DE10312025A1

DE10312025A1 - Verfahren zur Kompensation von Fehlern der Positionsregelung einer Maschine, Maschine mit verbesserter Positionsregelung und Kompensationseinrichtung

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Publication number: DE10312025A1
Application number: DE2003112025
Authority: DE
Inventors: Reiner Dr.-Ing. Reitinger; Albrecht Dr.-Ing. Burmeister
Original assignee: Delta X Ingenieurgesellsc GmbH; Delta-X Ingenieurgesellschaft Gesellschaft fur Strukturanalyse GmbH
Current assignee: Delta X Ingenieurgesellsc GmbH; Delta-X Ingenieurgesellschaft Gesellschaft fur Strukturanalyse GmbH
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kompensation von Verformungen von Bearbeitungsmaschinen, Industrierobotern oder Messmaschinen vorgeschlagen, bei dem kontinuierlich anhand einer FEM-Berechnung die tatsächlich auftretende Verformung der Maschine oder des Geräts berechnet wird und die Bahnsteuerung der Maschine entsprechend korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer Positionsregelung eines Bezugspunkts einer in mindestens einer Achse steuerbaren Maschine, eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Maschine und eine Kompensationseinrichtung. Die Erfindung betrifft weiter ein Messgerüst zum Vermessen von Werkstücken.
Heutzutage werden bei der Bearbeitung großer Werkstücke nahezu ausschließlich sogenannte numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen) eingesetzt. Bei diesen NC-Maschinen sind mehrere Achsen unabhängig voneinander steuerbar. Um die Steuerung der Bewegung eines Werkzeugs oder eines Messgeräts mit Hilfe der NC-Maschine zu erreichen, ist es notwendig, die tatsächliche Position des Werkzeugs zu ermitteln. Da die tatsächliche Position des Werkzeugs in der Regel nicht direkt erfasst werden kann, wird die Stellung der Maschine in ihren verschiedenen steuerbaren Achsen ermittelt und anschließend gesteuert. Aus der Stellung der Maschine in ihren Achsen kann, in Kenntnis der Geometrie der Maschine, die Position des Werkzeugs oder des Messgeräts berechnet werden. Dazu ist es notwendig an jeder Achse der Maschine ein Wegmesssystem, wie zum Beispiel einen Glasmassstab, vorzusehen. Mit Hilfe des Wegmesssystems kann durch den Vergleich eines Sollwerts mit dem gemessenen Istwert eine Positionsregelung vorgenommen werden, so dass der gewünschte Istwert schließlich und mit geringstmöglicher Abweichung erreicht wird.
Die Genauigkeit der Positionsregelung des Werkzeugs hängt dabei nicht nur von der Position der Wegmesssysteme und der Führungen der Maschine in ihren verschiedenen Achsen ab, sondern wird auch durch äußere und innere Einflüsse, die auf die Maschine einwirken, beeinflusst. Beispiele für solche Einflüsse sind die Erwärmung der Maschine durch äußere oder innere Wärmelasten, die aus der Bearbeitung eines Werkstücks resultierende Schnittkräfte, Trägheitskräfte, die bei der Beschleunigung von Komponenten der Maschine, wie z. B. einem Querschlitten, entstehen und anderes mehr. Schließlich können bei schweren Werkstücken auch die Gewichtskräfte des zu bearbeitenden Werkstücks und das Eigengewicht der Maschine zu einer Verformung der Maschine führen.
Diesen Einflüssen ist gemeinsam, dass sie Verformungen der Maschine verursachen. In Folge dieser Verformungen weichen der von der Maschinensteuerung berechnete Ort des Werkzeugs und der tatsächliche Ort des Werkzeugs voneinander ab. Diese Abweichung wirkt sich negativ auf die Bearbeitungsgenauigkeit der Maschine aus.
