Beschreibung

Verfahren zum Steuern einer Schleifmaschine und numerisch gesteuerte Schleifmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer (numerisch gesteuerten) Schleifmaschine, insbesondere einer Rund ^¬ schleifmaschine mit zwei Linearachsen und zumindest zwei wei ^¬ teren von Linearachsen verschiedenen Achsen, bei der Bearbei- tung eines Werkstücks. Sie betrifft auch eine numerisch ge ^¬ steuerte Schleifmaschine, an der das Verfahren durchführbar ist.

Aus dem Gebiet der Fräsmaschinen ist bekannt, dass eine nume- rische Steuerung Daten betreffend die Solloberflächenkontur eines zu bearbeitenden Werkstücks erhält und diese in Steuer ^¬ befehle für Antriebseinheiten umsetzt, die den Maschinenachsen zugeordnet sind. Dies ist bei Fräsmaschinen deswegen einfach, weil diese üblicherweise drei Linearachsen aufweisen, die senkrecht aufeinander stehen, so dass die kartesischen

Koordinaten der Solloberflächenkontur direkt in Steuerbefehle umgewandelt werden.

Diese einfache Möglichkeit ist bei Schleifmaschinen der ein- gangs genannten Art nicht gegeben. Durch die Verwendung zumindest einer von einer Linearachse verschiedenen Achse zu ^¬ sätzlich zu zwei Linearachsen können die kartesischen Koordinaten einer Solloberflächenkontur des Werkstücks zur Erzeugung von Steuerbefehlen für Achsantriebseinheiten nicht ohne weiteres verwendet werden. So ist es im Stand der Technik üb ^¬ lich, offline, d.h. vor der Bearbeitung des Werkstücks und außerhalb der eigentlichen Schleifmaschine bzw. deren Datenverarbeitungseinrichtung die Steuerbefehle zu erzeugen, z.B. unter Zuhilfenahme eines CAD-Systems (CAD bedeutet Computer Aided Design, computerunterstütztes Entwerfen) . Durch das

Vorabberechnen der Achssteuerbefehle geht viel Flexibilität verloren. Es entstehen auch Schwierigkeiten bei der Anpassung des Vorschubs an den Achsen (Geschwindigkeit der Achsen) .

Dieser muss den Programmanweisungen angepasst und definiert werden. Das Vorabberechnen der Achssteuerbefehle bedingt auch, dass sich Beschränkungen im Hinblick auf den Datenum- fang ergeben. So ist es im Stand der Technik schwer möglich, so genannte Interpolationsbewegungen durchzuführen, d.h. solche Bewegungen, bei denen mehrere Achsen koordiniert derart Bewegungen ausführen, dass das Werkzeug eine vorbestimmte Konturlinie an dem Werkstück entlang fährt. Um solche Konturlinien, die gerade Linien oder gekrümmte Linien sein können, wenigstens annäherungsweise definieren zu können, werden die Konturlinien in Teilstrecken eingeteilt und die Achsen werden jeweils so angesteuert, dass das Werkzeug sich vom Anfangs ^¬ punkt der Teilstrecke zum Endpunkt der Teilstrecke bewegt, wobei der vom Anfangspunkt zum Endpunkt führende Weg nicht genau eingestellt werden kann. Eine Verbesserung bei der De ^¬ finition der Konturen würde bei dem Vorgehen gemäß dem Stand der Technik eine Erhöhung der Datenmenge mit sich bringen.

Die mangelnde Flexibilität der Vorgehensweise ergibt sich auch daraus, dass die Berechnungen nicht auf einem maschinenunabhängigen Modell beruhen, sondern dass die maschinenspezifischen Eigenschaften der anzusteuernden Schleifmaschine mit einprogrammiert werden müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung für Schleifmaschinen, insbesondere Rundschleifmaschinen, die Möglichkeit bereitzustellen, präziser als bisher Solloberflächenkonturen von Werkstücken zu erzeugen, indem präzisere Achssteuerbefehle bereitgestellt werden .

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine numerisch gesteuerte Schleifmaschine gemäß Patentanspruch 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen einer Solloberflächenkontur des Werkstücks mit Hilfe eines Teileprogramms,

- Ableiten von Vektoren mit fünf Bestimmungsgrößen aus der Solloberflächenkontur, von denen drei Bestimmungsgrößen Positionen der Solloberfläche in einem kartesischen Koordina- tensystem entsprechen und zwei Bestimmungsgrößen eine Orientierungsrichtung der Solloberfläche im Hinblick auf eine Orientierung einer Schleifscheibe der Schleifmaschine ent ^¬ sprechen,

- Zuführen der Vektoren zu einer Datenverarbeitungseinrichtung in der Schleifmaschine,

- Berechnen von Achssteuerbefehlen für den Achsen zugeordnete Achsantriebseinheiten der Schleifmaschine aus den Vektoren aufgrund eines Transformationsmodells in der Datenverarbei ^¬ tungseinrichtung in Echtzeit bei sofortigem

- Zuführen der Ansteuerbefehle zu den Achsantriebseinheiten und Umsetzen der Achssteuerbefehle durch die Achsantriebs- einheiten.

