DE60032635T2

DE60032635T2 - Verfahren und vorrichtung zum testen von werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE60032635T2
Application number: DE60032635T
Authority: DE
Inventors: Sven Hjelm
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: CE Johansson AB
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: WO2001050083A1; US6715372B2; EP1247064B1; JP4704647B2; ATE349674T1; SE9904837D0; JP2003519368A; US6725735B2; US20030205099A1; US20020189379A1; SE514469C2; SE9904837L; EP1247064A1; DE60032635D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und andererseits eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Stand der Technik
In der Industrie werden in vielerlei Hinsicht verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen zum Bearbeiten und Herstellen verschiedener Teile eingesetzt. Zu diesem Zweck muss der Zustand solcher Maschinen überwacht werden können, um zum Beispiel Reparaturen und Einstellungen rechtzeitig vornehmen zu können, um so Ausfälle oder ungenau gefertigte Teile zu vermeiden. Das Ziel besteht darin, Veränderungen rasch erfassen und korrigieren zu können, bevor erhebliche und teure Mängel auftreten können.
Ein herkömmliches Verfahren zum Testen einer Maschine besteht in der Herstellung repräsentativer Teile und der anschließenden Überprüfung ihrer Abmessungen, um so die Funktionsfähigkeit der Maschine zu beurteilen. Diesbezüglich beobachtete Nachteile bestehen in der Verwendung von Werkzeugen und Testteilen sowie in der Erschwernis, Ergebnisse unterschiedlicher Tests zu vergleichen. Die Verwendung standardisierter Testteile erleichtert gewiss solche Vergleiche, erfordert dennoch weiterhin Testteile sowie Werkzeuge.
Ein weiteres Verfahren besteht in der Überwachung der Rigidität der Maschine in unterschiedlichen Richtungen, indem eine geeignete Kraft mit Hilfe eines hydraulischen Zylinders aufgebracht und die resultierende Auslenkung mit Hilfe einer Messschraube gemessen wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es zeitaufwendig ist und die Messung nicht während des Betriebs der Maschine durchgeführt werden kann.
Eine weitere bekannte Vorgehensweise besteht in der Verwendung eines speziellen Instruments, eines sogenannten "ball bar", das zwischen den Werkstückhaltern und den Werkzeughaltern eingebracht wird, um die Fähigkeit der Maschine zur Ausführung einer kreisförmigen Bewegung zu testen. Das Messzubehör in dem Instrument wird zur Aufzeichnung jeglicher Abweichungen von einem Kreis verwendet. Verschiedene solcher Tests können zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeführt und mitein ander verglichen werden, um Informationen über verschiedene Eigenschaften der Maschine zu erhalten, beispielsweise die Rundheit, das Servo-Ansprechverhalten, die Geradlinigkeit, das Spiel etc. Tests können ebenso unter verschiedenen Vorschubraten in unterschiedlichen Vorschubrichtungen und unter Verwendung von Stäben mit unterschiedlichen Längen durchgeführt werden, wobei die Werkstückhalter an verschiedenen Punkten angeordnet werden. Ein derartiges Testverfahren ist zum Beispiel in der US 5,111,590 gezeigt.
Es bleibt trotzdem der Nachteil bestehen, dass eine korrekte Beurteilung der Eigenschaften der Maschine unter Last nicht einfach zu erhalten ist.
Aufgaben der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein besseres Testen von Maschinen zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dies mit Hilfe einfacher Mittel zu erzielen.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen und andererseits mit Hilfe einer Anordnung mit den im Patentanspruch 11 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das Aufbringen einer vorbestimmten Kraft zwischen dem ersten und dem zweiten Element während einer gegenseitigen Verlagerung der beiden Elemente und das gleichzeitige Messen der resultierenden Deformation ermöglicht das Durchführen eines Maschinentests unter sehr viel produktionsähnlicheren Bedingungen, als es zuvor möglich war. Die Analyse kann weiter verfeinert werden, indem die Art und Weise, mit der die Verlagerung stattfindet, geändert wird, und zwar im Hinblick sowohl auf den Bewegungsverlauf als auch die Bewegungsrichtung, und indem ebenso die Größe der aufgebrachten Kraft verändert wird.
Die im Anschluss folgende Beschreibung sowie die Patentansprüche weisen auf weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hin.
Die Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Liste der Zeichnungen
In den Zeichnungen stellen dar:
1 eine schematische Ansicht einer Werkzeugmaschine mit einer Anordnung gemäß der Erfindung,
2 eine Draufsicht auf eine Anordnung gemäß der Erfindung,
3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Anordnung der 2,
4 und 5 Abweichungen in unterschiedlichen Richtungen zwischen den Maschinenelementen und unter unterschiedlichen Lasten, und
6 ein Lastdiagramm.
