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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum
Schneiden, Profilieren, Schleifen, Bohren oder Polieren eines
Werkstücks, bei der ein Bearbeitungswerkzeug relativ zu dem
Werkstück bewegt wird. Insbesondere betrifft die vorliegende
Erfindung eine Werkzeugmaschine, die mit einem
Steuerungssystem ausgestattet ist, das in der Lage ist einen
Positionierfehler infolge thermischer Verformungen von
Maschinenbestandteile zu korrigieren.
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Wenn eine Werkzeugmaschine zum Schneiden, Profilieren,
Schleifen, Bohren oder Polieren eines Werkstücks,
insbesondere eines Metallwerkstücks, in ein gewünschtes Profil,
verwendet wird, ist im allgemeinen die genaue Positionierung eines
beweglichen Elements erforderlich, wie etwa eines
Bearbeitungswerkzeugs oder eines zu bearbeitenden Werkstücks.
Hierbei wird die Werkstatt auf einer konstanten Temperatur
gehalten, zum Beispiel mittels einer Klimaanlage, um thermische
Verformungen, die die thermische Expansion und Kontraktion
von Maschinenbestandteilen einschließt, zu verhindern. Ein
Maschinenständer einer Werkzeugmaschine kann jedoch dennoch
ganz oder teilweise durch Wärme beeinflußt werden, die von
anderen, in der Nähe installierten Maschinen abgegeben wird.
Weiterhin spielen noch Änderungen der Außentemperatur eine
Rolle. Ferner weist der Maschinenständer selbst Wärme
abgebende Teile auf, die thermische Verformungen von
Maschinenbestandteilen verursachen können, welche dann zu einem Fehler
in der Positionierung eines beweglichen Elementes führen
können.
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Es ist schwierig einen solchen Positionierfehler genau zu
schätzen und zu korrigieren, wenn thermische Verformungen von
mehreren Maschinenbestandteilen wie ein Bett, ein Säule und
ein Kopf den Positionierfehler verursachen, weil das Ausmaß
der thermischen Verformung von der Größe und dem Material des
Maschinenbestandteils abhängt und die Richtungen der
thermischen Verformungen voneinander abweichen können.
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Die Druckschrift EP-A-0 138 375 beschreibt eine
Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in dem ein
programmiertes Steuerungssystem erfaßte Temperaturen von
Temperatursensoren erhält und darauf basierende Korrektursignale
erzeugt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Werkzeugmaschine bereitzustellen, die mit einem Steuerungssystem
ausgestattet ist, das einen Fehler in der Positionierung des
beweglichen Elements, wie etwa eines Bearbeitungswerkzeugs
und eines zu bearbeitenden Werkstücks, infolge thermischer
Verformungen von Maschinenbestandteilen, genau korrigieren
kann.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Werkzeugmaschine bereitzustellen, die mit einem
Steuerungssystem ausgestattet ist, das thermische Verformungen von
Maschinenbestandteilen auf der Grundlage von erfaßten
Temperaturen der Maschinenbestandteile herleiten kann, die an die
Verhältnisse unter denen die Werkzeugmaschine installiert ist
angepaßt sind.
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Zusätzliche Aufgaben und Vorteile und neue Merkmale der
Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung
ausgeführt, und teilweise durch eine Würdigung des folgenden
deutlich, oder können durch praktische Umsetzung der Erfindung
erkannt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung
können durch die Möglichkeiten der Mittel und Kombinationen die
besonders in den angefügten Ansprüchen ausgeführt sind
erkannt und erreicht werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Werkzeugmaschine
bereitgestellt, die mehrere Komponenten aufweist, welche
thermischer Verformung unterworfen sind, zur Bearbeitung
eines Werkstücks in ein gewünschtes Profil unter Verwendung
eines Werkzeugs, bei der das Werkzeug und Werkstück relativ
zueinander beweglich sind, wobei die Werkzeugmaschine umfaßt:
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eine numerische Steuerung für die Bereitstellung eines
Antriebssignals zur Bewegung des Werkzeugs relativ zum
Werkstück entlang mindestens einer Bewegungsachse; Thermosensoren
zur Erfassung der Temperaturen von wenigstens einigen
Bestandteilen; eine Inferenzeinrichtung zur Herleitung
thermischer Verformungen der Bestandteile in der Richtung der
Bewegungsachse; einen Korrekturwertrechner zur Bereitstellung
eines Korrektursignals, das einen Korrekturwert in der Richtung
der Bewegungsachse auf der Grundlage der hergeleiteten Werte
der thermischen Verformung angibt; wobei die numerische
Steuerung zur Korrektur des Antriebssignals durch das
Korrektursignal betätigbar ist, um jeden Positionierfehler infolge
thermischer Verformung in Richtung der Bewegungsachse zu
korrigieren; dadurch gekennzeichnet, daß die Inferenzeinrichtung
mehrere neuronale Netzwerke mit mehreren Neuronen enthält,
wobei jedes der neuronalen Netzwerke zur Aufnahme der die
erfaßten Temperaturen angebenden Temperatursignale und der
Meßwerte der thermischen Verformungen der Bestandteile in der
Richtung der Achse als Lernsignale ausgelegt ist, um
daraufhin hergeleitete Werte der thermischen Verformung der
Bestandteile in der Achsrichtung zu erzeugen.