Es ist offensichtlich, dass mit zunehmender Größe der Maschinen dieses Problem an Bedeutung gewinnt. So ist es beispielsweise bei Fräsmaschinen, deren Querschlitten einen Verstellweg von mehr als 1,5 m hat, durchaus möglich, dass durch einseitige Anströmung des Querschlittens mit warmer oder kalter Luft aufgrund der daraus resultierenden Wärmedehnungen eine Verformung des Querschlittens resultiert, die zu Abweichungen des tatsächlichen Orts des Werkzeugs vom errechneten Ort des Werkzeugs größer als 0,2 mm führen. Diese Abweichung ist für eine Fertigung mit höchsten Präzisionsanforderungen nicht akzeptabel. Auch bei kleinen Werkstücken können die aus Verformungen der Produktionsmaschine und/oder des Werkstücks resultierenden Fertigungsungenauigkeiten nicht hingenommen werden, wenn an die Präzision der Werkstücke höchst Anforderungen gestellt werden.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei Spindelantrieben von Werkzeugmaschinen die Temperaturdehnungen in Richtung der Längsachse der Spindel zu kompensieren. Dabei werden einachsige Temperaturdehnungen angenommen, die durch verschiedene einfache mathematische Berechnungsformeln, Vorab-Messungen, Sensorik, Hinterlegung in Tabellen etc. kompensiert werden.
Aus der DE 42 03 994 A1 ist eine Werkzeugmaschine mit einer solchen Wärmedehnungskompensation bekannt. Dabei wird die Längenänderung eines Querschlittens in Abhängigkeit der an einer signifikanten Stelle des Querschlittens gemessenen Temperatur berechnet und zur Kompensation eines Lagefehlers verwendet.
Ein weiterer aus dem Stand der Technik bekannter Ansatz stützt sich auf die messtechnische Erfassung des Fehlers. Dabei werden die Fehler teilweise vorab gemessen und in Tabellen abgelegt. Diese Tabellen werden dann während des Betriebs der Maschine zur Fehlerkompensation herangezogen. Weiter können auch im Betrieb ständig Kontrollmessungen durchgeführt werden und in Verbindung mit statistischen oder empirischen Methoden, gegebenenfalls auch in Verbindung mit den vorab durchgeführten Messungen, zur Fehlerkompensation benutzt werden. Zum aktuellen Stand der Technik gehört auch der Einsatz einzelner Sensoren, insbesondere Temperatursensoren, und einfache mathematische Modelle für meist einachsige Fehlerberechnungen.
Diese Methoden behandeln meist einzelne Phänomene, nicht aber komplexe dreidimensionale Verformungszustände, wie sie z. B. aus Temperaturzuständen resultieren, die beim Betrieb und bei Änderungen der äusseren Umgebungstemperaturen durch Heizung, Luftströmungen etc. entstehen.
Nachteilig an dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Kompensation von Positionsfehlern an Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder Messmaschinen ist es, dass die Lagefehler auf der Basis eines sehr einfachen Modells berechnet werden. Beispielsweise wird bei der DE 42 03 994 A1 eine reine Längsdehnung des Querschlittens infolge der Erwärmung unterstellt. Tatsächlich ist es jedoch so, dass beispielsweise durch einseitige Wärmelasten oder einseitig wirkende Schnittkräfte Teile der Maschine wie beispielsweise ein Querschlitten in zwei Achsen gebogen oder tordiert werden. Die daraus resultierenden Lagefehler können mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht kompensiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation von Positionsfehlern anzugeben, welches eine verbesserte Genauigkeit der Positionsregelung unter verschiedensten, auch instationären und vorab nicht bekannten Betriebsbedingungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer Positionsregelung eines Bezugspunkts einer in mindestens einer Achse steuerbaren Maschine, wobei die Positionsregelung eine Bahnsteuerung und eine Einrichtung zur Positionserfassung aufweist und das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

– Erfassen der aktuellen Position aller an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen,
– Berechnen der aktuellen Position des Bezugspunktes aus den aktuellen Positionen der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen,
– Berechnen der Verformung der Maschine in Abhängigkeit von Größen, die zu einer Verformung der Maschine führen können, und, falls erforderlich, der aktuellen Positionen der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen und Korrektur der berechneten aktuellen Position des Bezugspunktes in Abhängigkeit der aktuellen Verformung der Maschine.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die tatsächliche Verformung der Maschine in allen Raumesrichtungen in Abhängigkeit einer oder mehrerer Größen berechnet, die eine Verformung der Maschine verursachen können. Dabei müssen nicht alle Größen gemessen werden. Wenn beispielsweise die aus Trägheitskräften resultierenden Verformungen der Maschine berechnet werden soll, genügt es neben den Eigenschaften der Maschine, wie Abmessungen, Gewicht etc. die zeitliche Ableitung der Position der Maschine in ihren Achsen zu berechnen, um daraus die Trägheitskräfte bestimmen zu können.
