DE10345993B4

DE10345993B4 - Method and device for measuring and fine-tuning a tool in a tool holder and method for measuring a machining force

Info

Publication number: DE10345993B4
Application number: DE2003145993
Authority: DE
Inventors: Andreas Schubert; Hans-Joachim Koriath; Bertram Schulz; Welf-Guntram Drossel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2023-10-03
Also published as: DE10345993A1

Abstract

Verfahren zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges (8) in einem Werkzeughalter (1) mit den Schritten:
A- Definieren einer Werkzeuggeometrie und Festlegen oder Korrigieren einer Referenzkoordinate (TCP) des Werkzeuges (8) in einer Werkzeugmaschinensteuerung (16),
B- Annähern des in dem Werkzeughalter (1) in einer Soll-Position eingespannten Werkzeuges (8) an ein Werkstück und Erkennen einer Kontaktstelle zwischen Werkzeug (8) und Werkstück, und
C- Bestimmen der Ist-Position des Werkzeuges relativ zu einem Koordinatensystem der Werkzeugmaschine (2) aus der erkannten Kontaktstelle, gekennzeichnet durch die Schritte
D- Berechnen und Korrektur der statischen Werkzeuglage
E- Messen einer Bearbeitungskraft (F_s) an dem Werkzeug (8), und
F- Berechnen und Korrektur der dynamischen Werkzeuglage relativ zum Koordinatensystem der Werkzeugmaschine (2) durch Feinstellen des Werkzeuges im Werkzeughalter (1).Method for measuring and fine-tuning a tool (8) in a tool holder (1) with the steps:
A- defining a tool geometry and specifying or correcting a reference coordinate (TCP) of the tool (8) in a machine tool controller (16),
B- approaching of the tool holder (1) clamped in a desired position tool (8) to a workpiece and detecting a contact point between the tool (8) and workpiece, and
C- determining the actual position of the tool relative to a coordinate system of the machine tool (2) from the detected contact point, characterized by the steps
D- Calculation and correction of the static tool position
E measuring a machining force (F _s ) on the tool (8), and
F- Calculation and correction of the dynamic tool position relative to the coordinate system of the machine tool (2) by fine adjustment of the tool in the tool holder (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 16. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer an einem in einem Werkzeughalter eingespannten Werkzeug anliegenden Bearbeitungskraft nach dem Oberbegriff des Anspruches 10.The The invention relates to a method and a device for measuring and for fine adjustment of a tool in a tool holder the preambles of the claims 1 and 16. In addition, the invention relates to a method for measuring one on a clamped in a tool holder tool Processing force according to the preamble of claim 10.

Insbesondere betrifft die Erfindung hierbei Mess-, Positionier- und Bearbeitungsvorgänge mit Werkzeugen im Mikrobereich. So werden beispielsweise gegenwärtig Mikrospanwerkzeuge zum Bohren und Fräsen an Werkzeugmaschinen verlangt, die mit Kopfmessern < 200 μm zur Herstellung von Mikrostrukturen an Werkstücken bis zu 10 μm Größe eingesetzt werden können. Die Erfindung soll jedoch auch für Werkzeuggrößen jeder Art geeignet sein.Especially In this case, the invention relates to measuring, positioning and machining operations with tools in the micro range. For example, currently microspan tools for Drilling and milling On machine tools required with the head knives <200 microns for the production of microstructures on workpieces up to 10 μm Size used can be. However, the invention is also intended for Tool sizes everyone Kind be suitable.

Positioniergenauigkeiten formschlüssiger Vorrichtungen für den Fertigungsprozess von solchen Mikrowerkstücken werden mit ±2 μm erreicht, wobei jedoch Aufspannfehler des Werkstückes auftreten können, die gegenwärtig mit einem in die Werkzeugaufnahme einzuwechselnden Messtaster mit ±1 μm festgestellt und korrigiert werden können.positioning accuracy positive locking devices for the Manufacturing process of such Mikrowerkstücken be achieved with ± 2 microns, wherein however clamping error of the workpiece may occur, the present detected with a probe to be loaded into the tool holder with ± 1 micron and can be corrected.

Zum Einsatz solcher Fühler sind gegenwärtig unterschiedliche Systeme bekannt. So werden Druck-Messtaster mit Piezoresonatoren und ebensolche Bewegungstaster eingesetzt, wofür insbesondere Messtastkugeln zum Einsatz gelangen.To the Use of such sensors are present different systems known. So are pressure probes with Piezo-resonators and motion buttons used, especially for what Measuring probe balls are used.

Für die Messungen an Kleinstproben im μ-Bereich ist jedoch der Durchmesser einer Messkugel zu groß, da die Kontaktfläche der Messkugel mit dem Prüfling oder Werkstück einen Messfleck mit einem Durchmesser von einigen 1/100tel Millimetern beträgt, so dass Messfehler unter 1 μm nicht feststellbar sind.For the measurements to micro samples in the μ-range However, the diameter of a measuring ball is too large, as the contact area the measuring ball with the test object or workpiece a measuring spot with a diameter of a few 1 / 100th of a millimeter, so that Measurement error below 1 μm are not detectable.

Ein weiterer Nachteil der Messtastkugel ist auch, dass ihre Formabweichungen über die Oberfläche im Bereich von 0,3 μm und darüber liegt, so dass Ergebnisse unter 1 μm auch aus diesem Grund nicht zuverlässig zu gewinnen sind. Schließlich liegen auch die Tastkräfte herkömmlicher Messtaster in einem Bereich von 0,1 Newton und 1 Newton am Prüfling, so dass hierdurch die zu prüfende Oberfläche des Werkstückes beschädigt (z. B. angeritzt oder eingedrückt) werden kann und nicht korrigierbare Messfehler auftreten können.One Another disadvantage of Messtastkugel is also that their shape deviations on the surface in the range of 0.3 μm and above lies so that results below 1 micron also for this reason not reliable too are winning. After all are also the tactile forces conventional Measuring probe in a range of 0.1 Newton and 1 Newton on the test specimen, see above that thereby the to be tested Surface of the workpiece damaged (eg scratched or dented) and uncorrectable measurement errors can occur.

Als Weiterentwicklung eines Druckmesstasters mit einer Messkugel ist in der DE 42 43 284 A1 ein 3D-Messtaster für Koordinatenmesssysteme beschrieben, der mehrere auf Piezoresonatoren mit einer Länge von 100 μm befestigte 4 μm lange Mikrotastnadeln mit polygonartigen Diamanttastern besitzt und eine laterale Auflösung von < 10 nm erreicht. Um jedoch die Mikrotastnadeln gefahrlos an die Oberfläche eines zu messenden Werkstückes heranfahren zu können, ist ein optisches oder akustisches Vorwarnsystem erforderlich. Messfehler durch Umspannen sind unvermeidbar.As a further development of a pressure probe with a measuring ball is in the DE 42 43 284 A1 a 3D probe for coordinate measuring systems described, which has several on piezo resonators with a length of 100 microns fixed 4 micron long Mikrotastnadeln with polygonal diamond probes and a lateral resolution of <10 nm achieved. However, in order to be able to drive the micro-tapping needles safely to the surface of a workpiece to be measured, an optical or acoustic pre-warning system is required. Measuring errors due to re-clamping are unavoidable.

In der WO 89/00672 A1 ist weiterhin ein Berührungsdetektor in Form eines Stabresonators gezeigt, dessen Tastspitze bei Kontakt mit einer Messoberfläche auftretende Frequenz- oder Amplitudenveränderungen des Resonators als Signal ausgibt, um so ein Oberflächenprofil ermitteln zu können. Nachteil dieser Anordnung ist, dass der Stabresonator hohe Messkräfte bewirkt und niedrige Resonanzfrequenzen aufweist, so dass die Messoberfläche verletzt werden kann und nur geringe Messgeschwindigkeiten erzielbar sind. Auch hier ist ein von der Werkstückbearbeitung getrenntes Messgerät erforderlich.In the WO 89/00672 A1 Furthermore, a touch detector in the form of a rod resonator is shown, the probe tip outputs on contact with a measuring surface occurring frequency or amplitude changes of the resonator as a signal, so as to be able to determine a surface profile. Disadvantage of this arrangement is that the rod resonator causes high measuring forces and low resonance frequencies, so that the measuring surface can be injured and only low measuring speeds can be achieved. Again, a separate from the workpiece machining instrument is required.

Ein weiteres bekanntes Tastschrittgerät arbeitet nach einem Impulstastverfahren, bei dem eine Tastnadel impulsförmig von der Oberfläche des Messobjektes angehoben und wieder abgesenkt wird. Das Gerät arbeitet quasi statisch. Das Anheben der Tastnadel dient der Verminderung von Reibkräften und Tangentialkräften in den Lagerstellen des Messwerkes (Lehmann, R.: „Leitfaden der Längenmesstechnik", VEB-Verlag Technik Berlin, 1960, Seite 277). Bei diesem Gerät ist es von Nachteil, dass die Impulsgeschwindigkeit gering ist und dass die Messkräfte zu hoch liegen. Außerdem ist auch hier ein von der Werkstückbearbeitung getrenntes Messgerät erforderlich.One Another known touchstep device operates on a pulse keying method, in which a stylus is pulsed from the surface of the measured object is raised and lowered again. The device works quasi static. Lifting the stylus serves to reduce of friction forces and tangential forces in the bearing points of the measuring plant (Lehmann, R .: "Guidelines length metrology ", VEB-Verlag Technik Berlin, 1960, page 277). In this device, it is disadvantageous that the Impulse speed is low and that the measuring forces are too high lie. Furthermore is also one of the workpiece machining separate measuring device required.

