DE69732905T2 - Verfahren zur verbesserung der genauigkeit von maschinen - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinensteuerung und insbesondere ein Verfahren, welches eine 3-dimensionale Lasermessung der wahren Position einer Werkzeugmaschine verwendet, um die Genauigkeit und Steuerung einer Maschine zu verbessern. Die Erfindung ist speziell bei der genauen Bearbeitung, Prüfung oder sowohl einer Bearbeitung und Prüfung eines Teils, welches auf einer digitalen Definition des Teils basiert, verwendbar. Ein bevorzugtes Verfahren, eine Vorrichtung und eine zugehörige Software stellen eine Endpunktsteuerung der Werkzeugmaschine bereit, um Löcher oder andere Merkmale genau auf strukturellen Detailteilen für die Luft- und Raumfahrt anzuordnen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Werkzeugmaschinen weisen dimensionale Positionierungsfehler auf, welche schwer zu minimieren sind. Die Hauptursachen für diese Positionierungsfehler sind: (1) das Ausdehnen und Zusammenziehen der Maschinenstruktur und des Werkstückes (d.h. des Teiles) aufgrund von thermischen Veränderungen in der Fabrik während einer Bearbeitung; und (2) mechanische Fehlabstimmungen bei und zwischen den individuellen Achsen der Maschine. Die Genauigkeit der Maschine ist oft derart unsicher, dass eine Nachbearbeitungsprüfung der Abmessungen der Teile vorgenommen werden muss, wobei ein unabhängiges Messverfahren verwendet wird. Eine solche Prüfung erfordert spezielle Werkzeuge und speziell ausgebildete Arbeiter wie auch einen erheblichen Raum in der Fabrik. Es verlangsamt das Herstellungsverfahren. Bei einer fehlgeschlagenen Prüfung müssen Teile überarbeitet oder ausgesondert werden. Eine Prüfung nach der Herstellung, eine Überarbeitung und eine Aussonderung sind das Ergebnis eines schlechten Entwurfs oder von schlechten Herstellungsverfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren adressiert die Grundursache für Fehler und verringert dadurch das Bedürfnis nach einer Prüfung nach einer Herstellung und die Kosten einer schlechten Qualität.
  • A. Maschinenfehlersteuerung
  • Nationale Standards und "optimale Verfahren" sind vorhanden, um NC-Maschinen-Geometriefehler zu erfassen und zu korrigieren. (Siehe ANSI/ASME B89.1.12M-1985, ANSI B89.6.2-1973, AMSE B.54-1992) Diese "optimalen Verfahren" bilden die momentan akzeptierten Verfahren zum Erreichen einer Maschinengenauigkeit. Wir werden die "optimalen Verfahren" kurz diskutieren.
  • 1. Thermisch gesteuerte Umgebung
  • Die Maschine wird in einer klimatisierten Fabrik auf einer konstanten Temperatur, z.B. 20°C, gehalten. Fehler, welche von Temperaturveränderungen hervorgerufen werden, werden verringert, aber dieses Verfahren löst das thermische Fehlerproblem nicht vollständig. Es gibt drei Hauptnachteile:
    • (i) Die Kosten der Steuerung der Umgebung sind hoch und übersteigen manchmal die Anschaffungskosten der Maschine.
    • (ii) Thermische Effekte, welche durch die Maschine selbst hervorgerufen werden, (z.B. Motorhitze bei einem An trieb unter Last und Aufheizen einer Spindel aufgrund von Reibung) können dennoch eine Verformung der Maschine bewirken.
    • (iii) Eine mechanische Fehlausrichtung von Achsen bleibt unkorrigiert. Mechanische Ausrichtungen verändern sich mit der Zeit, wenn die Maschine einen normalen oder abnormalen Verschleiß erfährt. Sie sind im Wesentlichen unvorhersagbar, unvermeidbar und schwierig zu steuern.
  • 2. Maschinenkalibrierung
  • Dreiachsige Maschinen weisen 21 Fehlerparameter zusätzlich zu den Fehlern auf, welche mit der Maschinenspindel eingeführt werden. Die Fehler sind eine Linearität bei jeder Achse (3), eine Geradheit bei jeder Achse (6), eine Rechtwinkligkeit zwischen jedem Achsenpaar (3), und eine Steigung, ein Gieren und Rollen bei und zwischen jeder Achse (9). Eine Maschinenkalibrierung misst einige oder alle dieser 21 Fehlerparameter, wobei dann physikalische Einstellungen oder Softwareanpassungen für die Parameter vorgenommen werden, welche sich außerhalb einer Toleranz befinden. Wenn einmal jeder Fehler identifiziert, quantifiziert und minimiert ist, wird die Kombination der Fehler summiert, wobei ein Algorithmus des quadratischen Mittelwerts verwendet wird, um eine Schätzung für die Gesamtbearbeitungstoleranz der Maschine zu erhalten. Eine Maschinenkalibrierung ist aus zwei Gründen unangemessen. Erstens erfordert das Verfahren eine umfangreiche Maschinenhaltezeit, um Fehlerparameter zu messen und einzustellen. Die Schwierigkeit bei der Messung und der Einstellung ist mit der Tatsache verbunden, dass eine thermische Veränderung Abmessungsveränderungen von Schicht zu Schicht und Tag zu Tag bewirken. Zweitens bedeuten die Änderungen aufgrund einer konstanten Wiedereinstellung der Maschine, dass der endgültige Datensatz keine "Momentaufnahme" der Maschinenfehler ist, sondern eine Serie von Momentaufnahmen ist, wobei jede einen anderen Parameter und einen anderen Zeitpunkt betrifft, wenn sich die Maschine verändert. Die Grundursache der Ungenauigkeit wird nicht behoben, sondern wird einfach zwischen Wiedereinstellungen angepasst. Eine Produktion ist ein Kompromiss und eine Drift entsteht bei den hergestellten Teilen, wenn sich die Werkzeugmaschine verändert.
  • 3. Lineare Interferometrie jeder Maschineachse
  • Die X-, Y- und Z-Achse einer Maschine sind jeweils mit einem linearen Interferometer als einem genauen Positionsencoder ausgestattet. Das Verfahren ermöglicht eine Echtzeitkompensation bezüglich eines thermischen Wachsens oder Schrumpfens, aber ist aus mindestens drei Gründen unangemessen. Erstens kann es nicht auf sich drehende Achsen angewendet werden. Zweitens kompensiert es mechanische Fehlausrichtungen zwischen Achsen nicht. Drittens adressiert es eine Wechselwirkung zwischen Achsen nicht, wenn thermische Veränderungen auftreten.
  • 4. Volumennachschlagetabelle
  • Das Verfahren misst eine Leistung der Maschine in einem bestimmten Abmessungsbereich. Die genauen Leistungsmessungen werden vorgenommen, indem eine unabhängige, sehr genaue Mess maschine verwendet wird, um den Unterschied zwischen den gemessenen Daten und der angewiesenen Maschinenposition zu erfassen. Die Sammlung all solcher Fehler bildet eine Fehlerkarte oder kann verwendet werden, um dieselbe zu erzeugen. Eine vollständige Fehlerkarte wird auf zwei Arten verwendet. Erstens kann die Fehlerkarte als eine Nachschlagetabelle verwendet werden, um eine einfache Positionskorrektur bezüglich der Maschine zu bestimmen, wenn sie sich in der Umgebung befindet. Zweitens können polynomische Gleichungen aus der Fehlerkarte berechnet werden, um Fehlerkorrekturen über den gesamten gemessenen Bereich zu interpolieren. Der Maschinenbefehl für eine Position wird mit den polynomischen Gleichungen eingestellt. Nachschlagetabellen sind unangemessen, da die Tabellen hauptsächlich nur für eine Maschinentemperatur gültig sind. Bei anderen Temperaturen ist die Maschine größer oder kleiner oder besitzt eine geringfügig andere Geometrie. Es gibt keine Garantie, dass sich eine Maschine isometrisch verhält oder zu ihrer ursprünglichen Geometrie zurückkehrt, wenn Temperaturänderungen auftreten. So dauert/dauern, nach einer arbeitsamen Datensammlungsübung, welche zu einer empirischen Tabelle oder einem Satz von Gleichungen führt, um die Position der Maschine aufgrund ihrer Leistungshistorie einzustellen, die Grundursache (n) für eine Ungenauigkeit dennoch an, womit die Effektivität der Fehlerkarte vermindert wird. Die Fehlerkarte ist inhärent ungenau, wann immer die Maschine verändert worden ist. Da die Maschine fortfährt, zu verschleißen und zu altern, treten Veränderungen von den gemessenen Versätzen der ursprünglichen Fehlerkarte auf. Dementsprechend können sich Fehler bei einer Teilkonstruktion erhöhen. Eine häufige erneute Kalibrierung muss notwendigerweise fortgesetzt werden, um eine genaue richtige Fehlerkarte zu besitzen.
  • 5. Kombination von Verfahren
  • Bestimmte Kombinationen dieser Verfahren können verwendet werden, um Schwächen bei dem individuellen Verfahren zu überwinden, aber das Nettoergebnis bleibt: (1) eine lange Stillstandszeit der Maschine, um ihre wahre Position zu messen; (2) aufwändiges Testen; und (3) nur temporäre, verbessernde Ergebnisse. Die Grundursache für die Ungenauigkeiten bleibt dennoch bestehen. Zum Beispiel kann eine Kombination aus einer thermisch gesteuerten Umgebung mit einer Maschinenkalibrierung für eine Zeitspanne zu einer genauen Maschine führen. Die Kosten einer Steuerung der Umgebung zusammen mit den Kosten der Maschinenstillstandszeit, um die Maschine zu überprüfen und wieder einzustellen, können teuer sein.
  • 6. Thermische Kompensation
  • Die Achsen der Maschine werden mit thermischen Fühlern versehen. Die Temperatur, welche durch jeden Fühler gemessen wird, wird verwendet, um unabhängig von den anderen Achsen die theoretische Ausdehnung dieser Maschinenachse zu berechnen. Die Ausdehnungsfaktoren werden verwendet, um die Rückkopplung zu der Steuereinheit zu kompensieren, wodurch die Ausdehnung und das Zusammenziehen bei der Positionierungseigenschaft der Maschine vermieden werden. Eine neuere aber ähnliche Technik, welche "Echtzeitfehlerkorrektur" genannt wird, verwendet auch thermische Fühler, aber versucht, ein 3D-"Fehlermodell" des nichtlinearen thermischen Verhaltens der Maschinenstruktur bereitzustellen. Die Fehlerkarte gibt eine Abhängigkeit zwischen den Achsen, wie z.B. ein Ausbeulen oder ein Verbiegen, welches durch ein Aufheizen verursacht wird, wieder. Eine Kompensation wird durch einen komplizierten Algorithmus vorgenommen, welcher nur für den getesteten/gemessenen Variationsumfang genau ist und dann nur, wenn die Maschine reproduzierbar bleibt. Das Fehlermodell wird aufgebaut, indem tatsächliche 3D-Maschinenpositions- und entsprechende Temperaturdaten über einen Temperaturbereich erfasst werden, was eine erhebliche Maschinenstillstandszeit erforderlich machen kann. Es kann auch schwierig sein, die Maschine in dem gewünschten thermischen Zustand anzuordnen. Während es der Zweck dieser Technik ist, die Kosten, welche mit der thermischen Steuerung verbunden sind, zu vermeiden, wird eine thermische Steuerung benötigt, um das Fehlermodell zu erzeugen. Eine thermische Kompensation folgt demselben Konzept wie eine thermische Steuerung: Ändern der Maschinenbewegung aufgrund von tatsächlichen Temperaturmessungen.
  • Es gibt zwei Hauptnachteile bezüglich des thermischen Kompensationsverfahrens. Erstens erfordert eine thermische Kompensation eine periodische Maschinenstillstandszeit, um die Sensoren und das Fehlermodell zu kalibrieren. Zweitens korrigiert eine thermische Kompensation, welche auf die Maschine gerichtet ist, die Ausdehnung des Teiles oder der Werkzeugspannvorrichtungen nicht. Wenn es möglich wäre, alle Positionierungsfehler der Maschine zu vermeiden und die Maschine für eine Temperatur perfekt einzustellen, könnte das Teil dennoch außerhalb einer Toleranz aufgrund der auf das Teil wirkenden Temperatureffekte hergestellt werden. Eine thermische Kompen sation versucht die Ausdehnung des Teils indirekt zu kompensieren, indem sie Maschinenfehler, welche durch Temperaturänderungen verursacht werden, kompensiert. Die Korrelation zwischen den Maschinenfehlern und dem Gesamtfehler ist jedoch nur eine Teillösung.
  • In dem US-Patent 4,621,926 beschreiben Merry und andere ein Interferometersystem zur Steuerung einer nicht geradlinigen Bewegung eines Objekts. Das System verwendet drei eindimensionale Nachfolger-Laserinterferometer, welche fest in einem Nachfolgerkopf angebracht sind, um einen einzelnen Retro-Reflektor, welcher auf dem Endeffektor eines Maschinenwerkzeugs angebracht ist, zu verfolgen. Das Merry-System ist schwierig bei einem existierenden Steuersystem für eine Maschine nachzurüsten, da seine Laserrückmeldung derart entworfen ist, dass sie die herkömmliche Maschinensteuerung ersetzt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System arbeitet der Lasernachfolger unabhängig von der Maschinensteuerung, um eine Positionsrückmeldungsinformation der Steuerung in stückweise zugeführten Mittelblöcken bereitzustellen. [Unter "stückweise zuführen" verstehen wir, dass die Bewegungssteuerinformation der Maschinensteuerung in kleinen Häppchen von Zeit zu Zeit (in einzelnen NC-Mittelblöcken, zum Beispiel) und nicht als ein vollständiges Programm bereitgestellt (heruntergeladen) wird.] Unser viel größerer Arbeitsbereich (zehnmal größer als bei Merry) macht unser System eindeutig anwendbar für die Herstellung und Montage von großen Strukturen für die Luftund Raumfahrt, wie z.B. von Flügeln, und unser Systementwurf ermöglicht eine einfache Implementierung auf einer großen Zahl von existierenden Maschinensteuereinheiten.
