EP2093019A2 - Verfahren zum endkonturnahen Schleifen bogenförmiger Konturen - Google Patents

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EP2093019A2
EP2093019A2 EP09153433A EP09153433A EP2093019A2 EP 2093019 A2 EP2093019 A2 EP 2093019A2 EP 09153433 A EP09153433 A EP 09153433A EP 09153433 A EP09153433 A EP 09153433A EP 2093019 A2 EP2093019 A2 EP 2093019A2
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EP
European Patent Office
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contour
movement
deviations
path movement
path
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09153433A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mark Geisel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Publication of EP2093019A2 publication Critical patent/EP2093019A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B19/00—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group
    • B24B19/14—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding turbine blades, propeller blades or the like
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/14—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation taking regard of the temperature during grinding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/16—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation taking regard of the load
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B51/00—Arrangements for automatic control of a series of individual steps in grinding a workpiece

Definitions

  • the invention relates to the field of machining of workpieces, in particular by CNC machine tools, and in particular by grinding machines. More specifically, it is a method of near-net-shape grinding arcuate contours, such as occur in the manufacture of engine blades and the like.
  • the grinding process is used to produce precisely shaped surfaces.
  • grinding processes belong to the processing methods with a geometrically indefinite cutting edge.
  • a release agent embedded in a binder sharp-edged grains of certain sizes are often used.
  • loose abrasives may also be used, which may be in liquid or pasty form and placed between the workpiece and a grinding wheel.
  • the processing takes place analogously under pressure and with repetitive, for example circular relative movements between the tool and the workpiece.
  • fresh abrasive for example by a central bore of the grinding tool, spent and enriched with abraded material abrasive is removed from the contact area of the tool.
  • arcuate contours such as turbine blades so-called “Vane” - or “Blade Crrinder” (blade blade grinder) are used. Since the control of such machine tools due to the complex geometries is not trivial, also appropriate programs (grinding operations, grinding cycles) are required, which must be provided by the machine manufacturers or independent suppliers or even be programmed by the user himself. In the case of curved contours, such control programs are also referred to as bow grinding operations. The achievable quality depends both on the precision of the machine tool and on the quality of the control software.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for near net shape grinding of arcuate contours by means of 2D or 3D sheet grinding operations.
  • a compensated path movement of a tool of a CNC machine tool programmed deviating from a target contour so that the processing result after the end of the process to a high approximation reflects the target contour.
  • suitable compensation functions in particular interpolating and approximating cubic splines, are used so that a minimization of the shape error during bow grinding can be achieved.
  • the method of the present invention provides increased dimensional accuracy in performing both 2D and 3D sheet grinding operations as well as analog grinding operations.
  • the method therefore serves for near-net shape 2D and 3D grinding of arcuate contours and is characterized in that the path S movement of a CNC machine tool is programmed differently from a nominal contour K, so that the processing result after processing end to a high approximation, the target contour K reflects.
  • the arcuate contours may be, for example, the contours of engine blades, which are characterized in particular by a very high form fidelity or small deviations from a precisely determined desired shape.
  • CNC computer numerical controlled, computer-controlled
  • the method according to the invention serves to program a path movement deviating from a nominal contour K, which results in the almost complete cancellation of form deviations that would otherwise result from the application of a programming of the unchanged nominal contour when using this path movement.
  • the processing result reflects the target contour K after the end of the process to a high degree.
  • the required deviations ⁇ x of the movement sequence from the nominal contour K are determined by taking into account the force and / or temperature field acting during the machining.
  • numerical and / or analytical methods can be used.
  • Particularly preferred is the use of simulation models in which both the geometric data and the physical behavior of the workpiece during processing depending on relevant parameters such as temperature, pressure, material, etc. are stored.
  • Such models allow, in addition to the optimization of the web movement, also a check of, for example, analytically determined path movements, without the need for tedious and costly real experiments.
