DE19639976A1

DE19639976A1 - Verfahren zur automatischen schwingungsarmen Vorschubbeeinflussung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19639976A1
Application number: DE1996139976
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Eberlein; Jens Dr Ing Hamann; Wolfgang Dipl Ing Lienke; Georg Dipl Ing Wiegaertner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1998-04-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine da zugehörige Vorrichtung zur automatischen schwingungsarmen Vorschubbeein flussung.

Bei modernen Werkzeugmaschinen oder Robotern treten aufgrund einer häufig geringen Dämpfung der Führung von bewegten Ele menten und aufgrund von mechanischer Resonanz Probleme der Schwingungen auf, welche Bahnfehler zur Folge haben und damit verbunden eine verminderte Werkstückqualität.

Um dieses Problem zu lösen, mußte in der Vergangenheit ent weder generell der Bearbeitungsvorschub reduziert werden, was zu einer verminderten Produktivität führt oder es mußte manuell an einzelnen Steuerungsdatensätzen der jeweils pro grammierte Bahnvorschub bzw. Bearbeitungsvorschub geändert werden, was sehr zeitaufwendig ist und bei großen Bearbei tungsprogrammen in der Praxis nicht praktikabel ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren zu schaffen, durch das automatisch der Bahnvorschub bzw. Bearbeitungsvorschub an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn so modifiziert werden kann, daß die Eigenfrequenz der Ma schine, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, einem Roboter oder dergleichen nicht mehr so stark angeregt wird und eine vorgegebene Fehlerranke nicht überschritten wird. Dies hat zur Folge, daß die Werkstückqualität auf einem konstant hohen Niveau gewährleistet werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

1.1 aus den Verfahranweisungen von Steuerungsdaten wird an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn der Krümmungs radius der Bahn bestimmt,
1.2 es wird an jeder Stelle der Bahn die jeweilige Kreis frequenz als eine zum Quotienten aus einem programmierten Bahnvorschub und dem bestimmten Krümmungsradius propor tionale Größe ermittelt,
1.3 mit Hilfe einer Übertragungsfunktion wird bei gegebener Hauptresonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz und gegebener Dämpfung für die jeweils ermittelte Kreisfrequenz der zu erwartende Fehler des mechanischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
1.4 der bestimmte Fehler wird mit einem maximal zulässigen Fehler verglichen und bei einer Abweichung vom maximal zulässigen Fehler wird der Bahnvorschub so beeinflußt, daß der maximal zulässige Fehler gerade nicht über schritten wird.

In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß der Bahnvorschub nicht so geführt werden muß, daß die zulässige Fehlergrenze bezüglich der Schwingungen der eingesetzten Maschine ständig ausgenutzt wird, sondern der Bahnvorschub wird so beeinflußt daß nur an solchen Stellen, an denen der gegebene maximal zulässige Fehler überschritten zu werden droht, eine Korrek tur des Vorschubes vorgenommen wird. Dies wird durch folgende Verfahrensschritte erreicht:

2.1 aus den Verfahranweisungen von Steuerungsdaten wird an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn der Krümmungs radius der Bahn bestimmt,
2.2 es wird an jeder Stelle der Bahn die jeweilige Kreis frequenz als eine zum Quotienten aus einem programmierten Bahnvorschub und dem bestimmten Krümmungsradius propor tionale Größe ermittelt,
2.3 mit Hilfe einer Übertragungsfunktion wird bei gegebener Hauptresonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz und gegebener Dämpfung für die jeweils ermittelte Kreisfrequenz der zu erwartende Fehler des mechanischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
2.4 der bestimmte Fehler wird mit einem maximal zulässigen Fehler verglichen und bei einer Überschreitung des maximal zulässigen Fehlers wird der Bahnvorschub so beeinflußt, daß der maximal zulässige Fehler gerade nicht überschritten wird.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zur Lösung der Aufgabe vorgesehene Übertragungsfunktion zur Abschätzung des mechanischen Übertragungsverhaltens auf eine besonders vor teilhafte Art und Weise realisiert, so daß sich besonders exakte Vorhersagen bezüglich der zu erwartenden Amplituden verzerrung der zu verfahrenden Bahn aufgrund der mechanischen Resonanzen der Maschine anstellen lassen. Dies wird durch folgenden weiteren Verfahrensschritt erreicht:

