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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bezugsma3-stabs für
numerisch gesteuerte Werkzeug- und Meßmaschinen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Bezugsmaßstabs für numerisch gesteuerte derkzeug- und Neßmaschinen.
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Um ein Bearbeitungswerkzeug einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
genau an einer vorgesehenen Position eine3 Werkstücks einzustellen oder die position
eine Meßkopfes ode Gerätes einer Meßmaschine zu bestimmen, wird im aLlgemeinen ein
von einem Bezugs maßstab beeinflußtes Ru'ckkopplungs- oder Nachlaufsystem verwendet.
In einem System, in dem z.B. das Werkstück ortsfest gehalten und die Position der
Mitte eines rotierenden Werkzeuges durch dreidimensionale X-, Y- und Z- Koordinaten
festgelegt wird, werden lineare Bezugsmaßstäbe oder Zahnstangen einem bewegbaren
Teil oder einem mit diesem zusammenarbeitenden Pührungsteil befestigt, wobei sich
die Maßstäbe oder Zahnstangen in den Richtungen s(Längsrichtung), Y(vertikale Richtung)
und Z (vor und zurück) erstrecken. Die Strecke, über die das bewegbare Teil tatsächlich
bewegt worden ist, oder eine Position, die das bewegbare Teil tatsächlich einnimmt,
wird in absoluten Werten der Koordinaten abgegeben, und die abgegebenen Werte werden
in etner -teuervorrichtung zurückgekoppelt. Ferner werden die abgogebenen Werte
mit einem Befehlswert für die Bewegung oder mit absoluten Koordinatenwerten verglichen,
und der Unterschied dieser werte wird so verstärkt, daß das bewegbare Teil durch
einen Servomotor in einer Richtung angetrieben wird , daß der Unterschied zwischen
dem Befehlswert und dem tatsächlichen Wert,
auf Null verringert
wird. Dieses System ist bekannt, und nach diesem System ist es möglich, das bewegbare
Teil gemäß dem Befehlswert richtig zu positionieren. In digital gesteuerten Werkzeugmaschinen
und dergleichen von großer Leistung ist dieses System jedoch nicht zufriedenstellend.
Dies hat seine Ursache darin, daß in großen Maschinen notwendigerweise lange Maßstäbe
bzw. Meßskalen verwendet werden, die dadurch hergestellt werden, daß man zahlreiche
kürzere Bezugsmaßstäbe miteinander vereinigt. Diese langen Maßstäbe oder Meßskaiexl
enthalten wiederum Fehler, die bei ihrer Vereisigug oder Befestigung an der Maschine
verursacht werden. Da ferner der Abstand zwischen der Mitte des Bearbeitungswerkzeuges
und des Bezugsmaßsabes oder der Maßstäbe groß ist, und zwar auch dann, wenn das
bewegbare Teil in bezug auf den Maßstab oder die Meßskala richtig positioniert ist,
kann auf Grund einer Deformation des Werkzeugmaschinenrahmens infolge Erwärmung
oder des Rahmengewichts ohne Herstellungsfehler der Fall eintreten, daß die Mitte
des Werkzeuges nicht richtig in bezug auf die entfernt angeordnete Meßskala positioniert
ist. Diese Möglichkeit besteht, obwohl es in einer manuell betätigten Werkzeugmaschine
üblich ist, die Genauigkeit der Bearbeitung eines Werkstückes nachzumessen, während
es auf der Maschine befestigt ist und Pehler durch Nachbearbeitung sofort zu korrigieren.
Der Zweck der numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine besteht nun darin, dieses Messen
und diese Berichtigung zu eliminieren. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden,
die Position eines bearbeitexten Teils durch irgendeine automatische Vorrichtung
direkt abzumessen bzw. zu bestimmen, bis heute gibt es jedoch auf dem Markt keine
zufriedenstellende Vorrichtung für diesen Zweck.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bezugsmaßstabes oder einer Meßskala zwecks
genauer Positionierung des Bearbeitungswerkzeuges einer Werkzeugmaschine oder Ermittlung
der Position des Meßkopfes einer Meßmaschine anzugeben.
