DE10330915A1

DE10330915A1 - Verfahren zur Kompensation von Verlagerungen

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Publication number: DE10330915A1
Application number: DE2003130915
Authority: DE
Inventors: Anton Schweizer; Hans-Henning Dr. Winkler
Original assignee: Chiron Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Chiron Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-05
Also published as: DE10330915B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Kompensation von Verlagerungen, beispielsweise infolge thermischer Ausdehnungen oder Lastveränderungen, bei einer Werkzeugmaschine (10) mit einer in drei orthogonalen Achsen x, y, z relativ zu einem Werkstücktisch (16) verfahrbaren Werkzeugspindel (12). Bei dem Verfahren wird ein in die Werkzeugspindel (12) eingesetztes Werkzeug (14) bis zur Unterbrechung einer Lichtschranke (21) parallel zu einer Achse x, y, z relativ verfahren und ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel (12) bei Unterbrechung der Lichtschranke (21) ergebender Messwert bestimmt, mit dessen Hilfe zumindest ein beim Verfahren der Werkzeugspindel (12) verwendbarer Korrekturwert berechnet wird. Die Lichtschranke (21) ist dabei so angeordnet, dass sie mit ihrer Längsachse zumindest eine Achse x, y der Werkzeugmaschine (10) unter einem Winkel von < 90 DEG schneidet (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Verlagerungen, bspw. infolge thermischer Ausdehnungen oder Lastveränderungen, bei einer Werkzeugmaschine mit einer in drei orthogonalen Achsen relativ zu einem Werkstücktisch verfahrbaren Werkzeugspindel, bei dem ein in die Werkzeugspindel eingesetztes Werkzeug bis zur Unterbrechung einer Lichtschranke parallel zu einer Achse relativ verfahren und ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel bei Unterbrechung der Lichtschranke ergebender Messwert bestimmt wird, mit dessen Hilfe zumindest ein beim Verfahren der Werkzeugspindel verwendbarer Korrekturwert berechnet wird.

Ein Verfahren der vorstehend genannten Art ist aus der DE 42 38 504 A1 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird die Lage einer durch die Lichtschranke definierten Messebene relativ zu dem Ursprung des Koordinatensystemes für die Bewegung der Werkzeugspindel dadurch bestimmt, dass ein Messwerkzeug mit definierter Länge der Messebene zugestellt und das Eintauchen des Messwerkzeuges in die Messebene, also die Unterbrechung der Lichtschranke, erfasst wird. Aus der bekannten Länge des Messwerkzeuges sowie aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel in der Achse, in der das Messwerkzeug der Messebene zugestellt wird, wird die relative Lage der Messebene bezogen auf den Ursprung des Koordinatensystemes bestimmt.

Auf diese Weise werden sich während der Betriebszeit der Werkzeugmaschine durch thermische Deflektionen oder andere Lageveränderungen einstellende Verlagerungen zwischen der Messebene und dem Koordinatenursprung erfasst, was bei der Steuerung entsprechend berücksichtigt werden soll.

Statt eines Messwerkzeuges mit definierter Länge kann auch ein Messwerkzeug mit bekanntem Durchmesser verwendet werden, um die relative Lage zwischen einem Koordinatenursprung und einer Messebene zu bestimmen, die nicht in der durch die x- und y-Achse aufgespannten Tischebene, sondern in der durch die x- und die z-Achse oder der durch die y- und die z-Achse aufgespannten Ebene liegt.

Die Bestimmung der relativen Lage des Koordinatenursprungs zu der auf dem Werkstücktisch montierten Lichtschranke ist insbe sondere dann sinnvoll, wenn Werkstücke mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit im Mikrometerbereich bearbeitet werden sollen. Es hat sich herausgestellt, dass während der Betriebszeit einer Werkzeugmaschine allein schon durch die allmähliche Erwärmung thermische Deflektionen auftreten, die in der Werkzeugmaschine zu derartigen Verlagerungen führen, dass die gewünschte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit oft nicht eingehalten werden kann. Diese Verlagerungen führen dazu, dass die relative Lage zwischen Koordinatenursprung und Werkstücktisch sich verändert, so dass die Werkstückspindel bei gleichem Verfahrweg gegenüber dem relativen Koordinatenursprung das auf dem Werkstücktisch aufgespannte Werkstück an einer leicht verschobenen Position bearbeitet.