3.1 als Übertragungsfunktion zur Abschätzung des mechanischen Übertragungsverhaltens wird ein PT₂-System eingesetzt, insbesondere eine Übertragungsfunktion mit folgender Form mit s = j_*2_*Π_*f_af_a= Kreisfrequenz
f_e= Eigenfrequenz des mechanischen Systems
D = Dämpfung der Eigenfrequenz.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Echtzeitbetrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht. Dies geschieht durch folgenden weiteren Verfahrens schritt:

4.1 die Beeinflussung des Bahnvorschubs erfolgt in Echtzeit mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß das Ver fahren auch auf solchen Maschinen, beispielsweise deren nu merischen Steuerungen eingesetzt werden kann, welche aufgrund ihrer Rechenleistung nicht in der Lage sind, die Beeinflus sung des Vorschubes in Echtzeit vorzunehmen. Dies wird durch folgenden weiteren Verfahrensschritt erreicht:

5.1 die programmierten Bahnvorschubwerte der Verfahranwei sungen in den Steuerungsdaten werden in einem dem Bear beitungsprozeß vorangehenden Vorlauf so korrigiert, daß der maximal zulässige Fehler gerade nicht überschritten wird.

Um das vorteilhafte Verfahren zur Lösung der Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine besonders kostengünstige und effektive Art und Weise zu ermöglichen, wird desweiteren eine Vorrichtung geschaffen, welche eine Durchführung des geschilderten Verfahrens besonders effektiv ermöglicht. Diese Vorrichtung weist die folgenden Merkmale auf:

6.1 es ist ein Speichermittel zur Aufnahme von Verfahranwei sungen von Steuerungsdaten vorgesehen,
6.2 es ist ein Mittel zur Bestimmung des Krümmungsradius an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn vorgesehen,
6.3 es ist ein weiteres Mittel zur Ermittlung der jeweiligen Kreisfrequenz als eine zum Quotienten aus einem program mierten Bahnvorschub und dem bestimmten Krümmungsradius proportionale Größe vorgesehen,
6.4 es ist ein weiteres Mittel vorgesehen, insbesondere ein Rechnersystem, mit dessen Hilfe eine Übertragungsfunktion realisierbar ist, welche bei gegebener Hauptreso nanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz und gegebener Dämpfung für die jeweils ermittelte Kreisfrequenz den zu erwar tenden Fehler des mechanischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
6.5 es ist ein Vergleichsmittel vorgesehen, durch das der bestimmte Fehler mit einem maximal zulässigen Fehler vergleichbar ist,
6.6 es ist ein Mittel zur gezielten Beeinflussung des Bahn vorschubs vorgesehen, so daß bei einer Abweichung bzw. Unterschreitung vom maximal zulässigen Fehler der pro grammierte Bahnvorschub so beeinflußbar ist, daß der maximal zulässige Fehler gerade nicht überschritten wird.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines vorteilhaften Aus führungsbeispieles und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer besonders vorteilhaften Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vor liegenden Erfindung und

Fig. 2 ein Flußdiagramm, welches die einzelnen Schritte zur gezielten Beeinflussung des Vorschubes gemäß der vor liegenden Erfindung darstellt.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gezeigt, welche die gezielte Beeinflussung des programmierten Bearbeitungsvorschubes F in Abhängigkeit eines gegebenen maximal zulässigen Fehlers Δr_max ermöglicht. Die Vorrichtung liest vollautomatisch aus einem Speichermittel S, welches Steuerungsdaten beispielsweise für eine numerische Steuerung einer Werkzeugmaschine beinhaltet Verfahranweisun gen V aus. Aus diesen Verfahranweisungen, beispielsweise Linearsätzen, Kreissätzen, Splinesätzen oder NURBS-Sätzen, wird an jeder Stelle der zu verfahrenden Bahn der zugehörige Krümmungsradius r der Bahn bestimmt. Aufeinanderfolgende Linearsätze können ebenfalls zur Abschätzung des Krümmungs verhaltens der Bahn herangezogen werden. Aus den Verfahran weisungen V ist ebenfalls der gewünschte Bearbeitungsvorschub F als programmierter Wert bekannt. In einer Funktionseinheit F1 wird unter Einbeziehung der genannten Parameter hieraus die Kreisfrequenz f_a berechnet. Dies geschieht nach folgender Berechnungsvorschrift:

F Bearbeitungsvorschub
r Krümmungsradius.

