DE3530567A1 - Verfahren und vorrichtung zur werkzeugtastpruefung - Google Patents

Description

9631.1-21NU-03405 General Electric Company-

Verfahren und Vorrichtung zur Werkzeugtastprüfung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf numerisch geregelte Systeme zur spanabhebenden Bearbeitung und betrifft insbesondere Werkzeugtastdetektoren zur Vermessung oder Lehrung.

Die Technologie der automatisierten spanabhebenden Präzision sbearbeitung entwickelt sich mit großer Geschwindigkeit. Systeme, die von manuellen Operationen gänzlich abhängig sind, sind weitgehend durch Techniken ersetzt worden, durch die Fertigungsteile auf numerisch gesteuerten üniversalbearbeitungssystemen hergestellt werden. Das Schneiden oder anderweitige Abtragen von Material erfolgt zwar in solchen Systemen automatisch, es sind jedoch immer noch zahlreiche manuelle Operationen erforderlich, hauptsächlich zum Messen der bearbeiteten Abmessungen und zum Vornehmen von Schneidwerkzeugeinstellungen unter Verwendung einer bei

der numerischen Steuerung üblichen Schneidwerkzeugversetzung oder -korrektur. Diese manuellen Messungen und Einstellungen des Schneidwerkzeuges sind notwendig, um eine große Anzahl von Variablen zu berücksichtigen, wie zum Beispiel: Verschleiß des Schneidwerkzeuges; ümpositionierung und/oder Austausch des Schneidwerkzeuges; Abmessungsänderungen des Schneidwerkzeuges, des Werkstückes und der Bearbeitungsvorrichtung selbst aufgrund von Faktoren wie der Erhitzung; Durchbiegung unter Belastung und dgl.

Beispielsweise müssen bei einer typischen Operation, die mit einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, wie beispielsweise einer Drehmaschine, ausgeführt wird, gewisse Einstellungen, d.h. WerkzeugverSetzungen oder -korrekturen, durch die Bedienungsperson manuell vorgenommen werden, nachdem die Maschine für das Herstellen eines besonderen Werkstücks oder Teils eingestellt worden ist. Vor dem Start der spanabhebenden Bearbeitung muß die Bedienungsperson das Schneidwerkzeug zu einer Werkstückeinstellfläche vorschieben und die Werkzeugposition durch manuelles Messen des Abstands zwischen dem Werkzeug und der Referenzoberfläche bestimmen. Das erfolgt normalerweise mit einem Stück Beilegmaterial od.dgl., und diese Messungen bilden dann die Basis für manuell auszuführende Werkzeugkorrekturen. Wenn die Drehmaschine eine Werkzeughalteeinrichtung, wie beispielsweise einen Mehrwerkzeugrevolverkopf,aufweist, muß diese Operation für jedes Werkzeug sowie für jede der Achsen (der Bewegung) der Maschine getrennt ausgeführt werden. Vor dem Ausführen des letzten oder Fertigbearbeitungsschnittes für eine besondere Werkstückoberfläche werden die verschiedenen Abmessungen der halbfertigbearbeiteten Werkstückoberfläche unter Verwendung einer Handlehre gemessen. Das ermöglicht der Bedienungsperson, die erforderliche Korrektur des Schneidwerkzeuges zu bestimmen, die für den Fertigbearbeitungsschnitt benutzt wird. Nachdem der Fertigbearbeitungsschnitt ausgeführt worden ist, wird das Werkstück

wieder mit der Handlehre geprüft/ um die Übereinstimmung der Istabmessungen der fertigbearbeiteten Oberfläche mit den Sollabmessungen zu messen.

Die manuellen Operationen, die vorstehend beschrieben sind, sind individuell zeitraubend und machen einen beträchtlichen Anteil der Gesamtzeit aus, die zur spanabhebenden Bearbeitung eines besonderen Werkstückes auf die gewünschten Abmessungen erforderlich ist. Das führt zur Beschränkung der Fertigungskapazität der Werkzeugmaschine. Angesichts der heutigen Kosten einer Dreh- oder Fräsmaschine (Bearbeitungszentrum) wird jede Reduzierung der Fertigungskapazität der Werkzeugmaschine zu einem wirtschaftlich bedeutsamen Faktor. Weiter setzen alle diese manuellen Operationen den Fertigungsprozeß weiter dem menschlichen Fehler aus.

Es ist allgemein erkannt worden, daß die Lösung der vorgenannten Probleme darin besteht, die manuellen Messungen und die manuellen Einstellungen des Schneidwerkzeuges zu automatisieren, z.B. durch die Verwendung eines computergestützten numerischen Steuersystems. In einem solchen System kann der Computer entweder entfernt von der numerischen Steuereinheit angeordnet oder aber in letzterer untergebracht sein, z.B. in Form eines Mikrocomputers. Stattdessen kann die Recheneinrichtung auch entfernt von der numerischen Steuereinheit sowie eingebaut in diese vorgesehen werden. Statt des Ladens aufeinanderfolgender Datenblöcke, die auf Band od.dgl. gespeichert sind, wie es bei einem gewöhnlichen numerisch gesteuerten oder NC-System der Fall ist, ist ein computergestütztes numerisches Steuersystem oder CNC-System in der Lage, ganze Programme zu speichern und sie in einer gewünschten Folge aufzurufen, die Programme aufzubereiten, z.B. durch Hinzufügen oder Weglassen von Blöcken,und die Berechnungen von Korrekturen und dgl. auszuführen.

