DE102015219141A1

DE102015219141A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102015219141A1
Application number: DE102015219141.9A
Authority: DE
Inventors: Mirko Dulleck; Christian Hoppe; Dennis Do-Khac; Udo TÜLLMANN
Original assignee: Deckel Maho Seebach GmbH
Current assignee: Deckel Maho Seebach GmbH
Priority date: 2015-10-02
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2017-04-06
Also published as: WO2017055637A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine 100. Die Werkzeugmaschine 100 weist zumindest eine erste steuerbare Rundachse (C-Achse) mit einem um eine erste Rotationsachse C drehbar gelagerten Maschinenteil 130 und eine zweite steuerbare Rundachse (B-Achse) zum Drehen des Maschinenteils 130 um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse C ausgerichtete zweite Rotationsachse B auf. Das Verfahren umfasst: Befestigen eines Messobjekts 300 auf dem Maschinenteil 130 der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse C, Ermitteln einer jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts 300 in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse C für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse B, und Bestimmen einer Mittelpunktposition und/oder einer Achsausrichtung des drehbar gelagerten Maschinenteils 130 in der Messebene entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse auf Basis der ermittelten Raumlage-Positionen des Messobjekts 300.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine Maschinenkinematik bzw. einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit zumindest zwei steuerbaren Rundachsen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermessung und/oder Korrektur kinematischer Fehler bzw. kinematischer Bezugsparameter der Maschinenkoordinatensystems bzw. der Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine in der numerischen Steuerung an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit zumindest zwei steuerbaren Rundachsen.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur computerimplementierten Ausführung eines Verfahrens zur Vermessung einer Maschinenkinematik einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine und/oder eines Verfahrens zur Vermessung und/oder Korrektur kinematischer Fehler an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine an einer bzw. durch eine numerische Steuerungs-vorrichtung einer derartigen Werkzeugmaschine.
Hintergrund
Im Stand der Technik sind numerisch steuerbare Werkzeugmaschinen mit werkzeugtragender Arbeitsspindel bekannt. Diese sind heutzutage zumeist mit numerischen Steuerungen versehen und z. B. als Fräsmaschinen, Fräszentren, Universal-Fräsmaschinen oder CNC-Bearbeitungszentren mit vier, fünf oder manchmal auch mehr als fünf numerisch ansteuerbaren Linear- und/oder Rundachsen (z. B. Dreh- bzw. Schwenkachsen) bekannt, siehe hierzu z. B. die Werkzeugmaschine gemäß DE 10 2010 064 271 A1 .
Vermessungsverfahren an Werkzeugmaschinen sind z. B. aus EP 1 696 289 A1 und DE 10 2010 038 783 A1 bekannt. Im Folgenden werden Nachteile der Lehren der Dokumente und diesen gegenüberstehende Vorteile der Erfindung und einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vermessungsverfahren an Werkzeugmaschinen gemäß dem Stand der Technik, insbesondere ausgehend von EP 1 696 289 A1 und DE 10 2010 038 783 A1 , weiterzubilden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst einfaches, kostengünstiges, genaues, einfach durchführbares und mathematisch weniger kompliziertes Vermessungsverfahren und/oder Positionsfehlerkorrekturverfahren zur Fehlerkompensation der Fehler der Achspositionen von Rund- und/oder Linearachsen an Werkzeugmaschinen mit vier, fünf oder gar mehr Antriebsachsen und teils komplexen Maschinenkinematiken bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 18, sowie eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen Vorrichtung gemäß Anspruch 20 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 21 vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche bzw. Kombinationen der abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
In EP 1 696 289 A1 wird ein Verfahren zu Vermessung einer Rundachse an einer Werkzeugmaschine beschrieben. Hierbei wird eine Messkugel in zwei Messpositionen (Zwei-Punkt-Messung), die sich durch die Weiterschwenkung einer Rundachse ergeben, auf der die Messkugel befestigt ist, angetastet. Da der Radius der Messkugel bekannt ist, kann durch Abtasten an drei Punkten der Messkugeloberfläche (in jeder der zwei Messpositionen der Messkugel) und Bestimmen der Koordinaten der drei Oberflächenpunkte die Raumlage des jeweiligen Kugelmittelpunkts der Messkugel (oder eines anderen Messkugelbezugspunkts) an der jeweiligen Messposition z. B. in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt werden. Aus dem Schwenkwinkel der Rundachse zwischen den zwei Messpositionen und den jeweiligen ermittelten Raumlagen wird gemäß EP 1 696 289 A1 eine Mittelpunktposition der Rundachse ermittelt.
Aus den Koordinaten der zwei Messungen wird der Drehpunkt der Rundachse ermittelt, auf der die Messkugel befestigt wurde. Zur Berechnung einer Linearachse kann die beschriebene Zwei-Punkt-Messung in einer anderen Höhe über der Rundachse wiederholt werden, wobei für diese Höhe aus der Zwei-Punkt-Messung wiederum ein Drehpunkt berechnet werden kann. Die Verbindung beider Drehpunkte wird verwendet, die Richtung der Rundachse zu bestimmen.
Ein Nachteil dieses Verfahrens gemäß EP 1 696 289 A1 besteht darin, dass sich in dem Mess- und dem folgenden Berechnungsergebnis Fehler in der Maschinengeometrie und -kinematik niederschlagen und zu einer Fehlbestimmung der Drehpunkte und der Rundachse im Raum führen können.
In DE 10 2010 038 783 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Bewegung einer rotatorischen Achse durch das Antasten mehrerer Positionen einer Lehre am Kreisumfang der rotatorischen Achse durch die Bewegung der linearen Maschinenachsen ermittelt wird. Die so ermittelten Messwerte werden benutzt, rechnerisch eine Kreisbahn zu bestimmen, die durch die Koordinaten der angetasteten Punkte verläuft. Es wird zudem beschrieben, dass die Messergebnisse verwandt werden können, einen relativen Neigungsfehler zwischen der rotatorischen Achse und den antastenden Linearachsen zu ermitteln.
Demgegenüber unterscheiden sich später beschriebene Ausführungsbeispiele z. B. dadurch deutlich, dass die gemessenen Punkte dazu benutzt werden können, eine Ebene einer Rotationsbewegung und/oder die Drehachse bzw. einen Drehachsvektor (z. B. Tischachsvektor) zu ermitteln. Dieses Vorgehen ist mathematisch deutlich einfacher und somit effizienter einsetzbar und liefert zudem genauere Ergebnisse.
In DE 10 2010 038 783 A1 wird beschrieben, dass die Messungen an einer Maschine mit mehr als zwei aufeinander aufbauenden Rundachsen dazu genutzt werden können, den Kreisbogen der Rundachse für mehrere Positionen des Schwenkachse, auf der die Rundachse aufbaut, zu ermitteln.
Im erfindungsgemäßen Sinne ein weiterer sich deutlich unterscheidender Aspekt gegenüber DE 10 2010 038 783 A1 ist bei später beschriebenen Ausführungsbeispielen neben der einfacheren und präziseren Berechnung der Rundachsenfehler über Ebenen und Achsen bzw. Achsvektoren weiterhin insbesondere die Verwendung der ermittelten Fehlerwerte bzw. Korrekturwerte zur Korrektur der Maschinenkinematik im internen Rechenmodell der Steuerung bzw. in der internen Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung, z. B. indem die gemessenen Fehler in Korrekturwerte für die Maschinenkinematik umgerechnet werden, die in die numerische Steuerung eingetragen werden können.
Ein sich deutlich unterscheidender vorgeschlagener Aspekt ist weiterhin, dass mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen die Veränderungen der Maschinenkinematik, die sich im oder durch den Betrieb der Maschine ergeben, gemessen und kompensiert werden können. Das sind zum einem thermische bedingte Veränderungen, die z. B. gemessen werden können, nachdem, die Maschine unter definierten Bedingungen betrieben wurde und die z. B. mit einem ebenfalls gemessenen Temperatursignal korreliert werden. Auf der Basis des Temperatursignals kann dann entsprechend der gemessenen Abweichungen und der bestimmten Geometrie und Kinematik-Veränderungen in die Maschinenkinematik eingegriffen werden.
Zum anderen können auf die beschriebene Art und Weise vorteilhaft auch Veränderungen der Maschinengeometrie und -kinematik gemessen werden, die z. B. infolge der Gewichtskraft des Werkstückes oder der Bearbeitungskräfte z. B. bei verschiedenen Schwenkwinkeln auftreten. Diese können dann ebenfalls vorteilhaft kompensiert werden, insbesondere wiederum bevorzugt in der Maschinensteuerung bzw. durch in der Maschinenkinematik in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts kompensierte bzw. angepasste Bezugsparameter in der Kinematik-Beschreibung der Werkzeug-maschine.
Im Folgenden werden Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, die jeweils für sich genommen oder auch in beliebiger Kombination miteinander bereitgestellt werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen, die vorzugsweise zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und/oder eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist.
Das Verfahren gemäß einem allgemeinen Aspekt weist bevorzugt auf:

– Befestigen (bzw. Positionieren) eines Messobjekts (z. B. eines Messblocks, einer Messplatte, oder einer Messkugel mit vorbekannter Größe und Form, bzw. bekannten Dimensionen bzw. Größenparametern) auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse;
– Ermitteln einer jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse; und/oder
– Bestimmen eines oder mehrerer Koordinatenbezugsparameter der ersten Rundachse (insbesondere bezüglich einer Bezugsposition der ersten Rundachse und/oder einer Bezugsausrichtung der ersten Rundachse) in der Messebene entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse auf Basis der ermittelten Raumlage-Positionen des Messobjekts,

Bevorzugt kann das Verfahren weiterhin das Anpassen von Maschinendaten der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine, die eine Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine angeben, auf Grundlage der bestimmten Koordinatenbezugsparameter, und/oder das Berechnen von Korrekturwerten für Achspositionen der Werkzeugmaschine zur Anpassung von Achspositionen bei Verarbeitung von numerischen Bearbeitungsdaten für das Steuern der Werkzeugmaschine durch die numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine auf Basis der numerischen Bearbeitungsdaten umfassen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die bestimmten Koordinatenbezugsparameter z. B. einen Drehmittelpunkt der ersten Rundachse bzw. einen Drehmittelpunkt des Maschinenteils entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse und/oder eine Ausrichtung der ersten Rundachse bzw. einen Achsvektor des Maschinenteils entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse umfassen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in genau drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse gemäß einer Drei-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden; oder können die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in genau vier unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse gemäß einer Vier-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden.
Dies hat den Vorteil, dass gleichzeitig eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann, die der reinen Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1 696 289 A1 deutlich überlegen ist, wobei zeitgleich ein äußerst genaues Vermessungsverfahren bereitgestellt werden kann, das einfach und effizient durchführbar ist und dennoch weniger Rechenaufwand benötigt, und wobei eine einfachere mathematische Berechnungsmethode verwendet werden kann, als bei einer 12-Punkt-Messung einer ersten Rundachse in zwei Winkelstellungen einer zweiten Rundachse und einer weiteren Mehrpunktmessung der zweiten Rundachse in einer einzigen Winkelstellung der ersten Rundachse gemäß DE 10 2010 038 783 A1 .
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die zumindest eine Messebene senkrecht zu einer Spindelachse einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder horizontal, parallel zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder vertikal, oder schräg zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder bei einem Winkel größer 0 Grad und kleiner 90 Grad, insbesondere größer oder gleich 30 Grad und kleiner oder gleich 60 Grad, zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet sein.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest drei unterschiedliche Messebenen entsprechend zumindest drei unterschiedlicher Winkelstellungen der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das Verfahren für genau drei, vier, fünf oder sechs unterschiedliche Messebenen entsprechend genau drei, vier, fünf oder sechs unterschiedlicher Winkelstellungen der zweiten Rundachse durchgeführt.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine erste Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen senkrecht zu einer Spindelachse einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet sein, eine zweite Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen schräg zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet sein, und/oder eine dritte Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen parallel zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet sein.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann eine erste Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen horizontal ausgerichtet sein, eine zweite Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen bei einem Winkel größer 0 Grad und kleiner 90 Grad, insbesondere größer oder gleich 30 Grad und kleiner oder gleich 60 Grad, zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet sein, und/oder eine dritte Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen vertikal ausgerichtet sein.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die bestimmten Koordinatenbezugsparameter Winkelfehler zwischen Ausrichtungen von Maschinenachsen der Werkzeugmaschine umfassen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in N unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse mit N > 2 gemäß einer N-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden, wobei bevorzugt die jeweiligen Winkelstellungen der ersten Rundachse jeweils einen Winkelabstand von 360/N Grad (oder kleiner) aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Anpassen der Maschinendaten der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine eine Berechnung von Korrekturwerten für Bezugsparameter der Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine auf Basis eines Soll-Ist-Vergleichs der Raumlage-Positionen des Messobjekts oder daraus berechneter Maschinen koordinatenparameter umfassen.