Über ein weiteres Funktionsglied F2, beispielsweise ein PT_s-Sys tem, wird eine Abschätzung des mechanischen Übertragungs verhaltens beispielsweise der Werkzeugmaschine durchgeführt. Durch Einsetzen der Kreisfrequenz f_a in diese Übertragungs funktion H(s) wird der Fehler abgeschätzt, welcher sich auf grund mechanischer Resonanzen einstellt.

Eine vorteilhafte Übertragungsfunktion H(s) ergibt sich aus nachfolgender Berechnungsvorschrift bei gegebener Hauptreso nanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz f_e und bekannter Dämpfung D. Die Übertragungsfunktion lautet wie folgt:

s = j2πf (Laplace-Operator)
f Kreisfrequenz
f_e Eigenfrequenz des mechanischen System
D Dämpfung der Eigenfrequenz.

An der Stelle der betrachteten Kreisfrequenz f_a erhält man somit für den Betrag |H(s)| dieser Übertragungsfunktion:

Der sich daraus ergebende Fehler, welcher von der Amplitu denverzerrung aufgrund der mechanischen Resonanz herrührt, wird gemäß der folgenden weiteren Berechnungsvorschrift be stimmt:

Δr = [1-|H(fa)|]r (4)

Mit Kenntnis dieses Fehlers, der sich aufgrund mechanischer Resonanzen der Maschine ergibt, wird bei gegebenem maximal zulässigem Fehler Δr_max der maximal erlaubte Bearbeitungsvor schub F bestimmt.

Übersteigt der ermittelte Fehler Δr den maximal zulässigen Fehler Δr_max, so wird der programmierte Bearbeitungsvorschub F so modifiziert bzw. vermindert, daß der zu erwartende abge schätzte Fehler Δr kleiner oder gleich dem maximal zulässigen Fehler Δr_max wird. Im Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 wird dieser Sachverhalt durch einen Regelkreis realisiert, indem vom Funktionsblock F3, einem Vergleichsmittel zur Gegenüber stellung des abgeschätzten Fehlers Δr, ein Parameter ΔF negativ auf den Eingang des Funktionsblockes F1 rückgeführt wird. Dort wird mit Hilfe dieses Parameters ΔF der program mierte Bahnvorschubwert F modifiziert, solange bis der abge schätzte Fehler Δr unterhalb der vorgegebenen Fehlerschranke Δr_max liegt.

Auf diese Art und Weise wird der Vorschub F an jeder Stelle der Bahn so modifiziert, daß die Eigenfrequenz f_e der Werk zeugmaschine nicht mehr so stark angeregt wird und die vor gegebene Fehlerschranke Δr_max somit nicht überschritten wird.

Dabei kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgeführt werden, daß der Bearbeitungsvorschub F jederzeit so beeinflußt wird, daß an jeder Stelle der Bahn ein Schwin gungswert bzw. Fehler Δr erreicht, welcher geringfügig unter halb der vorgegebenen Fehlerschranke Δr_max liegt. Dies bein haltet somit auch Maßnahmen der Erhöhung des programmierten Bearbeitungsvorschubes F an solchen Stellen der Bahn, an denen der abgeschätzte Fehler Δr erheblich unter der vorge gebenen Fehlerschranke liegt, was zur Folge hat, daß eine verminderte Produktivität vorliegt.

Zum anderen läßt sich das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch so durchführen, daß der gewünschte Bearbei tungsvorschub F nur dann modifiziert, in diesem Fall also vermindert wird, wenn eine Überschreitung des vorgegebenen Fehlermaximums Δr_max droht.

