DE4326988A1 - Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen aufgrund von programmierten Verfahr- Anweisungen.

Numerische Steuerungen sollen die Funktionen Verschiebung, Drehung, Maßstabsfaktor, Spiegelung und beliebige Kombi­ nationen davon beherrschen. Aus der Programmieranleitung SINUMERIC 880, Stand 5.91 sind solche Funktionen bekannt, allerdings nur in beschränkter Anzahl, Reihenfolge und Kombination.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung von Werkzeugmaschinen anzugeben, das eine einfache anwenderfreundliche Programmierung ge­ stattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das neue Verfahren gestattet, Konturenverläufe bzw. die Verfahrbewegungen der Werkzeugmaschine relativ zum Werk­ stück unabhängig von der späteren tatsächlichen Lage in der Maschine zu programmieren. Die Koordinaten-Transfor­ mation paßt die in einem auf das Werkstück bezogenen Koor­ dinatensystem programmierte Kontur an das Maschinen-Koor­ dinatensystem an. Die Koordinatensysteme sind zweckmäßig kartesich. Prinzipiell ist jede beliebige Transformation möglich. Im allgemeinen werden jedoch nur lineare Trans­ formationen angewandt, und zwar vorteilhaft Verschiebung, Verdrehung, Spiegelung und Maßstabsfaktor, wobei der Maß­ stabsfaktor für die einzelnen Achsen unterschiedlich sein kann. Die einzelnen Transformationen können in beliebiger Kombination und Anzahl angewandt werden.

Die einzelnen Koordinatensysteme bzw. die Koordinaten- Transformationen können gesondert gespeichert und verän­ dert werden. In den sogenannten Teileprogrammen wird dann lediglich der Koordinatensystemwechsel angegeben. Damit kann ein eingestelltes Koordinatensystem über mehrere unterschiedliche Teileprogramme Gültigkeit besitzen, und es kann ferner durch Ändern des Koordinatensystems bei mehrmaligem Abarbeiten von ein und demselben Teileprogramm bei jedem Programmdurchlauf sich anders auswirken. Es kann aber auch das Koordinatensystem unmittelbar im Teilepro­ gramm angegeben sein, so daß es nur für dieses Teilepro­ gramm Gültigkeit hat und nach Programmende verlorengeht.

Anhand der Zeichnungen werden im folgenden die Erfindung sowie Weiterbildungen und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Fig. 1 veranschaulicht das neue Verfahren.

In den Fig. 2 bis 5 sind Anwendungsbeispiele darge­ stellt.

In den Fig. 6 und 7 ist die Wirkung der Funktionen Drehung und anisotrope Maßstabsänderung verdeut­ licht.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Werkstück bezeichnet, an dem eine Teilkontur 2 mit einer numerisch gesteuerten Werkzeug­ maschine bearbeitet werden soll. Dem Werkstück ist ein erstes kartesisches Koordinatensystem, das Bezugs-Werk­ stück-Koordinatensystem mit den Koordinaten X₁, Y₁ (die Z-Achse ist der Übersichtlichkeit halber nicht darge­ stellt) der Teilkontur 2 ist ein aktuelles Werkstück- Koordinatensystem X₂, Y₂ zugeordnet. Dieses ist so gelegt, daß die Teilkontur einfach beschrieben werden kann. Die Beziehung zum Bezugs-Werkstück-Koordinatensystem X₁, Y₁ ist durch eine Koordinaten-Transformation KT1 gegeben. Nach Erstellung des Teileprogramms wird die Teilkontur 2 an die Maschine angepaßt, deren Achsen ein Basis-Koordi­ natensystem mit den Koordinaten X_B, Y_B aufspannen. Hierzu wird die Lage des eingespannten Werkstücks, d. h. die Lage des Bezugs-Werkstück-Koordinatensystems X₁, Y₁ bezüglich des Maschinen-Koordinatensystems X_B, Y_B gemessen und daraus die erforderliche Koordinaten-Transformation KT2 ermittelt. Werkstück 1 und Teilkontur 2 sind damit in dem Maschinen-Koordinatensystem angegeben. Die programmierten Verfahrbewegungen der Maschine zur Bearbeitung der Teil­ kontur 2 können dann vorgenommen werden.