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung und erläutern zusammen mit der
Beschreibung die Grundsätze der Erfindung. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm das ein Steuerungssystem einer
Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines
Maschinenständers der das Steuerungssystem von Fig.1 enthält;
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Fig. 3 eine schematische Vorderansicht des Maschinenständers
von Fig. 2;
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Figuren 4(A)-(F) Diagramme, die die Eingabe(n) und Ausgabe
von jedem der neuronalen Netzwerke des in Fig. 1
dargestellten Inferenzabschnitts zeigen;
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Figuren 5(A)-(C) schematische Seitenansichten des
Maschinenständers;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der durch die
Thermosensoren erfaßten Temperaturen;
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Fig. 7 eine graphische Darstellung, die den hergeleiteten
Wert der thermischen Verformung der Säule mit dem gemessenen
Wert vergleicht;
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Fig. 8 eine graphische Darstellung, die den hergeleiteten
Wert der thermischen Verformung des Kopfteils mit dem
gemessenen Wert vergleicht;
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Fig. 9 eine graphische Darstellung, die einen korrigierten
Positionierfehler entlang der Z-Achse mit einem
Unkorrigierten vergleicht;
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Fig. 10 eine schematische Ansicht, die die Anordnung der
Meßelektroden und Stifte zeigt; und
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Figuren 11(A)-(C) Diagramme, die die Eingaben und die Ausgabe
von jedem der neuronalen Netzwerke von einem anderen
Inferenzabschnitt zeigen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
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Fig. 1 stellt ein Blockdiagramm dar, das ein Steuerungssystem
einer Werkzeugmaschine zeigt. Fig. 2 ist eine schematische
Seitenansicht eines Maschinenständers einer Werkzeugmaschine.
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Fig. 3 ist eine schematische Vorderansicht des
Maschinenständers aus Fig. 2.
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In den zuerst betrachteten Figs. 2 und 3, wird nun eine
Funkenerosionsmaschine beschrieben, die ein Beispiel einer
Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines elektrisch leitenden
Werkstücks unter Verwendung einer Werkzeugelektrode darstellt,
wobei elektrische Entladungen in einem Raum zwischen dem
Werkstück und der Werkzeugelektrode induziert werden. Diese
Funkenerosionsmaschine weist den typischen Aufbau einer
Werkzeugmaschine auf und umfaßt ein Bett 10, eine Säule 16, einen
Gegenhalter 18 und einen Servokopf 24.
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Die Säule 16 ist auf dem Bett 10 angeordnet. Ein
X-Achsentisch 8 ist verschiebbar auf dem Bett 10 vor der Säule 16
angeordnet. Ein Arbeitstank 6 ist auf dem X-Achsentisch 8
angeordnet, um die dielektrische Flüssigkeit aufzunehmen. Das
Werkstück 4 ist fest auf einem geeigneten Tisch montiert, der
auf dem X-Achsentisch 8 befestigt ist. Eine Kugelspindel 12A
der X-Achse die mit einer Mutter 14 versehen ist, ist starr
in dem Bett 10 angeordnet. Die Mutter 14 steht über ein
Gewinde mit der Kugelschraube 12A der X-Achse im Eingriff und
ist mit dem X-Achsentisch 8 verbunden. Die Kugelspindel 12A
der X-Achse wird durch einen Antriebsmotor 12 der X-Achse
gedreht, um den X-Achsentisch 8 längs zu bewegen, d.h. in
anderen Worten, um das Werkstück 4 in die Richtung einer X-Achse
zu bewegen. Das Antriebssignal X2 von dem Steuerungssystem 32
wird an den Antriebsmotor der X-Achse angelegt, der mit einer
Positionserkennung ausgerüstet ist, wie einem Encoder, der
eine Winkelabweichung des Antriebsmotors der X-Achse erfaßt
und ein Encodersignal X1, das die erfaßte Abweichung angibt,
dem Steuerungssystem 32 zuführt.
