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Die Endung betrifft eine Meßeinrichtung
für thermische
Drift nach dem Obergriff des Anspruches 1. Solche Meßeinrichtungen
werden in der Werkzeugmaschinenindustrie eingesetzt, um den Einfluß thermischer
Drift festzustellen und zu beurteilen.
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Bei der Fertigung von Bauteilen mit
immer höheren
Genauigkeitsanforderungen bezüglich
der Maßhaltigkeit
spielt thermische Drift in der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
eine immer größere Rolle.
Je nach spezieller Auslegung der Werkzeugmaschine ist es nämlich meist
nicht möglich,
mit den zur Steuerung der Maschinenachsen verwendeten Meßsystemen
diese thermischen Ausdehnungen zu erfassen und nötigenfalls zu korrigieren.
Es sind daher eine Vielzahl von Verfahren bekannt, mit denen die
thermische Drift einer Werkzeugmaschine kompensiert werden kann.
So sind bereits Positionsmeßsysteme
bekannt, die in geeigneter Anordnung eine direkte Messung der thermischen
Ausdehnung ermöglichen.
Hierzu sei beispielsweise auf die
DE 3633573 C1 verwiesen, nach der mittels
einer Schubstange mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und einer daran befestigten Abtasteinrichtung thermische Verlagerungen
direkt ge messen werden. Diese Anordnung ist aber nur in sehr speziellen
Anwendungsfällen
möglich.
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Der Einsatz von Meßdornen
und Meßtastern ist
zur direkten Vermessung der thermischen Drift zwischen Werkzeug
und Werkstück
geeignet, wenn der Meßtaster
anstelle eines Werkzeuges eingesetzt wird und einen Meßdorn auf
dem Werkstücktisch
abtastet. Solche Meßvorschriften
sind in der ISO230-3 Norm beschrieben. Der Meßaufbau ist hierbei jedoch komplex
und der Aufwand zur korrekten Einrichtung hoch. Der Meßdorn schränkt außerdem die
Bewegungsfreiheit der Werkzeugmaschine ein.
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Weiter sind in dem Buch „Digitale
Längen- und
Winkelmeßtechnik", A. Ernst, Verlag
Moderne Industrie, 3. Auflage 1998, S. 71–74 Vergleichsmeßsysteme
beschrieben, die sich zur Abnahme und Kontrolle von numerisch gesteuerten
Werkzeugmaschinen eignen. Hierzu wird ein ein- oder zweidimensionaler
Maßstab
am Werkzeugtisch und ein entsprechender Abtastkopf am Werkzeughalter
befestigt. Diese Anordnung eignet sich aber nicht optimal zur Messung
thermischer Drift, da der Maßstab
selbst groß ist
im Vergleich zum Arbeitsraum der Werkzeugmaschine und dadurch bei
thermischer Verformung die Meßwerte
verfälscht.
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Ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung und
ein Verfahren zur Messung der thermischen Drift einer Werkzeugmaschine
ist in der
US 5779405 beschrieben,
von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Magnete sind hier als
Referenzmarkierungen entlang der Hauptspindel einer Werkzeugmaschine an
definierten Positionen befestigt. Diese Magnete werden durch die
Steuerung der Werkzeugmaschine nacheinander gegenüber einem
fest an der Werkzeugmaschine installierten Sensor positioniert,
dessen Ausgangssignal einer Positionsabweichung in Richtung der
Hauptspindel proportional ist. Speichert man nun zunächst im
kalten Zustand die vom Sensor festgestellten Positionswerte der
Magnete ab, so wird man im erwärmten
Zustand die thermische Ausdehnung der Hauptspindel als veränderte Magnetpositionen
im Sensorsignal feststellen und gegebenenfalls durch entsprechende
Ansteuerung des Spindelantriebes korrigieren können. In dieser Anordnung wird
jedoch lediglich die thermische Ausdehnung der Hauptspindel in Rich tung
der Spindelachse und relativ zur Basis der Werkzeugmaschine gemessen. Wichtiger
ist aber die thermische Drift zwischen Werkzeug und Werkstück. Diese
sollte möglichst
für den
gesamten Arbeitsraum der Werkzeugmaschine meßbar sein, da letztlich nur
so sichergestellt werden kann, daß die Werkzeugmaschine maßhaltige
Teile produziert. Zudem ist die Anordnung starr und unflexibel,
beschränkt
auf den konkreten Anwendungsfall.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Meßeinrichtung
für thermische
Drift zu schaffen, mittels der die Messung der Drift zwischen Werkzeug und
Werkstück
nahezu im gesamten Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine möglich ist,
und die flexibel an unterschiedlichste Werkzeugmaschinentypen angepaßt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Die vorgeschlagene Meßeinrichtung
für thermische
Drift zwischen Werkzeug und Werkstück als Anbausatz für eine Werkzeugmaschine
weist komplementäre
Meßmittel
in Form von Referenzmarkierungen und Abtastköpfen auf, die zur berührungslosen
Abtastung der Referenzmarkierungen geeignet sind. Bei dieser Abtastung
werden absolute Positionswerte gewonnen. Wenigstens eines der komplementären Meßmittel
ist mehrfach vorhanden und wird entsprechend einem Werkstück an verschiedenen
Positionen im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine befestigt. Das dazu
komplementäre
Meßmittel wird
am Werkzeughalter der Werkzeugmaschine befestigt, so daß die komplementären Meßmittel
durch die Werkzeugmaschine zueinander positionierbar sind.