Anhand von Fig. 2 wird als Anwendungsbeispiel des neuen Verfahrens das Einarbeiten einer ellipsenförmigen Kontur in eine erste Seite S1 eines Würfels und von zwei kreis­ förmigen Vertiefungen in zwei weitere Seiten S2, S3 be­ schrieben. Zunächst wird einmal in einem Unterprogramm die kreisförmige Vertiefung relativ zu einem Basis-Koordinaten­ system X_B, Y_B, Z_B programmiert. Es werden drei aktuelle Werkstück-Koordinatensysteme X₂₁, Y₂₁, Z₂₁; X₂₂, Y₂₂, Z₂₂ und X₂₃, Y₂₃, Z₂₃ gebildet, wobei die jeweilige Kontur in die X-/Y-Ebenen eingearbeitet werden. Im Hauptprogramm wird jeweils in das aktuelle Werkstück-Koordinatensystem gewechselt und das Unterprogramm aufgerufen. Die jeweili­ gen Koordinaten-Transformationen sind aus Einzeltransfor­ mationen gekettet. Für die Beschreibung der in die Würfel­ seite S₁ einzuarbeitenden ellipsenförmigen Kontur wird das Unterprogramm eingesetzt, verbunden mit einer Koordinaten- Transformation, der außer der Verschiebung vom Basis- Koordinatensystem zum Koordinatensystem X₂₁, Y₂₁, Z₂₁ eine anisotrope Maßstabsänderung vorgenommen wird, d. h., die Y-Richtung erhält einen höheren Gewichtsfaktor als die X-Richtung, derart, daß die gewünschte elliptische Kontur erreicht wird. Für die Bearbeitung der Seite S2 ist nicht nur eine Verschiebung erforderlich, sondern auch eine Drehung um die Y-Achse. Da die Kontur kreisförmig sein soll, wird für die X- und die Y-Achse ein gleicher Maß­ stabsfaktor angewandt. Für die Kontur der Seite S3 ist außer einer Verschiebung auch eine Drehung um die Z-Achse und eine weitere Drehung um die gedrehte X-Achse erfor­ derlich.

Als weiterer Anwendungsfall ist in Fig. 3 die Korrektur einer schiefen Aufspannung veranschaulicht. Das Werk­ stück, im Beispiel ein Würfel, wurde in einem Koordinaten­ system "Basis" programmiert, dessen Koordinaten X, Y, Z parallel zu den Kanten des Würfels verlaufen. Nach dem Aufspannen sind jedoch die Achsen der Maschine nicht parallel zu den Würfelkanten ausgerichtet. Durch eine Koordinaten-Transformation, im Beispiel eine dreifache Drehung, liegt das Werkstück bezüglich eines neuen Koordi­ natensystems "Aufspann" (X′, Y′, Z′) wieder achsparallel, so daß die Programmierung wie im Werkstück-Koordinaten­ system erfolgen und damit dasselbe Hauptprogramm einge­ setzt werden kann. Die Einstellung der Koordinaten-Trans­ formation zur Berücksichtigung der Verdrehung erfolgt vor dem Start des Bearbeitungsprogramms. Im Hauptprogramm steht nur der Wechsel auf das andere Koordinatensystem, das im Speicher hinterlegt ist und auf das wiederholt zu­ gegriffen wird. Die Koordinaten-Transformation "Aufspann" wird vor Programmstart oder am Programmanfang eingestellt, z. B. durch Vermessen des Werkstücks mit Meßtastern. Mit einer solchen Maßnahme wird erreicht, daß die Aufspannzeit bei bereits bearbeiteten Werkstücken erheblich verkürzt werden kann.

Als weiteres Beispiel wird in Fig. 4 die Lösung des soge­ nannten Palettenproblems gezeigt, bei dem gleichartige Teile (K1, K2; K1′, K2′), die auf einer Palette aufge­ spannt sind, bearbeitet werden. Die Geometrie, die auf jedem Teil jeweils zweimal erzeugt werden soll, sei in einem Unterprogramm einmal hinterlegt.

Für die Bearbeitung der verschiedenen Konturen werden folgende Koordinaten-Transformationen durchgeführt:

Für die Kontur K1: Vom Basis-Koordinatensystem KSB zum Paletten-Koordinatensystem KSP, von dort zum Teil 1- Koordinatensystem KST1, dann zum Kontur-Koordinatensystem KSK1. Für die Bearbeitung der Kontur K2 findet eine Trans­ formation vom Teil 1-Koordinatensystem KST1 zum Kontur- Koordinatensystem KSK2 statt. Für die Bearbeitung der Konturen K1′, K2′ im Teil 2 werden gleiche Transforma­ tionen zwischen den Kontur-Koordinatensystemen KSK1′, KSK2′ und dem Teil 2-Koordinatensystem KST2 wie für die Bearbeitung der Konturen K1, K2 durchgeführt. Lediglich die Transformation zwischen dem Paletten-Koordinatensystem KSP und dem Teil 2-Koordinatensystem KST2 ist unterschied­ lich. Jedesmal dann, wenn eine Kontur in Beziehung zum Basis-Koordinatensystem KSB gebracht ist, kann das Unter­ programm zur Bearbeitung der Kontur durchgeführt werden.

