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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messkörper zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine sowie eine 3-achsige Werkzeugmaschine mit einer verbesserten geometrischen Genauigkeit sowie ein Verfahren zur Überprüfung und Kompensation von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine.
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Ein bekannter Problemkreis bei Werkzeugmaschinen ist die geometrische Genauigkeit der Werkzeugmaschine. Die geometrische Genauigkeit einer Werkzeugmaschine wird durch die relative Abweichung der Ist-Position und -Orientierung des Werkzeugs zum Werkstück von der Soll-Position und -Orientierung bestimmt. Dieser Fehler ist damit ursächlich für Abweichungen von der idealen Werkstückgeometrie und damit für die Arbeitsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine. Zur Verbesserung der geometrischen Genauigkeit werden in der Regel Einzelachsabweichungen sowie die Lage- und Ausrichtung der Einzelachsen zueinander betrachtet.
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Unter Annahme eines Starrkörpermodells weist eine 3-achsige Werkzeugmaschine dabei jeweils drei lineare Abweichungen (einmal in Achsrichtung und zweimal senkrecht zur Achsrichtung) sowie drei rotatorische Abweichungen (Gieren, Nicken und Rollen) auf. Somit ergeben sich für jede Linearachse sechs Abweichungen, sodass sich für die drei Linearachsen 18 Abweichungen ergeben. Zusätzlich müssen noch drei Rechtwinkligkeitsabweichungen der Linearachsen zueinander betrachtet werden. Somit weist eine 3-achsige Werkzeugmaschine insgesamt einundzwanzig mögliche Fehler in der Geometrie auf. Hierbei können sich die einzelnen Abweichungen überlagern und dann tatsächlich zu einem großen Gesamtfehler führen, was die geometrische Genauigkeit der Werkzeugmaschine in unerwünschter Weise beeinflusst.
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Die
DE 10 2020 130 193 B3 beschreibt einen Messkörper zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen in einer 3-achsigen Werkzeugmaschine umfassend eine Basisplatte, eine erste Wand, welche an der Basisplatte angeordnet ist und senkrecht von der Basisplatte vorsteht, eine zweite Wand, welche an der Basisplatte angeordnet ist und senkrecht von der Basisplatte vorsteht. Dabei ist in der Basisplatte eine erste Lochreihe und eine zweite Lochreihe ausgebildet. Des Weiteren weist die erste Wand (21) an einem oberen, freiliegenden Bereich einen treppenstufenförmigen Bereich (25) mit einer Vielzahl von Stufen (25a) auf, und die zweite Wand (22) an einem oberen, freiliegenden Bereich einen treppenstufenförmigen Bereich (25) mit einer Vielzahl von Stufen (25a) auf.
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Die
DE 296 18 726 U1 beschreibt einen Kugelquader zur periodischen Ermittlung der Abweichungskomponenten „Rollen, Gieren, Nicken, Positionsabweichung, Rechtwinkligkeitsabweichung und Ständerkippung“ sowie der Längenmessabweichungen von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen mit drei kartesischen Bewegungsachsen, basierend auf einem Quader bei dem in mindestens sieben der acht Ecken jeweils eine Kugel angebracht ist, deren Mittelpunktskoordinaten durch Kalibrierung bekannt sind, wobei die Kugeln mit mehreren Taststiften gemessen werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Messkörper zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine, eine 3-achsige Werkzeugmaschine und ein Verfahren zur Überprüfung und Kompensation von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine bereitzustellen, wobei der Messkörper und die 3-achsige Werkzeugmaschine möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut sind und das Verfahren möglichst kostengünstig und schnell durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Messkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine 3-achsige Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Messkörper zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist hingegen den Vorteil auf, dass mit Hilfe des Messkörpers geometrische Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine ausgeglichen werden können, sodass die 3-achsige Werkzeugmaschine keine linearen Abweichungen, keine rotatorischen Abweichungen und keine Rechtwinkligkeitsabweichungen aufweist. Somit können anschließend Werkstücke mittels der 3-achsigen Werkzeugmaschine mit allerhöchster Genauigkeit bearbeitet werden. Dabei können die anhand des Messkörpers bestimmten Korrekturdaten direkt für eine Fehlerkompensation der 3-achsigen Werkzeugmaschine verwendet werden. Der Messkörper eignet sich insbesondere für Werkzeugmaschinen zur Ultrapräzisionsbearbeitung. Weiterhin eignet sich der Messkörper insbesondere auch zur Überprüfung, Korrektur und Langzeitbewertung von Werkzeugmaschinen, welche somit für ihre gesamte Nutzungsdauer für die Ultrapräzisionsbearbeitung eingesetzt werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Messkörper eine Basisplatte, eine erste Wand und eine zweite Wand aufweist. Die erste Wand ist auf der insbesondere viereckigen Basisplatte angeordnet und steht senkrecht von der Basisplatte vor. Die erste Wand ist ein Stufendreieck und weist an einem oberen, freiliegenden Bereich einen treppenstufenförmigen Bereich mit einer Vielzahl von Stufen auf. Dabei weist der treppenstufenförmige Bereich eine Treppenlochreihe auf. Die zweite Wand ist weiter viereckig und ebenfalls senkrecht vorstehend auf der Basisplatte angeordnet und senkrecht zur ersten Wand angeordnet. Weiter ist in der Basisplatte eine erste Lochreihe und eine zweite Lochreihe ausgebildet. Somit ist die erste Wand treppenstufenförmig mit einer Vielzahl von Stufen an der von der Basisplatte abgewandten Seite ausgebildet. Die zweite Wand ist eine Viereckwand, insbesondere Rechteckwand, und weist einen oberen, freiliegenden Bereich parallel zur Basisplatte auf, in welchem eine erste Wandlochreihe ausgebildet ist.