Schließlich ist in der DE 40 35 076 A1 der DE 40 35 084 A1 ein auf einem Piezoresonator befestigter Tastkopf mit einer Mikrotastnadel bekannt, mit Hilfe dessen Mikrostrukturen mit lateralen Maßen in einem Profilometer durch Kontakt oder Kraftänderung detektiert werden können. Auch dieses Gerät weist die oben bereits genannten Nachteile auf.Finally, in the DE 40 35 076 A1 of the DE 40 35 084 A1 a mounted on a piezoelectric sensor probe with a Mikrotastnadel known by means of which microstructures with lateral dimensions in a profilometer can be detected by contact or force change. Also, this device has the above-mentioned disadvantages.

Weiterhin sind kontaktfreie Messverfahren unter der Bezeichnung „Raster-Tunnelmikroskopie STM" oder „Atom-Kraft-Mikroskopie AFM" bekannt, wobei eine nanometerfeine Spitze aus Wolfram, Gold oder Diamant im Abstand von wenigen nm über die elektrisch leitende Prüfoberfläche eines Werkstückes geführt werden, so dass bei einer Spannung zwischen Spitze und Prüfling von wenigen mV ein Tunnelstrom von wenigen nA oder zwischenatomare Kräfte wirksam werden, die gemessen werden können und über einen Abstandsregler konstant gehalten werden. Die zuletzt genannten berührungsfreien Messverfahren sind jedoch nur bei Werkstücken durchführbar, die leitende Oberflächen aufweisen.Farther are non-contact measuring methods under the name "Scanning Tunneling Microscopy STM" or "Atomic Force Microscopy AFM ", where a nanometer-fine tip of tungsten, gold or diamond in the distance from a few nm above the electrically conductive test surface of a Be guided workpiece so that at a voltage between tip and test piece of a few mV tunnel current of a few nA or interatomic forces is effective that can be measured and over a distance controller are kept constant. The last mentioned non-contact measuring method However, are only feasible for workpieces that conductive surfaces exhibit.

Bei den zuvor beschriebenen, mit einer Resonatoranordnung arbeitenden Messsystemen ist einerseits die Oberflächenbeanspruchung des zu messenden Werkstückes zu groß, andererseits die jeweils erzielbare Messgeschwindigkeit insbesondere dann zu gering, wenn voneinander unabhängige Punkte an einem Werkstück individuell messtechnisch erfasst werden sollen.at the previously described, working with a resonator arrangement Measuring systems on the one hand, the surface stress of the measured workpiece too large, on the other hand, the respective achievable measuring speed in particular then too small if independent points on a workpiece are individual to be measured.

Ein weiterer Nachteil aller zuvor genannten Messsysteme ist, dass entweder eine spezielle Messvorrichtung vorgesehen werden muss, oder während der Bearbeitung eines Werkstückes in einer Werkzeugmaschine ein Umspannen zwischen Werkzeug und Messfühler erfolgen muss, was zu weiteren Ungenauigkeiten in der Fertigung führen kann. Auch ist keine Messmöglichkeit während der Bearbeitung möglich. Ebenso wenig können Beanspruchung und Verschleiß am Werkzeug unmittelbar festgestellt werden, noch können exakte Korrekturmaßnahmen vorgenommen werden.One Another disadvantage of all the aforementioned measuring systems is that either a special measuring device must be provided, or during the Machining a workpiece in a machine tool a re-clamping between the tool and probe done which may lead to further manufacturing inaccuracies. Also, no measurement option while editing possible. Nor can Wear and tear on the Tool can be detected immediately, nor can exact corrective action be made.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen und Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter zu schaffen, mit dem ein Mess-, Positionier- und/oder Bearbeitungsvorgang effektiv und genau durchgeführt werden kann.Of the Invention is therefore the object of a method and a Device for measuring and fine-tuning a tool in a tool holder with which a measuring, positioning and / or machining operation performed effectively and accurately can be.

Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen einer Bearbeitungskraft an einem in einem Werkzeughalter eingespannten Werkzeug zu schaffen.Of Furthermore, the invention is based on the object, a method for measuring a machining force on a tool holder to create a clamped tool.

Bezüglich eines Verfahrens zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, das u. a. die Schritte aufweist:

– Berechnen und Korrektur der statischen Werkzeuglage,
– Messen einer Bearbeitungskraft an dem Werkzeug, und
– Berechnen und Korrektur der dynamischen Werkzeuglage relativ zum Koordinatensystem der Werkzeugmaschine durch Feinstellen des Werkzeuges im Werkzeughalter.

With regard to a method for measuring and fine-tuning a tool in a tool holder of the type mentioned in the introduction, the object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1, which comprises, inter alia, the steps:

- calculating and correcting the static tool position,
Measuring a machining force on the tool, and
- Calculating and correcting the dynamic tool position relative to the coordinate system of the machine tool by fine-tuning the tool in the tool holder.

Bezüglich einer Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter, mit den Merkmalen des Anspruches 16, die u. a. ein Trägerbauteil und einen um definierte Freiheitsgrade verstellbaren Führungskörper, an dem eine Spannvorrichtung zur Aufnahme eines Werkzeuges vorgesehen ist, aufweist, wobei zwischen dem Trägerbauteil und dem Führungskörper mindestens ein Verstellglied angeordnet ist, und wobei zumindest ein Sensorelement zur Bestimmung der Lage des Werkzeuges vorgesehen ist.Regarding one Device, the object is achieved by a device for measuring according to the invention and for fine adjustment of a tool in a tool holder, with the features of claim 16, the u. a. a carrier component and a guide body adjustable by defined degrees of freedom a clamping device for receiving a tool provided is, wherein between the support member and the guide body at least an adjusting member is arranged, and wherein at least one sensor element is provided for determining the position of the tool.

Bezüglich des weiteren Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Messen einer Bearbeitungskraft an einem in einem Werkzeughalter eingespannten Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruches 10, u. a. mit den Schritten:

– Aktivieren einer Betriebsart „Kraftmessung" in einer Steuer-/Regelungseinheit einer Werkzeugmaschine,
– Berechnen eines Vektors der Bearbeitungskraft zum Werkzeughalter und
– Berechnen einer Koordinatentransformation des Vektors der Bearbeitungskraft zur Kinematik der Kraftmessung im Werkzeughalter.

With regard to the further method, the object is achieved according to the invention by a method for measuring a machining force on a tool clamped in a tool holder with the features of claim 10, inter alia with the steps:

Activating a mode of operation "force measurement" in a control unit of a machine tool,
- Calculating a vector of the processing force to the tool holder and
- Calculating a coordinate transformation of the vector of the processing force to the kinematics of the force measurement in the tool holder.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es möglich, ein Werkstück, insbesondere seine Oberfläche, effektiver und genauer als bisher zu erfassen und zu bearbeiten. Insbesondere kann dadurch ein Werkzeug effektiv und genau relativ zu dem Werkstück ausgerichtet und positioniert werden, so dass die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht wird.With Help the method of the invention and the device according to the invention will it be possible a workpiece, especially its surface, more effective and accurate than before to capture and edit. In particular, thereby a tool can be effectively and accurately relative to the workpiece be aligned and positioned so that the machining accuracy elevated becomes.

Hierbei ist es möglich, das Werkzeug selbst als Messfühler zu verwenden, so dass ein zeitraubendes und für die Messgenauigkeit nachteiliges Umspannen zwischen Werkzeug und Messfühler entfällt.in this connection Is it possible, the tool itself as a sensor to use, so that a time-consuming and disadvantageous for measuring accuracy re-clamping between tool and sensor is eliminated.

Vorzugsweise werden die erfindungsgemäßen Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich von Mikrobearbeitungen eingesetzt, wobei es sich bei den zum Einsatz kommenden Werkzeugen um Mikrowerkzeuge bzw. Mikrotastelemente, insbesondere der eingangs genannten Art und/oder Größe, handelt, mit denen feinste Mikrostrukturen eines zu untersuchenden bzw. zu bearbeitenden Werkstückes erkannt und/oder bearbeitet werden können.Preferably become the methods of the invention as well as the device according to the invention used in the field of micromachining, where it is the tools used are micro-tools or micro-touch elements, in particular of the type and / or size mentioned above, with which finest microstructures of a to be examined or to machining workpiece can be recognized and / or edited.

