Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von Verformungen einer mit einem Werkstück versehenen Drehschwenkeinheit einer Werkzeugmaschine aufgrund von dynamischen Bewegungsvorgängen.

Die erfindungsgemäß betrachteten dynamischen Bewegungsvorgänge umfassen Beschleunigungen und Verzögerungen, die sich während der Bearbeitung eines Werkstücks ergeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation bezieht sich auch auf das Werkstückgewicht bzw. auf dynamische Verformungen, welche in Abhängigkeit von dem Werkstückgewicht entstehen.

Die Dynamik von Werkzeugmaschinen und damit die verfügbare Beschleunigung in den Achsen werden ständig gesteigert. Hohe Beschleunigungen führen jedoch zu unerwünschten Verformungen in den Werkzeugmaschinen und damit zu unerwünschten Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung. Bei Maschinenachsen von Werkzeugmaschinen, die das zu bearbeitende Werkstück bewegen, werden diese zusätzlich durch die Masse des Werkstückes beeinflusst. Je größer die Masse des Werkstückes ist, desto größer sind die resultierenden Verformungen und Abweichungen bei der Bearbeitung.

Dies trifft besonders für Werkzeugmaschinen zu, bei denen das Werkstück auf einer Drehschwenkeinheit gespannt wird und mit Hilfe zweier rotativer Achsen bewegt wird. Wenn die Drehschwenkeinheit zusätzlich längs einer linearen Achse verfahren wird, kommen weitere Effekte aus der Beschleunigung dieser linearen Achse hinzu. Bei mechanischen Systemen kann in erster Näherung von einer additiven Überlagerung der einzelnen Verformungen ausgegangen werden. Das ist auch der Ansatz in dem erfindungsgemäßen Kompensationsverfahren.

Bei einer steif ausgelegten Drehschwenkeinheit werden sich durch das Werkstück bedingte Verformungen erst signifikant auswirken, wenn dieses eine gewisse Masse erreicht. Kleinere Werkstücke mit geringen Gewichten führen nur zu vernachlässigbaren Verformungen. Die Schwenkbrücke der Drehschwenkeinheit wird nur durch ihr Eigengewicht verformt, für das die Werkzeugmaschine aber bei der Inbetriebnahme mechanisch justiert werden kann. Größere Werkstücke können bei einer in Drehschwenkeinheiten typischer Weise stark gekröpften Anordnung der Maschinenachsen nur relativ zentrisch gespannt werden. In der Folge liegt der Schwerpunkt des Werkstückes auch relativ zentrisch. Bestimmender Faktor für die Verformung von steifen Drehschwenkeinheiten ist somit die Masse des Werkstückes. Diese führt zu einem Einfedern der Drehschwenkeinheit nach unten. Das Einfedern setzt sich zusammen aus der Nachgiebigkeit der Lager, der Führungswagen, wenn die Drehschwenkeinheit noch auf einer weiteren linearen Achse steht, und einer Verformung der mechanischen Komponenten, wie der Gussteile, aus denen die Drehschwenkeinheit besteht. Mit Hilfe von verschiedenen Referenzgewichten kann die statische gewichtsabhängige Verformung leicht gemessen werden, wie auch aus der EP 2 735 928 A1 bekannt. Dabei muss die Verformung allerdings nicht gleichmäßig sein, sondern kann aufgrund der Bauform der Drehschwenkeinheit auf der einen Seite, beispielsweise der Seite mit dem Antrieb und dem größeren Lager, kleiner sein als auf der gegenüberliegenden Seite. Es kann also auch zu einem leichten Verkippen der Achse durch das Werkstückgewicht kommen. Alternativ zu einer Vermessung der Eigenschaften der Schwenkeinheit können diese auch mit modernen Methoden, beispielsweise Finite Elemente berechnet werden.

