DE10305196A1

DE10305196A1 - Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE10305196A1
Application number: DE10305196A
Authority: DE
Inventors: Bernd Faigle
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2003-02-08
Filing date: 2003-02-08
Publication date: 2004-08-19

Abstract

Bei der Bearbeitung von Werkstücken werden die Daten des Bearbeitungsprozesses gemessen, ausgewertet und zur Korrektur des Bearbeitungsprozesses herangezogen. Die Einrichtung hat hierzu eine Post-Prozeß-Meßeinrichtung, ein Betriebszustandsmodul, ein Achskorrekturmodul sowie ein Funktionsmodul. DOLLAR A Damit bestehende funktionale Zusammenhänge systematischer Einflußparameter einfach erfaßt und berücksichtigt werden können, werden zur Korrektur des Bearbeitungsprozesses die funktionalen Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen von wenigstens einem Einflußparameter und der maßlichen Änderung von Werkstückmerkmalen ermittelt und zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Hierfür ist ein Analysemodul vorgesehen, das diese funktionalen Zusammenhänge ermittelt und entsprechende Korrekturwerte an das Funktionsmodul überträgt. DOLLAR A Das Verfahren und die Einrichtung werden bei der Serienfertigung von Werkstücken eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 21.
Das Ziel eines Fertigungsprozesses ist es, ein Produkt in der geforderten Qualität auf wirtschaftliche Weise herzustellen. Dabei unterliegt jeder Fertigungsprozeß maßlichen Schwankungen, die dazu führen, daß die zu fertigenden Merkmale innerhalb eines bestimmten Streubereiches liegen. Mit Methoden der statistischen Prozeßregelung (SPC – statistical process control) und mit anderen Verfahren wird versucht, die Streuung möglichst gering zu halten. Die Einflußparameter, die zu maßlichen Streuung führen, können aufgeteilt werden in systematische und zufällige. Die zufälligen Einflußparameter sind nicht beeinflußbar und stellen die Grenze der erreichbaren Genauigkeit eines Fertigungsprozesses dar. Systematische Parameter, wie beispielsweise Werkzeugverschleiß, Temperatur sowie Maschinen- und Werkstücksteifigkeit, können mit den oben genannten Verfahren teilweise oder vollständig kompensiert werden.

Bei einem bekannten Verfahren zur Kompensation systematischer Einflüsse erfolgt die Prozeßregelung mittels einer der Fertigungseinrichtung nachgeschalteten Post-Prozeß-Meßeinrichtung. Bei diesen Verfahren kann immer erst nach wenigstens einem gefertig ten Werkstück durch die Meßeinrichtung erkannt werden, ob maßliche Abweichungen vorliegen. Auf der Transportstrecke zwischen der Fertigungseinrichtung und der Post-Prozeß-Meßeinrichtung können sich aber auch mehrere Werkstücke befinden, so daß eine maßliche Abweichung erst nach mehreren bereits gefertigten Werkstücken erkannt wird. Im schlimmsten Fall sind dann sämtliche der auf der Transportstrecke befindlichen Werkstücke außerhalb der Maßtoleranz, bevor eine Korrektur durchgeführt werden kann.

Zur Vermeidung dieses Nachteils werden Fertigungseinrichtungen eingesetzt, die zusätzlich zu der Post-Prozeß-Meßeinrichtung über eine In-Prozeß-Meßeinrichtung verfügen. Erfolgt die Messung während der Bearbeitung, wird eine maßliche Abweichung noch so frühzeitig erkannt, daß die Fertigung eines Ausschußteils verhindert werden kann. Derartige Systeme werden beispielsweise bei Schleifprozessen eingesetzt. Erfolgt die Messung zwar innerhalb der Maschine, aber im Anschluß an die Bearbeitung, so kann das gefertigte Werkstück trotzdem außerhalb der Maßtoleranz liegen. Diese Art der In-Prozeß-Messung wird beispielsweise beim Fräsen von rotationssymmetrischen Werkstücken verwendet, weil eine Messung während der Bearbeitung aufgrund der rauhen Verhältnisse, verursacht durch Späne und Kühlschmierstoffe, nur bedingt möglich ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist die beträchtliche Verlängerung der Taktzeit, die dadurch entsteht, daß die Bewegung einer Meßeinrichtung von einer Ausgangsposition zu einer Meßposition und zurück viel Zeit benötigt. Bei Produktionsprozessen zur Fertigung hoher Stückzahlen, also bei Serienfertigung, führen Verlängerungen der Taktzeit zu höheren Stückkosten, so daß derartige Lösungen kaum eingesetzt werden.

