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Herkömmlicherweise werden solche Geometrieparameter einer S-Achs-CNC-Fräsmaschme bei der Herstellung der Fräsmaschine gemessen und in ein Datenblatt der Fräsmaschine eingetragen. Da diese Messungen ungenau sind bzw. sich die Maschinenparameter nachträglich noch ändern können, weichen diese Werte häufig stark von den tatsächlichen Maschinenparametern ab.
Um einen vorgegebenen Fräsvorgang durchzuführen, berechnet der der Fräsmaschine zugeordnete Postprozessor die NC-Positlonierwerte für die fortlaufende Positionierung der einzelnen Achsen der CNCFräsmaschine, wozu die Geometrieparameter der Fräsmaschine verwendet werden. Stimmen die vom Postprozessor verwendeten Werte mit den tatsächlichen Geometrieparametern nicht überein, kommt es zu einer entsprechenden Abweichung der tatsächlichen Fräsbewegung von der vorgegebenen Fräsbewegung, was zu einer Qualitätsminderung des gefrästen Werkstückes führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur genauen, raschen und zuverlässigen Bestimmung der Geometrieparameter einer CNC-Fräsmaschine, insbesondere 5-Achs-CNC-Fräsmaschine, bereitzustellen, und erfindungsgemäss gelingt dies dadurch, dass mit der Fräsmaschine eine Messbewegung ausgeführt wird, wobei die jeweiligen Abstände des Fräsermittelpunkts vom Werkstücknullpunkt beim Ausführen der Messbewegung gemessen werden, dass die gemessenen Abstände mit den NC-Positionierwerten für die Achsen der Fräsmaschine berechneten Abständen des Fräsermittelpunktes vom Werkstücknullpunkt verglichen werden, wobei diese berechneten Abstände von den zu bestimmenden Geometneparametern abhängig sind, und dass für die Geometneparameter die Werte bestimmt werden,
welche zur geringsten Abweichung zwischen den gemessenen Abständen und den berechneten Abständen führen.
Diese Werte für die Geometrieparameter, für welche die gemessenen Abstände von den berechneten Abständen die geringste Abweichung aufweisen, stimmen nun mit den tatsächlichen Geometrieparametern der Fräsmaschine hervorragend überein.
Insbesondere können mit diesem Verfahren die Geometrieparameter einer 5-Achs-Fräsmaschine bestimmt werden, deren Tisch um eine Rundachse, die senkrecht zur Tischoberfläche liegt, und eine Schwenkachse, die parallel zur Tischoberfläche liegt, drehbar gelagert ist. Die Geometrieparameter sind in diesem Fall der Abstand der Schwenkachse von der Tischoberfläche und der Versatz der Schwenkachse zur Rundachse.
Aber auch die Geometrieparameter von anderen Typen von Fräsmaschinen können bestimmt werden.
Vorteilhafterweise wird als Messbewegung eine Bewegung entlang einer geschlossenen Messbahn ausgeführt. Besonders günstig Ist es, wenn als Messbewegung, die von der Fräsmaschine zur Bestimmung der Geometneparameter ausgeführt wird, eine Bewegung ausgeführt wird, die dem Fräsvorgang bei der Herstellung eines Kegelstumpfes entspricht, dessen Grundflächen vorzugsweise senkrecht zur T) schoberf ! ä- che liegen. Als Kegelstumpf kann dabei ein Kreiskegeistumpf oder ein allgemeiner Kegelstumpf verwendet werden. Mit einem Kegelstumpf, bei dem eine Deckfläche elliptisch und die andere Deckfläche kreisförmig ist, kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.
