DE102008051878A1

DE102008051878A1 - Verfahren und Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerung an Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE102008051878A1
Application number: DE102008051878A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Dipl.-Ing. Schauerte; Christian Prof. Dr.-Ing. Brecher; Christan Dr.-Ing. Wenzel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Es werden ein Verfahren sowie ein Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen (16) vorgestellt. Dabei wird eine zur Erfassung der Verlagerung zu vermessende Hilfsmessstrecke (8) mittels eines Hilfselements (4, 33-38) auf eine Hilfsmessstrecke (9) verkürzt, wobei die Art der Fixierung des Hilfselements (4, 33-38) sowie das Material des Hilfselements (4, 33-38) derart gewählt werden, dass die Länge des Hilfselements (4, 33-38) durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird. Die Längenänderungen der Hilfsmessstrecke (9) werden mittels eines Sensors erfasst. Dabei kann ein Messsystem vorgesehen werden, mit dem mehrere Messstrecken (8) gleichzeitig oder nacheinander vermessen werden können, wobei die Messstrecken (8) in unterschiedliche Raumrichtungen ausgerichtet sein können. Das Messsystem kann autark ausgebildet sein und an bestehenden Werkzeugmaschinen nachgerüstet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen sowie ein hierfür geeignetes Messsystem mit mindestens einem einen Sensorkopf aufweisenden Sensor sowie einer Auswerteeinheit.
Aus der WO 2005/115687 A1 ist ein Messsystem bekannt, das ein Verfahren sowie ein Messsystem der eingangs genannten Art offenbart. Dieses Messsystem dient dazu, die Position eines Werkzeuges relativ zum Werkstück an einer Werkzeugmaschine mit möglichst hoher Genauigkeit zu bestimmen. Hierfür sind unterschiedliche Rahmen vorgesehen, an denen das Werkzeug bzw. das Werkstück fixiert sind. Mit Hilfe von Laserstrahlung und Interferometrieverfahren werden die Positionen der Rahmen relativ zueinander bestimmt. Die Rahmen werden dabei bewusst über Schlittensysteme relativ zueinander verfahren. Einzelne der Sensoren sind dabei für relativ grobe Bewegungen mit niedrigerer Messgenauigkeit ausgelegt, andere Sensoren messen kleinere Bewegungen mit höherer Genauigkeit. Der Aufbau des Rahmensystems ist komplex.
Bei ultrapräzisen Bearbeitungsmaschinen können während der Bearbeitung auftretende ungewollte Längenänderungen, z. B. im Maschinenbett, für das Arbeitsergebnis derart kritisch sein, dass das erzeugte Werkstück nicht den Genauigkeitsanforderungen genügt. Die Längenänderungen können mechanisch, z. B. in Folge der Bearbeitungskräfte, insbesondere aber auch thermisch bedingt sein, z. B. aufgrund von Änderungen in der Umgebungstemperatur. Letzterem kann man durch Verwendung von Maschinenbauelementen begegnen, die einen möglichst geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dies ist allerdings mit entsprechenden Kosten verbunden und führt gegebenenfalls noch nicht zur gewünschten Genauigkeit, da keine für ein Maschinenbett geeigneten Materialien bekannt sind, die einen Ausdehnungskoeffizienten von Null aufweisen. Somit ist es insbesondere für hochpräzise Bearbeitungsmaschinen notwendig, thermisch oder mechanisch bedingte Verlagerungen, insbesondere im Maschinenbett, zu erfassen und bei der Steuerung oder Regelung des Werkzeuges zu berücksichtigen.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen zur Verfügung zu stellen, die an verschiedensten Maschinen eingesetzt werden können und mit einfachen Mitteln eine für ultrapräzise Bearbeitungsmaschinen hinreichende Genauigkeit zur Verfügung stellen.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe gelöst, indem eine zur Erfassung der Verlagerung zu vermessende Hilfsmessstrecke mittels eines Hilfselements auf eine Hilfsmessstrecke verkürzt wird, wobei die Art der Fixierung des Hilfselements sowie das Material des Hilfselements derart gewählt werden, dass die Länge des Hilfselements durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, und Längenänderungen der Hilfsmessstrecke mittels eines Sensors erfasst werden.
