Verfahren zum Betrieb einer numerisch gesteuerten

Werkzeugmaschine sowie Werkzeugmaschine dazu

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, die mindestens eine Bewe ^¬ gungsachse aufweist und die mit einer numerischen Steuerung verbunden ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Werkzeugmaschine mit einer numerischen Steuerung.

Die wesentliche Aufgabe einer Werkzeugmaschine ist die Ferti ^¬ gung von Werkstücken durch Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Dazu muss eine mit der Werkzeugmaschine verbundene numerische Steuerung (NC-Steuerung) Sollwerte für Achsbewegungen generieren, die an dem Werkstück eine Kontur entsprechend einer Fertigungszeichnung oder CAD-Konstruktion realisieren. Um die Konturinformation des zu fertigenden Werkstücks der numerischen Steuerung zugänglich zu machen, muss die Konturinformation in ein für verschiedene Steue ^¬ rungssysteme und verschiedene Maschinentypen einheitliches Steuerungsprogramm übertragen werden. Ein derartiges Steuerprogramm zur Herstellung von Werkstücken wird üblicherweise Teileprogramm oder NC-Programm genannt. Das Teileprogramm ist in Sätzen aufgebaut, wobei es Sätze umfasst, die eine Bewe ^¬ gung zu einem Zielpunkt inklusive entsprechender Randbedingungen repräsentieren. Der entsprechende Quelltext für die Sätze, auch G-Code genannt, ist für alle Steuerungshersteller verbindlich, er kann jedoch durch herstellerspezifische Zyklen oder Funktionen ergänzt bzw. erweitert werden. In der EP 0 530 790 A2 ist ein Teileprogramm beschrieben, bei dem einzelne Blöcke oder Sätze derart erweitert sind, dass sie die relative Bewegung von Werkzeug und Werkstück zueinander in den Start- und Endpunktbereichen für eine automatische Steuerung der Linear- und Rundachsen spezifizieren. So kann die Vorschubgeschwindigkeit innerhalb eines Blocks auf der Grundlage von voreingestellten Regeln gesteuert werden, ohne eine Bearbeitungsbahn in mehrere Blöcke zum Steuern der Vorschubgeschwindigkeit zu unterteilen. In einer weiteren Ausge- staltung umfassen die Regeln eine automatische Erniedrigung der Vorschubgeschwindigkeit am Anfang und am Ende einer Werk ^¬ stückbearbeitung und eine automatische Erhöhung der Vorschub ^¬ geschwindigkeit, wenn das Werkzeug ohne Werkstückkontakt ver ^¬ fahren wird. Die Zustellgeschwindigkeit wird so in Abhängig- keit der Werkzeugposition zum Werkstück modifiziert. Die voreingestellten Regeln sind durch einen Bediener veränderbar.

In der modernen Fertigung mittels Werkzeugmaschinen werden in dem gesamten Prozess von der computer-gestützten Konstruktion (CAD oder Computer Aided Design) über die Arbeitsvorbereitung (CAM oder Computer Aided Manufacturing) bis zur Steuerungshersteller-abhängigen Aufbereitung der Fertigungsdaten (PP oder Post Processing in der Werkzeugmaschine) allgemein aus digitalen Modellen Bahnen für Werkzeugbewegungen erzeugt. Be- sonders im Formenbau-Umfeld ist der CAD-CAM-PP-Prozess wegen der häufig angewendeten Freiformen schon immer in Verwendung. Die Freiformen werden als digitales Modell des Werkstücks im CAD-System erzeugt. Im CAM-System werden mit dem darunterliegenden CAD-Modell die zur Bearbeitung notwendigen Werkzeug- bahnen in einer allgemeinen Sprache (beispielsweise als G-

Code) als Output generiert. Dieser Output wird in die jewei ^¬ lige Sprache der numerischen Steuerung übersetzt.

Zur Herstellung eines Werkstücks aus einem Rohteil werden in der Werkzeugmaschine die Bahnen mit einem Werkzeug abgefah ^¬ ren. Historisch bedingt sind diese Bahnvorgaben in einem NC- Programm zunächst kleine Linearbewegungen, das sind in dem NC-Programm die Gl-Sätze, die die Bewegungen des Werkzeugs der Werkzeugmaschine relativ zum Werkstück beschreiben. Da diese Linearstücke das ursprüngliche digitale Modell nur an ^¬ nähernd beschreiben und die Werkzeugmaschine an jedem Über ^¬ gang von einem zum nächsten Linearstück (kleine Ecke) zum Abbremsen und zum erneuten Beschleunigung der Bewegung zwingen, wurden von verschiedenen Steuerungsherstellern Algorithmen entwickelt, die diese Bahnstücke innerhalb von Toleranzen in Polynome, Splines oder ähnliche stetige und meist auch stetig differenzierbare Kurven überführen, um so eine möglichst gleichmäßige Bewegung der Werkzeugmaschine zu erzeugen.

