DE19800033B4 - Method for compensating temperature-dependent changes in position on machine tools and machine tools therefor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Kompensieren von temperaturabhängigen relativen Lageänderungen zwischen einem Werkstück (10) und einem Bearbeitungswerkzeug (9) an Werkzeugmaschinen mit einer Steuereinheit (19), die eine Recheneinheit (15) mit Speicherplätzen besitzt, und mit mindestens einer Längenmeßeinrichtung (12), sowie mit Mitteln zur Messung und übertragung von Temperaturwerten der Längenmeßeinrichtung (12) und des Werkstücks (10) auf die Steuereinheit (19), derart, daß durch die Steuereinheit (19) temperaturabhängige Lageänderungen von Bearbeitungswerkzeug (9) und Werkstück (10) kompensiert werden, wobei zu Beginn der Bearbeitung eine Oberflächentemperatur Twu des unbearbeiteten Werkstücks (10) gemessen wird, an mindestens einem späteren Meßzeitpunkt t1, t2, t3, .... tn im Bearbeitungsablauf eine Oberflächentemperatur Twb des bearbeiteten Werkstücks (10) gemessen wird und wobei sowohl aus Temperaturänderungen einer jeden Längenmeßeinrichtung (12) als auch aus Temperaturänderungen des Werkstücks (10) selbst durch die Temperaturmessungen Korrektursignale erzeugt und zu einer Sollmaßkorrektur auf von einer Bezugstemperatur abweichende Lageverhältnisse von einer Werkstückoberfläche (18) und dem Bearbeitungswerkzeug (9) verwendet werden.Method for compensating for temperature-dependent relative changes in position between a workpiece (10) and a processing tool (9) on machine tools with a control unit (19) which has a computing unit (15) with storage spaces, and with at least one length measuring device (12) and with means for measuring and transmitting temperature values of the length measuring device (12) and the workpiece (10) to the control unit (19), such that temperature-dependent changes in position of the machining tool (9) and workpiece (10) are compensated by the control unit (19), whereby to A surface temperature T wu of the unprocessed workpiece (10) is measured at the beginning of the machining, at least at a later measuring time t 1 , t 2 , t 3 , .... t n a surface temperature T wb of the machined workpiece (10) is measured in the machining sequence and whereby both from temperature changes of each length measuring device (12) and from Tempe temperature changes of the workpiece (10) itself generated by the temperature measurements, correction signals and used for a target dimension correction to position conditions of a workpiece surface (18) and the processing tool (9) deviating from a reference temperature.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren von temperaturabhängigen relativen Lageänderungen zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungswerkzeug an Werkzeugmaschinen und eine Werkzeugmaschine hierfür.The The invention relates to a method for compensating temperature-dependent relative changes in position between a workpiece and a machining tool on machine tools and a machine tool therefor.

Zur Kompensation von temperaturabhängigen Lage- und Längenänderungen und zur Normierung auf eine Bezugstemperatur Tbez von beispielsweise 20°C gilt der bekannte physikalische Zusammenhang:

Figure 00010001
wobei: Lbez = Länge bei der Bezugstemperatur,
LT = Länge bei der Temperatur "T"
d = Werkstoff-Ausdehnungskoeffizient,
ΔT = Abweichung der IST-Temperatur von der Bezugstemperatur.The known physical relationship applies to compensating for temperature-dependent changes in position and length and for standardizing to a reference temperature T bez of, for example, 20 ° C.
Figure 00010001
where: L bez = length at the reference temperature,
L T = length at temperature "T"
d = material expansion coefficient,
ΔT = deviation of the ACTUAL temperature from the reference temperature.

Die temperaturabhängige Längenänderung begrenzt meß- und regelungstechnisch realisierbare Toleranzen, insbesondere bei größeren Werkstücken und/oder bei von der Bezugstemperatur von beispielhaft 20°C abweichenden Temperaturen.The temperature-dependent change in length limited measurement and tolerances that can be implemented in terms of control technology, especially for larger workpieces and / or at temperatures deviating from the reference temperature of 20 ° C, for example.

Durch die DE 38 28 305 A1 ist es bekannt, Teile von Werkzeugmaschinen dadurch auf konstanter Temperatur zu halten, daß man sie mit einem Netz von Temperaturfühlern überzieht und mit thermostatisch geregelten Heiz- oder Kühlfluiden beaufschlagt. Zu diesem Zweck müssen jedoch in den betroffenen Bauteilen voneinander getrennte Fluidkanäle vorgesehen werden, denen einzeln regelbare Heiz- oder Kühleinrichtungen zugeordnet sind. Eine solche Lösung erfordert jedoch einen großen Bauaufwand und hat eine erhebliche Zeitkonstante. Die Werkstücktemperatur ist in die Regelkreise nicht einbezogen, bleibt also unberücksichtigt.Through the DE 38 28 305 A1 it is known to keep parts of machine tools at a constant temperature by covering them with a network of temperature sensors and applying thermostatically controlled heating or cooling fluids. For this purpose, however, separate fluid channels must be provided in the components concerned, to which individually controllable heating or cooling devices are assigned. However, such a solution requires a large amount of construction work and has a considerable time constant. The workpiece temperature is not included in the control loops and is therefore not taken into account.

