DE102009042991B3 - Method for concentricity optimization of a machine tool - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten Spindel 1, in welche lösbar eine mit einem Werkzeug 2 versehene Werkzeugaufnahme 3 einsetzbar ist, wobei die Werkzeugaufnahme 3 nacheinander mehrfach mit unterschiedlichen Drehwinkelpositionen in die Spindel 1 eingespannt wird und dabei in jeder Drehwinkelposition zumindest ein Rundlauffehler gemessen wird, wobei eine Bestimmung der Winkelpositionen mit dem minimalen Gesamt-Rundlauffehler erfolgt und für eine nachfolgende Bearbeitung eines Werkstücks die Werkzeugaufnahme 3 dann in dieser Drehwinkelposition in die Spindel 1 eingesetzt wird.The invention relates to a method for optimizing the concentricity of a machine tool with a rotatably mounted spindle 1 into which a tool holder 3 provided with a tool 2 can be detachably inserted, the tool holder 3 being clamped into the spindle 1 several times in succession with different rotational angle positions and thereby in At least one concentricity error is measured for each angular position, the angular positions being determined with the minimum total concentricity error and the tool holder 3 then being inserted into the spindle 1 in this angular position for subsequent machining of a workpiece.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten Spindel, in welche lösbar eine mit einem Werkzeug versehene Werkzeugaufnahme einsetzbar ist.The invention relates to a method for concentricity optimization of a machine tool with a rotatably mounted spindle, in which releasably provided with a tool tool holder is used.

Spanende Werkzeugmaschinen führen die Bearbeitung von Werkstücken häufig mit Hilfe eines rotierenden Bearbeitungswerkzeuges aus, z. B. Fräsmaschinen oder Schleifmaschinen. Für den Materialabtrag sind an dem rotierenden Bearbeitungswerkzeug einige wenige bestimmte oder eine Vielzahl von unbestimmten Schneiden angebracht. Diese schneiden durch Rotation des Bearbeitungswerkzeuges entsprechend der gewünschten Bearbeitung das Material aus dem zu bearbeitenden Werkstück heraus. Das Bearbeitungswerkzeug wird dazu von einer Hauptspindel angetrieben und gleichzeitig an dieser gelagert.Cutting machine tools often perform the machining of workpieces with the aid of a rotating machining tool, for. As milling or grinding machines. For the material removal, a few specific or a plurality of indefinite cutting edges are attached to the rotating machining tool. These cut by rotation of the machining tool according to the desired machining the material out of the workpiece to be machined. The machining tool is driven by a main spindle and stored at the same time.

Um in einer Maschine unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben an einem oder mehreren Werkstücken automatisch vornehmen zu können, wird ein automatischer Werkzeugwechsel in der Werkzeugmaschine vorgesehen. Dazu wird das Bearbeitungswerkzeug in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen, an deren Enden jeweils eine Schnittstelle vorgesehen ist. Eine Schnittstelle dient zur Aufnahme des Bearbeitungswerkzeuges an der Werkzeugaufnahme, z. B. über eine Spannzange, die auf den Durchmesser des Schaftes des Bearbeitungswerkzeuges abgestimmt ist. Die andere gegenüberliegende Schnittstelle dient zur Aufnahme der Werkzeugaufnahme mit dem eingespannten Bearbeitungswerkzeug an einer Hauptspindel. Über diese Schnittstelle wird die Werkzeugaufnahme mit dem Bearbeitungswerkzeug gelagert und das notwendige Drehmoment für die Bearbeitung von der Hauptspindel über die Werkzeugaufnahme in das Bearbeitungswerkzeug übertragen. Bekannt aus der Technik sind HSK-Schnittstellen (Hohlschaftkegel), Steilkegelschnittstellen und andere.In order to automatically perform different machining tasks on one or more workpieces in a machine, an automatic tool change is provided in the machine tool. For this purpose, the processing tool is received in a tool holder, at the ends of each interface is provided. An interface is used to hold the machining tool on the tool holder, z. B. via a collet, which is tuned to the diameter of the shank of the machining tool. The other opposite interface serves to receive the tool holder with the clamped machining tool on a main spindle. About this interface, the tool holder is stored with the machining tool and transferred the necessary torque for machining of the main spindle on the tool holder in the machining tool. Known from the art are HSK interfaces (hollow taper shank), steep taper interfaces and others.

