EP3256287A1 - Verfahren zur lagebestimmung eines werkstücks in einer werkzeugmaschine - Google Patents

Verfahren zur lagebestimmung eines werkstücks in einer werkzeugmaschine

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EP3256287A1
EP3256287A1 EP15742270.0A EP15742270A EP3256287A1 EP 3256287 A1 EP3256287 A1 EP 3256287A1 EP 15742270 A EP15742270 A EP 15742270A EP 3256287 A1 EP3256287 A1 EP 3256287A1
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EP
European Patent Office
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tool
workpiece
contact
machining
machine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15742270.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Röders
Saman FRÖHLICH
Sönke WULFF
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.)
P&L GmbH and Co KG
Original Assignee
P&L GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by P&L GmbH and Co KG filed Critical P&L GmbH and Co KG
Publication of EP3256287A1 publication Critical patent/EP3256287A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G05B2219/37618—Observe, monitor position, posture of tool

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of a workpiece and a tool in a machine tool.
  • the clamping position of the workpiece is determined with suitable tools and fixed due to the detected clamping position of the zero point for machining.
  • an automatic button This has a stylus tip with a probe ball for probing the workpiece at one end. At the other end it is attached to a tool holder and can be exchanged for it in the machining spindle. To touch a workpiece, the machine moves the spindle on the tool holder held automatic probe to the workpiece until the stylus located at the bottom of the automatic probe touches the workpiece and deflects far enough for the probe to switch.
  • Modern automatic buttons are designed so that the path for the deflection of the stylus is always exactly the same and can be calibrated.
  • the automatic button switches, the automatic button sends a signal to the controller, which detects the actual position of the machine for that position. So any edges, holes, etc., touched and their relative position in the machine can be determined relatively accurately. Modern buttons are highly accurate. Therefore, the position of the switch for the switching point can be determined very accurately.
  • the invention has for its object to provide a method for determining a position of a workpiece and a tool in a machine tool, which avoids the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability and an exact assignment between the geometry of the workpiece allows the tool.
  • the invention thus provides a method for determining the position of a workpiece relative to a tool in a machine tool, in which a workpiece is clamped on the machine tool, in which subsequently a tool is inserted into a rotatable spindle shaft and the spindle shaft is set in rotation, in which between the workpiece and the tool, an electrical voltage is applied, in which the tool and the workpiece are moved against each other and in which a contact between the tool and the workpiece determines a change in the applied voltage or the resulting current flow and the respective position of the workpiece and / or of the tool and stored in a computer program for controlling / regulating the machining of the workpiece.
  • the zeropoint geometry elements that are probed on the workpiece prior to machining in a machine are often already completed. Therefore, they must not be damaged by the probing process, which is also the case in the known from the prior art method with the automatic probe.
  • the probing pressure of the stylus is very low, so that the probing leaves no traces.
  • the workpiece will be engaged and removed immediately when the workpiece is touched.
  • a voltage is applied and monitored between the machining tool and the workpiece.
  • This is easily possible in modern machine tools with high-speed spindles, since the spindle shafts of such spindles are usually mounted with ceramic balls.
  • the spindle shaft is thereby electrically isolated from the machine.
  • an electrical voltage can be applied to the spindle shaft.
  • the second pole of the voltage can be connected to the workpiece or the machine table below.
  • the electrical insulation can be applied to another be provided suitable location, eg between the spindle housing and the machine, but also on the workpiece side, eg between the workpiece and the machine table.
  • the workpiece side eg between the workpiece and the machine table.
  • the machining tool is electrically connected via the metallic tool holder, in which this is held, directly to the spindle shaft.
  • a current flows and it can easily be detected by means of a simple circuit due to the changing electrical voltage. Even with extremely short contact between the workpiece and the machining tool, such a change in the voltage is already detectable. If, at the moment, the voltage change caused by the contact between the machining tool and the workpiece is sent to the controller to immediately stop or retract the machine tool, significant intervention, i. damage to the workpiece, safely avoided.
  • the resulting "probing marks" are significantly smaller than 1 m, if the probing speed is selected appropriately.Such small changes in the surface to be touched negligible in practice even on finished geometry elements of the workpiece and can be accepted, even with repeated probing The method described for almost damage-free probing of workpieces directly with the machining tool to be used for the machining.Possible inaccuracies, which are caused by the use of an auxiliary device such as an automatic probe, are avoided.