Außerdem ist die Steifigkeit der Schwenkeinheit nicht in alle Richtungen gleich. In der Folge wird die durch Werkstück und Eigengewicht der Schwenkbrücke bedingte Verformung der Drehschwenkeinheit auch von der Position der Schwenkachse abhängen. Wenn die Schwenkachse auf 90° steht, wird diese anders ausfallen, als wenn diese auf 0° oder entsprechenden Zwischenpositionen steht. Das betrifft auch die Stärke der Verkippung der Schwenkachse durch unterschiedliches Einfedern der Schwenkeinheit auf beiden Seiten. Somit muss für die Kompensation der statischen Werkstück- und eigengewichtbedingten Verformungen neben dem Werkstückgewicht auch die Position der Schwenkachse einbezogen werden.

In der Praxis kommt es neben dem beschriebenen linearen Einfedern und dem Verkippen der Schwenkeinheit bei unterschiedlichen Positionen der Schwenkachse auch zu einer Verformung aufgrund von Torsion durch die exzentrische Belastung der Schwenkachse, z.B. wegen der Kröpfung dieser. Die Torsion soll jedoch an dieser Stelle nicht berücksichtigt werden, sondern erst als zweiter Effekt, da bei der Torsion auch dynamische Anteile aus der Achsbewegung eine Rolle spielen, wie weiter unten beschrieben. Um die Verformung durch Torsion von der Verformung durch lineares Einfedern zu trennen, kann, wie in der Mechanik bekannt, ein Referenzpunkt oder eine Referenzlinie gewählt werden, z.B. die Schwenkachse selber. Die Verformung setzt sich, bezogen auf die Schwenkachse, aus einem linearen und einem rotativen Anteil zusammen.

Das Werkstückgewicht und die Position der Schwenkachse werden also nur dafür herangezogen, das Einfedern der Schwenkeinheit mit dem Werkstück nach unten und die Verkippung der Schwenkachse durch unterschiedliches Einfedern an den Enden der Schwenkeinheit zu errechnen. Als Basis für die Berechnung können zuvor durchgeführte Messungen oder auch moderne Berechnungsverfahren, beispielsweise Finite Elemente, dienen. Diese Betrachtung ist rein statisch und eine Verwindung der Schwenkbrücke durch die exzentrische Belastung des Schwenkantriebes ist bis hierhin nicht vorgesehen, da es auch die dynamischen Effekte zu berücksichtigen gilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kompensationsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Anwendbarkeit einen hochqualitativen Betrieb einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer 5-Achs-Fräsmaschine, ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Kompensation von Verformungen einer mit einem Werkstück versehenen Drehschwenkeinheit einer Werkzeugmaschine aufgrund von dynamischen Bewegungsvorgängen geschaffen, bei welchem während der Bearbeitung des Werkstücks das Gewicht des Werkstücks auf der Drehschwenkeinheit, lineare Beschleunigungen und/oder Verzögerungen der Drehschwenkeinheit, das Drehmoment des Antriebs der Drehschwenkeinheit und die Position der Schwenkachse der Drehschwenkeinheit ermittelt und aus diesen Daten zumindest ein Kompensationswert errechnet und der Maschinensteuerung zur Korrektur eines laufenden Bearbeitungsprogramms zugeführt wird.

Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass zunächst das Werkstückgewicht auf der Drehschwenkeinheit ermittelt wird. Das Werkstückgewicht kann beispielsweise durch Verfahren der Linearachse, auf der sich die Drehschwenkeinheit befindet, mit einer kurzen Beschleunigung leicht ermittelt werden, indem die für die Beschleunigung erforderlichen Kräfte über den im Antrieb dafür benötigten Strom gemessen werden. Wenn zuvor eine gleiche Messung ohne Werkstück durchgeführt wurde, kann über den Unterschied der Ströme bzw. der Kräfte auf das Werkstückgewicht geschlossen werden. Das ermittelte Werkstückgewicht ist dann neben der Position der Schwenkachse Eingangsgröße für die Kompensation, mit der die durch unterschiedliches Werkstückgewicht verursachten mechanischen Abweichungen in der Steuerung verrechnet werden können. Dies sind die Eingangsgrößen für den ersten Effekt.