Für das Bearbeitungsergebnis ist eine hohe Rundlaufgüte der Schneiden des Bearbeitungswerkzeuges, d. h. ein minimaler Gesamt-Rundlauffehler, wünschenswert. Dieser wird durch

  • – den Einzelrundlauffehler der Hauptspindel,
  • – den Einzelrundlauffehler der Werkzeugaufnahme und
  • – den Einzelrundlauffehler des Bearbeitungswerkzeuges
verursacht. Im ungünstigsten Fall addieren sich diese Einzelrundlauffehler zu einem maximalen Gesamt-Rundlauffehler.For the machining result, a high concentricity of the cutting edges of the machining tool, ie a minimum total concentricity error, desirable. This one is going through
  • The single runout error of the main spindle,
  • - The single rotation error of the tool holder and
  • - The single runout error of the machining tool
caused. In the worst case, these single runout errors add up to a maximum total runout error.

Die Einspannung des Bearbeitungswerkzeuges in die Werkzeugaufnahme wird außerhalb der Werkzeugmaschine vorgenommen. Eine Kontrolle und eventuelle Optimierung des sich ergebenden Rundlauffehlers von Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug ist mit entsprechender Messtechnik vorab außerhalb der Werkzeugmaschine möglich und bekannt. Entsprechende Geräte stehen zur Kontrolle und Optimierung des Rundlaufes von Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug zur Verfügung. Jedoch wird auch bei optimaler Technik ein Restrundlauffehler des Systems Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug verbleiben.The clamping of the machining tool in the tool holder is made outside the machine tool. A control and eventual optimization of the resulting concentricity error of tool holder with clamped machining tool is possible and known with appropriate measurement technology in advance outside the machine tool. Corresponding devices are available for controlling and optimizing the concentricity of the tool holder with a clamped machining tool. However, even with optimum technology, a residual runout error of the system tool holder with clamped machining tool will remain.

Aus der DE 10 2005 043 659 A1 ist ein Verfahren bekannt, mit welchem drehantreibbare Werkzeuge hinsichtlich von Rundlauffehlern kontrolliert werden können, wobei ein Radius an dem Werkzeug ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird, um einen Vergleichswert zu erhalten, wobei bei Verletzung eines Grenzwerts durch den Vergleichswert ein neuer Referenzwert unter Verwendung des Radius ermittelt und der vorherige Referenzwert durch den neuen Referenzwert ersetzt wird.From the DE 10 2005 043 659 A1 a method is known with which rotary drivable tools can be checked for concentricity errors, wherein a radius is determined on the tool and compared with a reference value to obtain a comparison value, wherein in violation of a limit by the comparison value, a new reference value using the Radius is determined and the previous reference value is replaced by the new reference value.

Die DE 103 60 917 A1 zeigt einen Werkzeughalter, welcher an einem Längsabschnitt wenigstens einen Aktorenkörper aus elektrostriktivem Material aufweist, welcher unter Änderung eines auf ihn einwirkenden elektrischen Potentials seine Längenabmessung in wenigstens einer Raumrichtung ändert, wobei der Aktorenkörper mit einem elektrischen Potential beaufschlagbar in Kraftübertragungsbeziehung mit dem Werkzeughalter vorgesehen ist, so dass der Aktorenkörper bei einer Änderung seiner Längenabmessung eine Kraft auf den Werkzeughalter ausübt.The DE 103 60 917 A1 shows a tool holder which has at least one actuator body made of electrostrictive material on a longitudinal section, which changes its length dimension in at least one spatial direction changing an electric potential acting on it, wherein the actuator body is provided with an electric potential acted upon in force transmission relationship with the tool holder, so that the actuator body exerts a force on the tool holder when changing its length dimension.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine zu schaffen, welches bei einfacher Anwendung eine Minimierung des Rundlauffehlers ermöglicht.The invention has for its object to provide a method for concentricity optimization of a machine tool, which allows for simple application minimizing the runout.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.According to the invention the object is achieved by the combination of features of claim 1, the dependent claims show further advantageous embodiments of the invention.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die aus der Werkzeugaufnahme und dem Werkzeug bestehende Einheit so in die Spindel (Spindelwelle) einzusetzen, dass sich ein Gesamt-Rundlauffehler ergibt, der erheblich minimiert ist. Es ist somit möglich, eine optimierte Bearbeitung eines Werkstücks durchzuführen, bei der sich beispielsweise eine erhebliche Steigerung der Oberflächengüte ergibt. Ein weiterer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass durch die Minimierung des Rundlauffehlers das Werkzeug weniger belastet wird, so dass die Bruchgefahr, insbesondere bei Mikrowerkzeugen, erheblich vermindert wird.According to the invention, it is thus possible to insert the unit consisting of the tool holder and the tool into the spindle (spindle shaft) so as to produce a total concentricity error which is considerably minimized. It is thus possible to carry out an optimized machining of a workpiece, which results in, for example, a considerable increase in the surface quality. Another advantage of the method according to the invention is that by minimizing the Concentricity error the tool is less stressed, so that the risk of breakage, especially in micro tools, is significantly reduced.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher Weise bei einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine eingesetzt werden, ohne dass erhebliche zusätzliche bauliche Änderungen durchgeführt werden. Vielmehr ist es lediglich erforderlich, den Vorgang des Einsetzens und des Spannens der Werkzeugaufnahme in die Spindel mehrfach in unterschiedlichen Drehwinkel-Positionen vorzunehmen. Die Werkzeugaufnahme selbst kann mit dem zugehörigen Werkzeug erfindungsgemäß in üblicher Weise bereitgestellt werden, so dass hierbei keine weiteren Maßnahmen, weder konstruktiver noch verfahrenstechnischer Weise, benötigt werden.The inventive method can be used in a simple manner in a program-controlled machine tool without significant additional structural changes are performed. Rather, it is only necessary to make the operation of inserting and clamping the tool holder in the spindle several times in different rotational angle positions. The tool holder itself can be provided with the associated tool according to the invention in a conventional manner, so that in this case no further measures, either constructive or procedural manner, are needed.