  • the method can be used both for cutting tools with a geometrically determined cutting edge, e.g. Milling tools, as well as with geometrically undefined cutting edge, e.g. Abrasive tools are used.
  • a geometrically determined cutting edge e.g. Milling tools
  • geometrically undefined cutting edge e.g. Abrasive tools are used.
  • the only prerequisite for the process is that the machining tool is also electrically conductive.
  • Antastens directly with the processing tool is that this can be done at any time during processing.
  • machine tools often are not zero-point stable, especially in the case of longer machining operations, ie the position of the zero point changes slightly.
  • Most of the change in the zero point is caused by thermal effects, either in the machine tool, for example by heating certain components, or by the environment, for example in temperature fluctuations of the air surrounding the machine tool.
  • the change of the zero point during machining leads to undesirable deviations.
  • This zero-point corrective probing process may be performed at arbitrary time intervals, depending on how zero-point stable the machine tool is and what accuracies are required.
  • the electrical voltage is an alternating voltage and the alternating voltage is transmitted by means of a capacitive coupling from a voltage source to the tool.
  • a first pole of the voltage source is coupled to the workpiece and a second pole of the voltage source coupled via the capacitive coupling with the tool.
  • a mechanical contact for example by sliding contacts, between the elements rotated in rotation and the voltage source is avoided.
  • a capacitive coupling wherein at least one of the rotated elements, spindle shaft, tool holder or tool, as a side of a capacitor and a coupling element on the side of the voltage source, for example a metal plate, close to one of the rotating elements a defined gap is arranged, acts as a second side of this capacitor.
  • a coupling element on the side of the voltage source for example a metal plate
  • the higher the frequency of the applied AC voltage the lower the resistance of the thus realized capacitor.
  • by appropriate arrangement e.g. Choosing a sufficiently large metal plate and a small distance to the spindle shaft, it must be ensured that the capacity is correspondingly large and thus the electrical resistance for the selected AC voltage is correspondingly small.
  • a contact between the tool and the workpiece may be both a physical contact and an electrical contact.
  • An electrical contact is also given when there is still a very small gap between the tool and the workpiece, but still there is a current flow due to capacitive effects.
  • a further possibility of contacting the spindle shaft is shown below, as an alternative to the solutions with the contact brush or the capacitor principle already described above. It is mounted another auxiliary ball bearing on the spindle shaft, which is performed instead of electrically insulating ceramic balls with steel balls and thus is electrically conductive. Due to the steel balls, the auxiliary ball bearing only reaches the same speeds as the main bearings of the spindle shaft if the diameter of the steel ball bearing is significantly smaller. It must therefore be in a slim position, e.g. be mounted at the end of the spindle shaft. It only has the function of making electrical contact with the spindle shaft and does not have to support the spindle shaft mechanically. So it can be e.g. be a simply executed deep groove ball bearings.
  • the outer ring of the bearing is made in an electrically insulating material, e.g. Plastic, received and so electrically insulated against the spindle housing.
  • a cable is electrically connected to the outer ring of the bearing and led out of the spindle.
  • This cable can be connected to one pole of the voltage source.
  • the spindle shaft as required for the inventive method, connected to a pole of the voltage source by means of the electrically conductive auxiliary ball bearing.
  • chips removed by milling or grinding are distributed in the working space due to the process. Part of the chips also stick to the workpiece.
  • a lubricant e.g. Emulsion or oil to keep the chips away from the workpiece or to remove.
  • this never succeeds completely.
  • chips accumulate on the workpiece again and again.
  • the adhesion of the chips to the workpiece is still favored. The chips stick to the workpiece.
  • the adhesion of chips is favored on the workpiece when the workpiece is made of a ferrous material and is clamped with a magnetic disk.
  • the field lines of the magnetic disk penetrate into the workpiece and lead to a magnetic adhesion of the removed chips.
  • the chips adhering to the workpiece can interfere with a rotating tool via a current contact to be detected. Even before the rotating tool touches the actual workpiece and thus produces a current contact, can form a contact between the workpiece and tool by adhering to the workpiece chips. The adhering chips then become a conductor electrically connecting the workpiece and the tool.
  • the invention it is therefore provided to perform a multiple measurement, at least one measurement twice, for a contact point to be scanned between the workpiece and the tool. If, as described above, chips are used as conductive elements between the tool and the workpiece during the contact measurement, then at the moment of contact, i. upon contact between chips and tools adhering to the workpiece, the chips cause, by the rotation of the tool, a pulse that substantially changes their position and, as a rule, throws them away from the workpiece.