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Mit dem neuen Verfahren und der Vorrichtung soll ferner ein langer
nahtloser Maßstab herstellbar sein, der zur Verwendung in großen Werkzeugmaschinen
oder Meßmaschinen geeignet ist. Es ist auch beabsichtigt, einen neuen und verbesserten
Maßstab oder eine Meßskala zu schaffen, der unabhängig von Herstellungsfehlern an
den Bauteilen der Maschine ein Bearbeitungswerkzeug in einer richtigen Position
einstellen kann Das Verfahren zur Herstellung eines Bezugsmaßstabes oder einer Bezugs-Meßskala
für eine Werkzeugmaschine oder eine Meßmaschine mit einer numerisch gesteuerten
Positionier- oder Position-Anzeigevorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß ein Rohling eines Maßstabes an der Maschine befestigt wird, daß das Bewegungsausmaß
eines bewegbaren Teils der Maschine mittels einer Laserstrahl-Längenmeßvorrichtung
gemessen wird und der Rohling gemäß dem gemessenen Bewegungsausmaß magnetisch mit
der Meßeinteilung versehen wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Herstellung eines Bezugsmaßstabes oder einer Meßskala für eine Werkzeugmaschine
oder eine Meßmaschine von der Art geschaffen, die eine numerisch gesteuerte Positionier-oder
Positionanzeigevorrichtung enthält. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein
bewegbares Teil, das in einer bestimmten Position eingestellt ist und in einer vorbestimmten
Richtung bewegt wird, einen Maßstabs-Rohling, der an der Maschine befestigt ist,
einen Laserstrahl-Längenmeßkopf, der so positioniert ist, daß er auf das bewegbare
Teil einen Laserstrahl übertragen und von diesem empfangen kann, um jedesmal ein
elektrisches Signal zu erzeugen, wenn das bewegbare Teil einer vorbestimmten Strecke
bewegt wird, und durch einen Magnetkopf, der das Signal auf dem Rohling als Meßeinteilung
magnetisch aufzeichnet, wodurch eine Meßskala gebildet wird.
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Im Falle einer Werkzeugmaschine besteht das bewegbare rneil aus einem
Reflexionsspiegel, der an der Maschine an dem Platz ihres Bearbeitungswerkzeuges
befestigt ist. Wie auf dem einschlägigen Gebiet bekannt ist, vermag die Laserstrahl-Längeneßvorrichtung
große Längen mit einer sehr hohen Genauigkeit abzumessen, und die Meßskala wird
magnetisch so gradiert, daß der Bezugsmaßstab gemäß der Erfindung äußerst genau
ist und einfach hergestellt werden kann.
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Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich
beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden
Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen
können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Bohrmaschine gemäß der Erfindungsschicht.
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Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung;
Fig. 3 ein Modell eines einreihigen magnetischen Maßstabs und Fig. 4 ein Modell
eines mehrreihigen magnetischen Maßstabs.
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Die in Pig. 1 gezeigte Bohrmaschine weist ein horizontales Bett 1,
einen Schlitten 2, welcher auf dem horizontalen Bett i in X-Richtung verschiebbar
gelagert ist, eine auf den Schlitten 2 befestigte Säule 4 und einen Kopf 7 auf,
der durch vertikale Führungsflächen 5 der Säule 4 geführt ist und sich in der vertikalen
Richtung oder Y-Richtung bewegt.
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Der Kopf 7 enthält einen Kolben 8, der nach vorne und hinten oder
in Z-Richtung bewegbar ist. Eine Drehspindel 9 befindet sich in dem Kolben 8 und
ist in der gleichen Richtung wie der Kolben, d.h. in Z-Richtung verschiebbar. Normaler
Weise ist an dem äußeren Ende der Drehspindel 9 ein geeignetes Schneidwerkzeug befestigt,
das verschi.edeiae spanabhebende Arbeitsvorgänge
ausführen kann.
Im Ausführungsbeispiel ist jedoch das Schneidwerkzeug durch einen Reflexionspiegel
10 einer Laæntrahl-Längenmeßvorrichtung ersetzt. Bei der Laserstrahl - Längenme--v-orrichtung
handeLt es sich um eine des Interferenztyps. Es wird nun angenommen, daß der Reflexionsspiegel
in einer Höhe Y-15 und in einer vorgezogenen Stellung Z-16 (der Z -Achse) positioniert
ist und schrittweise in Richtung des Teiles 11 entlang der X-Achse bewegt wird.