So beschreiben Jun-Bin Wang und Hong-Tzong Yau in dem Artikel "Real-time NURBS interpolator : application to short linear Segments", erschienen in Int J Adv Manuf Technol (2009), Band 41, Seiten 1169 bis 1185, einen Real-time, nicht-gleichförmigen rationalen B-Spline (NURBS) Interpolator, der eine Vielzahl von kurzen linearen Segmenten in Real-time durch NURBS- Kurven approximiert. Auf der Grundlage der geometrischen Eigenschaften der approximierten Kurven und der Dynamik des Stellmotorensteuerung wird dort eine modifizierte Gleichung der maximalen Zustellgeschwindigkeit abgleitet.

Auch in dem Artikel "Adaptive Interpolation scheme for NURBS curves with the Integration of machining dynamics" von

Xianbing Liu, Fahad Amad, Kazuo Yamazahki und Masahiko Mori, erschienen in International Journal of Machine Tools &

Manufacture (2005), Band 45, Seiten 433 bis 444 wird die An ^¬ wendung von nicht-gleichformigen, rationalen B-Spline (NURBS) Kurven beschrieben, die gleichzeitig die Anforderungen einer konstanten Zustellgeschwindigkeit und Profilsehnengenauigkeit berücksichtigt und zudem in Real-time die Maschinendynamik im Interpolationsprozess integriert. Die Maschinendynamik wird dabei unter drei Gesichtspunkten berücksichtigt: Form der Ecken oder für die Zustellgeschwindigkeit heikle Ecken, An- teile mit hohen Frequenzen oder mit Frequenzen, die denen der natürlichen Frequenzen der Maschine nahe kommen, und starke Rucke .

Der Artikel "Feedrate Interpolation with axis jerk con- straints on 5-axis NURBS and Gl tool path" von Beudaert,

Lavernhe, Tounier, erschienen in International Journal of Ma ^¬ chine Tools & Manufacture (2012), Band 57, Seiten 73 bis 82, beschreibt einen Algorithmus zur Bestimmung eines optimalen Zustellgeschwindigkeitsprofils aus den Vorgaben eines NC- Programms . Dabei werden die kinematischen Charakteristiken der Maschine bestmöglich ausgenutzt. Zudem werden sowohl tangentiale Rucke wie auch Achsenrucke berücksichtigt.

Betrachtet man die im Formenbau maßgeblichen Technologie- Parameter, wie beispielsweise Vorschubwert und Spindeldreh ^¬ zahl, so werden diese beispielsweise in der Fertigbearbeitung - beim Fräsen ist das der beispielsweise Schlichtprozess - meist für das Werkzeug, das das komplette Werkstück fertig ^¬ stellt, konstant gehalten. Das heißt, dass für das Werkzeug nur ein Vorschubwert und eine Spindeldrehzahl für die gesamte Schlichtbearbeitung vorgegeben werden.

Durch das Konstanthalten der Technologie-Parameter bleibt der Zahneingriff gleichmäßig und die Kräfte an der Werkzeug ^¬ schneide bleiben ähnlich. Beides erzeugt zumindest in weiten Oberflächenbereichen eine sehr harmonische und gleichmäßige Oberflächenstruktur. Es gibt allerdings auch Oberflächenbe ^¬ reiche, in denen diese Vorgehensweise, nämlich die maßgebli ^¬ chen Technologie-Parameter konstant zu halten, nicht optimal funktioniert. Derartige Flächenbereiche sind beispielsweise Bereiche, in denen der Fräserradius dem Konturradius ähnlich wird. An diesen Oberflächenbereichen gibt es eine hohe Werk- zeugumschlingung durch die Kontur. Dadurch können bei der Werkstückbearbeitung unerwünschte Schwingungen entstehen.

