EP2195714A1 - Method for determining a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool - Google Patents

Method for determining a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool

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EP2195714A1
EP2195714A1 EP08803973A EP08803973A EP2195714A1 EP 2195714 A1 EP2195714 A1 EP 2195714A1 EP 08803973 A EP08803973 A EP 08803973A EP 08803973 A EP08803973 A EP 08803973A EP 2195714 A1 EP2195714 A1 EP 2195714A1
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EP
European Patent Office
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machine tool
section
tool section
model
change
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08803973A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Moshe Israel Meidar
Wolfgang Horn
Thomas Bayha
Ralph Davis
Karl-Heinz Scharschmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Universitaet Hannover
MAG IAS GmbH Eislingen
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
MAG Powertrain GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover, MAG Powertrain GmbH filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Publication of EP2195714A1 publication Critical patent/EP2195714A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49206—Compensation temperature, thermal displacement, use measured temperature
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49207—Compensate thermal displacement using measured distance
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49219—Compensation temperature, thermal displacement

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool, wherein the machine tool section is movable along a machine tool axis.
  • a method for the compensation of errors of a position control of a reference point of a controllable in at least one axis machine wherein the position control comprises a path control, a device for position detection and a control device.
  • the following method steps are provided: detecting the current position of all the axes participating in the path control, calculating the current position of the reference point from the current positions of the axes involved in the path control, calculating the deformation of the machine as a function of variables leading to a deformation of the machine and the current positions of the axes involved in the path control, and correction of the calculated current position of the reference point as a function of the current deformation of the machine.
  • DE 198 48 642 A1 discloses a method for compensating for temperature-related dimensional deviations in the machine geometry, in particular a machine tool or a robot, in which user inputs are carried out in a first coordinate system and a conversion into a second coordinate system is carried out in order to control signals for the machine Axis drives to determine known.
  • the compensation of temperature-related dimensional deviations occurs before the conversion of the coordinates from the first to the second coordinate system.
  • a measuring system and communication system for thermal errors in a machine tool is known. It is provided a module which serves to compensate for thermal errors of the machine tool.
  • the module includes an operational part, a database, an analog-to-digital converter, a counter and a digital input / output.
  • the operational part all determines the coefficients of a model equation for the thermal error that dictates the relationship between temperatures and thermal errors at different operating conditions.
  • a machine tool which is controlled by a process comprising the steps of measuring geometrical and thermal errors, providing a global differential machine tool position model and using this model to control the real time compensation of the machine tool operation.
  • a controller modifies the position feedback signals used by the machine to compensate for geometrical and thermal errors dictated by the model.
  • the machine tool can only under constant Environmental conditions are operated. However, this requires a complex air conditioning of an environment of the machine tool. To improve the machining accuracy, the machine tool can also be operated only in a warmed-up state. During such a warm-up phase, however, the machine tool can not be used productively.
  • the present invention has the object to provide a method of the type mentioned, with which the change in position of the machine tool section can be determined as simple as possible.
  • a deformation model of the machine tool is created, which indicates a relationship between the position change to be determined and at least one input relative to the machine tool axis, wherein the at least one input variable comprises at least one temperature value, and for determining the thermally induced position change, the at least one input variable is detected and entered into the deformation model.
  • a particularly simple deformation model can be specified.
  • This refers to a machine tool axis along which the machine tool section is movable is.
  • the deformation model is only created once and allows the determination of a thermally induced change in position of the machine tool section as a function of a varying input variable.
  • the input variable comprises at least one temperature value, since this has a significant influence on the thermally induced change in position of the machine tool section.
  • the relationship between the position change to be determined and at least one input variable of the deformation model is applied linearly. This makes it possible to specify a proportional assignment rule between a variable input variable and a position change of the machine tool section to be determined on the basis of a detected input variable.
  • the deformation model is created independently of an operating state of the machine tool.
  • a particularly simple deformation model can be provided, which has validity for all operating states of the machine tool, in particular for different temperature states of the machine tool.
  • At least one input variable is detected during operation of the machine tool and entered into the deformation model. This allows a timely and simple determination of a thermally induced change in position of the machine tool section.
  • the machine tool section comprises at least one workpiece carrier or is formed by a workpiece carrier.
  • the machine tool section detects a tool carrier or is formed by a tool carrier. By determining a thermally induced deviation of such a tool carrier, this can be compensated, for example, by a corresponding control of the tool carrier, but also by a corresponding control of a workpiece carrier of the machine tool.
  • the machine tool section comprises at least one carriage or is formed by such a carriage.
  • a carriage can serve, for example, for arranging a tool carrier and / or workpiece carrier displaceably mounted on the carriage.
  • the at least one input variable of the deformation model comprises an ambient temperature of the machine tool.
  • the ambient temperature of the machine tool has a particularly great influence on changes in position of the machine tool section. This is because the ambient temperature of the entire machine tool is imprinted.
  • the at least one input variable of the deformation model comprises a reference temperature detected at the machine tool.
  • this reference temperature corresponds to the ambient temperature.
  • a transient state of Machine tool deviates from the reference temperature of the ambient temperature, so that based on the reference temperature a more accurate determination of a change in position of the machine tool section is possible.
  • the reference temperature is detected at or in a machine tool area, which is at least substantially unaffected by heat sources of the machine tool.
  • a machine tool area which is at least substantially unaffected by heat sources of the machine tool.
  • an unaffected by internal machine heat sources heating or cooling of the entire machine tool can be detected. This heating or cooling causes corresponding changes in length of all parts of the machine tool.
  • the machine tool comprises at least one machine tool part, which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section.
  • This allows the determination of a change in length of a machine tool part.
  • This change in length at least proportionally influences the change in position of the machine tool section.
  • the at least one machine tool part is stationary. This allows the determination of a change in length, which is independent of other machine tool parts.
  • the at least one machine tool part is a
  • Machine bed and / or a machine frame is formed by a machine bed and / or a machine frame.
  • These machine tool parts experience a particularly large change in length when the ambient temperature and / or the reference temperature of the machine tool changes. They therefore have a great influence on the change in position of the machine tool section.
  • the at least one machine tool part comprises a position measuring device for detecting the relative position of the machine tool section and a stationary machine tool part or is formed by such a position measuring device.
  • a detected relative position can be used, for example, as a controlled variable for controlling a drive device for driving the machine tool section.
  • the at least one input variable of the deformation model comprises the relative position of the machine tool section and of a stationary machine tool part. This makes it possible to determine a change in position of the machine tool section not only as a function of a temperature value, but additionally as a function of the relative position of the machine tool section and of the stationary machine tool part.
  • the deformation model preferably contains a model element assigned to the machine tool section.
  • a change in length of the machine tool section can be determined with the aid of such a model element.
  • the model element indicates a relationship between an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected on the machine tool, on the one hand, and a change in length of the machine tool section related to the machine tool axis, on the other hand.
  • thermally induced shortening or extensions of the machine tool section can be determined.
  • the above relationship is applied linearly.
  • a linear relationship is determined, for example, by an expansion coefficient of the material of the machine tool section and by the length of the machine tool section in a direction parallel to the tool machine axis and at a reference temperature.
  • the deformation model contains a model element which is assigned to a machine tool part which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section. This allows a separate determination of a change in length of the machine tool part.
  • model element associated with the machine tool part indicates a relationship between an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected on the machine tool and a change in length of the machine tool part related to the machine tool axis.
  • a linear input to the next inlet connexion in particular a coefficient of expansion of the machine tool part and the length of the tool machine part at a reference temperature, for example at 20 0 C.
  • the machine tool comprises a working space and if the at least one input variable of the deformation model a work space position of the machine tool section comprises. This allows a particularly simple spatial assignment of different changes in length of the machine tool section and at least one machine tool part.
  • the at least one input variable of the deformation model comprises a temperature value which is detected at at least one heat source of the machine tool.
  • a temperature value which is detected at at least one heat source of the machine tool.
  • Heat sources conditional local temperature influences are taken into account.
  • a local temperature influence can cause a deformation of the machine tool, which causes a displacement of the machine tool section.
  • Such a displacement has at least a proportionate influence on the position change of the machine tool section to be determined.
  • the at least one heat source acts directly on the machine tool section.
  • a heat source can be, for example, a coupling device, by means of which the machine tool section is coupled to a drive device for driving the machine tool section.
  • a drive device for driving the machine tool section This may be, for example, the rotor of a linear drive or the spindle nut of a ball screw drive.
  • a coupling device constitutes a heat source which deforms at least the machine tool section and thus contributes to a change in position of this machine tool section.
  • the at least one heat source acts directly on a machine tool part, which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section.
  • a heat source is, in particular, a drive device for driving the machine tool section.
  • a consideration of such a heat source is particularly advantageous in drive devices, which are high performance and therefore can heat up significantly during operation of the machine tool.
  • the deformation model contains at least one model element which indicates a relationship between a temperature difference and a displacement of the machine tool section relative to the machine tool axis, wherein the temperature difference is determined by the difference of a temperature value detected at the at least one heat source to an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected at the machine tool.
  • the relationship between the temperature difference and the displacement of the machine tool section relative to the machine tool axis is a linear relationship. This allows a particularly simple determination of a displacement of the machine tool section, which at least partially determines the change in position of the machine tool section.
  • a coefficient characterizing the linear relationship it is advantageous to perform a finite element simulation.
  • a temperature distribution applied above the machine tool and, based on this temperature distribution, a displacement of the temperature Machine tool section is calculated.
  • the coefficient can then be determined by dividing the calculated displacement by the predetermined temperature difference.
  • the parameter of the heat source can be specified in particular as heat output, heat flow and / or temperature difference.
  • the temperature distribution is stationary. This allows the neglect of dynamic temperature influences and thus a simplification of the deformation model.
  • the deformation model contains different heat sources of the machine tool separately assigned model elements. This makes it possible to provide a deformation model with which a change in position of the machine tool section can be accurately determined even at different temperatures of different heat sources.
  • displacements of the machine tool section determined using various model elements of the deformation model are superimposed on one another in order to further increase the accuracy for determining the change in position of the machine tool section.
  • the deformation model includes a model element associated with the machine tool section and / or a model element associated with a machine tool part which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section, and / or a model element that is a heat source of the machine tool is associated with that the deformation model contains at least two different model elements and that with the help of these different model elements certain changes in length and / or displacements of the machine tool section and / or the machine tool part each other be superimposed. This allows a particularly accurate and comprehensive determination of the change in position of the machine tool section composed of individual changes in length and / or displacements.
  • the invention further relates to a method for compensating a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool.
  • the invention has the further object of specifying a method which allows a simple and accurate compensation of a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool.
  • thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool is determined by a method described above and that the determined in this way thermally induced position change is used as a control variable for driving a position changing means of the machine tool section.
  • the position change device is formed for example by a drive device or an adjusting device.
  • Figure 1 is a perspective view of an embodiment of a machine tool
  • Figure 2 is a side view of the machine tool of Figure 1;
  • Figure 3 is a symbolic representation of a deformation model for use in the machine tool of Figure 1;
  • Figure 4 is a schematic side view of the machine tool
  • Figure 5 is a schematic side view of the machine tool of Figure 1 in a due to the temperature distribution according to FIG.
  • FIG. 6 shows a representation of temperature values acquired during operation of the machine tool from FIG. 1;
  • FIG. 7 is an illustration of a time course of a change in position of a machine tool section of the machine tool from FIG. 1 using the temperature values shown in FIG. 6 and using the deformation model from FIG. 3; 8 shows a representation in which with the aid of the deformation model
  • FIG. 1 shows an embodiment of a machine tool 10 is shown in perspective.
  • the machine tool 10 has a machine bed 12 with which the machine tool 10 can be placed on a base. Furthermore, the machine tool 10 comprises a machine frame 14, which extends substantially perpendicular to the machine bed and is fixedly connected to the machine bed 12.
  • the machine tool 10 has a workpiece carrier 16 which is movable relative to the machine bed 12.
  • the machine tool 10 further has a tool carrier 18 in the form of a spindle.
  • the tool carrier 18 may also be formed by a quill.
  • the tool carrier 18 is arranged on a first carriage 20.
  • the first carriage 20 in turn is mounted on a second carriage 22.
  • the second carriage 22 is movably mounted on the machine frame 14.
  • the carriages 20 and 22 form a cross slide unit.
  • the workpiece carrier 16 is movable along a machine tool axis 24.
  • This machine tool axis is the z-axis of the machine tool 10 in the embodiment shown in the drawing.
  • the second carriage 22 is movable relative to the machine frame 14 along an x-axis of the machine tool 10. To this end, the carriage 20 can be moved with the tool carrier 18 along a y-axis relative to the second carriage 22.
  • the machine tool 10 has a drive device 26 for driving the workpiece carrier 16 along the machine tool axis 24.
