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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Kompensieren
langsam veränderlicher Merkmale
einer Werkzeugmaschine.
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Elektronische
Steuerungen von Werkzeugmaschinen verwenden üblicherweise Maschinensteuergrunddaten,
auf deren Grundlage dann Prozessdaten zur aktuellen Steuerung der
Werkzeugmaschine erzeugt werden. Die Maschinensteuergrunddaten spiegeln
die Eigenschaften der Werkzeugmaschine wider. Diese Eigenschaften
sind jedoch langfristig, also langsam veränderlich. Zu diesen Eigenschaften
gehört
beispielsweise die Temperatur, denn eine zu hohe Temperatur kann
zu einer thermischen Drift in einer Werkzeugmaschine führen, was
zur Folge haben kann, dass die Werkzeugmaschine nicht mehr präzise arbeitet.
Es ist daher wünschenswert, die
Maschinensteuergrunddaten an die langsam veränderlichen Merkmale wie etwa
die Temperatur anzupassen. Bisher erfolgt eine solche Anpassung
lokal an einer Produktionsstätte,
an der die Werkzeugmaschine aufgestellt ist. Mit komplexen Algorithmen, z.
B. mit Fuzzy Logik können
veränderliche
Maschineneigenschaften errechnet werden. Die Algorithmen sind sehr
speicher- und rechenintensiv und können daher nicht auf Computereinheiten
an den Werkzeugmaschinen selbst ablaufen. Die Algorithmen werden
daher auf gesonderten Computereinheiten betrieben, und Kompensationswerte
werden an die Maschinensteuerung einzeln übertragen. Diese Übertragung
erfolgt teilweise noch von Hand über Tastaturen
oder über
kurzfristige Verbindungen von Maschinensteuereinheiten mit PCs.
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Zur
Vereinfachung werden bei der Inbetriebnahme der Maschine einmalig
Kompensationswerte oder -tabellen in der Maschinensteuerung hinterlegt. Veränderungen
dieser Werte im Laufe der Zeit erfolgen dann nicht.
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Aus
der
DE 103 12 025
A1 nächstliegender Stand
der Technik ist ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern der Positionsregelung
einer Maschine, eine Maschine mit verbesserter Positionsregelung
und eine Kompensationseinrichtung bekannt. Bei diesem Verfahren
zur Kompensation von Verformungen von Bearbeitungsmaschinen, Industrierobotern
oder Messmaschinen wird kontinuierlich anhand einer Finite-Elemente-Methode
die tatsächlich
auftretende Verformung der Maschine und des Gerätes berechnet. Die Bahnsteuerung
der Maschine wird aufgrund der Berechnung korrigiert.
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Aus
der
DE 101 52 765
A1 ist ein Verfahren und ein System zur elektronischen
Bereitstellung von Diensten für
Maschinen über
eine Datenkommunikationsverbindung bekannt. Hierbei werden von einem Hauptrechner
eines Dienste-Anbieters zu einem Arbeitsrechner einer Bearbeitungsmaschine
eines Kunden über
ein Netzwerk maschinenbezogene Daten gesandt, die zuvor spezifisch
für den
Arbeitsrechner erzeugt werden.
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Aus
der
DE 103 54 906
A1 ist eine interaktive Zweiweg-Kollaboration in Prozesssteuerungsanlagen
bekannt. Beschrieben wird, dass Prozesssteuerungssysteme typischerweise
zentralisierte Prozesssteuerungen enthalten, die über analoge,
digitale oder kombinierte analoge/digitale Busse mit mindestens
einem Zentralrechner und mindestens einer Operator-Workstation und
mit einem oder mehreren Feldgeräten
im Datenaustausch gekoppelt sind. Die Prozesssteuerung empfängt von
den Feldgeräten durchgeführte Prozessmessungen
angebende Signale und/oder andere die Feldgeräte betreffende Informationen,
verwendet diese Information zum Implementieren einer Steuerroutine
und erzeugt dann Steuersignale, die zum Steuern der Arbeitsweise
des Prozesses über
Busse oder andere Kommunikationsleitungen an die Feldgeräte gesendet
werden. Die Informationen von den Feldgeräten und den Steuergeräten können einer
oder mehreren von der Operator-Workstation ausgeführten Anwendungen bereit
gestellt werden, um es einem Operator zu ermöglichen, die gewünschte Funktion
bezüglich
des Prozesses auszuführen.
