-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen sowie eine kalibrierbare Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Im Bereich der Fertigung kommen zur Bearbeitung von Werkstücken vermehrt numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen zum Einsatz, da diese weitestgehend automatisierte Vorgänge mit geringen Bearbeitungszeiten ermöglichen und so unter anderem zu einer signifikanten Erhöhung des Fertigungsvolumens im Vergleich zu konventionellen nicht numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen beitragen.
-
Ausführungen solcher Werkzeugmaschinen mit einer Vielzahl von numerisch steuerbaren Maschinenachsen, die z.B. als Rund- und/oder Linearachsen ausgeführt sein können, gestalten sich dahingehend vorteilhaft für Bearbeitung eines Werkstückes im Rahmen eines Fertigungsprozesses, da eine hochpräzise Bearbeitungen, die meist multiple Schritte umfasst, von einer einzigen Werkzeugmaschine weitestgehend autonom durchgeführt werden kann.
-
Um den Anforderungen an die durch die numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine durchgeführten Bearbeitungsvorgänge zu genügen, ist eine vorherige Kalibrierung der Werkzeugmaschine von Nöten, die auf eine durch die Maschinensteuerung zu verwendende, möglichst genaue kinematische Beschreibung der verschiedenen Maschinenachsen und der einzelnen Maschinenteile abzielt, deren Lage und Ausrichtung sich aufgrund zahlreicher Einflüsse, wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Materialabnutzung oder Gewichtsbelastung etc., verändern können.
-
Die möglichst genaue kinematische Beschreibung der Maschinenachsen und der Maschinenteile durch Angabe von Lage und Ausrichtung trägt maßgeblich zur Bearbeitungsgüte der durch die Werkzeugmaschine zu bearbeitenden Werkstücken bei, da andernfalls eine Bearbeitung unter Einhaltung der werkstückspezifischen Anforderungen, z.B. Form und/oder Lagetoleranzen, nicht gewährleistet werden kann.
-
Je nach Komplexität der betreffenden Werkzeugmaschine gestaltet sich ein solches Kalibrierungsverfahren als äußerst komplex und zeitaufwendig, da bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, z.B. gemäß den Druckschriften
DE 10 2015 219 141 A1 oder
DE 10 2016 226 073.1 , in der Regel ein oder mehrere zur Kalibrierung ausgelegte Messobjekte in der Maschine befestigt und deren Positionen anschließend mit einer dafür vorgesehenen Messeinrichtung in mehreren Maschinenstellungen ermittelt werden.
-
Bei dem in der Druckschrift
DE 10 2015 219 141 A1 gezeigten Verfahren handelte es sich um ein Verfahren zu Kalibrierung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit einer oder zwei Rundachsen, bei der auf einem zum Tragen von Werkstücken ausgebildeten Maschinenteil ein einzelnes Messobjekt befestigt wird und dessen Position in mehreren verschiedenen Winkelstellungen der einzelnen Rundachsen durch eine geeignete Messeinrichtung ermittelt wird. Auf Basis der ermittelten Positionen des Messobjekts kann die Lage und Ausrichtung einzelner Maschinenachsen und/oder einzelner Maschinenteile beschrieben werden.
-
Ein in ähnlicher Weise aufgebautes Kalibrierungsverfahren ist in der Druckschrift
DE 10 2016 226 073.1 gezeigt. Das hier offenbarte Verfahren zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen unterscheidet sich von dem aus Der Druckschrift
DE 10 2015 219 141 A1 unter anderem in Bezug auf die zur Kalibrierung eingesetzte Vorrichtung, die in diesem Fall zwei an einem Maschinenteil befestigte Messobjekte umfasst, die über ein Abstandselement miteinander verbunden sind.
-
Nach erfolgter Kalibrierung der Werkzeugmaschine werden die zur Kalibrierung befestigten Messobjekte entfernt und es kann eine durch die Werkzeugmaschine durchzuführende Bearbeitung eines Werkstückes erfolgen, welches auf einem dafür ausgelegten Maschinenteil, z.B. einer Palette oder einem Arbeitstisch, befestigt wird. Nach erfolgter Bearbeitung des Werkstücks durch die Werkzeugmaschine wird dieses im Rahmen eines industriellen Fertigungsprozesses direkt gegen ein noch zu bearbeitendes Werkstück ausgetauscht, um so die Stillstandzeiten der Werkzeugmaschine möglichst niedrig zu halten.
