DE102010046909A1

DE102010046909A1 - Werkzeugmaschine mit Positionserfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE102010046909A1
Application number: DE201010046909
Authority: DE
Inventors: Zeno Schmal
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: DE102010046909B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine (10) mit einem Maschinenbett (12) und einem in dem Maschinenbett (12) gelagerten Werkzeug (16), wobei des Weiteren eine Positionserfassungseinrichtung (18) zum Erfassen einer Position mindestens eines Markierungselements (20) relativ zu mindestens einem Referenzobjekt (22) vorgesehen ist. Des Weiteren ist das mindestens eine Referenzobjekt an einem Aufnahmerahmen festgelegt und der Aufnahmerahmen zumindest teilweise von dem Maschinenbett mechanisch entkoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinenbett und einem in dem Maschinenbett gelagerten Werkzeug, wobei des Weiteren eine Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Position mindestens eines Markierungselements relativ zu mindestens einem Referenzobjekt vorgesehen ist.
Derartige Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik allgemein bekannt.
Bei der Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen ist es von besonderer Wichtigkeit, die Position sowohl eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine als auch des zu bearbeitenden Werkstücks genau zu kennen. Nur dann kann eine Regelung dazu in der Lage sein, innerhalb der geltenden Genauigkeitsanforderungen das Werkstück automatisiert zu bearbeiten. Natürlich wird die Lage eines Werkzeugs sowie eines Werkstücks bzw. der entsprechenden Werkstückaufnahme mittels Sensoren von der Werkzeugmaschine erfasst. Es kann jedoch gefordert sein, dass eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen ist, die die Lage des Werkzeugs bzw. des Werkstücks unabhängig von den der Werkzeugmaschinen eigenen Sensoren erfasst. Auf diese Weise kann ein Abgleich der erfassten Daten über die Position des Werkstücks bzw. des Werkzeugs erfolgen und eine Regelung der Werkzeugmaschine entsprechend kalibriert werden.
Eine derartige redundante Positionserfassung ermöglicht eine hochgenaue Bestimmung der Position des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander, so dass auch sehr genaue oder feine Arbeiten mit geringen Toleranzen durchgeführt werden können. Derartige Genauigkeitsanforderungen an die Positionsbestimmung waren bisher vor allem in dem Bereich der dreidimensionalen Koordinatenmessgeräte bekannt, so dass aus diesem Bereich auch eine Vielzahl von Sensorsystemen stammt, die dazu dienen können, unabhängig von den Sensoren der Steuerung der Werkzeugmaschine die Position eines Werkzeugs bzw. Werkstücks zu erfassen.
Eine Möglichkeit für eine solche redundante Positionserfassung bei Koordinatenmessgeräten ist beispielsweise in dem europäischen Patent EP 1 322 905 B1 erläutert. Dort wird ein sogenanntes ”Laser-Koharenz-μ-Global-Positioning-System” beschrieben, siehe auch das Magazin "Innovation, das Magazin von Carl Zeiss, Spezialforschung und Technologie Nr. 1", erschienen im April 1999 bei der Firma Carl Zeiss, Seite 5.
Ein solches ”Laser-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System” weist eine Sendeeinrichtung auf, die gleichzeitig auch als Empfänger fungiert und Lasersignale aussendet, die von mehreren Reflektoren mit genau bekannter Position, also ortsfesten Referenzstationen, reflektiert werden. Über eine hochpräzise optische Laufzeitmessung kann die Position des Senders ermittelt werden. Die Positionserkennung erfolgt somit mit Hilfe eines Trilaterationsverfahrens relativ zu einer Anzahl von Referenzobjekten. Dieses Vorgehen entspricht im Wesentlichen dem des allgemein bekannten ”Global Positioning Systems” (GPS), so dass sich hieraus die Begriffswahl erklärt.
