Mutscheller, Wolfgang (Hohenzollernstr. 17, Stuttgart, 70178, DE)
| 1. | Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes (20) auf einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine (9), wobei zur Be arbeitung des Werkstückes (20) zwei oder mehreren Bearbei¬ tungsschritte (11,12,13) vorgesehen sind, wobei zur Steuerung und/oder Regelung der numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine (9) ein Bearbeitungsdatensatz (28) vorgesehen ist, welcher in einer Steuerungs und/oder Regelungseinrichtung (26) der numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine (9) zu¬ sammen mit einem Programm (30) zum Betrieb der Steuerungs und/oder Regelungseinrichtung (26) ablauffähig ist, wobei: mittels des Bearbeitungsdatensatzes (28) zusammen mit dem Programm (30) zum Betrieb der Steuerungs und/oder Rege lungseinrichtung (26) in einem Simulationsschritt Simulati¬ onsdaten (47) erzeugt werden, wonach mittels einer Materialabtragssimulation aus den Simulationsdaten (47) simulierte Materialabtragsdaten (49) erzeugt werden . |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Materialabtragssimulation Daten aus dem Bearbeitungsdatensatz (28) und/oder aus dem Programm (30) zum Betrieb der Steuerungs und/oder Regelungsein richtung (26) übernommen werden. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass aus den Materialabtragsdaten (49) simulierte Geometriedaten des Werkstücks (20) erzeugt werden. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Werkstück (20) gemäß eines ers¬ ten Bearbeitungsdatensatzes (28) in einem ersten Bearbei tungsschritt (11) bearbeitet wird und Geometriedaten des Werkstückes (20) gemessen werden, wonach die gemessenen Geometriedaten des Werkstückes (20) mit den simulierten Geomet¬ riedaten verglichen werden. |
| 5. | Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass ein Werkstück (20) gemäß eines ers¬ ten Bearbeitungsdatensatzes (28) in einem ersten Bearbei¬ tungsschritt (11) bearbeitet wird und Geometriedaten des Werkstückes (20) gemessen werden, wonach aus den gemessenen Geometriedaten des Werkstückes (20) Materialabtragsdaten er¬ rechnet werden, wonach die errechneten Materialabtragsdaten mit den simulierten Materialabtragsdaten (49) verglichen wer¬ den . |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Unter¬ schied zwischen den gemessenen Geometriedaten und den simu¬ lierten Geometriedaten bzw. zwischen den gemessenen Material abtragsdaten und den simulierten Materialabtragsdaten (49) berechnet wird, wonach abhängig von einem Überschreiten einer Differenzschwelle ein für einen folgenden Bearbeitungsschritt vorgesehener Bearbeitungsdatensatz (28) abgeändert wird. |
| 7. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Bearbei¬ tungsdatensatz (28) unter Verwendung eines CAD/CAMSystems (3) erstellt wird. |
| 8. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem CAD/CAM System (3) simulierte Daten und/oder gemessene Daten und/oder berechnete Daten übergeben werden. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Simula¬ tion auf der Steuerungs und/oder Regelungseinrichtung (26) und/oder auf einem Simulationsrechner (32) durchgeführt wird. |
| 10. | System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System: a) ein Mittel zur Simulation des Programms (30) zum Betrieb einer Steuerungs und/oder Regelungseinrichtung aufweist, b) ein Mittel zur Simulation eines Materialabtrags aufweist und c) ein Mittel zur Messung des zu bearbeitenden Werkstücks aufweist . |
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbei ¬ tung eines Werkstückes auf einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine, wobei zur Bearbeitung des Werkstückes zwei oder mehrere Bearbeitungsschritte vorgesehen sind. Ein derar ¬ tiges Verfahren schließt auch ein Simulationsverfahren für einen eine dreidimensionale Bearbeitung durch eine CNC- gesteuerte Bearbeitungsmaschine, insbesondere eine Fräsma ¬ schine und einen hierfür notwendigen beschreibenden Datensatz ein .
