CH648502A5

CH648502A5 - Verfahren zum ermitteln der lage einer werkzeugspitze oder -kante in bezug auf einen werkzeugschlitten einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschine, insbesondere drehmaschine.

Info

Publication number: CH648502A5
Application number: CH7104/80A
Authority: CH
Inventors: Werner Sonnek; Walter Klauss; Zeppelin Wolfgang Von
Original assignee: Traub Gmbh
Priority date: 1979-10-10
Filing date: 1980-09-23
Publication date: 1985-03-29
Also published as: GB2059825B; FR2467433B1; DE2941156C2; MX153114A; FR2467433A1; ES492299A0; ES8101280A1; SE8007041L; JPS5660909A; SE452193B; DE2941156A1; IT8024966A0; IT1132783B; BR8006446A; GB2059825A

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zum Ermitteln der Lage einer Werkzeugspitze oder -kante in bezug auf einen Werkzeugschlitten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine, in deren Datenspeicher die Koordinaten eines für den Werkzeugschlitten erreichbaren, ortsfesten Schlittenbezugspunktes gespeichert sind, und bei der ein ebenfalls ortsfester Messpunkt durch eine Visiereinrichtung festgelegt ist, durch die hindurch das am Werkzeugschlitten befestigte Werkzeug vom Betrachter betrachtet wird, der daraufhin einen Befehl zum Speichern von Messdaten in die Steuerung eingibt, dadurch gekennzeichnet, dass in einer die Drehachse (z) der Werkzeugmaschine enthaltenden Ebene die Koordinaten (ZDM und XDM) des Messpunktes (D) zusätzlich zu den Koordinaten (ZMR und XMR) des Schlittenbezugspunktes (R) zumindest für das Programm im Datenspeicher gespeichert werden, dass der Werkzeugschlitten (22) mit dem bzw. jedem für dieses Programm benötigten Werkzeug (28) in diejenige vom Schlittenbezugspunkt (R) abweichende Stellung gefahren wird, in der sich die Werkzeugspitze (B) mit dem Messpunkt (D) deckt, und dass die Positionsdaten des Werkzeugschlittens (22) in dieser Stellung gespeichert werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Lage einer Werkzeugspitze oder -kante in bezug auf einen Werkzeugschlitten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine, in deren Datenspeicher die Koordinaten eines für den Werkzeugschlitten erreichbaren, ortsfesten Schlittenbezugspunktes gespeichert sind, und bei der ein ebenfalls ortsfester Messpunkt durch eine Visiereinrichtung festgelegt ist, durch die hindurch das am Werkzeugschlitten befestigte Werkzeug vom Benutzer betrachtet wird, der daraufhin einen Befehl zum Speichern von Messdaten in die Steuerung eingibt.

Die Steuerungen numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen haben unter anderem die Aufgabe, anhand programmierter Zielpunkte an einem Werkstück diejenigen Wege zu errechnen, die ein Werkzeugschlitten zurücklegen muss, um die für eine Bearbeitung massgebende Spitze oder Kante eines auf dem Werkzeugschlitten befestigten Werkzeugs in die Zielpunkte zu bringen. In den meisten Fällen ist dem Werkzeugschlitten eine Vielzahl Werkzeuge zugeordnet, von denen jeweils mehrere am Werkzeugschlitten befestigt sein können, beispielsweise indem sie in Spannvorrichtungen eines am Werkzeugschlitten gelagerten Werkzeugrevolvers eingespannt sind.

Als eine Voraussetzung für die erforderlichen Wegberechnungen muss die Position des Werkzeugschlittens in jedem Augenblick genau bekannt sein. Deshalb ist für jede Achse, längs derer sich der Werkzeugschlitten bewegen lässt, ein Wegmesssystem, beispielsweise in Gestalt eines Strichmassstabes mit zugehörigem Ablesekopf vorgesehen, das bei jeder Schlittenbewegung längs der betreffenden Achse Impulse an ein Zählwerk abgibt. Um die verschiedenen Wegmesssysteme zu eichen, wird der Werkzeugschlitten in einen ortsfesten Schlittenbezugspunkt gefahren, wo die Zähler auf Null gesetzt werden, wenn der Schlittenbezugspunkt zugleich Maschinennullpunkt ist, oder die Zähler auf je einen bestimmten Zählerstand gebracht werden, der den Koordinaten des Schlittenbezugspunktes in bezug auf einen von ihm abweichenden Maschinennullpunkt entspricht. Die Probleme, die mit der Feststellung der Schlittenpositionen zusammenhängen, können somit als gelöst angesehen werden.

