DE19514054B4

DE19514054B4 - Mehrfachspindel-Werkzeugmaschine, sowie Verfahren zum Kompensieren von Positionsänderungen einer Werkstück-Trägerspindel

Info

Publication number: DE19514054B4
Application number: DE19514054A
Authority: DE
Inventors: Jesse W. Fairfield Mendenhall
Original assignee: Devlieg Bullard Inc
Current assignee: Bourn and Koch Inc
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: CA2147201C; CA2147201A1; US5459915A; DE19514054A1

Abstract

Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine mit:
einer Basis (12);
einer vertikalen Säule (14), welche sich von der Basis (12) aus nach oben erstreckt; wobei
die Drehschrittwerkzeugmaschine (10) eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen jeweils mit einem Werkzeugschlitten (16) aufweist; wobei weiterhin
ein drehbarer Werktisch (18) an der Basis (12) gelagert ist, eine Mehrzahl von Werkstück-Trägerspindeln (22) entlang des Werktisches (18) beabstandet angeordnet ist und Einrichtungen zum schrittweisen Bewegen des Werktisches (18) vorgesehen sind, um die Spindeln (22) in aufeinanderfolgende Bearbeitungsstationen einzufahren, wobei wenigstens eine Bearbeitungsstation aufweist:
eine Meßeinrichtung (40) zum Messen der tatsächlichen Position einer jeden der Spindeln (22), welche in eine Position in der Bearbeitungsstation eingefahren werden und zum Erzeugen eines Ausgangssignales hiervon; und
eine programmierbare Steuereinheit (42), welche auf das Spindelpositionssignal anspricht, um dem Werkzeugschlitten (16) der Bearbeitungsstation ein Verschiebungs-Korrektursignal zuzuführen, um Positionsveränderungen der Spindel (22) zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine und ein Verfahren zum Kompensieren oder Ausgleichen von Positionsänderungen einer Werkstück-Trägerspindel in einer Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine.

Drehschrittwerkzeugmaschinen mit mehreren Bearbeitungsstationen sind beispielsweise in der Metallbearbeitung allgemein üblich und haben einen hohen Erfolg. Eine der am meist erfolgreichen Konstruktionen ist in der US 2,947,188 beschrieben. Wie in dieser Druckschrift offenbart, weist diese Mehrfachstation-Werkzeugmaschine eine kreisförmige Basis auf, von der sich aus eine feste vertikale Säule erstreckt. Die vertikale Säule dient zur Aufnahme mehrerer Bearbeitungsstationen mit Werkzeughaltern oder Werkzeugschlitten, welche sich unabhängig voneinander entlang vertikaler und horizontaler Achsen bewegen können. Die Basis der Werkzeugmaschine trägt auch einen drehbaren Bearbeitungstisch oder Träger, der in eine Mehrzahl von Spindelstationen unterteilt ist, von denen jede eine oder mehrere Werkstück-Trägerspindeln oder Werkstück-Haltespindeln trägt. Diese Werkzeugmaschinenanordnung ist zum Anmeldezeitpunkt der vorliegenden Anmeldung im Handel erhältlich von DeVlieg-Bullard, Westport, Connecticut mit der Vertriebsbezeichnung "Typ L Mult-Au-Matic Vertical Chucking Machine."

Im Betrieb dreht sich der Werktisch um die vertikale Säule, so daß die Spindeln aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen schrittweise zugeführt werden. In jeder Bearbeitungsstation wird ein bestimmter Fertigungsschritt an dem von der Spindel gehaltenen Teil oder Werkstück durchgeführt. Die Spindelgeschwindigkeiten und die Werkzeug-Zustellraten in jeder Station werden abhängig von dem durchzuführenden Bearbeitungsschritt festgelegt. Nachdem ein bestimmter Fertigungsschritt abgeschlossen ist, werden die Werkzeuge zurückgezogen und der Werktisch dreht sich, so daß die Spindelstationen um einen Schritt weitergeführt werden und somit andere Bearbeitungsvorgänge an der nächsten Bearbeitungsstation durchgeführt werden können. Für gewöhnlich liefert ein einziger Antriebsmotor die Drehenergie, welche alle Werkzeugmaschinenfunktionen antreibt, nämlich Drehung des Werktisches, Werkzeughalterpositionierung und Spindeldrehung.

Obgleich diese Werkzeugmaschinenkonstruktion in der Praxis einen hohen Erfolg verzeichnen kann, haben Werkzeugmaschinen mit einer Mehrzahl von Stationen des beschriebenen Typs eine Anzahl von Nachteilen. Zunächst schränkt das oben erwähnte vereinheitlichte Antriebssystems die Arten von Bearbeitungsvorgängen ein, welche von der Werkzeugmaschine durchgeführt werden können. Beispielsweise ist es nicht möglich, die Raten von horizontaler und vertikaler Werkzeugschlittenbewegung bei der vorhandenen Auslegung des Werkzeugschlitten-Antriebsmechanismus zu ändern, was es in der Praxis so gut wie unmöglich macht, konturierende Arbeitsschritte durchzuführen. Genauer gesagt, der von einer derartigen Werkzeugmaschine erhaltbare Genauigkeitsgrad wird durch die Art und Weise oder die Natur der Maschine selbst, ihre Größe und ihre mechanische Komplexität beschränkt.