Wenn es während der Bearbeitung zu größeren Zerspanungen kommt, die das Gewicht des Werkstückes signifikant ändern, kann dieses zwischendurch mit dem oben beschriebenen Verfahren jederzeit neu ermittelt werden. Als Eingangswert für die Kompensation dient das gerade gültige Werkstückgewicht.

Nachteilig an dem Verfahren nach der EP 2 735 828 A1 ist, dass beschleunigungsbedingte Kräfte und Verformungen nicht einbezogen werden. Erfindungsgemäß wird daher das Drehmoment des Antriebs der Schwenkachse für die Kompensation einbezogen. Das Drehmoment der Schwenkeinheit wird grundsätzlich in vier Teilmomente aufgeteilt.

Während des Verfahrens der Schwenkachse muss diese die Reibkräfte in Lagern, Dichtungen, etc., überwinden. Dieses Moment ist im Wesentlichen geschwindigkeitsproportional und kann durch reversierendes Verfahren der Achse leicht ermittelt werden.

Weiterhin wird ein Teil des Drehmomentes dafür benötigt, die Drehschwenkeinheit in bestimmten Positionen zu halten, z.B. wenn die Drehschwenkeinheit auf 90° steht. Aufgrund der Kröpfung ist insbesondere bei kleinen Werkstücken ein bestimmtes Drehmoment erforderlich, um die bezüglich ihres Schwerpunktes exzentrische Achse durch den Schwenkantrieb zu halten.

Das dritte Teilmoment betrifft die Beschleunigung der Schwenkachse. Insbesondere bei 5- Achs-Simultanbearbeitung von komplexen Werkstücken muss die Schwenkachse ständig beschleunigen und verzögern, was zu hohen Drehmomenten im Antrieb bei dynamischen Bearbeitungen führt. Das vierte Teilmoment resultiert aus Bearbeitungskräften während der Zerspanung, die abhängig vom Bearbeitungsort über einen Hebel auf den Antrieb der Schwenkachse wirken. _c

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In der Praxis sind die reibungsbedingten Kräfte meistens von untergeordneter Bedeutung. Bei hochgenauen Bearbeitungen sind außerdem die Bearbeitungskräfte relativ klein. Den bestimmenden Anteil für das Drehmoment in der Schwenkachse machen dann die anderen beiden Teilmomente aus, die aus der Exzentrizität der gesamten Schwenkeinheit, bestehend aus Werkstück und der Schwenkbrücke, und den Beschleunigungs- sowie Verzögerungsvorgängen gebildet sind. Beide überlagern sich und führen zu Verformungen, im Wesentlichen einer Verwindung (Torsion) der Schwenkbrücke, insbesondere wenn der Antrieb nur einseitig vorgesehen ist. Daher ist es wünschenswert, diesen Effekt ebenfalls in der Steuerung zu kompensieren. Das ist auch deswegen wichtig, weil der Lagegeber für die Schwenkeinheit aus regelungstechnischen Gründen üblicherweise möglichst antriebsnah angeordnet wird. Das hat aber zur Folge, dass über die Verwindung der Schwenkbrücke keine direkte Information vorliegt. Wenn die mechanischen Eigenschaften der Schwenkbrücke, beispielsweise durch messtechnische Ermittlung oder durch Berechnung (Finite Elemente oder ähnliches) bekannt sind, kann aber mit Hilfe des Drehmomentes in der Schwenkachse die Verformung der Schwenkbrücke bestimmt werden. Das Drehmoment wird wiederum leicht über den im Antrieb der Schwenkachse benötigten Motorstrom bestimmt. Die so aus dem Drehmoment des Schwenkantriebes, eventuell unter Abzug von Reibanteilen des Drehmomentes, ermittelte Verformung der Schwenkbrücke, ist eine weitere Eingangsgröße für die Kompensation, um aus der Verwindung der Schwenkeinheit entstehende Maßabweichungen in der Steuerung zu kompensieren. Dieser zweite Effekt wird ergänzend zu der oben beschriebenen statischen Kompensation für die Gesamtkompensation berücksichtigt.

