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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer großformatigen Einrichtung und ein Werkstück zum Verbinden mit einer großformatigen Einrichtung.
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Großformatige Einrichtungen haben in zumindest einer Raumrichtung eine Ausdehnung von zumindest mehr als 5 Metern, häufig von mehr als 10 Metern. Solche Strukturen sind beispielsweise Antriebswellen von Kraftwerksanlagen oder Formen für Flugzeugtragwerke. Zugleich ist die erforderliche Bearbeitungsgenauigkeit bei diesen Einrichtungen sehr hoch. Toleranzen im Bereich von einem zehntel bis wenigen hundertstel Millimetern sind die Regel.
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Großformatige Einrichtungen mit einer hohen Anforderung an die Bearbeitungstoleranz sind insbesondere bei notwendigen Modifikationen und/oder Reparaturen schwer zu bearbeiten. Da derartige Einrichtungen in der Regel nicht eingespannt in einer ortsfesten Werkzeugmaschine bearbeitet werden können, erfolgt die Bearbeitung in der Regel manuell. Eine manuelle Bearbeitung kann jedoch die Anforderungen an die Bearbeitungstoleranz nur in Grenzen erfüllen und geht mit einem hohen Aufwand einher.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen großformatige Einrichtungen einfach und kostengünstig bei zugleich geringem Aufwand bearbeitet werden können.
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Der in der Erfindung zum Ansatz gebrachte Grundgedanke berücksichtigt die Randbedingungen, die eine Bearbeitung großer Einrichtungen mit sich bringt. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass eine leichte Werkzeugmaschine an der Einrichtung angeordnet wird, mittels einer Messvorrichtung die Positionen von Markern erfassten werden, wobei die Marker an der Werkzeugmaschine und an der Einrichtung angeordnet sind, aus den Positionen die Lage der Werkzeugmaschine zu der Einrichtung bestimmt wird und in Abhängigkeit der Lage die Werkzeugmaschine angesteuert wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine zumindest zwei Marker aufweisende Werkzeugmaschine im Bereich einer zu bearbeitenden Stelle an der Einrichtung positioniert und/oder befestigt wird. Die Ausmaße der Werkzeugmaschine sind wesentlich kleiner als die der Einrichtung. Die Werkzeugmaschine ist vorzugsweise von Gewicht und Ausmaß derart ausgeführt, dass sie vollständig oder zerlegt in wenige funktionale Module von bis zu vier Personen getragen und positioniert werden kann. Die Werkzeugmaschine ist eine manuelle und/oder programmsteuerbare Bearbeitungsmaschine mit einer, zwei oder mehreren Achsen zur Bearbeitung von Bauteilen mittels unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren, wie zum Beispiel Fräsen, Schleifen, Laserschneiden, Laserschweißen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weiter mittels einer Messvorrichtung die relative Lage der Einrichtung, der Werkzeugmaschine und/oder eines von der Werkzeugmaschine geführten Werkzeugs zueinander bestimmt. In Abhängigkeit der relativen Lage der Werkzeugmaschine und/oder des Werkzeugs zu der Einrichtung wird dann die Werkzeugmaschine gesteuert. Hierdurch wird es möglich, eine großformatige Einrichtung einfach und mit geringem Aufwand zu bearbeiten. Die Messvorrichtung bedient sich Verfahren der Lasertriangulation, der Photogrammetrie und/oder anderer Verfahren, die geeignet sind, die Lage einer Werkzeugmaschine und/oder eines Werkzeugs relativ zu einem zu bearbeitenden Bauteil zu bestimmen. Damit besteht die Möglichkeit, die Werkzeugmaschine und ihr Koordinatensystem exakt auf das Koordinatensystem der Einrichtung abzugleichen.
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Zur Bestimmung der Lage der Werkzeugmaschine zu der Einrichtung wird ein Werkzeug zu drei oder mehr Punkten im Arbeitsfeld der Werkzeugmaschine bewegt, mit dem Messsystem die Position eines an der Werkzeugmaschine, vorzugsweise an dem Werkzeug, angeordneten Markers erfasst und aus der Position des Markers und dem Abstand des Markers zu der Oberfläche der Einrichtung eine gemeinsame Koordinate von Werkzeugmaschine und Einrichtung ermittelt. In einem ersten Schritt wird beispielsweise ein Messtaster auf drei oder mehr Punkte im Arbeitsfeld der Werkzeugmaschine auf die Oberfläche der Einrichtung aufgesetzt. Vorzugsweise ist wenigstens einer dieser Punkte ein unveränderlicher Referenzpunkt der Einrichtung. Mit dem Messsystem wird die Position eines Markers an dem Werkzeug bestimmt. Der Marker befindet sich dabei in definiertem Abstand vom Aufstandspunkt des Messtasters. Dieser Abstand ist derselbe wie bei der nachgeschalteten Bearbeitung. Die Bestimmung des Abstands kann auch mittels eines Distanzmessgeräts erfolgen, welches mit einem Marker ausgestattet von der Werkzeugmaschine als Werkzeug geführt wird.