Dies kann Soll-Ist-Vergleiche von Koordinatenwerten bzw. Koordinatenvektoren umfassen, wobei die jeweiligen Ist-Werte bevorzugt aus der Vermessung bzw. den Vermessungen und/oder den ermittelten Raumlagen und/oder auf Grundlage der Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung berechnet werden, und wobei die jeweiligen Sollwerte bevorzugt auf Basis der vorgegeben Soll-Raumlagen und/oder vorgegebener Achsstellungen und/oder auf Grundlage der Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung berechnet werden. Weiterhin können bevorzugt auf Basis des Soll-Ist-Vergleichs Korrekturwerte der Kinematik-Beschreibung zur Modifizierung der vorgegebenen Bezugsparameter der Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine in der numerischen Steuerung berechnet werden.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Soll-Ist-Vergleich für jede der zumindest einen Messebenen einen Vergleich einer Ist-Ausrichtung der jeweiligen Messebene mit einer Soll-Ausrichtung der jeweiligen Messebene der entsprechenden Winkelstellung der zweiten Rundachse und/oder einen Vergleich einer Ist-Ausrichtung der Rotationsachse der ersten Rundachse mit einer Soll-Ausrichtung der Rotationsachse der ersten Rundachse in Bezug auf die entsprechende Winkelstellung der zweiten Rundachse umfassen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der Soll-Ist-Vergleich für jede der zumindest einen Messebenen einen Vergleich einer Ist-Position eines Drehmittelpunkts der ersten Rundachse mit einer Soll-Position des Drehmittelpunkts der ersten Rundachse in einem Maschinenkoordinatensystem umfassen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren auf Grundlage der angepassten Maschinendaten wiederholt werden, bevorzugt bis die Korrekturwerte im Wesentlichen Null sind bzw. die Absolutwerte der berechneten Korrekturwerte einen jeweiligen einstellbaren oder voreingestellten Grenzwert unterschreiten und/oder bis der Soll/Ist-Vergleich ergibt, dass Soll- und Istwerte jeweils gleich sind, oder deren Differenz zumindest unter einen vorgegeneben Grenzwert fällt.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen können die Maschinendaten die Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine dazu geeignet sein, als Grundlage für kinematische Transformationen zwischen einem Werkstückkoordinatensystem und einem Maschinenkoordinatensystem durch die numerische Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet zu werden.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren weiterhin umfassen: Einspannen eines ersten Testgewichtstücks mit vorbestimmtem Gewicht auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine, wobei beispielsweise das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ggf. bevorzugt mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem ersten Testgewichtstück durchgeführt werden.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Verfahren weiterhin umfassen: Einspannen eines zweiten Testgewichtstücks mit vorbestimmtem und/oder vorzugsweise von dem Gewicht des ersten Testgewichtstücks unterschiedlichen Gewicht auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine, wobei bevorzugt das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse vorzugsweise mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem zweiten Testgewichtstück erneut durchgeführt wird.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse bevorzugt jeweils einmal ohne und einmal mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem ersten (und/oder zweiten) Testgewichtstück durchgeführt werden.
Die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele sind insbesondere dann äußerst zweckmäßig, wenn schwere Werkstücke bei ggf. hohen Schwenkwinkeln des Maschinenteils bearbeitet werden sollen, da die auf das Werkstück wirkende Gewichtskraft ggf. große auf das Maschinenteil wirkende Drehmomente erzeugen kann, die die Ausrichtung der Achsen beeinflussen können und damit die Genauigkeit der Bearbeitung schwerer Werkstücke verschlechtern kann.
Hierbei ist es äußerst vorteilhaft, wenn ein Kalibrationsverfahren mit einem Testgewichtstück (oder ggf. mit dem zu bearbeitenden Werkstück) ausgeführt wird, indem die Maschinenvermessung mit Werkstückgewicht durchgeführt wird und in der Maschinensteuerung hinterlegt ist.
In besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispielen könnte für einen jeweiligen Machinentyp einer Werkzeugmaschine ein jeweiliges Vermessungsverfahren mit unterschiedlichen Testgewichtsstücken mit unterschiedlichen Gewichtswerten durchgeführt werden, wobei in der Maschinensteuerung dann bevorzugt Werkstückgewicht-Maschinendaten mit für unterschiedliche Testwerkstücke mit unterschiedlichen Gewichtswerten berechnete Korrekturwerte der Kinematik-Beschreibung hinterlegt werden könnten.
Möchte ein Bediener der Werkzeugmaschine später ein Werkstück eines bestimmten Gewichts an der Werkzeugmaschine bearbeiten, kann er ggf. einfach das jeweilige Werkstückgewicht in die numerische Steuerung eingeben, die dann ggf. automatisch für die jeweilige Bearbeitung die Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine mit den (ggf. interpolierten) Korrekturwerten auf Basis der in Abhängigkeit des Werkstückgewichts hinterlegten Korrekturwerte der vorgespeicherten Werkstückgewicht-Maschinendaten modifiziert.
Gemäß diesem Aspekt ist es insbesondere vorteilhaft und als unabhängiger Aspekt möglich, eine Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung (und/oder eine Werkzeugmaschine mit einer derartigen Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung) bereitzustellen, mit:

– einer Speichereinrichtung zum Speichern einer Maschinen-Kinematik bzw. von eine Maschinen-Kinematik angebenden Maschinendaten der Werkzeugmaschine und Werkstückgewicht-Maschinendaten, die Korrekturwerte für die Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts und/oder Korrekturwerte für Bezugsparameter, insbesondere Achspositionen, in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts angeben,
– einer Datenverarbeitungseinrichtung einer numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine zum Steuern der Werkzeugmaschine auf Basis von numerischen Bearbeitungsdaten und der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine und zum Transformieren von Koordinatendaten zwischen einem relativen Koordinatensystem und einem Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmaschine auf Basis der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine, und
– einer Eingabeeinheit, die es einem Bediener ermöglicht, ein Werkstückgewicht eines zu bearbeitenden Werkstücks einzugeben,

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Vorrichtung zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine vorgeschlagen, wobei die Werkzeugmaschine vorzugsweise zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und/oder eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist; und wobei bevorzugt ein Messobjekt auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse befestigt oder befestigbar ist.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise Mittel zum Ermitteln einer jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse; und/oder Mittel zum Bestimmen einer Mittelpunktposition des drehbar gelagerten Maschinenteils in der Messebene entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse auf Basis der ermittelten Raumlage-Positionen des Messobjekts.
Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung eine numerische Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine oder in eine numerische Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine integriert.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine vorgeschlagen, mit vorzugsweise zumindest einer ersten steuerbaren Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und/oder einer zweiten steuerbaren Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse; und/oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Aspekte zum Ausführen eines oder mehrerer der vorstehenden Aspekte.
Schließlich wird gemäß einem vierten Aspekt ein Computerprogram-Produkt mit einem auf einem computerlesbaren Datenspeichermedium gespeicherten Computerprogramm vorgeschlagen, welches bevorzugt ausführbar ist in einer numerischen Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine und/oder in einem mit einer numerischen Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine verbindbaren Computer.
Das ausführbare Computerprogramm ist vorzugsweise dazu eingerichtet, an der Werkzeugmaschine, die vorzugsweise zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und/oder eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist, und wobei vorzugsweise ein Messobjekts auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse befestigt oder befestigbar ist, ein Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Aspekte durchzuführen.
Zusammenfassend können erfindungsgemäß möglichst einfache, kostengünstige, genaue, einfach durchführbare und mathematisch weniger komplizierte Vermessungsverfahren und/oder Positionsfehlerkorrekturverfahren zur Fehlerkompensation der Fehler der Achspositionen von Rund- und/oder Linearachsen an Werkzeugmaschinen mit vier, fünf oder gar mehr Antriebsachsen und teils komplexen Maschinenkinematiken bereitgestellt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt eine bespielhafte Perspektivdarstellung einer Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine bespielhafte Perspektivdarstellung einer weiteren Werkzeug-maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3A bis 3C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft horizontal ausgerichteten ersten Messebene;
4A bis 4C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft schräg ausgerichteten zweiten Messebene;
5A bis 5C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft vertikal ausgerichteten dritten Messebene;
6A illustriert beispielhaft einen nachteiligen Einfluss eines Rechtwinkligkeitsfehlers bei einer Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1696 289 A1 ;
6B illustriert beispielhaft einen nachteiligen Einfluss eines Geradlinigkeits-fehlers einer Achse bei einer Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1696 289 A1 ;
6C illustriert beispielhaft einen Vorteil einer Drei-Punkt-Messung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung bei einem etwaigen Rechtwinkligkeitsfehler;
7 illustriert beispielhaft schematisch einen möglichen Bearbeitungsfehler an einem Werkstück aufgrund der Gewichtskraft des Werkstücks;
8A bis 8C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft horizontal ausgerichteten ersten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück;
9A bis 9C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft schräg ausgerichteten zweiten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück;
10A bis 10C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft vertikal ausgerichteten dritten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück;
11 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung eines Teils einer Maschinenkinematik-Beschreibung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
12 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung einer Steuerungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keinster Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungs-beispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer der Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
1. Beispielhafte Werkzeugmaschinen
1 zeigt eine bespielhafte Perspektivdarstellung einer Werkzeugmaschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Werkzeugmaschine 100 umfasst beispielhaft ein Maschinenbett 110, auf dem beispielhaft ein verschwenkbar gelagerter Schwenktisch 120 angeordnet ist, mit einem beispielhaft auf dem Schwenktisch 120 drehbar gelagerten Drehtisch 130, auf dem bespielhaft ein Werkstück WS zur Bearbeitung an der Werkzeugmaschine 100 eingespannt ist.
Bespielhaft umfasst die Werkzeugmaschine 100 somit zwei rotatorisch steuerbare Rundachsen zur Rotation des auf dem Drehtisch 130 eingespannten Werkstücks WS, beispielhaft um eine in Bezug auf das Maschinenbett 110 beispielhaft horizontal ausgerichtete Schwenkachse (angetriebene/antreibbare Schwenkachse B – B-Achse), um die der Schwenktisch 120 auf dem Maschinenbett 110 schwenkbar ist, und um eine in Bezug auf den Schwenktisch 120 beispielhaft vertikal ausgerichtete Rotationsachse (angetriebene/antreibbare Drehachse C – C-Achse), um die der Drehtisch 130 auf dem Schwenktisch 120 drehbar ist.
In dieser bespielhaften Ausführung ist die Rotationsachse des Drehtischs 130 als Drehachse ausgebildet, die nicht absolut feststehend in Bezug auf das Maschinenbett 110 ausgerichtet ist, sondern die Rotationsachse der Drehachse des Drehtischs 130 verschwenkt mit dem Verschwenken des Schwenktisches 120 mit, da der auf dem Schwenktisch 120 gelagerte Drehtisch 130 mit dem Schwenktisch 120 mitschwenkt.
In weiteren Ausführungen der Erfindung ist es möglich zwei Schwenkachsen, zwei Drehachsen, nur eine oder mehr als zwei Dreh- bzw. Schwenkachsen vorzusehen. Zudem ist es in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, unabhängige Schwenk- bzw. Drehachsen vorzusehen, z. B. indem eine oder mehrere Dreh- bzw. Schwenkachsen das Werkstück rotieren und eine oder mehrere andere Dreh- bzw. Schwenkachsen das Werkzeug bzw. den Spindelkopf rotieren.
Die Werkzeugmaschine 100 gemäß 1 umfasst weiterhin beispielhaft eine Achsschlitten-Baugruppe mit einem ersten Achsschlitten 140, der auf einem hinteren Maschinenständer des Maschinenbetts 110 angeordnet ist und auf an dem Maschinenständer befestigten Längsachs-Schlittenführungen geführt ist. Auf den Längsachs-Schlittenführungen ist der erste Achsschlitten 140 beispielhaft in der Richtung einer Y-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft horizontal linear verfahrbar (in 1 beispielhaft in einer horizontal von vorne nach hinten ausgerichteten Richtung).
An der Vorderseite des ersten Achsschlittens 140 sind beispielhaft horizontal ausgerichtete Querachs-Schlittenführungen angeordnet, auf denen ein zweiter Achsschlitten 150 beispielhaft in der Richtung einer X-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft horizontal und quer bzw. senkrecht zur Richtung der Y-Achse des ersten Achsschlittens 140 linear verfahrbar (in 1 in einer horizontal von links nach rechts ausgerichteten Richtung).
An der Vorderseite des zweiten Achsschlittens 150 ist ein Spindelkopf mit einem Spindelkopfgehäuse an einem dritten Achsschlitten 160 gehalten. Der Spindelkopf ist beispielhaft in der Richtung einer Z-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft vertikal linear verfahrbar (vertikal verfahrbarer dritter Achsschlitten 160), d. h. insbesondere beispielhaft jeweils quer bzw. senkrecht zu den Richtungen der X- und Y-Achsen.
An der Unterseite des Spindelkopfes mit dem Spindelkopfgehäuse an dem dritten Achsschlitten 160 ist eine Arbeitsspindel 170 einer Spindelvorrichtung angeordnet, deren Spindelachse beispielhaft vertikal und insbesondere beispielhaft parallel zur Richtung der Z-Achse ausgerichtet ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind folglich beispielhaft drei unabhängig steuerbare Linearachsen vorgesehen (z. B. steuerbar durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung ggf. mit CNC-Steuerungseinheit und/oder PLC-Steuerungseinheit, ggf. auf Basis von NC-Programmen und/oder manuell an einem Bedienpult der Werkzeugmaschine 100 eingegebenen Steuerbefehlen).
Beispielhaft können alle drei Linearachsen unabhängig voneinander oder gleichzeitig das an der Arbeitsspindel 170 der Spindelvorrichtung aufgenommene Werkzeug aktiv in Bezug auf die Position des auf dem Drehtisch 130 eingespannten Werkstücks WS verfahren.
In weiteren Ausführungsbeispielen können auch ein, zwei oder mehr als drei unabhängig verfahrbare Linearachsen vorgehsehen sein, bzw. es können auch ein, zwei, drei oder mehr Linearachsen zum Verfahren des Werkstücks bzw. des Drehtischs 130 und/oder des Schwenktischs 120 vorgesehen sein.
Weiterhin umfasst die Werkzeugmaschine 100 beispielhaft ein Werkzeugmagazin 180, das dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Werkzeugen, Werkzeugschnittstellen und/oder Werkzeugen mit Werkzeugschnittstellen vorzuhalten. Beispielhaft ist das Werkzeugmagazin 180 als Kettenmagazin ausgebildet, jedoch können auch andere Typen von Werkzeugmagazinen vorgesehen sein, wie z. B. Regalmagazine oder Radmagazine usw.
Zudem umfasst die Werkzeugmaschine 100 beispielhaft einen zwischen einer Werkzeugwechselposition der Arbeitsspindel 170 der Spindelvorrichtung und einer Werkzeugentnahme- bzw. Werkzeugeingabeposition des Werkzeugmagazins 180 linear verfahrbare Werkzeugwechselvorrichtung 190. Die Werkzeugwechselvorrichtung 190 ist dazu eingerichtet, an der Werkzeugentnahme- bzw. Werkzeugeingabeposition des Werkzeugmagazins 180 ein Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin 180 zu entnehmen, um dieses in einem Werkzeugwechsel der Arbeitsspindel zuzuführen, und ein an der Werkzeugwechselposition aus der Arbeitsspindel 170 der Spindelvorrichtung im Werkzeugwechsel entnommenes Werkzeug dem Werkzeugmagazin 180 zuzuführen.