Wenn die Drehschwenkeinheit, wie oben beschrieben, außerdem eine lineare Bewegung ausführt, können auch Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge der linearen Achse zu Verformungen der gesamten Drehschwenkeinheit und damit maßlichen Abweichungen bei der Bearbeitung führen. Wenn die Drehschwenkeinheit beispielsweise auf einem verfahrbaren Maschinentisch angeordnet ist, kann dieser bei hochdynamischen Bearbeitungen einfedern, ähnlich wie ein Auto, das bei Beschleunigung auf der Hinterachse runtergeht und auf der Vorderachse hochkommt. Im Unterschied zum Auto ist die Drehschwenkeinheit jedoch nicht in sich so steif, dass die Verformungen dieser Art zu vernachlässigen wären. Es geht also nicht nur um ein Einfedern der Drehschwenkeinheit auf den Führungswagen der Linearachse, sondern auch um durch die lineare Beschleunigung bedingte Verformungen der Drehschwenkeinheit selber. Dabei spielt auch die Position der Schwenkachse eine Rolle. Der Betrag des Einfederns der Drehschwenkeinheit ist für unterschiedliche Schwenkachspositionen verschieden. Auch dieser Effekt führt zu unerwünschten Abweichungen bei dynamischen Bearbeitungen und kann kompensiert werden. Wenn das Werkstückgewicht, wie oben beschrieben, bekannt ist, kann über den Motorstrom der Linearachse auf die gerade auszuführende Beschleunigung geschlossen werden. Außerdem ist die Beschleunigung natürlich als Sollwert durch die aus der Steuerung für die auszuführende Bearbeitung vorgegebene Bearbeitungsbahn für die einzelnen Achsen bekannt. Die Beschleunigung der Linearachse kann somit aus den Istwerten des Motorstroms oder aus den Sollwerten der Beschleunigung leicht ermittelt werden. Wenn der beschleunigungsbedingte Betrag des Einfederns des Maschinentisches durch messtechnische Ermittlung, beispielsweise durch entsprechende Testbearbeitungen mit unterschiedlichen Werkstückgewichten und bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln der Schwenkachse, oder rechnerische Ermittlung aus der bekannten Mechanik der Maschine für verschiedene Beschleunigungen bekannt ist, kann auf diese Weise während der Bearbeitung für unterschiedliche Beschleunigungswerte der Linearachse für die Drehschwenkeinheit die maßliche Abweichung durch Einfedern kompensiert werden. Dies ist ein dritter Effekt für die Kompensation von durch unterschiedlichem Werkstückgewicht und Beschleunigungen verursachten Verformungen in einer Werkzeugmaschine mit Drehschwenkeinheit.

Die drei beschriebenen Effekte und die zugehörigen Kompensationen können einzeln oder additiv angewendet werden. Aufgrund nichtlinearen Verhaltens kann es auch sinnvoll sein, sämtliche beschriebenen Eingangsgrößen, also Werkstückgewicht, Position der Schwenkachse, Motorstrom / Drehmoment der Schwenkachse und Beschleunigung der Linearachse in ein komplexes in der Steuerung für die Maschine hinterlegtes Modell als gemeinsame Eingangsgrößen einzugeben und daraus Kompensationswerte zu errechnen. Das zugrundeliegende Modell kann messtechnisch oder durch Berechnung (z.B. mit Finiten Elementen) aus der bekannten Mechanik ermittelt werden oder als Kombination aus beidem.

Bei bestimmten Werkzeugmaschinenkonstruktionen kann der Effekt aus den linearen Beschleunigungen untergeordnet sein, z.B. weil das Beschleunigungsvermögen der Linearachse relativ begrenzt ist. Dann kann dieser Effekt auch vernachlässigt werden und lediglich die Verformungen aus Werkstückgewicht, Position der Schwenkachse und Motorstrom / Drehmoment der Schwenkachse berücksichtigt werden.

