DE19637191A1

DE19637191A1 - Werkstückbearbeitung mit automatischem konstanten Schnittvolumen

Info

Publication number: DE19637191A1
Application number: DE1996137191
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Eberlein; Andreas Dipl Ing Uhlich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1998-04-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit automatischem konstantem Schnittvolumen unter Einsatz von kreisförmigen oder kugelförmigen Werkzeugen.

In vielen Fertigungsverfahren, welche beispielsweise durch numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen oder Roboter ausge führt werden, ist es notwendig, daß pro Zeiteinheit konstant viel Material des Werkstückes abgetragen wird. Herkömmliche numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen und Roboter können aber lediglich den Bahnvorschub des Werkzeugs konstant hal ten, ohne den dabei resultierenden Materialabtrag am Werk stück zu berücksichtigen.

Dies kann einerseits zu einem zu hohen Materialabtrag führen, ebenso ist jedoch zum anderen auch ein zu geringer Material abtrag möglich. Beide Falle können zu technischen Problemen führen.

So hat ein zu hoher Materialabtrag beispielsweise zur Folge, daß die durch die Schnittkräfte entstehende Wärme unerwünschte Änderungen im Materialgefüge des Werkstückes verursacht, wodurch die Qualität des zu fertigenden Werkstückes negativ beeinflußt wird oder dieses gar unbrauchbar gemacht wird.

Durch einen zu hohen Materialabtrag können sich desweiteren Auslenkkräfte ergeben, welche zu einer Werkzeugdeformation führen können, welche wiederum Ungenauigkeiten am Werkstück zur Folge haben.

Durch solche unerwünschte Auslenkkräfte wird das Werkzeug stark beansprucht, was zu einer geringeren Standzeit des Werkzeugs führt. In manchen Fällen führen zu hohe Schnitt kräfte auch zum Bruch oder anderweitiger Unbrauchbarkeit des Werkzeugs. Darüber hinaus können zu hohe Schnittkräfte die Stabilität und Lebensdauer der Werkzeugmaschine oder des Roboters beeinträchtigen und in Extremfällen wie beispiels weise einem Werkzeugbruch auch zu Schaden für Mensch oder Maschine führen.

Mit bekannter Technik können die im vorangehenden geschilder ten Probleme, welche aus einem zu hohen Materialabtrag resul tieren, mit einer niedrigeren Vorschubangabe vermieden wer den. Dies hat jedoch zur Folge, daß die Dynamik und Lei stungsfähigkeit der Maschine nicht optimal ausgeschöpft wer den kann.

Jedoch hat auch ein zu geringer Materialabtrag aufgrund einer zu niedrigen Vorschubabgabe in anderen Bereichen des Werk stücks negative Auswirkungen.

So kann durch den zu geringen Vorschub neben einer geringeren Produktivität, welche dem Materialabtrag pro Zeit entspricht, ein dadurch bedingter geringerer Materialabtrag auch eine sichtbare und meßbare Abweichung am Werkstück herbeiführen. Solche Abweichungen werden auch als Freischneidmarken be zeichnet.

Ein herkömmliches automatisches Verfahren, welches den Bahn vorschub so steuert, daß abhängig vom Schnittvolumen an jeder Stelle des Werkstückes weder ein zu hoher noch ein zu niedri ger Materialabtrag pro Zeit gefahren wird, ist nicht bekannt.

Sogenannte Adaptive-Control-Regelungsverfahren messen nur indirekt das Schnittvolumen beispielsweise über eine Strom- Moment-Erfassung. Aufgrund der dazu erforderlichen Meßzeiten ergibt sich stets ein zeitlicher Versatz bis zur Reaktion, was zur Folge hat, daß die im vorangehenden geschilderten Probleme trotzdem auftreten können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zur Bearbeitung eines Werkstückes zu schaffen, mit dem ein automatisches konstantes Schnittvolumen ermöglicht werden kann und die im vorangehenden geschilderten technischen Pro bleme dadurch umgangen werden können.