Bevorzugt umfasst die Werkzeugwechselvorrichtung 190 ggf. einen verschwenkbaren Doppelgreifer zum Halten bzw. Aufnehmen zweier Werkzeuge bzw. Werkzeugschnittstellen, ggf. mit einem Greiferabschnitt zum Aufnehmen eines Werkzeugs aus der Spindel oder dem Werkzeugmagazin und ein anderer Greiferabschnitt mit einem in der Arbeitsspindel bzw. dem Werkzeugmagazin einzusetzenden Werkzeug.
2 zeigt eine bespielhafte Perspektivdarstellung einer weiteren Werkzeug-maschine 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist der Grundaufbau ähnlich zu 1, indem die Werkzeugmaschine 100 gemäß 2 ebenfalls ein Maschinenbett 110 umfasst, auf dem beispielhaft ein verschwenkbar gelagerter Schwenktisch 120 angeordnet ist, mit einem beispielhaft auf dem Schwenktisch 120 drehbar gelagerten Drehtisch 130, auf dem bespielhaft ein Werkstück WS zur Bearbeitung an der Werkzeugmaschine 100 eingespannt ist.
In dieser bespielhaften Ausführung ist die Rotationsachse des Drehtischs 130 als Drehachse ausgebildet, die nicht absolut feststehend in Bezug auf das Maschinenbett 110 ausgerichtet ist, sondern die Rotationsachse der Drehachse des Drehtischs 130 verschwenkt mit dem Verschwenken des Schwenktisches 120 mit, da der auf dem Schwenktisch 120 gelagerte Drehtisch 130 mit dem Schwenktisch 120 mitschwenkt.
Während in 1 der Schwenktisch 120 beispielhaft mit horizontal ausgerichteter Rotationsachse beidseitig an dem Maschinenbett 110 gehalten und gelagert ist, ist der Schwenktisch 120 gemäß 2 beispielhaft nur einseitig am Maschinenbett 110 gehalten bzw. verschwenkbar gelagert, wobei die Rotationsachse des Schwenktisches 120 in 2 beispielhaft bei einem Winkel von 45 Grad zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.
In weiteren Ausführungen der Erfindung ist es möglich zwei Schwenkachsen, zwei Drehachsen, nur eine oder mehr als zwei Dreh- bzw. Schwenkachsen vorzusehen. Zudem ist es in weiteren Ausführungsbeispielen möglich, unabhängige Schwenk- bzw. Drehachsen vorzusehen, z. B. indem eine oder mehrere Dreh- bzw. Schwenkachsen das Werkstück rotieren und eine oder mehrere andere Dreh- bzw. Schwenkachsen das Werkzeug bzw. den Spindelkopf rotieren.
Die Werkzeugmaschine 100 gemäß 2 umfasst ebenfalls beispielhaft eine Achsschlitten-Baugruppe mit einem ersten Achsschlitten 140, der auf einem hinteren Maschinenständer des Maschinenbetts 110 angeordnet ist und auf an dem Maschinenständer befestigten Querachs-Schlittenführungen geführt ist. Auf den Quersachs-Schlittenführungen ist der erste Achsschlitten 140 beispielhaft in der Richtung einer X-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft horizontal linear verfahrbar (in 2 beispielhaft in einer horizontal von links nach rechts ausgerichteten Richtung).
Auf der Oberseite des ersten Achsschlittens 140 sind beispielhaft horizontal ausgerichtete Längsachs-Schlittenführungen angeordnet, auf denen ein zweiter Achsschlitten 150 beispielhaft in der Richtung einer Y-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft horizontal und quer bzw. senkrecht zur Richtung der X-Achse des ersten Achsschlittens 140 linear verfahrbar (in 2 in einer horizontal von schräg links-vorne nach schräg rechts-hinten ausgerichteten Richtung).
An der Vorderseite des zweiten Achsschlittens 150 ist ein Spindelkopf mit einem Spindelkopfgehäuse an einem dritten Achsschlitten 160 gehalten. Der Spindelkopf ist beispielhaft in der Richtung einer Z-Achse der Werkzeugmaschine 100 beispielhaft vertikal linear verfahrbar (vertikal verfahrbarer dritter Achsschlitten 160), d. h. insbesondere beispielhaft jeweils quer bzw. senkrecht zu den Richtungen der X- und Y-Achsen.
An der Unterseite des Spindelkopfes mit dem Spindelkopfgehäuse an dem dritten Achsschlitten 160 ist eine Arbeitsspindel 170 einer Spindelvorrichtung angeordnet, deren Spindelachse beispielhaft vertikal und insbesondere beispielhaft parallel zur Richtung der Z-Achse ausgerichtet ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind folglich beispielhaft drei unabhängig steuerbare Linearachsen vorgesehen (z. B. steuerbar durch eine nicht dargestellte Steuereinrichtung einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung ggf. mit CNC-Steuerungseinheit und/oder PLC-Steuerungseinheit, ggf. auf Basis von NC-Programmen und/oder manuell an einem Bedienpult der Werkzeugmaschine 100 eingegebenen Steuerbefehlen).
Beispielhaft können alle drei Linearachsen unabhängig voneinander oder gleichzeitig das an der Arbeitsspindel 170 der Spindelvorrichtung aufgenommene Werkzeug aktiv in Bezug auf die Position des auf dem Drehtisch 130 eingespannten Werkstücks WS verfahren.
In weiteren Ausführungsbeispielen können auch ein, zwei oder mehr als drei unabhängig verfahrbare Linearachsen vorgehsehen sein, bzw. es können auch ein, zwei, drei oder mehr Linearachsen zum Verfahren des Werkstücks bzw. des Drehtischs 130 und/oder des Schwenktischs 120 vorgesehen sein.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist es folglich bei jeder der vorstehend beschriebenen Werkzeugmaschinen möglich, eine oder mehrere der bereitgestellten Achsen wegzulassen bzw. eine oder mehrere weitere Linear- und/oder Schwenk- bzw. Drehachsen vorzusehen, z. B. auch eine oder mehrere Linear- und/oder Schwenk- bzw. Drehachsen zum Verfahren des Werkzeugs.
Hierbei sei erwähnt, dass der Unterschied zwischen einer Drehachse und einer Schwenkachse der ist, dass eine Drehachse in beide Richtungen um ihre Rotationsachse rotatorisch steuerbar ist, wobei ggf. eine Drehung um 360 Grad oder mehr oder ggf. um 720 Grad oder mehr bzw. ggf. ohne Winkelbeschränkung möglich ist, und dass eine Schenkachse in beide Richtungen um ihre Rotationsachse zwischen einer ersten und einer zweiten Winkelposition rotatorisch steuerbar ist, wobei die Winkelpositionen festgelegt sind ggf. mit einem Winkelabstand von 360 Grad oder weniger, z. B. als 90 Grad, 120 Grad, 180 Grad (z. B. +90 Grad und –90 Grad), 240 Grad (z. B. +120 Grad und –120 Grad), 270 Grad oder 360 Grad (z. B. +180 Grad und –180 Grad).
Im Folgenden wird allgemein der Begriff „Rundachse” als Oberbegriff für Dreh- bzw. Schwenkachsen verwendet, d. h. eine jeweilige Rundachse kann jeweils als Schwenkachse oder als Drehachse ausgebildet sein.
Weiterhin kann die Werkzeugmaschine eine numerische Maschinensteuerung (z. B. NC- bzw. CNC-Steuerung ggf. mit einer oder mehrerer NC- und PLC-Steuereinheiten) und/oder ein Maschinensteuerungs-Bedienpult umfassen (nicht dargestellt), sowie ggf. ein Werkzeugmaschinengehäuse aufweisen (nicht dargestellt).
Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen haben z. B. gemäß den Werkzeugmaschinen nach 1 und 2 drei lineare Bewegungsachsen und zwei Rundachsen. Zum Beispiel wird das Werkstück WS auf einer der Rundachsen (z. B. auf dem Drehtisch 130) befestigt – der sogenannten Drehachse bzw. C-Achse – die z. B. endlos drehen kann.
Die zweite Rundachse – z. B. die sogenannte Schwenkachse bzw. B-Achse – wird benutzt, entweder das Werkstück WS oder die Spindel 170 im Raum zu schwenken, um das Werkstück WS für die Bearbeitung der Seiten zugänglich zu machen. Die Schwenkachse verfügt bei manchen Werkzeugmaschinen über einen eingeschränkten Schwenkbereich von z. B. 0° bis 90° oder auch von z. B. –120° bis +120°.
Geometrische Fehler der Werkzeugmaschinen-Bauteile und Fehler in der Ausrichtung der Werkzeugmaschinen-Bauteile, sowie thermische Dehnungen und Verformungen der Maschinen-Bauteile z. B. durch Gewichtskräfte führen ggf. dazu, dass die Bewegungsachsen der Werkzeugmaschinen nicht ideal gerade fahren und dass sie ggf. nicht genau winklig zueinander sind.
Diese Fehler führen bei der Bearbeitung von Werkstücken zu Maß-Fehlern. Insbesondere bei fünf-achsiger Bearbeitung können sie durch die Bewegung der Rundachsen sogar noch verstärkt werden, indem sich der Fehler z. B. auf der einen Seite des Werkstückes in gleicher Größenordnung, aber in umgekehrter Richtung auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstückes wiederfindet, wodurch sich der durch beide Bearbeitungen definierte Gesamtfehler verdoppeln kann (man spricht hier auch von sog. „Umschlagfehlern”).
Auch ist die Lage des Drehzentrums und der Drehachse einer Rundachse in der Maschinenmontage nicht immer ohne Fehler bestimmbar – insbesondere dann, wenn beide Rundachsen übereinander liegen (aufeinander aufbauende Rundachsen, z. B. als auf einem Schwenktisch 120 drehbar gelagerter Drehtisch 130, siehe z. B. 1 und 2) und der ggf. eingeschränkte Schwenkbereich der Schwenkachse ein Durchdrehen um 180° verhindert, dass viele Messungen erleichtert.
Dabei kann bevorzugt berücksichtigt werden, dass der Ausrichtung der Geradheit und der Winkligkeit der Achsen zueinander auch bei äußerst genau arbeitenden Werkzeugmaschinen zumeist Grenzen gesetzt sind. Diese werden durch die Bearbeitungsgenauigkeit der Maschinenbauteile und die Genauigkeit der Messmittel definiert.
In der Praxis bedeutet dies zumeist, dass eine sehr genaue Maschinengeometrie dann erreicht ist, wenn die Einzelachsen im Bereich von bevorzugt kleiner oder gleich 10 μm gerade sind und im Bereich von bevorzugt kleiner oder gleich 10 μm rechtwinklig zueinander sind.
Diese vom Wert her kleinen Fehler der Einzelachsen können sich bei fünf-achsiger Bearbeitung mit einem Schwenken von Spindel und/oder Werkstück im Raum zu größeren Werten addieren. Die Größe der Fehlerwerte ist dann ggf. von der Position im Raum abhängig, die die Achsen zueinander einnehmen.
Das heißt, dass auch eine Maschine, deren einzelne Achsen mit äußerster Genauigkeit geometrisch eingestellt und justiert werden, beim Positionieren im Raum Fehler machen kann, deren Größenordnung die der Rest-Fehler i. d. R. deutlich übersteigen kann. Hinzu kommen ggf. noch die Effekte, die Wärmedehnungen und Verformungen z. B. durch (Werkstück-)Gewichtskräfte auf die Maschinenstruktur ausüben und die dazu führen können, dass sich die eingestellte Maschinengeometrie im Betrieb der Maschine etwas verändert.
Somit weist eine fertig montierte Fünf-Achs-Werkzeugmaschine zumeist unerwünschte Rest-Fehler auf, in denen die reale Maschinenkinematik von der in der Steuerung hinterlegten Kinematik-Beschreibung abweicht. Das gilt insbesondere deshalb, weil viele Steuerungen nicht die Möglichkeit besitzen, in ihrem Kinematikmodell alle Fehler einer Maschinenachse wie Rollen, Nicken und Gieren abzubilden. Stattdessen rechnen die üblichen Kinematik-Beschreibungen in den Steuerungen mit ideal geradlinigen und ideal rechtwinklig zueinander stehenden Achsen.
Somit führen die Rest-Fehler der realen Maschinenkinematik im Stand der Technik zu unerwünschten Positionierfehlern, weil die Steuerung mit einem idealisierten Modell der Maschinenkinematik rechnet, das die realen Fehler nicht berücksichtigt.
Um diese Einschränkung zu reduzieren bzw. zu verhindern, wurden durch die Steuerungshersteller im Stand der Technik Kompensationsverfahren vorgestellt, z. B. die sog. Durchhangkompensationen. Diese Kompensationsmöglichkeiten haben vielfach den Nachteil, dass die eingetragenen Kompensationswerte nicht Teil der Kinematik-Beschreibung der Maschine sind und somit z. B. bei Bewegungen der Schwenkachse, bei denen die Spindel und/oder das Werkstück ihre Lage im Raum ändern, nicht ,mitgenommen' wurden.
Die hier beschriebenen Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können dazu dienen, die wirkliche Maschinenkinematik mit einfachen Mitteln zu vermessen, und/oder aus diesen Messwerten: z. B. Abweichungen zum Rechenmodell der Kinematik zu bestimmen und diese Abweichungen als Kompensationswerte zu verwenden, um die Fehler der realen Bewegungen zur Soll-Bewegung zu korrigieren; und/oder die Abweichungen der realen Kinematik vom Rechenmodell der Kinematik zu bestimmen und diese Abweichungen zur Korrektur des Kinematik-Rechenmodells der Maschinen-steuerung zu verwenden.
Dadurch kann erfolgreich und vorteilhaft eine deutliche Verringerung der Fehler erreicht werden, die beim Positionieren im Raum entstehen, so dass die Positioniergenauigkeit der Maschine im Raum verbessert werden kann.
2. Vorteile einer Positionsvermessung an zumindest drei Rundachspositionen
In EP 1 696 289 A1 wird ein Verfahren zu Vermessung einer Rundachse in einer Maschine beschrieben. Dabei wird eine Messkugel in zwei Positionen (Zwei-Punkt-Messung), die sich durch die Weiterschwenkung der Rundachse ergeben, auf der die Messkugel befestigt ist, angetastet. Aus den Koordinaten der Messungen kann der Drehpunkt der Rundachse bestimmt werden, auf der die Messkugel befestigt wurde.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, das sich in dem Mess- und dem folgenden Berechnungsergebnis Fehler in der Maschinengeometrie und -kinematik ebenfalls niederschlagen und zu einer Fehlbestimmung der Drehpunkte M und der Drehachse im Raum führen.