  • the required deviations S of the movement sequence from the nominal contour K are determined by testing. For this purpose, therefore, at least one real attempt is necessary in which the workpiece is first attempted to be finished with a path movement corresponding to the desired contour.
  • the resulting deviations ⁇ x can then be detected metrologically.
  • the detection can be carried out quasi-continuously (for example by means of a stylus method) or discretely (for example by means of touch probes), the latter variant being preferred, since a smaller amount of data must be recorded for this, which can sometimes lead to a considerable time advantage.
  • the scanning of complex curved surfaces, such as those with undercuts can be operated only with great time and metrological effort. In the case of individual discrete measuring points, however, care must be taken to ensure that the surface to be described can also be represented sufficiently accurately by the measuring points.
  • the path movement at time t thus corresponds to that path which the tool has to follow in order to compensate for the shape or measurement deviations ⁇ x and thus to achieve a contoured machining result.
  • the nominal contour K (t) is predetermined from the construction; the correction function may need to be determined otherwise or initially assumed to be constant.
  • the path movements S to be programmed be interpolated or approximated by a function S '.
  • this approximation is useful in the embodiment of the test, since under certain circumstances initially only a small number of measuring points (interpolation points) is available, but the path deviation S (t) to be programmed must be quasi-continuously available, in order to achieve this Due to the preference of recording only a small number of measuring points, which are available as support points for such interpolating or approximating functions S ', the approximation of the path movements S to be programmed is particularly preferred interpolating or approximating functions S 'used by a very small number of free parameters such as Support points are marked.
  • interpolation or approximation of the path movements S to be programmed are particularly preferably used, in particular interpolating or approximating spline functions S ', such as B-splines or most prefers cubic splines. Alternatively, however, higher-order polynomials, piecewise interpolations, etc. can also be used.
  • the calculations can be carried out particularly preferably by means of a commercially available PC.
  • For the detection of the measurement deviation .DELTA.x can also serve an automatic or semi-automatic method using a corresponding device; if necessary, the corresponding measuring points are to be specified manually beforehand, but they can also be carried out by means of an automated evaluation and planning software, which reads in the nominal contour and determines the optimum position of measuring points from it. The starting and measuring at these support points is then preferably again automatically.
  • all of the steps described in the previous paragraph are automated. This results in the shortest possible cycle time from the first calibration to the determination of the interpolating or approximating function S '. In addition, the result is reproducible in that the influence of possibly different operators is largely excluded.
  • FIG. 1 shows a flowchart of both variants of the method according to the invention.
  • a setpoint contour K (t) is predetermined, which corresponds to the desired workpiece shape after machining.
  • the physical behavior of the workpiece during processing is deposited by means of a corresponding model.
  • deviation .DELTA.x and setpoint contour K (t) essentially corresponds to the actual path movement S (t) to be programmed.
  • the tool then follows the path predetermined by the spline function S '(t).
  • the measurement deviation ⁇ x can be determined from the nominal value contour K (t). Preferably, as few discrete measuring points are approached, which are nevertheless sufficient to approximate the actual contour with sufficiently good agreement.
  • a correction function f (t) should still be known for which f (t) ⁇ 0 applies at all times.
  • the function f (t) can also be constant.
  • the tool then follows the path predetermined by the spline function S '(t).
  • FIG. 2 shows by way of example and simplifies the exemplary course of a nominal contour K, an actual contour I, and a path movement S.
  • contours are entered in an axbox, which is symbolized by the thin, mutually perpendicular lines.
  • the nominal contour K is a symmetrical to the Y-axis semicircle, which in the FIG. 2 is shown as a thick semi-circular line.
  • the actual contour I resulting from a first, non-optimized machining is to be recognized as a thick, dotted line deviating significantly from the nominal contour K.
  • the radius of the actual contour I is significantly greater than the radius of the nominal contour K. Between the two contours, therefore, there is a measuring distance ⁇ x, which is given here by way of example for a single location or production time t.