Erfindungsgemäß kann auch die Messung mittels einer üblicherweise an einer Werkzeugmaschine bereits vorhandenen Messeinrichtung erfolgen, beispielsweise einer Lasermesseinrichtung.According to the invention, the measurement can also take place by means of a measuring device which is usually already present on a machine tool, for example a laser measuring device.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Montage der Werkzeugaufnahme an der Spindel kann in einfacher Weise durch Drehung der Spindel mittels des Spindelantriebs erfolgen. Die Drehung zum Einsetzen in unterschiedlichen Drehwinkelpositionen kann an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. So ist es möglich, die unterschiedlichen Drehwinkelpositionen mit sehr kleinen Drehwinkeln vorzusehen oder beispielsweise nach einer 180°-Drehung der Spindel.The inventively provided mounting the tool holder on the spindle can be done in a simple manner by rotation of the spindle by means of the spindle drive. The rotation for insertion in different rotational angle positions can be adapted to the respective conditions. So it is possible to provide the different angular positions with very small angles of rotation or for example after a 180 ° rotation of the spindle.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, den aus den Einzelrundlauffehlern der Hauptspindel und der Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug sich ergebenden Gesamt-Rundlauffehler, der sich aus der Spannung der Werkzeugaufnahme mit Bearbeitungswerkzeug an der Hauptspindel ergibt, dadurch zu optimieren, dass eine optimale Winkellage der Werkzeugaufnahme mit Bearbeitungswerkzeug relativ zur Hauptspindel ermittelt wird.According to the invention, it is thus provided that the total concentricity error resulting from the individual running errors of the main spindle and the tool holder with a clamped machining tool resulting from the clamping of the tool holder with the machining tool on the main spindle can be optimized by optimizing an optimum angular position of the tool holder with a machining tool to the main spindle is determined.

Dazu ist es vorteilhaft, einen Typ Werkzeugaufnahme vorzusehen, der bezüglich der relativen Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme beliebige Winkel für die Spannung der Werkzeugaufnahme in der Hauptspindel zulässt. Dies ist beispielsweise bei Hohlschaftkegelaufnahmen (HSK-Aufnahmen) des Typs E der Fall. An diesen Werkzeugaufnahmen sind keine Mitnehmer vorgesehen, so dass das für die Bearbeitung erforderliche Drehmoment von der Hauptspindel über die Werkzeugaufnahme auf das Bearbeitungswerkzeug lediglich durch Reibschluss zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme übertragen wird. Dafür ist die Lagerung (Spannung) der Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel in beliebiger relativer Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme möglich.For this purpose, it is advantageous to provide a type tool holder, which allows any angle with respect to the relative angular position between the main spindle and tool holder for the voltage of the tool holder in the main spindle. This is the case, for example, with hollow shaft taper receptacles (HSK receptacles) of the E type. At this tool holders no drivers are provided, so that the torque required for machining is transmitted from the main spindle on the tool holder on the machining tool only by frictional engagement between the main spindle and tool holder. For the storage (voltage) of the tool holder on the main spindle in any relative angular position between the main spindle and tool holder is possible.