Bei CNC-gesteuerten Bearbeitungsmaschinen wird ein Werkstück entweder von einem Programmierer direkt codiert oder das Werkstück wird mittels eines CAD-Systems modelliert und dann in ein äquivalentes CNC-Teileprogramm umgewandelt. Das CNC- Teileprogramm bzw. das CAD-Modell entsprechen dabei ideali- sierten Bearbeitungsanweisungen für die Bearbeitungsmaschine. Das CNC-Programm wird in eine CNC-Steuerung geladen und die Bearbeitungsmaschine entsprechend dem CNC-Programm gesteuert. Wenn das so gefertigte Werkstück innerhalb der gewünschten Fertigungstoleranzen eines idealen Werkstücks liegt, stellen sich bei dieser Vorgehensweise keine Probleme. Entspricht das gefertigte Werkstück hingegen nicht den an es gestellten Anforderungen, stellt sich die Frage, aufgrund welcher Variati ¬ onen ein ordnungsgemäßes Werkstück fertigbar ist.
Um Fehler zu korrigieren ist es zwar möglich, nacheinander einzelne Bearbeitungsanweisungen und/oder einzelne Betriebsparameter der Bearbeitungsmaschine zu ändern, ein neues Werk ¬ stück zu fertigen und dann dieses erneut gefertigte Werkstück zu überprüfen, jedoch ist diese Vorgehensweise sehr mühsam und darüber hinaus kosten-, material- und zeitintensiv. Dies gilt ganz besonders auch deshalb, weil oftmals nicht bekannt ist, wo die Ursache für die Abweichungen des tatsächlich gefertigten Werkstücks vom gewünschten Werkstück zu suchen ist.
Bei der Fertigung insbesondere komplexer Teile, insbesondere bei Teilen mit hohem Zerspanungsvolumen, wie diese zum Beispiel im Flugzeugbau oder auch im Turbinenbau für Kraftwerke vorkommen, sind mehrere Prozessschritte mit unterschiedlichen Werkzeugen erforderlich. Da für die einzelnen Teilprozesse zur Herstellung eines Teiles, wobei das Teil ein Werkstück ist, kein CAD-Modell existiert, kann heute die Qualität der Teilprozesse nicht direkt gemessen werden. Lediglich das Ergebnis des Gesamtprozesses kann auf einer Messmaschine oder auch auf der Fertigungsmaschine gemessen werden. Dies bedeu ¬ tet, dass auch Fehler, die bereits im ersten Prozessschritt aufgetreten sind immer erst nach der Fertigstellung des gesamten Teiles, z.B. einer Turbinenschaufel, entdeckt werden können. Diese Vorgehensweise kann beispielsweise zu folgenden Problemen führen:
- Teile/Werkstücke werden immer fertig produziert, auch dann wenn bereits kurz nach dem Beginn der Fertigung ein irreparabler Schaden am Teil entstanden ist, der nicht erkannt wurde. Dadurch wird wertvolle Maschinenzeit verschenkt;
- Die bislang übliche Vermessung der Teile auf einer Messmaschine ist sehr kostenintensiv, da zum einen die Messmaschinen für große Teile sehr teuer sind, zum anderen die Aufspannung der zum Teil sehr großen Werkstücke auf die Messmaschine äußerst aufwändig ist;
- Fehler in der Produktion werden oft erst Wochen nach der Teilefertigung erkannt, mit der Folge, dass in dieser Zeit u.U. eine ganze Teileserie fehlerhaft gefertigt wurde;
- Fehler die auf bislang bekannte Weise erkannt wurden, las- sen sich in den seltensten Fällen eindeutig einem Teilpro- zess zuordnen, so dass die Fehlerkorrektur wiederum sehr aufwändig wird, weil alle Teilprozesse untersucht werden müssen .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Möglichkeit zu schaffen, auf erheblich schnellere, einfachere und/oder kostengünstigere Weise als im Stand der Technik Feh-
ler bei der schrittweisen Bearbeitung eines Werkstücks zu erkennen .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks gelöst, welches die Merkmale nach Anspruch 1 auf ¬ weist. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 bilden weitere erfin ¬ derische Verfahren zur Werkstückbearbeitung aus. Der Anspruch 10 betrifft ein System zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes auf einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsma ¬ schine, werden zur Bearbeitung des Werkstückes zwei oder mehreren Bearbeitungsschritte benötigt und sind demzufolge auch vorgesehen. Zur Steuerung und/oder Regelung der numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine ist ein Bearbeitungsdatensatz vorgesehen, welcher in einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung der numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine zusammen mit einem Programm zum