Durch den Aufsatz "Gestaltung der Werkzeugmaschine und deren Elemente", veröffentlicht in "Industrie-Anzeiger", Essen, 30.07.1965, Seiten 1446 bis 1453, ist es gleichfalls bekannt, thermostatisch geregelte Kühl- und Schmiermittelkreisläufe vorzusehen, um einem Wärmeverzug von Maschinenteilen entgegenzuwirken (z.B. Bild 18). Es ist weiterhin angegeben, durch Temperatureinflüsse bedingte Verlagerungen während der Bearbeitung zu messen und als Korrekturwerte in die Steuerung einzugeben. Beispielhaft ist in einem Spindelkasten eine Invarstange vorgesehen, deren Relativbewegung gegenüber dem Spindelkasten auf eine Meßuhr mit einem Winkelgeber (Weggeber) übertragen wird. Dessen elektrisches Ausgangssignal wird der Steuerung zugeführt, so daß eine elektrische Kompensation von Verlagerungen an der Schnittstelle möglich ist (Bild 21 und zugehöriger Text auf Seite 1452). Die Invarstange als Längenmeßeinrichtung dient hierbei gewissermaßen über ihre Relativbewegung mittelbar als Temperaturfühler, ihre Temperatur selbst wird aber nicht gemessen. Die Werkstücktemperatur ist auch in diesem Falle nicht in den Regelkreis einbezogen, bleibt also gleichfalls unberücksichtigt.By the essay "Design the machine tool and its elements ", published in" Industrie-Anzeiger ", Essen, July 30, 1965, Pages 1446 to 1453, it is also known to be thermostatic regulated cooling and lubricant circuits to provide for heat distortion counteracting machine parts (e.g. Fig. 18). It is still specified by temperature influences contingent relocations during the Measure the machining and enter it into the control as correction values. An Invar rod is provided as an example in a headstock, their relative movement towards the headstock on a dial gauge is transmitted with an angle encoder (displacement encoder). Its electrical Output signal is fed to the controller, so that electrical compensation shifting at the interface is possible (Figure 21 and associated text on page 1452). The Invar rod serves as a length measuring device to some extent about their Relative movement indirectly as a temperature sensor, its temperature itself but is not measured. The workpiece temperature is also in this If not included in the control loop, it remains the same unconsidered.

Durch den Aufsatz von Pascher "Kompensation thermisch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen (Teil 1)", veröffentlicht in "HGF Kurzberichte im Industrie-Anzeiger" Nr. 75, 19.09.1984, Seiten 55/56, ist es gleichfalls bekannt, Maschinentemperaturen zu erfassen, die daraus resultierenden Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück zu berechnen und diese dann aktiv, bei NC-Maschinen beispielsweise mit Hilfe der NC-Steuerung, zu kompensieren (Seite 55, linke Spalte, Absatz 1; Seite 56, mittlere Spalte, Bild 4, und rechte Spalte, unter "Versuchsaufbau"). Die Werkstücktemperatur ist auch in diesem Falle nicht in den Regelkreis einbezogen, bleibt also gleichfalls unberücksichtigt.By the essay by Pascher "compensation thermally induced displacements on machine tools (part 1) ", published in "HGF Brief Reports in the industrial indicator "no. 75, 09/19/1984, pages 55/56, it is also known machine temperatures to grasp the resulting displacements between tools and workpiece to be calculated and then active, for example with NC machines using the NC control, to compensate (page 55, left column, Paragraph 1; Page 56, middle column, picture 4, and right column, under "Experiment setup"). The workpiece temperature is not included in the control loop in this case either, remains so also disregarded.

Durch die nächstkommende EP 0 555 796 A1 ist bei Werkzeugmaschinen vom Typ Fräsmaschinen eine Wärmedehnungs-Kompensationseinrichtung bekannt, bei der mittels dreier Temperaturfühler die Temperaturen von Maschinenständer, Schlitten und Bearbeitungskopf bestimmt werden, wobei der Temperaturfühler des Schlittens oberhalb einer vorderen Maßstabsaufhängung angeordnet ist und wobei durch den Temperaturfühler des Bearbeitungskopfes die Temperatur im Lagerbereich des Bearbeitungskopfes bestimmt wird. Durch eine Recheneinrichtung werden die Wärmeausdehnungen der genannten Komponenten bestimmt, und daraus wird ein Korrekturwert errechnet, der der Kompensationseinrichtung aufgeschaltet ist, um dadurch die Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs zur Einhaltung enger Toleranzen in Abhängigkeit vom Korrekturwert zu beeinflussen. Diese Eingriffe erfolgen aufgrund der Beobachtung, daß sich während des Betriebes infolge von Reibung an Lagern und Führungen, Reibung im Getriebe, Verlustwärme im Motor u. dgl. die einzelnen Komponenten durch Wärmeentwicklung ausdehnen, was sich negativ auf die Arbeitsgenauigkeit der Maschine auswirkt (Spalte 5, Zeilen 15 bis 23). Die Erfassung der Werkstücktemperatur selbst und die Berücksichtigung der Ausdehnung des Werkstücks ist ebensowenig beschrieben wie die Anordnung entsprechender Temperaturfühler für die Erfassung der Werkstücktemperaturen vor und während der Bearbeitung.By the next one EP 0 555 796 A1 For machine tools of the milling machine type, a thermal expansion compensation device is known, in which the temperatures of the machine stand, slide and machining head are determined by means of three temperature sensors, the temperature sensor of the slide being arranged above a front scale suspension, and the temperature in the storage area being determined by the temperature sensor of the machining head of the machining head is determined. The thermal expansions of the named components are determined by a computing device, and from this a correction value is calculated, which is applied to the compensation device in order to thereby To influence the movement of the machining tool to maintain close tolerances depending on the correction value. These interventions are based on the observation that during operation due to friction on bearings and guides, friction in the transmission, heat loss in the engine u. Like. The individual components expand by heat, which has a negative impact on the working accuracy of the machine (column 5, lines 15 to 23). The recording of the workpiece temperature itself and the consideration of the expansion of the workpiece is just as little described as the arrangement of appropriate temperature sensors for recording the workpiece temperatures before and during machining.

