DE102004021866A1 - Control of a machine tool such that the volumetric removal is constant - Google Patents

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Abstract

The removal of metal off a component part such as a gear wheel [1] uses a milling cutter [2] that is moved along a path at a controlled rate. The removal volume is determined in relation to the feed path and the machine is controlled such that the rate of removal is constant.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Maschine zum sukzessiven Abtragen von Material eines Werkstücks sowie auf ein Verfahren zum Ermitteln von Steuerdaten für eine derartige Maschine.The The invention relates to a method for controlling a machine for the successive removal of material of a workpiece as well to a method for determining control data for such Machine.

Bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken, z. B. durch Fräsen, wird in der Regel der Vorschub bzw. die Zustellung des Werkzeugs auf eine konstante Geschwindigkeit eingestellt, um vom Werkstück Material abzutragen. Falls sich entlang eines derartigen Abtragsweges, z. B. der Fräsbahn des Werkzeugs, der Querschnitt des abzutragenden Volumens ändert, ändert sich die Belastung des Werkzeugs. Folglich sollte die einzustellende konstante Zustellgeschwindigkeit auf die größte Belastung ausgerichtet sein, um eine Überlastung des Werkzeugs bzw. der Maschine zu vermeiden, und dies führt andererseits zu einer unrationellen Bearbeitung des Werkstücks und zu unter Umständen erheblichen Lastwechseln am Werkzeug, was die Maschine und das Werkzeug beansprucht.at the machining of workpieces, z. B. by milling is usually the feed or the delivery of the tool set a constant speed to material from the workpiece ablate. If along such Abtragsweges, z. B. the milling path of the tool that changes the cross section of the volume to be removed changes the load of the tool. Consequently, the constant delivery speed aligned to the highest load be an overload of the tool or the machine, and this leads on the other hand to an inefficient machining of the workpiece and possibly considerable Load changes on the tool, which stresses the machine and the tool.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsmaschine derart zu steuern, dass wechselnde Belastungen des Werkzeugs bzw. der Maschine während des Bearbeitungsvorganges vermieden werden.Accordingly The invention is based on the object, a processing machine be controlled so that changing loads of the tool or the machine during of the machining process can be avoided.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 7 gelöst; die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.These The object is achieved by methods according to claims 1 and 7 solved; refer to the dependent claims advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, den Vorschub einer Bearbeitungsmaschine derart zu steuern, dass bei einem Bearbeitungsvorgang die abgetragenen Teilvolumina pro Zeiteinheit konstant sind.According to the invention, it is proposed to control the feed of a processing machine such that during a machining process the ablated partial volumes per Time unit are constant.

Mathematisch bedeutet dies, dass der Differentialquotient bzw. der Differenzenquotient aus Volumen und Zeit bei dem Abtragsweg in etwa konstant ist.Mathematically this means that the differential quotient or the difference quotient Volume and time in the Abtragsweg is approximately constant.

Zur praktischen Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorzuziehen, das Gesamtabtragsvolumen zu ermitteln, in gleich große Teilvolumina zu unterteilen, den jeweils dazugehörigen Teilabtragsweg zu ermitteln und die Maschine so zu steuern, dass jeder Teilabtragsweg in der gleichen Zeitspanne bearbeitet wird. Diese Vorgehensweise empfiehlt sich insbesondere bei der numerischen Behandlung und ist auch für Fälle geeignet, in denen die Geometrie des Abtragsvolumens nicht geschlossen berechenbar ist.to practical implementation of the method according to the invention, it is preferable to determine the total stock removal volume, in equally large sub-volumes to subdivide, to determine the respective Teilabtragsweg and to control the machine so that each Teilabtragsweg in the same time span is processed. This procedure recommends especially in numerical treatment and is also suitable for cases in which the geometry of the ablation volume can not be calculated closed is.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Steuern von Fräsmaschinen geeignet, wobei die Fräsbahn, d. h. der Abtragsweg, linear oder auch gekrümmt sein kann.The inventive method is particularly suitable for controlling milling machines, wherein the cutting path, d. H. the Abtragsweg, linear or curved can be.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigenOne embodiment The invention will be explained with reference to the accompanying drawings. It demonstrate

1 eine schematische Darstellung eines Fräskopfes mit einem Werkstück, 1 a schematic representation of a milling head with a workpiece,

2 bis 7 Darstellungen eines Werkstücks in verschiedenen Phasen der Bearbeitung, 2 to 7 Representations of a workpiece in different phases of machining,

8 ein Abtragsweg-Abtragsvolumen-Diagramm, 8th an ablation path ablation volume diagram,

9 ein Abtragsvolumen-Abtragsweg-Diagramm, 9 an ablation volume removal path diagram,

10 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Fräsvorganges an einem Zahn eines Zahnrades. 10 a schematic representation for explaining a milling operation on a tooth of a gear.