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Der häufigste Anwendungsfall wird
sein, daß mehrere
Referenzmarkierungen im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine verteilt
werden und von einem am Werkzeughalter der Werkzeugmaschine befestigten
Abtastkopf abgetastet werden.
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Mittels einer Auswerteeinheit werden
die gemessenen Positionswerte im kalten Zustand der Werkzeugmaschine
erfaßt
und gespeichert. Im warmen Zustand wird die Messung wiederholt.
Da der Abtastkopf an die Stelle des Werkzeugs, die Referenzmarkierung
(befestigt am Werkstücktisch,
dem Werkstückhalter
oder am Werkstück
selbst) an die Stelle des Werkstückes
tritt, geben die geänderten absoluten
Positionsmeßwerte
die thermische Drift zwischen Werkstück und Werkzeug wieder, die
letztlich entscheidend ist für
die Maßhaltigkeit
des Werkstückes.
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Die Referenzmarkierungen können vorteilhaft
auf einem flachen Träger
aufgebrachte Teilungsstrukturen sein, die direkt oder anhand einer
separaten Referenzmarke das Auslesen eines absoluten Positionswertes
ermöglichen.
Die Teilungsstrukturen können
als Gitter oder Kreuzgitter ausgeführt sein, so daß mittels
zusätzlicher
Referenzmarken Positionen in einer bzw. zwei Richtungen pro Abtastung
einer Referenzmarkierung festgestellt werden können. Absolute Teilungsstrukturen,
die etwa mit einem Gray-Code oder einem Random-Code codiert sind, erlauben
das Auslesen absoluter Positionen auch ohne zusätzliche Referenzmarken. Solche
absoluten Teilungsstrukturen sind z.B. im weiter oben erwähnten Buch „Digitale
Längen-
und Winkelmeßtechnik" näher beschrieben.
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Die Befestigung der Referenzmarkierungen kann
beispielsweise über
flache Magnete erfolgen, aber auch ein Verkleben oder Verschrauben
im Arbeitsraum ist möglich.
Es ist dabei auf eine möglichst gute
Ausrichtung zwischen Abtastkopf und Referenzmarkierung zu achten.
Dies kann z.B. dadurch bewerkstelligt werden, daß nach der Montage des Abtastkopfes
am Werkzeughalter die Referenzmarkierungen am Abtastkopf selbst
ausgerichtet werden. Eine Ausrichtung besser als einige Winkelminuten sollte
dabei erzielt werden.
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Die thermische Verformung der Referenzmarkierungen
selbst spielt keine Rolle, da sie im Vergleich zum Arbeitsraum klein
sind und lediglich einen einzelnen Positionswert pro Meßrichtung
liefern. Eine Ausdehnung von wenigen Zentimetern in Meßrichtung
genügt
für herkömmliche
Abtastköpfe
völlig. Es
muß lediglich
darauf geachtet werden, daß die Referenzmarkierung
so groß ist,
daß der
Abtastkopf auch bei größtmöglicher
thermischer Drift der Werkzeugmaschine ein zur Bildung eines absoluten
Positionswertes ausreichendes Signal erkennt.
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Besonders vorteilhaft weist der Abtastkopf zusätzlich einen
Abstandssensor auf, so daß an
einer Referenzmarkierung mit Kreuzgitter gleichzeitig drei Positionswerte
für drei
unterschiedliche Richtungen gewonnen werden können.