  • Merry bestimmt die Position des Retro-Reflektors, indem eine Trilateration verwendet wird. Während eines Aufbaus und einer Kalibrierung bewegt sich die Maschine mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer geraden Linie entlang einer unabhängigen Achse für das System, um einen Referenzrahmen für den Endeffektor aufzubauen und Koordinatendaten bereitzustellen, um die Laserinterferometerpositionsmessungen mit der Bewegung des Endeffektors zu verbinden. Jeder Interferometer ist ein eindimensionales (eine einzige Achse) Messsystem, welches ein Signal proportional zu dem Abstand des Retro-Reflektors von dem Interferometer erzeugt. Mit drei Ausgangssignalen verwendet das Merry-Steuersystem eine Trilateration, um die Position des Endeffektors zu berechnen, vergleicht diese Position mit der erwünschten Position, welche auf einem gespeicherten, vorbestimmten Bewegungspfad des Endeffektors (d.h. dem NC-Programm) basiert und betätigt die Antriebsanordnung des Werkzeugs, um den Endeffektor zu der nächsten erwünschten Position zu bewegen. Die Lasertrilateration ist aufgrund ihrer Kosten, Instabilität, Aufbau-Geometrieanforderungen und natürlichen Ungenauigkeit nicht von der Industrie angenommen worden. Die Trilateration arbeitet am besten, wenn drei Interferometer weit beabstandet sind, aber der Retro-Reflektor ist im Wesentlichen ein einachsiges Ziel. Um das Ziel zu verfolgen, müssen die Interferometer dicht beieinander sein, was zu erheblichen Interpolations- oder Berechnungsfehlern führt. Darüber hinaus erfordert die Trilateration tatsächlich vier Interferometer, um eine absolute, wahre Position zu bestimmen.
  • Merry's System ersetzt die Standardmaschinensteuerung tatsächlich und direkt durch eine Laserinterferometerpositionsmessung, um das Werkzeug zu steuern. Indem die Maschinensteuereinheit außer Kraft gesetzt wird, kann die Steuerung der Maschine verloren werden, zum Beispiel, wenn Späne den Laserstrahl verdunkeln. Für hochwertige Teile ist das Risiko eines Steuerungsverlustes unakzeptabel. Das Merry-System ist dementsprechend aufgrund der Probleme, welche es verursacht, nicht zum praktischen Einsatz implementiert worden.
  • Das Merry-System kann die Position des Werkstückes in Relation zu der Maschine nicht bestimmen, wenn allein die drei Interferometer verwendet werden. SOMaC ist in der Lage, die Maschine relativ zu dem Werkstück zu lokalisieren, wobei der einzelne Interferometer verwendet wird. Wenn es diesen Bezug kennt, kann die SOMaC für Differenzkorrekturbefehle für die Maschinensteuereinheit sorgen, nachdem die wahre Position des Endeffektors der Maschine gemessen worden ist, um die Genauigkeit der Maschine zu verbessern.
  • Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist eine statische optische Maschinensteuerung (SOMaC) in der Lage, die Maschinenmittel derart einzustellen, dass sie Umsetzungen, Drehungen oder sowohl Umsetzungen als auch Drehungen der Maschine, eines Teils oder der Maschine und des Teils beinhalten. Die SOMaC führt dies aus, indem die Position des Teils und der Maschine gemessen wird und bezüglich Änderungen von der ursprünglichen Referenzposition und Ausrichtung des Teils und der Maschine skaliert wird. Die SOMaC kann auch die Maschinenmittel einstellen (skalieren), damit sie Veränderun gen bei dem Teil, der Maschine oder bei beiden beinhalten, welche aufgrund von Änderungen in der Fabriktemperatur, der Temperatur des Teiles, der Temperatur der Maschine oder aufgrund anderer physikalischer Veränderunge in der Fabrikumgebung auftreten.
  • Das erfindungsgemäße SOMaC-System stellt eine störungssichere Maschinensteuerung bereit, da es fortfährt, die herkömmlichen Encoder der Werkzeugmaschine zu verwenden, aber die Genauigkeit der wahren Position in einem statischen Vorgang erhöht, indem durch eine optische Messung der wahren Positionen für eine Rückmeldung der Prüfung fliegend gesorgt wird. Unser System korrigiert die Positionierungsfehler der Maschine durch stückweise zugeführte Anweisungen, wenn sich die Maschine in einer Ruheposition befindet und bereit für ihren nächsten Bearbeitungsvorgang ist.
  • B. Lasernachfolger
  • Optische 3D-Echtzeitmesssysteme (z. B. Lasernachfolger) sind Messsysteme nach dem Stand der Technik, welche große Mengen an genauen 3D-Daten rasch beschaffen. Diese optischen Messsysteme weisen typischerweise eine absolute Entfernungsmesseigenschaft und einen motorisierten Winkelsteuerkopf auf, um den Laserstrahl zu lenken. Die Lenkung wird durch ein rückgekoppeltes System gesteuert, welche den Laserstrahl kontinuierlich ansteuert, damit er dem Retro-Reflektor folgt ("nachfolgt"). Der Laserstrahl wird von dem Lasernachfolgerkopf auf ein retro-reflektives Ziel gerichtet, welches auf dem Endeffektor der Maschine angebracht ist. Der zurückkehrende Strahl ermöglicht dem Nachfolgerkopf, sowohl die Entfernung als auch die Richtung (d.h. den horizontalen und den vertikalen Winkel) zu dem Retro-Reflektor zu bestimmen. Diese drei Messungen (Abstand, horizontaler Winkel, vertikaler Winkel) errichten ein sphärisches Koordinatensystem, welches einfach in das kartesische Koordinatensystem überführt werden kann.
  • Lasernachfolgersysteme weisen die folgenden Eigenschaften auf
    • (1) Eine genauere 3D-Messung einer Volumengenauigkeit von ungefähr 10 zu 1 Million (ppm) (0,1 mm bei einer Volumenabmessung von 10 Meter);
    • (2) Messdatenerfassung und Übertragung in Echtzeit;
    • (3) Datenraten von mehr als 500 3D-Messungen pro Sekunde (und typischerweise bis zu 1000 Messungen pro Sekunde);
    • (4) Einfache Kalibrierung;
    • (5) Virtuell unempfindlich gegenüber Fehlern, welche durch Änderungen in der Lufttemperatur und in dem Luftdruck verursacht werden, wenn ein Kompensator (Refraktometer) hoher Qualität verwendet wird; und
    • (6) Großes Messvolumen, wobei ein retro-reflektives Ziel, typischerweise ein Teilbereich von bis zu 100 Fuß im Durchmesser, verwendet wird.
  • Eine absolute Entfernung messende Nachfolger-Interferometer können ein Ziel wiedererfassen, welches zeitweise verstellt gewesen ist. Eine absolute Entfernung messende Nachfolger-Interferometer sind bei Herstellungsvorgängen äußerst erwünscht, da eine Bewegung der Maschinen, der Teile und der Bedienpersonen in der Fabrik dazu führen kann, dass ein Strahl gebrochen wird. Wir verwenden bevorzugt eine absolute Entfernung messende Nachfolger-Interferometer, aber viele unserer Anwendungen können auch die Interferometer-Systeme einsetzen, welche weniger tolerant bezüglich einem Brechen von Strahlen sind.
  • Lasernachfolger sind bei vielen Anwendungen, wie z.B. beim Messen der digitalen Kontur eines Flugzeugs oder von Automobilen, bei Werkzeugprüfungen und beim Testen der Genauigkeit einer NC-Maschine, eingesetzt worden. Die vorliegende Erfindung setzt momentan Lasernachfolger ein, aber andere optische oder nicht kontaktierende Messsysteme können diese Systeme ersetzen, um für die Positionsrückmeldung für das System zu sorgen.
  • In der Luft- und Raumfahrtindustrie besitzen Gerüst- oder Nachfräs-Bohrmaschinen eine Größe von bis zu 70 m in der Länge. Die größte dieser Maschinen weist ein Arbeitsvolumen von mehr als 700 Kubikmeter auf. Die Positionierungstoleranzanforderungen für diese Maschinen betragen typischerweise weniger als 0,20 mm. Es ist schwierig, eine Positionierungsunsicherheit von 0,50 mm innerhalb eines Volumens von 100 Kubikmeter zu erzielen. Um die Unsicherheitsangabe für NC-Maschinen zu standardisieren, ist es allgemein üblich, die Unsicherheit der Maschine mit einer Million zu multiplizieren, wobei dies dividiert durch die längste diagonale Entfernung in dem Volumen der Maschine die Eigenschaft in Bezug auf eins zu einer Million (ppm) ist. Zum Beispiel würde eine typische Maschine mit einer Positionierungseigenschaft von 0,5 mm und einer Diagonalen von 15 m eine Eigenschaft von 33 ppm ergeben. Eine Eigenschaft einer großvolumigen Bohrmaschine unter 30 ppm ist schwierig zu erzielen. Da sich Hersteller bemühen, die Qualität der Teile zu verbessern und die Montagekosten zu reduzieren, hat sich die Nachfrage nach einem genaueren Bohren von Löchern erhöht. Bei der Herstellung in der Luft- und Raumfahrt können diese straffen Toleranzen über einer Diagonale von 15 m kleiner als 0,10 mm sein, was eine standardisierte Anforderung von 6,7 ppm ergibt. Solche Toleranzen übersteigen die Eigenschaft der meisten Maschinen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung umfasst eine statische optische Maschinensteuerung (SOMaC) und versucht die thermischen und mechanischen Fehlerquellen, welche bei großen Maschinen inhärent sind, zu überwinden, indem ein eine absolute Entfernung messendes Lasernachfolgersystem oder sein Äquivalent eingesetzt wird, um die Position und Ausrichtung des Endeffektors der Maschine zu messen, wenn die Maschine unbewegt ist. Diese Messungen werden automatisch durch den SOMaC-Computer durch stückweise Vorschubanweisungen zur Positionseinstellung an die Maschinensteuereinheit gemeldet. Die Maschinensteuereinheit korrigiert dann, falls erforderlich, die Position der Maschine. Die SOMaC verwendet eine iterative Technik, um die Genauigkeit des Endeffektors der NC-Maschine zu steuern. Ein standardisiertes Abweichungssteuerprotokoll vermeidet den Effekt von "Rauschen" bei der Ruheposition. Das Protokoll unterscheidet die Ruheposition von einer Bewegung oder einer Vibration der Maschine. Wir nehmen Alarme bezüglich eines Kippens der Maschine, eines Teiles oder eines Nachfolgers (wobei Zweiachsenkippsensoren verwendet werden) und bezüglich einer Temperaturänderung in der Fabrik mit auf.
  • Die SOMaC verwendet einen "Berührungsfühler" oder eine Koordinatenmessmaschinensoftware, um kritische Merkmale, welche mit dem Teil verbunden sind, während einer Systemkalibrierung zu lokalisieren. Diese Messungen bilden einen Referenzrahmen des Teils. Während einer Bearbeitung steuert die SOMAc weiter Vorgänge aufgrund von einer wiederholten Messung und Abschätzung der Position dieser kritischen Merkmale. Da wir einen Referenzrahmen des Teils aufbauen, auf welchen sich die Maschine einstellt, vermeiden wir, dass beim genauen Einspannen eines Teils eine richtige Positionsreferenz aufgebaut werden muss. Die tatsächliche Position des Teils (oder seiner Merkmale) wird ermittelt, indem die Position der Merkmale gemessen wird und die gemessene Position mit der Position verglichen wird, welche in einer digitalen Definition oder einer Darstellung eines digitalen Datensatzes (CAD-Model) des Teils festgelegt ist. Der Vergleich wird nicht nur verwendet, um die tatsächliche Position des Teils zu berechnen, sondern auch um einen "Skalierungsfaktor" zu berechnen, um Maschinenbefehle anzupassen, um Unterschiede zwischen dem tatsächlichen Teil und der Darstellung des digitalen Datensatzes zu kompensieren. Dieses "automatische Skalierungs-" Merkmal ändert eigentlich die NC-Mittel, welche von der technischen Spezifikation des Teils derart abgeleitet sind, dass sie die physikalischen Änderungen des Teils beinhalten, welche während einer Bearbeitung auftreten, wie z.B. Änderungen in den Abmessungen des Teils, welche durch Änderungen der Temperatur der Fabrik bezüglich des Entwurfsstandards von 20°C (68°F) hervorgerufen werden. Zum Beispiel passen wir die digitale Datensatzdefinition der Position für Merkmale des Teils an, um den Effekt einer Ausdehnung oder eines Zusammenziehens des Teils aufgrund seines natürlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu berücksichtigen. Für die "automatische Skalierung" bestimmen wir parallel, ob der Skalierungsfaktor, welchen wir berechnen, mit den Veränderungen in der Größe, welche wir aufgrund der Veränderungen in der Temperatur der Fabrik erwarten würden, konsistent ist. Wir verfolgen die Temperatur der Fabrik (aber wir könnten entweder die Temperatur des Teils oder die Temperatur der Maschine oder jede Kombination dieser drei verfolgen) und bei geeigneten Abständen (z.B. einer Veränderung von 2° oder 5° bezüglich eines von einer Bedienperson definierten Alarmeinsetzpunktes) skalieren wir wieder, wenn sich die Temperatur ändert. Eine "automatische Skalierung" ist eher eine schubweise Anpassung oder Intervallanpassung als ein kontinuierliches wiederholtes Skalieren, was den erforderlichen Betrieb einschränkt.
