DE4430003A1 - Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur numeri­ schen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine, die eine längs mindestens zweier Bewegungsachsen verschiebliche Führung für eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück auf­ weist.

Aus der EP 0 335 366-A1 ist eine Elektro-Erodiermaschine be­ kannt, bei der nur wenige geometrische Informationen in Form von Bahnpunkten eingegeben werden. Zwischenpunkte zwischen den Bahnpunkten werden durch Interpolation ermittelt. Da die Drahterodiermaschine zwei unabhängig voneinander bewegliche Führungen aufweist, wird dort vorgeschlagen, die Interpola­ tion für die Bahnzwischenpunkte der zwei beweglichen Füh­ rungen nach verschiedenen Beziehungen durchzuführen, bei­ spielsweise die eine linear und die andere nach einer Kreis­ funktion, wodurch eine höhere Konturgenauigkeit bei größerer Flexibilität der möglichen Konturen erreicht wird.

Generell erfolgt im Bereich einer CNC-Bearbeitung folgender Arbeitsablauf: Auf einer CAD-Station (Computer Aided Design) wird konstruiert, was bearbeitet werden soll; in einem nach­ folgenden CAM-Schritt (Computer-Aided Manufacturing) werden die Eingangsdaten aus dem CAD-System aufbereitet, um die Bearbeitungstechnologie festzulegen, wie beispielsweise die grundsätzliche Bearbeitung erfolgt, z. B. durch Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen, Elektroerosion etc. Je nach Bear­ beitungstechnologie werden dann beispielsweise beim Fräsen Zeilenabstände, Werkzeugauswahl, Schnittgeschwindigkeit etc. festgelegt.

In einem nachfolgenden sogenannten Postprozessorlauf werden diese CAM-Daten auf die spezifische Maschinenkinematik umge­ setzt. Das dabei dann entstehende NC-Programm enthält nur "Verfahrbewegungen", d. h. die Koordinaten von anzufahrenden Punkten der Bewegungsachsen der Maschine.

Weiter ist es bei numerischen Steuerungen (NC oder CNC) üb­ lich, die Bahnkontur der Bewegungsachsen durch Polygonzüge, d. h. Abschnitte von Geraden anzunähern, so daß die Daten­ struktur jeweils nur die Koordinatenwerte der Schnittpunkte der geraden Abschnitte enthält. Eine nur aus Polygonzügen zusammengesetzte Kontur ist naturgemäß einer beliebigen Kurve umso genauer angenähert, je mehr Stützpunkte vorhanden sind. Damit steigt aber die Datenmenge der in die numerische Steuerung einzuspeisenden Daten unvertretbar hoch an. Aus diesem Grunde ist es üblich, zwischen zwei Stützpunkten des Polygonzuges nicht linear zu interpolieren, sondern längs vorgegebener Funktionen, wie z. B. einem Kreis, einer Parabel, einer Ellipse oder einer Hyperbel. Somit wird die von der Führung zwischen zwei Stützpunkten durchlaufende Bahnkontur aus Kreis-, Parabel-, Hyperbel- oder Ellipsenabschnitten zusammengesetzt, womit sich bestimmte Kurvenformen, wie z. B. Kreis, Ellipse, Hyperbel oder Parabel exakt darstellen und sonstige Freiformflächen annähern lassen. Dies bedingt aber zum einen, daß neben den Stützstellen des Polygonzuges auch Parameterwerte für die Interpolation an die numerischen Steuerung übergeben werden müssen, was die Datenmenge erhöht und weiter, daß die numerische Steuerung eine größere Anzahl verschiedener Interpolationsarten beherrscht, was einen gro­ ßen Hard- und Softwareaufwand mit sich bringt.

Aufgrund der immer höher werdenden Anforderungen an die Ge­ nauigkeit der Bahnkontur ging die Entwicklung dahin, immer größere Datenmengen an die numerische Steuerung zu über­ mitteln, mit der Folge, daß immer größere Datenmengen in gleichen Zeiteinheiten verarbeitet werden müssen. Es werden heute teilweise schon über 1000 Datensätze pro Sekunde als Vorgabe für CNC-Steuerungen gefordert, was bedeutet, daß pro Millisekunde ein Datensatz komplett verarbeitet und in steuerbefehle für die Achsantriebe der Maschine umgesetzt werden muß. Dies hat unter anderem folgende Konsequenzen: Die Anforderungen an die Verarbeitungsleistung der CNC-Steuerung, insbesondere an die Prozessorleistung steigen extrem an und die Satzverarbeitungszeiten müssen immer kürzer werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugma­ schine anzugeben, bei dem der erforderliche Rechenaufwand drastisch reduziert ist, bei dem eine weiche Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgt und bei dem das bearbeitete Werk­ stück eine glatte, möglichst kantenfreie Kontur aufweist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten a) bis g) des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, anhand der Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch den Datenfluß von einem CAD-System zu einer Werkzeugmaschine und

Fig. 2 eine Lücke von Sollpunkten und deren Bearbeitung.