Sind die Vorschubwerte so korrigiert bzw. optimiert worden, so stehen diese mit den übrigen Verfahranweisungen V am Ausgang des Funktionsblockes F3 an, von wo sie einer numerischen Steuerung NS zugeleitet werden, welche daraus die Signale zur Ansteuerung von Blockschaltbild gemäß der Fig. 1 beispielhaft dargestellten Antrieben A1 und A2 generiert.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist der bereits geschilderte Zusammenhang in Form eines Flußdiagrammes gezeigt. Darin ist der Fall abgedeckt, daß die Verfahranweisungen eines aus mehreren Steuerungsdatensätzen bestehenden Programmes in einem den Bearbeitungsprozeß vorangehenden Durchlauf analy siert und optimiert werden, so daß mit Beginn des Bearbei tungsprozesses bereits die modifizierten Bearbeitungsvor schubparameter F vorliegen, welche gewährleisten, daß der maximale Bearbeitungsfehler Δr_max aufgrund von Schwingungen durch Maschineneigenfrequenzen nicht überschritten wird.

Die Verfahrensschritte zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems realisieren, in welchen die in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 anhand der Funktionsblöcke F1 bis F3 dargestellten Operationen durchgeführt werden können. Dies kann insbesondere auch durch eine geeignete Programmierung eines solchen Mikroprozessorsystems geschehen. Sofern die Rechenkapazität des Mikroprozessorsystems aus reichend groß bemessen ist, kann das Verfahren gemäß der vor liegenden Erfindung auch in Echtzeit durchgeführt werden, indem jeweils die Gefahranweisung eines einzelnen Bearbei tungsprozesses in Echtzeit analysiert und der Bearbeitungs vorschub F durch die ebenfalls im Blockschaltbild gemäß Fig. 1 gezeigte Regelungsstruktur so modifiziert wird, daß die Schwingungen aufgrund von Maschineneigenfrequenzen so einge dämmt werden, daß der maximale Bearbeitungsfehler Δr_max nicht überschritten wird.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in den Figuren dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik dies zuläßt, für sich allein oder in Kombi nation als unter die Erfindung fallend angesehen werden.

Die vorangehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungs form nach der Erfindung ist zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben. Diese ist nicht erschöpfend. Auch ist die Erfin dung nicht auf die genaue angegebene Form beschränkt, sondern es sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen im Rahmen der vorstehend angegebenen technischen Lehre möglich. Dies betrifft insbesondere die Gestaltung der Übertragungsfunktion H(s). Eine bevorzugte Ausführungsform wurde gewählt und be schrieben, ob die prinzipiellen Details der Erfindung und praktische Anwendungen zu verdeutlichen, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung zu realisieren. Eine Vielzahl bevorzugter Ausführungsformen sowie weitere Modifi kationen kommen bei speziellen Anwendungsgebieten jedenfalls in Betracht.

Claims

1. Verfahren zur automatischen schwingungsarmen Vorschub beeinflussung, insbesondere für numerisch gesteuerte Werk zeugmaschinen, Roboter oder dergleichen, mit folgenden Ver fahrensschritten:

1.1 aus den Verfahranweisungen (V) von Steuerungsdaten wird an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn der Krüm mungsradius (r) der Bahn bestimmt,
1.2 es wird an jeder Stelle der Bahn die jeweilige Kreis frequenz (f_a) als eine zum Quotienten aus einem program mierten Bahnvorschub (F) und dem bestimmten Krümmungs radius (r) proportionale Größe ermittelt,
1.3 mit Hilfe einer Übertragungsfunktion (H(s)) wird bei gegebener Hauptresonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz (f_e) und gegebener Dämpfung (D) für die jeweils ermittelte Kreisfrequenz (f_a) der zu erwartende Fehler (Δr) des mechanischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
1.4 der bestimmte Fehler (Δr) wird mit einem maximal zulässi gen Fehler (Δr_max) verglichen und bei einer Abweichung vom maximal zulässigen Fehler (Δr_max) wird der Bahnvorschub (F) so beeinflußt, daß der maximal zulässige Fehler (Δr_max) gerade nicht überschritten wird.