Durch den Aufsatz von Armbruster und Badur "Meßsteuerungen für CNC-Drehmaschinen" in "wt-Z. ind. Fertig.", 70 (1980), Seiten 511 bis 514, ist es bekannt, einen mehrstufigen Zerspanungsprozeß durch Drehen vor der letzten Bearbeitungsstufe, der Fertigbearbeitung, zu unterbrechen und die Temperatur des erwärmten Werkstücks vor dem Einlegen in das Spannfutter für die Fertigbearbeitung gegen einen federnden Temperaturfühler zu drücken, den Meßwert mit der Raumtemperatur zu vergleichen und die ermittelte Temperaturdifferenz, multipliziert mit dem Ausdehnungskoeffizienten einem Korrekturspeicher für die Bewegung des Werkzeugs aufzuschalten. Dadurch soll eine automatische Toleranzfeldverschiebung entsprechend der Temperatur von der Maschinensteuerung automatisch in die Werkzeugkorrektur übernommen werden. Zwar werden dadurch Zwischenlagerungen für die Abkühlung der Werkstücke vermieden, jedoch wird die Bearbeitungszeit durch das Aus- und Umspannen des Werkstücks und die Temperaturmessung verlängert. Außerdem verändert sich die Temperatur wieder während des Einspannens des Werkstücks. Die Messung der Temperatur des eingespannten Werkstücks während der Bearbeitung und die Wiederholung der Messung zur Bestimmung eines Beharrungszustandes der Werkstücktemperatur sind weder beschrieben, noch werden sie nahegelegt. Soweit eine Messung am eingespannten Werkstück beschrieben ist, handelt es sich um die Bestimmung der geometrischen Lage der Meßfläche.By the essay by Armbruster and Badur "measuring controls for CNC lathes "in" wt-Z. ind. Finished. ", 70 (1980), Seiten 511 to 514, it is known to go through a multi-stage machining process Turning before the last machining stage, the finishing machining, to interrupt and the temperature of the heated workpiece against insertion in the chuck for finishing a resilient temperature sensor to press the measured value to compare with the room temperature and the determined temperature difference, multiplied by the coefficient of expansion of a correction memory for the The movement of the tool. This is said to be automatic Tolerance field shift according to the temperature from the machine control are automatically adopted in the tool offset. To be sure thereby interim storage for the cooling of the workpieces avoided, however, the processing time is by unclamping and reclamping of the workpiece and extended the temperature measurement. Moreover changed the temperature again during clamping the workpiece. The measurement of the temperature of the clamped workpiece during the Editing and repeating the measurement to determine a Steady state of the workpiece temperature are not described, nor are they suggested. So far one Measurement on the clamped workpiece described, it is a matter of determining the geometric Location of the measuring surface.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kompensieren von temperaturabhängigen Lageänderungen an Werkzeugmaschinen und eine Werkzeugmaschine hierfür anzugeben, bei denen auch solche Lageänderungen zwischen Werkstück und Werkzeug berücksichtigt werden, die auf thermische Gestaltsänderungen des Werkstücks während der Bearbeitung selbst zurückzuführen sind.The The invention is therefore based on the object of a method for compensating of temperature dependent changes in position on machine tools and a machine tool for this purpose, where also such changes in position between workpiece and tool considered are due to thermal shape changes of the workpiece during the Processing itself.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruch 1 und bei der eingangs angegebenen Werkzeugmaschine durch die Merkmale des Patentanspruchs 5.The solution the task is carried out in the procedure specified above according to the invention the features of claim 1 and at the beginning Machine tool by the features of claim 5.

Durch den Erfindungsgegenstand wird die gestellte Aufgabe in vollem Umfange gelöst, d.h., es werden auch solche Lageänderungen zwischen Werkstück und Werkzeug berücksichtigt, die auf thermische Gestaltsänderungen des eingespannten Werkstücks selbst während der Bearbeitung zurück zu führen sind. Jedenfalls genügt diese Lösung für kleine und mittlere Werkstückgrößen und/oder bei ausreichend großen Toleranzfeldern, wenn angenommen werden kann, daß die durch Aufnahme der Bearbeitungsenergie gestiegene oder durch an das Kühlmittel abgegebene Wärme gesunkene Werkstücktemperatur sich einigermaßen gleichmäßig über das gesamte Werkstück ausgebreitet hat.By the object of the invention is the task in full solved, i.e. there will also be such changes in position between workpiece and tools are taken into account on thermal shape changes of the clamped workpiece even during processing back respectively are. In any case, it is enough this solution for little ones and average workpiece sizes and / or with sufficiently large ones Tolerance areas, if it can be assumed that the absorption of machining energy increased or due to the coolant emitted heat lower workpiece temperature to some extent evenly over that entire workpiece has spread.

Die Oberflächentemperatur Twb eines Werkstücks ergibt sich aus folgender allgemeinen Beziehung: Twb = f(E, O/V, c, t) wobei: E = Energietransfer-Menge im Prozeß,
O/V = Oberflächen:Volumen-Verhältnis,
c = Wärmekapazität des spezifischen Werkstoffs,
t = Prozeßzeit.
The surface temperature T wb of a workpiece results from the following general relationship: T wb = f (E, O / V, c, t) where: E = amount of energy transfer in the process,
O / V = surfaces: volume ratio,
c = heat capacity of the specific material,
t = process time.

Aus dieser lassen sich Aufheiz- oder Abkühlkurven für die Oberfläche eines Werkstücks bestimmen.Out This can be used for heating or cooling curves for the surface of a workpiece determine.

Restprobleme bleiben aber bei folgenden Werkstücken bestehen:residual problems but remain with the following workpieces:

  • a) mit großen Abmessungen, insbesondere großem Abstand zwischen dem Kern des Werkstücks bzw. dem "kalten" Ende und der Meß-Oberfläche,a) with large Dimensions, especially large Distance between the core of the workpiece or the "cold" end and the measuring surface,
  • b) mit unregelmäßigen Querschnitten,b) with irregular cross sections,
  • c) mit ungünstigem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen,c) with unfavorable relationship from surface to volume,
  • d) mit großem Werkstoff-Ausdehnungskoeffizienten "d",d) with large Material expansion coefficient "d",
  • e) mit schlechter Wärmeleitfähigkeit,e) with poor thermal conductivity,
  • f) bei großen Zerspanungsmengen pro Zeiteinheit,f) for large Machining quantities per unit of time,

