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Die vorliegende Erfindung betrifft Werkzeugmaschinen und insbesondere numerisch gesteuerte Fräsmaschinen und Bohrmaschinen, bei denen Probleme mit der Bearbeitungsgenauigkeit auftreten, die mit Schwankungen in der Werkzeugpositionierung verbunden sind, welche auf Temperaturschwankungen während des Betriebs von Teilen der Werkzeugmaschinen zurückzuführen sind, wie der Bohrstange oder der Werkzeugspindel und dem Werkzeugschlitten, der üblicherweise unter der im vorliegenden Patent verwendeten Bezeichnung ”Schlitten” bekannt ist.
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Bekanntermaßen muss in großen Werkzeugmaschinen, in denen beträchtliche Kräfte eine Rolle spielen, mit einer erheblichen Hitzeentwicklung in den in Bewegung befindlichen Teilen gerechnet werden, die sich während des Betriebs dieser Teile in Temperaturschwankungen umsetzt, selbst wenn alle geeigneten Maßnahmen zur Behebung dieser Hitze ergriffen werden.
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Ein Problem, das allen Konstrukteuren von Werkzeugmaschinen und insbesondere Konstrukteuren von Bohr- und Fräsmaschinen zu schaffen macht, ist die Längenausdehnung des Schlittens und/oder der Bohrstange im Anschluss an die – leider nur unzureichend kontrollierbare – Erhitzung derselben während ihres Betriebs.
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Die Folgen einer unzureichend kontrollierbaren Längenausdehnung des Schlittens oder der Bohrstange können schwerwiegend sein. Beispielsweise, wenn eine Fläche eines in Bearbeitung befindlichen Teils feinbearbeitet werden soll, das so umfangreich ist, dass der Fräsvorgang nicht in einem einzigen Durchgang durchgeführt werden kann, der die gesamte Erstreckung der Fläche umfasst, sondern der Vorgang in zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen durchgeführt werden muss, so kann es leicht geschehen, dass der während des zweiten Durchgangs bearbeitete Bereich aufgrund einer während der Bearbeitung aufgetretenen Längenausdehnung des Schlittens und/oder der Bohrstange niedriger ist als der während des ersten Durchgangs bearbeitete Bereich, wo bereits ein Tiefenunterschied von 0,01 mm einen gravierenden Nachteil darstellen kann.
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Die Druckschrift
DE 28 30 980 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Vorrichtung, die es erlaubt, jene Länge präzise zu messen, die der Schlitten und/oder die Bohrstange einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine jeweils einnehmen, und um den so erhaltenen Messwert zu verwenden, um eine Positionsänderung dieser Teile einzuführen, die in der Lage ist, deren temperaturbedingte Längenschwankungen zu kompensieren.
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Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die Erfindung eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 vor.
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Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in den nachstehenden Ansprüchen definiert und anhand der folgenden detaillierten Beschreibung eines nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiels besser verständlich, in dem auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird:
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1 ist eine vereinfachte, schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die an der Bohrstange einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine angebracht ist;
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2 ist eine vergrößerte Schnittansicht der in Kreis II der 1 befindlichen Details der Maschine;
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3 ist eine vereinfachte dreidimensionale Schnittansicht einer Vorrichtung, die nicht zur Erfindung gehört und lediglich der Erläuterung dient, und die am Schlitten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine angebracht ist;
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4 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm zur Verarbeitung der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Messungen, um eine Kompensierung der Positionierung der besagten Teile einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine zu erhalten.
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In 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zu sehen, die an einer Bohrstange 12 angebracht ist, an deren äußeren Ende 14 ein Bearbeitungswerkzeug (nicht gezeigt) befestigt wird. Die Bohrstange 12, die von einem nicht gezeigten Motor in Rotation versetzt wird, wird zudem von einem Schlittenmittel 26, das mittels einer Muffe 30 von einer Kugelumlaufspindel 28 gesteuert wird, längs der Achse X vor- und zurückbewegt. Die Spindel 28 wird über irgendeinen Mechanismus 32 an einen präzisionsgesteuerten elektrischen Motor M1 angeschlossen, der – wie im folgenden näher erläutert – anhand der erhaltenen Signale die Position ermittelt, in die die Bohrstange 12 zu versetzen ist.
