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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der
DE 10 2007 021 294 A1 ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung zumindest einer Baugruppe einer Werkzeugmaschine beschrieben, wobei die Baugruppe eine drehbare Spindel umfasst, welche mittels zumindest eines zumindest einen Lagerspalt umfassenden Magnetlagers an der Baugruppe gelagert ist. Dabei wird die Baugruppe entlang einer gegenüber einer exakten Bahn steuerungsseitig geglätteten Bahn bewegt und die Spindel wird mittels des Magnetlagers längs einer Differenzbahn bewegt, wobei die Addition, d. h. eine Überlagerung, der geglätteten Bahn und der Differenzbahn die exakte Bahn ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einem Verfahren zur Steuerung einer Bearbeitungsmaschine wird zumindest ein beweglich an der Bearbeitungsmaschine angeordnetes Werkzeug von einem vorgegebenen Startpunkt zu mindestens einem vorgegebenen Endpunkt innerhalb eines Arbeitsraumes automatisiert bewegt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass innerhalb des Arbeitsraumes ein Bewegungsraum zur freien Bewegung des Werkzeugs vorgegeben wird.
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Die Steuerung der Bearbeitungsmaschine wird hierbei derart gestaltet, dass die Bewegung des Werkzeugs innerhalb des Arbeitsraumes nicht einer vordefinierten Verfahrbahn folgt, sondern nur innerhalb des Bewegungsraumes und anhand von Zielkoordinaten beschrieben wird. Somit ist es möglich, das Werkzeug unter Berücksichtigung kinematischer Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine, welche in einer Simulation nicht exakt dargestellt werden können, zu bewegen.
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Das Verfahren ermöglicht somit eine Steuerung der Bearbeitungsmaschine, wobei nicht wertschöpfende Zeiten, insbesondere Maschinennebenzeiten, verringert werden. Dadurch ist eine gegenüber dem Stand der Technik verkürzte Gesamtbearbeitungszeit eines Werkstücks ermöglicht, so dass innerhalb eines Produktionsprozesses eine höhere Stückzahl verarbeitet werden kann. Damit sind auch Produktionskosten verringerbar, da zusätzliche Bearbeitungsmaschinen für einen effizienten Produktionsprozess nicht benötigt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch einen Arbeitsraum mit einem Werkstück in Schnittdarstellung und einer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorgegebenen Verfahrbahn für ein Werkzeug einer Bearbeitungsmaschine gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch der Arbeitsraum mit dem Werkstück gemäß 1 in Schnittdarstellung und einer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorgegebenen Verfahrbahn für das Werkzeug gemäß dem Stand der Technik,
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3 schematisch einen Arbeitsraum mit einem Werkstück in Schnittdarstellung und einem erfindungsgemäßen Bewegungsraum, welcher von Sperrbereichen begrenzt wird und
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4 schematisch das Werkstück gemäß 3 in Draufsicht.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist ein Werkstück 1 in einem Querschnitt dargestellt, welches in einem Arbeitsraum A angeordnet ist.
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Der Arbeitsraum A ist durch ein dreidimensionales Koordinatensystem mit drei linearen Achsen x, y, z, insbesondere einer Abszissenachse x, einer Ordinatenachse y und einer Applikatenachse z, beschrieben, so dass jeder Punkt des Arbeitsraumes A durch drei Koordinaten bestimmt ist.
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Weiterhin ist der Arbeitsraum A einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine zugeordnet, an welcher mindestens ein ebenfalls nicht gezeigtes Werkzeug beweglich angeordnet ist, wobei das Werkzeug dabei in mindestens zwei Freiheiten bewegbar ist.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 1 mit zwei Materialaussparungen 1.1, 1.2 versehen, die durch das Werkzeug, z. B. ein Bohrer, in dieses eingebracht worden sind.
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Das Werkzeug wurde dazu gemäß dem Stand der Technik entlang einer vorgegebenen Verfahrbahn 2 bewegt, welche folgendermaßen beschrieben ist. Zu Beginn der Verfahrbahn 2 befindet sich das Werkzeug in einem Startpunkt SP eingetaucht in einer zuvor eingebrachten ersten Materialaussparung 1.1. In einem ersten Schritt verlässt das Werkzeug die erste Materialaussparung 1.1 entgegen einer Bearbeitungsrichtung, d. h. in Richtung der Applikatenachse z nach oben, bis zu einem vorgegebenen Punkt im Arbeitsraum A. Anschließend wird in einem zweiten Schritt das Werkzeug in Richtung der Abszissenachse x nach rechts bewegt, wobei sich das Werkzeug dabei in Bezug auf die Applikatenachse z oberhalb einer an und/oder auf dem Werkstück 1 angeordneten, kollisionsgefährdeten Störgeometrie 3, welche beispielsweise einteilig mit dem Werkstück 1 ausgebildet ist, bewegt. Das Werkzeug wird weiterhin bis zu einem weiteren vorgegebenen Punkt im Arbeitsraum A bewegt, welcher sich oberhalb einer zweiten einzubringenden Materialaussparung 1.2 befindet. In einem dritten Schritt wird das Werkzeug in Bearbeitungsrichtung, d. h. in Richtung der Applikatenachse z nach unten, bewegt bis die zweite Materialaussparung 1.2 vollständig in das Werkstück 1 eingebracht ist und ein Endpunkt EP erreicht ist.