Bei neueren, stärker technologieorientierten CAM-Algorithmen rücken weitere Technologie-Parameter, wie beispielsweise die Zustelltiefe, die Zustellbreite, das Spanvolumen, der Um- schlingungswinkel usw., in den Vordergrund und verdrängen bzw. reduzieren die Wichtigkeit der klassischen Parameter Bahnvorschub und Spindeldrehzahl. Bei der Berechnung der Werkzeugbahnen werden bei diesen CAM-Algorithmen unter ande- rem die Werkzeugdaten, die Bearbeitungsgeometrie, das verwen ^¬ dete Material sowie die Leistungsdaten der CNC-Maschine be ^¬ rücksichtigt. Die Vorteile dieser neuen technologieorientierten CAM-Algorithmen sind eine kürzere Bearbeitungszeit und bessere Werkstückoberflächen. Die Nachteile der technologie ^¬ orientierten CAM-Algorithmen sind spezifischere Bearbeitungs ^¬ werkzeuge, da eher an der Lastgrenze des Werkzeuges gearbei ^¬ tet wird, und wesentlich komplexere NC-Teileprogramme, die durch das Einhalten der Lastgrenzen der Werkzeuge entstehen.

So hat sich durch die stärker technologieorientierten CAM- Algorithmen das NC-Teileprogramm dahingehend erweitert, dass nun die Vorschubgeschwindigkeit mehrfach geändert wird, um das Zeit-Span-Volumen konstant zu halten und um das Fräswerkzeug nicht zu überlasten. Das wirft die Problemstellung bzw. die Anforderung auf, dass diese sich häufig ändernden Vorschubvorgaben nicht hart bzw. sofort an der Maschine reali ^¬ siert werden, sondern sich möglichst gleichmäßig und stetig zwischen den Vorschubangaben ändern und in einer sinnvollen Art und Weise von der Steuerung verarbeitet und von der Ma ^¬ schine realisiert werden sollen. Auch bei anderen CAM-Algo ^¬ rithmen wird verstärkt die Möglichkeit genutzt die Vorschub ^¬ geschwindigkeit zu variieren, wenn die Bearbeitungssituatio- nen dies erfordern.

Aus fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen werden beispielsweise Turbinenschaufeln auf eigens entwickelten Werkzeugmaschinen oder auf dafür optimierten Werkzeugmaschi- nen gefertigt. Somit werden meist nur eine oder wenige, sehr ähnliche Fertigungen auf der Werkzeugmaschine „eingestellt" bzw. projektiert. Damit ist eine derartig spezialisierte und optimierte Werkzeugmaschine in der Lage, eine hochpräzise Turbinenschaufelfertigung durchführen. Bei der Einstellung bzw. Optimierung der Werkzeugmaschine wird darauf geachtet, dass der Arbeitspunkt, also die Fräserspitze, idealerweise im Drehpunkt der beiden Rundachsen liegt. Das hat den Vorteil, dass eine von den Rundachsen verursachte notwendige Bewegung durch kleinste Ausgleichsbewegungen der Linearachsen kompen- siert werden muss. Das bedeutet, dass die Maschinenachsen quasi unabhängig voneinander eingestellt und optimiert werden können. Durch das unabhängig voneinander mögliche Einstellen der Maschinenachsen wird nun beispielsweise für die oben schon erwähnten kritischen Bereiche der Turbinenschaufelbear- beitung erreicht, dass die Rundachsen, die auf der Profil ^¬ ober- und -Unterseite (weniger kritische Bereiche) weniger schnell und an der Profilnase und der Profilhinterkante (kri- tische Bereiche) durch die notwendige Umorientierung schnel ^¬ ler fahren müssen, auf den jeweiligen kritischen Bereich hin optimiert bzw. begrenzt werden können. Die Begrenzung wird durch Reduzierung der jeweiligen Rundachsdynamik erreicht. Die Fräsbearbeitung wird damit so beeinflusst, dass die Ge- nauigkeitsanforderungen und die Anforderungen der Wirtschaftlichkeit ausschließlich über geänderte Vorgaben der Achsdynamik erreicht werden. Die Werkzeugmaschine bearbeitet die Tur ^¬ binenschaufel an Profilnase und Profilhinterkante wegen der starken Umorientierungen langsam und genau und an der Profil- ober- und -unterkante wegen der schwachen Umorientierungen schnell .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb der eingangs genannten numerisch gesteuerten Werk- zeugmaschine anzugeben, das es ermöglicht, unabhängig von der Art der Werkzeugmaschine und/oder der Achsdynamik der Werkzeugmaschine unterschiedliche im Teileprogramm vorgegebene Vorschubwerte in möglichst gleichmäßige Relativbewegungen zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück in der Werkzeug- maschine zu transformieren.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine anzugeben, die zur Durchführung des Be ^¬ triebsverfahrens ausgebildet ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach umfasst das Ver ^¬ fahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine, die mindestens ei ^¬ ne Bewegungsachse aufweist und die mit einer numerischen Steuerung verbunden ist, die Merkmale, dass die Bewegungen jeder Bewegungsachse durch eine maximal zulässige Achsdynamik begrenzt sind, dass in der numerischen Steuerung ein Teileprogramm vorhanden ist, dass das Teileprogramm eine Folge von Anweisungen zur Bearbeitung eines Werkstücks umfasst, dass die Folge von Anweisungen die Vorgabe verschiedener, über der Zeit sprunghaft sich ändernder maximaler Sollgeschwindigkei ^¬ ten für die Bearbeitung des Werkstücks umfasst, dass die nu- merische Steuerung die verschiedenen, über der Zeit sprunghaft sich ändernden maximalen Sollgeschwindigkeiten durch ein über der Zeit stetiges Sollgeschwindigkeitsprofil mit einem über der Zeit stetigen Verlauf der maximalen Sollgeschwindig ^¬ keiten approximiert und dass die numerische Steuerung das stetige Sollgeschwindigkeitsprofil zur Berechnung der Soll ^¬ werte eines tatsächlichen Bewegungsprofils der Bewegungen für jede Bewegungsachse verwendet.

