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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zur Bearbeitung
von Werkstücken.
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Aus
der
DE 42 38 504 A1 ist
eine Werkzeugmaschine mit einer als Laserlichtschranke ausgebildeten
Werkzeug-Messeinrichtung bekannt. Die Werkzeug-Messeinrichtung dient
zur Vermessung eines Werkzeuges in Längs- und Querrichtung
vor der Bearbeitung des Werkstückes, wobei eine Abschwächung
oder Unterbrechung des Laserstrahls der Laserlichtschranke die Abmessungen
des zur Bearbeitung vorgesehenen Werkzeuges charakterisiert. Dadurch,
dass die Abmessungen und somit die Abnutzungen des Werkzeuges bekannt
sind, können diese bei der Bearbeitung des Werkstückes
berücksichtigt werden. Nachteilig ist, dass bei der Bearbeitung
des Werkstückes weitere Abnutzungen des Werkzeuges sowie
statische und dynamische Bearbeitungskräfte auftreten,
die bei hohen Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit zu einem
unzureichend genau bearbeiteten Werkstück führen
können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine
zu schaffen, die eine hochgenaue Bearbeitung von Werkstücken
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Werkzeugmaschine
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der
Erfindung besteht darin, dass die Werkzeug-Messeinrichtung eine Strahlungsquelle
aufweist, mittels der eine ionisierende elektromagnetische Strahlung
erzeugbar ist. Die ionisierende elektromagnetische Strahlung hat eine
Wellenlänge von weniger als 200 nm, insbesondere von weniger
als 100 nm und insbesonde re von weniger als 10 nm, so dass die Strahlung
ausreichend Energie aufweist, um Elektronen aus den Atomhüllen
der Atome des Werkstückmaterials und des Werkzeugmaterials
zu lösen. Derartige ionisierende elektromagnetische Strahlungen
sind eine kurzwellige Ultraviolettstrahlung oder eine Röntgenstrahlung.
Die Strahlungsquelle und der zugehörige Strahlungsdetektor
ermöglichen eine Vermessung mindestens einer Schneidkante
des Werkzeuges, wenn sich dieses bei der Bearbeitung in dem Werkstück
befindet. Abnutzungen des Werkzeuges sowie statische und dynamische
Bearbeitungskräfte können somit bei der Vermessung
des Werkzeuges während der Bearbeitung des Werkstückes
ermittelt und berücksichtigt werden, so dass eine hochgenaue
Bearbeitung des Werkstückes möglich ist.
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Eine
Ausbildung der Strahlungsquelle und des Strahlungsdetektors nach
Anspruch 2 ermöglicht die einfache Vermessung eines Werkzeuges,
das sich in einem beliebigen Werkstück zur Bearbeitung befindet.
Die bereitstellbare Röntgenstrahlung ist im Vergleich zu
kurzwelliger Ultraviolettstrahlung energiereicher, so dass auch
Werkstücke mit großen Abmessungen durchdringbar
sind.
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Durch
eine Weiterbildung nach Anspruch 3 ist eine feste räumliche
Zuordnung der Strahlungsquelle und des Strahlungsdetektors zu einem
in dem Werkzeugträger aufgenommenen Werkzeug möglich.
Der Aufwand zur Auswertung der detektierten Strahlung wird somit
minimiert. Gleichzeitig können die Strahlungsquelle und
der Strahlungsdetektor nahe an dem Werkzeugträger und somit
an einem Werkzeug angeordnet werden, so dass diese optimal dimensioniert
werden können. Insbesondere bei Werkzeugmaschinen mit relativ
zu dem Maschinengestell verfahrbaren Werkzeugträgern ist
dies vorteilhaft.
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Ein
CCD-Detektor nach Anspruch 4 ermöglicht in einfacher Weise
eine Auswertung der detektierten Strahlung. Da die detektierte Strahlung
in digitaler Form vorliegt, ist insbesondere eine Auswertung in
Echtzeit möglich.
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Eine
Strahlungsschutz-Abschirmung nach Anspruch 5 ermöglicht
den Schutz von Bedienpersonal vor der energiereichen Strahlung.
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Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
hochgenauen Bearbeitung von Werkstücken bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 6 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen
Werkzeugmaschine.