In dieser zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tisches und eines Fräsers einer 5-Achs-Fräsmaschine zusammen mit den Achsen und den zu bestimmenden Maschinenparametern,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Messbewegung in Form eines Kreiskegels, Flg. 3 eine schematische Darstellung einer Messbewegung in Form eines elliptischen Kegels,
Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung einer Abstandsmesseinrichtung,
Fig. 5 einen Teil der NC-Positionierwerte zur Herstellung eines Kreiskegels,
Fig. 6 ein Diagram der gemessenen Abstände zusammen mit den berechneten Abständen,
Fig. 7 ein Diagram der gemessenen Abstände einer Messbewegung, wobei die erfindungsgemäss bestimmten Geometrieparameter zur Erzeugung der Messbewegung verwendet wurden,
Fig.
8 eine geometrische Konstruktion zur Erläuterung der Berechnung der NC-Positionierwerte und der
Abstände eines Fräserpunktes vom Werkstücknullpunkt,
Fig. 9 die dabei verwendeten Drehmatrizen,
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Typs einer 5-Achs-Fräsmaschine und
Fig. 11 deren Vorderansicht.
In Fig. 1 ist ein Tisch 3 einer 5-Achs-Fräsmaschine zusammen mit einem Fräser 10 schematisch dargestellt. Diese 5-Achs-Fräsmaschine hat fünf Bewegungsmöglichkeiten, dies sind drei translatorische Bewegungen entlang der x,-y-und z-Achsen sowie zwei rotatorische Bewegungen um die Schwenkachse 5 und um die Rundachse 4. Von diesen fünf Bewegungen führt der Fräser 10 nur die z-Bewegung aus, die
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vier übrigen Bewegungen werden vom Tisch 3 ausgeführt. Die zu bestimmenden Geometrieparameter dieser 5-Achs-Fräsmaschine sind der Abstand xsp der Schwenkachse 5 von der Tischoberfläche 6 und der Versatz xsr der Schwenkachse 5 zur Rundachse 4. Vom Maschinenhersteller werden für xsp, xsr bestimmte Werte angegeben, beispielsweise xsp = 317, 723 mm und xsr =-0, 093 mm.
Diese Werte sind jedoch aufgrund der vom Maschinenhersteller verwendeten Messverfahren recht ungenau. Da diese Werte aber vom NC-Programm zur Bestimmung der Bewegungen in den fünf Achsen verwendet werden, kommt es beim Fräsen eines Werkstückes zu Abweichungen von der vorgegebenen Gestalt des Werkstückes.
Um nun diese Geometrieparameter xsr, xsp genau zu bestimmen, wird das erfindungsgemässe Verfahren angewandt. Es wird zunächst mit der Fräsmaschine eine bestimmte Messbewegung ausgeführt, welche der Herstellung eines bestimmten Werkstückes entspricht. Dabei werden die Abstände eines Fräserpunktes, normalerweise des Fräsermittelpunktes, vom Werkstücknullpunkt gemessen. Zur Messung dieser Abstände wird anstelle des Fräsers eine Abstandsmesseinrichtung in die Fräsmaschine eingespannt. Eine solche Abstandsmesseinrichtung 7, die beispielsweise von der Firma Renishaw, 72124 Pliezhausen, Deutschland, kommerziell erhältlich ist, ist in Fig. 4 dargestellt.
Ein erstes Teil 11 der Abstandsmesseinrichtung 7 wird mit dem Tisch 3 der Fräsmaschine starr verbunden und ein zweites Teil 12 wird anstelle eines Fräsers 10 in das Fräsfutter der Fräsmaschine eingespannt. Die beiden Teile 11, 12 sind über zwei Kugelgelenke 13,14 und einen teleskopierbaren Messstab 15 miteinander verbunden. Die Teleskopstellung des Messstabes 15 wird sensorisch erfasst und ein Messwert entsprechend dem Abstand zwischen den Kugelgelenken 13,14 wird auf der Leitung 16 ausgegeben. Der Mittelpunkt des Kugelgelenkes 13 entspricht also dem Werkstücknullpunkt und der Mittelpunkt des Kugelgelenkes 14 entspricht dem Fräserpunkt, dessen Abstand zum Werkstücknullpunkt entlang der Bahn der Messbewegung gemessen wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die mit der Fräsmaschine ausgeführte Messbewegung einer Bewegung, die dem Fräsvorgang bei der Herstellung eines Kreiskegelstumpfes entspncht.
