WO2014095439A2 - Verfahren zum materialabtragenden bearbeiten eines werkstücks - Google Patents

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Nico Zimmert
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Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
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    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of program data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor

Definitions

  • the present invention relates to a method for material-removing machining of a workpiece clamped on a workpiece holder by means of a machine tool, in particular by means of a punching or punching / laser combination machine.
  • the dynamic behavior of the processing machine in particular the dynamic behavior of the moving and electromotively driven workpiece holder, is determined by the mass inertia and / or the mass moment of inertia of the picked and machined workpiece.
  • the time-consuming mass reduction of the workpiece due to the material-removing machining influences this dynamic behavior over the duration of the machining process.
  • control parameters which are stored in a control device of the processing machine and dictate the movement of the workpiece holder driven by an electric motor during workpiece machining.
  • control parameters are typically preset to an assumed average mass of the workpieces in known processing machines, which is why the problem often arises in the machining of workpieces with different masses from this average mass, the control parameters are not optimally adjusted, but conservative.
  • the speed and precision of workpiece machining and thus the quality and cost-effectiveness of the production result depend to a great extent on the quality of the preset control parameters.
  • the quality of the control parameters can even influence the safety of the machining operation large (and possibly negative) influence.
  • control parameters for machining different workpieces can be adapted to the different workpiece masses of these workpieces by this procedure, the mass reduction or change in the mass moment of inertia resulting from the material removal occurring during workpiece machining is not taken into account.
  • a residual inaccuracy in the adaptation of the control parameters to the current workpiece mass during processing can be considerable and result in unadjusted control parameters during the machining time, as a result of which undesired imbalances due to changed moments of inertia of the workpiece as well as too slow or inaccurate movements followed by positioning and machining errors can occur Prior to performing map generation time consuming and expensive.
  • EP 1 143 316 B1 also discloses an automated workpiece mass recognition for improving the control quality, in which the workpiece mass actually present on the workpiece table is determined.
  • the determined workpiece mass is according to this teaching indirectly as a controlled variable in a feed-forward control and thus influences the quality of the scheme.
  • several test runs with different speed and acceleration specifications are required to detect an actual acceleration of a mechanical output shaft.
  • the actual acceleration then serves to calculate the actual workpiece mass.
  • the disadvantage of this method is generally comparatively low accuracy and the fact that no influence is exerted on an interpolator or setpoint generator.
  • a control and a control system which can determine an inertia of an object to be driven in a short period of time in a small operating range of an electric motor.
  • the motor controller includes an inertia estimating part having a sine-wave command generating part that adds a sine-wave command to a torque command for the motor, a current feedback sampling part that obtains a current value of the motor, a speed sensor.
  • a feedback sampling part that detects a speed feedback of the motor, an acceleration calculating part that calculates an acceleration value based on the speed feedback, and an inertia estimated value calculating part that estimates the inertia of the object based on a representative current value, a representative acceleration value, and a torque constant of the motor calculated by the current values and acceleration values in a plurality of cycles of the sine wave command and stored in a sampling data storage part.
  • the mass reduction caused by the material-removing machining is advantageously recorded in real time (and on-site), whereby the determination of the remaining workpiece mass is more precise and the control parameters can be more precisely matched to the current loading situation of the processing machine.
  • the control parameters can be more precisely matched to the current loading situation of the processing machine.
  • it can be checked for (quality assurance of the workpiece machining process on the basis of the identified workpiece mass in advance at least approximately known dimension of the workpiece, whether the correct workpiece was clamped to the workpiece holder.
  • the material-removing machining of the workpiece for example, by turning, milling and / or cutting done.
  • the workpieces to be machined are sheets that are subjected to material removal by punching and / or laser cutting.
  • one or more tools for example turning, milling, cutting or punching elements
  • the workpiece is positioned differently according to a desired sequence of movements over the duration of the workpiece machining.
  • This sequence of movements typically includes a plurality of desired workpiece movements (multiple desired trajectories), for example the first accelerated and subsequently delayed movement from a first punching position to a further punching position of the workpiece.
  • These individual desired workpiece movements can be linear or rotary or combined movements.
  • the workpiece holder is movably mounted to carry out the sequence of movements or the individual desired workpiece movements and driven by an electric motor.
  • Servo drives or torque drives with pinion rack and pinion gear drives (pinion rack drives), ball screw drives or linear direct drives can be used or used, for example, to carry out the sequence of movements or the desired workpiece movements.
  • the control parameters specify the desired trajectories planned by an interpolator with regard to dynamics.
  • These control parameters can be preset control parameters of the processing machine or control parameters generated by suitable estimates.
  • suitable estimation for example, may be an estimate based on the workpiece material and the approximate workpiece dimension.
  • a further (second) setpoint workpiece movement can be carried out and a further (second) approximation value of the actual workpiece mass changed as a result of the material removal effected in the meantime can be determined.
  • the described method steps according to the invention can be carried out successively until all desired workpiece movements of the sequence of movements have been carried out and the workpiece has been completely processed.
  • the detection of the mass reduction of the workpiece (in real time) according to the invention typically takes place with each movement of the sequence of movements or the total trajectory. This detection takes place in particular independently of whether the sequence of movements comprises phases of constant acceleration or constant speed or not.
  • the determination of the approximate value of the current workpiece mass comprises the following steps:
  • an actual exciter current of the electromotive drive detected during a desired workpiece movement is used as the comparison scale for the desired exciter currents calculated by the dynamic model by iterative simulation for determining the current workpiece mass.
  • the aim of the iterative simulation or the iterative comparison is to minimize a deviation or an error between the actual exciter current and a respectively calculated desired exciter current at least up to a predetermined abort value, so that then the present at the time of abort simulation can be understood as actual actual workpiece mass.
  • a real-time determination of the current workpiece mass is understood to mean a determination which typically requires a calculation duration (for the iterative comparison based on simulation calculations) of less than 10 milliseconds, ie a time duration that is significantly shorter than the duration of a typical target workpiece movement.
  • results of the current workpiece mass may optionally be checked for plausibility by ordinary estimates based on the workpiece material, the workpiece dimension and the size of the removed material portions (see, for example, the part program "TruTops" distributed by the Applicant).
  • the model-based calculation of the respectively new approximate value of the current workpiece mass is carried out by means of filtering, in particular by means of Kalman filtering, and / or by means of a Luenberger observation.
  • the asymptotically stable design of a Caymanian filter or (Luenberger) observer produces very accurate estimates of the workpiece mass and leads to precise results in workpiece machining.
  • These forms of feedback of the previously determined exciter current deviation into the dynamic simulation model as newly calculated approximate value of the workpiece mass also advantageously lead to rapid convergence of the simulation results and / or to fast achievement of the termination criterion.
  • the determination of the approximate value of the current workpiece mass comprises the following steps:
  • the loads to be compared are generally (rotational) moments which are produced in a simple manner, for example by detecting or recording the (torque-generating excitation) currents flowing through the electromotive drives of the drive train and manner can be determined.
  • the load required to move the workpiece holder without the workpiece in accordance with the target workpiece movement is a required load
  • the load of the electromotive drive detected during the target workpiece movement is a real one (Actual) load or a real actual torque that includes the current workpiece mass.
  • the actual load or the actual torque is provided by a cascaded control acts.