  • a web movement S (dashed thin line) can now be determined which, if it serves to control the tool instead of the desired contour, leads to the desired conformal production of the workpiece.
  • this path movement results by subtracting the measurement deviation ⁇ x from the nominal contour K, possibly with the aid of a correction function f (t), not shown here.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Numerical Control (AREA)

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft das endkonturnahe Schleifen bogenförmiger Konturen, wie sie zum Beispiel in der Fertigung von Triebwerksschaufeln und dergleichen vorkommen. Dementsprechend wird mittels geeigneter Kompensationsfunktionen, insbesondere durch interpolierende und approximierende kubische Splines, eine Minimierung des Formfehlers beim Bogenschleifen erreicht. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anzahl der beim Einrichten eines Schleifbearbeitungsprozesses notwendigen Versuche und somit die Anzahl der hierzu notwendigen Halbzeuge minimiert. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der Bearbeitungsqualität der Ausschuss bei der Fertigung bogenförmiger Werkstücke verringert. Die Verwendung aufwändiger Spannvorrichtungen wird vermieden und die Schnittleistung wird maximiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der maschinellen Bearbeitung von Werkstücken insbesondere durch CNC-Werkzeugmaschinen, und hier speziell durch Schleifmaschinen. Genauer handelt es sich um ein Verfahren zum endkonturnahen Schleifen bogenförmiger Konturen, wie sie zum Beispiel in der Fertigung von Triebwerksschaufeln und dergleichen vorkommen.
  • Zum Herstellen von präzise geformten Oberflächen kommen unter anderem das Verfahren des Schleifens (engl. "grinding") zum Einsatz. Im Gegensatz zu Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide gehören Schleifverfahren zu den Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide. Als Trennmittel werden häufig in ein Bindemittel eingebettete scharfkantige Körner bestimmter Größenordnung benutzt. Durch wiederholtes Bewegen des Schleifwerkzeuges entlang der zu bearbeitenden Oberfläche unter Druck wird die oberste Schicht der zu bearbeitenden Oberfläche nach und nach abgetragen. Die herausgelösten Partikel werden zusammen mit eventuell abgelösten Schleifkörnern mittels beispielsweise kreisender Bewegungen zu den Rändern des Schleifwerkzeuges hin transportiert, wo sie dann abgesaugt oder abgespült werden können. Alternativ zu eingebetteten Schleifmitteln werden auch lose Schleifmittel verwendet, die in flüssiger oder pastöser Form vorliegen können und zwischen das Werkstück und eine Schleifscheibe gegeben werden. Die Bearbeitung erfolgt analog unter Druck und mit sich wiederholenden, beispielsweise kreisenden Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Durch Einbringen frischen Schleifmittels, beispielsweise durch eine zentrische Bohrung des Schleifwerkzeuges, wird verbrauchtes und mit abgetragenem Material angereichertes Schleifmittel aus dem Kontaktbereich des Werkzeuges abtransportiert.
  • Speziell zum Herstellen von bogenförmigen Konturen wie zum Beispiel von Turbinenschaufeln kommen so genannte "Vane"- oder "Blade-Crrinder" (Schaufelblatt-Schleifer) zum Einsatz. Da die Steuerung derartiger Werkzeugmaschinen aufgrund der komplexen Geometrien nicht trivial ist, werden außerdem entsprechende Programme (Schleifoperationen, Schleifzyklen) benötigt, die von den Maschinenherstellern oder unabhängigen Zulieferern bereitgestellt werden müssen oder auch vom Anwender selbst zu programmieren sind. Im Falle von gebogenen Konturen werden derartige Steuerprogramme auch als Bogenschleifoperationen bezeichnet. Die erzielbare Qualität ist dabei sowohl von der Präzision der Werkzeugmaschine als auch von der Güte der Steuersoftware abhängig.