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Das Öffnen und Schließen des Werkzeug-tragenden Endes 14 erfolgt mittels einer Zugstange 16, die im Inneren der Bohrstange 12 aufgenommen ist, mit der sie die Achse X gemeinsam hat, und die von einem Aktor 34 gesteuert wird, der unter Zugrundelegung der erhaltenen Befehle für das Einspannen des Werkzeugs oder die Freigabe des Werkzeugs sorgt, wenn letzteres ersetzt werden muss.
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Gemäß eines wesentlichen Merkmals der Erfindung ist zwischen der Zugstange 16 und der Bohrstange 12 ein Zwischenrohr 18 eingebaut, das sich ebenfalls längs der Achse X erstreckt und das aus einem Material hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient völlig verschieden ist von jenem des Materials der Bohrstange 12. Beispielsweise, während die Bohrstange 12 aus einem der Stähle hergestellt ist, die gewöhnlicherweise für die Herstellung von Werkzeugmaschinen verwendet werden, kann das Zwischenrohr 18 aus Aluminium oder dessen Legierungen oder aus Magnesium oder dessen Legierungen sein. Ein erstes Ende des Rohrs 18 ist unmittelbar an der Bohrstange 12 in einem Punkt 15 befestigt, der sich am oder in unmittelbarer Nähe des äußeren Endes 14 der Bohrstange 12, das als Werkzeugträger 14 wirkt, befindet – s. 1. Am anderen Ende des Rohrs 18, hier als inneres Ende bezeichnet und mit 17 gekennzeichnet, ist ein ringförmiger Kranz 20 mittels mehrerer radialer Bolzen 22 befestigt, welche durch entsprechende radiale Löcher 13 der Bohrstange 12 verlaufen – s. 2. Dem hochpräzise gefertigten ringförmigen Kranz 20 ist ein Positionssensor 24 zugewandt, der die Aufgabe hat, seinen Abstand Δ vom Kranz 20 zu erfassen, und somit den relativen Versatz zwischen der Bohrstange 12 und dem Zwischenrohr 18, d. h. den Unterschied zwischen deren durch thermische Ausdehnung bedingten Längenausdehnungen entlang der Achse X.
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3 zeigt eine nicht zur Erfindung gehörende Vorrichtung 40, die in der Lage ist, die Längenausdehnung eines Schlittens 42 zu kompensieren. Der Schlitten 42 wird von einem Schlittenmittel 62 vor- und zurückbewegt, das mit einer zweiten Kugelumlaufspindel 60 verbunden ist, die von einem präzisionsgesteuerten Motor M2 bewegt wird und anhand der erhaltenen Signale die Position ermittelt, in die der Schlitten 42 zu versetzen ist. Letzterer besitzt die Form eines Quaders und weist insbesondere eine Fläche des äußeren Endes 44, eine Fläche des inneren Endes 46 und eine seitliche Fläche 48 auf. In der seitlichen Fläche 48 öffnet sich eine rechteckige Ausnehmung 49, die gemäß eines Merkmals der Erfindung eine Stange 50 aufnimmt, die aus einem Material hergestellt ist (wie Aluminium und dessen Legierungen oder Magnesium und dessen Legierungen), das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der sich deutlich von dem des Materials (Stahl oder Gusseisen) unterscheidet, aus dem der Schlitten 42 hergestellt ist. Die Stange 50 ist an einem Punkt 52 des Bodens der Ausnehmung 49 befestigt, der sich nahe der Fläche des äußeren Endes 44 des Schlittens 42 befindet; um die Hitzeübertragung zu gewährleisten, wird die Stange 50 zudem durch die Brücken 54 und 55 mit dem Boden der Ausnehmung 49 in Berührung gehalten. An der dem Befestigungspunkt 52 gegenüberliegenden Seite läuft die Stange 50 in einem präzisionshergestellten Ende 56 aus, das einem Positionssensor 58 zugewandt ist. Letzterer hat die Aufgabe, den Abstand zu messen, der zwischen dem Ende 56 und dem Sensor 58 besteht und somit den relativen Versatz (d. h. den Unterschied in der durch die thermische Ausdehnung bedingten Längenausdehnung entlang der Achse des Schlittens) zwischen dem Schlitten 42 und der Stange 50.