2. Verfahren zur automatischen schwingungsarmen Vorschub beeinflussung, insbesondere für numerisch gesteuerte Werk zeugmaschinen, Roboter oder dergleichen, mit folgenden Ver fahrensschritten:

2.1 aus den Verfahranweisungen (V) von Steuerungsdaten wird an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn der Krümmungs radius (r) der Bahn bestimmt,
2.2 es wird an jeder Stelle der Bahn die jeweilige Kreisfre quenz (f_a) als eine zum Quotienten aus einem program mierten Bahnvorschub (F) und dem bestimmten Krümmungs radius (r) proportionale Größe ermittelt,
2.3 mit Hilfe einer Übertragungsfunktion (H(s)) wird bei gegebener Hauptresonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz (f_e) und gegebener Dämpfung (D) für die jeweils ermittelte Kreisfrequenz (f_a) der zu erwartende Fehler (Δr) des mechanischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
2.4 der bestimmte Fehler (Δr) wird mit einem maximal zuläs sigen Fehler (Δr_max) verglichen und bei einer Überschrei tung des maximal zulässigen Fehlers (Δr_max) wird der Bahn vorschub (F) so beeinflußt, daß der maximal zulässige Fehler (Δr_max) gerade nicht überschritten wird.

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

3.1 als Übertragungsfunktion (H(s)) zur Abschätzung des mechanischen Übertragungsverhaltens wird ein PT₂-System eingesetzt, insbesondere eine Übertragungsfunktion (H(s)) mit folgender Form mit s = j_*2_*Π_*f_a
f_a = Kreisfrequenz
f_e = Eigenfrequenz des mechanischen Systems
D = Dämpfung der Eigenfrequenz.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt:

4.1 die Beeinflussung des Bahnvorschubs (F) erfolgt in Echt zeit mit Hilfe eines Mikroprozessorsystems.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgendem weiteren Verfahrensschritt:

5.1 die programmierten Bahnvorschubwerte (F) der Verfahran weisungen in den Steuerungsdaten werden in einem dem Bearbeitungsprozeß vorangehenden Vorlauf so korrigiert, daß der maximal zulässige Fehler (Δr_max) gerade nicht überschritten wird.

6. Vorrichtung zur automatischen schwingungsarmen Vorschub beeinflussung, insbesondere für numerisch gesteuerte Werk zeugmaschinen, Roboter oder dergleichen, mit folgenden Elementen:

6.1 es ist ein Speichermittel (S) zur Aufnahme von Verfahr anweisungen (V) von Steuerungsdaten vorgesehen,
6.2 es ist ein Mittel zur Bestimmung des Krümmungsradius (r) an jeder Stelle einer zu verfahrenden Bahn vorgesehen,
6.3 es ist ein weiteres Mittel (F1) zur Ermittlung der je weiligen Kreisfrequenz (f_a) als eine zum Quotienten aus einem programmierten Bahnvorschub (F) und dem bestimmten Krümmungsradius (r) proportionale Größe vorgesehen,
6.4 es ist ein weiteres Mittel (F2) vorgesehen, insbesondere ein Rechnersystem, mit dessen Hilfe eine Übertragungs funktion (H(s)) realisierbar ist, welche bei gegebener Hauptresonanzfrequenz bzw. Eigenfrequenz (f_e) und gege bener Dämpfung (D) für die jeweils ermittelte Kreis frequenz (f_a) den zu erwartenden Fehler (Δr) des mecha nischen Übertragungsverhaltens bestimmt,
6.5 es ist ein Vergleichsmittel (F3) vorgesehen, durch das der bestimmte Fehler (Δr) mit einem maximal zulässigen Fehler (Δr_max) vergleichbar ist,
6.6 es ist ein Mittel zur gezielten Beeinflussung des Bahn vorschubs (F) vorgesehen, so daß bei einer Abweichung bzw. Unterschreitung vom maximal zulässigen Fehler (Δr_max) der programmierte Bahnvorschub (F) so beeinflußbar ist, daß der maximal zulässige Fehler (Δr_max) gerade nicht überschritten wird.