  • the direction of travel of the tool relative to the workpiece with which they are moved towards each other is reversed immediately at the moment of electrical contact, to avoid damage to the workpiece.
  • the tool is removed again from the workpiece.
  • the path on which the tool is removed from the workpiece in this way, in a safe distance position, can be arbitrarily specified.
  • a further (second) contact measurement can be carried out immediately from the safe distance position by the tool being moved back onto the workpiece exactly on the same path on which it was previously removed from the workpiece until it makes contact again. If the tool has already correctly touched the workpiece during the first contact measurement, the same contact position for the tool relative to the workpiece will be determined with the accuracy of the measurement tolerance of the measuring method itself during the second contact measurement.
  • Chips can adhere to flat, inclined or even vertical areas of the workpiece.
  • on-machine media e.g. powerful air nozzles, but also lubricants or cooling lubricants. This reduces the number of contact measurements required until two consecutive measurements fall within the given tolerance. It does not take that long for all the chips to be removed.
  • the cleaning with the media can be made specifically at the intended locations for the contact measurement.
  • the invention is suitable both for grinding and for milling tools, ie tools with specific and undetermined cutting edge.
  • the contact measurement it is also possible to provide a redundancy of the contact measurements by repeatedly scanning the workpiece at several different points once or as described and comparing the results of these measurements with one another. If the measurement results of the contact measurements at one point of the workpiece do not match the other contact measurements, for example one given tolerance / deviation exceed, the results of the contact measurement (s) can be discarded as invalid at this one point and excluded from consideration for further processing.
  • This procedure can also be used if first of all a plurality of contact measurements are required at different locations of the workpiece as described in order to perform a measurement at all, e.g. to determine the position and orientation of the workpiece relative to the machine tool.
  • the probing with the rotating tool on the workpiece can also be used for indirect geometry measurement of the tool, by probing already finished, dimensionally known geometry elements on the workpiece, e.g. the high-precision workpiece surface or a high-precision guide bore, which were previously measured on a measuring machine. If a guide bore is probed several times, for example by opposing measuring points, using similar methods as when measuring the bore with an automatic probe with the tool, the effective diameter of the tool can be recalculated with the aid of the determined probing points with the known bore diameter. By touching the known workpiece surface, the tool length can be determined.
  • the probing takes place with the intended speed for the subsequent processing. Before touching the workpiece, a warm-up phase can be waited until the machine tool for the machining speed is in the thermally stable state. Thermally induced inaccuracies by probing with a standing automatic probe according to the prior art and subsequent processing with a rotating tool are thus avoided.
  • control measurements are possible to detect by changing the ambient temperature of the machine tool or other influences caused displacements between the workpiece and tool and compensate with the help of the probe results.
  • the tool remains under speed in the spindle.
  • the machine tool remains thermally stable.
  • the milled geometry can be checked directly with the machining tool.
  • the tool can be referenced again to dimensionally known geometry elements on the workpiece, so the wear can be determined. For example, it can be detected whether the tool, in particular for longer tool lengths, has pushed away during machining due to cutting forces or has drawn into the workpiece due to unfavorable cutting geometry and thus deviations have occurred during machining.
  • machining For workpieces with complex surfaces, the machining often has to be carried out with tools of different sizes. For time reasons as many areas of the workpiece surface are processed with large tools. In concave areas with small inner radii, machining with large tools can not be completed. There remains material. Therefore, a Restmaterialbearbeitung is performed with a much smaller tool. If the positioning of the residual material processing with the small tool does not exactly match, unwanted steps in the manufactured workpiece surface arise between the area that has been machined with a larger tool and the area that is machined for the remainder machining with a smaller tool.
  • the alignment is not only possible by translational displacement, but optionally, in addition, a rotation in the room can be made so that the Residual material processing fits as perfectly as possible to the already produced surface.
  • Such alignment processes are known from the prior art as so-called "best-fit processes”.
  • the probing operations on the reference elements described in DE102009037593A1 can also be carried out according to the invention with the rotating tool.
  • Such dimensionally known reference elements in the machine tool can also be used to measure the geometry of the rotating tool by probing. If the probing invention can not be completely wear-free, for example, because the machine tool does not react fast enough, the fixed reference elements can also be provided interchangeable.