Insbesondere können Mikrostrukturen mit dem Mikrowerkzeug angefahren, festgestellt und/oder bearbeitet werden, wobei die relative Lagegenauigkeit < 1 μm beträgt. Ist eine Bearbeitung an dem Werkstück mittels eines Werkzeuges nicht erforderlich, können die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Vorrichtung auch lediglich einen Messfühler aufweisen. Auch ist eine Ausführungsvariante denkbar, bei der Messfühler und Werkzeuge an einer Aufnahmevorrichtung vorgesehen sind.Especially can Approached microstructures with the micro-tool, and / or are processed, the relative positional accuracy is <1 micron. is a machining on the workpiece Not required by means of a tool, the inventive method or Device also have only a sensor. Also is one variant conceivable, at the probe and tools are provided on a receiving device.

Weiterhin können die auf das Werkzeug, z. B. einen Mikrofräser, einwirkenden Kräfte, insbesondere Zerspankräfte während der Bearbeitung des Werkstückes gemessen werden. Hierbei kann die Messung der Bearbeitungskräfte insbesondere zwischen angetriebenem Werkzeug und Werkstück, z. B. während des Fräsvorganges, erfolgen.Furthermore, the on the tool, z. As a micromillers, acting forces, in particular Zerspankräfte be measured during machining of the workpiece. In this case, the measurement of the machining forces in particular between the driven tool and the workpiece, for. B. during the milling process, done.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass während der Bearbeitung auftretende Verschleißerscheinungen an dem Werkzeug noch während der Bearbeitung aufgrund einer Veränderung der auftretenden Bearbeitungs- bzw. Spankräfte erkannt werden können, und das Werkzeug entsprechend nachjustiert werden kann, um den Verschleiß aus zugleichen bzw. von Anfang an gering zu halten, indem rechtzeitig Vorschubeinstellungen angepasst werden.One Another advantage of the invention is that occurring during processing wear while still on the tool processing due to a change in the processing or chip forces can be recognized and the tool can be readjusted accordingly to compensate for the wear or keep low from the start by timely feed settings be adjusted.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie einem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dessen Durchführung eine derartige Vorrichtung Anwendung findet, ist es daher möglich, feinste Abstufungen oder Strukturen an der Oberfläche eines zu bearbeitenden Bauteils zu erkennen.With the device according to the invention and a method according to the invention, in its implementation Such a device finds application, it is therefore possible, finest Gradations or structures on the surface of a machined To recognize component.

Auch können Zerspankräfte zwischen dem Werkstück und dem spanenden Werkzeug gemessen werden. Dies kann erfindungsgemäß insbesondere während der Bearbeitung erfolgen, so dass theoretisch letztendlich jeder einzelne spanabhebende Vorgang kräftemäßig erfasst werden kann. Hierbei können sowohl Kräfte in Vorschubrichtung wie auch seitlich dazu durch unterschiedliche Sensorelemente erfasst werden.Also can cutting forces between the workpiece and the cutting tool. This can according to the invention in particular while the editing so that in theory ultimately everyone individual machining process can be detected by force. This can both personnel in the feed direction as well as laterally by different Sensor elements are detected.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass diese zum statischen und dynamischen Messen und auch zum Bearbeiten eines Werkstückes verwendet werden kann, wobei kein Umspannvorgang zwischen einem Mikrowerkzeug und einem speziellen Messfühler mehr nötig ist, da das Mikrowerkzeug selbst als Messfühler verwendet werden kann.One greater Advantage of the arrangement according to the invention is that these are for static and dynamic measurement and can also be used for machining a workpiece, wherein no Umspannvorgang between a micro-tool and a special sensor more necessary is because the micro tool itself can be used as a probe.

Durch Verwendung von Mikroaktoren, insbesondere piezoelektrischer Aktoren und mit diesen gekoppelter hochpräziser Sensoren kann jedes beliebige Werkzeug, das in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingespannt ist, als Messfühler dienen, ohne dass es hierzu einer weiteren Schaltmechanik oder Elektronik bedürfte.By Use of microactuators, in particular piezoelectric actuators and with these coupled high-precision sensors can be any Tool clamped in the device according to the invention is, as a sensor serve, without this being another switching mechanism or electronics would require.

Hierdurch können insbesondere Verzögerungen oder Messungenauigkeiten von Lagerstellen sowie Schaltträgheiten vermieden werden. Auch sind Ein- oder Umspannfehler ausgeschlossen, da zwischen Bearbeiten und Messen keine Umspannung, insbesondere aber auch keine Umpositionierung oder Umschwenkung von Werkzeug zu Messfühler erfolgen muss. Die Lagepositionierung des Werkzeuges bezüglich einer Referenzkoordinate TCP (Tool Center Point) kann in einer Werkzeughalterung durch die Werkzeugmaschinensteuerung vorgenommen werden. Zur Korrektur zwischen Ist- und Soll-Position des Werkzeuges oder Werkstückes relativ zum Koordinatensystem der Werkzeugmaschine kommt vorzugsweise Koordinatentransformation zum Einsatz.hereby can especially delays or measurement inaccuracies of bearings and switching inertia be avoided. Also, input or transformer errors are excluded, there is no re-tensioning between editing and measuring, in particular but also no repositioning or swiveling tool to sensor got to. The position positioning of the tool with respect to a reference coordinate TCP (Tool Center Point) can be used in a tool holder through the Machine tool control are made. To correct between Actual and target position of the tool or workpiece relative to the coordinate system of the machine tool is preferably coordinate transformation for use.

Durch die Beeinflussung der an den Mikroaktoren anliegenden elektrischen Spannung oder eines Magnetfeldes oder eines Temperaturverlaufes lassen sich einerseits auf jeweils auf eine Bearbeitungsaufgabe abgestimmte Steifigkeiten in der Werkzeugspannung erzielen, andererseits kann damit die Lage des Mikrowerkzeuges direkt an der Einspannstelle beeinflusst werden. So kann beispielsweise ein Werkzeug noch während der Bearbeitung, insbesondere während eines andauernden Bearbeitungsvorganges beim Erkennen von Verschleiß oder Wärmeausdehnung soweit nachgestellt werden, dass die Bearbeitungsgenauigkeit beibehalten wird.By the influence on the voltage applied to the microactuators electrical Voltage or a magnetic field or a temperature profile On the one hand, you can rely on one processing task at a time achieve coordinated stiffnesses in the tool clamping, on the other hand can thus influence the position of the micro-tool directly at the clamping point become. For example, a tool can still be used during the Editing, especially during a continuous machining process when detecting wear or thermal expansion adjusted so far as to maintain the machining accuracy becomes.

Durch die Verwendung adaptiver Mikroaktoren, die auch als Sensor nutzbar sind, beispielsweise mittels einer Sensorlage in einem Piezostapel, ist es daher vorteilhafter Weise möglich, in ein und demselben Bauelement Bewegungen und/oder Kraftwirkungen zu erzeugen und diese gleichzeitig zu messen. So ist es, wie bereits beschrieben, möglich, die Kontur- oder spezielle Strukturen des Mikrowerkstückes bzw. -bauteiles direkt mit dem eingespannten Mikrowerkzeug zu ertasten, indem feinste Berührungen des Werkzeuges am Werkstück am Sensor in Form einer Spannungsänderung ΔU messbar sind. Damit ist eine hoch präzise Lagezuordnung (< 1 μm) zwischen Werkzeugspitze und Werkstück realisierbar, Fehlereinflüsse durch Austausch eines Messtasters gegen das Werkzeug werden vermieden.By the use of adaptive microactuators, which can also be used as a sensor are, for example by means of a sensor layer in a piezo stack, Therefore, it is advantageously possible, in one and the same Component to generate movements and / or force effects and these to measure at the same time. So it is possible, as already described, the Contour or special structures of the micro workpiece or components directly with the clamped micro-tool, by the finest touches of the Tool on the workpiece can be measured on the sensor in the form of a voltage change .DELTA.U. This is one highly precise Position assignment (<1 μm) between Tool tip and workpiece feasible, error influences By replacing a probe against the tool can be avoided.

Da Formänderungen am Werkzeug z. B. durch Verschleiß, und vorhandene Einspannfehler in die Messung mit eingehen, kann auch hierfür automatisch eine Korrektur vorgenommen werden.There deformations on the tool z. B. by wear, and existing Einspannfehler into the measurement, can also automatically correct this be made.

Alternativ kann durch die Anordnung eines kapazitiv oder induktiv wirkenden Sensors im Bereich der Werkzeugschneide eine berührungslose Lagebestimmung zwischen Werkzeug und Werkstück durchgeführt werden. Das Anfahren des Werkstücks durch das Werkzeug erfolgt mit einer vorgegebenen Annäherungsgeschwindigkeit, wobei durch Auswerten von ΔU durch Δt der Abstand zwischen dem kapazitiven Sensor und dem Werkstück bestimmbar ist.alternative can by the arrangement of a capacitive or inductive acting Sensors in the area of the tool cutting a non-contact orientation between Tool and workpiece carried out become. The approach of the workpiece through the tool at a given approaching speed, wherein by evaluating ΔU by Δt the distance between the capacitive sensor and the workpiece can be determined is.