Derartige Verlagerungen ergeben sich aber nicht nur im Laufe des Tages infolge der allmählichen Erwärmung der Werkzeugmaschine, auch unterschiedliche Sonneneinstrahlungen und Raumtemperaturen können zu diesen Verlagerungen führen. Ferner führen auch Lastveränderungen innerhalb der Werkzeugmaschine zu derartigen unerwünschten Verlagerungen. Diese Lastveränderungen ergeben sich beispielsweise dann, wenn im Laufe eines Bearbeitungsvorganges verschiedene Werkzeuge in die Werkzeugspindel eingespannt werden, wobei diese Werkzeuge stark unterschiedliche Gewichte aufweisen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn zu den Werkzeugen einerseits relativ leichte Fräswerkzeuge, andererseits aber auch Plandrehköpfe zählen, die ein erheblich höheres Gewicht als die Fräswerkzeuge aufweisen, bei geeigneter Konstruktion aber ebenfalls in die Werkzeugaufnahme eingesetzt werden können.

Es hat sich nun herausgestellt, dass die mit dem bekannten Verfahren durchführbare Kompensation aus vielen Gründen nicht zufriedenstellend ist. Zum einen hängt die Bestimmung des Messwertes und damit auch die Genauigkeit der möglichen Korrektur von der Kenntnis der Länge des Messwerkzeuges sowie des Durchmessers des Messwerkzeuges ab, was zur Folge hat, dass das die Korrektur rechnerisch berücksichtigende Programm verändert werden muss, wenn das Messwerkzeug ausgewechselt wird, was beispielsweise dann erforderlich ist, wenn es beschädigt wurde.

Andererseits ist es mit dem bekannten Verfahren nur möglich, thermische Deflektionen in Richtung von zwei Achsen zu erfassen, was in vielen Fällen nicht ausreichend ist.

Ferner hat sich herausgestellt, dass das bekannte Verfahren häufig nicht sehr schnell durchzuführen ist. Wenn sich nämlich die Lichtschranke auf Grund starker thermischer Deflektionen deutlich verlagert hat, kann es vorkommen, dass beim Anfahren der Lichtschranke von oben mit einem Messwerkzeug dieses die Lichtschranke nicht sofort "trifft", so dass mehrere Versuche erforderlich sind, bis das Messwerkzeug mit seiner Spitze die Lichtschranke unterbrechen kann.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren derart weiterzubilden, dass auf schnelle, einfache und reproduzierbare Weise Verlagerungen in allen drei Achsen des Koordinatensystemes erfasst werden können.

Bei dem eingangs erwähnten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lichtschranke so angeordnet wird, dass sie mit ihrer Längsachse zumindest eine Achse der Werkzeugmaschine unter einem Winkel von < 90° schneidet, wobei der Winkel vorzugsweise etwa 45° beträgt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt; dass es bei einer "schrägen" Anordnung der Lichtschranke auf dem Werkstücktisch möglich ist, Messwerte für alle drei Achsen zu gewinnen und entsprechend eine dreiachsige Korrektur der Verlagerungen vorzunehmen. Wenn die Lichtschranke mit ihrer Längsachse die zumindest eine Achse der Werkzeugmaschine unter einem Winkel von etwa 45° schneidet, so kann die Lichtschranke beispielsweise einmal in der x-Achse und zum anderen in der y-Achse angefahren werden, wobei beidesmal ein Messwert genommen wird, aus dem in noch zu beschreibender Weise ein Korrekturwert ermittelt werden kann. Durch diese beiden Messungen ist die Lage der Lichtschranke nach den Verlagerungen bekannt, so dass sie jetzt auch aus z-Richtung, also von oben, angefahren werden kann. Damit ist es nicht mehr erforderlich, bei einer größeren Verlagerung die Lichtschranke "neu zu suchen", wie es im Stand der Technik erforderlich war.

Mit anderen Worten, die Lichtschranke wird jetzt dreimal nacheinander aus den drei orthogonalen Achsen angefahren und jeweils die relative Lage der Werkzeugspindel in der Achse, in der verfahren wird, als Messwert genommen, um daraus einen verwendbaren Korrekturwert zu berechnen.