Vollautomatische Systeme haben zwar auf dieser Entwicklungsstufe des Gebietes der spanabhebenden Präzisionsbearbeitung noch nicht in großem Umfang Einzug gehalten/ ein beträchtliches Ausmaß an Entwicklungsarbeit ist jedoch bislang aufgewendet worden, wovon viel sich auf Spezialfälle beschränkt hat, bei denen ein einzelner spanabhebender Bearbeitung svorgang wiederholt ausgeführt wird. Es ist außerdem bekannt, einen Sensor in Form eines Tasttriggermeßfühlers auf dem Bett der Bearbeitungsvorrichtung oder an einem Schwenkarm, der bei Bedarf weggeschwenkt werden kann, zu befestigen. Die Position des Schneidwerkzeuges kann gegenüber einem solchen Meßfühler geeicht werden, indem die Werkzeugposition festgehalten wird, wenn der Kontakt mit dem Meßfühler erfolgt. Aus den beobachteten Abweichungen zwischen den programmierten und den tatsächlichen Positionen kann eine kompensierende Korrektur bestimmt und in dem der CNC-Einrichtung zugeordneten Speicher gespeichert werden. Die Korrektur kompensiert die Differenz zwischen der programmierten Kontaktposition und der tatsächlichen Kontaktposition.

Ein System und ein Verfahren, welche die oben beschriebenen Merkmale beinhalten, sind in dem US-Patent 4 382 215 beschrieben, das der Anmelderin gehört. Gemäß diesem US-Patent wird ein Tasttriggermeßfühler oder Teilmeßfühler in der Werkzeughalteeinrichtung befestigt. Der letztgenannte Meßfühler wird zuerst an Nullpunkts- oder Bezugsoberflächen geeicht und anschließend zum Eichen des Werkzeugsensormeßfühlers benutzt. Erst dann wird die Schneidkante des gewählten Werkzeuges durch Kontakt mit dem Werkzeugsensormeßfühler geeicht. Die anfänglichen Werkzeugkorrekturen, die aus den Ergebnissen dieser Operation bestimmt werden, werden in der numerischen Steuereinrichtung (NC-Einrichtung) gespeichert. Nachdem die spanabhebende Bearbeitung ausgeführt worden ist, wird der Teilsensormeßfühler wieder geeicht und dann zum Prüfen der (den) spanabhebend bearbeiteten Oberfläche (n) des Werkstücks benutzt. Die so erhaltene Infor-

mation bestimmt die letzten Korrekturen, die für den Fertigbearbeitungsschnitt erforderlich sind. Anschließend kann die fertigbearbeitete Oberfläche geprüft werden, um ihre Übereinstimmung mit den Sollabmessungen zu ermitteln. Der Tasttriggermeßfühler hat zwar einen einfachen Aufbau, er muß jedoch für eine Gruppe von zu prüfenden Merkmalen speziell ausgebildet werden. Die Meßfühler selbst, die normalerweise als handelsübliche Produkte von besonderen Lieferanten gekauft werden, sind zerbrechlich und nehmen wenigstens eine Werkzeugposition auf der Werkzeughalteeinrichtung ein, z.B. auf dem Drehmaschinenrevolverkopf, und können außerdem nicht sämtliche Schnitte erreichen.

Zum überwinden der Beschränkungen eines solchen Tasttriggermeßfühlersystems hat die Entwicklung dazu geführt, daß das Schneidwerkzeug selbst als Einrichtung zum Vermessen des Teils benutzt wird, das zuvor durch das Werkzeug selbst spanabhebend bearbeitet worden ist. Ein solches System ist in dem US-Patent 4 428 055 gezeigt und beschrieben, das ebenfalls der Anmelderin gehört. Gemäß diesem US-Patent wird eine Schwingungsabfühlung benutzt, um Kontakt zwischen der Schneidkante des Schneidwerkzeuges und Positionsreferenzoberflächen zu erkennen, wobei die Schneidkante an den Oberflächen unter Verwendung einer Regelung geeicht wird. Die Abweichung zwischen den programmierten und den tatsächlichen Positionen der Schneidkante an jeder Referenzoberfläche wird bestimmt, und eine kompensierende Werkzeugpositionsanfangskorrektur wird automatisch in jeder Achse geliefert und in die numerische Steuerung eingegeben. Nachdem die spanabhebende Bearbeitung eingeleitet worden ist, erfolgt das Prüfen des Werkstücks wenigstens einmal, bevor der letzte Schnitt ausgeführt wird, wobei das Werkzeug während dieser Operation als Werkzeugtastmeßfühler dient. Ein in der Frequenz abgestimmter Schallschwingungswandler, der auf dem Revolverkopf befestigt ist, speichert Schwingungen, die von dem Werkzeug ausgehen, wenn eine geeichte

Schneidkante mit der spanabhebend bearbeiteten Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Geeignete Werkzeugpositionskorrekturen werden zu dieser Zeit bestimmt und in die numerische Steuereinrichtung eingegeben, um sicherzustellen, daß die Abmessungen der fertigbearbeiteten Oberfläche mit den Sollabmessungen übereinstimmen. Nachdem die spanabhebende Fertigbearbeitung erfolgt ist, wird die fertigbearbeitete Oberfläche wieder mit der geeichten Schneidkante unter Verwendung der Schwingungsabfühlung geprüft. Trotz des bedeutsamen Fortschritts, der durch diese Art von System erzielt

worden ist, kann der Werkzeugtastmeßfühler nicht immer die beiden Referenz- oder Nullpunktsoberflächen einer besonderen Maschine erreichen, wenn das Werkzeug selbst als Lehre benutzt wird.

Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die beiden US-Patente 4 382 215 und 4 428 055 verwiesen.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung bei der Vermessung oder Lehrung von spanabhebend bearbeiteten Werkstücken zu schaffen.

Weiter soll durch die Erfindung eine Verbesserung von Tastmeßfühlersystemen erreicht werden, die in numerisch geregelten Systemen zur spanabhebenden Bearbeitung benutzt werden.