Nachdem in der Maschinensteuerung die durch die beschriebenen Effekte entstehenden Abweichungen berechnet wurden, können daraus leicht für die linear- und rotativen Achsen der Maschine die erforderlichen Kompensationswerte errechnet werden. Da es sich um 5- Achsmaschinen handelt, können sowohl Positions- als auch Winkelfehler durch die 5-Achsen so korrigiert werden, dass die durch die gewichtsbedingte und dynamische Verformung der Drehschwenkeinheit bedingten Abweichungen vollständig ausgeglichen werden, sowohl bezüglich Richtung als auch bezüglich Lage. Die Korrektur erfolgt während der Bearbeitung durch entsprechende Anpassung der Sollwerte für die Achsen. Das Kompensationsmodell zur Berechnung der erforderlichen Korrekturen ist fest in der Steuerung hinterlegt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen 5-Achs-Fräsmaschine,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Einfederns des Maschinentisches aufgrund des Werkstückgewichts,

Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht der Drehschwenkeinheit analog Fig. 2,

Fig. 4 eine stirnseitige Ansicht der Drehschwenkeinheit, analog den Darstellungen der Fig. 2 und 3,

Fig. 5 eine stirnseitige Ansicht der Drehschwenkeinheit, analog Fig. 3, und

Fig. 6 eine Ansicht der Drehschwenkeinheit für eine Beschleunigung nach rechts.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer 5-Achs-Fräsmaschine mit einer Drehschwenkeinheit 1. Im Einzelnen weist die Werkzeugmaschine ein Gestell 3 mit einem Portal 4 auf, an welchem horizontal verschiebbar (Y-Achse) ein Schlitten 5 gelagert ist, an welchem vertikal verfahrbar ein Schlitten 6 gelagert ist, welcher eine rotierende Spindel 7 lagert, an welcher ein Werkzeug 8 gelagert ist. Ein Maschinentisch 9 ist an der Drehschwenkeinheit 1 gelagert und um eine Schwenkachse 10 (s. Fig. 2 bis 5) drehbar. Wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt, ist der Maschinentisch 9 um eine zur Schwenkachse 10 senkrechte Drehachse 1 1 schwenkbar. Die Drehschwenkeinheit 1 ist in X-Richtung (nicht in Figur eingetragen) verfahrbar, parallel zur Schwenkachse 10. Der Aufbau der in Fig. 1 gezeigten 5-Achs-Fräsmaschine ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen jeweils vereinfachte Ansichten, aus denen sich in gestrichelten Linien die Positionen ohne Verformungen ergeben. Die durchgezogenen Linien zeigen jeweils den belasteten Zustand, welcher sich aus dem Werkzeuggewicht und der Einwirkung von Beschleunigungen und Drehmomenten sowie der Position der Drehschwenkeinheit ergibt. Es versteht sich, dass die Darstellungen der Fig. 2 bis 6 zur Verdeutlichung der Erfindung eine o

übertrieben starke, nicht unbedingt der Realität entsprechende Verformung, Verkippung oder Torsion darstellen.

Die Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Drehschwenkeinheit 1 mit einem Einfedern des Maschinentisches 9 aufgrund des Gewichtes eines Werkstücks 2. Aus dem Vergleich der gestrichelten Linien (unbelasteter Zustand) mit der durchgezogenen Linie ist ersichtlich, dass der Maschinentisch 9 auf der rechten Seite stärker einfedert, als auf der linken Seite. Die Schwenkposition der Drehschwenkeinheit 1 beträgt dabei 0°. Die Verkippung ergibt sich durch das Werkstückgewicht. Dabei ist ersichtlich, dass die Schwenkbrücke 12 an mehreren Stellen einfedert, einmal an den Führungswagen ganz unten unter dem Tisch, aber auch an dem Gegenlager. Hier ist das Einfedern als relative Verschiebung zwischen Gegenlagerbock und Gegenlagerplatte gezeigt.