  • the drive device 26 comprises a drive motor 28 fastened to the machine bed 12.
  • the drive motor 28 acts via a spindle, not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, on a coupling device 30 of the workpiece carrier 16.
  • the coupling device 30 is formed in the form of a spindle nut 32.
  • the machine tool 10 further comprises a position measuring device 34 in the form of a linear scale 36.
  • the linear scale 36 is connected at the level of a relative to the extension of the linear scale 36 central position at a coupling point 38 fixed to the machine bed 12. Starting from the coupling point 38, a front portion 40 of the linear scale 36 may extend in a positive (z) direction along the machine tool axis 24. A rear portion 42 of the linear scale 36 may extend from the coupling point 38 along the machine tool axis 24 in the negative (z) direction.
  • the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18 are movable within a working space 44.
  • both the working space positions of the workpiece carrier 16 and the working space positions of the tool carrier 18 must be matched to one another.
  • the working space position of the workpiece carrier 16 can be changed by a corresponding control of the drive device 26.
  • the machine tool 10 is exposed to thermal influences, for example an increase in the ambient temperature, the machine tool 10 is subject to thermally induced changes in length and displacements.
  • the workpiece carrier 16 forms a machine tool section 48 whose thermally induced position change is to be determined relative to the machine tool axis 24 (z-axis).
  • the position measuring device 34 forms a machine part 50 which is directly kinematically coupled to the machine tool section 48.
  • the machine bed 12 forms a machine tool part 52 that is coupled indirectly (with the interposition of the position measuring device 34) kinematically to the machine tool section 48.
  • the machine tool part 52 may alternatively also comprise the machine bed 12 in combination with the machine frame 14.
  • the drive motor 28 which forms a heat source 54, heats up.
  • the heat source 54 acts directly on the machine tool part 52 in the form of the machine bed 12.
  • the coupling device 30 of the machine tool section 48 in the form of the workpiece carrier 16 also heats up and is regarded as a heat source 56 for the following considerations.
  • the heat source 56 acts directly on the machine tool section 48.
  • the machine tool 10 is equipped with a plurality of temperature sensors.
  • a first temperature sensor 58 is arranged at the level of the coupling point 38 on the position-measuring device 34. With the aid of the temperature sensor 58, a reference temperature of the machine tool 10 can be determined.
  • the machine tool 10 comprises a temperature sensor 60. This is arranged on the heat source 54 in the form of the drive motor 28. Another temperature sensor 62 is arranged on the heat source 56 in the form of the coupling device 30.
  • a deformation model 64 shown symbolically in FIG. 3 is used. With the aid of the deformation model 64, a thermally induced change in position 68 of the machine tool section 48 can be determined on the basis of input variables 66 detected during operation of the machine tool 10.
  • the deformation model 64 includes a plurality of model elements.
  • a model element 70 is assigned to the machine tool section 48.
  • Another model element 72 is assigned to the machine tool part 50.
  • Another model element 74 is assigned to the machine tool part 52.
  • Another model element 76 is associated with the heat source 54.
  • Another model element 78 is associated with the heat source 56.
  • the model element 70 contains an equation of the form:
  • the factor alpha is determined by the material of which the machine tool section 48 is made.
  • the reference length corresponds to the Initial length of the machine tool section 48 in parallel to the machine tool axis 24 direction at a reference temperature T Be train, for example at 20 0 C.
  • the reference temperature T Re fe r enz (reference numeral 80, Figure 3) is detected by means of the temperature sensor 58. In this way, a change in length 82 can be determined with the aid of the model element 70.
  • the model element 72 contains an equation of the form:
  • the coefficient of the model element 72 results from the product of "alpha" and a reference length.
  • the factor alpha is determined by the material of the machine tool part 50.
  • Length change 84 of the machine tool part 50 to a shortening of the distance 93 On this basis, the model element 72 of the deformation model 64, a further input variable 66 in the form of a relative position 100 is supplied.
  • the relative position 100 indicates the position of the machine tool section 48 relative to the stationary machine tool part 52.
  • the working space position of the machine tool section 48 could also be used as a further input variable 66.
  • the reference length can thus by difference formation from the relative position 100 and half the length of the machine tool part 50 in parallel to the machine tool axis 24 direction at a reference temperature T Be train (for example at 20 0 C) are determined.
  • a reference temperature T Be train for example at 20 0 C
  • a linear relationship between the reference temperature 80 (T Re fe r enz) and a thermally induced change in length 84 of the machine tool part 50 can be specified.
  • the coefficient of a linear relationship between a change in length of the machine tool part 52 and the reference temperature 80 is determined by the material of the machine bed 12 and by a reference length of the machine bed at a reference temperature. In this way, a thermally induced change in length 86 of the machine tool part 52 can be determined.
  • a temperature value 88 of the heat source 54 can be detected.
  • a temperature value 90 of the heat source 56 can be detected.
  • the model element 76 contains an equation of the form:
  • Shift C * (Twarmepondere - T Re fe r enz) -
  • resulting deformations of the machine tool 10 can be calculated (see FIG. 5).
  • the machine bed 12 bends or bends due to the influence of the heat source 54, so that the machine frame 14 and thus the tool carrier 18 with respect to the machine tool axis 24 (z-axis) shift in the negative direction. This leads to an enlargement of the distance 93 shown in FIG. 2 between the tool carrier 18 and the workpiece carrier 16.
  • a thus determined increase of the distance 93 is equal to the above-mentioned coefficient "c" multiplied by a temperature difference, which can be assumed for the calculation of the temperature distribution according to FIG. 4, or which occurs when a heat output or a heat output is specified
  • the temperature difference is determined, for example, by the difference between a temperature assumed for the heat source 54 and a reference temperature, for example 20 ° C.
  • the abovementioned coefficient "c" is now obtained by simple division from the magnification calculated using the finite element simulation the distance 93 and the said temperature difference.
  • a displacement 92 can now be calculated, knowing the coefficient "c", based on the temperature values 80 (reference temperature) and 88 (temperature of the heat source 54) detected during operation of the machine tool.
  • the model element 78 which is associated with the heat source 76, corresponds in its construction to the model element 76.
  • the procedure for determining a coefficient of the model element 78 can be as described above, in which case it is not heat input by the heat source 54 but heat input is assumed by the heat source 56.
  • a displacement 94 can then be determined with the aid of the model element 78 on the basis of the temperature values 80 (reference temperature) and 90 (temperature of the heat source 56).
  • a plurality of different coefficients "c" can also be determined in each case and stored in the model elements. These different coefficients can be determined in particular on the basis of different positions of the carriages 20 and / or 22 in the x-direction and / or y-direction.
  • the model elements 76 and 78 for determining a displacement 92 or 94, then, depending on the current position, the carriages 20 and / or 22 can be resorted to a corresponding coefficient.
  • the length changes 82, 84, 86 determined as above and the displacements 92 and 94 are superimposed on one another with the aid of a linking unit 98.
  • the kinematic structure of the machine tool 10 is taken into account, so that said length changes and displacements can be added with correctness.
  • FIG. 6 shows, by way of example, time profiles of the temperature values 80, 88, 90, which were respectively recorded with the aid of the temperature sensors 58, 60 and 62 during operation of the machine tool 10. Based on these temperature profiles and using the deformation model 64 For example, the length changes 82, 84, 86 and displacements 92, 94 shown in FIG. 7 over their time course can be determined and linked to a thermally induced change in position 68 of the machine tool section 48.
  • the displacement 82 due to the change in length of the machine tool section 48 is assumed in the negative z-direction, since the coupling point 30 is arranged offset relative to the z-axis in the positive z-direction to the center of the machine tool section 48. As a result, a length extension of the tool machine section 48 causes a shortening of the distance 93 between the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18.
  • the displacement 94 caused by the heat input of the heat source 56 is also assumed in the negative z direction, since the displacement 94 effects a shortening of the distance 93 between the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18.
  • the change in length 84 of the machine tool part 50 in the form of the position measuring device 34 is assumed in the positive z-direction.
  • the change in length 86 of the machine tool part 52 and the displacement 92 due to the heat source 54 are assumed in the positive direction.
  • FIG. 8 shows the change in position of the machine tool section 48 determined in this way over time.
  • FIG. 8 also shows a real position change 102 detected during operation of the machine tool 10.
  • the real change in position 102 of the machine tool section 48 can be measured, for example, with the aid of a laser interferometer.
  • FIG. 8 also shows a curve 104 which indicates the difference between the real position change 102 measured in each case at a specific point in time and the position change 68 calculated for this point in time with the aid of the deformation mode 64.
  • the real change in position 102 of the machine tool section 48 can reach values of more than 50 ⁇ m.
  • the calculated position changes 68 only deviate from the real position changes 102 by a maximum of less than 10 ⁇ m.
  • the drive device 26 of the machine tool section 48 can be actuated taking into account a position change reversed for this purpose. In this way, a thermally induced change in position of the machine tool section 48 can be at least largely compensated.
  • the deviation between the calculated position change 68 and the real position change 102 results from the fact that 64 stationary states are assumed for the individual model elements 70 to 78 of the deformation model.
  • a temperature value correlates linearly with a change in length and / or a displacement. In reality, such occurs Length change and / or displacement, however, with a time delay to a change in a temperature value, so that the real length changes and / or displacements are initially smaller than the length changes and / or displacements calculated using the model elements. It can be seen from FIG. 8 that in a steady-state thermal state of the machine tool 10, the calculated position changes 68 and the real position changes 102 approach each other to an identical value.
  • the determination and compensation of the change in position 68 was explained by the example of the machine tool section 48, which can be moved along the z-axis of the machine tool 10, in the form of the workpiece carrier 16.
  • a corresponding determination and compensation of changes in position can alternatively or additionally be carried out for the machine tool sections movable along the x-axis and / or the y-axis of the machine tool in the form of the tool carrier 18, the carriage 20 and / or the carriage 22.

Abstract

In order improve methods for determining a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool, wherein the machine tool section can be moved along a machine tool axis, such that the change in position of the machine tool section can be determined in a manner that is as easy as possible, the invention provides that a deformation model of the machine tool is created, which indicates a relationship between the change in position to be determined and at least one input variable, relative to the machine tool axis, wherein the at least one input variable has at least one temperature value, and the at least one input variable is detected for determining the thermally induced change in position and is input into the deformation model.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer thermisch bedingten Method for determining a thermally induced
Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer WerkzeugmaschinePosition change of a machine tool section of a machine tool
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer thermisch bedingten Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer Werkzeugmaschine, wobei der Werkzeugmaschinenabschnitt entlang einer Werkzeugmaschinenachse bewegbar ist.The invention relates to a method for determining a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool, wherein the machine tool section is movable along a machine tool axis.
Aus der DE 103 12 025 Al ist ein Verfahren zur Kompensation von Fehlern einer Positionsregelung eines Bezugspunkts einer in mindestens einer Achse steuerbaren Maschine bekannt, wobei die Positionsregelung eine Bahnsteuerung, eine Einrichtung zur Positionserfassung und eine Regeleinrichtung aufweist. Es sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen : Erfassen der aktuellen Position aller an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen, Berechnen der aktuellen Position des Bezugspunktes aus den aktuellen Positionen der an der Bahnsteuerung beteiligten Achsen, Berechnen der Verformung der Maschine in Abhängigkeit von Größen, die zu einer Verformung der Maschine führen können, und der aktuellen Positionen der an der Bahnsteuerung beteiligten Ach- sen, und Korrektur der berechneten aktuellen Position des Bezugspunktes in Abhängigkeit der aktuellen Verformung der Maschine.From DE 103 12 025 Al a method for the compensation of errors of a position control of a reference point of a controllable in at least one axis machine is known, wherein the position control comprises a path control, a device for position detection and a control device. The following method steps are provided: detecting the current position of all the axes participating in the path control, calculating the current position of the reference point from the current positions of the axes involved in the path control, calculating the deformation of the machine as a function of variables leading to a deformation of the machine and the current positions of the axes involved in the path control, and correction of the calculated current position of the reference point as a function of the current deformation of the machine.