Betrieb der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ablauffähig ist. Der Bearbeitungsdatensatz ist beispielsweise zumindest ein Teilepro ¬ gramm. Die Bearbeitungsmaschine ist insbesondere eine Werk ¬ zeugmaschine oder auch eine Produktionsmaschine bzw. ein Handhabungsautomat. Eine Werkzeugmaschine kann beispielsweise für folgende Bearbeitungen vorgesehen sein: Bohren, Fräsen, Schleifen, Drehen, usw. Die Bearbeitungsmaschine weist eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung wie z.B. eine NC- Steuerung oder auch eine CNC-Steuerung auf, wobei derartige Steuerungen entweder in die Bearbeitungsmaschine integriert sind oder auch diesen funktionell zugeordnet sind. Zum Be ¬ trieb der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung ist ein Betriebssystem notwendig, welches auch NC-Kern (NCK) genannt wird. Dieser NC-Kern stellt eine Runtime-Software dar. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Simulationsdaten er- zeugt. Diese Simulationsdaten werden aus dem Bearbeitungsda ¬ tensatz zusammen mit dem Programm (NCK) zum Betrieb der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung in einem Simulationsschritt erzeugt. Die Simulation kann in einem oder auch in
mehreren Schritten erfolgen. Die Simulationsdaten sind insbesondere die Daten, welche durch die Bearbeitung des Teilepro ¬ gramms durch den NCK entstehen. Zur Berechung dieser Simulationsdaten, kann entweder der reale NC-Kern auf der Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung verwendet werden, oder auch ein simulierter NC-Kern. Den simulierten NC-Kern kann man auch als virtuellen NC-Kern VNCK bezeichnen, wobei dieser beispielsweise auf einem Rechner abläuft, welcher nicht zur Steuerung und/oder Regelung der Bearbeitungsmaschine vorgese- hen ist. In einer fortentwickelten Ausführungsform ist der
VNCK in der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung integriert. Weiterhin werden gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der Erzeugung der Simulationsdaten diese einer Materialabtragssimulation übergeben, wobei aus den Simulations- daten simulierte Materialabtragsdaten erzeugt werden. Aus den simulierten Materialabtragsdaten können dann mittels einer Berechnung aus den ursprünglichen Geometriedaten des Werkstücks und eben den Materialabtragsdaten die Geometriedaten des Werkstücks nach einem bestimmten und/oder nach einem be- liebigen Bearbeitungsschritt berechnet werden. Die Geometrie ¬ daten nach einem x'ten Bearbeitungsschritt werden dann vorteilhafter Weise mit real gemessenen Geometriedaten nach dem x'ten Bearbeitungsschritt verglichen. Stimmen die gemessenen Geometriedaten mit den berechneten - simulierten - Geometrie- daten überein, so kann der nächste Bearbeitungsschritt durch ¬ geführt werden. Stimmen die gemessenen Geometriedaten mit den berechneten - simulierten - Geometriedaten nicht überein, so kann die Abweichung der Geometriedaten berechnet werden. Aufgrund der Abweichung kann automatisiert ermittelt werden, ob das zu bearbeitende Werkstück mittels einer Nachbearbeitung weiter verwendet werden kann, oder ob das zu bearbeitende Werkstück einer weiteren Bearbeitung entzogen werden muss. Vorteilhafter Weise erfolgt unter zu Hilfenahme der abwei ¬ chenden Geometriedaten entweder automatisiert die Abänderung eines Bearbeitungssatzes für einen nachfolgenden Bearbei ¬ tungsschritt oder auch die Neuberechnung des Bearbeitungssat ¬ zes für einen neu einzufügenden Bearbeitungsschritt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Simulation einer Bearbeitung eines Werkstückes verwendet. Dabei wird der die Bearbeitung auf der Bearbeitungsmaschine beschreibende Datensatz - der Bearbeitungsdatensatz - verwendet. Folglich kann eine Sollbearbeitung durch idealisierte Bearbeitungsanweisungen für die Bearbeitungsmaschine aufgrund eines be ¬ schreibenden Ausgangsdatensatz bestimmt werden. Der Ausgangsdatensatz ist dabei der Beschreibungsdatensatz.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können wesentliche Nachteile des bislang bekannten Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstückes in mehreren Bearbeitungsschritten auf einer numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschine überwunden werden.