Bei einem typischen Multi-Au-Matic-Typ-Werkzeugmaschinensystem kann die tatsächliche Position einer jeden Spindel sich relativ zu der Werkzeugmaschine verändern, wenn die Werkstücke aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen schrittweise zugeführt werden. Diese Lageveränderungen oder Positionsschwankungen treten auf zweierlei Arten auf: zunächst kann die exakte Anordnung einer jeden Spindel innerhalb des Werktisches sich von Spindel zu Spindel ändern. Zweitens kann sich die Verriegelungsposition einer jeden Spindelstation, welche einer bestimmten Bearbeitungsstation zugeordnet ist, aufgrund von Maschinenabnutzung und Betriebszuständen ändern. Im Ergebnis kann sich die Anordnung oder Ausrichtung einer jeden Spindel relativ zu der jeweiligen Bearbeitungsstation in unvorhergesehender Weise ändern. Da der Werktischdurchmesser einer typischen Mult-Au-Matic-Maschine 1,8 m oder mehr (sechs Fuß oder mehr) betragen kann, können die Größen dieser Lageveränderungen ganz erheblich sein. Die Ungewißheit der tatsächlichen Spindelposition erzeugt Fehler in den Bearbeitungsvorgängen, welche bislang die von einer nicht modifizierten Mult-Au-Matic-Werkzeugmaschine erhaltbaren erhaltbaren Bearbeitungstoleranzen einschränken.

Aufgrund der hohen Popularität dieser bekannten Werkzeugmaschine wurden mehrere Versuche unternommen, entsprechende Verbesserungen vorzunehmen. Ein derartiger Versuch ist in US 4,351,096 beschrieben. Die Verbesserungen gemäß dieser US-Patentschrift umfassen eine modifizierte Bearbeitungsstation mit unabhängigen Antriebsmotoren für sowohl Werkzeugschlittenpositionierung als auch Spindeldrehung. Die individuellen Antriebsmotoren dieser modifizierten Station sind mit einer computergesteuerten numerischen Steuerung (CNC) verbunden, welche die Motor geschwindigkeiten steuert, um variable Geschwindigkeitsabläufe zu erhalten. Zusätzlich kann das CNC-System während der Maschineninstallation programmiert werden, um feste Lageabweichungen einer jeden Spindel innerhalb der Oberfläche des Werktisches zu kompensieren.

Obgleich die von der US 4,351,096 vorgeschlagenen Verbesserungen die Bearbeitungstoleranzen bis in einen Größenbereich von 0,0025 mm (0,001 inch) verbessern, ergeben sich auch hier mehrere erhebliche Nachteile. Zunächst ist die Verwendung von separaten Antriebsmotoren zur Steuerung der Spindeldrehung und der horizontalen und vertikalen Werkzeugschlittenbewegung aufgrund einer erhöhten mechanischen Komplexität und Kosten des Systems nachteilig. Weiterhin macht es die Anordnung dieser Antriebsmotoren und insbesondere die Anordnung des Werkzeugschlittenmotors oberhalb einer Antriebsverteilerplattform der Werkzeugmaschine schwierig, eine bereits bestehende Werkzeugmaschine nachträglich aufzurüsten. Schließlich ist kein Mechanismus für eine Messung und Kompensation dynamischer Änderungen oder Schwankungen in der Spindelstation-Verriegelungsposition vorhanden.

Aus der DE 29 41 156 C2 ist ein Verfahren zum Ermitteln der Lage einer Werkzeugspitze in bezug auf einen Werkzeugschlitten einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, insbesondere Drehmaschine, bekannt. Hierbei wird ein Schlittenantrieb für den Werkzeugschlitten manuell so weit verfahren, bis sich die Spitze oder Kante eines hierin eingespannten Werkzeugs mit einem Meßpunkt deckt. Über eine Visiereinrichtung, z.B. ein Fadenkreuz, ist dieser Meßpunkt festgelegt und kann dann eingespeichert werden, um als Bezugspunkt für weitere Positionsbe rechnungen zu dienen. Dieses Verfahren bedingt somit eine manuelle Schlittenverstellung und ein Anvisieren mittels des menschlichen Auges: eine hochgenaue Einstellung und insbesondere Nachstellung oder -justierung für Kompensationszwecke im laufenden Betrieb ist damit nicht möglich.

Die GB 1 234 268 beschreibt eine Ausrichtungsvorrichtung zwischen Werkzeug und Werkstück in einer Mehrfachspindel-Werkzeugmaschine. Hierzu wird ein drehbarer Werkstückhalter bei Erreichen der jeweiligen Bearbeitungsstation unter einem Werkzeug durch Formschlußmittel ausgerichtet und gehalten. Es erfolgt also bei jedem Takt eine Art Selbstzentrierung des getakteten Werkstückhalters auf der entsprechenden Antriebsspindel.

Wie bereits erwähnt, sind Schwankungen oder Änderungen in der Verriegelungsposition einer jeden Spindelstation nicht wiederholbare Fehler und treten unvorhersehbar während des Maschinenbetriebes auf. Um daher derartige Schwankungen, Abweichungen oder Variationen kompensieren zu können, muß die tatsächliche oder momentane Spindelposition dynamisch gemessen werden. Frühere Werkzeugmaschinensysteme mit Mehrfachstationen, einschließlich Verbesserungen an herkömmlichen Mult-Au-Matic-Maschinen zeigen keine Möglichkeit, eine derartige Fehlermessung und Fehlerkompensation vorzusehen.