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Der treppenstufenförmige Bereich der ersten Wand liegt somit am oberen, freiliegenden Bereich der ersten Wand. Somit bildet der obere, freiliegende Bereich der ersten Wand eine Treppe, an welcher unterschiedliche Positionen in Z-Richtung erfasst werden können, wobei die Basisplatte eine Grundebene in X- und Y-Richtung aufspannt. Durch den oberen, freiliegenden treppenstufenförmigen Bereich der ersten Wand weist die erste Wand im Wesentlichen eine dreieckige Form auf.
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Besonders bevorzugt weist die treppenförmige erste Wand eine Treppenlochreihe auf, wobei in jeder Stufe ein Loch ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, zusätzlich zur Bestimmung einer Position in Z-Richtung auch auf unterschiedlichen Höhen Positionen in X- und Y-Richtung zu erfassen.
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Weiter bevorzugt umfasst der Messkörper ferner eine dritte Wand, welche auf der Basisplatte angeordnet ist und senkrecht zur zweiten Wand positioniert ist. Die dritte Wand ist wie die zweite Wand eine Viereckwand mit einem oberen, freiliegenden Bereich, welcher parallel zur Basisplatte verläuft und eine zweite Wandlochreihe aufweist. Somit ist die dritte Wand auf der Basisplatte parallel zur ersten Wand angeordnet. Weiterhin sind die erste Wandlochreihe und die zweite Wandlochreihe somit senkrecht zueinander angeordnet. Die erste, zweite und dritte Wand bilden dabei eine U-förmige Anordnung.
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Weiter bevorzugt umfasst der Messkörper an der Basisplatte eine dritte Lochreihe, die parallel zur zweiten Wandlochreihe der dritten Wand ist.
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Vorzugsweise verlaufen die erste, zweite und dritte Lochreihe auf der Basisplattenoberseite jeweils entlang eines Randes der Basisplatte, welche besonders bevorzugt viereckig ausgebildet sind. Somit ist bevorzugt die erste Lochreihe parallel zu einem ersten Rand der Basisplatte, die zweite Lochreihe parallel zu einem zweiten Rand der Basisplatte und die dritte Lochreihe parallel zu einem dritten Rand der Basisplatte.
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Besonders bevorzugt ist die erste Lochreihe parallel zur ersten Wand und/oder die zweite Lochreihe parallel zur zweiten Wand und/oder die dritte Lochreihe parallel zur dritten Wand. Hierdurch ist es möglich, dass insbesondere Gierfehler und Nickfehler und Rollfehler durch den Messkörper erfasst werden können.
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Die erste, zweite und dritte Lochreihe weisen besonders bevorzugt eine gleiche Lochzahl, einen gleichen Lochabstand und einen gleichen Lochdurchmesser auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung haben die erste, zweite und dritte Wand jeweils einen vorbestimmten Abstand vom ersten, zweiten und dritten Rand,
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Weiter bevorzugt sind die Stufenflächen der Stufen des Stufendreiecks, welche parallel zur Basisplatte sind, geschliffen oder auf andere Weise feinbearbeitet, um eine große Ebenheit bereitzustellen. Vorzugsweise sind auch die oberen, freiliegenden Bereiche der zweiten und/oder dritten Wand geschliffen oder feinbearbeitet, um eine große Ebenheit aufzuweisen. Hierdurch kann eine Genauigkeit der Messung mittels des Messkörpers signifikant verbessert werden.
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Weiter bevorzugt sind die Bereiche, in denen die erste und/oder zweite und/oder dritte Lochreihe in der Basisplatte ausgebildet ist und/oder Bereiche neben den Lochreihen, als geschliffene Bereiche vorgesehen.
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Weiter bevorzugt umfasst der Messkörper an einer Unterseite der Basisplatte ein Verstärkungselement, um eine Stabilität des Messkörpers zu verbessern. Das Verstärkungselement ist vorzugsweise ein Leistenkreuz mit zwei Leisten, wobei jeweils eine Leiste zwei einander gegenüberliegende Ecken der Basisplatte an der Unterseite der Basisplatte verbindet. Das Verstärkungselement wird vorzugsweise auch zum Aufspannen des Messkörpers in die Werkzeugmaschine verwendet.
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Weiter bevorzugt sind die erste, zweite und dritte Lochreihe in der Basisplatte derart angeordnet, dass bei einer viereckigen Basisplatte an jedem Eckbereich der Basisplatte ein Loch für einen Messvorgang ausgebildet ist.
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Die Basisplatte ist vorzugsweise viereckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet. Weiter bevorzugt weist jede Lochreihe in der Basisplatte und die Treppenlochreihe sowie die erste und zweite Wandlochreihe jeweils wenigstens ein Referenzloch auf. Der Bereich um jedes Referenzloch ist vorzugsweise geschliffen ausgebildet, so dass die geschliffene Fläche jeweils als Referenzelement zur Bestimmung einer Z-Koordinate herangezogen wird. Ein Mittelpunkt jedes Referenzlochs kann als Referenzelement für eine X- und Y-Koordinate herangezogen werden.
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Weiter bevorzugt sind die Löcher der ersten, zweiten und dritten Lochreihe auf einer Geraden angeordnet.