  • Die SOMaC umfasst vorzugsweise ein genaues Positionieren der Endposition des Endeffektors einer statischen Maschine mit einer unabhängigen optischen 3D-Messvorrichtung. Sie ist für jede Maschine anwendbar, bei welcher die Positionierungsgenauigkeit der Messvorrichtung besser als die Maschinengenauigkeit ist, was gewöhnlicher Weise für Lasernachfolger und große Maschinen, welche mindestens eine Achse, die größer als 15 Fuß ist, aufweisen. Indem die Position des Endeffektors durch die Maschinensteuereinheit indirekt mit dem unabhängigen optischen Messsystem gesteuert wird, werden die thermischen Fehler und die Fehlausrichtungsfehler in dem Gestell der Maschine neutralisiert, da die wahre Position des Endeffektors verfolgt und ohne Berücksichtigung dieser Fehlerquellen eingestellt wird. Mit dem SOMaC-System, welches "beste Bearbeitungs-" Verfahren verwendet, erzielen wir einen maximalen linearen Fehler bezüglich der richtigen Position von ungefähr 7,6 × 10–3 cm (0,003 Zoll) (d.h. eine radiale Fehlausrichtung von 0,015 Zoll) bei einem Volumen von 10 Fuß mit einer viel schmaleren Verteilung der Versatzfehler als es einfach mit der Standardsteuerung der Werkzeugmaschine erreichbar wäre. Wir richten den Endeffektor näher zu der gewünschten Position hin aus, welche in dem digitalen Datensatz spezifiziert ist, welcher das Teil oder die Anordnung definiert, wobei die Steuereinheit der Werkzeugmaschine eingesetzt wird. Dann überprüfen wir, ob sich der Endeffektor tatsächlich an der richtigen Position befindet, wobei ein Lasernachfolger oder ein anderer Positionssensor verwendet wird. Wenn er sich außerhalb der Position befindet, passen wir die Position des Endeffektors an, indem wir eine Differenzeinstellung an die Maschinensteuerung senden.
  • Während einige Fehlerquellen nicht linear sein können, was bewirkt, dass die SOMaC an Genauigkeit verliert, verwenden wir Fehlerquadratalgorithmen (oder eine andere geeignete Regressionsanalyse), um diese Nicht-Linearitäten zu minimieren. Unsere Korrektur in der ersten Ordnung (linear) ist ziemlich robust und erzielt eine erhebliche Verbesserung bezüglich der Genauigkeit. Die SOMaC kann anspruchsvollere Algorithmen beinhalten, wenn die Nicht-Liniearitäten und Anisotropien verstanden sind.
  • Die SOMaC verwendet eine Rückkopplung von einer optischen Messvorrichtung und einer zugehörigen Software, um Positionskorrekturen stückweise einem existierenden Maschinenencoder zuzuführen, um die Maschinengenauigkeit zu verbessern. Das System ist schnell, preiswert und zuverlässig, um für eine Positionsgenauigkeit zu sorgen, welche von der Reproduzierbarkeit der Maschine oder dem Verhältnis der Maschine zu dem Werkstück unabhängig ist. Das System stellt eine absolute räumliche Ausrichtungs-/Positionsinformation bereit. Unser bevorzugtes System beinhaltet die folgenden Merkmale:
    • A. Die SOMaC steuert die Maschinenposition bei dem Endeffektor, wodurch Hauptursachen einer Gesamtmaschinenungenauigkeit eliminiert werden.
    • B. Die SOMaC kann bei einer für einen Fühler geeigneten Maschine verwendet werden, um die Maschine in eine genaue Koordinatenmessmaschine (CMM) umzugestalten.
    • C. Die SOMaC wandelt Nachfolgermessungen in das Koordinatensystem des Teils um, was die Komplexität des Ausrichtungskalibrierungsverfahrens bezüglich Teil-Maschine verringert.
    • D. Die SOMaC stellt eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) bereit, welche der Bedienperson ermöglicht, verschiedene Aspekte der Bearbeitungsvorgänge zu steuern. Die Software ist ein "Ereignis gesteuertes Echtzeit"-System, welches Textdateien bezüglich der Konfiguration und Programmierinformation interpretiert.
    • E. Die SOMaC stellt eine grafische Benutzeroberfläche bereit, welche darstellt:
    • (i.) Die angestrebte Positionierungsgenauigkeit;
    • (ii.) Statistische Parameter, welche sich auf die Nachfolgermessgenauigkeit beziehen;
    • (iii.) Zeit- und Positionsschwellenwerte;
    • (iv.) Betriebsarten;
    • (v.) Versatz und Ausrichtung bezüglich Nachfolger/Maschine;
    • (vi.) NC-Transportsteuerung;
    • (vii.) Nachfolgerpositionsanzeige und Abfrageraten;
    • (viii.) Eine Temperaturanzeige und Kippanzeigealarmeinstellpunkte;
    • (ix.) Online-Hilfe
    • F. Durch die Natur seiner Softwarearchitektur kann die SOMaC einfach an neue Maschinensteuereinheiten angepasst werden. Nur ein Encoderschnittstellensoftwaremodul muss geändert werden, um das System an einen neuen Encoder/eine neue Maschinensteuereinheit anzupassen.
    • G. Portabilität. Die Nachfolger und die Workstation sind physikalisch tragbar und daher kann ein einzelnes System verwendet werden, um mehrere NC-Maschinen zu bedienen.
    • H. Rückführung bei einer Strahlunterbrechung. Die SOMaC besitzt zwei Arten einer Rückführung, wenn ein Laserstrahl unterbrochen wird.
    • (i.) Manuelle Rückführung: Das System hält an und ermöglicht dem Operator, den Retro-Reflektor manu ell zu dem Nachfolger zurückkehren zu lassen, die Strahl-Verriegelung wird wieder erlangt und dann wird fortgesetzt.
    • (ii.) Automatische Rückführung: Das System lässt die Maschine zu einer bekannten Position zurückkehren, weist den Nachfolger an, eine Strahl-Verriegelung aufzubauen und setzt dann mit dem NC-Programm fort.
    • I. Die Architektur der SOMaC kann einfach an neue optische Messsysteme, mehrere Messsysteme oder hybride Messsysteme angepasst werden.
    • J. Die SOMaC setzt eine "stückweise zugeführte" Verbindung mit einer Steuereinheit ein, um eine NC-Maschine sowohl mit dem Laser als auch mit der externen Softwaresteuereinheit zu integrieren, um ein System mit einfachen Baueinheiten zu erzeugen, welches die Genauigkeit einer Maschine verbessern kann. Dieses Verfahren macht die SOMaC für eine große Anzahl von Steuerungen mit einem minimalen Aufwand einsetzbar.
    • K. Die SOMaC erzeugt ein Protokoll von Bearbeitungsereignissen. Das heißt, die SOMAc zeichnet die Korrekturanweisungen auf, welche sie der Maschinensteuerung während der Folge von Vorgängen bereitstellt. Mit diesen Daten ist es einfacher, eine fortschreitende Maschinendrift oder Verschlechterung aufgrund von Verschleiß zu erfassen oder sogar Fehler in der digitalen Darstellung des Teils zu identifizieren.
    • L. Die SOMaC integriert den Lasernachfolger mit der Maschine in einem Computer, welcher abgesetzt von der Maschinensteuerung ist, so dass das System bei vielen verschiedenen NC-Steuerungen ohne Softwareänderungen an der Steuereinheit nachrüstbar ist.
  • Die US 4,919,967 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum serienmäßigen Beschichten von Teilen. Zuerst wird ein Referenzabstand zwischen einem Sprühstand und einem ersten Teil gemessen, dann wird das erste Teil aus dem Sprühstand bewegt und ein zweites ähnliches Teil wird durch den Sprühstand bewegt und der Abstand wird wieder gemessen. Die Positionsabweichungen zwischen den Referenzen werden verwendet, um die Position der Sprühvorrichtung einzustellen. Die Genauigkeit dieses bekannten Verfahrens und dieser bekannten Vorrichtung ist begrenzt.
  • In dem Patent der Vereinigten Staaten US 5,300,128 wird ein automatisiertes System zum Anpassen und Prüfen von komplexen zusammengesetzten Flugzeugteilen offenbart. Dieses System wird verwendet, um einen Flugzeugflügel und Leitwerkstrukturen auf Größe zu schneiden. Es wird ein Schneiden mit einem abschleifenden Wasserstrahl eingesetzt, um die zusammengesetzten Flügel- oder Leitwerksteile anzupassen. Das System ist mit Mitteln ausgestattet, um tatsächliche Teilpositionen genau zu identifizieren. Darüber hinaus umfassen Funktionen des Systems ein Vergleichen von gemessenen Positionen und ein Einstellen der Position des Werkzeugs. Die Genauigkeit dieses bekannten Systems ist ebenso begrenzt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren und das Werkzeugmaschinensystem zu verbessern und für eine verbesserte Genauigkeit der Maschinen während eines Bearbeitungsvorgangs eines Teils oder einer Anordnung zu sorgen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird, gelöst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe in einem Werkzeugmaschinensystem, wie es in Anspruch 6 beansprucht ist, gelöst.
  • Weitere Vorteile eines erfindungsgemäßen Systems werden in der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
  • Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nach einer Betrachtung der beigefügten Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung der Erfindung besser zu verstehen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische isometrische Darstellung des SO-MaC-Konzeptes mit zwei, freistehenden Lasernachfolgern, welche an Endpositionen eines Arbeitsbereiches einer Nachfräsvorrichtung angeordnet sind, um die Genauigkeit eines Bohrers, welcher auf einer ansonsten herkömmlichen Nachfräsvorrichtung montiert ist, zu verbessern.
  • 2 ist ein Blockdiagramm des SOMaC-Maschinenkorrekturverfahrens.
  • 3 ist ein Blockdiagramm der SOMaC-EDV-Hardware-Architektur.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, welches die SOMaC-Schnittstelle darstellt, welche auf einer Steuereinheit IBM RS6000 läuft, so dass die herkömmliche Werkzeugmaschine eine Genauigkeit der wahren Position erreichen kann, um Teile mit der Genauigkeit zu produzieren, welche in dem digitalen Entwurf des Teiles (d.h. einem 3D-Festkörpermodel) vorgesehen ist.
  • 5 ist eine schematische Darstellung, welche eine Bewegung der Maschine in Abhängigkeit von der Einstellung bezüglich einer Maschinenposition darstellt, für welche die SOMaC durch einen Fehlerkorrekturvektor sorgt, um ein Loch genauer an einer nominalen Lochposition anzuordnen, nachdem die Maschine sich selbst an einer angewiesenen Position positioniert hat.
  • 6 stellt das Verfahren dar, um eine räumliche Referenz zwischen einer Maschine und einem Teil aufzubauen.
  • 7 stellt das Umsetzungsverfahren dar, um die Maschinenmittel einzustellen, welche die Bewegungen der Maschine, des Teils oder von beiden ausmachen, nachdem die räumliche Referenz der 6 aufgebaut worden ist.
  • 8 stellt eine Werkzeugmaschine dar, welche zur Echtzeitausrichtung ausgestaltet ist, wobei eine absolute Entfernung messende Laserinterferometer und eine SOMaC eingesetzt wer den, um das Bohren und Referenzen einer Werkzeugkugel auf einer Vorrichtung des Teiles zu steuern.
  • 9 ist eine typische grafische Darstellung eines Histogramms für eine Platzierung eines Loches auf einem Teil.
  • 10 stellt eine Maschine dar, wobei mehrere Nachfolger in getrennten Steuerbereichen eingesetzt sind, um die Genauigkeit einer Gerüstfräse über einen großen Arbeitsbereich zu steuern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Nachdem für einen allgemeinen Überblick einer SOMaC gesorgt worden ist, werden wir die Hardwarearchitektur der SOMaC beschreiben. Dann werden wir die EDV-Softwarearchitektur beschreiben. Bei dieser Beschreibung werden wir durchweg eine Implementierung einer SOMaC für eine NC-Maschine beschreiben, aber die Prinzipien sind für Roboter, automatisierte Werkzeuge, Maschinen, Einspannvorrichtungen und andere Aufgaben anwendbar, welche sich unter einer automatischen oder manuellen Steuerung bewegen.
  • Eine Verbesserung der Genauigkeit einer Maschine, eines automatisierten Werkzeugs oder eines Roboters, so dass Teile dichter an den technischen Spezifikationen hergestellt werden, umfasst ein Verbessern der Maschinensteuerung mit einem unabhängigen, genaueren Positionsmesssystem, um von der Maschine und der Fabrik hervorgerufene Fehler zu korrigieren. Die SOMaC stellt Differenzkorrekturanweisungen in Maschinenmitteln der Maschinensteuereinheit zur Verfügung, um den En deffektor der Maschine dichter an die vorgesehene Bearbeitungsposition zu bewegen. Das unabhängige Messsystem identifiziert die wahre Position des Endeffektors, wenn die Maschine vor einer Bearbeitung anhält. Die SOMaC passt dann eine Fehlausrichtung der Maschine an, da die SOMaC die Beziehung des Teiles oder Werkstücks zu der Maschine (d.h. die Ausrichtung) kennt und beides in einem gemeinsamen Referenzrahmen misst. Um ihre Verbesserungsfunktion zu bewerkstelligen, welche die CP des Bearbeitungsverfahrens verbessert und die Rate einer Maschinendrift abgesenkt, muss die SOMaC Maschinenmittel besitzen, welche von einer digitalen Definition des Teils abgeleitet sind, muss die Maschine und das Teil kalibrieren, um ihre relativen Positionen zu kennen, muss auf der Maschine angebrachte Retro-Reflektoren (Ziele) auf die präzise Position eines Werkzeugendes kalibrieren und muss dann die verbesserten Maschinenmittel abarbeiten, um den Bearbeitungsvorgang auszuführen, während Differenzkorrekturanweisungen hinzugefügt werden.