Die Hauptspindel kann in ihrer relativen Winkellage zur Werkzeugaufnahme (Drehlage) frei positioniert werden, bevor die Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel gespannt wird.The main spindle can be freely positioned in its relative angular position to the tool holder (rotational position) before the tool holder is clamped to the main spindle.

Wenn eine derart im Drehwinkel frei positionierbare Werkzeugaufnahme mit gespanntem Bearbeitungswerkzeug an der Hauptspindel gelagert wird, kann dies im ungünstigsten Fall dazu führen, dass sich der Einzelrundlauffehler der Hauptspindel und der Einzelrundlauffehler des Systems Werkzeugaufnahme mit gespanntem Bearbeitungswerkzeug gerade addieren und somit maximieren. Durch einfache Vektorgraphik in einer gewählten XY-Ebene wird dies deutlich.If such a freely positionable in the rotation angle tool holder is stored with a tensioned machining tool on the main spindle, this may lead to the worst case, the Einzelrundlauffehler the main spindle and the single runout error of the system tool holder with tense machining tool just add and thus maximize. Simple vector graphics in a selected XY plane make this clear.

Im günstigsten Fall subtrahieren und somit minimieren sich beide Einzelrundlauffehler zu einem minimalen Gesamt-Rundlauffehler.In the best case, subtract and thus minimize both single round trip errors to a minimum total concentricity error.

Außerdem gibt es zahlreiche Möglichkeiten zwischen diesem Maximum und Minimum des Gesamt-Rundlauffehlers, wie aus einer weiteren Vektorgraphik in der XY-Ebene ersichtlich ist, abhängig von der relativen Winkellage der Werkzeugaufnahme zu der Hauptspindel während der Spannung der Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel.In addition, there are numerous possibilities between this maximum and minimum of total runout, as evidenced by another vectorial graphic in the XY plane, depending on the relative angular position of the tool holder to the main spindle during the tensioning of the tool holder on the main spindle.

Erfindungsgemäß wird somit eine optimale relative Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme bestimmt, für die der Gesamt-Rundlauffehler minimal ist. Im Stand der Technik ist es nicht möglich, diese Winkellage automatisch zu bestimmen. Es ergibt sich vielmehr ein zufälliger mal größerer und mal kleinerer Gesamt-Rundlauffehler, abhängig von der zufällig gewählten Winkellage.Thus, according to the invention, an optimum relative angular position between the main spindle and the tool holder is determined, for which the overall concentricity error is minimal. In the prior art, it is not possible to automatically determine this angular position. Rather, it results in a random times larger and sometimes smaller total runout, depending on the randomly selected angular position.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, eine Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug mehrfach in verschiedenen relativen Winkellagen an der Hauptspindel zu spannen und für jede Spannung jeweils den Gesamt-Rundlauffehler des Bearbeitungs-Werkzeuges in der Werkzeugmaschine mit einem geeigneten Messmittel, z. B. einem Messlaser in der Werkzeugmaschine, zu vermessen.According to the invention is thus provided to clamp a tool holder with clamped machining tool multiple times in different relative angular positions on the main spindle and for each voltage in each case the total concentricity error of the machining tool in the machine tool with a suitable measuring means, eg. B. a measuring laser in the machine tool to measure.

Aus diesen Messungen kann auf verschiedene Weise auf die relative Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug geschlossen werden, für die der sich ergebende Gesamt-Rundlauffehler minimal wird.From these measurements can be concluded in various ways on the relative angular position between the main spindle and tool holder with clamped machining tool for which the resulting total concentricity error is minimal.

Erfindungsgemäß ist möglich, die optimale relative Winkellage iterativ zu bestimmen oder über einen geeigneten mathematischen Ansatz aus den Messergebnissen zu berechnen.According to the invention, it is possible to iteratively determine the optimum relative angular position or to calculate it from the measurement results by means of a suitable mathematical approach.

Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen ist es wünschenswert, den sich ergebenden Gesamt-Rundlauffehler direkt an den Schneiden zu messen. In order to achieve the highest possible accuracy, it is desirable to measure the resulting total concentricity error directly at the cutting edges.