Beschreibung der Ausführungsformen
1 stellt eine Werkzeugmaschine 1 dar, die für die Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe eines an der Maschine befestigten Werkzeuges vorgesehen ist. Diese Maschine umfasst ein erstes Element 2 in Form einer Spindel sowie ein zweites Element 3 in Form eines Arbeitstisches, die relativ zueinander auf herkömmliche Weise in unterschiedliche Richtungen zum Bearbeiten eines Werkstücks (nicht dargestellt) bewegbar sind, das zum Anbringen an den Arbeitstisch und zur Bearbeitung durch ein in die Spindel eingeführtes Werkzeug vorgesehen ist. Das erste Element 2 wird von einem Spindelkopf 4 gehalten, der wiederum von einem Rahmen 5 gehalten wird, der ebenso das zweite Element 3 lagert. Um zu testen, wie sich die Maschine 1 bei einer gegenseitigen Verlagerung des erstes Elements 2 und des zweiten Elements 3 verhält, wird eine im Anschluss beschriebene und entsprechend der Erfindung ausgestaltete Testanordnung 6 zwischen das erste Element 2 und das zweite Element 3 geklemmt.
Gemäß den 2 und 3 umfasst die Testanordnung 6 einen herkömmlichen Messarm 7 vom Typ eines "ball bar" ("Kugelstange"), der an seinem einen Ende über ein Gelenk 8 mit einer Befestigung 9 (einem Ausleger) verbunden ist, der zur Befestigung in dem zweiten Element 2 der Maschine 1 vorgesehen ist, und der an seinem anderen Ende über ein Gelenk 10 mit einer Befestigung 11 (einem Ausleger) verbunden ist, der relativ zu dem zweiten Element 3 fixierbar ist. Ein teleskopisches Element 12 verbindet die zwei Gelenke 8 und 10 und ist intern mit Messzubehör (nicht dargestellt) versehen zum Aufzeichnen von Änderungen des Abstandes zwischen den Gelenken 8 und 10. Der Messarm 7 und sein Messzubehör können über eine elektrische Leitung 13 mit geeignetem externen Zubehör zum Aufzeichnen und Analysieren der Messergebnisse verbunden werden.
Die Testanordnung 6 umfasst ebenso eine Krafteinheit 14, die ähnlich dem Messarm 7 zur Fixierung zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck gibt es nicht nur eine Befestigung 15, die an dem ersten Element 2 fixiert wird, sondern ebenso eine Befestigung 16, die an dem zweiten Element 3 fixiert wird. Die Befestigung 16 lagert (trägt) über ein Lager 17 einen schwenkbar befestigten Arm 18, der an seinem freien Ende mit einem Bügel 19 verbunden ist, an dem zwei Kolbenstangen 20, 21 von zwei in einem Zylindergehäuse 22 angeordneten Arbeitszylindern angebracht sind. Das Zylindergehäuse 22 wird über eine Leitung 23 mit einem Arbeitsmedium versorgt und ist an dem Halter 15 fixiert, der um das erste Element 2 durch ein Lager 24 schwenkbar ist.
Die Krafteinheit 14 kann dazu verwendet werden, eine Kraft in beide Richtungen auszuüben, wodurch die beiden Befestigungen 15, 16 und daher ebenso das erste Element 2 und das zweite Element 3 auseinanderbewegt oder zusammengezogen werden, wenn die Testanordnung 6 gemäß 1 für deren Betrieb angebracht ist. Der Messarm 7 kann gleichzeitig dazu verwendet werden, den Betrag des sich ergebenden Abstandes zwischen den Elementen 2 und 3 zu bestimmen.
Die Ergebnisse einer Testreihe sind schematisch in 4 dargestellt, bei der die Maschine 1 derart programmiert war, dass das zweite Element 3 eine kreisförmige Bewegung um das erste Element 2 bei gleichzeitiger Kraftaufbringung zwischen den Elementen 2 und 3 ausführt. In diesem Diagramm befindet sich die Mitte 24 eines Koordinatensystems mit einer X-Achse und einer Y-Achse in dem ersten Element 2, wobei die Kurven a-f den Betrag der Abweichung, die sich aus unterschiedlichen Kräften ergibt, in unterschiedlichen Positionen zeigen. Im Falle der Kurven b, d und f, die mit Pfeilen versehen sind, fand die Bewegung, in Draufsicht in 1, im Uhrzeigersinn statt, während diejenige, die durch die anderen Kurven (a, c und e) dargestellt ist, im Gegenuhrzeigersinn verlief. Die aufgebrachte Kraft betrug 330N bei den Kurven a und b, 660N bei den Kurven c und d und 825N bei den Kurven e und f. In sämtlichen Fällen betrug die Vorschubrate 1000 mm/min. Wie zu sehen ist, nimmt der Betrag der Verlagerung mit der Höhe der aufgebrachten Kraft zu, allerdings unterschiedlich in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen.