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Der Messkörper ist vorzugsweise aus Invar hergestellt. Invar weist einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, und ist somit für die Herstellung des Messkörpers besonders gut geeignet. Weiter bevorzugt sind ein Dicke der ersten, zweiten und dritten Wand und eine Dicke der Basisplatte gleich.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine 3-achsige Werkzeugmaschine umfassend eine Werkzeugspindel, eine Messeinrichtung, insbesondere einen 3D-Messtaster, welcher in die Werkzeugspindel einspannbar ist und eine Steuerungseinheit zum Steuern der 3-achsigen Werkzeugmaschine. Weiterhin umfasst die 3-achsige Werkzeugmaschine einen erfindungsgemäßen Messkörper, wobei die Steuerungseinheit eingerichtet ist, basierend auf einem Soll-Ist-Vergleich von vorab bestimmten geometrischen Soll-Abmessungen des Messkörpers mit durch die Messeinrichtung in der 3-achsigen Werkzeugmaschine bestimmten geometrischen Ist-Abmessungen des Messkörpers eine Korrektur der geometrischen Daten der 3-achsigen Werkzeugmaschine vorzunehmen. Somit weist die Steuerungseinheit einen Speicher auf, in welchem die geometrischen Soll-Abmessungen des Messkörpers, welche in einem vorherigen Schritt in einer Messmaschine bestimmt wurden, abgespeichert sind. Zur Bestimmung der geometrischen Ist-Abmessung des Messkörpers in der 3-achsigen Werkzeugmaschine startet die Steuerungseinheit vorzugsweise ein NC-Programm zur Vermessung des Messkörpers, um die Ist-Werte des Messkörpers zu bestimmen. Durch einen Vergleich zwischen den Soll-Werten und den Ist-Werten kann somit eine Korrektur von geometrischen Daten der 3-achsigen Werkzeugmaschine vorgenommen werden, wodurch die Genauigkeit bei der Bearbeitung von Werkstücken durch die 3-achsige Werkzeugmaschine signifikant verbessert wird. Demnach kann auf einfache Weise eine Kompensation von Geometriefehlern der 3-achsigen Werkzeugmaschine erreicht werden. Die Soll-Werte sind vorzugsweise in einem Speicher gespeichert.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Überprüfung und Kompensation von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- - Einspannen einer Messeinrichtung, insbesondere eines 3D-Messtasters, in eine Spindel der 3-achsigen Werkzeugmaschine,
- - Anordnen eines erfindungsgemäßen Messkörpers in einem Arbeitsraum der 3-achsigen Werkzeugmaschine, insbesondere durch Einspannen an einem Verstärkungselement,
- - Anfahren einer Vielzahl von verschiedenen Positionen des Messkörpers durch die Messeinrichtung, um geometrische Ist-Daten am Messkörper zu erfassen,
- - Durchführen eines Soll-Ist-Vergleichs zwischen den erfassten Ist-Daten mit vorabbestimmten Soll-Daten des Messkörpers zur Bestimmung von geometrischen Abweichungen, insbesondere linearen und rotatorischen und Rechtwinkligkeitsabweichungen, und
- - Kompensieren der geometrischen Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine in einer Steuerungseinheit der 3-achsigen Werkzeugmaschine, um eine Arbeitsgenauigkeit der 3-achsigen Werkzeugmaschine zu erhöhen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei relativ schnell und sicher ausgeführt werden. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch nach einer Lieferung einer 3-achsigen Werkzeugmaschine bei einem Kunden in kurzer Zeit durchgeführt werden, sodass auch dort herrschende Bedingungen, insbesondere Temperaturbedingungen beim Kunden, keine negativen Einflüsse auf die geometrische Genauigkeit der 3-achsigen Werkzeugmaschine im Betrieb mehr haben.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das Verfahren beim Hersteller der 3-achsigen Werkzeugmaschine durchgeführt wird, um gegebenenfalls Fertigungsprozesse beim Hersteller der 3-achsigen Werkzeugmaschine zu optimieren.
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Vorzugsweise werden die Soll-Werte des Messkörpers vorab in einer Koordinatenmessmaschine ermittelt und der Messkörper dann derart im Arbeitsraum der 3-achsigen Werkzeugmaschine angeordnet, dass ein Koordinatensystem des Messkörpers mit einem Koordinatensystem der 3-achsigen Werkzeugmaschine übereinstimmt.
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Weiter bevorzugt wird bei der Vermessung des Messkörpers in der 3-achsigen Werkzeugmaschine eine Temperatur des Arbeitsraums erfasst und eine Korrektur der Ist-Daten basierend auf der erfassten Temperatur des Arbeitsraums durchgeführt. Hierdurch wird die Genauigkeit für die Kompensation von geometrischen Abweichungen weiter verbessert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorzugsweise zur Überprüfung, Korrektur und Langzeitbewertung einer dreiachsigen Werkzeugmaschine. Das erfindungsgemäße Verfahren bestimmt dabei vorzugsweise einundzwanzig mögliche geometrische Fehler:
- - jeweils eine Positionsabweichung (translatorische Bewegung jeder Achse (drei mögliche Fehler, da drei Achsen)),
- - zwei Geradheitsabweichungen je Achse (translatorische Bewegung quer zur Achsrichtung), d.h. insgesamt sechs mögliche geometrische Fehler,
- - und drei rotatorische Abweichungen: Gieren, Nicken, Rollen in jeder der drei Achsen (d.h. neun geometrische Abweichungen),
- - drei Rechtwinkligkeitsabweichungen der Linearachsen X, Y, Z zueinander (X-Y-Rechtwinkligkeitsabweichung, X-Z-Rechtwinkligkeitsabweichung, Y-Z-Rechtwinkligkeitsabweichung).
