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Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zum Überprüfen einer
Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Meßeinrichtungen
dienen dazu, eine Werkzeugmaschine bezüglich der Positionierung ihrer
beweglichen Achsen unabhängig
von den Positionsmeßsystemen
der Werkzeugmaschine zu überprüfen oder
zu kalibrieren.
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Die Anforderungen an moderne Werkzeugmaschinen
steigen immer weiter an. So soll einerseits die Bearbeitungsgeschwindigkeit
erhöht
werden, um den Durchsatz an den Werkzeugmaschinen und damit deren
Produktivität
zu steigern, andererseits ist auch eine immer präzisere Bearbeitung der Werkstücke gefragt.
Entscheidend für
die Lösung dieser
eigentlich konträren
Aufgaben sind immer bessere Lageregelkreise, mit denen die verschiedenen
beweglichen Achsen der Werkzeugmaschinen positioniert werden. Hochdynamische
Antriebe mit hoher Leistung müssen
mit sehr guten Positionsmeßsystemen
und bestens auf die jeweiligen Anforderungen angepaßten Reglerstrukturen
kombiniert werden. Bei der Inbetriebnahme und zur Wartung und Kontrolle
von Werkzeugmaschinen ist es dabei immer wieder nötig, die
exakte Positionierung der Achsen zu überprüfen bzw. zu kalibrieren. Die
Einstellparameter der Regelkreise können mit solchen Messungen
optimiert und den gegebenen Randbedingungen angepaßt werden.
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Aus dem Buch "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik" (verlag moderne
Industrie, Landsberg, 1998) sind Kreuzgittermeßsysteme bekannt, die sich für diesen
Zweck eignen. Montiert man eine Kreuzgitterplatte auf dem Werkstücktisch
einer Werkzeugmaschine und den Abtastkopf des Kreuzgittermeßsystems
mittels eines Spannkegels im Werkzeugaufnahmekonus der Werkzeugspindel,
so läßt sich
beispielsweise in einem Kreisformtest überprüfen, welche Abweichungen von
der idealen Kreisform bei verschiedenen Bearbeitungsgeschwindigkeiten
auftreten. Moderne Werkzeugmaschinen haben allerdings oft deutlich
mehr Freiheitsgrade als die für
den Kreisformtest üblichen
zwei linearen Achsen. Zur Überprüfung von
mehr als zwei solcher Freiheitsgrade sind also zusätzliche
Maßnahmen
erforderlich.
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Die
EP 1019669 B1 beschreibt ein Kreuzgittermeßsystem
mit zusätzlicher
Sensorik, die es erlaubt, alle sechs Freiheitsgrade zu erfassen.
Das Meßsystem
ist aber dennoch beschränkt
auf primär ebene
Bewegungen in der Ebene der Kreuzgitterplatte. Die übrigen Freiheitsgrade
dürfen
nur einen kleinen Beitrag zur untersuchten Bewegung leisten, da eine
Abtastung des Kreuzgitters sonst nicht mehr möglich wäre. Die Anordnung erlaubt also
lediglich zwei große
Freiheitsgrade.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein in der Anwendung einfaches Kreuzgittermeßsystem so zu verbessern, daß wenigstens
drei große
Freiheitsgrade einer Werkzeugmaschine überprüft werden können.
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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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Es wird eine Meßeinrichtung zum Überprüfen der
Positioniergenauigkeit einer Werkzeugmaschine mit mehreren beweglichen
Achsen in wenigstens einem ersten, zweiten und dritten Freiheitsgrad offenbart,
bei der die zwei aufeinander senkrecht stehenden ersten und zweiten
Freiheitsgrade mittels einer Kreuzgitterplatte erfaßbar sind.
Die Kreuzgitterplatte ist dabei bezüglich des dritten Freiheitsgrades unabhängig von
den beweglichen Achsen der Werkzeugmaschine nachführbar.
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Die Größe der notwendigen Nachführbewegungen
wird von einem Referenzmeßsystem
erfaßt und
steht als Referenzmessung zur Kalibrierung oder Überprüfung der Positioniergenauigkeit
der Werkzeugmaschine im dritten Freiheitsgrad zur Verfügung.