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Die beschriebene Meßeinrichtung
dient als höchst
flexibler Anbausatz, dessen Teile sich zum Anbau an verschiedenste
Typen von Werkzeugmaschinen wie Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen
etc. eignet. Es ist dabei auch vorstellbar, mehrere Abtastköpfe im Bearbeitungsraum zu
befestigen und lediglich eine Referenzmarkierung am Werkzeughalter
anzubringen. Diese Referenzmarkierung wird dann zu den verschiedenen
Abtastköpfen
bewegt. Auch sehr komplexe Meßanordnungen
mit mehreren Referenzmarkierungen und mehreren Abtastköpfen können mit
einer solchen Meßeinrichtung
in Form eines Anbausatzes realisiert werden.
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Vorteilhafterweise ist der Anbausatz
nach Erledigung der Driftmessung leicht wieder zu entfernen. Bei
geeigneter Anordnung der Referenzmarkierungen können diese aber auch im Bearbeitungsraum der
Werkzeugmaschine verbleiben, so daß durch bloßes Einwechseln des Abtastkopfes
anstelle eines Werkzeuges erneut Driftmessungen durchgeführt werden
können.
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Ein besonderes Merkmal der vorgeschlagenen
Meßeinrichtung
ist, daß die
thermische Drift nahezu im gesamten Arbeitsraum gemessen werden kann.
Dabei drohen keine Kollisionen, wie sie beim Einsatz von Meßtastern
und Meßdornen
auftreten können.
Auch der Vergleich von zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorgenommen
Messungen im kalten Zustand kann interessante Erkenntnisse hinsichtlich
der Wiederholgenauigkeit und der Langzeitstabilität einer Werkzeugmaschine
liefern.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 Eine
Werkzeugmaschine mit Meßeinrichtung,
und
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2a, b einen Abtastkopf mit zugehöriger Referenzmarkierung.
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In 1 ist
schematisch eine Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Auf einem
Werkstücktisch 2 ist im
Normalbetrieb ein hier nicht dargestelltes Werkstück befestigt.
Der Werkstücktisch 2 ist
in einer Richtung X beweglich, sowie senkrecht zur Zeichenebene
in einer Richtung Y. An einem Spindelkopf 3 befindet sich
drehbar gelagert ein Werkzeughalter 4 zur Aufnahme von
verschiedenen Werkzeugen zur Bearbeitung eines Werkstückes. Der
Spindelkopf 3 ist in einer Richtung Z beweglich. Die maximalen
Verfahrbereiche des Werkzeugtisches 2 in den Richtungen
X und Y sowie des Spindelkopfes 3 in Richtung Z definieren
den Arbeitsraum 5 der Werkzeugmaschine 1. Eine
Steuerung 14 regelt die Antriebe der Werkzeugmaschine 1 entsprechend
einem Teileprogramm anhand von Positionsdaten der Meßsysteme der
Werkzeugmaschine 1, um Werkzeug und Werkstück zueinander zu positionieren.
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Um die thermische Drift zwischen
Werkzeug und Werkstück
zu messen, kommt eine separate Meßeinrichtung zum Einsatz, die
vorteilhaft als Anbausatz zur Verfügung steht. Am Werkzeughalter 4 wird
ein Abtastkopf 6 befestigt, der hierzu geeignet ausgebildet
ist. Im Arbeitsraum 5 der Werkzeugmaschine 1 werden
Referenzmarkierungen 8 befestigt, die durch den Abtastkopf 6 ausgelesen
werden können.
Eine Auswerteeinheit 12 verarbeitet die vom Abtastkopf 6 gewonnenen
Daten.
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2a zeigt
den Abtastkopf 6 mit einem zum Werkzeughalter 4 passenden
Schaft 7. 2b zeigt eine
Referenzmarkierung 8, die auf ihrer Vorderseite eine inkrementale
Teilungsstruktur 10 mit einer Referenzmarke 11 trägt. Diese
Teilungsstruktur 10 und Referenzmarke 11 können beispielsweise
als optische oder magnetische Struktur ausgebildet sein. Rückseitig
befindet sich ein Magnet 9, mit der die Referenzmarkierung 8 im
Arbeitsraum befestigt werden kann. Nach Beendigung der Driftmessung
sind Abtastkopf 6 und Referenzmarkierung 8 leicht
wieder zu entfernen. Sollte der Werkzeugtisch 2 für eine Befestigung
mittels Magnet 9 nicht geeignet sein, oder die Magnetkraft
aufgrund hoher Beschleunigungen nicht ausreichend sein, so bietet
sich ein Verkleben mit einem möglichst
spröden
Klebstoff an. Eine solche Verbindung läßt sich bei Bedarf mit leichten
Schlägen
mit einem Hammer wieder lösen,
wobei bei geeigneter Wahl des Klebstoffes (z.B. "Sekundenkleber") keine Kleberreste am Werkstücktisch
verbleiben.