Andere Größen, wie zum Beispiel die Erwärmung der Maschine, werden in der Regel gemessen. Aus diesen Messwerten kann dann die daraus resultierende Verformung berechnet werden. Selbstverständlich kann der Verformungszustand auch durch eine Kombination von gemessenen Größen und anderen Größen berechnet werden. Erfindungsgemäß wird die Fehlerkompensation auf der Basis dieser berechneten Verformung der Maschine durchgeführt, was zu einer nahezu vollständigen Kompensation der aus der Verformung der Maschine resultierenden Positionsfehler führt.
Beispielsweise kann, wenn an den von einer Verformung betroffenen Bauteilen der Maschine, wie beispielsweise Querschlitten oder Maschinenständer, eine ausreichende Zahl von Temperaturfühlern angeordnet ist, während des Betriebs der Maschine festgestellt werden, wo sich die Maschine infolge von Sonneneinstrahlung oder durch Zugluft erwärmt oder abkühlt. Daraus kann mit Hilfe einer FEM-Berechnung (FEM = Finite-Elemente-Methode) und/oder einer BEM-Berechnung (BEM = Boundary-Element-Methode) die tatsächliche Verformung der Maschine berechnet werden. Diese solchermaßen ermittelte Verformung beschränkt sich nicht auf einfache Längsdehnungen, sondern kann Biegungen oder Torsionen und andere komplexe Verformungszustände der Maschine ermitteln und quantifizieren. Dadurch ist es möglich, die tatsächlich an der Maschine auftretenden Verformungen mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen und dementsprechend eine nahezu vollständige Kompensation der Positionsfehler des Werkzeugs einer Maschine vorzunehmen.
In analoger Weise können auch Verformungen des zu bearbeitenden Werkstücks ermittelt und bei der Kompensation berücksichtigt werden.
Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Lage, die Fertigungsgenauigkeit einer Maschine oder die Messgenauigkeit einer Messmaschine auch unter ungünstigsten Außenbedingungen wie beispielsweise ungleicher Sonneneinstrahlung, Zugluft, wechselnden Außentemperaturen und andere mehr nahezu konstant zu halten.
Als Bezugspunkt für die Fehlerkompensation wird beispielsweise bei einer Fräsmaschine der Werkzeugbezugspunkt angesehen. Bei einer Messmaschine kann als Bezugspunkt die Messspitze beispielsweise eines Messtasters oder die Achse und die Lage der Optik eines optischen Messinstruments angesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eingesetzt werden, um die Messgenauigkeit von Messgerüsten, an denen eine oder mehrere Messeinrichtungen installiert sind, zu verbessern. In diesem Anwendungsfall haben die Messgerüste in der Regel keinen Freiheitsgrad und damit auch keine steuerbare Achse. Es ist vielmehr so, dass an dem starren Messgerüst eine oder mehrere Messeinrichtungen installiert sind, die ein Werkstück, wie beispielsweise die Rohkarosserie eines Kfz, vermessen. Wenn sich das Messgerüst, z. B. auf Grund von lokalen Erwärmungen, verformt, werden die Messwerte mit einem von der Verformung verursachten Fehler behaftet. Durch die Messung der Temperaturverteilung in dem Messgerüst kann dessen Verformung berechnet werden und die Messwerte der Messeinrichtungen entsprechend korrigiert werden.
Durch die erfindungsgemäße detaillierte Berechnung der tatsächlich auftretenden Verformungen der Maschine kann die Fertigungsgenauigkeit jeder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden NC-Maschine auch nahezu konstant gehalten werden, wenn lange und große Werkzeuge, wie beispielsweise lange Schaftfräser, eingesetzt werden. Die aufgrund der Länge der Werkzeuge größeren Lagefehler werden durch das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren ebenfalls nahezu vollständig kompensiert.
Es liegt auf der Hand, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Kompensation ausschließlich von Temperaturdehnungen anwendbar ist, sondern prinzipiell jeder äußere oder innere Einfluss, der zu einer Verformung der Maschine führt, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert werden kann. Beispielsweise können durch Dehnungsmessstreifen an verschiedenen Stellen der Maschine die Spannungszustände gemessen werden und somit auch die aus Bearbeitungskräften, oder aus den Bewegungen resultierenden Trägheitskräften oder den Gewichtskräften des Querschlittens und/oder des Werkzeugs resultierenden Verformungen berechnet und bei der Positionsregelung kompensiert werden.
