DE102010054393A1

DE102010054393A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Werkzeuges

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Publication number: DE102010054393A1
Application number: DE102010054393A
Authority: DE
Inventors: Dr. Prust Dirk
Original assignee: Chiron Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Chiron Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-14
Also published as: CN102554711A; RU2011149556A; EP2463737A2; US20120143369A1; JP2012121134A

Abstract

Eine Werkzeugmaschine (10) weist eine über eine Maschinensteuerung (26) und zugeordnete Messsysteme (26a) relativ zu einem Werkstückträger (12) in einem Koordinatensystem (27) mit Koordinatenursprung (28) verfahrbare Hauptspindel (24) sowie ein Werkzeugmagazin (31) mit Speicherplätzen (30) für Werkzeuge (25, 32, 33, 34) auf, wobei die Hauptspindel (24) in eine Werkzeugwechselposition gefahren wird, in der ein verwendetes Werkzeug (25) gegen ein neu zu verwendendes Werkzeug (32) ausgewechselt wird. Es ist ein gesondertes Messsystem (43, 46) vorgesehen, das angibt, ob die Hauptspindel (24) im Zusammenhang mit dem Werkzeugwechsel eine Messposition (50) eingenommen hat, in der die relative Lage der Hauptspindel (24) zu dem Koordinatenursprung (28) über eine Maschinensteuerung (26) und zugeordnete Messsysteme (26a) bestimmt und verwendet wird, um zumindest einen Korrekturwert (Δy, Δz) zu ermitteln. Auf der Werkzeugmaschine (20) wird ein Verfahren zur Kompensation thermischer Verlagerungen durchgeführt (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation thermischer Verlagerungen an einer Werkzeugmaschine, die eine über eine Maschinensteuerung und zugeordnete Messsysteme relativ zu einem Werkstückträger in einem Koordinatensystem mit Koordinatenursprung verfahrbare Hauptspindel sowie ein Werkzeugmagazin mit Speicherplätzen für Werkzeuge aufweist, bei dem die Hauptspindel in eine Werkzeugwechselposition gefahren wird, in der ein verwendetes Werkzeug gegen ein neu zu verwendendes Werkzeug ausgewechselt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Werkzeugmaschine, die eine über eine Maschinensteuerung und zugeordnete Messsysteme relativ zu einem Werkstückträger in einem Koordinatensystem mit Koordinatenursprung verfahrbare Hauptspindel sowie ein Werkzeugmagazin mit Speicherplätzen für Werkzeuge aufweist, wobei die Hauptspindel in eine Werkzeugwechselposition gefahren wird, in der ein verwendetes Werkzeug gegen ein neu zu verwendendes Werkzeug ausgewechselt wird.
Derartige Verfahren und Werkzeugmaschinen sind der Anmelderin aus der Praxis bekannt.
Bei den bekannten Werkzeugmaschinen wird die Genauigkeit der Bearbeitung insbesondere durch thermische Verlagerungen beeinflusst, die vor allem an der Hauptspindel und an den Messsystemen auftreten, mit denen die relative Lage der Hauptspindel zu dem Koordinatenursprung bestimmt wird. Hauptursache für diese thermischen Verlagerungen sind zum einen Ausdehnungen an Motoren, Kugelrollspindeln, Linearführungen sowie dem Hauptspindellager.
Zum anderen beeinflussen auch Verformungen durch ungleichmäßige Erwärmung unterschiedlicher Maschinenkomponenten die Bearbeitungsgenauigkeit.
Ursache für diese thermischen Verlagerungen sind interne und externe Wärmequellen, wobei den externen Wärmequellen durch temperierte Räume und Anordnung der Werkzeugmaschine so, dass sie nicht direkt der Sonne ausgesetzt sind, begegnet werden kann.
Die internen Wärmequellen sind im Wesentlichen die wärmeerzeugenden Maschinenkomponenten, deren Eigenerwärmung sich bis zum Erreichen der Betriebstemperatur unterschiedlich auswirken kann. Hierzu zählen die Spindelrotation, interne Reibungen und vor allem auch der Zerspanungsprozess selbst sowie die dabei entstehenden heißen Metallspäne und das zugeführte Kühlschmiermittel.
All diese Faktoren beeinflussen das thermische Verhalten der Werkzeugmaschine und müssen reduziert werden, um entsprechende Bearbeitungsgenauigkeiten zu erzielen.
Diese Faktoren können dabei entweder konstruktiv reduziert oder steuerungstechnisch kompensiert werden, wozu direkte und indirekte Verfahren verwendet werden.