Die Messung des Gesamt-Rundlauffehlers und/oder der Winkellage des Gesamt-Rundlauffehlers des Bearbeitungswerkzeuges in der Werkzeugmaschine kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, das rotierende, über die Werkzeugaufnahme an der Spindel gelagerte Bearbeitungswerkzeug mit geringer Vorschubgeschwindigkeit in den Laserstrahl eines Messlasers in der Werkzeugmaschine zu verfahren, bis dieser unterbrochen wird.The measurement of the total concentricity error and / or the angular position of the total concentricity error of the machining tool in the machine tool can take place in various ways. An advantageous possibility according to the invention is to move the rotating machining tool, which is mounted on the spindle via the tool holder, at a low feed rate into the laser beam of a measuring laser in the machine tool until it is interrupted.

In der Praxis wird auch bei exakt gleicher relativer Winkellage zwischen der Spindel (Hauptspindel) und Werkzeugaufnahme bei mehrfacher Spannung der Gesamt-Rundlauffehler auf Grund von Setzeffekten, leichten Unterschieden bei dem Einzug der Werkzeugaufnahme in die Hauptspindel etc. der Gesamt-Rundlauffehler immer etwas variieren. Auch das Messmittel, z. B. ein in der Werkzeugmaschine verbauter Messlaser, hat eine Messtoleranz, innerhalb derer die Messergebnisse schwanken. Derart, verursachte Ungenauigkeiten verfälschen die Optimierung des Gesamt-Rundlauffehlers, da die Eingangsdaten bereits mit gewissen Fehlern behaftet sind. Um die Auswirkungen dieser Fehler zu minimieren, ist es sinnvoll, redundante Messungen durchzuführen und die Berechnung der optimalen relativen Winkellage mit geeigneten numerischen Verfahren durchzuführen, die die Fehler minimieren, z. B. mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate.In practice, even with exactly the same relative angular position between the spindle (main spindle) and tool holder with multiple tension of the total concentricity error due to set effects, slight differences in the insertion of the tool holder in the main spindle, etc., the overall runout always vary slightly. Also, the measuring means, z. B. a built-in machine tool measuring laser, has a measurement tolerance within which vary the measurement results. Such inaccuracies caused falsify the optimization of the total runout error, since the input data already with certain errors are affected. To minimize the effects of these errors, it makes sense to perform redundant measurements and perform the calculation of the optimal relative angular position with appropriate numerical methods that minimize the errors, e.g. B. with the method of least squares.

Abhängig von der Qualität der Messergebnisse kann eine zusätzliche abschließende Kontrolle der ermittelten optimalen relativen Winkellage vorteilhaft sein. Dazu wird die Werkzeugaufnahme mit dem Bearbeitungswerkzeug in der berechneten optimalen relativen Winkellage an der Hauptspindel gespannt, der Gesamt-Rundlauffehler für diese Spannung gemessen und mit dem sich rechnerisch für diese relative Winkellage ergebenden Gesamt-Rundlauffehler verglichen. Die Abweichung zwischen berechnetem und gemessenem optimalen Gesamt-Rundlauffehler kann ein Kriterium für die Güte des Verfahrens sein, nach dem eventuelle weitere Maßnahmen eingeleitet werden, z. B. der Beginn der Bearbeitung oder weitere Messungen zur weiteren Optimierung.Depending on the quality of the measurement results, an additional final check of the determined optimum relative angular position may be advantageous. For this purpose, the tool holder is clamped with the machining tool in the calculated optimum relative angular position on the main spindle, the total concentricity error measured for this voltage and compared with the arithmetically for this relative angular position resulting total concentricity error. The deviation between calculated and measured optimum total runout can be a criterion for the quality of the method, after which any further action can be taken, eg. As the beginning of processing or further measurements for further optimization.