Ein solcher Kegelstumpf 8 mit kreisförmigen Grundflächen ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Um diesen Kreiskegelstumpf tatsächlich herzustellen, würde ein Schaftfräser mit einer geeigneten Länge der Schneidfläche, beispielsweise 8 cm, verwendet werden, der im jeweils richtigen Winkel entlang einer Kreisbahn um den Werkstücknullpunkt geführt wird. Die dabei zu verwendenden NC-Positionienwerte der einzelnen Achsen werden über ein NC-Programm von einem Postprozessor der CNC-Fräsmaschine berechnet. Zur Veranschaulichung sind ein Teil dieser CNC-Positionierwerte in Fig. 5 aufgelistet.
Man lässt nun die Fräsmaschine die durch die NC-Positionierwerte vorgegebenen Punkte anfahren, wobei aber anstelle eines Fräsers die Abstandsmesseinrichtung 7 der Fig. 4 in die Fräsmaschine eingespannt ist. Die gemessenen Abstände sollten nun eigentlich während der gesamten Messbewegung konstant sein, da ja eine Kreisbewegung um den Werkstücknullpunkt ausgeführt wird. Aufgrund der unkorrekten Werte von xsp und xsr kommt es aber zu einer Abweichung von dieser idealen Kreisbewegung. Eine weitere Fehlerquelle ist eine nicht exakte Nullpunkteinstellung der Fräsmaschine, d. h. der Fräsermittelpunkt liegt in der Stellung x =0, y = 0, z = 0, = 0 und = 0 nicht exakt im Werkstücknullpunkt.
Als nächster Schritt werden aus den NC-Positionierwerten die Abstände des Fräsermittelpunktes vom Werkstücknullpunkt entlang der Bahn der Messbewegung berechnet, wobei in diese Berechnung die Geometrieparameter xsp, xsr als Variable eingehen, von denen die berechneten Abstände abhängen.
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zwischen Fräsermittelpunkt und Werkstücknullpunkt eingehen, von denen die Abstände abhängen. Wenn nun alle diese Parameter von einem Kurvenanpassungsprogramm oder Fitprogramm so variiert werden, dass die Abweichungen zwischen den gemessenen Abständen und den berechneten Abständen minimal werden, so erhält man für die Geometrieparameter xsp, xsr und die Nullpunktsverschiebungen Ax, Ay, Az Werte, die den tatsächlichen Werten sehr nahe kommen.
Zur genaueren Erläuterung dieser Bestimmung der Geometrieparameter xsp, xsr werden zunächst anhand von Fig. 8 überblicksmäBig die Schritte besprochen, wie sie zur Berechnung der NC-Positionierwerte vom NC-Programm der Maschine durchgeführt werden. Diese Berechnung der NC-Positionierwerte ist Stand der Technik.
Um ein gewünschtes geometrisches Gebilde zu fräsen, müssen zunächst die Punkte P, insbesondere die Fräsermittelpunkte, die der Fräser bei der Erzeugung dieses Gebildes anfährt, bekannt sein sowie die räumlichen Ausrichtungen des Fräsers an diesen Punkten. Bei der Herstellung eines Kreiskegels ist die Fräsermittelpunktsbahn eine Kreisbahn um den Werkstücknullpunkt Wo. Die Punkte P auf dieser Kreisbahn weisen ausgehend vom Werkstücknullpunkt Wo die Koordinaten (Px, Py. Pz) auf. Ein Punkt P, der der Fräserposition im höchsten Punkt des Kreiskegels entspricht, ist in Fig. 8 eingezeichnet. An jedem Punkt P dieser Kreisbahn wird der Fräser in einer bestimmten Richtung angesetzt, die als Einheitsvektor e an
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diesem Punkt dargestellt wird.