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Eine
Röntgenstrahlung nach Anspruch 7 ist energiereich genug,
um Werkstücke mit beliebigen Abmessungen durchdringen zu
können.
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Eine
Weiterbildung nach Anspruch 8 stellt eine unmittelbare Information über
die momentane Bearbeitungsgenauigkeit bei der Bearbeitung des Werkstückes
bereit.
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Eine
Anpassung nach Anspruch 9 ermöglicht das Ausgleichen von
Bearbeitungsfehlern bei der Bearbeitung des Werkstücks.
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Eine
Entfernung von Spänen nach Anspruch 10 stellt sicher, dass
die während des Bearbeitens des Werkstückes detektierte
Strahlung zuverlässig auswertbar ist. Störende
Späne können mittels der Späneentfernungseinrichtung
sicher entfernt werden.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer als Drehmaschine ausgebildeten
Werkzeugmaschine mit einer Werkzeug-Messeinrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
vergrößerte Darstellung der Werkzeug-Messeinrichtung
in 1,
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3 eine
im Bereich der Werkzeug-Messeinrichtung geschnittene Draufsicht
auf die Werkzeugmaschine in 1,
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4 einen
vergrößerten Ausschnitt im Bereich der Werkzeug-Messeinrichtung
in 3,
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5 eine
als Fräsmaschine ausgebildete Werkzeugmaschine mit einer
Werkzeug-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 eine
vergrößerte Darstellung der Werkzeug-Messeinrichtung
in 5,
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7 eine
im Bereich der Werkzeug-Messeinrichtung geschnittene Draufsicht
der Werkzeugmaschine in 5, und
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8 einen
vergrößerten Ausschnitt im Bereich der Werkzeug-Messeinrichtung
in 7.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein
erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Eine
als Drehmaschine ausgebildete Werkzeugmaschine 1 weist
ein Maschinengestell 2 auf, an dem ein Maschinenbett 3 befestigt ist.
Auf dem Maschinenbett 3 ist ein Werkstückträger 4 zur
Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks 5 angeordnet.
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Der
Werkstückträger 4 weist an einem ersten Ende
des Maschinenbetts 3 einen Spindelstock 6 mit einer
um eine Spindel-Drehachse 7 drehantreibbaren Arbeitsspindel 8 auf.
Zum Drehantrieb der Arbeitsspindel 8 ist ein elektrischer
Spindel-Antriebsmotor 9 vorgesehen. Der Spindelstock 6 ist
fest mit dem Maschinengestell 2 verbunden.
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Der
Werkstückträger 4 umfasst weiterhin einen
Reitstock 10, der an einem zweiten freien Ende des Maschinenbetts 3 angeordnet
ist. Der Reitstock 10 weist eine Zugspindel 11 auf,
die konzentrisch zu der Spindel-Drehachse 7 angeordnet
und um diese drehbar ist. Der Reitstock 10 ist in einer
horizontalen x-Richtung auf x-Führungsschienen 12 mittels
eines ersten elektrischen x-Antriebsmotors 13 verfahrbar, so
dass Werkstücke 5 unterschiedlicher Länge
zwischen dem Spindelstock 6 und dem Reitstock 10 aufnehmbar
sind. Die Spindel-Drehachse 7 verläuft parallel
zu der x-Richtung.
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Zwischen
dem Spindelstock 6 und dem Reitstock 10 befindet
sich ein Arbeitsraum 14, in dem ein Kreuzschlitten 15 angeordnet
ist. Der Kreuzschlitten 15 weist einen in der x-Richtung
verschiebbaren x-Schlitten 16 auf, der auf den x-Führungsschienen 12 auf
dem Maschinenbett 3 gelagert ist. Der Antrieb des x-Schlittens 16 erfolgt
mittels eines am Maschinenbett 3 angeordneten zweiten elektrischen
x-Antriebsmotors 17. Auf dem x-Schlitten 16 ist
ein z-Schlitten 18 auf z-Führungsschienen 19 in
einer horizontalen z-Richtung verschiebbar gelagert. Der Antrieb
des z-Schlittens 18 erfolgt mittels eines elektrischen
z-Antriebsmotors 20, der an dem x-Schlitten 16 angeordnet
ist.
