodens, auf dem die Werkzeugmaschine installiert ist, einem Versatz des Bodens oder einer Neigung des Bodens als die Bodeninformation.
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Ein anderer Aspekt der ersten Konfiguration der Erfindung, der in der obigen Konfiguration enthalten ist, enthält ferner eine Versatzinformationserlangungseinheit, eine Informationsaufzeichnungseinheit und eine Versatzformelberechnungseinheit. Die Versatzinformationserlangungseinheit erlangt einen Versatz der Werkzeugmaschine. Die Informationsaufzeichnungseinheit zeichnet die Bodeninformation, die Temperaturinformation und die durch die Versatzinformationserlangungseinheit erlangte Versatzinformation auf. Die Versatzformelberechnungseinheit berechnet, unter Verwendung der von der Informationsaufzeichnungseinheit aufgezeichneten Bodeninformation, Temperaturinformation und Versatzinformation als Eingaben, eine Versatzabschätzungsformel. Die Versatzausmaßberechnungseinheit berechnet das abgeschätzte Versatzausmaß mittels der durch die Versatzformelberechnungseinheit berechneten Versatzabschätzungsformel.
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Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen ist eine zweite Konfiguration der Erfindung ein Versatzkompensationsverfahren für eine Werkzeugmaschine. Das Versatzkompensationsverfahren schätzt einen Versatz einer Werkzeugmaschine basierend auf einer Temperaturinformation von einem an der Werkzeugmaschine installierten Temperatursensor ab und kompensiert einen Achsenanweisungswert. Das Versatzkompensationsverfahren enthält einen Temperaturinformationserlangungsschritt zum Erlangen der Temperaturinformation von dem Temperatursensor; einen Bodeninformationserlangungsschritt zum Erlangen einer Bodeninformation unter Verwendung eines Bodenzustandssensors, der einen Zustand einer Oberfläche oder eines Inneren eines Bodens, auf dem die Werkzeugmaschine installiert ist, misst; einen Versatzausmaßberechnungsschritt zum Berechnen eines abgeschätzten Versatzausmaßes der Werkzeugmaschine mittels einer vorgegebenen Versatzabschätzungsformel unter Verwendung der in dem Temperaturinformationserlangungsschritt erlangten Temperaturinformation und der in dem Bodeninformationserlangungsschritt erlangten Bodeninformation als Eingaben; und einen Kompensationsschritt zum Kompensieren des Achsenanweisungswerts basierend auf dem in dem Versatzausmaßberechnungsschritt berechneten abgeschätzten Versatzausmaß.
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Mit der Erfindung kann, selbst wenn eine Verformung des Bodens durch eine Temperaturänderung in einer Installationsumgebung einer Werkzeugmaschine erzeugt wird, eine Genauigkeitsänderung der Werkzeugmaschine präzise kompensiert werden und eine Bearbeitungsgenauigkeit kann verbessert werden. Da nur einfache Einrichtungen, wie etwa ein Temperatursensor, installiert sind, können Installationskosten und laufenden Kosten niedriger sein.
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Insbesondere kann gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, da eine Versatzabschätzungsformel in Übereinstimmung mit einer Werkzeugmaschine und einer Umgebung, wo die Werkzeugmaschine installiert ist, berechnet wird, eine Kompensation im Einklang mit der Umgebung, in der die Werkzeugmaschine installiert ist, durchgeführt werden.
- 1 ist ein Blockdiagramm einer Versatzkompensationseinrichtung einer Ausführungsform 1; und
- 2 ist ein Blockdiagramm einer Versatzkompensationseinrichtung einer Ausführungsform 2.
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Das folgende beschreibt Ausführungsformen der Erfindung basierend auf den Zeichnungen.
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Nachstehend ist Ausführungsform 1 der Erfindung beschrieben.
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1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel darstellt, in dem eine Versatzkompensationseinrichtung gemäß einer ersten Konfiguration bei einem Bearbeitungszentrum angewendet wird.
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Ein Temperatursensor 2 ist an einem Maschinenkörper eines Bearbeitungszentrums 1 angebracht. Ein Temperatursensor 3 ist auf einer Oberfläche eines Bodens F, auf dem das Bearbeitungszentrum 1 installiert ist, angebracht.
