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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine
zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit
einer Bearbeitungseinheit und/oder einem Werkstücktisch und mit einer Positionskorrektureinrichtung
für die
Bearbeitungseinheit bzw. den Werkstücktisch.
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Eine derartige Werkzeugmaschine ist
zum Beispiel durch die
DE
196 07 599 A1 bekanntgeworden.
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Um bei dieser bekannten Werkzeugmaschine
Bearbeitungsungenauigkeiten aufgrund thermisch bedingter Positionsänderungen
von Werkstück und/oder
Werkzeug im Arbeitsbereich des Werkzeuges zu vermeiden, sind ortsfeste
optische Meßschranken
vorgesehen, durch die Werkstück
und Werkzeug gleichzeitig oder kurz nacheinander bewegt werden.
Die so erfaßten
Positionen werden mit abgespeicherten Positionen aus früheren Messungen
verglichen, und die Differenz zwischen erfaßter und früher gemessener Position wird
zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet. Das heißt, das Werkzeug
oder Werkstück
wird nicht mechanisch auf den Sollwert zurückbewegt, sondern die Positionsänderung
wird durch eine entsprechende Korrektur der Sollwerte der Maschinensteuerung
berücksichtigt. Außerdem ist
eine dynamische Positionskorrektur während der Bearbeitung eines
Werkstücks
nicht möglich.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der
Erfindung, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, daß bei
einer festgestellten Positionsänderung
die Bearbeitungseinheit und/oder der Werkstücktisch möglichst schnell mechanisch
in ihre jeweilige Sollposition bewegt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß als
Positionskorrektureinrichtung, insbesondere für eine Arbeitsspindel der Bearbeitungseinheit,
mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches (piezokeramisches)
Stellelement vorgesehen ist.
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Piezoelektrische Stellelemente (Aktuatoren), mit
denen sich heute Dehnungen von bis zu ca. 300 Ìm erreichen lassen, weisen
sehr hohe Steifigkeiten und insbesondere sehr kurze Stellzeiten
(kleiner als 1 Ìs)
auf. In Werkzeugmaschinen können
sie sowohl auf der Werkzeug- als auch auf der Werkstückseite eingesetzt
werden z.B.:
- – zum Ausgleich von thermischen
Verformungen und Verlagerungen;
- – zum
Ausgleich von geometrischen Positionsfehlern (z.B. der Werkstücke);
- – zum
Ausgleich von Verformungen und Verlagerungen aufgrund wirkender
Kräfte;
- – zum
Ausgleich von Werkzeugmaßschwankungen
(z.B. Werkzeuglängenkorrektur,
insbesondere eine relative Werkzeuglängenkorrektur bei mehrspindligen
Systemen);
- – zur
aktiven Schwingungstilgung.
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So können z.B. die Arbeitsspindeln
von Werkzeugmaschinen, insbesondere von mehrspindligen, mit Hilfe
von piezoelektrischen Stellelementen räumlich verschiebbar an die
Werkzeugmaschine angekoppelt werden. Damit ist eine, den Freiheitsgraden
der konventionellen Maschinenachsen überlagerte räumliche
Bewegung der bzw. jeder einzelnen Arbeitsspindel möglich. Der
Maschinenständer,
z.B. eine Schlitteneinheit, mit der Arbeitsspindel führt die vom
Steuerprogramm vorgegebenen Achsbewegungen durch, während eine
Arbeitsspindel zusätzlich überlagerte
Kompensationsbewegungen für
eine Positionskorrektur ausführen
kann. Diese erfindungsgemäße piezoelektrische
Positionskorrektureinrichtung kann sowohl bei konventionellen Arbeitsspindeln
als auch bei Motorspindeln und Mehrspindelbohrköpfen eingesetzt werden.
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Zum Abgleich von Positionsfehlern
zwischen Werkzeug und Werkstück,
die aufgrund der oben genannten Einflüsse entstehen, kann die Arbeitsspindel entweder
mittels vorgegebener Parameter in eine Sollposition gesteuert werden,
oder es wird mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises die Werkzeug- bzw.
Arbeitsspindelposition an die Werkstück- bzw. Sollposition angepaßt. Die
Ermittlung der Soll/Ist-Abweichung kann mittels mechanischer, optischer,
kapazitiver oder induktiver Meßaufnehmer
oder Taster erfolgt. Der Maßabgleich
kann dabei sowohl an den zu bearbeitenden Werkstücken als auch an dem Werkzeug
erfolgen.