Die Berechnung der für die Bearbeitung eines Werkstücks erforderlichen Schlittenwege setzt aber auch voraus, dass die Lage der massgebenden Spitze oder Kante jedes bei der Bearbeitung eingesetzten Werkzeuges in bezug auf den Werkzeugschlitten bekannt und im Datenspeicher der Werkzeugmaschine gespeichert ist. Diese Lage kann entweder ein für alle Mal festgelegt oder nach dem Befestigen jedes einzelnen Werkzeugs am Werkzeugschlitten gemessen werden.

Das erstgenannte Prinzip wird üblicherweise derart verwirklicht, dass die Werkzeuge nicht unmittelbar in Spannvorrichtungen am Werkzeugschlitten eingespannt werden, sondern in Werkzeughaltern, die zunächst in ein von der Maschine getrenntes Werkzeugeinstellgerät gebracht werden, wo die für die Bearbeitung massgebende Werkzeugspitze oder -kante in eine genau vorbestimmte Stellung in bezug auf den Werkzeughalter einjustiert wird. Übliche Vorein-stellgeräte weisen ein Mikroskop auf, das auf einer Kreuzschlittenanordnung mit je einem Messsystem pro Achse aufgebaut ist. Der Werkzeughalter mit einjustiertem Werkzeug wird dann in genau vorbestimmter Lage am Werkzeugschlitten befestigt. Die Lage der Werkzeugspitze oder -kante in bezug auf einen Werkzeugbezugspunkt am Werkzeugschlitten ist dann bekannt und kann als festes Datum im Datenspeicher der Werkzeugmaschine gespeichert bzw. im Bearbeitungsprogramm berücksichtigt werden. Das Einjustieren der Werkzeuge ausserhalb der Werkzeugmaschine hat zwar den Vorteil, dass es zeitlich parallel mit Bearbeitungsvorgängen, also innerhalb der Maschinenhauptzeiten durchgeführt werden kann; nachteilig ist jedoch der erhebliche Kostenaufwand für die meist zahlreichen erforderlichen Werkzeughalter und vorallem das teuere Voreinstellgerät. Ausserdem können sich Ungenauigkeiten dadurch einschleichen, dass die Werkzeughalter infolge einer Unachtsamkeit oder infolge von Verschleiss nicht genau in ihre vorbestimmte Lage in bezug auf den Werkzeugschlitten gelangen.

Um die Kosten für Werkzeughalter zu ersparen und Fehler durch ungenaue Befestigung der Halter am Werkzeugschlitten auszuschliessen, werden die Werkzeuge vielfach unmittelbar in Spannvorrichtungen am Werkzeugschlitten befestigt und anschliessend wird die Lage der Werkzeugspitze oder -kante in bezug auf einen Werkzeugbezugspunkt am Werkzeugschlitten ermittelt. Dies geschieht bei einem bekannten Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung dadurch, dass ein Projektor in den Arbeitsraum der Werkzeugmaschine geschwenkt wird und der Werkzeugschlitten in den ortfesten Schlittenbezugspunkt gefahren wird. Der Projektor hat eine Rasterscheibe, auf der die Werkzeugspitze zu sehen ist, sofern das Werkzeug mit nicht mehr als einem bestimmten, von der Grösse der Rasterscheibe abhängigen Einstellfehler am Werkzeugschlitten befestigt worden ist. Die Einstellfehler sämtlicher am Werkzeugschlitten befestigten Werkzeuge werden vom Benutzer nacheinander an der Rasterscheibe abgelesen und in die Steuerung der Werkzeugmaschine eingetastet. Dabei können ihm jedoch sowohl beim Ablesen wie beim Eintasten Fehler unterlaufen, die unter Umständen erst nach entsprechend fehlerhafter Bearbeitung eines Werkstücks bemerkt werden. Um die Gefahr solcher Fehler möglichst gering zu halten, werden selbst geübte Einsteller beim Ablesen und Eintasten der Einstellfehler vorsichtig und dementsprechend langsam vorgehen; der somit erhebliche Zeitaufwand für die Ermittlung der Lage der Werkzeugspitze in bezug auf den Werkzeugschlitten ist in voller Grösse Maschinennebenzeit, vermindert also die Ausnutzung der Werkzeugmaschine entsprechend.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung derart wei2

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terzubilden, dass es rascher und mit erheblich geringerer Fehlerwahrscheinlichkeit durchführbar ist als das bekannte gattungsgemässe Verfahren.