Zu den systematischen Einflußparametern eines Fertigungsprozesses zählen beispielweise Werkzeugwechsel, Produktionspausen, Temperatur und Werkzeugverschleiß. In der Summe bewirken diese Einflußparameter eine bestimmte Maßabweichung, wobei die Anteile der einzelnen Einflußparameter an der Gesamt-Maßabweichung nicht oder nur sehr ungenau bekannt sind.

Bei den systematischen Einflußparametern besteht häufig ein funktionaler Zusammenhang zwischen den Einflußparametern und der maßlichen Veränderung, der theoretisch oder empirisch ermittelt wird. Beispielsweise kann ermittelt werden, wie stark die Schneidkante eines Zerspanungswerkzeugs in Abhängigkeit von der Anzahl der bearbeiteten Werkstücke verschleißt. Die ermittelte Verschleißfunktion ermöglicht es, der Maschinensteuerung einen entsprechenden Werkzeugverschleißkorrekturwert zu übermitteln, der in die aktuelle Bearbeitung einfließen kann. Dadurch wird eine hohe Maßgenauigkeit erreicht. Der ermittelte funktionale Zusammenhang ist allerdings nicht allgemein gültig, sondern nur gültig für die Bedingungen, die während der Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs bestanden haben. Ändern sich Prozeßparameter, ändert sich auch dieser funktionale Zusammenhang. Werden dann weiterhin Korrekturwerte aus dem ursprünglich ermittelten funktionalen Zusammenhang an die Maschinensteuerung übermittelt, wird der Fertigungsprozeß nicht optimal korrigiert. In der Praxis ändern sich diese funktionalen Zusammenhänge häufig, etwa durch den Einsatz von Schneidstoffen mit unterschiedlicher Verschleißfestigkeit. Eine Definition der daraus entstehenden funktionalen Zusammenhänge erfolgt meist nur bei der Maschineninstallation, im Alltagsbetrieb nehmen die Anwender Aktualisierungen häufig nicht mehr vor.

Ein weiteres Verfahren stellt die Wärmegangkompensation dar, bei der wenigstens ein Sensor die Temperatur an einer bestimmten Stelle in der Maschine mißt und die Maschinensteuerung entsprechende Korrekturwerte berücksichtigt. Die Korrekturwerte werden meist empirisch ermittelt, bilden die reale Situation jedoch nur unzureichend ab. Bei einer Veränderung der funktionalen Zusammenhänge werden auch hier die Korrekturwerte meist nicht mehr verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren und die gattungsgemäße Einrichtung so auszubilden, daß die bestehenden funktionalen Zusammenhänge systematischer Einflußparameter in einfacher Weise erfaßt und berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungsgemäßen Einrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 21 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden bereits vor der Bearbeitung des Werkstückes die relevanten Einflußparameter berücksichtigt. Hierbei werden die funktionalen Zusammenhänge zwischen den Zustandsgrößen wenigstens eines Einflußparameters und der maßlichen Änderung von Merkmalen des zu bearbeitenden Werkstückes ermittelt. Diese Werte werden dann zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. So können mit diesen bereitgestellten Werten NC-Achskorrekturwerte berechnet werden, um den Bearbeitungsprozeß, falls nötig, schon vor der Bearbeitung des Werkstükkes zu korrigieren. Dadurch können die aus der SPC-Regelschleife resultierenden NC-Achskorrekturwerte minimiert, insbesondere eliminiert werden, so daß auf diese Korrekturmethode, bei der Meßwerte erst nach der Bearbeitung eines Werkstückes ermittelt werden, temporär oder völlig verzichtet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden mit dem Analysemodul die funktionalen Zusammenhänge zwischen den Zustandsgrößen wenigstens eines Einflußparameters und der maßlichen Änderung der Werkstückmerkmale ermittelt. Das Analysemodul sendet dann entsprechend korrigierte Werte an das Funktionsmodul, mit dem die notwendigen Korrekturen vorgenommen werden können. Die Analyse der funktionalen Zusammenhänge erfolgt vorteilhaft kontinuierlich, so daß Veränderungen der funktionalen Zusammenhänge sofort erkannt werden, die sich zum Beispiel durch Änderungen von Prozeßparametern ergeben können.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 in Form eines Blockschaltbildes eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen,
2 die Gesamt-Maßabweichung mit einzelnen Einflußgrößen,
3 in einem Diagramm die Verschleißfunktion zweier unterschiedlicher Schneidstoffe.
