DE102016104146A1

DE102016104146A1 - Machine tool with detection of the workpiece mass

Info

Publication number: DE102016104146A1
Application number: DE102016104146.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Mayer
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Mit der Erfindung wird es möglich, die genaue räumliche Lage eines Masseschwerpunkts P sowie die zugehörige Masse m des auf einem Rundtisch aufgespannten Werkstücks (11) zu ermitteln. Die genaue räumliche Lage des Schwerpunkts bedeutet, dass dessen Lage Xs, Ys und Zs in den kartesischen Koordinaten eines Koordinatensystems bekannt ist, dessen Nullpunkt durch den Schnittpunkt der Rundtischdrehachse B mit der Auflagefläche des Rundtischs gebildet wird. Die Ermittlung der Masse m erfolgt durch Beschleunigung in Z-Richtung und Auswertung des Antriebsdrehmoments des Vorschubmotors anhand eines Signals S. Die Ermittlung der Koordinate Ys des Schwerpunkts P erfolgt durch Drehung um die horizontale Drehachse A und Auswertung des Antriebsmoments des Drehantriebs (18). Alternativ erfolgt die Bestimmung der Koordinate Ys durch Auswertung des Antriebsdrehmoments der Antriebseinrichtung (16) bzw. deren Vorschubmotors. Die Ermittlung der Koordinaten Xs und Zs des Schwerpunkts P erfolgt durch Rotation des Werkstücks (11) um die horizontal gestellte Drehachse B und Auswertung des Antriebsmoments des Drehantriebs 20 oder durch Rotation des Werkstücks (11) um die vertikal gestellte Drehachse B und wiederum Auswertung des Signals Sz, das die nötige Haltekraft und somit das Antriebsdrehmoment des Vorschubmotors der Antriebseinrichtung (16) kennzeichnet.With the invention it is possible to determine the exact spatial position of a center of mass P and the associated mass m of the clamped on a rotary table workpiece (11). The exact spatial position of the center of gravity means that its position Xs, Ys and Zs in the Cartesian coordinates of a coordinate system is known, whose zero point is formed by the intersection of the rotary table axis B with the bearing surface of the rotary table. The determination of the mass m is carried out by acceleration in the Z direction and evaluation of the drive torque of the feed motor based on a signal S. The determination of the coordinate Ys of the center of gravity P by rotation about the horizontal axis of rotation A and evaluation of the drive torque of the rotary drive (18). Alternatively, the determination of the coordinate Ys takes place by evaluating the drive torque of the drive device (16) or its feed motor. The determination of the coordinates Xs and Zs of the center of gravity P is carried out by rotation of the workpiece (11) about the horizontally Asked rotation axis B and evaluation of the drive torque of the rotary drive 20 or by rotation of the workpiece (11) about the vertical axis of rotation B and in turn evaluation of the signal Sz, which indicates the necessary holding force and thus the drive torque of the feed motor of the drive device (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer Einrichtung zur Erfassung der Werkstückmasse. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Werkstückmasse und der räumlichen Position des Schwerpunktes des Werkstücks.The invention relates to a machine tool with a device for detecting the workpiece mass. In particular, the invention relates to a machine tool with a device for determining the workpiece mass and the spatial position of the center of gravity of the workpiece.

Aus der DE 10 2009 056 492 B4 ist ein Bearbeitungszentrum in Gantry-Bauform mit einer Auswuchteinrichtung für den Werkstücktisch bekannt. Das Maschinengestell ist U-förmig ausgebildet und weist zwei Seitenwandungen und einen an den Seitenwandungen gelagerten um eine horizontale Achse schwenkbaren Brückenträger auf. In dem Brückenträger ist ein angetriebener drehbarer Werkstücktisch mit mindestens einem Messsystem für die Ermittlung der Drehzahl und der Winkelposition desselben vorgesehen. An der Tischoberseite ist eine Aufspannfläche zur Aufnahme und Befestigung von Werkstücken für eine Fräs-, Bohr- oder Drehbearbeitung vorgesehen. In dem Brückenträger ist eine Messeinrichtung für die Ermittlung der Tischunwucht vorgesehen. Außerdem sind mindestens zwei Auswuchtgewichte an dem Werkstücktisch vorgesehen, um die Tischunwucht kompensieren zu können. Zur Positionsbestimmung der Auswuchtgewichte an dem Werkstücktisch ist eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen.From the DE 10 2009 056 492 B4 a machining center in gantry design with a balancing device for the workpiece table is known. The machine frame is U-shaped and has two side walls and a mounted on the side walls about a horizontal axis pivotable bridge carrier. In the bridge girder is provided a driven rotatable workpiece table with at least one measuring system for determining the rotational speed and the angular position thereof. On the table top a clamping surface for receiving and fixing workpieces for milling, drilling or turning is provided. In the bridge girder a measuring device is provided for the determination of the table imbalance. In addition, at least two balance weights are provided on the workpiece table in order to compensate for the table imbalance can. For determining the position of the balancing weights on the workpiece table, a control and regulating device is provided.

Die Größe der Unwucht sagt nichts über das Werkstückgewicht aus. Es gibt jedoch den Wunsch nach einer statischen Kompensation von Maschinenverformungen, die allein in Kenntnis der Unwucht aber nicht möglich ist.The size of the imbalance says nothing about the workpiece weight. However, there is a desire for a static compensation of machine deformation, which is not possible only in knowledge of the imbalance.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept anzugeben, das die statische Gewichtskompensation von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen bei unbekannten Werkstücken ermöglicht, wobei unter Werkstücken auch die gegebenenfalls aus Werkstück und Haltevorrichtung sowie Werkstückpalette gebildeten Einheiten zu verstehen sind.On this basis, it is an object of the invention to provide a concept that allows the static weight compensation of workpieces on machine tools in unknown workpieces, under work also the possibly formed from the workpiece and fixture and workpiece pallet units are to be understood.

Diese Aufgabe wird mit der Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 sowie mit dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst:
Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine weist eine Werkstückaufnahmeeinrichtung auf, die an einem Maschinengestell in mindestens einer Richtung beweglich gelagert ist. Die Werkstückaufnahme ist dazu eingerichtet, das Werkstück sowie gegebenenfalls die aus Werkstück und Haltevorrichtung (falls vorhanden) sowie Werkstückpalette (falls vorhanden) gebildete Einheit aufzunehmen. Der Begriff „Werkstück” schließt in der nachfolgenden Beschreibung solche Einheiten ein.This object is achieved with the machine tool according to claim 1 and with the method according to claim 10:
The machine tool according to the invention has a workpiece receiving device, which is mounted movably on a machine frame in at least one direction. The workpiece holder is configured to receive the workpiece and, if appropriate, the unit formed by the workpiece and holding device (if present) and workpiece pallet (if present). The term "workpiece" in the following description includes such units.

Eine Antriebseinrichtung ist dafür vorgesehen, die Werkstückaufnahmeeinrichtung leer oder mit dem darauf befindlichen Werkstück kontrolliert in Richtung dieses einen Freiheitsgrads entlang einer vorgegebenen vorzugsweise linearen Bahn zu bewegen. Dabei ist eine Erfassungseinrichtung dazu eingerichtet, ein Signal zu erzeugen, das die von der Antriebseinrichtung auf die Werkstückaufnahmeeinrichtung ausgeübte Kraft kennzeichnet. Diese Erfassungseinrichtung kann ein gesonderter Kraftsensor oder, wie es bevorzugt wird, eine Einrichtung sein, die die von der Antriebseinrichtung aufgebrachte Antriebskraft beispielsweise anhand des Motorstroms eines antreibenden Elektromotors erfasst.A drive means is provided to move the workpiece holder means empty or with the workpiece thereon controlled in the direction of this one degree of freedom along a predetermined preferably linear path. In this case, a detection device is set up to generate a signal which characterizes the force exerted on the workpiece holder by the drive device. This detection device can be a separate force sensor or, as is preferred, a device which detects the driving force applied by the drive device, for example, based on the motor current of a driving electric motor.