  • the cascaded control can compensate, for example, friction or a non-optimally set proportionality.
  • the required load or the required torque results from the interpolator (or the desired trajectories) and possibly activated speed and acceleration precontrol.
  • friction moments for example via Stribeck curves in conjunction with quasi-static models
  • the total mass moved typically comprises the known mass of the rotating (drive) motor parts, the rotating components of a possibly existing transmission, the moving workpiece holder together with the corresponding clamping device and the initially unknown mass of the clamped workpiece.
  • the results of the current workpiece mass thus obtained can also be checked for plausibility by ordinary estimates.
  • the calculation of the current workpiece mass by means of intelligent filtering, e.g. by means of a low-pass filter (by which a triggering of error treatments is possible), to particularly accurate results of the current workpiece mass.
  • the approximate value of the current workpiece mass is particularly preferred when calculating a threshold value for interrupting the machining process.
  • Method used the detection of the formation of corrugated iron and the interruption of the machining process can be better adapted to the actual processing progress of the sheet metal workpiece, whereby the unwanted generation of rejects and repair-related downtime of the machine can be reduced.
  • the (initially variable) threshold value can be adapted to the mass of the sheet metal workpiece.
  • the (initially variable) threshold value can be adapted to the mass of the sheet metal workpiece.
  • the interruption of the machining process is triggered by comparing the required load calculated for the workpiece movement with the actual load by exceeding a threshold value or by comparing the load required for workpiece movement with the calculated threshold value.
  • the loads applied to the production of corrugated iron (actual loads) cause an increase in the amount of (excitation) current consumed for the movement of the sheet metal workpiece in the electric motor drive beyond the required load dimension (nominal load). This deviation or overshoot can be detected by the target-actual comparison in a simple manner and used to cancel the machining process or to initiate a countermeasure.
  • the calculated required load can advantageously be determined as a function of the current workpiece mass.
  • the vibration behavior (vibration spectrum) of the workpiece is evaluated.
  • the invention also relates to a computer program with program code means which cooperate with a control device so that the method according to the invention is carried out.
  • the computer program can be advantageously applied to existing processing machines or their NC control device and used without additional measuring systems are necessary.
  • the control system and the electromotive drives of the processing machines are typically already capable of generating the information used for the use of the method according to the invention (for example, to record the torque-generating excitation current of the drive based on other functionalities).
  • Fig. 1 shows a machine tool for material-removing machining of a
  • FIG. 2 shows a method sequence according to the invention for adapting control parameters
  • FIG. 3 shows a variant of a method step of the method from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows an alternative variant to FIG. 3.
  • FIGS. 5a, 5b further variants of the method for preventing corrugated sheet formation.
  • Fig. 1 shows a machine tool 1, by means of which a material-removing machining of a workpiece 2 is possible on a workpiece holder 3 by means of a clamping device 4 is clamped.
  • the workpiece holder 3 is movable, in particular rotatable about an axis of rotation 5, mounted relative to a stationary machine main body 6 of the machine tool 1 and can be driven by means of an electromotive drive 7.
  • the drive 7 has, for example, a stator 8 arranged on the stationary machine base body 6 and a rotor 9 arranged on the movable workpiece holder 3.
  • machining head 10 of the machine tool 1 arranged tool 11, such as a turning, milling, (laser) cutting or punching tool, in a coordinated manner with the workpiece 2 clamped workpiece 2 together.
  • the workpiece 2 is usually processed at several different points by the corresponding tool 1 1 and this moved in different positions (for example, the workpiece 2 to take different punching positions about the rotation axis 5 are continuously rotated), or the workpiece. 2 is moved to the material-removing machining relative to the tool 11 (for example, during a milling or turning operation).
  • the workpiece 2 performs for the purpose of its processing a sequence of movements, which is composed of several successive target workpiece movements and which is tuned to the tool or a possible tool movement.
  • the dynamic behavior of the moving parts is continuously changed so that control parameters that are stored in a control device 12 of the processing machine 1 and which predetermine the movement sequence of the workpiece holder 3 no longer reach optimum values are adapted, but deviate from it.
  • the quality of the control parameters is crucial in order to achieve fast, yet highly precise workpiece machining.
  • the changed dynamic behavior of the moving parts is typically based on a change in the moment of inertia of the workpiece 2 as a result of the progressing material removal (mass reduction). It is understood that even in linear-mobile applications (eg workpieces that are mounted on movable work tables) a mass reduction influences the dynamic behavior of the moving parts (due to a changed mass inertia of the workpiece).
  • FIG. 2 shows the sequence of a method by means of which adaptation of the control parameters to the current workpiece mass during workpiece machining is possible in real time.
  • a first method step a Initial control parameters for controlling the electromotive drive 7 are set. These starting values of the control parameters can be determined completely workpiece mass-independent or advantageously determined by means of suitable and known estimation methods, which take into account, for example, the workpiece size and the workpiece material, approximately.
  • a subsequent process step b Based on the (specified) control parameters, a (first) desired workpiece movement is carried out and the load required for this purpose, in particular an (actual) excitation current of the electric motor drive 7, is detected and stored temporarily.
  • a further subsequent process step c See in this regard the comments on FIGS.
  • an approximate value of the current workpiece mass is determined, so that in a further method step d. the control parameters can be adapted to the previously determined approximate value of the workpiece mass.
  • the adaptation advantageously has the effect that the control parameters are optimally adapted to the actually present workpiece mass during a subsequent (second or further) desired workpiece movement, so that the workpiece machining can be carried out with high precision even at comparatively high processing speeds.
  • the process steps b. to d. according to a last method step e. Repeatedly performed until the sequence of movements is completed.
  • the method step b. instead of the initially set control parameters of each in the previous process step d. last adjusted control parameters used in the implementation of the next target workpiece movement.
  • the drive train is typically discretized by introducing parameters such as (punctiform idealized) inertias, moments of inertia, physical dimensions, damping properties, stiffness, etc., for modeling.
  • parameters such as (punctiform idealized) inertias, moments of inertia, physical dimensions, damping properties, stiffness, etc.
  • motion equations underlying the moving system motion differential equations
  • state variables such as position, speed and acceleration
  • these equations of motion also have terms which are assigned to the forced movement of the drive train by the electromotive drive 7.
  • the measurable and detectable exciter current of the drive 7 since the relationship between the output torque and the absorbed electric power of the electric motor drive 7 in the rule (for example, from data sheets of the drive 7) is known.
  • an initial approximation value of the current workpiece mass is determined.
  • This starting value of the workpiece mass can advantageously by means of a suitable and known
  • a simulation of the process step b. performed target workpiece movement performed on the basis of the created dynamic model, being used as an input of the simulation, the approximate value of the workpiece mass.
  • a further step iv. is then determined based on the simulated target workpiece movement a simulated desired excitation current of the electric motor drive 7.
  • an excitation current deviation by comparing the simulated desired excitation current with that in step b. detected or stored actual excitation current of the drive 7 determined. From this determined excitation current deviation can then in a further step vi.
  • a new approximation of the current workpiece mass can be calculated. This calculation is preferably carried out by means of a Kalman filter or a Luenberger observation.
  • the steps iii. to vi. are repeated (vii.) Until the excitation current deviation falls below a defined termination value, ie until the actual exciting current and the desired exciting current match up to a predetermined tolerance, and then the present approximation value of the current workpiece mass is taken as actual actual workpiece mass and for further processing according to method step d. can be issued.