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Die festgestellte Abweichung wird
dann in mehreren Regelschritten z.B. durch das Verschieben der Arbeitsspindel
auf ihre Sollposition minimiert. Bei der gesteuerten Vorgehensweise
wird die Arbeitsspindel anhand von im Vorfeld ermittelter maschinen-,
werkzeug- oder vorrichtungstypischer Parameter in ihre exakte Sollposition
gesteuert. Dabei können
sich diese Parameter auch variabel am jeweiligen Maschinenzustand
orientieren (Temperatur, Bearbeitungskraft usw.).
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Bei bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung verläuft
die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements
etwa in Richtung eines linearen Freiheitgrades der Bearbeitungseinheit
bzw. des Werkstücktisches,
d.h. in Richtung der konventionellen Maschinenachsen X, Y oder Z. Neben
thermisch bedingten Verlagerungen können so Werkzeugmaßschwankungen,
z.B. die Werkzeuglänge
oder Werkzeugeinstellmaße,
verändert werden.
Dies ermöglicht
insbesondere bei mehrspindligen Systemen, bei denen ansonsten eine Kompensation
ihrer Arbeitsspindeln in Achsrichtung (Z-Richtung) zueinander nicht
möglich
ist, einen individuellen und separaten Abgleich jeder einzelnen
Arbeitsspindel in Z-Richtung.
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In vorteilhafter Weiterbildung dieser
Ausführungsform
kann jedem linearen Freiheitsgrad der Bearbeitungseinheit bzw. des
Werkstücktisches
jeweils mindestens ein piezoelektrisches Stellelement zugeordnet
sein. Durch diese Maßnahme
kann jede beliebige räumliche
Positionskorrektur z.B. der Arbeitsspindel(n) vorgenommen werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung verläuft
die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements
etwa radial zu einem linearen Freiheitsgrad der Bearbeitungseinheit bzw.
des Werkstücktisches.
Diese Ausführungsform hat
den wesentlichen Vorteil, daß z.B.
eine Arbeitsspindel über
das mindestens eine piezoelektrische Stellelement aus ihrer zu einem
linearen Freiheitsgrad (Z-Richtung)
parallelen Lage bewegt, insbesondere parallelverschoben oder auch
verkippt werden kann.
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Dazu kann die Bearbeitungseinheit
bzw. der Werkstücktisch
in einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform über eine durch mindestens zwei,
vorzugsweise mindestens drei piezoelektrische Stellelemente gebildete
Mehrpunkthalterung räumlich
verstellbar gelagert sein. Die Stellelemente sind dabei in gleichen
Winkelabständen
an der Bearbeitungseinheit bzw. dem Werkstücktisch vorzusehen.
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Ferner ist es bei dieser Weiterbildung
besonders von Vorteil, wenn die Bearbeitungseinheit bzw. der Werkstücktisch über mindestens
zwei in Richtung des linearen Freiheitsgrades hintereinander angeordnete
Mehrpunkthalterungen räumlich
verstellbar gelagert ist. Mit zwei Mehrpunkthalterungen, z.B. mit je
drei unter 120 angeordneten Stellelementen in zwei Radialebenen,
läßt sich
eine Arbeitsspindel in den durch die drei Stellelemente aufgespannten
Radialebenen ra dial verstellen, und zwar entweder zur Spindelachse
parallelverschieben oder aber sphärisch verstellen. Im letzteren
Fall ändert
sich die Achsrichtung der Arbeitsspindel bzw. des darin eingespannten
Werkstücks.
Durch die sphärische
Verstellbarkeit der Arbeitsspindel können auch Taumelfehler der
Arbeitsspindel ausgeglichen werden. Ebenso wird es dadurch möglich, genauigkeitsbedingte,
geometrische Abweichungen der Werkzeugmaschine sowie Fehler aufgrund
der Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur auszugleichen.
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Je nach Position des Massenmittelpunkts
einer verfahrbaren Bearbeitungseinheit, insbesondere ihrer Schlitteneinheit,
bei der Bearbeitung ändern sich
die auf ihre Führung
wirkenden Kräfte
bzw. Belastung. Damit ergeben sich abhängig von der jeweiligen Position
des Schlittens Geometrieabweichungen. Schlimmstenfalls kann diese
Belastung zu einem Abkippen des Schlittens führen. Um auch solche von der
Position des Schlittens abhängigen,
jeweils unterschiedlichen Kräfte
ausgleichen zu können, kann
das mindestens eine piezoelektrische Stellelement erfindungsgemäß an der
einem linearen Freiheitsgrad zugeordneten Führung der Bearbeitungseinheit
bzw. des Werkstücktisches
vorgesehen sein. So können
bei vertikalen Bearbeitungseinheiten, um z.B. Nachgiebigkeiten ihres
X-Schlittens auszugleichen, Stellelemente unter den Führungsschuhen
der Führungen
montiert werden. Damit kann die nicht konstante Steifigkeit des
X-Schlittens in Abhängigkeit seiner
jeweiligen Y-Position kompensiert werden.