6A illustriert beispielhaft einen nachteiligen Einfluss eines Rechtwinkligkeitsfehlers bei einer Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1 696 289 A1 . Im gezeigten Beispiel liegt der durch die Messung bestimmte Mittelpunkt um den halben Rechtwinkligkeitsfehler der Achsen falsch. Ein Rechtwinkligkeitsfehler liegt vor, wenn zumindest zwei Achsen der Werkzeugmaschine nicht exakt senkrecht zueinander stehen.
6B illustriert beispielhaft einen nachteiligen Einfluss eines Geradlinigkeitsfehlers einer Achse bei einer Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1 696 289 A1 . In dem Beispiel gemäß 6B führt ein Bogen in einer Achse ebenfalls zu einem Fehler in der Drehachsen-Bestimmung bei einer Zwei-Punkt-Messung gemäß EP 1 696 289 A1 . Abhängig von der Form und der Lage der Bögen führen diese Fehler zu einem ähnlichen Fehler in der Bestimmung des Mittelpunktes M.
Einer der Unterschiede zwischen dem in EP 1 696 289 A1 vorgeschlagenen Verfahren und Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht darin, dass vorgeschlagen wird, pro Messebene mindestens 3 Punkte zu messen, z. B. Drei-Punkt-Messung, Vier-Punkt-Messung bzw. N-Punkt-Messung bei N > 2.
Auf diese Art kann der Einfluss der Geometrie- und Kinematikfehler der Maschine auf die Berechnung des Drehpunktes vermieden bzw. vermindert werden. Das liegt daran, dass aus der zusätzlichen Information, die die Messung des dritten Punktes oder der weiteren Punkte N > 2 bringt, vorteilhaft ein etwaiger Rechtwinkligkeitsfehler zwischen den vermessenden Achsen bzw. etwaige Geradlinigkeitsfehler einer oder mehrerer Achsen errechnet werden kann.
Die geringere Anfälligkeit der Drei-Punkt-Messung bzw. N-Punkt-Messung mit N > 2 gegenüber der Zwei-Punkt-Messung der EP 1 696 289 A1 kann auch mit Hilfe der 6C erläutert werden. 6C illustriert hierbei beispielhaft einen Vorteil einer Drei-Punkt-Messung gemäß Ausführungs-beispielen der Erfindung bei einem etwaigen Rechtwinkligkeitsfehler; Wird der erste Messpunkt „1” als Ausgangspunkt der Drehpunktermittlung angenommen, liegt einer der beiden anderen Punkte („2”) auf der gleichen Seite des Tisches relativ zu den vermessenden Achsen. Der dritte Punkt „3” liegt aber auf der anderen Seite des Tisches – zumindest dann, wenn die drei Messpunkte auf einem einigermaßen gleichmäßig geteilten Umfang des Flugkreises der Messkugel 300 liegen.
Der durch die Messung der ersten beiden Punkte „1” und „2” ermittelte Mittelpunkt „M1” wird wie beschrieben durch den Rechtwinkligkeitsfehler verfälscht. Wird der Mittelpunkt „M2” zwischen den Punkten „1” und „3” ermittelt, liegt der ermittelte Drehpunkt aber auf der anderen Seite der Tischmitte. So heben sich beide Fehler gegeneinander auf.
Anders ausgedrückt: Durch die Messung von mindestens drei vorzugsweise gleichmäßig am Umfang des Flugkreises der Messkugel 300 verteilten Messpunkten „1”, „2” und „3” (im Beispiel bei 0 Grad, 120 Grad und 240 Grad der C-Achse) kann der Einfluss der geometrischen und kinematischen Fehler der vermessenden Maschinenachsen auf die Genauigkeit der Drehzentrumsermittlung gänzlich ausgeschlossen werden (wenn der Rechtwinkligkeitsfehler errechnet wird), oder zumindest stark reduziert werden (wenn aus den drei Messungen zwei Drehpunkte bestimmt und verrechnet werden).
Werden die Ergebnisse genutzt, die Bewegungen zu kompensieren, oder das kinematische Rechenmodell der Maschine zu korrigieren, werden im Ergebnis vorteilhaft auch die Fehler ausgeschlossen, gegen die EP 1696 289 noch anfällig ist.
Die Messung zumindest dreier Punkte bietet zudem den Vorteil, dass die Lage der Rundachse einfach bestimmt werden kann, da die drei Punkte eine Ebene (Messebene) aufspannen, auf der die Rundachse senkrecht steht und durch das Drehzentrum verläuft.
Somit ist klar erkennbar, dass das hier vorgeschlagene Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung dem Verfahren aus EP 1 696 289 A1 überlegen ist, zumal es, wie in den folgenden Abschnitten im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen vorgestellt wird, z. B. durch die Integration weiterer Mess-Schritte und/oder die Einbeziehung weiterer Parameter, wesentlich weitergehende Kompensationen der Maschinenfehler ermöglicht.
3. Erstes beispielhaftes Vermessungsverfahren
In einem ersten beispielhaften Teilverfahren werden die oben beschriebenen Fehler bei der Ermittlung des Drehzentrums und der Drehachse einer Rundachse bevorzugt vermieden, indem mindestens drei Punkte im Raum angetastet werden, d. h. in einem Drei-Punkt-Messverfahren.
Das geschieht in Ausführungsbeispielen beispielhaft, indem z. B. eine Messkugel 300 mit bekanntem Durchmesser auf dem Maschinentisch (Drehtisch 130) entfernt vom Mittelpunkt des Drehtisches 130 befestigt bzw. positioniert wird.
Die Position der Messkugel 300 wird z. B. mit Hilfe eines Mess-Tasters oder auch mittels einer Laservermessungseinheit aufgenommen, ggf. durch mehrmaliges Antasten bzw. Messen der Messkugel 300 an unterschiedlichen Punkten der Oberfläche der Messkugel 300 bei gleichbleibender Positionierung des Drehtisches 130.
Anschließend wird der Drehtisch 130 um z. B. 120° weitergetaktet (allgemein bevorzugt um einen Winkel von 360/N Grad bei einer N-Punkt-Messung) und die neue Position der Messkugel 300 wiederum durch Antasten aufgenommen. Schließlich wird die Messkugel 300 ein weiteres Mal um z. B. 120° weitergetaktet und die neue Position wiederum aufgenommen (bespielhafte 3-Punkt-Messung bei C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad).
Da die Antastung zweier Punkte theoretisch ausreicht, ein Drehzentrum des Drehtisches 130 zu bestimmen, liefert die Messung des dritten Punktes zusätzliche Informationen, die – wie oben beschrieben – erfindungsgemäß benutzt werden können, die Rechtwinkligkeit bzw. den Rechtwinkligkeitsfehler zwischen den beiden Rundachsen zu bestimmen.
Die Messung des dritten Punktes erlaubt zudem – wie oben ebenfalls beschrieben – die Bestimmung der Drehachse des Drehtisches 130, indem zwischen Ihnen eine Ebene berechnet werden kann, auf der die Drehachse (erste Rundachse) senkrecht stehen soll. Das ist mit der Messung von zwei Punkten zwar theoretisch auch möglich, wenn der Rundachswinkel zwischen erstem und zweitem Punkt nicht um gerade um 180 Grad weitergeschwenkt wurde, sondern z. B. nur um 90 Grad oder 120 Grad weitergeschwenkt.
Allerdings ist die Genauigkeit der Achsberechnung bei Messung von drei (oder mehr) relativ gleichmäßig am Kreisumfang verteilten Punkten um ein Vielfaches höher, weil die zur Berechnung verwandte Ebene eine weitaus größere Fläche umfasst.
Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die Zahl der Messungen auf z. B. vier erhöht werden, wobei die Messpunkte dann vorzugsweise um z. B. 90 Grad weitergeschwenkt werden.
In einem zweiten Teilverfahren wird erfindungsgemäß die Werkzeug-Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Maschine vermessen, indem das reale Zentrum des Maschinentisches und die reale Ebene des Maschinentisches für mindestens zwei und bevorzugt drei oder mehr um einen Winkel versetzte Winkelstellungen der Maschinen-Schwenkachse vermessen wird.
Die so ermittelten Drehzentren und Drehachsen werden potentiell durch Rest-Fehler der Einzelbauteile der Maschine, durch Rest-Fehler der Mess-Systeme, durch Rest-Fehler der Maschinenkinematik, d. h. den Abweichungen der Maschinenachsen von einer idealen Geradheit und Winkligkeit, durch wärmebedingte Dehnungen der Maschinenbauteile, und/oder durch kraftbedingte Dehnungen der Maschinenbauteile von der Position abweichen, die sie entsprechend des in der Maschinensteuerung hinterlegten Maschinenkinematik-Modells einnehmen würden bzw. sollten.
Diese Abweichungen können nun mit Hilfe der Mess-Ergebnisse der Vermessung außerhalb und/oder innerhalb der Maschinensteuerung errechnet werden und als Korrekturwerte in der Steuerung bzw. in der Kinematik-Beschreibung der Steuerung hinterlegt werden. Die Maschine führt dann bevorzugt zum Ausgleich der gemessenen Fehler auf Basis der Korrekturwert ggf. Zusatzbewegungen mit einer, mehreren oder allen Achsen (u. a. ggf. auch den Rundachsen) durch. Mit Hilfe dieser Zusatzbewegungen kann die Maschine im Raum deutlich genauer positionieren.
Wird die Messung mehr als zweimal für verschiedene Stellungen der Schwenkachse wiederholt (z. B. in Schritten von 15° Schwenkwinkel), so kann zudem nicht nur die Abweichung der Lage des Zentrums und der Achsorientierung der ersten Rundachse sondern auch das Zentrum und die Achsorientierung der zweiten Rundachse (z. B. Schwenkachse) der Maschine berechnet und mit den Soll-Positionen laut der in der Steuerung hinterlegten Beschreibung der Maschinenkinematik verglichen werden.
Die Messung in den Schwenkwinkelschritten erlaubt zudem die Beschreibung der Abweichung der realen Bahn, die der Mittelpunkt der ersten Rundachse beschreibt, und die Abweichung der Orientierung der realen Rotationsachse der Rundachse von den entsprechenden Soll-Werten laut Kinematik-Beschreibung der Maschinensteuerung über den Schwenkbereich der Schwenkachse.
In diese Messung gehen bevorzugt alle beschriebenen Fehler der beteiligten Achsen – also bevorzugt aller vier, fünf oder mehr Maschinenachsen – ein. Da nach Abschluss der Messung die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Bahn des Drehzentrums und die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Orientierung der Rotationsachse der Drehachse bekannt ist, können die Fehler somit kompensiert werden, indem eine, mehrere oder bevorzugt alle Linear- und Rundachsen der Werkzeugmaschine Ausgleichsbewegungen fahren.
Somit kann beispielhaft eine Korrektur der Bewegung der Rund- bzw. Schwenkachse und eine Korrektur der anderen Maschinenachsen relativ zur Rund- bzw. Schwenkachse im Raum ermöglicht werden, die zu einer wesentlichen Steigerung der Genauigkeit der Werkstück-Positionierung führt.
Dabei können die ermittelten Korrekturwerte auf unterschiedliche Arten verwendet werden, um in der Maschinensteuerung bzw. der NC-Steuerung die gewünschte Korrektur durchzuführen.
Eine zweckmäßige Möglichkeit besteht darin, die Bahnvorgabe des NC-Programmes mit einem oder mehreren Korrekturwerten, die die Bewegungsfehler reduzieren, zu überlagern. Dieses Vorgehen wäre jedoch dahingehend nachteilig, dass auf der ,Programmseite' in die Steuerung eingegriffen wird.
Eine wesentlich zweckmäßigere Möglichkeit besteht darin, aus den gemessenen Bahnabweichungen auf die die Bahnabweichungen verursachenden geometrischen Fehler zurückzuschließen. Die Auswirkungen dieser geometrischen Fehler – also z. B. ein etwaiger jeweiliger Winkelfehler zwischen zwei der Achsen der Werkzeugmaschine, oder die abweichende Länge einer Konsole – auf die Bewegung der Maschine können vorteilhaft durch eine Veränderung bzw. eine Korrektur der Kinematik-Beschreibung der Maschine reduziert werden.
Eine weitere effizient und einfach umsetzbare dritte Möglichkeit mit sehr guter Genauigkeit ist die Hinterlegung bzw. Speicherung von Korrekturwerten – z. B. in Matrixform, Datenliste, oder Tabellenform – in der Steuerung und die bevorzugte automatische Modifikation z. B. durch Addition der Korrekturwerte auf die Achsposition(en) der Linear- und/oder Rundachsen.
Hierbei können mit Hilfe eines von der Steuerung beigestellten oder eines zu diesem Zweck programmierten Unterprogrammes die Achspositionen der Maschine ausgelesen werden, aus den Tabellen die zu den Achspositionen passenden Korrekturwerte entnommen oder berechnet und bevorzugt im Reglertakt zur Steuerung zurückgegeben und als Korrekturwert auf die Achsposition aufaddiert werden.
Ein beispielhaftes Messverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3A bis 5C beschrieben. Dies betrifft beispielhaft ein Drei-Punkt-Messverfahren jeweils an beispielhaft drei Winkelstellungen der zweiten Rundachse bzw. beispielhaft in diesem Ausführungsbeispiel an drei Winkelstellungen der Schwenkachse.
3A bis 3C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft horizontal ausgerichteten ersten Messebene.
In 3A bis 3C ist beispielhaft schematisch ein Drehtisch 130 einer Werkzeugmaschine 100 gezeigt, der mittels einer C-Achse (z. B. als Drehachse ausgebildet ist) um eine axial zum Drehtisch 130 ausgerichtete Rotationsachse rotierbar bzw. rotatorisch verfahrbar. Bei Werkstückbearbeitung an der Werkzeugmaschine 100 kann z. B. ein Werkstück an bzw. auf dem Drehtisch 130 eingespannt werden.
Beispielhaft ist auf dem Drehtisch 130 ein Testobjekt, hier beispielhaft eine Messkugel 300 mit bevorzugt vorbekanntem Durchmesser radial von der Rotationsachse der Drehachse C beabstandet positioniert.