  • FIG. 4 shows the sequence of an alternative method variant of the method from FIG. 2, in which the determination of the approximate value of the current workpiece mass according to method step c. based on the following steps.
  • a load is determined which is required to move the workpiece holder 3 without the workpiece 2 in accordance with the desired workpiece movement.
  • step II in the implementation of the target workpiece movement detected or stored load of the electric motor drive 7 compared with the previously determined load and thereby a load deviation can be determined.
  • This load deviation finally allows in a final step III. calculating the approximate value of the current workpiece mass.
  • the approximate value of the current workpiece mass is determined with great accuracy.
  • the overall moving (rotated and / or linearly moving) mass generally comprises the known masses of the rotating parts of the electromotive drive 7, the rotating components of a possibly integrated transmission, the moving workpiece holder 3 together with the corresponding clamping device 4 and the initially unknown mass of the clamped workpiece. 2
  • an interruption of the machining method based on a comparison of the target load (ie, the required load calculated for the workpiece movement) with the actual load is performed (comparison of the target torque with the actual -Moment).
  • the target torque usually includes the required torque and the friction / loss torque, the latter on the basis of Stribeck curves in conjunction with quasi-static models, in which the according to step c. determined approximate value of the current workpiece mass input is calculable. Furthermore, the approximate value of the current workpiece mass according to method step c. used in the calculation of a (variable) threshold.
  • the progressive mass reduction of the sheet metal workpiece 2 is taken into account overall in determining the threshold value, and an interruption of the machining process is also in sheet metal workpieces 2, the processing state is already comparatively advanced and therefore easier to deform (for example, thin sheets).
  • Workpiece mass according to process step c. is used in the calculation of a (variable) threshold, so that also the progressive mass reduction of the sheet workpiece 2 is taken into account in the determination of the threshold and an interruption of the machining process even with sheet metal workpieces 2, the processing state is already relatively advanced, possible.
  • Oscillation behavior (vibration spectrum) of the sheet workpiece 2 measured and be evaluated.
  • oscillatory behavior instabilities of the accelerated sheet metal workpiece 2 for example, due to a labile in the course of processing residual grid can be detected, since such a labile sheet workpiece 2 shows a different acceleration behavior ("transient response") as a stable sheet workpiece 2 ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1), insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, wobei die Werkstückaufnahme (3) zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben (7) wird, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Festlegen von werkstückmassenunabhängigen Anfangs-Regelparametern zur Regelung des elektromotorischen Antriebs (7); b) Durchführen einer der Soll-Werkstückbewegungen basierend auf den Regelparametern; c) Ermitteln eines Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse; d) Anpassen der Regelparameter an den Näherungswert der Werkstückmasse; und e) wiederholtes Durchführen der Verfahrensschritte b) bis d), bis die Bewegungsabfolge beendet ist.

Description

Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme eingespannten Werkstücks mittels einer Werkzeugmaschine, insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser- Kombimaschine. Bei der materialabtragenden Bearbeitung von beweglich gelagerten Werkstücken wird das dynamische Verhalten der Bearbeitungsmaschine, insbesondere das dynamische Verhalten der bewegten und elektromotorisch angetriebenen Werkstückaufnahme, durch die Massenträgheit und/oder das Massenträgheitsmoment des auf- genommenen und zu bearbeitenden Werkstücks mitbestimmt. Auch die durch die materialabtragende Bearbeitung bedingte zeitlich fortschreitende Massenreduktion des Werkstücks beeinflusst dieses dynamische Verhalten über die Dauer des Bearbeitungsvorgangs hinweg. Das dynamische Verhalten wird allerdings auch durch Regelparameter, die in einer Regeleinrichtung der Bearbeitungsmaschine gespeichert sind und die Bewegung der elektromotorisch angetriebenen Werkstückaufnahme während der Werkstückbearbeitung vorgeben, wesentlich mitbestimmt. Diese Regelparameter sind bei bekannten Bearbeitungsmaschinen typischerweise auf eine angenommene Durchschnitts- masse der Werkstücke voreingestellt, weswegen sich in der Praxis häufig das Problem stellt, dass bei der Bearbeitung von Werkstücken mit von dieser Durchschnittsmasse abweichenden Massen die Regelparameter nicht optimal angepasst, sondern konservativ eingestellt sind. Die Schnelligkeit und Präzision der Werkstückbearbeitung und somit die Qualität und Wirtschaftlichkeit des Produktionsergebnisses hän- gen jedoch maßgeblich von der Güte der voreingestellten Regelparameter ab. Die Güte der Regelparameter kann sogar auf die Sicherheit des Bearbeitungsbetriebs großen (und gegebenenfalls negativen) Einfluss nehmen.
Um die Regelparameter für die Werkstückbewegung auf das tatsächlich zu bearbei- tende Werkstück anzupassen und die Werkstückbewegung nicht mit konservativen Regelparametern durchführen zu müssen, ist es aus der EP 2 209 053 A2 bekannt, in einem der eigentlichen Werkstückbearbeitung vorausgehenden Verfahren unterschiedliche Bewegungsabläufe mit verschiedenen vorab definierten Beladungszu- ständen zu vermessen und dadurch Daten (beispielsweise ein Kennfeld) zu generie- ren, die einen Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs einerseits und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks andererseits bereithalten. Nachdem dieses Verfahren zur Einrichtung der Bearbeitungsmaschine durchgeführt worden ist, kann die Masse eines tatsächlich zu bearbeitenden Werkstücks durch einen Vergleich der Auslastung des Antriebs mit dem vorab generierten Kennfeld ermittelt werden. Durch diese Vorgehensweise können zwar die Regelparameter bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke an die jeweils unterschiedlichen Werkstückmassen dieser Werkstücke angepasst werden, allerdings wird die sich durch den bei der Werkstückbearbeitung auftretenden Materialab- trag einstellende Massenreduktion bzw. Veränderung des Massenträgheitsmoments hierdurch nicht berücksichtigt. Insofern verbleibt bei dem bekannten Verfahren eine Restungenauigkeit bei der Anpassung der Regelparameter an die aktuelle Werkstückmasse während der Bearbeitung. Diese Restungenauigkeit bzw.„Restverstimmung" kann jedoch erheblich sein und zu unangepassten Regelparametern wäh- rend der Bearbeitungsdauer führen. Unerwünschte Unwuchten durch veränderte Massenträgheitsmomente des Werkstücks sowie zu langsame oder ungenaue Bewegungsabläufe gefolgt von Positionier- und Bearbeitungsfehlern können die Folge sein. Darüber hinaus ist die vorab durchzuführende Kennfeld-Generierung zeit- und kostenaufwendig.
Grundsätzlich ist ferner aus der EP 1 143 316 B1 eine automatisierte Werkstückmassenerkennung zur Verbesserung der Regelgüte bekannt, bei der die tatsächlich auf dem Werkstücktisch vorhandene Werkstückmasse ermittelt wird. Die ermittelte Werkstückmasse geht gemäß dieser Lehre mittelbar als Regelgröße in eine Vor- Schubregelung ein und beeinflusst somit die Güte der Regelung. Bei diesem Verfahren sind mehrere Testläufe mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorgaben erforderlich, um eine Ist-Beschleunigung einer mechanischen Abtriebswelle zu erfassen. Die Ist-Beschleunigung dient dann der Berechnung der tatsächlichen Werkstückmasse. Nachteilig bei diesem Verfahren sind jedoch die im All- gemeinen vergleichsweise geringe Genauigkeit sowie der Umstand, dass kein Ein- fluss auf einen Interpolator bzw. Sollwertgeber genommen wird.
