DE102014006151B4

DE102014006151B4 - Verfahren zur Messung des Rundlaufs einer Werkzeugmaschine sowie für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102014006151B4
Application number: DE102014006151.5A
Authority: DE
Inventors: Cristian Tulea; Stefan Hölters; Jann Kämmerling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2034-04-26
Also published as: DE102014006151A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Rundlaufs und ggf. zur Steigerung der Rundlaufgenauigkeit einer Werkzeugmaschine sowie eine für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Werkzeugmaschine. Bei dem Verfahren wird eine während des Betriebs der Werkzeugmaschine rotierende Komponente mit optischer Messstrahlung beaufschlagt und aus einer mit der Messstrahlung durchgeführten Messung Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelt. Die Messung erfolgt bei dem Verfahren als interferometrische Abstandsmessung. Durch eine automatisierte Verstellung von Ausgleichsgewichten innerhalb des Spannfutters oder der Hauptspindel der Werkzeugmaschine lassen sich die Rundlaufabweichungen über geeignete Aktoren unmittelbar kompensieren. Das Verfahren und die dafür ausgebildete Werkzeugmaschine ermöglichen eine Überwachung und Korrektur von Rundlaufabweichungen mit hoher Genauigkeit während der Bearbeitung eines Werkstücks. Durch diese Korrektur der Rundlaufabweichungen wird eine höhere Fertigungsgenauigkeit erzielt.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Rundlaufs einer Werkzeugmaschine, bei dem eine während des Betriebs der Werkzeugmaschine rotierende Komponente mit optischer Messstrahlung beaufschlagt und aus einer mit der Messstrahlung während der Bearbeitung eines Werkstücks mit der Werkzeugmaschine durchgeführten Messung Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens und der Werkzeugmaschine wird auf Basis der Messung auch eine Steigerung der Rundlaufgenauigkeit der Werkzeugmaschine erzielt.
Bei Werkzeugmaschinen können während der Bearbeitung eines Werkstücks Rundlaufabweichungen auftreten, die durch Schlag oder Unwucht von Spindel, Spannfutter oder eingespannten Werkstücken oder Werkzeugen verursacht sein können. Derartige Rundlaufabweichungen können zu Rundheitsfehlern bei den bearbeiteten Werkstücken führen, die dann nur durch nachträgliches Schleifen des Werkstückes verringert werden können. Zur Vermeidung oder Reduzierung dieser Rundlaufabweichungen ist es erforderlich, die Rundlaufabweichungen zunächst zu messen und sie anschließend durch geeignete Maßnahmen zu reduzieren oder zu kompensieren.
Stand der Technik
Zur geometrischen Formmessung in der metallverarbeitenden Industrie werden bislang überwiegend taktile Abstandssensoren verwendet, deren Tastspitzen die Oberflächen von Halbzeugen und Präzisionsbauteilen berührend vermessen. So ist es bspw. aus der DE 1787380 U bekannt, taktile Messungen des Rundlaufs von Werkzeugmaschinen bspw. mittels Messuhren durchzuführen. Eine zur geregelten Fertigung von Präzisionsdrehteilen benötigte Messgenauigkeit besser als 100 nm kann mit taktilen Sensoren bei höheren Oberflächengeschwindigkeiten von bis zu 3500 m/min allerdings nicht erzielt werden, da bereits kleinste Oberflächenstrukturen zum Abheben der Tastspitzen und damit zu Messfehlern führen.
Aus der DE 10 2009 042 991 B3 ist ein Verfahren zur Minimierung der Rundlaufabweichungen einer Werkzeugmaschine bekannt, bei dem die Werkzeugaufnahme nacheinander mit unterschiedlichen Drehwinkelpositionen in die Spindel eingespannt und Rundlaufabweichungen gemessen werden. Für die nachfolgende Werkstückbearbeitung wird dann diejenige Position gewählt, welche die geringste Rundlaufabweichung aufweist. Die Messung erfolgt bei dieser Druckschrift mit einer Lasermesseinrichtung, wobei die Hauptspindel der Werkzeugmaschine so in den Laserstrahl geschoben wird, dass dieser durch die Spindel gerade vollständig oder teilweise blockiert wird. Rundlaufabweichungen können dann über die Variation der Laserintensität im verlängerten Strahlengang des Laserstrahls nachgewiesen werden.
Zur Kompensation von Rundlaufabweichungen bei Werkzeugmaschinen sind unterschiedliche Techniken im Einsatz. So ist es bekannt, durch Auswuchten, also das Anbringen von Ausgleichsmassen durch Anschweißen, Ankleben oder Anschrauben von Gewichten, die Unwuchten und die damit verbundenen Rundlaufabweichungen zu kompensieren.