1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes 1 die verschiedenen Bestandteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen in einer Bearbeitungsmaschine. Bei dem Bearbeitungsprozeß 10 kann es sich beispielsweise um die Fertigung von Werkstücken, insbesondere von Kurbelwellen und Nockenwellen, durch Fräsen, Drehen oder Bohren handeln. Das Blockschaltbild zeigt eine Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11, ein SPC-Modul 12, ein Betriebszustandsmodul 30, ein Datenspeichermodul 31 , ein Analysemodul 32, ein Funkti onsmodul 33 sowie NC-Achskorrekturmodule 13, 34. Mit der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11 werden verschiedene Merkmale (Istmaße) eines bearbeiteten Werkstücks gemessen. Die Meßdaten werden an das SPC-Modul 12 übertragen. Dort werden die Meßwerte einer Berechnung durch verschiedene Verfahren der statistischen Prozeßregelung (SPC) zugeführt. Bei dieser Berechnung werden Korrekturwerte ermittelt, die an das NC-Achskorrekturmo-dul 13 zur Ansteuerung spezifischer NC-Achsen übermittelt werden. Die NC-Achskorrekturmodule 13, 34 können auch zu einer Einheit zusammengefaßt sein.
Im Datenspeichermodul 31 werden sämtliche Daten aus dem Bearbeitungsprozeß 10 gespeichert, nämlich die Meßdaten aus der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11 und alle Daten aus dem Betriebszustandsmodul 30, und zwar eine Datensatzgruppe mit den Betriebszuständen und mit den Meßdaten für jedes bearbeitete Werkstück. Die im Datenspeichermodul 31 abgespeicherten Daten lassen auch manuelle bzw, externe Ermittlungen der Koeffizienten für das Funktionsmodul 33 zu.
In dem Betriebszustandsmodul 30 werden folgende Daten gespeichert:

– Temperaturen ϑ, insbesondere Werkzeug-, Werkstück-, Maschinen- und Umgebungstemperaturen
– Steifigkeitskennwerte c, insbesondere Werkzeug-, Werkstück- und Maschinensteifigkeiten
– Drehmoment-Istwerte T der Vorschubantriebe der Bearbeitungsmaschine
– Leistungs-Istwerte P der Hauptspindel der Bearbeitungsmaschine
– Weg-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungssensorik D für dynamische Messungen
– Manuelle Korrekturwerte K, z.B. Werkzeuglängenkorrekturwerte
– Betriebsdaten BD, z.B. Produktionspausen, Werkzeugwechsel, Wartungszeiten, Standmengenzähler, Werkstückzähler
– Meßwerte M von der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11
– Meßwerte IM von einer In-Prozeß-Meßeinrichtung

Die Mehrzahl der gespeicherten Daten stellen Einflußparameter dar, die zu maßlichen Abweichungen bei der Bearbeitung des Werkstückes führen können. Das Betriebszustandsmodul 30 verfügt über Schnittstellen 2 bis 8, über die externe Daten eingelesen werden können, z.B. Korrekturwerte von einer externen Werkzeugvermessung.
Die Temperaturmessung erfolgt über Sensoren an verschiedenen, relevanten Stellen des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise am Maschinengestell der Bearbeitungsmaschine, am Werkstück, am Werkzeug oder in der Umgebung. Aus Temperaturänderungen resultiert Wärmeausdehnung, woraus an den Werkstückmerkmalen maßliche Veränderungen entstehen können.