Mittels des Hilfselements wird eine z. B. thermisch bedingte Verlagerung der Endpunkte der Messstrecke relativ zueinander im Wesentlichen 1:1 auf die vorteilhafterweise deutlich kürzere Hilfsmessstrecke übertragen. Diese kürzere Hilfsmessstrecke erlaubt den Einsatz von entsprechend kurzreichweitigen Sensoren, die über die Länge der ursprünglichen Messstrecke nicht einsetzbar wären. Durch den kürzeren Messbereich kann zudem eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden.
Durch Temperaturänderungen bedingte thermische Verlagerungen sind in ihrem absoluten Wert linear abhängig von der Länge der zu vermessenden Strecke, so dass bei gegebener Temperaturänderung die relative Verlagerung der beiden Endpunkte der Messstrecke zueinander um so größer ist, je länger die Messstrecke ist. Andererseits kann eine längere Messstrecke für den Einsatz hochgenauer Sensoren zu lang sein oder eine verminderte Messgenauigkeit zur Folge haben, so dass die bei langer Messstrecke gegebene relativ starke absolute Verlagerung nicht mit der gewünschten Präzision erfasst werden kann. Das Hilfselement selbst ist thermisch so stabil, dass die die Verlagerung verursachende Temperaturänderung auf seine Länge nur eine vernachlässigbare Auswirkung hat. Somit wird durch das Hilfselement die absolute Verlagerung nahe an den Sensor herangebracht, wodurch an Messgenauigkeit gewonnen werden kann. Auf diese Weise werden die Vorteile einer langen Messstrecke mit hoher absoluter Verlagerung mit den Vorteilen eines hochgenauen Sensors relativ niedriger Reichweite miteinander verknüpft.
Dieses Verfahren ist ohne weiteres auf bereits bestehenden Maschinen einsetzbar, so dass deren Bearbeitungsgenauigkeit erhöht werden kann. Andererseits kann für neu zu errichtende Bearbeitungsmaschinen der kostenträchtige Zwang entfallen, für eine Koch- oder ultrahochpräzise Bearbeitung ein Maschinenbett aus einem Material mit besonders niedrigem Ausdehnungskoeffizienten vorzusehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass zumindest teilweise als Material für das Hilfselement ein Faserverbundwerkstoff, z. B. ein kohlefaserverstärkter Kunststoff, mit einem gegenüber dem die Hilfsmesstrecke bestimmenden Material der Werkzeugmaschine deutlich geringerem Ausdehnungskoeffizienten verwendet wird.
So können als Hilfselemente z. B. handelsübliche pultrudierte Rohre (Hohlstäbe) aus Epoxidharz mit Kohlenstofffaserverstärkung mit einem Ausdehnungskoeffizienten von –0,1 μm/K·m eingesetzt werden.
Zur Erfassung der Längenänderung der Hilfsmessstrecke kann insbesondere Laserstrahlung eingesetzt werden. Hierzu bieten sich interferometrische Messverfahren, z. B. unter Einsatz von Lichtleitfasern an. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, als Hilfsstäbe pultrudierte Rohre zu nutzen, wie sie vom Institut für Produktionstechnologie der Fraunhofergesellschaft entwickelt wurden (siehe z. B. WO 02/30304 ). Ein solches Rohr hat z. B. einen Außendurchmesser von 0,8 mm und weist im Inneren eine Quarzhohlfaser mit einem Innendurchmesser von 312 μm auf. In diesem Fall kann bei Einsatz eines faseroptischen Sensors eine Lichtleitfaser des Sensors in die Quarzhohlfaser eingeklebt werden. Alternativ wird die Quarzhohlfaser durch die Lichtleitfaser ersetzt und somit die Sensorleitung direkt in den Hilfsstab eingearbeitet. Wird der Lichtleiter durch den Hilfsstab hindurch geführt, bildet das vordere Ende des Hilfsstabes den Sensorkopf für einen interferometrischen Sensor.