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Es sei angemerkt, dass in Abhängigkeit von Aufbau und Kinematik der dreiachsigen Werkzeugmaschine einzelne Fehler vernachlässigt werden können. Vorzugsweise wird ein Nickfehler der Y-Achse durch den Y-Positionierfehler, den Geradheitsfehler der Y-Achse in X-Richtung und den Rechtwinkligkeitsfehler zwischen der Y-Achse und der X-Achse korrigiert. Voraussetzung ist hierbei, dass ein X-Abstand der Spindel zum Tisch der Werkzeugmaschine konstant ist. Weiter bevorzugt wird ein Rollfehler der Z-Achse vernachlässigt, da sich das Werkzeug in dieser Achse dreht. Wenn weiter bevorzugt eine Werkzeuglänge konstant ist, kann ein Nickfehler der Z-Achse und ein Gierfehler der Z-Achse vernachlässigt werden. Beide Fehler können durch den Geradheits- und den Rechtwinkelfehler der Z-Achse korrigiert werden. Somit kann durch diese Maßnahmen ein Messaufwand verkürzt werden.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme von den begleitenden Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Messkörpers in einer 3-achsigen Werkzeugmaschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, perspektivische Ansicht des Messkörpers von 1 aus einer anderen Perspektive,
- 3 eine schematische Draufsicht des Messkörpers von 2,
- 4 eine schematische Seitenansicht des Messkörpers, welche die beispielhafte Bestimmung eines Nickfehlers der X-Achse zeigt,
- 5 eine Teil-Seitenansicht des Messkörpers, welche eine beispielhafte Bestimmung eines Rollfehlers der X-Achse zeigt, und
- 6 eine schematische Darstellung zur Bestimmung eines Gierfehlers der X-Achse.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 eine 3-achsige Werkzeugmaschine 1 und ein Messkörper 2 zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine im Detail beschrieben.
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Ferner wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 auch ein Verfahren zur Überprüfung und Kompensation von geometrischen Abweichungen einer 3-achsigen Werkzeugmaschine beschrieben.
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Wie aus den 1 und 5 ersichtlich ist, umfasst die 3-achsige Werkzeugmaschine 1 einen Arbeitsraum 3, eine Spindel 4 und eine Steuerungseinheit 9.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist ein Messkörper 2 auf einem Maschinentisch 6 der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 angeordnet.
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Der Messkörper 2 ist im Detail aus den 1, 2 und 3 ersichtlich. Der Messkörper 2 ist eingerichtet zur Überprüfung von geometrischen Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine, wobei alle linearen, rotatorischen und Rechtwinkligkeitsfehler, insgesamt einundzwanzig Fehler, in einer Aufspannung des Messkörpers bestimmt werden können. Insbesondere können mittels des Messkörpers 2 sehr genau Koordinaten zur Positionierung eines Werkzeugs der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 bestimmt werden.
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Der Messkörper 2 umfasst eine ebene Basisplatte 8, welche in einer X-Richtung und einer Y-Richtung eine Grundebene aufspannt. Ferner umfasst der Messkörper 2 eine erste Wand 10 eine zweite Wand 20 und eine dritte Wand 30. Die erste Wand 10, die zweite Wand 20 und die dritte Wand 30 sind auf der Basisplatte 8 angeordnet und stehen senkrecht von der Basisplatte 8 vor und bilden eine U-Form.
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Wie in 2 gezeigt, ist eine Z-Richtung senkrecht zur X-Richtung und senkrecht zur Y-Richtung.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind dabei die erste Wand 10 und die zweite Wand 20 und die dritte Wand 30 auf der Grundfläche der Basisplatte 8 angeordnet.
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Die Basisplatte 8 ist quadratisch ausgebildet und umfasst einen ersten Rand 81, einen zweiten Rand 82, einen dritten Rand 83 und einen vierten Rand 84.
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Die drei Wände 10, 20, 30 sind, wie insbesondere aus den 1 und 2 ersichtlich ist, geometrisch unterschiedlich ausgebildet. Dabei ist die erste Wand 10 ein Stufendreieck mit einem oberen, freiliegenden Bereich 11, an welchem ein treppenstufenförmiger Bereich 12 ausgebildet ist. Der treppenstufenförmige Bereich 12 weist eine Vielzahl von Stufen 13 auf.
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In jeder Stufe 13 ist ein Loch 15 ausgebildet. Die Löcher 15 bilden eine Treppenlochreihe 14. In diesem Ausführungsbeispiel weist das als erste Wand 10 ausgebildete Stufendreieck dabei sieben Stufen auf.
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Die zweite Wand 20 ist eine rechteckige Wand mit ebenfalls einem oben freiliegenden Bereich 21. Im oberen freiliegenden Bereich 21 ist eine erste Wandlochreihe 22 mit einer Vielzahl von Löchern 23 ausgebildet.
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Die dritte Wand 30 ist ebenfalls eine rechteckige Wand und weist einen oberen, freiliegenden Bereich 31 auf. Im oberen, freiliegenden Bereich 31 ist eine zweite Wandlochreihe 32 mit einer Vielzahl von Löchern 33 ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist eine Größe der zweiten Wand 20 kleiner als eine Größe der dritten Wand 30.
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Die Löcher 23 der zweiten Wand 20 liegen in einer Gerade. Ebenso liegen die Löcher 33 der dritten Wand 30 in einer Gerade. Die Löcher der zweiten und dritten Wand sind dabei derart angeordnet, dass sich die durch die Löcher 23 und 33 gebildeten Geraden im rechten Winkel schneiden.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist die erste Wand 10 im rechten Winkel zur zweiten Wand 20 angeordnet. Die zweite Wand 20 ist ebenfalls in einem rechten Winkel zur dritten Wand 30 angeordnet. Dadurch sind die erste Wand 10 und die zweite Wand 30 parallel zueinander.