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Der Gegenhalter 18 ist auf der Säule 16 verschiebbar. Eine
Kugelspindel 20A der Y-Achse, die mit einer Mutter 22
versehen ist, ist starr in der Säule 16 angeordnet. Die Mutter 22
steht über ein Gewinde mit der Kugeispindel 20A der Y-Achse
im Eingriff und ist mit dem Gegenhalter 18 verbunden. Die
Kugelspindel 20A der Y-Achse wird durch einen Antriebsmotor 20
der Y-Achse gedreht, um den Gegenhalter 18 längs in der
Richtung der Y-Achse zu bewegen. Der Servokopf 24 ist an dem
Gegenhalter 18 in der Richtung der Z-Achse, senkrecht zu der
durch die X- und Y-Achse definierten Ebene verschiebbar. Eine
Z-Achsenkugelspindel 26A die mit einer Mutter 28 versehen
ist, ist starr an dem oberen Ende in dem Vorderteil des
Gegenhalters 18 angeordnet. Die Mutter 28 steht über ein
Gewinde mit der Kugelschraube 26A der Z-Achse im Eingriff und ist
mit dem Servokopf 24 verbunden. Die Kugelspindel 26A der Z-
Achse wird durch einen Antriebsmotor 26 der Z-Achse gedreht,
um den Servokopf 24 längs in der Richtung einer Z-Achse zu
bewegen. Die Antriebsmotoren 20 und 26 der Y-Achse und der Z-
Achse sind ebenfalls mit Positionserkennungen wie Encodern
ausgestattet, die Encodersignale Y1 und Z1 für das
Steuerungssystem 32 bereitstellen, das den Antriebsmotoren 20 und
26 der Y-Achse und der Z-Achse jeweils Antriebssignale Y2 und
Z2 zuführt. Eine Spannvorrichtung 2A ist an dem unteren Ende
des Servokopfs 24 zur Aufnahme eines Werkzeughalters (nicht
gezeigt)angeordnet, in dem eine Werkzeugelektrode (nicht
gezeigt) fest eingespannt ist. Die Werkzeugelektrode nähert
sich von oben dem Werkstück 4, das sich in dem Arbeitstank 6
befindet der mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt
ist, um elektrische Entladungen in dem Raum zwischen der
Werkzeugelektrode und dem Werkstück zu induzieren, während
eine Folge von Strompulsen von einer geeigneten Stromquelle
(nicht gezeigt) über den Freiraum geleitet werden.
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In der gezeigten Ausführungsform, sind neun Thermosensoren
30A-30I auf den Bestandteilen des Maschinenständers
angeordnet. Die Thermosensoren 30A, 30E und 30G sind jeweils nahe
der Kugelspindel 26A der Z-Achse, der Kugelspindel 20A der Y-
Achse und der Kugelspindel 12A der X-Achse plaziert. Ein
Thermosensor 30B ist in der Mitte der vertikalen Richtung des
Servokopfs 24 plaziert und ein Thermosensor 30C ist an dem
unteren Ende des servokopfs 24 plaziert. Ein Thermosensor 30D
ist an dem unteren Vorderabschnitt des Gegenhalters 18
plaziert und ein Thermosensor 30F ist an dem unteren
Hinterabschnitt
des Gegenhalters 18 plaziert. Ein Thermosensor 30H
ist ein wenig über dem oberen Teil des Arbeitstanks 6
plaziert. Ein Thermosensor 301 ist in der Mitte der
X-Achsenrichtung des Betts 10 unter der Säule 16 plaziert.
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Wie am besten Fig.1 zu entnehmen ist, werden die durch die
Therrnosensoren 30A-30I erfaßten Temperaturen dem
Steuerungssystem 32 zugeführt. Das Steuerungssystem 32 ist mit einer
Anzahl von Mikroprozessoren computerisiert.
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Das Steuerungssystem 32 enthält eine Temperaturerfassung 38
und einen Speicher 40. Die Temperaturerfassung 38 weist einen
Verstärker 34 zur Verstärkung der Werte von den
Thermosensoren 30A-30I auf und einen Analog-Digital-Wandler 36 zur
Umwandlung der Ausgabesignale des Verstärkers 34 in digitale
Signale. Der Speicher 40, der zum Beispiel aus einem RAM
besteht, erhält und speichert die Ausgabe des Analog-Digital-
Wandlers 36.
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Das Steuerungssystem 32 enthält ferner eine numerische
Steuerung 44, die Antriebssignale X2, Y2 und Z2 an die
Antriebsmotoren 12, 20 und 26 der X-, Y- und Z-Achsen gemäß eines
vorgeschriebenen Programms liefert, um Verschiebungen des
Werkstücks 4 oder der Werkzeugelektrode relativ zum anderen
entlang der X-, Y- und Z-Achse zu bewirken. Die Antriebssignale,
die die erforderlichen Winkelabweichungen der Motoren angeben
werden den Antriebsmotoren von der numerischen Steuerung 44
zugeführt, und dann werden die Encodersignale X1, Y1 und Z1,
die die tatsächlichen Winkelabweichungen der Motoren angeben
der numerischen Steuerung 44 rückgemeldet. Durch Verwendung
der Encodersignale steuert die numerische Steuerung 44
Antriebssignale, so daß die erforderlichen Verschiebungen und
die tatsächlichen Verschiebungen immer in Übereinstimmung
sind. Es ist nicht nötig die numerische Steuerung 44 zu
beschreiben, da sie einen wohl bekannten Aufbau aufweist.