Ferner soll durch die Erfindung eine Verbesserung in der Nullpunktsoberflächeneinrichtung für ein Werkzeugtastmeßfühlersystem geschaffen werden.

Schließlich soll durch die Erfindung eine Einrichtung geschaffen werden zum Bereitstellen von Nullpunktsoberflächen, die anstelle eines Bezugsringes benutzt werden können, beispielsweise bei der Spindel einer als Drehmaschine ausgebildeten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine.

Gelöst wird diese Aufgabe in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine ultraschallschwingende, langgestreckte Referenzsäule vorbestimmten Querschnitts, die in einem bekannten Abstand von der Mittellinie einer drehbaren Spindel (oder eines anderen bekannten Referenzpunktes) einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (z.B. einer Drehmaschine) befestigt und mit ihrer Längsachse in bezug auf das Werkstück vertikal ausgerichtet ist. Ein Schneidwerkzeug, das nicht nur als Schneidelement, sondern auch als Tastmeßfühler dient, wird in Verbindung mit der schwingenden Referenzsäule zum Vermessen des Teils, das spanabhebend bearbeitet wird, benutzt. Die Säule schwingt vorzugsweise in Längsrichtung. Das Werkzeug berührt die Säule,und Oberflächen an dem spanabhebend bearbeiteten Teil werden mittels eines in der Frequenz angepaßten Beschleunigungsmessers abgefühlt, der auf einem Revolverkopf befestigt ist, welcher das Werkzeug trägt. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers zeigt das berührte Werkzeug an. Diese Signale werden in eine numerisch geregelte Einrichtung mittels eines Drehkopplers und einer Signalaufbereitungsschaltungsanordnung eingekoppelt. Da die genaue Lage der Nullpunktsreferenzoberfläche der schwingenden Säule innerhalb des Werkzeugmaschinenkoordinatenreferenzsystems präzise bekannt ist, wird die Lage der Werkzeugoberfläche präzise bekannt, nachdem Werkzeugkontakt mit der Säule hergestellt worden ist. Das gestattet innerhalb des numerischen Steuersystems, beispielsweise Werkzeugverschleiß und Veränderungen in der Werkzeuggröße zu korrigieren. Die schwingende Bezugsoberfläche wird nämlich als Werkzeugoberflächeneichvorrichtung benutzt. Nachdem das Werkzeug geeicht worden ist, kann es zum Prüfen der Werkstückoberfläche benutzt werden. Kontakt mit der Werkstückoberfläche wird durch "Reibschwingungen" erkannt, die zu dem Beschleunigungsmesser gesendet werden. Durch Vergleichen der Oberflächenlagen, und zwar eine mit der anderen innerhalb des Koordinatensystems oder in bezug auf die Lage der Säule, können die Werkstückabmessungen bestimmt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer

Horizontalrevolverdrehmaschine/ die zum Stand der Technik gehört und deren drehbarer Revolverkopf mehrere Schneidwerkzeuge oder Meßfühler in Betriebsposition bringen kann _t

Fig. 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die Hori

zontalrevolverdrehmaschine nach Fig. 1, die nun mit den Merkmalen der Erfindung versehen ist,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer bevor

zugten Ausführungsform einer Referenzsäule nach der Erfindung,

Fig. 4 eine vereinfachte Seitenansicht der Refe

renz säulen vorrichtung mit der in Fig. 3 gezeigten Referenzsäule, die mittels Federn an der in Fig. 2 gezeigten Drehmaschine elastisch befestigt ist,

Fig. 5 ein elektrisches Blockschaltbild, das den

elektrischen Signalweg zwischen dem Beschleunigungsmesser, der auf dem in Fig. gezeigten Revolverkopf befestigt ist, und der numerischen Steuereinrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, zeigt,und

Fig. 6 eine Kennlinie, die das Verständnis der

Arbeitsweise der Erfindung erleichtert.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung zur spanabhebenden Bearbeitung in Form einer horizontalen Revolverdrehmaschine. Eine Revolverdrehmaschine arbeitet typisch längs zwei zueinander rechtwinkeliger Achsen, der X-Achse und der Z-Achse, wobei die X-Achse eine sich über das Maschinenbett erstreckende Achse ist, wogegen die Z-Achse sich in Richtung der Länge des Maschinenbetts erstreckt. Gemäß der Darstellung in Fig. 1 weist das Bett der Drehmaschine einen Rahmen 10 auf, der zwei Führungen trägt, von denen eine mit der Bezugszahl 12 bezeichnet ist und sich längs der Z-Achse erstreckt. Die Mittellinie 14 einer Drehmaschinenspindel 16 ist parallel zu der Z-Achse. Ein Support oder Hauptschlitten 18 ist auf den Führungen 12 verschiebbar angeordnet und kann in zwei Richtungen längs der Z-Achse entweder in Vorwärtsrichtung (zu dem Werkstück hin, -Z) oder in Rückwärtsrichtung (von dem Werkstück weg, +Z) aus der in Fig. 1 gezeigten Position heraus positioniert werden. Das Positionieren des Supports 18 längs der Z-Achse erfolgt mittels einer nicht dargestellten Leitspindelanordnung, die durch eine herkömmliche Gleichstrompositioniermotoranordnung angetrieben werden kann.