Ein solcher sich wiederholender Austausch beeinflusst die Maschinenkinematik und erfordert daher üblicherweise nach einer gewissen Zeit eine neue Kalibrierung der Werkzeugmaschine. Ebenso kann die Maschinenkinematik auch durch weitere Effekte, z.B. in Form signifikanter Änderungen der Betriebsbedingungen, beispielsweise der Umgebungstemperatur, eine erneute Kalibrierung der Werkzeugmaschine erfordern.
Die üblicherweise eingesetzten Verfahren, wie beispielhaft anhand der zuvor genannten, in den Druckschriften
DE 10 2015 219 141 A1 oder
DE 10 2016 226 073.1 gezeigten Verfahren erläutert, äußern sich dahingehend nachteilig, dass diese mit entsprechendem Zeit- und Arbeitsaufwand verbunden sind und daher zu erhöhten Stillstandzeiten der Werkzeugmaschine führen.
Zudem können durch eine solch zeitaufwendiges Kalibrierungsverfahren die aus den ermittelten Positionen der Messobjekte bestimmte Kalibrierung selbst verfälscht werden, da die einzelnen Positionsermittlungen der Messobjekte in verschiedenen Maschinenstellungen jeweils in verhältnismäßig großen zeitlichen Abständen zueinander erfolgen und somit wesentliche, zwischen den einzelnen Ermittlungsschritten auftretende Änderungen der Maschinenkinematik nicht oder nur unzureichend erfasst werden können. Weiterhin werden auch die durch einen verhältnismäßig langen zeitlichen Abstand zwischen der letzten Positionsermittlung im Rahmen eines solchen Kalibrierungsverfahrens und dem Beginn der Werkstückbearbeitung (z.B. aufgrund eines zeitaufwendigen Vorgangs mit Entfernen der Messobjekte und Aufspannen des zu bearbeitenden Werkstücks) bedingten Änderungen der Maschinenkinematik nicht oder nur unzureichend erfasst.
-
Unter diesen Gesichtspunkten findet sich im Stand der Technik in der Druckschrift
DE 10 2012 207 336 A1 hierzu ein vereinfachtes Kalibrierungsverfahren, welches auf einer ersten initialen Kalibrierung einer einzelnen Rundachse und teilweiser Anpassungen dieser Kalibrierung in vorbestimmten Zeitabständen beruht.
Bei diesem Verfahren wird die Werkzeugmaschine mit der einzelnen Rundachse initial kalibriert, in dem die räumlichen Positionen eines auf einem über die Rundachse drehbar gelagerten, zur Aufnahme eines Werkstückes ausgebildeten Maschinentischs befestigten Messobjekts ermittelt werden.
Zur späteren Anpassung dieser initialen Kalibrierung sind außerhalb des drehbar gelagerten Maschinentischs ein erstes und ein zweites Messobjekt fest bezüglich der Werkzeugmaschine angebracht.
Im direkten Anschluss an die initiale Kalibrierung werden der Abstand des ersten Messobjekts zur Rundachse bzgl. einer ersten Raumrichtung und der Abstand des zweiten Messobjekts bzgl. einer zur ersten Raumrichtung senkrecht stehenden zweiten Raumrichtung ermittelt.
-
In vorbestimmten Zeitabständen können diese Abstände zu den außerhalb des Maschinentischs angebrachten Messobjekten neu ermittelt werden, um so auf Basis der anfänglichen bestimmten Abstände die initiale Kalibrierung der Werkzeugmaschine entsprechend anzupassen.
-
Obgleich dieses Vorgehen aufgrund des im Vergleich zur initialen Kalibrierung reduzierten Informationsgehalts, der aus der Neuermittlung der Abstände hervorgeht und daher nur teilweise Anpassungen der initialen Kalibrierung gestattet, stellt ein solches Verfahren eine vorteilhafte, zeitsparende Maßnahme zur Wahrung der üblicherweise geforderten Bearbeitungsgüte der Werkzeugmaschine dar, welche z.B. zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten ohne größeren Aufwand durchgeführt werden kann.