Für den Einsatz von kreisförmigen Werkzeugen wird diese Auf gabe gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

1.1 anhand der Steuerinformationen für die Bearbeitung wird an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn der Krümmungs radius der Bahn bestimmt,
1.2 an jeder Stelle der Bahn wird ein Kreis ermittelt, dessen Radius dem Krümmungsradius der Bahn zuzüglich dem Aufmaß entspricht,
1.3 an der gleichen Stelle der Bahn wird ein weiterer Kreis mit einem Radius bestimmt, welcher dem des Werkzeugs entspricht,
1.4 das Schnittvolumen wird als eine dem Überlappungsbereich der beiden Kreisflächen proportionale Größe bestimmt,
1.5 die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs wird propor tional zum bestimmten Überlappungsbereich so gesetzt, daß sich ein konstantes Schnittvolumen pro Zeiteinheit ein stellt.

Ein möglicher Bearbeitungsfall, bei dem das vorgenannte Ver fahren zum Einsatz gelangen kann, besteht z. B. im Schleifen von Nocken- und Kurbelwellen mit Schleifscheiben.

Für den Einsatz von kugelförmigen Werkzeugen, wie er bei spielsweise bei der Bearbeitung von Frästeilen mit Kugel fräsern vorliegt, wird die Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrens schritten gelöst:

2.1 anhand der Steuerinformationen für die Bearbeitung wird an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn im Raum der Krümmungsradius der Bahn bestimmt,
2.2 an jeder Stelle der Bahn im Raum wird eine Kugel ermittelt, deren Radius dem Krümmungsradius der Bahn zuzüglich dem Aufmaß entspricht,
2.3 an der gleichen Stelle der Bahn im Raum wird eine weitere Kugel mit einem Radius bestimmt, welcher dem der Kugel der Werkzeugspitze entspricht,
2.4 das Schnittvolumen wird als eine dem Schnittbereich der beiden Kugeln proportionale Größe bestimmt,
2.5 die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs wird propor tional zum bestimmten Schnittbereich so gesetzt, daß sich ein konstantes Schnittvolumen pro Zeiteinheit einstellt.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der beiden ge schilderten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß bei der Durchführung der Verfahren Limitie rungen der Werkzeugmaschine bzw. des Roboters oder eines anderen Bearbeitungsgerätes nicht über- bzw. unterschritten werden, wodurch Schäden an den genannten Maschinen auftreten könnten. Dies wird durch folgenden weiteren Verfahrensschritt erreicht:

3.1 die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs wird so ge setzt, daß vorgebbare Obergrenzen und/oder Untergrenzen eines zulässigen Vorschubbereichs nicht überschritten bzw. unterschritten werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der beiden Ver fahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird darüber hinaus erreicht, daß der jeweilige lokale Krümmungsradius der pro grammierten Bahn schneller ermittelt werden kann. Dies ge schieht durch folgenden weiteren Verfahrensschritt:

4.1 bestehen Bahnabschnitte aus mehreren aufeinanderfolgenden linearen Steuerungsdatensätzen, so wird das Krümmungsverhalten der Bahn über mehrere solche Bahnabschnitte abgeschätzt.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispie les in Verbindung mit der Figur. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung anhand einer programmierten Bahn in einer Ebene, wobei zwei unterschiedliche Bearbei tungszeitpunkte dargestellt sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist der besseren Anschaulich keit halber das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für den Einsatz eines kreisförmigen Werkzeuges anhand einer Bahn in einer Ebene beschrieben. In der Darstellung ist die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zu zwei unterschiedlichen Bearbeitungszeitpunkten dargestellt, wobei die zur Veranschaulichung verwendeten Bezugszeichen des zweiten Bearbeitungszeitpunktes mit einem ′ versehen sind, ansonsten jedoch denen des ersten Bearbeitungszeitpunktes entsprechen, da es sich um die gleichen Elemente handelt.

Um ein automatisches konstantes Schnittvolumen bei der Bear beitung eines Werkstückes zu erreichen, wird aus Verfahran weisungen, wie z. B. Linearsätzen, Kreissätzen, Spline- oder NURBS-Sätzen (NURBS steht für Nicht-uniforme-rationale- Basis-Splines) an jeder Stelle der programmierten Bahn der Krümmungsradius r dieser Bahn ermittelt. Bestehen Bahnab schnitte der programmierten Bahn aus aneinanderfolgenden Linearsätzen, so können stets mehrere von diesen zur Ab schätzung des Krümmungsverhaltens über Satzgrenzen hinweg herangezogen werden, wodurch sich eine erhebliche Beschleuni gung für die Bestimmung des Krümmungsradius r erzielen läßt.