Bislang wurde zur Simulation eine NC-Verifikationssoftware verwendet, welche das Programm zum Betrieb der Bearbeitungs ¬ maschine nur unzureichend nachgebildet hat. Zur Erzeugung der Simulationsdaten wird nunmehr erfindungsgemäß die Software des NC-Kerns selbst verwendet. Hierbei kann allerdings auch ein virtueller NC-Kern VNCK, also ein nicht auf der Bearbeitungsmaschine selbst ablaufender NC-Kern verwendet werden. Da der VNCK das Steuerungsverhalten exakt wiedergibt, können auch kleinere geometrische Abweichungen, die durch Steue ¬ rungsfunktionen wie z.B. einem Kompressor, einer Eckenverrun- düng oder einer Werkzeugkorrektur erzeugt werden, bereits in der Simulation erkannt werden. Dadurch, dass derartige Steuerungsfunktionen, welche im NC-Kern vorliegen bei der Erzeugung der Simulationsdaten mit berücksichtigt werden, erhöht sich deren Genauigkeit wesentlich. Mit diesen Daten und mit Hilfe der nachfolgenden Materialabtragssimulation können die Geometriedaten von Zwischenschritten in der Bearbeitung eines Werkstückes sehr genau berechnet werden. Somit ist stets eine genau Kontrolle der Exaktheit des Bearbeitungsfortschritts gewährleistet, da Messdaten mit Simulationsdaten verglichen werden können.
Vorteilhaft ist es folglich, wenn in der Materialabtragssimu ¬ lation Daten aus dem Bearbeitungsdatensatz und/oder aus dem
Programm zum betrieb der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, dem NC-Kern, übernommen werden. Der Einsatz der Materialabtragssimulation ist im übrigen auch deswegen von Bedeutung, weil der NC-Kern (NCK) bzw. der VNCK bei seinen Aus- gabedaten z.B. Werkzeuggeometrien bereits mit berücksichtigt hat. Da zur Fertigung gleicher Werkstücke unter Verwendung lediglich eines Bearbeitungsdatensatzes, also z.B. lediglich eines Teileprogramms, verschiede Werkzeuge mit unterschiedli ¬ chen Werkzeuggeometrien verwendet werden können berechnet der NCK bzw. der VNCK unterschiedliche Ausgabedaten abhängig von der ihm bekannten Werkzeuggeometrie. Diese Variationsmöglichkeiten sind durch die Materialabtragssimulation wieder korrigierbar. Aus Materialabtragungsdaten sind demzufolge simulierte Geometriedaten eines Werkstücks erzeugbar, welche für Zwischenmessungen zur Verifikation einer korrekt ablaufenden Bearbeitung eines Werkstücks heranziehbar sind. Vorteilhafter Weise werden werkzeugspezifische Daten wie z.B. Radien von Fräswerkzeugen vom NCK bzw. vom VNCK an die Materialabtragungssimulation automatisch übermittelt.
Die Materialabtragssimulation wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dazu benutzt, für jeden Teilschritt ein Mess ¬ programm zu erzeugen. Bisher war es so, dass als Referenz zur Messung lediglich das CAD-Modell zur Verfügung stand. Das heisst, dass man immer nur das komplett bearbeitete Teil kor ¬ rekt vermessen konnte. Eine NC-Verifikationssoftware mit ei ¬ nem unterlegten VNCK ist nun in der Lage, für jeden Bearbeitungsschritt den Materialabtrag exakt darzustellen. Sie ist damit in der Lage, nach jedem Schritt eine Sollgeometrie zu erzeugen, die einem CAD-Modell für jeden Prozessschritt ent ¬ spricht. Damit ist man in der Lage, das Ergebnis jedes Teil ¬ schrittes zu einem Geometriemodell zu referenzieren und die Sollwertvorgaben für Kontrollmessungen nach jedem Schritt zu erzeugen. Diese Sollwertvorgaben liegen z.B. in Form von Messprogrammen vor, die auf die Maschinensteuerung geladen werden. Zu jedem Bearbeitungsprogramm oder Programmabschnitt existiert nun das korrespondierende Messprogramm.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nunmehr möglich das Ergebnis jedes einzelnen Bearbeitungsschrittes direkt auf der Bearbeitungsmaschine zu überprüfen, indem beispielsweise ein Messtaster anstelle des Werkzeugs eingewechselt wird und ein Messprogramm abgearbeitet wird. Durch Vergleich der SoIl- und Istwerte, die beide protokolliert werden können, kann ein Maschinenbediener direkt erkennen, ob das Ergebnis der Bearbeitung im erlaubten Toleranzbereich liegt . Im Fehlerfall wird der Prozess sofort unterbrochen und es kann mit der Feh- leranalyse begonnen werden.