Die Antriebseinrichtung weist typischerweise außerdem eine Positionserfassungseinrichtung auf, um die jeweils aktuelle Position der Werkstückaufnahmeeinrichtung erfassen zu können. Aus der Veränderung der Position kann die Steuereinrichtung außerdem die aktuelle Geschwindigkeit der Bewegung der Werkstückaufnahmeeinrichtung und aus der Veränderung der Geschwindigkeit die Beschleunigung der Werkstückaufnahmeeinrichtung ableiten. Die Werkzeugmaschine weist eine Auswerteeinrichtung auf, der das Signal zugeleitet ist, das die auf die Werkstückaufnahmeeinrichtung antriebshalber ausgeübte Kraft kennzeichnet. Außerdem verfügt die Auswerteeinrichtung wenigstens über ein Signal, das die Position der Werkstückaufnahmeeinrichtung und/oder die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung derselben kennzeichnet. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, aus der ausgeübten Antriebskraft und der aktuellen Beschleunigung die Masse der Werkstückaufnahmeeinrichtung mit Werkstück zu errechnen. Das Gewicht des Werkstücks bzw. die Masse m desselben errechnet sich durch die Differenz zwischen der aus der Beschleunigung und der Antriebskraft ermittelten Masse m und der bekannten oder zuvor ebenso gemessenen Leermasse m₀ der Werkstückaufnahmeeinrichtung (Masse ohne Werkstück).The drive device typically also has a position detection device in order to be able to detect the respective current position of the workpiece holder. From the change in position, the control device can also derive the current speed of movement of the workpiece holder and from the change in speed, the acceleration of the workpiece holder. The machine tool has an evaluation device to which the signal is fed, which characterizes the force exerted on the workpiece receiving device in terms of drive. In addition, the evaluation device has at least one signal which characterizes the position of the workpiece holder and / or the speed and / or the acceleration thereof. The evaluation device is set up to calculate the mass of the workpiece holder with workpiece from the applied drive force and the current acceleration. The weight of the workpiece or the mass m thereof is calculated by the difference between the mass m determined from the acceleration and the drive force and the known or previously also measured empty mass m _{0 of} the workpiece holder (mass without workpiece).

Die Ermittlung des Werkstückgewichts bzw. seiner Masse m kann als gesonderter Einmessvorgang z. B. vor Beginn der Werkstückbearbeitung oder in einer Bearbeitungspause vorgenommen werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Massebestimmung durch im Laufe des Bearbeitungsablaufs ohnehin auszuführenden Bewegungen zu ermitteln. Beispielsweise kann die Werkstückaufnahmeeinrichtung in eine Rüstposition zur Übernahme eines Werkstücks gefahren werden. Bei der Überführung in die Bearbeitungsposition sind mindestens ein Beschleunigungsvorgang und mindestens ein Bremsvorgang auszuführen (der eine beschleunigte Bewegung mit negativer Beschleunigung ist). Beide Bewegungsphasen (Beschleunigen und Abbremsen) können zur Bestimmung des Werkstückgewichts herangezogen werden, das gleich der Masse m des Werkstücks ist. Das Werkstückgewicht kann beispielsweise als Mittelwert, der während der Beschleunigungsphase und der während der Bremsphase ermittelten Werkstückmassen m bestimmt werden.The determination of the workpiece weight or its mass m can be used as a separate calibration z. B. be made before the start of workpiece machining or in a processing break. However, it is also possible to determine this mass determination by movements to be performed anyway in the course of the machining process. For example, the workpiece holder in a Setup position to take over a workpiece to be driven. When transferring to the machining position, at least one acceleration operation and at least one braking operation are to be carried out (which is an accelerated movement with negative acceleration). Both movement phases (acceleration and deceleration) can be used to determine the workpiece weight, which is equal to the mass m of the workpiece. The workpiece weight can be determined, for example, as an average, which is determined during the acceleration phase and the workpiece masses m determined during the braking phase.

Ist die Bewegungsrichtung des ersten Freiheitsgrads eine nicht horizontale Richtung, insbesondere eine vertikale Richtung, kann an die Stelle der Durchführung einer beschleunigten Testbewegung zur Ermittlung der trägen Masse m auch die direkte Bestimmung des Gewichts des Werkstücks treten. Das Werkstück wird dazu an einer gegebenen Position gehalten und die von der Antriebseinrichtung dazu aufzuwendende Kraft bestimmt.If the direction of movement of the first degree of freedom is a non-horizontal direction, in particular a vertical direction, the place of carrying out an accelerated test movement to determine the inert mass m can also be the direct determination of the weight of the workpiece. The workpiece is held at a given position and determined by the drive means to be applied force.

Nach dem genannten Konzept bestimmt die Werkzeugmaschine die Masse m des Werkstücks vor der eigentlichen Bearbeitung an dem Rohling. Damit können eventuelle elastische Maschinendeformationen infolge des Werkstückgewichts schon zu Beginn der Bearbeitung berücksichtigt werden. Zum Beispiel kann eine federnde Nachgiebigkeit bei bekannter Maschinenelastizität dazu genutzt werden, das Bearbeitungsprogramm der Werkzeugmaschine anzupassen.According to the above concept, the machine tool determines the mass m of the workpiece before the actual machining on the blank. Thus, any elastic machine deformations due to the workpiece weight can already be considered at the beginning of processing. For example, a resilient compliance with known machine elasticity can be used to adapt the machining program of the machine tool.

Es ist auch möglich, die Bestimmung der Masse m des Werkstücks zu einem anderen Zeitpunkt, zum Beispiel nach Durchführung von Grobbearbeitungsvorgängen (Schruppen), vor Durchführung von Feinbearbeitungsvorgängen oder vor Durchführung von Finishing-Bearbeitungsvorgängen zu ermitteln. Dies hat den Vorzug, dass Maschinenverformungen genau dann präzise berücksichtigt werden können, wenn es auf die zu erreichende Endgenauigkeit an dem Werkstück auch tatsächlich ankommt.It is also possible to determine the determination of the mass m of the workpiece at a different time, for example, after performing rough machining operations (roughing), before performing finishing operations or before performing finishing machining operations. This has the advantage that machine deformations can be precisely taken into account precisely when the final accuracy to be achieved on the workpiece actually arrives.

Es ist auch möglich, die Ermittlung der Werkstückmasse während der Bearbeitung desselben zum Beispiel in kurzen Bearbeitungspausen zwei- oder mehrfach durchzuführen.It is also possible to carry out the determination of the workpiece mass during the processing of the same, for example, in short processing breaks two or more times.

Bei einer verfeinerten Werkzeugmaschine wird nicht nur die Masse des Werkstücks als Zahlenwert, sondern auch die Position des Schwerpunkts des Werkstücks bestimmt. Die Werkstückaufnahmeeinrichtung der Werkzeugmaschine weist dazu mehrere Freiheitsgrade auf, denen jeweils eine Antriebseinrichtung zugeordnet ist. Zu dem vorstehend erläuterten ersten Freiheitsgrad, der vorzugsweise eine lineare Bewegung, insbesondere eine horizontale lineare Bewegung zulässt, tritt mindestens ein zweiter Freiheitsgrad hinzu, der eine Drehbewegung um wenigstens eine erste Drehachse A zulässt. Diese kann beispielsweise parallel zu der Werkstückaufspannfläche orientiert sein. Außerdem kann sie sich quer zu der durch den ersten Freiheitsgrad vorgegebenen Richtung Z erstrecken. Vorzugsweise ist diese erste Drehachse A horizontal orientiert. Eine testweise Drehung des Werkstücks um diese erste Drehachse A verursacht wechselnde Lasten an dem Drehantrieb der Drehachse A, wenn der Schwerpunkt des Werkstücks exzentrisch zu der Drehachse A ist. Bei bekannter, weil zuvor bestimmter, Masse des Werkstücks, bestimmt die Auswerteeinrichtung aus dem Drehmomentmaximum und dem Minimum desselben den Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse A (oder die Höhe des Schwerpunkts über der Werkstückaufspannfläche) und die Orientierung zu der Drehachse. Auf das Maschinenkoordinatensystem bezogen bestimmt sie die Y-Koordinate Y_s des Schwerpunktes.In a refined machine tool not only the mass of the workpiece as a numerical value, but also the position of the center of gravity of the workpiece is determined. The workpiece holder of the machine tool has for this purpose a plurality of degrees of freedom, each of which a drive device is assigned. For the above-described first degree of freedom, which preferably permits a linear movement, in particular a horizontal linear movement, at least one second degree of freedom occurs, which permits a rotational movement about at least one first axis of rotation A. This can for example be oriented parallel to the Werkstückaufspannfläche. In addition, it may extend transversely to the direction Z predetermined by the first degree of freedom. Preferably, this first axis of rotation A is oriented horizontally. A test rotation of the workpiece about this first axis of rotation A causes changing loads on the rotary drive of the axis of rotation A when the center of gravity of the workpiece is eccentric to the axis of rotation A. In known, because previously determined, mass of the workpiece, the evaluation of the torque maximum and the minimum thereof determines the distance of the center of gravity of the axis of rotation A (or the height of the center of gravity on the Werkstückaufspannfläche) and the orientation to the axis of rotation. Based on the machine coordinate system, it determines the Y-coordinate Y _{s of} the center of gravity.