Wie bereits beschrieben, können durch die in die Werkzeugspannvorrichtung integrierten adaptiven Mikrosensoren während des Zerspanungsprozesses Messsignale gewonnen werden, deren Auswertung eine Bestimmung der Prozesskräfte direkt am Werkzeug möglich macht.As already described, can by the adaptive integrated in the tool clamping device Microsensors during the cutting process measurement signals are obtained, their evaluation a determination of the process forces directly on the tool possible power.

Durch die erfindungsgemäßen Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, ein Werkstück zu messen und ein Werkzeug entsprechend zu positionieren und zu repositionieren, wobei das Werkstück nicht unbedingt leitfähig sein muss und keine Deformationen oder Messmarken auf der Oberfläche des Werkstücks entstehen.By the method according to the invention and the device according to the invention it is possible to measure a workpiece and to position and reposition a tool accordingly, where the workpiece does not necessarily have to be conductive and no deformations or measurement marks are formed on the surface of the workpiece.

Aus der Erfindung ergibt sich somit eine Möglichkeit zur Koordinatenmessung, wobei ein Mikrowerkzeug mit vordefinierter Geometrie und Form und/oder die Längenmesssysteme der Werkzeugmaschine selbst zur Bestimmung der Lage des Werkzeuges im Werkstückkoordinatensystem verwendet werden.Out The invention thus provides a possibility for coordinate measurement, wherein a micro-tool with predefined geometry and shape and / or the length measuring systems the machine tool itself to determine the position of the tool in the workpiece coordinate system be used.

Hierbei kann die Bestimmung der Abweichung von Soli-Geometrie und Soll-Lage des Werkzeuges durch Antasten des Werkstückes mit dem Werkzeug selbst, insbesondere mit definierten Inkrementen einer Drehung des Werkzeuges durch die Werkzeugspindel erfolgen. Während eines Bearbeitungsvorganges kann eine Prozesskraft zwischen Werkzeug und Werkstück kontinuierlich und intermittierend gemessen werden, da mehrere Mikroaktoren mit integrierten Sensorfunktionen oder separate Kraftsensoren im Werkzeughalter bzw. der Spannvorrichtung des Werkzeuges hierzu vorgesehen sind.in this connection can be the determination of the deviation from soli geometry and target position the tool by touching the workpiece with the tool itself, in particular with defined increments of rotation of the tool done by the tool spindle. During a machining process can be a process force between tool and workpiece continuously and intermittently measured since several microactuators with integrated sensor functions or separate force sensors in the tool holder or the clamping device of the tool are provided for this purpose.

Mit der erfindungsgemäßen Mess-, Positionier- und/oder Bearbeitungsvorrichtung kann ein Mikrowerkzeug definiert translatorisch und/oder rotatorisch gegenüber einer Aufnahmeeinrichtung verstellt bzw. eingespannt werden, wobei die Aufnahmeeinrichtung in eine herkömmliche Werkzeugspindel einer Werkzeugmaschine einsetzbar ist. Auch die Stei figkeit der Werkzeugspannung kann durch Krafterhöhung einwirkender Mikroaktoren definiert gesteuert werden.With the measuring, Positioning and / or processing device may be a micro-tool defines translational and / or rotational with respect to one Receiving device to be adjusted or clamped, wherein the Recording device in a conventional Tool spindle of a machine tool can be used. Also the The rigidity of the tool clamping can be increased by increasing the force Microactuators are controlled in a defined way.

Auch ist es denkbar, das Mikrowerkzeug als ein Greif- oder Haltewerkzeug auszubilden, mit dem Miniaturbauteile, z. B. SMD-Bauteile, mechanisch, elektrostatisch oder auf andere Weise aufgenommen, gehalten, positioniert und/oder abgegeben werden können. Eine exakte Positionierung und kraftorientierte Aufnahme bzw. Abgabe derartiger Werkstücke ist somit mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich.Also it is conceivable, the micro-tool as a gripping or holding tool form, with the miniature components, z. B. SMD components, mechanical, electrostatic or otherwise recorded, held, positioned and / or can be delivered. An exact positioning and force-oriented recording or delivery such workpieces is thus possible with the aid of the method according to the invention or the device according to the invention.

In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform sind die Mikrosensoren/-aktoren in kartesischen Achsrichtungen der Werkzeugmaschine angeordnet, um so ein einfaches programmgesteuertes Einrichten und Umstellen des gehaltenen Werkzeugs zu ermöglichen. Ein Kontakt zwischen Mikrowerkzeug und Werkstück bzw. ein entsprechender Abstand zwischen Werkzeughalter und Werkstück kann durch einen Spannungsunterschied oder eine kapazitive oder induktive Messung mittels eines Sensors festgestellt werden.In another preferred embodiment are the microsensors / -actors in Cartesian axis directions of the Machine tool arranged so as a simple programmatic To set up and to change the held tool. A contact between micro-tool and workpiece or a corresponding Distance between tool holder and workpiece may be due to a voltage difference or a capacitive or inductive measurement by means of a sensor be determined.

Es ergibt sich somit die Möglichkeit, lineare Abmessungen auf einer strukturierten Oberfläche eines Messobjektes oder -werkstückes mittels eines Werkzeuges mit vordefinierter Geometrie oder in einem Werkzeughalter einer Werkzeugmaschine zu messen.It there is thus the possibility linear dimensions on a textured surface of a Test object or work piece by means of a tool with predefined geometry or in one Tool holder of a machine tool to measure.

Hierbei erfolgt die Übertragung der Messdaten und der zu messenden Energie und Steuerdaten vorzugsweise berührungslos zwischen einem feststehenden Statorteil und einem Rotorteil am Trägerteil bzw. Werkzeughalter. Anstelle der oben beschriebenen Piezostapelaktoren sind auch separate Kraftsensoren (Dehnmessstreifen) einsetzbar.in this connection the transfer takes place the measured data and the energy to be measured and control data preferably contactless between a stationary stator part and a rotor part on the carrier part or tool holder. Instead of the piezo stack actuators described above Separate force sensors (strain gauges) can also be used.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Verfahren sowie der vorliegenden Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.preferred embodiments the present method and apparatus Subject of the respective subclaims.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Zeichnung näher und mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Darin zeigen:in the Below, the invention with reference to the following drawings closer and closer described in more detail. Show:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen und zum Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter. 1 a schematic representation of a preferred embodiment of an apparatus for measuring and for fine adjustment of a tool in a tool holder.

2a)–d) schematische Darstellungen von alternativen Ausführungsformen von Spannvorrichtungen als Teil der vorliegenden Vorrichtung, 2a ) -D) are schematic representations of alternative embodiments of tensioning devices as part of the present device,

3a)–c) alternative Anordnungsvarianten von Spanngliedern in einer Spannvorrichtung als Detail der vorliegenden Vorrichtung und 3a ) -C) alternative arrangement variants of tendons in a tensioning device as a detail of the present device and

4 eine Prinzipdarstellung beispielsweise zu erfassender Kräfte und Abweichungen an einem Werkzeug während eines Bearbeitungsvorgangs. 4 a schematic representation of, for example, forces to be detected and deviations on a tool during a machining operation.

In 1 ist ein schematischer Querschnitt einer bevorzugen Ausführungsform einer Mess-, Positionier- und/oder Bearbeitungsvorrichtung mit einer Aufnahmevorrichtung 1 und einem darin aufgenommenen Mikrofräser als Beispiel für ein Werkzeug, insbesondere ein Mikrowerkzeug 8, gezeigt.In 1 is a schematic cross section of a preferred embodiment of a measuring, positioning and / or processing device with a receiving device 1 and a micro-mill included therein as an example of a tool, in particular a micro-tool 8th , shown.

An einem Trägerbauteil 10 der Aufnahmevorrichtung in Form eines Werkzeughalters 1, das über einen Flansch 11 an eine Werkzeugspindel einer Werkzeugmaschine 2a koppelbar ist, ist auf der von Flansch 11 abgewandten Seite eine Adapterbuchse 20 angeordnet. Das Trägerbauteil 10 ist vorzugsweise einstückig mit dem Flansch 11 ausgebildet und im Wesentlichen vorzugsweise symmetrisch zu einer Längsachse L₁ aufgebaut.On a carrier component 10 the receiving device in the form of a tool holder 1 that has a flange 11 to a tool spindle of a machine tool 2a Coupling is on the of flange 11 opposite side an adapter socket 20 arranged. The carrier component 10 is preferably integral with the flange 11 formed and substantially preferably constructed symmetrically to a longitudinal axis L ₁ .