Weiterhin sind aus der DE 0 2009 058 443 A1 eine Steuerung und ein Steuerungssystem bekannt, die eine Trägheit eines anzutreibenden Gegenstandes in einem kurzen Zeitraum bei einem kleinen Betriebsbereich eines Elektromotors bestimmen können. Die Steuerungseinrichtung für den Motor umfasst einen Trägheitsschätzteil, der einen Sinuswellenbefehl-Erzeugungsteil aufweist, welcher einen Sinuswellenbefehl zu einem Drehmomentbefehl für den Motor hinzufügt, einen Stromrückkopp- lungs-Abtastteil, der einen Stromwert des Motors ermittelt, einen Geschwindigkeits- rückkopplungs-Abtastteil, der eine Geschwindigkeitsrückkopplung des Motors er- fasst, einen Beschleunigungsberechnungsteil, der einen Beschleunigungswert auf Grundlage der Geschwindigkeitsrückkopplung berechnet, und einen Trägheit- Schätzwert-Berechnungsteil, der die Trägheit des Gegenstandes auf Grundlage ei- nes repräsentativen Stromwertes, eines repräsentativen Beschleunigungswertes und einer Drehmomentkonstante des Motors berechnet, die von den Stromwerten und Beschleunigungswerten in einer Mehrzahl von Zyklen des Sinuswellenbefehls berechnet und in einem Abtastdatenspeicherteil gespeichert werden. Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine hochgenaue, schnelle und wirtschaftliche Anpassung des dynamischen Verhaltens der Maschine an den aktuellen Beladungszustand der Werkstückaufnahme möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme eingespannten Werkstücks mittels einer Werkzeugmaschine, insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, bei dem die Werkstückaufnahme zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll- Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben wird, umfassend folgende Verfahrensschritte:
Festlegen von werkstückmassenunabhängigen Anfangs-Regelparametern zur Regelung des elektromotorischen Antriebs;
Durchführen einer der Soll-Werkstückbewegungen basierend auf den Regelparame- tern; Ermitteln eines Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
Anpassen der Regelparameter an den Näherungswert der Werkstückmasse; und wiederholtes Durchführen der letzten drei Verfahrensschritte, bis die Bewegungsabfolge beendet ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die durch die materialabtragende Bearbeitung bedingte Massenreduktion vorteilhaft in Echtzeit (und vor Ort) erfasst, wodurch die Bestimmung der verbleibenden Werkstückmasse präziser erfolgt und die Regelparameter genauer an die aktuelle Beladungssituation der Bearbeitungsmaschine abgestimmt werden können. Hierzu müssen in besonders vorteilhafter Art und Weise keine vor dem eigentlichen Werkstück-Bearbeitungsprozess vorzunehmenden Testläufe oder Bewegungsabläufe mit verschiedenen vorab definierten Be- ladungszuständen durchgeführt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass zur (Qualitätssicherung des Werkstückbearbeitungsprozesses anhand der identifizierten Werk- stückmasse bei vorab zumindest annäherungsweise bekannter Abmessung des Werkstücks überprüft werden kann, ob das richtige Werkstück an der Werkstückaufnahme eingespannt wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die materialabtragende Bearbeitung des Werkstücks beispielsweise durch Drehen, Fräsen und/oder Schneiden erfolgen. Bevorzugt handelt es sich jedoch bei den zu bearbeitenden Werkstücken um Bleche, die durch Stanzen und/oder Laserschneiden einer Materialabtragung ausgesetzt sind. Zur Bearbeitung des Werkstücks wirken erfindungsgemäß ein oder mehrere Werkzeuge (z.B. Dreh-, Fräs-, Schneid- oder Stanzelemente) mit dem in der Werk- Stückaufnahme eingespannten Werkstück zusammen. Hierzu wird das Werkstück entsprechend einer gewünschten Bewegungsabfolge über die Dauer der Werkstückbearbeitung hinweg jeweils unterschiedlich positioniert. Diese Bewegungsabfolge (Gesamttrajektorie) umfasst typischerweise mehrere Soll-Werkstückbewegungen (mehrere Solltrajektorien), beispielsweise die zunächst beschleunigte und anschlie- ßend verzögerte Bewegung von einer ersten Stanzposition zu einer weiteren Stanzposition des Werkstücks. Diese einzelnen Soll-Werkstückbewegungen können lineare oder rotatorische oder kombinierte Bewegungsabläufe sein. Die Werkstückaufnahme ist zur Durchführung der Bewegungsabfolge bzw. der einzelnen Soll- Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben. Zur Durchführung der Bewegungsabfolge bzw. der Soll-Werkstückbewegungen können beispielsweise Servoantriebe oder Torque-Antriebe mit Ritzel-Zahnstangen-Getriebe (Ritzel-Zahnstangenantriebe), Kugel-Spindeltriebe oder Lineardirektantriebe verwendet bzw. eingesetzt werden. Erfindungsgemäß werden zunächst werkstückmassenunabhängige Anfangs-
Regelparameter festgelegt. Durch die Regelparameter werden die von einem Inter- polator hinsichtlich der Dynamik geplanten Solltrajektorien vorgegeben. Diese Regelparameter können voreingestellte Regelparameter der Bearbeitungsmaschine oder durch geeignete Schätzungen erzeugte Regelparameter sein. Eine in diesem Sinne geeignete Schätzung kann beispielsweise eine Schätzung basierend auf dem Werkstückmaterial und der näherungsweise bekannten Werkstückabmessung sein. Nachdem auf der Grundlage dieser voreingestellten oder geschätzten Regelparameter eine erste Soll-Werkstückbewegung durchgeführt und ein erster Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse ermittelt wurde, werden die voreingestellten oder geschätzten Regel parameter durch an die aktuelle Werkstückmasse angepasste Regelparameter ersetzt. Nun kann erfindungsgemäß eine weitere (zweite) Soll- Werkstückbewegung durchgeführt und ein weiterer (zweiter) Näherungswert der sich durch die zwischenzeitlich bewirkte Materialabtragung geänderten aktuellen Werk- stückmasse ermittelt werden. Die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können solange nacheinander durchgeführt werden, bis alle Soll- Werkstückbewegungen der Bewegungsabfolge durchgeführt und das Werkstück vollständig bearbeitet wurde. Die erfindungsgemäße Erfassung der Werkstückmassenreduktion (in Echtzeit) erfolgt typischerweise bei jeder Bewegung der Bewegungsabfolge bzw. der Gesamttrajektorie. Diese Erfassung erfolgt insbesondere unabhängig davon, ob die Bewegungsabfolge Phasen konstanter Beschleunigung oder konstanter Geschwindigkeit umfasst oder nicht.