Außerdem verursacht eine testweise Drehung des Werkstücks um die erste Drehachse A Kräftesignale in der Antriebseinrichtung für die erste (lineare) Bewegungsrichtung. Diese Antriebseinrichtung hält die Werkstückaufnahmeeinrichtung in einer vorgegebenen (Z-)Position, wobei die in der Positionsregelschleife dabei auftretenden Regelsignale (oder auch zum Beispiel die Motorströme) Indikatoren für die auftretenden Kräfte sind. Mit dem Drehtest (drehen um die erste Drehachse) lässt sich der Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse (oder die Höhe des Schwerpunkts über der Werkstückaufspannfläche) bestimmen. Auf das Maschinenkoordinatensystem bezogen bestimmt die Auswerteeinrichtung die Y-Koordinate Y_s des Schwerpunktes.In addition, a test-wise rotation of the workpiece about the first axis of rotation A causes force signals in the drive device for the first (linear) movement direction. This drive device holds the workpiece holder in a predetermined (Z) position, wherein in the position control loop thereby occurring control signals (or for example, the motor currents) are indicators of the forces occurring. The rotation test (turning around the first axis of rotation) determines the distance of the center of gravity from the axis of rotation (or the height of the center of gravity above the workpiece clamping surface). Based on the machine coordinate system, the evaluation device determines the Y-coordinate Y _{s of} the center of gravity.

Vorzugsweise weist die Werkstückaufnahmeeinrichtung einen weiteren Freiheitsgrad für eine weitere Drehachse B auf, die vorzugsweise senkrecht auf der Werkstückaufspannfläche steht und somit zu der ersten Drehachse quer orientiert ist. Zur weiteren Bestimmung der Position des Schwerpunkts P wird die senkrecht zu der Werkstückaufnahmefläche orientierte Drehachse B vorzugsweise parallel zu der durch den ersten Freiheitsgrad vorgegebenen Richtung gestellt, so dass diese zweite Drehachse B horizontal orientiert ist. Eine nun testweise ausgeführte Drehbewegung um die Drehachse B führt, wenn der Schwerpunkt P des Werkstücks exzentrisch zu der Drehachse B liegt, zu einem schwankenden Drehmoment an dem Drehantrieb, der der Drehachse B zugeordnet ist. Dieses schwankende Drehmoment wird von der Auswerteeinrichtung erfasst. Bei bekannter, weil zuvor bestimmter, Masse des Werkstücks, ermittelt die Auswerteeinrichtung aus dem Drehmomentmaximum und dem Minimum desselben den Abstand des Schwerpunktes von der Drehachse B und die Orientierung zu der Drehachse B. Auf das Maschinenkoordinatensystem bezogen bestimmt die Auswerteeinrichtung die X-Koordinate X_s und die Z-Koordinate Z_s des Schwerpunktes.Preferably, the workpiece receiving device has a further degree of freedom for a further axis of rotation B, which is preferably perpendicular to the Werkstückaufspannfläche and thus oriented transversely to the first axis of rotation. For further determination of the position of the center of gravity P, the axis of rotation B oriented perpendicular to the workpiece receiving surface is preferably set parallel to the direction predetermined by the first degree of freedom, so that this second axis of rotation B is oriented horizontally. A now test carried out rotational movement about the axis of rotation B, when the center of gravity P of the workpiece is eccentric to the axis of rotation B, leads to a fluctuating torque at the rotary drive, which is associated with the axis of rotation B. This fluctuating torque is detected by the evaluation device. In a known, because previously determined, mass of the workpiece, determines the evaluation of the Torque maximum and the minimum thereof the distance of the center of gravity of the rotation axis B and the orientation to the rotation axis B. Based on the machine coordinate system, the evaluation determines the X-coordinate X _s and the Z-coordinate Z _{s of} the center of gravity.

Die testweise ausgeführte Drehbewegung um die Drehachse B verursacht auch Kraftsignale S_z der Antriebseinrichtung für den ersten Freiheitsgrad Z, die aus dem Bestreben der Antriebseinrichtung herrühren, die Werkstückaufnahmeeinrichtung in vorgegebener Position in der ersten Richtung (Z) zu halten. Aus den Drehpositionssignalen der zweiten Drehachse B bzw. des Antriebs derselben und den Kraftsignalen S_z für die erste Richtung Z lässt sich die Position des Schwerpunkts bezüglich seiner Winkelorientierung um die Drehachse B und des Abstands von derselben bestimmen. Auf das Maschinenkoordinatensystem bezogen kann die Auswerteeinrichtung daraus die X-Koordinate X_s und die Z-Koordinate Z_s des Schwerpunktes bestimmen.The test carried out rotational movement about the axis of rotation B also causes force signals S _{z of} the drive means for the first degree of freedom Z, resulting from the tendency of the drive means to hold the workpiece holder in a predetermined position in the first direction (Z). From the rotational position signals of the second rotational axis B or the drive thereof and the force signals S _z for the first direction Z, the position of the center of gravity with respect to its angular orientation about the axis of rotation B and the distance from the same can be determined. Based on the machine coordinate system, the evaluation device can determine therefrom the X coordinate X _s and the Z coordinate Z _{s of} the center of gravity.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt zur Bestimmung der Werkstückmasse das Konzept der testweisen linearen Beschleunigung und/oder Abbremsung. Die dabei auftretende Kraft F_z, die durch das Signal S_z beschrieben wird, kennzeichnet zusammen mit der entsprechend ermittelten Beschleunigung z'' die Masse des Werkstücks. Dabei kommt es prinzipiell nicht auf den Zeitverlauf der Beschleunigung z'' an. Beispielsweise kann diese konstant sein. Es ist aber auch möglich, einen abweichenden Zeitverlauf der Beschleunigung z'' zu wählen, beispielsweise einen sinusförmigen Zeitverlauf. Dieses Verfahren hat numerische Vorteile, weil an die Stelle der doppelten Ableitung eines von einem Wegsensor gelieferten Positionssignals, das mit –1 multiplizierte Positionssignal z treten kann.The method according to the invention uses the concept of test-wise linear acceleration and / or deceleration for determining the workpiece mass. The occurring force F _z , which is described by the signal S _z , identifies the mass of the workpiece together with the correspondingly determined acceleration z ". In principle, it does not depend on the time course of the acceleration z ". For example, this can be constant. However, it is also possible to choose a different time characteristic of the acceleration z ", for example a sinusoidal time profile. This method has numerical advantages, because instead of the double derivative of a position signal supplied by a position sensor, the position signal z multiplied by -1 can occur.

Das Verfahren umfasst weiter das Drehen des Werkstücks um wenigstens eine der Drehachsen A oder B mit gleichmäßiger Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit. Dies verursacht bei exzentrischer Schwerpunktlage ein wechselndes Antriebs-Drehmoment an dem jeweiligen Antrieb. Aus Größe und Phasenlage des Antriebsdrehmoments ermittelt die Auswerteeinrichtung die Position, d. h. die Koordinaten X_s, Y_s, Z_s des Schwerpunkts P.The method further comprises rotating the workpiece about at least one of the axes of rotation A or B at a uniform speed or angular velocity. This causes an alternating drive torque at the respective drive with eccentric center of gravity. From size and phase position of the drive torque, the evaluation determines the position, ie the coordinates X _s , Y _s , Z _{s of} the center of gravity P.