Ein Fühler 17 ist in der Bewegungsbahn des Mittelpunktes des jteflexionsspiegels
10 positioniert. Dieser Fühler strahlt LaserLicht aus und misst Moirestreifen genau
in der gleichen Weise, wie eine bekannte Laserstrahl -LängenmeSvorrichtung des Interferenztyps.
ser Fühler 17 enthält einen Arm 18, der in Z-Hichtungverschoben werden kann, sowie
ein FUhrungsstückl9,das in Richtung verschoben werden kann und eine Säule 20, die
das Führungsstück führt. Die Säule 20 ist über eine Grundplatte 21 an einer Anreißplatte
6 befestigt.
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Die Anreißplatte dient zur Abstützung eines nicht gezeigten Werkstücks.
Wenngleich die Lasersfrah1-ängenme ßvorrichtung des Interferenztyps aus irgendeiner
bekannten Ausführung, bestehen kann, macht die Erfindung jedoch Gebrauch von ihrer
Eigenschaft, größere Strecken zwischen zwei weitauseinanderliegenden Punkten mit
sehr hoher Genauigkeit abzumessen, wenn man einen Vergleich mit einer herkömmlichen
Meßvorrichtung zieht, z.B. einem Maßstab. An der einen Seitenfläche des Bettes 1
sind ein Rohling eines elektromagnetischen Bezugsmaßstabs 26 und ein magnetischer
Meßskalen-Aufzeichnungs-und Lesekopf 25 vorgesehen, welcher zur Messung der Positionen
entlang der horizontalen X-Richtung benutzt werden. Ähnliche Vorrichtungen sind
auch in der Y- und Richtung vorgesehen. Diese Positionen-Meßvorrichtungen unterscheiden
sich jedoch von den Bezugsmaßstäben bekannter numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen
des Nachlaufs- oder Rückkopplungstyps insbesondere dadurch, daß der Maßstab 26 keine
vorhermarkiertenMeßeinteilungen aufweist.
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Der Meßfehler der Laserstrahl-Längenmeßvorrichtungen des Interferenztyps,
die zur Zeit auf dem Markt erhältlich sind, beträgt
weniger als
0,001 mm pro Meter für eine Meßlänge von mehr als 12 m . Ferner sind diese Vorrichtungen
so konstruiert, dap jedes Mal , an einer Zählschaltung 53 der Meßvorrichtung die
Läng3bewegung des Reflexionsspiegels 10 entlang dem Bett über eine genau vorbestimmte
Strecke zählt, ein Signal erzeugt wird, das über ein Kabel dem magnetischen Aufzeichnungs-oder
Gradierkopf 25 zugeführt wird. Der Kopf 25 vermag den Maßstabsrohling 26 magnetisch
zu graduieren oder mit Teilstrichen zu versehen, und die Teilstriche bzw. Meßeinheiten
auf diesem abzulesen.
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Jedes Mal, wenn der Reflexionsspiegel 10 über eine vorbestimmte Strecke
bewegt wird, wird demzufolge ein magnetischer Teilstrich auf den magnetischen Maßstab
aufgezeichnet, und eine leichte Schwingbewegung, wie z.B. eine Neigung oder Seitenbewegung
der Säule oder Spindel infolge von Herstellungsfehlern an der Maschine führt zu
Teilstrichen oder Maßteilungen, die ungleiche Abstände haben.Wenn demzufolge solche
Maßteilungen mit ungleichen Abständen abgelesen werden, um den Reflexionsspiegel
10 zu positionieren, erfolgt die Positionierung des Reflexionsspiegels mit der gleichen
Genauigkeit wie der Meßge-Genauigkeit der Lasetrahl-Längenmeßvorrichtung des Interferenztyps.