Diese Vorgehensweise ist gegenüber dem herkömmlichen Verfahren deutlich einfacher, da der Fehler einem einzigen Bearbeitungsschritt zugeordnet werden kann. Darüber hinaus wird ver- mieden, dass wertvolle Maschinenzeit mit einem Teil ver ¬ schwendet wird, das bereits zerstört ist. Ist das Ergebnis jedes Teilschrittes positiv, ist durch die Messprotokolle der Nachweis erbracht, dass der Gesamtprozess erfolgreich war und das erzeugte Teil den Spezifikationen entspricht. Eine sepa- rate Vermessung auf einer Messmaschine kann damit entfallen. Soll die Qualität der Simulation und der Messung in der Bearbeitungsmaschine mittels eines Messtasters überprüft werden, so ist zusätzlich der Einsatz einer Messmaschine möglich.
Um die Stabilität des Prozesses der Überprüfung von Bearbei ¬ tungsschritten mittels Simulationsdaten zu verbessern, wird die Bearbeitungsmaschine periodisch kalibriert. Dies wird z.B. durch ein Verfahren sichergestellt, mit dessen Hilfe in regelmäßigen Zeitabständen der Zustand der Bearbeitungsma- schine und damit auch ihre geometrische Güte überwacht wird. Dies ist auch unter dem Schlagwort „Electronic fingerprints for machine tools and production" machines bekannt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der NC-Kern in eine Materialabtragsimulation integriert. Dies bringt z.B. eine erhebliche Verbesserung der NC-Programme bereits am Pro ¬ grammierplatz. Die Integration bringt auch den Vorteil, dass zu jedem Teilprozess eine Referenzgeometrie erzeugt wird, die
die automatische Vermessung der Teilergebnisse auf der Bear ¬ beitungsmaschine ermöglicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Probleme bei der Bearbeitung eines Werkstückes zum frühest möglichen Zeitpunkt erkannt werden. Es ist vermeidbar, dass der Prozess der Fertigung fortgesetzt wird und damit teure Maschinenzeit ver ¬ schwendet wird, falls ein Fehlabtrag stattgefunden hat. Das Verfahren vereinfacht in hohem Maße die Fehleranalyse, da Fehler direkt einem Teilprozess zugeordnet werden können.
Fehlerursachen werden schneller erkannt und können damit auch schneller beseitigt werden. Die nach dem Stand der Technik nötige teure Infrastruktur zur gesonderten Vermessung der fertigen Teile kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ent- fallen, ohne dass daraus Qualitätseinbußen entstehen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass ein Werkstück gemäß eines ersten Bearbeitungsdatensatzes in einem ersten Bearbeitungsschritt bearbeitet wird und Geomet- riedaten des Werkstückes gemessen werden, wonach die gemessenen Geometriedaten des Werkstückes mit den simulierten Geometriedaten verglichen werden. Stimmen die Geometriedaten nicht überein, bzw. sind die vorgegebenen Toleranzen überschritten, so kann frühzeitig ein neuer Bearbeitungsdatensatz generiert werden mit welchem in einem anschließenden Bearbeitungsschritt das Werkstück in korrigierter Form weiterberar- beitet wird.
Der Vergleich von Geometriedaten kann beispielsweise wie folgt ablaufen. Ein Werkstück wird gemäß eines ersten Bearbeitungsdatensatzes in einem ersten Bearbeitungsschritt bear ¬ beitet wonach Geometriedaten des Werkstückes gemessen werden. Danach werden aus den gemessenen Geometriedaten des Werkstückes Materialabtragsdaten errechnet, wonach die errechneten Materialabtragsdaten mit den simulierten Materialabtragsdaten verglichen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Simulation in Echtzeit parallel zur realen Bearbeitung des Werkstücks oder auch nach der Bearbeitung des
Werkstücks in einem Bearbeitungsschritt, da es so möglich ist, Daten des realen NC-Kerns auch für den virtuellen NC- Kern zu verwenden. Beispiele für derartige Daten sind insbe ¬ sondere veränderliche Größen wie Raumtemperatur, Fehlermel- düngen, usw.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird wie obig bereits angemerkt der Unterschied zwischen den gemessenen Geometrie ¬ daten und den simulierten Geometriedaten bzw. zwischen den gemessenen Materialabtragsdaten und den simulierten Materialabtragsdaten berechnet, wonach abhängig von einem Überschreiten einer Differenzschwelle ein für einen folgenden Bearbeitungsschritt vorgesehener Bearbeitungsdatensatz abgeändert wird.