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Wie vorstehend bereits angedeutet, wird gemäß eines weiteren wichtigen Merkmals der Erfindung, ausgehend von den durch die Positionssensoren 24 und 58 erfassten Messwerte, eine Kompensation der Positionierung der Achse der Bohrstange 12 und des Schlittens 42 erhalten, die genau den durch die Temperaturschwankungen bedingten Längenschwankungen dieser Teile der Werkzeugmaschine entsprechen. Auf diese Weise werden die eingangs erwähnten Nachteile, von denen herkömmliche Werkzeugmaschinen betroffen sind, beseitigt.
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Das Flussdiagramm der 4 zeigt die vier Phasen oder Abläufe, die sich zu diesem Zweck während des Betriebs der Werkzeugmaschine zyklisch wiederholen – beispielsweise alle 100 Millisekunden.
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Die erste dieser Phasen – in 4 mit A angegeben – besteht in der Übernahme der Signale von den Sensoren 24 und 58, d. h. im Ablesen der von diesen gemessenen Abstände, z. B. mittels eines A/D-Wandlers mit geeigneter Auflösung, in einer an sich wohlbekannten Art und Weise. Diese Signale werden in einer zweiten Phase B auf geeignete Weise gefiltert, um so die Wirkung eventueller elektrischer und/oder mechanischer Störungen abzuhalten, wie beispielsweise die Vibrationen der Sensoren 24 und 58 und/oder der Mittel (Zwischenrohr 18, Stange 50), die funktional mit den Sensoren verbunden sind. Die dritte Phase C besteht in der Verarbeitung der gefilterten Signale mittels eines weiter unten beschriebenen Algorithmus, um einen Wert zu erhalten, der während der letzten Phase D in der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine eingestellt und dazu verwendet wird, um die Kompensation der Positionierung der Bohrstange 12 und/oder des Schlittens 42 mittels der Aktivierung der Motoren M1 und/oder M2 und somit der Kugelumlaufspindeln 28 und/oder 60 zu erhalten.
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Um die Besonderheit des in der vorliegenden Erfindung verwendeten Algorithmus besser zu verstehen, gilt es sich den erheblichen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu vergegenwärtigen, der zwischen dem Material besteht, aus dem die Bohrstange 12 hergestellt ist, und dem Material, aus dem das Zwischenrohr 18 hergestellt ist, genau wie zwischen dem Material, aus dem der Schlitten 42 hergestellt ist und jenem, aus dem die Stange 50 hergestellt ist.
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Da die für die Bohrstange 12 angestellten Überlegungen mutatis mutandis auch für den Schlitten 42 gelten, wird die folgende Erläuterung auf die Bohrstange 12 beschränkt, wohlwissend, dass sich äußerst ähnliche Ergebnisse auch für den Schlitten 42 erzielen lassen.
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Bekanntlich bewirkt eine schwer zu kontrollierende Erhitzung der Bohrstange 12, wie jene, die auftritt, wenn die Werkzeugmaschine über einen längeren Zeitraum in Betrieb ist, eine thermische Ausdehnung dieses Teils sowie eine unkontrollierte Längenausdehnung desselben. Man müsste diese Längenausdehnung messen können. Sobald jedoch die Bohrstange 12 an ihrem äußeren Ende 14 ein Werkzeug trägt, das sich während der Bearbeitungsphase bewegt, erweist es sich als nahezu unmöglich, die aktuelle Länge der Bohrstange 12 bei in Bewegung befindlicher Maschine kontinuierlich zu messen.