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Eine Versatzkompensationseinrichtung 10 ist in einer Steuerungseinrichtung des Bearbeitungszentrums 1 angeordnet. Die Versatzkompensationseinrichtung 10 enthält eine Temperaturinformationserlangungseinheit 11, eine Bodeninformationserlangungseinheit 12, eine Versatzausmaßberechnungseinheit 13 und eine Kompensationseinheit 14. Die Temperaturinformationserlangungseinheit 11 ist mit dem Temperatursensor 2 verbunden und erlangt eine durch den Temperatursensor 2 gemessene Temperaturinformation (Temperaturinformationserlangungsschritt). Die Bodeninformationserlangungseinheit 12 ist mit dem Temperatursensor 3 verbunden und erlangt eine durch den Temperatursensor 3 gemessene Temperaturinformation (Bodeninformationserlangungsschritt). Anstatt des Temperatursensors 3 können Sensoren, wie etwa ein Versatzmesser und ein Neigungsmesser, die einen Zustand des Bodens F quantitativ messen, verwendet werden. Die Versatzkompensationseinrichtung 10 enthält eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und einen mit der CPU verbundenen Speicher und stellt die Operationen sicher.
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Die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 berechnet, unter Verwendung der von der Temperaturinformationserlangungseinheit 11 und der Bodeninformationserlangungseinheit 12 gesendeten Temperaturinformationen als Eingaben, ein abgeschätztes Versatzausmaß basierend auf einer vorgegebenen Versatzabschätzungsformel. Dann gibt die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 das berechnete abgeschätzte Versatzausmaß zu der Kompensationseinheit 14 aus (Versatzausmaßberechnungsschritt). Die Versatzabschätzungsformel wird für jede Achse bestimmt und für ein 3-Achsen-Bearbeitungszentrum wird eine Versatzabschätzungsformel für jede von der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bestimmt.
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Die Kompensationseinheit 14 berechnet basierend auf dem eingegebenen abgeschätzten Versatzausmaß ein Versatzkompensationsausmaß, das einen Achsenanweisungswert kompensiert und führt, durch Durchführen einer Achsenbewegung entsprechend dem Versatzkompensationsausmaß, eine Kompensation aus (Kompensationsschritt).
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Als nächstes wird ein Berechnungsverfahren des abgeschätzten Versatzausmaßes in der Versatzausmaßberechnungseinheit 13 beschrieben
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Die Versatzabschätzungsformel, um eine Genauigkeitsänderung einer Schneidkante des Bearbeitungszentrums 1 zu berechnen, wird wie in der folgenden Formel (1) ausgedrückt.
- ΔZ:
- Schneidkantengenauigkeitsänderung
- Tf:
- Bodentemperatur zum Anwendungszeitpunkt einer Genauigkeitsänderungskompensation
- Tm:
- Maschinenkörpertemperatur zum Anwendungszeitpunkt einer Genauigkeitsänderungskompensation
- f.
- Funktion eines Maschinenkörperversatzes durch eine Bodenverformung
- g.
- Funktion eines Versatzes durch eine Maschinenkörpertemperaturänderung
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Die Schneidkantengenauigkeitsänderung ΔZ von Formel (1) ist die Summe der Funktion f zum Abschätzen des Maschinenkörperversatzes zu dem Zeitpunkt der Temperatur Tf des Bodens F und der Funktion g zum Abschätzen des Maschinenkörperversatzes zu dem Zeitpunkt der Temperatur Tm des Maschinenkörpers.
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Die von dem Temperatursensor 3 erlangte Information ist nicht, wie in der Formel (1) verwendet, auf die Temperaturinformation des Bodens F beschränkt. Beispielsweise kann eine Information, wie etwa eine Neigung des Bodens F durch einen Neigungsmesser und ein Versatz des Bodens F durch einen Versatzmesser, die ein direktes Messen und indirektes Abschätzen der Verformung des Bodens F erlauben um sie zu quantifizieren, verwendet werden.
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Die auf den Maschinenversatz aufgrund der Temperaturänderung des Bodens F bezogene Funktion f und die auf den Maschinenversatz aufgrund der Temperaturänderung der Maschine bezogene Funktion g werden durch Formeln für ein Verzögerungssystem erster Ordnung, wie jeweils in den folgenden Formeln (2) und (3) gezeigt, ausgedrückt.
- α.