5 zeigt schematisch die Ergebnisse einer Testreihe unter Bedingungen, die sich stark von denen der Testreihe in 4 unterscheiden. In diesem Fall wurde die Vorschubrate auf 5000 mm/min erhöht. Die aufgebrachte Kraft bei den Kurven a-d war gleich wie in 4, wurde aber bei den Kurven e und f auf 990N erhöht. Der Betrag der Abweichung erhöhte sich hier wiederum mit der Höhe der aufgebrachten Kraft und ist in unterschiedlichen Richtungen unterschiedlich, allerdings nicht in der Art und Weise wie in 4.
Die Diagramme in den 4 und 5 können als den "Fingerabdruck" in verschiedenen Situationen der Maschine bildend angesehen werden und stellen, unter anderem, Informationen darüber bereit, wie ihre Rigidität in unterschiedlichen Richtungen bei unterschiedlichen Lasten variiert. Sie stellen ebenso ein Bild der Genauigkeit dar, mit der die Maschine eine gewisse Art von Bewegung unter gegebenen Bedingungen ausführen kann.
Eine anderes Testergebnis ist in 6 dargestellt, bei der die Änderung der Geradlinigkeit S, gemessen in Mikrometer, als Funktion des Betrags der aufgebrachten Kraft F, angedeutet in N (Newton), gezeigt ist. Sie zeigt, dass die Änderung linear verläuft.
Es ist offensichtlich, dass weitere Arten von Tests weitere Arten von Informationen über die Maschine bereitstellen können. Es ist beispielsweise möglich, in einer spezifizierten Relativposition zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 3 Messungen sowohl mit zunehmender Kraft als auch mit abnehmender Kraft durchzuführen, um eine Beurteilung der Hystherese des Messsystems zu gewinnen. Dies ermöglicht es herauszufinden, wie die innere Reibung und die Elastizität in dem Messsystem kompensiert werden kann im Hinblick auf die unmittelbare Erzeugung zuverlässiger Messergebnisse.
Aus Präzisionsgründen müssen die verwendeten Lager 17 und 24 eine gute Genauigkeit, das heißt minimales Spiel, und gleichzeitig eine geringe Reibung besitzen. Gleit- oder Wälzlager, beispielsweise Nadellager, können zu dem Zweck geeignet sein, allerdings sind magnetische oder hydrostatische Lager ebenso verlockend, wenngleich auch teuer.
Die voranstehend beschriebenen Bewegungen verliefen im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene, allerdings gibt es natürlich keinen Grund, Bewegungen in einer Ebene mit einer anderen Orientierung, zum Beispiel in vertikaler Richtung, zu analy sieren. Eine verbesserte Version der herkömmlich hergestellten Gelenke 8 und 10, insbesondere im Hinblick darauf, hinreichend große Kräfte absorbieren zu können, könnte eine Integration der Krafteinheit 14 mit dem teleskopischen Element 12 ermöglichen. Gleichzeitig ist es ebenso möglich, die Gelenke 8 und 10 in drei Richtungen bewegbar auszugestalten, um den Test in einer beliebig erwünschten Richtung durchführen zu können. Eine integrierte Version erlaubt eine einfachere Montage und Demontage.
Die Signalübertragung von dem Messarm 7 ist hier über eine elektrische Leitung 13 dargestellt, es sind aber auch andere Versionen denkbar, zum Beispiel unter Verwendung einer drahtlosen Übertragung, um Probleme mit den elektrischen Leitungen bei den Drehbewegungen zu vermeiden.
In dem Fall der in 1 dargestellten Werkzeugmaschine ist das erste Element 2 fixiert, während das zweite Element 3 in einer Ebene senkrecht zu der Zeichenebene bewegbar ist. Es gibt natürlich keinen Grund, das zweite Element 3 stattdessen zu fixieren, während das erste Element 2 bewegbar sein kann. Eine Kombination solcher Bewegungen ist ebenso möglich, abhängig davon, was in dem speziellen Fall notwendig und erwünscht ist.
Die voranstehend beschriebene Krafteinheit 14 kann innerhalb des Bereichs der Erfindung ebenso eine Anzahl unterschiedlicher Formen annehmen, zum Beispiel ist es möglich, dass der Arm 18 stattdessen die Form eines Zylindergehäuses annimmt. Es ist ebenso möglich, einen einzelnen Zylinder anstelle von zwei etc. zu verwenden.