Es liegt weiter auf der Hand, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht ausschließlich auf Werkzeugmaschinen, wie beispielsweise Fräsmaschinen oder Drehmaschinen, anwendbar ist, sondern auch für die Positionsregelung von Industrierobotern und anderen Fertigungs- oder Handhabungseinrichtungen eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist, allgemein gesprochen, bei allen Positionsregelungen anwendbar, bei denen die zur Positionsregelung eingesetzte Struktur aufgrund äußerer oder innerer Einflüsse verschiedenster Art verformt wird und aus diesen Verformungen Lagefehler bei der Positionsregelung auftreten können.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Messvorrichtungen eingesetzt werden, die ein starres Messgerüst aufweisen auf dem eine oder mehrere Messeinrichtungen montiert sind, wenn das Messgerüst während des Betriebs Verformungen ausgesetzt ist. Solche Messvorrichtungen werden beispielsweise zum Vermessen von Kfz-Karosserien eingesetzt. Die von den Messeinrichtungen gelieferten Messwerte können in erfindungsgemäßer Weise um die aus der Verformung des Messgerüsts resultierenden Fehler korrigiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn die aktuelle Verformung der Maschine in Zeitabständen ermittelt wird, die kleiner sind als die Zeitabstände, innerhalb derer die Positionsregelung der Maschine arbeitet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Zeitabstände, innerhalb derer die Verformung der Maschine berechnet wird, kleiner als 50 % der Zeitabstände sind, innerhalb derer die Positionsregelung der Maschine erfolgt. Dadurch ist gewährleistet, dass die Positionsregelung der Maschine immer mit aktuellen Werten der Verformung der Maschine arbeitet und somit eine bestmögliche Kompensation der durch die Verformung hervorgerufenen Positionsfehler erreicht wird.
Die Berechnung der tatsächlichen Verformung in Echtzeit wird vereinfacht, wenn die Berechnung im Wesentlichen von zwei Berechnungsalgorithmen, die miteinander gekoppelt sind, ausgeführt wird.
In einem ersten Algorithmus, der auch als Simulationsmodell bezeichnet wird, wird die aktuelle Verformung, zum Beispiel auf Basis von finite Element-Techniken, berechnet. Dabei können Kondensationstechniken, Superpositionstechniken und Techniken mit Ansatzfunktionen und Interpolation eingesetzt werden, um auf der Basis der aktuell vorhandenen Messwerte aus den Messstellen an der Maschine, z. B. Temperaturwerte, die aktuelle Verformung zu berechnen. Dieser aktuelle Verformungszustand der Maschine kann, entsprechend den zu erwartenden Änderungen des wirklichen Maschinenzustandes, in kurzen Zeitabständen, z. B. im Sekundentakt, erneuert werden.
Dieser aktuelle Verformungszustand der Maschine wird diskretisiert und an einen zweiten Algorithmus, den sogenannten Echtzeit-Algorithmus übergeben. Der Echtzeit-Algorithmus erhält Positionsdaten und weitere maßgebende Daten aus der Maschinensteuerung, z. B. Werkzeuglänge, um damit die Fehlerberechnung durchzuführen. Hierzu werden die übertragenen Werte aus dem Simulationsmodell verwendet. Da die aktuellen Positionsdaten der Maschine direkt in die Korrekturwertberechnung eingehen, muss also bei Maschinenbewegungen die Korrekturwertberechnung mit hohen Taktraten durchgeführt werden, z. B. mit Taktzeiten von 5 – 1.0 ms.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Maschine mit mindestens einer numerisch gesteuerten Achse, mit einer Antriebseinrichtung für jede Achse der Maschine, mit einer Einrichtung zur Positionserfassung in jeder Achse der Maschine, mit einer Einrichtung zur Steuerung und Regelung der Bewegungen der Maschine in jeder Achse und mit mehreren Messwertaufnehmern zur Erfassung von Größen, die zu einer Verformung der Maschine führen können, dadurch gelöst, dass eine Einrichtung zur Berechnung der aktuellen Verformung der Maschine in Abhängigkeit der gemessenen Größen vorgesehen ist. Diese Maschine weist die zuvor genannten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf, da die aktuelle und tatsächliche Verformung der Maschine zur Kompensation der Positionsfehler herangezogen wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Maschine Messwertaufnehmer zur Ermittlung von Temperaturen und/oder Dehnungen an verschiedenen Orten der Maschine hat, so dass die Berechnung der Verformung auf der Basis einer Vielzahl von Messwerten erfolgen kann, was die Genauigkeit des berechneten Verformungszustandes erhöht. Es hat sich bei einem Anwendungsbeispiel als sinnvoll und vorteilhaft herausgestellt, wenn eine Fräsmaschine und vor allem der Querschlitten der Fräsmaschine mit etwa 30 Messwertaufnehmern ausgerüstet wird.