Es wäre von daher wünschenswert, eine Mehrfachstation-Werkzeugmaschine bereitzustellen, welche verbesserte Herstellungsgenauigkeit hat. Weiterhin wäre es wünschenswert, Verbesserungen an den bisher bekannten und weit verbreiteten Mult-Au-Matic-Werkzeugmaschinen bereitzustellen, welche eine derart verbesserte Herstellungsgenauigkeit ermöglichen, wo bei die Verbesserungen an einer bereits bestehenden Werkzeugmaschine nachträglich zurüstbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kompensieren oder Ausgleichen von Positionsänderungen einer Werkstück-Trägerspindel in einer Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine und eine hochgenaue Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine zu schaffen, welche feste und variable Spindelpositionsfehler in jeder Bearbeitungsstation kompensiert.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Werkzeugmaschine, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist, sowie durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 12 angegeben ist.

Erfindungsgemäß wird demnach eine Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine geschaffen mit: einer Basis; einer vertikalen Säule, welche sich von der Basis aus nach oben erstreckt; wobei die Werkzeugmaschine eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen jeweils mit einem Werkzeugschlitten aufweist; wobei weiterhin ein drehbarer Werktisch an der Basis gelagert ist, eine Mehrzahl von Werkstück-Trägerspindeln entlang des Werktisches beabstandet angeordnet ist und Einrichtungen zum schrittweisen Bewegen des Werktisches vorgesehen sind, um die Spindeln in aufeinanderfolgende Bearbeitungsstationen einzufahren, wobei eine oder mehrere Bearbeitungsstationen aufweist: eine Meßeinrichtung zum Messen der tatsächlichen Position einer jeder der Spindeln, welche in eine Position in der Bearbeitungsstation eingefahren werden und zum Erzeugen eines Ausgangssignales hiervon; und eine programmierbare Steuereinheit, welche auf das Spindelpositionssignal anspricht, um ein Verschiebungs-Korrektursignal dem Werkzeugschlitten der Bearbeitungsstation zuzuführen, um Positionsveränderungen der Spindel zu kompensieren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit eine Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine geschaffen, welche eine Vorrichtung zur Messung der tatsächlichen oder auch momentanen Spindelposition an einer oder mehreren Bearbeitungsstationen aufweist, sowie ein programmierbares Steuersystem zur Bereitstellung von Versetzungen oder Verschiebungen der Werkzeugpositionierbefehle, um sowohl variable als auch nicht variable Positions- oder Lagefehler zu kompensieren. Zusätzlich ist eine Spindelerkennungsvorrichtung hinzufügbar, um jede Spindel, die um einen Schritt zu einer bestimmten Bearbeitungsstation weitergefahren wurde, zu identifizieren und diese Spindelidentifikation dem programmierbaren Steuersystem zuzuführen.