Damit werden die im NC-Teileprogramm programmierten Sollvor- schubwerte analog wie programmierte Achspositionswerte behan ^¬ delt. So werden die im Teileprogramm vorgegebenen programmierten, sprunghaft sich ändernden maximalen Sollgeschwindigkeiten oder Sollvorschubwerte mittels Algorithmen innerhalb von Toleranzen in stetige Kurven überführt. Diese stetigen Kurven werden dann als stetiges Sollgeschwindigkeitsprofil oder stetiges maximales Sollvorschubprofil für das Vorgeben der Bahngeschwindigkeit verwendet. Die durch das Teilepro ^¬ gramm vorgegebenen Vorschubwerte aufeinander folgender Sätze werden somit unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzen geglättet. Damit wird der Vorschub insgesamt gleichmäßiger. Auch eine Vielzahl von aufeinanderfolgenden, stufenartigen Vorschubänderungen in den Sätzen des NC-Programms können so problemlos realisiert werden. Diese aufeinanderfolgenden „Linearsätze für die Sollgeschwindigkeit" werden in der numeri- sehen Steuerung ähnlich wie die aufeinanderfolgenden Linearsätze für die Kontur aufbereitet. Das NC-Programm kann so entworfen und erstellt werden, dass auch nicht spezialisierte Werkzeugmaschinen flexibel, effizient und mit gleichmäßig ho ^¬ her Bearbeitungsqualität komplexe Oberflächen fertigen kön- nen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 13 gegeben. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 verwendet die numerische Steuerung die maximal zulässige Achsdynamik der Werkzeugma ^¬ schine zur Berechnung der Bewegungen für jede Bewegungsachse. Bei der Berechnung der Bewegungen für jede Bewegungsachse können Geschwindigkeitswerte im stetigen Sollgeschwindig ^¬ keitsprofil durch die maximal zulässige Achsdynamik der Werk ^¬ zeugmaschine begrenzt werden. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 bereitet die numerische Steuerung aus der Folge der Anweisungen die Bearbeitung des Werkstücks betreffende Geometriebefehle zu einem Wegprofil auf und verwendet das Wegprofil bei der Berechnung der Bewe ^¬ gungen für jede Bewegungsachse. Die numerische Steuerung ver- ändert die durch die Geometriebefehle im Teileprogramm vorge ^¬ gebene Geometrie innerhalb einer Toleranz. Dieses Geometrie ^¬ profil wird bei der Berechnung der Bewegung der Bewegungsachsen ebenfalls verwendet. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 umfassen die Bewegungen der Bewegungsachsen einen Vorschub des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück. An Stellen großer Krümmungen oder an Ecken an dem Werkstück wird der Vorschub der beteiligten Bewegungsachsen verringert und außerhalb dieser Stellen der Vorschub wie- der erhöht. An Krümmungen und Ecken im Werkstück, oder an