Als alternative Messmethode ist es möglich, zur Erfassung der Längenänderung der Hilfsmessstrecke einen Induktionssensor oder einen kapazitiv messenden Sensor einzusetzen. Ohne die Reduktion der zu vermessenden Strecke mittels des Hilfselements wäre der Einsatz induktiv oder kapazitiv messender Sensoren nicht möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass das Hilfselement federnd gelagert ist. Dabei kann bereits die Fixierung des Hilfselements am Maschinenbett federnd sein. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass mögliche Erschütterungen des Maschinenbetts sich nicht schädlich auf die Messung auswirken.
Eine Lagerung kann insbesondere bei sehr ausgedehnten Hilfselementen zwingend sein. Dabei darf die Lagerung nur einen möglichst geringen Einfluss auf die Position und insbesondere auf die Länge des Hilfselements haben.
Daher kann es vorteilhaft sein, das erfindungemäße Verfahren so auszuführen, dass das Hilfselement luftgelagert oder gleitgelagert, z. B. mittels Teflon-Lager, wird.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass an der Werkzeugmaschine eine Verlagerungserfassung in mehreren unterschiedlichen Messstrecken erfolgt. Je nach Ausrichtung der Messstrecken kann die Verlagerung in unterschiedlichen Raumrichtungen festgestellt werden. Es ist aber auch möglich, parallele Messstrecken vorzusehen, die senkrecht zu ihrer Ausrichtung einen bestimmten Abstand aufweisen. Zeigen sich in den beiden Messstrecken unterschiedliche Verlagerungen, so kann bei bekanntem Abstand der Messstrecken zueinander eine thermisch oder mechanisch bedingte Biegebewegung festgestellt werden.
Schließlich ist es vorteilhaft, die erfassten Verlagerungen für die Steuerung oder Regelung der Werkzeugmaschine zu verwenden. Die Zuführung der erfassten Verlagerungen zur Maschinensteuerung oder -regelung führt zu einer erhöhten Bearbeitungsgenauigkeit.
Bei einem Messsystem der eingangs genannten Art wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch mindestens ein Hilfselement, wobei das Material des Hilfselements derart gewählt ist, dass die Länge des Hilfselements durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, und das Hilfselement an seinem einen Ende eine mit dem Sensor zusammenwirkende Referenzstelle aufweist.
Alternativ kann diese Aufgabe auch gelöst werden durch mindestens ein Hilfselement, wobei das Material des Hilfselements derart gewählt ist, dass die Länge des Hilfselements durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, wobei der Sensorkopf an einem Ende des Hilfselements angeordnet ist.
Die beiden Lösungsansätze unterscheiden sich also dadurch voneinander, dass in einem Fall mittels des Hilfselements eine mit dem Sensorkopf zusammenwirkende Referenzstelle, z. B. ein Spiegel für einen interferometrischen Sensorkopf, nahe an den Sensorkopf herangebracht wird, während im anderen Falle mit Hilfe des Hilfselements der Sensorkopf nahe an eine an der Werkzeugmaschine befindliche Referenzstelle gebracht wird. Die Referenzstelle kann ein Teil der Werkzeugmaschine sein oder aber durch ein an der Werkzeugmaschine fixiertes Referenzelement zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhafte Ausbildungsformen des erfindungsgemäßen Messsystems sind durch die abhängigen Ansprüche 14 bis 20 gegeben.
Das erfindungsgemäße Messsystem ist aufgrund seines einfachen Aufbaus leicht für unterschiedliche Bearbeitungsmaschinen adaptierbar weshalb ein und dasselbe Messsystem auch an verschiedenen Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden kann.
Im Falle eines flexiblen Materials des Hilfselements ist es möglich, dieses zu biegen und somit für ungerade Hilfsmessstrecken einzusetzen. So können bei bestehenden Bearbeitungsmaschinen gegebene Stufen oder sonstige Hindernisse überwunden oder in sonstiger Weise gekrümmte Messstrecken verwendet und ansonsten notwendige Bohrungen vermieden werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausbildungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt
1: einen interferometrischen Sensorkopf sowie einen an einem Maschinenbett befestigten Hilfsstab mit Referenzspiegel vor und nach einer Verlagerung,
2: eine zu 1 ähnliche Anordnung, bei der jedoch der Sensorkopf am Hilfselement angeordnet ist und der Referenzspiegel am Maschinenbett,
3: eine Anordnung von zwei parallel zueinander verlaufenden Messstrecken vor und nach einer rein translatorischen Verlagerung,
4: eine Anordnung gemäß 3 jedoch für den Fall einer Biegeverlagerung,
5: einen luftgelagerten Hilfsstab,
6: einen federgelagerten Hilfsstab,
7: einen gleitgelagerten Hilfsstab,
8: ein Messsystem mit mehreren Messstrecken an einer Werkzeugmaschine und
9: einen vergrößerten Ausschnitt aus 8.