In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn ein Korrekturwert für die erste Achse aus einem in der ersten Achse genommenen ersten Wert und einem Messwert gewonnenen wird, der durch relatives Verfahren des Werkzeuges mit einem in der zweiten Achse genommenen zweiten wert parallel zu der ersten Achse bestimmt wird, und ein Korrekturwert für die zweite Achse aus einem in der zweiten Achse genommenen ersten Wert und einem Messwert gewonnen wird, der durch relatives Verfahren des Werkzeuges mit einem in der ersten Achse genommenen zweiten Wert parallel zu der zweiten Achse bestimmt wird.

Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass es nicht mehr erforderlich ist, die Länge oder den Durchmesser des Messwerkzeuges zu kennen, vielmehr wird der aktuelle Messwert in Beziehung zu einem bereits bekannten Wert gesetzt und daraus der Korrekturwert berechnet.

Dabei ist es bevorzugt, wenn aus den zweiten Werten und den Messwerten die relative Lage der Lichtschranke in der durch die erste und die zweite Achse aufgespannten Ebene berechnet wird und aus der relativen Lage Korrekturwerte für die erste und die zweite Achse berechnet werden.

Hier ist von Vorteil, dass die neue Lage der Lichtschranke aus den beiden bekannten Punkten nach der Zweipunktegleichung einer Geraden G_m in der Ebene berechnet werden kann: Gm [(x1/ym); (xm/y1)]x₁ und y₁ sind die jeweiligen zweiten Werte, für die die Messwerte y_m bzw. x_m genommen werden. Durch die in der 2 ge zeigte Zweipunktegleichung für die Gerade G_m kann nun für jedes beliebige x der zugehörige y-Wert berechnet werden.

Weiter ist es bevorzugt, wenn das Werkzeug in der ersten und der zweiten Achse in eine Position verfahren wird, die durch die relative Lage der Lichtschranke oder durch den zweiten Wert und den zugeordneten Messwert definiert ist, und dann parallel zu der dritten Achse verfahren wird, bis es die Lichtschranke unterbricht, wobei ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel bei Unterbrechung der Lichtschranke ergebender Messwert bestimmt wird, aus dem und einem ersten Wert für die dritte Achse ein Korrekturwert für die dritte Achse berechnet wird.

Hier ist von Vorteil, dass bei der Korrektur der dritten, also in der Regel der z-Achse, das Werkzeug gezielt an die Position gefahren werden kann, wo sich die Lichtschranke nach der Verlagerung auch tatsächlich befindet. Beim Zustellen des Werkzeuges unterbricht dieses dann die Lichtschranke, was als Messwert für die z-Achse genommen wird. Auch dieser Messwert wird wie bei der x- und der y-Achse mit einem bekannten Wert für diese Position verrechnet, um den Korrekturwert zu bestimmen.

Andererseits ist es bevorzugt, wenn das Werkzeug nach Erreichen der Position für den Messwert in der ersten oder zweiten Achse in der dritten Achse verfahren wird, bis es die Lichtschranke wieder freigibt, wobei ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel bei Freigabe der Lichtschranke ergebender Messwert bestimmt wird, aus dem und einem ersten Wert für die dritte Achse ein Korrekturwert für die dritte Achse berechnet wird.

Hier ist von Vorteil, dass für die Bestimmung eines Messwertes für die dritte Achse das Werkzeug nicht erneut zugestellt werden muss, es muss lediglich so lange hochgefahren werden, bis es die Lichtschranke wieder freigibt, nachdem es aus der ersten oder zweiten Achse die Lichtschranke unterbrochen hat.

Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche Verkürzung für das neue Kompensationsverfahren. Das Werkzeug wird beispielsweise für einen bekannten y-Wert in der x-Achse verfahren, bis die Lichtschranke unterbrochen wird. Der bekannte y-Wert sowie der gemessene x-Wert definieren einen ersten Punkt für die Lichtschranke in der x/y-Ebene. Das Messwerkzeug wird dann in z-Richtung hochgefahren, bis es die Lichtschranke wieder freigibt . Auf diese Weise wird ein Raumpunkt (x_m, y₁, z_m1) der neuen Lage der Lichtschranke bestimmt.

