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.
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: 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. 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
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
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:
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:
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
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 (
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) 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
Es zeigen:It demonstrate:
Die nachstehende Beschreibung bezieht sich beispielhaft auf eine Schleifmaschine.The The description below refers to an example of a grinding machine.
In
Mittels
des Bearbeitungswerkzeugs
Zur
Erfassung der Quer- oder Horizontalbewegung bzw. zur Positionsmeldung
des Schleifspindelschlittens
Am
Schleifspindelschlitten
Zur
Schleifmaschine
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: 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:
Anhand
der
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: In comparison, the following values result for the calculated temperature values:
Aus "X" ergeben sich folgende Maßkorrekturen in [μm] ohne und mit Gewichtung der Temperatur bei einem Enddurchmesser Da von 400(±0,0) mm: "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:
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
- 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
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