Die 1a) und b) zeigen zwei Zustände vor (a)) und nach (b)) einer an einem Maschinenbett 1 aufgetretenen Verlagerung, z. B. aufgrund einer Erhöhung der Umgebungstemperatur. Am Maschinenbett ist ein Sensorkopf 2 z. B. durch Kleben fixiert. In einem Hohlraum 3 des Maschinenbetts 1 ist am Maschinenbett 1 ein Hilfsstab 4 aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff fixiert. Am vorderen Ende des Hilfsstabs 4 ist ein Referenzspiegel 5 angeordnet, auf den die Laserstrahlung 6 des Sensorkopfes 2 gerichtet ist. Die Laserstrahlung 6 wird mittels einer Lichtleitfaser 7 von einer hier nicht dargestellten Laserquelle zum Sensorkopf 2 geführt. Die vom Referenzspiegel reflektierte Laserstrahlung 6 wird in hier nicht dargestellter Weise einer Auswerteeinheit zugeführt, die z. B. ein Interferometer umfasst.
Eine Hilfsmessstrecke 8 ist nun beispielsweise durch das vordere Ende des Sensorkopfes 2 und das hintere Ende des Hohlraums 3 definiert. Der Absolutwert der thermischen Verlagerung des hinteren Endes des Hohlraums 3 relativ zum Sensorkopf ist linear abhängig von der Länge der Messstrecke 8. Eine Veränderung der geometrischen Verhältnisse im Maschinenbett aufgrund einer Temperaturänderung kann also am besten bei langen Messstrecken 8 festgestellt werden. Mittels des Hilfsstabs 4, der gegenüber dem Material des Maschinenbetts 1 einen erheblich geringeren Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wird der Referenzspiegel 5 in die Nähe des Sensorkopfes 2 gebracht. Wie im Vergleich der 1a) und 1b) erkennbar ist, vollzieht aufgrund des geringen Ausdehnungskoeffizienten des Hilfsstabs 4 der Referenzspiegel 5 relativ zum Sensorkopf 2 im Wesentlichen die gleiche Bewegung wie das hintere Ende des Hohlraums 3. So wird aufgrund der Längenausdehnung die Messstrecke um das Stück Δm vergrößert. Um Δm verlängert sich dann auch die durch den Hilfsstab 4 erzeugte, gegenüber der Messstrecke 8 wesentlich kürzere Hilfsmessstrecke 9. Im Falle kürzerer Messstrecken können jedoch Sensoren mit erheblich höherer Messgenauigkeit eingesetzt werden.
2 zeigt eine zu 1 entsprechende Situation, wobei zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet werden. Die Darstellung in 2 unterscheidet sich von der in 1 dadurch, dass der Sensorkopf 2 am Hilfsstab 4 angeordnet und der Referenzspiegel 5 am Maschinenbett 1 fixiert ist. Die Zuleitung der Laserstrahlung 6 durch die Rückseite des Hohlraums 3 ist in 2 nicht dargestellt, kann aber ebenfalls durch Lichtleitfasern erfolgen.
3 zeigt zwei parallel zueinander liegende Messstrecken vor (a)) und nach (b)) einer Verlagerung. Wie in 1 sind die Sensorköpfe 2 und 2' am Maschinenbett 1 fixiert. Die Referenzspiegel 5 und 5' sind jeweils an einem Hilfsstab 4 bzw. 4' befestigt. Die Verlagerung Δm ist für beide Messstrecken gleich.