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Das Steuerungssystem 32 enthält ferner einen thermischen
Verformungsrechner 46, einen Speicher 48, einen
Inferenzabschnitt
42 und eine lokale Steuerung 50. Der thermische
Verformungsrechner 46 erhält Fehlersignale X3, Y3 und Z3 die
Positionierfehler in den Richtungen der X-, Y- und Z-Achse
angeben, um thermische Verformungen von Maschinenbestandteilen
zu errechnen. Die Positionierfehler werden zu vorgegebenen
Zeitintervallen erfaßt, die die Raumtemperatur ändern. Der
Speicher 48, der zum Beispiel aus einem RAM besteht, erhält
und speichert die Ausgabesignale des thermischen
Verformungsrechners 46, die die thermischen Verformungen der
Maschinenbestandteile angeben, die sich auf die erfaßten Temperaturen
beziehen.
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Der Inferenzabschnitt 42 enthält neuronale Netzwerke, von
denen jedes eine Anzahl von Schichten enthält, die eine
Eingabeschicht zum Empfangen von Signalen von einem äußeren
neuronalen Netzwerk, und eine Ausgabeschicht um Signale einem
externen neuralen Netzwerk zuzuführen enthalten. Alle Schichten
sind voneinander unabhängig, und jede von ihnen kann nur
Signale von einer vorherigen Schicht empfangen und enthalten
Neuron(en), von denen alle eine nichtlineare
Signalverarbeitung ausführen. Gemäß der Bindungsstärke der Neuronen, die
durch Anpassung durch Lernen geändert werden kann, wird ein
Signal gewichtet.
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Die Temperatursignale aus dem Speicher 40, die die
Temperaturen angeben, werden den Eingabeschichten des
Inferenzabschnitts 42 zugeführt. Ferner, werden die Signale, die die
thermischen Verformungen von Maschinenbestandteilen angeben,
die sich auf die Temperaturen beziehen, den Ausgabeschichten
des Inferenzabschnitts 42 als Lemsignale zugeführt.
Basierend auf den Temperatursignalen und der vorher eingestellten
Bindungsstärke zwischen den Neuronen, werden Ausgabesignale
in den Ausgabeschichten des Inferenzabschnitts 42 erhalten,
deren Ausgabesignale jeweils mit den Lemsignalen verglichen
werden. Der Inferenzabschnitt 42 korrigiert die
Bindungsstärken zwischen den Neuronen, so daß die Ausgabesignale, die in
den Ausgabeschichten erhalten werden mit den Lernsignalen
übereinstimmen werden. Der Inferenzabschnitt 42 führt dieses
Lernprotokoll wiederholt aus.
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Wenn eine Werkzeugelektrode relativ zum Werkstück 4 bewegt
wird, leitet der Inferenzabschnitt 42 die thermischen
Verformungen von Maschinenbestandteilen her, auf der Grundlage von
erfaßten Temperaturen unter Verwendung der neuralen Netzwerke
mit den korrigierten Bindungsstärken zwischen den Neuronen.
Der Inferenzabschnitt 42 stellt die thermischen Verformungen
der Maschinenbestandteile bereit, basierend auf diesen,
errechnet ein Korrekturwertrechner 52 Korrekturwerte entlang
der X-, Y- und Z-Achse. Die Signale X4, Y4 und Z4, die die
Korrekturwerte entlang der X-, Y- und Z-Achse angeben werden
der numerischen Steuerung 44 zugeführt. Die numerische
Steuerung 44 kombiniert jeweils die Antriebssignale X2, Y2 und Z2
und die Korrektursignale X4, Y4 und Z4, um Positionierfehler
entlang der X-, Y- und Z-Achse infolge thermischer
Verformungen zu korrigieren.
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Es wird nun die Funktionsweise der Werkzeugmaschine, die grob
in drei Prozesse unterteilt werden kann, beschrieben. Ein
erster Prozeß besteht darin, die thermischen Verformungen der
Maschinenbestandteile und die Temperaturen der
Maschinenbestandteile zu messen und zu speichern, die zu der Zeit erfaßt
werden, bei der die thermischen Verformungen gemessen werden.