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Bei bevorzugten weiteren Ausführungsformen
ist der Abstand zwischen zwei Bearbeitungseinheiten, insbesondere
zwischen ihren Arbeitsspindeln, oder zwischen zwei Werkstücktischen
der Werkzeugmaschine über
das mindestens eine piezoelektrische Stellelement veränderbar.
Im einfachsten Fall ist das Stellelement zwischen den beiden Arbeitsspindeln
z.B. in einer Trennfuge vorgesehen, um den Spindelabstand durch
Aufweiten der Trennfuge zu verstellen.
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Auch Schwingungen der Werkzeugmaschine,
die im allgemeinen in einem Frequenzbereich von ca. 10-20 Hz liegen,
können
zu Positionsungenauigkeiten und zu Verlagerungen führen. Daher
ist es von besonderem Vorteil, wenn mindestens ein die Bearbeitungseinheit
bzw. den Werkstücktisch
höhenverstellbar
lagerndes piezoelektrisches Element zur Kompensation solcher Schwingungen
(aktive Schwingungstilgung) vorgesehen ist. Dazu wird die Bewegung
der Werkzeugmaschine mit geeigneten Schwingungsmeßelementen
erfaßt,
verrechnet und als Wegkompensationswerte an die Stellelemente gegeben.
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Zur Ermittlung der Soll/Ist-Abweichung
auf der Werkzeug- oder
Werkstückseite
kann ein z.B. mechanischer, optischer, kapazitiver oder induktiver Meßfühler vorgesehen
sein, der eine Verlagerung der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches unmittelbar
oder einen die Verlagerung bestimmenden Parameter als Fühlgröße für das Ansteuern
des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements erfaßt. Die
erstgenannten Parameter eignen sich insbesondere für eine Regelung
des Stellelements, während
es sich bei den zweitgenannten Parametern um maschinen-, werkzeug-
oder vorrichtungstypische Parameter wie z.B. Temperatur oder Bearbeitungskraft
usw. handelt, deren Kennlinien bereits im Vorfeld ermittelt werden
und dann zur Steuerung in die exakte Sollpositionen dienen können. In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann als Meßfühler das mindestens eine piezoelektrisches
Element selbst vorgesehen sein.
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Bei einer dynamischen Positionskorrektur der
Arbeitsspindel während
der Bearbeitung eines Werkstücks
kann die Arbeitsspindel durch das Stellelement nicht nur räumlich verstellt,
sondern in dieser verstellten Position auch fortwährend gehalten
werden. Es ist aber auch möglich,
die Arbeitsspindel in ihrer durch das Stellelement räumlich verstellten Lage
durch eine separate Halteeinrichtung zu halten. Bei dieser Halteeinrichtung
kann es sich z.B. um Klemmelemente handeln, die sich möglichst
elektrisch ansteuern lassen. Insbesondere können als Klemmelemente auch
piezoelektrische Elemente verwendet werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die
vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln
für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als
abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung. Die Erfindung ist in den Figuren schematisch dargestellt,
so daß die
wesentlichen Merkmale der Erfindung gut zu erkennen ist. Die Darstellungen
sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu
verstehen.
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Es zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
mit zwei vertikalen Bearbeitungseinheiten in perspektivischer Ansicht;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer horizontalen Arbeitsspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
wobei die Arbeitsspindel in Z-Richtung verschiebbar gelagert ist;
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3 ein
anderes Ausführungsbeispiel
einer horizontalen Arbeitsspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
wobei die Arbeitsspindel radial zur Z-Richtung verschiebbar gelagert
ist; und
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4 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
in einer Seitenansicht.
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Die in 1 gezeigte
Werkzeugmaschine 1 umfaßt ein Maschinenuntergestell
in Form eines Bodenträgers 2 sowie
zwei Bearbeitungseinheiten 3, deren vertikale Arbeitsspindeln 4 mittels
einer Schlitteneinheit in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar geführt sind.
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Dazu umfaßt die Schlitteneinheit einen X-Schlitten 5,
der in horizontalen Führungen 6 des Bodenträgers 2 in
X-Richtung verschiebbar geführt ist.
Am X-Schlitten 5 sind horizontale Führungen 7 für einen
die beiden Bearbeitungseinheiten 3 tragenden Y-Schlitten 8 vorgesehen.
Jede Bearbeitungseinheit 3 weist einen pinolenartigen Z-Schlitten
(nicht dargestellt) mit der Arbeitsspindel 4 auf, so daß diese
auch in Z-Richtung verfahrbar ist.