  • Problematisch ist bei der Herstellung insbesondere bogenförmiger Konturen die oft erhebliche Abweichung zwischen gewünschter Soll- und erzielter Istkontur. Ein Hauptgrund für diese Abweichung liegt in der Tatsache begründet, dass die derzeit kommerziell erhältlichen Schleifoperationen keine oder nur unzureichende Kompensationen für Verformungen beinhalten. Diese rühren zum Einen von den auf das Werkstück wirkenden Kräften her, und sind zum anderen auch in der Temperaturausdehnung des Werkstücks begründet. Da im Extremfall beim Schleifen Temperaturen auftreten können, die im Bereich der Schmelztemperatur des jeweiligen Werkstoffes liegen, resultieren daraus sowohl erhebliche Temperaturausdehnungen als auch eine lokale Verringerung der Festigkeit, welche die verformende Wirkung der Schleifkräfte noch erhöht.
  • Einzig durch Variation in der Kühlmittelzufuhr wird heute versucht, ein zumindest weitgehend konstantes Temperaturfeld zu erzeugen, um so die temperaturbedingten Formabweichungen zu minimieren. Die hierbei erreichbaren Eingriffsmöglichkeiten sind jedoch äußerst beschränkt; entsprechend unzufriedenstellende Ergebnisse sind die Folge.
  • Weiter kann versucht werden, durch eine Vielzahl von Fixierungspunkten und einer entsprechend aufwändig gestalteten Spannvorrichtung dafür zu sorgen, Verformungen des Werkstückes während der Bearbeitung durch Blockierung zu vermindern. Allerdings treten in diesem Falle erhöhte mechanische Spannungen im Material auf, welches sich trotz Temperaturerhöhung nicht frei ausdehnen kann, so dass diese Vorgehensweise wiederum zu Problemen wie z.B. zu Werkstoffschädigungen führen kann.
  • Schließlich kann durch eine Verringerung der Abtragsrate bzw. der Schnittleistung (geringerer Andruck, geringere Drehzahl, kleineres Werkzeug, geringere Schnitttiefe) die Temperatur bei der Bearbeitung gesenkt werden, so dass die aus der Temperaturausdehnung resultierenden Probleme weniger stark in Erscheinung treten. Unerwünschter Nebeneffekt ist jedoch insbesondere eine entsprechend verlängerte Bearbeitungszeit.
  • Um befriedigende Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, werden heute entsprechende Vorversuche durchgeführt, anhand derer eine schrittweise Anpassung der Istkontur an die Sollkontur durchgeführt wird. Für diese Versuche wird jeweils jedes Mal ein entsprechendes Halbzeug benötigt, und die Auswertung jedes Versuches ist zeitintensiv, da die komplexen Konturen jedes Mal vermessen und die abzufahrenden Bahnen neu angepasst werden müssen. Daraus resultieren sowohl entsprechend hohe Kosten bei der Einrichtung eines Prozesses, als auch eine lange Einrichtdauer. Im Falle ungenügender Vorversuche, aber auch durch technisch bedingte Limitationen ist ein erhöhter Ausschuss die Folge. Insbesondere bei komplexen Bauteilen, bei denen bereits die Halbzeuge kostenintensiv in der Herstellung sind, und/oder bei Verwendung von teuren Werkstoffen sind diese Nachteile besonders gravierend.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum endkonturnahen Schleifen bogenförmiger Konturen mittels 2D- oder 3D-Bogenschleifoperationen. Durch Anwendung des Verfahrens soll die Anzahl der beim Einrichten eines Schleifbearbeitungsprozesses notwendigen Versuche und somit die Anzahl der hierzu notwendigen Halbzeuge minimiert werden. Gleichzeitig soll durch die Erhöhung der Bearbeitungsqualität der Ausschuss bei der Fertigung insbesondere bogenförmiger Werkstücke verringert werden. Die Verwendung aufwändiger Spannvorrichtungen soll vermieden und die Schnittleistung maximiert werden.
