DE4430003A1 - Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine - Google Patents
Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer WerkzeugmaschineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur numeri
schen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine, die eine längs
mindestens zweier Bewegungsachsen verschiebliche Führung für
eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück auf
weist.
Aus der EP 0 335 366-A1 ist eine Elektro-Erodiermaschine be
kannt, bei der nur wenige geometrische Informationen in Form
von Bahnpunkten eingegeben werden. Zwischenpunkte zwischen
den Bahnpunkten werden durch Interpolation ermittelt. Da die
Drahterodiermaschine zwei unabhängig voneinander bewegliche
Führungen aufweist, wird dort vorgeschlagen, die Interpola
tion für die Bahnzwischenpunkte der zwei beweglichen Füh
rungen nach verschiedenen Beziehungen durchzuführen, bei
spielsweise die eine linear und die andere nach einer Kreis
funktion, wodurch eine höhere Konturgenauigkeit bei größerer
Flexibilität der möglichen Konturen erreicht wird.
Generell erfolgt im Bereich einer CNC-Bearbeitung folgender
Arbeitsablauf: Auf einer CAD-Station (Computer Aided Design)
wird konstruiert, was bearbeitet werden soll; in einem nach
folgenden CAM-Schritt (Computer-Aided Manufacturing) werden
die Eingangsdaten aus dem CAD-System aufbereitet, um die
Bearbeitungstechnologie festzulegen, wie beispielsweise die
grundsätzliche Bearbeitung erfolgt, z. B. durch Fräsen,
Drehen, Bohren, Schleifen, Elektroerosion etc. Je nach Bear
beitungstechnologie werden dann beispielsweise beim Fräsen
Zeilenabstände, Werkzeugauswahl, Schnittgeschwindigkeit etc.
festgelegt.
In einem nachfolgenden sogenannten Postprozessorlauf werden
diese CAM-Daten auf die spezifische Maschinenkinematik umge
setzt. Das dabei dann entstehende NC-Programm enthält nur
"Verfahrbewegungen", d. h. die Koordinaten von anzufahrenden
Punkten der Bewegungsachsen der Maschine.
Weiter ist es bei numerischen Steuerungen (NC oder CNC) üb
lich, die Bahnkontur der Bewegungsachsen durch Polygonzüge,
d. h. Abschnitte von Geraden anzunähern, so daß die Daten
struktur jeweils nur die Koordinatenwerte der Schnittpunkte
der geraden Abschnitte enthält. Eine nur aus Polygonzügen
zusammengesetzte Kontur ist naturgemäß einer beliebigen Kurve
umso genauer angenähert, je mehr Stützpunkte vorhanden sind.
Damit steigt aber die Datenmenge der in die numerische
Steuerung einzuspeisenden Daten unvertretbar hoch an. Aus
diesem Grunde ist es üblich, zwischen zwei Stützpunkten des
Polygonzuges nicht linear zu interpolieren, sondern längs
vorgegebener Funktionen, wie z. B. einem Kreis, einer Parabel,
einer Ellipse oder einer Hyperbel. Somit wird die von der
Führung zwischen zwei Stützpunkten durchlaufende Bahnkontur
aus Kreis-, Parabel-, Hyperbel- oder Ellipsenabschnitten
zusammengesetzt, womit sich bestimmte Kurvenformen, wie z. B.
Kreis, Ellipse, Hyperbel oder Parabel exakt darstellen und
sonstige Freiformflächen annähern lassen. Dies bedingt aber
zum einen, daß neben den Stützstellen des Polygonzuges auch
Parameterwerte für die Interpolation an die numerischen
Steuerung übergeben werden müssen, was die Datenmenge erhöht
und weiter, daß die numerische Steuerung eine größere Anzahl
verschiedener Interpolationsarten beherrscht, was einen gro
ßen Hard- und Softwareaufwand mit sich bringt.
Aufgrund der immer höher werdenden Anforderungen an die Ge
nauigkeit der Bahnkontur ging die Entwicklung dahin, immer
größere Datenmengen an die numerische Steuerung zu über
mitteln, mit der Folge, daß immer größere Datenmengen in
gleichen Zeiteinheiten verarbeitet werden müssen. Es werden
heute teilweise schon über 1000 Datensätze pro Sekunde als
Vorgabe für CNC-Steuerungen gefordert, was bedeutet, daß pro
Millisekunde ein Datensatz komplett verarbeitet und in
steuerbefehle für die Achsantriebe der Maschine umgesetzt
werden muß. Dies hat unter anderem folgende Konsequenzen: Die
Anforderungen an die Verarbeitungsleistung der CNC-Steuerung,
insbesondere an die Prozessorleistung steigen extrem an und
die Satzverarbeitungszeiten müssen immer kürzer werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugma
schine anzugeben, bei dem der erforderliche Rechenaufwand
drastisch reduziert ist, bei dem eine weiche Steuerung der
Werkzeugmaschine erfolgt und bei dem das bearbeitete Werk
stück eine glatte, möglichst kantenfreie Kontur aufweist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten a) bis
g) des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, anhand der
Zeichnungen sowie aus den Unteransprüchen. Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch den Datenfluß von einem CAD-System zu einer
Werkzeugmaschine und
Fig. 2 eine Lücke von Sollpunkten und deren Bearbeitung.