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Die beiden Bearbeitungseinheiten 3,
die durch einen gemeinsamen Gehäuseblock 9 gebildet sind,
sind in X-Richtung durch eine nach vorne offene Trennfuge 10 beabstandet,
in der sich oben und unten jeweils ein in X-Richtung wirkendes piezo elektrisches
Stellelemente 11 befindet. Durch entsprechende elektrische
Ansteuerung der Stellelemente 11 kann die Trennfuge 10 geweitet
und so der Abstand ΔX
zwischen beiden Arbeitsspindeln 4 bzw. zwischen den darin
befindlichen Werkzeugen 12 geändert werden.
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Die in 2 gezeigte
Arbeitsspindel 20 ist von drei in Z-Richtung wirkenden
piezoelektrischen Stellelemente 21 umgeben, die in gleichen
Winkelabständen
um die Längsachse 22 der
Arbeitsspindel 20 verteilt angeordnet sind. Die piezoelektrischen
Stellelemente 21 sind einenends an dem Lager 23 der
Arbeitsspindel 20 angebracht und anderenends an dem pinolenartigen
Z-Schlitten (nicht dargestellt) abgestützt. Indem alle drei piezoelektrischen
Stellelemente 21 für
die gleiche Längenänderung Δz elektrisch angesteuert
werden, läßt sich
die Arbeitsspindel 20 bzw. ihr Werkzeug 24 entsprechend
in Z-Richtung in ihrer Länge
um den Betrag Δz
verstellen. Bei unterschiedlicher Längen-Ansteuerung der drei piezoelektrischen
Stellelemente 21 läßt sich
die Arbeitsspindel 20 bzw. das Werkzeug 24 aus
ihrer ursprünglichen mit
22 bezeichneten Lage heraus beliebig verkippen.
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Um die in 3 gezeigte Arbeitsspindel 30 sind
außen
am Umfang ihres Lagers 31 vorne und hinten jeweils drei
radial zur Längsrichtung 32 der
Arbeitsspindel 30 wirkende piezoelektrische Stellelemente 33 angeordnet,
die anderenends an einem Gehäuse
(nicht dargestellt) abgestützt
sind. Jedes Lager 31 ist durch seine drei, jeweils um 120
verteilt angeordneten piezoelektrischen Stellelemente 32 in einer
3-Punkt-Lagerung 34 gehalten. Durch entsprechende elektrische
Längen-Ansteuerung
aller piezoelektrischer Stellelemente 33 der beiden 3-Punkt-Lagerung 34 läßt sich
die Arbeitsspindel 20 bzw. ihr Werkzeug 35 entweder
aus der mit 32 be zeichneten Lage um einen Betrag Δr parallel
verschieben oder aber verkippen. Durch die sphärische Verstellbarkeit können z.B.
Taumelfehler der Arbeitsspindel 30 ausgeglichen werden.
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Bei der in 4 gezeigten Werkzeugmaschine 40 sind
zwischen dem Bodenträger 41 und
den Führungen 42 für die in 1 beschriebene Schlitteneinheit
sowie einem Werkstücktisch 43 piezoelektrische
Stellelemente 44 angeordnet, die in Y-Richtung wirken.
Auf dem Werkstücktisch 43 befinden sich
die mit dem Werkzeug 45 in der Arbeitsspindel 46 zu
bearbeitenden Werkstücke.
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Durch entsprechend schnelle Längenansteuerung ΔY der Stellelemente 44 läßt sich
die Übertragung
von Schwingungen des Bodenträgers 41 auf
das Werkzeug dämpfen
bzw. eliminieren. Je nach Position des Massenmittelpunkts des verfahrbaren
Schlitteneinheit ändern
sich die auf die Führung 42 wirkenden
Kräfte,
die zu Geometrieabweichungen führen
können.
Mit den unter den Führungen 42 vorgesehenen
Stellelementen 44 können
z.B. Nachgiebigkeiten der Schlitteneinheit ausgeglichen und so die
nicht konstante Steifigkeit der Schlitteneinheit in Abhängigkeit
ihrer jeweiligen Position kompensiert werden.
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Bei einer Werkzeugmaschine (1)
zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit
einer Bearbeitungseinheit (3) ist als Positionskorrektureinrichtung,
insbesondere für
eine Arbeitsspindel (4) der Bearbeitungseinheit (3),
mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches Stellelement
(11) vorgesehen. Bei einer festgestellten Positionsänderung
kann die Bearbeitungseinheit schnell mechanisch in ihre jeweilige
Sollposition bewegt werden.