Der Support 18 trägt darüber hinaus zwei Querführungen 20 und 22, auf denen ein Querschlitten 24 verschiebbar angeordnet ist, so daß er in der X-Achse positionierbar ist, die zwar nicht gezeigt ist, aber normal zu der Zeichenebene ist. Das Positionieren des QuerSchlittens 24 in der X-Achse erfolgt ebenfalls mittels einer Leitspindelanordnung, die durch einen Gleichstrompositioniermotor angetrieben werden kann. Die Elektromotoren oder die Leitspindeln können jeweils einen herkömmlichen Resolver oder Drehmelder aufweisen, der mit ihnen gekuppelt ist und ein Rückführungssignal liefert, das die Drehposition des entsprechenden Bauteils angibt. Diese Rückführungssignale stellen die Linearposition der Supports 18 und des QuerSchlittens 24 längs ihrer Achsen dar. Stattdessen können geeignete elektronische oder

optoelektronische Codiervorrichtungen benutzt werden, welche Signale liefern, die die Linearposition des Supports 18 und des QuerSchlittens 24 direkt darstellen.

Ein Revolverkopf 26 ist auf dem Querschlitten 24 befestigt und hat mehrere Werkzeugpositionen 28, in denen jeweils ein Werkzeughalter 30 befestigbar ist. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung können an dem Revolverkopf 26 typisch sechs gesonderte Schneidwerkzeuge oder Taktmeßfühler in den Werkzeugpositionen 28 befestigt werden. Durch geeignetes Weiterschalten, d.h. Drehen des Revolverkopfes 26, kann jedes Werkzeug oder jeder Meßfühler in seine Betriebsstellung gebracht werden, wie es in der Zeichnung gezeigt ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Revolverkopf 26 mit einem einzelnen Werkzeughalter 30 dargestellt, weshalb nur ein Schneidwerkzeug 29 gezeigt ist. Gemäß der Darstellung weist das Werkzeug 29 darüber hinaus einen Werkzeugeinsatz 31 auf, dessen Schneidkante 32 dem Werkstück 41 zugewandt ist.

Das Bett der Drehmaschine, die in Fig. 1 gezeigt ist, weist weiter eine Spindelantriebs- und -getriebevorrichtung 34 auf, die an einem Ende desselben angeordnet ist. Die drehbare Spindel 16 ragt aus der Spindelantriebs- und -getriebevorrichtung 34 hervor und trägt ein Spannfutter 36, welches einen Satz Backen 38 zum Festhalten eines Werkstücks 41 aufweist. Die Spindel 16 hat darüber hinaus eine Spindelnase oder -fläche 40, die an dem Spannfutter 36 anliegt. Der Schnitt der Ebene der Fläche 40 mit der Spindelachse oder Mittellinie 14 definiert die ursprüngliche "0"-Position oder den Ursprung, ab welchem der Hersteller der besonderen Werkzeugmaschine Maschinenelement- und Schneidwerkzeuglage-Spezifikationen zur Verwendung bei der Programmierung des Systems festlegt. Sämtliche Programmpositionen werden zwar auf den Ursprung bezogen, das Meßsystem der Werkzeugmaschine selbst zählt oder mißt jedoch immer relativ zu einer Aus-

gangsposition. Letztere befindet sich normalerweise so weit von der Spindelnase und der Mittellinie weg, wie sich der Support 18 und der Querschlitten bewegen können.

Das Spannfutter 36 ist auf bekannte Weise mit einem Nullpunkts- oder Bezugsring versehen, der durch wenigstens zwei Positionsreferenzoberflächen oder Nullpunktsoberflächen implementiert ist, die zu der X- bzw. zu der Z-Achse rechtwinkelig sind. Jede dieser Oberflächen ist in einem bekannten, geeichten Abstand von dem Ursprung oder der "0"-Position angeordnet. Wie dargestellt, bildet die externe zylindrische Oberfläche 42 des Spannfutters eine Referenzoberfläche, wogegen die SpannfutterStirnfläche 44 die andere Referenzoberfläche bildet.

Gemäß der oben erwähnten US-PS 4 428 055 ist ein vorbestimmter Typ eines SchallSchwingungswandlers 37 auf der Oberseite des Revolverkopfes 26 befestigt und liefert ein elektrisches Signal auf abgefühlte mechanische oder akustische Schwingungen hin. Beispielsweise werden "Reibschwingungen" zu dem Wandler gesendet, wenn die Schneidkante 32 mit dem Werkstück 41 während der Drehung in Kontakt kommt. Die Drehung des Werkstücks relativ zu der Schneidkante erzeugt die notwendige schnelle Relativbewegung zum Erzeugen der Schwingungen. Für Prüfzwecke wird die Werkzeugkante 32 mit der Oberfläche des Werkstücks leicht in Kontakt gebracht und schnell zurückgezogen. Die ausgeübte Kraft wird auf einem Minimum gehalten, um das Einschneiden in die Oberfläche während der Prüfoperation zu vermeiden. Unter gewissen Umständen, unter denen Marken auf dem fertigbearbeiteten Werkstück nicht toleriert werden können, kann das Werkstück während der Prüfoperation in der entgegengesetzten Richtung gedreht werden. Selbst unter diesen Umständen kann die Oberfläche des fertigbearbeiteten Werkstücks durch deren Kontakt mit der Schneidkante verkratzt werden, wenn auch nur in geringem Ausmaß. Demgemäß ist bei Bedarf ein Schwingungserzeuger 39, der auf dem Spann-

futter 36 befestigt dargestellt ist/ vorgesehen, um Schwingungen kleiner Amplitude bei sich nicht drehendem Werkstück zu erzeugen. Diese Schwingungen werden von dem Werkstück 41 zu der Schneidkante 32 des Werkzeugs und dann zu dem Wandler 37 über die Werkzeughalteeinrichtung, die aus dem Werkzeughalter 30 und dem Revolverkopf 26 besteht, übertragen. Somit wird eine schnelle Relativbewegung zwischen der Schneidkante 32 des Werkzeugs 29 und der Werkstückoberfläche nun durch eine Hin- und Herbewegung kleiner Amplitude erzeugt, die in dem Werkstück durch den Schwingungserzeuger 39 statt durch die Drehung des Werkstücks hervorgerufen wird. Die Drehung des Werkstücks ist während der Prüfung normalerweise gestoppt, während der Schwingungserzeuger 39 aktiviert ist.