Durch mehrmaliges Antasten der Oberfläche der Messkugel 300 an unterschiedlichen Oberflächenpunkten der Messkugel 300 mittels einer Messtastspitze 210 einer an der Arbeitsspindel 170 der Werkzeugmaschine 100 aufgenommenen Messtastvorrichtung 200 kann eine Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. die Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, ermittelt bzw. bevorzugt trianguliert werden.
Bei bekanntem Durchmesser der Messkugel 300 ist es ausreichend, drei Oberflächenpunkte der Messkugel 300 durch Abtasten zu ermitteln und mittels des bekannten Durchmessers bzw.
Radius der Messkugel 300 die Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. die Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, zu ermitteln.
Bei mehr als drei vermessenen Oberflächenpunkten der Messkugel 300 kann die Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. die Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300 sogar potentiell ohne Kenntnis des Durchmessers erfolgen, da ab mehr als drei vermessenen Oberflächenpunkten der Messkugel 300 bei Kenntnis des Messkugeldurchmessers das zu lösende Gleichungssystem überbestimmt wäre.
Beispielhaft wird angenommen, dass die in 3A gezeigte Winkelstellung der C-Achse bei Winkelstellung 0 Grad ist, d. h. C = 0 Grad. Da es sich lediglich beispielhaft um eine Drehachse handelt, die ggf. durchgehend drehen kann, wäre es unwichtig, ob die Winkelstellung als 0 Grad oder 360 Grad oder als positives oder negatives ganzzahliges Vielfaches von 360 Grad bezeichnet wird d. h. C = 0 Grad = 360 Grad.
Sollte der Drehtisch 130 jedoch als Schwenkachse mit z. B. einem Schwenkbereich von 0 Grad bis 360 Grad ausgebildet sein, wären die Positionen 0 Grad und 360 Grad zu unterscheiden, da jeweils nur im Uhrzeigersinn oder nur gegen den Uhrzeigersinn verfahren werden könnte. Hierbei würde jedoch bevorzugt ggf. ein anderes Drehtisch-Koordinatensystem gewählt, bei dem z. B. aus einer Winkelstellung 0 Grad in beide Richtungen bis zu +180 Grad und bis zu –180 Grad verschwenkt werden könnte.
Beispielhaft zeigen 3A bis 3C eine Drei-Punkt-Messung, bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 3A um 120 Grad zur Winkelstellung C = 120 Grad der C-Achse (d. h. in eine zweite Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der ersten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 3A) bei gleicher Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 3B, um dort erneut die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten, und bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 3B um weitere 120 Grad zur Winkelstellung C = 240 Grad der C-Achse (d. h. in eine dritte Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der zweiten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 3B) bei gleicher Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 3C, um dort erneut – ein drittes Mal entsprechend der Drei-Punkt-Messung – die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten.
Nach Ermitteln der drei Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 3A bis 3C kann auf Basis der drei Bezugspositionen der Messkugel 300 das Drehzentrum der Rotationsachse des Drehtisches 130 bzw. bei Kenntnis der Höhe der Messkugel 300 über dem Drehtisch 130 die Position des Drehtischmittelpunkts ermittelt bzw. trianguliert werden. Hierbei ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile der Drei-Punkt-Messung gegenüber der vorbekannten Zwei-Punkt-Messung.
Zudem kann eine erste Messebene ermittelt werden, die die Ebene beschreibt, in der alle drei ermittelten Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 3A bis 3C liegen.
Hierbei kann eine Ausrichtung der Rotationsachse der C-Achse bzw. des Drehtisches 130 (z. B. Tischachsvektor) ermittelt werden als eine auf die ermittelte erste Messebene senkrecht stehende Gerade bzw. als ein Normalenvektor der ersten Messebene.
Somit kann vorteilhaft bereits mit der Drei-Punkt-Messung gemäß 3A bis 3C sowohl eine genaue, effiziente und einfache Ermittlung des Drehzentrums als auch der Drehachsrichtung der C-Achse des Drehtisches 130 erfolgen.
Beispielhaft wird in 3A bis 3C jeweils die C-Achse um 120 Grad weitergetaktet von einer Messpunktposition zur nächsten Messpunktposition der drei Messpunktpositionen (beispielhaft entsprechend 360/N Grad mit N = 3), wobei auch andere Taktungen möglich sind.
Insbesondere müssen die jeweiligen Winkelabstände nicht gleich bzw. nicht regelmäßig sein. Sobald drei unterschiedliche Messpunkte nämlich an unterschiedlichen Winkelpositionen der ersten Rundachse bei gleicher Winkelstellung der zweiten Rundachse (Schwenkachse) gemessen werden, liegen diese in jedem Falle in einer Ebene (erste Messebene), so dass es möglich ist, nur genau einen Kreisbogen durch die drei Messpunkte zu legen, und daher das Drehzentrum eindeutig bestimmbar ist, als auch die senkrecht auf die bestimmbare Ebene (erste Messebene) stehende Ausrichtung der Rotationsachse der ersten Rundachse bestimmbar ist.
Weiterhin ist es möglich, in weiteren Ausführungsbeispielen eine Vier-Punkt-Messung oder eine N-Punkt-Messung mit N > 2 durchzuführen, wobei beispielhaft bevorzugt jedoch nicht zwingend erforderlich Winkelstellungen jeweils um 360/N Grad weitergetaktet werden können.
4A bis 4C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft schräg ausgerichteten zweiten Messebene.
In 3A bis 3C war die Winkelstellung der zweiten Rundachse beispielhaft horizontal ausgerichtet. Beispielhaft ist die Winkelstellung der der zweiten Rundachse in 4A bis 4C um beispielhaft 45 Grad weitergetaktet bzw. verschenkt bzw. rotatorisch verfahren, so dass eine zweite Messebene der 4A bis 4C bei 45 Grad zur ersten Messebene der 3A bis 3C ausgerichtet ist.
Beispielhaft zeigen 4A bis 4C somit eine weitere Drei-Punkt-Messung in einer zweiten Winkelstellung der zweiten Rundachse bei beispielhaft 45 Grad im Vergleich zu 3A bis 3C, bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 4A um 120 Grad zur Winkelstellung C = 120 Grad der C-Achse (d. h. in eine zweite Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der ersten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 4A) bei gleicher (zweiter) Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 4B, um dort erneut die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten, und bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 4B um weitere 120 Grad zur Winkelstellung C = 240 Grad der C-Achse (d. h. in eine dritte Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der zweiten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 3B) bei gleicher (zweiter) Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 4C, um dort erneut – ein drittes Mal entsprechend der Drei-Punkt-Messung – die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten.
Nach Ermitteln der drei Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 4A bis 4C kann auf Basis der drei Bezugspositionen der Messkugel 300, für die zweite Winkelstellung der zweiten Rundachse, das Drehzentrum der Rotationsachse des Drehtisches 130 bzw. bei Kenntnis der Höhe der Messkugel 300 über dem Drehtisch 130 die Position des Drehtischmittelpunkts ermittelt bzw. trianguliert werden. Hierbei ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile der Drei-Punkt-Messung gegenüber der vorbekannten Zwei-Punkt-Messung.
Zudem kann eine zweite Messebene für die zweite Winkelstellung der zweiten Rundachse ermittelt werden, die die Ebene beschreibt, in der alle drei ermittelten Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 4A bis 4C liegen.
Hierbei kann eine Ausrichtung der Rotationsachse der C-Achse bzw. des Drehtisches 130 (z. B. Tischachsvektor) ermittelt werden als eine auf die ermittelte zweite Messebene senkrecht stehende Gerade bzw. als ein Normalenvektor der zweiten Messebene.
Somit kann vorteilhaft bereits mit der Drei-Punkt-Messung gemäß 4A bis 4C sowohl eine genaue, effiziente und einfache Ermittlung des Drehzentrums als auch der Drehachsrichtung der C-Achse des Drehtisches 130 für die zweite Winkelstellung der zweiten Rundachse erfolgen.
Beispielhaft wird in 4A bis 4C jeweils die C-Achse um 120 Grad weitergetaktet von einer Messpunktposition zur nächsten Messpunktposition der drei Messpunktpositionen (beispielhaft entsprechend 360/N Grad mit N = 3), wobei wiederum auch andere Taktungen möglich sind. Weiterhin ist es wiederum möglich, in weiteren Ausführungsbeispielen eine Vier-Punkt-Messung oder eine N-Punkt-Messung mit N > 2 durchzuführen, wobei beispielhaft bevorzugt jedoch nicht zwingend erforderlich Winkelstellungen jeweils um 360/N Grad weitergetaktet werden können.
5A bis 5C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft vertikal ausgerichteten dritten Messebene.
Beispielhaft ist die Winkelstellung der der zweiten Rundachse in 5A bis 5C um beispielhaft weitere 45 Grad weitergetaktet bzw. verschenkt bzw. rotatorisch verfahren, so dass eine dritte Messebene der 5A bis 5C beispielhaft vertikal und insbesondere beispielhaft bei 45 Grad zur zweiten Messebene der 4A bis 4C bzw. beispielhaft bei 90 Grad zur ersten Messebene der 3A bis 3C ausgerichtet ist.
Beispielhaft zeigen 5A bis 5C somit eine weitere Drei-Punkt-Messung in einer dritten Winkelstellung der zweiten Rundachse bei beispielhaft 90 Grad im Vergleich zu 3A bis 3C, bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 5A um 120 Grad zur Winkelstellung C = 120 Grad der C-Achse (d. h. in eine zweite Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der ersten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 4A) bei gleicher (dritter) Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 5B, um dort erneut die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten, und bei der der Drehtisch 130 beispielhaft nach Vermessen der Messkugel 300 in 5B um weitere 120 Grad zur Winkelstellung C = 240 Grad der C-Achse (d. h. in eine dritte Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse, gegenüber der zweiten Winkelstellung der C-Achse bzw. der ersten Rundachse gemäß 5B) bei gleicher (dritter) Winkelstellung der B-Achse (zweite Rundachse) weitergedreht wird, siehe z. B. 5C, um dort erneut – ein drittes Mal entsprechend der Drei-Punkt-Messung – die Messkugel 300 mit der Messtasterspitze 210 der Messtastvorrichtung 200 zur Bestimmung der entsprechenden Bezugsposition der Messkugel 300, wie z. B. der Raumlage des Kugelmittelpunkts der Messkugel 300, abzutasten.
Nach Ermitteln der drei Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 5A bis 5C kann auf Basis der drei Bezugspositionen der Messkugel 300, für die dritte Winkelstellung der zweiten Rundachse, das Drehzentrum der Rotationsachse des Drehtisches 130 bzw. bei Kenntnis der Höhe der Messkugel 300 über dem Drehtisch 130 die Position des Drehtischmittelpunkts ermittelt bzw. trianguliert werden. Hierbei ergeben sich die bereits beschriebenen Vorteile der Drei-Punkt-Messung gegenüber der vorbekannten Zwei-Punkt-Messung.
Zudem kann eine dritte Messebene für die dritte Winkelstellung der zweiten Rundachse ermittelt werden, die die Ebene beschreibt, in der alle drei ermittelten Bezugspositionen der Messkugel 300 in den Winkelstellungen C = 0 Grad, C = 120 Grad und C = 240 Grad gemäß 5A bis 5C liegen.
Hierbei kann eine Ausrichtung der Rotationsachse der C-Achse bzw. des Drehtisches 130 (z. B. Tischachsvektor) ermittelt werden als eine auf die ermittelte dritte Messebene senkrecht stehende Gerade bzw. als ein Normalenvektor der dritten Messebene.
Somit kann vorteilhaft bereits mit der Drei-Punkt-Messung gemäß 5A bis 5C sowohl eine genaue, effiziente und einfache Ermittlung des Drehzentrums als auch der Drehachsrichtung der C-Achse des Drehtisches 130 für die dritte Winkelstellung der zweiten Rundachse erfolgen.
Beispielhaft wird in 5A bis 5C jeweils die C-Achse um 120 Grad weitergetaktet von einer Messpunktposition zur nächsten Messpunktposition der drei Messpunktpositionen (beispielhaft entsprechend 360/N Grad mit N = 3), wobei wiederum auch andere Taktungen möglich sind. Weiterhin ist es wiederum möglich, in weiteren Ausführungsbeispielen eine Vier-Punkt-Messung oder eine N-Punkt-Messung mit N > 2 durchzuführen, wobei beispielhaft bevorzugt jedoch nicht zwingend erforderlich Winkelstellungen jeweils um 360/N Grad weitergetaktet werden können.
Zudem kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass eine jeweilige Drehtischposition wie z. B. das Drehzentrum der ersten Rundachse bzw. ein Tischmittelpunkt des Drehtisches 130 in jeder Drei-Punkt-Messung der drei Winkelstellungen der zweiten Rundachse ermittelt wurde, die jeweils ein einer (vierten) Messebene liegen.
Durch Triangulation der drei Drehtischpositionen eine Drehzentrumsposition der zweiten Rundachse ermittelt werden kann und auf Basis der (vierten) Messebene die darauf senkrecht stehende Ausrichtung der Rotationsachse der zweiten Rundachse ermittelt werden kann. Diese kann dann im Vergleich mit den jeweilig ermittelten Ausrichtungen der Rotationsachse der ersten Rundachse dazu verwendet werden, einen Rechtwinkligkeitsfehler zwischen den ersten und zweiten Rundachsen zu ermitteln.
Folglich wird durch 3A bis 5C beispielhaft ein einfaches Verfahren vorgeschlagen, bei dem effizient, genau, einfach und kostengünstig Drehzentren und Ausrichtungen beider Rundachsen sowie ein etwaiger Rechtwinkligkeitsfehler bestimmbar ist.
Zusammenfassend können erfindungsgemäß möglichst einfache, kostengünstige, genaue, einfach durchführbare und mathematisch weniger komplizierte Vermessungsverfahren und/oder Positionsfehlerkorrekturverfahren zur Fehlerkompensation der Fehler der Achspositionen von Rund- und/oder Linearachsen an Werkzeugmaschinen mit vier, fünf oder gar mehr Antriebsachsen und teils komplexen Maschinenkinematiken bereitgestellt werden.
4. Zweites beispielhaftes Vermessungsverfahren
In einem separat bereitstellbaren Messverfahren oder in weiteren Ausführungsbeispielen auch als weiteres Teilverfahren der unter Punkt 3 genannten Ausführungsbeispiele kann das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden, um die Positions- und die Bahn-Abweichung zu ermitteln, die durch Veränderungen an der Maschine auftreten. Ursachen für solche Veränderungen kann z. B. der Einfluss eines Werkstückgewichts sein, insbesondere bei Werkstücken mit verhältnismäßig großem Gewicht.