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Die Nachführbewegungen werden von einem
Antrieb ausgeführt,
der über
einen Regelkreis mit entsprechender Sensorik, bestehend zum Beispiel
aus Abtastköpfen
für die
Gitterteilung der Kreuzgitterplatte und Abstandssensoren, die Position
der Kreuzgitterplatte bezüglich
des dritten Freiheitsgrades konstant hält.
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Als dritter großer Freiheitsgrad mit wesentlichem
Beitrag zu einer Bewegung kommen dabei zum Beispiel rotatorische
Bewegungen (um eine Achse senkrecht zur Kreuzgitterplatte), translatorische
Bewegungen (senkrecht zur Kreuzgitterplatte) oder Kippbewegungen
(um in der Ebene der Kreuzgitterplatte liegende Kippachsen) der
Kreuzgitterplatte in Betracht. Bei entsprechendem Aufbau mit mehreren Positionsmeßsystemen
können
auch mehrere zusätzliche
Freiheitsgrade gleichzeitig erfaßt und überprüft werden.
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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;
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2 eine
in zwei Freiheitsgraden nachführbare
Kreuzgitterplatte.
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Die hier beschriebene Erfindung ist
anwendbar auf Werkzeugmaschinen mit mehreren beweglichen Achsen.
Diese Achsen werden wie üblich
mit X, Y und Z für
die linearen Achsen und A, B, C für die rotatorischen Achsen
bezeichnet. Die Achsen A, B, C, X, Y, Z erlauben eine Bewegung zwischen
Werkzeug und Werkstück
in mehreren Freiheitsgraden, die im Folgenden ebenfalls mit den
Buchstaben A, B, C, X, Y und Z entsprechend den zugrundeliegenden Achsen
bezeichnet werden.
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1 zeigt
eine Werkzeugmaschine 5, von der eine Werkzeugspindel 5.1 und
ein Rundtisch 5.2 dargestellt sind. In hier nicht dargestellter
Weise läßt sich
ein auf dem Rundtisch 5.2 aufgespanntes Werkstück mit einem
in der Werkzeugspindel 5.1 eingespannten Werkzeug bearbeiten.
Dabei kann das Werkstück
relativ zum Werkzeug in mehrere Freiheitsgrade X, Y, Z und C bewegt
werden. Diese Bewegung wird üblicherweise
von einer Numerischen Steuerung überwacht,
die ein Teileprogramm abarbeitet und dabei Positionssollwerte an
die Antriebe der verschiedenen Achsen X, Y, Z, C abgibt. In die Werkzeugmaschine 5 integrierte
Positionsmeßsysteme
liefern dabei Positionsistwerte, die zusammen mit den Positionssollwerten
in einem Lageregelkreis verarbeitet werden.
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Um die Genauigkeit des Bearbeitungsvorganges
zu überprüfen, ist
eine Kreuzgitterplatte 1 über ein Referenzmeßsystem 4 auf
dem Rundtisch 5.2 montiert, so daß die Drehachse C des Rundtisches 5.2 parallel
zur Drehachse des Referenzmeßsystems 4 ist.
In die Werkzeugspindel 5.1 ist eine Halterung 3 eingespannt,
die mehrere Abtastköpfe 2 trägt. Diese
Abtastköpfe 2 sind
in der Lage, von der Kreuzgitterplatte 1 Positionsinformationen
bezüglich der
Verschiebung der Kreuzgitterplatte 1 in Richtung der Freiheitsgrade
X und Y aufzunehmen. Hierzu wird das Gitter der Kreuzgitterplatte 1 abgetastet
und im einfachsten Fall ein Inkrementalsignal in Form einer definierten
Anzahl von Pulsen pro Wegstrecke in der Richtung X bzw. Y abgegeben.
Vereinfacht dargestellt werden dabei die Gitterstriche gezählt, die
jeweils in Richtung der aufeinander senkrecht stehenden und die
Ebene der Kreuzgitterplatte aufspannenden Freiheitsgrade X und Y
von den Abtastköpfen 2 überstrichen werden.