Die DE 197 53 426 A1 beschreibt eine Technik, bei der Rundlaufabweichungen von Drehmaschinen dadurch korrigiert werden, dass das Spannfutter durch stoßende Krafteinwirkung quer zur Spindelachse verschoben wird. Dabei wird iterativ bei langsamer Drehung die Exzentrizität des Spannfutters gemessen und über ein Stellglied korrigiert.
Die DE 32 33 914 beschreibt als weitere Technik die Nutzung einer Fliehkraft ausgleichenden Drehmaschinenspindel, bei der Fliehkraftgewichte in radialen Nuten verschiebbar gelagert sind. Diese Gewichte dienen dazu, die durch Fliehkraft verminderte Spannkraft des Spannfutters auszugleichen. Eine gesteuerte Regelung findet hierbei nicht statt. Die Gewichte sind vielmehr derart eingebracht, dass eine der Fliehkraft entgegengesetzte Kraft auf die Spannbacken ausgeübt wird.
Die DE 10 2006 035 164 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine mit verbessertem Rundlauf, bei der für die Erfassung des Rundlaufs berührungslos arbeitende Positionssensoren zum Einsatz kommen, die beispielsweise durch zwei Lasermessköpfe realisiert werden können. Bei Erkennung einer Rundlaufabweichung wird über eine Stelleinrichtung mit Piezoaktoren die Lagerung der Welle der Arbeitsspindel so beeinflusst, dass sie eine Verlagerung des Drehzentrums der gelagerten Welle und damit eine Verlagerung der Drehachse in zumindest einer Radialrichtung bewirkt.
Die DE 103 39 194 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung systematischer geometrischer Abweichungen in technischen Mehrkörpersystemen, beispielsweise auch bei Werkzeugmaschinen. Bei dem Verfahren werden an unterschiedlichen Messpunkten Abstandsmessungen durchgeführt und auf Basis eines kinematischen Modells ausgewertet.
Die DE 38 88 831 T2 befasst sich mit einem optischen Gerät, mit dem sich Abweichungen in der Bewegung einer Maschinenkomponente interferometrisch vermessen lassen. Die interferometrischen Messungen werden mit optischen Strahlen aus Laserlichtbündeln durchgeführt.
Trotz der bisher bekannten Möglichkeiten zur Unwuchtkorrektur verbleiben jedoch Rundlaufabweichungen, die von Herstellern von Hochpräzisionsdrehmaschinen mit < 10 µm und > 1 µm spezifiziert werden. Diese verbleibenden Rundlaufabweichungen führen immer noch zu unerwünschten Rundheitsfehlern beim Werkstück und können nur durch nachträgliches Schleifen des Werkstücks auf unter 1 µm verringert werden. Weiterhin werden bei den derzeit bekannten Verfahren die Rundlaufabweichungen vor Beginn der Werkstückbearbeitung gemessen, um anschließend Veränderungen an der Einspannung oder der Gewichtsverteilung vorzunehmen. Berührungslose Messungen des Rundlaufs von Werkzeugmaschinen während der Bearbeitung von Werkstücken, die auch eine automatisierte Unwuchtkompensation während der Bearbeitung bei Nenndrehzahl ermöglichen, sind derzeit nicht bekannt. Insbesondere gibt es bisher kein Verfahren, welches den Einfluss des sich während der Bearbeitung verändernden Werkstücks auf den Rundlauf der Maschine berücksichtigt.
So werden während der Bearbeitung eines Werkstücks, bspw. beim Drehen eines Rundteils an einer Drehbank, die Geometrie und die Masse des Werkstücks kontinuierlich verändert. Diese Geometrie- und Massenänderungen haben Einfluss auf den Rundlauf der Maschine, der sich dadurch während der Bearbeitung ändern kann. Diese Rückkopplung der Geometrie des Werkstücks auf den Rundlauf der Maschine wird von den bisher bekannten Rundlaufprüfsystemen nicht erfasst und insbesondere auch nicht auf der Maschine korrigiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Werkzeugmaschine anzugeben, die eine Messung des Rundlaufs der Werkzeugmaschine während der Bearbeitung eines Werkstücks mit sehr hoher Genauigkeit ermöglichen. Das Verfahren und die Werkzeugmaschine sollen in einer bevorzugten Ausgestaltung auch eine Reduzierung der Rundlaufabweichungen während der Werkstückbearbeitung ermöglichen, so dass dafür keine Unterbrechungen der Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Werkzeugmaschine gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Werkzeugmaschine sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung des Rundlaufs einer Werkzeugmaschine wird eine während des Betriebs der Werkzeugmaschine rotierende Komponente mit optischer Messstrahlung beaufschlagt. Aus einer mit der Messstrahlung während der Bearbeitung eines Werkstücks mit der Werkzeugmaschine durchgeführten Messung werden dann Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Messung als interferometrische Abstandsmessung durchgeführt wird und mit der Messung ermittelte Rundlaufabweichungen, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, durch Verlagerung verstellbarer Ausgleichsmassen an der Hauptspindel oder am Spannfutter der Werkzeugmaschine so reduziert werden, dass die Rundlaufabweichungen den Schwellwert nicht mehr überschreiten.