Ein Beispiel für die konstruktive Reduzierung der durch das thermische Verhalten bedingten Genauigkeitsprobleme ist in der DE 103 43 320 A1 beschrieben, wo bestimmte Konstruktionselemente temperiert werden.
Bei der direkten Kompensation wird die tatsächliche, also die IST-Position der Hauptspindel über ein gesondertes Messsystem gemessen und mit der durch die Steuerung jeweils aktuell vorgegebenen SOLL-Position verglichen. Die ermittelte Abweichung wird in der Steuerung verwendet, um die Wegsteuerbefehle zu korrigieren.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 103 30 915 A1 bekannt.
Bei dem bekannten Verfahren ist im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine ein gesondertes Messsystem in Form einer Laserlichtschranke vorgesehen, die schräg zu den linearen Fahrachsen des Spindelkopfes angeordnet ist. In den Spindelkopf wird zu bestimmten Zeitpunkten ein Messwerkzeug eingespannt, mit dem die Lichtschranke dann parallel zu den Fahrachsen angefahren und die Position des Spindelkopfes bestimmt wird, wenn die Lichtschranke unterbrochen wird. Die so gemessenen Ist-Werte werden mit von der Steuerung vorgegebenen Soll-Werten verglichen und daraus Korrekturwerte berechnet, die die Steuerung bei der Vergabe neuer Soll-Werte berücksichtigt.
Dieses Verfahren ist zwar sehr genau, für den Messvorgang muss jedoch der Fertigungsprozess unterbrochen werden, die Messung erfolgt also nicht hauptzeitparallel. Als weiteres Problem ist anzusehen, dass eine Unterbrechung des Fertigungsprozesses bei bestimmten Fertigungsschritten nicht möglich ist. Sofern diese Fertigungsschritte lange andauern, kann während dieser Zeitspanne keine Kompensation erfolgen.
Aus der DE 102 51 829 B4 , der DE 10 2005 060 104 B4 sowie der DE 38 36 263 C1 sind weitere Verfahren zur Kompensation thermischer Verlagerungen bei einer Werkzeugmaschine bekannt. Alle drei Verfahren erfordern es, dass ein Messwerkzeug in die Hauptspindel eingespannt und diese dann zu einem Messpunkt gefahren wird, wo Messwerte generiert werden, die aufgetretene thermische Verlagerungen anzeigen. Auch diese Verfahren sind zeitaufwändig und können nicht hauptzeitparallel durchgeführt werden.
Bei der indirekten Kompensation werden die thermisch bedingten Abweichungen in der Position der Hauptspindel zu dem Werkstück mit Hilfe eines mathematischen Modells aus gemessenen Hilfsgrößen wie der Temperatur an verschiedenen Punkten in der Werkzeugmaschine berechnet und in der Steuerung zur Kompensation verwendet.
Dieses Verfahren ist beispielsweise aus der DE 103 44 903 A1 bekannt.
Diese Messungen sind zwar hauptzeitparallel möglich, erfordern aber umfangreiche Messungen zur Ermittlung der Parameter, die in das mathematische Modell eingehen. Zudem bildet das mathematische Modell den tatsächlichen Betriebszustand häufig nur unvollständig ab, so dass diese Verfahren nicht so genau sind wie die oben erwähnte direkte Kompensation.
Die wesentlichen Nachteile des insoweit beschriebenen Standes der Technik liegen darin, dass die Messungen nicht hinreichend genau und schnell durchzuführen sind und häufig nicht hauptzeitparallel erfolgen können.
All dies führt dazu, dass nach wie vor ein Bedarf an neuen Werkzeugmaschinen und neuen Verfahren besteht, um die Position des Werkzeuges relativ zu dem Werkstück genau bestimmen zu können, ohne dass thermische Verlagerungen diese Genauigkeit beeinflussen.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannten Verfahren sowie die eingangs genannte Werkzeugmaschine derart weiterzubilden, dass thermische Verlagerungen auf konstruktiv einfache Weise schnell erfasst und kompensiert werden können, ohne dass der Fertigungsprozess unterbrochen oder übermäßig verzögert wird.
Bei dem eingangs genannten Verfahren zur Kompensation thermischer Verlagerungen an einer Werkzeugmaschine wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass, vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Werkzeugwechsel, mit Hilfe eines gesonderten Messsystems die Hauptspindel in eine oder durch eine Messposition gefahren wird, in der über die Maschinensteuerung und die zugeordneten Messsysteme die relative Lage der Hauptspindel zu dem Koordinatenursprung bestimmt und daraus zumindest ein Korrekturwert ermittelt wird.