-
Bei unzureichend genauer Kalibrierung der betreffenden Werkzeugmaschine können die für die Bearbeitung einzelner Werkstücke festgesetzten Anforderungen, wie z.B. Form- und Lagertoleranzen, in der Regel nicht mehr gewährleistet werden, weshalb die unter diesen Umständen bearbeiteten Werkstücke größtenteils als Ausschuss einzustufen sind.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein zeiteffizientes Verfahren zur Kalibrierung einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, ausgehend vom nächstliegenden Stand der Technik in
DE 10 2012 207 336 A1 für den Einsatz bei einer mehrachsigen Werkzeugmaschine sinnvoll weiterzubilden.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kalibrierungsverfahren nach Anspruch 1 sowie eine zur Anwendung des Kalibrierungsverfahrens ausgelegte numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 10 vorgeschlagen.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich dabei auf bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die jeweils für sich genommen oder in Kombination bereitgestellt werden können.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine bereitgestellt, wobei die Werkzeugmaschine zumindest einen Maschinenteil A, einen durch eine erste steuerbare Maschinenachse relativ zum Maschinenteil A verfahrbaren, zum Tragen eines Werkstücks ausgebildeten Maschinenteil B sowie mehrere weitere steuerbare Maschinenachsen zur relativen Positionierung des Werkstücks gegenüber einer Bearbeitungseinrichtung der Werkzeugmaschine aufweist. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte:
- a) Befestigen eines oder mehrerer Messobjekte auf dem Maschinenteil B,
- b) Ermitteln von räumlichen Positionen des/der Messobjekte in einer oder mehreren durch eine numerische Maschinensteuerungseinheit vorgegebenen Maschinenstellungen der Werkzeugmaschine,
- c) Bestimmen eines oder mehrerer zur Verarbeitung durch die Maschinensteuerungseinheit ausgelegter Bezugsparameter zur Beschreibung von Lage und Ausrichtung der Maschinenachsen und der Maschinenteile der Werkzeugmaschine auf Basis der ermittelten räumlichen Positionen des/der auf Maschinenteil B befestigten Messobjekte und kennzeichnet sich dadurch, dass es weiterhin die Schritte
- d) Ermitteln einer räumlichen Referenz-Position eines weiteren, am Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts zu einem Zeitpunkt T1,
- e) Ermitteln einer räumlichen Ist-Position des am Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts zu einem späteren Zeitpunkt T2>T1,
- f) Anpassen von einem oder mehreren bestimmten Bezugsparametern auf Basis der ermittelten Referenz- und Ist-Position des am Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts.
umfasst.
-
Nach einer umfassenden initialen Kalibrierung gemäß den Schritten a) bis c), die eine vollständige kinematische Beschreibung der Werkzeugmaschine auf Basis der durch die Steuerungseinheit verarbeitbaren Bezugsparameter liefert, gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft, da mit verhältnismäßig geringem Aufwand die Bezugsparameter bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt zumindest teilweise an eine im Vergleich zum initialen Zustand veränderte Werkzeugmaschinenkinematik angepasst werden können. Hierzu ist es erforderlich im direkten Anschluss an die initiale Kalibrierung weiterhin die Referenz-Position des an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts gemäß Verfahrensschritt d) zu ermitteln. Die Anpassung der Bezugsparameter erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt gemäß den Schritten e) und f) auf Basis einer Ermittlung der Ist-Position des Messobjekts, die sich aufgrund einer sich verändernden Werkzeugmaschinenkinematik üblicherweise von der anfänglichen Referenzposition unterscheidet.
-
Eine solche in vorbestimmten zeitlichen Abständen stattfindende Anpassung ist gerade bei Werkzeugmaschinen mit multiplen Maschinenachsen notwendig, da unter anderem durch den Betrieb der Werkzeugmaschine bedingte Einflüssen, die von strukturellen Verformungen einzelner Maschinenteile, beispielsweise aufgrund der Gewichtsbelastung des zu bearbeitenden Werkstücks, bis hin zu thermisch bedingten Ausdehnungen einzelner Maschinenteile und/oder -achsen reichen können und zu Änderungen von Lage und Ausrichtung einzelner oder sogar mehrerer Maschinenachsen und/oder Maschinenteile führen können. Weiterhin kommt es im Rahmen des Einsatzes einer solchen Werkzeugmaschine in industriellen Fertigungsprozessen in regelmäßigen Zeitabständen zu Werkstückdispositionen, bei der die zu bearbeitenden Werkstücke ausgetauscht werden, was üblicherweise ebenso eine Veränderung der Werkzeugmaschinenkinematik mit sich bringt.