Die Längsachse L entspricht vorzugsweise einer Drehachse der Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine 2a. Über den Flansch 11 kann ein von der Werkzeugspindel erzeugtes Drehmoment auf das Trägerbauteil 10 übertragen werden, so dass dies in eine Rotation bezüglich der Längsachse L₁ versetzt wird. Die Adapterbuchse 20, die vorzugsweise von dem Trägerbauteil abnehmbar als Komponente des Trägerbauteiles 10 ausgebildet ist, ist als einseitig beschlossener Hohlzylinder geformt, wobei die geschlossene Seite zum Trägerbauteil 10 hinzeigt. Im optimalen Fall entspricht die Längsachse L₁ der Mittelachse bzw. Drehachse L eines eingespannten Werkzeuges 8.The longitudinal axis L preferably corresponds to an axis of rotation of the tool spindle of the machine tool 2a , About the flange 11 can one of the tool spindle generated torque on the support member 10 be transferred, so that this is offset in a rotation with respect to the longitudinal axis L ₁ . The adapter socket 20 preferably detachable from the support member as a component of the support member 10 is formed is formed as a unilaterally decided hollow cylinder, wherein the closed side to the support member 10 pointing. In the optimal case, the longitudinal axis L ₁ corresponds to the central axis or axis of rotation L of a clamped tool 8th ,

Des Weiteren ist ein speziell ausgebildeter Führungskörper 40 im Inneren der Adapterbuchse 20 vorgesehen, der gegenüber dieser in Längsrichtung, also in Richtung entlang der Längsachse L₁, verschiebbar ist. Ein Verstellglied 30 das in der in 1 dargestellten Ausführungsform als ein Stapel von Mikroaktoren 31 in Form eines Piezo-Stapelaktor dargestellt ist, ist zwischen einer inneren Stirnfläche der Adapterbuchse 20 und einer dieser gegenüberliegenden Stirnfläche des Führungskörpers 40 angeordnet.Furthermore, a specially trained guide body 40 inside the adapter socket 20 provided, which in relation to this in the longitudinal direction, ie in the direction along the longitudinal axis L ₁ , is displaceable. An adjuster 30 that in the in 1 illustrated embodiment as a stack of microactuators 31 is shown in the form of a piezo stack actuator is between an inner end face of the adapter socket 20 and one of these opposite end face of the guide body 40 arranged.

Der Führungskörper 40 ist durch Aktivierung des Verstellgliedes 30 entlang der Längsachse L des Trägerbauteiles 10 bzw. der Aufnahmeeinrichtung 1 in Form eines Werkzeughalters 1 verfahrbar. An der Stirnseite des offenen Endes der hohlzylinderförmigen Adapterbuchse 20 ist ein einstellbarer Führungsring 21 mittels mehrerer lösbarer Befestigungselemente 44 an der Adapterbuchse 20 angelenkt. Der Führungsring 21 besitzt speziell ausgeprägte Führungsflächen zur Führung des Führungskörpers 40 und kann aus einem oder mehreren Segmentringen 22 bestehen.The guide body 40 is by activation of the adjusting member 30 along the longitudinal axis L of the carrier component 10 or the receiving device 1 in the form of a tool holder 1 traversable. At the front of the open end of the hollow cylindrical adapter socket 20 is an adjustable guide ring 21 by means of several releasable fasteners 44 at the adapter socket 20 hinged. The guide ring 21 has specially pronounced guide surfaces for guiding the guide body 40 and may be one or more segment rings 22 consist.

In der 1 gezeigten Ausführungsform ist zwischen dem Führungsring 21 und dem Führungskörper 40 eine in L₁-Richtung wirkende, elastische Anordnung 45 vorgesehen, die aus mehreren elastischen Einzelelementen bestehen kann. Insbesondere können mehrere Federelemente 46 als Einzelelemente entlang eines inneren Umfangs der Adapterbuchse 20 zwischen dem Führungskörper 40 und dem Führungsring 21 als Teil des Trägerbauteils 10 angeordnet sein.In the 1 shown embodiment is between the guide ring 21 and the guide body 40 an acting in L ₁ direction, elastic arrangement 45 provided, which may consist of several elastic individual elements. In particular, several spring elements 46 as individual elements along an inner circumference of the adapter socket 20 between the guide body 40 and the guide ring 21 as part of the carrier component 10 be arranged.

Das Verstellglied 30 ist als eine Verstelleinrichtung vorzugsweise aus Mikroaktoren 31, beispielsweise Piezostapelaktoren aufgebaut, die derart angeordnet sind, dass sie über speziell ausgebildete Übertragungs- und Stellelemente 32 auf ein Werkzeug 8, insbesondere ein Mikrowerkzeug 8a oder einen alternativ eingesetzten Messfühler 8b, einwirken können. Anstelle von piezoelektrisch wirkenden Mikroaktoren sind z. B. magnetostriktiv, magnetorheologisch/elektrorheologisch wirkende Aktoren oder Mikroaktoren aus Form-Gedächtnis-Legierung einsetzbar.The adjusting member 30 is as an adjustment preferably made of microactuators 31 , Piezo stack actuators constructed, for example, which are arranged such that they have specially trained transmission and control elements 32 on a tool 8th , in particular a micro-tool 8a or an alternatively used sensor 8b to be able to act. Instead of piezoelectric microactors acting z. As magnetostrictive, magnetorheological / electrorheological acting actuators or microactuators made of shape-memory alloy can be used.

Das in 1 dargestellte Werkzeug 8, insbesondere ein Mikrowerkzeug 8a bzw. alternativ hierzu ein Messfühler 8b, wird in einer dünnwandigen vorzugsweise geschlitzten Spannhülse 55 durch segmentartig um diese Spannhülse angeordnete Anpresskeile 57 gespannt. Die erforderliche Spannkraft wird durch weitere Verstelleinrichtungen 51, die in dieser Ausführungsform wiederum Piezoaktoren 53 mit einer dazwischen gelagerten Sensorschicht 52 enthalten, erzeugt.This in 1 illustrated tool 8th , in particular a micro-tool 8a or alternatively, a sensor 8b , is in a thin-walled preferably slotted clamping sleeve 55 by segmentally arranged around this clamping sleeve pressure wedges 57 curious; excited. The required clamping force is achieved by further adjustment 51 in turn, in this embodiment, piezoelectric actuators 53 with a sensor layer interposed therebetween 52 contain generated.

Wie dargestellt, können die Verstelleinrichtungen 51 der Spannvorrichtung 50 mit ihren Bewegungsachsen B₁, B₂, B₃, ... parallel zur Längsachse L₁ des Trägerbauteiles 10 mit geringem Abstand zum Zentrum (Längsachse L₁) positioniert sein, um ein günstiges Wuchtverhalten zu erreichen, wenn die Vorrichtung z. B. als Mikrofräse eingesetzt wird.As shown, the adjusting devices 51 the tensioning device 50 with their axes of motion B ₁ , B ₂ , B ₃ , ... parallel to the longitudinal axis L _{1 of} the carrier component 10 be positioned at a short distance from the center (longitudinal axis L ₁ ) in order to achieve a favorable balancing behavior when the device z. B. is used as a microfiller.

Jeweils ein Übertragungskeil 56 überträgt die Kraft der Piezoaktoren 53 auf die Anpresskeile 57. Auf einer den Verstelleinrichtungen 51 gegenüberliegenden Seite (werkzeugnahe Seite) der Übertragungskeile 56 sind ein oder mehrere den Aktoren 53 der Verstelleinrichtungen 51 entgegengesetzt wirkende Kraftelemente bzw. Federbauteile 52 angeordnet.In each case a transfer wedge 56 transfers the power of the piezo actuators 53 on the pressure wedges 57 , On one the adjusting devices 51 opposite side (tool side) of the transfer wedges 56 are one or more of the actors 53 the adjustment 51 oppositely acting force elements or spring components 52 arranged.

Die Spannvorrichtung 50 ist, wie in 1 dargestellt, mit all ihren Einzelelementen innerhalb des Führungskörpers 40 angeordnet. Der Führungskörper 40 selbst ist wiederum als einseitig geschlossenes Hohlzylinderbauteil ausgeführt, das an der werkzeugnahen Seite, also der flanschabgewandten Seite, geöffnet ist und mit einem Führungskörperdeckel 43 mittels weiterer Befestigungselemente 44 fest verschlossen ist.The tensioning device 50 is how in 1 represented, with all its individual elements within the guide body 40 arranged. The guide body 40 itself is again designed as a hollow cylinder component closed on one side, which is open on the side close to the tool, that is, the flange-remote side, and with a guide body cover 43 by means of further fasteners 44 is tightly closed.

Der Führungskörperdeckel 43 besitzt in seiner Mitte eine Öffnung, deren Mittelpunkt auf der Längsachse L liegt, so dass das Werkzeug 8, 8a bzw. der Messfühler 8b mit seiner Mittelachse L in die mit der Mitte fluchtenden Spannhülse 55 eingeführt werden kann. Weiterhin dient der Führungskörperdeckel als Abdeckung für die beweglichen Elemente der Spannvorrichtung 50, um so ein Eindringen von Schmutz oder Spänen zu verhindern.The guide body cover 43 has in its center an opening whose center lies on the longitudinal axis L, so that the tool 8th . 8a or the sensor 8b with its central axis L in the aligned with the center clamping sleeve 55 can be introduced. Furthermore, the guide body cover serves as a cover for the movable elements of the clamping device 50 to prevent ingress of dirt or chips.