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Es wird nun auf Pig. 2 Bezug genommen, die ein Blockschaltbild zeigt,
das das Prinzip der Arbeitsweisen einer Laserstrahl -Längenmeßvorrichtung Interferenztyps
und einer magnetischen Gradiervorrichtung erläutert, wenn der Reflexionsspiegel
10 gemäß Fig. 2 nach links oder rechts bewegt wird. Die Länge der optischen Bahn,
durch die der vom Fühler 17 ausgestrahlte Las -strahl gegen den Reflexionsspiegel
läuft und anschließend zum Fühler 17 zurückreflektiert wird, wird verändert. Diese
Veränderung der optischen Bahn wird durch eine bekannte Vorrichtung gemeßen, die
die Zahl der Moire streifen zählt,welche durch die Interferenz des Lasentrahls ausgebildet
werden. Die Signale vom Fühler 17 werden der. Zählschaltung 53 zugeführt, um jedes
Mal, wenn eine bestimmte Zahl von Signalen vom Fühler gezählt worden ist, ein Signal
durch eine Torschaltung 54
zu erzeugen. Das Signal von der Torschaltung
wird dem magnetischen Gradier- oder Teilkopf 25 über einen Verstärker 55 zugeführt,
um den magnetischen Maßstab 26 mit Teilstrichen zu versehen. In der gleichen Weise
werden auch die Bewegungen eines Reflexionsspiegels 50 in vertikaler Richtung oder
entlang der Y-Achse mittels eines Brechungsspiegels 51 und eines zweiten Fühlers
17a graduiert. Die Bewegungen des Reflexionsspiegels entlang der Z-Achse werden
ebenfalls in der gleichen Weise graduiert. Die auf diese Weise hergestellten magnetischen
Maßstäbe dienen als Bezugsmaßstäbe, die eine richtige Positionierung eines Reflexionsspiegels
oder eines Schrieidewerkzeuges gewährleisten, welches an einem bestimmten Punkt
in der Y-Z-Ebene positioniert ist und in der X-Richtung bewegt wird, sodaß, wenn
die Position eines Punktes in der Y-Z-Ebene sich erheblich verändert, in gewissen
Fällen diese Maßstäbe nicht länger wirksam sind. Die Fig. 3 zeigt einen einzigen
Schreibkopf 60 und einen einzigen magnetischen Bezugsmaßstab oder eine Meßskala,
wohingegen Pig. 4 zahlreiche Schreibköpfe 70 und zahlreiche magnetische Bezugsmaßstäbe
71 veranschaulicht, deren Zahl der Zahl der Köpfe entspricht. Diese Maßstäbe oder
Meßskalen 71 werden als Bezugsmaßstäbe für die Bewegungen eines Werkzeugs benutzt,
das in einer von zahlreichen Positionen in der Y-Z-Ebene eingestellt ist und in
X-Richtung bewegt wird. Da es leicht möglich ist, die magnetischen Teilstriche dieser
magnetischen Maßskalen oder Maßstäbe zu löschen, kann man die Maßstäbe ohne weiteres
wieder mit Teil strichen versehen, sobald die Genauigkeit der Werkzeugmaschine schwankt.
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Der Bezugsmaßstab oder die Bezugsmeßskala gemäß der Erfindung ist
frei von Pehlern, die durch eine ungenaue Befestigung eines herkömmlichen Maßstabs
verursacht werden könnten, und er kann aus einem einzigen, kontinuierlichen oder
nahtlosen Maßstab auf einem kontinuierlichen Teil oder vereinigten Maßstabsteilen
asgeb;%ldet ein, deren Länge der Meßgrenze der bekannte ten $aserstrahl-LEngenmeßvorxichtumg
6ntSpriCh'b. Dadurch wird eine richtige Positionierung des Werkzeuges über eine
große Länge
hinweg gewährleistet. Wenn die magnetischen Teilstriche
in bezug auf die Mittelachse des Werkzeuges der Werkzeugmaschine aufgezeichnet werden,
beeinträchtigen Herstellungsfehler an den Bauteilen der Werkzeugmaschine nicht die
richtige Positionierung des Werkzeuges, wenn dieses entlang einer der X-,Y- und
Z-Achsen bewegt wird.
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Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, daß der Maßstab z.B.
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mit einer magnetischen Tinte graduiert oder mit Teilstrichen versehen
wird.