Durch Schneidenverschleiß, der bezogen auf die produzierte Stückzahl n meist einer nichtlinearen Funktion folgt, ergeben sich maßliche Veränderungen an den Werkstückmerkmalen, die eine Trendrichtung aufweisen. Beispielsweise wird bei einer Außendrehoperation der bearbeitete Durchmesser bei zunehmendem Schneidenverschleiß größer. Bei Erreichen der Verschleißgrenze der Werkzeugschneide müssen die verschlissenen Schneiden gegen neue, unverschlissene Schneiden ausgetauscht werden. Dabei entstehen Maschinenstillstandzeiten. Während der Stillstandzeit verringert sich die Maschinengestell- und die Werkzeugtemperatur. Der Werkstückzähler wird bei der Einwechslung eines neuen, unverschlissenen Werkzeuges auf Null gesetzt.
Daten über Steifigkeitswerte des Systems Maschine-Werkzeug-Werkstück ermöglichen die Bestimmung maßlicher Abweichungen, insbesondere in Verbindung mit den ermittelten Zerspankräften. Verformungen des Systems Maschine-Werkzeug-Werkstück sind um so größer, je höher die Zerspankräfte sind. Die Höhe der Zerspankräfte bei ansonsten gleichen Schnittbedingungen hängt ab vom Verschleißgrad, jedoch in hohem Maße auch von den Schneidkeilgeometrien, insbesondere vom Spanwinkel, und auch vom zu bearbeitenden Werkstoff.
Kraftmessungen können indirekt über Verformungsmessungen an der Maschinenstruktur ermittelt werden oder über die Messung der Leistungsaufnahme an Vorschub- oder Hauptspindelmotoren Auch manuelle Korrekturwerte werden im Betriebszustandsmodul 30 abgespeichert. Dies können beispielsweise Nullpunktkorrekturwerte für Linearachsen oder Werkzeuglängenkorrekturwerte sein.
Die aktuellen Zustandsgrößen dieser Einflußparameter liegen im Betriebszustandsmodul 30 in Form der Datensatzgruppen für jede Bearbeitung eines Werkstückes vor.
Die aktuellen Daten werden vom Betriebszustandsmodul 30 an das Funktionsmodul 33 übertragen, in dem die aktuellen funktionalen Zusammenhänge der einzelnen Einflußparameter gespeichert sind. Jede einzelne Funktion gibt den Zusammenhang zwischen der Änderung eines Einflußparameters und der daraus resultierenden maßlichen Veränderung am Werkstück wieder. So besteht beispielsweise ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Maschinengestelltemperatur und der daraus resultierenden maßlichen Abweichung eines bestimmten Werkstückmerkmals. Dieser Zusammenhang kann Idealerweise durch eine mathematische Formel oder auch durch eine Tabelle mit Temperatur-Wertebereichen und zugehörigen Korrekturwerten beschrieben werden. Bei der Beschreibung durch eine mathematische Formel kann eine in der Realität nichtlineare Funktion durch eine lineare Funktion angenähert werden. Die dabei entstehende Abweichung ist bei solch vereinfachenden Methoden zu berücksichtigen. Die Aufgabe des Funktionsmoduls 33 ist die Errechnung eines Korrekturwertes, basierend auf den aktuellen Zustandsgrößen der Einflußparameter, der an das NC-Achskorrekturmodul 34 zur Ansteuerung spezifischer NC-Achsen übermittelt wird. Der Korrekturwert ist die Summe aller Einzelkorrekturwerte, die sich aus den jeweiligen Funktionsberechnungen der einzelnen Einflußparameter ergeben haben.
Aufgrund des in den Funktionen enthaltenen Wissens wird es möglich, notwendige Korrekturen bereits vor der Bearbeitung des Werkstückes zu berücksichtigen. Ohne das Funktionsmodul 33 könnten die maßlichen Änderungen erst nach der Bearbeitung des Werkstückes durch das SPC-Modul 12 korrigiert werden. Die im Funktionsmodul 33 hinterlegten funktionalen Zusammenhänge sind Idealerweise lineare mathematische Funktionen der Form Y = ax + b; es ist aber auch denkbar, die Funktionen durch Polynome n-ter Ordnung zu beschreiben. Auch eine Mischung von linearen Funktionen und Funktionen mit Polynomen höherer Ordnung ist möglich. Speziell bei dem Werkzeugverschleiß kann die Definition Verschleißfunktion über ein Polynom höherer Ordnung erforderlich sein, weil eine Linearisierung sehr starke Abweichungen von den real auftretenden Werten verursacht. Entscheidend für die Qualität der Korrektur ist die genaue Bestimmung der Koeffizienten. Die Bestimmung erfolgt nach dem Stand der Technik meist empirisch, oder es liegen Erfahrungswerte vor.