Die Messung des Rundlaufs erfolgt damit optisch mittels Messstrahlung, mit der eine während des Betriebs rotierende Komponente, bspw. Hauptspindel, Spannfutter oder eingespannte Werkzeuge oder Werkstücke, beaufschlagt wird. Die Messstrahlung wird von deren Oberfläche zu einem Messsensor zurück reflektiert. Der Abstand zu der sich drehenden Komponente wird über Interferometrie mit dem Abstand zu einem unbeweglichen, reflektierenden Referenzobjekt, beispielsweise einem Spiegel, verglichen. Bei auftretenden Rundlaufabweichungen ändert sich der Abstand zur rotierenden Komponente, der Abstand zum Referenzobjekt jedoch nicht. Solche Abstandsänderungen in Abhängigkeit vom Rotationswinkel der rotierenden Komponente können periodisch auftreten, d.h. sie sind bei jeder Umdrehung gleich, oder sie sind unregelmäßig, z.B. durch Spiel zwischen festen und bewegten Bauteilen. Die Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente werden über diese Änderung des Abstandes erfasst. Bei der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine erfolgt dies mit einer entsprechenden Auswerte- und Steuereinheit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens und der zugehörigen Werkzeugmaschine werden die erfassten Rundlaufabweichungen mit vorgegebenen Toleranzen des Rundlaufs als vorgegebenem Schwellwert verglichen. Abweichungen, die größer sind als diese Rundlauftoleranzen, können durch Schlag oder Unwucht von Spindel, Spannfutter oder eingespannten Werkstücken oder Werkzeugen verursacht werden. Vorzugsweise berechnet die Auswerte- und Steuereinheit aus den gemessenen Rundlaufabweichungen notwendige Korrekturen einer Massenverteilung von Ausgleichsmassen, die an der Hauptspindel oder am Spannfutter der Werkzeugmaschine verstellbar bzw. verschiebbar angeordnet sind. Diese Korrekturen bzw. die entsprechende Verschiebung oder Verstellung dieser Ausgleichsmassen führt dann zu Schwerpunktsverlagerungen, durch die die Rundlaufabweichungen soweit minimiert werden, dass sie innerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind diese Ausgleichsmassen in radialen Bohrungen in der Hauptspindel oder im Spannfutter eingebracht und können radial, d.h. orthogonal zur Drehachse, bewegt werden. Die Schwerpunktsverlagerungen erfolgen dann jeweils während einer oder mehrerer auf die Messungen folgenden Umdrehungen der Spindel, also insbesondere auch während der Bearbeitung eines Werkstücks, ohne dass eine Unterbrechung des Bearbeitungsvorganges notwendig ist. Hierzu sind die Ausgleichsmassen über an der Werkzeugmaschine angeordnete Aktoren verstellbar, die über die Auswerte- und Steuereinheit vorzugsweise drahtlos ansteuerbar sind. Bei derartigen Aktoren kann es sich bspw. um pneumatische Aktoren handeln. Selbstverständlich sind auch andere Aktorentypen einsetzbar. Besonders vorteilhaft werden Piezoaktoren eingesetzt, da diese besonders schnell sind, so dass die Verschiebung des jeweiligen Ausgleichsgewichtes noch während einer Umdrehung der Spindel bei Drehzahlen von bis zu 10000 U/min erfolgen kann.
Als optische Messstrahlung wird vorzugsweise wenigstens ein optischer Strahl eingesetzt, der sich aus mehreren Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zusammensetzt. Bei diesem optischen Strahl kann es sich beispielsweise um einen Laserstrahl handeln. Durch diese Maßnahme kann der eindeutige Messbereich des Interferometers vergrößert werden, der bei einem optischen Strahl nur einer Wellenlänge in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge, typischerweise im Bereich eines Mikrometers, liegt. Durch die Nutzung mehrerer Strahlquellen bzw. Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge wird ein interferometrisches Mehrwellenlängen-Messverfahren ermöglicht. Die mehreren Strahlungsquellen bzw. Teilstrahlen - oder auch alternativ eine spektral breite Strahlungsquelle - in Kombination mit geeigneten Auswertemethoden vergrößern den eindeutigen Messbereich auf einige Millimeter bis Zentimeter. Bekannte Varianten dieser absolut messenden interferometrischen Sensorik, die bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine eingesetzt werden können, sind die „Low Coherence Interferometry LCI“, die „Optical Coherence Tomography OCT“, die Weißlichtinterferometrie und die Spektralinterferometrie.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung setzt sich der optische Strahl aus mindestens 500 Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zusammen. Damit lassen sich aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen neben der Vergrößerung des Messbereiches aus dem bei der Messung erzeugten Interferogramm die Rundlaufabweichungen mit einer Genauigkeit von unter 0,05 µm bestimmen. Die Messfrequenz für eine einzelne Abstandsmessung beträgt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mindestens 50 kHz. Mit einem derartigen Messsensor können Messungen der Rundlaufabweichung innerhalb einer Umdrehung, insbesondere während der Werkstück-Bearbeitung, mit bisher nicht erreichter Genauigkeit erfolgen.