Stellen großer Umorientierung des Werkzeugs, wird zur Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit der Vorschub begrenzt. Im Gegenzug kann in Bereichen mit nur geringer Krümmung ohne Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit der Vorschub er- höht werden.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 werden die im Teilepro ^¬ gramm vorgegebenen maximalen Sollgeschwindigkeiten durch ein oder mehrere Polynome zu dem stetigen Sollgeschwindigkeits- profil approximiert. Die Glättung und Verstetigung des Vor ^¬ schubverlaufs erfolgt dann unter Einbeziehung der Vorschub ^¬ werte eines oder auch mehrerer Nachbarsätze des Teilepro ^¬ gramms. Es wird auf Basis der programmierten Vorschubwerte automatisch ein Polynom-Vorschubprofil durch einen Kompressor z.B. mit einem Polynom-Generator erzeugt.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 werden die im Teilepro- gramm vorgegebenen maximalen Sollgeschwindigkeiten durch eine oder mehrere Spline-Funktionen zu dem stetigen Sollgeschwindigkeitsprofil approximiert. Dies kann durch einen Kompressor in Form eines Spline-Generators erfolgen. Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 wird bei der Approxima ^¬ tion des stetigen Sollgeschwindigkeitsprofils eine Bearbei ^¬ tungsart des Werkstücks berücksichtigt. Beispiele für Bear ^¬ beitungsarten, die verschiedene Approximationen bewirken, sind bei der Fräsbearbeitung Schruppen oder Schlichten.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 wird bei der Approxima ^¬ tion des stetigen Sollgeschwindigkeitsprofils mindestens ein Technologieparameter der Bearbeitung des Werkstücks berücksichtigt. Wichtige Technologieparameter sind neben dem Bahn- Vorschub und der Spindeldrehzahl beispielsweise Daten des be ^¬ nutzten Werkzeugs, die Bearbeitungsgeometrie, das verwendete Material sowie die Leistungsdaten der Werkzeugmaschine.

Die zweitgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale des An- spruchs 14 gelöst. Danach ist die numerische Steuerung derart ausgebildet, dass sie im Betrieb die Werkzeugmaschine gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren steuert.

Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vor- teile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese er ^¬ reicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

FIG 1 in einem Blockbild den grundsätzlichen Aufbau einer

Werkzeugmaschine, womit unabhängig von der Art und/oder der Achsdynamik der Werkzeugmaschine un- terschiedliche Vorschubwerte im Teileprogramm in möglichst gleichmäßige Relativbewegungen zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück in der Werkzeugmaschine transformiert werden,

FIG 2 ein Funktionsdiagramm einer Werkzeugmaschinensteue ^¬ rung, womit unabhängig von der Art und/oder der Achsdynamik der Werkzeugmaschine unterschiedliche Vorschubwerte im Teileprogramm in möglichst gleichmäßige Relativbewegungen zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück in der Werkzeugmaschine trans ^¬ formiert werden einer ein Ausschnitt aus einem Ab ^¬ laufplan zur Speicherung von Zusatzinformation und FIG 3 eine Kontur eines Werkstücks, die mit dem erfin ^¬ dungsgemäßen Verfahren herstellbar ist,

FIG 4 ein Diagramm des Vorschubs über der Zeit ohne An ^¬ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer optimalen Oberfläche,

FIG 5 ein Diagramm des Vorschubs über der Zeit ohne An ^¬ wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer verringerten Oberflächenqualität und

FIG 6 ein Diagramm des Vorschubs über der Zeit mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer optimalen Oberfläche. Das Blockbild in FIG 1 zeigt eine numerische Werkzeugmaschi ^¬ nensteuerung 2, die mit einer Werkzeugmaschine 4 zur Bearbei ^¬ tung eines Werkstücks zusammenwirkt. Der Zugang eines Anwen ^¬ ders oder Bedieners zu der Werkzeugmaschinensteuerungen 2 erfolgt über eine Ein-/Ausgabeeinheit 6, die auch als NC- Bedientafel oder Mensch-Maschine-Schnittstelle bezeichnet wird. Zusätzlich kann noch eine Kommunikationsschnittstelle 8 vorgesehen sein, die eine Einbettung der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 4 in ein Computernetzwerk ermöglicht, diese Betriebsart wird im Englischen als Distributed

Numerical Control (DNC) bezeichnet.

Die Werkzeugmaschinensteuerung 2 ist in drei Hauptfunktionsbereiche unterteilt. Ein erster Hauptfunktionsbereich, der COM-Teil 10, erfüllt Kommunikationsaufgaben mit einer angeschlossenen Peripherie, wie zum Beispiel Eingangs- und Aus ^¬ gangsbaugruppen, Sensoren, Endschaltern und ähnlichem. Des Weiteren dient der COM-Teil 10 der Kommunikation mit der Ein- /Ausgabeeinheit 6. Er stellt zudem eine Programmierungsumge ^¬ bung zur Verfügung, welche mindestens einen Programmeditor, oft aber zusätzlich auch Simulations- und Testeinrichtungen umfasst . Die Hauptfunktionalität der Werkzeugmaschinensteuerunge 2, also eine Wegesteuerung und Interpolation und damit die Erzeugung von Bewegungssollwerten für die Werkzeugmaschine 4, ist in einem NC-Kern 12 realisiert. Insbesondere ist hier der NC-Kern 12 derart erweitert, dass er aus den als Linearsätze vorgegebenen Vorschubwerten, die anschaulich über der Zeit einen stufenförmigen Verlauf aufweisen, ein stetiges Vorschubprofil erzeugt, wie weiter unten noch anhand von FIG 2 beschrieben wird, und dieses anstatt der Vorschubwerte aus den Linearsätzen bei der Berechnung der Bewegung eines Werk- zeugs gegenüber einem Werkstück verwendet. Der Begriff der