Am in der Fig. 8 eingezeichneten Punkt P ist ein solcher Einheitsvektor e eingezeichnet. Die Berechnung der Punkte P und der Einheitsvektoren e, die ein bestimmtes herzustellendes Werkstück festlegen, wird vom Prozessor der CNC-Fräsmaschine durchgeführt.
Die Einstellung der Richtung des Fräsers an einem bestimmten Punkt P In die Richtung e wird durch eine entsprechende Verschwenkung um die Winkel zo der Schwenkachse 5 und der Rundachse 4 erreicht. Diese Schwenkwinkel # und I werden von einem Postprozessor der Fräsermaschine berechnet. In Fig. 8 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine Verschwenkung der Schwenkachse 5 um einen Schwenkwinkel # dargestellt. Durch diese Verschwenkung des Tisches 3 geht der Punkt P in den Punkt P'über. Die
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und",dargestellten NC-Positionierwerte. Als Geometriparameter xsp und xsr werden dabei zur Ausführung der Messbewegung die vom Hersteller angegebenen Werte verwendet. Wenn diese Werte korrekt wären, würde
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punkt Wo bewegen.
Aus der in Fig. 6 dargestellten Kurve 17 der gemessenen Abstände des Fräsermittelpunktes vom Werkstücknullpunkt ist aber ersichtlich, dass sich diese Abstände in Fig. 6 entlang der Messbewegung ändern, und zwar zwischen einem maximalen Wert von 100, 035 mm und einem minimalen Wert von 93, 988 mm.
Zur Berechnung der Fräsermittelpunktsbahn aus den NC-Positionierwerten in Abhängigkeit von den Geometrieparametern xsp, xsr wird der Vektor x' (dessen Komponenten oben angeführt sind und von xsp, xsr abhängen) um die Winkel = zurückgedreht. Dazu werden die zu den in Fig. 9 dargestellten Drehmatrizen inversen Drehmatrizen verwendet, bei denen jeweils die Werte der Winkel durch ihre negativen Werte ersetzt sind. Man erhält den Vektor x", aus dessen Komponenten analog zu oben die
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ist gleichVielzahl von Punkten, beispielsweise 90, entlang der Bahn der Messbewegung durchgeführt. Von einem Fitprogramm, welches in herkömmlicher Weise arbeitet, werden für xsp und xsr diejenigen Werte bestimmt, die zur insgesamt kleinsten Abweichung zwischen den gemessenen Abständen und den berechneten Abständen führen.
Wenn man weiters noch berücksichtigt, dass der Fräsmaschinennullpunkt in der Stellung x=0, y=0, z=0, < =0, =0 möglicherweise nicht exakt auf den Werkstücknullpunkt Wo geeicht ist, so
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Abstände ein. Das Fitprogramm kann daher auch diese Werte bestimmten.
In der Kurve 18 in Fig. 6 sind die berechneten Abstände r eingetragen, wobei für xsp, xsr, Ax, Ay, Az die Werte bestimmt wurden, weiche zur geringsten Abweichung zwischen den gemessenen Abständen und berechneten Abständen rm führen. Man sieht, dass die Übereinstimmung sehr gut ist.
In der Folge können die für xsp und xsr bestimmten Werte in das NC-Programm der Fräsmaschine eingegeben werden und weiters der Fräsmaschinennullpunkt um die erhaltenen Abweichungen Ax, Ay, Az korrigiert werden. Wenn man nun nochmals die gleiche Messbewegung durchführt und die Abstände zwischen Fräsermittelpunkt und Werkstücknullpunkt misst, erhält man die Kurve 19 der Fig. 7. Daraus wird deutlich, dass die gemessene Bahn der idealen Kreisbahn nunmehr sehr nahe kommt (zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert von rm liegen etwa 9 u. m), d. h. die Werte für xsr und xsp wurden sehr genau bestimmt.