Um mindestens eine dieser Fehlerquellen zusätzlich auszuschalten und noch kleinere Toleranzen einhalten zu können, wird daher im Zuge einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Werkstücktemperatur zu "gewichten", d.h. einen Temperaturwert zu ermitteln, durch dessen rechnerische Erfassung und entsprechender Steuerung der Maschine, die Toleranzen kleinstmöglich sind. Dies geschieht dadurch, daß zusätzlich zu Beginn der Bearbeitung die Oberflächentemperatur Twu des unbearbeiteten Werkstücks gemessen wird, an mindestens einem späteren Meßzeitpunkt t1, t2, t3, .... tn im Bearbeitungsablauf die Oberflächentemperatur Twb des bearbeiteten Werkstücks gemessen wird und daß hieraus eine gewichtete Werkstücktemperatur ΔTwg nach der Beziehung ΔTwg = (1 – X)·Twu + X·Twb – Bezugstemperatur (1)bestimmt wird, wobei "X" der prozeßabhängige Gewichtungsfaktor ist und 0 < X < 1 beträgt, und wobei hieraus nach der Beziehung

Figure 00060001
die Längenmaßkorrektur LTwg bestimmt und als Korrekturfaktor auf die Steuereinheit aufgeschaltet wird, wobei dw der Ausdehnungskoeffizient des Werkstücks, dm der Ausdehnungskoeffizient der Längenmeßeinrichtung und LTm die Länge der Längemeßeinrichtung bei der Temperatur Tm und ΔTm das Maß für die Temperaturänderung der Längenmeßeinrichtung ist.In order to additionally switch off at least one of these error sources and to be able to maintain even smaller tolerances, it is therefore proposed in the course of a further embodiment of the invention to "weight" the workpiece temperature, that is to say to determine a temperature value, by means of its computational recording and corresponding control of the machine which Tolerances are as small as possible. This is done by additionally measuring the surface temperature T wu of the unmachined workpiece at the beginning of the machining, and measuring the surface temperature T wb of the machined workpiece at least at a later measuring time t 1 , t 2 , t 3 , ... t n in the machining process and that this results in a weighted workpiece temperature ΔT wg according to the relationship .DELTA.T wg = (1 - X) * T wu + X · T wb - reference temperature (1) is determined, where "X" is the process-dependent weighting factor and is 0 <X <1, and from this according to the relationship
Figure 00060001
the length dimension correction L Twg is determined and applied as a correction factor to the control unit, where d w is the expansion coefficient of the workpiece, d m is the expansion coefficient of the length measuring device and L Tm is the length of the length measuring device at temperature T m and ΔT m is the measure for the temperature change of the length measuring device is.

Die erforderliche Software, deren Erstellung keine Schwierigkeiten bereitet, normiert einerseits die von Lbez (siehe die weiter oben angegebene Beziehung hierfür) abweichenden Längenmaße der Längemeßeinrichtungen, auf die Bezugstemperatur von beispielhaft 20°C, andererseits auch die Temperatur des Werkstücks nach der vorstehenden Beziehung. Dabei wird in der Regel vorausgesetzt, das das unbearbeitete, d.h. zur Bearbeitung angelieferte Werkstück über seinen gesamten Querschnitt die Temperatur Twu angenommen hat.The required software, the creation of which is not difficult, standardizes on the one hand the length dimensions of the length measuring devices which deviate from L bez (see the relationship given above for this), to the reference temperature of 20 ° C as an example, and on the other hand also the temperature of the workpiece according to the above relationship. It is generally assumed that the unprocessed workpiece, ie the workpiece that has been delivered for processing, has assumed the temperature T wu over its entire cross section.

Die Bestimmung des Gewichtungsfaktors "X" erfolgt in besonders einfacher Weise dadurch, daß zunächst anhand eines Musterwerkstücks eine werkstückspezifische und von den eine Temperaturänderung bewirkenden Bearbeitungsparametern beeinflußte Temperaturkurve K ermittelt und abgespeichert wird, die von der anfänglichen Oberflächentemperatur Twu des unbearbeiteten Werkstücks bis zu einer virtuellen Grenztemperatur Tg verläuft, daß dieser Temperaturkurve K eine äquidistant unterteilte Skala S für den Gewichtungsfaktor "X" zugeordnet wird, deren Nullpunkt X = 0 der anfänglichen Oberflächentemperatur Twu zugeordnet ist und deren Endpunkt X = 1 der Grenztemperatur Tg zugeordnet ist, daß ferner aus der Temperturkurve K zu mindestens einem Meßzeitpunkt t1, t2 mindestens ein Temperaturwert Twb1, Twb2 ermittelt und auf die Skala (S) herübergelotet wird und daß dort der mindestens eine Gewichtungsfaktor "X1", "X2" für die Rechenoperation nach Formel (1) bestimmt, abgespeichert und für alle weiteren Werkstücke der gleichen Art abgerufen und in der Recheneinheit (15) verwendet wird.The determination of the weighting factor "X" is carried out in a particularly simple manner in that a workpiece-specific temperature curve K, which is influenced by the machining parameters causing a temperature change, is first determined and stored on the basis of a sample workpiece and which ranges from the initial surface temperature T wu of the unprocessed workpiece to a virtual one Limit temperature T g runs that this temperature curve K is assigned an equidistantly divided scale S for the weighting factor "X", whose zero point X = 0 is assigned to the initial surface temperature T wu and whose end point X = 1 is assigned to the limit temperature T g , that further at least one temperature value T wb1 , T wb2 is determined from the temperature curve K at at least one measuring time t 1 , t 2 and plotted over to the scale (S) and that there the at least one weighting factor "X 1 ", "X 2 " for the arithmetic operation determined according to formula (1) stored and called up for all other workpieces of the same type and in the computing unit ( 15 ) is used.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist gemäß der weiteren Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß an dem mindestens einen Werkzeugschlitten