Stetigkeit soll hier so verstanden werden, dass das Vorschub ^¬ profil bis auf die durch die Digitalisierung zwangsweise be ^¬ dingten stufenweisen Änderungen der Vorschubwerte stetig ist. Schließlich dient die dritte Hauptfunktionalität der Werk ^¬ zeugmaschinensteuerung 4 einer Anpasssteuerung 14, die der Anpassung der allgemeinen, auf das Werkstück bezogenen Bewegungssteuerung aus dem NC-Kern 12 an die konkrete Werkzeugmaschine 4 dient. Dazu gehören das Ansteuern von Aktoren, das Erfassen von Sensorsignalen, das Realisieren von Überwachungsfunktionen, das Gewährleisten von Sicherheitsfunktionen usw. Die Anpasssteuerung 14 wird mittels einer PLC (program- mable logic Controller) , also mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung, ausgeführt.

Die Werkzeugmaschine 4 verwirklicht bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit zugehörigen Maschinenbauelementen Bewegungen im Raum. Die Bewegungsrichtung der Maschinenbauelemente ist über Werkzeugmaschinenachsen oder Bewegungsachsen 16 definiert. Die daten- oder signaltechnische Verbindung der Werkzeugmaschinensteuerung 2 mit der Werkzeugmaschine 4 erfolgt bezüglich der Bewegungssollwerte für die Bewegungsachsen 16 über erste Steuerleitungen 18 und bezüglich von Aktoren und Sensoren 20 in der Werkzeugmaschine 4 über binäre Ein-/Aus- gänge über zweite Steuerleitungen 22.

FIG 2 zeigt in einem Blockbild die wesentlichen Funktionsblö- cke eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Be ^¬ triebsverfahrens für die Werkzeugmaschinensteuerung 2. Die konstruktive Beschreibung eines Werkstücks wird in Form eines elektronischen Modells in einem CAD-System 30 erstellt. Von einem CAM-System 32 werden die Geometriedaten für das

Rohteil, das Fertigteil und die AufSpannvorrichtung aus dem CAD-System 30 übernommen. Gelegentlich ist es erforderlich, dass die Geometrie verändert, beziehungsweise verbessert, oder eine neue Geometrie erstellt werden muss. Der Werkstoff und eine Werkzeugmaschine 4 werden aus Tabellen ausgewählt, damit das CAM-System 32 die Randbedingungen kennt und geeig ^¬ nete Verfahrbewegungen und Schnittwerte vorschlagen kann. Als Ergebnis liegen die einzelnen Bearbeitungsschritte von einem Rohteil zu einem fertigen Werkstück in Form eines oder mehrerer NC-Programme 34 vor.

Das NC-Programm 34 enthält Programmsätze, die beispielsweise für einen Bearbeitungsschritt eine Zielposition, eine Werk ^¬ zeugbahnkorrektur, einen Bahnvorschub oder einen Achsvorschub, eine Spindeldrehzahl, usw., sowie Zusatzfunktionen für Programm- und Spindel-Kontrolle umfassen. Beispielsweise be ^¬ deutet „F40000" in einem NC-Satz, dass mit der angesprochenen Bewegungsachse 16 mit einem maximalen Vorschub von 40.000 mm/min oder 40 m/min in der Werkzeugmaschine 4 gefahren werden soll.

Die in aufeinanderfolgenden Sätzen vorgegebenen Zielpositionen oder Geometriedaten werden in einem ersten Approximationsmodul 36 mittels eines ersten Kompressionsgenerators 38 durch Polynom-Funktionen approximiert. Damit werden die vom NC-Programm vorgegebenen aufeinander folgenden linearen Weg- Zeit-Daten für die einzelnen Bewegungsachsen 16 „geglättet". Die approximierten Weg-Zeit-Kurven oder auch Geometrieprofile 40 besitzen so einen - bis auf das Digitalisierungsrauschen - über der Zeit stetigen Verlauf.