Bei Werkzeugschnittstellen, die keine beliebige Winkellage für die Spannung der Werkzeugaufnahme zulassen, ist erfindungsgemäß ebenfalls eine eingeschränkte Optimierung möglich. Bei zahlreichen Werkzeugschnittstellen, bei denen das Drehmoment über Mitnehmer übertragen wird, sind zumindest zwei Spannungen in um 180° versetzten Winkellagen möglich. In diesem Fall ist die Optimierung zwar eingeschränkt, aber es kann zumindest die günstigere der beiden Spannungen ermittelt werden. Sind mehr als zwei Winkellagen für die Spannung der Werkzeugaufnahme möglich, kann der Rundlauffehler entsprechend den Spannmöglichkeiten weiter optimiert werden.In the case of tool interfaces which do not allow any desired angular position for the tension of the tool holder, a limited optimization is likewise possible according to the invention. In many tool interfaces, in which the torque is transmitted via drivers, at least two voltages in angular positions offset by 180 ° are possible. Although the optimization is limited in this case, at least the more favorable of the two voltages can be determined. If more than two angular positions for the clamping of the tool holder are possible, the concentricity error can be further optimized according to the clamping possibilities.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:In the following the invention will be described by means of an embodiment in conjunction with the drawing. Showing:

1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Spindel mit Werkzeugaufnahme und Werkzeug, 1 a schematic, perspective view of a spindle according to the invention with tool holder and tool,

2 eine vergrößerte Detailansicht der in 1 gezeigten Anordnung, und 2 an enlarged detail view of in 1 shown arrangement, and

3–6 Vektorgraphiken. 3 - 6 Vector graphics.

Die 1 zeigt in perspektivischer, stark vereinfachter Darstellung, eine Spindel 1 (Spindelwelle). Diese weist, wie sich aus der vergrößerten Darstellung der 2 ergibt, eine Rotationsachse 4 auf. An der Spindel 1 ist eine Werkzeugaufnahme 3 lösbar befestigt, welche eine Achse 5 einer Passbohrung umfasst, in welche ein Werkzeug 2 lösbar eingesetzt ist, welches eine Achse 6 aufweist.The 1 shows in perspective, greatly simplified representation, a spindle 1 (Spindle shaft). This has, as can be seen from the enlarged view of 2 gives, an axis of rotation 4 on. At the spindle 1 is a tool holder 3 releasably secured, which is an axle 5 a pilot hole into which a tool 2 is detachably inserted, which is an axis 6 having.

Wie sich insbesondere aus der Darstellung der 2 ergibt, sind die drei Achsen 4, 5 und 6 nicht kongruent, sondern seitlich zueinander versetzt. Hierdurch ergibt sich bei der Drehung der gesamten Anordnung um die Rotationsachse 4 der Spindel 1 an einer nicht dargestellten Schneide des Werkzeugs 2 ein Rundlauffehler.As can be seen in particular from the presentation of 2 results are the three axes 4 . 5 and 6 not congruent, but offset laterally to each other. This results in the rotation of the entire arrangement about the axis of rotation 4 the spindle 1 on a cutting edge, not shown, of the tool 2 a runout.

Die 3–5 zeigen jeweils Vektorgraphiken. Dabei ist in 3 in einer X-Y-Ebene ein ungünstigster Fall dargestellt, bei welchem sich ein Einzelrundlauffehler A der Spindel 1 mit einem Einzelrundlauffehler B der Werkzeugaufnahme 3 mit eingespanntem Werkzeug 2 addieren, so dass sich ein resultierender Gesamt-Rundlauffehler C ergibt, welcher eine maximale Größe aufweist.The 3 - 5 each show vector graphics. It is in 3 an unfavorable case is shown in an XY plane, in which a single-round error A of the spindle 1 with a single run error B of the tool holder 3 with clamped tool 2 so as to give a resultant total runout C having a maximum size.

In 4 ist eine Situation dargestellt, welche einen günstigsten Fall darstellt, in welchem sich die Einzelrundlauffehler A und B subtrahieren, so dass sich nur ein minimaler resultierender Gesamt-Rundlauffehler C ergibt.In 4 a situation is shown which represents a favorable case in which the single-round errors A and B are subtracted, so that only a minimal resulting total concentricity error C results.