  • a high-precision, dimensionally known ball is used for calibrating an automatic probe. This is repeatedly touched with the push button and thus determines the switching characteristics of the button.
  • known balls can also be used as fixed probes for the inventive method in the machine.
  • a further embodiment variant of the invention provides that during the often very long processing time, for example in a finishing, in which the individual lines can be very close to each other, during the process of continuously monitoring the contact of the workpiece with the tool.
  • At each cutting engagement ie several times per revolution of the tool, there must be an electrical contact between the tool and the workpiece.
  • the number of contacts per revolution depends on the number of cutting edges on the tool. If this continuous contact is no longer present, it can be concluded that the tool has broken off. If there are fewer contacts per revolution of the tool than cutting, it can be concluded that individual cutting has broken out. Since the rotational speed of the tool for machining and the number of cutting edges of the tool used in the control are known, such a check whether all cutting edges of the tool come into engagement, easily possible.
  • the tool breakage control according to the invention is very advantageous especially when machining with very thin tools that are very sensitive.
  • the tool is measured only at the end of processing in a tool, such as a measuring laser. If the tool breaks off early, it may result in the loss of many hours of machining time without this being noticed.
  • a tool break can be monitored immediately.
  • NC programs to be processed also frequently translate movements, for example, from one processing point to the next. Of course, there is no contact between the tool and the workpiece during the translation movement. However, these translation movements can be identified in the NC program of the machine tool, for example by another, higher feed.
  • the machine control will therefore only expect contact with the workpiece during the actual machining, for example with the specified machining feed, and check contact of the tool with the workpiece only during the execution of these program parts. This avoids that a tool breakage is wrongly detected during a program-related translation movement. Often, there is also an approach movement in the NC programs to the workpiece, which is already performed with the machining feed to slowly bring the tool into engagement. For such cases, a waiting period may be provided at the beginning of the program and after each translation movement, from which only the contact verification according to the invention begins. The waiting period is chosen so long that the starting movement is completed within this safely. Important in this procedure is that even the intervention of individual cutting edges can be monitored.
  • probing used in the above explanations means in the context of the invention a contact between the workpiece and the tool, as described above.
  • the invention is applicable to both grinding tools and milling tools, thus tools that have a specific or indefinite cutting edge.
  • FIG. 1 is a simplified representation of a machine tool with a button according to the
  • FIG. 2 is a representation, analogous to FIG. 1, of a first invention
  • FIG. 4 shows a representation of a further exemplary embodiment with a capacitive coupling according to the invention
  • FIG. 5 shows a view, analogous to FIGS. 2 and 4, of a further exemplary embodiment
  • 6 is an illustration of remaining material remaining when machining a concave surface with a large tool
  • 9-11 are schematic representations of the contacting of the workpiece with the
  • Fig. 14 is a schematic representation of the machining of a workpiece by means of a
  • FIG. 1 shows a simplified side view of a machine tool 1 designed as a milling machine according to the prior art.
  • a milling spindle 6 is mounted in a Z-axis 9, which can be moved in two axes (Y and Z).
  • a known from the prior art automatic button 7 is held by means of a tool holder 0.
  • a stylus At the bottom of the button 7 is a stylus, at the end of a ball is attached.
  • the automatic button 7 switches and sends a signal to the controller.
  • the position of the axes is detected in the controller and determined in this way the position of the workpiece 1 on the machine table 5.
  • a machining tool 3 (milling tool) in a tool holder 10, which in turn is mounted on the spindle shaft 4 of the milling spindle 6.
  • the machine table 5 moves to the touch with the machining tool 3 on the workpiece 1 also in the direction of arrow X.
  • the tool 3 rotates during the probing process, so that forms an envelope described by the cutting of the tool 3.
  • a voltage source 8 shown here by way of example as a DC voltage source, a voltage is applied to the spindle shaft 4 (not shown) or tool holder 10 via suitable means, for example brushes.
  • a voltage source is applied to the spindle shaft 4 (not shown) or tool holder 10 via suitable means, for example brushes.
  • a voltage source is connected to the workpiece 1.
  • the spindle shaft 4 is mounted with ceramic ball bearings in the milling spindle 6 in the case of rapidly rotating milling spindles 6, the spindle shaft 4 is electrically insulated from the housing of the milling spindle 6. As long as the machining tool 3 does not touch the workpiece 1, no current flows because the circuit is not closed. When the machine table 5 is moved with the workpiece 1 in the direction of the machining tool 3 in the direction of the arrow, it comes eventually to the mechanical contact between the machining tool 3 and the workpiece 1. The circuit is thereby closed. In the circuit shown by way of example, an electrical resistance is additionally connected in series with the voltage source 8. As long as there is no contact between the machining tool 3 and the workpiece 1, no electrical voltage drops across the resistor since the circuit is not closed.