In dem in der Darstellung gemäß Fig. 1 gezeigten Ausführungs beispiels soll ein konstantes Aufmaß d eines Werkstückes ab getragen werden. Dies geschieht mit Hilfe eines Werkzeuges W bzw. W′, welches entsprechend einer programmierten Bahn über das Werkstück geführt wird. In Kenntnis des ermittelten Krum mungsradius r für jede Stelle der programmierten Bahn wird ebenfalls an jeder Stelle der Bahn ein Kreis K1 bestimmt, dessen Radius r1 gleich dem an dieser Stelle der Bahn er mittelten Krümmungsradius r der Bahn zuzüglich dem Aufmaß d entspricht. Ein Werkzeug W, z. B. eine zylindrische Schleif scheibe oder dergleichen, stellt einen zweiten Kreis K2 mit einem Radius r2 an der betrachteten Stelle der programmierten Bahn dar. Zwischen den beiden Kreisflächen K1 und K2 wird nun ein Überlappungsbereich B entsprechend der im folgenden angegebenen Berechnungsvorschriften ermittelt.

Die folgenden Berechnungsvorschriften zur Ermittlung eines Überlappungsbereiches zwischen zwei Kreisflächen gehen davon aus, daß der Radius R1 der einen Kreisfläche kleiner oder gleich des zweiten Radius r2 der zweiten Kreisfläche ist und die Mittelpunkte der beiden Kreisflächen den Abstand d zuein ander besitzen. Der Überlappungsbereich bestimmt sich demnach in Abhängigkeit der beiden Radien r1 und r2 sowie des Abstan des d wie folgt:

B(r₁,r₂,d) =
wenn d < = r₂ - r₁: πr₁²
wenn d < = r₂ + r₁: 0
sonst wenn d₂ < r₂² - r₁²: πr₁² - a(s,r₁) + a(s+d,r₂)
wenn d₂ < = r₂² - r₁²: a(x₁,r₁) + a(x₂,r₂)
wobei für x1, x2, s und a(x,r) gilt:

a(x,r) = πr²/2 - x Sqrt(r² - x²) - r² Arcsin(x/r)

Das Schnittvolumen wird nun an der betrachteten Bahnstelle proportional zu dem ermittelten Überlappungsbereich B der beiden Kreisflächen K1 und K2 bestimmt. Entsprechend dem be stimmten Überlappungsbereich B wird nun der Bahnvorschub dazu automatisch proportional so gesetzt, daß sich ein konstantes Schnittvolumen pro Zeiteinheit ergibt. Der Bahnvorschub wird hierfür stets so gesteuert, daß abhängig vom Schnittvolumen an jeder Stelle des Werkstückes weder zu hoher noch zu niedriger Vorschub gefahren wird.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist in dem ersten - links - gezeigten Bearbeitungsfall eine Konstellation dargestellt, bei der die programmierte Bahn bezüglich des Werkstückes eine konvexe Kontur beschreibt. Zu einem späteren Zeitpunkt be schreibt die programmierte Bahn eine konkave Struktur, was zur Folge hat, das die Kreisfläche K2′ des Werkzeuges W′ in den ermittelten Kreis K1′ fällt. Bezüglich der Bestimmung des Überlappungsbereiches gelten die im vorangehenden dargestell ten Berechnungsvorschriften. Der dabei ermittelte Überlap pungsbereich ist mit B′ bezeichnet.

Um zu vermeiden, daß Limitierungen wie beispielsweise Ober- und Untergrenzen eines zulässigen Bahnvorschubbereiches der verwendeten Werkzeugmaschine, des Roboters oder einer anderen Bearbeitungsmaschine überschritten oder unterschritten zu werden drohen, werden bei der automatischen Führung des Bahn vorschubes solche Ober- oder Untergrenzen berücksichtigt.