Dann wird das Messwerkzeug in der y-Achse bei bekanntem x-Wert der Lichtschranke erneut zugestellt, bis sie unterbrochen wird. Dies ergibt einen Messpunkt für die y-Achse. Nach dem Hochfahren in z-Richtung ergibt sich ein zweiter Messwert für die z-Achse. Somit ist ein zweiter Raumpunkt (x₁, y_m, z_m2) bestimmt.

Aus den beiden Raumpunkten lässt sich nun mit Hilfe der bekannten Zweipunktegleichung auch die relative Lage der Lichtschranke im dreidimensionalen Raum bestimmen.

Andererseits ist es bevorzugt, wenn zwei Messwerte für die dritte Achse bestimmt werden, aus denen und den zugeordneten zweiten Werten oder Messwerten für die erste oder zweite Achse die relative Lage der Lichtschranke in der durch die erste und die dritte oder der durch die zweite und die dritte Achse aufgespannten Ebene berechnet wird.

Hier ist von Vorteil, dass die erforderlichen Rechenoperationen gegenüber der Berechnung der Lage der Lichtschranke im Raum reduziert werden. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass es in vielen Fällen ausreichend ist, wenn die Lage der Lichtschranke projiziert in die durch die erste und die zweite Achse aufgespannte Ebene und projiziert in die durch die erste und die dritte oder die zweite und die dritte Achse aufgespannte Ebene bestimmt wird, um die erforderlichen Korrekturen zum Ausgleich der Verlagerungen vornehmen zu können.

Allgemein ist es bevorzugt, wenn der erste Wert jeweils der Messwert aus einem früheren Betriebszeitpunkt der Werkzeugmaschine ist.

Hier ist von Vorteil, dass die jeweiligen ersten Werte jeweils bei Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine neu erfasst werden. Die Abmaße eines verwendeten Messwerkzeuges gehen somit in die Berechnungen der Korrekturwerte bei dem neuen Verfahren nicht ein, denn sowohl die "Nullwerte" als auch die späteren Messwerte werden immer mit ein und demselben Messwerkzeug gewonnen. Wenn ein Messwerkzeug ausgetauscht wird, ist es dann lediglich erforderlich, neue Nullwerte zu nehmen, im weiteren Betrieb der Werkzeugmaschine werden dann diese neuen Nullwerte zur Berechnung der Korrekturwerte verwendet.

Ferner ist es bevorzugt, wenn als Korrekturwert die Differenz zwischen dem jeweiligen ersten Wert und dem zugeordneten Messwert berechnet wird.

Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass nicht jedes Mal die neue Lage der Lichtschranke im Raum bestimmt werden muss, vielmehr wird der durch die Differenz zwischen dem früheren Messwert (Nullwert) und dem aktuellen Messwert bestimmte Korrekturwert in allen drei Achsen berechnet und dann jeweils dem Soll-Verfahrweg zugeschlagen, um auf den tatsächlichen Ist-Verfahrweg zu kommen, in dem die Verlagerungen kompensiert sind.

Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben nämlich erkannt, dass es in vielen Fällen ausreichend ist, an bestimmten Positionen an der Lichtschranke Messwerte für die drei Achsen zu nehmen und diese Messwerte im Laufe der Zeit zu aktualisieren, wobei die Differenz dann unmittelbar als Korrekturwert für die einzelnen Achsen verwendet werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Werkzeugmaschine in schematischer Seitendarstellung, mit einer auf dem Werkstücktisch angeordneten Lichtschranke;

2 eine schematische Draufsicht auf die geometrischen Verhältnisse in der x/y-Ebene, also in der Aufspannungsebene des Werkstücktisches, wobei die Lichtschranke aus 1 in ihrer Nullposition und in einer stark übertriebenen dargestellten Verlagerung gezeigt ist; und

3 eine Darstellung wie 2, jedoch für die durch die z-Achse sowie die x- oder y-Achse aufgespannte Ebene.