Die bei der Erfindung durchgeführten Simulation des NC-Kerns kann z.B. auf der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung und/oder auf einem Simulationsrechner durchgeführt wird.
Die Erfindung betrifft neben dem Verfahren auch ein entsprechendes System zur Durchführung des Verfahrens. Das System ist derart aufgebaut, dass es neben einen Mittel zur Simula ¬ tion des Programms zum Betrieb einer Steuerungs- und/oder Re ¬ gelungseinrichtung auch ein Mittel zur Simulation eines Mate- rialabtrags aufweist. Des Weiteren weist es vorteilhaft auch ein Mittel zur Messung des zu bearbeitenden Werkstücks auf.
Beispiele für weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei- spiels. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
FIG 1 ein Verfahren nach dem bislang bekannten Stand der
Technik zur Bearbeitung eines Werkstücks, FIG 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren und FIG 3 schematisiert eine Bearbeitungsmaschine.
Nach dem Stand der Technik ist die in FIG 1 dargestellte Ver ¬ fahrenskette 1 zur Fertigung komplexer Teile bekannt. Die
komplexen Teile, d.h. Teile/Werkstücke, welche einer Bearbei ¬ tung in mehreren Schritten 11,12,13 bedürfen, werden in einem CAD-System 3 (Computer Added Design) modelliert. An der Stelle oder auch ergänzend zum CAD-System 3 könnte beispielsweise auch ein CAM-System (Computer Added Manufacturing) verwendet werden. Das CAD-System 3 erzeugt zusammen mit einem Postprozessor die für die Bearbeitung eines Werkstücks notwendigen Teileprogramme 5. Das Teileprogramm 5 ist ein NC-Programm. Für den Gesamtprozess der Bearbeitung beispielsweise eines Werkstücks können ein einziges und/oder mehrere NC-Programme 5 mit mehreren Werkzeugwechseln erzeugt werden. Es ist allerdings auch möglich für jedes Werkzeug ein eigenes NC-Programm zu erzeugen. Die Bearbeitung mit einem Werkzeug entspricht einem Teilprozess. Die NC-Programme 5 werden dann mit einem Verifikationssystem 7 getestet. Das Verifikationssystem 7 weist beispielsweise eine NC-Verifikationssoftware auf. Veri- cut® ist ein Beispiel für eine derartige Verifikationssoft ¬ ware. Bei der Verifikation werden insbesondere Kollisionen mit einer Aufspannung des Werkstücks z.B. in einer Werkzeug- maschine und dem Werkstück überprüft. Gleichzeitig wird an ¬ hand einer Abtragssimulation überprüft, ob die NC-Programme zur gewünschten Werkstückgeometrie führen. Das heißt, das Er ¬ gebnis der Abtragssimulation wird mit dem ursprünglichen CAD- Modell verglichen. Wenn die Übereinstimmung innerhalb der festgesetzten Fehlertoleranzen liegt, werden die Programme zur Fertigung freigegeben und an die Maschinensteuerung einer Maschine, insbesondere einer Bearbeitungsmaschine 9, übertra ¬ gen. Das Werkstück wird mit den NC-Programmen 5 gefertigt, was insbesondere bei Teilen, (Werkstücken) mit einem hohen Zerspanungsgrad von z.B. ca. 95%, mehrere Stunden bis Tage dauern kann. Hohe Zerspanungsgrade weisen insbesondere einen Materialabtrag von über 80% auf. Durch die Bearbeitungsma ¬ schine 9 werden verschiedene Schritte 11, 12 und 13 der Bear ¬ beitung des oder der Werkstücke durchgeführt. Beispielhaft sind in der Darstellung nach FIG 1 nur drei Bearbeitungs ¬ schritte 11, 12 und 13 gezeigt, jedoch sind im Schritt 12 weitere Schritte angedeutet. Das fertiggestellte Werkstück wird anschließend auf einer Messmaschine in einem Messschritt
15 vermessen und entweder zertifiziert 35 oder ausgesondert 37. Dieser Vorgang kann wiederum mehrere Tage bis Wochen dauern. Falls das Werkstück ausgesondert 17 wird, kann es entwe ¬ der in einer Einrichtung zur Nachbearbeitung nachgearbeitet werden 19 (falls zu wenig Material entfernt wurde) oder muss endgültig verschrottet werden 21. In beiden Fällen der Verschrottung 21 und auch der Nachbearbeitung 19 muss aber die Produktion gestoppt und in mühevoller händischer Arbeit die Fehlerquelle ermittelt werden. Die Auffindung der Fehlerquel- Ie dient der Reduzierung der Aussonderungsrate.