Bei der eingangs genannten Werkzeugmaschine wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gesondertes Messsystem vorgesehen, ist, das angibt, ob die Hauptspindel, vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Werkzeugwechsel, eine Messposition eingenommen hat, in der über die Maschinensteuerung und die zugeordneten Messsysteme die relative Lage der Hauptspindel zu dem Koordinatenursprung bestimmt und verwendet wird, um zumindest einen Korrekturwert zu ermitteln.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, dass insbesondere die Werkzeugwechselposition der Hauptspindel das schnelle und konstruktiv einfache Bestimmen von Korrekturwerten für die thermische Verlagerung ermöglicht.
Während des Werkzeugwechsels nach dem Pick-up Verfahren muss die Hauptspindel sich sowieso von dem Werkstück entfernen und das bisher verwendete Werkzeug in einen freien Speicherplatz des Werkzeugmagazins ablegen. Danach muss es von dem abgelegten Werkzeug freifahren und anschließend entweder eine neue Speicherposition in dem Werkzeugmagazin anfahren oder aber warten, bis das Werkzeugmagazin geteilt hat, also einen Speicherplatz mit dem als nächstes zu verwendenden Werkzeug in die Übergabeposition gefahren hat.
Diese Wartezeit bzw. Transferzeit wird jetzt erfindungsgemäß verwendet, um mit der Hauptspindel eine Messposition anzufahren oder zu durchfahren, für die dann ein Vergleich zwischen SOLL-Werten und IST-Werten der eingenommenen Position erfolgt. Aus dem Vergleich werden dann Korrekturwerte berechnet, die die Maschinensteuerung bei der Vergabe neuer Soll-Werte berücksichtigt. Das gesonderte Messsystem liefert dabei die Information, ob die Hauptspindel die Messposition erreicht hat, an die Maschinensteuerung, die dann die Ist-Position der Hauptspindel mit Hilfe der für das Verfahren der Hauptspindel sowieso vorgesehenen Messsysteme ermittelt. Diese Ist-Position wird nun mit der Soll-Position verglichen, die die Hauptspindel einnehmen würde, wenn keine thermischen Verlagerungen vorliegen würden, und die in der Maschinensteuerung gespeichert ist. Die Hauptspindel kann dabei entweder unmittelbar in der Messposition zum Stillstand kommen, oder noch weiter verfahren werden, weil sie entweder die Messposition beim Anfahren einer anderen Position lediglich durchfährt, so dass die zugeordneten Messsysteme die IST-Werte sozusagen „on the fly” erfassen, oder weil sie aufgrund von Trägheit und Steuerverzögerungen erst nach dem Überfahren der Messposition zum Stillstand kommt.
Erfolgt der Werkzeugwechsel mit einem Werkzeugwechsler oder gar an einem mitfahrenden Werkzeugmagazin, so ergeben sich ebenfalls Wartezeiten bzw. Transferzeiten, die erfindungsgemäß genutzt werden können.
Das Erreichen der Messposition wird erfindungsgemäß über ein gesondertes Messsystem erfasst, das unmittelbar mit der Hauptspindel bzw. dem die Hauptspindel lagernden Spindelstock zusammenwirkt. Damit ist es nicht erforderlich, ein gesondertes Messwerkzeug in die Hauptspindel einzuwechseln oder eine gesonderte Messposition während der Hauptzeit anzufahren. Vielmehr wird die aktuelle Lage der Hauptspindel bevorzugt im Zusammenhang mit einem Werkzeugwechsel, also zu einem Zeitpunkt ermittelt, zu dem eine Bearbeitung des Werkstückes sowieso nicht möglich ist.
Auf diese Weise ist es möglich, während eines jeden Werkzeugwechsels die thermischen Verlagerungen des Spindelstockes zu erfassen und ggf. zu korrigieren. Der Erfinder hat nämlich erkannt, dass es für die allermeisten Anwendungsfälle ausreichend ist, wenn die Kompensation thermischer Verlagerungen zu den Zeitpunkten des Werkzeugwechsels erfolgt, häufigere Korrekturen sind nicht erforderlich. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, auch außerhalb eines Werkzeugwechsels die Messposition anzufahren bzw. zu durchfahren, wenn der damit einhergehende Verlust an Durchsatz zugunsten der Genauigkeit akzeptierbar ist. Dennoch ist auch in diesem Fall das neue Verfahren schneller als Verfahren aus dem Stand der Technik, weil kein gesondertes Messwerkzeug eingewechselt werden muss.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise daher vollständig gelöst.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das gesonderte Messsystem mittelbar oder unmittelbar zwischen der Hauptspindel und einem Messort wirkt, der in zumindest einer Koordinatenrichtung gegenüber dem Werkstückträger ortsfest ist, wobei das gesonderte Messsystem vorzugsweise eine Messfläche und zumindest einen Messfühler, vorzugsweise einen Messtaster aufweist, wobei entweder die Messfläche oder der Messfühler mit der Hauptspindel verbunden ist, und der Messfühler bzw. die Messfläche an dem Messort angeordnet ist.