Die in Fig. 1 mit der Bezugszahl 46 bezeichnete Einheit ist das numerische Steuersystem (NC-System). Dieses System ist mit einer Anzahl verschiedener Komponenten in der Werkzeugmaschine (d.h. der Drehmaschine) elektrisch verbunden, wie beispielsweise den Gleichstrompositioniermotoren, den Resolvern, dem akustischen Wandler, usw. Die numerische Steuereinheit 46 enthält außerdem eine Bandtransporteinrichtung 48, welche die Programmierung der numerischen Steuerung für die spanabhebende Bearbeitung des Werkstücks in Form von Codewörtern speichert, die verschiedene Arten von Befehlen darstellen. Beispielsweise kann das Programm benutzt werden zum: Weiterschalten des Revolverkopfes 26; zum Einschalten des Kühlmittels, das für die spanabhebende Bearbeitung erforderlich ist; zum Drehen der Spindel in einer gewählten Richtung und mit einer gewählten Drehzahl; zum Bewegen des Meßfühlers oder des Werkzeugs in einer besonderen Folge von Schritten; und für verschiedene andere Zwecke. Das Band kann außerdem verschiedene Daten oder die gewünschten Abmessungen einer besonderen Oberfläche enthalten, die spanabhebend zu bearbeiten ist, die zulässige Bearbeitungstoleranz für jede Abmessung und gewisse Parameter, die in Abhängigkeit von dem Teil, das zu bearbeiten ist, und von dem besonderen Werkzeug

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oder den Werkzeugen, die benutzt werden sollen, usw., berücksichtigt werden müssen.

Die numerische Steuereinheit 46 enthält vorzugsweise einen Mikroprozessor, der auf Befehle anspricht, die auf dem Band gespeichert sind. Der Mikroprozessor veranlaßt dann, daß geeignete Steuersignale abgegeben werden, welche die Bandkommandos auslösen. Der Mikroprozessor verarbeitet außerdem die Daten, die durch verschiedene Prüfoperationen(d.h. Lehroder Meßoperationen) erhalten worden sind, zur Berechnung von Korrekturen, die Modifizierungen der Schneidoperationen erzeugen können, welche durch das Bearbeitungsprogramm ausgeführt werden. Einige dieser Funktionen können jedoch in einem entfernt angeordneten Computer ausgeführt werden, beispielsweise in einem Zentralcomputer eines verteilten numerischen Steuersystems, so daß die verarbeiteten Daten der numerischen Steuereinheit 46 zugeführt werden, die dann die geeigneten Steuersignale erzeugt. In einer solchen Anordnung kann die Rechenmöglichkeit in der numerischen Steuereinheit 46 beibehalten werden.

Die Daten, die aus den Prüfoperationen erhalten werden, Rückführungsdaten aus den Resolvern, und Daten, die über das Programm selbst eingegeben werden, werden durch den Mikroprozessor verarbeitet, um die vorgenannten Korrekturen zu berechnen. MotorSteuersignale, die aus den verarbeiteten Daten gewonnen werden, werden mit den Positionsrückführungsdaten verglichen, die aus den Motorresolvern oder aus anderen Positionsrückführungseinrichtungen empfangen werden. Es wird ein als geschlossener Regelkreis ausgebildetes System gebildet, in welchem die Differenz, die bei dem Vergleich der beiden Signale bestimmt wird, die Position der Schneidkante 32 des Werkzeugs 29 oder die Position des messenden Meßfühlers steuert. Die numerische Steuereinheit 46 kann außerdem benutzt werden, um die physikalischen Abmessungen des Werkstückes zu berechnen, anzuzeigen und auszudrucken sowie Abweichungen von den programmierten Werten zu berech-

nen und die geeigneten zulässigen Bearbeitungstoleranzen anzuzeigen. Die numerische Steuereinheit 46 kann beispielsweise in Form der Vorrichtung implementiert werden, die im Handel von der General Electric Company unter der Bezeichnung Mark Century=^ 2000 Computer Numerical Control erhältlich ist.

Eine ausführlichere Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Bearbeitungssystems findet sich in der oben erwähnten US-PS 4 428 055, die darüber hinaus das Prinzip der Benutzung des Schneidwerkzeugs 29 als Werkzeugtastmeßfühler zum Vermessen des Teils oder Werkstücks 41, das spanabhebend bearbeitet wird, beschreibt. Bei einer besonderen Maschine ist es jedoch nicht immer möglich, die beiden Referenz- oder Nullpunktsoberflächen zu erreichen, wenn das Schneidwerkzeug als Lehre benutzt wird.