Aus der DE 198 48 642 Al ist ein Verfahren zur Kompensation von temperaturbedingten Maßabweichungen in der Maschinengeometrie, insbesondere einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, bei dem Benutzer-Eingaben in einem ersten Koordinatensystem durchgeführt werden und eine Umrechnung in ein zweites Koordinatensystem erfolgt, um Steuersignale für die Achsantriebe zu bestimmen, bekannt. Die Kompensation von temperaturbedingten Maßabweichungen erfolgt vor der Umrechnung der Koordinaten aus dem ersten in das zweite Koordinatensystem. Aus der US 6,167,634 Bl ist ein Meßsystem und Kommunikationssystem für thermische Fehler in einer Werkzeugmaschine bekannt. Es ist ein Modul vorgesehen, welches zur Kompensation von thermischen Fehlern der Werkzeugmaschine dient. Das Modul umfasst einen operativen Teil, eine Datenbank, einen Analog-in-Digital-Konverter, einen Zähler und einen digitalen Eingang/Ausgang. Der operative Teil bestimmt alle die Koeffizienten einer Modellgleichung für den thermischen Fehler, die die Beziehung zwischen Temperaturen und thermischen Fehlern bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen vorgibt.DE 198 48 642 A1 discloses a method for compensating for temperature-related dimensional deviations in the machine geometry, in particular a machine tool or a robot, in which user inputs are carried out in a first coordinate system and a conversion into a second coordinate system is carried out in order to control signals for the machine Axis drives to determine known. The compensation of temperature-related dimensional deviations occurs before the conversion of the coordinates from the first to the second coordinate system. From US 6,167,634 Bl a measuring system and communication system for thermal errors in a machine tool is known. It is provided a module which serves to compensate for thermal errors of the machine tool. The module includes an operational part, a database, an analog-to-digital converter, a counter and a digital input / output. The operational part all determines the coefficients of a model equation for the thermal error that dictates the relationship between temperatures and thermal errors at different operating conditions.
Aus der US 6,269,284 Bl ist eine Werkzeugmaschine bekannt, welche durch einen Prozess gesteuert wird, welcher die Schritte der Messung von geometrischen und thermischen Fehlern umfasst, Schaffung eines globalen differen- ziellen Werkzeugmaschinenpositionsmodells und Benutzung dieses Modells, um die Echtzeitkompensation der Werkzeugmaschinenoperation zu steuern. Ein Controller modifiziert die Positionsrückkopplungssignale, welche durch die Maschine verwendet werden, um geometrische und thermische Fehler vorgegeben durch das Modell zu kompensieren.From US 6,269,284 Bl a machine tool is known which is controlled by a process comprising the steps of measuring geometrical and thermal errors, providing a global differential machine tool position model and using this model to control the real time compensation of the machine tool operation. A controller modifies the position feedback signals used by the machine to compensate for geometrical and thermal errors dictated by the model.
Aus der EP 1 300 738 A2 ist eine Offsetvorrichtung für eine NC-Werkzeugmaschine bekannt.From EP 1 300 738 A2 an offset device for an NC machine tool is known.
Die thermisch bedingten Positionsänderungen eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer Werkzeugmaschine haben einen erheblichen Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit, die mit Hilfe der Werkzeugmaschine erreicht werden kann.The thermally induced changes in position of a machine tool section of a machine tool have a considerable influence on the machining accuracy which can be achieved with the aid of the machine tool.
Um eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erreichen, ist es möglich, eine thermisch bedingte Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts zu minimieren. Beispielsweise kann die Werkzeugmaschine nur unter konstanten Umgebungsbedingungen betrieben werden. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Klimatisierung einer Umgebung der Werkzeugmaschine. Zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit kann die Werkzeugmaschine auch ausschließlich in einem warmgelaufenen Zustand betrieben werden. Während einer solchen Warmlaufphase kann die Werkzeugmaschine jedoch nicht produktiv eingesetzt werden.In order to achieve a high machining accuracy, it is possible to minimize a thermally induced change in position of the machine tool section. For example, the machine tool can only under constant Environmental conditions are operated. However, this requires a complex air conditioning of an environment of the machine tool. To improve the machining accuracy, the machine tool can also be operated only in a warmed-up state. During such a warm-up phase, however, the machine tool can not be used productively.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit einer steuerseitigen Kompensation einer thermisch bedingten Positionsänderung des Werkzeugmaschinen- abschnitts. Wenn der Betrag und die Richtung einer thermisch bedingten Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts bekannt sind, kann die Positionsänderung bei der Steuerung der Bewegung des Werkzeugmaschinenabschnitts berücksichtigt werden, um die Positionsänderung zu kompensieren.However, there is also the possibility of a control-side compensation of a thermally induced change in position of the machine tool section. If the magnitude and direction of a thermally induced position change of a machine tool section are known, the position change in the control of the movement of the machine tool section can be taken into account to compensate for the position change.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem die Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts möglichst einfach bestimmt werden kann.On this basis, the present invention has the object to provide a method of the type mentioned, with which the change in position of the machine tool section can be determined as simple as possible.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Verformungsmodell der Werkzeugmaschine erstellt wird, welches bezogen auf die Werkzeugmaschinenachse einen Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden Positionsänderung und mindestens einer Eingangsgröße angibt, wobei die mindestens eine Eingangsgröße mindestens einen Temperaturwert umfasst, und das zur Bestimmung der thermisch bedingten Positionsänderung die mindestens eine Eingangsgröße erfasst und in das Verformungsmodell eingegeben wird.This object is achieved in a method of the type mentioned fact that a deformation model of the machine tool is created, which indicates a relationship between the position change to be determined and at least one input relative to the machine tool axis, wherein the at least one input variable comprises at least one temperature value, and for determining the thermally induced position change, the at least one input variable is detected and entered into the deformation model.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein besonders einfaches Ver- formungsmodell angegeben werden. Dies bezieht sich auf eine Werkzeugmaschinenachse, entlang welcher der Werkzeugmaschinenabschnitt bewegbar ist. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines vergleichsweise einfachen Verformungsmodells. Das Verformungsmodell wird lediglich einmalig erstellt und ermöglicht in Abhängigkeit einer variierenden Eingangsgröße die Bestimmung einer thermisch bedingten Positionsänderung des Werkzeugmaschinenab- Schnitts. Die Eingangsgröße umfasst mindestens einen Temperaturwert, da dieser auf die thermisch bedingte Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts einen maßgeblichen Einfluss hat.With the method according to the invention, a particularly simple deformation model can be specified. This refers to a machine tool axis along which the machine tool section is movable is. This allows the provision of a comparatively simple deformation model. The deformation model is only created once and allows the determination of a thermally induced change in position of the machine tool section as a function of a varying input variable. The input variable comprises at least one temperature value, since this has a significant influence on the thermally induced change in position of the machine tool section.
Vorzugsweise wird der Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden Posi- tionsänderung und mindestens einer Eingangsgröße des Verformungsmodells linear angesetzt. Dies ermöglicht die Angabe einer proportionalen Zuordnungsvorschrift zwischen einer variablen Eingangsgröße und einer auf Basis einer erfassten Eingangsgröße zu bestimmenden Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.Preferably, the relationship between the position change to be determined and at least one input variable of the deformation model is applied linearly. This makes it possible to specify a proportional assignment rule between a variable input variable and a position change of the machine tool section to be determined on the basis of a detected input variable.
Vorzugsweise wird das Verformungsmodell unabhängig von einem Betriebszustand der Werkzeugmaschine erstellt. Hierdurch kann ein besonders einfaches Verformungsmodell bereitgestellt werden, welches für sämtliche Be- triebszustände der Werkzeugmaschine, insbesondere für unterschiedliche Temperaturzustände der Werkzeugmaschine, Gültigkeit hat.Preferably, the deformation model is created independently of an operating state of the machine tool. In this way, a particularly simple deformation model can be provided, which has validity for all operating states of the machine tool, in particular for different temperature states of the machine tool.
Insbesondere wird mindestens eine Eingangsgröße während des Betriebs der Werkzeugmaschine erfasst und in das Verformungsmodell eingegeben. Dies ermöglicht eine zeitnahe und einfache Ermittlung einer thermisch bedingten Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.In particular, at least one input variable is detected during operation of the machine tool and entered into the deformation model. This allows a timely and simple determination of a thermally induced change in position of the machine tool section.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Werkzeugmaschinenabschnitt mindestens einen Werkstückträger umfasst oder durch einen Werkstückträger gebildet ist. Durch die Erfassung einer thermisch bedingten Positionsänderung des Werkstückträgers ist es möglich, den Werkstückträger und/oder einen Werkzeugträger der Werkzeugmaschine so anzusteuern, dass die thermisch bedingte Positionsänderung kompensiert werden kann.An advantageous embodiment of the invention provides that the machine tool section comprises at least one workpiece carrier or is formed by a workpiece carrier. By capturing a thermal conditional change in position of the workpiece carrier, it is possible to control the workpiece carrier and / or a tool carrier of the machine tool so that the thermally induced position change can be compensated.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Werkzeugmaschinenabschnitt einen Werkzeugträger erfasst oder durch einen Werkzeugträger gebildet ist. Durch die Bestimmung einer thermisch bedingten Abweichung eines solchen Werkzeugträgers kann diese kompensiert werden, beispielsweise durch eine entsprechende Ansteuerung des Werkzeugträgers, aber auch durch eine entsprechende Ansteuerung eines Werkstückträgers der Werkzeugmaschine.According to a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the machine tool section detects a tool carrier or is formed by a tool carrier. By determining a thermally induced deviation of such a tool carrier, this can be compensated, for example, by a corresponding control of the tool carrier, but also by a corresponding control of a workpiece carrier of the machine tool.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Werkzeug- maschinenabschnitt mindestens einen Schlitten umfasst oder durch einen solchen Schlitten gebildet ist. Ein solcher Schlitten kann beispielsweise zur Anordnung eines an dem Schlitten verschieblich gelagerten Werkzeugträgers und/oder Werkstückträgers dienen.Another embodiment of the invention provides that the machine tool section comprises at least one carriage or is formed by such a carriage. Such a carriage can serve, for example, for arranging a tool carrier and / or workpiece carrier displaceably mounted on the carriage.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Eingangsgröße des Verformungsmodells eine Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine. Die Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine hat einen besonders großen Einfluss auf Positionsänderungen des Werkzeugmaschinenabschnitts. Dies liegt darin, dass sich die Umgebungstemperatur der gesamten Werkzeugmaschine auf- prägt.Preferably, the at least one input variable of the deformation model comprises an ambient temperature of the machine tool. The ambient temperature of the machine tool has a particularly great influence on changes in position of the machine tool section. This is because the ambient temperature of the entire machine tool is imprinted.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die mindestens eine Eingangsgröße des Verformungsmodells eine an der Werkzeugmaschine erfasste Referenztemperatur umfasst. In einem thermisch stationären Zustand entspricht diese Referenz- temperatur der Umgebungstemperatur. In einem instationären Zustand der Werkzeugmaschine weicht die Referenztemperatur von der Umgebungstemperatur ab, sodass auf Basis der Referenztemperatur eine genauere Bestimmung einer Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnittes möglich ist.Furthermore, it is advantageous if the at least one input variable of the deformation model comprises a reference temperature detected at the machine tool. In a thermally stationary state, this reference temperature corresponds to the ambient temperature. In a transient state of Machine tool deviates from the reference temperature of the ambient temperature, so that based on the reference temperature a more accurate determination of a change in position of the machine tool section is possible.
Vorzugsweise wird die Referenztemperatur an oder in einem Werkzeugmaschinenbereich erfasst, welcher von Wärmequellen der Werkzeugmaschine zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Auf diese Weise kann eine von maschineninternen Wärmequellen unbeeinflusste Erwärmung oder Abkühlung der gesamten Werkzeugmaschine erfasst werden. Diese Erwärmung oder Abkühlung bewirkt entsprechende Längenänderungen sämtlicher Teile der Werkzeugmaschine.Preferably, the reference temperature is detected at or in a machine tool area, which is at least substantially unaffected by heat sources of the machine tool. In this way, an unaffected by internal machine heat sources heating or cooling of the entire machine tool can be detected. This heating or cooling causes corresponding changes in length of all parts of the machine tool.
Vorzugsweise umfasst die Werkzeugmaschine mindestens ein Werkzeug- maschinenteil, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt gekoppelt ist. Dies ermöglicht die Bestimmung einer Längenänderung eines Werkzeugmaschinenteils. Diese Längenänderung beein- flusst zumindest anteilig die Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.Preferably, the machine tool comprises at least one machine tool part, which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section. This allows the determination of a change in length of a machine tool part. This change in length at least proportionally influences the change in position of the machine tool section.
Günstig ist es, wenn das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil ortsfest ist. Dies ermöglicht die Bestimmung einer Längenänderung, welche von weiteren Werkzeugmaschinenteilen unabhängig ist.It is favorable if the at least one machine tool part is stationary. This allows the determination of a change in length, which is independent of other machine tool parts.