Die Positionsmessvorrichtung beinhaltet eine selektiv betätigbare Messlehre oder ein Messgerät, welches die präzise Anordnung einer jeden Spindel oder Spindelstation mißt, wenn diese in Position zu der jeweiligen Bearbeitungsstation vorgerückt worden ist. In der bevorzugten Ausführungsform weist das Meßgerät einen hydraulisch betriebenen Arm auf, der in Kontakt mit einem Referenzpunkt auf dem Werktisch schwingt, der der momentan angefahrenen Spindel oder Spindelstation entspricht. Wenn die Beareitungsvorgänge an dieser Spindelstation abgeschlossen sind, schwingt der Arm zurück, so daß eine neue Spindelstation der jeweiligen Bearbeitungsstation zugeführt werden kann. Zusätzlich weist die Meßvorrichtung eine Meßsonde auf, welche ein Signal entsprechend der exakten Anordnung der Spindelstation ausgibt. Die Meßvorrichtung ist vorteilhafterweise in einer kompakten eigenständigen Einheit angeordnet, welche leicht zwischen dem drehbaren Werktisch und der Basis einer bereits bestehenden Maschine an einigen oder allen Bearbeitungsstationen installiert werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine herkömmliche Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine mit einer oder mehreren Endbearbeitungsstationen ausgestattet werden, welche eine hochgenaue Bearbeitung zulassen. Hierbei weist die Endbearbeitungsstation eine Meßvorrichtung zum Messen der tatsächlichen Position der Spindeln, ein in zwei Achsen unabhängig arbeitendes Werkzeugpositionierungssystem und ein CNC-programmierbares Steuersystem zur Steuerung der Werkzeugposition auf. Das Werkzeugpositionierungssystem spricht auf Werkzeug-Versatzbefehle an, welche von der CNC-Einheit erzeugt werden, um sowohl nicht variable als auch variable Spindelpositionsfehler zu kompensieren, welche von der Meßvorrichtung dynamisch gemessen werden. Im Gegensatz zu unabhängigen Werkzeugschlitten-Antriebsystemen nach dem Stand der Technik ist das unabhängige Positionierungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zugänglich unterhalb der Antriebsverteilerplattform einer herkömmlichen Mult-Au-Matic-Maschine anordenbar, so daß auch nachträgliche Installationen problemlos möglich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kompensieren oder Ausgleichen von Positionsänderungen einer Werkstück-Trägerspindel in einer Werkzeugmaschine mit einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen mit einem drehbaren Werktisch zum Tragen der Spindeln, einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen jeweils mit einer Werkzeugspindel, sowie mit einer oder mehreren Endbearbeitungsstationen umfaßt die folgenden Schritte: Messen der Anordnung der Spindel auf den Werktisch; Messen der Null-Referenz-Anordnung einer jeden Spindel in der Endbearbeitungsstation; Identifizieren einer jeden Spindel, welche momentan in der Endbearbeitungsstation angeordnet ist und erzeugen eines Identifikationssignal; Messen der tatsächlichen Anordnung der Spindel, welche momentan in der Endbearbeitungsstation ist und Bereitstellen eines Ausgangssignales hiervon; und Versetzen der Bewegung der Werkzeugschlitten in der Endbearbeitungsstation, um Veränderungen in der Anordnung der Spindel in der Bearbeitungsstation und die Abweichung der tatsächlichen Anordnung der Spindel von der Null-Referenz-Anordnung in der Endbearbeitungsstation zu kompensieren.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die vorliegende Erfindung samt weiterer Einzelheiten, hiervon wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:
1 einen vertikalen Längsschnitt durch eine Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine, welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 eine perspektivische Ansicht einer Spindelpositions-Meßeinheit;
3 eine Querschnittsdarstellung entlang Linie 3-3 in 1; und
4 eine Vertikalschnittdarstellung des unabhängigen Werkzeugsantriebssystem für eine Endbearbeitungsstation in der Werkzeugmaschine von 1.
1 zeigt eine Werkzeugmaschinenvorrichtung 10, welche im wesentlichen eine Basis 12 aufweist, von der sich eine vertikale Säule 14 aus nach oben erstreckt, die in eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen unterteilt ist, wobei jede Bearbeitungsstation Werkzeughalter oder Werkzeugschlitten 16 aufweist. Die Basis 12 trägt weiterhin einen drehbaren Werktisch oder Träger 18, der in eine Anzahl von Spindelstationen 20 unterteilt ist, von denen jede eine oder mehrere Werkstück-Trägerspindeln 22 aufweist.
Unter "Spindel" seien im Rahmen der vorliegenden Erfindung Werkstückeinspann- oder trägervorrichtungen aller Art, also beispielsweise sogenannte Dreibacken-Futter, Schnellspannfutter oder dergleichen verstanden.
Der allgemeine Aufbau der Werkzeugmaschine 10 entspricht im wesentlichen demjenigen gemäß den US-Patentschriften 2,947,188 und 4,351,096 von derselben Anmelderin wie der vorliegenden Erfindung; auf die dortigen Offenbarungsgehalte wird insofern vollinhaltlich Bezug genommen.
Bei einer herkömmlichen Mult-Au-Matic-Werkzeugmaschine ist ein einzelner primärer Antriebsmotor 24 vorgesehen, der Drehleistung oder Drehenergie für alle Schrittbewegungen, die Werkzeugschlittenpositionierungen und die Spindeldrehungen liefert. Der primäre Antriebsmotor 24 ist an einer Antriebsplattform 26 an der Oberseite der Werkzeugmaschine gelagert. Der Motor 24 ist über ein Winkelgetriebe 28 mit einer vertikalen Antriebswelle 30 verbunden. Die Antriebswelle 30 wiederum ist mit einem Antriebsverteilersystem 32 mit den einzelnen Antriebseinheiten (nicht dargestellt) für die Werkzeugschlitten 16 einer jeden Bearbeitungsstation der Werkzeugmaschine 10 verbunden. Das Verteilersystem 32 wird von einer Antriebsverteilerplattform 38 getragen, welche die Verteilerantriebe von dem Bearbeitungsbereich trennt. Eine Drehenergie für eine Schrittbewegung des Werktisches und für die Spindeldrehung wird von einer vertikalen Spindelübertragungswelle 34 geliefert, welche sich von dem Antriebsverteilersystem 32 zu der Basis 12 erstreckt.