Durch diese große Zahl von Messwertaufnehmern können lokale Temperaturunterschiede mit einer sehr hohen örtlichen Auflösung erfasst werden, was sich vorteilhaft auf die Genauigkeit des berechneten Verformungszustandes auswirkt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einrichtung zur Berechnung der aktuellen Verformung der Maschine mit einem Simulationsmodell den aktuellen Verformungszustand der Maschine ermittelt und anschließend in einem sogenannten Echtzeit-Algorithmus unter Berücksichtigung der aktuellen Positionsdaten der Achsen der Maschine und weiterer maßgebender Daten aus der Maschinensteuerung, z. B. der Werkzeuglänge, die eigentliche Fehlerberechnung und – kompensation durchführt.
Dadurch ist eine nahezu vollständige Kompensation der durch thermische Lasten, Gewichtskräfte, Trägheitskräfte oder Bearbeitungskräfte entstehenden Verformungen der Maschine möglich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung einer NC-gesteuerten Fräsmaschine, und
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Fräsmaschine 1 abgebildet. Anhand dieser Abbildung sollen die wesentlichen im Zusammenhang mit der Erfindung gebrauchten Begriffe veranschaulicht werden, wobei eine Beschränkung der Erfindung auf die Anwendung im Zusammenhang mit Fräsmaschinen dadurch nicht erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielmehr überall dort einsetzbar, wo die Genauigkeit einer Positionsregelung durch Verformungen der zur Positionsregelung eingesetzten Struktur – Fräsmaschine, Messmaschine, Industrieroboter und anderes mehr – beeinträchtigt wird. Bei einer Messmaschine mit einem starren Gerüst dient das erfindungsgemäße Verfahren nicht zur Positionsregelung, sondern zur Positionserfassung.
Die beispielhaft dargestellte Fräsmaschine 1 ist als sogenannte Universal-Konsolfräsmaschine mit einer Dreiachsenbahnsteuerung ausgeführt. An einem Gestell 3 ist ein Maschinentisch 5 mit Hilfe von nicht dargestellten Führungen verschiebbar befestigt. Am oberen Ende des Gestells 3 ist ein Querschlitten 7 mit einem Vertikalfräskopf 9 befestigt. In der linken vorderen Ecke des Maschinentisches 5 ist der Ursprung eines kartesischen Koordinatensystems mit den Achsen X, Y und Z eingezeichnet. Die Fräsmaschine 1 verfügt, wie bereits erwähnt, über eine Dreiachsenbahnsteuerung, wobei die Achsen der Bahnsteuerung mit den Koordinatenachsen X, Y und Z zusammenfallen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bewegung eines Werkstücks 11 in X- und Z-Richtung durch den Maschinentisch 5 ausgeführt, während die Relativbewegung zwischen Werkstück 11 und einem Fräser 13, der im Vertikalfräskopf 9 eingespannt ist, durch den Querschlitten 7 ausgeführt wird.
Wenn das Werkstück 11 mit Hilfe des Fräsers 13 unter Zuhilfenahme der Fräsermaschine 1 bearbeitet werden soll, ist es notwendig, einen Bezugspunkt P des Fräsers 13 zu definieren, anhand dessen die erforderliche Relativbewegung von Fräser 13 und Werkstück 11 von der Bahnsteuerung der Fräsmaschine 1 berechnet wird, um das Werkstück 11 in der gewünschten Weise zu bearbeiten. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Fräser 13 als Fingerfräser ausgeführt, dessen Bezugspunkt P an der Spitze des Fräsers 13 liegt.
Die Fräsmaschine 1 hat in jeder ihrer drei Achsen ein nicht dargestelltes Wegmesssystem mit dessen Hilfe die Position des Maschinentisches 5 und des Querschlittens 7 relativ zum Gestell festgestellt werden kann.