Das Werkstückgewicht führt ggf. trotz der hohen, aber endlichen Steifigkeit der Maschine und ihrer Bauteile zu etwaigen elastischen Verformungen, insbesondere ggf. in Winkelstellungen der Rundachse(n), bei denen z. B. ein Drehtisch bzw. Maschinentisch, auf dem das Werkstück eingespannt ist, schräg oder gar vertikal ausgerichtet ist und einem potentiell großen Drehmoment aufgrund des Werkstückgewichts ausgesetzt ist.
Diese Verformungen verändern potentiell die Maße, die Geradheit und/oder die Winkligkeit der Maschinenbauteile und führen somit ebenfalls ggf. zu einer Veränderung der Maschinenkinematik.
Das kann am Beispiel eines zweiachsigen Maschinentisches erläutert werden, bei dem die Konsole – d. h. ein Schenkteil – durch den Einfluss des Werkstückgewichtes tordiert. Die Torsion und der Durchhang des Schwenkteils, sowie die Federung des Rundtisch-Lagers können zu einem Neigungsfehler des Werkstückes gegenüber den linearen Maschinenachsen führen, der in einem berechneten Beispiel bei ca. 20 μm liegt und somit durchaus über den Genauigkeitsanforderungen der Bearbeitung liegen kann.
Wird auf einer Maschine mit diesen gewichtsbedingten Positionierungsfehlern ein Werkstück gefertigt, entsteht potentiell ein Pyramidenstumpf. Dies ist beispielhaft in Bezug auf 7 erläutert. 7 illustriert beispielhaft schematisch einen möglichen Bearbeitungsfehler an einem Werkstück WS aufgrund der Gewichtskraft des Werkstücks WS.
Beispielhaft ist das Werkstück WS auf einem Drehtisch 130 der Werkzeugmaschine 100 eingespannt, der beispielhaft gemäß einer Winkelstellung der zweiten Rundachse bzw. beispielhaften Schwenkachse vertikal ausgerichtet ist, so dass aufgrund des Werkstückgewichts ein Drehmoment an dem Drehtisch 130 angreift, das dazu führen kann, dass die Rotationsachse der Rundachse des Drehtisches 130, die eigentlich theoretisch ideal gemäß Sollwert horizontal ausgerichtet sein sollte, leicht nach unten geneigt ist (dies führt auch dazu, dass die Rotationsachse des Werkstücks WS mit der Drehtischmittelachse nach unten geneigt ist.
An der Arbeitsspindel 170 ist beispielhaft ein Werkzeug WZ zur spanenden Bearbeitung des Werkstücks WS eingesetzt. Fährt nun die Spindel 170 mittels einer der horizontalen Achsen in einer horizontalen Ebene für eine Verfahrbewegung einer horizontal ausgerichteten Bearbeitungsbahn (gestrichelte Linie an Fuß des Werkzeugs WZ in 7) zum spanenden Abtragen von Material von dem Werkstück WS, so entsteht potentiell ein unerwünschter Kegelstumpf, wie er beispielhaft auf der rechten Seite der 7 dargestellt ist.
Werden die vorstehend beschriebenen Messungen der Lage des Drehzentrums und der Drehachse des Maschinentisches relativ zu den Maschinenachsen also nicht nur ohne sondern auch mit Werkstückgewicht durchgeführt, so zeigt die Differenz der gemessenen Abweichungen vorteilhaft die Fehler der Maschinenkinematik auf, die durch das Werkstückgewicht entstehen.
Da die Verformungen der Maschinenbauteile, auf die diese Kinematik-Veränderungen zurückzuführen sind, durch elastische Verformungen der Maschinen-Bauteile entstehen, können die dadurch bedingten Abweichungen auf das Werkstückgewicht bezogen werden und vorteilhaft zu einer werkstückgewichtsabhängigen Korrektur der durch das Werkstückgewicht bedingten Fehler der Maschinenkinematik verwendet werden.
Neben dem Werkstückgewicht können solche Verformungen z. B. auch durch die Zerspankräfte, oder durch die Erwärmung der Maschine auftreten. Dabei können die dadurch bedingten Abweichungen auf die einwirkenden Spankräfte bezogen werden und vorteilhaft zu einer Spankraftabhängigen Korrektur der durch das Werkstückgewicht bedingten Fehler der Maschinenkinematik verwendet werden.
Vereinfacht ausgedrückt kann eine Vergleichs-Messung mit einem Testwerkstück (bzw. Testgewichtsstücks) z. B. an einem schräg oder vertikal ausgerichteten Maschinentisch/Drehtisch einerseits Positionsfehler bei Bearbeitung eines Werkstücks mit dem gleichen bzw. ähnlichen Gewicht des Testwerkstücks an dem schräg oder vertikal ausgerichteten Maschinentisch/Drehtisch ermitteln bzw. zu deren Kompensation für die Berechnung von Korrekturwerten bzw. Änderungen der Maschinenkinematik-Beschreibung angewendet werden, und andererseits kann die Vergleichs-Messung mit dem Testwerkstück (bzw. Testgewichtsstücks) z. B. an dem schräg oder vertikal ausgerichteten Maschinentisch/Drehtisch Positionsfehler bei Bearbeitung eines vergleichsweise leichten Werkstücks an dem schräg oder vertikal ausgerichteten Maschinentisch/Drehtisch, wobei Zerspanungskräfte entstehen, die ein Drehmoment analog zu dem durch die Gewichtskraft des Testwerkstücks entstehenden Drehmoments ausüben, ermitteln bzw. zu deren Kompensation für die Berechnung von Korrekturwerten bzw. Änderungen der Maschinenkinematik-Beschreibung angewendet werden.
Ein Grundgedanke des beispielhaften dritten Verfahrens bzw. Teilverfahrens gemäß Ausführungsbeispielen ist es nun, diese Verformungen mit dem oben beschriebenen Verfahren in Abhängigkeit von den auslösenden Parametern – also Gewichtskraft, Kraft und/oder Temperatur – zu messen und zu Generierung von Korrekturwerten zu verwenden, die in der Maschinenkinematik hinterlegt werden, oder die durch die Steuerung der Maschine benutzt werden, um Korrekturbewegungen zu berechnen.
In beiden Fällen ist es das Ziel, die Verformungen durch Ausgleichsbewegungen der Maschinenachsen zu korrigieren und so die Maßhaltigkeit des Werkstückes zu verbessern, Ein beispielhaftes Messverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 8A bis 10C beschrieben. Dies betrifft beispielhaft ein Drei-Punkt-Messverfahren jeweils an beispielhaft drei Winkelstellungen der zweiten Rundachse bzw. beispielhaft in diesem Ausführungsbeispiel an drei Winkelstellungen der Schwenkachse.
8A bis 8C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft horizontal ausgerichteten ersten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück TG; 9A bis 9C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft schräg ausgerichteten zweiten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück TG; und 10A bis 10C zeigen schematisch eine beispielhafte Drei-Punkt-Messung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer beispielhaft vertikal ausgerichteten dritten Messebene mit eingespanntem Testgewichtstück TG.
Hierbei sind die Verfahrensschritte analog zu den Beschreibungen der 3A bis 5C, nur mit dem Unterschied, dass in 8A bis 10C beispielhaft ein Testwerkstück bzw. Testgewichtstück TG mit bevorzugt bekanntem Gewicht auf dem Drehtisch 130 eingespannt ist.
5. Beispielhafte Aspekte gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die untenstehenden Aspekte sind zu weiteren Verfahren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen jeweils kombinierbar.
Gemäß einer ersten beispielhaften Ausgestaltung kann ein Verfahren zur Bestimmung des Mittelpunktes und der Rotationsachse einer Rundachse einer Werkzeugmaschine, insbesondere Werkzeugmaschine mit zumindest einer und bevorzugt zumindest zwei Rundachsen, bestimmt werden.
Beispielhaft können mehr als zwei und mindestens drei – bevorzugt gleichmäßig am Umfang der Rundachse verteilt angeordnete und somit z. B. um jeweils 120° versetzte – Messpunkte durch Drehung der Rundachse aufgenommen werden (d. h. zumindest Drei-Punkt-Messung oder N-Punkt-Messung mit N > 2), deren Koordinaten zur Bestimmung des Drehmittelpunktes der Rundachse, zur Bestimmung der Rechtwinkligkeit der zur Vermessung bewegten Maschinenachsen und/oder zur Berechnung der Rotationsachse der Maschinen-Rundachse verwandt werden.
Beispielhaft können die ermittelten Fehler genutzt werden, um die Beschreibung der Maschinenkinematik in der Maschinensteuerung zu verändern, so dass die aus den Messwerten ermittelten Fehler durch die Korrekturen in der Maschinenkinematik-Beschreibung und durch entsprechende Zusatzbewegungen, die die Maschinensteuerung berechnet und ausführt, korrigiert werden können.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung kann ein Verfahren zur Vermessung und Korrektur der Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Werkzeugmaschine bereitgestellt werden.
Beispielhaft kann die Lage des Drehzentrums und der Rotationsachse der Drehachse bzw. des drehbaren Maschinentisches (Drehtisch 130) durch das Antasten von mindestens drei um einen Winkel versetzten Messpunkten mit Hilfe eines in der Spindel befestigten Mess-Tasters für einer oder mehrere und bevorzugt für mindestens zwei Positionen der Schwenkachse der Maschine vermessen werden.
Beispielhaft können die Abweichungen der so gemessenen Lagen von Drehzentrum und Rotationsachse zu den Soll-Positionen, die der Maschinentisch entsprechend der in der Maschinensteuerung hinterlegten Kinematik-Beschreibung eingenommen hätte, genutzt werden, um Korrekturwerte in der Maschinensteuerung zu hinterlegen und den Verfahrbefehlen der Maschine in allen Maschinenachsen – z. B. auch den Rundachsen – zu überlagern, um so eine größere Positioniergenauigkeit zwischen Maschinentisch und Maschinenspindel zu erreichen.
Beispielhaft kann ein Verfahren zur Vermessung und/oder Korrektur der Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, das die reale Raumlage des Drehzentrums und/oder der Drehachse des Drehtisches/Maschinentisches z. B. durch das Antasten von mindestens drei um einen Winkel versetzten Messpunkten (z. B. mit Hilfe eines in der Spindel befestigten Mess-Tasters) für mindestens zwei bzw. bevorzugt drei Positionen der Schwenkachse der Maschine vermisst, und/oder die Abweichungen der so gemessenen Raumlagen von Drehzentrum und/oder Drehachse zu den Soll-Positionen, die der Drehtisch/Maschinentisch entsprechend der in der Maschinensteuerung hinterlegten Kinematik-Beschreibung hätte einnehmen sollen (Sollpositionen), dazu verwendet, die in der Maschinensteuerung hinterlegte Kinematik-Beschreibung um die gemessenen Abweichungen zu verändern und/oder zu korrigieren, bevorzugt um somit eine größere Positioniergenauigkeit zwischen Maschinentisch und Maschinenspindel erreichen zu können.
Beispielhaft kann ein Verfahren zur Vermessung und/oder Korrektur der Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, bei dem die reale Raumlage des Drehzentrums und/oder der Drehachse des Drehtisches/Maschinentisches nicht nur für zwei Stellungen der Schwenkachse vermessen wird, sondern für mehrere in einem kleineren Winkelschritt auseinanderliegende Stellungen der Schwenkachse über den gesamten Schwenkbereich der Schwenkachse, und die Abweichungen der so gemessenen Lagen von Drehzentrum und/oder Drehachse zu den Soll-Positionen, die der Drehtisch/Maschinentisch entsprechend der in der Maschinensteuerung hinterlegten Kinematik-Beschreibung hätte einnehmen sollen, genutzt werden kann, um über den gesamten Schwenkbereich Korrekturwerte in der Maschinensteuerung zu hinterlegen, die in Abhängigkeit von der Schwenkstellung den Verfahrbefehlen der Maschine in einer, mehrere oder aller Achsen – z. B. Linear- und/oder Rundachsen – überlagert werden und so für den gesamten Schwenkbereich der Schwenkachse eine Verbesserung der Positioniergenauigkeit zwischen Maschinentisch und Maschinenspindel erreichen können.
Beispielhaft kann ein Verfahren zur Vermessung und/oder Korrektur der Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, wobei für eine Maschinenkinematik, bei der sich die Drehachse auf der Schwenkachse befindet (z. B. gemäß 1 oder 2), Kompensationswerte für Schwenk- und Drehachse bestimmt werden, die sicherstellen, dass die Tisch-Ebene der Drehachse in allen Raumpositionen den Schwenkwinkel einnimmt, den sie laut Positionierbefehl der Maschine haben sollte (Soll-Ausrichtung und Ist-Ausrichtung des Tischachsvektors).
Beispielhaft kann ein Verfahren zur Vermessung und/oder Korrektur der Maschinenkinematik einer fünf-achsigen Werkzeugmaschine bereitgestellt werden, wobei mehrere oder alle Mess- und Rechen-Schritte jeweils mit und ohne Werkstück-Gewicht bzw. Testgewichtstück durchgeführt werden, und die Differenz der Positions-Abweichungen mit und ohne Werkstück-Gewicht bzw. Testgewichtstück verwendet wird, auf das Werkstück-Gewicht bzw. Testgewichtstück bezogene Korrekturwerte in Abhängigkeit des Gewichts für die Bewegung der Maschinenachsen zu bestimmen, mit deren Hilfe die etwaigen Verformungen korrigiert werden können, die durch das Werkstückgewicht an den Maschinebauteilen entstehen und die die Maschinenkinematik wiederum verändern.
6. Berechnungsgrundlagen
Ein Verfahren gemäß einigen Ausführungsbeispielen beruht bevorzugt auf dem Vergleich eines gemessenen IST-Vektors mit einem SOLL-Vektor gemäß Kinematik-Beschreibung in der Maschinensteuerung.
Dabei können Rotationsmatrizen Anwendung finden. Die Rotation eines Vektors um die Hauptachsen eines Koordinatensystems kann folgendermaßen beschrieben werden:
Eine Drehung um die auf die Länge 1 normierte Achse (z. B. um einen zur Achse parallel ausgerichteten Einheitsvektor)
um den Winkel φ im Raum kann man beschreiben durch:
Beschreibung eines beispielhaften Verfahrens
Die Berechnung der SOLL-Bewegung und der Korrekturwerte durch einen SOLL-IST-Vergleich kann in Ausführungsbeispielen von der jeweiligen Kinematik der zu vermessenden Maschine abhängig sein, und ist ggf. an die jeweilige Kinematik anzupassen.