Gemäß Fig. 1 werden Datensätze vom CAD-System 1 an die
Recheneinheit 2 übergeben. Die Datensätze bestimmen die von
der Werkzeugmaschine 3 abzufahrende Geometrie.
Die Datensätze können verschiedene geometrische Figuren defi
nieren, z. B. die verschiedenen Kegelschnitte. Im einfachsten
Fall stellen die Datensätze einfach die Eckpunkte eines Poly
gonzuges dar.
Die übertragenen Datensätze werden von der Recheneinheit 2 im
Zwischenpuffer 4 zwischengespeichert. Die Datensätze werden
dann von der Recheneinheit 2 soweit erforderlich verarbeitet
und in verarbeiteter Form an die Werkzeugmaschinensteuerung 5
weitergegeben. Diese steuert dann die Achsantriebe der Werk
zeugmaschine entsprechend an.
Jeder Datensatz umfaßt zumindest pro Achse der Werkzeugma
schine 3 eine Koordinate. Da die Werkzeugmaschine mindestens
zwei Achsen aufweist, besteht jeder Datensatz folglich aus
zumindest zwei Koordinaten, die einen Punkt im dreidimensio
nalen Raum beschreiben.
Wenn die vom CAD-System 1 vorgegebenen Datensätze Kurven be
schreiben, erfolgt die Weiterverarbeitung der Datensätze in
üblicher Weise. Wenn die Datensätze dagegen einen Polygonzug
beschreiben, werden die Daten gemäß dem nachstehend in Ver
bindung in Fig. 2 beschriebenen Verfahren verarbeitet.
Sei im folgenden angenommen, daß Datensätze vorgegeben seien,
die unter anderem den in Fig. 2 dargestellten Polygonzug mit
den Sollpunkten SP₁ bis SP₆ definieren. Bei der Berechnung
des Polynoms wählt die Recheneinheit 2 zunächst die Soll
punkte SP₁ und SP₂ aus und verbindet diese beiden Punkte SP₁
und SP₂ miteinander. Sodann legt die Recheneinheit 2 das in
Fig. 2 gestrichelt angedeutete Toleranzband um die Verbin
dungslinie zwischen den Punkten SP₁ und SP₂. Das Toleranzband
ist dabei anhand einer Toleranzgrenze bestimmt, die zuvor der
Recheneinheit 2 vorgegeben wurde.
Das anhand der Sollpunkt SP₁ und SP₂ bestimmte Polynom ist in
diesem Fall selbstverständlich eine lineare Funktion, die mit
der Verbindungslinie zwischen den Sollpunkten SP₁ und SP₂
identisch ist. Sie liegt daher vollständig innerhalb des
Toleranzbandes.
Die Recheneinheit wählt dann als nächstes zusätzlich den Da
tensatz aus, der dem Sollpunkt SP₃ zugeordnet ist und ver
längert den Polygonzug um die Verbindungsstrecke zwischen den
Sollpunkten SP₂ und SP₃. Danach wird erneut ein den Polygon
zug einhüllendes Toleranzband bestimmt sowie wieder aus den
Sollpunkten SP₁ bis SP₃ ein Polynom bestimmt, das nunmehr
selbstverständlich nicht mehr eine einfache lineare Funktion
ist. Wenn das Polynom wiederum innerhalb des Toleranzbandes
verläuft, wird der Polygonzug um die Verbindungsstrecke vom
Sollpunkt SP₃ zum Sollpunkt SP₄ verlängert usw.
Fig. 2 zeigt beispielhaft den Polygonzug bis zum Sollpunkt SP₅
sowie das hierzu errechnete Polynom P₅. Ferner ist in Fig. 2
auch der Sollpunkt SP₆ sowie strichpunktiert das zugehörige
Polynom P₆ dargestellt. Wie sofort ersichtlich ist, verläuft
das Polynom P₅ vollständig innerhalb des Toleranzbandes, wäh
rend das Polynom P₆ dieses überschreitet. Wenn das Polynom P₆
das erste errechnete Polynom ist, welches das Toleranzband
überschreitet, wird der Sollpunkt SP₆ wieder gestrichen und
das Polynom P₅ zur weiteren Verarbeitung verwendet. Die Soll
punkte SP₅ und SP₆ sind dann die beiden ersten Sollpunkte des
nächsten Polygonzuges, der gemäß obenstehend beschriebenem
Verfahren behandelt wird.