In 1 ist mit 10 eine schematisch in der Seitenansicht gezeigte Werkzeugmaschine zu sehen, die einen Spindelkopf 11 aufweist, in dem eine Werkzeugspindel 12 drehbar gelagert ist. In die Werkzeugspindel 12 ist ein Werkzeug 14 eingespannt.
Der Spindelkopf 11 und damit die Werkzeugspindel 12 sowie das von ihr getragene Werkzeug 14 sind in drei orthogonalen Achsen x, y und z, wie sie durch ein Koordinatensystem 15 angedeutet sind, relativ zu einem Werkstücktisch 16 verfahrbar. Die Mechanik, mit der diese relative Verfahrbarkeit zwischen Spindelkopf 11 und Werkstücktisch 16 realisiert wird, ist in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Auf dem Werkstücktisch 16 ist eine Vorrichtung 17 angeordnet, in die ein bei 18 schematisch angedeutetes Werkstück 18 eingespannt ist, das mit Hilfe des Werkzeuges 14 bearbeitet wird. Zu diesem Zweck werden Werkzeug 14 und Werkstück 18 relativ in dem Koordinatensystem 15 zueinander verfahren, wobei in der Regel der Werkstücktisch 16 fest steht und der Spindelkopf 11 in den drei Achsen x, y und z verfahren wird.
Eine in 1 ebenfalls nicht gezeigte Maschinensteuerung gibt zu diesem Zweck Verfahranweisungen an den Spindelkopf 11, die sich auf einen bei 19 angedeuteten Koordinatenursprung beziehen, dessen relative Lage zu dem Werkstücktisch 16 bekannt ist.
Auf Grund von thermischen Deflektionen oder Lastveränderungen kommt es nun nach der Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine 10 zu Verlagerungen zwischen dem Spindelkopf 11 und dem Werkstücktisch 16, was sich durch Verlagerungen zwischen dem relativen Koordinatenursprung 19 und dem Werkstück 18 bemerkbar macht. Nach der morgendlichen Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine 10 heizt sich diese nämlich im Laufe des Betriebes immer weiter auf, wobei auch eine Aufheizung durch Sonneneinstrahlung etc. zu weiteren thermischen Deflektionen führen kann. Eine weitere Ursache für derartige Verlagerungen ist darin zu sehen, dass außer einem Werkzeug 14 auch schwere Plandrehköpfe in die Werkzeugspindel 12 eingespannt werden können, was zu starken Lastveränderungen und damit ebenfalls zu einer relativen Verschiebung des Koordinatenursprunges 19 zu dem Werkstück 18 führt.
Diese Verlagerungen in der Werkzeugmaschine 10 führen nun dazu, dass eine Position an dem Werkstück 18 nicht mehr mit demselben relativen Verfahrweg zum Koordinatenursprung 19 angefahren werden kann, sondern dass Korrekturwerte Δx, Δy und Δz zu dem ursprünglichen Verfahrweg hinzu addiert werden müssen.
Um diese Korrekturwerte Δx, Δy und Δz berechnen zu können, befindet sich auf dem Werkstücktisch 16 eine Lichtschranke 21, die aus einem Sender 22 sowie einem Empfänger 23 besteht, der einen von dem Sender 22 ausgesandten Messstrahl 24 aufnimmt. Der Spindelkopf 11 wird nun so verfahren, dass das Werkzeug 14, das für die Bestimmung von Korrekturwerten Δx, Δy und Δz ein Messwerkzeug, zumindest aber immer dasselbe Werkzeug ist, den Messstrahl 24 unterbricht, was der Empfänger 23 an eine Steuerung meldet. Die relative Position des Spindelkopfes 11 in x-, y- oder z-Richtung wird in noch zu beschreibender Weise als Messwert gespeichert und mit einem früheren Messwert verglichen, wobei aus der Differenz zwischen dem früheren Messwert und dem aktuellen Messwert der Korrekturwert bestimmt wird.
In 2 ist in einer Draufsicht die durch die x- und y-Achse aufgespannte Ebene des Werkstücktisches 16 gezeigt. Der Sender 22 und der Empfänger 23 spannen zwischen sich den Messstrahl 24 auf, der unter einem Winkel 25 die y-Achse mit seiner Längsachse 26 schneidet. Der Winkel 25 ist kleiner als 90°, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa gleich 45°.