Vorzugsweise werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine die Rundlaufabweichungen der jeweiligen Drehlage der rotierenden Komponente zugeordnet, die hierzu geeignet erfasst wird. Die Drehlage kann bspw. über den Drehgeber der Werkzeugmaschine oder über Markierungen an der rotierenden Komponente erfasst werden, die vorzugsweise im Messsignal der Messung erkennbar sind.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Werkzeugmaschine ermöglichen eine Überwachung - und in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch eine Korrektur - von Rundlaufabweichungen von Werkzeugmaschinen, wie bspw. Bohr-, Dreh- oder Fräsmaschinen während der Bearbeitung. Die Korrektur der Rundlaufabweichungen erfordert dabei keine Unterbrechung der Bearbeitungsvorgänge. Durch die Nutzung einer interferometrischen optischen Abstandsmessung können Rundlaufmessungen mit Genauigkeiten von weniger als 0,05 µm bei Nenndrehzahl vorgenommen werden. Durch präzise Translationsachsen zur Verstellung der Ausgleichsmassen können damit auch kleinste Rundlaufabweichungen von weniger als 50 nm nahezu gleichzeitig korrigiert werden. Damit entfällt beim Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Werkzeugmaschine ein nachträgliches Schleifen der Werkstücke, das bisher der Beseitigung der Folgen der Rundlaufabweichungen dient. Während beim Stand der Technik die Korrektur von Rundlaufabweichungen in der Regel einmalig pro Werkstück vor Beginn der Bearbeitung oder ein bis mehrere Male pro Tag erfolgt, kann die Messung und Korrektur mit dem vorgeschlagenen Verfahren kontinuierlich während der Bearbeitung erfolgen.
Somit ermöglichen das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Werkzeugmaschine die berührungslose Messung von Rundlaufabweichungen während der Bearbeitung von Drehteilen bei voller Umdrehungszahl. Die Bestimmung der Rundlaufabweichungen kann während des Bearbeitungsvorgangs eines Werkstücks erfolgen. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Werkzeugmaschine ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung auch eine Korrektur der Rundlaufabweichungen ohne Umspannen des Werkstücks oder des Spannfutters und ohne Unterbrechung des Bearbeitungsvorganges mit einer Genauigkeit von 0,05 µm oder darunter möglich.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Werkzeugmaschine werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine am Beispiel einer Drehmaschine im Schnitt entlang der Drehachse;
2 einen Schnitt durch die Hauptspindel der Werkzeugmaschine der 1 mit den darin verschiebbaren Ausgleichsgewichten ohne Ausgleich der Gewichtsverteilung; und
3 ein Schnitt durch die Hauptspindel der Werkzeugmaschine der 1 mit den darin verschiebbaren Ausgleichsgewichten bei Ausgleich der Gewichtsverteilung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine am Beispiel einer Drehmaschine gezeigt. Dargestellt ist ein Schnitt entlang der Drehachse. Die Werkzeugmaschine weist in diesem Beispiel einen Spindelstock mit einer Hauptspindel 1 und einem daran befestigten Spannfutter 2 auf, in welches mittels Spannbacken 3.1, 3.2 das Werkstück 4 (oder das Werkzeug) zentriert eingespannt ist. Bei Drehung um die Drehachse 16 der Hauptspindel wird das Werkstück vom spanabhebenden Werkzeug 5 bearbeitet. Zur Messung der Rundlaufabweichung wird ein absolut messender interferometrischer Abstandssensor 6, verwendet, der eine Lichtquelle 23 und einen Lichtdetektor 24 beinhaltet. Die Lichtquelle 23 emittiert einen Messstrahl 9.1, der über einen Lichtwellenleiter 7.1 zu einem Messkopf 8.1 geleitet wird, der an der Maschine im festen Abstand zur Achse 16 befestigt ist.