-
Diese im Laufe des Betriebs auftretenden Änderungen der Werkzeugmaschinenkinematik können nur unzureichend durch eine lediglich initial erfolgende Kalibrierung auf Basis der auf Maschinenteil B befestigten Messobjekte abgefangen werden. Eine Anpassung der initial bestimmten Bezugsparameter durch erneute Befestigung und Positionsermittlung der Messobjekte auf Maschinenteil B ist unter anderem aus wirtschaftlichen Gründen hinsichtlich der hiermit verbundenen Stillstandzeiten der Werkzeugmaschine nachteilig und kann darüber hinaus in der Regel nicht gleichzeitig bei in der Werkzeugmaschine befestigtem, zu bearbeitenden Werkstück vorgenommen werden.
Unter diesem Gesichtspunkt gestaltet sich die Anpassung der Bezugsparameter auf Basis eines an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts als besonders vorteilhaft, da die Schritte e) und f) des erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig von einem für eine Bearbeitung von Maschinenteil B getragenen Werkstück vorgenommen werden kann und darüber hinaus die Bearbeitung selbst nicht behindert und im Vergleich zur initialen Kalibrierung nur einen geringen zeitlichen Aufwand aufweist.
Dieser geringe zeitliche Aufwand bedingt weiterhin, dass ein Zeitpunkt einer im Rahmen des erfindungsgemäßen Kalibrierungsverfahrens vorgenommenen Positionsermittlung der Ist-Position des an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts mit anschließender Anpassung der Bezugsparameter und ein sich üblicherweise daran anschließender Zeitpunkt einer Bearbeitung des getragenen Werkstücks zeitlich sehr nahe beieinander liegen. Dies gestaltet sich dahingehend vorteilhaft, dass zwischen den beiden genannten Zeitpunkten keine wesentlichen Änderungen der Maschinenkinematik, z.B. aufgrund von Umgebungseinflüssen, auftreten.
-
Weiterhin erfolgt die verhältnismäßig schnelle Anpassung der Bezugsparameter im Rahmen des erfindungsgemäßem Kalibrierungsverfahren quasi in einem geometrischen Verharrungszustand, da die Positionsermittlung des an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts selbst in kürzester Zeit erfolgt und somit unter anderem eine nahezu konstante Maschinentemperatur bzw. Arbeitsspindeltemperatur oder eine nahezu konstante durch Gewichtsbelastung des Werkstücks hervorgerufene Verformung einzelner Maschinenteile vorliegt.
-
Im Gegensatz zum Verfahren gemäß Druckschrift
DE 10 2012 207 336 A1 wird beim erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafter Weise die räumliche Ist-Position eines einzelnen an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts bestimmt, woraus mindestens drei unabhängige Ortsinformationen gewonnen werden können und sich damit ein auf die Anzahl der Messobjekte bezogener höherer Informationsgehalt ergibt.
Weiterhin kann im Gegensatz zu dem Verfahren aus Druckschrift
DE 10 2012 207 336 A1 in vorteilhafter Weise der Effekt einer durch die Gewichtsbelastung des Werkstücks bedingten Verformung einzelner Maschinenteile in beliebigen Maschinenstellungen durch das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt werden. Die hierfür notwendige Positionsermittlung muss eine vollständige, räumliche Beschreibung des Messobjekts umfassen, was durch eine gemäß der Druckschrift
DE 10 2012 207 336 A1 reine Abstandsmessung entlang einer Raumrichtung nicht möglich wäre.
-
Weiterhin gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend vorteilhaft, dass für die initial erfolgende Kalibrierung mit auf Maschinenteil B befestigten Messobjekten unterschiedliche Verfahren, z.B. Verfahren nach Druckschrift
DE 10 2015 219 141 A1 oder Druckschrift
DE 10 2016 226 073.1 , zum Einsatz kommen können, die lediglich einmalig zu Beginn durchgeführt werden müssen. Die zeitlich später erfolgende Anpassung mit Hilfe des an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts ist hiervon weitestgehend unabhängig.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bearbeitungseinrichtung der Werkzeugmaschine als eine zur Aufnahme eines Werkzeugs ausgebildeten Arbeitsspindel ausgeführt.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Maschinenteil A der Werkzeugmaschine mit dem daran fest angebrachten Messobjekt durch eine zweite steuerbare Maschinenachse verfahrbar gestaltet.