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Ein erster Vorschlag, der einem einfallen würde, wäre, die Position des äußeren Endes der Bohrstange mittels einer metallischen Stange in das Innere der Maschine zurückzuversetzen; diese Lösung wäre allerdings nicht wirksam, wenn die Stange aus dem gleichen Material hergestellt wäre wie die Bohrstange, da die Ausdehnung der Stange gleich der Ausdehnung der Bohrstange wäre, weshalb es unmöglich wäre, ihre Ausdehnung zu bewerten. Es wäre auch denkbar, eine Stange zu verwenden, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Ausdehnungskoeffizient nahezu Null ist, wie die unter dem Namen Invar® bekannte Legierung, diese Lösung erweist sich jedoch als wenig wirkungsvoll, da sich die geringe Ausdehnung der Legierung Invar® nicht sehr genau bewerten lässt und aufgrund der erhöhten Kosten dieser Legierung ökonomisch nicht lohnenswert ist.
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Die von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung – zur Rücksetzung der Position des äußeren Endes 14 der Bohrstange 12, das als Werkzeugträger wirkt – einer Stange, die sich in der gleichen thermischen Umgebung befindet wie die Bohrstange, aber aus einem Material hergestellt ist, das einen ganz anderen, und insbesondere wesentlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das Material, aus dem die Bohrstange hergestellt ist.
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Da als Stange zur Rücksetzung der Position des äußeren Endes 14 der Bohrstange 12 zur Vereinfachung der Konstruktion ein Zwischenrohr 18 verwendet wird, das koaxial zu besagter Bohrstange ist, wird das Rohr 18 aus einem Material, in der Praxis ein Metall oder eine Metalllegierung, hergestellt, das im wesentlichen einen doppelt so hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt wie der Stahl, aus dem die Bohrstange 12 hergestellt ist. Insbesondere kann das Material des Zwischenrohrs 18 Aluminium oder Aluminiumlegierungen sein, oder Magnesium oder Magnesiumlegierungen, wobei sich die konkrete Wahl neben dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch nach besonderen Eigenschaften im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber der Umgebung, in der das Material in Betrieb genommen wird, richtet.
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Es werde angenommen, dass für die Bohrstange 12 Stahl und für das Zwischenrohr 18 Aluminium verwendet wird, in einer Maschine, die eine Bohrstange der Länge Lb gleich 2300 mm sowie ein Zwischenrohr 18 der Länge Lt gleich 1800 mm aufweist und bei einer Umgebungstemperatur T0 von 20°C = 293 K in Betrieb ist – s. 1.
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Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stahls, aus dem die Bohrstange 12 hergestellt ist, beträgt εb ≡ 12·10–6K–1, während der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aluminiums des Rohrs 18 annähernd das Doppelte beträgt, genauer gesagt εt = 23·10–6K–1. Die folgenden Berechnungen lehren, die Längenveränderung der Bohrstange 12 zu bewerten, indem sie mit der messbaren Veränderung des Abstands Δ zwischen dem ringförmigen Kranz 20 und dem Positionssensor 24 in Beziehung gesetzt wird.