  • Die Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 vorgeschlagene Verfahren gelöst. Dementsprechend wird eine kompensierte Bahnbewegung eines Werkzeugs einer CNC-Werkzeugmaschine abweichend von einer Sollkontur programmiert, so dass das Bearbeitungsergebnis nach Prozessende in hoher Näherung die Sollkontur widerspiegelt. Hierzu werden geeignete Kompensationsfunktionen, insbesondere interpolierende und approximierende kubische Splines, eingesetzt, so dass eine Minimierung des Formfehlers beim Bogenschleifen erreicht werden kann.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine erhöhte Formgenauigkeit bei der Durchführung sowohl bei 2D- und 3D-Bogenschleifoperationen als auch bei analogen Schleifoperationen.
  • Das Verfahren dient demnach zum endkonturnahen 2D- und 3D-Schleifen von bogenförmigen Konturen und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bahnbewegung S einer CNC-Werkzeugmaschine abweichend von einer Sollkontur K programmiert wird, so dass das Bearbeitungsergebnis nach Prozessende in hoher Näherung die Sollkontur K widerspiegelt.
  • Die bogenförmigen Konturen können beispielsweise die Konturen von Triebwerksschaufeln sein, welche sich insbesondere durch eine sehr hohe Formtreue bzw. geringe Abweichungen von einer exakt bestimmten Sollform auszeichnen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Einsatz in unterschiedlichsten Werkzeugmaschinen mit CNC-Steuerung (CNC = computer numerical controlled; computergesteuert), jedoch ganz besonders in Schleifmaschinen zur Herstellung von bogenförmigen 2D- oder 3D-Konturen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient dabei dazu, eine von einer Sollkontur K abweichende Bahnbewegung zu programmieren, die dazu führt, dass bei Anwendung ebendieser Bahnbewegung Formabweichungen nahezu aufgehoben werden, die sich ansonsten bei Anwendung einer Programmierung der unveränderten Sollkontur ergeben würden. Mit anderen Worten, das Bearbeitungsergebnis spiegelt nach Prozessende in hoher Näherung die Sollkontur K wider.
  • Nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erforderlichen Abweichungen Δx des Bewegungsablaufes von der Sollkontur K durch Berücksichtigung des während der Bearbeitung wirkenden Kraft- und/oder Temperaturfeldes ermittelt. Hierzu können numerische und/oder analytische Methoden zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Simulationsmodellen, in welchen sowohl die geometrischen Daten als auch das physikalische Verhalten des Werkstücks bei der Bearbeitung in Abhängigkeit relevanter Parameter wie Temperatur, Druck, Material usw. hinterlegt sind. Derartige Modelle erlauben neben der Optimierung der Bahnbewegung auch eine Überprüfung von beispielsweise analytisch ermittelten Bahnbewegungen, ohne dass hierzu langwierige und kostspielige reale Versuche nötig wären.
  • Nach einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die erforderlichen Abweichungen S des Bewegungsablaufes von der Sollkontur K durch Erprobung ermittelt. Hierzu ist demnach mindestens ein realer Versuch notwendig, bei welchem das Werkstück zunächst mit einer der Sollkontur entsprechenden Bahnbewegung zu fertigen versucht wird. Die sich dabei ergebenden Abweichungen Δx können dann messtechnisch erfasst werden. Die Erfassung kann dabei quasi-kontinuierlich (z.B. mittels Tastschnittverfahren) oder diskret (z.B. mittels Messtastern) erfolgen, wobei letztere Variante bevorzugt ist, da hierzu eine geringere Datenmenge aufzunehmen ist, was unter Umständen einen erheblichen Zeitvorteil mit sich bringen kann. Auch kann das Abtasten komplexer gewölbter Oberflächen, beispielsweise solcher mit Hinterschneidungen, nur mit sehr großem Zeit- und messtechnischem Aufwand betrieben werden. Im Falle einzelner diskreter Messpunkte muss jedoch darauf geachtet werden, dass die zu beschreibende Oberfläche auch genügend genau von den Messpunkten repräsentiert werden kann.