Diese Maßnahmen ermöglichen ein preiswertes und konstruktiv einfaches gesondertes Messsystem, das zudem schnell und zuverlässig arbeitet, insbesondere wenn in dem gesonderten Messsystem ein Messtaster verwendet, also ein schaltendes Messsystem verwendet wird, das nach Art einer Ja/Nein-Entscheidung angibt, ob die Hauptspindel die Messposition eingenommen hat.
Bei dem neuen Verfahren ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn die Hauptspindel zumindest solange in Richtung Messposition verfahren wird, bis das gesonderte Messsystem anspricht.
Hier ist von Vorteil, dass die Messposition schnell und zuverlässig eingenommen werden kann. Die Hauptspindel kann dabei im Schleichgang verfahren werden.
Allgemein ist es bevorzugt, wenn die Hauptspindel das verwendete Werkzeug in einem freien Speicherplatz ablegt und aus einem bestückten Speicherplatz ein neu zu verwendendes Werkzeug entnimmt, wobei vorzugsweise die Hauptspindel nach dem Ablegen des verwendeten Werkzeuges in dem freien Speicherplatz die Messposition anfährt bzw. durchfährt und weiter vorzugsweise das Werkzeugmagazin den von dem verwendeten Werkzeug belegten Speicherplatz gegen einen Speicherplatz auswechselt, der mit dem neu zu verwendenden Werkzeug bestückt ist, während die Hauptspindel in die Messposition fährt, wobei das Werkzeugmagazin einen Werkzeugwechsel im Pick-up Verfahren ermöglicht.
Hier ist von Vorteil, dass keine oder zumindest nahezu keine Hauptzeit verloren geht, die Messposition wird angefahren während zeitgleich das Werkzeugmagazin teilt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 die neue Werkzeugmaschine in schematischer Seitenansicht, wobei gestrichelt die Werkzeugwechselposition von Werkzeugmagazin und Spindelstock angedeutet ist;
2 eine schematische und ausschnittsweise Draufsicht auf das Werkzeugmagazin aus 1;
3 eine schematische und vergrößerte ausschnittsweise Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Werkzeugmaschine aus 1, im Bereich der Hauptspindel und während eines Werkzeugwechsels;
4 eine Darstellung wie in 3, in einem späteren Stadium des Werkzeugwechsels; und
5 eine Darstellung wie in 3, in einem noch späteren Stadium des Werkzeugwechsels, in dem das Werkzeugmagazin teilt und parallel die Position des Spindelstocks bestimmt wird.
In 1 ist in schematischer Seitenansicht eine Werkzeugmaschine 10 dargestellt, die als vertikale Fahrständermaschine ausgebildet ist. Die neue Werkzeugmaschine kann auch als horizontale Fahrständermaschine, in Portalbauweise oder in einer der anderen üblichen Bauarten vorliegen, die vertikale Fahrständermaschine dient hier lediglich zur Erläuterung der Erfindung.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ein Untergestell 11, das aus einem versteiften Stabwerk oder Polymerbeton, aus Stahl oder Guss gefertigt sein kann. An dem Untergestell 11 ist ein schematisch angedeuteter Werkstücktisch als Werkstückträger 12 ausgebildet, auf dem in 1 ein Werkstück 14 zu erkennen ist, das über Spannmittel 15 und 16 auf den Werkstücktisch 12 aufgespannt ist.
An dem Untergestell 11 ist über Linearführungen 17 ein x-Schlitten 18 angeordnet, der in die Zeichenebene der Figur hinein- bzw. aus ihr herausfahren kann, was der x-Achse der Werkzeugmaschine 10 entspricht.
Auf dem x-Schlitten 18 sind Führungsschuhe 19 angeordnet, in denen ein Ständer 21 quer zu der x-Richtung, also in y-Richtung, gegenüber dem Untergestell 11 verfahren werden kann.
Der Ständer 21 trägt an seiner Vorderseite Führungen 22, an denen ein Spindelstock 23 quer zur x-Richtung sowie quer zur y-Richtung, also in z-Richtung relativ zu dem Untergestell 11 verfahren werden kann.
Der Spindelstock 23 trägt in an sich bekannter Weise eine drehangetriebene Hauptspindel 24, in die in an sich bekannter Weise ein Werkzeug 25 zur Bearbeitung des Werkstückes 14 eingespannt ist.