Das führt nun zur Betrachtung der Erfindung und insbesondere zu Fig. 2. Gemäß Fig. 2 bildet eine auf dem Bett befestigte schwingende Referenzsäulenvorrichtung 50, deren Einzelheiten in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind, wenigstens eine, aber vorzugsweise zwei oder mehr als zwei Referenzoberflächen, die in einem Werkzeugtastmeßfühlersystem benutzt werden können. Die Referenzsäulenvorrichtung 50 dient zum Ersetzen der Bezugsringkonfiguration der Oberflächen 42 und 44 in Fig. 1. Die Referenzsäule 50 ist in einem bekannten Abstand von der Mittellinie 14 angeordnet und vorzugsweise mit ihrer Längsachse vertikal zu dem Werkstück 41 und dem Werkzeug 29 ausgerichtet. Die Referenzsäule legt eine genau bekannte, feste Referenzposition für das Werkzeug fest und wird zum Eichen der Werkzeugposition vor dem Berühren des Werkstücks benutzt. Die Referenzsäule 50 kann nach Bedarf in dem Koordinatenreferenzsystem der Drehmaschine angeordnet werden. Der wichtige Punkt ist, daß die Referenzoberfläche präzise und fest angeordnet ist.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und 4 besteht die Referenzsäulenvorrichtung 50 unter anderem aus einer langgestreckten Referenzsäule 52, deren Querschnitt gemäß der Darstellung zwar quadratisch ist, bei Bedarf jedoch irgendeine andere geeignete Form haben kann, beispielsweise sechseckig, achteckig oder kreisförmig. Die quadratische Form ergibt Oberflächen, die zueinander rechtwinkelig sind, so daß Referenzoberflächen vorhanden sind, die sowohl zu der X- als auch zu der Z-Achse parallel sind. Die langgestreckte Säule 52 wird durch einen oder mehrere piezoelektrische Elemente 54, die mittels eines in Fig. 4 gezeigten Oszillators 56 erregt werden und beispielsweise mit 50 kHz arbeiten, zu Schallschwingungen, vorzugsweise aber zu Ultraschallschwingungen in einer Longitudinalmode angeregt. Elektrische Leitungen 58 und 60 dienen zur elektrischen Verbindung. Die piezoelektrischen Elemente 54 regen die Referenzsäule 52 so an, daß sie sich in vertikaler Richtung wie gezeigt hin- und herbewegt. Die Referenzsäule 52 ist darüber hinaus durch eine Platte 62 gehaltert, die in einem Schwingungsknotenpunkt an der Säule angeordnet ist und drei gleichabständige Befestigungslöcher zur federnden Befestigung auf einer Winkelkonsole 66 hat, die an dem Bett der Drehmaschine befestigt ist, beispielsweise an der Innenoberfläche 68 des Getriebes 34, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Bei Bedarf könnte sich jedoch die Konsole 66 nach unten erstrecken und direkt an der benachbarten Führung 12 befestigt sein. In jedem Fall wird die Konsole an der Drehmaschine fest angebracht, und die Referenzsäule 52 kann als ein Teil einer an dem Bett befestigten Vorrichtung betrachtet werden. Die Säule 52 und die Platte 62 werden auf der Konsole 66 mit Hilfe von drei Befestigungsfedern 70 durch geeignete Befestigungselemente befestigt, die in Zusammenwirkung mit den Löchern 64 benutzt werden, so daß das sich ergebende Gebilde eine nachgiebige Befestigung darstellt, die in der Lage ist, sich in dem Fall einer zu weiten Bewegung des Werkzeugs in -X-und -Z-Richtungen zu bewegen, ohne daß

die Referenzposition der Säule verändert wird.

Die ReferenzSäulenvorrichtung, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, und insbesondere die Ultraschallschwingungsreferenzsäule 52 arbeitet in Verbindung mit einem Beschleunigungsmesser, der in Fig. 2 mit der Bezugszahl 72 bezeichnet und auf dem Revolverkopf 26 befestigt ist, um Ultraschall schwingungen aus der Referenzsäule 52 zu erkennen, wenn das Werkzeug 29, das als Meßfühler dient, die schwingende, vertikal ausgerichtete Referenzsäule 52 berührt. Der Beschleunigungsmesser kann irgendein im Handel erhältlicher Typ sein. Beispielsweise hat sich der im Handel unter der Teil-/Modell-Bezeichnung Modell 1018 von der Vibra-Metrics erhältliche Beschleunigungsmesser als für die Zwecke der Erfindung zufriedenstellend erwiesen.

Gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist der Beschleunigungsmesser 72 mit einem Drehkoppler 74 verbunden, über den das elektrische Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers in die numerische Steuereinheit 46 (Fig. 1) eingekoppelt wird. Die Beschleunigungsmessersignale werden jedoch, bevor sie der numerischen Steuereinheit 46 zugeführt werden, zuerst aufbereitet, indem sie durch eine Verstärkungs- und Bandpaßfiltereinrichtung sowie eine Diskriminatoreinrichtung 76 hindurchgeleitet werden. Die Signalaufbereitungsschaltungsanordnung liefert der numerischen Steuereinheit 46 ein Signal, das frei von Störsignalen ist. Weiter ist gemäß Fig. 5 eine geeignete Signalverarbeitungsschaltung sanordnung 78 zwischen der Signalaufbereitungsschaltung sanordnung 76 und der numerischen Steuereinheit 46 vorgesehen. Der Beschleunigungsmesser 72 hat vorzugsweise eine Resonanzfrequenz, welche gleich der Schwingungsfreguenz der Referenzsäule 52 ist. Das bewirkt, daß die Empfindlichkeit vergrößert wird, so daß Kontakt zwischen der Werkzeugoberfläche und der Oberfläche der Säule 52 leichter erkennbar ist. Die Schwingungsfreguenz kann durch geeignetes Wählen der Frequenz des Oszillators 56 gewählt werden. Diese kann wie oben erwähnt in der Größenordnung von 50 kHz liegen.