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Auf
dem z-Schlitten 18 ist ein Werkzeugträger 21 befestigt,
in dem ein spanabhebendes Werkzeug 22 aufgenommen ist.
Das Werkzeug 22 weist eine Mittellängsachse 23 auf,
die im Wesentlichen in der z-Richtung verläuft. An einer
dem Werkstück 5 zugewandten Seite steht das Werkzeug 22 gegenüber
dem Werkzeugträger 21 hervor. An dem hervorstehenden
freien Ende weist das Werkzeug 22 eine Schneidkante 24 auf,
die in einer x-z-Ebene schräg zu der x- und z-Richtung
verläuft. Die Schneidkante 24 ist zum Abheben
von Spänen 25 durch Verfahren des Kreuzschlittens 15 mit
dem Werkstück 5 in Eingriff bringbar.
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Zur
Vermessung des im Werkstück 5 befindlichen Werkzeuges 22 weist
die Werkzeugmaschine 1 eine Werkzeug-Messeinrichtung 26 auf.
Die Werkzeug-Messeinrichtung 26 umfasst eine als Röntgenstrahlungsquelle
ausgebildete Strahlungsquelle 27 und einen zugehörigen
als Röntgenstrahlungsdetektor ausgebildeten Strahlungsdetektor 28.
Die Strahlungsquelle 27 ist derart ausgebildet, dass eine
ionisierende elektromagnetische Strahlung 29 in Form einer
Röntgenstrahlung erzeugbar ist. Die Ausbildung der Strahlungsquelle 27 entspricht
der bekannter Röntgenstrahlungsquellen. Der Strahlungsdetektor 28 ist
als CCD-Detektor (Charge Coupled Device) ausgebildet. Der Aufbau
von CCD-Detektoren ist prinzipiell bekannt.
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Die
Strahlungsquelle 27 und der Strahlungsdetektor 28 sind
relativ zu dem Werkzeugträger 21 und somit zu
dem Werkzeug 22 ortsfest angeordnet und relativ zu dem
Maschinengestell 2 mittels des Kreuzschlittens 15 in
der x-z-Ebene verfahrbar. Die Strahlungsquelle 27 ist mittels
eines ersten Trägerarms 30 derart an dem Werkzeugträger 21 angeordnet,
dass die Strah lung 29 in einer vertikalen y-Richtung senkrecht
zu der x-z-Ebene emittierbar ist und die Schneidkante 24 vollständig
im Strahlengang der Strahlung 29 liegt. Entsprechend ist
der Strahlungsdetektor 28 mittels eines zweiten Trägerarms 31 derart
an dem Werkzeugträger 21 angeordnet, dass die
Strahlung 29 im Wesentlichen senkrecht auftrifft. Die Strahlungsquelle 27 und
der Strahlungsdetektor 28 sind an verschiedenen Seiten
des Werkzeuges 22 angeordnet, so dass die emittierte Strahlung 29 zunächst
im Bereich der Schneidkante 24 auf das Werkzeug 22 und
das Werkstück 5 trifft und anschließend
von dem Strahlungsdetektor 28 detektiert wird.
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Zur
Ansteuerung des Spindel-Antriebsmotors 9, der x-Antriebsmotoren 13, 17,
des z-Antriebsmotors 20 sowie der Werkzeug-Messeinrichtung 26 ist
eine Steuereinheit 32 vorgesehen, die an dem Maschinengestell 2 angeordnet
ist. Weiterhin ist zum Auffangen von Spänen 25 unterhalb
des Maschinenbetts 3 eine Auffangwanne 33 an dem
Maschinengestell 2 befestigt. Zum Abschirmen der Strahlungsquelle 27 ist
eine Strahlungsschutz-Abschirmung 34 vorgesehen, die zumindest
die Strahlungsquelle 27 und den Strahlungsdetektor 28 vollständig
umgibt. Die Strahlungsschutz-Abschirmung 34, die in 3 lediglich
angedeutet ist, ist derart ausgebildet, dass die emittierte Strahlung 29 außerhalb
der Strahlungsschutz-Abschirmung 34 derart abgeschwächt
ist, dass keine Gefahr von gesundheitlichen Beeinträchtigungen
für Bedienpersonal besteht.