In vorteilhafter Weise ist das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil einAdvantageously, the at least one machine tool part is a
Maschinenbett und/oder ein Maschinengestell oder ist durch ein Maschinenbett und/oder ein Maschinengestell gebildet. Diese Werkzeugmaschinenteile erfahren bei einer Änderung der Umgebungstemperatur und/oder der Referenztemperatur der Werkzeugmaschine eine besonders große Längenänderung. Sie haben daher einen großen Einfluss auf die Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts. Bevorzugt ist es ferner, wenn das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition des Werkzeugmaschinenabschnitts und eines ortsfesten Werkzeugmaschinenteil um- fasst oder durch eine solche Positionsmesseinrichtung gebildet ist. Eine er- fasste Relativposition kann beispielsweise als Regelgröße zur Ansteuerung einer Antriebseinrichtung zum Antrieb des Werkzeugmaschinenabschnitts verwendet werden.Machine bed and / or a machine frame or is formed by a machine bed and / or a machine frame. These machine tool parts experience a particularly large change in length when the ambient temperature and / or the reference temperature of the machine tool changes. They therefore have a great influence on the change in position of the machine tool section. It is further preferred if the at least one machine tool part comprises a position measuring device for detecting the relative position of the machine tool section and a stationary machine tool part or is formed by such a position measuring device. A detected relative position can be used, for example, as a controlled variable for controlling a drive device for driving the machine tool section.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mindestens eine Eingansgröße des Verformungsmodells die Relativposition des Werkzeugmaschinenabschnitts und eines ortsfesten Werkzeugmaschinenteil umfasst. Dies ermöglicht die Bestimmung einer Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts nicht nur in Abhängigkeit eines Temperaturwerts, sondern zusätzlich in Abhängig- keit der Relativposition des Werkzeugmaschinenabschnitts und des ortsfesten Werkzeugmaschinenteils.It is particularly advantageous if the at least one input variable of the deformation model comprises the relative position of the machine tool section and of a stationary machine tool part. This makes it possible to determine a change in position of the machine tool section not only as a function of a temperature value, but additionally as a function of the relative position of the machine tool section and of the stationary machine tool part.
Vorzugsweise enthält das Verformungsmodell ein dem Werkzeugmaschinenabschnitt zugeordnetes Modellelement. Mit Hilfe eines solchen Modellelements kann insbesondere eine Längenänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts bestimmt werden.The deformation model preferably contains a model element assigned to the machine tool section. In particular, a change in length of the machine tool section can be determined with the aid of such a model element.
In vorteilhafter Weise gibt das Modellelement einen Zusammenhang zwischen einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine und/oder einer an der Werkzeugmaschine erfassten Referenztemperatur einerseits und einer auf die Werkzeugmaschinenachse bezogenen Längenänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts andererseits an. Mit Hilfe eines solchen Modellelements können thermisch bedingte Verkürzungen oder Verlängerungen des Werkzeugmaschinenabschnitts bestimmt werden. Vorzugsweise wird der vorstehend genannte Zusammenhang linear angesetzt. Ein linearer Zusammenhang ist beispielsweise bestimmt durch einen Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Werkzeugmaschinenabschnitts und durch die Länge des Werkzeugmaschinenabschnitts in einer zu der Werkzeug- maschinenachse parallelen Richtung und bei einer Bezugstemperatur.Advantageously, the model element indicates a relationship between an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected on the machine tool, on the one hand, and a change in length of the machine tool section related to the machine tool axis, on the other hand. With the help of such a model element thermally induced shortening or extensions of the machine tool section can be determined. Preferably, the above relationship is applied linearly. A linear relationship is determined, for example, by an expansion coefficient of the material of the machine tool section and by the length of the machine tool section in a direction parallel to the tool machine axis and at a reference temperature.
In entsprechender Weise ist es vorteilhaft, wenn das Verformungsmodell ein Modellelement enthält, das einem Werkzeugmaschinenteil zugeordnet ist, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine separate Bestimmung einer Längenänderung des Werkzeugmaschinenteils.In a corresponding manner, it is advantageous if the deformation model contains a model element which is assigned to a machine tool part which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section. This allows a separate determination of a change in length of the machine tool part.
Bevorzugt ist es, wenn das dem Werkzeugmaschinenteil zugeordnete Modellelement einen Zusammenhang zwischen einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine und/oder einer an der Werkzeugmaschine erfassten Referenztemperatur einerseits und einer auf die Werkzeugmaschinenachse bezogenen Längenänderung des Werkzeugmaschinenteils andererseits angibt.It is preferred if the model element associated with the machine tool part indicates a relationship between an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected on the machine tool and a change in length of the machine tool part related to the machine tool axis.
Auch hierbei handelt es sich bevorzugt um einen linear angesetzten Zu- sammenhang, in den insbesondere ein Ausdehnungskoeffizient des Werkzeugmaschinenteils und die Länge des Werkzeugmaschinenteils bei einer Bezugstemperatur, beispielsweise bei 20 0C, Eingang finden.Here, too, it is preferable to find a linear input to the next inlet connexion, in particular a coefficient of expansion of the machine tool part and the length of the tool machine part at a reference temperature, for example at 20 0 C.
Besonders bevorzugt ist es, wenn mit Hilfe unterschiedlicher Modellelemente ermittelte Längenänderungen einander überlagert werden. Dies ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung der Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.It is particularly preferred if changes in length determined using different model elements are superimposed on one another. This allows a particularly accurate determination of the change in position of the machine tool section.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Werkzeugmaschine einen Arbeitsraum um- fasst und wenn die mindestens eine Eingangsgröße des Verformungsmodells eine Arbeitsraumposition des Werkzeugmaschinenabschnitts umfasst. Dies ermöglicht eine besonders einfache räumliche Zuordnung unterschiedlicher Längenänderungen des Werkzeugmaschinenabschnitts und mindestens eines Werkzeugmaschinenteils.Furthermore, it is preferred if the machine tool comprises a working space and if the at least one input variable of the deformation model a work space position of the machine tool section comprises. This allows a particularly simple spatial assignment of different changes in length of the machine tool section and at least one machine tool part.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Eingangsgröße des Verformungsmodells einen Temperaturwert, welcher an mindestens einer Wärmequelle der Werkzeugmaschine erfasst wird. Auf diese Weise können nicht nur globale Wärmeeinflüsse, die durch die Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine aufgeprägt sind, erfasst werden, sondern auch durch maschineninternePreferably, the at least one input variable of the deformation model comprises a temperature value which is detected at at least one heat source of the machine tool. In this way, not only global heat influences, which are impressed by the ambient temperature of the machine tool, can be detected, but also by machine-internal
Wärmequellen bedingte lokale Temperatureinflüsse berücksichtigt werden. Ein lokaler Temperatureinfluss kann eine Verformung der Werkzeugmaschine bewirken, welche eine Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts bewirkt. Eine solche Verlagerung hat zumindest anteilig Einfluss auf die zu be- stimmende Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.Heat sources conditional local temperature influences are taken into account. A local temperature influence can cause a deformation of the machine tool, which causes a displacement of the machine tool section. Such a displacement has at least a proportionate influence on the position change of the machine tool section to be determined.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wirkt die mindestens eine Wärmequelle unmittelbar auf den Werkzeugmaschinenabschnitt. Bei einer solchen Wärmequelle kann es sich beispielsweise um eine Koppeleinrichtung handeln, mittels welcher der Werkzeugmaschinenabschnitt mit einer Antriebseinrichtung zum Antrieb des Werkzeugmaschinenabschnitts gekoppelt ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Läufer eines Linearantriebs oder um die Spindelmutter eines Kugelgewindeantriebs handeln. Aus Sicht des Werkzeugmaschinenabschnitts stellt eine solche Koppeleinrichtung eine Wärmequelle dar, welche zumindest den Werkzeugmaschinenabschnitt verformt und somit zu einer Positionsänderung dieses Werkzeugmaschinenabschnitts beiträgt.According to one embodiment of the invention, the at least one heat source acts directly on the machine tool section. Such a heat source can be, for example, a coupling device, by means of which the machine tool section is coupled to a drive device for driving the machine tool section. This may be, for example, the rotor of a linear drive or the spindle nut of a ball screw drive. From the point of view of the machine tool section, such a coupling device constitutes a heat source which deforms at least the machine tool section and thus contributes to a change in position of this machine tool section.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wirkt die mindestens eine Wärmequelle unmittelbar auf ein Werkzeugmaschinenteil, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt gekoppelt ist. Bei einer solchen Wärmequelle handelt es sich insbesondere um eine Antriebseinrichtung zum Antrieb des Werkzeugmaschinenabschnitts. Eine Berücksichtigung einer solchen Wärmequelle ist besonders bei Antriebseinrichtungen vorteilhaft, welche hochleistungsfähig sind und sich daher während des Betriebs der Werkzeugmaschine stark erwärmen können.According to a further embodiment of the invention, the at least one heat source acts directly on a machine tool part, which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section. at Such a heat source is, in particular, a drive device for driving the machine tool section. A consideration of such a heat source is particularly advantageous in drive devices, which are high performance and therefore can heat up significantly during operation of the machine tool.
In entsprechender Weise ist es vorteilhaft, wenn das Verformungsmodell mindestens ein Modellelement enthält, welches einen Zusammenhang zwischen einer Temperaturdifferenz und einer auf die Werkzeugmaschinenachse be- zogenen Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts angibt, wobei die Temperaturdifferenz bestimmt ist durch den Unterschied eines an der mindestens einen Wärmequelle erfassten Temperaturwerts zu einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine und/oder einer an der Werkzeugmaschine erfassten Referenztemperatur. Mit Hilfe eines solchen Modellelements ist es möglich, den Einfluss der maschineninternen Wärmequellen auf eine Formänderung getrennt von dem Einfluss der Umgebungstemperatur bzw. der Referentemperatur auf Längenänderungen der gesamten Werkzeugmaschine zu ermitteln.In a corresponding manner it is advantageous if the deformation model contains at least one model element which indicates a relationship between a temperature difference and a displacement of the machine tool section relative to the machine tool axis, wherein the temperature difference is determined by the difference of a temperature value detected at the at least one heat source to an ambient temperature of the machine tool and / or a reference temperature detected at the machine tool. With the help of such a model element, it is possible to determine the influence of the machine-internal heat sources on a change in shape separated from the influence of the ambient temperature or the reference temperature on changes in length of the entire machine tool.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Zusammenhang zwischen der Tempe- raturdifferenz und der auf die Werkzeugmaschinenachse bezogenen Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts um einen linear angesetzten Zusammenhang. Dies ermöglicht eine besonders einfache Bestimmung einer Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts, welche zumindest anteilig die Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts mit bestimmt.Preferably, the relationship between the temperature difference and the displacement of the machine tool section relative to the machine tool axis is a linear relationship. This allows a particularly simple determination of a displacement of the machine tool section, which at least partially determines the change in position of the machine tool section.
Zu Ermittlung eines den linearen Zusammenhang charakterisierenden Koeffizienten ist es vorteilhaft, eine Finite-Elemente-Simulation durchzuführen. Bei dieser Simulation wird zunächst auf Basis einer vorgebbaren Kenngröße einer Wärmequelle eine über der Werkzeugmaschine anliegende Temperaturverteilung und auf Basis dieser Temperaturverteilung eine Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts berechnet wird. Der Koeffizient kann dann bestimmt werden, indem die berechnete Verlagerung durch die vorgegebene Temperaturdifferenz geteilt wird. Die Kenngröße der Wärmequelle kann insbesondere als Wärmeleistung, Wärmestrom und/oder Temperaturdifferenz vorgegeben werden.To determine a coefficient characterizing the linear relationship, it is advantageous to perform a finite element simulation. In this simulation, on the basis of a predefinable characteristic variable of a heat source, a temperature distribution applied above the machine tool and, based on this temperature distribution, a displacement of the temperature Machine tool section is calculated. The coefficient can then be determined by dividing the calculated displacement by the predetermined temperature difference. The parameter of the heat source can be specified in particular as heat output, heat flow and / or temperature difference.
Vorzugsweise ist die Temperaturverteilung stationär. Dies ermöglicht die Vernachlässigung dynamischer Temperatureinflüsse und somit eine Vereinfachung des Verformungsmodells.Preferably, the temperature distribution is stationary. This allows the neglect of dynamic temperature influences and thus a simplification of the deformation model.
Bevorzugt ist es, wenn das Verformungsmodell verschiedenen Wärmequellen der Werkzeugmaschine jeweils separat zugeordnete Modellelemente enthält. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines Verformungsmodells, mit welchem auch bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedener Wärmequellen eine Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts genau bestimmt werden kann.It is preferred if the deformation model contains different heat sources of the machine tool separately assigned model elements. This makes it possible to provide a deformation model with which a change in position of the machine tool section can be accurately determined even at different temperatures of different heat sources.