Zur Bestimmung der Koordinaten X_s, Y_s, Z_s des Schwerpunkts P kann auch ein sinusförmiges Kraftsignal in der Stelleinrichtung für die Werkstückaufnahmeeinrichtung für den ersten Freiheitsgrad Z genutzt werden. Die Phasenlage dieses sinusförmigen Kraftverlaufs kennzeichnet die Winkellage des Schwerpunkts P in Bezug auf die jeweilige Drehachse A oder B. Z. B. durch Koordinatentransformation lassen sich daraus die kartesischen Koordinaten X_s, Y_s, Z_s des Schwerpunkts in Bezug auf ein gewünschtes kartesisches Koordinatensystem errechnen. Das gewünschte Koordinatensystem kann beispielsweise auf den Werkstückaufspannplatz oder das Maschinengestell bezogen sein.For determining the coordinates X _s , Y _s , Z _{s of} the center of gravity P, it is also possible to use a sinusoidal force signal in the setting device for the workpiece holder for the first degree of freedom Z. The phase position of this sinusoidal force curve characterizes the angular position of the center of gravity P with respect to the respective axis of rotation A or BZB by coordinate transformation can be calculated from the Cartesian coordinates X _s , Y _s , Z _{s of} the center of gravity with respect to a desired Cartesian coordinate system. The desired coordinate system can be related, for example, to the workpiece clamping station or the machine frame.

Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung, der Zeichnung oder von Ansprüchen. Es zeigen:Further details of advantageous embodiments of the invention are the subject of the description, the drawings or claims. Show it:

1 Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine, in einer schematischen Seitenansicht, 1 The machine tool according to the invention, in a schematic side view,

2 die Werkzeugmaschine nach 1, in einer schematisierten Draufsicht, 2 the machine tool after 1 in a schematized plan view,

3 ein von der Werkzeugmaschine getragenes Werkstück in einer schematisierten Seitenansicht, 3 a workpiece carried by the machine tool in a schematic side view,

4 und 5 verschiedene Beschleunigungsszenarien zur Ermittlung des Werkstückgewichts als Diagramm, 4 and 5 different acceleration scenarios to determine the workpiece weight as a diagram,

6 die Ermittlung einer ersten Koordinate des Scherpunkts des Werkstücks durch Drehung um die A-Achse und Beobachtung der Reaktionskräfte in Z-Richtung als Diagramm und 6 the determination of a first coordinate of the shear point of the workpiece by rotation about the A-axis and observation of the reaction forces in the Z-direction as a diagram and

7 die Ermittlung weiterer Koordinaten des Schwerpunkts des Werkstücks durch Drehung um die B-Achse und die Beobachtung der Reaktionskräfte in Z-Richtung als Diagramm. 7 the determination of further coordinates of the center of gravity of the workpiece by rotation about the B axis and the observation of the reaction forces in the Z direction as a diagram.

1 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 10 zur Bearbeitung vorzugsweise spanenden Bearbeitung eines dort symbolisch veranschaulichten Werkstücks 11. Dieses ist von einer Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 getragen, mittels derer das Werkstück 11 in gewünschte Positionen überführbar ist und in diesen gehalten werden kann. Die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 wird von einem Maschinengestell 13 getragen und ist auf diesem zum Beispiel mittels einer Linearführung 14 (2) entsprechend einem ersten Freiheitsgrad in eine vorgegebene Richtung, beispielsweise der horizontalen Z-Richtung, bewegbar. Das Maschinengestell 13 ruht auf einer Aufstellfläche und ist dort vorzugsweise ortsfest gelagert. Die von der Werkstückpositioniereinrichtung 12 und dem darauf angeordneten Werkstück 11 ausgehende Last wird über das Maschinengestell 13 auf die Aufstellfläche abgetragen. Dabei kann es zu elastischen Verformungen an dem Maschinengestell 13 und der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 kommen. Um diese kompensieren zu können, ist die Werkzeugmaschine 10 mit einer Lasterfassungseinrichtung 15 ausgestattet, die zur Bestimmung der Masse m des Werkstücks 11, sowie, zumindest bei anspruchsvollen Ausführungsformen, auch zur Bestimmung der Position des Schwerpunkts P des Werkstücks 11 (3) dient. 1 illustrates a machine tool according to the invention 10 for machining preferably machining a symbolically illustrated there workpiece 11 , This is from a workpiece holder 12 carried, by means of which the workpiece 11 can be converted into desired positions and can be held in these. The workpiece holder 12 is from a machine frame 13 worn and is on this example by means of a linear guide 14 ( 2 ) in a predetermined direction, for example, the horizontal Z-direction, movable according to a first degree of freedom. The machine frame 13 rests on a footprint and is preferably stored there stationary. The of the workpiece positioning 12 and the workpiece disposed thereon 11 Outgoing load is over the machine frame 13 removed to the footprint. This can lead to elastic deformations on the machine frame 13 and the workpiece holder 12 come. To be able to compensate for this, is the machine tool 10 with a load detection device 15 equipped to determine the mass m of the workpiece 11 , and, at least in sophisticated embodiments, also for determining the position of the center of gravity P of the workpiece 11 ( 3 ) serves.

Die Lasterfassungseinrichtung 15 nutzt zur Lasterfassung eine Antriebseinrichtung 16, die an oder in dem Maschinengestell 13 angeordnet ist und die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 gezielt nach Vorgaben einer Steuereinrichtung 17 in Z-Richtung bewegt und positioniert. Bei der Antriebseinrichtung 16 kann es sich um einen linearen Direktantrieb, einen Spindelantrieb mit Servomotor oder um andere Servomotor-Getriebe-Anordnungen handeln. Üblicherweise weisen solche Antriebseinrichtungen nicht weiter veranschaulichte Mittel zur Positionserfassung dar, um die Z-Position der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 fortwährend zu bestimmen. Außerdem umfasst die Antriebseinrichtung 16 typischerweise eine Einheit zur Ermittlung der auf die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 ausgeübten Kraft. Diese Einheit kann zum Beispiel die Kraft anhand des zur Erzielung der Bewegung der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 nötigen Motorstroms sein. Sie erzeugt ein entsprechendes Signal S_z, das an die Steuereinrichtung 17 übergeben wird. Die Steuereinheit 17 steuert ihrerseits die Antriebseinrichtung 16 um bestimmte Positionen oder Bewegungen vorzugeben.The load detection device 15 uses a drive device for load detection 16 on or in the machine frame 13 is arranged and the workpiece holder 12 specifically according to specifications of a control device 17 Moved and positioned in the Z direction. In the drive device 16 it can be a linear direct drive, a spindle drive with servo motor or other servomotor-gear arrangements. Usually, such drive means not further illustrated means for position detection, to the Z position of the workpiece holder 12 constantly to determine. In addition, the drive device comprises 16 typically a unit for detecting the on the workpiece holder 12 applied force. This unit can, for example, the force by means of to achieve the movement of the workpiece holder 12 necessary motor current. It generates a corresponding signal S _z , which is sent to the control device 17 is handed over. The control unit 17 in turn controls the drive means 16 to specify certain positions or movements.

Die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 weist ihrerseits mindestens einen zweiten Freiheitsgrad zur Bewegung des Werkstücks 11 auf, wobei dieser zweite Freiheitsgrad eine Drehbewegung um die Drehachse A sein kann. Die Drehachse A ist vorzugsweise horizontal orientiert und liegt dabei quer zu der Z-Richtung. Der Drehachse A ist eine Antriebseinrichtung 18 zugeordnet (2), mittels derer ein Werkstückträger 19 gezielt um die Drehachse A gedreht und in vorgegebenen Drehstellungen positioniert werden kann. Die Antriebseinrichtung 18 kommuniziert mit der Steuereinrichtung 17, von der sie Positionierungsbefehle empfängt und an die sie Positionsrückmeldungen und/oder Rückmeldungen des von dem Werkstückträger 19 auf die Antriebseinrichtung ausgeübten Drehmoments (Lastmoment) liefert.The workpiece holder 12 in turn has at least a second degree of freedom for movement of the workpiece 11 on, wherein this second degree of freedom can be a rotational movement about the axis of rotation A. The axis of rotation A is preferably oriented horizontally and is transverse to the Z-direction. The rotation axis A is a drive device 18 assigned ( 2 ), by means of which a workpiece carrier 19 can be selectively rotated about the rotation axis A and positioned in predetermined rotational positions. The drive device 18 communicates with the controller 17 from which it receives positioning commands and to which they receive position feedback and / or feedback from the workpiece carrier 19 on the drive means applied torque (load torque) supplies.