Bei einer idealen Fräsmaschine 1 sind keine Fertigungsungenauigkeiten vorhanden und die Bauteile haben das Verhalten idealer starrer Körper. Unter diesen idealsierten Voraussetzungen kann aus den aktuellen Werten der Wegmesssysteme die genaue Lage des Werkstücks 11 relativ zum Fräser 13 berechnet werden. Wenn die Fräsmaschine 1, während der Bearbeitung des Werkstücks verformt ist, entsteht eine Abweichung der von der Bahnsteuerung berechneten Position des Bezugspunkts P relativ zum Werkstück 11 und der tatsächlichen Position des Bezugspunkts P relativ zum Werkstück 11.
Ein Beispiel für eine solche Verformung sind Wärmedehnungen des Vertikalfräskopfes 9, aufgrund der dort entstehenden Abwärme oder ein Verbiegen des Gestells 3, wenn dieses einseitig von der Sonne bestrahlt wird, so dass es sich auf einer Seite stärker erwärmt als auf der der Sonne abgewandten Seite. Auch kann Zugluft dazu führen, dass eine Seite oder Teile der Fräsmaschine 1 abgekühlt oder aufgeheizt werden. Auch daraus resultiert eine Verformung der Fräsmaschine 1.
Es liegt auf der Hand, dass bei großen Maschinen diese Effekte stärker zum Tragen kommen als bei kleinen und kompakten Maschinen. Es ist auch offensichtlich, dass Verformungen der Fräsmaschine 1 nicht nur durch Temperaturdehnungen, sondern auch durch an die Fräsmaschine 1 angreifende Kräfte, wie beispielsweise die Schnittkraft, welche bei der Bearbeitung des Werkstücks 11 am Fräser 13 entsteht, verursacht werden.
Erfindungsgemäß wird nun vorgesehen, an der Fräsmaschine 1 eine Vielzahl von Temperaturmessfühlern und/oder Dehnmessstreifen, die in der 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind, anzubringen und über die Temperaturmessfühler die lokalen Temperaturen oder lokalen Dehnungen an verschiedensten Stellen der Fräsmaschine 1 zu ermitteln. Diese Messwerte werden nun erfindungsgemäß in ein FEM-Modell der Fräsmaschine 1 als Eingangsgrößen eingespeist und mit Hilfe des FEM-Modells die tatsächlich aus der ungleichen Temperaturverteilung beziehungsweise den tatsächlichen Einwirkungen an der Fräsmaschine 1 resultierenden Verformungen berechnet. Dies geschieht vorteilhafter Weise in einem FEM-Simulationsmodell, welches beispielsweise im Sekundentakt den aktuellen Verformungszustand der Fräsmaschine 1 ermittelt.
Wenn der aktuelle Verformungszustand der Fräsmaschine 1 bekannt ist, wird in einem Echtzeit-Algorithmus, unter Berücksichtigung des aktuellen Verformungszustands und der Position der Fräsmaschine 1 in ihren Achsen, die aus der Verformung der Fräsmaschine 1 resultierende Änderung des Ortes des Bezugspunkts P relativ zum Werkstück 11 berechnet.
In einem weiteren Schritt wird nun der Bahnsteuerung der Fräsmaschine 1 für jede der gesteuerten Achsen ein Korrekturwert überlagert, so dass die tatsächlich auftretenden Verformungen an der Fräsmaschine kompensiert werden und die Verformungen somit die Genauigkeit der Bearbeitung des Werkstücks 11 nicht beeinträchtigen.
Es hat sich als sinnvoll und vorteilhaft erwiesen, wenn 30 oder Temperatur- und/oder Dehnungsmessstellen an der Fräsmaschine 1 angebracht werden. Es hat sich weiter gezeigt, dass durch eine FEM-Berechnung der Wärmedehnungen und der daraus resultierenden Verformungen auf der Basis dieser 30 Temperaturmesswerte zu einer nahezu vollständigen Kompensation der auftretenden Verformungen geführt hat. Dabei ist es ohne Bedeutung, ob die Wärmedehnungen durch innere Lasten, wie beispielsweise Verlustleistung eines Getriebes, Abwärme von Hydraulikflüssigkeiten oder durch externe Wärmequellen, wie beispielsweise Sonneneinstrahlung oder auch Zugluft, verursacht durch ein geöffnetes Hallentor, entstanden sind.