Bei einer ersten bevorzugten Variante des Verfahrens umfasst das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse folgende Schritte:
Erstellen eines dynamischen Modells des durch das Werkstück, die Werkstückaufnahme und den elektromotorischen Antrieb gebildeten Antriebsstrangs;
Festlegen eines Anfangs-Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
Simulieren der Soll-Werkstückbewegung anhand des Modells basierend auf dem Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse;
Ermitteln eines simulierten Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung;
Ermitteln einer Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll- Erregerstroms mit einem während der Durchführung der Soll-Werkstückbewegung erfassten Ist-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs;
Berechnen eines neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Erregerstrom-Abweichung; und
wiederholtes Durchführen der letzten vier Schritte, bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet. Bei der Ermittlung des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß dieser Verfahrensvariante ist vorteilhaft kein Rückgriff auf einen vorab messtechnisch erfassten Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks erforderlich. Stattdes- sen wird ein solcher Zusammenhang nur für den aktuellen (Last-)Fall, d.h. für die tatsächlich vorliegende und zu bestimmende Werkstückmasse, in Echtzeit durch einen berechenbaren Simulationslauf des dynamischen Modells des Antriebsstrangs ermittelt. Durch diese Verfahrensvariante können hochpräzise Ergebnisse bei der Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse erreicht werden, sodass die Regelparame- ter entsprechend hochpräzise an die Massenreduktion angepasst werden können.
Bei dieser ersten Verfahrensvariante wird zur Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse ein während einer durchgeführten Soll-Werkstückbewegung erfasster Ist- Erregerstrom des elektromotorischen Antriebs als Vergleichsmaßstab für jeweils mittels des dynamischen Modells durch iterative Simulation berechnete Soll- Erregerströme herangezogen. Ziel der iterativen Simulation bzw. des iterativen Vergleichs ist es, eine Abweichung bzw. einen Fehler zwischen dem Ist-Erregerstrom und einem jeweils berechneten Soll-Erregerstrom zumindest bis auf einen vorbestimmten Abbruchwert zu minimieren, sodass dann der zum Zeitpunkt des Abbruchs der Simulation vorliegende Näherungswert als tatsächliche aktuelle Werkstückmasse aufgefasst werden kann. Während die erste Simulationsberechnung eines Soll- Erregerstroms noch auf dem anfangs festgelegten oder in geeigneter Weise eingangs geschätzten Anfangs-Näherungswert der Werkstückmasse basiert, erfolgen spätere Simulationsberechnungen von Soll-Erregerströmen jeweils auf der Grundla- ge eines in dem jeweils vorherigen Iterationsschritt berechneten neuen Näherungswertes der Werkstückmasse. Als Eingangsgröße zur Berechnung der jeweils neuen Näherungswerte der Werkstückmassen wird erfindungsgemäß die jeweils zuvor ermittelte Erregerstrom-Abweichung herangezogen. Unter einer Echtzeit-Ermittlung der aktuellen Werkstückmasse wird eine Ermittlung verstanden, die typischerweise eine Berechnungsdauer (für den iterativen Vergleich anhand von Simuiationsberechnungen) von unter 10 Millisekunden erfordert, also eine Zeitdauer, die deutlich kürzer als die Dauer einer typischen Soll- Werkstückbewegung ist. Die durch die vorbeschriebene Verfahrensvariante gewon- nenen Ergebnisse der aktuellen Werkstückmasse können gegebenenfalls zusätzlich durch gewöhnliche Abschätzungen, die auf dem Werkstückmaterial, der Werkstückabmessung und der Größe der abgetragenen Materialanteile basieren (vgl. hierzu beispielsweise das von der Anmelderin vertriebene Teilprogramm„TruTops"), auf Plausibilität überprüft werden.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der ersten Verfahrensvariante erfolgt das modellbasierte Berechnen des jeweils neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse mittels einer Filterung, insbesondere mittels einer Kaiman-Filterung, und/oder mittels einer Luenberger-Beobachtung. Der asymptotisch stabile Entwurf eines Kaiman-Filters oder (Luenberger-)Beobachters bewirkt sehr genaue Abschätzungen der Werkstückmasse und führt zu präzisen Ergebnissen bei der Werkstückbearbeitung. Diese Formen der Rückführung der zuvor ermittelten Erregerstrom- Abweichung in das dynamische Simulationsmodell als neu berechneter Näherungs- wert der Werkstückmasse führen ferner in vorteilhafter Weise zu einer schnellen Konvergenz der Simulationsergebnisse und/oder zu einem schnellen Erreichen des Abbruchkriteriums.
Bei einer zweiten bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Ermitteln des Nähe- rungswertes der aktuellen Werkstückmasse folgende Schritte:
Bestimmen einer Last, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme ohne das
Werkstück gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen;
Ermitteln einer Last-Abweichung durch Vergleichen der bestimmten Last mit einer während der Soll-Werkstückbewegung erfassten Last des elektromotorischen An- triebs; und
Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Last-Abweichung.
Bei der Ermittlung des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß dieser zweiten Verfahrensvariante wird vorteilhaft ein Ist-Soll-Vergleich von Lasten durchgeführt, aus dessen Last-Abweichung die aktuelle Werkstückmasse bestimmt wird. Auch bei dieser zweiten Verfahrensvariante ist kein vorab messtechnisch zu erfassender Zusammenhang zwischen der Auslastung des elektromotorischen Antriebs und der Masse bzw. dem Trägheitsmoment des Werkstücks heranzuziehen. Stattdessen wird ebenfalls die tatsächlich vorliegende und zu bestimmende Werkstückmasse in Echtzeit mit großer Genauigkeit ermittelt.
Bei dieser zweiten Verfahrensvariante handelt es sich bei den zu vergleichenden Lasten in der Regel um (Dreh-)Momente, die beispielsweise durch das Erfassen bzw. Aufzeichnen der (momentenbildenden Erreger-)Ströme, die durch die elektromotorischen Antriebe des Antriebsstrangs fließen, in einfacher Art und Weise bestimmt werden können. Bei dem Lasten-Vergleich ist die Last, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme ohne das Werkstück gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen, eine geforderte Last bzw. ein gefordertes Moment, wohingegen die während der Soll-Werkstückbewegung erfasste Last des elektromotorischen Antriebs eine reale (Ist-)Last bzw. ein reales Ist-Moment darstellt, die die aktuelle Werkstückmasse beinhaltet. Die Ist-Last bzw. das Ist-Moment wird bereitgestellt indem eine kaskadierte Regelung wirkt. Die kaskadierte Regelung kann beispielswei- se Reibung oder eine nicht optimal eingestellte Proportionalität ausgleichen. Die geforderte Last bzw. das geforderte Moment ergibt sich aus dem Interpolator (bzw. den Solltrajektorien) und eventuell aktivierten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvorsteuerungen. Bei der Ermittlung der Last-Abweichung können erfindungsgemäß Reibmomente (beispielsweise über Stribeck-Kurven in Verbindung mit quasistati- sehen Modellen) mit berücksichtigt werden. Die insgesamt bewegte Masse umfasst typischerweise die bekannte Masse der rotierenden (Antriebs-)Motorteile, der rotierenden Bauteile eines eventuell vorhandenen Getriebes, der bewegten Werkstückaufnahme zusammen mit der entsprechenden Einspannvorrichtung sowie die zunächst unbekannte Masse des eingespannten Werkstücks. Auch die so gewonne- nen Ergebnisse der aktuellen Werkstückmasse können gegebenenfalls zusätzlich durch gewöhnliche Abschätzungen auf Plausibilität überprüft werden. Ferner führt bei dieser Verfahrensvariante die Berechnung der aktuellen Werkstückmasse mittels einer intelligenten Filterung, z.B. mittels eines Tiefpassfilters (durch den auch ein Auslösen von Fehlerbehandlungen möglich ist), zu besonders genauen Ergebnissen der aktuellen Werkstückmasse.