Die 5 zeigt eine Vektorgraphik, aus welcher sich die Addition der Einzelrundlauffehler A und B zu dem resultierenden Gesamt-Rundlauffehler C besonders deutlich darstellen lässt. Wenn in mehreren unterschiedlichen Drehwinkelpositionen derartige Messungen vorgenommen werden, zeigt sich, dass der resultierende Gesamt-Rundlauffehler, bezogen auf einen 360°-Umlauf der einzelnen Drehwinkelpositionen, bei welchen die Messungen vorgenommen werden, in einer Schwingungslinie abgebildet ist, beispielsweise einer Sinusschwingung. Durch Messung einzelner Rundlauffehler an einzelnen Drehwinkelpositionen ist es somit möglich, eine Optimierung vorzunehmen und eine Drehwinkelposition zu bestimmen, bei welcher sich beim Einsetzen der Werkzeugaufnahme in die Spindel eine Minimierung des resultierenden Gesamt-Rundlauffehlers ergibt. Die Berechnung dieser optimierten drehwinkel-bezogenen Zuordnung der Spindel zur Werkzeugaufnahme kann, wie vorstehend erläutert, auf unterschiedliche Weise berechnet werden.The 5 shows a vector graphic, from which the addition of the single-round errors A and B to the resulting total runout C can be particularly clearly represented. If such measurements are made in several different rotational angle positions, it can be seen that the resulting total concentricity error, based on a 360 ° revolution of the individual Rotation angle positions at which the measurements are made, is mapped in a line of vibration, such as a sine wave. By measuring individual concentricity errors at individual rotational angle positions, it is thus possible to carry out an optimization and to determine a rotational angle position at which the insertion of the tool holder into the spindle results in a minimization of the resulting overall concentricity error. The calculation of this optimized angle-related assignment of the spindle to the tool holder can, as explained above, be calculated in different ways.

In Zusammenhang mit 6 wird nachfolgend beispielhaft ein einfacher Lösungsansatz zur Ermittlung der Einzelrundlauffehler von Spindel und Werkzeugaufnahme dargestellt. Dabei sind:

XG0
= X-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
YG0
= Y-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
XG180
= X-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°,
YG180
= Y-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°,
XS
= X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Spindelwelle,
YS
= Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Spindelwelle,
XW0
= X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
YW0
= Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
XW180
= X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°,
YW180
= Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°.
Relating to 6 An example of a simple solution for determining the single-revolution errors of the spindle and the tool holder is shown below. Here are:
X G0
= X component of the total concentricity error of the tool in the spindle shaft at a relative clamping angle between the spindle shaft and the tool holder of 0 °,
Y G0
= Y component of the total concentricity error of the tool in the spindle shaft at a relative clamping angle between the spindle shaft and the tool holder of 0 °,
X G180
= X component of the total concentricity error of the tool in the spindle shaft at a relative clamping angle between the spindle shaft and tool holder of 180 °,
Y G180
= Y component of the total concentricity error of the tool in the spindle shaft at a relative clamping angle between the spindle shaft and tool holder of 180 °,
X S
= X-component of the concentricity error only of the spindle shaft,
Y s
= Y component of the concentricity error of the spindle shaft only,
X W0
= X component of the concentricity error only of the tool holder at a relative clamping angle between the spindle shaft and tool holder of 0 °,
Y W0
= Y-component of the concentricity error only of the tool holder at a relative clamping angle between spindle shaft and tool holder of 0 °,
X W180
= X component of the concentricity error only of the tool holder at a relative clamping angle between the spindle shaft and tool holder of 180 °,
Y W180
= Y-component of the concentricity error only the tool holder at a relative clamping angle between the spindle shaft and tool holder of 180 °.

Der Lösungsansatz geht davon aus, dass die Werkzeugaufnahme einmal unter 0° und einmal unter 180° relativem Spannwinkel an der Spindelwelle gespannt wird und dass der sich ergebende Gesamt-Rundlauffehler (absoluter Betrag und Richtung) für beide Spannungen gemessen wird. Aus dem absolutem Betrag und der Richtung des Gesamt-Rundlauffehlers lassen sich die X- und die Y-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers in der XY-Ebene errechnen (XG0 = Betrag des Gesamt-Rundlauffehlers × cos (Winkel der Richtung)).The approach assumes that the tool holder is clamped once at 0 ° and once at 180 ° relative clamping angle on the spindle shaft and that the resulting total concentricity error (absolute value and direction) is measured for both voltages. From the absolute value and the direction of the total runout, the X and Y components of the total runout can be calculated in the XY plane (X G0 = amount of total runout × cos (angle of direction)).