Das Verfahren sieht vor, die funktionalen Zusammenhänge für jeden Einflußparameter und für jedes einzelne Werkstückmerkmal durch das Analysemodul 32 zu ermitteln.
Im folgenden Beispiel werden nur lineare Funktionen verwendet. Das Analysemodul 32 eignet sich jedoch auch für die Verwendung von Polynomen n-ter Ordnung sowie für den Einsatz in neuronalen Netzen. Durch aufwendige Berechnungsalgorithmen können die Funktionen aus den Daten im Datenspeichermodul 31 berechnet werden, das ebenso wie das Betriebszustandsmodul 30 an das Analysemodul 32 angeschlossen ist.
Aufgrund der durch die Vielzahl der Einflußparameter verursachten Gesamt-Maßabweichung ergibt sich für lineare Funktionen ein Merkmal m1 folgender Formel:
2 zeigt die Gesamt-Maßabweichung graphisch. Sie setzt sich demnach zusammen aus vier Einflußgrößen, die linearen und nichtlinearen Funktionen folgen. Die Gesamt-Maßabweichung ergibt sich zu ym1 = ym1,1 + ym1,2 + ym1,3 + ym1,4 oder für ein konkretes Beispiel bei linearen Funktionen y_m1 = (a_m1,1 x_m1,1 + b_m1,1) + (a_m1,2 x_m1,2 + b_m1,2) + (a_m1,3 x_m1,3 + b _m1,3 + (b_m1,4)mit
y_m1 = Gesamt-Maßabweichung für Merkmal 1
a_m1,1 = Koeffizient für Temperaturfunktion
x_m1,1 = Temperatur-Zustandsgröße
b_m1,1 = Konstante (Achsabstand)
a_m1,2 = Koeffizient für Schneidenverschleißfunktion
x_m1,2 = Schneidenverschleißzustandsgröße (abgeleitet aus Anzahl der mit der Schneide gefertigten Werkstücke),
b_m1,2 = Konstante (Achsabstand)
a_m1,3 = Koeffizient für die Steifigkeitsfunktion x_m1,3 = Zustandsgröße der Zerspankraft
b_m1,3 = Konstante (Achsabstand)
b_m1,4 = Konstante für die manuelle Korrekturwerteingabe
Die Schwierigkeit besteht nun darin, die Gesamt-Maßabweichung y_m1 in ihre Einzelbestandteile zu zerlegen und die maßlichen Abweichungen einem verursachenden Einflußparameter zuzuordnen.
Das Problem wird mit einem ersten Verfahren dadurch gelöst, daß bestimmte Betriebszustandskombinationen definiert werden, bei denen (mit hoher Wahrscheinlichkeit) die maßliche Abweichung nur durch einen einzigen Einflußparameter beeinflußt wird.
Nachfolgend wird ein Verfahren aufgezeigt, mit dem die Koeffizienten der funktionalen Zusammenhänge berechnet werden können. Es wird vorausgesetzt, daß zunächst keine vordefinierten Werte für die Koeffizienten vorliegen sollen. Für jeden Einflußparameter wird jedoch der Zustand definiert, bei dem die Berechnung seines Funktionswerts einen definierten Wert aufweist. Dies ist beispielsweise bei einer neuen, unverschlissenen Schneide oder bei einer Temperatur von 20° C und vor Produktionsstart der Fall. Die Koeffizienten können berechnet werden, wenn die Werte der Koeffizienten in einem definierten Zustandsbereich liegen. Zunächst gilt der bereits genannte mathematische Zusammenhang ym1 = (am1,1 xm1,1) + (am1,2 xm1,2 + (am1,3 xm1,3 + (bm1,4) (a)mit den oben definierten Zuordnungen zu den einzelnen Einflußparametern.