  • Ein Vorbereiten der Maschinenmittel umfasst ein Ableiten von Anweisungen zum Bewegen der Maschine in einer Folge von Bearbeitungsvorgängen, um das Teil zu produzieren, welches in seinen physikalischen Eigenschaften in einer digitalen Definition (CAD-Modell) des Teils spezifiziert ist. Die abgeleitete Bahn und die abgeleiteten Punkte werden "Maschinenmittel" genannt, ein Satz von Softwareanweisungen, welche die Maschinensteuerung interpretieren kann. Maschinenmittel zur Produktabnahme müssen auch von der technischen Spezifikation des Teils abgeleitet sein. Für eine Produktabnahme identifiziert und misst ein Prüffühler kritische Merkmale des Teils, um sicher zu gehen, dass das Teil tatsächlich der technischen Spezifikation entspricht.
  • Ein Ermitteln der Ausrichtung des Teils und der Maschine, was wir auch "Kalibrierung des Systems" nennen, wird mit mehr Details am Ende dieser detaillierten Beschreibung beschrieben. Eine Kalibrierung stellt den Referenzrahmen zwischen dem unabhängigen, hoch genauen Messsystem, gewöhnlicher Weise ein Lasernachfolger, und der Maschine und des Teils bereit. Um zu kalibrieren, muss der Nachfolger zumindest drei vorbestimmte Positionen innerhalb des Arbeitsbereiches der Maschine messen.
  • Ein Kalibrieren der Retro-Reflektoren umfasst im Allgemeinen eine Berührungsfühlermessung der kritischen Merkmale des Teils mit der Maschine während der Nachfolger das System auch misst. Eigentlich werden die Koordinaten während dieses Schrittes "synchronisiert", wenn die Maschine und der Nachfolger darin übereinstimmen, dass die Position jedes kritischen Merkmals bei den Koordinaten ist, welche die Maschinenmittel spezifizieren. Während dieses Schrittes bestimmt die SOMaC auch die anfängliche Referenzskalierung, welche sie bei einer automatischen Skalierung oder Echtzeitausrichtung einsetzt, um die Maschinenmittel bezüglich Änderungen in dem Teil, der Maschine oder beidem einzustellen, welche durch Fabrikbedingungen während einer Herstellung des Teiles auftreten.
  • Wenn die Maschine die Maschinenmittel bei jedem Halt der Maschine (oder in anderen von einem Operator definierten Abständen) abarbeitet, misst die SOMaC die richtige Position des Endeffektors und berechnet die Differenzkorrekturanweisungen, welche notwendig sind, um die Genauigkeit zu verbessern, wobei Skalierungsanpassungen eingeschlossen sind.
  • Die SOMaC verbessert die Maschinengenauigkeit speziell von großen NC-Maschinen. Indem die Genauigkeit verbessert wird, produziert die SOMaC Teile, welche eine geringere Variation aufweisen. Die Teile sind dichter an der technischen Spezifikation und die natürliche Drift in der Genauigkeit, welche von einem Verschleiß der Maschine oder einer Anhäufung von Fehlern hervorgerufen wird, wird deutlich verringert. Teile, welche eine kleinere Variation aufweisen, sind einfacher zu montieren. Sie werden in Strukturen montiert, welche dichter an der technischen Spezifikation sind. Die SOMaC besitzt das Potenzial, das Erfordernis nach einer Zertifizierung der Maschinengenauigkeit und einer Nachprüfung zu vermeiden. Sie verringert Werkzeugkosten des Herstellers drastisch, indem sie dem Hersteller ermöglicht, seine Maschinen aufzurüsten, um ihre inhärente Genauigkeit zu verbessern und indem sie die Maschinen des Herstellers vielseitiger einsetzbar macht. In einem Aspekt kann die SOMaC anstelle einer Koordinatenmessmaschine (CMM) zur Produktabnahme (Prüfung) verwendet werden. Sie ermöglicht dem Hersteller, sein Kapital, seine Anlagen- und Wartungs-(Lebenszeit-) Kosten zu minimieren, was kritische Ziele bei der Kontrolle der Produktkosten in der heutigen Welt einer schlanken und beweglichen Fertigung sind. Die SOMaC verringert die Teil- und Montagekosten, verringert die gesamte Herstellungszykluszeit, verbessert die Qualität der Teile und Anordnungen, so dass sie besser der technischen Spezifikation entsprechen und verbessert aufgrund der Verbesserung der Leistungsfähigkeit des Produkts, zumindest bei Produkten der Luft- und Raumfahrt, die Zufriedenheit des Kunden. Die Leistungsverbesserung geht mit verringerten Stückkosten einher.
  • I. Hardwarearchitektur der SOMaC
  • Die fünf Hardwareelemente (3) des bevorzugten SOMaC-Systems sind: die Maschine, die Maschinensteuereinheit, das unabhängige Messsystem (z.B. ein Lasernachfolger), die unabhängige Messsystemsteuereinheit und die Workstation. Die Maschinen und ihre Steuereinheiten sind für viele Aspekte der Maschinensteuerung verantwortlich, was eine Teilprogrammsteuerung, eine Operatorschnittstelle, eine Stellsteuerung, eine Strom-Verteilung und Steuerung, eine Encodersignalaufbereitung und eine Kommunikation mit externen Vorrichtungen einschließt. Viele Maschinensteuereinheiten existieren, wobei es nur eine minimale industrielle Standardisierung gibt. Die Unterschiedlichkeit der Steuereinheiten stellt ein wichtiges Problem dar, wenn versucht wird, eine Fähigkeit, wie z.B. die SOMaC, bei einer großen Basis von installierten Maschinen zu integrieren oder zu migrieren. Unsere Methode zur Überwindung dieses Problems wird später in dieser Beschreibung adressiert. Die Lösung ist für eine praktische Implementierung der Fähigkeit wichtig, da Hersteller wie Boeing am meisten profitieren, wenn sie in der Lage sind, das System bei der größten Anzahl von existierenden Werkzeugmaschinen einzusetzen.
  • Unsere bevorzugte Workstation ist eine IBM RS6000, welche unter einem AIX-Betriebssystem läuft, aber andere Systeme mit ähnlichen Fähigkeiten können ebenso eingesetzt werden. Die Workstation stellt die Verbindung zwischen der Lasernachfol gersteuereinheit und der Maschinensteuereinheit bereit. Die Workstation steuert das Teilprogramm, fordert Messungen von dem/den Lasernachfolger(n) an und stellt Differenzkorrekturanweisungen für die Maschine bereit, um ihren Endeffektor (oder Prüffühler) dichter an die vorgesehene (Entwurfs-) Position zu bewegen.
  • Die SOMaC verlagert die Programmsteuerung von der NC-Steuereinheit zu der Workstation. Die Workstation führt die Programmanweisungen eines Fehlerkorrekturvektors, welche eine Differenzkorrekturanweisung definieren, stückweise der Steuereinheit zu. Die Lasernachfolgersystemsteuereinheit ist momentan ein IBM kompatibler PC, welcher unter dem DOS Betriebssystem läuft, aber irgendein gleichwertiger Prozessor oder irgendein Betriebssystem kann diese ersetzen. Eine zukünftige Implementierung kann die Lasernachfolgersteuereinheit in der Workstation zusammenfassen.
  • 5 stellt diese Verbesserung bezüglich der Maschinengenauigkeit dar. Die Maschine befördert einen Bohrer 110 basierend auf Maschinenmittelanweisungen, welche von einer digitalen Definition des Teils 120 abgeleitet sind, zu einer Position #1. Wenn die Maschine bei der Position #1 ein Loch in das Teil bohren muss, wäre das Loch 130 versetzt von der nominalen Lochposition 140. Mithilfe der SOMaC bestimmt der Nachfolger 150 die Position des Bohrers 110, wobei Retro-Reflektorziele 160 auf der Maschine und Werkzeugkugeln („Tooling Balls") 170 auf dem Teil verwendet werden. Die SOMaC führt Anweisungen für den Fehlerkorrekturvektor 180 stückweise der Maschine zu, um den Bohrer 110 näher an die nominale Lochposition 140 zu bewegen, wobei eine Schwellenwertiterations-Rückkopplungsschleife verwendet wird.
  • Eine Kommunikation zwischen jeder Hardwarekomponente ist seriell, wobei RS232 oder Ethernet verwendet wird. Eine serielle Kommunikation wird im Allgemeinen zwischen Maschinensteuereinheiten und anderen Vorrichtungen verwendet und ist insbesondere für die SOMaC geeignet, da eine Kommunikation zwischen den drei Rechnersystemen nicht deterministisch zeitlich vorbestimmt oder mit extrem hohen Datenraten stattfinden muss. Die einzelne serielle Verbindung zwischen dem Nachfolgersystem und der Workstation ist bidirektional, halb duplex. Die serielle Verbindung zwischen der Workstation und der Steuereinheit variiert zwischen den Maschinensteuereinheiten. Zukünftige Implementierungen können andere Kommunikationsschemata aufweisen.
  • Wir definieren eine Variable Schwellenwert als den zu erlaubenden Abstand zwischen der angewiesenen Maschinenposition und der gemessenen Maschinenposition. Wir definieren auch eine Variable Iteration, um die maximale Anzahl zu bestimmen, mit welcher die "Bewegung-Prüfung-Bewegung-"-Schleife auftreten darf, bevor eine räumliche Position bestätigt oder ein Alarm gesendet wird. Die Maschine positioniert den Endeffektor an einer Anfangsposition vor, wie es durch die Mittel angewiesen wird. Der Nachfolger misst die Position und/oder die Ausrichtung des Endeffektors. Die von der Maschine angewiesene Position und die von dem Nachfolger gemessene Position werden verglichen und es wird eine Entscheidung getroffen, ob die Maschine basierend auf dem Wert von Schwellenwert bewegt wird. Wenn der Unterschied größer als der voreingestellte Wert von Schwellenwert ist, muss die Maschine erneut positioniert werden. Nachdem die Maschine erneut positioniert worden ist, muss das System die Maschinenposition wieder messen. Diese Entscheidung, ob erneut gemessen wird, wird basierend auf dem Wert von Iteration durchgeführt. Wenn zum Beispiel der Wert von Iteration Null beträgt, überprüfen die Nachfolger niemals, ob die Maschine korrekt erneut ausgerichtet worden ist. In der Praxis wird der Wert von Iteration nicht auf Null gesetzt. Wenn eine Iteration erforderlich ist, misst der Nachfolger die Position/Ausrichtung der Maschine erneut. Das System vergleicht die Positionen, sendet Differenzkorrekturanweisungen und fährt fort, bis entweder der Iterationszähler überschritten ist oder bis der Vergleich zwischen der von der Maschine angewiesenen Position und der von dem Nachfolger gemessenen Position kleiner als der voreingestellte Schwellenwert ist.
  • Wenn der Iterationszähler überschritten wird, bevor der Schwellenwert eingehalten wird, wird dem Operator eine Fehlernachricht dargestellt, welcher eine Entscheidung trifft, ob fortgesetzt wird. Ausgewählte Werte für Schwellenwert und Iteration optimieren die Effizienz des Vorgangs. Wichtige zu berücksichtigende Faktoren, wenn Schwellenwert und Iteration gewählt werden, sind (1) die Wiederholpräzision der Maschine, (2) die Wiederholpräzision des Nachfolgersystems, (3) die Auflösung der Maschine, (4) die technischen Toleranzen bezüglich des zu bohrenden Elements, und (5) die zulässige Korrekturzeit pro Loch.
  • Zusätzlich zu Schwellenwert und Iteration umfasst die Software der Workstations vorzugsweise die folgenden von einem Benutzer definierbaren Parameter:
    • (i) Maximale inkrementelle Kompensation. Dieser Parameter ist die maximal zulässige Korrektur der Maschine für irgendeine einzelne Maschinenposition. Wenn er überschritten wird, erzeugt das System eine Warnung.
    • (ii) Maximale Gesamtkompensation. Dieser Parameter ist die maximale Gesamtkorrektur der Maschine für ein bestimmtes Werkstück. Wenn er überschritten wird, erzeugt das System eine Warnung.
    • (iii) Standardabweichung. Dieser Parameter ist die zulässige Variation bei mehrfach geprüften Maschinenmessungen bevor die Objektmessungen als zuverlässig erachtet werden.
    • (iv) Maximal zulässige Temperaturänderung. Wenn er überschritten wird, setzt das System nicht mit der Bearbeitung des Werkstücks fort, sondern richtet sich selbst wieder bezüglich des Werkstückes aus, um zu erfassen, ob irgendeine Ausdehnung/Zusammenziehung oder Bewegung des Teils aufgetreten ist.
    • (v) Minimale/maximale Temperatur. Wenn minimale oder maximale spezifizierte Temperaturengrenzen überschritten werden, stoppt das System den Betrieb.
    • (vi) Maximale Veränderung bei einer differenziellen Schiefstellung. Das System umfasst differenzielle Neigungsmesser, wobei irgendeine Anzahl davon in irgendeiner Ausrichtung auf irgendeiner Komponente in dem System (Maschine/Teil/Nachfolger) angeordnet sein kann. Wenn die Beziehung zwischen irgendwelchen zwei Neigungsmessern um mehr als einen von einem Benutzer definierbaren Umfang abweicht, richtet sich das System automatisch wieder selbst auf das Teil aus, um irgendeine Bewegung des Teils/Nachfolgers/der Maschine, welche aufgetreten ist, zu kompensieren.
  • Im Allgemeinen werden diese Parameter basierend auf der schlechtesten Genauigkeit der Maschine in der Vergangenheit und der Notwendigkeit, ein Teil oder eine Anordnung mit der besten angemessenen Übereinstimmung (Toleranz) zu der technischen Spezifikationen herzustellen, eingestellt. Alle Arme sollten ausgelöst werden, wenn ein fortgesetzter Betrieb droht, ein nicht passendes, nicht akzeptables Teil zu erzeugen, so dass Anpassungen vorgenommen werden, bevor sich eine Nacharbeit oder ein Ausschuss ergibt.