Der weitere Berechnungsweg gemäß einer Beispielrechnung ist beispielhaft für eine Maschine mit einer Kinematik mit einem auf einem Schwenktisch 120 (B-Achse) drehbar gelagerten Drehtisch 130 (C-Achse) z. B. entsprechend der Werkzeugmaschine gemäß 2 beschrieben, wobei die beispielhafte Maschine gemäß 1 analog gerechnet werden kann.
11 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung eines Teils einer Maschinenkinematik-Beschreibung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Kinematik der Maschine wird beispielhaft in der Steuerung beschrieben durch den Vektor vom Achs-Nullpunkt (0,0,0) der Maschine zum Tischmittelpunkt des Drehtisches 130 bei B = 0 Grad (d. h. mit horizontal ausgerichtetem Drehtisch 130 bzw. vertikal ausgerichteter Rotationsachse der C-Achse):
der in 11 beispielhaft als v1 bezeichnet ist, und weiterhin durch den Vektor von der Tischmitte zum Achskreuzpunkt von B-(Schwenk-)-Achse und C-(Dreh-)-Achse:
der in 11 beispielhaft als v2 bezeichnet ist, und weiterhin durch die beiden Winkel (6) und _Konsole,z und _Konsole,x' die in 11 beispielhaft als a1 und a2 bezeichnet sind, und die beispielhaft die Neigung der Rotationsachse der B-Achse um die Richtungen der Achsen X und Z des Maschinenkoordinatensystems beschreiben. Der Begriff „Konsole” ist hierbei eine beispielhafte Bezeichnung für ein Schwenkteil bzw. einen Schwenktisch der Werkzeugmaschine.
Gemäß der beispielhaften Stellung des Drehtisches 130 in 11 ist der Tischachsvektor v2 (bzw. Vektor in Richtung der Rotationsachse der C-Achse) axial zu dem Vektor v2 (
bei B = 0). Wird der Drehtisch 130 um die Rotationsachse der B-Achse (Schwenkachse) verschwenkt, schwenkt dieser Vektor v2 mit, da er von der Tischmitte zum Achskreuzpunkt von B-(Schwenk-)-Achse und C-(Dreh-)-Achse ausgerichtet bleibt.
Die Änderung des Vektors v2 bei Verschwenken des Tisches kann auf Basis der Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung und dem Schwenkwinkel (Sollwert) der C-Achse als Soll-Tischachsvektor berechnet werden und mit einem aus der Vermessung berechneten Tischachsvektor (Ist-Tischachsvektor) verglichen werden, wodurch ein oder mehrere Korrekturwerte für die Maschinensteuerung berechnet werden können, unter der Maßgabe dass Soll- und Ist-Tischachsvektor zum gleichen Wert berechnet werden (bzw. die Differenz einen voreingestellten Grenzwert nicht überschreitet).
Ebenso ändert sich die Position der Tischmitte bei Verschwenken des Drehtisches 130, so dass sich Richtung und Größe des Vektors v1 bezüglich dem in der Kinematik-Beschreibung hinterlegten Vektor
verändern.
Die Änderung des Vektors v1 bei Verschwenken des Tisches (und/oder bei linearen Verfahren mit einer oder mehrerer der Linearachsen) kann auf Basis der Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung und dem Schwenkwinkel (Sollwert) der C-Achse (sowie ggf. den Achspositionen der Linearachsen) als Soll-Tischmittelpunktvektor berechnet werden und mit einem aus der Vermessung berechneten Tischmittelpunktvektor (Ist-Tischmittelpunktvektor) verglichen werden, wodurch ein oder mehrere Korrekturwerte für die Maschinensteuerung berechnet werden können, unter der Maßgabe dass Soll- und Ist-Tischmittelpunktvektor zum gleichen Wert berechnet werden (bzw. die Differenz einen voreingestellten Grenzwert nicht überschreitet).
In dem Beispiel gemäß 1 sind beispielhaft a1 = 90 Grad und beispielhaft a2 = 0, und in dem Beispiel gemäß 2 sind beispielhaft a1 = a2 mit beispielhaft a1 = a2 = 45 Grad.
Bevorzugt sind die Koordinaten bzw. Bezugsparameter (wie z. B. die vorstehend beschriebenen Bezugsparameter
_Konsole,z und _Konsole,x) in Ausführungsbeispielen in der Maschinenkinematik-Beschreibung im Maschinenkoordinatensystem in Bezug auf einen Maschinennullpunkt mit zu den Linearachsen X, Y und Z parallel ausgerichteten Koordinatenachsen angegeben. Jedoch ist es möglich auch andere Bezugskoordinatensysteme zu wählen, wobei eine andere bzw. weitere dreidimensionale Koordinatentransformation durchgeführt werden könnte.
Da das Werkstück in der Bearbeitung auf dem Drehtisch 130 eingespannt werden kann, müsste für die Umrechnung/Transformation zwischen Werkstückkoordinatensystem und Maschinenkoordinatensystem lediglich ein Vektor von dem Mittelpunkt des Maschinentisches zum Werkstück-Nullpunkt angegeben werden und eine Werkstückorientierung durch einen Ausrichtungsvektor bei rotationssymmetrischen Werkstücken und zwei Ausrichtvektoren bei nicht rotationssymmetrischen Werkstücken in Bezug auf den Tischachsvektor angegeben werden.
Dies hat den Vorteil, dass die Raumlage und Orientierung eines eingespannten Werkstücks nicht in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem vermessen bzw. angegeben werden muss, sondern einfach in Bezug auf den Drehtisch/Maschinentisch bzw. ein relatives Koordinatensystem des Drehtisches/Maschinentisches angegeben werden kann. NC Daten, NC-Programme, NC-Teilprogramme bzw. numerische Bearbeitungsdaten für die Werkstückbearbeitung können dann im Werkstückkoordinatensystem angegeben sein, wobei die Maschinensteuerung Werte des Werkstückkoordinatensystems bzw. in den Bearbeitungsdaten angegebene Werkstückbezugsparameter auf Basis der Koordinatendaten des Werkstücks im Drehtischkoordinatensystem und der in der Kinematik-Beschreibung hinterlegten Bezugsparameter in das Maschinenkoordinatensystem transformiert. Die Korrektur der in der Kinematik-Beschreibung hinterlegten Bezugsparameter in Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht somit eine genauere Bearbeitung des Werkstücks, da die Genauigkeit der Koordinatensystem-Transformationen der Maschinensteuerung genauer ausgeführt werden können Allgemeine Kinematik-Korrektur
Mit einem Verfahren gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Abweichungen zwischen SOLL-Position und IST-Position einer, mehrerer oder aller Maschinenachsen gemessen und/oder korrigiert werden.
Da die gemessenen Kinematikfehler ggf. machinenindividuell sind, ist es bevorzugt, dass das Verfahren an jeder einzelnen Maschine bzw. jedem Maschinentyp durchgeführt werden kann, deren/dessen Kinematik verbessert werden soll. Hierbei ist es denkbar, eine Kalibration der Werkzeugmaschine nach Herstellung und/oder wiederholt bei Nachkalibrations- bzw. Wartungsarbeiten durchzuführen.
Ebenso ist es denkbar, dass ein Kalibrationsverfahrenszyklus an der Steuerung der Werkzeugmaschine hinterlegt ist, die es einem Bediener ermöglicht, eine Kalibration bzw. Werkzeugmaschinenvermessung durch die Maschinensteuerung bei Bedarf oder nach Wunsch automatisch durchführen zu lassen.
Berechnung von IST-Tischachsenvektor und IST-Tischmittelpunkt:
Durch Takten der Drehachse um jeweils beispielhaft 120 Grad (bei beispielhaft drei Positionsmessungen pro Messebene) werden für eine Stellung der Schwenkachse jeweils drei Punkte
gemessen.
Der Drehmittelpunkt (= Tischmitte) des Drehtisches 130 wird dann mit:
bestimmt.
Der Normalenvektor auf der gemessenen Ebene (Messebene) berechnet sich nach:
Der Vektor wird dann ggf. zu einem Einheitsvektor umgerechnet.
Durch Anwendung dieser Rechenoperation kann für jede Schwenkachsenstellung des Schwenktisches ein Einheitsnormalenvektor (d. h. der IST-Tischachsenvektor) bestimmt werden.
Der IST-Tischmittelpunkt des Drehtisches 130 kann aus den Messwerten mit Hilfe der bekannten Höhe der Messebene über der Tischplatte berechnet werden – diese Höhe ergibt sich z. B. aus der Summe von Messtasterlänge und Messkugelhöhe:
Darin ist
die allgemeine Rotationsmatrix um die B-Achse der Maschine um den Winkel b.
Der Vektor der B-Achse
ist beispielhaft ebenfalls aus der Kinematik der Maschine bekannt, wo er mit Hilfe der Winkel _Konsole,z und _Konsole,x beschrieben wird.
Berechnung von SOLL-Tischachsenvektor und SOLL-Tischmittelpunkt:
Der theoretisch ideale Normalenvektor bzw. SOLL-Tischachsenvektor
kann durch die Transformation des idealen Einheitsvektors
um die Schwenkachse des Schwenktisches 120 mit dem bekannten Schwenkwinkel b berechnet werden.
Es gilt somit beispielhaft:
Der SOLL-Tischmittelpunkt kann wiederum mit Hilfe der Kinematik-Beschreibung der Maschine bestimmt werden:
Darin sind
beispielhaft die aus der Kinematik-Beschreibung entnommenen Koordinaten der Tischmmitte bei B = 0 Grad und
der Vektor von der Tischmitte zum Achskreuzpunkt, siehe 11: Vektoren v1 und v2. Diese Werte sind beispielhaft in der Kinematik-Beschreibung der Maschine vorhanden.
Berechnung der Winkelabweichungen zwischen IST- und SOLL-Tischachsenvektor
Die Winkelabweichungen zwischen dem IST- und dem SOLL-Tischachsenvektor im Spindel-Koordinatensystem kann folgendermaßen bestimmt werden:
Berechnung der Positionsabweichungen zwischen IST- und SOLL-Tischachsenvektor
Die Positionsdifferenz im Spindel-Koordinatensystem ergibt sich beispielhaft durch:
Somit sind IST- und SOLL-Tischachse und -Tischmittelpunkt und die Abweichungen zwischen beiden in allen sechs Freiheitsgraden beispielhaft bekannt.
Berechnung der Werte zur Korrektur der Maschinenkinematik
Die beiden Differenzvektoren, die die Fehler zwischen SOLL- und IST-Kinematik enthalten, können entsprechend der Kinematik-Transformation der Maschine in die einzelnen Achsen transformiert werden, um z. B. im lokalen Koordinatensystem der jeweiligen Achse die erforderliche Korrekturbewegung bestimmen zu können. Das gilt beispielhaft insbesondere für die Korrektur der Rundachsen.
Zunächst kann die Winkelabweichung in das Koordinatensystem der B-Achse transformiert werden:
Die Winkelabweichung β_B entspricht beispielhaft direkt der erforderlichen Winkelkorrektur um die B-Achse.
Die Korrekturbewegung der B- bzw. Schwenkachse verursacht ggf. beispielhaft eine Verdrehung der auf ihr befindlichen C- bzw. Drehachse. Diese kann als unbeabsichtigte Folge der Korrekturbewegung um B zurückgenommen werden. Sie kann z. B. berechnet werden, indem der IST-Tischachsenvektor um den Korrekturwert um B verschoben wird.
Ebenso kann der SOLL-Tischachsenvektor in dieses Koordinatensystem verschoben werden.
Die Winkeldifferenz zwischen beiden Vektoren
enthält in der Form von γ_Konsol den potentiellen Korrekturwert für die C- bzw. Dreh-Achse der Maschine.
Die Korrekturbewegung der B-Achse verursacht ggf. ebenfalls eine Schiefstellung der Rundachse gegenüber der Spindel. Diese kann sich dem ursprünglich vorhandenen Fehler der Drehachse überlagern. Dieser Fehler kann berechnet werden, indem der Tisch-Achsenvektor im Spindelkoordinatensystem um β_B verdreht wird.
Nun kann die Verdrehung zwischen dem um β_B korrigierten Tischachsenvektor berechnet werden:
Der Winkel γ_{Korr_B} entspricht beispielhaft dem Winkel, um den die Tischplatte des Drehtisches 130 durch den original vorhandenen Fehler und die Korrekturdrehung um B gegenüber dem Spindel-Koordinatensystem um die Z-Achse verdreht ist/sein kann.
Dieser Wert kann als virtuelle Drehung um die Spindelachse auf das Koordinatensystem der Spindel aufgeprägt werden, und kann so korrigiert werden.
Die Korrektur bzw. Korrekturen in X, Y bzw. Z besteht/bestehen ggf. zum einen aus dem ursprünglich vorhandenen Fehler, der durch den Vektor ausgedrückt wird. Zum anderen entsteht ggf. durch die Korrekturbewegung der B-Achse eine Verschiebung der Tischmitte in X, Y bzw. Z, die ebenfalls korrigiert werden kann.
Diese Verschiebung kann z. B. berechnet werden, indem die Korrektur-B-Drehung dem Tischmittelpunkt aufgeprägt wird:
Die Gesamtkorrektur ergibt sich somit beispielhaft zu:
Korrektur der durch die Gewichtskraft verursachten Fehler
Die Gewichtskraft eines Werkstückes kann in der Maschinenstruktur Federungen und Verbiegungen bzw. Schrägstellungen verursachen. Diese Effekte stellen ggf. ebenfalls eine Quelle für Abweichungen der IST-Kinematik zu der SOLL-Kinematik dar, weil sich die Lage der Maschinenachsen zueinander verändern bzw. verändern kann.
Da die mechanischen Steifigkeiten der Maschinen innerhalb enger Toleranzen vergleichbar sind, sind die auch die Gewichtskrafteffekte an unterschiedlichen Maschinen gleichen Typs durch die jeweils gleiche Gewichtskraft vergleichbar.