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Auf
der
EP 1 411 403 A1 ist
die Verwendung des Internets im Zusammenhang mit der Prozesssteuerung
zwischen verschiedenen Computereinheiten bekannt. Ferner offenbart
diese Druckschrift ein Adaptationsverfahren, welches der Verbesserung der
Prozesssteuerung dient. Hierbei werden Eingangsparameter geändert und
die Ausgangsparameter erfasst, um Systemparameter eines Modells
für die
Prozesssteuerungsumgebung festzulegen.
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In
dem Artikel von M. Donmez et al.: „A real-time error compensation
system for a computerized numerical control turning center", in: Robotics and
Automation, Proceedings 1986 IEEE International Conference, Vol.
3, April 1986, Seiten 172-176 ist beschrieben, dass zwei verschiedene
Steuereinheiten miteinander in Kommunikation stehen. Eine der Steuereinheiten
ist eine Steuereinheit zur Ansteuerung eines Maschinenwerkzeugs,
und die andere Steuereinheit soll eine Kompensation von Steuerungen
vornehmen. Daten, welche die Steuerung des Maschinenwerkzeug erfasst,
werden von der Kompensationssteuerung verarbeitet. In beiden Steuerungen
erfolgen hierbei Berechnungen durch Computer.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum automatischen
Kompensieren langsam veränderlicher
Merkmale einer Werkzeugmaschine bereit zu stellen, bei dem eine
Serverplattform verwendet wird, auf der ein Computermodellalgorithmus
läuft,
der leicht anpassbar ist und eine direkte Ansteuerung der Werkzeugmaschine
ermöglicht.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch
1. Die Erfindung macht sich zunutze, dass elektronische Steuerungen
von Werkzeugmaschinen und Sensoren in Datenverbindung mit einer
von der Produktionsstätte,
an der die Werkzeugmaschine steht, unabhängigen Serverplattform bringbar
ist. Auf der Serverplattform kann ein Computermodellalgorithmus
betrieben werden, der Werte ausgibt, welche eine Kompensation der
langsam veränderlichen Merkmale
zum Erzeugen eines Normalzustands bereitstellt.
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Im
Einzelnen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum automatischen
Kompensieren langsam veränderlicher
Merkmale einer Werkzeugmaschine, dass
- – eine Werkzeugmaschine
mit einer elektronischen Steuerung, welche Maschinensteuergrunddaten
verwendet, auf deren Grundlage sie Prozessdaten erzeugt, an einer
Produktionsstätte
bereitgestellt ist,
- – ein
oder mehrere Sensoren, die Merkmalsdaten erfassen, ebenfalls an
der Produktionsstätte,
insbesondere an der Werkzeugmaschine bereitgestellt sind,
- – die
Werkzeugmaschine und die Sensoren in Datenverbindung mit einer von
der Produktionsstätte unabhängigen Serverplattform
stehen,
- – auf
der Serverplattform ein Computermodellalgorithmus zur modellhaften
Darstellung des Verhaltens der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von
den Merkmalsdaten und zum modellhaften Vornehmen einer Kompensation
durch Bereitstellen von veränderten
Maschinensteuergrunddaten bereitsteht,
- – die
Sensoren über
die Datenverbindung Merkmalsdaten an die Serverplattform übermitteln,
- – auf
der Serverplattform der Computermodellalgorithmus unter Verwendung
der übermittelten Merkmalsdaten
betrieben wird, d.h. abläuft,
und veränderte
Maschinensteuergrunddaten in Abhängigkeit
von den übermittelten
Merkmalsdaten ausgibt,
- – die
veränderten
Maschinensteuergrunddaten über
die Datenverbindung an die elektronische Steuerung der Werkzeugmaschine übermittelt werden,
und
- – die
Werkzeugmaschine durch die elektronische Steuerung unter Verwendung
der veränderten Maschinensteuergrunddaten
betrieben wird, wobei
a) der Computermodellalgorithmus die
Methode der finiten Elemente, insbesondere für Bauteile der Werkzeugmaschine
verwendet,
b) die Maschinensteuerung auch aktuelle Maschinensteuergrunddaten
und/oder Prozessdaten an die Serverplattform für den Computermodellalgorithmus übermittelt,
c)
der Computermodellalgorithmus auch Prozessdaten erzeugt, die an
die Maschinensteuerung übermittelt
werden, und wobei
d) die Eingangs- und Ausgangsdaten an der
Serverplattform, insbesondere die Merkmalsdaten und die veränderten
Maschinensteuergrunddaten, gespeichert werden, um eine Anpassung
des Algorithmus vornehmen zu können.