Details zum Abtastprinzip und zur Funktionsweise solcher Meßsysteme
können dem
oben zitierten Buch "Digitale
Längen-
und Winkelmeßtechnik" entnommen werden.
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Eine Recheneinheit 7 enthält eine
Auswerteeinheit 7.1, die aus den Inkrementalsignalen der
Abtastköpfe 2 eine
Information über
die Verschiebung der Kreuzgitterplatte 1 relativ zu den
Abtastköpfen 2 berechnet.
Diese Information läßt sich
vergleichen mit der eigentlich durch ein Teileprogramm vorgegebenen
Sollbewegung. Abweichungen können
so erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
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Verwendet man nun wenigstens zwei
Abtastköpfe 2,
so läßt sich
in der Recheneinheit 7 aus den Positionswerten der Abtastköpfe 2 auch
der Drehwinkel der Kreuzgitterplatte 1 um einen dritten
Freiheitsgrad C senkrecht zur Kreuzgitterplatte 1 berechnen. Die
auf dem Referenzmeßsystem 4 drehbar
gelagerte Kreuzgitterplatte 1 läßt sich dann so nachführen, daß die durch
den Rundtisch 5.2 ausgeführte Drehung um die Achse C
gerade wieder ausgeglichen wird. Dies kann von einem Servoregler 7.2 in
der Recheneinheit 7 erledigt werden, der einen Antrieb 6 steuert,
der die Nachführbewegung
der Kreuzgitterplatte 1 unabhängig von den beweglichen Achsen
A, B, C, X, Y, Z der Werkzeugmaschine 5 bewirkt. Der Servoregler 7.2 hat
also die Aufgabe, die durch den Rundtisch 5.2 verursachte
Drehung der Kreuzgitterplatte 1 relativ zu der aus den
Abtastköpfen 2 bestehenden
Sensorik zu kompensieren, indem die Kreuzgitterplatte 1 mittels
des Antriebes 6 zurück
gedreht wird. Das Referenzmeßsystem 4 erfaßt dann
eine Winkelpositionsinformation, die mit der ursprünglichen
Vorgabe für
die Achse C der Werkzeugmaschine 5 verglichen werden kann.
Abweichungen geben Aufschluß über die
Positioniergenauigkeit der rotatorischen Achse C.
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Mit der in 1 gezeigten Kombination aus einer nachgeführten Kreuzgitterplatte 1 mit
einem Referenzmeßsystem 4 lassen
sich also drei Achsen der Werkzeugmaschine 5 hinsichtlich
ihrer Positioniergenauigkeit überprüfen bzw.
kalibrieren. Der Meßbereich
bezüglich
der rotatorischen Achse C ist dabei mit einem geeigneten Referenzmeßsystem 4 nicht begrenzt.
Die Begrenzung durch die Größe der Abtastpatte 1 in
Richtung der linearen Achsen X und Y läßt sich aufheben, wenn an der
Halterung 3 mehrere Abtastköpfe 2 befestigt sind.
Es muß dann
lediglich darauf geachtet werden, daß im gewünschten Meßbereich der linearen Achsen
X, Y immer wenigstens zwei Abtastköpfe 2 oberhalb der
Kreuzgitterplatte 1 liegen. Bevor diese den Bereich der
Kreuzgitterplatte 1 verlassen, muß auf ein anderes Paar von
Abtastköpfen 2 umgeschaltet
werden. Im Sinne der Einleitung können also drei große Freiheitsgrade überprüft werden.
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Es läßt sich ein weiterer Freiheitsgrad
der Werkzeugmaschine 5 überprüfen, wenn
die Sensorik aus Abtastköpfen 2 wie
in der 2 gezeigt durch
einen Abstandssensor 9 ergänzt wird. Dies kann ein kapazitiver
Abstandssensor 9 sein oder auch ein mechanischer Taster,
der von der Halterung 3 aus die Kreuzgitterplatte 1 antastet.