Im Folgenden werden mögliche Fehlertypen aufgelistet, welche vorteilhafter Weise identifiziert werden müssen bzw. können:
• eine fehlerhafte Teilegeometrie • ein Maschinenfehler
• eine falsche Abmessungen eines Rohlings
• Dynamische Probleme bei der Bearbeitung (z.B.: Nachlauf ¬ fehler)
• Eine fehlerhafte Aufspannung des Teils/Werkstücks • Werkzeugprobleme
• Temperatureinflüsse bei der Bearbeitung
• Eine Verformung des Teils/Werkstücks während des Prozes ¬ ses der Bearbeitung (Verbiegungen, Aufwölbungen)
Das bislang bekannte Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes in mehren Schritten kann zumindest einen der im Folgenden aufgeführten Nachteile bergen:
• ein Fehler wird erst nach der Komplettbearbeitung fest- gestellt; Wenn bereits im ersten Teilschritt ein Problem auftritt, wird trotzdem weitergearbeitet, bis der Fehler erkannt wird; Dabei geht Maschinenzeit verloren;
• bis der Fehler erkannt ist, wird weiterproduziert; Das kann bedeuten, dass viele weitere fehlerhafte Teile pro- duziert werden, was einen entsprechenden Verlust an Zeit und Material mit sich bringt;
• die Vermessung der Teile auf der Messmaschine 15 erfor ¬ dert eine aufwändige und kostspielige Infrastruktur;
• es ist sehr schwierig, ein Problem einem Teilprozess o- der einer spezifischen Fehlerquelle zuzuordnen;
• NC-Verifiktionssysteme 7 nach dem Stand der Technik ha ¬ ben den Nachteil, dass das Steuerungsverhalten emuliert wird; Dies führt zwangsweise dazu, dass die Abtragssimu ¬ lation nur näherungsweise der Realität entspricht und deshalb geometrische Fehler im Teileprogramm nicht immer erkannt werden können.
Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt beispielhaft ein erfin ¬ dungsgemäßes Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks auf einer Bearbeitungsmaschine. Die Bearbeitungsmaschine kann beispielsweise als eine Fräsmaschine oder auch eine andere Werkzeugmaschine, wie z. B. eine Bohr- oder Drehmaschine aus- gebildet sein. Die Bearbeitungsmaschine könnte auch als In ¬ dustrieroboter oder als Sondermaschine ausgebildet sein.
Im Unterschied zur FIG 1 ist in der FIG 2 eine NC-Verifika- tions-Software dargestellt, welche einen virtuellen NC-Kern VNCK beinhaltet Hieraus ergibt sich ein um den VNCK erweitertes Verifikationssystem 8. Dabei ist die Emulationssoftware für ein CNC-System durch den VNCK ersetzt worden. Dies macht eine im Vergleich zu FIG 1 verbesserte Verfahrenskette 2 mög ¬ lich. Da der VNCK das Steuerungsverhalten exakt wiedergibt, können auch kleinere geometrische Abweichungen, die durch
Steuerungsfunktionen wie Kompressor, Eckenverrundungen oder Werkzeugkorrekturen erzeugt werden, bereits in der Simulation erkannt werden. Weiterhin weist das erweiterte Verifikations ¬ system 8 eine Materialabtragssimulation auf. Die Materialab- tragssimulation dazu benutzt, für jeden Teilschritt 11, 12 oder 13 einer Bearbeitung ein Messprogramm zu erzeugen. Bisher war es so, dass als Referenz zur Messung lediglich das CAD-Modell zur Verfügung stand. D.h., dass man immer nur das komplett bearbeitete Teil korrekt vermessen konnte. Die er- weiterte NC-Verifikationssoftware mit dem unterlegten VNCK ist nun in der Lage, für jeden Bearbeitungsschritt 11, 12 und 13 den Materialabtrag exakt darzustellen. Damit ist man in der Lage, nach jedem Schritt eine Sollgeometrie zu erzeugen,