Desweiteren kann der Werkstückträger 19 einen Drehtisch oder eine ähnliche Dreheinrichtung enthalten, mittels derer das Werkstück 11 um eine zweite Drehachse B drehbar ist. Dafür kann wiederum eine Antriebseinrichtung 20 vorgesehen sein, die mit der Steuereinrichtung 17 wie im Zusammenhang mit der Antriebseinrichtung 18 beschrieben kommuniziert. Die Antriebseinrichtung 20 steht mit der Steuereinrichtung 17 in Verbindung, von der sie Positionierungsbefehle empfängt und an die sie Positionsrückmeldungen und/oder Rückmeldungen des von dem Werkstückträger 19 auf die Antriebseinrichtung 20 ausgeübten Drehmoments (Lastmoment) liefert.Furthermore, the workpiece carrier 19 a turntable or similar rotating device by means of which the workpiece 11 is rotatable about a second axis of rotation B. For this, in turn, a drive device 20 be provided with the control device 17 as in connection with the drive device 18 described communicates. The drive device 20 is with the controller 17 from which it receives positioning commands and to which it receives position feedback and / or feedback from the workpiece carrier 19 on the drive device 20 applied torque (load torque) supplies.

Bei abgewandelten Ausführungsformen der Werkzeugmaschine 10 kann die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 auch in weiteren Achsen oder Richtungen beweglich angeordnet sein.In modified embodiments of the machine tool 10 can the workpiece holder 12 be arranged to be movable in other axes or directions.

Im Weiteren ist an dem Maschinengestell 13 eine Bearbeitungseinheit 21 in mindestens einer, vorzugsweise in zwei, Richtungen verfahrbar gelagert, beispielsweise in horizontaler, quer verlaufender X-Richtung und in vertikal verlaufender Y-Richtung. Weitere Freiheitsgrade können vorgesehen sein, um die an der Bearbeitungseinheit vorgesehene Arbeitsspindel 22 bewegen zu können. Letztere ist mit einem Drehantrieb versehen und dazu eingerichtet, Werkzeuge zur Bearbeitung des Werkstücks 11 aufzunehmen.Furthermore, on the machine frame 13 a processing unit 21 stored in at least one, preferably in two directions movable, for example, in the horizontal, transverse X-direction and vertically extending Y-direction. Further degrees of freedom may be provided for the work spindle provided on the processing unit 22 to be able to move. The latter is provided with a rotary drive and set up tools for machining the workpiece 11 take.

Die Steuerung der Werkzeugbearbeitungseinheit 21, insbesondere hinsichtlich der Bewegung in X-Richtung und/oder in Y-Richtung, unterfällt der Steuereinrichtung 17, die dazu ein entsprechendes Maschinensteuerprogramm abarbeitet und durch koordinierte Bewegung der Bearbeitungseinheit 21 in X- und Y-Richtung, sowie in Bewegung der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 in Z-Richtung und gezielte Positionierung um die Drehachsen A und B die gewünschte Bearbeitung bewirkt. Dabei kann die Steuereinrichtung 17 dazu eingerichtet sein, die auf eine ideal steife Werkzeugmaschine 10 bezogenen Stellbefehle für die Bearbeitungseinheit 21 und/oder die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 so zu modifizieren, dass eine elastische Verformung des Maschinenbetts 13 und/oder der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 durch das Gewicht des Werkstücks 11 kompensiert wird. Biegt sich der Werkstückträger 19 beispielsweise durch das Gewicht des Werkstücks 11 (das mehrere 100 Kg betragen kann) geringfügig nach unten und soll eine Bohrung an einer gewünschten Stelle des Werkstücks 11 angebracht werden, muss die Y-Position der Arbeitsspindel 22 bei der Ausführung des Bohrvorgangs um den entsprechenden Durchbiegebetrag korrigiert werden. Um diesen Korrekturbetrag berechnen zu können, enthält die Steuereinrichtung 17 ein Hard- und/oder Softwaremodul 23, das dazu eingerichtet ist, die Masse m des Werkstücks 11 zu bestimmen. Dazu ist der Auswerteeinrichtung 23 das Signal S_z zugeleitet, das von der Erfassungseinrichtung 15 erzeugt worden ist und die von der Antriebseinrichtung 16 beim Beschleunigen der Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 auf diese ausgeübte in Z-Richtung wirkende Kraft F_z kennzeichnet.The control of the tool processing unit 21 , in particular with regard to the movement in the X direction and / or in the Y direction, the control device is subject 17 , which executes a corresponding machine control program and by coordinated movement of the processing unit 21 in the X and Y directions, as well as in movement of the workpiece holder 12 in the Z direction and targeted positioning about the axes of rotation A and B causes the desired processing. In this case, the control device 17 to be set up on an ideally rigid machine tool 10 related positioning commands for the processing unit 21 and / or the workpiece holder 12 to modify so that an elastic deformation of the machine bed 13 and / or the workpiece holder 12 by the weight of the workpiece 11 is compensated. Bends the workpiece carrier 19 for example, by the weight of the workpiece 11 (which can be several 100 Kg) slightly down and a hole at a desired location of the workpiece 11 must be attached, the Y-position of the work spindle 22 be corrected by the appropriate amount of deflection during execution of the drilling operation. In order to be able to calculate this correction amount, the control device contains 17 a hardware and / or software module 23 , which is adapted to the mass m of the workpiece 11 to determine. This is the evaluation device 23 the signal S _z supplied by the detection means 15 has been generated and that of the drive device 16 when accelerating the workpiece holder 12 in this exerted acting in the Z direction force F _z .

Die Werkzeugmaschine 10 arbeitet wie folgt: Vor Beginn der Bearbeitung, in Bearbeitungspausen oder auch kurz vor Abschluss der Bearbeitung führt die Werkzeugmaschine 10 eine Testroutine durch, im Rahmen derer sie zunächst die Masse m des Werkstücks 11 und im Weiteren auch die Position seines Schwerpunkts P bestimmt.The machine tool 10 works as follows: Before starting the machining, in processing pauses or just before completion of the machining, the machine tool performs 10 a test routine by, in the context of which they first measure the mass m of the workpiece 11 and also determines the position of its center of gravity P below.

Zur Massebestimmung wird der Werkstückträger 12 linear beschleunigt bewegt. 4 veranschaulicht einen beispielhaften Bewegungsablauf, im Rahmen dessen der Werkstückträger 12 zunächst für eine gegebene erste Zeitspanne beginnend zum Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ mit konstanter Beschleunigung z'' beschleunigt wird. Die Geschwindigkeit z' nimmt dabei kontinuierlich zu. Die dabei auftretende Beschleunigungskraft F_z wird erfasst und an die Auswerteeinrichtung 23 übermittelt. Die Steuereinrichtung 17 verfügt außerdem über die Beschleunigung z''. Diese ist entweder vorgegeben oder sie wird aus der Veränderung der Position z ermittelt. Aus der Beschleunigung z'' und der durch das Signal S_z signalisierten Kraft F_z bestimmt sich zunächst die Gesamtmasse aus Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 und Werkstück 11. Die Steuereinrichtung 17 zieht von diesem Wert die bekannte Masse der Werkstückaufnahmeeinrichtung ab und erhält so die Masse m des Werkstücks 11 und somit dessen Gewicht.For mass determination, the workpiece carrier 12 linearly accelerated. 4 illustrates an exemplary sequence of movements, in the context of which the workpiece carrier 12 is first accelerated for a given first period starting at time t ₁ to time t ₂ with constant acceleration z ''. The speed z 'increases continuously. The occurring acceleration force F _z is detected and sent to the evaluation 23 transmitted. The control device 17 also has the acceleration z ''. This is either predefined or it is determined from the change in position z. From the acceleration z "and the signal S _z signaled force F _z , the total mass of the workpiece holder is first determined 12 and workpiece 11 , The control device 17 subtracts from this value the known mass of the workpiece holder and thus receives the mass m of the workpiece 11 and thus its weight.