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Alternativ befinden sich ein oder mehrere Marker an Fixpunkten der Werkzeugmaschine und ein oder mehrere Marker an Referenzpunkten der Einrichtung. Diese beschreiben jeweils die Position der Werkzeugmaschine und der Einrichtung. Durch die gemeinsame Erfassung dieser Marker durch die Messvorrichtung lässt sich die Lage der Werkzeugmaschine an der Einrichtung exakt bestimmen. Eine zu bearbeitende Kontur wird dann aus den hinterlegten Globalkoordinaten der Einrichtung in Lokalkoordinaten der Werkzeugmaschine umgesetzt, die Verfahrwege der Werkzeugmaschine zur Bearbeitung der Einrichtung werden ermittelt und die Werkzeugmaschine wird entsprechend angesteuert.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die übergeordnete Messvorrichtung permanent die Position und so auch die Verfahrbahn des Werkzeugs erfasst. Dabei ist ein stetiger Abgleich mit den hinterlegten Globalkoordinaten der Einrichtung möglich, sodass während der Bearbeitung der Einrichtung eine Korrektur der Verfahrbahn des Werkzeugs ermittelt werden kann. Dazu werden neben einem dem Werkzeug zugeordneten Marker auch die Marker an Fixpunkten der Werkzeugmaschine und/oder die Marker an den Referenzpunkten der Einrichtung erfasst. Hierdurch lässt sich eine sehr exakte Bearbeitung an gegebenen Geometrien vornehmen. Die Anforderungen an die Steifigkeit der Struktur der Werkzeugmaschine treten dabei in den Hintergrund. Eventuell auftretende größere Abweichungen zwischen Sollwerten und Istwerten werden durch die permanente Bestimmung der Lage des Werkzeugs zu der Einrichtung kompensiert. Somit ist es möglich, eine Werkzeugmaschine aus sehr leichten Strukturen einzusetzen.
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Zur Qualitätssicherung sind unterschiedliche Varianten des Bearbeitungsablaufs möglich. Bei einer Open-Loop-Variante erfolgt die Bearbeitung in mehreren Durchgängen. In einem ersten Schritt werden die Position und die Verfahrwege des Werkzeugs und/oder der Werkzeugmaschine, insbesondere der Achsmodule, permanent erfasst und über die Bearbeitungszeit aufgezeichnet. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Messung des Arbeitsergebnisses. Anschließend wird in einem dritten Schritt bei einem Abgleich von Soll- und Ist-Werten eine Korrektur der Verfahrwege des nachfolgenden Durchgangs bestimmt.
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Bei einer Closed-Loop-Variante werden die Position und die Verfahrwege des Werkzeugs und/oder der Werkzeugmaschine, insbesondere der Achsmodule, permanent erfasst. Bei auftretenden Abweichungen von den hinterlegten Globalkoordinaten während der Bearbeitung wird mittels einer Regelung eine Kompensation der Verfahrwege der Werkzeugmaschine durchgeführt.
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Für einen Abgleich des Ist-Zustands mit dem in den Globalkoordinaten der Einrichtung hinterlegten Soll-Zustand können zwei unterschiedliche Methoden angewandt werden. Bei einer seriellen Arbeitsweise erfolgt die Erfassung des Ist-Zustands mit einem parallel zum Arbeitswerkzeug angeordneten Messwerkzeug. Das Messwerkzeug kann beispielsweise ein nachlaufendes Distanzmessgerät als Messsensor sein.
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Bei einer simultanen Arbeitsweise befindet sich ein Messwerkzeug oder ein Marker am oder nahe dem Werkzeug, beispielsweise macht ein Messtaster jede Bewegung des Werkzeugs mit exaktem Abstand mit, oder das Werkzeug umfasst einen Marker, der von der Messvorrichtung erfasst werden kann.
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Günstig ist es, dass die Geometrie der Einrichtung im Bereich der zu bearbeitenden Stelle mittels der Messvorrichtung permanent während der Bearbeitung und/oder nach einem mehrerer Bearbeitungsschritte erfasst wird. Dazu ist an der Werkzeugmaschine ein Messwerkzeug vorgesehen, beispielsweise ein Distanzmessgerät oder ein Messtaster, wobei vorzugsweise an dem Messwerkzeug zumindest ein Marker angeordnet ist.