Ähnlich wie die Geometriedaten werden auch die in aufeinanderfolgen Sätzen vorgegebenen Vorschubdaten in einem zweiten Approximationsmodul 42 mittels eines zweiten Kompressionsge ^¬ nerators 44 approximiert. Da die Vorschubangaben im Teilepro ^¬ gramm nach dem G-Code als F-Wert definiert sind, kann die Glättung und Approximation auch als F-Wert-Glättung bezeichnet werden. Die approximierten Vorschubdaten oder Geschwin- digkeitsprofile besitzen so einen - bis auf das Digitalisie ^¬ rungsrauschen - über der Zeit stetigen Verlauf.

Der zweite Kompressionsgenerator 44 ermöglicht beispielsweise eine Polynom-Approximation oder eine Spline-Approximation der verschiedenen, nicht-stetig aufeinanderfolgenden Vorschubangaben aus den einzelnen Sätzen des NC-Programms 34. Dabei dürfen vorgegebene Toleranzen oder Abweichungen von den vorgegebenen Vorschubdaten nicht überschritten werden. Die Toleranzen werden im Wesentlichen von der Bearbeitungsart des Werkstücks, symbolisiert durch einen Pfeil 46, und von den

Technologieparametern, symbolisiert durch einen Pfeil 48, bei der Bearbeitung vorgegeben. Sie können aber auch durch einen Maschinenführer festgelegt werden, symbolisiert durch einen Pfeil 49. Im Ergebnis wird so ein stetiges Vorschubprofil 50 mit maximal zu fahrenden Vorschubwerten erzeugt. Das Vorschubprofil 50 ist im Ergebnis ein über der Zeit stetiges Sollgeschwindigkeitsprofil mit einem über der Zeit stetigen Verlauf der maximalen Sollgeschwindigkeiten. Dieses Vorschubprofil 50 wird - anstatt wie herkömmlich die nicht-stetigen Vorschubdaten aus den NC-Sätzen - als Eingangsgröße für eine Berechnung der Wegesteuerung 52 verwendet wird. Die Werte des Vorschubprofils 50, das den stetigen Verlauf der maximalen Sollgeschwindigkeiten des Vorschubs darstellt, werden unter Berücksichtigung der Geometrieprofile 40 für die Erstellung eines tatsächlichen Bewegungsprofils 54 der Werkstückbearbei ^¬ tung verwendet. Dieses Bewegungsprofil 54 gibt die Sollwerte der Bewegungsachsen 16 vor. Bei der Erstellung des Bewegungs- profils 54 wird auch noch die maximale Achsdynamik der zur Bearbeitung eingesetzten Werkzeugmaschine 4 berücksichtigt, symbolisiert durch einen Pfeil 56.

FIG 3 zeigt beispielhaft eine Kontur 60 einer Turbinenschau- fei 62 als Werkstück, die mit der Werkzeugmaschine 4 aus ei ^¬ nem Rohteil gefräst wird. Eine Punktfolge 64 soll eine Mit ^¬ telpunktbahn eines Schaftfräsers mit Eckenverrundung beschreiben, wie es aufeinander folgende Linearsätze des dazu ^¬ gehörigen NC-Programms 34 vorgeben. Da die

Fräsermittelpunktsbahn programmiert ist, entsteht die Ausbeu ^¬ lung in der Mittelpunktsbahn in FIG 3 am rechten Rand oder hinteren Ende der Turbinenschaufel 62 deshalb, weil der Frä ^¬ ser nicht senkrecht zur Werkstückoberfläche steht, sondern mit einem Anstellwinkel von z.B. 10° bearbeitet wird. Die Li- nearsätze gelten für verschieden lange Bahnen, deren Länge durch die Krümmung der Kontur und der zulässigen Oberflächentoleranz vorgegeben ist. Die kritischen Partien der Bearbeitung entstehen an Stellen 66 großer Umorientierung des Werkzeugs, hier des Fräsers, bei der Bearbeitung einer

Profilhinterkante 66 der Turbinenschaufel 62. An Krümmungen 68 in der Mittelpunktsbahn soll der Vorschub geringer sein, um die Bearbeitungsgenauigkeit und damit die Oberflächenqua ^¬ lität zu erhöhen. Daher ist an diesen Stellen der Vorschub, das entspricht dem F-Wort im entsprechenden Satz des NC- Programms, reduziert.