Alternativ sind beispielsweise auch Photogrammetriesysteme bekannt, bei denen von Referenzobjekten aus über mehrere Kameras ein Markierungselement aufgezeichnet und aus den aufgezeichneten Bildern über die trigonometrischen Beziehungen zwischen dem Markierungselement und den Kameras die Position des Markierungselements im Messraum berechnet wird. Eine weitere Alternative stellt ein sogenannter ”3-D-Localizer” dar, bei dem mehrere über eine Fläche im Bereich des zu erfassenden Markierungselements verteilte Leuchtdioden, die Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen aussenden, von mehreren Videokameras auf dem Referenzobjekt beobachtet werden und aus den Videobildern ebenfalls über trigonometrische Beziehung die Position des Markierungselements berechnet wird.
Dabei können die Komponenten natürlich auch vertauscht angeordnet werden. Beispielsweise kann der Lichtsender und -empfänger beim ”Local-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System” auch an dem Referenzobjekt angeordnet sein und die Reflektoren an dem Markierungselement.
Dabei ist die Kenntnis über die genaue Lage der Referenzobjekte entscheidend für die Genauigkeit der Positionserfassung. Des Weiteren kommt es darauf an, dass sich die Position der Referenzobjekte während des Betriebs nicht verändert, beispielsweise aufgrund von mechanischen oder thermischen Einflüssen. Im Allgemeinen wird von einem Längenmesssystem eine Messunsicherheit abhängig von einer einzuhaltenden Produktionstoleranz von etwa 10% bis 30% gefordert. Diese Forderung bedingt eine stabile Positionierung der Referenzobjekte.
Unter diesen Voraussetzungen war bisher eine Montage der Referenzobjekte nur im Bereich des Maschinenbettes möglich, da hier die stabilsten mechanischen Bedingungen vorliegen. Eine Montage an einer Verkleidung der Werkzeugmaschine ist aufgrund von Schwingungen der Verkleidung nicht möglich.
Im Werkzeugmaschinenbau geht der Trend jedoch zu weicheren und flexibleren Konstruktionen, um eine höhere Dynamik der Werkzeugmaschine realisieren zu können. Eine geringere Steifigkeit des Maschinenbettes führt zwar auch zu einer geringeren Genauigkeit bei dem Einsatz des entsprechenden Werkzeugs, dies kann jedoch über optimierte Werkzeuge kompensiert werden. Die geringere Steifigkeit der Werkzeugmaschine hat jedoch zur Folge, dass die Positionen der Referenzobjekte während des Betriebs nur mit geringerer Genauigkeit eingehalten werden können. Daraus folgt eine verringerte Positionsgenauigkeit der Referenzobjekte, die die Genauigkeit der Positionserfassung von Markierungselementen, die beispielsweise entweder an dem Werkzeug oder an dem zu verarbeitenden Werkstück vorgesehen sind, verschlechtern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und zuverlässige Aufnahme von Referenzobjekten an Werkzeugmaschinen bereitzustellen, die eine verbesserte Positionsgenauigkeit der Referenzobjekte während des Betriebs aufgrund von mechanischen und thermischen Einflüssen ermöglicht.
Es wird daher vorgeschlagen, die eingangs genannte Werkzeugmaschine dahingehend weiterzubilden, dass das mindestens eine Referenzobjekt an einem Aufnahmerahmen festgelegt ist und der Aufnahmerahmen zumindest teilweise von dem Maschinenbett mechanisch entkoppelt ist.
Auf diese Weise wird erreicht, dass aufgrund von mechanischen oder thermischen Belastungen des Maschinenbetts wirkende Kräfte bzw. Momente nur in wesentlich verringertem Maße an den Aufnahmerahmen und damit das mindestens eine Referenzobjekt übertragen werden. So überträgt sich beispielsweise eine aufgrund eines kontinuierlichen Betriebs erfolgende Temperaturausdehnung des Maschinenbetts nicht auf den Aufnahmerahmen und damit auf die Position des mindestens einen Referenzobjekts. Auch mechanische Beanspruchungen, beispielsweise Schwingungen oder Verwindungen des Maschinenbetts, übertragen sich nicht auf den Aufnahmerahmen und damit auf das mindestens eine Referenzobjekt.