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Die Anwendung des Verfahrens zeigt folgendes Beispiel: Bei einer Reparatur oder Änderung einer großen Einrichtung mit hoher Genauigkeitsanforderung wird eine mobile, leicht transportierbare und voll programmierbare Mehrachs-Werkzeugmaschine auf der Einrichtung angeordnet. Die Positionen der Werkzeugmaschine und der Einrichtung werden mittels einer externen, sowohl die Einrichtung als auch die Werkzeugmaschine erfassenden Messvorrichtung erfasst. Die Erfassung der Positionen erfolgt vor der Bearbeitung der Einrichtung, um die Lage der Werkzeugmaschine zu der Einrichtung zu bestimmen, und/oder während und/oder nach der Bearbeitung, um Einfluss auf die Bearbeitung zu nehmen und die Qualität der Bearbeitung zu ermitteln. Weist eine Einrichtung, beispielsweise eine Form für die Herstellung einer Tragfläche eines Flugzeugs, eine Schadensstelle auf, wird die Werkzeugmaschine zunächst im Bereich der Schadensstelle an der Einrichtung angeordnet. Dann erfasst die Messvorrichtung die Werkzeugmaschine und die Einrichtung. Die Schadensstelle wird nun beispielsweise mittels eines thermischen Verfahrens oder mittels eines spanabhebenden Verfahrens aus der Einrichtung herausgetrennt. Dabei sind unter anderem als thermische Trennverfahren Schneidlaser oder Schneidbrenner, als spanabhebende Trennverfahren Fräsen oder Sägen einsetzbar.
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Die Kontur des so entstehenden Teilstücks ist entweder vorgegeben, den Globalkoordinaten der Einrichtung entnommen und in der Steuerungsvorrichtung der Werkzeugmaschine hinterlegt oder wird bei einem manuell geführten Trennen kontinuierlich erfasst. Anschließend wird ein Werkstück in die Einrichtung eingesetzt. Die Kontur des Werkstücks ist auf die Kontur des Teilstücks abgestimmt. Die Kontur des Werkstücks ist entweder vorgegeben und wurde beim Trennen berücksichtigt oder das Werkstück wurde anhand der beim Trennen dokumentierten Daten passend gefertigt. Ein solches Werkstück, auch Inlay genannt, wird dann mittels eines von der Werkzeugmaschine geführten Schweißwerkzeugs, zum Beispiel eines Lasers oder Lichtbogens, mit der Einrichtung verbunden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin mit einem Werkstück gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Werkstück zum Verbinden mit einer großformatigen Einrichtung vorgesehen, das eine Positionierhilfe aufweist. Diese Positionierhilfe erstreckt sich über den Rand des Werkstücks hinaus. Dabei hat die Positionierhilfe eine Kontaktfläche, die im Einbauzustand des Werkstücks an der Oberfläche der Einrichtung anliegt. Die Positionierhilfe kann in unterschiedlichen Formen ausgeführt sein. Die Positionierhilfe kann als ein von dem Werkstück unabhängiges Teil zur Positionierung mit dem Werkstück verbunden werden und nach der Fixierung des Werkstücks an der Einrichtung wieder von dem Werkstück gelöst werden. Diese Verbindung kann beispielsweise mittels eines Schweißpunkts erfolgen. Bei einer anderen Ausgestaltung des Werkstücks ist die Positionierhilfe integraler Bestandteil des Werkstücks und als ein Vorsprung des Teilstücks ausgeführt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Positionierhilfe als ein mit der Einrichtung verbundener Sockel ausgeführt, wobei die Unterkante des Werkstücks im Einbauzustand an der Positionierhilfe anliegt. Der Sockel kann nach dem Heraustrennen eines Teilstücks aus der Einrichtung an der Einrichtung befestigt werden. Vorzugsweise wird der Sockel beim Heraustrennen des Teilstücks gefertigt. Dabei wird im Bereich des Sockels das Teilstück nur über einen Teil des vollständigen vertikalen Querschnitts der Einrichtung herausgearbeitet. Der verbleibende Teil des vertikalen Querschnitts bildet dann den integral mit der Einrichtung verbundenen Sockel.
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Die Verbindung des Werkstücks mit der Einrichtung kann beispielsweise mittels Energieeintrag, insbesondere mittels Laserschweißen, erfolgen. Beim Laserschweißen wird stets eine geringe Menge Material verdampft und/oder in einem Spalt zwischen Werkstück und Einrichtung angelagert. Günstig ist es, dass das Werkstück ein Materialdepot aufweist. So muss während des Laserschweißens kein weiteres Material an die Schweißstelle geführt werden. Dies verringert den anlagen- und verfahrenstechnischen Aufwand und reduziert so die Bearbeitungszeit sowie die Kosten. Das Materialdepot ist als eine über die zu fertigende Oberflächenkontur erhabene Wulst ausgeführt. Das Materialdepot ist im Bereich der Verbindungszone von Werkstück und Einrichtung auf der Oberfläche des Werkstücks angeordnet. Das Materialdepot ist vorzugsweise integral mit dem Werkstück hergestellt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer großformatigen Einrichtung vorgesehen, die zumindest eine Werkzeugmaschine und zumindest eine Messvorrichtung umfasst, wobei an der Werkzeugmaschine wenigstens zwei mittels der Messvorrichtung erfassbare Marker angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die Werkzeugmaschine klein, leicht und mobil auszuführen, ohne Einbußen bei der Bearbeitungsgenauigkeit.