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Bevorzugt
sind die Sensoren Teil der Werkzeugmaschine, d.h. zumindest stehen
sie in Datenverbindung mit der elektronischen Steuerung der Werkzeugmaschine,
und die Merkmalsdaten werden dann von der elektronischen Steuerung
weiter an die Serverplattform übermittelt.
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Zur
Erfassung der Temperatur kann zumindest ein Sensor ein Temperatursensor
sein, zum Erfassen eines Temperaturgefälles an der Werkzeugmaschine
können
zumindest zwei Temperatursensoren, oder auch mehrere, vorgesehen
sein.
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Ein
Temperaturgefälle
erzeugt eine komplizierte Verzerrung der Werkzeugmaschine. Modellhaft
ist eine solche Verzerrung beispielsweise mittels der Methode der
finiten Elemente, insbesondere für Bauteile
der Werkzeugmaschine, darstellbar.
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Der
Computermodellalgorithmus kann zuvor über die Datenverbindung, welche
insbesondere das Internet sein kann, vom Hersteller der Werkzeugmaschine
und/oder einem Softwaredienstleister auf die Serverplattform geladen
werden. Mit anderen Worten kann bereits der Hersteller der Werkzeugmaschine selbst
sehr gut modellhaft darstellen, wie eine Kompensation an der Werkzeugmaschine
erfolgen kann, einzelne Softwaredienstleister können jedoch ebenfalls auf das
Herstellen von Computermodellalgorithmen spezialisiert sein.
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Grundsätzlich muss
der Computermodellalgorithmus lediglich die Merkmalsdaten zur Verfügung stehen
haben, weil er die üblichen
Maschinensteuergrunddaten kennt. Da die Maschinensteuerung über die
Datenverbindung aktuelle Maschinensteuergrunddaten und/oder einzelne
Prozessdaten an die Serverplattform für den Computermodellalgorithmus übermittelt,
kann der Computermodellalgorithmus der elektronischen Steuerung
der Werkzeugmaschine die Aufgabe der Erzeugung von Prozessdaten
abnehmen.
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Durch
das Speichern der Eingangs- und Ausgangsdaten des Computermodellalgorithmus, d.h.
der Merkmalsdaten und der veränderten
Maschinensteuergrunddaten kann aufgrund einer Analyse der gespeicherten
Werte nach einer bestimmten Zeit erkannt werden, ob der Algorithmus
korrekt oder gut genug arbeitet und gegebenenfalls eine Anpassung des
Algorithmus vorgenommen werden muss.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben,
in der:
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1 den
schematischen Aufbau eines Systems zum automatischen Kompensieren
langsam veränderlicher
Merkma le einer Werkzeugmaschine von der Ferne her darstellt.