In der durchgezeichnet gezeigten Position von Sender 22 und Empfänger 23 befindet sich dieser bei Inbetriebnahme der entsprechenden Werkzeugmaschine. Das bei 14 angedeutete Werkzeug wird jetzt parallel zur y-Achse bei konstantem x = x₁ verfahren, bis es den Messstrahl 24 bei y = y₀ unterbricht. Der Punkt (x₁, y₀) definiert damit einen ersten Punkt auf dem Messstrahl 24. Das Werkzeug 14 wird jetzt parallel zur x-Achse mit festem y = y₁ verfahren, bis es bei x = x₀ den Messstrahl 24 erneut unterbricht. Der Punkt (x₀, y₁) definiert einen zweiten Punkt auf dem Messstrahl 24.
Der Messstrahl 24 ist als Gerade G₀ durch die oben in 2 gezeigte Zweipunkteform der Geraden G₀ definiert.
Auf Grund von thermischen Deflektionen oder sonstigen Lastveränderungen kommt es jetzt zu einer Verlagerung zwischen dem Koordinatensystem 15 und dem Werkstücktisch 16 und damit der Lichtschranke 21. In 2 ist dies dargestellt durch eine Verschiebung des Senders 22 in die Position 22' und des Empfängers 23 in die Position 23', so dass der neue Messstrahl 24' eine andere Lage relativ zu dem Koordinatensystem 15 aufweist als der ursprüngliche Messstrahl 24.
Wenn jetzt das Werkzeug 14 an den Punkt (x₁, y₀) gefahren wird, trifft es dort den Messstrahl 24 nicht an. In gleicher Weise wird bei dem Anfahren von festen Koordinaten an dem Werkstück 18 jetzt auf Grund der Verlagerung ein anderer Punkt angefahren. Um dies auszugleichen, wird folgendes Kompensationsverfahren durchgeführt:
Das Werkzeug 14 wird erneut parallel zur y-Achse mit x = x₁ verfahren, bis es bei y = y_m auf den verlagerten Messstrahl 24' trifft. Gleichfalls wird das Werkzeug 14 parallel zur x-Achse mit y = y₁ verfahren, bis es bei x = x_m auf den verlagerten Messstrahl 24' trifft.
Durch die beiden Punkte (x₁, y_m) und (x_m, y₁) ist die dem verlagerten Messstrahl 24' entsprechende Gerade G_m definiert, deren Zweipunktegleichung in 2 rechts angegeben ist.
Die Korrektur der Verlagerung kann jetzt entweder dadurch erfolgen, dass für x und y die Verfahrwege des Werkzeuges 14 nicht mehr nach der Gleichung G₀, sondern nach der Gleichung G_m berechnet werden. Andererseits ist es auch möglich, den ursprünglichen relativen Verfahrwegen x und y die Korrekturwerte Δx = x_m – x₀ bzw. Δy = y_m – y₀ hinzuzuaddieren. Es hat sich nämlich in Versuchen herausgestellt, dass bei geeigneter Wahl von x₁ und y₁ die Bestimmung von Δy bzw. Δx ausreichend ist, um die Verlagerungen zwischen dem Spindelkopf 11 und dem Werkstücktisch 16 mit hinreichender Genauigkeit zu kompensieren.
Das Kompensationsverfahren kann rekursiv durchgeführt werden, d. h. zum Zeitpunkt t = t₁ werden die Werte y₀ (x₁) und x₀ (y₁) gemessen, wobei zum Zeitpunkt t = t₂ die Werte y_m (x₁) und x_m (y₁) gemessen werden. Es ist aber auch möglich, y₀ (x₁) und x₀ (y₁) lediglich einmal zu Beginn der täglichen Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine zu erfassen und dann jeweils aktuell y_m (x₁) und x_m (y₁) zu messen.
Mit dem insoweit beschriebenen Verfahren lassen sich Korrekturwerte sowohl für die x- als auch für die y-Achse erfassen, wozu es lediglich erforderlich ist, periodisch einmal parallel zur x-Achse und einmal parallel zur y-Achse den verlagerten Messstrahl 24 zu "suchen", und die jeweils der Verlagerung entsprechenden Werte x_m und y_m zu erfassen und daraus die Korrekturwerte Δx und Δy zu bestimmen.