Das neue Verfahren kann auch bei Werkzeugwechsel vorteil­ haft verwendet werden. Fig. 5 zeigt eine Drehmaschine, deren Werkzeuge W1, W2 sowohl vor als auch hinter der Drehmitte angeordnet sind. Bei einem Wechsel von Werkzeug W1 auf Werkzeug W2 wird gleichzeitig die programmierte Kontur gespiegelt, wobei die Spiegelachse wie in Fig. 5 nicht mit einer der Koordinatenachsen zusammenfallen muß. Die Spiegelung ist dazu mit den anderen Werkzeugdaten abgelegt. Es besteht die Möglichkeit zu wählen, ob die Werkzeug-Längenkorrektur mitgespiegelt werden soll oder nicht. Bei jedem Werkzeugwechsel wird eine Spiegelung vorgenommen.

Wie schon erwähnt, können mit der Funktion Maßstabsfaktor die Achsen unterschiedlich gewichtet werden. Dabei können jedoch ein paar Besonderheiten auftreten, die berücksich­ tigt werden müssen. Wirkt der Maßstabsfaktor auf ein ge­ drehtes Koordinatensystem, so ist das entstehende Koordi­ natensystem nicht mehr kartesisch. Fig. 6 zeigt dies an einem Beispiel. Ausgehend von einem Basis-Koordinaten­ system X, Y wird zunächst ein um 45° gedrehtes Werkstück- Koordinatensystem X′, Y′ definiert (Fig. 6a). Danach wird ein Maßstabsfaktor angewählt, der die Y-Achse mit 2 und die X-Achse mit 1 skaliert. Abhängig davon, in welchem System der Maßstabsfaktor wirkt, sind dann unterschied­ liche Auswirkungen zu erkennen. In Bild 6b ist der Fall dargestellt, daß der Maßstabsfaktor im Basis-Koordinaten­ system eingerechnet wird, also im ungedrehten System, während in Bild 6c der Maßstabsfaktor im Werkstück-Koordi­ natensystem wirkt. In Bild 6b wirkt die Drehung auf den Maßstabsfaktor, während in Bild 6c zuerst gedreht und dann skaliert wurde. Man erkennt, daß die Vertauschung von Drehung und Maßstabsfaktor zu unterschiedlichen Ergebnis­ sen führt und daß nicht kartesische Koordinatensysteme ent­ stehen können. Dies kann gewollt sein und macht, solange die Werkzeugorientierung nicht in bezug zum Werkstück ein­ gestellt werden soll, auch keine Probleme. Ist dagegen eine Orientierung zu berücksichtigen, so kann der Maßstabsfaktor nur mit Einschränkungen sinnvoll eingesetzt werden.

Wird die Orientierung des Werkzeugs nicht berücksichtigt, darf der Maßstabsfaktor ohne Einschränkungen verwendet werden, wobei allerdings nicht kartesische Koordinaten­ systeme X′′, Y′′ entstehen können (Fig. 6b). Wird die Orientierung berücksichtigt, z. B. bei einer 5-Achs- Bearbeitung, so wird die Orientierung des Werkzeugs durch einen anisotropen Maßstabsfaktor ebenfalls beeinflußt. D. h., wenn die Orientierung transformiert wird, ist die Lage des Werkzeugs relativ zur Kontur anders als die pro­ grammierte Orientierung. Wird der anisotrope Maßstabsfak­ tor auch auf die Orientierung eingerechnet, so hat dies zur Folge, daß die Orientierung relativ zum Werkstück verändert und damit unterschiedlich zur programmierten Orientierung ist. Wird der anisotrope Maßstabsfaktor nicht auf die Orientierung (d. h. nur auf das Werkstück) einge­ rechnet, wird auch die Orientierung relativ zum Werkstück verändert. Die Orientierung kann aber auch unabhängig von der Position transformiert werden, und zwar so, daß die Lage des Werkzeugs relativ zum Werkstück genau der pro­ grammierten Orientierung entspricht. Dies bedeutet aller­ dings, daß Position und Orientierung nicht in einem ein­ zigen Koordinatensystem dargestellt werden können. Dazu müssen dann Position und Orientierung in unterschiedlichen Koordinatensystemen geführt werden.