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Die Genauigkeit konventioneller Werkzeugmaschinen hängt im Wesentlichen von der Steifigkeit der Struktur und der Genauigkeit der Führungen ab, da die Bearbeitung von Bauteilen anhand von Messwerten der Werkzeugmaschine erfolgt, beispielsweise die Messung von Verfahrwegen an der Werkzeugmaschine durch die Werkzeugmaschine. Bei größeren Toleranzen der Werkzeugmaschine entstehen somit größere Ungenauigkeiten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung folgt dagegen einem anderen Grundprinzip. Die Orientierung erfolgt am Bauteil, also der Einrichtung. Bearbeitungsgeometrien werden an der Einrichtung während der Bearbeitung mit einer externen Messvorrichtung erfasst. Somit ist die Steifigkeit der Werkzeugmaschine für die Genauigkeit der Bearbeitung von geringer Bedeutung. Die Kopplung der externen, hochgenauen Messtechnik mit der Steuerungsvorrichtung der Werkzeugmaschine erlaubt den ständigen Abgleich zwischen Soll und Ist der Bearbeitung. Korrekturen sind sofort möglich.
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Diese Vorgehensweise erlaubt eine Verschiebung der Prioritäten bei der Gestaltung der Werkzeugmaschine. Während Steifigkeit und Genauigkeit an Bedeutung verlieren, steht nun die Handhabbarkeit im Hinblick auf die Masse des zu bewegenden Geräts im Vordergrund.
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Die Werkzeugmaschine besteht erfindungsgemäß aus einer leichten, durch ein bis vier Personen tragbaren und positionierbaren, manuellen und/oder programmsteuerbaren Bearbeitungsmaschine mit einer, zwei oder mehreren Achsen zur Bearbeitung von Bauteilen mit unterschiedlichen Verfahren, wie zum Beispiel Fräsen, Schleifen, Laserschneiden, oder Laserschweißen. Die Werkzeugmaschine kann gleichzeitig und/oder nacheinander ein oder mehrere Werkzeuge aufnehmen und diese betreiben. Ein Werkzeug kann ein Bearbeitungswerkzeug und/oder ein Messwerkzeug, auch Kontrolleinrichtung genannt, sein.
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Die Mobilität und Flexibilität der Werkzeugmaschine wird dadurch erreicht, dass die Werkzeugmaschine zumindest drei voneinander lösbare Module umfasst. Hierdurch ist die Werkzeugmaschine leicht und sicher manuell bewegbar. Dies ist sowohl für den Transport zur Einrichtung als auch für die Bewegung auf der Einrichtung von Bedeutung, da einzelne Module mit einer Masse von weniger als 40 Kilogramm und einer Ausdehnung von weniger als zwei Metern mühelos von ein bis zwei Personen auch in Zwangsstellungen, wie gebückter Haltung oder im Liegen, bewegt werden können. Aufgrund der leichten Struktur der Werkzeugmaschine als Ganzes und vor allem aufgrund der einzelnen Module der Werkzeugmaschine kann diese auch leicht und handhabungssicher in unzugänglichen Bereichen bewegt werden.
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Vorzugsweise hat die Werkzeugmaschine ein Wagenmodul, mittels dessen die Werkzeugmaschine auf der Einrichtung bewegt und arretiert werden kann. Zur Bewegung hat das Wagenmodul Räder. Für eine Arretierung an der Einrichtung weist das Wagenmodul mehrere Stützstempel auf. An zumindest einem der Einrichtung zugeordnetem Endabschnitt eines Stützstempels ist vorzugsweise ein Magnet und/oder ein Saugnapf vorgesehen, mittels dessen eine lösbare Verbindung zwischen der Einrichtung und der Werkzeugmaschine herstellbar ist.
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In einer Ausführungsform haben die Stützstempel Spindeln zur Höhenverstellung und Nivellierung der Werkzeugmaschine. Damit besteht die Möglichkeit, die Maschine und ihr Koordinatensystem exakt auf das Koordinatensystem des Bauteils abzugleichen und Flächen parallel dazu zu bearbeiten. Die Betätigung der Spindeln erfolgt manuell und/oder elektrisch. Mittels der Spindeln ist eine lotrechte Ausrichtung der Werkzeugmaschine möglich. So kann das Heraustrennen des Schadstücks mit lotrechten Verbindungszonen erfolgen. Bei einer permanenten Positionserfassung des Werkzeugs ist mit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine auch die Erzeugung von Verbindungszonen möglich, die zur Lotrechten einen Winkel aufweisen. Durch die Bestimmung der Positionen des Werkzeugs und der Werkzeugmaschine ist eine Nivellierung der Werkzeugmaschine nicht notwendig. Zur Bewegung einiger oder aller Elemente der Werkzeugmaschine und somit des Werkzeugs hat die Werkzeugmaschine eine Steuerungsvorrichtung.