  • the circuit Upon contact between the workpiece 1 and the machining tool 3, the circuit is closed, a current flows through the resistor and thus a voltage drops from this. This voltage drop can be detected with a circuit known from the prior art in the moment of contact.
  • the control stops the axis with the workpiece 1 immediately, so that it does not come to a material removal on the workpiece 1 except the contact between the machining tool 3 and the workpiece 1. Instead of stopping, a reversing operation of the axis with the machine table 5 can also be initiated immediately, which removes the workpiece 1 from the processing tool 3 again.
  • the position of the machine axes is detected and thus the position of the workpiece 1 on the machine table 5 is determined.
  • circuit is shown only as an example. Likewise, an AC power source can be used.
  • machining tool 3 can also be clamped directly in the spindle shaft 4.
  • Fig. 3 it is shown how a misalignment of the milling spindle 6 to the direction of the vertical axis Z effects.
  • the presentation is greatly inflated to illustrate the effect.
  • the milling spindle 6 is seen with a tool holder 10 and a relatively short machining tool 3 according to the method according to the invention. Relative to the lower edge of the milling spindle 6 results in the tool tip a deviation due to the misalignment.
  • the right view of the milling spindle 6 is the same misalignment of the milling spindle 6, so the same angular error of the milling spindle 6, shown how the misalignment affects a mounted with the aid of a tool holder 10 on the milling spindle 6 automatic probe 7 according to the prior art.
  • the inventive method can thus be carried out fully automatically, wherein the contact between the workpiece and the tool at the beginning of processing or cyclically and automatically during processing can be done.
  • the data of the underlying machining program is supplemented or calibrated.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a capacitive coupling between the voltage source 8 and the tool 3 according to a further exemplary embodiment.
  • the voltage source 8 is designed as an AC voltage source.
  • the tool 3 is electrically conductively connected to the spindle shaft 4 via the tool holder 10.
  • a metallic plate 11 is arranged, the surface of which is arranged along the surface of the spindle shaft 4 such that a gap of constant width results between the spindle shaft 4 and the metallic plate 11.
  • the metallic plate 1 is electrically conductively connected to a first pole of the voltage source 8.
  • a second pole of the voltage source 8 is, as described above, electrically conductively connected to the workpiece 1.
  • the metallic plate 11 forms a capacitor with the spindle shaft 4 and thus allows current to flow when an AC voltage is provided by the power source 8 and contact between the workpiece 1 and the tool 3 occurs. This current flow in turn leads to a voltage drop across the resistor, which in turn can be detected with a circuit known from the prior art at the moment of contact.
  • the voltage source 8 provides an alternating voltage
  • a minimal approach of the tool 3 to the workpiece 1 can already be detected if the machine reacts very quickly to an electrical contact, since such an approach is also effected by the tool 3, a capacitive element is formed on the workpiece 1 and an electrical contact thus occurs very shortly before a mechanical contact and can also be determined by a change in the voltage.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment for contacting the spindle shaft 4.
  • an auxiliary ball bearing 13 is mounted which comprises electrically conductive steel balls 17 which are arranged between an inner ring 14 and an outer ring 15 are arranged.
  • the outer ring 15 is mounted on the machine tool 2 by means of a preferably likewise annular insulating element 16. As shown, the outer ring 15 is connected to a voltage source 8, analogous to the structure of Figures 2 and / or 4. The negative pole of the voltage source 8 leads to the workpiece 1 not shown.
  • the voltage source 8 is designed as a DC voltage source.
  • the construction comprises, as also shown in FIGS. 2 and 4, a voltage detector 8.
  • FIG. 6 shows the remaining material 12 when machining a concave workpiece surface when the tool radius is significantly greater than the inner radius of the workpiece 1
  • FIG. 7 shows the resulting shoulder on the workpiece surface when remainder material processing with a small tool 3 in a partial area of the workpiece 1 has been carried out somewhat too low. The result is an undesirable paragraph "A" on the surface.
  • FIG. 8 shows how, according to the invention, the workpiece surface, which has already been completed by a larger tool 3, is keyed in the vicinity of a required machining of residual material with a small rotating tool 3.