Während einer schrittweisen Weiterbewegung des Werktisches trennt ein Synchronisationselement 35, welches in der Basis 12 angeordnet ist, den Spindelantriebsmechanismus 36 aus und kuppelt mit einem Arbeitstisch-Antriebsmechanismus (nicht dargestellt) ein, um die Spindeln 22 und somit die auf den Spindeln angeordneten Werkstücke zu einer neuen Bearbeitungsstation weiter zu bewegen. Nachfolgend wird der Spindelantriebsmechanismus 36 wieder eingekuppelt, um den Spindeln 22 Drehenergie für Bearbeitungsvorgänge zuzuführen. Auf ähnliche Weise wird die Bewegung der Werkzeugschlitten 16 entlang horizontaler und vertikaler Achsen von einer komplexen Anordnung von Getrieben und Kupplungen innerhalb des Antriebsverteilersystems 32 erzeugt. Das Antriebsverteilersystem wird ebenfalls von dem Primärmotor 24 über die Antriebswelle 30 angetrieben. Die Konstruktion und die Arbeitsweise des Antriebsverteilersystems einer herkömmlichen Mult-Au-Matic-Werkzeugmaschine ist noch genauer in den oben erwähnten US-Patenten beschrieben, so daß auf eine nochmalige detaillierte Beschreibung hiervon im Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung verzichtet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Fehlermeß- und Steuervorrichtung vorgesehen, um sowohl feste (d.h. bleibende, spindelinhärente Positionsfehler), als auch variable Positionsfehler der Spindel 22 in einer bestimmten Bearbeitungsstation zu kompensieren oder auszugleichen. Das Fehlerkompensationssystem umfaßt eine Spindelpositions-Meßeinheit 40 zur korrekten Bestimmung der tatsächlichen oder momentanen Lage einer jeden Spindel 22, welche in eine bestimmte Bearbeitungsstation eingefahren wurde. Weiterhin ist ein programmierbares Steuersystem 42 vorgesehen, um auf Spindelpositionssignale von der Meßeinheit 40 anzusprechen und einen Versatz oder eine Verschiebung an Werkzeugschlitten-Positionierbefehlen auf der Grundlage der Größe des Spindelpositionsfehlers zu erzeugen. Da die Spindelposition dynamisch gemessen wird, kann das System der vorliegenden Erfindung auch nicht wiederholbare oder sich zufällig wiederholende Änderungen oder Schwankungen in der Spindelposition kompensieren und schafft so einen hohen Genauigkeitsgrad in den Bearbeitungsvorgängen.
Die Meßeinheit 40 umfaßt im wesentlichen eine selektiv betätigbare Meßlehre oder ein Meßgerät, welche oder welches mittels Signalen von externen Steuereinheiten gesteuert werden kann. Wie am besten aus 2 hervorgeht, weist die Einheit 40 einen Schwenkarm 44 auf, der von einem Hydraulikzylinder 46 antreibbar ist. An einem Ende des Arms 44 ist eine Noppe 48 angebracht, die in Kontakt mit einem Referenzblock 50 an der Außenkante des Werktisches 18 geraten kann. Eine Führung 54 für den Arm 44 unterstützt eine weiche und gleichmäßige Bewegung des Arms 44, wenn sich dieser in Kontakt mit dem Referenzblock 50 bewegt. Der Referenzblock 50 entspricht einer ganz bestimmten Spindelstation 20, welche von dem Werktisch 18 getragen wird. Eine Meßsonde 58, die fest in der Einheit 40 angeordnet ist, mißt den Abstand zwischen der Sondenspitze und einem Sondenkontakt-Ausleger 56, der an der oberen Oberfläche des Arms 44 angeordnet ist. Der Abstand zwischen dem Sondenausleger 56 und der Spitze der Sonde 58 ist ein Äquivalent zu der Verriegelungsposition der Spindelstation 22 an derjenigen Bearbeitungsstation, welche von der Einheit 40 angefahren wird. Die Sonde 58 gibt ein Signal entsprechend des Meßabstandes aus.
Obgleich die Erfindung zur Verwendung mit einer Werkzeugmaschine dargestellt ist, welche eine Spindel pro Spindelstation hat, versteht sich, daß die Erfindung auch bei Werkzeugmaschinen zur Anwendung gelangen kann, welche zwei oder mehr Spindeln pro Spindelstation hat.
Die Meßeinheit 40 weist auch eine Vorrichtung zur Identifikation einer jeden Spindel 22 oder Spindelstation 20 auf, welche in diejenige Bearbeitungsstation eingefahren wurde, welche von der Einheit 40 abgetastet wird. Die Spindel-Identifikationsvorrichtung weist Binärkode-Schalter 64 auf, welche an der Innenkante der Einheit 40 angeordnet sind. Die Schalter 64 werden bei Vorhandensein entsprechender Binärkode-Kontaktknöpfe 68 betätigt, die in einem Binärkode-Block 66 an der Außenkante des Werktisches 18 jeder Spindelstation angeordnet sind. Die Ausgänge der Binärschalter 64 bilden zusammen eine binär kodierte Dezimalnummer, welche die Identifikationsnummer der jeweiligen Spindelstation darstellt. Daher identifiziert die Anzahl von Kontaktknöpfen 68 in jedem Binärkode-Block 66 jede Spindelstation 20 auf eindeutige Weise. Im dargestellten Ausführungs beispiel sind drei Binärkode-Knöpfe 68 vorhanden, was das binär kodierte Signal 111 darstellt und somit die Spindelstation mit der Nummer 7 identifiziert. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das programmierbare Steuersystem 42 ein mit einem Computer versehenes numerisches Steuersystem (CNC) auf, welches von üblicherweise erhältlicher Auslegung sein kann. Das binär kodierte Ausgangssignal von der Identifikationsvorrichtung kann von der CNC-Steuerung 42 als Teil ihrer digitalen Logikprogrammierung gemäß nachfolgender Beschreibung verwendet werden.