1. Ermittlung des Koeffizienten a_m1,1 Mathematisch errechnet sich dieser Koeffizient aus der obigen Gleichung (a) wie folgt: am1,1 = (ym1 – (am1,2 xm1,2) – (am1,3 xm1,3) – (bm1,4))/ xm1,1 Die Werte der Zustandsgrößen xm1,1; xm1,2; xm1,3 sowie die Konstante b_m1,4 sind aus dem Betriebszustandsmodul 30 bekannt. Die Konstante b_m1,4 kann z.B. ein Werkzeugkorrekturwert sein, der manuell in die Steuerung eingegeben worden ist. Der Meßwert y_m1 ist aus der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11 oder aus dem SPC-Modul 12 bekannt. Die Berechnung des Koeffizienten a_m1,1 erfolgt, sobald x_m1,2 und x_m1,3 ≈ 0 und x_m1,1 in einem vordefinierten Wertebereich liegt. Der Wert x_m1,3 wird ebenfalls per Definition zu Null, wenn neue und unverschlissene Werkzeugschneiden eingesetzt werden. Der Wert x_m1,2 wird zu Null, wenn definitionsgemäß neue und unverschlissene Werkzeugschneiden im Werkzeug eingesetzt sind. Die Größe a_m1,1 kann bei Vorliegen dieses Betriebszustands errechnet werden.
2. Ermittlung des Koeffizienten a_m1,2: Mathematisch errechnet sich dieser Koeffizient aus der Gleichung (a) wie folgt: am1,2 = (ym1 – (am1,1 xm1,1) – (am1,3 xm1,3 – (bm1,4))/xm1,2 Die Werte der Zustandsgrößen x_m1,1; x_m1,2; x_m1,3 sowie die Konstante b_m1,4 sind wiederum aus dem Betriebszustandsmodul 30 bekannt. Der Meßwert y_m1 ist aus der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11 oder aus dem SPC-Modul 12 bekannt. Der Koeffizient am1,1 wurde im ersten Verfahrensschritt bereits berechnet. Die Berechnung erfolgt, sobald x_m1,3 ≈ 0 und x_m1,2 in einem vordefinierten Wertebereich liegt;
3. Ermittlung des Koeffizienten a_m1,3: Mathematisch errechnet sich dieser Koeffizient aus der Gleichung (a) wie folgt: am1,3 = (ym1 – (am1,1 xm1,1) – (am1,2 xm1,2) – (bm1,4))/xm1,3 Die Werte der Zustandsgrößen x_m1,1; x_m1,2; x_m1,3 sowie die Konstante b_m1,4 sind wiederum aus dem Betriebszustandsmodul 30 bekannt. Der Meßwert y_m1 ist aus der Post-Prozeß-Meßeinrichtung 11 oder aus dem SPC-Modul 12 bekannt. Die Koeffizienten a_m1,1 und a_m1,2 wurden im ersten Verfahrensschritt bereits berechnet. Die Berechnung erfolgt, sobald x_m1,3 in einem vordefinierten Wertebereich liegt. Die berechneten Koeffizienten a_m1,1; a_m1,2; a_m1,3 werden an das Funktionsmodul 33 übertragen, mit dem wieder für jedes Werkstück ein entsprechender Korrekturwert errechnet wird. Nachdem alle Koeffizienten auf diese Weise berechnet und an das Funktionsmodul 33 übertragen worden sind, werden Idealerweise keine NC-Achskorrekturen durch die SPC-Regelschleife über das NC-Achskorrekturmodul 13 mehr erforderlich sein, weil der Bearbeitungsprozeß bereits vor der Bearbeitung eines Werkstückes entsprechend korrigiert wurde. Die Prozeßstreubreite nähert sich der sog. natürlichen Prozeßstreubreite an, d.h., es werden nur noch die nicht beeinflussbaren zufälligen Fehler wirksam. Das Funktionsmodul 33 errechnet den notwendigen Korrekturwert, den es dem NC-Achskorrekturmodul 34 übermittelt. Mit ihm wird das der Bearbeitungsmaschine zugeführte Sollmaß entsprechend korrigiert.