Die Massebestimmung mit konstanter Beschleunigung kann auch beim Abbremsen des Werkstückträgers 12 vorgenommen werden, wie in 4 rechts zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ veranschaulicht ist. Wiederum wird ein Signal S_z ermittelt, das bei negativer Beschleunigung ein Maß für die in Z-Richtung wirkende Kraft F_z ist und aus dem sich die Masse m des Werkstücks berechnen lässt.Mass determination with constant acceleration can also be achieved during braking of the workpiece carrier 12 be made as in 4 is illustrated right between the times t ₂ and t ₃ . In turn is determined a signal S _z, which is a measure for the force acting in Z-direction force F _z in negative acceleration and from which the mass can be calculated m of the workpiece.

Die Masse m des Werkstücks 11 kann auch errechnet werden, indem mehrere Messungen, beispielsweise eine Beschleunigung und eine Abbremsung des Werkstückträgers 12, vorgenommen werden. Es ist auch möglich, zwischen Beschleunigungsphase und Bremsphase eine kurze Phase konstanter Bewegungsgeschwindigkeit vorzusehen, um die während dieser Bewegungsphase ermittelte, zum Aufrechterhalten einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit erforderliche Kraft F_z von der zum Beschleunigen benötigten Kraft abzuziehen (bzw. zu der zum Bremsen benötigten Kraft hinzuzurechnen), um die Genauigkeit der Messung zu verbessern. Ist die zur Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit erforderliche Kraft, wie zum Beispiel zur Überwindung aller Reibungswiderstände erforderlich, bekannt, kann auf eine solche Zwischenmessung verzichtet und die Beschleunigungsmessung dennoch durch diesen Kraftanteil berichtigt werden.The mass m of the workpiece 11 can also be calculated by several measurements, such as acceleration and deceleration of the workpiece carrier 12 , be made. It is also possible to provide a short phase of constant speed of movement between the acceleration phase and the braking phase in order to subtract the force F _z required during this phase of motion to maintain constant speed motion from the force required for acceleration (or to the force required for braking to add) to improve the accuracy of the measurement. If the force required for movement at a constant speed, as required, for example, for overcoming all frictional resistances, is known, such an intermediate measurement can be dispensed with and the acceleration measurement can nevertheless be corrected by this force component.

Eine abweichende Messstrategie ist in 5 veranschaulicht. Dort wird der Werkstückträger 12 sinusförmig schwingend in Z-Richtung hin und her bewegt. Der sich dabei ergebende sinusförmige Verlauf der Auslenkung z hat einen ebenfalls sinusförmigen Verlauf der Beschleunigung z'' zur Folge. Daraus ergibt sich ein sinusförmiges Signal F_z, das die Beschleunigungskraft kennzeichnet. Durch Division der Augenblickswerte der zu S_z proportionalen Werte für die Kraft F_z durch den entsprechenden Augenblickswert der Beschleunigung z'' werden Werte für die Masse m des Werkstücks 11 ermittelt. Diese Werte können gemittelt werden, um einen geglätteten Wert für die Masse m des Werkstücks 11 zu ermitteln.A different measurement strategy is in 5 illustrated. There is the workpiece carrier 12 oscillating sinusoidally in Z-direction. The resulting sinusoidal profile of the deflection z has a likewise sinusoidal course of the acceleration z '' result. This results in a sinusoidal signal F _z , which characterizes the acceleration force. By dividing the instantaneous values of the values proportional to S _z for the force F _z by the corresponding instantaneous value of the acceleration z ", values for the mass m of the workpiece become 11 determined. These values can be averaged to give a smoothed value for the mass m of the workpiece 11 to investigate.

In Kenntnis der Masse m des Werkstücks 11 ist eine erste einfache Kompensation von elastischen Verformungen des Werkzeugmaschine 10 bzw. des Maschinenbetts 13 und/oder des Werkstückträgers 19 möglich. Für eine genauere Kompensation ist jedoch die Kenntnis der Position des Schwerpunkts P wünschenswert. Zur Bestimmung der Position des Schwerpunkts P führt die Werkzeugmaschine 10 einen weiteren Testablauf durch. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten:
Z. B. wird der Werkstückträger 12 durch die Antriebseinrichtung 16 an einer gewünschten Z-Position vorzugsweise ruhend gehalten. In dieser Phase aktiviert die Steuereinrichtung 17 die Antriebseinrichtung 18, um den Werkstückträger 19 um die Drehachse A zu drehen. Eine solche Drehung ist in 6 oben symbolisiert. Nachdem der Schwerpunkt P außerhalb der Drehachse A liegt, entsteht eine Unwucht, die bei gleichmäßiger Drehung um die Drehachse A zu einem sinusförmigen Kraftverlauf führt, den die Antriebseinrichtung 16 aufwenden muss, um die Werkstückaufnahmeeinrichtung 12 an der gewünschten Z-Position ruhend zu halten. Nachdem zuvor die Masse m des Werkstücks 11 bestimmt worden ist, kann die Auswerteeinrichtung 23 aus dieser Kraftmessung auf den Abstand des Schwerpunkts P von der Drehachse A schließen. Je größer die erfasste Kraft F_z gemäß dem zum Beispiel sinusförmigen Verlauf des Signals S_z in 6 ist, desto größer ist bei gegebener Masse m der Abstand zwischen dem Schwerpunkt P und der Drehachse A. Dies gilt bei bekannter und festgelegter Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit.With knowledge of the mass m of the workpiece 11 is a first simple compensation of elastic deformations of the machine tool 10 or of the machine bed 13 and / or the workpiece carrier 19 possible. However, knowing the position of the center of gravity P is desirable for a more accurate compensation. To determine the position of the center of gravity P leads the machine tool 10 another test procedure. There are several possibilities for this:
For example, the workpiece carrier 12 by the drive device 16 preferably held at a desired Z-position resting. In this phase, the controller activates 17 the drive device 18 to the workpiece carrier 19 to rotate about the rotation axis A. Such a turn is in 6 symbolized above. After the center of gravity P is outside the axis of rotation A, an imbalance arises, which leads to a sinusoidal force curve with uniform rotation about the axis of rotation A, the drive means 16 must spend to the workpiece holder 12 to rest at the desired Z position. Having previously measured the mass m of the workpiece 11 has been determined, the evaluation 23 from this force measurement on the distance of the center of gravity P from the axis of rotation A close. The greater the detected force F _{z in} accordance with, for example, the sinusoidal profile of the signal S _z in 6 is, the greater for a given mass m, the distance between the center of gravity P and the axis of rotation A. This applies at a known and fixed speed or angular velocity.

Die Bestimmung der Koordinate Y_s des Schwerpunkts P durch Rotation um die Drehachse A kann auch ohne Zuhilfenahme der in Z-Richtung gemessenen Kraft F_z erfolgen. Zu diesem Zweck werden der Werkstückträger 19 und das darauf befindliche Werkstück 11 an konstanter Z-Position um die horizontale Drehachse A gedreht. Die Drehachse B ruht währenddessen. Liegt der Schwerpunkt P exzentrisch zu der Drehachse A, erzeugt die Gewichtskraft G infolge der Masse M des Werkstücks 11 ein sinusförmiges Lastmoment auf den Antrieb 18 der Drehachse A. Der positive und negative Maximalwert (d. h. Maximum und Minimum) dieses Lastmoments tritt jeweils dann auf, wenn die gedachte Verbindungslinie zwischen dem Schwerpunkt P und der Drehachse A horizontal liegt. Aus diesem Maximum (und/oder falls gewünscht auch dem Minimum) des Lastmoments lässt sich bei gegebener, d. h. zuvor bestimmter Masse m des Werkstücks 11, der Winkel α, unter dem der Schwerpunkt P in einem Polarkoordinatensystem mit der Zentralachse A steht, und der Abstand des Scherpunkts P zu der Drehachse A bestimmen. Somit ist letztlich die Koordinate Y_s des Schwerpunkts P bekannt oder bestimmbar. Die entsprechenden Berechnungen führt die Auswerteeinrichtung 23 aus. The determination of the coordinate Y _{s of} the center of gravity P by rotation about the axis of rotation A can also take place without the aid of the force F _z measured in the Z direction. For this purpose, the workpiece carrier 19 and the workpiece thereon 11 rotated at a constant Z-position about the horizontal axis of rotation A. The rotation axis B is resting during this time. If the center of gravity P is eccentric to the axis of rotation A, the weight G is generated as a result of the mass M of the workpiece 11 a sinusoidal load torque on the drive 18 The axis of rotation A. The positive and negative maximum value (ie maximum and minimum) of this load torque occurs in each case when the imaginary line connecting the center of gravity P and the axis of rotation A is horizontal. From this maximum (and / or if desired, the minimum) of the load torque can be at given, ie previously determined mass m of the workpiece 11 , the angle α under which the center of gravity P is in a polar coordinate system with the central axis A, and the distance of the shear point P to the axis of rotation A determine. Thus, ultimately, the coordinate Y _{s of} the center of gravity P is known or determinable. The corresponding calculations are carried out by the evaluation device 23 out.