Linearführungen 17, x-Schlitten 18, Führungsschuhe 19, Ständer 21, Führungen 22 und Spindelstock 23 sind Konstruktionselemente, die mit eigenen Antrieben und Linearmaßstäben oder sonstigen Messsystemen versehen sind, um mit Hilfe einer bei 26 angedeuteten Maschinensteuerung den Werkzeugträger 24 gegenüber dem Werkstückträger 12 gezielt verfahren und die Position des jeweiligen Konstruktionselementes regeln zu können. In 1 sind diese zugeordneten Messsysteme bei 26a angedeutet.
Auf die insoweit beschriebene Art und Weise kann also das Werkzeug 25 relativ zu dem Werkstück 14 in drei zueinander orthogonalen Achsen verfahren werden, wie es durch ein bei 27 angedeutetes Koordinatenkreuz gezeigt ist. Das Koordinatenkreuz 27 definiert einen Koordinatenursprung 28, relativ zu dem die Position des Werkstückes 14 bekannt ist und das Werkzeug 25 unter der Kontrolle der Maschinensteuerung 26 und mit Hilfe der Messsysteme 26a in einem Arbeitsraum 29 verfahren wird, um das Werkstück 14 zu bearbeiten.
In 1 ist ferner ein Werkzeugmagazin 31 angedeutet, das mehrere Speicherplätze 30 für Werkzeuge 32, 33, 34 aufweist, die gegen das Werkzeug 25 in die Hauptspindel eingewechselt werden können. In 1 sind lediglich 3 Speicherplätze gezeigt, wobei die Zahl die Speicherplätze bis zu 60 oder mehr betragen kann.
Zum Werkzeugwechsel wird das Werkzeugmagazin 31 längs eines Pfeiles 35 so gegenüber dem Untergestell 11 verfahren, das es mit seinem vorderen Ende 36, an dem sich ein freier Speicherplatz befindet, in dem Arbeitsraum 29 zu liegen kommt. Diese Stellung des Werkzeugmagazins 31 ist in 1 gestrichelt dargestellt und mit 31' bezeichnet.
Der Spindelstock 23 wird jetzt so verfahren, dass die Hauptspindel 24 das Werkzeug 25 in dem freien Speicherplatz des Werkzeugmagazins 31 ablegen kann. Diese Werkzeugwechselposition des Spindelstocks 23 ist mit 23' bezeichnet. Die Lage von Hauptspindel 24 und Werkzeug 25 sind mit 24' bzw. 25' bezeichnet.
Nachdem das Werkzeug 25 in dem freien Speicherplatz des Werkzeugmagazins 31 abgelegt wurde, fährt der Spindelstock 23 nach oben, also in z-Richtung, um das Werkzeug 25 aus der Hauptspindel 24 freizugeben. Das Werkzeugmagazin 31 fährt dann ein neues Werkzeug 33, 34 oder 35 an sein vorderes Ende 36, wo es von der Hauptspindel 24 aufgenommen wird.
Diese Art des Werkzeugwechsels wird als Pick-up-Verfahren bezeichnet und ist als solches aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Zur Verdeutlichung ist in 2 das Werkzeugmagazin 31 noch einmal ausschnittsweise in schematischer Draufsicht gezeigt. Das Werkzeugmagazin 31 kann eine hufeneisenförmige oder eine in sich geschlossene Transportbahn 37 für Werkzeuge aufweisen. An seinem vorderen Ende 36 ist ein freier Speicherplatz 38 gezeigt, der im Verlauf des oben beschriebenen Werkzeugwechsels das Werkzeug 25 aus der Hauptspindel 24 aufnimmt.
Außer den schon in 1 gezeigten Werkzeugen 32, 33, 34 sind weitere Werkzeuge 39, 41 angedeutet, die längs der Transportbahn 37 hin und her bewegt werden können, wie dies durch einen Pfeil 42 angedeutet ist. Auf diese Weise kann jedes Werkzeug 32, 33, 34, 39, 41 an das vordere Ende 36 verfahren und dort in die Hauptspindel 24 eingewechselt werden. Derartige Werkzeugmagazine werden auch als Kettenmagazine bezeichnet.
Nach dem Austausch eines Werkzeuges wird das Werkzeugmagazin 31 dann entgegen der Richtung des Pfeiles 35 aus 1 wieder aus dem Arbeitsraum 29 herausgefahren und die Bearbeitung des Werkstückes 14 mit einem neuen Werkzeug fortgesetzt.
Hier sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass die neue Werkzeugmaschine auch mit einem stationären Werkzeugmagazin mit Werkzeugwechsel im Pick-up-Verfahren oder mit anderen Werkzeugmagazinen ausgestattet sein kann, bei denen der Werkzeugwechsel nicht im Pick-up sondern mit Hilfe von zugeordneten Werkzeugwechselvorrichtungen erfolgt. Das Kettenmagazin dient hier lediglich zur Erläuterung der Erfindung.