Die Verlagerung zwischen Spindelkopf 11 und Werkstücktisch 16 wirkt sich jedoch auch in der z-Achse aus, was jetzt an Hand der 3 beschrieben werden soll.
In 3 ist die von der z-Achse einerseits und der x- oder y-Achse andererseits aufgespannte Ebene dargestellt, wobei Sender 22 und Empfänger 23 wiederum den Messstrahl 24 zwischen sich aufspannen.
Mit z = z₀ ist wiederum ein erster Wert dargestellt, der für die zweiten Werte x₁ und y₁ konstant ist, wenn die Lichtschranke 21 sozusagen parallel zur Ebene des Werkstücktisches 16 aufgespannt ist.
Durch thermische oder sonstige Verlagerung nimmt der Sender jetzt die bei 22' gezeichnete Position und der Empfänger die bei 23' gezeigte Position ein, wodurch sich der. verlagerte Messstrahl 24' ergibt.
Das Werkzeug 14 wird jetzt in der x/y-Ebene in die Position (x₁/y_m) verfahren und so weit abgesenkt, bis es bei z = z_m1 den Messstrahl 24' unterbricht. Gleichfalls wird für die Position (x_m/y₁) verfahren, wodurch sich der Messwert z = z_m2 ergibt.
Zu Beginn des Betriebes der Werkzeugmaschine wurde auf gleiche Weise für die Punkte (x₁/y₀) und (x₀/y₁) der Messwert z = z₀ bestimmt. z₀ ist für beide Punkte (x₁/y₀) und (x₀/y₁) konstant, wenn der Messstrahl 24 parallel zur Ebene des Werkstücktisches 16 verläuft. Schneidet der Messstrahl 24 auch die z-Achse unter einem Winkel < 90°, so ergibt sich entsprechend für den Punkt (x₁/y₀) ein Messwert z = z₀₁ und für den Punkt (x₀/y₁) ein Messwert z = z₀₂, wobei z₀₂ > z₀₁ ist.
Für die Bestimmung von z_m1 und z_m2 ist es erforderlich, zunächst mit dem an Hand von 2 beschriebenen Verfahren die Punkte (x₁/y_m) und (x_m/y₁) zu bestimmen, damit die projizierte Lage des Messstrahls 24' in der x/y-Ebene bekannt ist, so dass das Werkzeug 14 den verlagerten Messstrahl 24' unmittelbar anfahren und nicht – wie im Stand der Technik – nach dem Prinzip Versuch und Irrtum suchen muss.
Nun ist es jedoch nicht erforderlich, zunächst die Punkte (x₁/y_m) und (x_m/y₁) zu bestimmen und dann die Messwerte z_m1 und z_m2 zu nehmen. Eine deutliche Zeitersparnis ergibt sich, wenn nach dem Anfahren des Punktes (x₁/y_m) das Werkzeug 14 nach oben verfahren wird, bis der Messstrahl 24' wieder freigegeben wird. Die relative Position der Spindel 11 in z-Richtung gibt dann den Messwert z = z_m1. Danach wird der Punkt (x_m/y₁) angefahren und durch Hochfahren des Werkzeuges 14 der Messwert z = z_m2 bestimmt.
Auf diese Weise wird zu Beginn des Betriebes der Werkzeugmaschine eine die relative Lage des Messstrahls 24 im Raum definierende Gerade G_z0 bestimmt, die durch die Punkte (x₁/y₀/z₀₁) und (x₀/y₁/z₀₂) definiert ist. Nach einer gewissen Weile werden die Messwerte x_m, y_m, z_m1 und z_m2 genommen, so dass sich die durch die Punkte (x₁/y_m/z_m1) und (x_m/y₁/z_m2) definierte Gerade G_zm ergibt.
Aus den Geraden G_z0 und G_zm lässt sich jetzt jeweils die erforderliche Korrektur für die Ansteuerung des Spindelkopfes 11 berechnen. Wie schon an Hand von 2 dargestellt, ist es jedoch unter Umständen ausreichend, auch für die Korrektur in der z-Achse einen Korrekturwert Δz zu berechnen, der die Differenz zwischen z_m2 oder z_m1 und z₀ ist.