Die Polynome sind Polynome dritten Grades. Sie sind daher
durch vier Randbedingungen eindeutig festgelegt. Im vorlie
genden Fall werden folgende vier Bedingungen herangezogen:
- - die Koordinaten des ersten und des letzten Sollpunktes des Polygonzugs (z. B. die Sollpunkte SP₁ und SP₅ für das Poly nom P₅) und
- - die Steigungen des Polygonzuges im ersten und im letzten Sollpunkt des Polygonzuges (also z. B. die Steigungen der Verbindungsstrecken zwischen den Sollpunkten SP₁ und SP₂ einerseits und den Sollpunkten SP₄ und SP₅ andererseits für das Polynom P₅).
Wenn das Polynom feststeht, im vorliegenden Fall also das
Polynom P₅, bestimmt die Recheneinheit 2 Ansteuerpunkte längs
der Bewegungsachsen der Werkzeugmaschine und gibt diese der
Werkzeugmaschinensteuerung 5 vor, die sie an die Achsantriebe
der Werkzeugmaschine 3 weiterleitet. Die Ansteuerpunkte sind
in Fig. 2 durch kleine Rechtecke auf dem Polynom P₅ markiert.
Wie aus Fig. 2 sofort ersichtlich ist, berührt das Polynom P₅
nicht alle Sollpunkte SP₁ bis SP₅.
Die Ansteuerpunkte werden dabei aus dem Polynom unter Verwen
dung eines konstanten Zeittaktes ermittelt, der vom Anwender
vorgebbar ist. Die Ansteuerpunkte werden dabei selbstver
ständlich unter Berücksichtigung der Soll-Verfahrgeschwindig
keit der Achsantriebe ermittelt. Dabei wird auch unter Be
rücksichtigung der Dynamikbegrenzungen der Achsantriebe über
prüft, ob die Ansteuerpunkte von der Werkzeugmaschine 3 in
nerhalb des Toleranzbandes anfahrbar ist. Wenn das Toleranz
band überschritten wird, wird die Soll-Verfahrgeschwindigkeit
reduziert, um so ein genaueres Einhalten der anzufahrenden
Ansteuerpunkte zu erreichen.
Anstelle der hier verwendeten Polynome dritten Grades können
selbstverständlich auch andere Polynome, z. B. fünfter oder
sechster Ordnung, verwendet werden. Selbstverständlich müssen
in diesem Fall noch weitere Bedingungen zur Bestimmung der
Koeffizienten des Polynoms gegeben sein.
Ebenso können die Steigungen im Anfangs- und im Endpunkt des
Polygonzuges auch dadurch bestimmt werden, daß durch die er
sten bzw. letzten Sollpunkte des Polygonzuges ein Hilfspoly
nom höherer als erster Ordnung gelegt wird.
Das den Sollpunkten angepaßte Polynom kann auch z. B. gemäß
der allgemein bekannten Methode der kleinsten Fehlerquadrate
approximiert werden.
Ferner ist es selbstverständlich auch möglich, die Polynombe
rechnung an einer bestimmten Stelle bewußt abzubrechen. Bei
spielsweise kann in den Datensätzen eine Steuerinformation
enthalten sein, die besagt, daß der betreffende Sollpunkt der
erste Sollpunkt des nächsten Polynoms und/oder der letzte
Sollpunkt des momentan verarbeiteten Polygons bezeichnet.
Weitere Abbruchkriterien sind beispielsweise, wenn der Re
cheneinheit 2 eine Steuerinformation übermittelt wird, auf
grund derer sie eine Kommunikation mit einen von den Achs
antrieben verschiedenen elektrischen Gerät, z. B. einer spei
cherprogrammierbaren Steuerung, aufnimmt. Ebenso kann ein
Abbruchkriterium sein, daß der Abstand zwischen zwei aufein
anderfolgenden Sollpunkten einen vorgegebenen Maximalwert
überschreitet.
Wieder andere Abbruchkriterien sind z. B., wenn der Steuerung
Datensätze vorgegeben werden, die keinen Polygonzug, sondern
eine andere geometrische Figur, z. B. eine Ellipse,
definieren.
Das obenstehend beschriebene Verfahren kann selbstverständ
lich auch bewußt aktiviert oder deaktiviert werden, z. B. wie
der über in den Datensätzen enthaltene Steuerinformationen.
Die der Recheneinheit 2 vorgegebene Toleranzgrenze ist achs
spezifisch vorgebbar und auch variierbar. Beispielsweise
können die Datensätze die nötigen Informationen über die To
leranzgrenzen der einzelnen Achsen enthalten.