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Zum
Entfernen von den bei der Bearbeitung des Werkstückes 5 abgehobenen
Spänen 25 ist eine Späneentfernungseinrichtung 35 vorgesehen.
Die Späneentfernungseinrichtung 35 ist derart
ausgebildet und angeordnet, dass ein Strahl eines unter Druck befindlichen
Gases oder einer unter Druck befindlichen Flüssigkeit in
Kontakt mit den abgehobenen Spänen 25 bring bar
ist. Die Späneentfernungseinrichtung 35 ist in 3 angedeutet
und teilweise an dem Werkzeugträger 21 angeordnet.
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Die
Funktionsweise der Werkzeugmaschine 1 ist wie folgt:
Vor
der Bearbeitung des Werkstückes 5 wird zunächst
ein Referenzpunkt 36 der Schneidkante 24 relativ
zu einem maschinengestellfesten Koordinatensystem ermittelt. Der
Referenzpunkt 36 ist beispielsweise der dem Werkstück 5 am
nächsten gelegene Punkt der Schneidkante 24. Der
Referenzpunkt 36 wird mittels der Werkzeug-Messeinrichtung 26 bestimmt.
Hierzu emittiert die Strahlungsquelle 27 Strahlung 29,
die im Bereich der Schneidkante 24 auf das Werkzeug 22 trifft
und dieses durchdringt. Die das Werkzeug 22 durchdringende
Strahlung 29 wird in ihrer Intensität geschwächt,
so dass der Strahlungsdetektor 28 Strahlung 29 unterschiedlicher
Intensität detektiert, wobei der Verlauf der Schneidkante 24 sowie
die Position des Referenzpunktes 36 ermittelt wird. Aus
der bekannten Position des Kreuzschlittens 15 in der x-z-Ebene
wird in der Steuereinheit 32 die Position des Referenzpunktes 36 in
dem maschinengestellfesten Koordinatensystem errechnet.
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Das
in der Arbeitsspindel 8 und der Zugspindel 11 aufgenommene
Werkstück 5 wird zur Bearbeitung mittels des Spindel-Antriebsmotors 9 in
eine Rotation um die Spindel-Drehachse 7 versetzt. Für
die Bearbeitung des Werkstückes 5 wird der x-Schlitten 16 und
der z-Schlitten 18 entsprechend der gewünschten
Form des Werkstückes 5 in x-Richtung und z-Richtung
verlagert. Hierzu steuert die Steuereinheit 32 den zweiten
x-Antriebsmotor 17 und den z-Antriebsmotor 20 entsprechend
an. Während der Bearbeitung befindet sich die Schneidkante 24 in dem
Werkstück 5 und hebt Späne 25 von
dem Werkstück 5 ab.
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Zum
Vermessen des teilweise in dem Werkstück 5 befindlichen
Werkzeuges 22 emittiert die Strahlungsquelle 27 während
des Bearbeitens Strahlung 29, die im Bereich der Schneidkante 24 auf
das Werkzeug 22 und das Werkstück 5 trifft.
Die Strahlung 29 durchdringt das Werkzeug 22 und
das Werkstück 5, wobei die Strahlung 29 unterschiedlich
in ihrer Intensität geschwächt wird. Die das Werkzeug 22 und
das Werkstück 5 durchdrungene Strahlung 29 wird
von dem Strahlungsdetektor 28 detektiert, wobei aufgrund
der unterschiedlichen Intensität der detektierten Strahlung 29 eine
Bestimmung der Position und des Verlaufs der Schneidkante 24 in
dem Werkstück 22 möglich ist.
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Der
als CCD-Detektor ausgebildete Strahlungsdetektor 28 erzeugt
ein digitales Röntgenbild der Schneidkante 24,
das der Steuereinheit 32 übermittelt wird. Die
Steuereinheit 32 wertet das digitale Röntgenbild
aus und ermittelt die aktuelle Position und den aktuellen Verlauf
der in dem Werkstück 5 befindlichen Schneidkante 24.
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Während
der Bearbeitung des Werkstückes 5 wird die Schneidkante 24 abgenutzt.