In einem zweiten Prozeß führen neurale Netzwerke in dem
Inferenzabschnitt 42 das Lernen mittels einer geeigneten Software
aus, basierend auf den Temperaturdaten und den thermischen
Verformungen. Ein dritter Prozeß besteht darin,
Temperaturdaten von Maschinenbestandteilen zu messen, die dem
Inferenzabschnitt 42 zugeführt werden, und thermische Verformungen von
Maschinenbestandteilen herzuleiten, wobei auf diesen
basierend Korrekturwerte entlang der X-, Y- und Z-Achse erhalten
werden.
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In dieser Ausführungsform wird die Messung der thermischen
Verformungen, die einen Fehler in der Positionierung entlang
der Z-Achse verursachen, beispielhaft beschrieben.
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Fig. 10 ist eine schematische Ansicht, die die Orte der
Meßelektroden und Stifte zur Messung von thermischen Verformungen
in der Richtung einer Z-Achse zeigt. Eine Meßelektrode K1 ist
an dem Werkzeughalter 28 angebracht, der starr mit der
Spannvorrichtung 2A verbunden ist. Die Spannvorrichtung 2A ist an
dem Servokopf 24 angeordnet. Vorzugsweise wird die andere
Meßelektrode K2 auf der selben Höhe wie die Mutter 28 von der
Kugelspindel 26A positioniert. Aus darstellungstechnischen
Gründen ist die Meßelektrode K2 an dem unteren Ende des
Servokopfs 24 dargestellt. Die Werkstücke W1 und W2 sind fest
auf einem geeigneten Tisch montiert. Die Meßstifte KW1 und
KW2 sind jeweils auf den Werkstücken W1 und W2 angebracht.
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Die Temperaturen von jedem Maschinenbestandteil haben sich in
einer auf 21ºC einregulierten Raumtemperatur stabilisiert.
Dann werden die Messungen ausgeführt, indem die Maschine
betrieben wird. Zuerst wird die Elektrode K1 auf das Zentrum
des Stiftes KW1 ausgerichtet und der Kontakt zwischen der
Elektrode K1 und dem Stift KW1 hergestellt. Diese
Kontaktposition wird als Bezugspunkt D1 definiert.
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Dann wird in der gleichen Weise die Elektrode K1 auf das
Zentrum des Stiftes KW2 ausgerichtet und der Kontakt zwischen
der Elektrode K1 und dem Stift KW2 hergestellt. Diese
Kontaktposition wird als Bezugspunkt D2 definiert.
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Anschließend wird in der gleichen Weise die Elektrode K2 auf
das Zentrum des Stiftes KW2 ausgerichtet und der Kontakt
zwischen der Elektrode K2 und dem Stift KW2 hergestellt. Diese
Kontaktposition wird als Bezugspunkt D3 definiert.
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Die Temperaturen, die zur Zeit der Meßtätigkeit durch die
neun Thermosensoren 30A-30I erfaßt werden, werden der
Temperaturerfassung 38 zugeführt. Die erfaßten Temperaturen werden
in einem Verstärker 34 verstärkt und in dem Analog-Digital-
Wandler 36 in digitale Signale umgewandelt. Die digitalen
Signale werden dem Speicher 40 zugeführt und abgespeichert.
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Nach einer vorgegebenen Zeit, zum Beispiel, zwei Minuten
später, wird die Messung wiederholt durchgeführt.
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Die numerische Steuerung 44, führt Fehlersignale Z3, die
Abweichungen von den Bezugspunkten des ersten Meßdurchgangs von
den Bezugspunkten des zweiten Meßdurchgangs darstellen, dem
thermischen Verforrnungsrechner 46 zu. Der thermische
Verformungsrechner 46 errechnet thermische Verformungen von
Maschinenbestandteilen, die in dem Speicher 48 gespeichert werden.
Der Speicher 40 speichert auch erfaßte Temperaturen bei dem
zweiten Meßdurchgang.
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In den vorgegebenen Zeitintervallen werden dann dieselben
Meßtätigkeiten wiederholt, während die Temperaturen und
Positionierfehler in dem Speicher 40 und dem Speicher 48
gespeichert werden, bis die Fehler konstant werden.
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Als nächstes wird ein Berechnungsbeispiel des thermischen
Verformungsrechners 46 beschrieben. Hier werden beispielhaft
thermische Verformungen von Maschinenbestandteilen, die zu
einem Positionierfehler in der Richtung einer Z-Achse führen,
berechnet, da die Positionierung in Richtung einer Z-Achse
den kompliziertesten thermischen Verformungen unterworfen
ist.