Die Arbeitsweise der Meßeinheit 40 zusammen mit dem Fehlerkorrektursystem der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 näher erläutert.
Beim Einfahren oder erstmaligen Einrichten der Maschine 10 werden zwei Referenz- und Kalibriermessungen für jede Spindel 22 und jede Spindelstation 20 der Werkzeugmaschine 10 vorgenommen. Zunächst wird die Lage oder Position einer jeden Spindel relativ zu der vertikalen Säule 14 in jeder Bearbeitungsstation mit den Fehlerkorrekturmöglichkeiten gemäß dieser Erfindung bestimmt. Diese Anordnung oder Ausrichtung sollte während der gesamten Lebensdauer der Werkzeugmaschine 10 konstant bleiben. Nachfolgend wird die Meßeinheit 40 verwendet, um die "Null-Referenz"-Messung einer jeden Spindelstation der Werkzeugmaschine zu machen. Die Null-Referenz ist die kalibrierte Anordnung des Referenzblockes 50 für jede Spindelstation 20 an der Bearbeitungsstation entlang der Drehrichtung des Werktisches 18. Diese beiden Referenzsignale werden in einem Speicher innerhalb der CNC-Steuerung 42 an Stellen entsprechend der Spindelstations-Identifizierung gespeichert.
Während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 wird eine Fehlermessung und Fehlerkorrektur koordiniert mit den Werkzeugmaschinen-Schrittvorgängen verwendet. Die Meßeinheit 40 weist vorteilhafterweise ein Schaltsystem zur Koordination ihrer Aktivitäten mit dem Betrieb der Werkzeugmaschine 10 auf. Das Schaltsystem umfaßt einen Schalter 60, mit dem der Werkzeugmaschine 10 ein Signal zuführbar ist, welches den momentanen Zustand des Arms 44 anzeigt. Weiterhin ist ein Magnetventil 62 vorgesehen, welches betrieblich mit der Werkzeugmaschine 10 verbunden ist. Das Ventil 62 steuert die Strömung von Hydraulikfluid zum Hydraulikzylinder 46 und steuert somit die Betätigung des Meßarms 44.
Nach Abschluß eines Bearbeitungsvorganges in einer Spindelstation 20 wird das Magnetventil 62 angesteuert, so daß Hydraulikfluid dem Hydraulikzylinder 46 zugeführt wird und der Arm 44 außer Kontakt mit dem Spindelstations-Referenzblock 50 zurückgezogen wird. Wenn sich der Arm 44 zurückzieht, gerät er in Kontakt mit einem Schalthebel 70 an dem Schalter 60. Die Bewegung des Hebels 70 öffnet den Schalter 60, was der Werkzeugmaschine anzeigt, daß nun der nächste Anfahrschritt für die nächste Spindelstation erfolgen kann. Der Werktisch 18 dreht sich daraufhin, so daß eine neue Spindelstation 20 in die Bearbeitungsstation eingefahren wird. Sobald die Spindelstation an Ort und Stelle verriegelt worden ist, wird das Magnetventil 62 wieder angesteuert, so daß der Hydraulikfluid-Fluß durch den Zylinder 46 umgekehrt wird und somit der Meßarm 44 in Kontakt mit dem Referenzblock 50 gefahren wird, wie in 3 gezeigt.
Nachdem der Arm 44 in Kontakt mit dem Referenzblock 50 gelangt ist, mißt die Sonde 58 den Abstand zwischen der Sondenspitze und dem Sondenkontakt-Ausleger 56. Wie bereits erwähnt, erzeugt diese Messung ein Ausgangssignal, welches in der bevorzugten Ausführungsform als digital kodiertes Signal zur direkten Verwendung mit dem CNC-System 42 geeignet ist. Gleichzeitig liest die CNC 42 die Binärkode-Schalter 64, um die Identifikationsaussage für die neue Spindelstation 20 zu erhalten. Die Spindelstations-Identifikation entspricht einem Versatz oder einer Verschiebung innerhalb einer Referenztabelle der CNC 42, wo die Kalibrier-Referenzsignale für die jeweilige Spindelstation hinterlegt sind. Die CNC 42 subtrahiert zunächst den Null-Referenz-Meßwert von der momentanen oder tatsächlichen Spindelstationsposition, welche von der Meßprobe 58 festgestellt wird. Der sich ergebende Positions- oder Lagefehler wird dann algebraisch zu der festen Veränderung der Spindellage hinzuaddiert, welche während des Einrichtens der Maschine gemessen wurde. Schließlich verwendet die CNC 42 diesen absoluten Positions- oder Lagefehler, um Werkzeugschlitten-Positionierbefehle entsprechend zu verschieben, so daß die Fehler während der Bearbeitung kompensiert oder ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Meßeinheit 40 ist kompakt und in einem einzigen Gehäuse unterbringbar, welches problemlos in bereits aufgestellten Werkzeugmaschinen nachträglich installiert werden kann. Wie am besten aus 3 ersichtlich, kann die Einheit 40 im Freiraum zwischen der Außenkante des Werktisches 18 und der Innenkante der Maschinenbasis 12 angeordnet werden. Weiterhin kann die Meßeinheit 40 unterhalb eines Spanabfallfängers 72 einer herkömmlichen Werkzeugmaschine 10 installiert werden, so daß die be weglichen Teile der Einheit 40 vor Beschädigungen geschützt sind, welche sonst durch das Eintreten kleiner Spanabfälle in das Innere der Einheit 40 verursacht werden könnten.
Gemäß eines weiterführenden Aspektes der vorliegenden Erfindung kann noch eine Endbearbeitungsstation für eine Drehschritwerkzeugmaschine vorgesehen werden, um komplexe hochgenaue Bearbeitungsvorgänge durchzuführen. Die Endbearbeitungsstation umfaßt voneinander unabhängige horizontale und vertikale Werkzeugpositionierschlitten 74 und 76, welche unter der Steuerung der CNC-Einheit 42 zusammen mit dem Fehlermeß- und Kompensationssystem gemäß obiger Beschreibung arbeiten. Sämtliche Motifikationen im Zusammenhang mit einer End- oder Feinbearbeitungsstation gemäß der vorliegenden Erfindung können mit geringem Kostenaufwand gemacht werden und sind geeignet zur nachträglichen Installation im bereits bestehenden Maschinen, um diese qualitätsmäßig aufzuwerten.