Vorzugsweise werden mit Hilfe verschiedener Modellelemente des Verformungsmodells ermittelte Verlagerungen des Werkzeugmaschinenabschnitts einander überlagert, um die Genauigkeit zur Bestimmung der Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts weiter zu erhöhen.Preferably, displacements of the machine tool section determined using various model elements of the deformation model are superimposed on one another in order to further increase the accuracy for determining the change in position of the machine tool section.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Verformungsmodell ein dem Werkzeugmaschinenabschnitt zugeordnetes Modellelement enthält und/oder ein Modell- element, das einem Werkzeugmaschinenteil zugeordnet ist, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt gekoppelt ist, und/oder ein Modellelement, das einer Wärmequelle der Werkzeugmaschine zugeordnet ist, dass das Verformungsmodell mindestens zwei unterschiedliche Modellelemente enthält und dass mit Hilfe dieser unterschiedlichen Modell- elemente bestimmte Längenänderungen und/oder Verlagerungen des Werkzeugmaschinenabschnitts und/oder des Werkzeugmaschinenteils einander überlagert werden. Dies ermöglicht eine besonders genaue und umfassende Bestimmung der sich aus einzelnen Längenänderungen und/oder Verlagerungen zusammensetzenden Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts.Furthermore, it is preferred that the deformation model includes a model element associated with the machine tool section and / or a model element associated with a machine tool part which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section, and / or a model element that is a heat source of the machine tool is associated with that the deformation model contains at least two different model elements and that with the help of these different model elements certain changes in length and / or displacements of the machine tool section and / or the machine tool part each other be superimposed. This allows a particularly accurate and comprehensive determination of the change in position of the machine tool section composed of individual changes in length and / or displacements.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kompensation einer thermisch bedingten Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer Werkzeugmaschine.The invention further relates to a method for compensating a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches eine einfache und genaue Kompensation einer thermisch bedingten Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer Werkzeugmaschine ermöglicht.The invention has the further object of specifying a method which allows a simple and accurate compensation of a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine thermisch bedingte Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts einer Werkzeugmaschine mit einem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt wird und dass die auf diese Weise bestimmte thermisch bedingte Positionsänderung als Steuergröße für die Ansteuerung einer Positionsänderungseinrichtung des Werkzeug- maschinenabschnitts verwendet wird. Die Positionsänderungseinrichtung ist beispielsweise durch eine Antriebseinrichtung oder eine Verstelleinrichtung gebildet.This object is achieved in that a thermally induced change in position of a machine tool section of a machine tool is determined by a method described above and that the determined in this way thermally induced position change is used as a control variable for driving a position changing means of the machine tool section. The position change device is formed for example by a drive device or an adjusting device.
Eine besonders einfache Kompensation ergibt sich, wenn zur Ansteuerung einer Soll-Position des Werkzeugmaschinenabschnitts der Soll-Position eine zu der bestimmten thermisch bedingten Positionsänderung entgegengesetzte Soll-Positionsänderung überlagert wird. Auf diese Weise kann eine besonders gute Übereinstimmung der Soll-Position und einer Ist-Position des Werkzeugmaschinenabschnitts sichergestellt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.A particularly simple compensation results if, for controlling a desired position of the machine tool section, the desired position is superposed with a desired position change which is opposite to the determined thermally induced position change. In this way, a particularly good agreement of the desired position and an actual position of the machine tool section can be ensured. Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the diagrammatic representation of a preferred embodiment.
In den Zeichnungen zeigen :In the drawings show:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Werkzeugmaschine;Figure 1 is a perspective view of an embodiment of a machine tool;
Figur 2 eine Seitenansicht der Werkzeugmaschine aus Figur 1;Figure 2 is a side view of the machine tool of Figure 1;
Figur 3 eine symbolische Darstellung eines Verformungsmodells zur Verwendung bei der Werkzeugmaschine aus Figur 1;Figure 3 is a symbolic representation of a deformation model for use in the machine tool of Figure 1;
Figur 4 eine schematisierte Seitenansicht der Werkzeugmaschine ausFigure 4 is a schematic side view of the machine tool
Figur 1 mit einer über der Werkzeugmaschine anliegenden Temperaturverteilung;Figure 1 with an applied over the machine tool temperature distribution;
Figur 5 eine schematisierte Seitenansicht der Werkzeugmaschine aus Figur 1 in einem aufgrund der Temperaturverteilung gemäß FigurFigure 5 is a schematic side view of the machine tool of Figure 1 in a due to the temperature distribution according to FIG
4 verformten Zustand;4 deformed state;
Figur 6 eine Darstellung von während des Betriebs der Werkzeugmaschine aus Figur 1 erfassten Temperaturwerten;FIG. 6 shows a representation of temperature values acquired during operation of the machine tool from FIG. 1;
Figur 7 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer Positionsänderung eines Werkzeugmaschinenabschnitts der Werkzeugmaschine aus Figur 1 unter Verwendung der in Figur 6 dargestellten Temperaturwerte und unter Verwendung des Verformungsmodells aus Figur 3; Figur 8 eine Darstellung, in der mit Hilfe des Verformungsmodells ausFIG. 7 is an illustration of a time course of a change in position of a machine tool section of the machine tool from FIG. 1 using the temperature values shown in FIG. 6 and using the deformation model from FIG. 3; 8 shows a representation in which with the aid of the deformation model
Figur 3 bestimmte Positionsänderungen realen Positionsänderungen gegenübergestellt sind.Figure 3 certain changes in position are faced with real changes in position.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschine 10 perspektivisch dargestellt.1 shows an embodiment of a machine tool 10 is shown in perspective.
Die Werkzeugmaschine 10 weist ein Maschinenbett 12 auf, mit welchem die Werkzeugmaschine 10 auf eine Unterlage aufgestellt werden kann. Ferner umfasst die Werkzeugmaschine 10 ein sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Maschinenbett erstreckendes Maschinengestell 14, welches fest mit dem Maschinenbett 12 verbunden ist.The machine tool 10 has a machine bed 12 with which the machine tool 10 can be placed on a base. Furthermore, the machine tool 10 comprises a machine frame 14, which extends substantially perpendicular to the machine bed and is fixedly connected to the machine bed 12.
Die Werkzeugmaschine 10 weist einen Werkstückträger 16 auf, der relativ zu dem Maschinenbett 12 beweglich ist.The machine tool 10 has a workpiece carrier 16 which is movable relative to the machine bed 12.
Die Werkzeugmaschine 10 weist ferner einen Werkzeugträger 18 in Form einer Spindel auf. Alternativ hierzu kann der Werkzeugträger 18 auch durch eine Pinole gebildet sein.The machine tool 10 further has a tool carrier 18 in the form of a spindle. Alternatively, the tool carrier 18 may also be formed by a quill.
Der Werkzeugträger 18 ist an einem ersten Schlitten 20 angeordnet. Der erste Schlitten 20 wiederum ist an einem zweiten Schlitten 22 gelagert. Der zweite Schlitten 22 ist beweglich an dem Maschinengestell 14 gelagert. Die Schlitten 20 und 22 bilden eine Kreuzschlitteneinheit.The tool carrier 18 is arranged on a first carriage 20. The first carriage 20 in turn is mounted on a second carriage 22. The second carriage 22 is movably mounted on the machine frame 14. The carriages 20 and 22 form a cross slide unit.
Der Werkstückträger 16 ist entlang einer Werkzeugmaschinenachse 24 bewegbar. Diese Werkzeugmaschinenachse ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel die z-Achse der Werkzeugmaschine 10. Der zweite Schlitten 22 ist relativ zu dem Maschinengestell 14 entlang einer x- Achse der Werkzeugmaschine 10 beweglich. Hierzu senkrecht kann der Schlitten 20 mit dem Werkzeugträger 18 entlang einer y-Achse relativ zu dem zweiten Schlitten 22 bewegt werden.The workpiece carrier 16 is movable along a machine tool axis 24. This machine tool axis is the z-axis of the machine tool 10 in the embodiment shown in the drawing. The second carriage 22 is movable relative to the machine frame 14 along an x-axis of the machine tool 10. To this end, the carriage 20 can be moved with the tool carrier 18 along a y-axis relative to the second carriage 22.
Die Werkzeugmaschine 10 weist eine Antriebseinrichtung 26 zum Antrieb des Werkstückträgers 16 entlang der Werkzeugmaschinenachse 24 auf. Die Antriebseinrichtung 26 umfasst einen an dem Maschinenbett 12 befestigten Antriebsmotor 28.The machine tool 10 has a drive device 26 for driving the workpiece carrier 16 along the machine tool axis 24. The drive device 26 comprises a drive motor 28 fastened to the machine bed 12.
Der Antriebsmotor 28 wirkt über eine in der Figur 1 aus Übersichtsgründen nicht dargestellte Spindel auf eine Koppeleinrichtung 30 des Werkstückträgers 16. Die Koppeleinrichtung 30 ist in Form einer Spindelmutter 32 gebildet.The drive motor 28 acts via a spindle, not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, on a coupling device 30 of the workpiece carrier 16. The coupling device 30 is formed in the form of a spindle nut 32.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ferner eine Positionsmesseinrichtung 34 in Form eines Linearmaßstabs 36. Der Linearmaßstab 36 ist auf Höhe einer relativ zu der Erstreckung des Linearmaßstabes 36 mittigen Position an einer Koppelstelle 38 fest mit dem Maschinenbett 12 verbunden. Ausgehend von der Koppelstelle 38 kann sich ein vorderer Abschnitt 40 des Linearmaßstabes 36 in einer positiven (z-)Richtung entlang der Werkzeugmaschinenachse 24 ausdehnen. Ein hinterer Abschnitt 42 des Linearmaßstabes 36 kann sich ausgehend von der Koppelstelle 38 entlang der Werkzeugmaschinenachse 24 in negativer (z-)Richtung ausdehnen.The machine tool 10 further comprises a position measuring device 34 in the form of a linear scale 36. The linear scale 36 is connected at the level of a relative to the extension of the linear scale 36 central position at a coupling point 38 fixed to the machine bed 12. Starting from the coupling point 38, a front portion 40 of the linear scale 36 may extend in a positive (z) direction along the machine tool axis 24. A rear portion 42 of the linear scale 36 may extend from the coupling point 38 along the machine tool axis 24 in the negative (z) direction.
Der Werkstückträger 16 und der Werkzeugträger 18 sind innerhalb eines Arbeitsraumes 44 beweglich. Um ein an dem Werkstückträger 16 befestigbares Werkstück hochgenau bearbeiten zu können, müssen sowohl die Arbeitsraumpositionen des Werkstückträgers 16 als auch die Arbeitsraumpositionen des Werkzeugträgers 18 aufeinander abgestimmt werden. Die Arbeitsraumposition des Werkstückträgers 16 kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtung 26 verändert werden. Da die Werkzeugmaschine 10 jedoch thermischen Einflüssen, beispielsweise einer Erhöhung der Umgebungstemperatur, ausgesetzt ist, unterliegt die Werk- zeugmaschine 10 thermisch bedingten Längenänderungen und Verlagerungen.The workpiece carrier 16 and the tool carrier 18 are movable within a working space 44. In order to be able to machine a workpiece which can be fastened to the workpiece carrier 16 with high precision, both the working space positions of the workpiece carrier 16 and the working space positions of the tool carrier 18 must be matched to one another. The working space position of the workpiece carrier 16 can be changed by a corresponding control of the drive device 26. However, since the machine tool 10 is exposed to thermal influences, for example an increase in the ambient temperature, the machine tool 10 is subject to thermally induced changes in length and displacements.
Für die folgende Beschreibung wird davon ausgegangen, dass der Werkstückträger 16 einen Werkzeugmaschinenabschnitt 48 bildet, dessen thermisch bedingte Positionsänderung bezogen auf die Werkzeugmaschinenachse 24 (z-Achse) bestimmt werden soll.For the following description, it is assumed that the workpiece carrier 16 forms a machine tool section 48 whose thermally induced position change is to be determined relative to the machine tool axis 24 (z-axis).
Die Positionsmesseinrichtung 34 bildet ein direkt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt 48 gekoppeltes Maschinenteil 50.The position measuring device 34 forms a machine part 50 which is directly kinematically coupled to the machine tool section 48.
Das Maschinenbett 12 bildet ein indirekt (unter Zwischenschaltung der Positionsmesseinrichtung 34) kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt 48 gekoppeltes Werkzeugmaschinenteil 52. Das Werkzeugmaschinenteil 52 kann alternativ auch das Maschinenbett 12 in Kombination mit dem Maschinengestell 14 umfassen.The machine bed 12 forms a machine tool part 52 that is coupled indirectly (with the interposition of the position measuring device 34) kinematically to the machine tool section 48. The machine tool part 52 may alternatively also comprise the machine bed 12 in combination with the machine frame 14.
Während des Betriebes der Werkzeugmaschine 10, d.h. während der Bewegung des Werkzeugmaschinenabschnittes 48 entlang der Werkzeugmaschinenachse 24, erwärmt sich der Antriebmotor 28, welcher eine Wärmequelle 54 bildet. Die Wärmequelle 54 wirkt unmittelbar auf das Werkzeugmaschinenteil 52 in Form des Maschinenbetts 12.During operation of the machine tool 10, i. During movement of the machine tool section 48 along the machine tool axis 24, the drive motor 28, which forms a heat source 54, heats up. The heat source 54 acts directly on the machine tool part 52 in the form of the machine bed 12.