Im Betrieb der Werkzeugmaschine 10 kommt es nun zu thermischen Verlagerungen, wie sie eingangs bereits erwähnt wurden. Diese thermischen Verlagerungen führen dazu, dass die SOLL-Position des Werkzeuges 25 zu dem Koordinatenursprung 28 von der tatsächlichen, mit Hilfe der Messsysteme 26a bestimmten IST-Position abweicht, so dass die Bearbeitung des Werkstückes 14 nicht mit der erforderlichen Genauigkeit und Wiederholbarkeit erfolgen kann. Um diese Verlagerungen zu kompensieren, wird erfindungsgemäß während eines Werkzeugwechsels die Position des Spindelstocks 23 zu dem Koordinatenursprung 28 bestimmt, wozu die Werkzeugmaschine 10 mit einem gesonderten Messsystem versehen ist.
In 3 ist eine schematische und vergrößerte ausschnittsweise Darstellung der Werkzeugmaschine 10 aus 1 im Bereich der Hauptspindel 24 gezeigt, die sich in ihrer Werkzeugwechselposition befindet, in der sie das Werkzeug 25 in den freien Speicherplatz 38 an dem vorderen Ende 36 des Werkzeugmagazins 31 ablegen wird. An dem Spindelstock 23 ist ein Klotz 43 mit zwei Messflächen 44 und 45 angeordnet, die in noch zu beschreibender Weise mit einer Messanordnung 46 zusammen wirken. Klotz 43 und Messanordnung 46 bilden das zuvor erwähnte gesonderte Messsystem zur Kompensation thermischer Verlagerungen.
Der Klotz 43 und die Messanordnung 46 sind auch in 1 dargestellt, wobei dort zu erkennen ist, dass die Messanordnung 46 an dem x-Schlitten 18 festgelegt ist. Die Messanordnung 46 kann jedoch auch direkt an dem Untergestell 11 befestigt sein, wie dies in dem Ausführungsbeispiel der 3 bis 5 der Fall ist.
Zurückkehrend zu 3 ist zu erkennen, dass die Messanordnung 46 zwei mit der Maschinensteuerung 26 verbundene Messfühler in Form von Messtastern 47 und 48 aufweist, die mit der horizontal verlaufenden, also in der x/y-Ebene liegenden Messfläche 44 bzw. der vertikal verlaufenden, also in der x/z-Ebene liegenden Messfläche 45 zusammenwirken. Mit Messfläche 44 und Messtaster 47 wird die Position des Klotzes und damit des Spindelstocks in z-Richtung und mit Messfläche 45 und Messtaster 48 in y-Richtung erfasst, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird.
Zunächst zeigt 4 noch den Zustand in einem späteren Stadium des Werkzeugwechsels, wenn die Hauptspindel 24 das Werkzeug 25 in dem zuvor freien Speicherplatz 38 abgelegt hat. Jetzt muss die Hauptspindel 24 das Werkzeug 25 freigeben, wozu der Spindelstock 23 nach oben fahren muss. Dann kann das Werkzeugmagazin 31 das Werkzeug 25 aus dem vorderen Ende 36 herausfahren und dabei gleichzeitig ein anderes Werkzeug an dessen Position fahren, in 5 ist dies das Werkzeug 32. Dieser Bewegungsablauf in dem Werkzeugmagazin 31 wird auch als „Teilen” bezeichnet.
Während das Werkzeugmagazin 31 teilt, verfährt zeitgleich der Spindelstock 23 entlang der in 4 dargestellten Pfeile 51 und 52 in eine mit 50 bezeichnete Messposition, wodurch der Klotz 43 in die „Messecke” der Messanordnung 46 hineinbewegt wird. Diese Bewegungen entlang der Pfeile 51 und 52 wird fortgesetzt, bis die Maschinensteuerung 26 erkennt, dass der Messtaster 47 die Messfläche 44 und der Messtaster 48 die Messfläche 45 berührt. Das gesonderte Messsystem 43, 46 erkennt also, wenn die Hauptspindel 24 die Messposition 50 eingenommen hat. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Hauptspindel 24 in der Messposition selbst zum Stillstand kommt, die Messposition kann auch beispielsweise im Schleichgang durchfahren werden, wobei die Maschinensteuerung 26 von den zugeordneten Messsystemen 26a die IST-Werte dann erfasst, wenn das gesonderte Messsystem 43, 46 meldet, dass die Messposition erreicht wurde.