Wie zuvor angedeutet dienen die beiden Befestigungen 15 und 16 dazu, eine Belastung des ersten Elements 2 und des zweiten Elements 3 durch die Krafteinheit 14 zu ermöglichen, und dementsprechend müssen die Befestigungen innerhalb des Bereichs der Erfindung in Übereinstimmung mit der jeweiligen Art von Maschine eingerichtet sein.
Diagramme von der in den 4-6 dargestellten Art können zum Berechnen einer großen Anzahl unterschiedlicher Parameter verwendet werden, die das Verhalten der Maschine unter Last kennzeichnen. Die Präzision in Bezug auf die kreisförmige Bewegung kann abgelesen werden, es kann aber auch die Präzision linearer Bewegungen und anderer Arten von zusammengesetzten Bewegungen berechnet werden. Die Kraftabhängigkeit sieht ein gutes Indiz für die Qualität der Maschine dahingehend vor, dass eine geringe Kraftabhängigkeit eine gute Qualität und gute Präzision an deutet, während eine große Kraftabhängigkeit eine weniger gute Qualität und geringerwertige Präzision andeutet.
Zusätzlich können die gemessenen Werte, die sich aus dem Testen einer gewissen Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung ergeben, dazu verwendet werden, Korrekturen in dem Steuerprogramm der betreffenden Maschine vorzunehmen, um eine Abweichung unter verschiedenen Lastsituationen zu korrigieren. Die Genauigkeit der Maschine kann auf diese Weise deutlich verbessert werden. Der wirtschaftliche Zu gewinn kann signifikant sein, falls relativ kostengünstige Maschinen anstelle von teuren Hochpräzisionsmaschinen aus diesem Grund verwendet werden könnten. Die erhaltenen Messwerte können ebenso bei der digitalen Simulation des tatsächlichen Bearbeitungsprozesses verwendet werden, um ein realistischeres Bild dieses Prozesses vorzusehen.

Claims

Verfahren zum Testen einer Werkzeugmaschine, bei der ein erstes Element (2), das zum Lagern eines Bearbeitungswerkzeugs vorgesehen ist, und ein zweites Element (3), das zum Lagern eines Werkstücks vorgesehen ist, in vorgebbaren Bewegungsmustern zueinander bewegbar sind, und wobei ein Messarm (7) zwischen dem ersten und zweiten Element angeordnet ist, die daraufhin zueinander in einem vorbestimmten Sollbewegungspfad zueinander verlagert werden, und wobei der sich ergebende tatsächliche Bewegungspfad mittels des Messarms aufgezeichnet wird, woraufhin ein Vergleich zwischen dem Sollbewegungspfad und dem tatsächlichen Bewegungspfad ausgeführt und als Hinweis auf den Maschinenzustand verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorbestimmte Kraft zwischen dem ersten Element (2) und dem zweiten Element (3) im Wesentlichen in der Längsrichtung des Messarms (7) in verschiedenen Relativpositionen zwischen dem ersten und dem zweiten Element aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Kraft kontinuierlich während einer Relativbewegung zwischen den beiden Elementen (2, 3) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (2, 3) in einem kreisförmigen Sollpfad relativ zueinander verlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbewegung in einander entgegengesetzten Richtungen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreisbewegung mit unterschiedlichen Radien ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ähnliche Bewegungsmuster mit verschiedenen Maschinenvorschubraten ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung mit einer Vorschubrate ausgeführt wird, die für die Maschine normal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung in einer Ebene ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung in drei Dimensionen ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der vorbestimmten Kraft verändert wird, gefolgt von einer Wiederholung der Bewegung.
Anordnung zum Einsatz beim Testen einer Werkzeugmaschine, bei der ein erstes Element (2) und ein zweites Element (3) relativ zueinander verlagerbar sind, wobei diese mit einem Messarm (7) versehen ist, der an seinen Enden Befestigungsvorrichtungen (9, 11) für eine Gelenkfixierung jeweils an dem ersten Element (2) und dem zweiten Element (3) aufweist, um zu ermöglichen, dass Positionsveränderungen zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Krafteinheit (14) parallel zu dem Messarm (7) angeordnet ist und dazu angeordnet ist, um eine vorbestimmte Kraft im Wesentlichen parallel zu dem Messarm auf das erste Element (2) und das zweite Element (3) auszuüben.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (14) wenigstens einen Arbeitszylinder umfasst.
Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinheit (14) nicht nur mit einer Befestigung (15) zum Fixieren an dem ersten Element (2) versehen ist, sondern auch mit einer Befestigung (16) zum Fixieren an dem zweiten Element (3), und dass diese Befestigungen mit einem Lager (24, 17) versehen sind, das eine Drehung der Krafteinheit zulässt.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Fixieren an dem zweiten Element (3) vorgesehene Befestigung (16) mit Vorrichtungen zum Fixieren von einem Ende an dem Messarm (7) versehen ist.