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Die Verfahrbahn 2 wird mit Hilfe eines computergestützten Programms durch eine Aneinanderreihung der Achsen x, y, z oder zweier interpolierender Achsen x, y, z, auch als Geradeninterpolation bekannt, vorgegeben. Ein Übergangsverhalten zwischen den einzelnen Bewegungen wird dabei durch einen Befehl beschrieben, mittels welchem nur in einem sehr geringen Maße ein Übergang von einer Bewegung zu einer folgenden Bewegung folgt, d. h. es erfolgt ein sogenanntes Bewegungsverschleifen. Zudem werden mittels der Geradeninterpolation unvorteilhafte kinematische Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine, was sich z. B. in einem Ruck äußert, an die Gesamtbewegung vererbt, da es nur so möglich ist eine exakte Verfahrbahn 2 mit mehreren Achsen x, y, z zu beschreiben.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Alternative zur Generierung einer Verfahrbahn 2 ist in 2 dargestellt und beschrieben. Dazu zeigt die 2 den Arbeitsraum A mit dem Werkstück 1 gemäß 1.
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Hierbei wird die Verfahrbahn 2 mittels eines sogenannten in einem Computer implementierten CAx-Systems generiert. In das CAx-System ist ein Postprozessor integriert, welcher mithilfe der kinematischen Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine die schnellste Verfahrbahn 2 beschreibt.
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Dazu wird eine Verfahrbahn 2 generiert, welche aus einer Vielzahl einzelner Punkte im Arbeitsraum A gebildet ist, die jeweils in einem geringen Abstand von beispielsweise jeweils weniger als ein 0,1 Millimeter zueinander angeordnet sind. Die Punkte sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Sterne gekennzeichnet.
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Da aber nicht alle kinematischen Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine im CAx-System abgebildet werden können, z. B ein Dämpfungsverhalten von Maschinenachsen und/oder Schwingungen von Maschinenteilen, ist die derart generierte Verfahrbahn 2 nicht optimal.
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Zur Lösung des Problems wird vorgeschlagen, dass anstelle einer vorgegebenen Verfahrbahn 2 ein Bewegungsraum B vorgegeben wird, in welchem das Werkzeug frei bewegbar ist. Der Bewegungsraum B ist anhand von Zielkoordinaten beschrieben und wird von Sperrbereichen S eingegrenzt. Damit ist eine Steuerung der Bearbeitungsmaschine möglich, wobei die Achsen x, y, z einzeln derart verfahrbar sind, dass die verschiedenen kinematischen Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine optimal genutzt werden. Eine resultierende Bewegung durch eine synchrone Nutzung mehrerer Achsen x, y, z des Werkzeugs ist zuvor nicht exakt bekannt. Durch die vorgegebenen Sperrbereiche S kann allerdings eine Kollision mit einer Störgeometrie 3 zuverlässig verhindert werden.
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In den 3 und 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Dazu zeigt die 3 den Arbeitsraum A, das Werkstück 1 mit den Materialaussparungen 1.1, 1.2 und die Störgeometrie 3 gemäß 1 in Schnittdarstellung und in 4 in Draufsicht. Weiterhin ist innerhalb des Arbeitsraumes A ein Bewegungsraum B vorgegeben, welcher sich in Bezug auf die Applikatenachse z oberhalb des Werkstücks 1 befindet und von der Störgeometrie 3 sowie von drei Sperrbereichen S begrenzt wird, wobei die Sperrbereiche S und das Werkstück 1 den Bewegungsraum B umschließen. Die Störgeometrie 3 ist ebenfalls als ein Sperrbereich S definiert.
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Zu Beginn der Bewegung befindet sich das Werkzeug im Startpunkt SP eingetaucht in der zuvor eingebrachten ersten Materialaussparung 1.1. In einem ersten Schritt verlässt das Werkzeug die erste Materialaussparung 1.1 entgegen der Bearbeitungsrichtung, d. h. in Richtung der Applikatenachse z, nach oben.