Unter der Formulierung ”zumindest teilweise von dem Maschinenbett mechanisch entkoppelt” ist dabei zu verstehen, dass der Aufnahmerahmen an dem Maschinenbett nur soweit festgelegt ist, dass eine statisch eindeutige Lage des Aufnahmerahmens sichergestellt ist. Eine statisch eindeutige Lage wäre beispielsweise bei einer ausschließlich schwimmenden Lagerung des Rahmens auf dem Maschinenbett nicht sichergestellt. Insofern muss der Aufnahmerahmen gegenüber dem Maschinenbett so gelagert sein, dass seine Lage einmal relativ zu dem Maschinenbett eindeutig bestimmbar ist, wobei sich aufgrund von thermischen oder mechanischen Beeinflussungen des Maschinenbetts hervorgerufene Änderungen dann aber nicht auf den Aufnahmerahmen übertragen können.
Bei der Positionserfassungseinrichtung kann es sich um ein beliebiges Positionserfassungssystem handeln, das die Lage eines Markierungselements relativ zu mindestens einem Referenzobjekt ermittelt. Beispiele für derartige Positionserfassungssysteme wurden bereits eingangs erläutert. Unter einer „Werkzeugmaschine” ist jede mit einem Werkzeug oder einem Funktionskopf ausgestattete Maschine zu verstehen. Insbesondere kann die Werkzeugmaschine ein Koordinatenmessgerät sein oder die Werkzeugmaschine kann ein Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung aufweisen.
Die voranstehend gestellte Aufgabe wird daher vollkommen gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann des Weiteren vorgesehen sein, dass der Aufnahmerahmen mittels einer Dreipunktauflage auf ein Aufnahmegestell aufgelegt ist, wobei das Aufnahmegestell zumindest teilweise von dem Maschinenbett mechanisch entkoppelt ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmerahmen mittels einer Dreipunktauflage auf das Maschinenbett aufgelegt ist.
Der Aufnahmerahmen kann somit entweder direkt auf das Maschinenbett aufgelegt sein oder aber auf ein Aufnahmegestell aufgelegt sein, das in dem Maschinenbett vorgesehen, aber entkoppelt von diesem auf einem Untergrund aufgestellt ist. Des Weiteren kann im Fall eines von dem Aufnahmerahmen entkoppelten Maschinenbetts vorgesehen sein, dass zwischen dem Aufnahmerahmen und dem Untergrund Dämpfungselemente angeordnet sind. Mittels des entkoppelten Aufnahmegestells kann somit das aus dem Aufnahmerahmen und dem Aufnahmegestell bestehende Gesamtsystem noch besser von dem Maschinenbett entkoppelt und so die Position des mindestens einen Referenzobjekts sichergestellt werden. Insbesondere kann mittels des Aufnahmegestells eine vollständige mechanische Entkopplung des Aufnahmerahmens mit dem mindestens einen Referenzobjekt von dem Maschinenbett erzielt werden.
Bei beiden Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Dreipunktauflage ein erstes Aufnahmeelement aufweist, das das Aufnahmegestell translatorisch in zwei Raumrichtungen einer Dreipunktauflageebene festlegt.
Die Dreipunktauflage zeichnet sich dadurch aus, dass der Aufnahmerahmen in drei Punkten aufgelegt ist. Diese drei Punkte beschreiben folglich eine Ebene, die Dreipunktauflageebene. In der Regel wird sich während des Betriebs der Werkzeugmaschine die Dreipunktauflageebene in horizontaler Richtung erstrecken. Es ist ein erstes Aufnahmeelement vorgesehen, dass das Aufnahmegestell translatorisch in zwei Raumrichtungen festlegt. In der Regel wird es sich bei den beiden Raumrichtungen während des Betriebs der Maschine um sich horizontal senkrecht zueinander erstreckende Raumrichtungen handeln. Eine Festlegung in der dritten Raumrichtung, in der Regel vertikal, ist nicht notwendig, da aufgrund der Gewichtskraft des Aufnahmerahmens dieser ohnehin fest auf der Dreipunktauflage aufliegt. Somit wird durch das erste Aufnahmeelement ein geeigneter Fixpunkt geschaffen, der eine statisch eindeutig Position der Referenzobjekte ermöglicht. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Dreipunktauflage ein zweites Aufnahmeelement aufweist, das das Aufnahmegestell translatorisch in einer Raumrichtung der Dreipunktauflageebene festlegt.