Die Aufgabe ist erfmdungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Das Speichern der Koordinaten des Messpunktes erscheint bei dem erfindungsgemässen Verfahren zunächst als zusätzlicher Aufwand; dieser Aufwand ist jedoch unerheblich, weil er nicht für jedes einzelne Werkzeug erforderlich ist, sondern der Messpunkt, den die Visiereinrichtung einnimmt, im allgemeinen ein für alle Mal, zumindest aber für eine grössere Zahl von Messungen, festgelegt wird. Für den Benutzer ist es ein leichtes, durch manuelles Steuern der Schlittenantriebe den Werkzeugschlitten mit jedem einzelnen Werkzeug in eine Stellung zu bringen, in der die Spitze oder Kante dieses Werkzeugs sich mit dem Messpunkt deckt. Hierzu braucht die Visiereinrichtung nur ein einfaches Fadenkreuz aufzuweisen; jegliches Strichraster kann entfallen, so dass ein nur einigermassen aufmerksamer Benutzer vor einem Ablesefehler sicher ist. Der Benutzer braucht dann nur noch durch einen Tastendruck dafür zu sorgen, dass die Positionsdaten des Werkzeugschlittens, die der Maschinensteuerung ja ohnehin bekannt sind, gespeichert werden. Dem Benutzer bleibt es also bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens erspart, irgendwelche Daten einzutasten; auch insoweit kann ihm also ein Fehler nicht unterlaufen.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden anstelle der beschriebenen bekannten externen Einstell- oder Messgeräte die Wegmesssysteme der Maschine selbst benutzt, um die Lage jedes einzelnen Werkzeugs in bezug auf den Werkzeugschlitten zu ermitteln. Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Ermittlung entspricht deshalb der beim heutigen Stand der Technik bekannt hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit der maschineninternen Messsysteme. Wegen der praktisch nicht vorhandenen Gefahr eines Ablesefehlers kann der Benutzer die Lageermittlung einer Vielzahl von Werkzeugen in kürzester Zeit durchführen, ohne sich dabei besonders anzustrengen.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird im folgenden im Vergleich zum vorausgesetzten Stand der Technik anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist von einer numerisch gesteuerten Drehmaschine ein Spindelstock 12 angedeutet, in dem eine Arbeitsspindel 14 mit aufgespanntem Werkstück 16 um eine Achse drehbar gelagert ist, die im folgenden als Z-Achse bezeichnet wird. Von der Drehmaschine ist ferner ein Maschinenbett 18 angedeutet, auf dem ein Bettschlitten 20 in Richtung der Z-Achse verschiebbar geführt ist. Der Bettschlitten 20 trägt einen Werkzeugschlitten 22, der längs einer X-Achse, im rechtenWinkel zur Z-Achse, verschiebbar ist. Auf dem Werkzeugschlitten 22 ist ein Revolver 24 gelagert, der eine Anzahl Einspannvorrichtungen 26 für je ein Werkzeug 28 aufweist. Von den Einspannvorrichtungen 26 ist nur eine samt zugehörigem Werkzeug 28 angedeutet.

Innerhalb der Maschine ist ein Maschinennullpunkt M auf der Drehachse der Arbeitsspindel 14 als Ursprung eines Masskoordinatensystems definiert. Da der Maschinennullpunkt M im Betrieb nicht erreichbar ist, wird an einer gut zugänglichen Stelle im Verfahrbereich des Werkzeugschlittens 22 durch Anbringen nicht dargestellter Schalter ein Schlittenbezugspunkt R festgelegt.

Die dargestellte Drehmaschine ist mit den bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen üblichen Wegmesssystemen ausgestattet, zu denen beispielsweise längs der Z- und der X-Achse angeordnete Strichmassstäbe gehören können. Zum Eichen der Wegmesssysteme lässt sich der Werkzeugschlitten

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22 auch dann in den Schlittenbezugspunkt R fahren, wenn an der Arbeitsspindel 14, wie dargestellt, ein Werkstück 16 aufgespannt ist.

Auf dem Werkzeugschlitten 22 bzw. dessen Revolver 24 ist ein Werkzeugbezugspunkt N festgelegt, der bezogen auf den Maschinennullpunkt M die Abstandskoordinaten ZMN und XMN hat, wenn der Werkzeugschlitten 22 im Schlittenbezugspunkt R steht. Diese Koordinaten sind im Datenspeicher der Drehmaschine gespeichert.

Für die Bearbeitung des Werkstücks 16 ist wie üblich ein Werkstückprogramm vorgesehen, in dem der Abstand ZMW eines im dargestellten Beispiel auf der Drehachse der Arbeitsspindel 14 liegenden Werkstücknullpunktes W vom Maschinennullpunkt M festgelegt ist und ferner die Abstände ZGW und XGW eines Zielpunktes G vom Werkstücknullpunkt W festgelegt sind.