-
Hierdurch wird die Flexibilität der Werkzeugmaschine hinsichtlich möglicher Verfahrbewegungen erhöht, sodass umfassendere, komplexere Bearbeitungen am Werkstück vorgenommen werden können.
Weiterhin kann durch ein Verfahren des Maschinenteils A das daran befestigte Messobjekte in eine für die Ermittlung der Ist-Position besonders günstige Stellung bezüglich der Werkzeugmaschine verfahren werden.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erste steuerbare Maschinenachse der Werkzeugmaschine als eine erste Rundachse ausgeführt.
-
Hieraus ergibt sich unter anderem der Vorteil, dass sich die relativ zu Maschinenteil A angegebenen Position des gemeinsamen Schwerpunkts aus Maschinenteil A und Maschinenteil B durch ein Änderung der Winkelstellung der ersten Rundachse in der Regel nicht oder nur in geringem Maße ändert.
Im Gegensatz hierzu würde eine translatorische Bewegung von Maschinenteil B gegenüber Maschinenteil A dazu führen, dass sich die Position des gemeinsamen Schwerpunkts verändern würde.
Es wird somit im Falle der Ausführung mit einer ersten Rundachse gewährleistet, dass sich damit auch die Position des an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts in Relation zu besagtem gemeinsamen Schwerpunkt von Maschinenteil A und Maschinenteil B nicht oder nur geringfügig ändert.
Ändert sich der räumliche Abstand zwischen Messobjekt und dem gemeinsamen Schwerpunkt und ist nicht nahezu konstant, können über diese Distanz auftretende Effekte, z.B. eine strukturelle Veränderung in Form einer Durchbiegung, nicht oder nur unzureichend mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden.
Daher ist eine in diesem Sinne negative Beeinflussung der Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhafter Weise ausgeschlossen oder fällt zumindest nur äußerst gering aus.
Die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dahingehend optimiert werden, dass das an Maschinenteil A befestigte Messobjekt eine möglichst geringe räumliche Distanz zum gemeinsamen Schwerpunkt der Maschinenteile A und B aufweist.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zweite steuerbare Maschinenachse der Werkzeugmaschine als eine bzgl. der ersten Rundachse geneigt oder senkrecht stehende zweite Rundachse zum Drehen des Maschinenteils A ausgeführt.
Das Verfahren kann somit in vorteilhafter Weise für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen, bei der das zu bearbeitende Werkstück selbst über zwei Rundachsen positioniert werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum handeln, bei der Maschinenteil A als ein um die zweite Rundachse drehbarer Maschinentisch und Maschinenteil B als eine über die erste Rundachse drehbar gelagerte Palette zum Tragen von Werkstücken ausgeführt ist und beispielhaft drei weitere als Linearachsen ausgeführte Maschinenachsen zum Verfahren der Bearbeitungseinrichtung ausgeführt sind, wobei die Bearbeitungseinrichtung vorteilhafter Weise als werkzeugtragende Arbeitsspindel ausgeführt sein kann.
Bei einem solchen oder dazu ähnlichen Aufbau der Werkzeugmaschine kann sich bei entsprechender Orientierung zum Schwerefeld der Erde ein verhältnismäßig hoher Grad an durch Gewichtskräfte verursachten strukturellen Verformung, z.B. von Maschinenteil A, ergeben. Die zur Lagerung des Maschinenteils A um die zweite Rundachse Lagerungsstellen sind üblicherweise an zwei gegenüberliegenden Endseiten des Maschinenteils A angeordnet, wohingegen die erste Rundachse mit dem dadurch gelagertem Maschinenteil B in der Regel mittig, zwischen den Lagerungsstellen von Maschinenteil A angebracht ist und damit eine Distanz zu den Lagerstellen selbst aufweist. Ein solcher Aufbau kann damit zu einer verhältnismäßig starken Durchbiegung von Maschinenteil A führen, die es im Hinblick auf die Einhaltung der Bearbeitungsgüte der Werkzeugmaschine zu berücksichtigen gilt.
Da eine Positionsermittlung des am Maschinentisch angebrachten Messobjekts auch zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten bei eingespanntem Werkstück erfolgen kann, können solche, beispielsweise durch Eigengewicht oder ähnliche Effekte bedingten Verformungen des Maschinenteils A in einer für den jeweiligen nächsten Bearbeitungsschritt einzunehmenden Maschinenstellung im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst und durch eine Anpassung der Bezugsparameter berücksichtigt werden.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die räumliche Referenz- und oder Ist-Position des an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts über eine zum Antasten konfigurierte Messeinrichtung ermittelt.