Im Einzelnen ergibt sich Folgendes:

Figure 00100001
In detail, the following results:
Figure 00100001

Aus der Vektorgraphik der 6 wird leicht ersichtlich, dass sich mit diesen Vorgaben über eine einfache Mathematik die Einzelrundlauffehler von Spindelwelle und Werkzeugaufnahme leicht errechnen lassen (X- und Y-Komponenten). Wenn diese bekannt sind, kann leicht der Winkel des Rundlauffehlers der Spindel und der Winkel des Rundlauffehlers der Werkzeugaufnahme errechnet werden und daraus der optimale Spannwinkel festgelegt werden.From the vector graphic the 6 It can easily be seen that these simple mathematical instructions allow easy calculation of the single revolution errors of spindle shaft and tool holder (X and Y components). If these are known, the angle of the concentricity error of the spindle and the angle of the concentricity error of the tool holder can easily be calculated and from this the optimum clamping angle can be determined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Spindel (Spindelwelle)Spindle (spindle shaft)
22
WerkzeugTool
33
Werkzeugaufnahmetool holder
44
Rotationsachse der SpindelRotation axis of the spindle
55
Achse der Passbohrung der WerkzeugaufnahmeAxis of the fitting bore of the tool holder
66
Achse des WerkzeugsAxis of the tool
AA
Einzelrundlauffehler der SpindelSingle rotation error of the spindle
BB
Einzelrundlauffehler der Werkzeugaufnahme mit eingespanntem WerkzeugSingle runout error of tool holder with clamped tool
CC
Resultierender Gesamt-RundlauffehlerResulting total concentricity error

Claims (8)

Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten Spindel (1), in welche lösbar eine mit einem Werkzeug (2) versehene Werkzeugaufnahme (3) einsetzbar ist, wobei die Werkzeugaufnahme (3) nacheinander mehrfach mit unterschiedlichen Drehwinkelpositionen in die Spindel (1) eingespannt wird und dabei in jeder Drehwinkelposition zumindest ein Rundlauffehler gemessen wird, wobei eine Bestimmung der Winkelposition mit dem minimalen Gesamt-Rundlauffehler erfolgt und für eine nachfolgende Bearbeitung eines Werkstücks die Werkzeugaufnahme (3) dann in dieser Drehwinkelposition in die Spindel (1) eingesetzt wird.Method for concentricity optimization of a machine tool with a rotatably mounted spindle ( 1 ), in which one detachably with a tool ( 2 ) provided tool holder ( 3 ) can be used, wherein the tool holder ( 3 ) successively several times with different rotational angle positions in the spindle ( 1 ) is clamped and thereby at least one concentricity error is measured in each angular position, wherein a determination of the angular position with the minimum total concentricity error takes place and for subsequent machining of a workpiece, the tool holder ( 3 ) then in this rotational angle position in the spindle ( 1 ) is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den unterschiedlichen Drehwinkelpositionen eine direkte Messung des Rundlauffehlers erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that takes place in the different rotational angle positions, a direct measurement of the runout. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den unterschiedlichen Drehwinkelpositionen eine indirekte Messung des Rundlauffehlers durch Messung von zumindest einem Durchmesser eines Bereichs des Werkzeugs (2) erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that in the different rotational angular positions an indirect measurement of the concentricity error by measuring at least a diameter of a portion of the tool ( 2 ) he follows. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Drehwinkelpositionen eine Messung erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a measurement takes place in at least two rotational angle positions. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundlauffehler als Gesamt-Rundlauffehler aus einem Einzel-Rundlauffehler (A) der Spindel (1) und einem Einzel-Rundlauffehler (B) der Werkzeugaufnahme (3) mit eingespanntem Werkzeug (2) errechnet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the concentricity error as total concentricity error from a single concentricity error (A) of the spindle ( 1 ) and a single concentricity error (B) of the tool holder ( 3 ) with clamped tool ( 2 ) is calculated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Drehwinkelpositionen durch Drehung der Spindel (1) eingestellt werden und die Werkzeugaufnahme (3) nachfolgend in der Spindel (1) gespannt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the different rotational angle positions by rotation of the spindle ( 1 ) and the tool holder ( 3 ) below in the spindle ( 1 ) is stretched. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundlauffehler an zumindest einer Schneide des Werkzeugs (2) gemessen wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the concentricity error on at least one cutting edge of the tool ( 2 ) is measured. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einsetzen und Spannen der Werkzeugaufnahme (3) an der Spindel (2) der Werkzeugmaschine in der optimierten Drehwinkelposition der sich dann ergebende Gesamt-Rundlauffehler (C) gemessen und mit dem berechneten Rundlauffehler verglichen wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that after the insertion and clamping of the tool holder ( 3 ) on the spindle ( 2 ) of the machine tool in the optimized rotational angular position of the resulting total concentricity error (C) is measured and compared with the calculated concentricity error.
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