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Weiterhin sind die erste, zweite und dritte Wand 10, 20 und 30 entlang ihrer Längsseiten mit Abstand zu den jeweiligen Rändern 81, 82, 83 der Basisplatte 8 angeordnet. Lediglich ein Endbereich der dritten Platte 30 reicht bis zum vierten Rand 84 (siehe 2).
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Zur Gewichtsreduzierung weist die Basisplatte 8 eine größere zentrale Öffnung sowie mehrere Längsöffnungen (ohne Bezugszeichen) auf.
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An der Unterseite der Basisplatte 8 ist ein Verstärkungselement 7 angeordnet, welches eine erste Leiste 71 und eine zweite Leiste 72 aufweist. Die beiden Leisten 71, 72 sind in Kreuzform angeordnet und versteifen die Basisplatte 8 und damit den Messkörper 2. Durch das Verstärkungselement 7 ist es ferner möglich, dass der Messkörper 2 auf einfache Weise auf dem Maschinentisch 6 eingespannt wird. Hierdurch wird insbesondere verhindert, dass durch einen Einspannvorgang unerwünschte Spannungen in der Basisplatte bzw. den drei Wänden 10, 20, 30 eingebracht werden, welche zur Verfälschung des Messergebnisses führen könnten.
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Weiterhin umfasst der Messkörper 2 in der Basisplatte auf der Oberseite eine erste Lochreihe 101, eine zweite Lochreihe 102 und eine dritte Lochreihe 103. Die erste Lochreihe 101 umfasst eine Vielzahl von Löchern 101a, welche auf einer ersten Geraden 111 angeordnet sind. Die erste Gerade 111 verläuft parallel zum ersten Rand 81. Die zweite Lochreihe 102 umfasst eine Vielzahl von Löchern 102a, welche auf einer zweiten Geraden 112 angeordnet sind. Die zweite Lochreihe 102 ist dabei parallel zum zweiten Rand 82. Die dritte Lochreihe 103 umfasst eine Vielzahl von Löchern 103a, welche auf einer dritten Geraden 113 angeordnet sind. Die dritte Lochreihe 103 ist parallel zum dritten Rand 83 (vgl. 3). Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 3 nicht alle Löcher der ersten, zweiten und dritten Lochreihe mit einem Bezugszeichen versehen.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, ist die erste Lochreihe 101 parallel zur Treppenlochreihe 14. Die zweite Lochreihe 102 ist parallel zur ersten Wandlochreihe 22 der zweiten Wand 20. Die dritte Lochreihe 103 ist parallel zur zweiten Wandlochreihe 32.
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Die Anzahl der Löcher der ersten, zweiten und dritten Lochreihe ist vorzugsweise gleich, ebenso die geometrischen Maße, insbesondere der Lochabstand.
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Es sei angemerkt, dass z.B. parallel neben den drei Lochreihen streifenförmige, geschliffene Referenzflächen (in 3 nicht eingezeichnet) vorgesehen sein können.
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Weiterhin sind die erste, zweite und dritte Lochreihe 101, 102, 103 derart vorgesehen, dass in jeder Ecke der Basisplatte 8 ein Loch vorgesehen ist.
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Weiter bevorzugt ist auch eine Dicke der Basisplatte 8 gleich wie die Wanddicken der Wände 10, 20, 30.
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Der Messkörper 2 ist auf dem Maschinentisch 6 der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 fixiert. Weiterhin ist in der Spindel 4 ein 3D-Messtaster angeordnet, mittels welchem eine Bestimmung von Ist-Koordinaten der 3-achsigen Werkzeugmaschine mittels des Messkörpers 2 durchgeführt wird.
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Die 3-achsige Werkzeugmaschine 1 umfasst ferner die Steuerungseinheit 9, welche eingerichtet ist, die 3-achsige Werkzeugmaschine zu steuern. Die Steuerungseinheit 9 ist ferner eingerichtet, basierend auf einem Soll-Ist-Vergleich der geometrischen Abmessungen des Messkörpers 2 eine Korrektur der geometrischen Daten der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 vorzunehmen.
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Die 3-achsige Werkzeugmaschine weist, wie voranstehend schon erläutert, drei Linearachsen auf, nämlich eine erste Achse in X-Richtung eine zweite Achse in Y-Richtung und eine dritte Achse in Z-Richtung.
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Insgesamt ergeben sich durch die drei Linearachsen einundzwanzig Abweichungen, wobei davon drei Rechtwinkligkeitsabweichungen der Linearachsen zueinander sind. Somit ergeben sich für die 3-achsige Werkzeugmaschine insgesamt einundzwanzig Fehlerparameter.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann somit eine Überprüfung und Korrektur aller, Geradheitsabweichungen, von Rotationsabweichungen und Rechtwinkligkeitsabweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine, ausgeführt werden.
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Hierzu muss zuerst der Messkörper 2 mittels einer nicht gezeigten Koordinatenmessmaschine vermessen werden, um Soll-Werte zu erzeugen. Diese Soll-Werte werden dann der Steuerungseinheit 9 der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 zugeführt und in einem Speicher gespeichert. Zur Vermessung des Messkörpers 2 wird dabei ein Koordinatensystem derart aufgespannt, dass eine X-Y-Ebene parallel zur Basisplatte 8 ist. Anhand von mehrfach bestimmten Z-Positionen, X-Positionen und Y-Positionen von verschiedenen Referenzelementen des Messkörpers 2 wird somit die Geometrie des Messkörpers 2, welcher vorzugsweise aus Invar hergestellt ist, ermittelt. Gleichzeitig wird auch ein Nullpunkt des Koordinatensystems des Messkörpers 2 festgelegt. Als Referenzelemente dienen beispielsweise die geschliffenen Stufenflächen oder die geschliffenen Referenzflächen für die Z-Positionen. Die Löcher der Lochreihen 101, 102, 103 sowie die Löcher 15 in den Stufen 13 und die Löcher 23, 33 in den freiliegenden Bereichen 11, 21 dienen als Referenzelemente für die X-Positionen und Y-Positionen.