-
In vorteilhafter Weise können so die genannten Positionen des am Maschinenteil A befestigten Messobjekts möglichst zeiteffizient ermittelt werden, da die hierfür verwendete Messeinrichtung, sogenannte Messtaster, beispielsweise direkt von einer dazu ausgebildeten Aufnahmevorrichtung der Bearbeitungseinrichtung der Werkzeugmaschine aufgenommen werden kann und in verhältnismäßig kurzer Zeit die Position(en) des an Maschinenteil A befestigten Messobjekts durch ein Antasten ermittelt.
-
Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Verwendung eines zum Antasten konfigurierten taktilen Messgeräts, welches Messobjekte in allen Raumrichtungen antasten kann; z.B. in Form eines schaltenden Tastsystems, welches einen optischen Schalter als Sensor aufweist, der Auslenkungen eines zum Antasten ausgeführten Taststifts verschleißfrei detektieren kann.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das für die Kalibrierung verwendete, an Maschinenteil A fest angebrachte Messobjekt eine zum Antasten in drei Raumrichtungen geeignete Geometrie auf.
-
In diesem Sinne kann das Messobjekt beispielsweise als eine ringförmige Geometrie oder aber eine zylindrischen Kavität ausgeführt sein. Letzteres gestaltet sich dahingehend vorteilhaft, dass das Messobjekt durch ein verschlussartig gestaltete Schutzvorrichtung oder Abdeckung vor Verunreinigung, durch beispielsweise bei einer zerspanenden Bearbeitung des Werkstücks anfallenden Materialspänen, geschützt werden kann und damit die Genauigkeit der Positionsermittlung im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht negativ beeinflusst wird.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung und/oder die Anpassung der Bezugsparameter in bevorzugter Weise auf Basis von Soll-Positionen der an Maschinenteil B befestigten Messobjekte und/oder des an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts, welche aus den durch die Maschinensteuerungseinheit vorgegebenen Maschinenstellungen bestimmt werden und diese Soll-Positionen mit den ermittelten räumlichen Positionen verglichen werden.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung der Ist-Position des an Maschinenteilteil A fest angebrachten Messobjekts und die Anpassung von einem oder mehreren Bezugsparametern in vorbestimmten zeitlichen Abständen.
-
Der sich aus einer wiederholten Ausführung der Schritte e) und f) des erfindungsgemäßen Verfahrens ergebende Vorteil besteht darin, dass auch Änderungen von Lage und Ausrichtung einzelner Maschinenachsen und/oder einzelner Maschinenteile, die sich erst nach einem verhältnismäßig langen Zeitraum bemerkbar machen, bei der Anpassung der Bezugsparameter berücksichtigt werden können. Hierunter fallen beispielsweise Setzeffekte, Materialabnutzungen, Änderungen der Umgebungstemperatur oder aber betriebsbedingte Materialausdehnungen, die sich z.B. in Form von Längenänderungen einzelner Maschinenachsen äußern können. Durch eine zeitlich wiederkehrende Anpassung der Bezugsparameter auf Basis der in vorbestimmter zeitlicher Abfolge ermittelten Ist-Positionen können die dadurch resultierenden negative Auswirkungen auf die Bearbeitungsgüte der Werkzeugmaschine zuverlässig kompensiert werden.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst dieses weiterhin folgende Schritte:
- g) Ermitteln weiterer räumlicher Ist-Positionen des fest an Maschinenteil A angebrachten Messobjekts in mehreren Maschinenstellungen der Werkzeugmaschine in zeitlich kurzer Abfolge zu Zeitpunkt T2.
- h) Anpassen von einem oder mehreren bestimmten Bezugsparametern auf Basis der ermittelten Referenzposition und der in mehreren Maschinenstellungen ermittelten Ist-Positionen des am Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts.
-
Dies hat den Vorteil, dass zusätzliche Ortsinformationen des an Maschinenteil A befestigten Messobjekts in mehreren, verschiedenen Maschinenstellungen ermittelt werden und so eine umfassendere Anpassung von einem oder mehreren Bezugsparametern ermöglicht wird.