Besonders bevorzugt wird ferner bei Blech-Werkstücken zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse bei einer Berechnung eines Schwellenwerts zur Unterbrechung des Bearbeitungs- Verfahrens herangezogen. Dadurch können die Erkennung der Wellblechbildung sowie die Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens besser an den tatsächlichen Bearbeitungsfortschritt des Blech-Werkstücks angepasst werden, wodurch die unerwünschte Erzeugung von Ausschussteilen sowie reparaturbedingte Standzeiten der Bearbeitungsmaschine verringert werden können. Insbesondere kann auf eine Überwachung des Bearbeitungsverfahrens durch optische Systeme, die zusätzliche und kostenintensive Messtechnik erfordert, verzichtet werden. Im Unterschied zu bekannten Verfahren, die zum Schutz vor Beschädigungen von Maschinenbauteilen durch Kollision oder Verklemmen bei einer Überschreitung eines festgelegten Schwellenwerts einen Nothalt der Maschine auslösen, kann der (zunächst variable) Schwellenwert jeweils auf die Masse des Blech-Werkstücks angepasst werden. Dadurch wird eine Wellblechbildung nicht nur bei vergleichsweise großen Blechdicken, sondern insbesondere auch bei Dünnblechen verhindert, für die die bekannte Überwachung der Überlastströme nicht ausreichend ist. Dünnbleche weisen in der Regel eine Dicke bis zu 2 mm auf.
Vorzugsweise wird die Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung berechneten erforderlichen Last mit der Ist-Last über eine Schwellenwertüberschreitung oder anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung erforderlichen Last mit dem berechneten Schwellenwert ausgelöst. Die für die Erzeugung von Wellblech aufgebrachten Lasten (Ist-Lasten) verursachen einen betragsmäßigen Anstieg des für die Bewegung des Blech- Werkstücks im elektromotorischen Antrieb verbrauchten (Erreger-)Stroms über das erforderliche Last-Maß (Soll-Last) hinaus. Diese Abweichung bzw. Überhöhung kann durch den Soll-Ist-Vergleich in einfacher Art und Weise erfasst und zum Abbruch des Bearbeitungsvorgangs oder zur Einleitung einer Gegenmaßnahme genutzt werden. Die berechnete erforderliche Last kann vorteilhaft in Abhängigkeit der aktuellen Werkstückmasse bestimmt werden. Vorteilhafterweise wird beim Bewegen des eingespannten Werkstücks auch das Schwingverhalten (Schwingungsspektrum) des Werkstücks ausgewertet. Anhand des Schwingverhaltens können Instabilitäten des beschleunigten Werkstücks, z.B. aufgrund eines in sich labilen Restgitters, erkannt werden, da ein solches labiles Werkstück ein anderes Beschleunigungsverhalten („Einschwingverhalten") als ein stabiles Werkstück zeigt.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Computerprogramm mit Programmcodemit- teln, die mit einer Regeleinrichtung so zusammenwirken, dass das erfindungsgetnä- ße Verfahren ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann vorteilhaft auf bestehende Bearbeitungsmaschinen bzw. deren NC-Steuerungseinrichtung aufgespielt und genutzt werden, ohne dass zusätzliche Messsysteme notwendig sind. Die Steuerung und die elektromotorischen Antriebe der Bearbeitungsmaschinen sind typi- scherweise bereits in der Lage, die für die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzten Informationen selbst zu generieren (beispielsweise die Erfassung des momentenbildenden Erregerstroms des Antriebs aufgrund anderer Funktionalitäten vorzunehmen). Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Werkzeugmaschine zur materialabtragenden Bearbeitung eines
Werkstücks;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Anpassung von Regelparametern;
Fig. 3 eine Variante eines Verfahrensschritts des Verfahrens aus Fig. 2;
Fig. 4 eine alternative Variante zu Fig. 3; und
Fign. 5a, 5b weitere Verfahrensvarianten zur Verhinderung von Wellblechbildung.
Fig. 1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1 , mittels derer eine materialabtragende Bearbeitung eines Werkstücks 2 möglich ist, das an einer Werkstückaufnahme 3 mittels einer Einspannvorrichtung 4 eingespannt ist. Die Werkstückaufnahme 3 ist beweglich, insbesondere um eine Drehachse 5 rotierbar, gegenüber einem ortsfesten Ma- schinengrundkörper 6 der Werkzeugmaschine 1 gelagert und kann mittels eines elektromotorischen Antriebs 7 angetrieben werden. Der Antrieb 7 weist hierzu z.B. einen an dem ortsfesten Maschinengrundkörper 6 angeordneten Stator 8 und einen an der beweglichen Werkstückaufnahme 3 angeordneten Rotor 9 auf.
Zur materialabtragenden Werkstückbearbeitung wirkt ein an einem Bearbeitungskopf 10 der Werkzeugmaschine 1 angeordnetes Werkzeug 11 , wie beispielsweise ein Dreh-, Fräs-, (Laser)Schneid- oder Stanzwerkzeug, in koordinierter Weise mit dem an der Werkstückaufnahme 3 eingespannten Werkstück 2 zusammen. Dabei wird das Werkstück 2 in der Regel an mehreren unterschiedlichen Stellen durch das entsprechende Werkzeug 1 1 bearbeitet und hierfür in unterschiedliche Positionen bewegt (beispielsweise kann das Werkstück 2 zur Einnahme verschiedener Stanz- Positionen um die Drehachse 5 fortlaufend weitergedreht werden), oder das Werkstück 2 wird zur materialabtragenden Bearbeitung relativ zum Werkzeug 11 bewegt (beispielsweise bei einem Fräs- oder Drehvorgang). Insgesamt vollführt das Werkstück 2 daher zum Zwecke seiner Bearbeitung eine Bewegungsabfolge, die sich aus mehreren aufeinander folgenden Soll-Werkstückbewegungen zusammensetzt und die auf das Werkzeug bzw. eine eventuelle Werkzeugbewegung abgestimmt ist.
Durch die fortschreitende aterialabtragung an dem Werkstück 2 während dessen Bearbeitung wird das dynamische Verhalten der bewegten Teile fortlaufend verändert, sodass Regelparameter, die in einer Regeleinrichtung 12 der Bearbeitungsma- schine 1 gespeichert sind und die den Bewegungsablauf der Werkstückaufnahme 3 vorgeben, nicht mehr auf optimale Werte angepasst sind, sondern hiervon abweichen. Um eine schnelle und dennoch hochpräzise Werkstückbearbeitung zu erreichen, ist die Güte der Regelparameter jedoch von entscheidender Bedeutung. Das veränderte dynamische Verhalten der bewegten Teile beruht in dem in Fig. 1 darge- stellten Fall typischerweise auf einer Veränderung des Trägheitsmoments des Werkstücks 2 durch die fortschreitende Materialabtragung (Massenreduktion). Es versteht sich, dass auch bei linear-beweglichen Anwendungen (z.B. bei Werkstücken, die auf verfahrbaren Werkstücktischen gelagert sind) eine Massenreduktion das dynamische Verhalten der bewegten Teile (durch eine veränderte Massenträgheit des Werkstücks) beeinflusst.