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Verlagerungen, bspw. infolge thermischer Ausdehnungen oder Lastveränderungen, bei einer Werkzeugmaschine (10) mit einer in drei orthogonalen Achsen (x, y, z) relativ zu einem Werkstücktisch (16) verfahrbaren Werkzeugspindel (12), bei dem ein in die Werkzeugspindel (12) eingesetztes Werkzeug (14) bis zur Unterbrechung einer Lichtschranke (21) parallel zu einer Achse (x, y, z) relativ verfahren und ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel (12) bei Unterbrechung der Lichtschranke (21) ergebender Messwert (x_m, y_m, z_m1, z_m2) bestimmt wird, mit dessen Hilfe zumindest ein beim Verfahren der Werkzeugspindel (12) verwendbarer Korrekturwert (Δx, Δy, Δz) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtschranke (21) so angeordnet wird, dass sie mit ihrer Längsachse (26) zumindest eine Achse (x, y) der Werkzeugmaschine (10) unter einem Winkel (25) von kleiner als 90° schneidet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (26) die zumindest eine Achse (x, y) unter einem Winkel (25) von etwa 45° schneidet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Korrekturwert (Δx) für die 1. Achse (x) aus einem in der 1. Achse genommenen ersten Wert (x₀) und einem Messwert (x_m) gewonnen wird, der durch relatives Verfahren des Werkzeuges (14) mit einem in der 2. Achse (y) genomme nen zweiten Wert (y₁) parallel zu der 1. Achse (x) bestimmt wird, und ein Korrekturwert (Δy) für die 2. Achse (y) aus einem in der 2. Achse genommenen ersten Wert (y₀) und einem Messwert (y_m) gewonnen wird, der durch relatives Verfahren des Werkzeuges (14) mit einem in der 1. Achse (x) genommenen zweiten Wert (x₁) parallel zu der 2. Achse (y) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zweiten Werten (x₁, y₁) und den Messwerten (y_m, x_m) die relative Lage der Lichtschranke (21) in der durch die 1. und die 2. Achse aufgespannten Ebene (x, y) berechnet wird und aus der relativen Lage Korrekturwerte für die 1. und die 2. Achse (x, y) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (14) in der 1. und der 2. Achse (x, y) in eine Position (x₁, y_m; x_m, y₁) verfahren wird, die durch die relative Lage der Lichtschranke (21) oder durch den zweiten Wert (x₁, y₁) und den zugeordneten Messwert (y_m, x_m) definiert ist, und dann parallel zu der 3. Achse (z) verfahren wird, bis es die Lichtschranke (21) unterbricht, wobei ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel (12) bei Unterbrechung der Lichtschranke (21) ergebender Messwert (z_m1, z_m2) bestimmt wird, aus dem und einem ersten Wert (z₀) für die 3. Achse (z) ein Korrekturwert (Δz) für die 3. Achse (z) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (14) nach Erreichen der Position (x₁, y_m; x_m, y₁) für den Messwert in der 1. oder 2. Achse (x, y) in der 3. Achse (z) verfahren wird, bis es die Lichtschranke (21) wieder freigibt, wobei ein sich aus der relativen Stellung der Werkzeugspindel (12) bei Freigabe der Lichtschranke (21) ergebender Messwert (z_m1, z_m2) bestimmt wird, aus dem und einem ersten Wert (z₀) für die 3. Achse (z) ein Korrekturwert (Δz) für die 3. Achse (z) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messwerte (z_m1, z_m2) für die 3. Achse (z) bestimmt werden, aus denen und den zugeordneten zweiten Werten (x₁, y₁) oder Messwerten (x_m, y_m) für die 1. oder 2. Achse (x, y) die relative Lage der Lichtschranke (21) in der durch die 1. und die 3. oder der durch die 2. und die 3. Achse aufgespannten Ebene (x/z; y/z) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert (x₀, y₀, z₀) jeweils der Messwert aus einem früheren Betriebszeitpunkt der Werkzeugmaschine (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturwert (Δx, Δy, Δz) die Differenz zwischen dem jeweiligen ersten Wert (x₀, y₀, z₀) und dem zugeordneten Messwert (y_m, x_m, z_m1, z_m2) berechnet wird.