Die relative Lage, die der Klotz 43 bei Erreichen der Messposition 50 in der y- und der z-Achse zu dem Koordinatenursprung 28 einnimmt, wird also von der Maschinensteuerung 26 und den Messsystemen 26a erfasst, sie entspricht der tatsächlichen, also der IST-Position des Spindelstockes 23. Diese IST-Position wird dann mit der SOLL-Position verglichen, die der Spindelstock 23 einnehmen würde, und die dann von den Messsystemen 26a erfasst würde, wenn der Klotz 43 auf die beschriebene Weise in die „Messecke” 46 hineingefahren würde und keine thermischen Verlagerungen aufgetreten wären. Die SOLL-Position ist in der Maschinensteuerung 26 abgelegt.
Aus der Abweichung zwischen SOLL- und IST-Position werden dann Korrekturwerte Δy und Δz berechnet, die der Differenz zwischen SOLL- und IST-Position in Richtung der y- bzw. der z-Achse entsprechen, und die die Maschinensteuerung 26 bei der weiteren Bearbeitung des Werkstückes 14 berücksichtigt, indem sie die gespeicherten SOLL-Werte für die im Zuge der weiteren Bearbeitung des Werkstückes 14 folgenden SOLL-Positionen der Hauptspindel 24 bzw. des Werkzeuges 32 um die Korrekturwerte Δy und Δz verändert. Mit anderen Worten, die Korrekturwerte werden von der Maschinensteuerung bei der Vergabe neuer Soll-Werte berücksichtigt.
Soll das Werkzeug 32 beispielsweise eine relative Lage (x1, y1, z1) zu dem Koordinatenursprung 28 einnehmen, so wird jetzt die korrigierte Lage (x1, y1 + Δy, z1 + Δz) angefahren.
Auf diese Weise ist es möglich, während eines jeden Werkzeugwechsels die thermischen Verlagerungen des Spindelstockes 23 zu erfassen und ggf. zu korrigieren. Das dazu vorgesehene zusätzliche Messsystem aus Klotz 43 und Messanordnung 46 wird zusammen mit der Maschinensteuerung 26 sowie den sowieso vorhandenen Konstruktionselementen, die mit eigenen Antrieben und Messsystemen versehen sind, verwendet, um mit Hilfe der Maschinensteuerung 26 den Spindelstock 23 gezielt zu verfahren und eine durch die „Messecke” vorgegebene IST-Position zu bestimmen. Das gesonderte Messsystem 43, 46 wird dabei nur dazu verwendet, um der Maschinensteuerung 26 zu melden, dass die Hauptspindel 24 bzw. der Spindelstock 23 die Messposition 50 erreicht hat.
Dies erfordert nur geringen zusätzlichen konstruktiven und steuerungstechnischen Aufwand, wobei die Bestimmung der IST-Position während des Zeitabschnittes erfolgt, in dem der Spindelstock 23 ansonsten darauf warten würde, dass das Werkzeugmagazin 31 geteilt hat. Diese „werkzeugwechselzeitparallele” Bestimmung der thermischen Verlagerung ist daher nicht nur konstruktiv einfach, sie erfolgt auch ohne, zumindest nahezu ohne Zeitverlust gegenüber einem Betrieb ohne erfindungsgemäße Kompensation thermischer Verlagerungen, bietet aber zusätzliche Vorteile hinsichtlich Bearbeitungsgenauigkeit und Reproduzierbarkeit.
Dabei hat sich gezeigt, dass die Bestimmung der Abweichungen in y- und z-Richtung für die Kompensation thermischer Verlagerungen ausreichend ist, weil die Werkzeugmaschine symmetrisch zur y/z-Ebene aufgebaut ist. Mit anderen Worten, es gibt keine Kippmomente in x-Richtung, wobei die Verfahrgenauigkeit in x-Richtung auch genauer ist als in y- und z-Richtung, weil der x-Schlitten 18 durch eine Kugelgewindespindel bewegt wird, die durch einen Glasmaßstab kompensiert wird. Daher werden erfindungsgemäß nur thermischen Verlagerungen in Richtung der y- und z-Achse kompensiert.
Aus diesem Grund kann die Messanordnung 46 auch an dem x-Schlitten 18 und nicht ausschließlich an dem Untergestell 11 angebracht werden. Wesentlich ist nämlich, dass die Messanordnung 46, die sozusagen den Messort bildet, in y- und z-Richtung gegenüber dem Werkstückträger 12 ortsfest ist.