Besonders im Falle einer Kalibrierung einer Werkzeugmaschine mit einer zweiten Rundachse zum Drehen des Maschinenteils A gestaltet sich eine solche Anpassung der Bezugsparameter besonders vorteilhaft, da hierdurch Änderungen der räumlichen Ausrichtung der zweiten Rundachse erfasst und bei der Anpassung der Bezugsparameter und damit bei der Beschreibung der Werkzeugmaschinenkinematik berücksichtigt werden können.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Werkzeugmaschine bereitgestellt, die einen Maschinenteil A, einem zum Tragen eines Werkstücks ausgebildeten Maschinenteil B, welcher über eine erste steuerbare Maschinenachse relativ zum Maschinenteil A verfahrbar gestaltet ist, mehrere weitere steuerbare Maschinenachsen zur relativen Positionierung des Werkstückes gegenüber einer Bearbeitungseinrichtung, einer zur numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine ausgebildeten Maschinensteuerungseinheit und einer zur Ermittlung räumlicher Positionen von Messobjekten konfigurierten Messeinrichtung umfasst und sich dadurch kennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine weiterhin ein am Maschinenteil A fest angebrachtes Messobjekt aufweist und die Maschinensteuerungseinheit dazu konfiguriert ist, eine von der Messeinrichtung ermittelte räumliche Position des am Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts zu empfangen und ein oder mehrere in der Maschinensteuerungseinheit hinterlegte Datensätze mit Bezugsparametern, welche zur Verarbeitung durch die Maschinensteuerungseinheit ausgelegt sind und Lage und Ausrichtung der Maschinenachsen und der Maschinenteile der Werkzeugmaschine beschreiben, anzupassen.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Bearbeitungseinrichtung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine als eine zur Aufnahme eines Werkzeugs ausgebildeten Arbeitsspindel ausgeführt.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Maschinenteil A der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine durch eine zweite steuerbare Maschinenachse verfahren werden.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste steuerbare Maschinenachse der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine als eine erste Rundachse zum Drehen des Maschinenteils B ausgeführt.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite steuerbare Maschinenachse als eine bzgl. der ersten Rundachse geneigt oder senkrecht stehende zweite Rundachse zum Drehen des Maschinenteils A ausgeführt.
-
Durch eine solche Kombination zweier Rundachsen ergibt sich ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des zu bearbeitenden Werkstückes, sodass umfassendere und/oder komplexere Bearbeitungsschritte vorgenommen werden können.
Bei einem solchen Aufbau einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine handelt es sich beim Maschinenteil A üblicherweise um einen um die zweite Rundachse drehbaren Maschinentisch, an dem über die erste Rundachse der als Palette ausgeführte Maschinenteil B drehbar gelagert ist und zum Tragen eines Werkstücks ausgebildet ist.
Im Rahmen eines industriellen Fertigungsprozesses können nicht nur die Werkstücke selbst bezüglich der Werkzeugmaschine disponiert werden, sondern auch die Palette samt Werkstück selbst.
Das an Maschinenteil A bzw. in diesem Fall das am Maschinentisch fest angebrachte Messobjekt ist in vorteilhafter Weise bei einer solchen Art der Disposition nicht betroffen und kann selbst nach Austausch des, in diesem Fall als Palette ausgeführten, Maschinenteils B nach wie vor von der Messeinrichtung der Werkzeugmaschine angefahren werden, um dessen Position zu ermitteln.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist Messeinrichtung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine dazu konfiguriert, die räumlichen Positionen von Messobjekten durch Antasten zu ermitteln.
-
Die hierfür üblicherweise verwendeten Messeinrichtungen können vorteilhafter Weise in einem Werkzeughalter bereitgestellt werden, der im Falle einer verfahrbaren Bearbeitungseinrichtung von dieser angefahren werden kann, um in ganz oder zumindest teilweise automatisierter Weise die zum Antasten konfigurierte Messeinrichtung aufzunehmen.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das fest an Maschinenteil A der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine angebrachte Messobjekt eine zum Antasten in drei Raumrichtungen geeignete Geometrie auf.
-
Dies kann in vorteilhafter Weise als ringförmige Geometrie oder zylindrische Kavität ausgeführt sein.