In 4 hingegen, in der der gleiche Aufbau wie in 3 gezeigt ist, ist es zu einer Biege-Verlagerung des Maschinenbetts 1 gekommen, möglicherweise durch einen erheblichen Temperaturgradienten innerhalb des Maschinenbetts 1. Dementsprechend hat sich die in den 4a) und b) unten dargestellte Messstrecke deutlich stärker verlängert als die obere Messstrecke, was mit den Sensorköpfen 2 und 2' festgestellt werden kann.
In den 1 bis 4 ist die Fixierung des Hilfsstabes lediglich schematisch dargestellt. Bei längeren Messstrecken 8 kann es jedoch notwendig sein, den Hilfsstab 4 zu lagern, um ein Verbiegen und eine zu starke Beanspruchung der Fixierungsstelle zu vermeiden.
In 5 ist beispielhaft ein Hilfsstab 4 gezeigt, der in zwei Luftlagern 10 und 10' gelagert ist. Die Luftlagerung ist nahezu reibungsfrei, so dass die Längenausdehnung des Maschinenbetts 1 keinen negativen Einfluss auf die Länge und Stabilität des Hilfsstabs 4 haben kann.
6 zeigt eine Federlagerung des Hilfsstabs. Hierdurch werden nur relativ geringe Kräfte auf den Hilfsstab 4 ausgeübt. Die hintere Feder 11, die sowohl am Maschinenbett 1 als auch am Hilfsstab 4 befestigt ist, ist in axialer Richtung des Hilfsstabes mit einer hohen Federkonstanten versehen. Vordere Federn 12 und 12' sind ebenfalls am Maschinenbett 1 sowie an einem Fixierungselement 13 befestigt, welches wiederum starr mit dem Hilfsstab 4 verbunden ist. Die Federkonstanten der Federn 12 und 12' sind in axialer Richtung des Hilfsstabes 4 deutlich geringer als die der hinteren Feder 11, so dass bei einer Längenänderung der Messstrecke 8 die vorderen Federn 12 in besagter axialer Richtung auseinander gezogen werden, während die hintere Feder 11 im Wesentlichen stabil bleibt. Ein hier nicht dargestellter, ebenfalls am Maschinenbett 1 fixierter Sensorkopf würde sich somit bei einer Längenausdehnung der Messstrecke 8 in entsprechender Weise vom vorderen Ende 14 des Hilfsstabes 4 entfernen.
7 zeigt eine Lagerung des Hilfsstabes 4 in Gleitlagern 15, z. B. aus Teflon, wodurch eine Gleitreibung mit geringer Reibungskraft gegeben ist.
8 schließlich zeigt ein beispielhaftes Messsystem an einer Werkzeugmaschine 16. Die Werkzeugmaschine 16 umfasst ein Maschinenbett 17, einen Spindelkasten 18 mit einer Spindel 19 sowie einen Werkzeugschlitten 20, der als Werkzeug einen Meißel 21 trägt. An der Spindel 19 ist das zu verarbeitende Werkstück 22 fixiert. Der Werkzeugschlitten 20 ist in Z-Richtung verfahrbar, während der Spindelkasten 18 relativ zum Maschinenbett 17 in X-Richtung und in Y-Richtung verfahrbar ist. Die jeweiligen Positionen des Spindelkastens 18 sowie des Werkzeugschlittens 20 werden z. B. mittels Linearmaßstäben festgestellt und für die Steuerung der Bewegung des Meißels 21 relativ zum Werkstück 22 eingesetzt.
9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Übergangs vom Maschinenbett 17 zum Werkzeugschlitten 20. Dort ist schematisch ein Linearmaßstab 23 dargestellt, der mit einem Maßstabsensorkopf 24 zusammenwirkt, um die Relativposition des Werkzeugschlittens zum Maschinenbett 17 zu erfassen. Der Linearmaßstab 23 ist über eine Verschraubung 25 am Maschinenbett 17 fixiert. Je nach Anwendung wird auch die Winkelposition der Spindel 19 erfasst und für die Steuerung des Werkzeuges 21 verwendet.