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Beim Verlassen der ersten Materialaussparung 1.1 durch eine Werkzeugspitze erfolgt in einem zweiten Schritt eine Bewegungsfreigabe der anderen beiden Achsen x, y in Richtung der zu überwindenden Störgeometrie 3, während das Werkzeug die Applikatenachse z weiterhin verfährt.
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Als ein erstes Zwischenziel Z1 dient ein Punkt, welcher im Arbeitsraum A vor der Störgeometrie 3 positioniert ist und welcher einen Schnittpunkt zwischen einer Kante der Störgeometrie 3 und einer ersten Lotgeraden L1 durch den Startpunkt SP darstellt.
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Anhand diesem ersten Zwischenziel Z1 und dem Startpunkt wird ein erstes Rechteck R1 aufgespannt, welches den Bewegungsraum B der Abszissen- und Ordinatenachse x, y darstellt. In diesem Bewegungsraum B soll die Bewegung des Werkzeugs erfolgen, solange die Werkzeugspitze eine Höhe der Störgeometrie 3 in Bezug auf die Applikatenachse z noch nicht erreicht hat.
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Wird die Höhe der Störgeometrie 3 mittels des Werkzeugs erreicht, ist es der Bearbeitungsmaschine ermöglicht, das Werkzeug in Richtung der Zielkoordinaten zu bewegen. Ist die Störgeometrie 3 mittels des Werkzeugs noch nicht erreicht, so erfolgt keine Freigabe der Abszissen- und Ordinatenachse x, y am ersten Zwischenziel Z1.
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In einem dritten Schritt erfolgt eine kollisionsfreie Bewegung des Werkzeugs oberhalb der Störgeometrie 3, wobei die Koordinaten der Applikatenachse z einen Maximalwert erreichen, welcher anhand einer vorgegebenen Formel computergestützt ermittelt wird.
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Nach dem das Werkzeug eine weitere Kante der Störgeometrie 3 überquert hat, die der einzubringenden, zweiten Materialaussparung 1.2 zugewandt ist, wird ein zweites Zwischenziel Z2 definiert, welches als ein Punkt definiert ist, der im Arbeitsraum A hinter der Störgeometrie 3 positioniert ist und welcher einen Schnittpunkt der weiteren Kante der Störgeometrie 3 und einer zweiten Lotgeraden L2 durch den Endpunkt EP darstellt. Anhand diesem zweiten Zwischenziel Z1 und dem Endpunkt EP wird ein zweites Rechteck R2 aufgespannt, in welches das Werkzeug nach dem Überqueren der Störgeometrie 3 in einem vierten Schritt bewegt wird.
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Bei Erreichen eines Eckpunktes des zweiten Rechtecks R2, wird das Werkzeug in Richtung der Applikatenachse z nach unten bewegt. Dabei ist es möglich, dass entweder der Wert der Applikatenachse z oder die Werte der Abszissen- und Ordinatenachse x, y zuerst mit den Zielkoordinaten übereinstimmen.
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Stimmen die Werte aller Achsen x, y, z mit den Zielkoordinaten überein, erfolgt in einem fünften Schritt die Bearbeitung des Werkstücks 1, d. h. das Einbringen der zweiten Materialaussparung 1.2 in Richtung der Applikatenachse z nach unten.
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Der Übergang vom vierten Schritt zum fünften Schritt kann über ein frei wählbares Toleranzfeld der Abszissen- und Ordinatenachse x, y mehr oder weniger stark verrundet werden. Alle drei Achsen x, y, z werden mit ihren eigenen der Bearbeitungsmaschine zugeordneten kinematischen Eigenschaften während der vollständigen Bewegung verfahren. Eine Interpolation mehrerer Achsen x, y, z findet dabei nicht statt.
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Auch wenn mittels des Verfahrens keine exakte Verfahrbahn 2 vorgegeben wird, so wird durch die Vorgabe von Sperrbereichen S sichergestellt, dass das Werkzeug kollisionsfrei bewegt werden kann.
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Zur Definition der Sperrbereiche S sind vorzugsweise die Maße der Störgeometrie 3 oder weiterer nicht gezeigter Störgeometrien 3 bekannt. Dabei wird die Störgeometrie 3 anhand von vier im Arbeitsraum A angeordneten Punkten definiert, welche ein Viereck bilden. In Kombination mit einer zu definierenden Höhe der Störgeometrie 3 wird ein Hexaeder beschrieben. Zudem werden die Maße des Werkzeugs, insbesondere ein Radius des Werkzeugs, berücksichtigt, um die Sperrbereiche S entsprechend an das jeweilig eingesetzte Werkzeug anzupassen.
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Das Verfahren ist mittels eines sogenannten Numerical-Control-Programms umsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007021294 A1 [0002]
