DE102009021122A1

DE102009021122A1 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009021122A1
Application number: DE102009021122A
Authority: DE
Inventors: Meinolf Wolke
Original assignee: ELHA MASCHINENBAU LIEMKE KG; ELHA-MASCHINENBAU LIEMKE KG
Current assignee: ELHA MASCHINENBAU LIEMKE KG; ELHA-MASCHINENBAU LIEMKE KG
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-18

Abstract

Ein Verfahren zur Bearbeitung mindestens eines Werkstücks (2) durch ein zugeordnetes Werkzeug (3), wobei vor einem Eingriff des Werkzeugs (3) das Werkstück (2) und das Werkzeug (3) durch relatives Bewegen zueinander positioniert werden, ist ausgebildet durch folgende Merkmale: - der Abstand zwischen mindestens einem zum Werkstück (2) fest stehenden, radial zum Werkzeug (3) ausgerichteten Näherungslichen - das Werkstück (2) und/oder das Werkzeug (3) wird direkt oder indirekt entsprechend einem Differenzwert verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Um eine maßgenaue Bearbeitung eines Werkstücks durch ein insbesondere rotierendes spangebendes Werkzeug zu erreichen, sind Messeinrichtungen bekannt, mit denen die Position zwischen Werkstück und Werkzeug ermittelt und nach einem Soll-/Istwertvergleich ggf. korrigiert wird. Dabei kommt das bekannte Verfahren in Maschinensystemen zum Einsatz, bei denen entweder das Werkzeug zum Werkstück oder das Werkstück zum Werkzeug verfahren wird.
Die Positionsmessung findet bislang allerdings nicht dort statt, wo das Werkzeug unmittelbar zum Einsatz kommt, also im Zerspanungsbereich, sondern zumeist in einem spänegeschützten Maschinenraum, der mehr oder weniger weit vom Zerspanungsbereich entfernt liegt.
Aufgrund der räumlichen Trennung von Mess- und Zerspanungsstelle können geometrische Veränderungen, d. h. Differenzen zwischen diesen beiden Stellen auftre ten, die nicht unmittelbar erfassbar sind, sondern erst bei einer Analyse von Messprotokollen ersichtlich werden.
Die Ursachen solcher Differenzen sind zum einen Verformungen aufgrund von Bearbeitungskräften, die als systematische Fehler konstant, jedoch korrigierbar sind. Zum anderen bilden sich Verformungen aus Temperatureinflüssen, die nicht systematisch sind und daher nicht automatisch korrigiert werden können.
Solche Temperatureinflüsse ergeben sich z. B. durch ein Warmlaufen der Maschine aufgrund eines Warmlaufprogramms, durch Produktionsbeginn oder des Regelungsverhaltens einer angebrachten Temperierung, Temperaturunterschieden im Jahres- und Tagesverlauf (Winter/Sommer – morgens/abends/nachts), Temperaturunterschieden infolge kurzzeitiger äußerer Einflüsse, wie Sonnenbestrahlung durch Oberlicht, geöffnete Hallentore, Regelungsverhalten der Hallenheizung bzw. -kühlung, Temperaturunterschieden durch Unterbrechung des Arbeitszyklusses durch Pausen, Werkzeugwechsel, Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, Produktwechsel etc.
Die sich daraus ergebenden, bislang nicht erfassbaren Verformungen führen letztendlich zu einer ungenauen Positionierung von Werkstück und Werkzeug zueinander, die eine Bearbeitung des Werkstückes nur innerhalb eines relativ großen Toleranzbereiches zulässt. Sehr enge Bearbeitungstoleranzen, wie sie vielfach gefordert werden, sind mit den bisherigen Verfahren bzw. Vorrichtungen nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, damit eine exakte Positionierung von Werkzeug und Werkstück zueinander möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Entscheidend ist dabei, dass die Position des vorzugsweise rotierenden Werkzeugs in Bezug auf das zu bearbeitende Werkstück ermittelt wird. Dadurch werden Fehlereinflüsse, wie sie sich aus einem eventuell vorhandenen Taumelschlag oder aus einem Rundlauffehler vor allem bei lang auskragendem Werkzeug oder temperaturbedingten Ausdehnungen ergeben, eliminiert.
Durch die Erfindung kann beispielsweise während der Warmlaufphase, des Tagesverlaufs oder nach besonderen Ereignissen die Ist-Position des Werkzeugs zum Werkstück und/oder des Werkstücks zum Werkzeug ermittelt und ggf. korrigiert werden, wobei sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Positionsabweichungen im μm-Bereich prozesssicher erkennen lassen.
Prinzipiell kann der radiale Abstand zum rotierenden Werkzeug von jedem geeigneten Näherungssensor ermittelt werden, wonach rechnergesteuert das Werkzeug und/oder das Werkstück entsprechend einem von einem Sollwert abweichenden Differenzwert verfahren wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass bei Einsatz von Luftdüsen als Näherungssensoren, von denen mindestens zwei vorgesehen sind, die diametral gegenüberliegend angeordnet sind und in deren Ausströmbereich das rotierende Werkzeug positioniert ist, die sich gegenüberliegenden Düsen nacheinander um die gleiche Strecke radial zum Werkzeug verfahren werden.
Die sich ergebenden Staudrücke in den Düsen werden ermittelt und miteinander verglichen. Bei Erkennen einer Staudruckdifferenz kann beispielsweise durch einen Algorithmus oder durch eine direkte Abhängigkeit von Staudruckdifferenz zum Abstand Düse-Werkzeug die Position korrigiert werden, bis zur Aufhebung des Druckunterschieds, um so den ermittelten Wert als neuen Null-Punkt in der betreffenden Achse zu definieren.