Für den allgemeinen Fall einer Bahn im dreidimensionalen Raum unter Bearbeitung von kugelförmigen Werkzeugen wie beispiels weise von Kugelfräsern wird in der gleichen Weise vorgegan gen. Anstelle der Kreise K1 bzw. K1′ und K2 bzw. K2′ werden Kugeln KU1 und KU2 bestimmt. Die Kugel KU2 entspricht dabei der Kugel der Werkzeugspitze, während die Kugel KU1 als soge nannte Schmiegkugel ermittelt wird. Mit Hilfe analoger Be rechnungen, wie die im vorangehenden angegebenen Berech nungsvorschriften wird ein Überlappungsbereich als Schnitt der Schmiegkugel KU1 mit der Kugel KU2 der Werkzeugspitze be stimmt, wodurch das gleiche Prinzip wie bei der im vorange henden dargestellten Vorgehensweise in einer Ebene angewendet wird. Die dazu erforderlichen Berechnungsvorschriften lassen sich analog dazu mit Hilfe der Ingenieurmathematik aus den anhand des Falles der Durchführung des Verfahrens in eine Ebene angegebenen Berechnungsvorschriften eindeutig ableiten.

Unter dem Ausdruck Schnittvolumen ist nicht nur eine spanabhebende Werkstückbearbeitung zu verstehen, sondern jede Art von Materialabtrag in einem beliebigen Bearbeitungs verfahren mit beliebigen kreis- oder kugelförmigen Bearbeitungswerkzeugen.

Claims

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit automati schem konstantem Schnittvolumen (V) unter Einsatz von kreis förmigen Werkzeugen (W, W′), mit folgenden Verfahrensschrit ten:

1.1 anhand der Steuerinformationen für die Bearbeitung wird an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn der Krümmungs radius (r, r′) der Bahn bestimmt,
1.2 an jeder Stelle der Bahn wird ein Kreis (K1, K1′) ermittelt, dessen Radius (r1, r1′) dem Krümmungsradius (r, r′) der Bahn zuzüglich dem Aufmaß (d) entspricht,
1.3 an der gleichen Stelle der Bahn wird ein weiterer Kreis (K2, K2′) mit einem Radius (r2, r2′) bestimmt, welcher dem des Werkzeugs (W, W′) entspricht,
1.4 das Schnittvolumen (V) wird als eine dem Überlappungs bereich (B, B′) der beiden Kreisflächen (K1, K2 bzw. K1′, K2′) proportionale Größe bestimmt,
1.5 die Vorschubgeschwindigkeit (F) des Werkzeugs (W, W′) wird proportional zum bestimmten Überlappungsbereich (B, B′) so gesetzt, daß sich ein konstantes Schnittvolumen (V) pro Zeiteinheit einstellt.

2. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit automati schem konstantem Schnittvolumen (V) unter Einsatz von kugel förmigen Werkzeugen (W2), mit folgenden Verfahrensschritten:

2.1 anhand der Steuerinformationen für die Bearbeitung wird an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn im Raum der Krümmungsradius (R) der Bahn bestimmt,
2.2 an jeder Stelle der Bahn im Raum wird eine Kugel (KU1) ermittelt, deren Radius (R1) dem Krümmungsradius (r) der Bahn zuzüglich dem Aufmaß (d) entspricht,
2.3 an der gleichen Stelle der Bahn im Raum wird eine weitere Kugel (KU2) mit einem Radius (R2) bestimmt, welcher dem der Kugel der Werkzeugspitze entspricht,
2.4 das Schnittvolumen (V) wird als eine dem Schnittbereich (S) der beiden Kugeln (KU1, KU2) proportionale Größe bestimmt,
2.5 die Vorschubgeschwindigkeit (F) des Werkzeugs (W2) wird proportional zum bestimmten Schnittbereich (S) so ge setzt, daß sich ein konstantes Schnittvolumen (V) pro Zeiteinheit einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt:

3.1 die Vorschubgeschwindigkeit (F) des Werkzeugs wird so gesetzt, daß vorgebbare Obergrenzen und/oder Untergrenzen eines zulässigen Vorschubbereichs nicht überschritten bzw. unterschritten werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt:

4.1 bestehen Bahnabschnitte aus mehreren aufeinanderfolgenden linearen Steuerungsdatensätzen, so wird das Krümmungs verhalten der Bahn über mehrere solche Bahnabschnitte abgeschätzt.