Auf diese Weise wird zusätzlich zu dem durch das erste Aufnahmeelement bereitgestellten Fixpunkt die räumliche Ausrichtung des Aufnahmegestells festgelegt. Die Position des Aufnahmegestells ist somit eindeutig bestimmt. Über die durch das erste Aufnahmeelement festgelegten zwei Raumrichtungen und die durch das zweite Aufnahmeelement festgelegte Raumrichtung hinaus sind keinerlei weitere Fixierungen des Aufnahmerahmens relativ zu dem Aufnahmegestell bzw. dem Maschinenbett erforderlich und sollten auch nicht vorhanden sein, um die zumindest teilweise mechanische Entkopplung zu ermöglichen.
Entsprechend kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Dreipunktauflage ein drittes Aufnahmeelement aufweist, das den Aufnahmerahmen translatorisch in einer Dreipunktauflageebene schwimmend lagert. Das dritte Aufnahmeelement nimmt also in der Dreipunktauflageebene keinerlei Kräfte auf.
Des Weiteren kann die Dreipunktauflage derart ausgebildet sein, dass sie bzw. jedes der Aufnahmeelemente in einer Dreipunktauflageebene keine Momente aufnimmt.
Somit ermöglichen also die Aufnahmeelemente ein freies Drehen des Aufnahmerahmens in den Aufnahmepunkten der Aufnahmeelemente der Dreipunktauflage. Auf diese Weise wird insbesondere erreicht, dass Verwindungen des Maschinenbetts oder des Aufnahmegestells sich nicht auf den Aufnahmerahmen übertragen können.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmerahmen aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist. Bei dem temperaturresistenten Material kann es sich beispielsweise um Zerodur^® handeln, einen glaskeramischen Werkstoff, der von der Firma Schott, Mainz, Deutschland bezogen werden kann.
Durch derartige Materialien kann eine Positionsänderung der Referenzobjekte aufgrund thermischer Einflüsse weitestgehend eliminiert werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Markierungselement eine optische Sende-/Empfangseinrichtung ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Referenzobjekt ein Reflektor ist.
Grundsätzlich kann dieses Feld natürlich auch vertauscht sein, d. h. die Sende-/Empfangseinrichtung kann in dem Referenzobjekt vorgesehen sein und ein entsprechender Reflektor das Markierungselement bilden. Um das Gesamtgewicht des Aufnahmerahmens und der Referenzobjekte jedoch möglichst gering zu halten, können in den Referenzobjekten nur Reflektoren vorgesehen sein, zumal diese keinerlei Verbindungen beispielsweise mit Datenverarbeitungseinrichtungen benötigen und lediglich passiv arbeiten. Auf diese Weise kann ein einfacher Aufbau des Aufnahmerahmens sichergestellt sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Positionserfassungseinrichtung ein Laser-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System ist, wobei mindestens drei Referenzobjekte vorgesehen sind.
Ein derartiges Laser-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert. Es zeichnet sich durch eine besonders hohe Genauigkeit der Positionserfassung aus und ist somit vorbehaltlos für den Einsatz in Werkzeugmaschinen geeignet. Es sollten mindestens drei Referenzobjekte vorgesehen sein, um eine eindeutige Positionsbestimmung mit der gewünschten Genauigkeit zu ermöglichen. Je nach Lage und Anordnung der Referenzobjekte sowie der Größe des zu bearbeitenden Werkstücks können eventuell mehr als drei Referenzobjekte notwendig sein, damit dem Markierungselement in jeder Position mindestens drei Referenzobjekte bereitstehen, um die Positionserfassungen durchzuführen. Insbesondere sollten die Referenzobjekte derart angeordnet sein, dass zwischen dem Markierungselement und den Referenzobjekten eine Sichtlinie besteht.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Markierungselement an dem Werkzeug vorgesehen ist.