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Auf dem Wagenmodul werden dann weitere Module der Werkzeugmaschine angeordnet, und zwar ein Hauptachsenmodul und zumindest ein weiteres Arbeitsachsenmodul. Beispielsweise ist bei einer kartesischen Werkzeugmaschine das Hauptachsenmodul die x-Achse, ein erstes, an dem Hauptachsenmodul befestigtes Arbeitsachsenmodul die y-Achse und ein zweites Arbeitsachsenmodul, welches an dem ersten Arbeitsachsenmodul befestigt ist, die z-Achse. Die Achsenmodule sind relativ zueinander motorisch beweglich. An zumindest einem der Achsenmodule ist ein Werkzeugkopf beweglich angeordnet. Jedes Achsenmodul ist bis auf einen Freiheitsgrad gegenüber einem benachbarten Achsenmodul unbeweglich. So ist das Hauptachsenmodul bis auf einen Freiheitsgrad unbeweglich an dem Wagenmodul angeordnet. Jedes Arbeitsachsenmodul ist wiederum bis auf einen Freiheitsgrad unbeweglich an dem Hauptachsenmodul oder an einem anderen Arbeitsachsenmodul angeordnet.
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Neben dem konventionellen kartesischen Aufbau der Werkzeugmaschine sind auch Werkzeugmaschinen denkbar, die auf einem rein rotatorischen Koordinatensystem oder auf Mischformen basieren.
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In einer Ausführungsform besteht das Hauptachsenmodul aus einer Umlaufspindel, einem Schlitten und zumindest zwei parallelen Rundstäben, vorzugsweise aus einem Stahl. Der Schlitten ist mit der Umlaufspindel formschlüssig verbunden, wobei der Schlitten und/oder die Umlaufspindel motorisch angetrieben sind.
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Das Arbeitsachsenmodul oder das Hauptachsenmodul und das Arbeitsachsenmodul bestehen aus einem Strukturkörper, an dem mehrere Führungsflächen angeordnet sind. Der Strukturkörper ist ein Leichtbauteil, insbesondere bestehend aus einem Schaumwerkstoff, einem Wabenkörper, einem Verbundmaterial und/oder einer Sandwichstruktur. Die Führungsflächen bestehen aus Metall und sind auf dem Strukturkörper befestigt. Aufgrund der festen Verbindung mit dem Strukturkörper können die Führungsflächen aus Profilen hergestellt sein, die ohne die Befestigung am Strukturkörper im Wesentlichen biegeweich sind und eine geringe Profilstärke aufweisen. So sind die Funktionen der Steifigkeit und der Führung getrennt. Der biegesteife Strukturkörper hat ein hohes Dämpfungsvermögen und trägt die Lasten ab, während die Führungsflächen zur beweglichen Verbindung mit einem Arbeitsachsenmodul und/oder einem Werkzeugkopf dienen.
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Günstig ist es, dass die Werkzeugmaschine aus mehreren insbesondere zueinander beweglichen Trägerprofilen aufgebaut ist. Vorzugsweise besteht ein Modul der Werkzeugmaschine aus zumindest einem Trägerprofil. Ein Trägerprofil besteht aus einem Paket mehrerer Leichtbauelemente. Das Trägerprofil ist von einem Zugband umfasst und an den Kanten des Trägerprofils sind Führungsprofile angeordnet. Über an den Führungsprofilen gleitend oder rollend anliegenden Lagern sind die Trägerprofile zueinander beweglich. Ein Leichtbauelement besteht beispielsweise aus einer Wabenstruktur, die zumindest einseitig mit einer Deckschicht verbunden ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, dass das Zugband und die Führungsprofile aus einem Metall und/oder einer Keramik bestehen. Die Leichtbauelemente bestehen vorzugsweise aus einem auf Kohlenstoff basierenden Werkstoff, beispielsweise einem mit Kunstharz getränkten Papier. Die Führungsprofile sind in die Leichtbauelemente eingelassen oder auf diese aufgesetzt.
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Vorteilhaft ist es, dass an der Werkzeugmaschine ein oder mehrere Marker angeordnet sind. Diese sind fest mit der Werkzeugmaschine, vorzugsweise an dem Wagenmodul und/oder an zumindest einem Achsenmodul, befestigt. Hierdurch ist es möglich, dass die Werkzeugmaschine von einer geeigneten Messvorrichtung erfasst wird. Eine solche Messvorrichtung bedient sich dabei beispielsweise der Lasertriangulation oder einem anderen Verfahren. So kann auf einfache Weise die Lage der Werkzeugmaschine zu der zu bearbeitenden Einrichtung eingemessen werden, wobei eine aufwendige Justage der Werkzeugmaschine an der Einrichtung entfällt.
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Der Marker ist ein Messpunkt, beispielsweise in Form einer Kugel, eines Prismas oder eines sogenannten Targets. Ein Marker beziehungsweise seine Lage kann in einem Bild von einer Auswertungseinrichtung erkannt und unter Kenntnis des Aufnahmewinkels einer Raumposition zugeordnet werden. Vorzugsweise werden dazu von der Auswertungseinrichtung die Bilder unterschiedlicher Standorte herangezogen. Die Lage eines Markers im Raum und/oder im räumlichen Bezug zu anderen Markern kann auch direkt mittels der Laufzeitmessung von elektromagnetischen Wellen, beispielsweise Ultraschall oder Laserstrahlen, erfasst werden.