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Zunächst erhält man eine Verformung (ΔL) der Kugelspindel 26A
der Z-Achse durch Verwendung der folgenden Beziehung:
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(ΔL) = η ΔT L
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Hierin ist η der thermische Expansionskoeffizient der
Kugelspindel und ΔT ist der Temperaturanstieg über der
Ausgangstemperatur. Der thermische Verforrnungsrechner 46 kann den
Temperaturanstieg durch Erhalt der Daten der
Ausgangstemperatur und der gegenwärtigen Temperatur aus dem Speicher 40
gewinnen. L ist eine Länge von der Befestigungsstelle, an der
die Kugelspindel 26A der Z-Achse in dem Gegenhalter 16
befestigt ist, bis zur Mutter 28.
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Dann wird eine Verformung (ΔH) eines Kopfteils von der Mutter
28 zu dem unteren Ende der Elektrode K1 durch Verwendung der
folgenden Beziehung erhalten:
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(ΔH) = P2 - P3 - ΔL2 + ΔL3
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P2 ist die Abweichung des Bezugspunkt D2 von dem
vorangehenden Bezugspunkt D2. P3 ist die Abweichung des Bezugspunkt D2
von dem vorangehenden Bezugspunkt D3. ΔL2 ist eine thermische
Verformung der Kugelspindel, wenn die Elektrode K1 mit dem
Stift KW2 in Berührung gebracht wird. ΔL3 ist die thermische
Verformung der Kugelspindel, wenn die Elektrode K2 mit dem
Stift KW2 in Berührung gebracht wird.
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Anschließend wird eine Verformung (AC) von einem Säulenteil
einschließlich des Gegenhalters 18 und der Säule 16 durch
Verwendung der folgenden Beziehung erhalten:
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P1 ist die Abweichung von dem Bezugspunkt D1 von dem
vorhergehenden Bezugspunkt D1. DL1 ist eine thermische Verformung
der Kugelspindel, wenn die Elektrode K1 mit dem Stift KW1 in
Berührung gebracht wird. W1 und W2 sind die Distanzen von der
Oberkante des Arbeitstisches bis zu dem oberen Ende der
Stifte KW1 und KW2.
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Die erhaltenen thermischen Verformungen der Kugelspindel der
Z-Achse, des Kopfteils und des Säulenteils werden in dem
Speicher 48 abgelegt.
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Der Inferenzabschnitt 42 führt ein Lernen unter Verwendung
der in dem Speicher 40 und dem Speicher 48 gespeicherten
Daten aus.
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Die lokale Steuerung 50 weist den Speicher 40 an, Signale,
die einen Satz der abgetasteten Temperaturen angeben, den
Eingabeschichten der neuralen Netzwerke des
Inferenzabschnitts 42 zuzuführen. Die lokale Steuerung 50 weist auch
den Speicher 48 an, Signale, die die thermischen Verformungen
angeben, die sich auf den Satz der abgetasteten Temperaturen
beziehen, den Ausgabeschichten der neuronalen Netzwerke der
Inferenzabschnitt 42 zuzuführen. Dann weist die lokale
Steuerung 50 den Inferenzabschnitt 42 an, den Lernvorgang zu
beginnen. Der Inferenzabschnitt 42 vergleicht die
Ausgabesignale der Ausgabeschichten mit den Lernsignalen, d.h., den
Signalen von dem Speicher 48 und korrigiert die Bindungsstärke
zwischen den Neuronen, so daß die Ausgabesignale der
Ausgabeschichten mit den Lernsignalen übereinstimmen werden. In
derselben Weise, steuert die lokale Steuerung 50 den Speicher
40, den Speicher 48 und den Inferenzabschnitt 44 für ein
weiteres Lernen.
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Nachdem die Lernvorgänge der neuronalen Netzwerke beendet
sind, leitet der Inferenzabschnitt 42 die thermischen
Verformungen von Maschinenbestandteilen unter Verwendung der
neuronalen Netzwerke mit den korrigierten Bindungsstärken zwischen
den Neuronen her.
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Figuren 4(A)-(F) zeigen beispielhaft eine Eingabe(n) und eine
Ausgabe von jedem der neuronalen Netzwerke zur Herleitung
thermischer Verformungen von Maschinenbestandteilen. Fig.
4(A) zeigt, daß eine thermische Verformung von einem
Säulenteil in Richtung der Z-Achse auf der Grundlage der durch die
Thermosensoren 30A, 30D, 30E und 30F erfaßten Temperaturen
hergeleitet wird. Fig. 4(B) zeigt, daß die thermische
Verformung eines Kopfteils in Richtung der Z-Achse auf der
Grundlage der durch die Thermosensoren 30A, 30B, 30C und 30H
erfaßten Temperaturen hergeleitet wird. Fig. 4(C) zeigt, daß die
thermischen Verformungen des Gegenhalters 18 und des Betts 10
in Richtung der Y-Achse auf der Grundlage der durch die
Thermosensoren 30D, 30F und 30I erfaßten Temperaturen hergeleitet
werden. Fig. 4(D) zeigt, daß eine thermische Verformung der
Kugelspindel der Z-Achse auf der Grundlage der durch den
Thermosensor 30A erfaßten Temperatur hergeleitet wird. Fig.