Selbstverständlich ist es analog einer kinematischen Umkehr auch möglich, den Klotz 43 an dem x-Schlitten 18 oder dem Untergestell 11, also dem Messort zu befestigen und die Messanordnung 46 an dem Spindelstock 23 vorzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10343320 A1 [0010]
DE 10330915 A1 [0012]
DE 10251829 B4 [0015]
DE 102005060104 B4 [0015]
DE 3836263 C1 [0015]
DE 10344903 A1 [0017]

Claims

Verfahren zur Kompensation thermischer Verlagerungen an einer Werkzeugmaschine (10), die eine über eine Maschinensteuerung (26) und zugeordnete Messsysteme (26a) relativ zu einem Werkstückträger (12) in einem Koordinatensystem (27) mit Koordinatenursprung (28) verfahrbare Hauptspindel (24) sowie ein Werkzeugmagazin (31) mit Speicherplätzen (30, 38) für Werkzeuge (25, 32, 33, 34, 39, 41) aufweist, bei dem die Hauptspindel (24) in eine Werkzeugwechselposition gefahren wird, in der ein verwendetes Werkzeug (25) gegen ein neu zu verwendendes Werkzeug (32) ausgewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Werkzeugwechsel, mit Hilfe eines gesonderten Messsystems (43, 46) die Hauptspindel (24) in eine oder durch eine Messposition (50) gefahren wird, in der über die Maschinensteuerung (26) und die zugeordneten Messsysteme (26a) die relative Lage der Hauptspindel (24) zu dem Koordinatenursprung (28) bestimmt und daraus zumindest ein Korrekturwert (Δy, Δz) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Messsystem (43, 46) mittelbar oder unmittelbar zwischen der Hauptspindel (24) und einem Messort wirkt, der in zumindest einer Koordinatenrichtung (y, z) gegenüber dem Werkstückträger (12) ortsfest ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Messsystem (43, 46) zumindest eine Messsfläche (44, 45) und zumindest einen Messfühler (47, 48) aufweist, wobei entweder die Messfläche (44, 45) oder der Messsfühler (47, 48) mit der Hauptspindel (24) verbunden ist, und der Messfühler (47, 48) bzw. die Messfläche (44, 45) an dem Messort angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspindel (24) zumindest solange in Richtung (51, 52) Messposition (50) verfahren wird, bis das gesonderte Messsystem (43, 46) anspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspindel (24) das verwendete Werkzeug (25) in einem freien Speicherplatz (38) ablegt und aus einem bestückten Speicherplatz ein neu zu verwendendes Werkzeug (32) entnimmt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspindel (24) nach dem Ablegen des verwendeten Werkzeuges (25) in dem freien Speicherplatz (38) die Messposition (50) anfährt oder durchfährt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugmagazin (31) den von dem verwendeten Werkzeug (25) belegten Speicherplatz (38) gegen einen Speicherplatz auswechselt, der mit dem neu zu verwendenden Werkzeug (32) bestückt ist, während die Hauptspindel (24) in die Messposition (50) fährt.
Werkzeugmaschine, die eine über eine Maschinensteuerung (26) und zugeordnete Messsysteme (26a) relativ zu einem Werkstückträger (12) in einem Koordinatensystem (27) mit Koordinatenursprung (28) verfahrbare Hauptspindel (24) sowie ein Werkzeugmagazin (31) mit Speicherplätzen (30, 38) für Werkzeuge (25, 32, 33, 34, 39, 41) aufweist, wobei die Hauptspindel (24) in eine Werkzeugwechselposition gefahren wird, in der ein verwendetes Werkzeug (25) gegen ein neu zu verwendendes Werkzeug (32) ausgewechselt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesondertes Messsystem (43, 46) vorgesehen ist, das angibt, ob die Hauptspindel (24), vorzugsweise im Zusammenhang mit dem Werkzeugwechsel, eine Messposition (50) eingenommen hat, in der über die Maschinensteuerung (26) und die zugeordneten Messsysteme (26a) die relative Lage der Hauptspindel (24) zu dem Koordinatenursprung (28) bestimmt und verwendet wird, um zumindest einen Korrekturwert (Δy, Δz) zu ermitteln.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Messsystem (43, 46) mittelbar oder unmittelbar zwischen der Hauptspindel (24) und einem Messort wirkt, der in zumindest einer Koordinatenrichtung (y, z) gegenüber dem Werkstückträger (12) ortsfest ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gesonderte Messsystem (43, 46) zumindest eine Messfläche (44, 45) und zumindest einen Messfühler (47, 48) aufweist, wobei entweder die Messfläche (44, 45) oder der Messfühler (47, 48) mit der Hauptspindel (24) verbunden ist, und der Messfühler (47, 48) bzw. die Messfläche (44, 45) an dem Messort angeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (47, 48) ein Messtaster (47, 48) ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeugmagazin (31) einen Werkzugwechsel im Pick-up Verfahren ermöglicht.