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An der Werkzeugmaschine sind zumindest zwei Marker vorgesehen, von denen sich zumindest einer in einem definierten Abstand vom Aufstandspunkt eines Messtasters bzw. eines Werkzeugs befindet. Vorzugsweise sind die beiden Marker dabei derart angeordnet, dass die von ihnen gebildete Gerade parallel zu der z-Achse der Werkzeugmaschine orientiert ist. Die z-Achse ist der Verfahrweg, welcher im Wesentlichen orthogonal zu der durch die beiden größten Raumerstreckungen der Einrichtung aufgespannten Ebene orientiert ist. Bei einer Werkzeugmaschine mit drei Arbeitsachsen genügen zwei Marker zur Erkennung der Position des Werkzeugs. Bei einer Werkzeugmaschine mit mehr als drei Arbeitsachsen muss die Werkzeugmaschine mindestens drei Marker aufweisen.
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Zur Erfassung der Position der Werkzeugmaschine an der Einrichtung werden von der Werkzeugmaschine drei oder mehr Referenzmessstellen auf der Oberfläche der Einrichtung angefahren und mit einer Messvorrichtung wird deren Position bestimmt. Alternativ befinden sich mehrere Marker an festen Stellen der Einrichtung und der Werkzeugmaschine und beschreiben dadurch die Position der Werkzeugmaschine an der Einrichtung. Die Bestimmung der Lage der Einrichtung kann ohne an der Einrichtung befestigte Marker erfolgen. Für eine permanente Bestimmung der Lage des Werkzeugs zu der Einrichtung auch während der Bearbeitung der Einrichtung ist es vorteilhaft, dass an der Einrichtung zumindest drei Marker angeordnet sind.
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Bevorzugt ist zumindest ein Marker der Werkzeugmaschine am Werkzeugkopf angeordnet. Der Werkzeugkopf hat eine hohe Steifigkeit, sodass eine Änderung der Position des Werkzeugs zu dem Werkzeugkopf während der Bearbeitung der Einrichtung nahezu ausgeschlossen ist. Durch die permanente Positionserfassung der Lage des Werkzeugs kann die restliche Struktur der Werkzeugmaschine biegeweicher ausgeführt werden als bekannte Werkzeugmaschinen. Auch ist es möglich, dass das Werkzeug einen Marker aufweist.
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Der Werkzeugkopf umfasst einen Flansch, einen Schlitten, eine Werkzeugeinrichtung und das Werkzeug. Der Flansch dient an dem Schlitten als definierter Anschlag und/oder als Befestigung für die Werkzeugeinrichtung. Der Schlitten dient zur Bewegung des Werkzeugkopfs an einem Arbeitsachsenmodul. Der Schlitten und der Flansch können einteilig ausgeführt sein. Die Werkzeugeinrichtung umfasst eine Werkzeugaufnahme, einen Werkzeugantrieb, eine Optik und/oder eine Energiequelle.
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Günstig ist es, dass an der Werkzeugaufnahme und/oder an dem Werkzeug zumindest ein Marker angeordnet ist oder die Werkzeugaufnahme als Marker ausgeführt ist. Bei einer als Marker ausgeführten Werkzeugaufnahme hat die Werkzeugaufnahme oder ein Abschnitt der Werkzeugaufnahme eine markante geometrische Form, vorzugsweise eine Kugel zur Erfassung durch die Messvorrichtung. Bei einem Werkzeug, das an seinem Schaft eine kugelförmige Auswölbung hat, kann die Auswölbung als Marker dienen und von einer Messvorrichtung erfasst werden.