Damit können mit weit auseinander liegenden Werkzeugen exakte, positionsidentische Folgeoperationen realisiert werden, z. B. Vorbohren/Fertigbohren mit einer Koaxialität von < 5 μm.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die mindestens eine Spannvorrichtung zum Halten eines Werkstücks aufweist und ein zugeordnetes drehbares Werkzeug, wobei die Spannvorrichtung und das Werkzeug relativ zueinander be wegbar sind, ist so ausgebildet, dass die Spannvorrichtung eine mit dem Werkzeug gleichgerichtete Aufnahme aufweist, deren Querschnittsabmaß größer ist als der Durchmesser des Werkzeuges, mit mindestens einem in der Wandung der Aufnahme angeordneten Näherungssensor.
Ein solcher Näherungssensor kann als elektrischer, vorzugsweise induktiver oder kapazitiver, magnetischer, optischer, beispielsweise als Scanner oder als die bereits erwähnte Luftdüse ausgebildet sein. Bei Einsatz der Luftdüsen sind mindestens zwei sich gegenüberliegende vorzusehen, die jeweils über einen eigenständigen Luftkanal mit Druckluft unter konstantem Druck gespeist werden.
Vorzugsweise sind vier, in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Düsen vorgesehen und zwar jeweils zwei in den radialen Bewegungsebenen.
Bei einer Werkzeugmaschine, bei der das Werkzeug ortsfest in einer Spindel gehalten ist, während die Spannvorrichtung und damit das Werkstück zum Werkzeug verfahrbar ist, wird die Spannvorrichtung im Bereich ihrer Aufnahme, die bevorzugt als Bohrung ausgebildet ist, so zum Werkzeug verfahren, das dies in die Bohrung eintaucht.
Auf der Basis der theoretischen Abmessungen sowohl der Bohrung wie auch des Werkzeugs wird die Spannvorrichtung radial zur Werkzeugachse in den genannten Ebenen verfahren, theoretisch so weit, dass die Düsen durch das rotierende Werkzeug verschlossen würden. Zur Vermeidung von Kollisionen wird jedoch ein minimaler Sicherheitsabstand zwischen der Düse und dem Werkzeug eingehalten.
Zweckmäßigerweise ist das Querschnittsabmaß der Aufnahme, bei einer Bohrung also der lichte Durchmesser, so dimensioniert, dass das im Durchmesser größte zum Einsatz kommende Werkzeug mit seiner Hüllgeometrie, also rotierend, kollisionsfrei platziert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch dann durchführen, wenn mehrere Spannvorrichtungen vorgesehen sind, die jeweils unabhängig voneinander verstellbar sind. Alternativ oder ergänzend können auch die zugeordneten Werkzeuge un abhängig voneinander verstellbar sein und zwar ebenso wie die Spannvorrichtungen in X-Y-Z-Richtung.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines in beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung nochmals beschrieben.
Dabei zeigen
1 einen Teilausschnitt einer Werkzeugmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung, gesehen in Richtung des Pfeiles II in 1
3 und 4 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung in unterschiedlichen Stellungen
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer perspektivischen, schaubildlichen Darstellung.
In der 1 ist eine in eine Werkzeugmaschine eingebaute Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstück 2 durch ein rotierendes Werkzeug 3, das in einer sich drehenden Spindel 4 ortsfest gehalten ist, dargestellt.
Das Werkstück 2 ist an einer Spannvorrichtung 1 befestigt, die relativ zum Werkzeug 3 bewegbar ist, wobei vor einem Eingriff des Werkzeugs 3 das Werkstück 2 durch Verfahren der Spannvorrichtung 1 zum Werkzeug 3 positioniert wird.
Um eine exakte Positionierung zu ermöglichen, ist in der Spannvorrichtung 1 eine mit dem Werkzeug 3 gleichgerichtete Aufnahme 5 in Form einer Bohrung vorgesehen, in die das rotierende Werkzeug 3 durch Verschieben der Spannvorrichtung 1 eintaucht.
In der Wandung der Aufnahme 5 sind radial ausgerichtete, in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete vier Düsen 6 vorgesehen, aus denen Druckluft austritt, in deren Ausströmbereich das rotierende Werkzeug 3 positioniert ist.
Die sich diametral gegenüberliegenden Düsen 6 werden mittels der Spannvorrichtung 1 nacheinander um die gleiche Strecke zum Werkzeug 3 verfahren, wie dies in den 3 und 4 sehr deutlich erkennbar ist. Je nach Abstand des Werkzeuges 3 zu der jeweiligen Düse 6 ergibt sich in dieser Düse 6 ein Staudruck, der mittels eines Manometers 7 ermittelt wird.
Die Differenz der Staudrücke, die sich aus den unterschiedlichen Abständen zwischen dem Werkzeug 3 und den jeweiligen Düsen 6 ergeben kann, bildet die Basis für eine folgende exakte Positionierung des Werkstücks 2 gegenüber dem Werkzeug 3.
In der 5 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zwei Spannvorrichtungen 1 aufweist, die auf einem gemeinsamen Träger 9 befestigt sind, wobei jede Spannvorrichtung 1 unabhängig von der anderen hydraulisch in X-, Y- und Z-Richtung bewegbar ist. Hierzu weist die jeweilige Spannvorrichtung 1 hydraulische Druckkammern 8 auf, die mit einer entsprechenden Steuerung in Wirkverbindung stehen, wobei die Spannvorrichtungen 1 relativ zum Träger 9 bewegbar gelagert sind.
Wie weiter zu erkennen ist, weist jede Spannvorrichtung 1 sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Richtung Aufnahmen 5 auf, in die jeweils ein Werkzeug 3 einführbar ist.