Die Koppeleinrichtung 30 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 in Form des Werkstückträgers 16 erwärmt sich ebenfalls und wird für die folgenden Betrachtungen als Wärmequelle 56 aufgefasst. Die Wärmequelle 56 wirkt un- mittelbar auf den Werkzeugmaschinenabschnitt 48. Die Werkzeugmaschine 10 ist mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren ausgerüstet. Ein erster Temperatursensor 58 ist auf Höhe der Koppelstelle 38 an der Positionsmesseinrichtung 34 angeordnet. Mit Hilfe des Temperatursensors 58 kann eine Referenztemperatur der Werkzeugmaschine 10 bestimmt werden.The coupling device 30 of the machine tool section 48 in the form of the workpiece carrier 16 also heats up and is regarded as a heat source 56 for the following considerations. The heat source 56 acts directly on the machine tool section 48. The machine tool 10 is equipped with a plurality of temperature sensors. A first temperature sensor 58 is arranged at the level of the coupling point 38 on the position-measuring device 34. With the aid of the temperature sensor 58, a reference temperature of the machine tool 10 can be determined.
Ferner umfasst die Werkzeugmaschine 10 einen Temperatursensor 60. Dieser ist an der Wärmequelle 54 in Form des Antriebsmotors 28 angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor 62 ist an der Wärmequelle 56 in Form der Koppel- einrichtung 30 angeordnet.Furthermore, the machine tool 10 comprises a temperature sensor 60. This is arranged on the heat source 54 in the form of the drive motor 28. Another temperature sensor 62 is arranged on the heat source 56 in the form of the coupling device 30.
Zur Bestimmung einer thermisch bedingten Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 wird ein in Figur 3 symbolisch dargestelltes Verformungsmodell 64 verwendet. Mit Hilfe des Verformungsmodells 64 kann auf Basis von während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 erfassten Eingangsgrößen 66 eine thermisch bedingte Positionsänderung 68 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 bestimmt werden.To determine a thermally induced change in position of the machine tool section 48, a deformation model 64 shown symbolically in FIG. 3 is used. With the aid of the deformation model 64, a thermally induced change in position 68 of the machine tool section 48 can be determined on the basis of input variables 66 detected during operation of the machine tool 10.
Das Verformungsmodell 64 enthält eine Mehrzahl von Modellelementen. Hier- bei ist ein Modellelement 70 dem Werkzeugmaschinenabschnitt 48 zugeordnet. Ein weiteres Modellelement 72 ist dem Werkzeugmaschinenteil 50 zugeordnet. Ein weiteres Modellelement 74 ist dem Werkzeugmaschinenteil 52 zugeordnet. Ein weiteres Modellelement 76 ist der Wärmequelle 54 zugeordnet. Ein weiteres Modellelement 78 ist der Wärmequelle 56 zugeordnet.The deformation model 64 includes a plurality of model elements. Here, a model element 70 is assigned to the machine tool section 48. Another model element 72 is assigned to the machine tool part 50. Another model element 74 is assigned to the machine tool part 52. Another model element 76 is associated with the heat source 54. Another model element 78 is associated with the heat source 56.
Das Modellelement 70 enthält eine Gleichung der Form :The model element 70 contains an equation of the form:
Längenänderung = alpha * Bezugslänge * (TReferenz - TBezug)-Elongation = alpha * * reference length (T fe r Re enz - T Be train) -
Der Faktor alpha ist durch das Material bestimmt, aus dem der Werkzeugmaschinenabschnitt 48 hergestellt ist. Die Bezugslänge entspricht der Ausgangslänge des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 in zu der Werkzeugmaschinenachse 24 paralleler Richtung bei einer Bezugstemperatur TBezug, beispielsweise bei 20 0C. Die Referenztemperatur TReferenz (Bezugszeichen 80, Figur 3) wird mit Hilfe des Temperatursensors 58 erfasst. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Modellelements 70 eine Längenänderung 82 bestimmt werden.The factor alpha is determined by the material of which the machine tool section 48 is made. The reference length corresponds to the Initial length of the machine tool section 48 in parallel to the machine tool axis 24 direction at a reference temperature T Be train, for example at 20 0 C. The reference temperature T Re fe r enz (reference numeral 80, Figure 3) is detected by means of the temperature sensor 58. In this way, a change in length 82 can be determined with the aid of the model element 70.
Das Modellelement 72 enthält eine Gleichung der Form:The model element 72 contains an equation of the form:
Längenänderung = alpha * Bezugslänge * (TReferenz - TBezug)-Elongation = alpha * * reference length (T fe r Re enz - T Be train) -
Der Koeffizient des Modellelements 72 ergibt sich aus dem Produkt aus "alpha" und einer Bezugslänge. Der Faktor alpha ist durch das Material des Werkzeugmaschinenteils 50 bestimmt.The coefficient of the model element 72 results from the product of "alpha" and a reference length. The factor alpha is determined by the material of the machine tool part 50.
Aus Figur 2 wird deutlich, dass die mit Hilfe des Modellelements 72 bestimmte Längenänderung 84 des Werkzeugmaschinenteils 50 in Abhängigkeit der Position des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 zu einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung eines Abstands 93 zwischen dem Werkstückträger 16 und dem Werkzeugträger 18 führen kann. Befindet sich der Werkstückträger 16 in der in Figur 2 dargestellten Position, d.h. ausgehend von der Koppelstelle 38 im Bereich des vorderen Abschnitts 40 des Werkzeugmaschinenteils 50, bewirkt die Längenänderung 84 des Werkzeugmaschinenteils 50 eine Vergrößerung des Abstandes 93. Befindet sich der Werkstückträger 16 hingegen im Bereich des hinteren Abschnitts 42 des Werkzeugmaschinenteils 50, führt eineFrom Figure 2 it is clear that the determined by means of the model element 72 length change 84 of the machine tool part 50 depending on the position of the machine tool section 48 can lead to an increase or decrease in a distance 93 between the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18. When the workpiece carrier 16 is in the position shown in Figure 2, i. starting from the coupling point 38 in the region of the front portion 40 of the machine tool part 50 causes the change in length 84 of the machine tool part 50 an increase in the distance 93. If the workpiece carrier 16, however, in the region of the rear portion 42 of the machine tool part 50, leads a
Längenänderung 84 des Werkzeugmaschinenteils 50 zu einer Verkürzung des Abstandes 93. Hiervon ausgehend wird dem Modellelement 72 des Verformungsmodells 64 eine weitere Eingangsgröße 66 in Form einer Relativposition 100 zugeführt. Die Relativposition 100 gibt die Position des Werkzeugmaschi- nenabschnitts 48 relativ zu dem ortsfesten Werkzeugmaschinenteil 52 an. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte als weitere Eingangsgröße 66 auch die Arbeitsraumposition des Werkzeugmaschineabschnitts 48 verwendet werden.Length change 84 of the machine tool part 50 to a shortening of the distance 93. On this basis, the model element 72 of the deformation model 64, a further input variable 66 in the form of a relative position 100 is supplied. The relative position 100 indicates the position of the machine tool section 48 relative to the stationary machine tool part 52. Alternatively or additionally, the working space position of the machine tool section 48 could also be used as a further input variable 66.
Die Bezugslänge kann somit durch Differenzbildung aus der Relativposition 100 und der halben Länge des Werkzeugmaschinenteils 50 in zu der Werkzeugmaschinenachse 24 paralleler Richtung bei einer Bezugstemperatur TBezug (beispielsweise bei 20 0C) bestimmt werden. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Modellelements 72 ein linearer Zusammenhang zwischen der Referenz- temperatur 80 (TReferenz) und einer thermisch bedingten Längenänderung 84 des Werkzeugmaschinenteils 50 angegeben werden.The reference length can thus by difference formation from the relative position 100 and half the length of the machine tool part 50 in parallel to the machine tool axis 24 direction at a reference temperature T Be train (for example at 20 0 C) are determined. In this way, with the aid of the model element 72, a linear relationship between the reference temperature 80 (T Re fe r enz) and a thermally induced change in length 84 of the machine tool part 50 can be specified.
Bei dem Modellelement 74 ist der Koeffizient eines linearen Zusammenhangs zwischen einer Längenänderung des Werkzeugmaschinenteils 52 und der Referenztemperatur 80 durch das Material des Maschinenbetts 12 sowie durch eine Bezugslänge des Maschinenbetts bei einer Bezugstemperatur bestimmt. Auf diese Weise kann eine thermisch bedingte Längenänderung 86 des Werkzeugmaschinenteils 52 bestimmt werden.In the model element 74, the coefficient of a linear relationship between a change in length of the machine tool part 52 and the reference temperature 80 is determined by the material of the machine bed 12 and by a reference length of the machine bed at a reference temperature. In this way, a thermally induced change in length 86 of the machine tool part 52 can be determined.
Mit Hilfe des Temperatursensors 60 kann ein Temperaturwert 88 der Wärmequelle 54 erfasst werden. Mit Hilfe des Temperatursensors 62 kann ein Temperaturwert 90 der Wärmequelle 56 erfasst werden.With the aid of the temperature sensor 60, a temperature value 88 of the heat source 54 can be detected. With the aid of the temperature sensor 62, a temperature value 90 of the heat source 56 can be detected.
Das Modellelement 76 enthält eine Gleichung der Form:The model element 76 contains an equation of the form:
Verlagerung = C * (Twarmequelle - TReferenz) -Shift = C * (Twarmequelle - T Re fe r enz) -
Dies bedeutet, dass zur Bestimmung einer Verlagerung 92 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 sowohl die Referenztemperatur 80 als auch der Tem- peraturwert 88 der Wärmequelle 54 berücksichtigt wird. Zur Bestimmung der Konstante "c" des Modellelements 76 wird folgendermaßen vorgegangen : Auf Basis einer Finite-Elemente-Simulation wird eine in Figur 4 symbolisch dargestellte Temperaturverteilung berechnet, die sich über die Werkzeugmaschine 10 verteilt ergibt, wenn eine maschineninterne Wärme- quelle, beispielsweise die Wärmequelle 54, die Werkzeugmaschine 10 lokal erwärmt.This means that both the reference temperature 80 and the temperature value 88 of the heat source 54 are taken into account for determining a displacement 92 of the machine tool section 48. The following procedure is used to determine the constant "c" of the model element 76: On the basis of a finite element simulation, a temperature distribution shown symbolically in FIG. 4 is calculated, which is distributed over the machine tool 10, if an internal heat source, for example the Heat source 54, the machine tool 10 locally heated.
Auf Basis einer berechneten Temperaturverteilung können hieraus resultierende Verformungen der Werkzeugmaschine 10 berechnet werden (siehe Figur 5). Das Maschinenbett 12 verbiegt oder krümmt sich aufgrund des Einflusses der Wärmequelle 54, sodass sich das Maschinengestell 14 und somit der Werkzeugträger 18 bezogen auf die Werkzeugmaschinenachse 24 (z-Achse) in negativer Richtung verlagern. Dies führt zu einer Vergrößerung des in Figur 2 dargestellten Abstands 93 zwischen dem Werkzeugträger 18 und dem Werkstückträger 16.On the basis of a calculated temperature distribution, resulting deformations of the machine tool 10 can be calculated (see FIG. 5). The machine bed 12 bends or bends due to the influence of the heat source 54, so that the machine frame 14 and thus the tool carrier 18 with respect to the machine tool axis 24 (z-axis) shift in the negative direction. This leads to an enlargement of the distance 93 shown in FIG. 2 between the tool carrier 18 and the workpiece carrier 16.
Eine auf diese Weise bestimmte Vergrößerung des Abstands 93 ist gleich dem oben genannten Koeffizienten "c" multipliziert mit einer Temperaturdifferenz, die für die Berechnung der Temperaturverteilung gemäß Figur 4 angenommen werden kann oder die sich bei Vorgabe einer Wärmeleistung oder einesA thus determined increase of the distance 93 is equal to the above-mentioned coefficient "c" multiplied by a temperature difference, which can be assumed for the calculation of the temperature distribution according to FIG. 4, or which occurs when a heat output or a heat output is specified
Wärmestroms ergibt. Die Temperaturdifferenz bestimmt sich beispielsweise durch den Unterschied zwischen einer für die Wärmequelle 54 angenommen Temperatur und einer Bezugstemperatur, beispielsweise 20 0C. Der oben genannte Koeffizient "c" ergibt sich nun durch einfache Division aus der mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation berechneten Vergrößerung des Abstands 93 und der genannten Temperaturdifferenz.Heat flow results. The temperature difference is determined, for example, by the difference between a temperature assumed for the heat source 54 and a reference temperature, for example 20 ° C. The abovementioned coefficient "c" is now obtained by simple division from the magnification calculated using the finite element simulation the distance 93 and the said temperature difference.