Vorzugsweise wird der Messkopf 8.1 am hier nicht dargestellten Maschinenbett montiert. Der Messstrahl 9.1 wird senkrecht zur Oberfläche auf die Hauptspindel 1, das Spannfutter 2 oder das Werkstück 4 gelenkt und vom Messort 10.1 in Richtung des Sensors 6 zurück reflektiert. Die Messung erfolgt vorzugsweise am Spannfutter, wie in 1 dargestellt. Durch Rundlaufabweichungen der Maschine ändert sich der Abstand der bestrahlten Oberfläche zum Messkopf 8.1 in Abhängigkeit von der Drehlage. Ein weiterer Messstrahl 9.2 wird über einen zweiten Lichtwellenleiter 7.2 zu einem zweiten Messkopf 8.2 gelenkt, der in einem festen Abstand zu einem Spiegel 21 angebracht ist. Der Lichtwellenleiter 7.2, der Messkopf 8.2 und der Spiegel 21 sind in einem thermisch isolierten und erschütterungsunempfindlichen Gehäuse 22 außerhalb der Werkzeugmaschine angebracht. Der Abstand zwischen dem Messkopf 8.2 und dem Messort 10.2 auf dem Spiegel 21 bleibt aufgrund des Gehäuses während der Messung konstant, während sich der Abstand zwischen dem Messkopf 8.1 und dem Messort 10.1 auf der Spindel abhängig von der Rundlaufgenauigkeit mit dem Drehwinkel der Spindel ändert. Die beiden Messstrahlen 9.1 und 9.2 erzeugen auf dem Detektor 24 ein Interferogramm, das sich bei Änderung des Abstandes zum Messort 10.1 instantan ändert. Das Interferogramm wird von einer Auswerte- und Steuereinheit 11 ausgewertet und der Abstand zwischen Messkopf 8.1 und Messort 10.1 errechnet. Die beiden von der Lichtquelle 23 emittierten Messstrahlen umfassen mehr als einen, vorzugsweise jedoch mehr als 500 Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen. Die sich aus dem Interferogramm ergebenden Abstandsänderungen können daher mit Sub-Mikrometer-Genauigkeit bestimmt werden.
Die Auswerte- und Steuereinheit 11 ordnet jeder Drehlage den entsprechenden Abstand zu. Hierzu wird die Auswerte- und Steuereinheit 11 in einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einem im Bild nicht dargestellten Drehgeber gekoppelt, um die momentane Drehlage der Spindel, d.h. die Winkelstellung, zu erfassen. In einer anderen möglichen Ausführungsform sind am Spannfutter Markierungen in Form von Nuten 15 oder Erhebungen o.ä. angebracht, die mit jedem Umlauf von der Messstrahlung erfasst werden und zu abrupten Änderungen des Messabstandes führen. Diese Abstandsänderungen sind der Messsignalamplitude nach größer und sprunghafter als Abstandsänderungen, die durch Rundlaufabweichungen verursacht werden. Die Markierungen 15 ergeben somit den Nullpunkt und ggf. weitere Winkel der Drehlage an. Die momentane Drehlage errechnet die Auswerte- und Steuereinheit 11 aus der eingegebenen Drehzahl der Maschine und der Lage des Nullpunktes sowie ggf. aus weiteren Markierungen bzw. Markierungselementen.
Durch Rundlaufabweichungen ändert sich der Abstand zwischen Messkopf 8.1 und der bestrahlten Oberfläche von Spindelstock 1, Spannfutter 2 oder Werkstück 4 in Abhängigkeit der Drehlage. Hieraus errechnet die Auswerte- und Steuereinheit 11 die Unwucht bzw. den Schlag der Maschine und die zur Korrektur der Unwucht nötige Massenschwerpunktsverschiebung. Zur Verschiebung des Massenschwerpunktes sind wahlweise in das Spannfutter 2 oder die Hauptspindel 1 mindestens zwei radial ausgeführte, in azimutaler Richtung zueinander versetzte, nicht nur einander gegenüberliegende Bohrungen oder ähnliche Montagemöglichkeiten angebracht, in denen sich jeweils Ausgleichsmassen 14 befinden. In 1 sind zwei dieser Gewichte 14.1 und 14.2 exemplarisch an gegenüberliegenden Seiten der Spindel 1 dargestellt. Diese Gewichte lassen sich innerhalb der jeweiligen Bohrungen entlang einer Translationsachse 13.1 bzw. 13.2 in radialer Richtung verschieben, wodurch sich deren Abstand zur Drehachse 16 ändert. Dies führt zu einer Verschiebung des Massenschwerpunktes der gesamten Anordnung bestehend aus Spindel 1, Spannfutter 2 und Werkstück 4. Die Bewegung der Ausgleichsgewichte 14.1, 14.2 wird vorzugsweise automatisiert, z.B. mittels elektrischer oder pneumatischer Aktoren bzw. Antriebe 12.1 bzw. 12.2 bewirkt, die von der Auswerte- und Steuereinheit 11 angesteuert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden Piezolinearantriebe zur Bewegung der Ausgleichsmassen 14.1, 14.2 verwendet, da diese besonders schnell sind, wodurch die Verschiebung der Gewichte noch während einer Umdrehung der Spindel bei Drehzahlen von bis zu 10000 U/min erfolgen kann.