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Um die thermische Drift auch in Z-Richtung messen
zu können,
weist der Abtastkopf 6 einen Abstandssensor 13 auf,
der gleichzeitig mit der Erfassung der X- und Y-Positionen eine
Z-Position liefert. Alternativ kann natürlich auch mit entsprechend
angebrachten Referenzmarkierungen 8 gearbeitet werden,
wenn Werkzeugtisch 2 und/oder Spindelkopf 3 schwenkbar
sind. Hierzu wird eine Referenzmarkierung 8 beispielsweise
seitlich an einem Werkstück oder
Werkstückhalter
befestigt.
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Eine Auswerteeinheit 12 dient
schließlich
dazu, die vom Abtastkopf 6 erhaltenen Signale als Positionswerte
zu speichern und geeignet zu verarbeiten. Dabei kann durch einen
Vergleich von Positionswerten, die in kaltem Zustand erfaßt wurden,
mit Positionswerten, die im warmen Zustand erfaßt wurden, auf die thermische
Drift zwischen Werkzeug und Werkstück der Werkzeugmaschine 1 geschlossen werden.
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Um nun die thermische Drift einer
Werkzeugmaschine 1 zu vermessen, kann die als flexibler
Anbausatz zur Verfügung
stehende Meßeinrichtung
folgendermaßen
eingesetzt werden. Zunächst
wird statt eines Werkzeuges der Abtastkopf 6 eingesetzt.
Mit einem geeigneten Schaft 7 gelingt dies an verschiedensten
Typen von Werkzeugmaschinen. Es bietet sich an, für sehr spezielle
Typen dem Anbausatz entsprechende Adapterstücke beizufügen, die eine Verbindung zwischen
Abtastkopf 6 und Werkzeughalter 4 ermöglichen.
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Je nach dem, in welchen Richtungen
die thermische Drift gemessen werden soll, werden geeignete Referenzmarkierungen 8 im
Arbeitsraum 5 der Werkzeugmaschine 1 befestigt.
Im Einrichtbetrieb der Werkzeugmaschine 1 wird der Abtastkopf dann
nacheinander so zu allen Referenzmarkierungen 8 positioniert,
daß ein
absoluter Positionswert erzeugt und in der Auswerteeinheit
12 gespeichert
werden kann. Hierzu ist es bei den in den 2b und 3 dargestellten
Referenzmarkierungen 8 mit inkrementaler Teilungsstruktur 10 und
Referenzmarke 11 nötig,
die Referenzmarke 11 zu überfahren und dabei die Inkremente
zu zählen
und ggf. zu interpolieren. Mit den weiter oben erwähnten absoluten
Teilungsstrukturen erübrigt
sich das Überfahren
einer Referenzmarke 11, da hier der Abtastkopf 6 eine
absolute Position von jedem Abschnitt der Teilungsstruktur 10 ablesen
kann.
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Während
dieses Einrichtbetriebes werden die Positionen der Referenzmarkierung 8 in
den Koordinaten der Steuerung der Werkzeugmaschine 1 gespeichert
und daraus ein Programm zum automatischen Anfahren der Referenzmarkierungen 8 generiert.
Dies kann in der Steuerung selbst, oder auch in der Auswerteeinheit 12 geschehen.
Im zweiten Fall muß dazu
eine geeignete Verbindung zwischen der Steuerung der Werkzeugmaschine 1 und
Auswerteeinheit 12 bestehen.
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In einer Referenzfahrt werden dann
nacheinander alle Positionen der Referenzmarkierungen angefahren
und jeweils ein absoluter Positionswert durch Auslesen der Referenzmarkierungen 8 erzeugt.
Es ist hierbei entscheidend, daß das
Positionieren des Abtastkopfes 6 ausschließlich von
der Werkzeugmaschine 1 und ihrer Steuerung bewerkstelligt
wird, ganz so wie auch Werkzeug und Werkstück zueinander positioniert
werden. Die in der Auswerteeinheit 12 gespeicherten Positionswerte
sind davon völlig
unabhängig,
und deren absoluter Wert auch unbedeutend. Ihre Bedeutung gewinnen
diese Positionswerte erst durch Differenzbildung mit Positionswerten,
die während
einer Meßfahrt
der Werkzeugmaschine 1 im warmen Zustand aufgenommen wurden.