Durch den Abstand zwischen dem Schwerpunkt P und der Drehachse A ist wie 7 oben zeigt, die Position des Schwerpunkts P noch nicht eindeutig festgelegt. Er kann auf einem beliebigen Punkt der im gleichen Abstand zu der Drehachse A verlaufenden Geraden 24 liegen. Zur genaueren Bestimmung der Position des Schwerpunkts P wird deswegen ein zweiter Test durchgeführt, bei dem das Werkstück 11 um die Drehachse B gedreht wird. in einer Ausführungsversion ist die Drehachse B dabei senkrecht zu der Z-Richtung gehalten, d. h. sie verläuft in Y-Richtung. Prinzipiell ist es aber auch möglich, mit geneigter Drehachse B oder mit parallel zu der Z-Richtung liegender B-Achse zu arbeiten.By the distance between the center of gravity P and the axis of rotation A is like 7 above shows, the position of the center of gravity P is not yet clearly defined. It can at any point of the same distance to the axis of rotation A extending straight line 24 lie. For a more accurate determination of the position of the center of gravity P, therefore, a second test is performed, in which the workpiece 11 is rotated about the rotation axis B. in an embodiment, the axis of rotation B is held perpendicular to the Z direction, ie it extends in the Y direction. In principle, however, it is also possible to work with inclined axis of rotation B or parallel to the Z direction lying B-axis.

Durch Drehung des Werkstücks 11 um die z. B. vertikale Drehachse B entsteht in Z-Richtung eine Reaktionskraft, die, wie zuvor beschrieben, zu einem die Kraft F_z kennzeichnenden Signal S_z führt. Bei Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ist dieses Signal S_z sinusförmig. Die Phasenlage dieses sinusförmigen Signalverlaufs kennzeichnet wie schon bei der Probedrehung um die Drehachse A den Winkel β, unter dem der Schwerpunkt P in einem Polarkoordinatensystem mit der Drehachse B als Bezugsachse steht. Damit ist die Position des Schwerpunkts P eindeutig erfasst. Sie kann bedarfsweise in kartesische Koordinaten X_s, Z_s des Werkstücks 11, des Werkstückträgers 19 oder der Werkzeugmaschine 10 umgerechnet werden. Die entsprechenden Berechnungen führt die Auswerteeinrichtung 23 aus.By turning the workpiece 11 around the z. B. vertical axis of rotation B is formed in the Z direction, a reaction force, which, as described above, leads to a force F _z characterizing signal S _z . When rotating at a constant angular velocity, this signal S _{z is} sinusoidal. The phase position of this sinusoidal waveform characterizes as in the trial rotation about the axis of rotation A the angle β, below which the center of gravity P is in a polar coordinate system with the axis of rotation B as a reference axis. Thus, the position of the center of gravity P is clearly detected. If necessary, it can be in Cartesian coordinates X _s , Z _{s of} the workpiece 11 , the workpiece carrier 19 or the machine tool 10 be converted. The corresponding calculations are carried out by the evaluation device 23 out.

Die Bestimmung der Koordinaten X_s und Z_s des Schwerpunkts P kann auch ohne Erfassung der Kraft in Z-Richtung durchgeführt werden. In diesem Fall wird zur Durchführung der Messung die B-Achse in Horizontalposition (oder auch in eine Schräglage) geschwenkt und die A-Achse arretiert. Bei nachfolgender Drehung des Werkstücks 11 um die B-Achse verursacht ein exzentrisch zu der Drehachse B liegender Schwerpunkt P wiederum ein sinusförmiges Lastmoment auf die Antriebseinrichtung 20, aus dessen Größe, insbesondere aus dessen Maximalwert und/oder aus dessen Minimalwert sich die Koordinaten X_s und Z_s berechnen lassen.The determination of the coordinates X _s and Z _{s of} the center of gravity P can also be performed without detecting the force in the Z direction. In this case, to perform the measurement, the B-axis in horizontal position (or in an inclined position) pivots and locks the A-axis. Upon subsequent rotation of the workpiece 11 around the B axis, a center of gravity P lying eccentrically to the axis of rotation B again causes a sinusoidal load torque on the drive device 20 from whose size, in particular from its maximum value and / or from its minimum value, the coordinates X _s and Z _s can be calculated.

Mit Kenntnis der Masse m und der Position X_s, Y_s, Z_s des Schwerpunkts P kann das von dem Werkstück 11 auf den Werkstückträger 19 in jeder Drehposition der Drehachse A ausgeübte Biegemoment und somit die sich daraus ergebende Verformung des Werkstückträgers 19 sowie gegebenenfalls weitere Elemente der Werkzeugmaschine 10 berechnet werden. Die Kompensation solcher Verformungen führt zu einem verbesserten Bearbeitungsergebnis. Es können die Auswerteeinrichtung 23 und/oder die Steuereinrichtung 17 dazu eingerichtet sein, die Steuerbefehle zur Steuerung der Bearbeitungseinheit 21 so zu beeinflussen, dass eine Verlagerung des Werkstücks 11 aus seiner Idealposition heraus infolge der Verformung des Werkstückträgers 12 und/oder des Maschinengestells 13 zu einem entsprechenden Nachführen der Bearbeitungseinheit 21 und somit zu einer Kompensation eines sonst auftretenden Bearbeitungsfehlers führt.With knowledge of the mass m and the position X _s , Y _s , Z _{s of} the center of gravity P, that of the workpiece 11 on the workpiece carrier 19 in each rotational position of the axis of rotation A exerted bending moment and thus the resulting deformation of the workpiece carrier 19 and optionally further elements of the machine tool 10 be calculated. The compensation of such deformations leads to an improved machining result. It can be the evaluation device 23 and / or the control device 17 be configured to the control commands to control the processing unit 21 so influence that a displacement of the workpiece 11 from its ideal position due to the deformation of the workpiece carrier 12 and / or the machine frame 13 for a corresponding tracking of the processing unit 21 and thus leads to a compensation of an otherwise occurring machining error.

Die Ermittlung der Masse m sowie auch der Position des Schwerpunkts P kann insbesondere nach Abschluss einer Schruppbearbeitung vor Durchführung einer Feinbearbeitung vorgenommen werden. Der bei der Feinbearbeitung und gegebenenfalls einem Finishing auftretende Materialabtrag ist typischerweise so gering, dass die sich daraus ergebende Änderung der Masse m des Werkstücks 11 und Änderung der Position des Schwerpunkts P nicht mehr negativ auf das Bearbeitungsergebnis auswirkt.The determination of the mass m as well as the position of the center of gravity P can be carried out, in particular after completion of a roughing before performing a fine machining. The material removal occurring during the fine machining and possibly finishing is typically so small that the resulting change in the mass m of the workpiece 11 and changing the position of the center of gravity P no longer adversely affects the machining result.