Fig. 2 zeigt den Ablauf eines Verfahrens, durch das eine Anpassung der Regelpa- rameter an die aktuelle Werkstückmasse während der Werkstückbearbeitung in Echtzeit möglich ist. In einem ersten Verfahrensschritt a. werden Anfangs- Regelparameter zur Regelung des elektromotorischen Antriebs 7 festgelegt. Diese Startwerte der Regelparameter können vollkommen werkstückmassenunabhängig festgelegt werden oder vorteilhaft mittels geeigneter und bekannter Schätzmetho- den, die zum Beispiel die Werkstückgröße und das Werkstückmaterial berücksichtigen, näherungsweise ermittelt werden. In einem sich daran anschließenden Verfahrensschritt b. wird basierend auf den (festgelegten) Regelparametern eine (erste) Soll-Werkstückbewegung durchgeführt und die hierfür erforderliche Last, insbesondere ein (Ist-)Erregerstrom des elektromotorischen Antriebs 7, erfasst und vorüber- gehend gespeichert. In einem weiteren darauf folgenden Verfahrensschritt c. (vgl. hierzu die Ausführungen zu Fig. 3 und Fig. 4) wird ein Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse ermittelt, sodass in einem weiteren Verfahrensschritt d. die Regelparameter an den zuvor ermittelten Näherungswert der Werkstückmasse angepasst werden können. Die Anpassung bewirkt vorteilhaft, dass die Regelparameter wäh- rend einer sich anschließenden (zweiten oder weiteren) Soll-Werkstückbewegung an die tatsächlich vorhandene Werkstückmasse optimal angepasst sind, sodass die Werkstückbearbeitung auch bei vergleichsweise hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten hochpräzise erfolgen kann. Hierzu werden die Verfahrensschritte b. bis d. entsprechend einem letzten Verfahrensschrittes e. so oft wiederholt durchgeführt, bis die Bewegungsabfolge vollständig beendet ist. Dabei wird in dem Verfahrensschritt b. anstelle der anfangs festgelegten Regelparameter der jeweils im vorherigen Verfahrensschritt d. zuletzt angepasste Regelparameter bei der Durchführung der nächsten Soll-Werkstückbewegung herangezogen. Fig. 3 zeigt den Ablauf einer vorteilhaften Verfahrensvariante des Verfahrens aus Fig. 2, bei der das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. anhand folgender, weiterer Schritte erzielt wird. Zunächst wird in einem ersten Schritt i. ein dynamisches Modell des durch das Werkstück 2, die Werkstückaufnahme 3 und die bewegten Teile des elektromotorischen Antriebs 7 gebildeten Antriebsstrangs erstellt. Hierzu wird der Antriebsstrang typischerweise diskretisiert, indem Parameter, wie beispielsweise (punktförmig idealisierte) Massenträgheiten, Trägheitsmomente, physikalische Abmessungen, Dämpfungseigenschaften, Steifigkeit, etc., zur Modellierung eingeführt werden. Ferner werden hinsichtlich eines zur Beschreibung des Modells geeigneten Koordinatensystems und geeigneter Lagerungstypen (Festlager, Loslager, etc.) Annahmen getroffen. Sodann können durch das Formulieren des Impuls- und Drallsatzes die dem bewegten System zugrunde liegenden Bewegungsgleichungen (Bewegungsdifferentialgleichungen) aufgestellt werden. Diese Bewegungsgleichungen weisen neben Zustandsgrößen wie Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung auch Terme auf, die der erzwungenen Bewegung des Antriebsstrangs durch den elektromotorischen Antrieb 7 zugeordnet sind. In diese Terme geht der mess- und erfassbare Erregerstrom des Antriebs 7 ein, da der Zusammenhang zwischen dem abgegebenen Drehmoment und der aufgenommenen elektrischen Leistung des elektromotorischen Antriebs 7 in der Regel (beispielsweise aus Datenblättern des Antriebs 7) bekannt ist.
Im Anschluss an die dynamische Modellierung wird in einem zweiten Schritt iL ein Anfangs-Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse festgelegt. Dieser Startwert der Werkstückmasse kann vorteilhaft mittels einer geeigneten und bekannten
Schätzmethoden, die die Werkstückgröße und das Werkstückmaterial berücksichtigen, näherungsweise ermittelt werden. Dann wird in einem sich anschließenden Schritt iii. eine Simulation der gemäß Verfahrensschritt b. durchgeführten Soll- Werkstückbewegung anhand des erstellten dynamischen Modells durchgeführt, wobei als eine Eingangsgröße der Simulation der Näherungswert der Werkstückmasse verwendet wird. Gemäß einem weiteren Schritt iv. wird dann basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung ein simulierter Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs 7 ermittelt. Anschließend wird in einem weiteren Schritt v. eine Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit dem in Verfahrensschritt b. erfassten bzw. gespeicherten Ist-Erregerstrom des An- triebs 7 ermittelt. Aus dieser ermittelten Erregerstrom-Abweichung kann dann in einem weiteren Schritt vi. ein neuer Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt bevorzugt mittels eines Kaiman-Filters oder einer Luenberger-Beobachtung. Die Schritte iii. bis vi. werden wiederholt (vii.), bis die Erregerstrom-Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet, d.h. bis der Ist-Erregerstrom und der Soll-Erregerstrom bis auf eine vorbestimmte Toleranz übereinstimmen und der dann vorliegende Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse als tatsächliche aktuelle Werkstückmasse aufgefasst und zur Weiterverarbeitung gemäß Verfahrensschritt d. ausgegeben werden kann.
In Fig. 4 ist der Ablauf einer alternativen Verfahrensvariante des Verfahrens aus Fig. 2 dargestellt, bei der das Ermitteln des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. anhand folgender, weiterer Schritte erzielt wird. In einem ersten Schritt I. wird eine Last bestimmt, die erforderlich ist, um die Werk- Stückaufnahme 3 ohne das Werkstück 2 gemäß der Soll-Werkstückbewegung zu bewegen. Sodann kann in einem zweiten Schritt II. die in Verfahrensschritt b. bei der Durchführung der Soll-Werkstückbewegung erfasste bzw. gespeicherte Last des elektromotorischen Antriebs 7 mit der zuvor bestimmten Last verglichen und dadurch eine Last-Abweichung ermittelt werden. Diese Last-Abweichung ermöglicht schließlich in einem letzten Schritt III. das Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse. Durch diese Verfahrensvariante wird der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse mit großer Genauigkeit ermittelt. Dabei umfasst die insgesamt bewegte (rotierte und/oder linear bewegte) Masse in der Regel die bekannten Massen der rotierenden Teile des elektromotorischen Antriebs 7, der rotie- renden Bauteile eines eventuell eingebundenen Getriebes, der bewegten Werkstückaufnahme 3 zusammen mit der entsprechenden Einspannvorrichtung 4 sowie der zunächst unbekannten Masse des eingespannten Werkstücks 2.