  • a) mindestens eine, parallel zu einer Zustellrichtung des Bearbeitungswerkzeugs ausgerichtete, einen Linearmaßstab aufweisenden Längenmeßeinrichtung mit einem Temperaturfühler für die Erfassung der Temperatur der Längemeßeinrichtung angeordnet ist, und
  • b) mindestens ein weiterer Temperaturfühler angeordnet ist, der zumindest vorübergehend mit dem Werkstück in Berührung bringbar ist, und daß die elektrischen Ausgänge der Temperaturfühler einer Recheneinheit für eine Temperaturbewertung und eine Zielmaßberechnung aus allen Temperaturmessungen aufgeschaltet sind, und daß der mindestens eine Ausgang der Recheneinheit der als CNC-Steuerung ausgebildeten Steuereinheit für die Zustellbewegungen des mindestens einen Werkzeugschlittens aufgeschaltet ist.
A particularly advantageous embodiment of the machine tool is characterized according to the further invention in that on the at least one tool slide
  • a) at least one length measuring device, which is aligned parallel to an infeed direction of the machining tool and has a linear scale, is arranged with a temperature sensor for detecting the temperature of the length measuring device, and
  • b) at least one further temperature sensor is arranged, which can be brought into contact with the workpiece at least temporarily, and that the electrical outputs of the temperature sensors of a computing unit for temperature evaluation and target dimension calculation are connected from all temperature measurements, and that the at least one output of the computing unit of the Control unit designed as a CNC control for the infeed movements of the at least one tool slide is connected.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise werden nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert.An embodiment of the subject of the invention and its mode of operation are described below with reference to 1 and 2 explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine perspektivische Frontalansicht einer als Schleifmaschine ausgeführten Werkzeugmaschine mit einem rotierbaren Maschinenwerkzeug, das als Schleifscheibe ausgeführt ist, sowie eine Meß- und Steuereinheit und 1 a front perspective view of a machine tool designed as a grinding machine with a rotatable machine tool, which is designed as a grinding wheel, and a measuring and control unit and

2 ein Diagramm zur Ermittlung des Gewichtungsfaktors "X". 2 a diagram for determining the weighting factor "X".

Die nachstehende Beschreibung bezieht sich beispielhaft auf eine Schleifmaschine.The The description below refers to an example of a grinding machine.

In 1 sind Teile einer Schleifmaschine 1 dargestellt, nämlich ein Ständer 2, an der eine Querführung 3 in Richtung des Doppelpfeils 4 horizontal beweglich angeordnet ist. Diese Querführung 3 trägt wiederum einen Schleifspindelschlitten 5, der in Richtung des Doppelpfeils 6 vertikal beweglich an der Querführung 3 gelagert ist. Der Schleifspindelschlitten 5 trägt einen Spindelmotor 7 mit einer Schleifscheibenspindel 8 und einem Bearbeitungswerkzeug 9, das als Schleifscheibe ausgeführt ist, die sich außer Eingriff mit einem Werkstück 10 befindet, das als Ring ausgeführt und um die Achse "A" drehbar ist. Das Werkstück 10 ist wiederum auf eine drehbare Aufspannvorrichtung 11a eines Werkstückträgers 11 aufgespannt.In 1 are parts of a grinding machine 1 shown, namely a stand 2 , on the transverse guide 3 in the direction of the double arrow 4 is horizontally movable. This lateral guidance 3 in turn carries a grinding spindle slide 5 that is in the direction of the double arrow 6 vertically movable on the cross guide 3 is stored. The grinding spindle slide 5 carries a spindle motor 7 with a grinding wheel spindle 8th and a machining tool 9 , which is designed as a grinding wheel that is out of engagement with a workpiece 10 located, which is designed as a ring and is rotatable about the axis "A". The workpiece 10 is in turn on a rotatable jig 11a a workpiece carrier 11 clamped.

Mittels des Bearbeitungswerkzeugs 9 (Schleifscheibe) ist sowohl eine Innen- als auch eine Außenbearbeitung sowie eine Bearbeitung der Werkstückoberfläche 18, hier der oberen Stirnfläche möglich, die im vorliegenden Fall die Meßfläche ist.Using the editing tool 9 (Grinding wheel) is both internal and external machining and machining of the workpiece surface 18 , here the upper end face possible, which is the measuring surface in the present case.

Zur Erfassung der Quer- oder Horizontalbewegung bzw. zur Positionsmeldung des Schleifspindelschlittens 5 dient eine Längenmeßeinrichtung 12, die einen Linearmaßstab 13 mit Skalenteilung und einer optischen Abtastung besitzt. Zur Erfassung der Temperatur des Linearmaßstabs 13 und damit zur rechnerischen Erfassung von dessen Längenänderungen dient ein erster Temperaturfühler 14, dessen Ausgangssignal einem Rechner 15 zur Temperaturbewertung und zur Zielmaßberechnung aufgeschaltet ist.For detecting the transverse or horizontal movement or for reporting the position of the grinding spindle slide 5 serves a length measuring device 12 that have a linear scale 13 with scale division and optical scanning. To measure the temperature of the linear scale 13 and thus a first temperature sensor is used for the mathematical recording of its changes in length 14 whose output signal is a computer 15 is activated for temperature evaluation and target dimension calculation.

Am Schleifspindelschlitten 5 ist ferner mittels einer Vertikalführung 16 ein vertikal verschiebbarer zweiter Temperaturfühler 17 angeordnet, der mit der Werkstückoberfläche 18 in Berührung bringbar ist und deren Temperatur erfaßt. Auch das Ausgangssignal dieses Temperaturfühler 17 ist dem Rechner 15 aufgeschaltet.On the grinding spindle slide 5 is also by means of a vertical guide 16 a vertically displaceable second temperature sensor 17 arranged with the workpiece surface 18 can be brought into contact and its temperature is recorded. Also the output signal of this temperature sensor 17 is the calculator 15 switched.

Zur Schleifmaschine 1 gehört eine Steuereinheit 19, die als CNC-Steuerung ausgeführt und mit dem Rechner 15 verbunden ist und die Speicherplätze, Eingabetasten und ein Display enthält, die jedoch nicht besonders dargestellt sind. Wie bereits weiter oben ausgeführt wurde, besitzt die Schleif maschine 1 weitere Positionsgeber für die relativen Lagen weiterer beweglicher Teile der Schleifmaschine 1. Auch deren Ausgangssignale werden der Steuereinheit 19 zugeführt, was durch die Pfeile P1 bis Pn angedeutet ist.To the grinding machine 1 belongs to a control unit 19 that run as CNC control and with the computer 15 is connected and contains the memory locations, input keys and a display, which, however, are not particularly shown. As already mentioned above, the grinding machine has 1 additional position sensors for the relative positions of other moving parts of the grinding machine 1 , Their output signals are also sent to the control unit 19 supplied, which is indicated by the arrows P 1 to P n .