Während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 kann nun in Kenntnis des Koeffizienten "c" eine Verlagerung 92 berechnet werden, und zwar auf Basis der während des Betriebs der Werkzeugmaschine erfassten Temperaturwerte 80 (Referenztemperatur) und 88 (Temperatur der Wärmequelle 54). Das Modellelement 78, welches der Wärmequelle 76 zugeordnet ist, entspricht in seinem Aufbau dem Modellelement 76. Zur Bestimmung eines Koeffizienten des Modellelements 78 kann wie vorstehend beschrieben vorgegangen wer- den, wobei hier nicht von einer Wärmeeinleitung durch die Wärmequelle 54, sondern von einer Wärmeeinleitung durch die Wärmequelle 56 ausgegangen wird. Während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 kann dann mit Hilfe des Modellelements 78 eine Verlagerung 94 auf Basis der Temperaturwerte 80 (Referenztemperatur) und 90 (Temperatur der Wärmequelle 56) bestimmt werden.During operation of the machine tool 10, a displacement 92 can now be calculated, knowing the coefficient "c", based on the temperature values 80 (reference temperature) and 88 (temperature of the heat source 54) detected during operation of the machine tool. The model element 78, which is associated with the heat source 76, corresponds in its construction to the model element 76. The procedure for determining a coefficient of the model element 78 can be as described above, in which case it is not heat input by the heat source 54 but heat input is assumed by the heat source 56. During operation of the machine tool 10, a displacement 94 can then be determined with the aid of the model element 78 on the basis of the temperature values 80 (reference temperature) and 90 (temperature of the heat source 56).
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit der Modellelemente 76 und 78 können auch jeweils eine Mehrzahl unterschiedlicher Koeffizienten "c" ermittelt und in den Modellelementen hinterlegt werden. Diese unterschiedlichen Koeffi- zienten können insbesondere auf Grundlage unterschiedlicher Stellungen der Schlitten 20 und/oder 22 in x-Richtung und/oder y-Richtung ermittelt werden. Bei der Verwendung der Modellelemente 76 und 78 zur Ermittlung einer Verlagerung 92 bzw. 94 kann dann in Abhängigkeit der aktuellen Stellung der Schlitten 20 und/oder 22 auf einen entsprechenden Koeffizienten zurück- gegriffen werden.To further improve the accuracy of the model elements 76 and 78, a plurality of different coefficients "c" can also be determined in each case and stored in the model elements. These different coefficients can be determined in particular on the basis of different positions of the carriages 20 and / or 22 in the x-direction and / or y-direction. When using the model elements 76 and 78 for determining a displacement 92 or 94, then, depending on the current position, the carriages 20 and / or 22 can be resorted to a corresponding coefficient.
Die wie vorstehend bestimmten Längenänderungen 82, 84, 86 sowie die Verlagerungen 92 und 94 werden mit Hilfe einer Verknüpfungseinheit 98 einander überlagert. Hierbei wird die kinematische Struktur der Werkzeugmaschine 10 berücksichtigt, sodass die genannten Längenänderungen und Verlagerungen vorzeichenkorrekt addiert werden können.The length changes 82, 84, 86 determined as above and the displacements 92 and 94 are superimposed on one another with the aid of a linking unit 98. In this case, the kinematic structure of the machine tool 10 is taken into account, so that said length changes and displacements can be added with correctness.
In Figur 6 sind beispielhaft zeitliche Verläufe der Temperaturwerte 80, 88, 90 dargestellt, welche jeweils mit Hilfe der Temperatursensoren 58, 60 bzw. 62 während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 erfasst wurden. Auf Basis dieser Temperaturverläufe und unter Anwendung des Verformungsmodels 64 können die in Figur 7 in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellten Längenänderungen 82, 84, 86 und Verlagerungen 92, 94 bestimmt werden und zu einer thermisch bedingten Positionsänderung 68 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 miteinander verknüpft werden.FIG. 6 shows, by way of example, time profiles of the temperature values 80, 88, 90, which were respectively recorded with the aid of the temperature sensors 58, 60 and 62 during operation of the machine tool 10. Based on these temperature profiles and using the deformation model 64 For example, the length changes 82, 84, 86 and displacements 92, 94 shown in FIG. 7 over their time course can be determined and linked to a thermally induced change in position 68 of the machine tool section 48.
Die Verlagerung 82 aufgrund der Längenänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 wird in negativer z-Richtung angenommen, da die Koppelstelle 30 bezogen auf die z-Achse in positiver z-Richtung versetzt zum Zentrum des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 angeordnet ist. Hierdurch bewirkt eine Län- genausdehnung des Werkzeugsmaschinenabschnitts 48 eine Verkürzung des Abstands 93 zwischen dem Werkstückträger 16 und dem Werkzeugträger 18.The displacement 82 due to the change in length of the machine tool section 48 is assumed in the negative z-direction, since the coupling point 30 is arranged offset relative to the z-axis in the positive z-direction to the center of the machine tool section 48. As a result, a length extension of the tool machine section 48 causes a shortening of the distance 93 between the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18.
Auch die durch den Wärmeeintrag der Wärmequelle 56 bedingte Verlagerung 94 wird in negativer z-Richtung angenommen, da die Verlagerung 94 eine Verkürzung des Abstands 93 zwischen dem Werkstückträger 16 und dem Werkzeugträger 18 bewirkt.The displacement 94 caused by the heat input of the heat source 56 is also assumed in the negative z direction, since the displacement 94 effects a shortening of the distance 93 between the workpiece carrier 16 and the tool carrier 18.
Die Längenänderung 84 des Werkzeugmaschinenteils 50 in Form der Positionsmesseinrichtung 34 wird in positiver z-Richtung angenommen. Auch die Längenänderung 86 des Werkzeugmaschinenteils 52 und die Verlagerung 92 aufgrund der Wärmequelle 54 werden in positiver Richtung angenommen.The change in length 84 of the machine tool part 50 in the form of the position measuring device 34 is assumed in the positive z-direction. The change in length 86 of the machine tool part 52 and the displacement 92 due to the heat source 54 are assumed in the positive direction.
Aus Figur 7 ist ersichtlich, dass die Längenänderungen 82, 84 und 86, welche in Abhängigkeit der Referenztemperatur 80 berechnet werden, einen domi- nierenden Einfluss haben und dass die Verlagerungen 92 und 94 aufgrund des Wärmeeintrags durch die Wärmequellen 54 und 56 vergleichsweise klein sind. Aus diesem Grunde ist es bei einer alternativen Ausführungsform eines Verformungsmodells 64 möglich, lediglich die Längenänderungen 82, 84 und 86 einander zu überlagern. Die Längenänderungen 82, 84, 86 und die Verlagerungen 92 und 94 können nun miteinander addiert werden, sodass eine thermisch bedingte Positionsänderung 68 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 bestimmt werden kann.It can be seen from FIG. 7 that the length changes 82, 84 and 86, which are calculated as a function of the reference temperature 80, have a dominating influence and that the displacements 92 and 94 are comparatively small due to the heat input by the heat sources 54 and 56. For this reason, in an alternative embodiment of a deformation model 64 it is possible to superimpose only the length changes 82, 84 and 86 on each other. The length changes 82, 84, 86 and the displacements 92 and 94 can now be added together, so that a thermally induced position change 68 of the machine tool section 48 can be determined.
In Figur 8 ist die auf diese Weise bestimmte Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 in einem zeitlichen Verlauf dargestellt. In Figur 8 ist außerdem eine während des Betriebs der Werkzeugmaschine 10 erfasste reale Positionsänderung 102 dargestellt. Die reale Positionsänderung 102 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 kann beispielsweise mit Hilfe eines Laser- interferometers gemessen werden.FIG. 8 shows the change in position of the machine tool section 48 determined in this way over time. FIG. 8 also shows a real position change 102 detected during operation of the machine tool 10. The real change in position 102 of the machine tool section 48 can be measured, for example, with the aid of a laser interferometer.
In Figur 8 ist außerdem eine Kurve 104 dargestellt, welche die Differenz zwischen der jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessenen realen Positionsänderung 102 und der für diesen Zeitpunkt mit Hilfe des Verformungs- modeis 64 berechneten Positionsänderung 68 angibt.FIG. 8 also shows a curve 104 which indicates the difference between the real position change 102 measured in each case at a specific point in time and the position change 68 calculated for this point in time with the aid of the deformation mode 64.
Aus Figur 8 ist ersichtlich, dass die reale Positionsänderung 102 des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 Werte von über 50 μm erreichen kann. Die berechneten Positionsänderungen 68 weichen lediglich um maximal weniger als 10 μm von den realen Positionsänderungen 102 ab.It can be seen from FIG. 8 that the real change in position 102 of the machine tool section 48 can reach values of more than 50 μm. The calculated position changes 68 only deviate from the real position changes 102 by a maximum of less than 10 μm.
In Kenntnis der berechneten Positionsänderung 68 kann die Antriebseinrichtung 26 des Werkzeugsmaschinenabschnitts 48 unter Berücksichtigung einer hierzu umgekehrten Positionsänderung angesteuert werden. Auf diese Weise kann eine thermisch bedingte Positionsänderung des Werkzeugmaschinenabschnitts 48 zumindest weitestgehend kompensiert werden.With knowledge of the calculated change in position 68, the drive device 26 of the machine tool section 48 can be actuated taking into account a position change reversed for this purpose. In this way, a thermally induced change in position of the machine tool section 48 can be at least largely compensated.
Die Abweichung zwischen der berechneten Positionsänderung 68 und der realen Positionsänderung 102 ergibt sich daraus, dass für die einzelnen Modellelemente 70 bis 78 des Verformungsmodels 64 stationäre Zustände angenommen werden. Hierbei korreliert ein Temperaturwert linear mit einer Längenänderung und/oder einer Verlagerung. In der Realität tritt eine solche Längenänderung und/oder Verlagerung jedoch zeitverzögert zu einer Änderung eines Temperaturwerts auf, sodass die realen Längenänderungen und/oder Verlagerungen zunächst kleiner sind als die mit Hilfe der Modellelemente berechneten Längenänderungen und/oder Verlagerungen. Aus Figur 8 ist ersichtlich, dass sich in einem stationären Wärmezustand der Werkzeugmaschine 10 die berechneten Positionsänderungen 68 und die realen Positionsänderungen 102 auf einen identischen Wert einander annähern.The deviation between the calculated position change 68 and the real position change 102 results from the fact that 64 stationary states are assumed for the individual model elements 70 to 78 of the deformation model. Here, a temperature value correlates linearly with a change in length and / or a displacement. In reality, such occurs Length change and / or displacement, however, with a time delay to a change in a temperature value, so that the real length changes and / or displacements are initially smaller than the length changes and / or displacements calculated using the model elements. It can be seen from FIG. 8 that in a steady-state thermal state of the machine tool 10, the calculated position changes 68 and the real position changes 102 approach each other to an identical value.