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Um nun die geometrischen Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine zu erfassen, wird der Messkörper 2 auf den Maschinentisch 6 in den Arbeitsraum 3 der 3-achsigen Werkzeugmaschine eingebracht. Dabei kann der Messkörper 2 eingespannt werden oder auf andere Weise auf einem Maschinentisch befestigt werden. Dabei sollte das X-Y-Z-Koordinatensystem des Messkörpers grundsätzlich parallel zum X-Y-Z-Koordinatensystem der 3-achsigen Werkzeugmaschine ausgerichtet sein. Die Vermessung des Messkörpers 2 in der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 wird dann mittels der 3-D-Messeinrichtung 5, z.B. einem 3D-Messtaster, durchgeführt. Üblicherweise verfügen moderne 3-achsige Werkzeugmaschinen über einen derartigen 3D-Messtaster beispielsweise zur Erfassung von Bauteilpositionen und Bauteilgeometrien.
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Vor der Vermessung ist somit das Koordinatensystem der 3-achsigen Werkzeugmaschine identisch mit dem Koordinatensystem der Koordinatenmessmaschine ausgerichtet, in welcher der Messkörper 2 zuvor vermessen wurde.
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Nachdem der Messkörper 2 im Arbeitsraum 3 der 3-achsigen Werkzeugmaschine fixiert ist, kann die Steuerungseinheit 9 vorzugsweise ein vollautomatisch ablaufendes NC-Programm ablaufen lassen, um mittels des 3D-Messtasters 5 den Messkörper 2 zu vermessen und dadurch die Ist-Werte der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 zu bestimmen.
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Vorzugsweise wird bei der Vermessung des Messkörpers 2 im Arbeitsraum der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 auch die Temperatur des Arbeitsraums 3 der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 erfasst und gespeichert. Sollte sich diese Temperatur des Arbeitsraums von einer Referenztemperatur, z.B. 20 °C, unterscheiden, muss ein thermischer Ausdehnungskoeffizient der auf der 3-achsigen Werkzeugmaschine zu bearbeitenden Werkstücke bei der Werkstückbearbeitung berücksichtigt werden. Hier muss dann eine entsprechende Korrektur der Ist-Werte der 3-achsigen Werkzeugmaschine vorgenommen werden.
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Nach Abschluss der Vermessung des Messkörpers 2 in der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 und gegebenenfalls einer thermischen Anpassung der Ist-Werte sind die Ist-Werte der 3-achsigen Werkzeugmaschine ermittelt und können mit den Soll-Werten des Messkörpers verglichen werden. Durch den Vergleich der Soll-Ist-Werte können so die geometrischen Abweichungen der 3-achsigen Werkzeugmaschine in Form von Positionsabweichungen, Geradheitsabweichungen und Rechtwinkligkeitsabweichungen berechnet und somit überprüft sowie korrigiert werden. 3 zeigt dabei in Draufsicht auf den Messkörper 2 beispielhaft Geradheitsabweichungen G, eine Rechtwinkligkeitsabweichung R (Winkel α) und Positionsabweichungen P.
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Beispielsweise kann zuerst eine Positionsabweichung der X-Achse ermittelt werden, indem die Differenzen von Ist-Positionen und Soll-Positionen in X-Richtung der gemessenen Referenzelemente auf der Basisplatte 8 entlang der X-Achse ausgewertet werden. Da der Nullpunkt des Messkörpers 2 und die Position der Referenzelemente relativ zum Nullpunkt bekannt sind, können die ermittelten Differenzen X-Achsen-Positionen der 3-achsigen Werkzeugmaschine zugeordnet werden. Somit ergibt sich eine Tabelle aus X-Achsen-Positionen der 3-achsigen Werkzeugmaschine und Positionsabweichungen in X-Richtung an diesen X-Achsen-Positionen. Diese Positionsabweichungen können dabei direkt als Korrekturdaten für eine Fehlerkompensation der 3-achsigen Werkzeugmaschine in der Steuerungseinheit 9 gespeichert und verwendet werden.
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Alternativ könnten die Abweichungen auch mathematisch vorverarbeitet werden. So können die Abweichungen beispielsweise auch mit verschiedenen mathematischen Funktionen approximiert werden. Gerade bei kleinen Messkörpern 2 mit wenigen Referenzelementen ist beispielsweise eine Approximation der Differenzen mit einer Geraden (Ausgleichsgerade) denkbar. In diesem Fall wird lediglich ein Skalierungsfehler korrigiert.
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Da der Messkörper 2 nur einen Teil des Arbeitsraums 3 der 3-achsigen Werkzeugmaschine abdeckt, werden die erfassten Ist-Werte vorzugsweise mittels einer entsprechend mathematischen Funktion extrapoliert. Dadurch werden Abweichungen für den gesamten Arbeitsraum 3 der 3-achsigen Werkzeugmaschine 1 erhalten.
