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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine.
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Werkzeugmaschinen
werden im Allgemeinen z. B. zur Fräs-, Bohr-, Schleif- und/oder
Drehbearbeitung von Werkstücken
eingesetzt.
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Werkzeugmaschinen,
insbesondere Fünfachs-Fräsmaschinen,
werden, insbesondere bei der Einrichtung des Werkstücks, mit
speziellen Bedienhandgeräten
bedient. Neben den Geometrieachsen X, Y und Z werden die zur Orientierung
des Werkzeugs (bei Kopf-Kinematiken) oder des Werkstücks (bei
Tisch-Kinematiken) benötigten
Rundachsen handelsüblich über Richtungstasten
oder Handräder orientiert.
Ein häufiger
Anwendungsfall ist das Ausrichten des Werkzeugs oder des Werkstücks senkrecht
zur gewünschten
Bearbeitungsebene. Dabei ist es bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen extrem schwierig,
die gewünschte
Orientierung, d. h. die gewünschte
Ausrichtung, des Werkzeugs und/oder des Werkstücks zu erzeugen.
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Aus
der
DE 100 43 179
A1 ist eine Steuerung für
eine Arbeitsmaschine, sowie ein Geber und ein Verfahren zur Ansteuerung
einer Arbeitsmaschine, bekannt, deren Arbeitswerkzeug über einen
Bewegungsmechanismus in Abhängigkeit
von der Stellbewegung des Gebers ansteuerbar ist.
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Aus
der
DE 694 03 426
T2 ist eine handbetätigte
Steuerung mit taktiler Rückführung und/oder Rückführung des
Bewegungsgefühls
bekannt.
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Aus
der
DE 298 20 896
U1 ist eine CNC-Maschine mit einem Handgerät zum Steuern
und Bedienen der CNC-Maschine bekannt, wobei das Handbediengerät als ferngesteuertes
Handbediengerät
ausgebildet ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zu schaffen,
die ein einfaches Ausrichten des Werkzeugs und/oder des Werkstücks ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Werkzeugmaschine, wobei die Maschine eine Steuereinrichtung
zur Steuerung der Bewegung von Maschinenachsen der Maschine aufweist,
wobei die Maschine eine von einer menschlichen Hand haltbare Bedieneinrichtung
mit einer Längsachse
aufweist, wobei die räumliche
Orientierung der Längsachse
ermittelt wird, wobei die Bewegung mindestens einer Maschinenachse
von der Steuereinrichtung derart gesteuert wird, dass die räumliche
Orientierung eines Werkzeugs oder eines Werkstücks mit der räumlichen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, wobei bei Betätigen eines
Betätigungselements
die räumliche Orientierung
des Werkzeugs oder des Werkstücks festgelegt
wird, indem der räumlichen
Orientierung des Werkzeugs oder des Werkstücks die räumliche Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung zugewiesen wird.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
erweist sich als vorteilhaft, wenn die Bewegung von mindestens zwei
Maschinenachsen derart gesteuert wird, dass die Orientierung des
Werkzeugs oder des Werkstücks
mit der räumlichen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, da dann auch
bei komplex aufgebauten Werkstücken
das Werkstück und/oder
das Werkzeug auf einfache Art und Weise schell ausgerichtet werden
kann.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, dass die Bedieneinrichtung ein
Betätigungselement
aufweist, wobei bei Betätigen
des Betätigungselements die
räumliche
Orientierung des Werkzeugs oder des Werkstücks festgelegt wird, indem
der räumlichen Orientierung
des Werkzeugs oder des Werkstücks die
räumliche
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung zugewiesen wird. Durch diese Maßnahme wird
eine einfache Festlegung der räumlichen Orientierung
des Werkzeugs oder des Werkstücks durch
den Bediener ermöglicht.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Bedieneinrichtung das
Betätigungselement aufweist,
da dann die Bewegung des Werkzeugs oder des Werkstücks mit
einer Hand vorgeben werden kann.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Bedieneinrichtung mindestens
zwei Sender zur Ermittelung der Orientierung der Längsachse
aufweist und die Werkzeugmaschine Empfänger zur Ermittelung der Orientierung
der Längsachse
aufweist. Hierdurch wird eine einfache Ermittlung der Orientierung
der Längsachse
ermöglicht.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine und
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2 eine
schematisierte Darstellung des Erfindungsprinzips.