In 2 ist ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Damit der NC-Bahnsteuerung der Fräsmaschine 1 stets aktuelle Werte für die Verformung der Fräsmaschine 1 zur Verfügung stehen, wird in regelmäßigen Zeitabständen von beispielsweise einer Sekunde Dauer ein Programmaufruf 25 vorgenommen. In einem Programmschritt 26 werden verschiedene Messgroßen wie beispielsweise die Temperaturwerte T1 bis T_i, wobei i die Zahl der Temperaturmessstellen bezeichnet, eingelesen.
In einer Programmverzweigung 27 werden die eingelesenen Temperaturwerte T1 – T_i daraufhin überprüft, ob sie innerhalb eines zulässigen Bereichs liegen. Falls einer oder mehrere der eingelesenen Temperaturwerte außerhalb eines vorgegebenen zulässigen Bereichs liegen, kann auf eine fehlerhafte Messwerterfassung geschlossen werden und die Temperaturkompensation ausgeschaltet werden. Dies geschieht in einem Schritt 28, in dem ein Korrekturvektor K = 0 gesetzt wird. Wenn alle eingelesenen Temperaturwerte T1 – T_i innerhalb des zulässigen Wertebereichs liegen, wird in einem Schritt 31 die daraus resultierende Verformung der Fräsmaschine 1 berechnet.
Wenn nun die Verformung der Fräsmaschine 1 bekannt ist, kann der daraus resultierende Positionsfehler des Bezugspunkts P des Fräsers 13 relativ zum Werkstück 11 in einem Schritt 32 berechnet werden. Der Positionsfehler hängt wesentlich von der Lage der Fräsmaschine in ihren gesteuerten Achsen ab. Da sich die Lage der Achsen sehr schnell ändern kann, wird die Position der Achsen der Fräsmaschine 1 von der Bahnsteuerung NC an die im Schritt 32 stattfindende Echtzeitberechnung übermittelt. Dieser Vorgang ist in 2 durch einen Pfeil 33 angedeutet. in der Echtzeitberechnung 32 wird der Positionsfehler des Bezugspunktes P relativ zum Werkstück 11 mit einer nochmals höheren Taktfrequenz berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung kann durch einen Korrekturvektor K ausgedrückt werden. Der Korrekturvektor K enthält für jede Achse der Fräsmaschine 1 einen Korrekturwert, der an die Bahnsteuerung NC übermittelt wird. Dieser Vorgang ist in 2 durch einen Pfeil 34 angedeutet.
Die Bahnsteuerung NC der Fräsmaschine 1 benützt den Korrekturvektor K, um die von ihr berechnete Position des Bezugspunkts P des Fräsers 13 so zu korrigieren, dass die tatsächliche Position des Bezugspunkts P und die zur Steuerung der Fräsmaschine 1 verwandte Position des Bezugspunkts P zusammenfallen. Die solcherart korrigierten Steuerwerte werden an die Antriebe der Achsen der Fräsmaschine 1 übermittelt. Dieser Vorgang ist in 2 durch einen Pfeil 35 angedeutet.
Damit ist eine Kompensation der aus ungleicher Temperaturverteilungen innerhalb der Fräsmaschine 1 resultierenden Verformungen der Fräsmaschine 1 vollständig möglich. Weil die taktzeit, mit der der Korrekturvektor K berechnet wird, sehr viel kleiner ist als die Taktzeit, mit der die Positionsteuerung der Fräsmaschine 1 arbeitet, ist sichergestellt, dass die Positionsregelung der Fräsmaschine 1 stets mit aktuellen Korrekturwerten K arbeitet. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Kompensation der Verformungen.