Beispiel:Example:

Ein Ring aus dem Stahl 100Cr6 mit einer Anfangstemperatur von 19,0 °C, einem Außendurchmesser Da von 400(+0,2) mm, einem Innendurchmesser von 300(-0,2) mm und einer axialen Länge von 170 mm wird auf das Maß Da = 400(±0,0) mm heruntergeschliffen. Dieser Werkstoff hat einen Ausdehnungskoeffizienten dw von 11,5·10-6·K-1. Der zeitliche Ablauf des Prozesses war wie folgt:

Figure 00090001
A ring made of 100Cr6 steel with an initial temperature of 19.0 ° C, an outer diameter D a of 400 (+0.2) mm, an inner diameter of 300 (-0.2) mm and an axial length of 170 mm is opened the dimension D a = 400 (± 0.0) mm ground down. This material has an expansion coefficient d w of 11.5 · 10 -6 · K -1 . The timing of the process was as follows:
Figure 00090001

Anhand der 2 wird nun erläutert, wie der Gewichtungsfaktor "X" bestimmt wird: Auf der Abszisse ist die Prozeßzeit "t" mit den Meßzeitpunkten t0, t1 und t2 aufgetragen. Zugehörig sind die Temperaturen Twu, 20°C, Twb1 und Twb2 als Ordinatenwerte. Aus diesen Meßwerten läßt sich mit hinreichender Genauigkeit die Temperaturkurve "K" für das vorstehend beschriebene spezielle Werkstück 10 darstellen, die sich asymptotisch einem Grenzwert "Tg", der sogenannten Beharrungstemperatur nähert, bei der ein Gleichgewicht herrscht. In das Diagramm wird nun eine zweite Ordinate eingetragen, deren unterster Wert bei "Twu", der anfängliche Oberflächentemperatur, liegt. Dieser Wert entspricht "X" = 0. Der oberste Wert liegt bei der Grenz temperatur "Tg" und entspricht "X" = 1.Based on 2 it is now explained how the weighting factor "X" is determined: the process time "t" with the measurement times t 0 , t 1 and t 2 is plotted on the abscissa. The temperatures T wu , 20 ° C, T wb1 and T wb2 are associated as ordinate values. From these measured values, the temperature curve "K" for the special workpiece described above can be obtained with sufficient accuracy 10 represent that asymptotically approaches a limit value "T g ", the so-called steady-state temperature at which there is an equilibrium. A second ordinate is now entered in the diagram, the lowest value of which is "T wu ", the initial surface temperature. This value corresponds to "X" = 0. The highest value is at the limit temperature "T g " and corresponds to "X" = 1.

Die Strecke zwischen X = 0 und X = 1 wird nun äquidistant unterteilt, und die Ordinatenwerte für t0, t1 und t2, d.h., Twu, Twb1 und Twb2 werden nun lotrecht auf die zweite Ordinate von X = 0 bis X = 1 übertragen, woraus sich der entsprechende Gewichtungsfaktor "X" ergibt. Der vorstehend beschriebenen Fall gilt für den Vorgang des Erwärmens des Werkstücks durch Schleifenergie.The distance between X = 0 and X = 1 is now divided equidistantly, and the ordinate values for t 0 , t 1 and t 2 , ie, T wu , T wb1 and T wb2 are now perpendicular to the second ordinate from X = 0 to X = 1, which results in the corresponding weighting factor "X". The case described above applies to the process of heating the workpiece by grinding energy.

Vergleichsweise ergeben sich folgende Werte für die rechnerisch berücksichtigten Temperaturwerte:

Figure 00100001
In comparison, the following values result for the calculated temperature values:
Figure 00100001

Aus "X" ergeben sich folgende Maßkorrekturen in [μm] ohne und mit Gewichtung der Temperatur bei einem Enddurchmesser Da von 400(±0,0) mm:

Figure 00100002
"X" gives the following dimensional corrections in [μm] without and with weighting of the temperature at a final diameter D a of 400 (± 0.0) mm:
Figure 00100002

Die Methode läßt sich ohne weiteres auf andere Werkstückparameter, z.B. mit anderen Verhältnissen von Werkstückoberfläche:Volumen übertragen: X ^ O/V wobei "O" die Werkstückoberfläche und "V" das Volumen ist.The Method can be to other workpiece parameters, e.g. with other ratios of Workpiece surface: Transfer volume: X ^ O / V where "O" is the workpiece surface and "V" is the volume.

Die Temperaturkurve "K'" gilt für einen anderen Fall, bei dem das Werkstück 10 durch Verdunstungswärme gekühlt wird.The temperature curve "K '" applies to another case where the workpiece 10 is cooled by heat of evaporation.

11
Schleifmaschinegrinding machine
22
Ständerstand
33
Querführungwidth guide
44
Doppelpfeilsdouble arrow
55
SchleifspindelschlittenGrinding spindle slide
66
Doppelpfeilsdouble arrow
77
Spindelmotorspindle motor
88th
SchleifscheibenspindelGrinding wheel spindle
99
Bearbeitungswerkzeugprocessing tool
1010
Werkstückworkpiece
1111
WerkstückträgerWorkpiece carrier
11a11a
Aufspannvorrichtungjig
1212
Längenmeßeinrichtunglength measuring
1313
Linearmaßstablinear scale
1414
Temperaturfühlertemperature sensor
1515
Rechnercomputer
1616
Vertikalführungvertical guide
1717
Temperaturfühlertemperature sensor
1818
WerkstückoberflächeWorkpiece surface
1919
Steuereinheitcontrol unit
AA
Achseaxis
KK
Temperaturkurvetemperature curve
K'K '
Temperaturkurvetemperature curve
P1 bis Pn P1 to P n
Pfeilearrows
XX
Gewichtungsfaktorweighting factor