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Die 1 zeigt
schematisch eine Produktionsstätte 10,
an der ein Fabrikprozess abläuft
mit zumindest einer Werkzeugmaschine 12, die eine elektronische
Steuerung 14 aufweist. Die elektronische Steuerung 14 ist über Datenleitungen 16 und
eine Schnittstelle 18 an das Internet 20 angeschlossen. Ferner
sind an der Produktionsstätte 10 auch
Sensoren 22, 24 und 26 bereitgestellt.
Die Sensoren können,
wie der Sensor 22 über
die Leitung 23 und der Sensor 24 über die
Leitung 25, direkt mit dem Internet verbunden sein, sie
können
jedoch, wie der Sensor 26, auch mit der elektronischen
Maschinensteuerung verbunden sein und erst über diese Maschinensteuerung über die
Leitung 16 dann wieder mit dem Internet 20. Die
Sensoren können
Temperatursensoren sein. Beispielsweise sind die Sensoren 22 und 26 direkt
an der Werkzeugmaschine 12 angebracht und können deren
Temperatur erfassen, oder sie können z.
B. die Luftfeuchtigkeit erfassen, wie ein gesonderter Sensor 24.
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Ebenfalls
mit dem Internet verbunden ist eine Serverplattform 28,
welche lokal von der Produktionsstätte 10 getrennt und
von dieser unabhängig
ist. Die Serverplattform 28 kann für ein Vielzahl von Produktionsstätten 10 und
insbesondere eine Vielzahl von Werkzeugmaschinen 12 und
von Sensoren zur Verfügung
stehen. Sie ist über
eine Schnittstelle 30 mit dem Internet 20 verbunden
und weist eine Computereinheit 32 auf, in der Softwaremodellalgorithmen 34, 36 und 38 gespeichert
sind. Die Softwaremodellalgorithmen 34 und 36 stellen
das Verhalten der Werkzeugmaschine 12 in Abhängigkeit
der von den Sensoren 22, 24 und 26 erfassten
Merkmalsdaten modellhaft dar und können zum Zwecke einer Kompensation
langsam veränderlicher
Merkmale veränderte
Maschinensteuergrunddaten bereitstellen. Der Softwarealgorithmus 34 kann
vom Hersteller 40 der Werkzeugmaschine 12 hergestellt
sein und über
eine Schnittstelle 42 über
Internet 20 zuvor an die Serverplattform 28 mit
der Computereinheit 32 übertragen
worden sein. Der Computermo dellalgorithmus 36 kann von
einem gesonderten Softwaredienstleister 44 bereitgestellt
worden sein und über eine
Schnittstelle 46 über
Internet 20 an die Serverplattform 28 mit der
Computereinheit 32 übermittelt worden
sein. Der Computermodellalgorithmus 38 kann für eine andere
Werkzeugmaschine, insbesondere auch für eine andere Produktionsstätte, geeignet
sein.
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Die
zentrale Serverplattform 28 ist wie erwähnt von der Produktionsstätte 10 abhängig und kann
für eine
Vielzahl von Produktionsstätten
zuständig
sein. Hierfür
werden auf der Computereinheit 32 Rechenzeiten zur Verfügung gestellt,
wobei eine Parallelverarbeitung von Daten von verschiedenen Produktionsstätten möglich ist.
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Die
elektronische Steuerung 14 steuert die Werkzeugmaschine
nun aufgrund von Maschinensteuergrunddaten, welche in der elektronischen Steuerung 14 gespeichert
sind. Auf der Grundlage dieser Maschinensteuergrunddaten werden
Prozessdaten erzeugt, die eigentlichen Steuerdaten für die Werkzeugmaschine.
Es kann nun aufgrund von langsam veränderlichen Größen wie
der Temperatur dazu kommen, dass die Prozessdaten nicht mehr völlig für die Werkzeugmaschine
geeignet sind. Beispielsweise kann es aufgrund von Temperaturerhöhungen in
der Produktionsstätte
oder von Temperaturschwankungen oder Temperaturgradienten zu einer
thermischen Drift und zu Verzerrungen an der Werkzeugmaschine kommen.