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In gleicher Weise werden Geradheitsabweichungen G der X-Achse bestimmt. Hierbei werden die Positionsabweichungen P in Y-Richtung beziehungsweise Z-Richtung den X-Achsen-Positionen zugeordnet. Die Differenzen zwischen Ist-Position und Soll-Positionen in Y-Richtung ergeben sich dabei aus den ermittelten Mittelpunkten der Löcher der drei Lochreihen 101, 102, 103 und der Referenzlöcher auf der ersten, zweiten und dritten Wand 10, 20, 30. Die Differenzen zwischen Ist-Positionen und Soll-Positionen in Z-Richtung ergeben sich z.B. aus den Referenzflächen auf der Basisplatte 8 und den geschliffenen Flächen der Stufen 13. Auch hierbei ist eine mathematische Vorverarbeitung beziehungsweise Approximation möglich.
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Wenn die Korrekturdaten für die Positionsabweichung und Geradheitsabweichung der X-Achse berechnet wurden, werden alle Messdaten der Ist-Positionen der Referenzelemente für die weitere Auswertung anhand der Korrekturdaten für Positionsabweichung der X-Achse, die Geradheitsabweichung der X-Achse in Y-Richtung und die Geradheitsabweichung der X-Achse in Z-Richtung angepasst. Es wird an dieser Stelle bevorzugt davon ausgegangen, dass die angepassten Ist-Position keine Fehler mehr in X-Richtung aufweisen. Dadurch können in der weiteren Auswertung die Fehler in X-Richtung vernachlässigt werden.
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In einem nächsten Schritt kann ein Rechtwinkligkeitsfehler R zwischen der X-Achse und der Y-Achse berechnet werden. Hierzu werden zwei Ausgleichsgeraden berechnet. Die erste Ausgleichsgerade ergibt sich aus den X-Achsen-Position der Referenzelemente auf der Basisplatte 8 entlang der X-Richtung und deren Positionsabweichungen in Y-Richtung. Die zweite Ausgleichsgerade ergibt sich aus den Y-Achsen-Positionen der Referenzelemente auf der Basisplatte 8 entlang der Y-Richtung und deren Positionsabweichungen in X-Richtung. Anschließend wird ein Winkel α zwischen den beiden Ausgleichsgeraden berechnet (vgl. 3). Die ermittelte Abweichung kann dabei direkt als Korrekturwert für eine Fehlerkompensation in der Steuerungseinheit 9 benutzt werden.
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Anschließend werden die Ist-Positionen aller Referenzelemente in den Messdaten gemäß ihrer Y-Position anhand des Rechtwinkligkeitsfehlers so angepasst, dass die Messdaten keinen X-Y-Rechtwinkligkeitsfehler mehr enthalten.
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Anschließend werden die Positionsabweichungen und die Geradheitsabweichungen der Y-Achse in gleicher Weise wie bei der X-Achse berechnet. Hierfür werden die Differenzen bei der Ist- und Soll-Position der Referenzpositionen auf der Basisplatte 8 entlang der Y-Achse ausgewertet (vgl. 3). Zusammen mit dem Nullpunkt ergibt sich eine Tabelle mit den Y-Achsen-Positionen der 3-achsigen Werkzeugmaschine und den Positionsabweichungen in X, Y und Z-Richtung an diesen Y-Achsenpositionen. Die Daten können wie bei der X-Achse weiterverarbeitet werden oder direkt als Korrekturdaten für eine Fehlerkompensation der 3-achsigen Werkzeugmaschine in die Steuerungseinheit 9 übernommen werden. Auch hier sollten die Korrekturdaten mit einer entsprechenden mathematischen Funktion extrapoliert werden, um den gesamten Arbeitsraum 3 zu definieren.
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Anschließend werden alle Ist-Positionen der Referenzelemente für die weitere Auswertung anhand der Korrekturdaten für die Positionsabweichung und die zwei Geradheitsabweichungen der Y-Achse angepasst. Es wird an dieser Stelle bevorzugt davon ausgegangen, dass die angepassten Ist-Positionen keine Fehler mehr in Y-Richtung aufweisen. Dadurch können in der weiteren Auswertung die Fehler in Y-Richtung vernachlässigt werden. In den 4, 5 und 6 werden beispielhaft die Bestimmung eines Nickfehlers in der X-Achse (4) und die Bestimmung eines Rollfehlers der X-Achse ( 5) wie die Bestimmung eines Gierfehlers der X-Achse (6) gezeigt.
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Um einen Gierfehler der X-Achse (6) bestimmen zu können müssen geometrische Merkmale in X-Richtung vorhanden sein, deren X-Position mit dem Messtaster erfasst werden können. Damit der Fehler unabhängig von anderen Fehlern bestimmt werden kann, müssen die Y- und Z-Positionen der Merkmale identisch sein. Um den Einfluss des X-Gierfehlers messen zu können, muss zudem an einer anderen Y-Position als bei der ersten X-Merkmalsreihe gemessen werden. Zudem muss der Y-Abstand d zu der ersten X-Merkmalsreihe bekannt sein (vgl. 6).
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In einem nächsten Schritt wird der Nickfehler der X-Achse berechnet. Zur Bestimmung des Nickfehlers der X-Achse (4) müssen geometrische Merkmale in X-Richtung vorhanden sein, deren X-Position mit dem Messtaster erfasst werden kann. Damit der Fehler unabhängig von anderen Fehlern bestimmt werden kann, müssen die Y- und Z-Position der Merkmale identisch sein, Um den Einfluss des X-Nickfehlers messen zu können, muss zudem an einer anderen Z-Position als bei der ersten X-Merkmalsreihe gemessen werden. Zudem muss der Z-Abstand d zu der ersten X-Merkmalsreihe bekannt sein.