Im Betrieb wird ein Werkzeugtastmeßfühler, beispielsweise das in Fig. 2 gezeigte Werkzeug 29, der Referenzsäule 52 genähert, bis der Beschleunigungsmesser 72 über die Verarbeitungsschaltungsanordnung 78 erkennt, daß eine Berührung erfolgt ist. An dieser Berührungsstelle wird die Position des Werkzeugs festgehalten. Diese Position wird in der numerischen Steuereinheit 46 aufgezeichnet und gespeichert. Das Werkzeug 29 wird dann zurückgezogen und zu dem rotierenden Werkstück 41 (Fig. 2) bewegt, bis eine Berührung in Form eines "Reibungs"-Signals, im Gegensatz zu einem Schneidsignal, durch den Beschleunigungsmesser 72 abgefühlt wird. Gemäß der Darstellung in Fig, 6 erzeugt das Reiben des Werkzeugs an dem Werkstück ein Signal mit relativ niedriger, konstanter Amplitude, das von einem Signal verschieden ist, welches aus dem Schneiden, Einkerben oder Aushöhlen des Werkstücks resultiert. Beim Reiben an dem Werkstück wird die Position wieder aufgezeichnet und gespeichert, und das Werkzeug wird zurückgezogen. Die Differenz zwischen der bekannten Referenzposition und dem Werkstückberührungspunkt liefert die notwendige Information für die Berechnung der Abmessung des Teils. Das erfolgt auf bekannte Weise, beispielsweise gemäß der US-PS 4 428 055, in der numerischen Steuereinheit 46.

Die Erfindung beseitigt die Verwendung des umlaufenden Referenzringes 36 an der Spindel 40, der in Fig. 1 gezeigt ist. Die erfindungsgemäße Lösung bietet mehrere Vorteile. Beispielsweise kann anders als der Referenzring die Referenzsäule 52 so positioniert werden, daß sie für alle Werkzeue zugänglich ist und daß sich ihr zur Eichung in allen Richtungen genähert werden kann. Darüber hinaus können bei Bedarf mehrere Referenzsäulen für unterschiedlich bemessene Spitzen oder Werkzeuge benutzt werden. Da das Einkerben des Referenzringes nach längerem Gebrauch auftreten kann, hat außerdem eine Referenzsäule nach der Erfindung eine größere Lebensdauer. Weiter steht dadurch, daß zuerst die schwingende Säule 52 mit dem Werkzeug 32 berührt wird, bevor das

Werkstück 41 berührt wird, eine Gelegenheit zur Verfügung, eine Diagnoseprüfung an der Ultraschalldetektorschaltungsanordnung vorzunehmen, so daß unabsichtliches Aushöhlen des Werkstücks vermieden wird, falls der Ultraschallaufnehmer oder dessen zugeordnete Schaltungsanordnung auf irgendeine Weise ausfallen sollte. Wenn eine Annäherung an die Spindelreferenzfläche in einem Fall erfolgt, in welchem die Schaltungsanordnung aus irgendeinem Grund ausgefallen ist, kann es zu einer extremen Einkerbung oder Beschädigung kommen. Das ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß es bei Computerprogrammen zur numerischen Steuerung des Vermessens üblich ist, einen kleinen, aber beträchtlichen Überweg (z.B. 2,54 mm oder 0.1") des geprüften Teils oder der Referenzoberfläche einzuprogrammieren. Die Nachgiebigkeit der Referenzsäule wird diesen Werkzeugüberweg ohne Beschädigung aufnehmen, was die Spindelreferenzfläche nicht könnte. Nachdem die dem Überweg entsprechende Strecke zurückgelegt worden ist, kann die CNC-Stcfbewegung programmiert werden, um der Bedienungsperson einen Ausfall zu signalisieren..

Oben ist zwar eine Säule beschrieben, die einen rechteckigen Querschnitt hat, es kann jedoch eine anders geformte Säule für andere Meßannäherungsrichtungen benutzt werden, was von dem besonderen Verwendungszweck abhängig ist. Ein solcher Fall kann vorliegen, wenn Annäherungsrichtungen erforderlich sind, die nicht in der Z- und/oder X-Achse liegen, wobei beispielsweise eine achteckige Säule eine 45°- Annäherungsrichtung für Eichzwecke sowie die X- als auch die Z-Achse gestatten würde.

Es ist zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden, Modifizierungen bieten sich dem Fachmann jedoch an. Beispielsweise ist zwar die Erfindung zu Darstellung szwecken im Zusammenhang mit der Verwendung bei einer numerisch gesteuerten Drehmaschine beschrieben worden, es ist jedoch klar, daß sich die Erfindung nicht auf Drehma-

schinen beschränkt, sondern vorteilhafterweise bei anderen Werkzeugmaschinen oder Systemen zur spanabhebenden Bearbeitung benutzt werden kann, bei denen die präzise Positionierung eines Objekts erreicht werden soll. Die Erfindung beschränkt sich deshalb nicht auf die gezeigten und beschriebenen besonderen Implementierungen, sondern umfaßt sämtliche derartigen Modifizierungen, Veränderungen und Änderungen, die im Schutzumfang der Ansprüche liegen.

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Claims (20)

Ansprüche :

1.)Verfahren zur Werkzeugtastprüfung zum Bestimmen der Sollabmessung an einem Werkstück, das spanabhebend bearbeitet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Anordnen einer festen Referenzoberflächeneinrichtung in einem geeichten Abstand von der Drehachse des Werkstücks; Versetzen der Referenzoberflächeneinrichtung in Schwingung; Bringen eines Werkzeugs, das aus einem Schneidwerkzeug bestehen kann, welches auf einem System zur spanabhebenden Bearbeitung befestigt ist, in Kontakt mit der Referenzoberflächenexnrichtung und Abfühlen von Schwingungen, die davon ausgehen;

Bestimmen der Position der Oberfläche des Werkzeugs, wenn die Referenzoberflächenexnrichtung berührt wird; Bringen des Werkzeugs in vorbestimmten Kontakt mit dem Werkstück und Abfühlen des Werkstückkontakts; Bestimmen der Position der Werkzeugoberfläche, wenn das Werkstück berührt wird; und