Auf diese Weise kann die Position des Werkzeugs in einem Arbeitsraum der Werkzeugmaschine bestimmt werden. So können beispielsweise die Daten einer Regelungseinrichtung, die das Werkzeug steuert, überprüft werden.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
3 eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Aufnahmeelements,
4 eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Aufnahmeelements, und
5 eine schematisch Querschnittsansicht eines dritten Aufnahmeelements.
1 zeigt eine Werkzeugmaschine 10 in einer ersten Ausführungsform.
Die Werkzeugmaschine 10 weist ein Maschinenbett 12 auf, das auf Füßen 14 gelagert ist. Alternativ kann das Maschinenbett 12 auch direkt auf einem Untergrund 15 aufgestellt sein.
In dem Maschinenbett 12 ist ein Werkzeug 16 beweglich gelagert. Bei dem Werkzeug 16 kann es sich beispielsweise um eine Spindel handeln, mit der Bohr- und Fräsarbeiten ausgeführt werden können.
Zur Bestimmung einer Position des Werkzeugs 16 unabhängig von den zur Steuerung des Werkzeugs 16 vorgesehenen Regelungselementen 17 ist eine Positionserfassungseinrichtung 18 vorgesehen. Die Positionserfassungseinrichtung 18 ist dazu vorgesehen, ein Markierungselement 20, das in der dargestellten Ausführungsform an dem Werkzeug 16 vorgesehen ist, zu erfassen und dessen Position zu bestimmen. Anhand der bekannten Position des Markierungselements 20 kann dann auf die Lage und Ausrichtung des Werkzeuges 16 geschlossen werden und entsprechend die Daten der Regelungseinheit 17 zur Steuerung des Werkzeugs 16 korrigiert bzw. überprüft werden.
Die Positionserfassungseinrichtung 18 weist hierzu mehrere Referenzobjekte 22 auf. In der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt vier Referenzobjekte 22 vorgesehen. Die Referenzobjekte 22 können über das Maschinenbett 12 verteilt angeordnet sein, so dass in möglichst allen Lagen des Werkzeugs 16 eine Sichtlinie zwischen dem Markierungselement 20 und einer genügenden Anzahl von Referenzobjekten 22 besteht.
Bevorzugterweise handelt es sich bei der Positionserfassungseinrichtung 18 um ein Laser-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System. Bei dem Markierungselement 20 handelt es sich dann um eine Sende-/Empfangseinrichtung, die Laserstrahlen aussendet. Die Laserstrahlen werden von den Referenzobjekten 22, bei denen es sich dann um Reflektoren handelt, zurückgeworfen und erneut von dem als Sende-/Empfangseinrichtung ausgebildeten Markierungselement 20 empfangen. Über eine Laufzeitmessung kann dann die Position des Markierungselements 20 bzw. des Werkzeugs 16 relativ zu den Referenzobjekten 22 bestimmt werden.
Die Referenzobjekte 22 sind an einem Aufnahmerahmen 24 festgelegt. Der Aufnahmerahmen 24 dient dazu, die Referenzobjekte 22 in statisch eindeutiger Position anzuordnen. Hierzu ist der Aufnahmerahmen 24 möglichst starr konstruiert, so dass er nur schwer zu Schwingungen angeregt werden kann oder sonstigen mechanischen Kräften durch Biegung nachgibt.
Des Weiteren ist er aus einem Material hergestellt, das nur einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, um Längenänderungen aufgrund von thermischen Einflüssen zu vermeiden.
Der Aufnahmerahmen 24 ist auf dem Maschinenbett 12 so zu lagern, dass der Aufnahmerahmen 24 in seiner Position eindeutig bestimmt bleibt, jedoch ohne dass in dem Maschinenbett 12 wirkenden Kräfte in den Aufnahmerahmen 24 eingeleitet werden und so die Position der Referenzobjekte 22 beeinflussen können. Der Aufnahmerahmen 24 ist daher zumindest teilweise von dem Maschinenbett 12 mechanisch entkoppelt.