Bei der Fertigung ultrahochpräziser Werkstücke 22 können die mittels der Linearmaßstäbe, wie z. B. 23, erreichbaren Genauigkeiten hinsichtlich der Relativpositionen der beteiligten Werkzeugteile zu gering sein. Insbesondere können Temperaturschwankungen zu Änderungen, z. B. in der Längsausdehnung des Maschinenbetts 17 führen. Auch mechanische Belastungen können ungewünschte Verlagerungen innerhalb der Werkzeugmaschine 16 verursachen, die mit den Linearmaßstäben nicht erfassbar sind. Zur Erfassung derartiger Verlagerungen werden Lagerungssensoren eingesetzt, von denen in den 8 und 9 lediglich die Sensorkopfpositionen 26 bis 32 angedeutet sind. Die Verlagerungssensoren wirken mit Referenzelementen zusammen, die ebenfalls nicht im Einzelnen dargestellt sind, aber sich in unmittelbarer Nähe zu den Positionen 26 bis 32 der Verlagerungssensorköpfe befinden und in der in den 1 bis 7 dargestellten Weise zusammenwirken. Der Verlagerungssensorkopf in der Position 26 ist am vorderen Ende eines Hilfsstabes 33 angeordnet, der mit einem hinteren Ende am Maschinenbett 17 fixiert ist, während das nicht gesondert dargestellte Referenzelement, das mit dem Verlagerungssensor im Bereich der Position 26 zusammenarbeitet, ebenfalls am Maschinenbett 17 fixiert ist. Der Hilfsstab 33 ist ansonsten z. B. über hier nicht dargestellte Gleitlager gelagert.
Auftretende Verlagerungen des Maschinenbetts 17 in Z-Richtung übertragen sich nicht auf den temperaturstabilen, also einen allenfalls geringen Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Hilfsstab 33, so dass z. B. bei einer Zunahme der Länge des Maschinenbetts 17 in Z-Richtung der Abstand zwischen dem vorderen Ende des Hilfsstabs 32 und dem nicht dargestellten Referenzelement wächst. Diese Abstandszunahme wird mittels des Sensorkopfes am vorderen Ende des Hilfsstabs 33 festgestellt. In entsprechender Weise werden die Verlagerungen des Spindelkastens 18 relativ zum Maschinenbett 17 über den Hilfsstab 34 und die Verlagerung der Spindel 19 relativ zur Mitte des Spindelkastens 18 mit dem Hilfsstab 35 und den an den Positionen 27 bzw. 28 angeordneten Sensorköpfen festgestellt. Das nicht sichtbare Referenzelement zu dem am vorderen Ende des Hilfsstabs 34 angeordneten Sensorkopf ist in hier nicht dargestellter Weise am Spindelkasten 18 fixiert. Der am vorderen Ende des Hilfsstabes 35 angeordnete Sensorkopf (Position 28) wirkt mit einem Referenzelement zusammen, das sich mit der Spindel 19 dreht, ist also z. B. ringförmig an der Spindel 19 angebracht ist. Dabei ist es sinnvoll, den Verlagerungssensor des an der Position 28 vorgesehenen Sensorkopfes so auszulegen, dass damit eine eventuelle Unwucht der Spindel 19 feststellbar ist. Mittels des Hilfsstabs 36 (siehe auch 9) wird eine eventuelle Verlagerung der Verschraubung 25 des Linearmaßstabs 23 relativ zum vorderen Ende des Maschinenbetts 17 festgestellt. Mittels des Hilfsstabs 37, der z. B. am Maßstabssensorkopf 24 fixiert ist, lässt sich eine Verlagerung in Z-Richtung innerhalb des Werkzeugschlittens 20 feststellen. Hilfsstab 38 dient der Erfassung einer Verlagerung in Y-Richtung innerhalb des Werkzeugschlittens 20, so wie Hilfsstab 38 dazu dient, eine Verlagerung in Z-Richtung des Meißelträgers 39 festzustellen.
Somit werden sämtliche relevanten translatorischen Verlagerungsmöglichkeiten überwacht und erfasst. Die über die Verlagerungssensoren mit ihren Köpfen an den Positionen 26 bis 32 festgestellten Verlagerungen werden in einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet und für die Steuerung des Meißels 21 verwendet, wodurch ultrahochpräzise Bearbeitungen von Werkstücken 22 möglich werden.