4(E) zeigt, daß eine thermische Verformung der Kugelspindel
der Y-Achse auf der Grundlage der durch den Thermosensor 30F
erfaßten Temperatur hergeleitet wird. Fig. 4(F) zeigt, daß
eine thermische Verformung der Kugelspindel der X-Achse auf
der Grundlage der durch den Thermosensor 30G erfaßten
Temperatur hergeleitet wird.
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Während der Bearbeitung, erfassen die Thermosensoren 30A-30I
Temperaturen, wobei diese Daten der Temperaturerfassung 38
zugeführt werden, die die digitalen, eine Temperatur
angebenden Signale dem Speicher 40 zuführt. Die lokale Steuerung 50
führt den Speichern 40 und 48 und dem Inferenzabschnitt 42 in
vorgegebenen Intervallen Anweisungssignale zu. In Reaktion
auf Anweisungssignale der lokalen Steuerung 50 stellt der
Speicher 40 Temperatursignale bereit. Basierend auf diesen
Temperatursignalen leitet der Inferenzabschnitt 42 thermische
Verformungen von Maschinenbestandteilen unter Verwendung des
neuronalen Netzwerks mit korrigierten Bindungsstärken
zwischen den Neuronen her.
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Wie in Fig. 1 gezeigt ist, werden die hergeleiteten
thermischen Verformungen von Maschienenbestandteilen dem
Korrekturwertrechner 52 zugeführt, der Korrekturwerte in den X-,
Y- und Z-Achsenrichtungen unter Berücksichtigung der Richtungen
der thermischen Verfrormungen errechnet.
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Fig. 5(A) zeigt, daß ein Fehler infolge thermischer
Verformungen in der Positionierung eines in einen Werkzeughalter
(nicht gezeigt) eingespannten und durch eine Spannvorrichtung
2A in der Position S gehaltenen Werkzeuges entlang einer X-
Achse basierend auf einer thermischen Verformung (Bx) der
Kugelspindel 12A der X-Achse erhalten wird. Fig. 5(B) zeigt,
daß ein Fehler infolge thermischer Verformungen in der
Positionierung des Werkzeuges entlang einer Y-Achse auf Grundlage
einer thermischen Verformung (By) der Kugelspindel 20A der Y-
Achse und einer thermischen Verformung (Cy) des Gegenhalters
18 und einer thermischen Verformung (Ey) des Betts 10
erhalten wird. Fig. 5(C) zeigt, daß ein Fehler infolge thermischer
Verformungen in der Positionierung des Werkzeugs entlang
einer Z-Achse auf der Grundlage einer thermischen Verformung
(Bz) der Kugelspindel 26A der Z-Achse und einer thermischen
Verformung (Hz) des Kopfteils und thermischer Verformungen
(Cz) des Gegenhalters 18 und der Säule 16 erhalten wird. Mit
anderen Worten, es werden Korrekturwerte in den Richtungen
der X-, Y- und Z-Achse unter Verwendung der folgenden
Beziehungen erhalten:
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Korrekturwert der X-Achse = - (Bx)
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Korrekturwert der Y-Achse = - (By+Cy+Ey)
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Korrekturwert der Z-Achse = - (Bz+Hz-Cz)
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Der Korrekturwertrechner 52 führt Korrektursignale X4, Y4 und
Z4, die jeweils die erhaltenen Korrekturwerte der X-Achse, Y-
Achse und Z-Achse darstellen der numerischen Steuerung 44 zu.
Die numerische Steuerung 44 kombiniert jeweils die
Antriebssignale X2, Y2 und Z2 und die Korrektursignale X4, Y4 und Z4,
um Positionierfehler entlang der X-, Y- und Z-Achse infolge
thermischer Verformungen zu korrigieren.
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Da das neuronale Netzwerk die an jedem der
Maschinenbestandteile erfaßten Temperaturdaten verarbeitet, werden die
thermischen Verformungen der Maschinenbestandteile die in
komplizierter Weise die der anderen Maschinenbestandteile
beeinflussen, genau erfaßt, um Positionierfehler infolge
thermischer Verformungen von Maschinenbestandteilen zu korrigieren.
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In den Figuren 6-9 sind gemessene thermische Verformungen und
hergeleitete thermische Verformungen graphisch dargestellt.
Die horizontale Achse der Kurven bezeichnet die Anzahl der
alle zwei Minuten vorgenommenen Messungen.