Claims (17)
1. Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugma
schine, die eine längs mindestens zweier Bewegungsachsen ver
schiebliche Führung für eine Relativbewegung zwischen Werk
zeug und Werkstück aufweist, mit folgenden Schritten:
- a) der Steuerung wird eine Toleranzgrenze eingegeben;
- b) der Steuerung der Maschine werden eine Anzahl von Daten sätzen zugeführt, die aufeinanderfolgende Sollpunkte auf den Bewegungsachsen bezeichnen;
- c) es werden mindestens zwei aufeinanderfolgenden Sollpunkten zugeordnete Datensätze ausgewählt;
- d) es wird ein diese Sollpunkte verbindender Polygonzug be stimmt;
- e) es wird anhand der Toleranzgrenze ein den Polygonzug ein hüllendes Toleranzband bestimmt;
- f) aus den Sollpunkten wird ein Polynom bestimmt;
- g) bei Nichterreichen eines Abbruchkriteriums werden von der Steuerung der dem nächsten Sollpunkt zugeordnete Datensatz zusätzlich ausgewählt und erneut die Schritte d) bis g) durchlaufen, während bei Erreichen des Abbruchkriteriums aus einem unter Berücksichtigung des Abbruchkriteriums bestimmten Polynom Ansteuerpunkte längs der Bewegungs achsen bestimmt werden und den Achsantrieben der Werkzeug maschine diesen Ansteuerpunkten entsprechende Steuer signale zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Abbruchkriterium darin besteht,
daß das Polynom das Toleranzband überschreitet, und daß in
diesem Fall das unmittelbar zuvor bestimmte Polynom zur Be
stimmung der Ansteuerpunkte längs der Bewegungsachsen
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß in einem der Datensätze eine das Ab
bruchkriterium darstellende Steuerinformation enthalten ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuerinformation darin besteht,
daß sie den letzten Sollpunkt des Polygons bezeichnet.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuerinformation
darin besteht, daß sie den ersten Sollpunkt des nächsten
Polygons bezeichnet.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuerinformation darin besteht,
daß sie eine Kommunikation der Steuerung mit einem von den
Achsantrieben verschiedenen elektrischen Gerät, z. B. einer
speicherprogrammierbaren Steuerung, auslöst,
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß das Abbruch
kriterium darin besteht, daß der Abstand zwischen zwei auf
einanderfolgenden Sollpunkten einen vorgegebenen Maximalwert
überschreitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Daten
sätze beim Zuführen zur Steuerung in einem Zwischenpuffer
zwischengespeichert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Polynom
bildung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da
durch gekennzeichnet,
- - daß das Polynom ein Polynom dritter Ordnung ist,
- - daß aus einer vorgegebenen Anzahl von Anfangs-Sollpunkten und End-Sollpunkten des Polygonzuges ein erstes und ein zweites Hilfspolynom bestimmt werden,
- - daß anhand des ersten und des zweiten Hilfspolynoms die Steigungen des ersten Hilfspolynoms im ersten und des zweiten Hilfspolynoms im letzten Sollpunkt des Polygonzuges bestimmt werden und
- - daß aus dem ersten und dem letzten Sollpunkt des Polygon zuges und der Steigungen in diesen beiden Sollpunkten das Polynom bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß die Daten
sätze optional Informationen über die Toleranzgrenzen ent
halten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß die Ansteuer
punkte aus dem Polynom unter Verwendung eines konstanten
Zeittaktes ermittelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Zeittakt vom Anwender
vorgebbar ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß unter Be
rücksichtigung der Soll-Verfahrgeschwindigkeit der Achsan
triebe und Dynamikbegrenzungen der Achsantriebe überprüft
wird, ob die Ansteuerpunkte von der Werkzeugmaschine inner
halb des Toleranzbandes anfahrbar sind und daß bei Über
schreiten des Toleranzbandes die Soll-Verfahrgeschwindigkeit
reduziert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß die Tole
ranzgrenze achsspezifisch vorgebbar ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da
durch gekennzeichnet, daß nach Errei
chen des Abbruchkriteriums erneut die Schritte c) und g) des
Anspruchs 1 durchlaufen werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da
durch gekennzeichnet, daß die Daten
sätze eine Steuerinformation enthalten können, die das Ver
fahren ab Schritt c) des Anspruchs 1 aktiviert.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944430003 DE4430003A1 (de) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944430003 DE4430003A1 (de) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4430003A1 true DE4430003A1 (de) | 1996-02-29 |
Family
ID=6526436
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944430003 Withdrawn DE4430003A1 (de) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | Verfahren zur numerischen Bahnsteuerung einer Werkzeugmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
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---|---|---|---|
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