Gemäß Fig. 1 werden Datensätze vom CAD-System 1 an die Recheneinheit 2 übergeben. Die Datensätze bestimmen die von der Werkzeugmaschine 3 abzufahrende Geometrie.

Die Datensätze können verschiedene geometrische Figuren defi­ nieren, z. B. die verschiedenen Kegelschnitte. Im einfachsten Fall stellen die Datensätze einfach die Eckpunkte eines Poly­ gonzuges dar.

Die übertragenen Datensätze werden von der Recheneinheit 2 im Zwischenpuffer 4 zwischengespeichert. Die Datensätze werden dann von der Recheneinheit 2 soweit erforderlich verarbeitet und in verarbeiteter Form an die Werkzeugmaschinensteuerung 5 weitergegeben. Diese steuert dann die Achsantriebe der Werk­ zeugmaschine entsprechend an.

Jeder Datensatz umfaßt zumindest pro Achse der Werkzeugma­ schine 3 eine Koordinate. Da die Werkzeugmaschine mindestens zwei Achsen aufweist, besteht jeder Datensatz folglich aus zumindest zwei Koordinaten, die einen Punkt im dreidimensio­ nalen Raum beschreiben.

Wenn die vom CAD-System 1 vorgegebenen Datensätze Kurven be­ schreiben, erfolgt die Weiterverarbeitung der Datensätze in üblicher Weise. Wenn die Datensätze dagegen einen Polygonzug beschreiben, werden die Daten gemäß dem nachstehend in Ver­ bindung in Fig. 2 beschriebenen Verfahren verarbeitet.

Sei im folgenden angenommen, daß Datensätze vorgegeben seien, die unter anderem den in Fig. 2 dargestellten Polygonzug mit den Sollpunkten SP₁ bis SP₆ definieren. Bei der Berechnung des Polynoms wählt die Recheneinheit 2 zunächst die Soll­ punkte SP₁ und SP₂ aus und verbindet diese beiden Punkte SP₁ und SP₂ miteinander. Sodann legt die Recheneinheit 2 das in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Toleranzband um die Verbin­ dungslinie zwischen den Punkten SP₁ und SP₂. Das Toleranzband ist dabei anhand einer Toleranzgrenze bestimmt, die zuvor der Recheneinheit 2 vorgegeben wurde.

Das anhand der Sollpunkt SP₁ und SP₂ bestimmte Polynom ist in diesem Fall selbstverständlich eine lineare Funktion, die mit der Verbindungslinie zwischen den Sollpunkten SP₁ und SP₂ identisch ist. Sie liegt daher vollständig innerhalb des Toleranzbandes.

Die Recheneinheit wählt dann als nächstes zusätzlich den Da­ tensatz aus, der dem Sollpunkt SP₃ zugeordnet ist und ver­ längert den Polygonzug um die Verbindungsstrecke zwischen den Sollpunkten SP₂ und SP₃. Danach wird erneut ein den Polygon­ zug einhüllendes Toleranzband bestimmt sowie wieder aus den Sollpunkten SP₁ bis SP₃ ein Polynom bestimmt, das nunmehr selbstverständlich nicht mehr eine einfache lineare Funktion ist. Wenn das Polynom wiederum innerhalb des Toleranzbandes verläuft, wird der Polygonzug um die Verbindungsstrecke vom Sollpunkt SP₃ zum Sollpunkt SP₄ verlängert usw.

Fig. 2 zeigt beispielhaft den Polygonzug bis zum Sollpunkt SP₅ sowie das hierzu errechnete Polynom P₅. Ferner ist in Fig. 2 auch der Sollpunkt SP₆ sowie strichpunktiert das zugehörige Polynom P₆ dargestellt. Wie sofort ersichtlich ist, verläuft das Polynom P₅ vollständig innerhalb des Toleranzbandes, wäh­ rend das Polynom P₆ dieses überschreitet. Wenn das Polynom P₆ das erste errechnete Polynom ist, welches das Toleranzband überschreitet, wird der Sollpunkt SP₆ wieder gestrichen und das Polynom P₅ zur weiteren Verarbeitung verwendet. Die Soll­ punkte SP₅ und SP₆ sind dann die beiden ersten Sollpunkte des nächsten Polygonzuges, der gemäß obenstehend beschriebenem Verfahren behandelt wird.