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Durch den Abgleich der Marker der Werkzeugmaschine relativ zu den an den Fixpunkten der Einrichtung angeordneten Markern lässt sich die Lage der Werkzeugmaschine zu der Einrichtung exakt bestimmen. Die zu bearbeitende Kontur wird dann aus den Globalkoordinaten der Einrichtung in Lokalkoordinaten der Werkzeugmaschine umgerechnet und die Verfahrwege der Werkzeugmaschine zur Bearbeitung der gewünschten Geometrie an der Einrichtung ermittelt. Die Messvorrichtung misst dabei permanent ein übergeordnetes Raumsystem. Hierdurch lässt sich eine sehr exakte Bearbeitung an gegebenen Geometrien vornehmen, obwohl die Struktur der Werkzeugmaschine nicht sehr steif ist. Die permanente Positionserfassung erlaubt es weiterhin, das Heraustrennen eines Schadstücks auf ein vorbereitetes Inlay oder Ersatzstück mit endgültig bearbeiteter Oberfläche abzustimmen. So muss nur der Verbindungsbereich zwischen Einrichtung und Inlay nachbearbeitet werden.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
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1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer großformatigen Einrichtung und eine Vorrichtung zur Bearbeitung der Einrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Werkzeugmaschine der in 1 beschriebenen Vorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Werkzeugmaschine der in 1 beschriebenen Vorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der in den 1 bis 3 gezeigten Werkzeugmaschine;
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5 eine schematische Darstellung eines Trägerprofils der den 1 bis 4 gezeigten Werkzeugmaschine;
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6 eine geschnittene schematische Darstellung eines Werkzeugs zum Bearbeiten der in den 1 bis 4 gezeigten Einrichtung;
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7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Einrichtung und eines Werkstücks mit einer ersten Ausführungsform einer Positionierhilfe;
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8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Einrichtung und eines Werkstücks mit einer zweiten Ausführungsform einer Positionierhilfe;
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9 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Einrichtung und eines Werkstücks mit einer dritten Ausführungsform einer Positionierhilfe.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer großformatigen Einrichtung 1. Zur Bearbeitung der großformatigen Einrichtung 1 ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung 2 vorgesehen, welche eine Werkzeugmaschine 3 und eine Messvorrichtung 4 umfasst. Die Werkzeugmaschine 3 und die Messvorrichtung 4 sind mechanisch eigenständige Geräte. Die Ausmaße der Werkzeugmaschine 3 sind wesentlich kleiner als die der Einrichtung 1. Die Werkzeugmaschine 3 ist ein mobiles Gerät, das zur Bearbeitung der Einrichtung 1 auf dieser angeordnet ist. Die Messvorrichtung 4 ist mit einem Abstand zu der Einrichtung 1 neben dieser aufgestellt. Die Werkzeugmaschine 3 besteht aus mehreren relativ zueinander beweglichen Modulen 5, 6, 7. Die Module 5, 6, 7 sind für einen einfachen Transport der Werkzeugmaschine 3 voneinander lösbar ausgeführt. An der Werkzeugmaschine 3 ist ein Werkzeug 8 angeordnet. Zur Bewegung der Module 5, 6, 7 der Werkzeugmaschine 3 und somit des Werkzeugs 8 hat die Werkzeugmaschine 3 eine Steuerungsvorrichtung 9. Das Werkzeug 8 kann ein Bearbeitungswerkzeug und/oder ein Messwerkzeug sein. An der Werkzeugmaschine 3 können mehrere Werkzeuge 8 zugleich und/oder nacheinander angeordnet sein und betrieben werden. An der Einrichtung 1 und an der Werkzeugmaschine 3 und/oder an einem Werkzeug 8 ist jeweils wenigstens ein Marker 10 angeordnet. Die Positionen der Marker 10 werden von der Messvorrichtung 4 erfasst. Aus der Relativposition der Marker 10 zueinander wird die Lage der Werkzeugmaschine 3 und des Werkzeugs 8 zu der Einrichtung 1 ermittelt und an die Steuerungsvorrichtung 9 übertragen. Die Erfassung der Positionen der Marker 10 erfolgt beispielsweise mittels einer Laufzeitmessung von elektromagnetischen Wellen 11.
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Die 2 und 3 zeigen eine schematische Darstellung zweier Ausführungsformen der Werkzeugmaschine 3 der in 1 beschriebenen Vorrichtung 2 zum Bearbeiten einer großformatigen Einrichtung 1. Die dargestellte Werkzeugmaschine 3 besteht aus mehreren Modulen 5, 6, 7, einem Wagenmodul 5, einem Hauptachsenmodul 6 und zumindest einem weiteren Arbeitsachsenmodul 7. Zur Bewegung auf der Einrichtung 1 hat das Wagenmodul 5 Räder 12 und/oder Rollen. Für eine Arretierung an der Einrichtung 1 weist das Wagenmodul 5 mehrere Stützstempel 13 auf. Die Stützstempel 13 der in 2 dargestellten Werkzeugmaschine 3 weisen zur manuellen Verstellung eine Handhabe 14 auf. Die Stützstempel 13 der in 3 dargestellten Werkzeugmaschine 3 weisen zur automatischen Verstellung einen motorischen Antrieb 15 auf. An dem Endabschnitt der Stützstempel 13, welcher der Einrichtung 1 zugeordnet ist, sind vorzugsweise Magnete und/oder Saugnäpfe zur Verbindung mit der Einrichtung 1 vorgesehen. An dem Wagenmodul 5 ist das Hauptachsenmodul 6 linear verschieblich angeordnet. An dem Hauptachsenmodul 6 ist zumindest ein Arbeitsachsenmodul 7 linear verschieblich gelagert. An zumindest einem der Achsenmodule 6, 7 ist ein Werkzeugkopf 16 beweglich angeordnet. An der Werkzeugmaschine 3 sind zumindest zwei Marker 10 vorgesehen, von denen sich zumindest einer in einem definierten Abstand zum Aufstandspunkt eines Werkzeugs 8 befindet. Vorzugsweise sind zwei Marker 10 dabei derart angeordnet, dass die von ihnen gebildete Gerade parallel zu einer kartesischen Hauptachse der Werkzeugmaschine 3 orientiert ist. Das Werkzeug 8 kann als ein Bearbeitungswerkzeug 18, beispielsweise als ein Fräskopf, ein Laser, ein Messkopf oder Ähnliches, oder als Messwerkzeug 28 zur Vermessung der Oberfläche 17 der Einrichtung 1 ausgeführt sein.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der in den 1 bis 3 gezeigten Werkzeugmaschine 3 mit einem Hauptachsenmodul 6, einem daran verschieblich gelagerten Arbeitsachsenmodul 7 und einem daran verschieblich gelagerten Werkzeugkopf 16. Der Werkzeugkopf 16 umfasst einen Flansch 19, einen Schlitten 20, eine Werkzeugeinrichtung 21 und das Werkzeug 8. Das Werkzeug 8 berührt die Oberfläche 17 der Einrichtung 1. Der Flansch 19 dient zur Befestigung der Werkzeugeinrichtung 21 an dem Schlitten 20. Der Schlitten 20 dient zur Bewegung des Werkzeugkopfs 16 an einem Arbeitsachsenmodul 7. Die Werkzeugeinrichtung 21 umfasst eine Werkzeugaufnahme 22 und einen mit einer nicht dargestellten Energiequelle verbundenen Werkzeugantrieb 23.