Diese Positionsdifferenzen beinhalten nun alle durch die thermische
Drift erzeugten Fehler in der Positionierung der Werkzeugmaschine 1.
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Da die Messung der thermischen Drift
im Normalbetrieb einer Werkzeugmaschine 1 oft nicht notwendig
ist, sondern vielmehr zu Kontrollzwecken nur gelegentlich durchgeführt wird,
etwa bei Problemen mit der Maßhaltigkeit
der gefertigten Teile, ist eine fest installierte Meßeinrichtung
für thermische Drift
ein zumindest für
einfache Werkzeugmaschinen 1 sehr hoher Aufwand. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung
für thermische
Drift läßt sich
daher besonders vorteilhaft an solchen Werkzeugmaschinen 1 einsetzen,
da sie ohne großen
Aufwand anbaubar ist und ohne weitere Verbindung zur Werkzeugmaschine 1 oder
deren Steuerung 14 auskommt. Da die Referenzmarkierungen 8 und
der Abtastkopf 6 sehr klein sein können und auch die Auswerteeinheit 12 lediglich
aus einem tragbaren Computer mit geeigneter Schnittstellenkarte
zum Abtastkopf 6 bestehen kann, eignet sich die Meßeinrichtung
als sehr flexibles, tragbares und in verschiedensten Situationen einsetzbares
Mittel zur Diagnose von und Fehlersuche an Werkzeugmaschinen 1.
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Im Anbausatz sollten Referenzmarkierungen 8 unterschiedlichsten
Typs mit verschiedenen möglichen
Befestigungsarten vorhanden sein, um sehr flexibel an verschiedenen
Werkzeugmaschinen 1 arbeiten zu können. Auch mehrere Abtastköpfe 6 können unter
Umständen
nützlich
sein, etwa für
Werkzeugmaschinen 1 mit mehreren Werkzeughaltern 4,
oder auch für
die Umkehrung des Meßprinzips,
in dem eine Referenzmarkierung 8 am Werkzeughalter 4 befestigt
und an mehrere im Arbeitsraum 5 verteilte Abtastköpfe geführt wird.
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Eine besonders einfache Anwendung
der Meßeinrichtung
ergibt sich, wenn der Abtastkopf 6 mit der Auswerteeinheit 12 drahtlos
kommunizieren kann, etwa über
eine gängige
Infrarot – oder
Bluetooth – Schnittstelle.
Es muß dann
kein evtl. hinderliches Kabel im Arbeitsraum 5 der Werkzeugmaschine 1 geführt werden.
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Die Auswerteeinheit 12 kann
dem Anbausatz nur als entsprechende Software beigelegt werden, wenn
der Abtastkopf 6 über
eine gängige
Schnittstelle verfügt,
oder als Kombination einer Software mit einer geeigneten Schnittstellenkarte
für die
Kommunikation eines üblichen
Industrie-PCs mit dem Abtastkopf 6. Die Bildung der absoluten
Positionswerte kann je nach Ausführung
der Meßeinrichtung
noch im Abtastkopf 6 erfolgen, oder später in der Schnittstellenkarte
oder im PC.
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Für
spezielle Anwendungen wie Drehmaschinen mit mehreren nebeneinander
angeordneten Werkzeughaltern 4 zur Bearbeitung eines Werkstückes mit
mehreren Werkzeugen ohne zeitaufwendigen Werkzeugwechsel kann es
sinnvoll sein, mehrere Abtastköpfe 6 an
den Werkzeughaltern 4 zu befestigen und lediglich eine
Referenzmarkierung 9 am Werkstückhalter, oder auch mehrere
Referenzmarkierungen 9 an den Werkzeughaltern 4 und
einen Abtastkopf 6 am Werkstückhalter 4.
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Eine möglichst flexible Meßeinrichtung
in Form eines Anbausatzes zur Messung von thermischer Drift sollte
also komplementäre
Meßmittel 6, 8 in
Form von mehreren Abtastköpfen 6 als
auch mehreren Referenzmarkierungen 8 mit jeweils verschiedenen
Befestigungsmöglichkeiten
für die
möglichst freie
Befestigung im Arbeitsraum 5 und am Werkzeughalter 4 einer
Werkzeugmaschine 1 bereit halten.