In den Fign. 5a, 5b sind schließlich bevorzugte Verfahrensvarianten dargestellt, die die Bearbeitung von Blech-Werkstücken 2 betreffen. Hierbei kann es beim Einsatz von als Stanz- oder Stanz-Kombimaschinen ausgebildeten Werkzeugmaschinen 1 beim Verklemmen des Werkzeugs 1 1 und einem gleichzeitigen Verfahren des Werkstücks 2 bzw. der Werkstückaufnahme 3 zur Deformation des Blech-Werkstücks 2 bzw. zur Bildung von Wellblech kommen. Bekannte Methoden zur Überwachung des Zustandes des Blech-Werkstücks 2 basieren in der Regel auf bildaufnehmenden Systemen und sind vergleichsweise aufwändig. Daneben existieren Überlast- Schutzmaßnahmen bezüglich des Motorstroms bzw. des Motormomentes, die bei einer Überschreitung eines festgelegten Schwellenwerts einen Nothalt der Maschine 1 auslösen. Die Bildung von Wellblech wird dabei nur bei Blech-Werkstücken 2 ver- hindert, deren Bearbeitungsfortschritt noch vergleichsweise wenig vorangeschritten ist und die daher strukturell stabil sind. Dünnbleche oder bereits fortschreitend bearbeitete Blech-Werkstücke 2 hingegen werden ohne weiteres verformt, da die hierfür erforderlichen Kräfte von den Antrieben 7 leicht aufgebracht werden können, ohne dass der Überlastschutz anspricht.
Zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung wird gemäß der in Fig. 5a dargestellten Verfahrensvariante eine Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens anhand eines Vergleichs der Soll-Last (also der für die Werkstückbewegung berechneten erforderlichen Last) mit der Ist-Last vorgenommen (Vergleich des Soll- Momentes mit dem Ist-Moment). Das Soll-Moment umfasst in der Regel das geforderte Moment und das Reib-/Verlust-Moment, wobei letzteres anhand von Stribeck- Kurven in Verbindung mit quasistatischen Modellen, in die der gemäß Verfahrensschritt c. ermittelte Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse Eingang findet, berechenbar ist. Ferner wird der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. bei der Berechnung eines (variablen) Schwellenwerts herangezogen. Dadurch wird insgesamt die fortschreitende Massenreduktion des Blech-Werkstücks 2 bei der Festlegung des Schwellenwertes berücksichtigt, und eine Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs erfolgt auch bei Blech-Werkstücken 2, deren Bearbeitungszustand bereits vergleichsweise fortgeschritten ist und die daher leichter verformbar sind (beispielsweise Dünnbleche).
Bei der Verfahrensvariante gemäß Fig. 5b wird zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung lediglich eine Schwellwertprüfung der Ist-Last bei der Blech-Werkstückbearbeitung vorgenommen. Der Näherungswert der aktuellen
Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt c. wird bei der Berechnung eines (variablen) Schwellenwerts herangezogen, sodass ebenfalls die fortschreitende Massenreduktion des Blech-Werkstücks 2 bei der Festlegung des Schwellenwertes berücksichtigt wird und eine Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs auch bei Blech- Werkstücken 2, deren Bearbeitungszustand bereits vergleichsweise fortgeschritten ist, möglich ist.
Beim Bewegen des eingespannten Blech-Werkstücks 2 kann zusätzlich das
Schwingverhalten (Schwingungsspektrum) des Blech-Werkstücks 2 gemessen und ausgewertet werden. Anhand des Schwingverhaltens können Instabilitäten des beschleunigten Blech-Werkstücks 2, z.B. aufgrund eines im Laufe der Bearbeitung labil gewordenen Restgitters, erkannt werden, da ein solches labiles Blech-Werkstück 2 ein anderes Beschleunigungsverhalten („Einschwingverhalten") als ein stabiles Blech-Werkstück 2 zeigt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1 ), insbesondere mittels einer Stanz- oder Stanz-/Laser-Kombimaschine, wobei die Werkstückaufnahme (3) zum Bewirken einer zur Werkstückbearbeitung erforderlichen Bewegungsabfolge an Soll-Werkstückbewegungen beweglich gelagert und elektromotorisch angetrieben (7) wird, umfassend folgende Verfahrensschritte:
a. Festlegen von werkstückmassenunabhängigen Anfangs- Regelparametern zur Regelung des elektromotorischen Antriebs (7); b. Durchführen einer der Soll-Werkstückbewegungen basierend auf den Regelparametern;
c. Ermitteln eines Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
d. Anpassen der Regelparameter an den Näherungswert der Werkstückmasse; und
e. wiederholtes Durchführen der Verfahrensschritte b. bis d., bis die Bewegungsabfolge beendet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Näherungswertes gemäß Verfahrensschritt c. folgende Schritte umfasst: i. Erstellen eines dynamischen Modells des durch das Werkstück (2), die Werkstückaufnahme (3) und den elektromotorischen Antrieb (7) gebildeten Antriebsstrangs;
ii. Festlegen eines Anfangs-Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse;
iii. Simulieren der Soll-Werkstückbewegung gemäß Verfahrensschritt b. anhand des Modells basierend auf dem Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse; iv. Ermitteln eines simulierten Soll-Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7) basierend auf der simulierten Soll-Werkstückbewegung;
v. Ermitteln einer Erregerstrom-Abweichung durch Vergleichen des simulierten Soll-Erregerstroms mit einem in Verfahrensschritt b. erfassten Ist- Erregerstroms des elektromotorischen Antriebs (7);
vi. Berechnen eines neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Erregerstrom-Abweichung;
vii. Wiederholtes Durchführen der Schritte iii. bis vi., bis die Erregerstrom- Abweichung einen definierten Abbruchwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des jeweils neuen Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Schritt vi. mittels einer Filterung, insbesondere mittels einer Kaiman-Filterung, und/oder mittels einer Luenberger-Beobachtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Näherungswertes gemäß Verfahrensschritt c. folgende Schritte umfasst:
I. Bestimmen einer Last, die erforderlich ist, um die Werkstückaufnahme (3) ohne das Werkstück (2) gemäß der Soll-Werkstückbewegung aus Verfahrensschritt b. zu bewegen;
II. Ermitteln einer Last-Abweichung durch Vergleichen der bestimmten Last mit einer in Verfahrensschritt b. erfassten Last des elektromotorischen Antriebs (7); und
III. Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse basierend auf der ermittelten Last-Abweichung.
Verfahren Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen des Näherungswertes der aktuellen Werkstückmasse gemäß Schritt III. mittels einer Filterung, insbesondere einer Tiefpass-Filterung, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Werkstückbewegungen translatorische und/oder rotatorische Bewegungen umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Blech-Werkstücken (2) zur Verhinderung von kollisionsbedingter Wellblechbildung der Näherungswert der aktuellen Werkstückmasse gemäß Verfahrensschritt (c.) bei einer Berechnung eines Schwellenwerts zur Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens herangezogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung berechneten erforderlichen Last mit der Ist-Last über eine Schwellenwertüberschreitung oder anhand eines Vergleichs der für die Werkstückbewegung erforderlichen Last mit dem berechneten Schwellenwert ausgelöst wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bewegen des eingespannten Werkstücks (2) das Schwingverhalten des Werkstücks (2) ausgewertet wird.
10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die mit einer Regeleinrichtung (12) so zusammenwirken, dass ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines an einer Werkstückaufnahme (3) eingespannten Werkstücks (2) mittels einer Werkzeugmaschine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt wird.
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