  • FIGS. 9 to 11 show the procedure according to the method according to the invention, in which chips 3 are present between the workpiece 1 and the tool rotating about an axis of rotation 20 and which adhere to the workpiece 1.
  • FIGS. 9 and 10 explain that contacting between the tool 3 and the workpiece 1 can take place via the chips 19. This contact is faulty because the tool 3 is in reality is not in contact with the workpiece 1, but has a distance to this, which corresponds to the thickness of the chips 19. The machine control thus receives a wrong signal. This leads to a wrong measurement.
  • the invention provides that the workpiece 1 is contacted by means of the tool 3 at least twice. Such a second contacting is shown in FIG. 11.
  • the tool 3 correctly contacts the workpiece 1, whereby an electric current can flow or a voltage drop occurs, as has been explained above.
  • This effect is registered by the machine control as well as the erroneous contacting by means of the chips 19.
  • the machine control takes into account the difference in the distance between the tool 3 and the workpiece 1 and subsequently carries out another contacting measurement. If these represent the same results as in the situation shown in FIG. 11, these values are taken as a basis and the values from the measurement situations of FIG. 10 are rejected.
  • FIG. 12 shows a flow chart, which represents the method steps according to the invention in contact measurement without contamination by chips.
  • the tool is pre-positioned relative to the workpiece, then the tool is moved in the direction of the workpiece, with a small defined feed.
  • the applied voltage is monitored.
  • In a current contact takes an immediate action, namely a detection of the axis positions of all axes of the machine tool in the controller and a reversal of the travel direction of the tool relative to the workpiece in the axes.
  • the tool can be moved relative to the workpiece in only one axis, for example, the vertical z-axis, but it is also possible, the tool in all three axes of the machine tool relative to the workpiece, including in the horizontal x-axis and y- Axis to move.
  • the contact measurement is completed. It can then be determined in the machine control where the tool and tool are located relative to each other in the working space, whether the tool and / or the workpiece are in the correct position or if the tool has correct dimensions etc, as described above. As a result, a correction or calibration of the machining program is possible.
  • the rotating about the rotation axis 20 tool is provided with a plurality of cutting edges.
  • the rounded cylindrical representation in particular of FIGS. 9 to 11, thus shows the envelope resulting during the rotation of the tool. It is understood that in a three-dimensional representation, a Envelope would result. This is formed by the radially outermost points of the tool, in particular the tool cutting.
  • FIG. 13 shows a flow chart in a contact measurement in which the workpiece 1 is contaminated with chips 19, see FIGS. 9 to 11.
  • the tool is prepositioned relative to the workpiece in a starting position. Subsequently, the tool is moved in the direction of the workpiece with a small defined feed. The voltage is monitored. In a current contact or a voltage drop takes an immediate action, namely the detection of all axis positions by means of the machine control and a reversal of the travel direction of the tool relative to the workpiece in the respective axes to space the workpiece from the tool.
  • the contact measurement is completed. 13 the flowchart of FIG. 13 corresponds to the flowchart of FIG. 12.
  • the tool is moved again with a small defined feed in the direction of the workpiece.
  • a current contact takes place again an immediate action, namely the detection of the axis positions and the reversal of the travel direction of the tool relative to the workpiece, as described above.
  • the tool is again moved relative to the workpiece in its starting position.
  • the results of the two measurements namely the axis positions of the machine tool axes detected during the contacting, are compared. It is determined whether there are differences and whether they are smaller than a predetermined tolerance.
  • the contact measurement has been successfully completed, whereby, for example, an average value of the two axis positions of each axis detected in the two contacts can be taken into account as the final measured value. If the differences of the axis positions of the axes from the two contact measurements are greater than the specified tolerance, then it is checked whether the number of contact measurements that have been carried out so far is greater than a maximum permitted number. If it is larger, the contact measurement is aborted with an error message. If it is smaller, the program returns to a second second measurement. The contact measurement according to the invention is thus carried out twice from the outset and at the end of the second measurement it is decided whether the results of the two measurements are within a predetermined tolerance.