Mit der einmaligen Ermittlung der funktionalen Zusammenhänge ist die Aufgabe des Analysemoduls 32 jedoch noch nicht abgeschlossen. Die Berechnungen des Analysemoduls 32 werden dauerhaft fortgesetzt, so daß eine permanente Verifizierung der funktionalen Zusammenhänge stattfindet. Dadurch erkennt das Analysemodul 32 selbständig, wenn Veränderungen der funktionalen Zusammenhänge auftreten. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn infolge technischer Weiterentwicklungen Schneidstoffe mit einer höheren Verschleißfestigkeit eingesetzt werden. Der Koeffizient a_m1,2 wird dann kleiner, d.h. die Steigung der Geraden, welche die durch den Schneidenverschleiß verursachte Maßabweichung abbildet, wird geringer. Die Größe des daraus resultierenden Einzelkorrekturbestandteiles pro gefertigtem Werkstück wird also geringer. Diesen Zusammenhang zeigt 3. In dem Diagramm wird der Schneidenverschleiß von zwei Schneidstoffen aufgezeigt. Der Schneidenverschleiß wird über den Kennwert Verschleißmarkenbreite v_B ausgedrückt und über der produzierten Stückzahl n aufgetragen. Nach einer Stückzahl von n₁ beträgt der Schneidenverschleiß der Schneide 1 v_B1. Der Kennwert der leistungsfähigeren Schneide 2 liegt bei v_B2.
Der große Vorteil des Analysemoduls 32 liegt darin, daß ohne zusätzlichen personellen Aufwand und mit nur geringer zeitlicher Verzögerung aktualisierte funktionelle Zusammenhänge verwendungsfähig vorliegen.
Ein weiteres Beispiel für die Fähigkeit des Analysemoduls 32, selbständig Veränderungen der funktionalen Zusammenhänge zu erkennen, ist der Einsatz von Schneiden mit anderen Schneidkeilgeometrien. Wird beispielsweise eine Schneide mit positivem Wirkspanwinkel eingesetzt, so reduzieren sich die Schnittkräfte und damit auch die auf das System Maschine-Werkzeug-Werkstück wirkenden Abdrängkräfte. In Verbindung mit den Steifigkeitskoeffizienten können so rasch neue Einzelkorrekturwerte errechnet werden.
Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz eines neuen Werkstück-Werkstoffs. Weist dieser eine höhere Festigkeit auf, so wirkt sich dies sowohl auf den Schneidenverschleiß als auch auf die Zerspankräfte aus. Auch hier kann das System nach kurzer Zeit mit aktualisierten funktionalen Zusammenhängen arbeiten.
In der Praxis ist es bisher meist so, daß die funktionalen Zusammenhänge nur einmal bei Lieferung der Maschine eingestellt werden, wobei hier häufig lediglich Erfahrungswerte verwendet werden. Die Genauigkeit des Prozesses hängt dann in hohem Maße von der Regelgüte des SPC-Moduls 12 ab. Diese kann aber niemals besser sein als diejenige, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt wird, denn hier werden Korrekturwerte bereits vor der Bearbeitung des Werkstücks in das NC-Achskorrekturmodul 34 übertragen.
Neben dem oben vorgestellten Verfahren zur Ermittlung der Koeffizienten der funktionalen Zusammenhänge durch das Analysemodul 32 können weitere Verfahren zum Einsatz kommen. Werden lineare Polynome verwendet, so können aus verschiedenen, insbesondere beliebigen Betriebszuständen Zustandsgrößen aller relevanten Einflußgrößen ermittelt werden, aus denen dann Gleichungen gebildet werden. Liegt die erforderliche Anzahl von Gleichungen vor, so können die Koeffizienten nach bekannten mathematischen Verfahren der linearen Algebra durch geschlossen lösbare Gleichungssysteme ermittelt werden.
Werden Polynome höheren Grades verwendet, so können Gleichungssysteme der funktionalen Zusammenhänge durch iterative mathematische Rechenverfahren mit ausreichender Genauigkeit errechnet werden.
Unabhängig vom verwendeten Verfahren ist es wichtig, der Berechnung nicht Einzelwerte der Gesamt-Abweichung zuzuführen, sondern möglichst Mittelwerte von mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungen zu bilden. Dabei sollten die aufeinanderfolgenden Bearbeitungen ohne Unterbrechung durchgeführt werden, um Veränderungen der verschiedenen Zustandsgrößen während dieses Zeitraumes gering zu halten.