Die Polynome sind Polynome dritten Grades. Sie sind daher durch vier Randbedingungen eindeutig festgelegt. Im vorlie­ genden Fall werden folgende vier Bedingungen herangezogen:

• - die Koordinaten des ersten und des letzten Sollpunktes des Polygonzugs (z. B. die Sollpunkte SP₁ und SP₅ für das Poly­ nom P₅) und
• - die Steigungen des Polygonzuges im ersten und im letzten Sollpunkt des Polygonzuges (also z. B. die Steigungen der Verbindungsstrecken zwischen den Sollpunkten SP₁ und SP₂ einerseits und den Sollpunkten SP₄ und SP₅ andererseits für das Polynom P₅).

Wenn das Polynom feststeht, im vorliegenden Fall also das Polynom P₅, bestimmt die Recheneinheit 2 Ansteuerpunkte längs der Bewegungsachsen der Werkzeugmaschine und gibt diese der Werkzeugmaschinensteuerung 5 vor, die sie an die Achsantriebe der Werkzeugmaschine 3 weiterleitet. Die Ansteuerpunkte sind in Fig. 2 durch kleine Rechtecke auf dem Polynom P₅ markiert. Wie aus Fig. 2 sofort ersichtlich ist, berührt das Polynom P₅ nicht alle Sollpunkte SP₁ bis SP₅.

Die Ansteuerpunkte werden dabei aus dem Polynom unter Verwen­ dung eines konstanten Zeittaktes ermittelt, der vom Anwender vorgebbar ist. Die Ansteuerpunkte werden dabei selbstver­ ständlich unter Berücksichtigung der Soll-Verfahrgeschwindig­ keit der Achsantriebe ermittelt. Dabei wird auch unter Be­ rücksichtigung der Dynamikbegrenzungen der Achsantriebe über­ prüft, ob die Ansteuerpunkte von der Werkzeugmaschine 3 in­ nerhalb des Toleranzbandes anfahrbar ist. Wenn das Toleranz­ band überschritten wird, wird die Soll-Verfahrgeschwindigkeit reduziert, um so ein genaueres Einhalten der anzufahrenden Ansteuerpunkte zu erreichen.

Anstelle der hier verwendeten Polynome dritten Grades können selbstverständlich auch andere Polynome, z. B. fünfter oder sechster Ordnung, verwendet werden. Selbstverständlich müssen in diesem Fall noch weitere Bedingungen zur Bestimmung der Koeffizienten des Polynoms gegeben sein.

Ebenso können die Steigungen im Anfangs- und im Endpunkt des Polygonzuges auch dadurch bestimmt werden, daß durch die er­ sten bzw. letzten Sollpunkte des Polygonzuges ein Hilfspoly­ nom höherer als erster Ordnung gelegt wird.

Das den Sollpunkten angepaßte Polynom kann auch z. B. gemäß der allgemein bekannten Methode der kleinsten Fehlerquadrate approximiert werden.

Ferner ist es selbstverständlich auch möglich, die Polynombe­ rechnung an einer bestimmten Stelle bewußt abzubrechen. Bei­ spielsweise kann in den Datensätzen eine Steuerinformation enthalten sein, die besagt, daß der betreffende Sollpunkt der erste Sollpunkt des nächsten Polynoms und/oder der letzte Sollpunkt des momentan verarbeiteten Polygons bezeichnet. Weitere Abbruchkriterien sind beispielsweise, wenn der Re­ cheneinheit 2 eine Steuerinformation übermittelt wird, auf­ grund derer sie eine Kommunikation mit einen von den Achs­ antrieben verschiedenen elektrischen Gerät, z. B. einer spei­ cherprogrammierbaren Steuerung, aufnimmt. Ebenso kann ein Abbruchkriterium sein, daß der Abstand zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Sollpunkten einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

Wieder andere Abbruchkriterien sind z. B., wenn der Steuerung Datensätze vorgegeben werden, die keinen Polygonzug, sondern eine andere geometrische Figur, z. B. eine Ellipse, definieren.

Das obenstehend beschriebene Verfahren kann selbstverständ­ lich auch bewußt aktiviert oder deaktiviert werden, z. B. wie­ der über in den Datensätzen enthaltene Steuerinformationen.

