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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine sowie ein Verfahren zur Fehlerkompensation einer Werkzeugmaschine.
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Werkzeugmaschinen werden im Allgemeinen z.B. zur Fräs-, Bohr-, Schleif-, Laser-, Schneide- und/oder Drehbearbeitung von Werkstücken eingesetzt.
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Bei einer Werkzeugmaschine können verschiedene geometrische Fehler auftreten. So können z.B. Positionierungs-, Geradheits-, Roll-, Knick-, Gier- und/oder Rechtwinkligkeitsfehler auftreten, die die Genauigkeit der Bearbeitung eines Werkstücks reduzieren. Bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen erfolgt deshalb zur Fehlerkompensation eine Vermessung der Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine mit einem externen, nicht zur Werkzeugmaschine gehörigen Laserinterferometer in unterschiedlichen Aufbauten vermessen wird und solchermaßen Fehlergrößen für die Fehlerkompensation bestimmt werden. Der Laserinterferometer und die zugehörigen Sensoreinrichtungen werden nach der Vermessung der Werkzeugmaschine wieder abgebaut. Nach einem gewissen Zeitraum (z.B. im 6-Monats-Intervall) wird bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen die Messprozedur wiederholt. Diese Vorgehensweise weist mehrere Nachteile auf. Zum einen wird in der Zwischenzeit auftretende Veränderungen der Maschinengeometrie nicht erfasst, zum anderen ist eine automatische Kalibrierung der Werkzeugmaschine, in der die Fehlergrößen automatisch ermittelt werden und entsprechende Kompensationswerte bestimmt werden, durch z.B. einen einfachen Knopfdruck durch den Bediener nicht möglich. Weiterhin kann auf kurzfristig auftretende Veränderungen, z.B. bedingt durch Temperatureinflüsse, nicht reagiert werden
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Aus dem Artikel „Lasergestütztes Fräsen mit laserstrahlintegriertem Werkzeug“ aus der Zeitschrift wt Werkstattechnik online, Jahrgang 96 (2006) H.6, Seite 425-427, sind Spindeln und Werkzeuge mit integriertem Laserstrahl bekannt.
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Aus der
EP 1302743 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, aufweisend eine eingebaute Laserstrahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls, eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des Laserstrahls, eine um eine Spindeldrehachse drehbare Spindelaufnahme, wobei die Richtung eines Laserstrahls mit der Richtung der Spindeldrehachse im Wesentlichen übereinstimmt, eine Steuereinrichtung, die die Bewegung der Spindel steuert, wobei von der Empfangseinrichtung Messdaten erzeugbar sind und wobei die Steuereinrichtung anhand der Messdaten ein Fehlermodell der Werkzeugmaschine erstellt.
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Aus der
GB 2150715 A ist bekannt, eine als Hohlwelle ausgebildete Spindel zu verwenden um einen von einer permanent in eine Werkzeugmaschine eingebauten Laserstrahlerzeugungseinrichtung erzeugten Laserstrahl von einer Sensoreinrichtung zu empfangen und die durch die Sensoreinrichtung erzeugten Messdaten an eine Steuereinrichtung zu übermitteln. Die erzeugten Daten werden unmittelbar zur Korrektur von Positionsdaten verwendet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Fehlerkompensation bei einer Werkzeugmaschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Werkzeugmaschine aufweisend,
- - eine permanent eingebaute Laserstrahlerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls,
- - eine permanent eingebaute Sensoreinrichtung zum Empfang des Laserstrahls,
- - eine um eine Spindeldrehachse drehbare Spindel,
wobei die Richtung eines Strahlungsabschnitts des Laserstahls mit der Richtung der Spindeldrehachse im Wesentlichen übereinstimmt und wobei der Strahlungsabschnitt des Laserstahls durch die als Hohlwelle ausgebildete Spindel verläuft,