Anhand von Fig. 7 läßt sich erkennen, wie sich die unter­ schiedlichen Möglichkeiten auswirken. Das Bild zeigt einen typischen Anwendungsfall aus dem Formenbau, wobei die mit der Form hergestellten Teile aus anisotropen Werkstoffen bestehen, das sind Werkstoffe, die in unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Schrumpfeigenschaften zeigen. Programmiert wird der Konturverlauf im Werkstück-Koordi­ natensystem X′, Y′ Nach Fertigstellung des Teileprogramms wird ein anisotroper Maßstabsfaktor in Richtung der Aniso­ tropie im Basis-Koordinatensystem X, Y wirkend eingerech­ net, womit die Form so verzerrt wird, daß die unterschied­ liche Schrumpfung des Werkstoffs ausgeglichen wird. Der Konturverlauf ist in einem Werkstück-Koordinatensystem X′′, Y′′ durchgezogen gezeichnet. Mit drei Pfeilen 1, 2, 3 sind dort auch die entsprechend den oben bezeichneten drei Möglichkeiten sich ergebenden Orientierungen veranschau­ licht. Das Werkzeug ist ursprünglich im Koordinatensystem X′, Y′ senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche aus­ gerichtet. Wird die Werkzeugorientierung nicht in das Koordinatensystem X′′, Y′′ transformiert, bleibt die ur­ sprüngliche Orientierung erhalten (Pfeil 2). Der Pfeil 1 zeigt die Orientierung des Werkzeugs, wenn die anisotrope Transformation in gleicher Weise auf das Werkstück und die Orientierung des Werkzeugs wirkt. Soll das Werkzeug auch nach der anisotropen Transformation des Werkstücks senk­ recht zu der zu bearbeitenden Fläche ausgerichtet sein (Pfeil 3), muß für das Werkzeug ein eigenes Koordinaten­ system geschaffen werden, in welches die Werkzeugorien­ tierung transformiert wird.

Für die sogenannte 2½-D-Bearbeitung soll im Werkstück- Koordinatensystem jeweils die aktuelle Ebene angewählt werden können. Wenn das Werkstück-Koordinatensystem gedreht wird, wird die Ebene mitgedreht. Es wird dabei immer angenommen, daß, so lange die Werkzeugorientierung nicht explizit anders programmiert wird, das Werkzeug senkrecht zu dieser Ebene steht. Eine Drehung aus der aktuellen Ebene oder Wechsel der aktuellen Ebene kann dazu führen, daß das Werkzeug nicht mehr senkrecht zur aktuel­ len Ebene orientiert ist und damit die Werkzeugkorrektur falsch berechnet würde. Es ist daher erforderlich, die Werkzeugorientierung entsprechend korrigieren zu können.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken in numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen aufgrund von programmierten Verfahrbewegungen der Maschine, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in einem auf das Werk­ stück bezogenen Koordinatensysteme angegebenen Verfahr­ bewegungen der Maschine durch Koordinaten-Transformation in ein auf die Maschine bezogenes Koordinatensystem umge­ setzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die in mehreren auf das Werkstück bezogenen Koordinatensystemen angegebenen Ver­ fahrbewegungen der Maschine auf ein Bezugs-Werkstück- Koordinatensystem umgesetzt werden und daß die in diesem angegebenen Verfahrbewegungen in das auf die Maschine bezogene Koordinatensystem umgesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrbewegungen in Teileprogrammsätzen angegeben sind und daß mit einem Teileprogrammsatz das jeweils aktuelle Werkstück-Koordi­ natensystem angegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Koordinaten-Transformation Verschiebung und/oder Drehung und/oder Spiegelung und/oder Maßstabsänderung ist.

5. Steuerung für eine Werkzeugmaschine, deren Verfahr­ bewegungen aufgrund von programmierten Anweisungen ge­ steuert werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lage des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich der Achsen der Maschine bestimmt wird und daß die Verfahrbewegungen der Maschine aus in einem auf das Werkstück bezogenen Koordinatensystem angegebenen Verfahr­ anweisungen durch eine Koordinaten-Transformation, die durch Messen der Lage des zu bearbeitenden Werkstücks bezüglich der Achsen der Maschine bestimmt wird, ermittelt werden.