Die Übertragung der Steuersignale von der Auswerte- und Steuereinheit 11 zu den jeweiligen Antrieben bzw. Translationsachsen 12 erfolgt vorzugsweise ohne Kabelverbindung, bspw. über Funk, W-LAN oder Bluetooth. Die Antriebe 12 verfügen über Batterien als Energiespeicher oder über eine induktiv gekoppelte Stromversorgung. In dieser vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine sind keine mechanischen Verbindungen zwischen den sich drehenden Maschinenteilen und der feststehenden Auswerte- und Steuereinheit 11 nötig, die beliebig an oder neben der Werkzeugmaschine angebracht werden kann. Alternativ sind auch Schleifkontakte zur Signalübertragung und Stromversorgung möglich.
Zur weiteren Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen 2 und 3. Hierbei veranschaulicht 2 die Situation, in der kein Ausgleich der Gewichtsverteilung stattfindet, wie es beispielsweise bei ausgeschalteter Auswerte- und Steuereinheit 11 der Fall ist.
Die Bilder zeigen jeweils einen Querschnitt durch die Hauptspindel 1 in der Ebene, in der die Translationsachsen 13 der Ausgleichsmassen 14 verlaufen. In der hier dargestellten Ausführungsform sind vier Bohrungen mit vier Ausgleichsmassen 14.1 bis 14.4 symmetrisch in der Spindel 1 angeordnet. Geometrisch schneiden die Translationsachsen 13.1 bis 13.4 einander in einem Punkt, der auf der in 1 dargestellten Drehachse 16 liegt. Die vier Gewichte befinden sich in 2 entlang ihrer jeweiligen Translationsachse an derselben Position, also in demselben Abstand zur Drehachse. Der Schwerpunkt 19.1 der in 2 dargestellten vier Gewichte liegt auf der Drehachse 16.
Der Massenschwerpunkt der Anordnung aus Spindel 1, Spannfutter 2 und Werkstück 4, welche die Ausgleichsmassen 14 beinhaltet, liegt nicht auf der Drehachse 16, sofern die Maschine eine Unwucht hat. In 2 ist die Projektion des Massenschwerpunktes 20.1 entlang der Drehachse auf die Schnittebene zu sehen, der einen Lateralversatz zur Drehachse 16 hat.
Rechts neben dem Schnittbild zeigt 2 das gemessene Rundlaufprofil, d.h. den gemessenen Abstand in Abhängigkeit von der Winkelstellung in Form eines Polardiagramms. Das gemessene Rundlaufprofil 18.1 ist in diesem Fall, in dem eine Unwucht besteht und der Massenschwerpunkt nicht auf der Drehachse 16 liegt, zum Referenzkreis 17 versetzt und weicht in diesem Beispiel vom Referenzkreis stärker ab, als toleriert wird.
In 3 ist die Situation nach Änderung der Gewichtsverteilung veranschaulicht. Beispielhaft sind in 3 die Ausgleichsmassen 14.3 und 14.4 gegenüber ihrer ursprünglichen Position aus 2 verschoben. Mit dieser Gewichtsverschiebung liegt der neue Schwerpunkt 19.2 der Ausgleichsmassen 14 nicht mehr auf der Drehachse 16, sondern ist gegenüber der ursprünglichen Position in 2 verschoben. Diese Verschiebung von Teilmassen wiederum führt zu einer Verschiebung des Massenschwerpunktes der gesamten Anordnung aus Spindelstock, Spannfutter und Werkstück, sodass dieser nunmehr auf der Drehachse 16 liegt, wodurch auch dessen Projektion 20.2 auf der Drehachse liegt. Die Beträge der Verschiebungen des Schwerpunktes 19.2 der Ausgleichsmassen und der Projektion des Massenschwerpunktes 20.2 hängen vom Massenverhältnis zwischen den Ausgleichsmassen und der Gesamtmasse der Anordnung aus Spindelstock, Spannfutter und Werkstück ab.
Das zugehörige Polardiagramm ist in 3 rechts neben dem Schnittbild durch die Spindel dargestellt. Das gemessene Rundheitsprofil 18.2 nach erfolgtem Gewichtsausgleich ist gegenüber dem Referenzkreis 17 nicht länger versetzt. Die Rundlaufabweichungen sind soweit minimiert und innerhalb der Toleranzgrenzen.