Um dies zu kompensieren, werden die Merkmalsdaten, also die Temperatur-
bzw. Luftfeuchtigkeitsdaten etc., von den Sensoren 22, 24 und 26,
gegebenenfalls auf dem Umweg über
die Steuerung 14, über
Internet 20 an die zentrale Serverplattform 28 übermittelt.
Auf der Serverplattform verwendet nun einer der Computeralgorithmen 34 oder 36,
welcher hierfür
ausgewählt
wurde (z. B. dezentral über
Internet von der Produktionsstätte 10 her)
die von den Sensoren über
die Datenverbindung Internet 20 übermittelten Merkmalsdaten. Der
Computermodellalgorithmus gibt veränderte Maschinensteuergrunddaten
aus, welche an die Maschinensteuerung 14 übermittelt
werden. Diese Maschinensteuergrunddaten tragen den veränderlichen Merkmalen
Rechnung, z. B. wird ein Bohrkopf einer Bohrmaschine, der thermisch
in eine bestimmte Richtung gedriftet ist, in diese Richtung nicht
mehr so weit vorgeschoben werden müssen wie sonst. Die elektronische
Steuerung der Werkzeugmaschine erzeugt weiterhin Prozessdaten, d.h.
konkrete Steuerdaten für
die Werkzeugmaschine, nun aber unter Verwendung der veränderten
Maschinensteuergrunddaten.
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
dass auch aktuelle Maschinensteuergrunddaten und/oder Prozessdaten über die
Datenleitung 16 und die Schnittstelle 18 von der
Maschinensteuerung 14 über
Internet 20 an die Serverplattform übermittelt werden. Die Softwareplattform 28 kann
dann Maschinensteuergrunddaten ausgeben, welche an diese Prozessdaten
sowie gleichzeitig an die Merkmalsdaten angepasst sind. Sie kann
auch gleich neue Prozessdaten ausgeben, so dass die Maschinensteuerung 14 dann nur
noch die Aufgabe der Weiterleitung der Prozessdaten, d.h. der Steuerdaten
für die
Maschine 12, hat. Auf der zentralen Serverplattform 28 steht
ein Speicher 48 zur Verfügung, in dem die Eingangs-
und Ausgangsdaten, welche über
das Internet 20 übermittelt
werden, erfasst werden. Es kann dann historisch festgestellt werden,
bei welchen Merkmalsdaten der Computermodellalgorithmus welche veränderten
Maschinensteuergrunddaten ausgegeben hat. Hierdurch wird es auch
möglich,
die Computermodellalgorithmen 34 bzw. 36 zu korrigieren,
d.h. anzupassen. Beispielsweise kann eine Anpassung an eine individuelle
Werkzeugmaschine 12 erfolgen, z. B. wenn es zu Schwankungen
desselben Werkzeugmaschinentyps kommt.
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Durch
das zentrale Bereitstellen der Kapazität einer leistungsfähigen Computereinheit 32,
auf der die Algorithmen 34, 36 und 38 laufen
können, können für verschiedene
Produktionsstätten
zentral Kompensationen vorgenommen werden, ohne dass vor Ort an
den Produktionsstätten 10 eine
entsprechende Computerleistung möglich
gemacht werden muss. Durch geeignete Bereitstellung von Rechenzeiten,
Taktungen, etc. wirkt die Serverplattform 28 als sei sie
eigens für
die Werkzeugmaschine 12 zur Verfügung gestellt. Ökonomisch
wird damit der Effekt eines Outsourcings erfolgreich erzielt. Die
Computermodellalgorithmen können
auch für
eine Vielzahl von Werkzeugmaschinen des gleichen Typs verwendet werden,
wobei sie individuell an die einzelnen Maschinenindividuen angepasst
sein können,
so dass die Computeralgorithmen in ihrer Grundstruktur zumindest
nur einmal zentral abgespeichert sein müssen.