Das Werkzeug 28 hat eine für die Spanabnahme am Werkstück 16 massgebende Werkzeugspitze oder -kante P, deren Abstände vom Werkzeugbezugspunkt N die Beträge ZNP und XNP haben. Diese Abstände lassen sich, wie oben beschrieben, ausserhalb der Maschine messen oder auf vorbestimmte Beträge einstellen. Damit sind zugleich die Koordinaten der Werkzeugspitze P in bezug auf den Maschinennullpunkt M bekannt, und daraus ergeben sich in Verbindung mit den bekannten Koordinaten des Zielpunktes G die Wege ZGP und XGP, die der Werkzeugschlitten 22 zurücklegen muss, damit die Werkzeugspitze P den Zielpunkt G erreicht.

Wegen der beschriebenen Nachteile der Ermittlung der Abstände ZNP und XNP wird gemäss dem beschriebenen bekannten gattungsgemässen Verfahren der Werkzeugschlitten 22 nicht nur zum Eichen der Wegmesssysteme in den Schlittenbezugspunkt R gefahren, sondern auch zum Ermitteln der Lage der Werkzeugspitze P in bezug auf den Werkzeugsbezugspunkt N am Werkzeugschlitten 22 in einen ortsfesten Bezugspunkt gefahren, von dem hier angenommen wird, es sei derselbe Schlittenbezugspunkt R. Ferner wird ein Messpunkt D dadurch festgelegt, dass die beschriebene Visiereinrichtung in Gestalt eines Projektors mit Rasterscheibe in den Arbeitsraum der Maschine eingeschwenkt wird. Anschliessend werden gemäss dem bekannten Verfahren die Abstände ZDP und XDP der Werkzeugspitze P vom Messpunkt D an der Rasterscheibe abgelesen, und diese Abstände werden in den Datenspeicher eingetastet.

Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird dagegen der Werkzeugschlitten 22 vom Benutzer manuell in eine Stellung gesteuert, in der sich die Werkzeugspitze P in der Visiereinrichtung genau mit dem Messpunkt D deckt. Die Abstände ZDP und XDP sind dann beide Null, brauchen und können also vom Benutzer nicht abgelesen werden. Der Werkzeugschlitten 22 hat jedoch, um die Werkzeugspitze P mit dem Messpunkt D in Deckung zu bringen, ausgehend vom Schlittenbezugspunkt R genau die Wege ZDP und XDP zurückgelegt und damit den eigenen Wegmesssystemen der Werkzeugmaschine Gelegenheit gegeben, diese Wege bzw. die bei Deckung der Werkzeugspitze P mit dem Messpunkt D erreichten Positionskoordinaten zu ermitteln. Da erfmdungsgemäss auch die Koordinaten ZDM und XDM des Messpunktes D im Datenspeicher gespeichert worden sind, hat der Rechner der Maschine nun die Möglichkeit, die Abstände ZNP und XNP aus den folgenden einfachen Gleichungen zu berechnen:

ZNP = ZMR - ZNR - ZDP - ZDM

XNP = XMR - XNR - XDP - XDM

Mit den so für jedes einzelne Werkzeug ermittelten Werten ZNP und XNP liegen nun für die numerische Steuerung die Wege des Werkzeugschlittens 22 zu jedem in einem Bearbeitungsprogramm festgelegten Zielpunkt fest.

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Verwendete Bezugszeichen und Begriffe:

12 Spindelstock

14 Arbeitsspindel

16 Werkstück

18 Maschinenbett

20 Bettschlitten

22 Werkzeugschlitten

24 Revolver

26 Einspannvorrichtung

28 Werkzeug

D Messpunkt

G Zielpunkt

M Maschinennullpunkt

N Werkzeugbezugspunkt

P Werkzeugspitze

R Schlittenbezugspunkt

W Werkstücknullpunkt

X X-Achse

Z Z-Achse

ZGP zu errechnender Verfahrweg der Werkzeugspitze P in Z-Richtung

ZMR Abstand Maschinennullpunkt M zu Werkzeugbezugspunkt N in Bezugslage in Z-Richtung ZNR Abstand Werkzeugbezugspunkt N Istlage zu

Bezugspunktlage R in Z-Richtung ZNP Werkzeuglänge in Z-Richtung ZMWAbstand Werkstücknullpunkt W zu Maschinennullpunkt M in Z-Richtung ZGW Programmierter Abstand Zielpunkt G zu Werkstücknullpunkt W in Z-Richtung XGP zu errechnender Verfahrweg der Werkzeugspitze P in X-Richtung

XMR Abstand Maschinennullpunkt M zu Werkzeugbezugspunkt N in Bezugslage in X-Richtung XNR Abstand Werkzeugbezugspunkt N Istlage zu

Bezugspunkt R in X-Richtung XNP Werkzeuglänge in X-Richtung XGWProgrammierter Abstand Zielpunkt G zu Werkstücknullpunkt W in X-Richtung

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1 Blatt Zeichnungen