Wie bereits angedeutet, kann zwischen dem Piezoaktoren 53 der Verstelleinrichtungen 51 eine Sensorlage bzw. Sensoren 52 angeordnet sein, mittels der sowohl die von den Piezoaktoren 53 erzeugte Haltekraft wie auch die während eines Bearbeitungsvorganges auf das Werkzeug, insbesondere auf die Werkzeugschneide 9 wirkenden seitlichen Bearbeitungs- bzw. Spankräfte festgestellt werden können.As already indicated, between the piezoelectric actuators 53 the adjustment 51 a sensor layer or sensors 52 be arranged by means of both the of the piezoelectric actuators 53 generated holding force as well as during a machining operation on the tool, in particular on the tool cutting edge 9 acting lateral processing or Spankräfte can be determined.

Die Übertragung zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung notwendiger elektrischer Energie sowie der erforderlichen Steuerungsdaten erfolgt über einen Datenkopf 15 zu einer an der Aufnahmeeinrichtung 1, vorzugsweise der Adapterbuchse 20 angeordneten Signalübertragungseinheit 12 vorzugsweise berührungslos, insbesondere induktiv, optisch und/oder mit Funkwellen. Diese Signalübertragungseinheit 12 ist hierbei vorzugsweise als Bauteil ausgebildet, das eine ringförmig um die Adapterbuchse 20 an deren Außenseite umfassende Signalantenne und eine erforderliche Sende- und Empfangselektronik aufweist.The transmission for operating the device according to the invention necessary electrical energy and the required control data is carried out via a data header 15 to one at the receiving device 1 , preferably the adapter socket 20 arranged signal transmission unit 12 preferably non-contact, in particular inductive, optical and / or radio waves. This signal transmission unit 12 In this case, it is preferably formed as a component, which is an annular around the adapter socket 20 has on the outside comprehensive signal antenna and a required transmitting and receiving electronics.

Während sich die Signalübertragungseinheit 12 rotatorisch um die Längsachse L₁ dreht, wenn die Mess- und Bearbeitungsvorrichtung im spanenden Einsatz ist, ist der Datenkopf 15 feststehend mit einer Werkzeugmaschine 2a und/oder einer Messanordnung 2b gekoppelt. Die Signalübertragungseinheit 12 kann somit Energie und Informationen vom Datenkopf 15 empfangen, aber auch Messinformationen der Sensoren 52 und des Sensorelementes 35 an den Datenkopf 15 übertragen.While the signal transmission unit 12 rotates about the longitudinal axis L ₁ when the measuring and processing device is in cutting use, is the data head 15 stationary with a machine tool 2a and / or a measuring arrangement 2 B coupled. The signal transmission unit 12 can thus generate energy and information from the data head 15 received, but also measurement information of the sensors 52 and the sensor element 35 to the data head 15 transfer.

Zur Ansteuerung der Piezoaktoren und zum Auswerten gewonnener Messsignale ist eine Steuer-/Regelungseinheit 16 vorgesehen, die als ein eigenes Steuerungsmodul oder als Teil der elektronischen Steuerung der Werkzeugmaschine 2a bzw. der Messanordnung 2b in diese eingebunden ist.For controlling the piezoelectric actuators and for evaluating the measured signals obtained is a control / regulating unit 16 provided as a separate control module or as part of the electronic control of the machine tool 2a or the measuring arrangement 2 B is involved in this.

In den 2a) bis 2d) sind Varianten zur Kraftübertragung von den Piezoaktoren 53 auf die Spannhülse 55, in der ein Werkzeug 8, 8a oder ein Messfühler 8b gehalten ist, dargestellt.In the 2a ) to 2d ) are variants for power transmission from the piezoelectric actuators 53 on the clamping sleeve 55 in which a tool 8th . 8a or a probe 8b held, presented.

In 2a) ist ein Teil einer Spannvorrichtung 50 als Prinzipskizze gezeigt, wie sie bereits zuvor anhand der 1 beschrieben wurde. Von den Piezoaktoren 53 der Verstelleinrichtung 51 wird eine Kraft auf den Übertragungskeil 56 aufgebracht, die von den Sensoren 52 in der Verstelleinrichtung 51 gemessen wird. Die so aufgebrachte Kraft F₁ wirkt einer Federkraft F₂ entgegen, die durch die Federbauteile 58 auf die Gegenseite des Übertragungskeils 56 einwirkt. Beide Kräfte wirken parallel zur Längsachse L₁ der Mess- und Bearbeitungsvorrichtung 1 bzw. zur Mittelachse L des Werkzeuges 8, 8a.In 2a ) is part of a tensioner 50 shown as a schematic diagram, as previously described by the 1 has been described. From the piezo actuators 53 the adjustment 51 becomes a force on the transfer wedge 56 applied by the sensors 52 in the adjustment 51 is measured. The thus applied force F ₁ counteracts a spring force F ₂ , which by the spring components 58 on the opposite side of the transfer wedge 56 acts. Both forces act parallel to the longitudinal axis L _{1 of} the measuring and processing device 1 or to the central axis L of the tool 8th . 8a ,

Durch die vorzugsweise sägezahnförmig ausgebildete schräg zur Längsachse L₁ verlaufende Berührfläche des Übertragungskeils 56 mit dem Anpresskeil 57 wird die Kraft F₁, zumindest ihr Anteil, der größer ist als die Federkraft F₂ bzw. die resultierende aus diesen beiden Kräften, an der Berührfläche umgelenkt, so dass eine Kraft F₃ entsteht, die senkrecht zur Längsachse L₁ wirkt und somit die Spannhülse 55 zusammendrückt, um das Werkzeug 8a, 8b zu haltern. Umgekehrt werden auf die Werkzeugschneide 9 einwirkende Bearbeitungs- bzw. Spankräfte F_s auf entgegengesetztem Wege umgelenkt und von den Sensoren 52 erfasst und über die Signalübertragungseinheit 12 und dem Datenkopf 15 der Steuer-/Reglungseinheit 16 der Werkzeugmaschine 2a oder der Messanordnung 2b zugeführt (vgl. auch 4).By preferably sawtooth-shaped extending obliquely to the longitudinal axis L ₁ contact surface of the transfer wedge 56 with the pressure wedge 57 is the force F ₁ , at least their share, which is greater than the spring force F ₂ and the resulting of these two forces, deflected at the contact surface, so that a force F ₃ is formed which acts perpendicular to the longitudinal axis L ₁ and thus the clamping sleeve 55 squeeze the tool 8a . 8b to hold. Conversely, the tool cutting edge 9 acting processing or Spankräfte F _s deflected in the opposite way and the sensors 52 detected and via the signal transmission unit 12 and the data header 15 the control unit 16 the machine tool 2a or the measuring arrangement 2 B supplied (see also 4 ).

In 2b ist eine zweite Variante zur Kraftübertragung von den Verstelleinrichtungen 51 auf die Werkzeugspannhülse 55 dargestellt, bei der die Kraft mittels eines Festkörper-Drehgelenks 59 übertragen wird, was vorteilhaft für kleine und präzise Bewegungen bzw. Kraftübertragungen ist. Die von der Verstelleinrichtung 51 auf das Festkörper-Drehgelenk 59 aufgebrachte Kraft F₁ wird um einen Drehpunkt D wiederum um 90° umgelenkt und wird somit als Kraft F₂ im Wesentlichen gleicher Größe jedoch anderer Orientierung auf die Spannhülse 55 seitlich ein.In 2 B is a second variant for transmitting power from the adjustment 51 on the tool clamping sleeve 55 shown in which the force by means of a solid-state rotary joint 59 is transmitted, which is advantageous for small and precise movements or transmissions. The of the adjustment 51 on the solid-state hinge 59 applied force F ₁ is deflected by a pivot point D again by 90 ° and thus as a force F ₂ substantially the same size but other orientation to the clamping sleeve 55 on the side.

In der in 2b dargestellten Schnittebene liegen die Bewegungsachse B₁ der Verstelleinrichtung 51 sowie die Längsachse L₁, die durch den Mittelpunkt der Spannhülse 55 des Werkzeuges 8 geht; wohingegen der Drehpunkt D der Schnittpunkt dieser Ebene mit einer senkrecht durch diese Ebene verlaufenden Drehachse D' ist. Wiederum sind Sensoren 52 vorgesehen, die die Kraft F₁ sowie auf die Werkzeugschneide 9 aufgebrachte Spankräfte F_s zu messen vermögen.In the in 2 B shown section plane are the axis of motion B _{1 of} the adjustment 51 and the longitudinal axis L ₁ , through the center of the clamping sleeve 55 of the tool 8th goes; whereas the pivot point D is the intersection of this plane with a rotation axis D 'perpendicular to this plane. Again, there are sensors 52 provided that the force F ₁ as well as on the tool cutting edge 9 applied Spankräfte F _s assets to measure.

Bei der in 2c gezeigten Variante wird die Kraft F₁ im Wesentlichen verlustfrei mittels eines fluidischen Elementes F um 90° umgelenkt, wobei jeweils erwünschte Fluideigenschaften unterschiedlicher Fluide ausgenutzt werden können (z. B. MRF). Ansonsten entspricht die Funktionsweise und der Aufbau der in 2c dargestellten Variante der in den zuvor beschriebenen.At the in 2c In the variant shown, the force F _{1 is} deflected substantially loss-free by 90 ° by means of a fluidic element F, whereby in each case desired fluid properties of different fluids can be utilized (eg MRF). Otherwise, the functionality and structure of the in 2c illustrated variant of the previously described.