Die Fig. 3 zeigt eine stirnseitige Ansicht der Drehschwenkeinheit 1 . Wie in Fig. 1 ist das Einfedern des Maschinentisches 9 aufgrund des Gewichts von Werkstück 2 dargestellt. Aus Vereinfachungsgründen ist das Verkippen der Schwenkbrücke durch unterschiedliches Einfedern an beiden Enden nicht gezeigt. Die Schwenkposition der Schwenkachse 10 ist 0°.

Aus der Fig. 4 ergibt sich eine Darstellung der Drehschwenkeinheit 1 in einer stirnseitigen Ansicht, wobei die Schwenkachse auf 90° gestellt ist. Dabei ist bezüglich des Mittelpunkts der Schwenkachse 10 ersichtlich, dass dieser nach unten wandert und dass es zu einer Verdrehung aufgrund von Torsion kommt. Das Verkippen der Drehschwenkeinheit ist aus Anschaulichkeitsgründen nicht dargestellt.

Die Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Thematik, wenn die Schwenkeinheit eine Drehbeschleunigung in Richtung des Pfeils ausführt. Die Drehschwenkeinheit 1 ist in stirnseitiger Ansicht gezeigt. Der unbelastete Zustand ist durch gestrichelte Linien eingezeichnet. Die durchgezogenen Linien zeigen, wie sich die Drehschwenkeinheit 1 unter der Belastung des Werkstückgewichts verformt, also nach unten einfedert und verdreht (tordiert). Winkel α gibt den Betrag der Torsion durch Werkstückgewicht an. Mit gepunkteten Linien ist dargestellt, wie die Drehschwenkeinheit 1 unter Belastung des Werkstückgewichts und unter einer in Richtung des Pfeils aufgebrachten Drehbeschleunigung der Schwenkachse 10 noch weiter verdreht. Das gepunktet dargestellte Werkstück ist noch stärker verkippt als das mit durchgezogener Linie dargestellte, da die Drehbeschleunigung zu zusätzlicher Torsion der Schwenkbrücke führt. Winkel ß gibt den Betrag der Torsion durch Drehbeschleunigung an. Die Gesamttorsion setzt sich aus der Summe aus Winkel α und Winkel ß zusammen. Ein mögliches Verkippen der Drehschwenkeinheit 1 ist aus Anschaulichkeitsgründen nicht dargestellt. Die Fig. 6 zeigt das Verhalten der Drehschwenkeinheit 1 , wenn diese eine Beschleunigung nach rechts in Pfeilrichtung vollführt. Mit gestrichelten Linien ist die Drehschenkeinheit dargestellt, wenn diese bereits mit dem Werkstückgewicht belastet ist, aber keine lineare Beschleunigung ausführt. Mit durchgezogenen Linien ist dargestellt, wie die Drehschwenkeinheit sich verformt, wenn diese in Pfeilrichtung beschleunigt wird. Dabei federt diese auf der linken Seite nach unten ein und auf der rechten Seite nach oben. Die Drehschwenkeinheit verkippt in dem Fall entgegengesetzt zu der nur durch das Werkstückgewicht verursachten Verkippung. Die Schwenkposition beträgt dabei 0°. Es ergibt sich somit, dass die Einfederung durch die Beschleunigung schwächer ist, als bei dem in Fig. 2 gezeigten Zustand, also zum Teil kompensiert wird.

Es ergibt sich somit, dass erfindungsgemäß insbesondere das Drehmoment der Schwenkachse 10, die Position der Schwenkachse 10, die lineare Beschleunigung der Drehschwenkeinheit und das Werkstückgewicht als Eingangsgrößen für die Korrektur verwendet werden. Diese Eingangsgrößen oder Teil-Kompensationswerte werden erfindungsgemäß separat bestimmt und dann kombiniert, um die Gesamt-Kompensation berechnen zu können.

Bezugszeichenliste

1 Drehschwenkeinheit

2 Werkstück

3 Gestell

4 Portal

5 Schlitten

6 Schlitten

7 Spindel

8 Werkzeug

9 Maschinentisch

10 Schwenkachse

1 1 Drehachse

12 Schwenkbrücke