Im Gegensatz zu den Werkzeugschlitten in einer herkömmlichen Multi-Au-Matic-Werkzeugmaschine verwenden die Werkzeugschlitten in der modifizierten Endbearbeitungsstation ein unabhängiges Antriebssystem. Wie in 4 gezeigt, ist der vertikale Werkzeugschlitten 76 mit einer Gewindewelle 78 über eine Stellmutter 80 verbunden, so daß bei Drehung der Welle 78 eine Vertikalbewegung des vertikalen Werkzeugschlittens 76 erfolgt. Die Welle 78 wird von einem Servomotor 82 über Kegelzahnräder 84 und 86 angetrieben. Auf ähnliche Weise ist der horizontale Werkzeugschlitten 74 mit einer Gewindewelle 88 in Verbindung, welche über ein Übertragungssystem bestehend aus beispielsweise einem Zahnriemen 92 und einem Treibrad 94 mit einem Servomotor 90 verbunden ist. Sowohl der horizontale als auch der vertikale Werkzeugschlitten bewegen sich in den gleichen horizontalen und vertikalen Führungsschienen (nicht dargestellt) welche von den normalen, über das Verteilersystem 32 angetriebenen Werkzeugschlitten verwendet werden. Die Servomotoren 82 und 90 können von üblicher Auslegung sein; sie sollten jedoch in der Lage sein, Stellbefehle von der CNC-Einheit 42 zu empfangen und umzusetzen.
Bei der Verwendung zusammen mit dem Fehlermeßsystem der vorliegenden Erfindung kann die Endbearbeitungsstation einen noch höheren Grad der Herstellungsgenauigkeit erzeugen. Hierzu ist die Endbearbeitungsstation ebenfalls mit einer Spindelpositions-Meßeinheit 40 ausgestattet. Die CNC 42 empfängt Positionsfehlerinformationen von der Einheit 40 und berechnet Werkzeugpositionsverschiebungen, um Spindelpositionsfehler zu kompensieren, wie oben beschrieben. Als Ergebnis der Flexibilität durch die unabhängige Servomotorsteuerung für horizontale und vertikale Werkzeugbewegung können jedoch die Werkzeugpositions-Algorithmen der CNC 42 Spindelpositionsveränderungen oder -schwankungen noch leichter kompensieren oder ausgleichen.
Wie in 1 dargestellt, sind die Werkzeugschlitten für die Endbearbeitungsstation bevorzugt für eine leichte Installation angeordnet, um eine nachträglich Aufrüstung bereits bestehender Multi-Matic-Werkzeugmaschinen zu ermöglichen. Zunächst sind die Werkzeugschlitten und die Servomotoren wieder eine in sich geschlossene Einheit, wobei der horizontale Servomotor auf dem horizontalen Werkzeugschlitten selbst angeordnet wird. Zweitens ist die Werkzeugschlitteneinheit kompakt genug, um unterhalb der Antriebsverteilerplattform 38 der Werkzeug maschine 10 an einer sehr gut zugänglichen Stelle angeordnet zu werden. Dies vermeidet Installationsprobleme bei Multi-Au-Matic-Verbesserungen nach dem Stand der Technik, welche es notwendig machten, daß der vertikale Servomotor oberhalb der Plattform 38 zusammen mit der komplexen Anordnung in dem Antriebsverteilersystem 32 für die normalen Bearbeitungsstationen angeordnet werden muß.
Sehr komplexe Verarbeitungsvorgänge können an den Endbearbeitungsstationen, welche mit den Verbesserungen der vorliegenden Erfindung ausgestattet sind, durchgeführt werden. Da beispielsweise horizontale und vertikale Werkzeugschlittenbewegungen unabhängig voneinander steuerbar sind, können die Raten der Werkzeugzustellbewegungen entlang der beiden Achsen unabhängig voneinander variiert werden, um Konturierungsvorgänge an dem Werkstück vorzunehmen. Weiterhin erzeugen die Positions-Meßeinheit 40 und das CNC-System 42 flexible und dynamisch Fehlerkompensation derart, daß die Bearbeitungsvorgänge mit extrem engen Toleranzen durchgeführt werden können. Da Lageänderungen oder Lageschwankungen der Spindeln korrekt gemessen und durch Verwendung der Verbesserungen gemäß dieser Erfindung in Betracht gezogen werden, läßt sich eine derartige Präzision ohne die Notwendigkeit eines unabhängigen Spindelantriebssystems erreichen, so daß die mechanische Komplexität und die Kosten ganz erheblich verringert werden.
Insoweit zusammenfassend wurden somit Verbesserungen an Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschinen beschrieben. Bislang verwendeten derartige Werkzeugmaschinen eine Basis und eine hiervon aufrechtstehende vertikale Säule zur Aufnahme einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen, von denen jede mit zwei achsig verfahrbaren Werkzeugschlitten ausgestattet ist. Weiterhin trägt die Basis einen drehbaren Werktisch, der wiederum eine Anzahl von werkstückhaltenden Spindeln trägt. Wenn sich der Werktisch dreht, werden diese Spindeln schrittweise durch aufeinanderfolgende Bearbeitungsstationen geführt, wo eine Vielzahl von Bearbeitungsvorgängen durchgeführt wird. Erfindungsgemäß ist die Spindelpositions-Meßeinheit 40 vorgesehen, um die exakte Lage oder Anordnung einer jeden Spindel dynamisch zu messen, welche in die jeweilige Bearbeitungsstation eingefahren wurde. Das computergesteuerte Steuersystem 42 berechnet Spindelpositionsfehler auf der Grundlage der Positionsinformationen von der Meßeinheit 40 und verschiebt oder versetzt Werkzeugschlitten-Positionierbefehle, um diese Fehler auszugleichen. Im Ergebnis kompensiert die Steuereinheit 42 sowohl feste als auch variable Spindelpositionsveränderungen, so daß die Bearbeitungstoleranzen der Werkzeugmaschine 10 verbessert werden. Weiterhin kann noch eine hochgenau arbeitende Endbearbeitungsstation vorgesehen werden, welche ebenfalls Variationen der Spindelposition oder Spindellage mißt und kompensiert, wobei diese Messung und Kompensation in Kombination mit einer unabhängigen X- und Y-Achsen-Werkzeugschlittenpositionierung erfolgt. Das Werkzeugschlitten-Positioniersystem spricht auf CNC-Befehle für Geschwindigkeitssteuerung und Positionsversatz oder Positionsverschiebung aufgrund von Spindelfehlern an.