  • 1 stellt eine Nachfräsvorrichtung 10 mit einer Wagenlänge von bis zu ungefähr 60 m (200 Fuß) dar, wobei zwei Leica SMART310e oder äquivalente Laserinterferometer 20 an den äußersten Enden der seitlichen Bewegung angeordnet sind. Die SOMaC ist jedoch leicht an andere herkömmliche Werkzeugmaschinen anpassbar, was im oberen Bereich arbeitende mehrachsige Gerüstmaschinen, automatisierte Holmmontagewerkzeuge (A-SAT) von Boeing, GEMCOR Nietvorrichtungen, ein Gerüstnietsystem für mehrere Aufgaben (MTGRS) von Boeing und Ähnliches einschließt. Der Laserinterferometer SMART310 besitzt einen Bereich von 30 m (100 Fuß), so dass der seitliche Bewegungsabstand vorschreibt, wann mehrere Nachfolger erforderlich sind, um den Arbeitsbereich zu überdecken. Die SOMaC kann mehrere Nachfolger gleichzeitig anordnen, wobei Datenkommunikationsalgorithmen und Protokolle verwendet werden, was Master/Slave, Wähler („Voter"), gewichtete Bündelprotokolle für die mehreren Kanäle der Positionsdaten einschließt, oder sie kann zwischen Nachfolgern in aufeinander folgenden Arbeitsbereichen schalten. 10 stellt eine Anordnung von mehreren Nachfolgern dar. Ein Gerüstfräser 50 bewegt sich über einem Teil 60 in einem Bereich von ungefähr 30 m (200 Fuß) Länge und 7,5 m (50 Fuß) Breite. Vier Nachfolger 70 sind an ausgewählten Positionen um den Arbeitsbereich herum angeordnet, um für eine vollständige Messüberdeckung für das Teil 60 in den Überdeckungsbereichen 80, 82, 84 und 86 zu sorgen, welche sich einander an bestimmten Positionen überlappen. In einigen Überlappungsbereichen 90 stellen zwei Nachfolger Messdaten zur Verfügung während in einigen wenigen Volumen 92 drei Nachfolger messen. Die äußeren Enden des Arbeitsbereichs fallen jedoch in den Überdeckungsbereich eines einzelnen Nachfolgers. Für Überdeckungsbereiche bei dem sequenziellen Nachfolgersystem verwenden wir bevorzugt das gewichtete Bündelsteuerprotokoll, wobei sich immer mehr als ein Nachfolger in einem Bereich befindet und Messdaten dem SOMaC-Prozessor zur Verfügung stellen. Messdaten von mehreren Nachfolgern überdefinieren das Gleichungssystem für die Berechnung der Umsetzung. Die zusätzlichen Daten sind redundant oder verbessern die Genauigkeit. Gewichte spiegeln teilweise das Vertrauen wider, welches der Genauigkeit dieser Nachfolgerdaten zuordenbar ist, und werden durch Geometrie und Erfahrung bestimmt.
  • Ein nachfolgendes Interferometer kann für eine 3-Achsenpositionsmessung und Steuerung sorgen. Mehrere Nachfolger, welche in demselben Bereich arbeiten, sind erforderlich, um eine 4-Achsen- oder 5-Achsen-Steuerung zu erzielen. Mit mehreren Nachfolgern verwenden wir kombinierende Algorithmen, welche die Messzuverlässigkeit maximieren, wobei Fehler minimiert werden. Neuere Nachfolger mit einer Fähigkeit zur absoluten Entfernungsmessung ermöglichen uns, alle Achsen einer Maschine mit einem einzigen Nachfolger zu steuern.
  • Die Nachfolger weisen im Allgemeinen als ein Standardmerkmal ein Refraktometer zur Wellenlängenkompensation für Änderungen in dem Brechungsindex der Fabrikluft auf. Die Genauigkeit der Abstandsmessung kann sonst erheblich durch Änderungen in der Temperatur, des Drucks oder der Luftfeuchtigkeit in der Fabrik beeinflusst werden. Für die Verbesserungen in der Genauigkeit, welche die SOMaC anstrebt, ist solch eine Korrektur für die Abstandsmessung wichtig, um die erwünschten Ergebnisse zu erzielen. Mit der Anpassung des Brechungsindex sind Lasernachfolger für eine ausgezeichnete Messgenauigkeit im großen Volumen in Echtzeit im Bereich von ppm in der Lage. Mit dieser Genauigkeit können die Abstandsmessungen für eine ausreichend genaue Rückmeldung der wahren Position sorgen, um eine Endpunktpositionssteuerung einer Maschine zu verbessern.
  • II. Softwarearchitektur der SOMaC
  • Die Software der SOMaC weist zwei Hauptteile auf: die Workstation-Software und die Nachfolger-Software. Eine automatische Skalierung und eine Echtzeitausrichtung sind Komponenten der Workstation-Software, welche bei uns im Allgemeinen enthalten sind.
  • A. Workstation-Software
  • Der primäre Zweck des Workstation-Softwaremoduls, welches "SOMaC" (4) genannt wird, ist, eine Verbindung zwischen dem Nachfolger, dem Operator und der Maschine bereitzustellen. Die SOMaC besitzt mehrere logische Teile oder Prozesse, wobei jeder mittels einer Inter-Prozess-Kommunikation-(IPC)-Technik kommuniziert. Die Abschnitte des Systems, welche Maschinen spezifisch sind, sind in getrennte Prozesse für eine zukünftige "Plug-and-Play"-Fähigkeit isoliert worden, (z.B. um eine neue Maschinenfamilie einzubinden).
  • Die SOMaC-Software ist mit den Softwareprodukten der Valisys-Familie (welche von Technomatix Technology Corp. verfügbar sind) "Plug-and-Play" kompatibel, wodurch eine Kommunikation mit einer großen Anzahl von NC-Fräsen und NC-Koordinatenmessmaschinen (CMM) mittels der existierenden Maschinenwerkzeugschnittstellen-(MTI)-Module von Valisys möglich ist. Die SOMaC verwendet eine interpretierende C-Sprache oder etwas entsprechendes für ihren Betrieb, obwohl irgendeine geeignete Programmiersprache benutzt werden könnte. Die interpretierte Information ist in von Menschen lesbaren Textdateien gespeichert. Die SOMaC stellt die primäre grafische Bedienschnittstelle (GUI) für das SOMaC-Verfahren bereit und kommuniziert mit anderen MTIs, um sich selbst vor Maschinenspezifika zu isolieren und ihre allgemeine Anwendbarkeit zu verbessern.
  • Die MTI der SOMaC stellt die primäre Schnittstelle für den Menschen für das SOMaC-Verfahren bereit und kommuniziert auch direkt mit anderen MTIs. Während dieses Modul nicht direkt mit den Nachfolgervorrichtungen oder den NC-Maschinen kommuniziert, kommuniziert es mit den Werkzeugmaschinenschnittstellen (MTIs), welche mit den Nachfolgervorrichtungen kommunizieren. Die folgenden Funktionen sind vorzugsweise in dem SOMaC-Modul integriert:
  • 1. BENUTZERSCHNITTSTELLE
  • Die Benutzerschnittstelle ist nach dem Benutzerschnittstellenstandard Motif an Windows orientiert.
  • 2. SYSTEMKONFIGURATIONSMANAGEMENT
  • Der Benutzer kann eine Systemkonfiguration spezifizieren, speichern und abrufen. Elemente der Systemkonfiguration umfassen: die Anzahl und den Typ der zu verwendenden Nachfolgervorrichtungen; den Genauigkeitswert Schwellenwert, den Grenzwert Iteration; die Kombination der zu steuernden Maschinenachsen; eine Anzeigegenauigkeit und ein Dateiformat des Logs.
  • 3. ACHSENUMSETZUNGEN
  • Der Koordinatenreferenzrahmen des Nachfolgersystems ist mit dem Referenzrahmen der Maschine ausrichtbar, wobei ein "Anpassen mittels drei Punkten" oder ein "Anpassen mittels Fehlerquadrat" eingesetzt wird. Ein Anpassen mittels drei Punkten verwendet nur drei Punkte gemeinsam mit dem Nachfolger und der Maschine, um die Umsetzungsmatrix von dem Referenzrahmen des Nachfolgers zu dem Referenzrahmen der Maschine zu berechnen. Die Anpassung mittels Fehlerquadrat führt die Umsetzung durch, wobei mehr als drei gemeinsame Punkte verwendet werden. Beide Verfahren kommen jedoch zu dem Ziel, die Nachfolgermessungen in Koordinaten umzusetzen, welche für die Koordinaten der Maschine sinnvoll sind. Wenn diese Umsetzung einmal durchgeführt worden ist, stellt die SOMaC automatisch eine von einem Menschen lesbare Echtzeitanzeige einer tatsächlichen (Laser-) Maschinenposition zur Verfügung, welche von dem Operator der Maschine gelesen und direkt mit der Maschinen unabhängigen Positionsanzeige verglichen werden kann. Diese Umsetzung muss nicht genau sein, da zukünftige Messungen von kritischen Merkmalen auf dem Teil die Beziehung zwischen dem Nachfolger und dem Teil definieren.
  • 4. FEHLERAUFARBEITUNG
  • Während eines Bohr- oder Prüfverfahrens kann das Lasernachfolgersystem die Sicht auf einen oder mehrere Ziele auf dem Endeffektor der Maschine verlieren und nicht in der Lage sein, den Kontakt wiederherzustellen. Die Nachfolger"Verriegelung" kann unterbrochen sein, wenn der Retro-Reflektor des Endeffektors (Ziel) sich hinter den einsetzbaren Bereich dreht, eingreifende Strukturen die Nachfolger und den Retro-Reflektor (Ziel) blockieren oder eine notdürftige Reparatur/Wartung diese verschleiern. Das SOMaC-Modul stellt drei Fehleraufarbeitung-Techniken zur Verfügung: manuell, "Vorgriff" und "Nachgriff" vom Verlust des Strahls aus.
  • Das manuelle Verfahren ermöglicht dem Operator, das Verfahren anzuhalten und manuell das Ziel zu dem Nachfolger zurückzubringen, um den Kontakt wieder aufzubauen. Der Operator platziert das Ziel an einer bekannten (Ausgangs-) Position, welche der Nachfolger misst. Dann bewegt der Operator das Ziel zu der tatsächlichen Position während der Nachfolger dem Ziel nachfolgt. Auf diese Weise kennt der Nachfolger die tatsächliche Position mit Bezug zu der Ausgangsposition.
  • Das "Vorgriff"-Verfahren bewirkt, dass die Nachfolgervorrichtung auf die Position der als nächstes angeforderten Messung weist und wartet, dass das Ziel in Sicht kommt. Wenn es in Sicht ist, kann die SOMaC den Nachfolger anweisen, eine genaue Messung zu erfassen. Das Vorgriffverfahren kann nur bei Nachfolgersystemen eingesetzt werden, welche die Fähigkeit einer absoluten Abstandsmessung besitzen. Nachfolgersysteme mit Laserinterferometern messen relative Veränderungen in einem Bereich und müssen daher eine Startindexposition mit bekannten Koordinaten einer ausreichenden Genauigkeit haben. Nachfolgersysteme mit Laserradarabstandsmesssystemen messen absolute Bereiche von dem Nachfolger zu dem Ziel und benötigen keinen genauen Index. Daher können diese Systeme angewiesen werden, auf die nächste Messposition des Ziels "vorzugreifen".
  • Das "Nachgriff"-Verfahren bewirkt, dass die Maschine entlang ihres Pfades zu dem Punkt der letzten Messung, bevor der Fehler aufgetreten ist, zurückkehrt. Der Nachfolger wird dann angewiesen, zu diesen Koordinaten zurückzukehren und ist in der Lage, eine Nachverfolgung wieder aufzunehmen, vorausgesetzt, dass dann der Bereich zu dem Ziel derselbe ist, wel cher zuletzt gemessen worden ist. Das "Nachgriff"-Verfahren ist empfindlich bei Abstandsfehlern, wenn die Wiederholpräzision der Maschine unterhalb akzeptabler Toleranzgrenzen liegt, da es der Maschine vertraut, die "wahre" Position einzurichten. Daher führt jede Verwendung des "Nachgriff"-Verfahrens einen Fehler in die absolute Position ein, was einem räumlichen Fehler der Wiederholpräzision der Maschine entspricht. Wenn der Strahl eine erhebliche Anzahl mal verloren wird, tritt eine Drift mit dem "Nachgriff"-Verfahren auf.
  • 5. NC-PROGRAMMSTEUERUNG
  • Das SOMaC-Modul befindet sich in einer Steuerung von "stückweise zuzuführenden" Blöcken von Bewegungsanweisungen an die Steuereinheit der Maschine. Das SOMaC-Modul ermöglicht dem Operator, dem Programmierer oder einem Post-Prozessor, benutzerdefinierte Schlüsselworte in das Bewegungsprogramm einzufügen, welche anzeigen, wann eine Prüfung einer Position des Nachfolgers (und eine Anpassung der Maschine, wenn es angemessen ist) auftritt. Alternativ können existierende Zeichenketten als Schlüsselwörter verwendet werden. Die SOMaC aktualisiert die Maschinenposition mit Lasernachfolgerdaten nur, wenn sie auf ein Schlüsselwort stößt. Das folgende Beispiel verwendet "Miss SOMaC" als das Schlüsselwort:
    ...
    N101X50.000Y100.000Z5.000A90.00C0.00
    N102 (MSG, Miss SOMaC)
    N103G1Z2.4
    N104X51.000Y101.000Z5.020A90.00C0.00
    N105 (MSG, Miss SOMaC)
    N106G92X50.000Yl00.000Z5.000
    ...