  • Für die letztgenannte bevorzugte Ausführungsform (Erprobung) kann folgender Formelmechanismus aufgestellt werden. Demnach gilt für die zu programmierende Bahnbewegung S im Zeitpunkt t: S t = K t + f t * - Δx
    Figure imgb0001
    mit
    • S(t)
    = Bahnbewegung zum Zeitpunkt t
    K(t)
    = Sollkontur zum Zeitpunkt t
    Δx
    = Messabweichung nach Erprobungsabschluss
    f(t)
    = Korrekturfunktion mit f(t)≥ 0 zum Zeitpunkt t
  • Die Bahnbewegung zum Zeitpunkt t entspricht also derjenigen Bahn, der das Werkzeug folgen muss, um die Form- bzw. Messabweichungen Δx gerade zu kompensieren und so ein konturnahes Bearbeitungsergebnis zu erzielen. Die Sollkontur K(t) ist aus der Konstruktion vorgegeben; die Korrekturfunktion muss ggf. anderweitig bestimmt oder zunächst als konstant angenommen werden.
  • Für beide oben genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders bevorzugt, dass die zu programmierenden Bahnbewegungen S durch eine Funktion S' interpoliert oder approximiert werden. Insbesondere ist diese Approximation jedoch in der Ausführungsform der Erprobung nützlich, da hier unter Umständen zunächst nur eine geringe Anzahl von Messpunkten (Stützstellen) zur Verfügung steht, die zu programmierende Bahnabweichung S(t) jedoch quasi-kontinuierlich zur Verfügung stehen muss, um ein entsprechend genaues Abfahren der gesamten Kontur auch zwischen den Messpunkten zu ermöglichen.Aufgrund der Bevorzugung einer Aufnahme lediglich einer geringen Anzahl von Messpunkten, die als Stützstellen für derartige interpolierende oder approximierende Funktionen S' zur Verfügung stehen, werden zur Approximation der zu programmierenden Bahnbewegungen S besonders bevorzugt derartige interpolierende oder approximierende Funktionen S' eingesetzt, die durch eine sehr geringe Anzahl freier Parameter wie z.B. Stützstellen gekennzeichnet sind.
  • Besonders bevorzugt kommen daher zur Interpolation oder Approximation der zu programmierenden Bahnbewegungen S insbesondere interpolierende oder approximierende Spline-Funktionen S' zum Einsatz, wie B-Splines oder am meisten bevorzugt kubische Splines. Alternativ können jedoch auch höhergradige Polynome, stückweise Interpolationen u.a. benutzt werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft mindestens einer der oben beschriebenen Schritte der Messung der Messabweichung Δx, der Berechung der Bahnbewegung S und der interpolierenden oder approximierenden Funktion S' automatisiert ab. Die Berechungen können dabei besonders bevorzugt mittels eines handelsüblichen PCs erfolgen. Für die Erfassung der Messabweichung Δx kann ebenfalls ein automatisches oder halbautomatisches Verfahren unter Nutzung einer entsprechenden Vorrichtung dienen; ggf. sind die entsprechenden Messpunkte zuvor manuell vorzugeben, können aber auch mittels einer automatisierten Auswerte- und Planungssoftware erfolgen, welche die Sollkontur einliest und aus ihr die optimale Lage von Messpunkten bestimmt. Das Anfahren und Messen an diesen Stützstellen erfolgt dann bevorzugt wiederum automatisch.Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform laufen alle der im vorigen Absatz beschriebenen Schritte automatisiert ab. Daraus ergibt sich eine möglichst kurze Durchlaufzeit vom ersten Einmessen bis zur Bestimmung der interpolierenden oder approximierenden Funktion S'. Außerdem ist das Ergebnis insofern reproduzierbar, als dass der Einfluss möglicherweise unterschiedlicher Bediener weitgehend ausgeschlossen ist.
  • Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anzahl der beim Einrichten eines Schleifbearbeitungsprozesses notwendigen Versuche und somit die Anzahl der hierzu notwendigen Halbzeuge minimiert, da zur Ermittlung der Messabweichung mittels Erprobung im optimalen Fall nur ein einziger Versuch nötig ist. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der Bearbeitungsqualität der Ausschuss bei der Fertigung bogenförmiger Werkstücke verringert. Die Verwendung aufwändiger Spannvorrichtungen wird vermieden, da die sich bei der Verwendung einfacherer Spannvorrichtungen ergebenden Formabweichungen ausgeglichen werden. Ebenso werden die durch erhöhte Bearbeitungstemperaturen beobachteten Formabweichungen ausgeglichen, so dass die Schnittleistung insofern maximiert wird, als dass eine Verringerung der Belastung des Werkstückes während der Bearbeitung beispielsweise mittels geringerer Abtragsrate nicht notwendig ist.
    • Figur 1
    zeigt ein Flussdiagramm beider Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Figur 2
    zeigt exemplarisch und vereinfacht den beispielhaften Verlauf einer Sollkontur, einer Istkontur, und einer Bahnbewegung.
  • Die Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm beider Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In der linken Bildhälfte ist die "analytische" oder "numerische" Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die dieser Variante entsprechenden Diagrammbestandteile sind durch gestrichelte Verbindungslinien gekennzeichnet.
  • Demnach ist eine Sollwertkontur K(t) vorgegeben, die der gewünschten Werkstückform nach der Bearbeitung entspricht. Außerdem ist das physikalische Verhalten des Werkstückes bei der Bearbeitung mittels eines entsprechenden Modells hinterlegt.
  • Mithilfe analytischer oder numerischer Verfahren wird nun eine Berechnung der zu erwartenden Messabweichung Δx durchgeführt.
  • Die Differenz zwischen Abweichung Δx und Sollwertkontur K(t) entspricht im Wesentlichen der tatsächlich zu programmierenden Bahnbewegung S(t).
  • In einem nächsten Schritt wird die so gefundene Funktion mittels einer erfindungsgemäß vorgesehenen interpolierenden oder approximierenden Spline-Funktion S'(t) angenähert.
  • Bei der konturnahen Fertigung des Werkstückes folgt das Werkzeug dann der durch die Spline-Funktion S'(t) vorgegebenen Bahn.
  • In der rechten Bildhälfte ist die "Erprobungs"-Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die dieser Variante entsprechenden Diagrammbestandteile sind mittels durchgezogener Verbindungslinien gekennzeichnet.
  • Demnach ist auch hier eine Sollwertkontur K(t) gegeben.
  • Unter Verwendung der Bahndaten dieser Sollwertkontur werden einer oder mehrere Versuche durchgeführt.
  • Aus diesen Versuchen kann die Messabweichung Δx von der Sollwertkontur K(t) bestimmt werden. Bevorzugt werden hier möglichst wenige diskrete Messpunkte angefahren, die dennoch ausreichen, um die Istkontur mit genügend guter Übereinstimmung anzunähern.
  • Weiterhin sollte noch eine Korrekturfunktion f(t) bekannt sein, für welche jederzeit f(t)≥0 gilt. Die Funktion f(t) kann aber auch konstant sein.
  • Durch Verknüpfung der Sollwertkontur K(t) mit der Korrekturfunktion f(t) und der Messabweichung Δx kann auf die zu programmierende Bahnbewegung S(t) geschlossen werden. Allerdings ist diese Funktion lediglich für die zuvor aufgenommenen diskreten Messwerte Δx bestimmbar. Um auch für dazwischen liegenden Orte der Kontur Bahninformationen bereitstellen zu können, erfolgt nun - analog zu der vorstehend beschriebenen Variante - eine Approximation der Stützstellen mittels einer erfindungsgemäß vorgesehenen interpolierenden oder approximierenden Spline-Funktion S'(t).