Durch Einsatz der vorgeschlagenen Werkzeugmaschine mit den automatisiert verstellbaren Ausgleichsgewichten erfolgt die Beseitigung einer Unwucht automatisch während der Bearbeitung und kann laufend überwacht und nachgeregelt werden. Insbesondere muss die Maschine nicht angehalten werden. Änderungen des Rundlaufs, die sich während der Bearbeitung des Werkstücks ergeben werden somit laufend korrigiert.
Um Rundlaufabweichungen von Rundheitsfehlern des gemessenen Objekts, d.h. der Spindel, des Spannfutters oder des Werkstücks, unterscheiden zu können, kann eine einmalige vorherige Rundheitsmessung durchgeführt werden, bei der keine Rundlaufabweichungen auftreten. Hierzu wird der Messabstand in Abhängigkeit der Winkelstellung bei sehr langsamer Drehzahl gemessen, sodass eine Unwucht nicht ins Gewicht fällt und keine Rundlauffehler auftreten. Bei Messungen am Spannfutter oder dem Werkstück kann das Rundheitsprofil des Objekts auch an einer separaten Messmaschine vermessen werden.
In besonderer Weise vorteilhaft ist die Verwendung von Piezolinearachsen als Antriebseinheit 12 zum Verschieben der Ausgleichsmassen 14. Dadurch kann die Verschiebung so schnell erfolgen, dass diese während der auf die Messungen folgenden Umdrehung stattfindet, sodass nach zwei Umdrehungen die Unwucht beseitigt und der Rundlauf der Maschine sichergestellt werden kann. Piezolinearachsen besitzen zudem Genauigkeiten im Nanometerbereich, wodurch kleinste Verschiebungen der Ausgleichsmassen und infolgedessen kleinste Schwerpunktverlagerungen erfolgen können. Somit ist sowohl unter messtechnischen als auch unter mechanischen Aspekten die Korrektur des Rundlaufs mit Genauigkeiten von unter 0,05 µm möglich.
Weiterhin beinhaltet die Antriebseinheit 12 in der letztgenannten oder in anderen Ausführungsformen einen Energiespeicher und einen Empfänger sowie Sender für kabellose Datenübertragung, deren Gegenstück Teil der Auswerte- und Steuereinheit 11 ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 11 erhält von den jeweiligen Antriebseinheiten 12 Positionsrückmeldungen der Translationsachsen 13, sodass die momentane Lage der jeweiligen Ausgleichsmassen 14 bekannt ist. Die Berechnung der Positionen des Schwerpunktes der Ausgleichsmassen 19 kann mit dieser Funktionalität präziser erfolgen als ohne.
Besonders vorteilhaft ist eine symmetrische Anordnung von vier Translationsachsen, wobei alle Achsen, entlang derer sich die Ausgleichsmassen verschieben lassen, in einer Ebene liegen, wie dies in 2 und 3 dargestellt ist. Die Schwerpunktberechnungen werden dadurch vereinfacht.
In weiteren Ausführungsformen können die Ausgleichsmassen unterschiedlich schwer gewählt sein oder durch die Translationsachsen unterschiedlich weit verstellt werden können. Weiterhin können die Ausgleichsgewichte bzw. Ausgleichsmassen auch nichtsymmetrisch oder die Achsen, entlang derer sich die Ausgleichsmassen verschieben lassen, außerhalb einer gemeinsamen Ebene liegend angeordnet werden.
Ausführungsformen, bei denen die Translationsachsen nicht in einer Ebene liegen, sind dadurch vorteilhaft, dass auch Planlaufabweichungen, korrigiert werden können. Zu diesem Zweck, kann ein zweiter Abstandssensor mit einem zweiten Messkopf eine Abstandsmessung parallel zur Drehachse vornehmen. Dadurch wird das laterale Rundlaufprofil aufgenommen. Sind verschiedene Ausgleichsmassen entlang einer Achse angebracht, die parallel zur Drehachse verläuft und werden diese Massen unterschiedlich weit radial verschoben, so können dadurch zusätzlich laterale Rundlauffehler korrigiert werden.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass Rundlaufabweichungen während der Bearbeitung laufend überwacht und ohne Unterbrechung des Bearbeitungsvorgangs korrigiert werden können.
Die in den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 beschriebenen Teilkomponenten der Werkzeugmaschine lassen sich selbstverständlich auch unabhängig von der Ausgestaltung der sonstigen Komponenten der in diesem Beispiel dargestellten Werkzeugmaschine einsetzen, d. h. in Kombination mit anderen Werkzeugmaschinen.