In FIG 4 bis 6 sind in Abhängigkeit der Zeit beispielhaft der Vorschub bei der Bearbeitung der Profilhinterkante 66 der Turbinenschaufel 60 für verschiedene NC-Programm-Sätze darge- stellt, wobei die FIG 4 und 5 einen möglichen Verlauf mit ei ^¬ ner herkömmlichen Steuerung beschreiben, wogegen die FIG 6 einen Verlauf zeigt, wie er sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die Werkzeugmaschinen- Steuerung 2 ergibt. Die Größeneinheit der Vorschubwerte in den Diagrammen ist m/min oder (mm/min*10 ³ ) , die Zeit t auf der Abszisse ist in Takteinheiten angegeben. FIG 4 zeigt einen Ausschnitt eines tatsächlich zu fahrenden Vorschubprofils als Teil des tatsächlichen Bewegungsprofils 54, wie es sich bei der herkömmlichen Wegesteuerung eines NC- Programms 34 einstellt. Die zu dem Vorschubverlauf gehörenden Linearsätze umfassen folgende, stark vereinfacht wiedergege- bene Anweisungen:

N100 (Fahre linear mit max . Vorschub 40. OOOmm/min)

[...]

N1033 (Fahre auf Positionl mit max. Vorschub 40.000 mm/min) N1034 (Fahre auf Position2 mit max. Vorschub 40.000 mm/min) N1035 (Fahre auf Position3 mit max. Vorschub 40.000 mm/min) N1036 (Fahre auf Position4 mit max. Vorschub 100 mm/min) N1037 (Fahre auf Position5 mit max. Vorschub 40.000 mm/min) [...]

Die Begrenzung des Vorschubs auf 100 mm/min im Linearsatz N1036 wirkt bei dieser Programmvariante somit über den gesam ^¬ ten Linearsatz N1036. Dadurch wird die Geschwindigkeit zwi ^¬ schen Position3 und Position4 konstant auf den reduzierten Maximalvorschub gesetzt. Dieses Verhalten ist insofern nach ^¬ teilig, da nicht nur an der Profilhinterkante 66 die Vor ^¬ schubgeschwindigkeit abgesenkt wird, sondern im gesamten Be ^¬ reich von Position3 bis Position4.

FIG 5 zeigt den Vorschub-Vorgabenverlauf der Steuerung ohne eine Begrenzung des Vorschubs im Satz N1036, also der in Sat N100 definierte maximale Vorschubwert gilt für alle Sätze im Programm, insbesondere auch für den Satz N1036. Die entspre ^¬ chenden Sätze im Teileprogramm wirken dann wie folgt:

N100 (Fahre linear mit max. Vorschub 40.000mm/min)

[...]

N1033 (Fahre auf Positionl mit max. Vorschub 40.000 mm/min) N1034 (Fahre auf Position2 mit max. Vorschub 40.000 mm/min)

N1035 (Fahre auf Position3 mit max . Vorschub 40.000 mm/min)

N1036 (Fahre auf Position4 mit max. Vorschub 40.000 mm/min)

N1037 (Fahre auf Position5 mit max. Vorschub 40.000 mm/min)

[ ... ]

Dadurch wird an der Profilhinterkante 66 der Vorschub durch das Wirksamwerden der Begrenzung der Achsdynamik nur auf ca. 200 mm/min abgebremst, was in diesem Beispiel zu Problemen mit der Oberflächenqualität des gefertigten Werkstücks führt.

FIG 6 zeigt schließlich das tatsächlich gefahrene Vorschub ^¬ profil 54 bei der Abarbeitung des gleichen NC-Programms 34 wie bei FIG 4, wobei jedoch die vom NC-Programm 34 vorgegebe- nen maximalen Vorschubwerte über die Nachbarsätze geglättet und zu einem stetigen Vorschubprofil 50 approximiert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit wird hier nur genau an der

Profilhinterkante 66 auf 100 mm/min reduziert. Dabei wird noch die tatsächliche, am Werkstück bearbeitete Geometrie der Profilhinterkante 66 berücksichtigt, da die Steuerung 2 die vom Teileprogramm 34 vorgegebene Geometrie zur Wegeberechnung des Werkzeugs mittels Kompressoren innerhalb der Grenzen ei ^¬ nes bestimmten Toleranzbandes selbsttätig nach Ort und Form modifiziert .

Da durch die erfindungsgemäße Approximation zu einem stetigen Vorschubprofil 50 nur im Bereich von starken Krümmungen, wie die Profilhinterkante 66, die Vorschubgeschwindigkeit redu ^¬ ziert wird, ergibt sich bei einer gleichmäßig hohen Oberflä ^¬ chenqualität des Werkstücks, wie beispielsweise die Turbinen ^¬ schaufel 62, eine insgesamt geringere Fertigungszeit und da ^¬ mit eine höhere Wirtschaftlichkeit des Fertigungsprozesses, insbesondere bei einer Anwendung einer nicht-spezialisierten Werkzeugmaschine 4.