Schließlich ist in 2d eine Variante mit einer radialen direkten Anordnung der Verstelleinrichtungen 51 dargestellt, wobei zwei Verstelleinrichtungen 51a, 51b jeweils eine Kraft F₁, F₂ radial senkrecht auf die Spannhülse 55 aufbringen, weshalb Kraftumlenkelemente, wie in den Anordnungen der 2a bis 2c beschrieben, entbehrlich sind. Diese Anordnung weist zwar eine ungünstigere Masseverteilung zur Drehachse des Werkzeughalters bzw. der Mess- und Bearbeitungsvorrichtung 1 auf, ermöglicht jedoch eine genauere Messung der auf die Werkzeugschneide 9 auftreffenden Bearbeitungs- bzw. Spankräfte F_s. Die Bewegungsachsen B₄ bzw. B₅ der Verstelleinrichtungen 51a bzw. 51b liegen in der in 2d dargestellten Radialschnittebene, in der auch die Längsachse L liegt, jedoch jeweils in einer dazu senkrechten Schnittebene übereinander angeordnet.Finally, in 2d a variant with a radial direct arrangement of the adjustment 51 represented, wherein two adjusting devices 51a . 51b in each case a force F ₁ , F ₂ radially perpendicular to the clamping sleeve 55 Why force deflection, as in the arrangements of the 2a to 2c described are dispensable. Although this arrangement has a less favorable mass distribution to the axis of rotation of the tool holder and the measuring and processing device 1 but allows a more accurate measurement of the tool cutting edge 9 incident machining or chip forces F _s . The axes of movement B ₄ and B _{5 of} the adjustment 51a respectively. 51b lie in the in 2d shown radial section plane, in which the longitudinal axis L is located, but each arranged in a plane perpendicular thereto cutting plane.

Jede der anhand der 2a bis 2d beschriebenen Varianten zur Kraftübertragung von den Verstelleinrichtungen auf die Werkzeugspannhülse ist einer Spannvorrichtung mehrfach ausgeführt, wobei die einzelnen dargestellten Komponenten radial zueinander, wie in den 3a bis 3c beispielsweise gezeigt, angeordnet sein können.Each one based on the 2a to 2d variants described for the transmission of power from the adjusting to the tool clamping sleeve is performed a multiple clamping device, the individual components shown radially each other, as in the 3a to 3c For example, shown can be arranged.

3a bis 3c zeigt hierbei jeweils einen Querschnitt einer Ebene senkrecht zur Längsachse L. Die segmentartige Anordnung der Piezoaktoren 53 bzw. der Verstelleinrichtungen 51 und die Werkzeugspannhülse 55 ist hierbei am Beispiel eines Klemmkeil-Betriebs dargestellt, wie es den 1 und 2a entspricht. Hierbei ist prinzipiell eine zweifache (180°) Anordnung, wie in 3a gezeigt, möglich, eine dreifache (120°) Anordnung, wie in 3c gezeigt, oder eine vierfache Anordnung in einem Winkel von 90°, wie in 3b dargestellt. In Abhängigkeit der Dimension der verwendeten Mikroaktoren und der Größe der Spannhülse ist hierbei jedoch auch eine n-fache Anordnung denkbar, wobei die Mikroaktoren in einem Winkelabstand von 360°/n angeordnet sind. Die Anordnung der Verstelleinrichtungen 51 mit den Piezoaktoren 53 ist jeweils punktiert dargestellt. 3a to 3c Here, in each case shows a cross section of a plane perpendicular to the longitudinal axis L. The segment-like arrangement of the piezoelectric actuators 53 or the adjustment 51 and the tool clamping sleeve 55 is shown here using the example of a wedge operation, as it 1 and 2a equivalent. Here, in principle, a two-fold (180 °) arrangement, as in 3a shown, possible, a triple (120 °) arrangement, as in 3c shown, or a quadruple arrangement at an angle of 90 °, as in 3b shown. Depending on the dimension of the microactuators used and the size of the clamping sleeve, however, an n-fold arrangement is also conceivable here, the microactuators being arranged at an angular distance of 360 ° / n. The arrangement of the adjustment 51 with the piezo actuators 53 is shown in dotted lines.

In 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen und Feinstellen eines Werkzeuges in einem Werkzeughalter gezeigt, wobei einzelne Komponenten mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind. 4 verdeutlicht hierbei als Prinzipdarstellung, die beispielsweise während eines Bearbeitungsvorganges auf das Werkzeug wirkenden Kräfte, die zu Abweichungen und Ungenauigkeiten führen können und somit zu erfassen und zu korrigieren sind.In 4 an alternative embodiment of a device for measuring and fine adjustment of a tool is shown in a tool holder, wherein individual components can be combined with the embodiments described above. 4 illustrates here as a schematic representation, for example, the forces acting on the tool during a machining operation, which can lead to deviations and inaccuracies and thus to be detected and corrected.

In einer Werkzeugspindel einer Werkzeugmaschine 2a ist ein Werkzeughalter 1 mit einem Trägerbauteil 10 aufgenommen, in dem ein um definierte Freiheitsgrade verstellbarer Führungskörper 40 vorgesehen ist. Ebenfalls ist eine Spannvorrichtung 50 gezeigt, in dem ein Werkzeug 8 bzw. Mikrowerkzeug 8a gespannt werden kann. Die Einspannkräfte des Werkzeuges sowie die auf die Werkzeugspitze 9 wirkenden Bearbeitungs- bzw. Spankräfte F_s werden hierbei über Sensorelemente 52 und 35 erfasst, die zwischen Werkzeug 8, 8a und dem Werkzeughalter 1 angeordnet sind.In a tool spindle of a machine tool 2a is a tool holder 1 with a carrier component 10 recorded in which a variable degrees of freedom adjustable guide body 40 is provided. Also is a tensioning device 50 shown in which a tool 8th or micro-tool 8a can be stretched. The clamping forces of the tool as well as the tool tip 9 acting machining or Spankräfte F _s are in this case via sensor elements 52 and 35 captured between tool 8th . 8a and the tool holder 1 are arranged.

Die Auswirkungen die auf die Werkzeugspitze 9 wirkenden Kräfte F_s bezüglich des PCT (Tool Center Point) sind ebenfalls in 4 dargestellt. Die Kräfte F_s verursachen hierbei einerseits eine Drehung der Werkzeugmittelachse L relativ zur Längsachse des Werkzeughalters 1 um einen Winkel Δφ der seitlichen Verschiebung der beiden Achsen um einen Betrag ΔR.The impact on the tool tip 9 acting forces F _s with respect to the PCT (Tool Center Point) are also in 4 shown. The forces F _s cause on the one hand a rotation of the tool center axis L relative to the longitudinal axis of the tool holder 1 by an angle Δφ of the lateral displacement of the two axes by an amount ΔR.

Während der Bearbeitung des um die Längsachse L₁ des Werkzeughalters 1 rotierenden Werkzeuges 8 führt dies zu einer ständig wechselnden, umlaufenden Belastung des Werkzeuges bzw. Werkzeughalters, was zu einer Erwärmung und so mit einer Formänderung der Vorrichtung und des eingespannten Werkzeuges führt und die Bearbeitung negativ beeinflusst. Derartige Änderungen sowie die sie verursachenden Kräfte können durch die beschriebenen Sensoreinrichtungen erkannt werden und durch Gegensteuerung der zwischen den Werkzeugen und dem Werkzeughalter angeordneten Verstelleinrichtungen ausgeglichen werden. Auch ist eine Einstellung und/oder Anpassung bereits vor Beginn des Werkzeugeinsatzes bzw. der Bearbeitung möglich.During the processing of the about the longitudinal axis L _{1 of} the tool holder 1 rotating tool 8th This leads to a constantly changing, circumferential load of the tool or tool holder, which leads to a heating and so with a change in shape of the device and the clamped tool and adversely affects the processing. Such changes as well as the forces which cause them can be recognized by the described sensor devices and compensated by counter-adjustment of the adjusting devices arranged between the tools and the tool holder. Also, adjustment and / or adaptation is possible even before the beginning of the use of tools or machining.

Hierdurch kann eine exakte Bearbeitung selbst mit Werkzeugen durchgeführt werden, deren Bearbeitungsabschnitt (Werkzeugspitze) einen Durchmesser von lediglich 200 μm oder kleiner aufweist. Es können somit Genauigkeiten von 0,1 μm in der Bearbeitung erreicht werden, was zu Werkstückgenauigkeiten von 1 μm führt.hereby exact machining can be carried out even with tools whose processing section (tool tip) has a diameter of only 200 μm or smaller. It can thus accuracies of 0.1 μm be achieved in the machining, resulting in workpiece accuracies of 1 μm leads.