Montiert man die Kreuzgitterplatte 1 auf einem linearen
Stellglied 8 mit integriertem Linearmeßsystem, so läßt sich
die Kreuzgitterplatte 1 auch senkrecht zur Kreuzgitterplatte 1 nachführen und
damit die Achse Z überprüfen. Hierzu
wird der Abstand der Kreuzgitterplatte 1 zum Abstandssensor 9 mit
dem Linearstellglied 8 über
den Servoregler 7.2 konstant gehalten. Die nötige Nachführung wird
mit dem als Referenzmeßsystem
dienenden Linearmeßsystem
des Linearstellgliedes 8 erfaßt und kann mit der Vorgabe
an die Achse Z der Werkzeugmaschine 5 verglichen werden.
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Kippbewegungen der Kreuzgitterplatte 1 um in
der Ebene der Kreuzgitterplatte 1 liegende Achsen A und
B können
erfaßt
werden, wenn die Kreuzgitterplatte 1 von wenigstens drei
Abstandssensoren 9 an der Halterung 3 überwacht
wird und die Kreuzgitterplatte 1 z.B. auf drei Linearstellgliedern 8 mit
integriertem Linearmeßsystem
gelagert ist, wie in 2 dargestellt.
Die drei Abstandssensoren 9 und die drei Linearstellglieder 8 dürfen dabei
jeweils nicht auf einer Geraden liegen. Die Recheneinheit 7 kann
aus den Abstandswerten der drei Abstandssensoren 9 geeignete
Sollwerte für
die Servoregler 7.2 der Linearstellglieder 8 berechnen.
Auf diese Weise ist die Kreuzgitterplatte 1 bezüglich der
Achsen A und B nachführbar.
Aus den Positionswerten der Linearmeßsysteme der Linearstellglieder 8 kann
dann die Recheneinheit 7 die gesuchten Referenzwerte für die Kippwinkel
um die Achsen A und B berechnen und mit den Vorgaben an die Werkzeugmaschine 5 vergleichen.
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Alternativ kann die Kreuzgitterplatte 1 auch kardanisch
aufgehängt
werden, wobei Winkelmeßsysteme
in den Gelenken der Aufhängung
den Kippwinkel in den Freiheitsgraden A und B jeweils direkt erfassen
und als Referenzposition ausgeben können.
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Durch die Montage der Abtastköpfe 2 anstelle
eines Werkzeuges und der Montage der Kreuzgitterplatte 1 anstelle
eines Werkstückes
können
alle Relativbewegungen zwischen Kreuzgitterplatte 1 und Abtastköpfen 2 erfaßt werden,
die ansonsten zwischen Werkzeug und Werkstück auftreten können. So
sind alle Freiheitsgrade A, B, C, X, Y, Z einer Werkzeugmaschine 5 abgedeckt
und einer genauen Überprüfung zugänglich.
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Für
sehr große
Arbeitsräume
ist es auch denkbar, Meßsysteme
zu verwenden, die ohne Kreuzgitterplatte 1 auskommen. So
könnten
zwei lineare Meßsysteme
mit eindimensionaler Teilungsstruktur im rechten Winkel zueinander
in einer Gantry – Anordnung
verbunden werden, so daß die
beiden linearen Meßsysteme
eine Meßebene
in den Achsen X und Y aufspannen, die analog zur Kreuzgitterplatte 1 in
den Freiheitsgraden A, B, C, Z nachgeführt werden kann. In diesem
Sinne sei der Ausdruck Kreuzgitterplatte stellvertretend für jedes
ebene Meßsystem
zu verstehen, mit dem eine Verschiebung in Richtung von zwei eine
Ebene aufspannenden Freiheitsgraden erfaßt werden kann.
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In speziellen Anwendungen werden
Kreuzgittermeßsysteme
auch im Lageregelkreis einer Werkzeugmaschine 5 verwendet.
Weist die Werkzeugmaschine 5 z.B. einen Freiheitsgrad A,
B auf, durch den die Kreuzgitterplatte 1 um eine Achse in ihrer
Ebene gekippt wird, ist die entsprechende Nachführung der Kreuzgitterplatte 1 eine
sinnvolle Maßnahme.
Hier wird also das beschriebene Meßsystem nicht zur Überprüfung der
Positioniergenauigkeit, sondern direkt zur Positionsregelung der
Werkzeugmaschine eingesetzt.