Claims (7)

Verfahren zum Kompensieren von temperaturabhängigen relativen Lageänderungen zwischen einem Werkstück (10) und einem Bearbeitungswerkzeug (9) an Werkzeugmaschinen mit einer Steuereinheit (19), die eine Recheneinheit (15) mit Speicherplätzen besitzt, und mit mindestens einer Längenmeßeinrichtung (12), sowie mit Mitteln zur Messung und übertragung von Temperaturwerten der Längenmeßeinrichtung (12) und des Werkstücks (10) auf die Steuereinheit (19), derart, daß durch die Steuereinheit (19) temperaturabhängige Lageänderungen von Bearbeitungswerkzeug (9) und Werkstück (10) kompensiert werden, wobei zu Beginn der Bearbeitung eine Oberflächentemperatur Twu des unbearbeiteten Werkstücks (10) gemessen wird, an mindestens einem späteren Meßzeitpunkt t1, t2, t3, .... tn im Bearbeitungsablauf eine Oberflächentemperatur Twb des bearbeiteten Werkstücks (10) gemessen wird und wobei sowohl aus Temperaturänderungen einer jeden Längenmeßeinrichtung (12) als auch aus Temperaturänderungen des Werkstücks (10) selbst durch die Temperaturmessungen Korrektursignale erzeugt und zu einer Sollmaßkorrektur auf von einer Bezugstemperatur abweichende Lageverhältnisse von einer Werkstückoberfläche (18) und dem Bearbeitungswerkzeug (9) verwendet werden.Method for compensating temperature-dependent relative changes in position between a workpiece ( 10 ) and a processing tool ( 9 ) on machine tools with a control unit ( 19 ), which is a computing unit ( 15 ) with storage spaces, and with at least one length measuring device ( 12 ), as well as with means for measuring and transmitting temperature values of the length measuring device ( 12 ) and the workpiece ( 10 ) on the control unit ( 19 ), such that the control unit ( 19 ) temperature-dependent changes in position of the processing tool ( 9 ) and workpiece ( 10 ) can be compensated, at the beginning processing a surface temperature T wu of the unprocessed workpiece ( 10 ) is measured, at least at a later measuring time t 1 , t 2 , t 3 , .... t n in the machining process, a surface temperature T wb of the machined workpiece ( 10 ) is measured and both from temperature changes of each length measuring device ( 12 ) as well as changes in the temperature of the workpiece ( 10 ) Correction signals are generated by the temperature measurements themselves and are used to correct the target dimension to the position of a workpiece surface that deviates from a reference temperature ( 18 ) and the editing tool ( 9 ) be used. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung an Schleifmaschinen (1) mit einer Schleifscheibe als Bearbeitungswerkzeug (9)A method according to claim 1, characterized by the use on grinding machines ( 1 ) with a grinding wheel as a processing tool ( 9 ) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung kleiner Toleranzen zusätzlich aus den gemessenen Temperaturwerten eine gewichtete Werkstücktemperatur ΔTwg nach der Beziehung (1) ΔTwg = (1 – X)·Twu + X·Twb – Bezugstemperatur bestimmt wird, wobei "X" der prozeßabhängige Gewichtungsfaktor ist und 0 < X < 1 beträgt, und daß hieraus nach der Beziehung
Figure 00140001
eine Längenmaßkorrektur LTwg bestimmt und als Korrekturfaktor auf die Steuereinheit (19) aufgeschaltet wird, wobei dw der Ausdehnungskoeffizient des Werkstücks (10), dm der Ausdehnungskoeffizient der Längenmeßeinrichtung (12) und LTm die Länge der Längemeßeinrichtung (12) bei der Temperatur Tm und ΔTm das Maß für die Temperaturänderung der Längenmeßeinrichtung (12) ist.
Method according to Claim 1, characterized in that, in order to maintain small tolerances, a weighted workpiece temperature ΔT wg according to the relationship is additionally obtained from the measured temperature values (1) ΔT wg = (1 - X) * T wu + X · T wb - reference temperature is determined, where "X" is the process-dependent weighting factor and 0 <X <1, and from this according to the relationship
Figure 00140001
a length correction L Twg is determined and applied to the control unit as a correction factor ( 19 ) is activated, where d w is the expansion coefficient of the workpiece ( 10 ), dm is the coefficient of expansion of the length measuring device ( 12 ) and L Tm the length of the length measuring device ( 12 ) at temperature T m and ΔT m the measure for the temperature change of the length measuring device ( 12 ) is.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Gewichtungsfaktors "X" zunächst anhand eines Musterwerkstücks (10) eine werkstückspezifische und von den eine Temperaturänderung bewirkenden Bearbeitungsparametern beeinflußte Temperaturkurve (K) ermittelt und abgespeichert wird, die von der anfänglichen Oberflächentemperatur Twu des unbearbeiteten Werkstücks (10) bis zu einer virtuellen Grenztemperatur Tg verläuft, daß dieser Temperaturkurve (K) eine äquidistant unterteilte Skala (S) für den Gewichtungsfaktor "X" zugeordnet wird, deren Nullpunkt X = 0 der anfänglichen Oberflächentemperatur Twu zugeordnet ist und deren Endpunkt X = 1 der Grenztemperatur Tg zugeordnet ist, daß ferner aus der Temperaturkurve (K) zu mindestens einem Meßzeitpunkt t1, t2 mindestens eine Oberflächentemperatur Twb1, Twb2 ermittelt und auf die Skala (S) herübergelotet wird und daß dort der mindestens eine Gewichtungsfaktor "X1", "X2" für die Rechenoperation nach Formel (1) bestimmt, abgespeichert und für alle weiteren Werkstücke (10) der gleichen Art abgerufen und in der Recheneinheit (15) verwendet wird.Method according to Claim 3, characterized in that, in order to determine the weighting factor "X", first using a sample workpiece ( 10 ) a workpiece-specific temperature curve (K) which is influenced by the machining parameters causing a temperature change is determined and stored, which is based on the initial surface temperature T wu of the unprocessed workpiece ( 10 ) runs up to a virtual limit temperature T g that this temperature curve (K) is