  • the measurement is complete and OK (Yes). If this is not the case (No), then it is checked how many contact measurements have already been made at the location. If the number is less than or equal to the predetermined maximum permitted number, a renewed contact measurement is carried out at the location. If the number of contact measurements already made at the location is already greater than the predetermined maximum permitted number, the contact measurement at the location is aborted with an error. So will prevents an infinite series of measurements from being taken in one place, perhaps because there is some other error.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkstücks (1) und eines Werkzeugs (3) in einer Werkzeugmaschine (2), bei welchem ein Werkstück (1) an der Werkzeugmaschine (2) gespannt wird, bei welchem nachfolgend das Werkzeug (3) mit Hilfe einer Werkzeugaufnahme (10) in eine rotierbare Spindelwelle (4) eingesetzt und die Spindelwelle (4) in Rotation versetzt wird, bei welchem zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) eine elektrische Spannung angelegt wird, bei welchem das Werkzeug (3) und das Werkstück (1) gegeneinander verfahren werden, und bei welchem bei einem Kontakt zwischen dem Werkzeug (3) und dem Werkstück (1) eine Änderung der angelegten Spannung ermittelt und die jeweilige Position des Werkstücks (1) und/oder des Werkzeugs (3) ermittelt und in einem Rechenprogramm zur Steuerung / Regelung der Bearbeitung des Werkstücks (1) hinterlegt wird.

Description

Verfahren zur Lagebestimmung eines Werkstücks in einer
Werkzeugmaschine
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkstücks und eines Werkzeugs in einer Werkzeugmaschine.
Die Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen mit rotierenden Werkzeugen, z.B. Fräsmaschinen, steigen immer weiter. Neben der Genauigkeit der eigentlichen Bearbeitung, die durch die Genauigkeit der Maschine, des Bearbeitungswerkzeuges, der Werkzeugaufnahme etc., bestimmt wird, wird die Genauigkeit bei dem Einrichten des Werkstückes, bzw. dem Setzen des Nullpunktes für die Bearbeitung zunehmend zu einem begrenzenden Faktor für die erreichbare Präzision.
Nachdem ein Werkstück in die Maschine eingebracht und für die Bearbeitung gespannt wurde, sei es auf Paletten oder auch mit konventionellen Mitteln, wie einem Schraubstock, wird üblicherweise die Spannlage des Werkstückes mit geeigneten Hilfsmitteln festgestellt und aufgrund der festgestellten Spannlage der Nullpunkt für die Bearbeitung festgelegt.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist das Antasten des Nullpunktes mit einem automatischen Taster. Dieser verfügt über eine Tastspitze mit einer Tastkugel zum Antasten des Werkstücks an einem Ende. Am anderen Ende ist er an einer Werkzeugaufnahme befestigt und kann darüber in die Bearbeitungsspindel eingewechselt werden. Zum Antasten eines Werkstückes fährt die Maschine den an der Spindel über die Werkzeugaufnahme gehaltenen automatischen Taster zum Werkstück, bis der unten am automatischen Taster befindliche Taststift das Werkstück berührt und so weit auslenkt, dass der Taster schaltet. Moderne automatische Taster sind dabei so aufgebaut, dass der Weg für die Auslenkung des Taststiftes immer exakt gleich ist und kalibriert werden kann. Wenn der automatische Taster schaltet, wird vom automatischen Taster ein Signal an die Steuerung gesendet und von dieser die Ist-Position der Maschine für diese Tastposition festgestellt. So können beliebige Kanten, Bohrungen etc., angetastet und deren relative Lage in der Maschine relativ genau festgestellt werden. Moderne Taster sind hochgenau. Daher kann die Position des Tasters für den Schaltpunkt sehr exakt festgestellt werden.