- - eine Steuereinrichtung, die die Bewegung der Spindel steuert, wobei von der Sensoreinrichtung Messdaten erzeugbar und an die Steuereinrichtung übermittelbar sind, wobei die Steuereinrichtung anhand der Messdaten ein Fehlermodell der Werkzeugmaschine erstellt und/oder parametriert.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Fehlerkompensation einer Werkzeugmaschine, wobei von einer permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten Laserstrahlerzeugungseinrichtung ein Laserstrahl erzeugt und von einer permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten Sensoreinrichtung empfangen wird, wobei die Werkzeugmaschine eine um eine Spindeldrehachse drehbare Spindel aufweist,
wobei die Richtung eines Strahlungsabschnitts des Laserstahls mit der Richtung der Spindeldrehachse im Wesentlichen übereinstimmt, wobei der Strahlungsabschnitt des Laserstahls durch die als Hohlwelle ausgebildete Spindel verläuft, wobei von der Sensoreinrichtung Messdaten erzeugt werden und an eine Steuereinrichtung, die die Bewegung der Spindel steuert, übermittelt werden, wobei von der Steuereinrichtung anhand der Messdaten ein Fehlermodell der Werkzeugmaschine erstellt und/oder parametriert wird.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausbildungen der Werkzeugmaschine und umgekehrt.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Fehlermodell als Fehlertabelle ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Fehlermodells als Fehlertabelle, die z.B. die gemessenen geometrischen Fehlerwerte und/oder entsprechende Kompensationswerte enthält, stellt eine besonders einfache Form eines Fehlermodells dar. Selbstverständlich kann das Fehlermodell aber auch komplexer aufgebaut sein, wobei insbesondere bei komplexen Fehlermodellen das Fehlermodell auch schon vorhanden sein kann und lediglich die Parameter des Fehlermodels anhand der Messdaten ermittelt werden und das Fehlermodell mit den Parametern parametriert wird. Anhand des Fehlermodells können dann z.B. Offsetwerte zur Kompensation von der Steuereinrichtung während der Bearbeitung (online) bestimmt werden.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Strahlungsabschnitt des Laserstahls durch die Spindeldrehachse verläuft, da dann die geometrischen Fehler der Werkzeugmaschine mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden können, da die Lage des Strahlungsabschnitts des Laserstahls genau mit der Lage des Werkzeugs übereinstimmt.
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Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Werkzeugmaschine eine Umlenkeinrichtung zur Umlenkung des Laserstahls aufweist, wobei die Umlenkeinrichtung mittels eines automatischen Werkzeugwechslers der Werkzeugmaschine in eine Werkzeugaufnahmevorrichtung der Spindel einführbar ist, da dann die geometrischen Fehler der Werkzeugmaschine mit besonders hoher Genauigkeit bestimmt werden können, da die Lage der Umlenkeinrichtung genau mit der Lage des Werkzeugs übereinstimmt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine bei der Vermessung der Maschine in Z-Richtung,
- 2 eine Frontansicht der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine bei der Vermessung der Maschine in X-Richtung und
- 3 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine bei der Vermessung der Maschine in Y-Richtung.
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In 1 ist in Form einer schematisierten Ansicht eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 in einer Frontansicht dargestellt, wobei gerade die Z-Richtung der Maschine vermessen wird. Die Werkzeugmaschine 1 weist ein ruhendes Maschinenbett 3 auf, auf dem ein in X-Richtung verfahrbarer Querträger 4 angeordnet ist. Auf dem Querträger 4 ist eine Säule 5 angeordnet, entlang der ein Querhalter 6 in Z-Richtung verfahrbar ist. Am Querhalter 6 ist ein Spindelantrieb 7 angeordnet, der eine drehbar gelagerte Spindel 2, welche eine Werkzeugaufnahmevorrichtung 8 zur Aufnahme eines Werkzeugs aufweist, antreibt. Der Spindelantrieb 7 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Direktantrieb ausgebildet, so dass die Spindel 2 im Wesentlichen in Form einer Motorwelle vorliegt.