1: Maschinenbett
2: Sensorkopf
3: Hohlraum
4: Hilfsstab
5: Referenzspiegel
6: Laserstrahlung
7: Lichtleitfaser
8: Messstrecke
9: Hilfsmessstrecke
10: Luftlager
11: hintere Feder
12: vordere Feder
13: Fixierungselement
14: vorderes Ende
15: Teflonlager
16: Werkzeugmaschine
17: Maschinenbett
18: Spindelkasten
19: Spindel
20: Werkzeugschlitten
21: Meißel
22: Werkstück
23: Linearmaßstab
24: Maßstabsensorkopf
25: Verschraubung
26 bis 32: Positionen der Verlagerungssensorköpfe
33 bis 38: Hilfsstäbe
39: Meißelträger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/115687 A1 [0002]
- WO 02/30304 [0011]

Claims

Verfahren zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen (16), bei dem a) eine zur Erfassung der Verlagerung zu vermessende Messstrecke (8) mittels eines Hilfselements (4, 33–38) auf eine Hilfsmessstrecke (9) verkürzt wird, wobei die Art der Fixierung des Hilfselements (4, 33–38) sowie das Material des Hilfselements (4, 33–38) derart gewählt werden, dass die Länge des Hilfselements (4, 33–38) durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, und b) Längenänderungen der Hilfsmessstrecke (9) mittels eines Sensors erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise als Material für das Hilfselement (4, 33–38) ein Faserverbundwerkstoff, z. B. ein kohlefaserverstärkter Kunststoff, mit einem gegenüber dem die Messtrecke (8) bestimmenden Material der Werkzeugmaschine (16) deutlich geringerem Ausdehnungskoeffizienten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Längenänderung der Hilfsmessstrecke (9) Laserstrahlung (6) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Längenänderung der Hilfsmessstrecke (9) ein Induktionssensor eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Längenänderung der Hilfsmessstrecke (9) ein kapazitiv messender Sensor eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (4, 33–38) federnd gelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (4, 33–38) luftgelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (4, 33–38) gleitgelagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugmaschine eine Verlagerungserfassung in mehreren unterschiedlichen Messstrecken (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecken (8) in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Vielzahl von Messstrecken (8) die Verlagerungen in unterschiedlichen translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgraden erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Verlagerungen für die Steuerung oder Regelung der Werkzeugmaschine (16) verwendet werden.
Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen (16) mit mindestens einem einen Sensorkopf (2) aufweisenden Sensor sowie einer Auswerteeinheit, gekennzeichnet, durch mindestens ein Hilfselement (4, 33–38), wobei das Material des Hilfselements (4, 33–38) derart gewählt ist, dass die Länge des Hilfselements (4, 33–38) durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, und das Hilfselement (4, 33–38) an seinem einen Ende eine mit dem Sensor zusammenwirkende Referenzstelle (5) aufweist.
Messsystem zur Erfassung thermisch oder mechanisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen mit mindestens einem einen Sensorkopf (2) aufweisenden Sensor sowie einer Auswerteeinheit, gekennzeichnet, durch mindestens ein Hilfselement (4, 33–38), wobei das Material des Hilfselements (4, 33–38) derart gewählt ist, dass die Länge des Hilfselements (4, 33–38) durch die Ursachen der zu erfassenden Verlagerung nicht oder in möglichst geringer Weise beeinflusst wird, wobei der Sensorkopf an einem Ende des Hilfselements (4, 33–38) angeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens ein an der Werkzeugmaschine (16) fixierbares und mit dem Sensorkopf (2) oder einem der Sensorköpfe (2) zusammenwirkendes Referenzelement (5).
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hilfselement (4, 33–38) zumindest teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff, z. B. einem kohlefaserverstärktem Kunststoff, besteht.
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (4, 33–38) stabförmig ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (4, 33–38) flexibel ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch an der Werkzeugmaschine (16) fixierbare Lagerelemente für das mindestens eine Hilfselement (4, 33–38).
Messsystem nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem so hergerichtet ist, dass bereits bestehende Werkzeugmaschinen (16) damit nachrüstbar sind.