- Versatzabschätzungskoeffizient
- β:
- Versatzabschätzungskoeffizient
- Tfd:
- Bodentemperatur zu dem Zeitpunkt einer Referenz für eine Genauigkeitsänderung
- Tmd:
- Maschinenkörpertemperatur zu dem Zeitpunkt einer Referenz für eine Genauigkeitsänderung
- τf:
- Zeitkonstante
- τm:
- Zeitkonstante
- t:
- verstrichene Zeit
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Die Versatzkompensationseinrichtung 10 der obigen Ausführungsform 1 enthält die Temperaturinformationserlangungseinheit 11, die Bodeninformationserlangungseinheit 12, die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 und die Kompensationseinheit 14. Die Temperaturinformationserlangungseinheit 11 erlangt die Temperaturinformation von dem Temperatursensor 2. Die Bodeninformationserlangungseinheit 12 erlangt die Bodeninformation unter Verwendung des Temperatursensors 3 (ein Beispiel eines Bodenzustandssensors), der die Temperatur des Bodens F, auf dem das Bearbeitungszentrum installiert ist, misst. Die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 berechnet, unter Verwendung der durch die Temperaturinformationserlangungseinheit 11 erlangten Temperaturinformation und der durch die Bodeninformationserlangungseinheit 12 erlangten Bodeninformation als Eingaben, das abgeschätzte Versatzausmaß des Bearbeitungszentrums 1 mit der vorgegebenen Versatzabschätzungsformel. Die Kompensationseinheit 14 kompensiert den Achsenanweisungswert basierend auf dem durch die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 berechneten abgeschätzten Versatzausmaß.
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Mit dieser Konfiguration kann, selbst wenn aufgrund der Temperaturänderung eine Verformung des Bodens F in einer Installationsumgebung des Bearbeitungszentrums 1 erzeugt wird, die Genauigkeitsänderung des Bearbeitungszentrums 1 präzise kompensiert werden und die Bearbeitungsgenauigkeit kann verbessert werden. Da die installierten Einrichtungen nur die einfachen Temperatursensoren 2, 3 sind, können Installationskosten und laufenden Kosten geringer sein.
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Nachstehend wird Ausführungsform 2 der Erfindung beschrieben.
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2 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Ausführungsform einer Versatzkompensationseinrichtung darstellt. Selbe die Einrichtung bildende Einheiten wie die in 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen und wiederholte Beschreibungen sind weggelassen.
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In einer Versatzkompensationseinrichtung 10A unterscheidet sich eine Ausführungsform 2 von der Ausführungsform 1 darin, dass eine Informationsaufzeichnungseinheit 15, eine Versatzinformationserlangungseinheit 16 und eine Versatzformelberechnungseinheit 17 enthalten sind.
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Jede der durch den Temperatursensor 2 und den Temperatursensor 3 gemessenen Temperaturinformation wird in gleicher Weise wie in der obigen Ausführungsform 1 an die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 übertragen. Gleichzeitig wird die Temperaturinformation mit einer Zeitinformation verbunden und in der Informationsaufzeichnungseinheit 15 aufgezeichnet. Zusätzlich wird eine durch eine maschineninterne Messeinrichtung (nicht dargestellt) gemessene Versatzänderungsinformation durch die Versatzinformationserlangungseinheit 16 erlangt und mit der Zeitinformation verbunden und in der Informationsaufzeichnungseinheit 15 aufgezeichnet. Verschiedene durch die Informationsaufzeichnungseinheit 15 aufgezeichnete Informationen werden zu der Versatzformelberechnungseinheit 17 ausgegeben. Basierend auf den ausgegebenen Informationen wird eine Versatzabschätzungsformel durch die Versatzformelberechnungseinheit 17 berechnet und zu der Versatzausmaßberechnungseinheit 13 ausgegeben.
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Die durch die Versatzinformationserlangungseinheit 16 erlangte Versatzänderungsinformation ist eine Information, in der eine Genauigkeitsänderung der Maschine quantifiziert ist. Beispielsweise ist sie eine Messinformation wenn eine Werkzeuglänge unter Verwendung eines Referenzwerkzeugs mit einem Berührungssensor gemessen wird. Zusätzlich kann eine außerhalb des Bearbeitungszentrums 1 erlangten Information, wie etwa ein Messergebnis von Werkstückabmessungen, wenn das Werkstück bearbeitet ist, verwendet werden.
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Für die Versatzabschätzungsformel ermöglicht ein Verwenden der durch die Informationsaufzeichnungseinheit 15 aufgezeichneten vergangenen Temperaturinformation und einer Messinformation von einer Messeinrichtung ein Berechnen der Versatzabschätzungsformel für eine verbesserte Genauigkeit einer Versatzabschätzung. Beispielsweise werden unter Verwendung der Differenz zwischen der unter Verwendung einer maschineninternen Messeinrichtung gemessenen Messinformation der Genauigkeitsänderung und dem durch die Versatzabschätzungsformel zu diesem Zeitpunkt abgeschätzten Versatzausmaß, α oder β so bestimmt, dass ein Wert der folgenden Formel (4) unter Verwendung der Methode der kleinsten Quadrate minimal wird. Dies ermöglicht ein Berechnen der Versatzabschätzungsformel basierend auf der tatsächlichen Genauigkeitsänderung.