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Die Säule 5 ist weiterhin in Y-Richtung verfahrbar. Die Antriebssysteme zum Verfahren des Querträgers 4, der Säule 5 und des Querhalters 6 sind der Übersichtlichkeit halber und da sie für das Verständnis der Erfindung unwesentlich sind, nicht dargestellt. Die Spindel 2 kann solchermaßen in allen drei kartesischen Richtungen X, Y und Z mittels einer Steuereinrichtung 19, die z.B. in Form einer numerischen Steuerung vorliegen kann, verfahren werden. Auf dem Spindelantrieb 7 ist eine in die Werkzeugmaschine 1 permanent eingebaute Laserstrahlerzeugungseinrichtung 9 angeordnet, welche zur Vermessung der Werkzeugmaschine 1 einen Laserstrahl 10 erzeugt.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist die Spindel 2 als Hohlwelle ausgebildet, die um eine Spindeldrehachse 18 drehbar angeordnet ist. Der Laserstrahl 10 kann dabei in mehrere Strahlungsabschnitte unterteilt werden, wobei in 1 ein Strahlungsabschnitt 11a, der durch die als Hohlwelle ausgebildete Spindel 2 verläuft, mit einem Bezugszeichen versehen ist. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels ist dabei der Laserstrahl so geführt, dass der Strahlungsabschnitt 11a des Laserstrahls 10 durch die Spindeldrehachse 18 und in Richtung der Spindeldrehachse 18 verläuft und solchermaßen bezüglich Lage und Richtung im Raum mit der Spindeldrehachse 18 im Wesentlichen übereinstimmt, insbesondere übereinstimmt. Die Richtung des Strahlungsabschnitts 11a des Laserstahls 10 stimmt somit mit der Richtung der Spindeldrehachse 18 überein. Der Strahlungsabschnitts 11a des Laserstrahls 10 hat somit die gleiche Richtung und Position wie ein in die Aufnahmevorrichtung 8 eingeführtes Werkzeug, so dass die Werkzeugmaschine 1 mit besonders hoher Genauigkeit vermessen werden kann.
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Zur Messung der geometrischen Fehler der Maschine in Z-Richtung wird die Spindel 2 in Z-Richtung verfahren und solchermaßen Abweichungen der Maschinengeometrie in Z-Richtung erfasst (z.B. Positionierungs-, Geradheits-, Roll-, Knick-, Gier- und/oder Rechtwinkligkeitsfehler). Der Laserstrahl 10 trifft hierzu auf eine erste permanent in die Werkzeugmaschine 1 eingebaute Sensoreinrichtung 12 zum Empfang des Laserstrahls 10. Die Verfahrbewegungen der Spindel 2 werden von der Steuereinrichtung 19, die auch im Normalbetrieb die Verfahrbewegungen der Spindel 2 steuert, gesteuert. Weiterhin ist die Steuereinrichtung 19 zur Übermittlung von Daten mit der permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten Laserstrahlungserzeugungseinrichtung 9 und der permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten ersten Sensoreinrichtung 12 und einer permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten zweiten Sensoreinrichtung 13 und einer permanent in die Werkzeugmaschine eingebauten dritten Sensoreinrichtung 17 verbunden. Von den Sensoreinrichtungen 12, 13 und 17 werden Messdaten erzeugt und an die Steuereinrichtung 19 übermittelt, die die Bewegung der Spindel 2 steuert, wobei die Steuereinrichtung 19 anhand der Messdaten ein Fehlermodell erstellt. Das Fehlermodell ist dabei im einfachsten Fall in Form einer Fehlertabelle ausgebildet, die die Abweichungen der Lagesollwerte in Bezug zu den gemessenen Lageistwerten der Spindel in Form von Offsetwerten enthält. Mit Hilfe des ermittelten Fehlermodells können dann die geometrischen Fehlern der Werkzeugmaschine bei der anschließenden Bearbeitung eines Werkstücks 16 kompensiert werden, indem z.B. die Offsetwerte auf die entsprechenden Lagesollwerte addiert werden und die solchermaßen angepassten Lagesollwerte an einen Regelkreis zur Regelung der Verfahrbewegung der Spindel als Regelsollwerte weitergegeben werden. Die erste Sensoreinrichtung 12 dient dabei zur Vermessung der Werkzeugmaschine in Z-Richtung.