Claims

Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine mit: einer Basis (12); einer vertikalen Säule (14), welche sich von der Basis (12) aus nach oben erstreckt; wobei die Drehschrittwerkzeugmaschine (10) eine Mehrzahl von Bearbeitungsstationen jeweils mit einem Werkzeugschlitten (16) aufweist; wobei weiterhin ein drehbarer Werktisch (18) an der Basis (12) gelagert ist, eine Mehrzahl von Werkstück-Trägerspindeln (22) entlang des Werktisches (18) beabstandet angeordnet ist und Einrichtungen zum schrittweisen Bewegen des Werktisches (18) vorgesehen sind, um die Spindeln (22) in aufeinanderfolgende Bearbeitungsstationen einzufahren, wobei wenigstens eine Bearbeitungsstation aufweist: eine Meßeinrichtung (40) zum Messen der tatsächlichen Position einer jeden der Spindeln (22), welche in eine Position in der Bearbeitungsstation eingefahren werden und zum Erzeugen eines Ausgangssignales hiervon; und eine programmierbare Steuereinheit (42), welche auf das Spindelpositionssignal anspricht, um dem Werkzeugschlitten (16) der Bearbeitungsstation ein Verschiebungs-Korrektursignal zuzuführen, um Positionsveränderungen der Spindel (22) zu kompensieren.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 1, weiterhin mit Spindelerkennungseinrichtungen (64, 66, 68) zur eindeutigen Identifizierung jeder der Spindeln (22) in der jeweiligen Bearbeitungstation und zum Bereitstellen eines Ausgangssignales an die programmierbare Steuereinheit (42).
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meßeinrichtungeine (40) selektiv betätigbare Meßlehre aufweist zur Messung von Positionsveränderungen der Spindeln (22) in Richtung Drehung des Werktisches (18).
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 3, wobei die Meßlehre betätigt wird, um die Position einer jeden Spindel (22) zu messen, wenn die Spindel in die Bearbeitungsstation eingefahren wird.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Meßeinrichtung (40) weiterhin Schalteinrichtungen (60, 62) aufweist zum Zurückziehen der Meßlehre, wenn Bearbeitungsvorgänge an der Spindel (22) abgeschlossen sind und zum nachfolgenden Fortschreiten innerhalb der Drehschrittwerkzeugmaschine (10), wenn die Meßlehre voll zurückgezogen ist.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bearbeitungsstationen weiterhin einen Zweiachsen-Antriebsmechanismus für den Werkzeugschlitten (16) in den Bearbeitungsstationen aufweisen, wobei der Antriebsmechanismus unabhängig von einem primären Antriebsmechanismus (24) der verbleibenden Bearbeitungsstationen der Drehschrittwerkzeugmaschine (10) ist.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 6, wobei der Antriebsmechanismus separate Positioniermotoren (82, 90) für die X- und die Y-Achse beinhaltet.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin mit einer Antriebsverteilerplattform (38) an der Säule (14) zum Tragen des primären Antriebssystems (24) der verbleibenden Bearbeitungsstationen der Drehschrittwerkzeugmaschine (10), wobei die Positioniermotoren (82, 90) an der Säule (14) unterhalb der Antriebsverteilerplattform (38) angeordnet sind.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin mit Einrichtungen zum Messen einer festen Positionsveränderung und einer Null-Referenzposition einer jeder der Spindeln (22) entlang des Werktisches (18) zum Bereitstellen der Referenzposition an die programmierbare Steuereinheit (42).
Drehschrittwerkzeugmaschine nach Anspruch 9, wobei die programmierbare Steuereinheit (42) die Positionsänderungen einer jeden Spindel (22) durch Subtraktion der momentanen Spindelposition von der Null-Referenzspindelposition und durch Addition des Unterschiedes auf algebraischem Weg zu der festen Positionsänderung berechnet.
Drehschrittwerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die programmierbare Steuereinheit (42) ein computergesteuertes numerisches Steuersystem (CNC) aufweist.
Verfahren zum Kompensieren oder Ausgleichen von Positionsänderungen einer Werkstück-Trägerspindel (22) in einer Mehrfachspindel-Drehschrittwerkzeugmaschine mit einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen und mit: einem drehbaren Werktisch (18) zum Tragen der Spindeln (22), einer Mehrzahl von Bearbeitungsstationen jeweils mit einer Werkzeugspindel (22), sowie mit einer oder mehreren Endbearbeitungsstationen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Messen der Anordnung der Spindel (22) auf dem Werktisch (18); Messen der Null-Referenz-Anordnung einer jeden Spindel (22) in der Endbearbeitungsstation; Identifizieren einer jeden Spindel (22), welche momentan in der Endbearbeitungsstation angeordnet ist und erzeugen eines Identifikationssignals; Messen der tatsächlichen Anordnung der Spindel (22), welche momentan in der Endbearbeitungsstation ist und Bereitstellen eines Ausgangssignales hiervon; und Versetzen der Bewegung der Werkzeugschlitten (74, 76) in der Endbearbeitungsstation, um Veränderungen in der Anordnung der Spindel in der Bearbeitungsstation und die Abweichung der tatsächlichen Anordnung der Spindel von der Null-Referenz-Anordnung in der Endbearbeitungsstation zu kompensieren.