  • Beim Auftreten des Schlüsselworts "Miss SOMaC" veranlasst das SOMaC-System das Nachfolger-Interferometer (oder ein anderes unabhängiges Messsystem), die momentane Position der Maschine zu messen. Wenn das Iterationsverfahren für diese Messung abgeschlossen ist, wird die Maschine genau derart wieder positioniert, dass die von dem Bewegungsprogramm angewiesene Position mit der wahren räumlichen Position übereinstimmt. Dann wird der Block, welcher dem Schlüsselwort folgt, ausgeführt. In unserem Beispiel wird bei Block N106 ein Loch gebohrt (Z 5.000). Das Bewegungsprogramm wird dem Operator auf einem Monitor angezeigt, wenn die Bewegungsanweisungen der Maschinensteuereinheit "stückweise zugeführt" werden, so dass der Operator den Teilprogrammvorgang bestätigen kann.
  • B. Nachfolgersystemsoftware
  • Die Nachfolgersystemsoftware (BoTrack, 4) ist eine in C geschriebene DOS-Anwendung, welche sich auf der Lasermesssystemsteuereinheit befindet. Diese Software empfängt Anweisungen von der Nachfolgerschnittstelle, nimmt Messwerte auf und berichtet die gemessenen Koordinaten an die Nachfolgerschnittstelle. Zusätzlich kommuniziert diese Software mit einem Refraktometer bezüglich einer Wellenlängenkompensation des Lasers, wie es vorab beschrieben ist. Um den Brechungsindex vor jeder Abstandsmessung zu aktualisieren, fragt die Software das Refraktometer bezüglich des momentanen Brechungsindex ab. Die Software vergleicht den momentanen Brechungsindex mit dem letzten Brechungsindex. Wenn sich die Werte um mehr als einen vorbestimmten Umfang unterscheiden, wie z. B. um 0,5 zu einer Million, verändert die Software den gespeicherten Wert des Brechungsindex auf den momentanen Wert und verwendet den momentanen Wert, um den Abstand zu berechnen. Auf diese Weise werden jeweils die genausten Umgebungsbedingungen verwendet, wenn eine Abstandsmessung und Abstandsberechnung in dem Prozessor des Nachfolgers vorgenommen wird.
  • Diese Software isoliert die SOMaC-Workstationsoftware von jeglichem bestimmten Typ von Mess-Hardware oder Software. Diese Flexibilität erhöht eine Verwendbarkeit der SOMaC in der Fabrik, da die SOMaC mit jeder Hardwarekombination, auf welche sie trifft, mit einem minimalen Softwareentwicklungsaufwand verwendet werden kann.
  • Die Software arbeitet in zwei Modi- automatisch und diagnostisch. Der automatische Modus wird verwendet, wenn sich die SOMaC im Betrieb befindet. In dem automatischen Modus antwortet die Software automatisch auf Anweisungen, welche von dem SOMaC-Modul gesendet werden. In dem diagnostischen Modus verwendet der Operator Anweisungen in der Menüstruktur, um verschiedene Aufgaben durchzuführen.
  • C. Automatische Skalierung
  • Im Folgenden diskutieren wir eine automatische räumliche Einstellung der NC-Mittel, um Temperatureffekte bei der Fertigungsumgebung zu korrigieren. Wir bezeichnen dieses Merkmal im Allgemeinen als "automatische Skalierung".
  • Numerisch gesteuerte (NC-) Werkzeugmaschinen empfangen Positionierungsanweisungen über eine von einem Menschen lesbaren Maschinensprache, welche NC-Mittel oder Maschinensteuer-Daten genannt werden. Die NC-Mittel werden (entweder manuell oder mit Unterstützung eines Computers) von einer technischen Zeichnung oder einem computerunterstützten Entwurfs-(CAD-) Modell (d.h. einem digitalen Datensatz) des Teils erzeugt. Technische Zeichnungen oder das CAD-Modell stellen die gewünschte Konfiguration des eigentlichen Teils dar. Reale Teile verändern jedoch gewöhnlicher Weise die Größe gemäß einer Funktion der Umgebungstemperatur. Die Materialien weisen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf, welcher angibt, wie viel sie sich abhängig von einer Temperaturänderung ausdehnen oder zusammenziehen. Um dieses Problem zu würdigen, verbinden die meisten technischen Zeichnungen und CAD-Modelle die entworfenen Abmessungen mit einer bestimmten Referenztemperatur, welche international mit 20°C (oder 68°F) festgelegt ist. Das Material des Teils befindet sich niemals exakt bei 20°C zur Zeit der Bearbeitung. Daher kann ein Problem existieren, das Teil derart aufzubereiten, dass es die Entwurfsabsicht, welche in den technischen Zeichnungen oder in dem CAD-Modell abgebildet ist, wiedergibt. Wenn ein Teil bearbeitet wird, wenn es heißer als 20°C (auch wenn es sich nur um wenige Grad handelt) ist, unterscheidet sich das ergebende Teil wahrscheinlich bezüglich der Abmessung von dem nominalen, wenn es auf die Referenztemperatur von 20°C abgekühlt ist. Abhängig von dem Material, Toleranzen und der Temperatur kann sich das bearbeitete Teil in einer Toleranz befinden, wenn es bearbeitet wird, aber es kann sich außerhalb der Toleranz befinden, wenn es zu der Referenztemperatur ins Gleichgewicht gebracht ist. Um die Sachlage noch zu ver schlimmern, weist jedes Material einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf und eine Flugzeuganordnung kann eine große Anzahl und eine große Auswahl von Materialien umfassen. Auch die Fräsmaschine verändert die Form, wenn sie sich aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht.
  • Die herkömmlichen Ansätze zur Korrektur der Abmessungs- und Formänderung, welche aufgrund von Temperaturänderungen auftreten, umfassen ein Steuern der Temperatur der Fabrik oder ein Erfassen der Fabriktemperatur und ein Anwenden einer empirischen Anpassung auf die Encoder der Maschine abhängig von der Temperaturmessung. Wie wir erklären werden, erzielen diese Lösungen, auch wenn sie kombiniert werden, keine genaue Bearbeitung.
  • Die Effekte der Temperatur auf eine Präzisionsherstellung von Teilen und ihre nachfolgende Anordnung können sehr teuer sein. Komponenten, welche in verschiedenen Fabriken und bei unterschiedlichen Temperaturen hergestellt worden sind, können nicht geeignet zusammengebaut werden, was eine Nacharbeit, Ausschuss oder Verzögerungen im Zeitplan nach sich zieht. Die Auswirkung ist speziell für Anordnungen, welche auf einer genauen Platzierung von Koordinationsmerkmalen (speziell Löchern) für eine genaue Anordnung in Produkten beruhen, welche eher genauer den technischen Entwurf als die Form des Montagewerkzeugs widerspiegeln, schwerwiegend. Das US-Patent 5,033,014 diskutiert dieses Problem Entwurf gegenüber Werkzeug mit mehr Details. Die Luft- und Raumfahrt ist ein Bereich, bei welchem ein Leistungsverhalten des Produkts wesentlich von sogar kleinen Veränderungen oder Abweichungen der Anordnung, "wie sie gebaut ist", von dem beabsichtigten Entwurf beeinträchtigt wird. Daher gibt es ein beträchtliches Bedürfnis, die Bearbeitung anzupassen, um den Temperaturänderungen der Fabrik und des Teils Rechnung zu tragen. Die Lösung muss iterativ erfolgen, um eine Skalierung über den gesamten Bearbeitungsvorgang hinweg zu ermöglichen, welcher Stunden oder Tage andauern kann.
  • Eine Schiefstellung (ein Kippen) von Teilen und Maschinen ist eine wichtige Betrachtung, da die Temperaturänderungen, welche eine Ausdehnung oder ein Zusammenziehen bewirken, zu einem Kippen der Maschine, des Teils oder des Nachfolgers führen können. Wir platzieren Neigungsmesser auf jedem von diesen, um für ein Alarmsignal zu sorgen, wenn sich die räumliche Beziehung zwischen diesen geändert hat. Wenn eine Kippalarmbedingung auftritt, muss der Operator den Nachfolger wieder bezüglich des Teiles kalibrieren.
  • Eine automatische Skalierung ist eine thermische Kompensationstechnik, welche bei industriellen optischen Prüfsystemen, wie z.B. Messbildverfahren, Theodoliten und Lasernachfolgern, anwendbar ist. Die automatische Skalierung misst die Position von tatsächlichen Teilreferenzen oder Merkmalen, bestimmt, um wie viel sich das Teil ausgehend von seinem Entwurfsreferenzzustand tatsächlich ausgedehnt (oder zusammengezogen) hat, und verwendet dann einen Größenänderungskompensationsfaktor (eine Skalierung) für nachfolgende Positionierungsvorgänge. Die Technik der automatischen Skalierung vertraut nicht auf einer Messung der Teiltemperatur, sondern beruht auf der tatsächlichen Größe des Teils. Der Faktor der automatischen Skalierung ist ein Verhältnis (ausgedrückt als ein Dezimalwert) der "tatsächlichen" Größe des Teils gegenüber der Referenzgröße. Der Skalierungsfaktor ist eine "beste Anpassung" des tatsächlichen Teils auf der Grundlage seiner gemessenen Geometrie verglichen mit seiner Referenzgeometrie. Tatsächliche Werkstücke unterliegen nichtlinearen Veränderungen, welche auf einer Anzahl von Faktoren beruhen. Wir überprüfen unseren Skalierungsfaktor gegenüber unabhängigen Temperaturmessungen und Teilgrößenwachstumsmodellen, um Missverhältnisse zu minimieren und ein unerwartetes Verhalten zu erfassen. Wir führen die Teilpositionsberechnungen in Verbindung mit der automatischen Skalierung durch.
  • Eine automatische Skalierung arbeitet in drei Dimensionen, indem die Volumenänderung des Teils auf Grundlage einer Bewegung der Teilereferenzen oder Merkmale abgeschätzt wird. Während drei Werkzeugkugeln ausreichen, um ein 3D-Koordinatensystem aufzubauen, bevorzugen wir eine größere Anzahl von Werkzeugkugeln, um eine feinere Abstufung von Veränderungen über dem Arbeitsbereich zu erhalten. Wir können irgendwelche drei Kugeln verwenden, um eine Referenzebene aufzubauen und können das Teil in Bereiche aufteilen oder können ein Biegen, Aufweiten oder Verdrehen in dem Teil mit den dazwischen liegenden Kugeln nachweisen. Wir implementieren die automatische Skalierung, indem wir dieselben Werkzeugkugeln verwenden, welche wir auf Teilen oder Werkzeugen zur Durchführung einer Theodolit-Qualitätsprüfung platzieren. Die automatische Skalierung ist bei der Software, welche wir entworfen haben, mit Temperaturänderungen verbunden. Das heißt, wir nehmen Messungen der Werkzeugkugeln auf Grundlage von Veränderungen einer ausreichend großen (Schwellenwert-) Veränderung bei der Fabriktemperatur vor. Wir könnten jederzeit bei Temperaturänderungen von zum Beispiel 1°C (2°F) wieder skalieren. Eine Echtzeitausrichtung ist nicht mit einer Temperaturänderungsansteuerung zur Messung und erneuten Skalierung verbunden. Stattdessen wird das System bei der Echtzeitausrichtung kontinuierlich vor jedem Bearbeitungsvorgang wieder skaliert, indem die Werkzeugkugeln gemessen werden.
  • Wenn zum Beispiel der Abstand zwischen zwei Löchern auf einem Teil bei der Entwurfsreferenztemperatur 2,54 m (100 Zoll) beträgt und der tatsächlich gemessene Abstand auf dem warmen Teil mit 2,542 m (100,10 Zoll) gemessen wird, würde der Faktor der automatischen Skalierung 2,542/2,54 (100,1/100,0) = 1.001000 betragen. Wenn zwei zusätzliche Löcher mit einem Abstand von 5,08 m (200 Zoll) gebohrt werden müssen, wenden wir den Faktor der automatischen Skalierung auf den erwünschten Wert von 5,08 m (200 Zoll) an und bohren die zwei Löcher tatsächlich 5,085 m (200,2 Zoll) beabstandet. Wenn das Teil zu der Referenztemperatur zurückkehrt, sind die zwei Löcher genau 5,08 m (200 Zoll) beabstandet, wie es erwünscht ist.
  • Eine automatische Skalierung oder eine Echtzeitausrichtung ist nützlich, wenn das fragliche Teil über eine relativ lange Zeitspanne und in verschiedenen Stufen hergestellt wird, wobei es möglicherweise vielen verschiedenen Temperaturzuständen ausgesetzt ist. Tatsächlich ist der Haupteffekt der automatischen Skalierung, dass das Teil bei einer Vielzahl von thermischen Zuständen bearbeitet werden kann und sogar, wenn solche vorliegen, bestens mit den technischen Entwurfsabmessungen übereinstimmt.
  • Die automatische Skalierung beruht auf einem vorab ermittelten Satz von Koordinaten für eine Reihe von Merkmalen auf dem Teil von Interesse. Diese Daten, welche als Referenzdatei bezeichnet werden, können von irgendeinem Prüfsystem mit einer für die Anwendung ausreichender Genauigkeit erzeugt werden. Die Koordinaten in der Referenzdatei stellen die Position der Merkmale (gewöhnlicher Weise in dem Referenzsystem des Teils) typischerweise bei 20°C dar. Die Koordinaten werden bestimmt, wobei sich das Teil bei der Entwurfsreferenztemperatur im Gleichgewicht befindet oder indem Prüfdaten skaliert werden. Diese Referenzdatei wird ein einzigartiger Datensatz, welcher dem Teil zugeordnet ist und welcher bei den nächsten Schritten des Verfahrens der automatischen Skalierung verwendet werden kann.