Das anhand einer 3-Achsen-Bahnsteuerung der Fräsmaschine 1 beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch bei 5- oder 6-Achsen-Bahnsteuerungen mit Erfolg eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Winkelfehler, die sich beispielsweise durch die Torsion des Querschlittens 7 oder eine Biegung des Ständers 3 ergeben können, kompensiert werden.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer Positionsregelung eines Bezugspunkts (P) einer in mindestens einer Achse (X) steuerbaren Maschine (1), wobei die Positionsregelung eine Bahnsteuerung, eine Einrichtung zur Positionserfassung und eine Regeleinrichtung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Erfassen der aktuellen Position (x(t), y(t), z(t), α(t), β(t), γ(t)) aller an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen (X, Y, Z, A, B, C) – Berechnen der aktuellen Position (x_p(t), y_p(t), z_p(t), α_p(t), β_p(t), γ_p(t)) des Bezugspunktes (P) aus den aktuellen Positionen (x(t), y(t), z(t), α(t), β(t), γ(t)) der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen (X, Y, Z, A, B, C), – Berechnen der Verformung der Maschine (1) in Abhängigkeit von Größen, die zu einer Verformung der Maschine (1) führen können, und der aktuellen Positionen (x(t), y(t), z(t), α(t), β(t), γ(t)) der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen (X, Y, Z, A, B, C) und – Korrektur der berechneten aktuellen Position (x_p(t), y_p(t), z_p(t), α_p(t), β_p(t), γ_p(t)) des Bezugspunktes (P) in Abhängigkeit der aktuellen Verformung der Maschine.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Größe (T_i (t)), die zu einer Verformung der Maschine (1) führen kann, gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) an verschiedenen Orten der Maschine (1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung (E) an verschiedenen Orten der Maschine (1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Maschine (1) mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode und/oder der Boundary-Element-Methode berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Maschine (1) unter Berücksichtigung von Lasten berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innere und äußere thermische Lasten bei der Berechnung der Verformung der Maschine (1) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gewichtslasten und/oder bei der Bearbeitung eines Werkstücks (11) entstehende Kräfte bei der Berechnung der Verformung der Maschine (1) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Maschine (1) mit einer Taktzeit (Δt_Verformung) berechnet wird, die kleiner als die Taktzeit (Δt_{Positionsregelung}) sind, mit denen die Positionsregelung der Maschine (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeit (Δt_Verformung) zur Berechnung der Verformung um mehr als 50 % kleiner als die Taktzeit (Δt_{Positionsregelung}) zur Positionsregelung der Maschine (1) sind ((Δt_Verformung < 0, 5 × Δt_{Positionsregelung})
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung des Werkstücks (11) in entsprechender Weise berechnet wird und die Positionsregelung entsprechend korrigiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte einer Plausibilitätsprüfung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsregelung eines Werkzeugs oder eines Messgeräts nach einem der mit den vorhergehenden Verfahren beanspruchten Verfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Positionsregelung bei einer Fräsmaschine, einer Drehmaschine, einem Industrieroboter oder einer Messmaschine eingesetzt wird.
Bahngesteuerte Maschine mit mindestens einer numerisch gesteuerten Achse (X), mit einer Antriebseinrichtung für jede Bearbeitungsachse (X, Y, Z, A, B, C) der Maschine (1), mit einer Einrichtung zur Positionserfassung in jeder Achse (X, Y, Z, A, B, C) der Maschine, mit einer Einrichtung zur Steuerung und Regelung der Bewegungen der Maschine (1) in jeder Achse (X, Y, Z, A, B, C) und mit mehreren Messwertaufnehmern zur Erfassung von Größen (T_i(t)), die zu einer Verformung der Maschine führen können, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Berechnung der aktuellen Verformung der Maschine () in Abhängigkeit der gemessenen Größen (T) vorgesehen ist.
Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaufnehmer Temperaturen (T) an verschiedenen Orten der Maschine (1) und/oder des Werkstücks (11) und/oder Dehnungen (E) an verschiedenen Orten der Maschine (1) und/oder des Werkstücks (11) messen.
Maschine nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Maschine (1) unter Berücksichtigung der aktuellen Positionen (x(t), y(t), z(t)) der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen (X, Y, Z) sowie auftretender Lasten, insbesondere thermischer Lasten, Gewichtskräfte und/oder bei der Bearbeitung eines Werkstücks entstehende Kräfte berechnet wird.
Messvorrichtung mit einem starren Messgerüst und mindestens einer an dem Messgerüst befestigten Messeinrichtung zur Vermessung eines Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformung der Messgerüsts unter Berücksichtigung fester Größen (Gewicht) oder gemessener Größen (T_i) berechnet wird und die Messwerte der mindestens einen Messeinrichtung entsprechend der Verformung des Messgerüsts korrigiert werden.
Einrichtung zur Kompensation von Verformungen an Maschinen bei der Positionsregelung mit mehreren Messwertaufnehmern, mit einer Schnittstelle zu der Bahnsteuerung einer Maschine und mit einer Recheneinheit, die aus dem Messwerten und den aktuellen Positionsdaten der Bahnsteuerung Korrekturwerte für die Bahnsteuerung berechnet.
Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung nach einem der vorstehend beanspruchten Verfahren arbeitet.