Die Erfindung beruht darauf, dass die Achssteuerbefehle nicht mehr vorab in einem externen CAD-System erzeugt werden, sondern in der numerisch gesteuerten Schleifmaschine selbst. Sie beruht auch darauf, dass diese Berechnungen in Echtzeit er ^¬ folgen. Durch diese Merkmale ist sichergestellt, dass nicht mehr große Datenmengen wie im Stand der Technik anfallen. So ist es auch möglich, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens genaue Konturlinien entlang des Werkstücks zu fahren. Wegen der Echtzeitberechnung der Steuerbefehle kann praktisch jedem Koordinatenpunkt auf dem Werkstück in der durch die Achsantriebseinheiten ermöglichten Genauigkeit (Granularität ) ein Achssteuerbefehl zugeordnet werden, so dass die zu fahrenden Konturlinien nicht mehr in Teilstrecken unterteilt werden müssen.

Ermöglicht wird das Online-Berechnen (Echtzeit-Berechnen) der Achssteuerbefehle durch die Verwendung eines Transformations-

modells. Dieses bringt auch den Vorteil größerer Flexibilität insgesamt mit sich. Das Transformationsmodell kann unabhängig von Details der Maschine verwendet werden und muss nur je ^¬ weils maschinenspezifisch parametriert werden. Es ist somit möglich, für die Datenverarbeitungseinrichtung in der

Schleifmaschine eine aufzusetzende Software bereitzustellen, die das Transformationsmodell enthält.

Auch kurzfristig auftretende änderungen der Kinematikparame- ter bzw. der Kinematik selbst können bei der Berechnung kurzfristig kompensiert werden.

In dem kartesischen Koordinatensystem, das in der Regel das Werkstückkoordinatensystem sein wird, sind Verschiebungen und Drehungen möglich. Kann das Werkstück nicht in der Sollposition eingespannt werden, ist lediglich eine Messung der Verschiebung oder Drehung notwendig, und es kann eine Korrektur bei der Berechnung der Achssteuerbefehle erfolgen. Derartiges ist bei der Vorabberechnung offline im Stand der Technik nicht möglich. Es kann bei der Erfindung auch flexibel eine

Korrektur erfolgen, was die Form des Werkzeugs betrifft. Bei ^¬ spielsweise kann eine Abnutzung der Schleifscheibe gemessen werden und bei der Onlineberechnung berücksichtigt werden. Durch die Onlineberechnung mit Hilfe des Transformationsmo- dells sind die Achssteuerbefehle genau an die Kontur an den kartesischen Koordinatenpunkten angepasst, für die jeweils die Achssteuerbefehle berechnet werden. Somit gibt es keine Probleme mehr bei der Definition der Geschwindigkeit (Vor ^¬ schub) bei der Achsbewegung. Vielmehr ist sie gleich der „Konturgeschwindigkeit" beim Entlangfahren an der Werkstückgeometrie. Durch die Erfindung werden auch kompliziertere Be ^¬ wegungen ermöglicht, insbesondere überlagerte Bewegungen der unterschiedlichen Achsen. Ein Beispiel hierfür ist ein Pendeln des Werkzeugs entlang der Berührlinie mit dem Werkstück.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform zerfallen die Informationen aus dem Vektor wie folgt: Aus den drei Bestimmungsgrö ^¬ ßen, die Positionen der Solloberfläche im kartesischen Koor-

dinatensystem entsprechen, werden Steuerbefehle für die zwei Linearachsen und eine Rundachse der Schleifmaschine abgelei ^¬ tet. Aus den zwei Bestimmungsgrößen, die der Orientierungs ^¬ richtung der Solloberfläche entsprechen und daher ohnehin schon vorbereitend für die Steuerbefehle berechnet sind, kön ^¬ nen Steuerbefehle für die Ansteuerung der Schleifscheibe er ^¬ rechnet werden. üblicherweise sind dies Steuerbefehle für ei ^¬ ne weitere Rundachse und eine Schwenkachse.

Die erfindungsgemäße numerisch gesteuerte Schleifmaschine mit zwei Linearachsen, zumindest zwei von Linearachsen verschiedenen Achsen, mit den Achsen zugeordneten Achsenantriebseinheiten sowie mit einer Datenverarbeitungseinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, aus ihr zugeführten Vektorinformationen über die Solloberflächenkontur eines Werkstücks in Echtzeit Achssteuerbefehle für Achsantriebseinheiten zu generieren und an die Achsantriebseinheiten abzugeben.

Bevorzugt geschieht das Auslegen der Datenverarbeitungseinrichtung für den genannten Zweck durch Bereitstellen eines Computerprogramms. Hat die numerisch gesteuerte Schleifma ^¬ schine zwei Linearachsen, zwei Rundachsen und eine Schwenkachse, so können Vektoren mit fünf Bestimmungsgrößen aufgrund eines Transformationsmodells in Soll-Achsbewegungen für die fünf Achsen transformiert werden. Aus den Soll-Achsbewegungen können dann leicht die Achssteuerbefehle abgeleitet werden.