Anstelle der Messbewegung, welche der Bewegung bzw. der Herstellung eines Kreiskegelstumpfes entspricht, können auch andere Messbewegungen durchgeführt werden. Als günstige Messbewegung, durch die die Messgenauigkeit des Verfahrens noch weiter erhöht wird, hat sich dabei eine Bewegung herausgestellt, wie sie bei der Herstellung eines Kegelstumpfes 9 durchgeführt wird, der eine kreisförmige Grundfläche und eine elliptische Deckfläche aufweist (Fig. 3).
Eine solche Messbewegung hat sich insbesondere auch für die Bestimmung der Geometrieparameter einer 5-Achs-Fräsmaschine bewährt, bei der die Rundachse und die Schwenkachse nicht senkrecht aufeinander stehen (Fig. 10,11). Bei dieser Fräsmaschine ist die Rundachse 4 nach wie vor senkrecht zur Tischoberfläche 6 angeordnet, die Schwenkachse 5 steht nun aber in einem Winkel 22 von 45* zur
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Rundachse 4. Ein erster Geometrieparameter xsr ist hier wieder der Normalabstand xsr zwischen Schwenkachse und Rundachse. Der zweite Geometrieparameter xsp ist der Abstand zwischen der Tischoberfläche und einem Schnittpunkt 20 zwischen den Projektionen der Rundachse 4 und der Schwenkachse 5 auf eine Ebene, die senkrecht zum Normalabstand xsr zwischen Schwenkachse und Rundachse steht.
Die erfindungsgemässe Bestimmung von Geometrieparametern einer CNC-Fräsmaschine eignet sich durchaus auch für andere Typen von CNC-Fräsmaschinen, bei denen beispielsweise die Schwenkachse in der Fräserhalterung liegt und die Bewegung entlang der x-Achse ebenfalls vom Fräser ausgeführt wird. Es müssen dann aber wiederum die Abstände eines Fräserpunktes vom Werkstücknullpunkt in Abhängigkeit der zu bestimmenden Geometrieparameter berechnet werden und die Geometrieparameter von einem Fitprogramm derart variiert werden, dass die Unterschiede zu den gemessenen Abständen minimal werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Genauigkeit und kurze Messzeit aus. Parameter, deren Fehler einen grossen Einfluss auf die Unrundheit der Kreislinie haben (bei einer Kreiskegelstumpf-Messbewegung), werden sehr genau bestimmt. Zwar werden Parameter, deren Fehler einen geringen Einfluss auf die Unrundheit haben, weniger genau bestimmt. da solche Fehler aber einen geringen Einfluss auf das Endergebnis haben, ist dieser Nachteil nicht sehr gravierend. Weiters kann durch eine entsprechende Wahl der Messbewegung beeinflusst werden, welche Parameter besonders genau bestimmt werden.
Legende zu den Hinweisziffern : 1 Werkstücknullpunkt
3 Tisch
4 Rundachse
5 Schwenkachse
6 Tischoberfläche
7 Abstandsmessvorrichtung
8 Kegelstumpf
9 Kegelstumpf
10 Fräser
11 erstes Teil
12 zweites Teil
13 Kugelgelenk
14 Kugelgelenk
15 Messstab 16 Leitung
17 Kurve
18 Kurve
19 Kurve
20 Schnittpunkt
21 Schnittpunkt
22 Winkel Patentansprüche
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werden, dass die gemessenen Abstände (r,) mit den aus den NC-Positionierwerten für die Achsen (x, y, z, 4,5) der Fräsmaschine berechneten Abständen (r) des Fräserpunktes (P') vom Werkstücknullpunkt (Wo) verglichen werden, wobei diese berechneten Abstände (r) von den zu bestimmenden Geometrieparametern (xsp, xsr) abhängig sind, und dass für die Geometrieparameter (xsp, xsr)
die Werte bestimmt werden, welche zur geringsten Abweichung zwischen den gemessenen Abständen (r m) und den berechneten Abständen (r) führen.