  • Automatische Skalierung:
    • (1) Erzeugt eine Referenz-CAD-Datei für das Teil (transportable Hardware, Werkzeuge, Messinstrumente, Halteeinspannvorrichtungen, usw.);
    • (2) Montiert das Teil an dem Maschinenbett;
    • (3) Misst die Referenzen (wobei ein Maschinenberührungsfühler oder ein unabhängiges Prüfsystem verwendet wird);
    • (4) Berechnet den Skalierungsfaktor;
    • (5) Wendet den Skalierungsfaktor bei den Maschinensteuermitteln an;
    • (6) Bereitet die Maschine zum Bearbeiten an den eingestellten Koordinaten vor; und
    • (7) Fährt fort, das Teil mit der neu eingestellten Skalierung zu bearbeiten, bis die Temperatur sich derart ausreichend verändert hat, dass eine erneute Skalierung notwendig ist, oder skaliert fortwährend neu (für die Implementierung der Echtzeitausrichtung).
  • Die automatische Skalierung misst die Fabrikumgebungstemperatur oder die Teiltemperatur oder beides. Die Zunahmen zum Auslösen einer erneuten Skalierung werden mit Abständen ausgewählt, bei welchen die Temperaturänderung merkliche Veränderungen in der Bearbeitungsgenauigkeit erzeugen und liegen im Allgemeinen bei 1–2,5°C (2–5°F). Eine fortwährende Skalierung ist im Allgemeinen nicht erforderlich. Ein Auswählen von vernünftigen Zunahmen zur erneuten Skalierung verringert den Betrieb des Computers.
  • D. Echtzeitausrichtung
  • Die Temperatur ist nur ein zu berücksichtigender Faktor. Eine genaue Platzierung von Merkmalen auf Teilen erfordert genaue Maschinen. Große Maschinen, speziell Bohrmaschinen, sind aufgrund einer Temperaturänderung, einer Bodenbewegung, einer Maschinenpositionierungsgenauigkeit (Geradheit, Rechtwinkligkeit, linearer Positionierung, usw.) oder Verschleiß inhärent ungenau. Die frustrierendsten Probleme sind natürlich die Umgebungsbedingungen, welche schwierig zu steuern und unvorhersehbar und schwierig zu reproduzieren sind, wie z.B. eine Bodenbewegung, welche mit den Gezeiten des Ozeans verbunden ist. Die Effekte sind oft nicht linear oder chaotisch. Sie können die räumliche Beziehung der Maschine und des Teils während eines Fertigungslaufs verändern, was Ungenauigkeiten erzeugt.
  • Dass die Maschinen und Werkzeuge massiv hergestellt sind, so dass sie einem Verdrehen und Biegen aufgrund von natürlichen, äußeren Kräften widerstehen, ist gängig und teuer. Bei der genauen Bearbeitung ist meistens eine häufige Kalibrierung und erneute Kalibrierung erforderlich, was die Kosten erhöht. Die Zeit, welche erforderlich ist, um zu kalibrieren, kann länger als die Periodizizät des Phänomens (Gezeiten, Temperatur, und so weiter) sein, welches die räumliche Beziehung Teil-Maschine verändert. Wenn die Kalibrierung langsamer als die Veränderungsperiode ist, werden die Kalibrierungseinstellungen schwer einen akzeptablen Grad bezüglich Zuverlässigkeit aufweisen.
  • Bei unserer bevorzugten Ausführungsform implementieren wir eine Echtzeitausrichtung (RTO), wobei eine absolute Entfernung messende Nachfolger-Interferometer verwendet werden. Diese Vorrichtungen sind in der Lage, den genauen Abstand zu einem optischen Ziel zu messen, und können mittels drehenden Steuerungen ausgerichtet werden, um Daten von einer Reihe von Zielen zu sammeln. Die Kombination der Abstands- und Winkelmessungen werden für jede Zielposition in eine räumliche 3D-Position umgesetzt. Große Teile werden genau konstruiert, indem zuerst Referenzpositionen oder kritische Merkmale in dem Teilvolumen kreiert werden. Diese kritischen Merkmale werden durch Operatoren "überprüft", um das Teil genau im Zusammenhang mit den Merkmalen und gekoppelt mit dem Koordinatensys tem der Maschine anzuordnen. Oft sind diese kritischen Merkmale "Werkzeugkugeln" oder Kreise, welche auf Stiften angebracht sind, welche genau auf dem Teil angeordnet sind.
  • Das Echtzeitausrichtungsverfahren:
    • (1) Bestimmt die Beziehung (nominal) zwischen dem Nachfolger und der Maschine, indem die Maschine entlang einer vorbestimmten Bahn läuft, während die Position mit dem Nachfolger verfolgt wird;
    • (2) Erzeugt ein Referenzprogramm, welches eine Reihe von 3-dimensionalen Positionen für einen Satz (Minimum von 3) der optischen Ziele definiert, welche auf einem Teil angebracht sind;
    • (3) Zwischen jedem Bohrvorgang wird die Position jedes Ziels mit dem Nachfolger gemessen;
    • (4) Berechnet die mathematische Umsetzung zwischen den nominalen Positionen und den momentanen Positionen der Referenzziele;
    • (5) Wendet die Umsetzung auf die Maschinenmittel an; und
    • (6) Führt die umgesetzten Mittel der Maschine zu.
  • Die Messungen erlauben es der Maschine in unserem Fall in die vorgesehene Position trotz Verschiebungen oder Drehungen des Teils, der Maschine oder beiden zu bohren. 6 & 7 stellen das Verfahren dar. In 6 baut die RTO den gemein samen Bezug zwischen der Maschine und dem Teil auf. Wenn sowohl die Maschine als auch das Teil zu einer versetzten Position verschoben werden, wie es in 7 dargestellt ist, erzeugen die RTO-Messungen eine Umsetzung (d.h. einen Fehlerkorrekturvektor) für die Maschinenmittel, um der Maschine dennoch zu ermöglichen, an der vorgesehenen (nominalen) Position zu bohren. Das heißt, die RTO ermöglicht trotz einer Bewegung der Maschine, des Teils oder beiden und trotz eines Wachstums oder eines Schrumpfens der Maschine, des Teils oder beiden eine genaue Bearbeitung. Die RTO trägt den "notwendigen Teufeln" einer tatsächlichen Herstellung mittels einer robusten Lösung Rechnung (zumindest für Maschinen mit einer 5-achsigen Eigenschaft).
  • Unsere Technik beruht auf einem vorab ermittelten Satz von Koordinaten für eine Reihe von optischen Zielen auf dem Teil von Interesse. Die Software sorgt für ein Verfahren, um die Ziele zu definieren, vorab zu messen und dann auszurichten. Wenn die Ziele die Position aufgrund von mechanischen, thermischen oder anderen Effekten verändern, wird ein am besten passender Standort des Satzes von Zielen nach verfolgt. Die NC-Mittel, welche der Maschinensteuereinheit zugeführt werden, werden laufend modifiziert, wenn das Teil in Korrelation mit der gemessenen Position und den Ausrichtungsänderungen in dem Teil gebohrt wird. Zwischen Bohrvorgängen wird die Position des Teiles überwacht. Der nächste Bohrvorgang wird verschoben und durch einen Skalierungsfaktor skaliert, wie es geeignet ist, um das Loch in der korrekten Position relativ zu den vorher gehenden Löchern und dem technischen Entwurf anzuordnen.
  • Für die Echtzeitausrichtung wird die tatsächliche Position der Referenzmerkmale kontinuierlich oder inkrementell zwischen jedem Bearbeitungsvorgang mit den einen absoluten Abstand messenden Laserabstandsmessern überwacht. Der Computer berechnet die Koordinatenumsetzung, welche zwischen den Entwurfs-(nominalen) Positionen der Referenz und der tatsächlichen, gemessenen Position aufgetreten ist, und wendet den geeigneten Skalierungsfaktor an, um die NC-Mittel anzupassen.
  • Das folgende einfache Beispiel und 6–8 erläutern das Echtzeitausrichtungsverfahren. Mindestens drei optische Ziele 800 befinden sich auf dem Teil 810 und mindestens drei befinden sich auf dem Endeffektor 820 der Maschine oder des Roboters 830. Sie sind auf dem Teil beabstandet, um seine physikalischen Eigenschaften darzustellen. Mit einer Verwendung von vielen Zielen auf dem Teil kann für eine verbesserte Empfindlichkeit oder mehr Details von kritischen Belangen gesorgt werden. Die anfänglichen Standorte der Teile werden gemessen, indem die Standorte auf ihren Zielen bestimmt werden. Für jede Bohrposition misst der Nachfolger oder die Nachfolger 840 die Positionen der Ziele auf der Maschine und auf dem Teil und die SOMaC berechnet den entsprechenden Skalierungsfaktor und die entsprechende Positionierungsanpassung. Eine Differenzkorrekturanweisung passt die Maschinenmittel an, um das Schneidewerkzeug zu der tatsächlichen Position für seinen nächsten Vorgang zu bewegen. Veränderungen in der Beziehung von der Maschine zu dem Teil sind unwichtig, wenn die Maschine eine 5-achsige (sechs Freiheitsgrade) Werkzeugmaschine ist. Das heißt, die Bohrspitze auf einer 5-achsigen Bohrmaschine oder Roboter kann bezüglich Verschiebungs- und Drehfehlern vollständig kompensiert werden, wenn die Veränderun gen im Verhältnis zu dem Bearbeitungsvorgang langsam sind (wie z.B. solche, welche mit Gezeiten- oder Temperaturänderungen verbunden sind). Ein Minimum von drei optischen Zielen 800 auf der Maschine 830 und auf dem Teil 810 ist erforderlich, um sowohl das Teil als auch die Maschine in sechs Freiheitsgraden nach zu verfolgen. Anpassungen werden auf Grundlage der zuletzt gemessenen Position des Teils und der Maschine oder der technischen Entwurfsreferenz vorgenommen.
  • Das Messen der Position des Teils und der Maschine zur Echtzeitausrichtung nimmt bis zu ungefähr 10 Sekunden für die sechs optischen Abstandsmessungen in Anspruch, wenn wir Zeit bei der Messung zur Verfügung stellen, um thermisches Rauschen zu kompensieren. Wie oft der Operator die Abstandsmessungen vornehmen sollte, hängt von der Steifigkeit der Maschine, den Temperaturschwankungen und der Änderungsrate in der Fabrik, der Schiefstellung der Maschine bezüglich des Teils und dem Zeitintervall zwischen Bearbeitungsvorgängen, neben anderen Faktoren ab. Das System kann einfach Temperatur-, Kipp-, Zeit- oder andere entsprechende Alarme einbeziehen, um eine erneute Kalibrierung (Abstandsmessungen) zu vorgeschriebenen Intervallen zu erzwingen. Anweisungen in den NC-Mitteln können auch Abstandsmessungen zu vorbestimmten Punkten bei der Bearbeitung auslösen, wie es vorab beschrieben ist, was speziell wichtig ist, um Koordinationsmerkmale genau anzuordnen.
  • Während das automatische Skalierungs- und Echtzeitausrichtungsverfahren mit Bezug auf die Bearbeitung beschrieben worden sind, werden sie auch bei der Prüfung verwendet. Das SO-MaC-System kann verwendet werden, um das Teil genau zu bear beiten, aber es kann auch verwendet werden, um das bearbeitete Teil zu prüfen. Die Prüfung ist wahrscheinlich eine genauso wichtige Funktion wie das Steuern der Bearbeitung, da sie die Kosten, welche mit dem Kauf und der Wartung von einem speziellen Prüfwerkzeug verbunden sind, verringert, speziell bei einer Koordinatenmessmaschine (CMM); wobei das Teil zu der Koordinatenmessmaschine geleitet wird; und eine bekannte räumliche Beziehung zwischen dem Teil und der CMM aufgebaut wird, um eine endgültige Prüfung des Teils zu ermöglichen. Indem das Teil auf der Maschine überprüft wird, ist es möglich, aufzudecken, wenn die Grundursache für Änderungen in der Teilkonfiguration, welche nach einem Entfernen des Teils von seinem Werkzeug auf der Maschine auftreten, tatsächlich das Ergebnis von Entwurfsfehlern oder Transportunfällen und nicht von einer ungenauen Bearbeitung sind. Für eine Prüfung ersetzt eine Prüfsonde das Schneidewerkzeug in der Maschinenspindel. Die Maschine bewegt die Sonde gemäß der vorgesehenen digitalen Definition durch die vorbestimmte Prüfroutine. Bei jeder Position, bei welcher eine Prüfung eines Merkmals auftritt, wendet die SOMaC-Software die entsprechenden Positionsanpassungen bezüglich einer Ungenauigkeit der Maschine und bezüglich Umgebungsfehlern an.
  • Die erfindungsgemäßen Techniken kompensieren eher äußere Ereignisse der realen Welt, als dass sie versuchen, das natürliche Auftreten dieser Ereignisse zu steuern oder zu vermeiden. Sie erzeugen schneller Teile von einer noch nie da gewesenen Präzision und Genauigkeit, als es selbst mit den qualifiziertesten Handwerkern, welche in den am besten gesteuerten Umgebungen arbeiten, erreichbar wäre. Diese Verfahren ermöglichen einfache, kostengünstige Maschinen, um genaue Teile herzustellen und verstärken den Weg für eine schlanke und bewegliche Herstellung in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Gleiche Maschinen können eingesetzt werden, um einen großen Bereich von Teilen mit einer außergewöhnlichen Genauigkeit und Präzision herzustellen, wodurch Kapitalkosten und Fabrikgröße stark verringert werden.