Die der Recheneinheit 2 vorgegebene Toleranzgrenze ist achs­ spezifisch vorgebbar und auch variierbar. Beispielsweise können die Datensätze die nötigen Informationen über die To­ leranzgrenzen der einzelnen Achsen enthalten.

Claims (17)

1. Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugma­ schine, die eine längs mindestens zweier Bewegungsachsen ver­ schiebliche Führung für eine Relativbewegung zwischen Werk­ zeug und Werkstück aufweist, mit folgenden Schritten:

• a) der Steuerung wird eine Toleranzgrenze eingegeben;
• b) der Steuerung der Maschine werden eine Anzahl von Daten­ sätzen zugeführt, die aufeinanderfolgende Sollpunkte auf den Bewegungsachsen bezeichnen;
• c) es werden mindestens zwei aufeinanderfolgenden Sollpunkten zugeordnete Datensätze ausgewählt;
• d) es wird ein diese Sollpunkte verbindender Polygonzug be­ stimmt;
• e) es wird anhand der Toleranzgrenze ein den Polygonzug ein­ hüllendes Toleranzband bestimmt;
• f) aus den Sollpunkten wird ein Polynom bestimmt;
• g) bei Nichterreichen eines Abbruchkriteriums werden von der Steuerung der dem nächsten Sollpunkt zugeordnete Datensatz zusätzlich ausgewählt und erneut die Schritte d) bis g) durchlaufen, während bei Erreichen des Abbruchkriteriums aus einem unter Berücksichtigung des Abbruchkriteriums bestimmten Polynom Ansteuerpunkte längs der Bewegungs­ achsen bestimmt werden und den Achsantrieben der Werkzeug­ maschine diesen Ansteuerpunkten entsprechende Steuer­ signale zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abbruchkriterium darin besteht, daß das Polynom das Toleranzband überschreitet, und daß in diesem Fall das unmittelbar zuvor bestimmte Polynom zur Be­ stimmung der Ansteuerpunkte längs der Bewegungsachsen verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem der Datensätze eine das Ab­ bruchkriterium darstellende Steuerinformation enthalten ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerinformation darin besteht, daß sie den letzten Sollpunkt des Polygons bezeichnet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerinformation darin besteht, daß sie den ersten Sollpunkt des nächsten Polygons bezeichnet.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuerinformation darin besteht, daß sie eine Kommunikation der Steuerung mit einem von den Achsantrieben verschiedenen elektrischen Gerät, z. B. einer speicherprogrammierbaren Steuerung, auslöst,

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Abbruch­ kriterium darin besteht, daß der Abstand zwischen zwei auf­ einanderfolgenden Sollpunkten einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Daten­ sätze beim Zuführen zur Steuerung in einem Zwischenpuffer zwischengespeichert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Polynom­ bildung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß das Polynom ein Polynom dritter Ordnung ist,
• - daß aus einer vorgegebenen Anzahl von Anfangs-Sollpunkten und End-Sollpunkten des Polygonzuges ein erstes und ein zweites Hilfspolynom bestimmt werden,
• - daß anhand des ersten und des zweiten Hilfspolynoms die Steigungen des ersten Hilfspolynoms im ersten und des zweiten Hilfspolynoms im letzten Sollpunkt des Polygonzuges bestimmt werden und
• - daß aus dem ersten und dem letzten Sollpunkt des Polygon­ zuges und der Steigungen in diesen beiden Sollpunkten das Polynom bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Daten­ sätze optional Informationen über die Toleranzgrenzen ent­ halten.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ansteuer­ punkte aus dem Polynom unter Verwendung eines konstanten Zeittaktes ermittelt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zeittakt vom Anwender vorgebbar ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß unter Be­ rücksichtigung der Soll-Verfahrgeschwindigkeit der Achsan­ triebe und Dynamikbegrenzungen der Achsantriebe überprüft wird, ob die Ansteuerpunkte von der Werkzeugmaschine inner­ halb des Toleranzbandes anfahrbar sind und daß bei Über­ schreiten des Toleranzbandes die Soll-Verfahrgeschwindigkeit reduziert wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tole­ ranzgrenze achsspezifisch vorgebbar ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß nach Errei­ chen des Abbruchkriteriums erneut die Schritte c) und g) des Anspruchs 1 durchlaufen werden.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß die Daten­ sätze eine Steuerinformation enthalten können, die das Ver­ fahren ab Schritt c) des Anspruchs 1 aktiviert.