Ferner treten bei der Bearbeitung statische und dynamische Bearbeitungskräfte
auf, die dazu führen, dass der Verlauf der Schneidkante 24 von
einem Soll-Verlauf 37 abweicht. Der Soll-Verlauf 37 der
Schneidkante 24 ist in 4 angedeutet.
Stellt die Steuereinheit 32 beim Auswerten der während
des Bearbeitens aufgenommenen Röntgenbilder fest, dass
der Verlauf der Schneidkante 24 von dem Soll-Verlauf 37 abweicht, so
wird der x-Schlitten 16 und/oder der z-Schlitten 18 derart
verlagert, dass der Verlauf der Schneidkante 24 wieder
dem Soll-Verlauf 37 angepasst wird.
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Stellt
die Steuereinheit 32 beim Auswerten der aufgenommenen Röntgenbilder
fest, dass der Verlauf der Schneidkante 24 aufgrund von
Spänen 25, die sich im Strahlengang der Strahlung 29 befinden,
nicht ermittelbar ist, so wird von der Steuereinheit 32 die
Späneentfernungseinrichtung 35 angesteuert. Die
Späneentfernungseinrichtung 35 erzeugt aus einem
unter Druck befindlichen Gas oder einer unter Druck befindlichen
Flüssigkeit einen Strahl in Richtung der Späne 25,
wobei der Strahl die Späne 25 aus dem Strahlengang
der Strahlung 29 entfernt. Aus den nachfolgend aufgenommenen
Röntgenbildern ist der Verlauf der Schneidkante 24 wieder
ermittelbar.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 ein
zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit
verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell
gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem nachgestellten „a". Der
wesentliche Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass die Werkzeugmaschine 1a als Fräsmaschine
ausgebildet ist. Das Maschinenbett 3a ist als y-Schlitten
ausgebildet, der in der vertikalen y-Richtung auf y-Führungsschienen 38 mittels
eines elektrischen y-Antriebsmotors 39 verschiebbar ist.
Der Werkstückträger 4a ist auf dem x-Schlitten 16a angeordnet
und relativ zu dem Maschinengestell 2a im Arbeitsraum 14a verlagerbar.
Der Werkzeugträger 21a ist als Arbeitsspindel 8a ausgebildet,
so dass das Werkzeug 22a um die Spindel-Drehachse 7a,
die der Mittellängsachse 23a des Werkzeuges 22a entspricht,
drehantreibbar ist. Das Werkzeug 22a weist mehrere Schneidkanten 24a auf,
wobei ungefähr die Hälfte der Schneidkanten 24a das
Werkstück 5a bearbeiten. Die Werkzeug-Messeinrichtung 26a ist
relativ zu dem Werkzeugträger 21a ortsfest angeordnet,
wobei der Werkzeugträger 21a wiederum ortsfest
zu dem Maschinengestell 2a ist.
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Bei
der Vermessung des Werkzeuges 22a wird der Verlauf aller
Schneidkanten 24a, die sich im Werkstück 5a befinden,
ermittelt. Hierzu emittiert die Strahlungsquelle 27a Strahlung 29 in
der horizontalen x-Richtung, die im Bereich der Schneidkanten 24a auf
das Werkzeug 22a trifft. Die in ihrer Intensität unterschiedlich
geschwächte Strahlung 29 wird nach dem Durchdringen
des Werkstückes 5a und des Werkzeuges 22a von
dem Strahlungsdetektor 28a detektiert. Aus den digitalen
Röntgenbildern wird die Schneidkante 24a ermittelt,
die die größte Bearbeitungstiefe aufweist. Der
Verlauf dieser Schneidkante 24a wird an einen Soll-Verlauf 37a angepasst,
indem der Werkstückträger 4a mittels
des Kreuzschlittens 15a entsprechend in dem Arbeitsraum 14a verfahren wird.
Die an dem Maschinengestell 2a im Bereich des Werkzeuges 22a angeordnete
Späneentfernungseinrichtung 35a entfernt im Strahlengang
der Strahlung 29 befindliche Späne 25a.
Hinsichtlich der weiteren Funktionsweise der Werkzeugmaschine 1a, insbesondere
der Werkzeug-Messeinrichtung 26a, wird auf die Funktionsweise
des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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