Außerdem müssen die Daten aus dem Betriebszustandsmodul 30 einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden, bevor sie an das Analysemodul 32 übertragen werden. Die Festlegung von Plausibilitätsgrenzen kann manuell erfolgen und beispielsweise mit einer Warnmeldung verknüpft werden. Werden beispielsweise Temperaturen am Maschinengestell von 50°C angezeigt, so wird der Wert nicht zu Berechnungen verwendet, wenn die Plausibilitätsgrenze bei 40°C festgelegt wurde. Gleichzeitig wäre dies ein Hinweis, daß ein Defekt am Temperatursensor oder ein anderer Fehler vorliegen könnte. Die Plausibilitätsprüfung erfolgt vorteilhafterweise auch vor der Übertragung der Daten aus dem Betriebszustandsmodul 30 an das Funktionsmodul 33.
Die Übergabe eines aktualisierten funktionalen Zusammenhanges kann entweder kontinuierlich erfolgen, z.B. durch Bildung eines gleitenden Durchschnittes, oder bei Erreichen einer definierten Abweichung von den Werten in dem Funktionsmodul 33.

Claims

Verfahren zur Steigerung der Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen, insbesondere bei Serienfertigung von Werkstücken, bei dem Daten des Bearbeitungsprozesses gemessen, ausgewertet und zur Korrektur des Bearbeitungsprozesses herangezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des Bearbeitungsprozesses die funktionalen Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen von wenigstens einem Einflußparameter und der maßlichen Änderung von Werkstückmerkmalen ermittelt und zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse fortwährend erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse in bestimmten Intervallen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Analyse der funktionalen Zusammenhänge Koeffizienten (a_m1,1, a_m1,2,... a_mi,j) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionalen Zusammenhänge lineare Polynome sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die funktionalen Zusammenhänge Polynome höherer Ordnung sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Funktionsmodul (33) gespeicherte funktionale Zusammenhänge zur Errechnung des Korrekturwertes verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert an ein NC-Achskorrekturmodul (34) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Funktionsmodul (33) gespeicherten funktionalen Zusammenhänge fortlaufend durch ein Analysemodul (32) verifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im Funktionsmodul (33) gespeicherten funktionalen Zusammenhänge aktualisiert werden, wenn durch das Analysemodul (32) Änderungen der funktionalen Zusammenhänge analysiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierung der im Funktionsmodul (33) gespeicherten funktionalen Zusammenhänge sofort erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierung der im Funkti onsmodul (33) gespeicherten funktionalen Zusammenhänge erfolgt, wenn der Unterschied aus der Berechnung von Korrekturwerten durch die funktionalen Zusammenhänge zwischen den im Funktionsmodul (33) und im Analysemodul (32) vorliegenden funktionalen Zusammenhänge einen bestimmten Wert überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter eine Temperatur (ϑ) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter ein Werkzeugschneidenverschleiß ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter eine Zerspankraft ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter ein Steifigkeitswert (c) eines Systems Maschine-Werkzeug-Werkstück ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter ein manuell in die Maschinensteuerung eingegebener Wert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter die Anzahl der bearbeiteten Werkstücke ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter der Meß wert (M) einer Post-Prozeß-Meßeinrichtung (11) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußparameter der Meßwert (IM) einer In-Prozeß-Meßeinrichtung ist.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20, mit mindestens einer Post-Prozeß-Meßeinrichtung, mindestens einem Betriebszustandsmodul, wenigstens einem Achskorrekturmodul und mindestens einem Funktionsmodul, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Analysemodul (32) vorgesehen ist, das funktionale Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen von wenigstens einem Einflußparameter und der maßlichen Veränderung von Werkstückmerkmalen ermittelt und entsprechende Korrekturwerte an das Funktionsmodul (33) überträgt.
Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysemodul (32) wenigstens einem SPC-Modul (12) nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß an das Analysemodul (32) das Betriebszustandsmodul (30) angeschlossen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß dem Betriebszustandsmodul (30) mindestens ein Datenspeichermodul (31) nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenspeichermodul (31) an das Analysemodul (32) angeschlossen ist.
Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß das SPC-Modul (12) an das Datenspeichermodul (31) angeschlossen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgangssignale des Funktionsmoduls (33) wenigstens einem zweiten NC-Achskorrekturmodul (34) zugeführt werden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das erste NC-Achskorrekturmodul (13) in einer Regelschleife mit dem SPC-Modul (12) liegt.