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In 1 ist
in Form einer schematisierten Darstellung einer Werkzeugmaschine 1,
welche eine Steuereinrichtung 18 zur Steuerung der Bewegung von
Maschinenachsen der Maschine aufweist, dargestellt. Die im Rahmen
des Ausführungsbeispiels dargestellte
Werkzeugmaschine 1, weist dabei zur Bewegung eines Werkstücks 2 eine
erste drehbare Maschinenachse 3 und eine zweite drehbare
Maschinenachse 4 auf. Weiterhin weist die Maschine zur Bewegung
eines Werkzeugs 7, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels
als ein Fräser
ausgebildet ist, eine erste linear verfahrbare Maschinenachse 5,
eine zweite linear verfahrbare Maschinenachse 6, eine dritte
linear verfahrbare Maschinenachse 8, sowie eine dritte
drehbare Maschinenachse 9 und eine vierte drehbare Maschinenachse 10 auf.
Die Drehachse des Werkzeugs 7 um die das Werkzeug 7 rotiert,
wird dabei im Rahmen der Erfindung nicht als Maschinenachse angesehen.
Fachspezifisch werden die drehbaren Maschinenachsen auch als Rundachsen
bezeichnet.
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Auf
der zweiten drehbaren Maschinenachse 4 ist ein zu bearbeitendes
Werkstück 2 eingespannt. Das
Werkstück 2 weist
eine zu bearbeitende Fläche F
auf, in die im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine
senkrecht zur Fläche
F verlaufende Aussparung gefräst
werden soll. Das Werkstück 2 weist
weiterhin einen sogenannten Werkstückvektor FN auf, der im Rahmen
des Ausführungsbeispiels
als senkrecht zur Fläche
F verlaufender Flächennormalenvektor
ausgebildet ist. Die Orientierung des Werkzeugs 7 im Raum
bildet dabei einen Werkzeugvektor W, der in Richtung der Drehachse
des Werkzeugs 7, um die das Werkzeug 7 rotiert,
verläuft.
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Möchte ein
Bediener der Maschine, wie schon oben gesagt, eine senkrecht zur
Fläche
F verlaufende Aussparung in die Fläche F fräsen, so muss er die Fläche F, die
eine Bearbeitungsebene bildet, mittels der ersten drehbaren Maschinenachse 3 und der
zweiten drehbaren Maschinenachse 4 so ausrichten, dass
anschließend
zur Bearbeitung das Werkzeug 7, das Werkzeug 7 mittels
der zweiten linear verfahrbaren Achse 6 senkrecht nach
unten bewegt werden kann um die Aussparung zu fräsen. Das Werkstück muss
somit mittels der ersten drehbaren Maschinenachse 3 und
der zweiten drehbaren Maschinenachse 4 so verfahren werden,
dass der Werkstückvektor
FN räumlich
parallel zur Drehachse des Werkzeugs 7 ausgerichtet ist.
In der Praxis ist hiermit für
den Bediener oft eine schwere Aufgabe verbunden, da die Bearbeitungsebene,
die im Rahmen des Ausführungsbeispiels
durch die Fläche
F gebildet wird, nicht direkt entsprechend geschwenkt werden kann,
sondern nur mittels Drehbewegungen der ersten drehbaren Maschinenachse 3 und
der zweiten drehbaren Maschinenachse 4 bewegt werden kann. In
der Praxis ist das Ausrichten häufig
deshalb mit einem erheblichen Zeitaufwand verbunden um die Fläche auch
nur näherungsweise
entsprechend zu drehen damit mit der Fräsbearbeitung überhaupt
begonnen werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist
deshalb eine von einer menschlichen Hand haltbare und insbesondere
von der menschlichen Hand umschließbare Bedieneinrichtung 11 auf.
Die Bedieneinrichtung 11 weist eine Längsachse 12 mit einer
entsprechenden Orientierung im Raum auf, wie in 1 dargestellt.