Bilden der Differenz aus den beiden Kontaktpositionen, um daraus die Sollabmessung zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzoberflächeneinrichtung eine Referenzsäule aufweist, die orthogonal zu der Drehachse des Werkstücks ausgerichtet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Abfühlens bei Kontakt mit der Referenzoberf.lächene,inrichtung und^dem,.Werkstück_das .Abfühlen mit einem, Beschleunigungsmesser beinhalten, der auf dem Bearbeitungssystem in relativ enger Nähe des Werkzeuges befestigt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bringens des Werkzeuges in vorbestimmten Kontakt mit dem Werkstück beinhaltet, das Werkzeug in Reibkontakt mit dem Werkstück zu bringen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, die Referenzoberflächeneinrichtung in Schwingung zu versetzen, den Schritt beinhaltet, die Referenzsäulein -Schallschwingung zu· versetzen. -- ---■ --- - - -

6. Verfahren-nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, die Referenzsäule in Schallschwingung zu versetzen, beinhaltet, die Referenzsäule in einer Longitudinalmode in Ultraschallschwingung zu versetzen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in zwei zueinander rechtwinkeligen Achsen bewegbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Schneidwerkzeug ist, das auf einem drehbaren Revolverkopf einer Drehmaschine befestigt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungssystem ein programmier-

bares, numerisch gesteuertes Bearbeitungssystem ist, das eine numerische Steuereinrichtung aufweist, welche unter der Leitung eines gewählten Bearbeitungsprogramms betreibbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Bestimmens der Position des Werkzeuges, wenn die Referenzoberflächeneinrichtung berührt wird und wenn das Werkstück berührt wird, außerdem den Schritt beinhalten, die Positionen zu speichern, wodurch die Differenzbildung der Positionen anschließend ausgeführt werden kann und das Bestimmen der Sollabmessung in der numerischen Steuereinrichtung ausgeführt werden kann.

11. Vorrichtung zum präzisen Aufnehmen der Oberfläche eines Schneidwerkzeuges, das in dem Koordinatenreferenzsystem einer Werkzeugmaschine positionierbar ist, um Schneidwerkzeugpositionssignale zur numerischen Steuerung zu liefern, gekennzeichnet durch:

eine Referenzoberfläche (52), die innerhalb des Koordinatenreferenzsystems an einer genau bekannten Stelle darin fest positioniert ist;

eine Einrichtung (54, 56), mittels welcher die Referenzoberfläche (52) in Schwingung versetzbar ist; eine Sensoreinrichtung (72), die in relativer Nähe des Schneidwerkzeuges (29) angeordnet ist und auf Schwingungen anspricht, die in dem Schneidwerkzeug (29) auftreten, um ein Signal zu liefern, das die Schwingungen anzeigt; Einrichtungen (18, 24) zum Positionieren des Schneidwerkzeuges (29) , um Kontakt zwischen der Schneidwerkzeugoberfläche (32) und der Referenzoberfläche (52) herzustellen; eine Einrichtung (46) zum Empfangen des die Schwingung angebenden Signals und der Schneidwerkzeugpositionssignale, wobei das die Schwingung angebende Signal bei dem Kontakt auftritt und wobei die Schneidwerkzeugpositionssignale die genaue Position der Werkzeugoberfläche (32) angeben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzoberfläche (52) durch wenigstens einen rechten Winkel gebildet ist/ um eine schwingende Referenzoberfläche parallel zu zwei orthogonalen Achsen (X, Z) bereitzustellen .

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzoberfläche (52) die Form eines langestreckten Stabes hat, der einen quadratischen Querschnitt rechtwinkelig zu seiner Längsachse hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung (72) ein Beschleunigungsmesser ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die die Referenzoberfläche (52) in Schwingung versetzt, wenigstens ein piezoelektrisches Element (54) aufweist, das an der Referenzoberfläche (52) befestigt ist, und einen Oszillator (56) , der die Erregung des piezoelektrischen Elements mit einer Ultraschallfrequenz bewirkt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzoberfläche (52) in einer Longitudinalmode in Schwingung versetzbar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsmesser (72) bei der Ultraschallerregerfrequenz in Resonanz ist.

18. Verfahren zum Messen der Abmessungen eines Werkstückes, das zur spanabhebenden Bearbeitung in einer Werkzeugmaschine befestigt ist, unter Verwendung des Schneidwerkzeuges der Werkzeugmaschine als Lehrmeßfühler, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Vorsehen einer Referenzoberfläche getrennt von der Werkstückhalterung an einer genau bekannten, festen Stelle innerhalb eines Koordinatenreferenzsystems der Werkzeugmaschine;

b) Versetzen der Referenzoberfläche in Schwingung;

c) Bringen der Schneidwerkzeugoberfläche in Kontakt mit der Referenzoberfläche und Erfassen des Auftretens des Kontakts durch Schwingungen über das Schneidwerkzeug mittels eines Schwingungssensors;

d) Verwenden des erfaßten Kontakts des Schrittes c) zum Ermitteln der Position der Schneidwerkzeugoberfläche;

e) Bringen der Schneidwerkzeugoberfläche, während das Werkstück in Bewegung ist, in Kontakt mit dem Werkstück in einem Punkt darauf, in welchem eine Abmessung bestimmt werden soll, und Erfassen des Auftretens des Kontakts durch Werkzeugreibungsschwingungen, die über das Schneidwerkzeug zu dem Schwingungsensor übertragen werden;

f) Bestimmen der Position der Werkstückoberfläche in dem Kontaktpunkt aus dem erfaßten Kontakt des Schrittes e); und

g) Bestimmen der Position der Werkstückoberfläche relativ zu einer Referenzposition innerhalb des Koordinatenreferenzsystems als ein Maß der Abmessung des Werkstückes.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück gedreht wird und daß die Referenzposition die Drehachse ist.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzoberfläche mit einer Ultraschallfrequenz in Schwingung versetzt wird und daß der Schwingungssensor ein Beschleunigungsmesser ist, der bei der Ultraschallfrequenz in Resonanz ist.