1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer Fräsmaschine mit einem Fräswerkzeug 2. Als Werkstück ist schematisch ein Zahnkranz 1 dargestellt, der auf einer Aufspannung 4 aufgenommen ist. 1 shows a schematic representation of a part of a milling machine with a milling tool 2 , As a workpiece is schematically a sprocket 1 shown on a chucking 4 is included.

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei angenommen, dass an den einzelnen Zähnen 5 des Zahnrades 1 Zahndächer erstellt werden, und zu diesem Zweck das Fräswerkzeug 2 entlang einer Achse A verschoben wird.To explain the method according to the invention, it is assumed that on the individual teeth 5 of the gear 1 Roofs are created, and for this purpose the milling tool 2 is moved along an axis A.

2 zeigt eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Teils des Zahnrades 1 mit Zähnen 5, die jeweils zwischen Zahnlücken 9 angeordnet sind und Zahnflanken 8 und Zahnköpfe 6 aufweisen, wobei an den Stirnseiten 7 der Zähne 5 Zahndächer hergestellt werden sollen. 2 shows a schematic, enlarged view of a portion of the gear 1 with teeth 5 , each between tooth gaps 9 are arranged and tooth flanks 8th and tooth heads 6 have, wherein on the front sides 7 the teeth 5 Tooth roofs are to be produced.

Dazu wird das Fräswerkzeug 2 entlang der Achse A zugestellt, wodurch sukzessive Material von dem beispielhaft dargestellten Zahn 5' abgetragen wird. Die 3 bis 7 zeigen verschiedene Phasen des Bearbeitungsvorgangs, die sich an die in 2 dargestellte Anfangsphase anschließen, wobei durch einen Vergleich der Figuren ersichtlich ist, dass der schraffierte Bereich 10, der dem Querschnitt des Abtragsvolumens in der jeweiligen Phase entspricht, sukzessive vergrößert wird, bis in 7 das Zahndach in Form des Querschnitts 10 fertiggestellt ist. In den 2 bis 7 sind die Zähne jeweils in der Bearbeitungsphase dargestellt, d. h. an jeder Seite der Zähne wird ein Zahndach abgetragen, das dem schraffierten Bereich entspricht.This is the milling tool 2 delivered along the axis A, whereby successive material of the exemplified tooth 5 ' is removed. The 3 to 7 show different phases of the machining process, which correspond to the in 2 connect illustrated initial phase, it can be seen by comparing the figures that the hatched area 10 , which corresponds to the cross section of the ablation volume in the respective phase, is successively enlarged, up to 7 the tooth roof in the form of the cross section 10 is completed. In the 2 to 7 the teeth are each shown in the processing phase, ie on each side of the teeth a tooth roof is removed, which corresponds to the hatched area.

8 zeigt einen Graphen, in dem die Zustellwege in Abhängigkeit vom Zerspanungsvolumen dargestellt sind, wobei durch Punkte die Phasen gekennzeichnet sind, die denen der 2 bis 7 entsprechen. 8th shows a graph in which the delivery paths are shown as a function of the cutting volume, wherein the phases are characterized by points, which correspond to those of the 2 to 7 correspond.

9 zeigt eine entsprechende Darstellung, wobei auf der Abszisse die Zustellung und auf der Ordinate das damit verbundene Abtragsvolumen dargestellt sind. 9 shows a corresponding representation, wherein on the abscissa the delivery and on the ordinate the associated removal volume are shown.

Erkennbar hängt das Abtragsvolumen V nicht linear von der Zustellung s ab.recognizable that depends Abtragsvolumen V not linearly from the delivery s from.

Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, das Gesamtabtragsvolumen V in gleiche Teilvolumina ΔV zu unterteilen und die Zustellung derart vorzunehmen, dass immer gleiche Teilvolumina ΔV in gleichen Zeiteinheiten abgetragen werden. In dem Graphen der 9 bedeutet dies, dass jeweils die Strecken, die zwischen den Punkten dargestellt sind, in gleichen Zeitspannen bearbeitet werden.According to the invention, it is therefore proposed to divide the total removal volume V into equal partial volumes ΔV and to perform the delivery in such a way that always the same partial volumes ΔV are removed in the same time units. In the graph of 9 This means that each of the distances that are shown between the points are processed in the same time periods.

Die in 8 und 9 dargestellten Zusammenhänge können beispielsweise durch Messung empirisch festgestellt werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit, mittels CAD-Maschinen eine dreidimensionale Repräsentation des zu bearbeitenden Werkstücks zu erstellen, eine Vorschubachse im Raum vorzugeben und anschließend sukzessive das Abtragsvolumen in Abhängigkeit von der Zustellung des Fräswerkzeuges zu ermitteln.In the 8th and 9 shown relationships can be determined empirically, for example, by measurement. Furthermore, it is possible to use CAD machines to create a three-dimensional representation of the workpiece to be machined, to specify a feed axis in space and then to successively determine the removal volume as a function of the delivery of the milling tool.

Anhand eines einfachen geometrischen Beispiels soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.Based a simple geometric example, the inventive method be explained in more detail.

Es sei angenommen, dass ein prismenförmiger Zahn mit dreieckiger Grundfläche und einer Dicke d entlang eines Abtragsweges s von der Spitze her abgefräst werden soll, wie in 10 dargestellt ist.It is assumed that a prism-shaped tooth with a triangular base and a thickness d should be milled along a removal path s from the tip, as in FIG 10 is shown.

Allgemein gilt, dass das Abtragsvolumen V eine Funktion des Abtragsweges s ist, das heißt V(s).Generally holds that the removal volume V is a function of the removal path s is, that is V (s).

Andererseits wird eine Funktion s(t) gesucht, für die der Differentialquotient von V nach t konstant ist, das heißt

Figure 00040001
On the other hand, a function s (t) is sought for which the differential quotient from V to t is constant, that is
Figure 00040001

Im Fall des Zahns der 10 ist das Abtragsvolumen V proportional zu s2, so dass gilt

Figure 00040002
und mit (2) führt dies zu
Figure 00050001
In the case of the tooth of 10 is the removal volume V proportional to s 2 , so that applies
Figure 00040002
and with (2) this leads to
Figure 00050001

Daraus folgt, dass im Fall der 10 der Abtragsweg proportional zu t½ gewählt werden muss, um ein konstantes Abtragsvolumen pro Zeiteinheit zu erhalten.It follows that in the case of 10 the removal path must be selected proportional to t ½ , in order to obtain a constant removal volume per unit time.

Im Fall eines kegelförmigen Vorsprungs gilt, dass das Volumen proportional zu s3 ist, und damit folgt in gleicher Weise eine Proportionalität des Abtragswegs zu t1/3.In the case of a conical projection, the volume is proportional to s 3 , and thus a proportionality of the removal path to t 1/3 follows in the same way.

Selbstverständlich können wie bereits erwähnt Wertepaare numerisch ermittelt werden, wobei ggf. die Funktionen durch Näherungsformeln dargestellt werden können. Dabei ist es auch möglich, beispielsweise die in den 8 und 9 dargestellten Funktionen durch Polygone anzunähern und dementsprechend die Funktion des Abtragsweges in Abhängigkeit von der Zeit ebenfalls durch Polygone anzugeben, was bedeutet, dass diskrete wechselnde Vorschubgeschwindigkeiten eingestellt werden.Of course, as already mentioned, pairs of values can be determined numerically, where appropriate the functions can be represented by approximate formulas. It is also possible, for example, in the 8th and 9 To approximate functions represented by polygons and accordingly to specify the function of Abtragsweges as a function of time also by polygons, which means that discrete changing feed rates are set.