Mit der Erfindung wird es möglich, die genaue räumliche Lage eines Masseschwerpunkts P sowie die zugehörige Masse m des auf einem Rundtisch aufgespannten Werkstücks 11 zu ermitteln. Die genaue räumliche Lage des Schwerpunkts bedeutet, dass dessen Lage X_s, Y_s und Z_s in den kartesischen Koordinaten eines Koordinatensystems bekannt ist, dessen Nullpunkt durch den Schnittpunkt der Rundtischdrehachse B mit der Auflagefläche des Rundtischs gebildet wird. Die Ermittlung der Masse m erfolgt durch Beschleunigung in Z-Richtung und Auswertung des Antriebsdrehmoments des Vorschubmotors anhand eines Signals S. Die Ermittlung der Koordinate Y_s des Schwerpunkts P erfolgt durch Drehung um die horizontale Drehachse A und Auswertung des Antriebsmoments des Drehantriebs 18. Alternativ erfolgt die Bestimmung der Koordinate Y_s durch Auswertung des Antriebsdrehmoments der Antriebseinrichtung 16 bzw. deren Vorschubmotors. Die Ermittlung der Koordinaten X_s und Z_s des Schwerpunkts P erfolgt durch Rotation des Werkstücks 11 um die horizontal gestellte Drehachse B und Auswertung des Antriebsmoments des Drehantriebs 20 oder durch Rotation des Werkstücks 11 um die vertikal gestellte Drehachse B und wiederum Auswertung des Signals S_z, das die nötige Haltekraft und somit das Antriebsdrehmoment des Vorschubmotors der Antriebseinrichtung 16 kennzeichnet. Bezugszeichen: 10 Werkzeugmaschine 11 Werkstück 12 Werkstückaufnahmeeinrichtung 13 Maschinengestell 14 Linearführung 15 Lasterfassungseinrichtung 16 Antriebseinrichtung 17 Steuereinrichtung 18 Antriebseinrichtung 19 Werkstückträger 20 Antriebseinrichtung 21 Bearbeitungseinheit 22 Arbeitsspindel 23 Auswerteeinrichtung 24 Gerade With the invention, it is possible, the exact spatial position of a center of mass P and the associated mass m of the clamped on a rotary table workpiece 11 to investigate. The exact spatial position of the center of gravity means that its position X _s , Y _s and Z _s in the Cartesian coordinates of a coordinate system is known, whose zero point is formed by the intersection of the rotary table axis B with the support surface of the rotary table. The determination of the mass m is carried out by acceleration in the Z direction and evaluation of the drive torque of the feed motor based on a signal S. The determination of the coordinate Y _{s of} the center of gravity P takes place by rotation about the horizontal axis of rotation A and Evaluation of the drive torque of the rotary drive 18 , Alternatively, the determination of the coordinate Y _{s is carried out} by evaluating the drive torque of the drive device 16 or their feed motor. The determination of the coordinates X _s and Z _{s of} the center of gravity P takes place by rotation of the workpiece 11 around the horizontal rotation axis B and evaluation of the drive torque of the rotary drive 20 or by rotation of the workpiece 11 about the vertical axis of rotation B and in turn evaluation of the signal S _z , the required holding force and thus the drive torque of the feed motor of the drive device 16 features. Reference numerals: 10 machine tool 11 workpiece 12 Workpiece holding mechanism 13 machine frame 14 linear guide 15 Load detecting device 16 driving means 17 control device 18 driving means 19 Workpiece carrier 20 driving means 21 processing unit 22 work spindle 23 evaluation 24 Just

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009056492 B4 [0002]

Claims

Machine tool ( 10 ), in particular machine tool with static compensation of the workpiece weight, with a machine frame ( 13 ) for stationary installation, with at least one relative to the machine frame ( 13 ) with at least a first degree of freedom movably mounted workpiece receiving device ( 12 ), with at least one drive device ( 16 ) connected to the workpiece holder ( 12 ) in order to move them in at least one direction (Z) determined by the first degree of freedom, with at least one detection device ( 15 ) which is adapted to generate a signal (S _z ) corresponding to that of the drive means (S) 16 ) on the workpiece receiving device ( 12 ) exerted force (F _z ), with an evaluation device ( 23 ), to which the signal (S _z ) is fed in order to extract from the signal (S _z ) and from the workpiece holder device (S _z ). 12 ) carried out movement at least the mass (m) of the workpiece ( 11 ).

Machine tool according to claim 1, characterized in that the workpiece receiving device ( 12 ) is movably mounted in several degrees of freedom.

Machine tool according to claim 2, characterized in that each degree of freedom drive means ( 16 . 18 . 20 ) assigned.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that the first degree of freedom allows a horizontal linear movement and that the executed movement is a linear accelerated movement, wherein the workpiece mass (m) from the detected force (F _z ) and the detected acceleration (z '') is calculated.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that the degree of freedom allows a vertical linear movement and that the executed movement is a holding movement, wherein the workpiece mass is calculated from the detected holding force and the gravitational acceleration.

Machine tool according to one of the preceding claims, characterized in that a second degree of freedom allows a rotational movement about at least a first axis of rotation (A), which is oriented transversely to the predetermined by the first degree of freedom direction (z), and that the evaluation device ( 23 ) is adapted to, from the rotational movement about the axis of rotation (A), the distance of the center of gravity (P) of the workpiece ( 11 ) from the respective axis of rotation (A) and / or the Werkstückaufspannfläche and / or its Y-coordinate (Y _s ) with respect to the predetermined by the first degree of freedom direction (z) to determine.

Machine tool according to claim 6, characterized in that the evaluation device ( 23 ) for determining the Y-coordinate (Y _s ) the signal (S _z ) of the first degree of freedom associated drive device ( 16 ) uses.

Machine tool according to claim 6 or 7, characterized in that a further degree of freedom permits a rotational movement about at least one further axis of rotation (B) which is oriented transversely to the direction predetermined by the first degree of freedom (z) and transversely to the first axis of rotation (A) , and that the evaluation device ( 23 ) is arranged, from the rotational movement about the rotation axis (B), the X and Z coordinates (X _s , Z _s ) with respect to the direction (z) predetermined by the first degree of freedom and a direction (x) transverse to the to determine the direction (z) given by the first degree of freedom.

Machine tool according to claim 8, characterized in that the evaluation device ( 23 ) for determining the X and Z coordinates (X _s , Z _s ) the signal (S _z ) of the first degree of freedom associated drive device ( 16 ) uses.

Method for determining the weight of a workpiece ( 11 ) on a machine tool ( 10 ), with the following steps: accelerated movement of the workpiece ( 11 ) along a straight path in a first direction (z), detecting the force required for acceleration (F _z ), calculating the mass of the workpiece (m) based on the workpiece ( 11 ) and the detected force (F _z ).

The method of claim 10, wherein: the workpiece ( 11 ) is rotated about a first axis of rotation (A), which is used to rotate the workpiece ( 11 ) about the first axis of rotation (A) of a drive device ( 18 ) applied torque (M _A ) is detected and from the torque (M _A ) and the mass (m) of the workpiece ( 11 ) the distance of the center of gravity (P) from the Werkstückaufspannfläche and / or a Y-coordinate (Y _s ) of the center of gravity (P) transverse to the first direction (Z) is determined.

The method of claim 10, wherein: the workpiece ( 11 ) is rotated about a first axis of rotation (A), which is oriented transversely to the first direction (z), in the first direction (z) occurring force (F _z ) is detected, which is used to hold a workpiece holder ( 12 ) at a fixed position of the first direction (z) is required, from the force (F _z ) and the mass (m) of the workpiece ( 11 ) the distance of the center of gravity (P) from the Werkstückaufspannfläche and / or a Y-coordinate (Y _s ) of the center of gravity (P) transverse to the first direction (Z) is determined.

Method according to one of claims 10 to 12, wherein: the workpiece ( 11 ) is rotated about a second axis of rotation (B), which is oriented horizontally, which is used for rotating the workpiece ( 11 ) about the second axis of rotation (B) of a drive device ( 20 ) applied torque (M _B ) is detected and from the torque (Ms) and the mass (m) of the workpiece (G) the position (X _s , Z _s ) of the center of gravity (P) are determined.

Method according to one of claims 10 to 12, wherein: the workpiece ( 11 ) is rotated about a second axis of rotation (B), which is oriented transversely to the first direction (z), the workpiece ( 11 ) is rotated about the axis of rotation (B) and thereby by a drive device ( 16 ) applied force (F _z ) is detected, which for holding a workpiece receiving device ( 12 ) at a fixed position of the first direction (z) is required, and from the force (F _z ) and the mass (m) of the workpiece (G) the position (X _s , Z _s ) of the center of gravity (P) are determined.

A method according to claim 14, characterized in that the second axis of rotation (B) is oriented vertically in the measurement.