Claims

Verfahren zur Bearbeitung mindestens eines Werkstücks (2) durch ein zugeordnetes Werkzeug (3), wobei vor einem Eingriff des Werkzeugs (3) das Werkstück (2) und das Werkzeug (3) durch relatives Bewegen zueinander positioniert werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – der Abstand zwischen mindestens einem zum Werkstück (2) fest stehenden, radial zum Werkzeug (3) ausgerichteten Näherungssensor wird ermittelt und mit einem Soll-Wert verglichen – das Werkstück (2) und/oder das Werkzeug (3) wird direkt oder indirekt entsprechend einem Differenzwert verfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abstandsmessung das Werkzeug (3) rotiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus sich gegenüberliegenden, jeweils einen Näherungssensor bildenden Düsen Druckluft geführt wird, in deren Ausströmbereich das Werkzeug (3) positioniert ist, die sich ergebenden Staudrücke in den Düsen (6) ermittelt und miteinander verglichen werden und das Werkstück (2) und/oder das Werkzeug (3) direkt oder indirekt entsprechend einer Staudruck-Differenz verfahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich jeweils gegenüberliegenden Düsen (6) nacheinander um die gleiche Strecke radial zum Werkzeug (3) verfahren werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Düsen (6) geführte Druckluft unter konstantem Druck steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Staudruckdifferenz mit einem Soll-Staudruck verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) und das Werkzeug (3) bis unmittelbar an den Düsenaustritt relativ zueinander verfahren werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (6) und das Werkzeug (3) bis auf einen geringen Sicherheitsabstand zum Düsenaustritt zueinander verfahren werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) oder das Werkzeug (3) auf der Basis eines Algorithmus verfahren wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einer Spannvorrichtung (1) zum Halten eines Werkstücks (2) und einem zugeordneten drehbaren Werkzeug (3), wobei die Spannvorrichtung (1) und das Werkzeug (3) relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (1) mindestens eine mit dem Werkzeug (3) gleichgerichtete Aufnahme (5) aufweist, deren Querschnittsabmaß größer ist als der Durchmesser des Werkzeugs (3), und dass in der Wandung der Aufnahme (5) mindestens ein Näherungssensor angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Näherungssensoren mindestens zwei sich gegenüberliegende Düsen (6) vorgesehen sind, aus denen in Funktion radial zum Werkzeug (3) Druckluft austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder radialen Bewegungsebene der Spannvorrichtung (1) zwei Düsen (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (5) als Bohrung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Durchmesser der Bohrung größer ist als der größte Durchmesser eines zur Bearbeitung eingesetzten Werkzeugs (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (6) an eine separate, eigenständige Druckluftleitung angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Düse (6) an ein Manometer (7) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (1) gegenüber dem ortsfesten Werkzeug (3) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) gegenüber der Spannvorrichtung (1) radial bewegbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkzeuge (3) unabhängig voneinander radial bewegbar in einem Spindelkopf gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor als elektrischer, vorzugsweise induktiver oder kapazitiver, als magnetischer oder optischer Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannvorrichtungen (1) an einem Träger (9) gehalten sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Spannvorrichtungen (1) unabhängig voneinander in X-Y-Z-Richtung bewegbar sind.