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In 2 ist schematisiert die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 1 bei der Vermessung der Werkzeugmaschine in X-Richtung dargestellt. Zur Vermessung der Werkzeugmaschine 1 in X-Richtung wird, mittels eines automatischen drehbar angeordneten Werkzeugwechslers 15 der Werkzeugmaschine, der bei handelsüblichen Maschinen ausschließlich dazu benutzt wird Werkzeuge in der Werkstückaufnahmevorrichtung 8 auszuwechseln, eine Umlenkeinrichtung 14 zur Umlenkung des Laserstrahls 10 in die Werkzeugaufnahmevorrichtung 8 automatisiert eingeführt. Dieser Vorgang wird ebenfalls von der Steuereinrichtung 19 gesteuert. Der Laserstrahl 10 weist dabei neben dem Strahlungsabschnitt 11a, der durch die Spindel 2 verläuft, einen weiteren Strahlungsabschnitt 11b auf, der in X-Richtung verläuft. Die Umlenkeinrichtung 14 kann z.B. in Form eines Spiegels vorliegen. Die Umlenkeinrichtung 14 wird dabei von der Werkzeugmaschine 1 im Prinzip wie ein Werkzeug behandelt. Der umgelenkte Laserstrahl 10 wird von der zweiten Sensoreinrichtung 13 empfangen. Durch Bewegen der Spindel 2 in X-Richtung mittels Verfahren des Querträgers 4 in X-Richtung werden die geometrischen Fehler der Werkzeugmaschine 1 in X-Richtung analog zu den geometrischen Fehler in Z-Richtung ermittelt. Es sein an dieser Stelle angemerkt, dass im Rahmen der Erfindung eine vom Werkzeugwechsler 15 gehaltene oder in die Werkzeugaufnahme 8 eingeführte Umlenkeinrichtung 14 als Bestandteil der Werkzeugmaschine angesehen wird.
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In 3 ist in Form einer schematisierten Darstellung eine Vorderansicht der Werkzeugmaschine 1 dargestellt. 3 stellt dabei die Vermessung der Werkzeugmaschine in Y-Richtung dar. Dabei sind in 3 nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Komponenten dargestellt. Mittels der Umlenkeinrichtung 14 wird der Strahlungsabschnitt 11b des Laserstrahls 10 auf die am Maschinenbett 3 angeordnete dritte Sensoreinrichtung 17 gelenkt, die den Laserstrahl 10 auswertet. Hierzu wird die Umlenkeinrichtung 14 gegenüber der Ausrichtung gemäß 2 um 90° um die Spindeldrehachse durch eine entsprechende Drehbewegung der Spindel 2 gedreht. Anschließend wird die Säule 5 in Y-Richtung verfahren und die geometrischen Fehler der Werkzeugmaschine 1 in Y-Richtung analog zu den geometrischen Fehlern in Z-Richtung ermittelt.
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Solchermaßen wird im Rahmen des Ausführungsbeispiels ein Fehlermodell in Form einer Fehlertabelle erstellt, mit Hilfe derer dann die Fehler kompensiert werden können.
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Selbstverständlich kann die Werkzeugmaschine neben der ersten, zweiten und dritten Sensoreinrichtung 12, 13 und 17 noch weitere Sensoreinrichtungen aufweisen, mit der analog z.B. so genannte Roll-, Nick- und Gierfehler der Werkzeugmaschine ermittelt und kompensiert werden können.
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Das Fehlermodell wird im nachfolgenden Betrieb der Maschine zur Fehlerkompensation verwendet.
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Die Erfindung erlaubt eine einfache und schnelle automatisierte Kalibrierung der Werkzeugmaschine, wodurch die Kalibrierung der Maschine in einem sehr engen Zeitraster durchgeführt werden kann und somit die Werkstücke wesentlich genauer gefertigt werden können, als bei bekannten Werkzeugmaschinen. Weiterhin können auch temperaturbedingte Geometriefehler der Maschine kompensiert werden. Durch Auswertung der zeitlichen Abfolge von verschiedenen Fehlertabellen kann außerdem eine langfristige Zustandsüberwachung der Werkzeugmaschine realisiert werden.
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Das Verfahren zur Fehlerkompensation kann dabei besonders einfach mit einem Knopfdruck oder einem Funktionsaufruf gestartet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt auch ein Verfahren zur Kalibrierung einer Werkzeugmaschine dar.