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Die Werkzeugmaschine 3 besteht aus mehreren insbesondere zueinander beweglichen, in 4 dargestellten Trägerprofilen 24. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Trägerprofils 24 der in den 1 bis 4 gezeigten Werkzeugmaschine 3. Vorzugsweise besteht zumindest eines der in den 1 bis 4 gezeigten Module 5, 6, 7 der Werkzeugmaschine 3 aus zumindest einem Trägerprofil 24. Ein Trägerprofil 24 ist aus einem Paket mehrerer Leichtbauelemente 25 zusammengesetzt. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Trägerprofil 25 drei Leichtbauelemente 25, die von einem Zugband 26 umfasst sind. An den Kanten 27 des Trägerprofils 24 sind Führungsprofile 29 angeklebt. Ein Leichtbauelement 25 besteht aus einer Wabenstruktur 30, die zumindest einseitig mit einer Deckschicht 31 verbunden ist.
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6 zeigt eine geschnittene schematische Darstellung eines Werkzeugs 8 zum Bearbeiten der in den 1 bis 4 gezeigten Einrichtung 1. Das Werkzeug 8 hat eine Schneide 32, einen Schaft 33 und eine kugelförmige Auswölbung 34. Die Auswölbung 34 kann einer Messvorrichtung als Marker dienen.
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Die 7 bis 9 zeigen eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Einrichtung 1. An der Einrichtung 1 ist ein Werkstück 35 positioniert. Das Werkstück 35 kann eine Erweiterung der Einrichtung 1 oder auch ein Einsatzteil als Ersatz für ein zuvor der Einrichtung 1 entnommenes, schadhaftes, nicht dargestelltes Teilstück sein. Das Werkstück 35 ist zum Verbinden mit der Einrichtung 1 vorgesehen. Zur einfachen Ausrichtung des Werkstücks 35 an der Einrichtung 1 ist eine Positionierhilfe 36 vorgesehen. Um die Verbindung des Werkstücks 35 mit der Einrichtung 1 mittels Energieeintrag, insbesondere mittels Laserschweißen, zu erleichtern, hat das Werkstück 35 ein Materialdepot 37. Das Materialdepot 37 ist auf einer der Oberfläche 17 der Einrichtung 1 zugeordneten Oberseite 41 im Bereich der Verbindungszone von Werkstück 35 und Einrichtung 1 angeordnet. Zwischen dem Werkstück 35 und der Einrichtung 1 ist ein schmaler Spalt 38 vorgesehen. Die Positionierhilfe 36 erstreckt sich über den Spalt 38 hinaus. Die Positionierhilfe 36 hat eine Kontaktfläche 39.
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Die 7 und 8 zeigen die Positionierhilfe 36 im Einbauzustand, wobei die Kontaktfläche 39 an der Oberfläche 17 der Einrichtung 1 anliegt.
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7 zeigt die Positionierhilfe 36, die lösbar an dem Werkstück 35 angeordnet ist. Die lösbare Verbindung der Positionierhilfe 36 mit dem Werkstück 35 ist mittels zweier Schweißpunkte 40 realisiert.
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8 zeigt die Positionierhilfe 36 als integral mit dem Werkstück 36 verbundenen Vorsprung.
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9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Positionierhilfe 36. Diese Positionierhilfe 36 ist als ein Sockel ausgeführt, der integral mit der Einrichtung 1 verbunden ist. Dabei liegt im gezeigten Einbauzustand die Unterseite 42 des Werkstücks 35 an der Kontaktfläche 35 der Positionierhilfe 36 an.