Bezugszeichenliste

1: Hauptspindel
2: Spannfutter
3.1/3.2: Spannbacken
4: Werkstück
5: Werkzeug
6: interferometrischer Abstandssensor
7.1/7.2: Lichtwellenleiter
8.1/8.2: Messkopf
9.1/9.2: Messstrahl
10.1/10.2: Messort
11: Auswerte- und Steuereinheit
12.1-12.4: elektrische oder pneumatische Antriebe bzw. Aktoren
13.1-13.4: Translationsachsen
14.1-14.4: Ausgleichsmassen bzw. -gewichte
15: Nuten
16: Drehachse
17: Referenzkreis
18.1/18.2: Rundlaufprofil
19.1/19.2: Schwerpunkt der Gewichte
20.1/20.2: Projektion des Massenschwerpunktes
21: Spiegel
22: Gehäuse
23: Lichtquelle
24: Lichtdetektor

Claims

Verfahren zur Messung des Rundlaufs einer Werkzeugmaschine, bei dem eine während des Betriebs der Werkzeugmaschine rotierende Komponente mit optischer Messstrahlung (9.1) beaufschlagt und aus einer mit der Messstrahlung (9.1) während der Bearbeitung eines Werkstücks (4) mit der Werkzeugmaschine durchgeführten Messung Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung als interferometrische Abstandsmessung durchgeführt wird und mit der Messung ermittelte Rundlaufabweichungen, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, durch Verlagerung verstellbarer Ausgleichsmassen (14) an der Hauptspindel (1) oder am Spannfutter (2) der Werkzeugmaschine so reduziert werden, dass die Rundlaufabweichungen den Schwellwert nicht mehr überschreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der optischen Messstrahlung (9.1) eine Hauptspindel (1) oder ein Spannfutter (2) der Werkzeugmaschine oder ein in die Werkzeugmaschine eingespanntes Werkzeug (5) oder Werkstück (4) als rotierende Komponente beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerung der verstellbaren Ausgleichsmassen (14) über an der Werkzeugmaschine angeordnete Aktoren (12) automatisiert während des Betriebs der Werkzeugmaschine, insbesondere während der Bearbeitung eines Werkstücks (4) mit der Werkzeugmaschine, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente mit wenigstens einem optischen Strahl als optischer Messstrahlung (9.1) beaufschlagt wird, der aus mehreren Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Komponente mit wenigstens einem optischen Strahl als optischer Messstrahlung (9.1) beaufschlagt wird, der aus mindestens 500 Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung eine jeweilige Drehlage der rotierenden Komponente erfasst und den ermittelten Rundlaufabweichungen zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlage über einen Drehgeber der Werkzeugmaschine oder über durch die Messung erkennbare Markierungen an der rotierenden Komponente erfasst wird.
Werkzeugmaschine mit wenigstens - einer Hauptspindel (1) und einem Spannfutter (2) für ein Werkzeug (5) oder Werkstück (4), - einer optischen Messanordnung (6), mit der durch Beaufschlagung einer während des Betriebs der Werkzeugmaschine rotierenden Komponente mit optischer Messstrahlung (9.1) eine Messung durchführbar ist, aus der Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelbar sind, und - einer Auswerte- und Steuereinheit (11), die die optische Messanordnung (6) zur Durchführung der Messung ansteuert und aus der Messung die Rundlaufabweichungen der rotierenden Komponente ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messanordnung (6) zur Durchführung einer interferometrischen Abstandsmessung ausgebildet ist und die Hauptspindel (1) und/oder das Spannfutter (2) in der Lage veränderbare Ausgleichsmassen (14) aufweisen, die über Aktoren (12) verlagert werden können, die durch die Auswerte- und Steuereinheit (11) ansteuerbar sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsmassen (14) in radialen Bohrungen der Hauptspindel (1) und/oder des Spannfutters (2) radial verschiebbar angeordnet sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (12) über eine drahtlose Verbindung durch die Auswerte- und Steuereinheit (11) ansteuerbar sind.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (12) Piezoantriebe sind.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (11) so ausgebildet ist, dass sie aus der Messung ermittelte Rundlaufabweichungen, die einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, durch Verlagerung der Ausgleichsmassen (14) so reduziert, dass die Rundlaufabweichungen den Schwellwert nicht mehr überschreiten.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine einen Drehgeber aufweist, über den bei der Messung eine jeweilige Drehlage der rotierenden Komponente erfassbar ist, und die Auswerte- und Steuereinheit (11) die Drehlage erfasst und den ermittelten Rundlaufabweichungen zuordnet.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptspindel (1) und/oder das Spannfutter (2) Markierungen aufweisen, aus denen bei der Messung eine jeweilige Drehlage der rotierenden Komponente erfassbar ist, und die Auswerte- und Steuereinheit (11) die Drehlage erfasst und den ermittelten Rundlaufabweichungen zuordnet.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messanordnung (6) wenigstens einen optischen Strahl als optische Messstrahlung (9.1) emittiert, der aus mehreren Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammengesetzt ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messanordnung (6) wenigstens einen optischen Strahl als optische Messstrahlung (9.1) emittiert, der aus mindestens 500 Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zusammengesetzt ist.