Hierzu ist eine Dreipunktauflage 26 vorgesehen, bei der in der dargestellten Ausführungsform der Aufnahmerahmen 24 auf ein Aufnahmegestell 28 aufgelegt wird. Das Aufnahmegestell 28 ist auf dem Untergrund 15 aufgelegt, auf dem auch die Füße 14 des Maschinenbetts 12 aufgelegt sind. Darüber hinaus weist das Aufnahmegestell 28 keinerlei Verbindungen mit dem Maschinenbett 12 auf, so dass eine vollständige mechanische Entkopplung des Aufnahmerahmens 24 von dem Maschinenbett 12 bereitgestellt ist. Des Weiteren können Dämpfungselemente 25 zwischen dem Aufnahmerahmen 24 und dem Untergrund 15 angeordnet sein, um den Aufnahmerahmen 24 vor Schwingungseinflüssen des Untergrunds 15 zu schützen. Die Dämpfungselemente 25 können aktiv oder passiv ausgestaltet sein.
Zur Verknüpfung des Aufnahmerahmens 24 mit dem Aufnahmegestell 28 ist die Dreipunktaufnahme 26 vorgesehen. Die Dreipunktaufnahme 26 weist ein erstes Aufnahmeelement 30, ein zweites Aufnahmeelement 32 und ein drittes Aufnahmeelement 34 auf, die jeweils einen Auflagepunkt bereitstellen, auf den der Aufnahmerahmen 24 aufgelegt ist.
Die Aufnahmeelemente sind dabei derart ausgestaltet, dass der Aufnahmerahmen 24 gegenüber dem Aufnahmegestell 28 durch das erste Aufnahmeelement 30 sowohl in X- wie auch in Y-Richtung festgelegt ist. Das zweite Aufnahmeelement 32 legt den Aufnahmerahmen 24 gegenüber dem Aufnahmegestell 28 lediglich in Y-Richtung fest. Das dritte Aufnahmeelement 34 stellt lediglich eine schwimmende Lagerung bereit, so dass der Aufnahmerahmen 24 weder in X- noch in Y-Richtung festgelegt ist. Sowohl das erste Aufnahmeelement 30, als auch das zweite Aufnahmeelement 32 und das dritte Aufnahmeelement 34 stellen in Z-Richtung einen Auflagepunkt für den Aufnahmerahmen 24 auf dem Aufnahmegestell 28 bereit. Es ist jedoch möglich, den Aufnahmerahmen 24 von dem Aufnahmegestell 28 in positive Z-Richtung abzuheben. Durch seine Gewichtskraft liegt der Aufnahmerahmen 24 aber fest auf den drei Aufnahmeelementen 30, 32, 34 auf.
Die drei Aufnahmeelemente 30, 32 und 34 bilden eine Dreipunktauflageebene 35. In einer Betriebsposition der Werkzeugmaschine 10 verläuft die Dreipunktauflageebene 35 horizontal, so dass der Aufnahmerahmen 24 von seiner Gewichtskraft in negative Z-Richtung auf dem Aufnahmegestell 28 gehalten wird.
Mithilfe der dargestellten Ausführungsform können die Referenzobjekte 22 mechanisch vollständig von dem Maschinenbett 12 entkoppelt angeordnet werden. Mechanische und thermische Einflüsse können von dem Maschinenbett 12 nicht auf den Aufnahmerahmen 24 und damit auf die Referenzobjekte 22 übertragen werden.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Werkzeugmaschine 10. Die zweite Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, so dass für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet sind und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der zweiten Ausführungsform ist der Aufnahmerahmen 24 nicht auf einem Aufnahmegestell 28 aufgelegt. Stattdessen ist der Aufnahmerahmen 24 mittels der Dreipunktauflage 26 direkt auf das Maschinenbett 12 aufgelegt. Es ist somit keine vollständige mechanische Entkopplung des Aufnahmerahmens 24 bzw. der Referenzobjekte 22 von dem Maschinenbett 12 bereitgestellt, sondern lediglich eine zumindest teilweise mechanische Entkopplung, die durch das erste Aufnahmeelement 30, das zweite Aufnahmeelement 32 und das dritte Aufnahmeelement 34 bereitgestellt ist.