Weiterhin weist die Bedieneinrichtung 11 ein Betätigungselement 13,
das z. B. mit Hilfe des Daumens betätigt werden kann, sowie Aussparungen 14 für Finger
auf. Die Bedieneinrichtung 11 ist zur Übermittelung von Daten drahtlos
oder drahtgebunden an die Steuereinrichtung 18 angekoppelt,
was durch einen Pfeil 25 in 1 dargestellt ist.
Weiterhin weist die Bedieneinrichtung einen ersten Sender 15 und
einen zweiten Sender 16, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels
an zwei gegenüberliegenden
Enden der Bedieneinrichtung 11 angeordnet sind, auf. Der
erste Sender 15 und der zweite Sender 16 senden
Signale, zur Ermittlung der Orientierung der Längsachse 12 im Raum,
an drei Empfänger 23,
wobei aus der ermittelten zeitlichen Differenz der empfangenen Signale
vom ersten Sender 15 und vom zweiten Sender 16,
die räumliche
Orientierung der Längsachse 12 ermittelt
wird.
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Um
die Fläche
F wie erforderlich zu drehen hält
der Bediener zunächst
die Bedieneinrichtung 11 so zur Bearbeitungsebene, die
im Rahmen des Ausführungsbeispiels
durch die Fläche
F gebildet wird, dass die Orientierung der Längsachse 12 ungefähr senkrecht
zur Fläche
F steht, d. h. das die Orientierung der Längsachse 12 im Wesentlichen
parallel zu der räumlichen
Orientierung des Werkstückvektors, der
im Rahmen des Ausführungsbeispiels
durch den Flächennormalvektor
FN gebildet wird, verläuft.
Anschließend
drückt
der Bediener das Betätigungselement 13,
wodurch die räumliche
Orientierung des Werkstückvektors
an die räumliche
Orientierung der Längsachse 12 angekoppelt
wird. Solange das Betätigungselement
betätigt
bleibt, wird die Bewegung der ersten drehbaren Maschinenachse 3 und
der zweiten drehbaren Maschinenachse 4 derart von der Steuereinrichtung
gesteuert, dass die räumliche
Orientierung des Werkstücks 2,
die durch den Werkstückvektors
FN repräsentiert
wird, mit der räumlichen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, insbesondere übereinstimmt.
Wird die Bedieneinrichtung 11 z. B. im Raum gedreht und
somit die Orientierung der Längsachse 12 im
Raum verändert,
so steuert die Steuereinrichtung mit der in der Steuereinrichtung handelsüblich ohnehin
integrierten kinematischen Transformationen die erste drehbare Maschinenachse 3 und
die zweite drehbare Maschinenachse 4 genau so, dass die
räumliche
Orientierung des Werkstücks 2 mit
der räumlichen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, insbesondere übereinstimmt
und somit die Orientierung des Werkstücks der Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung folgt. Somit kann der Bediener 11 durch
eine einfache Drehbewegung der Hand, in dem er die Bedieneinrichtung
und damit die Längsachse 12 parallel
zur Drehachse des Werkzeugs 7 ausgerichtet, die Fläche F nach oben
drehen, so dass diese nach dem Bewegungsvorgang senkrecht zur Drehachse
des Werkzeugs 7 steht.
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Falls
die Maschine auch, wie im Ausführungsbeispiel, über entsprechende
Maschinenachsen verfügt,
die auch ein Ausrichten des Werkzeugs ermöglichen, kann auch die Orientierung
des Werkzeugs 2, die durch den Werkzeugvektor W repräsentiert
wird, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels durch
die Drehachse des Werkzeugs gegeben ist, an die Orientierung der
Längsachse 12 der
Bedieneinrichtung gekoppelt werden. Hierzu richtet der Bediener
die Bedieneinrichtung 11 längs der Drehachse des Werkzeugs 7 aus
und betätigt
das Betätigungselement 13.