Desweiteren bietet es sich an, gegen Ende des Abtragsweges, d. h. bei Annäherung an die zu fertigende Oberfläche, die Vorschubgeschwindigkeit bzw. Zustellung zu verringern, um eine möglichst hohe Oberflächenqualität zu erreichen.Furthermore it makes sense, towards the end of the Abtragsweges, d. H. when approaching the surface to be finished, reduce the feed rate or delivery by one preferably to achieve high surface quality.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Fräsvorgang mit linearer Fräsachse A und bewegtem Fräswerkzeug. Selbstverständlich ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung mit gekrümmten Fräsbahnen umzusetzen und/oder mit einem bewegten Werkstück; auch ist möglich, sowohl das Werkstück als auch das Fräswerkzeug gleichzeitig zu bewegen.The The above description refers to a milling operation with linear milling axis A and moving milling tool. Of course it is also possible implement the present invention with curved Fräsbahnen and / or with a moving workpiece; it is also possible both the workpiece as also the milling tool to move at the same time.

Claims (8)

Verfahren zum Steuern einer Maschine zum sukzessiven Abtragen von Material eines Werkstücks (1) durch ein Werkzeug (2) entlang eines Abtragsweges (s), dadurch gekennzeichnet, dass man das Abtragsvolumen (V) in Abhängigkeit vom Abtragsweg (s) ermittelt und die Maschine so steuert, dass zumindest über einen Teil des Abtragsweges (s) die pro Zeiteinheit abgetragenen Teilvolumina (ΔV) konstant sind.Method for controlling a machine for the successive removal of material from a workpiece ( 1 ) by a tool ( 2 ) along a removal path (s), characterized in that the removal volume (V) is determined as a function of the removal path (s) and the machine is controlled such that at least over a part of the removal path (s) the sub-volumes (ΔV) removed per unit time are constant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehungen
Figure 00060001
erfüllt sind, wobei V das Abtragsvolumen und t die Zeit sind.Method according to claim 1, characterized in that the relationships
Figure 00060001
are satisfied, where V is the erosion volume and t is the time. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Gesamtabtragsvolumen in gleiche Teilvolumina (ΔV) unterteilt, den zu jedem Teilvolumen (ΔV) gehörenden Teilabtragsweg (Δs) ermittelt und die Maschine so steuert, dass jeder Teilabtragsweg in der gleichen Zeitspanne bearbeitet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that the total removal volume is divided into equal partial volumes (ΔV), to each partial volume (ΔV) belonging Part removal path (Δs) determines and controls the machine so that each Teilabtragsweg is processed in the same time span. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Maschine eine Fräsmaschine ist und Werkzeug (2) und Werkstück (1) relativ zueinander bewegbar sind, wobei der Abtragsweg einer Fräsbahn entspricht.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the machine is a milling machine and tool ( 2 ) and workpiece ( 1 ) are movable relative to each other, wherein the Abtragsweg corresponds to a milling path. Verfahren nach Anspruch 4 zum Fertigen von Zahndächern an Zahnrädern, Kupplungskörpern oder Schiebemuffen.Method according to claim 4 for the manufacture of tooth roofs Gears, clutch bodies or sliding sleeves. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abtragsweg linear ist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the Abtragsweg is linear. Verfahren zum Ermitteln von Steuerungsdaten für eine Maschine zum sukzessiven Abtragen von Material eines Werkstücks, wobei man die Lage und die Form eines Abtragsvolumens im Raum definiert, die Lage eines Abtragswegs, entlang dessen das Werkstück (1) und ein Werkzeug (2) relativ zueinander bewegbar sind, im Raum festlegt, eine Funktion für das Abtragsvolumen (V) in Abhängigkeit vom Abtragsweg (s) ermittelt, und eine Funktion des Abtragsweges (s) in Abhängigkeit von der Zeit (t) derart festlegt, dass eine Änderung des Abtragsvolumens pro Zeiteinheit etwa konstant ist.Method for determining control data for a machine for the successive removal of material from a workpiece, wherein the position and the shape of a removal volume in space are defined, the position of a removal path along which the workpiece 1 ) and a tool ( 2 ) are movable relative to one another, determines in space, determines a function for the removal volume (V) as a function of the removal path (s), and defines a function of the removal path (s) as a function of the time (t) such that a change in the Abtragsvolumens per unit time is approximately constant. Computerprogrammprodukt mit einem Programm zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7.Computer program product with a program for carrying out the Method according to claim 7.
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