Wie auch in der ersten Ausführungsform ist hierzu der Aufnahmerahmen 24 durch das erste Aufnahmeelement 30 sowohl in X- als auch in Y-Richtung festgelegt. Das zweite Aufnahmeelement 32 legt den Aufnahmerahmen 24 lediglich in Y-Richtung fest. Das dritte Aufnahmeelement 34 legt den Aufnahmerahmen weder in X- noch in Y-Richtung fest. Keines der Aufnahmeelemente 30, 32, 34 ist dazu in der Lage, Momente aufzunehmen. Auf diese Weise wird im Wesentlichen eine mechanische Entkopplung des Aufnahmerahmens von dem Maschinenbett 12 bereitgestellt. Zwar ist der Aufnahmerahmen 24 statisch eindeutig auf dem Maschinenbett 12 gelagert, die Aufnahmeelement 30, 32, 34 sind jedoch nicht dazu in der Lage, Kräfte in allen Richtungen in den Aufnahmerahmen 24 und auch keine Momente in den Aufnahmerahmen 24 einzuleiten. Deswegen haben mechanische und thermische Beeinflussungen des Maschinenbetts 12 im Wesentlichen keine Auswirkungen auf den Aufnahmerahmen 24 und damit auf die Position der Referenzobjekte 22. Die genaue Ausgestaltung der Aufnahmeelemente 30, 32, 34 wird im Folgenden eingehend erläutert. Es versteht sich dabei, dass die Anordnung der Aufnahmeelemente 30, 32, 34 nicht zwingend auf die dargestellte Weise ausgeführt sein muss. Die Aufnahmeelemente 30, 32, 34 können auch in anderer Anordnung, beispielsweise im Uhrzeigersinn vertauscht, angeordnet sein, um zwar eine statisch eindeutige Lage des Aufnahmerahmens 24 bereitzustellen, aber gleichzeitig eine im Wesentlichen mechanische Entkopplung des Aufnahmerahmens 24 gegenüber dem Maschinenbett 12 bereitzustellen. Auch in dieser Ausführungsform ist es möglich, zusätzliche Dämpfungselemente 25 vorzusehen, die in dieser Ausführungsform jeweils an den Aufnahmeelementen 30, 32, 34 angeordnet sind, um die Aufnahmeelemente 30, 32, 34 zusätzlich vor Schwingungseinflüssen aus dem Maschinenbett 12, insbesondere in Z-Richtung, zu schützen.
3 zeigt eine Ausführungsform des ersten Aufnahmeelements 30.
Das erste Aufnahmeelement 30 ist in der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Aufnahmerahmen 24 und dem Aufnahmegestell 28 angeordnet. Anstatt des Aufnahmegestells 28 kann es aber auch auf dem Maschinenbett 12 aufgelegt sein.
Das erste Aufnahmeelement 30 weist ein Kugelaufnahmeelement 36 auf, das an dem Aufnahmegestell 28 befestigt ist. Das Kugelaufnahmeelement 36 ist mittels einer Schraubverbindung 37 mit einer Fixiermutter 38 verbunden. Die Fixiermutter 38 fixiert eine Kugel 40 auf dem Kugelaufnahmeelement 36. Die Kugel 40 steht dabei rotierbar um ein gewisses Maß aus der Fixiermutter 38 heraus, so dass eine Kalotte 42 auf die Kugel 40 auflegbar ist. Die Kalotte 42 wiederum ist fest mit dem Aufnahmerahmen 42 verbunden. Auf diese Weise rollt die Kugel in der Kalotte 24, so dass keine Momente zwischen dem Aufnahmerahmen 24 und dem Aufnahmegestell 28 übertragen werden können. Des Weiteren ist die Kugel 40 durch die Fixiermutter 38 in X- und Y-Richtung fixiert, so dass das erste Aufnahmeelement 30 in diesen beiden Raumrichtungen Kräfte zu einem gewissen Maß aufnehmen kann.