- N:
- Anzahl von gemessenen Datenpunkten
- Zd:
- tatsächlicher Schneidkantenversatz zum Zeitpunkt tn
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Zum Berechnen der Versatzabschätzungsformel kann eine andere Methode als die in den Ausführungsformen gezeigte Methode der kleinsten Quadrate verwendet werden. Beispiele dafür enthalten eine Methode eines Verwendens eines genetischen Algorithmus' mit einem Versatzabschätzungskoeffizienten und einer Zeitkonstanten als Eingaben und eine Methode eines Berechnens der Versatzabschätzungsformel durch Bestimmen von α oder β unter Verwendung eines neuronalen Netzes unter Verwendung einer Temperaturinformation und gemessenen Daten des Versatzes als Eingaben.
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Die Versatzkompensationseinrichtung 10A der obigen Ausführungsform 2 enthält auch die Temperaturinformationserlangungseinheit 11, die Bodeninformationserlangungseinheit 12, die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 und die Kompensationseinheit 14, stellt dabei ein präzises Kompensieren der Genauigkeitsänderung des Bearbeitungszentrums 1 sicher und verbessert die Bearbeitungsgenauigkeit selbst wenn eine Verformung auf dem Boden F aufgrund der Temperaturänderung in einer Installationsumgebung des Bearbeitungszentrums 1 erzeugt wird.
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Hier sind insbesondere die Versatzinformationserlangungseinheit 16, die Informationsaufzeichnungseinheit 15 und die Versatzformelberechnungseinheit 17 enthalten. Die Versatzinformationserlangungseinheit 16 erlangt den Versatz des Bearbeitungszentrums 1. Die Informationsaufzeichnungseinheit 15 zeichnet die Bodeninformation, die Temperaturinformation und die durch die Versatzinformationserlangungseinheit 16 erlangte Versatzinformation auf. Die Versatzformelberechnungseinheit 17 berechnet die Versatzabschätzungsformel unter Verwendung der von der Informationsaufzeichnungseinheit 15 aufgezeichneten Bodeninformation, Temperaturinformation und Versatzinformation als Eingaben. Die Versatzausmaßberechnungseinheit 13 berechnet das abgeschätzte Versatzausmaß mit der durch die Versatzformelberechnungseinheit 17 berechneten Versatzabschätzungsformel.
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Somit erlaubt ein Berechnen der Versatzabschätzungsformel entsprechend der Umgebung, in der das Bearbeitungszentrum 1 installiert ist, ein Durchführen einer Kompensation im Einklang mit der Umgebung wo das Bearbeitungszentrum 1 installiert ist.
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Während die Versatzkompensationseinrichtung in den oben beschriebenen Ausführungsformen 1, 2 in der Steuerungseinrichtung enthalten ist, kann die Versatzkompensationseinrichtung separat von der Steuerungseinrichtung angeordnet sein.
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Während in den oben beschriebenen Ausführungsformen 1, 2 die von dem Temperatursensor erhaltene Bodentemperatur als die Bodeninformation erlangt wird, kann, wie oben beschrieben, eines von dem Bodenversatz oder der Bodenneigung als die Bodeninformation verwendet werden. Zusätzlich kann eine Mehrzahl von Teilen von der Information der Bodentemperatur, des Bodenversatzes und der Bodenneigung als die Bodeninformation verwendet werden.
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Während in den oben beschriebenen Ausführungsformen 1, 2 das Bearbeitungszentrum als ein Beispiel der Werkzeugmaschine zur Beschreibung verwendet wird, ist die Erfindung nicht auf das Bearbeitungszentrum beschränkt und auf andere Werkzeugmaschinen im Allgemeinen anwendbar.
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Es wird explizit festgestellt, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale dazu gedacht sind, separat und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck eines Beschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart zu sein. Es wird explizit festgestellt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Zwischeneinheit zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung sowie zum Zweck eines Beschränkens der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzen von Wertebereichen, offenbaren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 199471541 A [0003, 0004]
- JP 201648499 A [0003, 0004]