  • III. Kalibrierung des Systems
  • Anfänglich werden der Nachfolger und die Maschine "ausgerichtet", indem ein Ausrichtungsmittelprogramm läuft. Das Programm leitet die Maschine auf einem vorbestimmten Kurs durch einen repräsentativen Bereich während der Nachfolger "nach folgt" (d.h. die Bewegung erfasst). Die Beziehung zwischen dem Koordinatensystem des Nachfolgers und dem Koordinatensystem der Maschine wird dann berechnet, um für eine "grobe" Ausrichtung zu sorgen. Die Beziehung ist "grob", da die Position des Teils relativ zu der Maschine nicht exakt ist. Die Bewegung der Maschine beinhaltet die inhärente Ungenauigkeit der Maschine in Bezug auf das Ideal.
  • Ein Fühler misst kritische Merkmale auf dem Teil, gewöhnlicher Weise durch Berührung, wobei zum Beispiel eine Prüfsoftware von Valisys verwendet wird, wie es in 6 dargestellt ist. Wir berechnen eine Umsetzung zwischen den gemessenen Daten des Nachfolgers und dem Referenzsystem, welche in dem Teil in seiner digitalen Definition angeordnet ist, wenn sie in die NC-Mittel umgesetzt sind. Die Umsetzung basiert auf der Messung der kritischen Merkmale mit dem Berührungsfühler (welcher basierend auf einer Laserrückmeldung ausgehend von dem groben Ausrichtungsverfahren korrigiert wird). Die Posi tion des Teils, welche auf der Information der kritischen Merkmale basiert, ist nun vollständig in dem Referenzrahmen des Nachfolgers bekannt. Die Software passt die NC-Mittel erneut an, damit sie der "wie positionierten" Position des Teils entspricht. Eine erneute Ausrichtung des Teils ist nicht erforderlich. Natürlich muss die tatsächliche Position des Teils und die Referenzposition von den Entwurfsdaten für den Prüffühler dicht genug an der angestrebten Position des Teils sein, um das Teil in ungefähr der richtigen Position zu bewerten. Der Prüffühler muss das beabsichtigte Merkmal tatsächlich identifizieren. Die Software ermöglicht dem Operator, dem System zu "lehren", wo sich das Teil befindet, wobei ein Prüfvorgang eines einfachen Einzelpunktes (Lernpunkt) verwendet wird. Alles wird dann am Ort verriegelt, indem die Position des Teiles mit Prüfungen der kritischen Merkmale verfeinert wird. Der Nachfolger kann auch Positionen der kritischen Merkmale (reflektierende Ziele, welche auf dem Teil angebracht sind) messen, was ermöglicht, dass der Betrieb vollständig unabhängig von Valisys und unabhängig von dem Koordinatensystem der Maschine ist. Der Nachfolger misst die Position des Teils direkt und führt die Maschine dann direkt zu dem richtigen Fleck auf dem Standort des Teils und führt die Maschine dann auf Grundlage der CAD-Entwurfsabsicht der technischen Spezifikation zu dem richtigen Fleck auf dem Teil. Die Position der kritischen Merkmale muss in demselben Referenzrahmen ausgedrückt werden, wie die NC-Mittel.
  • Zusätzliche Details des SOMaC-Systems sind in unserem Artikel vorhanden: „Optical End-Point Control for NC Machinery", SAE 97MP-12, 4. Juni 1977.
  • 9 ist ein typisches Histogramm, welches die tatsächlich gemessene Genauigkeit und Präzision (Wiederholpräzision) der Lochplatzierung darstellt, für welche die SOMaC-Steuerung sorgen kann. Der Graph stellt den Versatz bezüglich der wahren Position des Loches von der beabsichtigten Position entlang der Ordinate (X-Achse) und die Zahl bezüglich der vorhandenen Lochanzahl dar, welche auf der (Y-Achse) für 197 Löcher mit einem Durchmesser von 0,3275 Zoll genau und welche mit einer Nachfräsmaschine unter SOMaC-Steuerung gebohrt sind. Die Position der Löcher wurde mit Prüfanalysewerkzeugen von Valisys bestimmt. Löcher, welche um 0,0 bis 2,4 × 10–3 cm (0,001 Zoll) versetzt sind, wurden mit 0,001 gewertet. Solche Löcher, welche von 2,8 × 10–3 bis 5 × 10–3 cm (0,0011 bis 0,002 Zoll) versetzt sind, wurden mit einem Versatz von 5 × 10–3 cm (0,002 Zoll) gewertet und so weiter für diesen Bereich. Die wahre Position ist von der vorgesehenen Entwurfsposition um einen mittleren Fehler von nur 1,0 × 10–2 cm (0,004 Zoll) (einem radialen Positionierungsfehler von nur 5 × 10–3 cm (0,002 Zoll)) versetzt mit einer Standardabweichung des Positionierungsversatzes von 5 × 10–3 cm (0,002 Zoll). Diese Löcher wurden unter Verwendung von "besten verarbeitenden" Praktiken gebohrt. Diese Verteilung und die Ergebnisse, welche im Allgemeinen mit SOMaC erzielt werden, sind eng um den Mittelwert herum angeordnet, was ein gut gesteuertes Verfahren mit hoher Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und Vertrauen darstellt. Teile, welche unter einer SOMaC-Steuerung hergestellt werden, haben eine kleinere Variation von Teil zu Teil, als solche, welche unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Merkmale, speziell Koordinationslöcher, sind einheitlich dichter an ihrer vorgesehenen (Entwurfs-) Position angeordnet. Die Steuerung der Schwankungen vereinfacht ei ne Anordnung stark und dadurch erzielt die SOMaC wesentliche Kosteneinsparungen.
  • Die Anwendung der SOMaC bei der Herstellung von Flügeln und Rumpfanordnungen leitet den ersten industriellen Einsatz von einer automatisierten, Laser geführten Bohrmaschine ein. Die automatisierte Datenrückmeldung von der Messung der wahren Position der Lasernachfolger, führte den Bohrer näher an die vorgesehene richtige Position des Entwurfs, indem Positionseinstellungen angewiesen werden. Löcher wurden innerhalb einer Toleranz der technischen Spezifikationen von 0,018 cm (0,007 Zoll) gebohrt. Ihre Position, Größe und Tiefe wurden genau gesteuert. Ungefähr 7000 Löcher wurden für jeden Flügel zur Befestigung der Haut, des Rumpfes, des Auslegers, der Verkleidung und der Zugangstür(en) gebohrt. Die SOMaC vermeidet die Anschaffung von teurem Werkzeug, welches anderenfalls für diese Aufgabe notwendig gewesen wäre. Die SOMaC erzeugt Teile einer hohen Qualität und vermeidet eine teure Nacharbeit, welche im Allgemeinen mit einem manuellen Bohren verbunden ist. Das Präzisionsbohren verbessert die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs, indem einheitliche, präzise Absenkungen erzeugt werden und ermöglicht kleinere Kantenbegrenzungstoleranzen, um das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern.
  • Die SOMaC nimmt vorzugsweise Nachfolgermessungen vor, wenn die Maschine anhält. Der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Maschinenvorgängen ist in der Vergangenheit nicht gemacht worden und hat einen Einsatz einer Endpunktsteuerung, wobei 3D-Lasersysteme eingesetzt werden, verhindert. Statische Maschinenvorgänge (z.B. Bohren, Untersuchen, Ausbohren, Nieten und Absenken) erfordert, dass die Maschine fest steht (anhält), bevor der Vorgang ausgeführt wird. Zum Beispiel positioniert eine Bohrmaschine, wenn sie sich auf das Bohren eines Loches vorbereitet, zuerst den Bohrer über der Position des Loches. Dann bewegt die Maschine, wenn die Bewegung im Wesentlichen gestoppt ist, den Bohrer entlang einer einzigen Achse. Statische Bearbeitungsvorgänge umfassen Bohren (und dazu zugehörige Vorgänge), Punktschweißen, anfängliches Positionieren eines Schneidewerkzeugs, bevor auf einem Teil gearbeitet wird und Ähnliches. Die dynamischen Maschinenvorgänge bewegen sich in einer kontinuierlichen Art und Weise entlang mehrerer Achsen, um ein Schneidewerkzeug entlang einer programmierten Bahn durch das Werkstück anzutreiben.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Maschinen während eines Bearbeitungsvorgangs eines Teils oder einer Anordnung, die Schritte umfassend: (a) Führen einer Werkzeugmaschine mit einem Endeffektor zu einem ersten angewiesenen Standort basierend auf Maschinenbefehlen zum räumlichen Positionieren des Endeffektors, wobei die Befehle auf einer digitalen Definition des Teiles oder der Anordnung, auf welcher die Werkzeugmaschine arbeitet, basieren; (b) genaues Messen der Position des Endeffektors mit einem Messsystem, wenn die Werkzeugmaschine an dem ersten angewiesenen Standort stoppt, und Speichern der Position in einem Computerspeicher in Verbindung mit der Werkzeugmaschine; (c) in dem Computer die gemessene Position mit dem ersten angewiesenen Standort vergleichen; (d) Senden von Differenzkorrekturbefehlen von dem Computer zu der Werkzeugmaschine, um die Position des Endeffektors zu korrigieren, wenn der Unterschied zwischen der gemessenen Position und dem angewiesenen Standort einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Schritte zum: (e) mit dem Messsystem den Standort einer Mehrzahl von kritischen Merkmalen auf dem Teil oder der Anordnung messen, um einen dreidimensionalen Raum zu definieren, und Speichern der Messung in dem Computerspeicher, wobei das Messsystem abgesetzt von der Werkzeugmaschine angeordnet ist; (f) Vergleichen der Messung des dreidimensionalen Raumes mit einer anfänglichen Messung des Raumes, um eine Veränderung des Raumes zu bestimmen; (g) Skalieren des angewiesenen Standorts, wie er von der digitalen Definition mit einer Konfigurationsskala abgeleitet ist, welche auf der Messung einer Veränderung des Standorts der kritischen Merkmale basiert; (h) Korrigieren der Differenzkorrekturbefehle abhängig von der Konfigurationsskala.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Positionsmessung des Endeffektors optisch mit einem Lasermesssystem durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Differenzkorrekturbefehle Maschinenmittelanweisungen einer Positionskorrektur sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Messen der Position des Endeffektors ein Abfragen mindestens eines Retro-Reflektors auf der Maschine mit einer unabhängigen Messvorrichtung, welche abgesetzt von der Maschine angeordnet ist, aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (f) Messen, Vergleichen und Skalieren, einschließt: (a) Messen der Abmessungen des Teiles oder der Anordnung als eine anfängliche Referenz; (b) wiederholtes Messen der Abmessungen des Teiles oder der Anordnung; (c) Vergleichen der wiederholten Messung mit der anfänglichen Referenz, um einen Skalenfaktor zu berechnen; und (d) Korrigieren der digitalen Definition des Teiles oder der Anordnung oder des angewiesenen Standortes, basierend auf dem Skalenfaktor, um einen korrigierten angewiesenen Standort für den Endeffektor zu definieren; und (e) Korrigieren der Position des Endeffektors zu einem korrigierten angewiesenen Standort.
  6. Werkzeugmaschinensystem mit verbesserter Positionierungsgenauigkeit, umfassend: (a) eine Werkzeugmaschine mit einem Endeffektor (110), welche ausgestaltet ist, um einen Bearbeitungsvorgang eines Teils oder einer Anordnung (60, 120) durchzuführen; (b) eine Maschinensteuereinheit, welche mit der Werkzeugmaschine gekoppelt ist, um eine Bewegung der Werkzeugmaschine zu einer angewiesenen Position durch Positionssteuermittel anzuweisen, welche von einer Konstruktionszeichnung oder einer digitalen Darstellung eines Datensatzes des Teiles oder der Anordnung abgeleitet sind; (c) mindestens ein Messsystem (70, 150) zum Messen der wahren Position des Endeffektors, wobei das System zur Kommunikation mit der Maschinensteuereinheit ausgestaltet ist; (d) ein Computersystem, welches mit der Maschinensteuereinheit und mit dem Messsystem verbunden ist, um die gemessene Position des Endeffektors mit der angewiesenen Position zu vergleichen und Korrektursignale der Maschinensteuereinheit bereitzustellen, um einen Unterschied zwischen der angewiesenen Position und der gemessenen Position auszugleichen; dadurch gekennzeichnet, (e) dass das Messsystem (70, 150) ausgestaltet ist, um den Standort einer Mehrzahl von kritischen Merkmalen auf dem Teil oder der Anordnung zu messen, um einen dreidimensionalen Raum zu definieren und die Messung in dem Computerspeicher zu speichern, wobei das Messsystem abgesetzt von der Werkzeugmaschine angeordnet ist; (f) dass das Computersystem ausgestaltet ist, um die Messung des dreidimensionalen Raumes mit einer anfänglichen Messung des Raumes zu vergleichen, um eine Veränderung des Raumes zu bestimmen; (g) einen Maschinensteueraugmentor, welcher mit der Maschinensteuereinheit verbunden ist, um die angewiesene Position, welche von der digitalen Darstellung des Datensatzes des Teiles oder der Anordnung abgeleitet ist, um zeitabhängige Fabrikbedingungen zu korrigieren, welche eine Größe oder Ausrichtung des Teiles oder der Anordnung beeinflussen, wobei der Maschinensteueraugmentor ausgestaltet ist, um die angewiesene Position, wie sie von der digitalen Darstellung des Datensatzes mit einer Konfigurationsskala, welche auf der Messung einer Änderung des Raumes basiert, abgeleitet ist, zu skalieren.
  7. Werkzeugmaschinensystem nach Anspruch 6, wobei das Messsystem ein Lasermesssystem umfasst, um die Position des Endeffektors optisch zu messen.
  8. Werkzeugmaschinensystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Messvorrichtung ausgestaltet ist, um mindestens einen Retro-Reflektor auf der Maschine abzufragen, um die Position des Endeffektors zu messen.
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