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Zur Bestimmung eines Rollfehlers der X-Achse (5) müssen geometrische Merkmale in X-Richtung vorhanden sein, deren Y-Position mit dem Messtaster erfasst werden kann. Damit der Fehler unabhängig von anderen Fehlern bestimmt werden kann, müssen die Y- und Z-Positionen der Merkmale identisch sein. Um den Einfluss des X-Rollfehlers messen zu können, muss zudem an einer anderen Z-Position als der ersten X-Merkmalsreihe gemessen werden. Zudem muss der Z-Abstand d zu der ersten X-Merkmalsreihe bekannt sein (vgl. 5).
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Entsprechend der in 4 und 5 beschriebenen Messung erfolgt eine Bestimmung des Rollfehlers und des Gierfehlers der Y-Achse.
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In einem nächsten Schritt werden die Rechtwinkligkeiten zwischen der X-Achse und der Z-Achse berechnet. Hierzu werden zwei Ausgleichsgeraden berechnet. Die erste Ausgleichsgerade ergibt sich aus den X-Achsen-Positionen der Referenzelemente auf der Basisplatte 8 entlang der X-Richtung und deren Positionsabweichungen in Z-Richtung. Die zweite Ausgleichsgerade ergibt sich aus den Z-Achsen-Positionen der Referenzelemente auf der ersten Wand 10 (Stufendreieck) in X-Richtung und deren Positionsabweichungen in X-Richtung. Anschließend wird der Winkel α zwischen den beiden Ausgleichsgeraden berechnet. Die ermittelte Abweichung kann direkt als Korrekturwert für eine Fehlerkompensation in der Steuerungseinheit 9 benutzt werden.
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In gleicher Weise wird die Rechtwinkligkeit zwischen der Y-Achse und der Z-Achse berechnet. Die erste Ausgleichsgerade ergibt sich dabei aus den Y-Achsen-Positionen der Referenzelemente auf der Basisplatte 8 entlang der Y-Richtung und deren Positionsabweichungen in Z-Richtung. Die zweite Ausgleichsgerade ergibt sich aus den Z-Achsen-Positionen der Referenzelemente auf der zweiten Wand 20 in Y-Richtung und deren Positionsabweichungen in Y-Richtung. Die Abweichungen der Rechtwinkligkeit zwischen diesen beiden Geraden kann wiederum direkt als Korrekturwert für eine Fehlerkompensation benutzt werden.
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Die Ist-Position aller Referenzelemente werden in den Messdaten anschließend gemäß Ihrer Z-Position anhand der Rechtwinkligkeitsfehler so angepasst, dass die Messdaten keinen X-Z-Rechtwinkligkeitsfehler und keinen Y-Z-Rechtwinkligkeitsfehler mehr enthalten.
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In einem weiteren Schritt werden die geometrischen Abweichungen der Z-Achse berechnet. Hierzu werden die Referenzelemente (Referenzlöcher und geschliffene Stufenflächen) der drei Wände 10, 20, 30 verwendet. Da in der vorhergehenden Auswertung die Fehler der X-Achse und Y-Achse sowie die drei Rechtwinkligkeitsfehler bereits aus den Messdaten herausgerechnet wurden, wird in diesem Schritt davon ausgegangen, dass ein Verfahren in X-Richtung oder Y-Richtung, das zum Messen der Stufen notwendig ist, die geometrischen Abweichungen der Z-Achse nicht beeinflusst.
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Somit wird die Positionsabweichung der Z-Achse ermittelt, indem die Differenzen der Ist-Position und Soll-Position der Referenzposition in Z-Richtung auf der erstem Wand 10 ausgewertet werden. Da der Nullpunkt des Messkörpers 2 sowie die Position der Referenzelemente relativ zum Nullpunkt bekannt sind, können die ermittelten Differenzen Z-Achsen-Positionen der 3-achsigen Werkzeugmaschine zugeordnet werden. Es ergibt sich so eine Tabelle aus Z-Achsen-Positionen, welche so direkt als Korrekturdaten für eine Fehlerkompensation der 3-achsigen Werkzeugmaschine verwendet werden können. Die Daten können wie bei der X-Achse und der Y-Achse weiterverarbeitet werden oder direkt als Korrekturdaten verwendet werden. Auch hier können die Korrekturdaten mit einer entsprechenden mathematischen Funktion extrapoliert werden.
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Wie bei den anderen Achsen werden in gleicher Weise die Geradheitsabweichungen der Z-Achse bestimmt. Hierbei werden die Positionsabweichungen in Y-Richtung beziehungsweise X-Richtung den Z-Achsen-Positionen zugeordnet. Die Differenzen zwischen Ist-Position und Soll-Position ergeben sich dabei aus den ermittelten Mittelpunkten der Löcher. Die weitere Verarbeitung der Geradheitsabweichungen kann identisch zur Positionsabweichung der Z-Achse erfolgen.
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Auf diese Weise können alle relevanten geometrischen Fehler inklusive Gieren, Nicken und Rollen mithilfe des Messkörpers 2 überprüft und korrigiert werden. Das Verfahren bietet sich insbesondere für die Korrektur einer 3-achsigen Werkzeugmaschinengeometrie nach Änderung der thermischen Bedingungen an, da in diesem Fall in der Regel lineare Fehler auftreten, die sich gut extrapolieren lassen. Zusätzlich kann dieses Verfahren auch dazu genutzt werden, um die Geometrie der 3-achsigen Werkzeugmaschine an Werkstoffe mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzupassen, falls im Arbeitsraum eine von der Referenztemperatur abweichende Temperatur herrscht.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