Die nachfolgende Beschreibung enthält weitere Details zur Er- findung. Sie wird unter Bezug auf die Zeichnung gegeben, wobei die Figur schematisch das Transformationsmodell, das bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, erläutert.

Vorliegend geht es um die Bearbeitung eines Werkstücks 10 mit Hilfe eines Werkzeugs, genauer gesagt einer Schleifscheibe 12 in einer im Ganzen mit 14 bezeichneten Rundschleifmaschine. Das Werkstück hat das mit WKS bezeichnete Werkstückkoordina-

tensystem. Die Rundschleifmaschine hat das mit MKS bezeichne ^¬ te Maschinenkoordinatensystem, und der Schleifscheibe 12 kann das Werkzeugkoordinatensystem WZKS zugeordnet werden.

Die Maschine umfasst folgende Bewegungsmöglichkeiten: Eine Linearachse Xl stellt die Möglichkeit zur Bewegung entlang der x-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS bereit, siehe Pfeil 16. Eine Linearachse Zl stellt die Möglichkeit zur Be ^¬ wegung längs der z-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS bereit, siehe Pfeil 18. Eine Rundachse Cl stellt die Möglich ^¬ keit zur Drehung entsprechend dem Pfeil 20 um die z-Achse be ^¬ reit. Die Schleifscheibe 12 ist an einem Aufbau befestigt, der eine Drehung vermittels der Rundachse Bl entsprechend dem Pfeil 22 und ein Schwenken entsprechend dem Pfeil 24 an einer Schwenkachse Al ermöglicht. Die eigentliche Drehung der

Schleifscheibe erfolgt vermittels der Rundachse Sl. In der Figur sind die Längen Ll bis L4 eingezeichnet, welche bei der Berechnung im Rahmen des Modells einbezogen werden.

Mit Hilfe eines Teileprogramms wird eine Solloberflächenkon ^¬ tur des Werkstücks 10 entworfen. Aus dieser Solloberflächenkontur können nun Vektoren mit fünf Bestimmungsgrößen abgeleitet werden. Die Vektoren entsprechen einzelnen Punkten auf der Solloberfläche. Die ersten drei Bestimmungsgrößen sind die Koordinaten des Punkts im Werkstückkoordinatensystem WKS entsprechend der x-Achse, der y-Achse und z-Achse. Da bei der Erzeugung der Solloberflächenkontur mit Hilfe des Teileprogramms auch die Eigenschaften des Werkzeugs, vorliegend der Schleifscheibe 12 berücksichtigt werden, können zwei weitere Freiheitsgrade der Solloberflächenkontur definiert werden, welche später den Achsen Bl und Al zugeordnet werden können. Dies bezeichnet die vorliegende Anmeldung mit dem Begriff „0- rientierungsrichtung" . Die beiden Freiheitsgrade berücksichtigen die Nachbarumgebung des Punkts auf der Solloberfläche, um zu definieren, wie die Bearbeitung des Punkts mit Hilfe der Schleifscheibe 12 erfolgen soll. Mathematisch gesehen kann es sich bei den zwei Bestimmungsgrößen um zwei Werte der

Richtungsableitung der Kontur der Oberfläche des Werkstücks in zwei Dimensionen der Oberfläche handeln.

Aus den drei ersten Bestimmungsgrößen des Vektors können die Bewegungen der Achsen Xl, Zl und Cl ermittelt werden. Deckt sich die z-Achse des Werkstückkoordinatensystems WKS mit der z-Achse des Maschinenkoordinatensystems MKS, so kann die z- Koordinate direkt in eine Bewegung entsprechend dem Pfeil 18 transformiert werden. In die Berechnung der Bewegung längs der x-Achse geht wegen der Drehung entsprechend dem Pfeil 20 durch die Grundachse Cl auch die y-Koordinate ein. Im Falle, dass sich die Koordinatensysteme MKS und WKS nicht decken, gehen jeweils alle drei Koordinaten in die Bewegung aller drei Achsen Xl, Zl und Cl ein. Die beiden Bestimmungsgrößen betreffend die Orientierungsrichtung der Solloberfläche in dem Vektor können direkt in Steuerbefehle für die Rundachse Bl und die Schwenkachse Al übertragen werden. Das Zerfallen des Vektors in zwei Teile, die ersten drei Komponenten, die den Achsen Xl, Zl und Cl einerseits und in die zweiten Kompo- nenten, die den Achsen Bl und Al zugeordnet sind, stellt na ^¬ turgemäß den Idealfall dar. Da die Vektorenkomponenten, also die fünf Bestimmungsgrößen der Vektoren, fünf verschiedenen Freiheitsgraden entsprechen, ist grundsätzlich auch eine Berechnung der Achsbewegungen der genannten fünf Achsen jeweils aus allen fünf Komponenten möglich, wenn dieser Idealfall aufgrund des Verhältnisses der Koordinatensysteme MKS und WKS zueinander oder der genauen Definition der Vektoren nicht gegeben sein sollte.