die einem CAD-Modell für jeden Prozessschritt entspricht. So ¬ mit ist es möglich das Ergebnis jedes Teilschrittes zu einem Geometriemodell zu referenzieren und die Sollwertvorgaben für Kontrollmessungen nach jedem Schritt zu erzeugen. Diese SoIl- wertvorgaben liegen in Form von Messprogrammen 45 vor, die auf eine Maschinensteuerung geladen werden können. Zu jedem Bearbeitungsprogramm oder Programmabschnitt existiert nun das korrespondierende Messprogramm 45. Dadurch ist es möglich, das Ergebnis jedes einzelnen Bearbeitungsschrittes 11, 12 und 13 direkt auf der Maschine 9 zu überprüfen, indem beispiels ¬ weise ein Messtaster eingewechselt wird und das Messprogramm 45 abgearbeitet wird. Durch Vergleich der Soll- und Istwerte, die beide protokolliert werden, kann ein Maschinenbediener direkt erkennen, ob das Ergebnis der Bearbeitung im erlaubten Toleranzbereich liegt. Im Fehlerfall wird der Prozess sofort unterbrochen und es erfolgt eine Aussonderung 17. Der Aussonderung 17 kann abhängig von der schwere des Fehlers die Verschrottung 21 oder die Nacharbeitung 19 folgen. Zur Nacharbeitung 19, welche vorteilhafter Weise wieder auf der Bear- beitungsmaschine 9 erfolgt, wird z.B. über eine CAD/CAM- System zumindest ein NC-Programm zur Nacharbeitung generiert. Ist eine Aussonderung 17 notwendig, kann eine Fehleranalyse begonnen werden. Diese Fehleranalyse kann dazu führen, dass ein oder mehrere NC-Programme 5 abgeändert werden. Diese Vor- gehensweise ist gegenüber dem herkömmlichen Verfahren deutlich einfacher, da der Fehler einem einzigen Bearbeitungsschritt zugeordnet werden kann. Darüber hinaus wird vermie ¬ den, dass wertvolle Maschinenzeit mit einem Teil verschwendet wird, das bereits zerstört ist. Ist das Ergebnis jedes Teil- Schrittes positiv, ist durch die Messprotokolle der Nachweis erbracht, dass der Gesamtprozess erfolgreich war und das er ¬ zeugte Teil den Spezifikationen entspricht. Um die Stabilität des Bearbeitungsprozesses zu verbessern, ist es möglich, die Bearbeitungsmaschine periodisch zu kalibrieren. Dies wird durch ein Verfahren sichergestellt, mit dessen Hilfe in re ¬ gelmäßigen Zeitabständen der Zustand der Maschine und damit auch ihre geometrische Güte überwacht wird (Electronic fin- gerprints for machine tools and production machines) .
Die Verfahrenskette 2 gemäß FIG 2 zeigt also sowohl ein um einen VNCK erweitertes Verifikationssystem 8, wie auch zusätzliche Messprogramme 45 für Messschritte 41, 42 und 43, Diese zusätzlichen Messschritte 41, 42 und 43 ermöglichen die Überprüfung eines jeden Bearbeitungsschrittes 11, 12 und 13. Es ist allerdings nicht zwingend, dass jedem Bearbeitungs ¬ schritt auch ein Messschritt folgen muss. Vorteilhafter Weise ist die Anzahl der Messschritte 41, 42 und 43 frei wählbar.
Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt schematisiert eine Bearbei ¬ tungsmaschine 9. Die Bearbeitungsmaschine 9 weist eine Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung 26 auf. Diese Steue- rungs- und/oder Regelungseinrichtung 26 ist zur Abarbeitung von Bearbeitungsdatensätzen 28 vorgesehen. Zur Abarbeitung ist ein Programm 30 vorgesehen. Dieses Programm ist ein NC- Kern, welches als eine Art Betriebssystem der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 26 dient. Der Bearbeitungsdatensatz 28 ist zur Beschreibung der Bearbeitung eines Werkstücks 20 mit einem Werkzeug 22 vorgesehen. Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt ferner einen Simulationsrechner 32, welcher beispielsweise zur Simulation des NC-Kerns herangezogen werden kann. Dies entspricht dann einem virtuellen NC-Kern (VNCK) .
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