  • Bei der konturnahen Fertigung des Werkstückes folgt das Werkzeug dann der durch die Spline-Funktion S'(t) vorgegebenen Bahn.
  • Die Figur 2 zeigt exemplarisch und vereinfacht den beispielhaften Verlauf einer Sollkontur K, einer Istkontur I, und einer Bahnbewegung S.
  • Die Konturen sind dabei in ein Achsenkreuz eingetragen, welches durch die dünnen, senkrecht aufeinander stehenden Linien symbolisiert ist.
  • Die Sollkontur K ist ein symmetrisch zur Y-Achse liegender Halbkreis, der in der Figur 2 als dicke halbkreisförmige Linie dargestellt ist. Im Gegensatz hierzu ist die aus einer ersten, nicht optimierten Bearbeitung resultierende Istkontur I als deutlich von der Sollkontur K abweichende dicke, gepunktete Linie zu erkennen. Im dargestellten Beispiel ist der Radius der Istkontur I deutlich größer als der Radius der Sollkontur K. Zwischen den beiden Konturen ergibt sich demnach ein Messabstand Δx, der hier exemplarisch für einen einzelnen Ort bzw. Fertigungszeitpunkt t angegeben ist.
  • Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun eine Bahnbewegung S (gestrichelte dünne Linie) bestimmt werden, die, wenn sie anstelle der Sollkontur zur Steuerung des Werkzeuges dient, zu der gewünschten konturnahen Fertigung des Werkstückes führt. Im einfachsten Fall ergibt sich diese Bahnbewegung durch Subtraktion der Messabweichung Δx von der Sollkontur K, ggf. unter Zuhilfenahme einer hier nicht dargestellten Korrekturfunktion f(t).

Claims (11)

  1. Verfahren zum endkonturnahen 2D- und 3D-Schleifen von bogenförmigen Konturen, dadurch gekennzeichnet, dass eine kompensierte Bahnbewegung (S) eines Werkzeugs einer CNC-Werkzeugmaschine Abweichungen (Δx) von einer Sollkontur (K) aufweist, wodurch Formfehler während der Bearbeitung kompensiert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abweichungen (Δx) der Bahnbewegung von der Sollkontur (K) mit numerischen und/oder analytischen Methoden durch Berücksichtigung des während der Bearbeitung wirkenden Kraft- und/oder Temperaturfeldes ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abweichungen (Δx) der Bahnbewegung (S) von der Sollkontur (K) empirisch ermittelt und anschließend in einer Tabelle hinterlegt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Bahnbewegung (S) nach folgender Gleichung berechnet wird: S t = K t + f t * - Δx
    Figure imgb0002
    mit
    S(t) = Bahnbewegung zum Zeitpunkt t
    K(t) = Sollkontur zum Zeitpunkt t
    Δx = Abweichungen
    f(t) = Korrekturfunktion mit f(t)≥ 0 zum Zeitpunkt t.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei die Bahnbewegung (S) durch eine Funktion (S') interpoliert oder approximiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Approximation der Bahnbewegung (S) interpolierende oder approximierende Funktionen (S')eingesetzt werden, die durch eine sehr geringe Anzahl freier Parameter gekennzeichnet sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Interpolation oder Approximation der Bahnbewegung (S) insbesondere interpolierende oder approximierende Spline-Funktionen (S') eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mindestens einer der Schritte der Messung der Abweichung (Δx), der Berechung der Bahnbewegung (S) und der interpolierenden oder approximierenden Funktion (S') automatisiert ablaufen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem alle dort genannten Schritte automatisiert ablaufen.
  10. Computerprogramm zur Ausführung auf einen Rechner, welches die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 9 erlaubt.
  11. Datenträger, der ein Computerprogramm gemäß Anspruch 10 umfasst.
EP09153433A 2008-02-25 2009-02-23 Verfahren zum endkonturnahen Schleifen bogenförmiger Konturen Withdrawn EP2093019A2 (de)

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