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der durch die
Thermosensoren 30A-30H erfaßten Temperaturen. Unter Verwendung
einer geeigneten Heizung wird vorher eine Raumtemperatur auf
etwa 28 ºC eingestellt. Zur Zeit P1 wird die Heizung
abgestellt und die Kühlung wird zur Reduzierung der
Raumtemperatur eingeschaltet. Dann wird zur Zeit P2, wenn die
Raumtemperatur auf etwa 13ºC fällt, die Kühlung abgeschaltet und die
Heizung wird zur Erhöhung der Raumtemperatur wieder
eingeschaltet. Die Kurve von Fig. 6 zeigt, daß die Temperatur die
durch den Thermosensor 30H erfaßt wird, der ein wenig über
dem oberen Teil des Arbeitstanks 6 angeordnet ist, den
Änderungen der Raumtemperatur dicht nachfolgt. Ferner ist
feststellbar, daß die durch die Thermosensoren 30E, 30F und 30G
erfaßten Temperaturen etwas hinter den Änderungen der
Raumtemperatur zurückbleiben und daß die durch die Thermosensoren
30A, 30B, 30C und 30D erfaßten Temperaturen sehr weit hinter
den Änderungen der Raumtemperatur zurückbleiben.
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In Fig. 7 sind die gemessene thermische Verformung von der
Säule in der Richtung einer Z-Achse und die durch das neurale
Netzwerk 42 hergeleitete thermische Verformung graphisch
dargestellt. In Fig. 8 sind die gemessene thermische Verformung
des Kopfes in der Richtung einer Z-Achse und die durch das
neurale Netzwerk 42 hergeleitete thermische Verformung
graphisch dargestellt. Die Figuren 7 und 8 zeigen, daß die
gemessenen Werte und die hergeleiteten Werte, obwohl diese
Werte teilweise leicht voneinander abweichen, mehr oder weniger
übereinstimmen.
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In Fig. 9 zeigt ein graphischer Verlauf B einen
Positionierfehler entlang der Z-Achse ohne jeglicher Korrektur und ein
graphischer Verlauf A zeigt einen Positionierfehler entlang
der Z-Achse mit Korrektur gemäß der vorliegenden Erfindung.
Obgleich ein Positionierfehler infolge thermischer
Verformungen weit fluktuiert, wird er mehr oder weniger konstant, wenn
er korrigiert wird.
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Wie es vom Facharbeiter geschätzt wird, können Fehlersignale
X3, Y3 und Z3 von der numerischen Steuerung 44 direkt, unter
Weglassung des Verformungsrechners 46, dem Speicher 48
zugeführt und in ihm abgespeichert werden. In diesem Fall, können
Positionierfehler entlang der X-, Y- und Z-Achse unter
Verwendung einer Lasermeßvorrichtung gemessen werden. Die in dem
Speicher 48 gespeicherten Fehlersignale werden als
Lernsignale verwendet, auf deren Grundlage der Inferenzabschnitt 42
durch Anpassung die Bindungsstärken zwischen den Neuronen
ändert.
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Figuren 11(A)-(C) zeigen beispielhaft Eingaben und eine
Ausgabe von jedem der neuronalen Netzwerke zur Herleitung von
Positionierfehler entlang der X-, Y- und Z-Achse. Fig. 11(A)
zeigt, daß ein Positionierfehler in Richtung der Z-Achse auf
Grundlage der durch die Thermosensoren 30A, 30B, 30D, 30E,
30F und 30H erfaßten Temperaturen hergeleitet wird. Fig.
11(B) zeigt, daß ein Positionierfehler in Richtung der Y-
Achse auf Grundlage der durch die Thermosensoren 30E, 30D,
30F, 30H und 30I erfaßten Temperaturen hergeleitet wird. Fig.
11(C) zeigt, daß ein Positionierfehler in Richtung der X-
Achse auf Grundlage der durch die Thermosensoren 30G, 30H und
30I erfaßten Temperaturen hergeleitet wird. Der
Inferenzabschnitt 42 führt Signale, die die hergeleiteten
Positionierfehler angeben, dem Korrekturwertrechner 52 zu. Der
Korrekturwertrechner 52 führt Signale, die die Korrekturwerte
entlang der X-, Y- und Z-Achse zur Korrektur der
Positionierfehler angeben, der numerischen Steuerung 44 zu.
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Die vorangehende Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Erläuterung und der
Beschreibung dargestellt. Es ist nicht beabsichtigt darin
erschöpfend zu sein oder die Erfindung auf die genaue Form der
Beschreibung einzugrenzen und offensichtlich sind viele
Modifikationen und Variationen im Licht der obigen Lehre möglich.
Anstelle der Verwendung der neun Thermosensoren können zum
Beispiel mehr Thermosensoren verwendet werden um die
thermischen
Verformungen genauer herleiten zu können. Der Umfang
der Erfindung ist durch die angefügten Ansprüche definiert.