Anschließend
kann er, durch entsprechendes Drehen der Bedieneinrichtung 11 im
Raum, das Werkzeug 7 entsprechend drehen, wobei die Steuereinrichtung 8 die
beiden drehbaren Maschinenachsen 9 und 10 entsprechend
so ansteuert, dass die räumliche
Orientierung des Werkzeugs mit der räumlichen Orientierung der Längsachse 12 im wesentlichen übereinstimmt,
insbesondere übereinstimmt
und somit die räumliche
Orientierung des Werkzeugs 7, der Drehbewegung der Bedieneinrichtung 11 folgt.
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Es
ist dabei sinnvoll die Kopplung der Bewegung der Bedieneinrichtung 11 an
das Werkstück oder
an das Werkzeug nur solange aufrechtzuerhalten, solange das Betätigungselement
im betätigten Zustand,
insbesondere gedrückt,
bleibt. Somit hat der Bediener die Möglichkeit, bei extremen Schwenks
des Werkstücks
oder des Werkzeugs die Kopplung an das Werkstück oder an das Werkzeug neu
aufzusetzen. Der Vorteil der Erfindung liegt in der Zuordnung einer
räumlichen
Maschinenbewegung zu einer entsprechenden Bewegung der Bedieneinrichtung 11.
Durch die Erfindung hat der Bediener die Möglichkeit das ”angekoppelte” zu bearbeitende Werkstück oder
das Werkzeug, beliebig auf einer gedachten Kugel zu bewegen. Weist
die Maschine wie im Ausführungsbeispiel
eine Kinematik auf, bei der sowohl das Werkstück als auch das Werkzeug mittels
drehbarer Maschinenachsen ausgerichtet werden können, so kann das Betätigungselement 13 einen
Umschalter aufweisen, der festlegt, ob beim Betätigen des Betätigungselements 13,
das Werkzeug 7 oder das Werkstück 2 entsprechend
der nachfolgenden Bewegung der Bedieneinrichtung 11 bewegt werden
sollen. Die meisten handelsüblichen
Werkzeugmaschinen (z. B. 5-achsige Fräsmaschinen) erlauben jedoch
entweder das Ausrichten des Werkstücks mittels zweier Rundachsen
(Tisch-Kinematik) oder das Ausrichten des Werkzeugs mittels entsprechend
zweier drehbarer Maschinenachsen (Kopf-Kinematik), die das Werkzeug
bewegen.
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Wichtig
zum Verständnis
der Erfindung ist es, das die Orientierung des Werkzeugs mit der
Orientierung der Drehachse des Werkzeugs und die Orientierung des
Werkstücks
mit der Orientierung des Flächenormalenvektors
nicht unbedingt, wie im Ausführungsbeispiel übereinstimmen
muss, sondern dass die Orientierung des Werkzeugs oder des Werkstücks erst
bei Betätigen
des Betätigungselementes
festgelegt wird. Im Moment des Betätigens des Betätigungselementes
wird die Orientierung des Werkzeugs oder des Werkstücks festgelegt,
indem der Orientierung des Werkzeugs oder des Werkstücks die
räumliche
Orientierung der Längsachse 12 der
Bedieneinrichtung zugewiesen wird, so das zu Beginn die Orientierung
des Werkzeugs oder des Werkstücks
definitionsgemäß mit der
räumliche
Orientierung der Längsachse 12 der
Bedieneinrichtung übereinstimmt.
Wird anschließend
durch z. B. Drehen der Hand die Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung verändert,
so wird das Werkstück oder
das Werkzeug derart bewegt, das die Orientierung des Werkzeugs oder
Werkstücks
mit der räumlichen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung im Wesentlichen übereinstimmt, insbesondere übereinstimmt.
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Streng
genommen weist also nicht wie eingangs bei der Erklärung zu 1 beschrieben,
das Werkstück
oder das Werkzeug von Anfang an eine räumliche Orientierung auf, d.
h. einen Werkstückvektor
oder einen Werkzeugvektor auf, sondern die Orientierung des Werkstücks oder
das Werkzeugs und damit der Werkstückvektor oder der Werkzeugvektor
wird erst im Moment des Betätigens
des Betätigungselements
festgelegt, indem der räumlichen Orientierung
des Werkzeugs oder des Werkstücks die räumliche
Orientierung der Längsachse
im Moment des Betätigens
des Betätigungselements
zugewiesen wird.