Somit ist die gewichtsabhängige Kinematik-Korrektur nicht maschinenindividuell, sondern kann im Sinne einer Kalibriermessung an einer Maschine eines Typs durchgeführt werden, z. B. während der Entwicklungsphase der Maschine oder am Anfang der Serienproduktion. Ihre Ergebnisse können dann auf alle Maschinen dieses Typs angewandt werden und ggf. standardmäßig in der Maschinensteuerung hinterlegt werden.
Zum Beispiel ist es denkbar, dass Korrekturwerte als Funktionen oder Interpolationsdaten in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts hinterlegt werden, so dass später bei der Bearbeitung an der Maschinen lediglich das Gewicht des Werkstücks gemessen oder anderweitig eingegeben werden kann, so dass die gewichtsabhängige Korrektur automatisch auf Grundlage der Werkstückgewicht-Informationseingabe an der Steuerung durchgeführt werden kann.
Messung des IST-Tischachsenvektors und des IST-Tischmittelpunktes ohne Gewichtsbelastung
Durch Takten der Drehachse des Drehtisches um z. B. jeweils 120° (beispielhaft bei drei Positionsmessungen) werden für eine Stellung der Schwenkachse des Schwenktisches 120 jeweils drei Punkte
gemessen.
Der Drehmittelpunkt (= Tischmitte) des Drehtisches 130 wird dann mit:
bestimmt.
Der Normalenvektor (= Tisch-Achsenvektor) auf der gemessenen Ebene berechnet sich nach:
Der Vektor wird dann zu einem Einheitsvektor umgerechnet. Durch Anwendung dieser Rechenoperation wird für jede Schwenkachsenstellung ein Einheitsnormalenvektor – der IST-Tischachsenvektor – bestimmt.
Der IST-Tischmittelpunkt wird aus den Messwerten mit Hilfe der bekannten Höhe der Messebene über der Tischplatte berechnet – diese Höhe ergibt sich aus der Summe von Messtasterlänge und Messkugelhöhe:
Dies entspricht den Berechnungen gemäß (8), (9) und (10) eines beispielhaften Verfahrens gemäß der vorstehenden Beispielrechnung weiter oben (siehe z. B. 3A bis 5C).
Messung des SOLL-Tischachsenvektors und des SOLL-Tischmittelpunktes mit Gewichtsbelastung
Die Messungen gemäß (25), (26) und (27) können mit Gewicht (z. B. mit auf dem Drehtisch eingespanntem Testgewichtsstück TG) wiederholt werden:
Dies entspricht den Berechnungen gemäß (8), (9) und (10) eines beispielhaften Verfahrens gemäß der vorstehenden Beispielrechnung weiter oben, jedoch bei auf dem Drehtisch 130 eingespannten Werkstück bzw. eingespannten Testgewichtsstück TG (siehe z. B. 8A bis 10C).
Berechnung der Korrekturbewegungen
Die Korrekturbewegungen der Maschinenachsen können analog zur allgemeinen Kinematik-Korrektur berechnet werden. Allerdings können in bevorzugten Ausführungsbeispielen anstelle der Soll-Vektoren jeweils die Vektoren ohne Gewicht verwendet werden.
7. Steuerungsvorrichtung
12 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung einer Steuerungsvorrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Diese kann z. B. in Verbindung einer Werkzeugmaschine z. B. gemäß 1 bzw. 2 oder einer Werkzeugmaschine mit bevorzugt zumindest zwei Rundachsen bereitgestellt werden.
Beispielhaft kann die Steuerungsvorrichtung 400 dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der vorstehend beschriebenen beispielhaften Aspekte zu steuern oder an der Werkzeugmaschine durchzuführen.
Beispielhaft umfasst die Steuerungsvorrichtung 400 eine Schnittstelle 410 zur Werkzeugmaschine; eine Speichereinrichtung 420 zum Speichern von Bearbeitungsdaten (z. B. NC Programme oder NC-Teilprogramme und/oder Zyklusprogramme für vorstehende Vermessungs- bzw. Korrekturverfahren), von einer Maschinen-Kinematik bzw. von eine Maschinen-Kinematik angebenden Maschinendaten der Werkzeugmaschine und/oder Werkstückgewicht-Maschinendaten, die Korrekturwerte für die Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts angeben; eine Datenverarbeitungseinrichtung 430 einer numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine zum Steuern der Werkzeugmaschine auf Basis von numerischen Bearbeitungsdaten und der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine und zum Transformieren von Koordinatendaten zwischen einem relativen Koordinatensystem und einem Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmaschine auf Basis der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine; und beispielhaft in 12 auch eine Eingabeeinheit 440 (z. B. Tastatur, Computer-Maus, Steuerknöpfe bzw. Drehknöpfe und/oder Touch-Bildschirm, die es einem Bediener ermöglicht, ein Werkstückgewicht eines zu bearbeitenden Werkstücks einzugeben; wobei die Datenverarbeitungseinrichtung 430 bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Maschinen-Kinematik bzw. die die Maschinen-Kinematik angebenden Maschinendaten zur Bearbeitung des Werkstücks an der Werkzeugmaschine 100 mittels Korrekturwerten der Maschinen-Kinematik auf Basis des eingegebenen Werkstückgewichts anzupassen.
Zusammenfassend können erfindungsgemäß möglichst einfache, kostengünstige, genaue, einfach durchführbare und mathematisch weniger komplizierte Vermessungsverfahren und/oder Positionsfehlerkorrekturverfahren zur Fehlerkompensation der Fehler der Achspositionen von Rund- und/oder Linearachsen an Werkzeugmaschinen mit vier, fünf oder gar mehr Antriebsachsen und teils komplexen Maschinenkinematiken bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Werkzeugmaschine
110: Maschinenbett
120: Schwenktisch
130: Drehtisch
140: erster Achsschlitten
150: zweiter Achsschlitten
160: dritter Achsschlitten
170: Arbeitsspindel
180: Werkzeugmagazin
190: Werkzeugwechselvorrichtung
200: Messvorrichtung
210: Messtastkopf
300: Testobjekt (Testkugel/Messkugel)
400: Steuerungsvorrichtung
410: Schnittstelle
420: Speichereinrichtung
430: Datenverarbeitungseinrichtung
440: Eingabeeinheit
WS: Werkstück
WZ: Werkzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010064271 A1 [0004]
EP 1696289 A1 [0005, 0006, 0009, 0009, 0011, 0024, 0057, 0058, 0111, 0113, 0114, 0114, 0115, 0117, 0122]
DE 102010038783 A1 [0005, 0006, 0012, 0014, 0015, 0024]
EP 1696289 [0120]

Claims

Verfahren zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist, wobei das Verfahren umfasst: – Positionieren eines Messobjekts auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse, – Ermitteln einer jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse, – Bestimmen eines oder mehrerer Koordinatenbezugsparameter der ersten Rundachse in der Messebene entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse auf Basis der ermittelten Raumlage-Positionen des Messobjekts.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet, durch – Anpassen von an der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine hinterlegten Maschinendaten, die eine Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine angeben, auf Grundlage der bestimmten Koordinatenbezugsparameter, und/oder – Berechnen von Korrekturwerten für Bezugsparameter, insbesondere Achspositionen, der Werkzeugmaschine zur Anpassung der Bezugsparameter, insbesondere Achspositionen, bei Verarbeitung von numerischen Bearbeitungsdaten für das Steuern der Werkzeugmaschine durch die numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine auf Basis der numerischen Bearbeitungsdaten.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassen der Maschinendaten der Kinematik-Beschreibung der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine bzw. die Berechnung von Korrekturwerten für Bezugsparameter der Werkzeugmaschine auf Basis eines Soll-Ist-Vergleichs der Raumlage-Positionen des Messobjekts oder daraus berechneter Maschinenkoordinatenparameter ausgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ist-Vergleich für jede der zumindest einen Messebenen einen Vergleich einer Ist-Ausrichtung der jeweiligen Messebene mit einer Soll-Ausrichtung der jeweiligen Messebene der entsprechenden Winkelstellung der zweiten Rundachse oder einen Vergleich einer Ist-Ausrichtung der Rotationsachse der ersten Rundachse mit einer Soll-Ausrichtung der Rotationsachse der ersten Rundachse in Bezug auf die entsprechende Winkelstellung der zweiten Rundachse umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Ist-Vergleich für jede der zumindest einen Messebenen einen Vergleich einer Ist-Position eines Drehmittelpunkts der ersten Rundachse mit einer Soll-Position des Drehmittelpunkts der ersten Rundachse in einem Maschinenkoordinatensystem umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf Grundlage der angepassten Maschinendaten bzw. berechneten Korrekturwerte wiederholt wird, bis Abweichungen von jeweiligen Soll- und Istwerten des Soll-Ist-Vergleichs verschwinden oder zumindest einen vorgegebenen Grenzwert unterschreiten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinendaten der Kinematik-Beschreibung der Werkzeugmaschine dazu geeignet sind, als Grundlage für kinematische Transformationen zwischen einem Werkstückkoordinatensystem und einem Maschinenkoordinatensystem durch die numerische Steuerung der Werkzeugmaschine verwendet zu werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Koordinatenbezugsparameter einen Drehmittelpunkt der ersten Rundachse entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse und/oder eine Ausrichtung der ersten Rundachse entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in genau drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse gemäß einer Drei-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden; oder die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in genau vier unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse gemäß einer Vier-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messebene senkrecht zu einer Spindelachse einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder horizontal, parallel zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder vertikal, oder schräg zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine und/oder bei einem Winkel größer 0 Grad und kleiner 90 Grad, insbesondere größer oder gleich 30 Grad und kleiner oder gleich 60 Grad, zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest drei unterschiedliche Messebenen entsprechend zumindest drei unterschiedlicher Winkelstellungen der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen senkrecht zu einer Spindelachse einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet ist, eine zweite Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen schräg zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet ist, und eine dritte Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen parallel zu der Spindelachse der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen horizontal ausgerichtet ist, eine zweite Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen bei einem Winkel größer 0 Grad und kleiner 90 Grad, insbesondere größer oder gleich 30 Grad und kleiner oder gleich 60 Grad, zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist, und eine dritte Messebene der zumindest drei unterschiedlichen Messebenen vertikal ausgerichtet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmten Koordinatenbezugsparameter Winkelfehler zischen Ausrichtungen von Maschinenachsen der Werkzeugmaschine umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Raumlage-Positionen des Messobjekts in N unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse mit N > 2 gemäß einer N-Punkt-Messung in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse ermittelt werden, wobei die jeweiligen Winkelstellungen der ersten Rundachse jeweils einen Winkelabstand von 360/N Grad aufweisen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Einspannen eines ersten Testgewichtstücks mit vorbestimmtem Gewicht auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine, wobei das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem ersten Testgewichtstück durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet durch – Einspannen eines zweiten Testgewichtstücks mit vorbestimmtem und von dem Gewicht des ersten Testgewichtstücks unterschiedlichen Gewicht auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine, wobei das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem zweiten Testgewichtstück erneut durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse jeweils einmal ohne und einmal mit auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine eingespanntem ersten Testgewichtstück durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Vermessen einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wobei die Werkzeugmaschine zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist, und wobei ein Messobjekt auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse befestigt bzw. positioniert ist, wobei die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung umfasst, mit: – Mitteln zum Ermitteln einer jeweiligen Raumlage-Position des Messobjekts in zumindest drei unterschiedlichen Winkelstellungen der ersten Rundachse in Bezug auf die erste Rotationsachse für zumindest eine Messebene entsprechend einer Winkelstellung der zweiten Rundachse in Bezug auf die zweite Rotationsachse, und – Mitteln zum Bestimmen einer Mittelpunktposition des drehbar gelagerten Maschinenteils in der Messebene entsprechend der Winkelstellung der zweiten Rundachse auf Basis der ermittelten Raumlage-Positionen des Messobjekts.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine numerische Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine ist oder in eine numerische Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine integriert ist.
Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine, mit – einer Speichereinrichtung zum Speichern einer Maschinen-Kinematik bzw. von eine Maschinen-Kinematik angebenden Maschinendaten der Werkzeugmaschine und Werkstückgewicht-Maschinendaten, die Korrekturwerte für die Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts und/oder Korrekturwerte für Bezugsparameter, insbesondere Achspositionen, in Abhängigkeit eines Werkstückgewichts angeben, – einer Datenverarbeitungseinrichtung einer numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine zum Steuern der Werkzeugmaschine auf Basis von numerischen Bearbeitungsdaten und der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine und zum Transformieren von Koordinatendaten zwischen einem relativen Koordinatensystem und einem Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmaschine auf Basis der Maschinen-Kinematik der Werkzeugmaschine, und – einer Eingabeeinheit, die es einem Bediener ermöglicht, ein Werkstückgewicht eines zu bearbeitenden Werkstücks einzugeben, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, die Maschinen-Kinematik bzw. die die Maschinen-Kinematik angebenden Maschinendaten zur Bearbeitung des Werkstücks an der Werkzeugmaschine mittels Korrekturwerten der Maschinen-Kinematik auf Basis des eingegebenen Werkstückgewichts anzupassen und/oder Bezugsparameter, insbesondere Achspositionen, bei Verarbeitung von numerischen Bearbeitungsdaten für das Steuern der Werkzeugmaschine durch die numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine auf Basis der numerischen Bearbeitungsdaten mittels Korrekturwerten der Bezugsparameter auf Basis des eingegebenen Werkstückgewichts anzupassen.
Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, mit: – zumindest einer ersten steuerbaren Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und einer zweiten steuerbaren Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse, und – einer Vorrichtung gemäß Anspruch 19, 20 oder 21.
Computerprogram-Produkt mit einem auf einem computerlesbaren Datenspeichermedium gespeicherten Computerprogramm, das ausführbar ist in einer numerischen Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine oder in einem mit einer numerischen Steuerungsvorrichtung einer Werkzeugmaschine verbindbaren Computer, und das dazu eingerichtet ist, an der Werkzeugmaschine, die zumindest eine erste steuerbare Rundachse mit einem um eine erste Rotationsachse drehbar gelagerten Maschinenteil und eine zweite steuerbare Rundachse zum Drehen des Maschinenteils um eine quer oder senkrecht zur ersten Rotationsachse ausgerichtete zweite Rotationsachse aufweist, und wobei ein Messobjekts auf dem Maschinenteil der Werkzeugmaschine in radialem Abstand zur ersten Rotationsachse befestigt bzw. positioniert ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 auszuführen.