-
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine fünf Maschinenachsen auf, von denen zwei als zueinander geneigt oder senkrecht angeordnete Rundachsen und drei als Linearachsen ausgeführt sind, wobei die erste Rundachse zum Drehen von Maschinenteil B relativ zu Maschinenteil A und die zweite Rundachse zum Drehen von Maschinenteil A ausgebildet ist, die Bearbeitungseinrichtung als eine zum Tragen eines Werkzeugs ausgebildete über die drei Linearachsen verfahrbare Arbeitsspindel ausgeführt ist und das fest am Maschinenteil A angebrachte Messobjekt als zylinderförmige Kavität oder ringförmige Geometrie ausgebildet ist.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
- 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Maschinenteilen A und B mit dem an Maschinenteil A befestigten Messobjekt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
-
Detaillierte Beschreibung der Figuren und bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
-
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Zuhilfenahme der beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.
-
Es wird hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikationen der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
-
1 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung einer Werkzeugmaschine.
-
In einem ersten Schritt S01 des gezeigten Ausführungsbeispiels werden zur Kalibrierung benötigten Messobjekte an Maschinenteils B befestigt.
-
In einem sich anschließenden Schritt S02 werden die räumlichen Positionen der auf Maschinenteil B befestigten Objekte in mehreren Maschinenstellungen ermittelt und im Anschluss im Zuge eines Schrittes S03 an die Maschinensteuerungseinheit der Werkzeugmaschine übertragen.
-
Die Maschinensteuerungseinheit bestimmt auf Basis der in Schritt S03 übertragenen Positionsinformationen die zur Beschreibung der Maschinenkinematik durch die Maschinensteuerungseinheit verwertbaren Bezugsparameter in einem Schritt S04.
-
Im Anschluss wird in einem Schritt S05 die räumliche Referenz-Position eines an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts ermittelt und in einem Schritt S06 ebenfalls an die Maschinensteuerungseinheit übertragen, um dort hinterlegt zu werden.
-
In einem in der Regel zeitlich später stattfindenden Schritt S07 wird die räumliche Ist-Position des an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts ermittelt und in einem Schritt S08 ebenfalls an die Maschinensteuerungseinheit übertragen.
-
Die Maschinensteuerungseinheit passt anschließend in einem Schritt S09 auf Basis der in Schritt S06 und Schritt S08 übertragenen Referenz- und Ist-Position des an Maschinenteil A fest angebrachten Messobjekts ein oder mehrere Bezugsparameter an, um so die Maschinenkinematik akkurat beschreiben zu können.
-
In einem sich anschließenden Schritt S10 wird nach einer vorbestimmten Zeit das Kalibirierungsverfahren erneut durchgeführt, beginnend mit Schritt S07, welcher die Ermittlung der räumlichen Ist-Position des an Maschinenteil A befestigten Messobjekts umfasst.
-
Hierdurch wird gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine sich in zeitlich vorbestimmten Zeitabständen wiederholende Anpassung der Bezugsparameter durch erneutes Durchführen der Schritte S07, S08 und S09 realisiert.
-
2 zeigt die Maschinenteile A und B mit dem an Maschinenteil A befestigten Messobjekt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
Bei dem gezeigten Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist Maschinenteil A als durch die erste Rundachse schwenkbarer Maschinentisch 101 ausgeführt, auf dem in der gezeigten Maschinenstellung oberseitig der als zylinderförmige Palette 102 ausgeführte Maschinenteil B über die erste Rundachse gelagert ist.
-
Die Gestaltung der oberflächigen Geometrie der Palette 102 weist hierbei mehrere zum Mittelpunkt der Palette 102 hin orientierte, nutenförmige Aussparungen 102a auf, die zur palettenseitigen Befestigung von Werkstücken und/oder den im Sinne des Kalibrierungsverfahrens verwendeten Messobjekten ausgebildet ist.
-
Unterhalb der Palette 102 ist das Messobjekt 200 an Maschinentisch 101 angebracht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Messobjekt 200 eine für die Positionsermittlung zu verwendende zylindrische Kavität 200b auf, die in einem Trägerelement 200a des Messobjekts eingebracht ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Maschinentisch
- 102
- Palette
- 102a
- Nuten zur Befestigung von Werkstücken/Messobjekten auf Palette
- 200
- an Maschinenteil A fest angebrachtes Messobjekt
- 200a
- Trägerelement
- 200b
- zylindrische Kavität
-
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 102015219141 A1 [0006, 0007, 0008, 0009, 0022]
- DE 102016226073 [0006, 0008, 0009, 0022]
- DE 102012207336 A1 [0010, 0014, 0021]