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Für den annehmbaren Fall, dass für die Bohrstange 12 und das Rohr 18 lineare Ausdehnungen betrachtet werden, folgt, dass sich eine vom Sensor 24 gemessene Verschiebung Δ wie folgt ausdrücken lässt: Δ = ∫ Lt / o(εt – εb)·[T(x) – To]dx
Δ = (εt – εb)·Lt·[1/Lt·∫ Lt / oT(x)dx – To]dx
Δ = (εt – εb)·Lt·(Tm – To) (1), wobei Tm die in der Bohrstange 12 und im Rohr 18 festgestellte mittlere Temperatur ist. Ferner wird die Längenausdehnung eines Abschnitts der Bohrstange 12, der gleich der Länge Lt des Rohrs 18 ist, ausgedrückt durch: ΔLt = ∫ Lt / oεb·[T(x) – To]dx
ΔLt = εb·Lt·[1/Lt·∫ Lt / oT(x)dx – T0]dx
ΔLt = εb·Lt·(Tm – T0) (2)
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Entnimmt man den Wert (Tm – To) aus der obigen Gleichung (1), so erhält man: ΔLt = Δ·εb/(εt – εb) (3)
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Für den – im übrigen wahrscheinlichen – Fall, dass die Temperatur des nicht gemessenen Abschnitts der Bohrstange 12 (der Länge Lb – Lt) der mittleren Temperatur Tm des Abschnitts der Länge Lt entspricht, erhält man, dass die gesamte, durch die Erhitzung während der Bearbeitung bedingte Längenausdehnung der Bohrstange 12 ergibt: ΔLb = [Δ·εb/(εt – εb)]·Lb/Lt (4)
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Schließlich, hat man erst einmal die vom Sensor 24 gemessene Verschiebung s erhalten, gelangt man zur gesamten Längenausdehnung der Bohrstange 12 mittels einer einfachen Multiplikation der Beziehung Lb/Lt zwischen der Länge der Bohrstange 12 und des Rohrs 18 mit einem konstanten Faktor, der proportional ist zum Produkt der Beziehung zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten εb des Materials der Bohrstange 12 und dem Unterschied (εt – εb) zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Bohrstange und des Rohrs.
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Folglich besteht eine Entsprechung erheblicher Proportionalität zwischen der gesamten Längenausdehnung der Bohrstange 12 und dem vom Sensor 24 gemessenen Abstand Δ, wobei diese Proportionalität nur vom Ausdehnungskoeffizient und der Länge der Bohrstange 12 und des Rohrs 18 abhängt. Dieser Algorithmus wird sodann in die Software der numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine eingegeben.
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Im vorliegenden Fall, bei Verwendung einer Bohrstange 12 aus Stahl (εb = 12·10–6K–1) und einem Rohr 18 aus Aluminium (εt = 23·10–6K–1), ergäbe sich: ΔLb = [12·106/(23 – 12)·10–6]·(2300/1800)·Δ = 1,090·1,277·Δ = 1,39·Δ, während sich bei Verwendung einer Bohrstange 12 aus Stahl (gleicher εb) und eines Rohrs 18 aus Magnesium (εt = 25·10–6K–1) ergäbe: ΔLb = [12·10–6/(25 – 12)·10–6]·(2300/1800)·Δ = 0,923·1,277·s = 1,178·Δ
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In gleicher Weise, wenn anstelle der Länge Lb der Bohrstange 12 die Länge des Schlittens 42 und anstelle der Länge Lt des Rohrs 16 die Länge der aus Aluminium oder Magnesium hergestellten Stange 50 verwendet wird, gelangt man zu äußerst ähnlichen Ergebnissen.
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In den obigen Ausführungen wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und dargestellt, das in keiner Weise beschränkend zu verstehen ist, weshalb Fachleuten mit gewöhnlichen Kenntnissen auf diesem besonderen technischen Gebiet alternative oder logisch äquivalente Lösungen einfallen mögen, die allesamt als vom Schutzbereich der nachfolgend angegebenen Ansprüche umfasst gelten.
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Beispielsweise kann es je nach den besonderen Anwendungen zweckmäßig oder ausreichend sein, nur die Länge der Bohrstange 12 oder nur jene des Schlittens 42 zu messen, anstatt von beiden Teilen, genau wie nur der Motor M1 eingesetzt werden könnte, um ausschließlich die Längenschwankung der Bohrstange zu kompensieren, oder nur der Motor M2, um ausschließlich die Längenschwankung des Schlittens zu kompensieren, anstatt beide Motoren M1 und M2, um ebenso die Längenschwankung der Bohrstange wie die Längenschwankung des Schlittens zu messen.