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Das
Prinzip der Erfindung soll auch noch einmal anhand der schematisierten
Darstellung gemäß 2 erläutert werden.
Falls ein Loch 24 (siehe 1) seitlich
in das Werkstück 2 gefräst werden soll,
so wird sinnvoller Weise die Bedieneinrichtung 11 senkrecht
zu der zu bearbeitenden Ebene, d. h. zur seitlichen Fläche 21 des
Werkstücks 2 ausgerichtet,
wobei die Orientierung der Längsachse 12 in
diesem Fall sinnvoller Weise in X-Richtung ausgerichtet wird, indem
die Bedieneinrichtung entsprechend von der Hand des Bedieners gehalten
wird. Beim Betätigen
des Betätigungselements,
das der Übersichtlichkeit
halber in 2 nicht dargestellt ist, wird
die Orientierung des Werkstücks
festgelegt, indem der Orientierung des Werkstücks 2, repräsentiert
durch den Werkstückvektor
FN', die Orientierung
der Längsachse 12 zugewiesen
wird. Soll nun die zu bearbeitende Fläche 21 um 90° nach oben
gedreht werden, damit vom Werkzeug 7, das Loch 24 herausgefräst werden kann,
so muss vom Bediener lediglich die Bedieneinrichtung 11 um
90° im Ausführungsbeispiel
gegen den Uhrzeigersinn, was durch einen Pfeil 22 dargestellt
ist, z. B. durch Drehen des Handgelenks gedreht werden. Die zu bearbeitende
Fläche 21 wird, was
durch einen Pfeil 22' dargestellt
ist, entsprechend der Bewegung der Bedieneinrichtung 11 nach oben
gedreht, so dass nach der Drehbewegung die Orientierung des Werkstückvektors
und damit die Orientierung des Werkstücks wieder mit der momentanen
Orientierung der Längsachse
der Bedieneinrichtung 11 übereinstimmt. Die Steuereinrichtung 18 steuert
hierzu gemäß 1 die
zweite drehbare Maschinenachse 4 derart an, dass diese
eine 90°-Drehung
gegen den Uhrzeiger durchführt
und sie steuert die erste drehbare Maschinenachse 3 derart
an, dass diese gegen den Uhrzeigersinn ebenfalls eine 90°-Drehung
durchführt,
wobei die Bewegung der beiden Maschinenachsen gegebenenfalls auch gleichzeitig
durchgeführt
werden können.
Weist die Maschine noch weitere entsprechende Maschinenachsen auf
so können
auch noch mehr Maschinenachsenbewegt werden, insbesondere gleichzeitig
bewegt werden. Der Bediener muss sich somit bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
keine Gedanken mehr machen, wie die von ihm, mittels der Bedieneinrichtung,
vorgegebene Bewegung anhand der Maschine zur Verfügung stehenden
Maschinenachsen, d. h. der tatsächlich
zur Verfügung
stehenden Kinematik, durchgeführt
wird.
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Weiterhin
weist die Erfindung auch noch den Vorteil auf, das falls die Steuereinrichtung
die geometrische Form des Werkstücks
und/oder des Werkzeugs kennt, die Bewegung des Werkstücks oder des
Werkzeugs von der Steuereinrichtung stets so durchgeführt werden
kann, dass keine Kollision zwischen Werkstück/Werkzeug und Maschinenelementen
bei der Bewegung auftritt.
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Ferner
sein an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich die
räumliche
Orientierung der Längsachse
auch auf andere Art und Weise, als im Ausführungsbeispiel beschrieben,
ermittelt werden kann. Das Bedienelement kann hierzu auch andere geeignete
Mittel zur Ermittlung der Orientierung der Längsachse des Bedienelements,
aufweisen.
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Die
Steuereinrichtung ist üblicherweise
als CNC-Steuerung ausgebildet.
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Weiterhin
sei angemerkt, dass das Betätigungselement
nicht unbedingt Bestandteil der Bedieneinrichtung sein muss, sondern
auch z. B. Bestandteil eines Bedienpults zur Bedienung der Werkzeugmaschine
sein kann.