assigned an equidistantly divided scale (S) for the weighting factor "X", whose zero point X = 0 is assigned to the initial surface temperature T wu and whose end point X = 1 the limit temperature T g is associated with the fact that at least one surface temperature T wb1 , T wb2 is also determined from the temperature curve (K) at at least one measurement point in time t 1 , t 2 and plotted over the scale (S) and that there the at least one weighting factor " X 1 "," X 2 "determined for the arithmetic operation according to formula (1), saved and for all other workpieces ( 10 ) of the same type and in the computing unit ( 15 ) is used. Werkzeugmaschine mit einer Steuereinheit (19), die eine Recheneinheit (15) mit Speicherplätzen besitzt, zum Kompensieren von temperaturabhängigen relativen Lageänderungen zwischen einem Werkstück (10) mit einer Werkstückoberfläche (18) und mit einem Bearbeitungswerkzeug (9) mit mindestens einem an einem gegenüber einem Ständer (2) und dem Werkstück (10) beweglichen Werkzeugschlitten (5) angeordneten Bearbeitungswerkzeug (9), und mit mindestens einer Längenmeßeinrichtung (12), sowie mit mindestens einem Temperaturfühler (17), der mit der Werkstückoberfläche (18) in Berührung bringbar ist, sowie mit Mitteln zur übertragung von temperaturabhängigen Längenänderungen der Längenmeßeinrichtung (12) und von Temperaturen der Werkstückoberfläche (18) auf die Steuereinheit (19), wobei sowohl einer jeden Längenmeßeinrichtung (12) als auch dem Werkstück (10) selbst mindestens je ein Temperaturfühler (14, 17) zugeordnet ist, durch den Temperaturmessungen mit elektrischem Ausgangssignal erzeugbar sind, und daß die Recheneinheit (15) und die Steuereinheit (19) in der Weise geschaltet sind, daß aus den Temperaturmessungen an der mindestens einen Längemeßeinrichtung (12) und aus mindestens zwei gemessenen Temperaturwerten Twu, t1, t2, t3, .... tn der Werkstückoberfläche (18) zu Beginn und während des Bearbeitungsablaufs elektrische Korrektursignale erzeugbar sind, die zur Sollmaßkorrektur auf die von einer Bezugstemperatur abweichenden Lageverhältnisse von Werkstückoberfläche (18) und Bearbeitungswerkzeug (9) verwendbar sind.Machine tool with a control unit ( 19 ), which is a computing unit ( 15 ) with memory locations to compensate for temperature-dependent relative changes in position between a workpiece ( 10 ) with a workpiece surface ( 18 ) and with a processing tool ( 9 ) with at least one on one opposite a stand ( 2 ) and the workpiece ( 10 ) movable tool slide ( 5 ) arranged processing tool ( 9 ), and with at least one length measuring device ( 12 ), as well as with at least one temperature sensor ( 17 ) with the workpiece surface ( 18 ) can be brought into contact, as well as with means for transmitting temperature-dependent changes in length of the length measuring device ( 12 ) and temperatures of the workpiece surface ( 18 ) on the control unit ( 19 ), both of each length measuring device ( 12 ) as well as the workpiece ( 10 ) at least one temperature sensor each ( 14 . 17 ) is assigned, by means of which temperature measurements with an electrical output signal can be generated, and that the computing unit ( 15 ) and the control unit ( 19 ) are switched in such a way that from the temperature measurements on the at least one length measuring device ( 12 ) and from at least two measured temperature values T wu , t 1 , t 2 , t 3 , .... t n of the workpiece surface ( 18 ) electrical correction signals can be generated at the beginning and during the machining process, which are used to correct the target dimensions to the positional conditions of the workpiece surface that deviate from a reference temperature ( 18 ) and editing tool ( 9 ) can be used. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5 , gekennzeichnet durch die Ausbildung als Schleifmaschine mit einer Schleifscheibe als Bearbeitungswerkzeug (9).Machine tool according to claim 5, characterized by the design as a grinding machine with a grinding wheel as a processing tool ( 9 ). Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem mindestens einen Werkzeugschlitten (5) a) mindestens eine, parallel zu einer Zustellrichtung des Bearbeitungswerkzeugs (9) ausgerichtete, einen Linearmaßstab (13) aufweisende Längenmeßeinrichtung (12) mit einem Temperaturfühler (14) für die Erfassung der Temperatur der Längemeßeinrichtung (12) angeordnet ist, und b) mindestens ein weiterer Temperaturfühler (17) angeordnet ist, der zumindest vorübergehend mit dem Werkstück (10) in Berührung bring bar ist, und daß die elektrischen Ausgänge der Temperaturfühler (14, 17) einer Recheneinheit (15) für eine Temperaturbewertung und eine Zielmaßberechnung aus allen Temperaturmessungen aufgeschaltet sind, und daß der mindestens eine Ausgang der Recheneinheit (15) der als CNC-Steuerung ausgebildeten Steuereinheit (15) für die Zustellbewegungen des mindestens einen Werkzeugschlittens (5) aufgeschaltet ist.Machine tool according to claim 5, characterized in that on the at least one tool slide ( 5 ) a) at least one, parallel to an infeed direction of the processing tool ( 9 ) aligned, a linear scale ( 13 ) having length measuring device ( 12 ) with a temperature sensor ( 14 ) for recording the temperature of the length measuring device ( 12 ) is arranged, and b) at least one further temperature sensor ( 17 ) is arranged, which at least temporarily with the workpiece ( 10 ) can be brought into contact and that the electrical outputs of the temperature sensors ( 14 . 17 ) a computing unit ( 15 ) for a temperature evaluation and target dimension calculation from all temperature measurements, and that the at least one output of the computing unit ( 15 ) the control unit designed as a CNC control ( 15 ) for the infeed movements of the at least one tool slide ( 5 ) is activated.
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