4 zeigt eine Ausführungsform des zweiten Aufnahmeelements 32. Elemente, die den Elementen des ersten Aufnahmeelements 30 in 3 ähneln, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das zweite Aufnahmeelement 32 weist ebenfalls eine Kalotte 42 und ein Kugelaufnahmeelement 36 auf, wobei die Kalotte 42 auf der Kugel 40 aufgelegt ist. Die Kugel 40 ist jedoch nicht mittels einer Fixiermutter 38 fixiert. Stattdessen legt die Kugel 40 auf zwei Führungsbolzen 44 auf, so dass sie in X-Richtung, d. h. normal zu der in 4 dargestellten Ebene, rollen kann. Somit ist der Aufnahmerahmen durch das zweite Aufnahmeelement 32 lediglich in Y-Richtung gegenüber dem Aufnahmegestell 28 festgelegt.
5 zeigt eine Ausführungsform des dritten Aufnahmeelements 34. Gleiche Elemente zu den in den 3 und 4 dargestellten Aufnahmeelementen 30, 32 sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Wieder rollt die Kugel 40 in der Kalotte 42 und ist auf einem Kugelaufnahmeelement 36 gelagert. Jedoch ist bei dem dritten Aufnahmeelement 34 eine Auflagescheibe 46 in dem Kugelaufnahmeelement 36 vorgesehen, auf dem die Kugel 40 rollen kann. Die Kugel 40 kann somit in X- und Y-Richtung frei auf der Auflagescheibe 46 rollen. Das Aufnahmeelement 34 nimmt somit weder in X- noch in Y-Richtung Kräfte auf.
Wie ersichtlich ist, kann sich die Kalotte 42 frei auf der Kugel 40 drehen. Weder das erste Aufnahmeelement 30 noch das zweite Aufnahmeelement 32 oder das dritte Aufnahmeelement 34 sind daher dazu in der Lage, Momente von dem Aufnahmegestell 28 bzw. dem Maschinenbett 12 auf den Aufnahmerahmen 24 zu übertragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1322905 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Innovation, das Magazin von Carl Zeiss, Spezialforschung und Technologie Nr. 1”, erschienen im April 1999 bei der Firma Carl Zeiss, Seite 5 [0005]

Claims

Werkzeugmaschine (10) mit einem Maschinenbett (12) und einem in dem Maschinenbett (12) gelagerten Werkzeug (16), wobei des Weiteren eine Positionserfassungseinrichtung (18) zum Erfassen einer Position mindestens eines Markierungselements (20) relativ zu mindestens einem Referenzobjekt (22) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Referenzobjekt (22) an einem Aufnahmerahmen (24) festgelegt ist und der Aufnahmerahmen zumindest teilweise von dem Maschinenbett (12) mechanisch entkoppelt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmerahmen (24) mittels einer Dreipunktauflage (26) auf ein Aufnahmegestell (28) aufgelegt ist, wobei das Aufnahmegestell (28) zumindest teilweise von dem Maschinenbett (12) mechanisch entkoppelt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmerahmen (24) mittels einer Dreipunktauflage (26) auf das Maschinenbett (12) aufgelegt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreipunktauflage (26) ein erstes Aufnahmeelement (30) aufweist, dass den Aufnahmerahmen (24) translatorisch in zwei Raumrichtungen (X, Y) einer Dreipunktauflageebene (35) festlegt.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreipunktauflage (26) ein zweites Aufnahmeelement (32) aufweist, das den Aufnahmerahmen (24) translatorisch in einer Raumrichtung (Y) einer Dreipunktauflageebene (35) festlegt.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreipunktauflage (26) ein drittes Aufnahmeelement (34) aufweist, das den Aufnahmerahmen (24) translatorisch in einer Dreipunktauflageebene (35) schwimmend lagert.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreipunktauflage (26) derart ausgebildet ist, dass sie in einer Dreipunktauflageebene (35) keine Momente aufnimmt.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmerahmen (24) aus einem Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Markierungselement (20) eine optische Sende-/Empfangseinrichtung ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Referenzobjekt (22) ein Reflektor ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassungseinrichtung (18) ein Laser-Kohärenz-μ-Global-Positioning-System ist, wobei mindestens drei Referenzobjekte (22) vorgesehen sind.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Markierungselement (20) an dem Werkzeug (14) vorgesehen ist.