Auch die kinematischen Restfehler der Werkzeugmaschine selbst, die herkömmlicherweise mindestens 3 μm betragen, können durch die beschriebene Vorrichtung bzw. das Verfahren ausgeglichen werden. Eine Kombination aller zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten untereinander oder einzelner Aspekte oder Komponenten dieser Varianten ist durchaus denkbar. Das Werkstück, das zur Ermittlung der Ist-Position des Werk zeuges Einsatz findet, kann das später zu bearbeitende oder das bereits zuvor bearbeitete Werkstück sein, es kann aber auch ein Referenzbauteil der Werkzeugmaschine sein. Alternativ zur Korrektur der Werkzeugkoordinaten kann entsprechend des beschriebenen und beanspruchten Verfahrens auch eine Korrektur der Werkstückkoordinaten erfolgen.Also the kinematic residual error of the machine tool itself, which is conventionally at least 3 μm, can balanced by the described device or method become. A combination of all previously described embodiments with each other or with individual aspects or components of these variants quite possible. The workpiece, that can be used to determine the actual position of the tool that later be machined or the previously machined workpiece, but it can also be a reference component of the machine tool. Alternatively to the correction of the tool coordinates can accordingly the described and claimed method also a correction the workpiece coordinates respectively.

Claims

Method for measuring and fine-tuning a tool ( 8th ) in a tool holder ( 1 ) with the steps: A- Defining a tool geometry and specifying or correcting a reference coordinate (TCP) of the tool ( 8th ) in a machine tool control ( 16 ), B- approaching the in the tool holder ( 1 ) in a desired position clamped tool ( 8th ) to a workpiece and detecting a contact point between tools ( 8th ) and workpiece, and C- determining the actual position of the tool relative to a coordinate system of the machine tool ( 2 ) from the identified contact point, characterized by the steps D- calculating and correcting the static tool position E- measuring a machining force (F _s ) on the tool ( 8th ), and F- calculating and correcting the dynamic tool position relative to the coordinate system of the machine tool ( 2 ) by fine adjustment of the tool in the tool holder ( 1 ).

A method according to claim 1, characterized in that prior to step A, a clamping and alignment of a workpiece to the coordinate system of the machine tool ( 2 ), in particular by means of a probe, takes place.

Method according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that after step C, a comparison the measured actual position of the tool with its desired position and calculating a vector of a corrected tool position, in particular a corrected tool axis (L) takes place.

Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that after steps B and C or before step D, a repetition of at least steps B and C for one or more defined degrees of freedom for fine adjustment of the tool ( 8th ) in the tool holder ( 50 ) he follows.

Method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the approximation and measurement of the contact point, in particular a surface contact, by electrical current flow between the tool ( 8th ) and workpiece is detected.

Method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the approaching and measuring the contact point, in particular a surface contact, by a capacitive sensor between tool ( 8a ) and workpiece is detected.

Method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the approximation and measurement of the contact point, in particular a surface contact, between tool ( 8th ) and workpiece by a sensor element ( 35 . 52 ), in particular a force sensor, in the tool holder ( 1 ) is detected.

Method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the approaching and measuring the contact point, in particular a surface contact, contactless or detected by a switching probe.

Method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that with the corrected tool position a machining is performed on the clamped workpiece, wherein at least some the process steps according to claims 1 to 8 repeated iteratively become.

Method for measuring a machining force (F _s ) on a tool holder ( 1 ) clamped tool ( 8th ), in combination with a method according to at least one of claims 1 to 9, characterized by the steps: A- activating a mode of operation "force measurement" in a control unit of a machine tool ( 2 ), B- calculating a vector of the machining force (F _s ) to the tool holder ( 1 ) and C- calculating a coordinate transformation of a vector of the machining force (F _s ) to the kinematics of the force measurement in the tool holder ( 1 ).

A method according to claim 10, characterized in that a correction of a tool position relative to the tool holder ( 1 ) is feasible, which compensates - a deflection of a tool axis (L) in the one-sided engagement due to the machining force, - a thermally induced spindle growth of the machine tool ( 2a ), - a wear of the tool ( 8th ), in particular a geometry deviation from an original state of the tool ( 8th ), compensated, - a concentricity error of multi-bladed tools ( 8th ), - an asymmetric cut of multi-bladed tools ( 8th ) compensates, - compensates for a lack of agreement between the axis of rotation (L ₁ ) and the tool axis (L), - compensates residual errors of an external tool presetting, and / or compensates for residual errors of the machine tool kinematics.

Method according to claim 10 or 11, characterized in that the tool ( 8th ) is in particular continuously refined during processing.

A method according to claim 11 or 12, characterized by a step of compensating a temporal and / or a force-dependent wear on the tool cutting edge ( 9 ).

Method according to at least one of claims 10 to 13, characterized in that the correction of the tool position by piezoelectric, magnetostrictive, magnetorheological or electrorheological acting adaptive microactuators ( 53 ) or by means of shape-memory alloys, wherein the microactuators ( 53 ) in particular on a tensioning device ( 50 ) of the tool holder ( 1 ) for receiving the tool ( 8th ) are arranged.

Method according to at least one of claims 10 to 14, characterized in that the detection of the current position and / or forces by sensors which are in the tool holder ( 1 ), in particular together with the microactuators ( 53 ) are arranged.

Device for measuring and fine-tuning a tool ( 8th ) in a tool holder ( 1 ) for carrying out a method according to at least one of claims 1 to 15, characterized by a carrier component ( 10 ) and a guide body which can be adjusted by defined degrees of freedom ( 40 ), to which a tensioning device ( 50 ) for receiving a tool ( 8th ) is provided, wherein between the support member ( 10 ) and the guide body ( 40 ) at least one adjusting member ( 30 ) and wherein at least one sensor element ( 35 . 52 ) for determining the position of the tool ( 8th ) is provided.

Apparatus according to claim 16, characterized in that at least one sensor element ( 35 . 52 ) for determining on the tool ( 8th ) adjacent forces in the tool holder ( 1 ) is provided.

Device according to one of claims 16 or 17, characterized in that the carrier component ( 10 ) a flange ( 11 ), which with a Spindelhal sion of a machine tool ( 2a ) is coupled, wherein the spindle holder is preferably translationally and / or rotationally movable or driven.

Device according to at least one of claims 16 to 18, characterized in that the carrier component ( 10 ) is designed for transmitting a torque with respect to a rotational or longitudinal axis (L ₁ ).

Device according to at least one of claims 16 to 19, characterized in that in the adjusting member ( 30 ) adaptive microactuators ( 31 ) are provided.

Device according to claim 20, characterized in that the microactuators ( 31 ) are piezoelectric, magnetostrictive, magnetorheological or electrorheological microactuators.

Device according to claim 20 or 21, characterized in that the microactuators ( 31 ) are those of shape-memory alloys.

Device according to at least one of claims 16 to 22, characterized in that the sensor element as a sensor layer ( 35 ) in the adjusting member ( 30 ) is trained.

Device according to at least one of claims 16 to 23, characterized in that the sensor element as a capacitive sensor in the vicinity of a tip region of the tool ( 8th ), in particular a tool cutting edge ( 9 ), is trained.

Device according to at least one of claims 16 to 24, characterized in that the tool ( 8th ) a micro-tool ( 8a ).

Device according to at least one of claims 16 to 25, characterized in that tool ( 8th ) as a sensor ( 8b ) can be used.

Device according to at least one of claims 16 to 26, characterized in that tool ( 8th ) has a receiving and / or holding device for a component.

Device according to at least one of claims 16 to 27, characterized in that elastic elements ( 45 ), in particular the adjusting member ( 30 ) oppositely oriented spring packs ( 46 ), between the guide body ( 40 ) and the carrier component ( 10 ) are arranged.

Device according to at least one of claims 16 to 28, characterized in that an adapter socket ( 20 ) as part of the carrier component ( 10 ) is provided, in which the guide body ( 40 ) is longitudinally displaceable with respect to the longitudinal axis (L ₁ ) is received.

Device according to at least one of claims 16 to 29, characterized in that the tensioning device ( 50 ), in particular individually controllable, adjusting devices ( 51 ), preferably each with adaptive microactuators ( 52 ) and these oppositely oriented spring components ( 53 ), having.

Apparatus according to claim 30, characterized in that in the adjusting devices ( 51 ) Sensors ( 52 ) are provided.

Device according to one of claims 30 or 31, characterized in that the adjusting devices ( 51 ) segmentally about a along the longitudinal axis (L ₁ ) arranged clamping sleeve ( 55 ) for receiving the tool ( 8th ) is provided.

Device according to at least one of claims 30 to 32, characterized in that the adjusting devices ( 51 ) with their axes of motion (B ₁ , B ₂ ) parallel to the longitudinal axis (L ₁ ) of the guide body ( 40 ) are aligned.

Device according to at least one of claims 30 to 33, characterized in that the adjusting devices ( 51 ) with its axes of motion (B ₁ , B ₂ ) in one or more levels senkecht to the longitudinal axis (L ₁ ) of the guide body ( 40 ) are aligned.

Device according to at least one of claims 16 to 34, characterized in that the carrier component ( 10 ) an energy and signal transmission unit ( 12 ), the measurement and / or control data, preferably non-contact, to a power and data head ( 15 ) transmits and / or receives from this.

Apparatus according to claim 35, characterized in that the energy and data head ( 15 ) with a, preferably electronic, control unit ( 16 ) of the machine tool ( 2a ) can be coupled.