Die Bestimmung und Kompensation der Positionsänderung 68 wurde am Bei- spiel des entlang der z-Achse der Werkzeugmaschine 10 bewegbaren Werkzeugmaschinenabschnitts 48 in Form des Werkstückträgers 16 erläutert. Eine entsprechende Bestimmung und Kompensation von Positionsänderungen kann alternativ oder zusätzlich für die entlang der x-Achse und/oder der y-Achse der Werkzeugmaschine bewegbaren Werkzeugmaschinenabschnitte in Form des Werkzeugträgers 18, des Schlittens 20 und/oder des Schlittens 22 durchgeführt werden. The determination and compensation of the change in position 68 was explained by the example of the machine tool section 48, which can be moved along the z-axis of the machine tool 10, in the form of the workpiece carrier 16. A corresponding determination and compensation of changes in position can alternatively or additionally be carried out for the machine tool sections movable along the x-axis and / or the y-axis of the machine tool in the form of the tool carrier 18, the carriage 20 and / or the carriage 22.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung einer thermisch bedingten Positionsänderung (68) eines Werkzeugmaschinenabschnitts (48) einer Werkzeugmaschine (10), wobei der Werkzeugmaschinenabschnitt (48) entlang einer Werkzeugmaschinenachse (24) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verformungsmodell (64) der Werkzeugmaschine (10) erstellt wird, welches bezogen auf die Werkzeugmaschinenachse (24) einen Zusammenhang zwischen der zu bestimmenden Positionsänderung (68) und mindestens einer Eingangsgröße (66) angibt, wobei die mindestens eine Eingangsgröße (66) mindestens einen Temperaturwert (80, 88, 90) um- fasst, und dass zur Bestimmung der thermisch bedingten Positionsänderung (68) die mindestens eine Eingangsgröße (66) erfasst und in das Verformungsmodell (64) eingegeben wird.1. A method for determining a thermally induced change in position (68) of a machine tool section (48) of a machine tool (10), wherein the machine tool section (48) along a machine tool axis (24) is movable, characterized in that a deformation model (64) of the machine tool ( 10), which relative to the machine tool axis (24) indicates a relationship between the position change (68) to be determined and at least one input variable (66), wherein the at least one input variable (66) has at least one temperature value (80, 88, 90). includes, and that for determining the thermally induced position change (68) the at least one input variable (66) detected and entered into the deformation model (64).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang linear angesetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the relationship is applied linearly.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) unabhängig von einem Betriebszustand der Werkzeugmaschine (10) erstellt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the deformation model (64) is created independently of an operating state of the machine tool (10).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) während des Betriebs der Werkzeugmaschine (10) erfasst und in das Verformungsmodell (64) eingegeben wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one input variable (66) during operation of the machine tool (10) detected and entered into the deformation model (64).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugmaschinenabschnitt (48) mindestens einen Werkstückträger (16) umfasst oder durch einen Werkstückträger (16) gebildet ist. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool section (48) comprises at least one workpiece carrier (16) or by a workpiece carrier (16) is formed.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugmaschinenabschnitt (48) mindestens einen Werkzeugträger (18) umfasst oder durch einen Werkzeugträger (18) gebildet ist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool section (48) comprises at least one tool carrier (18) or by a tool carrier (18) is formed.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugmaschinenabschnitt (48) mindestens einen Schlitten (20, 22) umfasst oder durch einen solchen Schlitten (20, 22) gebildet ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool section (48) comprises at least one carriage (20, 22) or by such a carriage (20, 22) is formed.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) des Verformungsmodells (64) eine Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine (10) umfasst.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one input variable (66) of the deformation model (64) comprises an ambient temperature of the machine tool (10).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) des Verformungsmodells (64) eine an der Werkzeugmaschine (10) erfasste Referenztemperatur (80) umfasst.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one input variable (66) of the deformation model (64) comprises a on the machine tool (10) detected reference temperature (80).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenztemperatur (80) an oder in einem Werkzeugmaschinenbereich erfasst wird, welcher von Wärmequellen (54, 56) der Werkzeugmaschine (10) zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst ist.10. The method according to claim 9, characterized in that the reference temperature (80) is detected on or in a machine tool area, which is at least substantially unaffected by heat sources (54, 56) of the machine tool (10).
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) mindestens ein Werkzeugmaschinenteil (50, 52) umfasst, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) gekoppelt ist. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool (10) comprises at least one machine tool part (50, 52) which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section (48).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil (52) ortsfest ist.12. The method according to claim 11, characterized in that the at least one machine tool part (52) is stationary.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil (52) ein Maschinenbett (12) und/oder ein Maschinengestell (14) umfasst oder durch ein Maschinenbett (12) und/oder ein Maschinengestell (14) gebildet ist.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that the at least one machine tool part (52) comprises a machine bed (12) and / or a machine frame (14) or by a machine bed (12) and / or a machine frame (14) is.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Werkzeugmaschinenteil (50) eine Positionsmesseinrichtung (34) zur Erfassung einer Relativposition (100) des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) und eines ortsfesten Werkzeugmaschinenteils (52) umfasst oder durch eine solche Positionsmesseinrichtung (34) gebildet ist.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the at least one machine tool part (50) comprises a position measuring device (34) for detecting a relative position (100) of the machine tool section (48) and a stationary machine tool part (52) or by a such position measuring device (34) is formed.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) des Verformungsmodells (64) die Relativposition (100) umfasst.15. The method according to claim 14, characterized in that the at least one input variable (66) of the deformation model (64) comprises the relative position (100).
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) ein dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) zugeordnetes Modellelement (70) enthält.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the deformation model (64) includes a machine tool section (48) associated with the model element (70).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Modellelement (70) einen Zusammenhang zwischen einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine (10) und/oder einer an der Werkzeugmaschine (10) erfassten Referenztemperatur (80) einerseits und einer auf die Werkzeugmaschinenachse (24) bezogenen Längenänderung (82) des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) andererseits angibt.17. The method according to claim 16, characterized in that the model element (70) has a relationship between an ambient temperature of the machine tool (10) and / or on the machine tool (10) detected reference temperature (80) on the one hand and on the machine tool axis (24). on the other hand indicates related change in length (82) of the machine tool section (48).
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang linear angesetzt wird. 18. The method according to claim 17, characterized in that the relationship is applied linearly.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) ein Modellelement (72, 74) enthält, das einem Werkzeugmaschinenteil (50, 52) zugeordnet ist, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) gekoppelt ist.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the deformation model (64) includes a model element (72, 74) associated with a machine tool part (50, 52) which directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section (48) is.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Modellelement (72, 74) einen Zusammenhang zwischen einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine (10) und/oder einer an der Werkzeugmaschine (10) erfassten Referenztemperatur (80) einerseits und einer auf die Werkzeugmaschinenachse (24) bezogenen Längenänderung (84, 86) des Werkzeugmaschinenteils (50, 52) andererseits angibt.20. The method according to claim 18, characterized in that the model element (72, 74) has a relationship between an ambient temperature of the machine tool (10) and / or a reference to the machine tool (10) detected reference temperature (80) on the one hand and on the machine tool axis ( 24) related change in length (84, 86) of the machine tool part (50, 52) on the other hand indicates.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang linear angesetzt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the relationship is applied linearly.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe unterschiedlicher Modellelemente (70, 72, 74) ermittelte Längenänderungen (82, 84, 86) einander überlagert werden.22. The method according to any one of claims 16 to 21, characterized in that with the aid of different model elements (70, 72, 74) determined length changes (82, 84, 86) are superimposed on each other.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) einen Arbeitsraum (44) um- fasst und dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) des Verformungsmodells (64) eine Arbeitsraumposition des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) umfasst. 23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the machine tool (10) comprises a working space (44) and that the at least one input variable (66) of the deformation model (64) comprises a working space position of the machine tool section (48).
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Eingangsgröße (66) des Verformungsmodells (64) einen Temperaturwert (88, 90) umfasst, welcher an mindestens einer Wärmequelle (54, 56) der Werkzeugmaschine (10) er- fasst wird.24. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one input variable (66) of the deformation model (64) comprises a temperature value (88, 90) which at least one heat source (54, 56) of the machine tool (10) he - is taken.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (56) unmittelbar auf den Werkzeugmaschinenabschnitt (48) wirkt.25. The method according to claim 24, characterized in that the at least one heat source (56) acts directly on the machine tool section (48).
26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (56) eine Koppeleinrichtung (30) ist, mittels welcher der Werkzeugmaschinenabschnitt (48) mit einer Antriebseinrichtung (26) zum Antrieb des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) gekoppelt ist.26. The method according to claim 24 or 25, characterized in that the at least one heat source (56) is a coupling device (30), by means of which the machine tool section (48) is coupled to a drive device (26) for driving the machine tool section (48).
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (54) unmittelbar auf ein Werkzeugmaschinenteil (50, 52) wirkt, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) gekoppelt ist.27. The method according to any one of claims 24 to 26, characterized in that the at least one heat source (54) acts directly on a machine tool part (50, 52) which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section (48).
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (54) eine Antriebseinrichtung (26) zum Antrieb des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) ist. 28. The method according to any one of claims 24 to 27, characterized in that the at least one heat source (54) is a drive device (26) for driving the machine tool section (48).
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) mindestens ein Modellelement (76, 78) enthält, welches einen Zusammenhang zwischen einer Temperaturdifferenz und einer auf die Werkzeugmaschinenachse (24) bezogenen Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) angibt, wobei die Temperaturdifferenz bestimmt ist durch den Unterschied eines an der mindestens einen Wärmequelle (54, 56) erfassten Temperaturwerts (88, 90) zu einer Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine (10) und/oder einer an der Werkzeugmaschine (10) erfassten Referenztemperatur (80).29. The method according to any one of claims 24 to 28, characterized in that the deformation model (64) at least one model element (76, 78) containing a relationship between a temperature difference and on the machine tool axis (24) related displacement of the machine tool section (48 ), wherein the temperature difference is determined by the difference between a temperature value (88, 90) detected at the at least one heat source (54, 56) and an ambient temperature of the machine tool (10) and / or a reference temperature detected at the machine tool (10) ( 80).
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang linear angesetzt wird.30. The method according to claim 29, characterized in that the relationship is applied linearly.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung eines den linearen Zusammenhang charakterisierenden Koeffizienten eine Finite-Elemente-Simulation durchgeführt wird, bei welcher zunächst auf Basis einer vorgebbaren Kenngröße der Wärmequelle (54, 56) eine über der Werkzeugmaschine (10) anliegende Temperaturverteilung und auf Basis dieser Temperaturverteilung eine Verlagerung des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) berechnet wird.31. The method according to claim 30, characterized in that a finite element simulation is carried out to determine a coefficient characterizing the linear relationship, in which first on the basis of a predefinable parameter of the heat source (54, 56) one above the machine tool (10). adjacent temperature distribution and based on this temperature distribution, a displacement of the machine tool section (48) is calculated.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung stationär ist.32. The method according to claim 31, characterized in that the temperature distribution is stationary.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) verschiedenen Wärmequellen (54, 56) der Werkzeugmaschine (10) jeweils separat zugeordnete Modellelemente (76, 78) enthält. 33. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the deformation model (64) different heat sources (54, 56) of the machine tool (10) each separately associated model elements (76, 78) contains.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe verschiedener Modellelemente (76, 78) des Verformungsmodells (64) ermittelte Verlagerungen (92, 94) des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) einander überlagert werden.34. The method according to claim 33, characterized in that with the aid of various model elements (76, 78) of the deformation model (64) determined displacements (92, 94) of the machine tool section (48) are superimposed on each other.
35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungsmodell (64) ein dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) zugeordnetes Modellelement (70) enthält und/oder ein Modellelement (72, 74), das einem Werkzeugmaschinenteil (50, 52) zugeordnet ist, welches direkt oder indirekt kinematisch mit dem Werkzeugmaschinenabschnitt (48) gekoppelt ist, und/oder ein Modellelement (76, 78), das einer Wärmequelle (54, 56) der Werkzeugmaschine (10) zugeordnet ist, dass das Verformungsmodell (64) mindestens zwei unterschiedliche Modellelemente (70, 72, 74, 76, 78) enthält und dass mit Hilfe dieser unterschiedlichen Modellelemente (70, 72, 74, 76, 78) bestimmte Längenänderungen (82, 84, 86) und/oder Verlagerungen (92, 94) des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) und/oder des Werkzeugmaschinenteils (50, 52) einander überlagert werden.35. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the deformation model (64) includes a machine tool section (48) associated model element (70) and / or a model element (72, 74) associated with a machine tool part (50, 52) which is directly or indirectly kinematically coupled to the machine tool section (48), and / or a model element (76, 78) associated with a heat source (54, 56) of the machine tool (10) that the deformation model (64) at least contains two different model elements (70, 72, 74, 76, 78) and that with the aid of these different model elements (70, 72, 74, 76, 78) certain length changes (82, 84, 86) and / or displacements (92, 94 ) of the machine tool section (48) and / or the machine tool part (50, 52) are superposed on each other.
36. Verfahren zur Kompensation einer thermisch bedingten Positionsänderung (68) eines Werkzeugmaschinenabschnitts (48) einer Werkzeugmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch bedingte Positionsänderung (68) eines Werkzeugmaschinenabschnitts (48) einer Werkzeugmaschine (10) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bestimmt wird und dass die auf diese Weise bestimmte thermisch bedingte Positionsänderung (68) als Steuergröße für die Ansteuerung einer Positionsänderungseinrichtung des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) verwendet wird. 36. A method for compensating a thermally induced change in position (68) of a machine tool section (48) of a machine tool (10), characterized in that a thermally induced change in position (68) of a machine tool section (48) of a machine tool (10) with a method according to one of preceding claims and that the thus determined thermally induced position change (68) is used as a control variable for the control of a position changing means of the machine tool section (48).
7. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung einer Sollposition des Werkzeugmaschinenabschnitts (48) der Sollposition eine zu der bestimmten thermisch bedingten Positionsänderung (68) entgegengesetzte Soll-Positionsänderung überlagert wird. 7. The method according to claim 36, characterized in that for controlling a desired position of the machine tool section (48) of the desired position is superimposed on the determined thermally induced change in position (68) opposite desired position change.
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Inventor name: SCHARSCHMIDT, KARL-HEINZ

Inventor name: DAVIS, RALPH

Inventor name: BAYHA, THOMAS

Inventor name: HORN, WOLFGANG

Inventor name: MEIDAR, MOSHE ISRAEL

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Owner name: GOTTFRIED WILHELM LEIBNIZ UNIVERSITAET HANNOVER

Owner name: MAG IAS GMBH

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