Dennoch ist die Genauigkeit dieses Verfahrens durch den vorgegebenen Ablauf an sich begrenzt. Nachdem die vorgegebenen Geometrieelemente mit einem automatischen Taster in einer Maschine angetastet wurden, muss die Werkzeugaufnahme, an der der automatische Taster befestigt ist, wieder aus der Spindel ausgewechselt und das für die Bearbeitung gewünschte Bearbeitungswerkzeug in die Spindel eingewechselt werden. Bei diesem Wechselvorgang kommt es zu Abweichungen, da die Spannlage der Werkzeugaufnahmen nie exakt identisch ist. Außerdem stimmt in den meisten Fällen die Länge des automatischen Tasters von der Anlagefläche der Werkzeugaufnahme bis zur Spitze des Taststiftes nicht mit der Länge des Bearbeitungswerkzeuges von der Anlagefläche der Werkzeugaufnahme bis zur Werkzeugspitze überein. Wenn die Spindel nicht exakt parallel zur Verfahrrichtung der Achse steht, die die Spindel in Richtung der Spindelachse verfährt, kommt es zu zusätzlichen Abweichungen. Kleinste Verkippungen der Spindel führen zu einem Versatz zwischen Antastvorgang und Bearbeitung. Je größer der Längenunterschied zwischen Bearbeitungswerkzeug und automatischem Taster ist, desto gravierender sind diese Verkippungen für die Antastgenauigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Werkstücks und eines Werkzeugs in einer Werkzeugmaschine zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine exakte Zuordnung zwischen der Geometrie des Werkstücks zu dem Werkzeug ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Es ist daher im Rahmen der Aufgabe wünschenswert, das Werkstück mit dem rotierenden Bearbeitungswerkzeug direkt vor der Bearbeitung anzutasten. So können die Positionen von den Nullpunkt bestimmenden Geometrieelementen, z.B. Bohrungen oder Kanten, direkt vor der Bearbeitung, bezogen auf das einzusetzende Werkzeug, bestimmt werden. Die oben beschriebenen, zu Ungenauigkeiten führenden Effekte durch den Wechsel zwischen einem automatischen Taster und einem Bearbeitungswerkzeug gemäß dem Stand der Technik können erfindungsgemäß eliminiert werden.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkstücks relativ zu einem Werkzeug in einer Werkzeugmaschine geschaffen, bei welchem ein Werkstück an der Werkzeugmaschine gespannt wird, bei welchem nachfolgend ein Werkzeug in eine rotierbare Spindelwelle eingesetzt wird und die Spindelwelle in Rotation versetzt wird, bei welchem zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eine elektrische Spannung angelegt wird, bei welchem das Werkzeug und das Werkstück gegeneinander verfahren werden und bei welchem bei einem Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück eine Änderung der angelegten Spannung oder der entstehende Stromfluss ermittelt und die jeweilige Position des Werkstücks und/oder des Werkzeugs ermittelt und in einem Rechenprogramm zur Steuerung / Regelung der Bearbeitung des Werkstücks hinterlegt wird.
In der Praxis sind die nullpunktbestimmenden Geometrieelemente, die vor der Bearbeitung in einer Maschine am Werkstück angetastet werden, häufig bereits fertiggestellt. Daher dürfen diese nicht durch den Antastvorgang beschädigt werden, was bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit dem automatischen Taster auch der Fall ist. Der Antastdruck des Taststiftes ist sehr gering, so dass der Antastvorgang keine Spuren hinterlässt.
Wenn dagegen mit dem rotierenden Bearbeitungswerkzeug angetastet werden soll, kommt es bei Berührung des Werkstückes sofort zum Eingriff und Materialabtrag. Um das zu verhindern oder zumindest zu minimieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bereits bei dem ersten minimalen Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück dieser sicher detektiert wird und die Werkzeugmaschine sofort anhält oder sogar zurückzieht.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück eine Spannung angelegt und überwacht wird. Dies ist bei modernen Werkzeugmaschinen mit schnell laufenden Spindeln problemlos möglich, da die Spindelwellen derartiger Spindeln üblicherweise mit Keramikkugeln gelagert sind. Die Spindelwelle ist dadurch von der Maschine elektrisch isoliert. Über einen aus dem Stand der Technik bekannten Kontakt, beispielsweise über Bürsten, kann eine elektrische Spannung an die Spindelwelle angelegt werden. Über die Werkzeugaufnahme wird diese in das Bearbeitungswerkzeug geleitet. Der zweite Pol der Spannung kann mit dem Werkstück oder dem darunter befindlichen Maschinentisch verbunden werden.
Sollte in der Maschine eine Spindel eingesetzt werden, deren Welle nicht zu dem Spindelgehäuse elektrisch isoliert ist, dann kann die elektrische Isolierung an anderer geeigneter Stelle vorgesehen werden, z.B. zwischen Spindelgehäuse und Maschine, aber auch werkstückseitig, z.B. zwischen Werkstück und Maschinentisch. Mit vielen bekannten Methoden lassen sich leicht die Voraussetzungen schaffen, eine elektrische Spannung zwischen Spindelwelle und Werkstück anzubringen.
Das Bearbeitungswerkzeug ist über die metallische Werkzeugaufnahme, in dem dieses gehalten wird, direkt mit der Spindelwelle elektrisch leitend verbunden. Wenn es nun zu einem Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück kommt, fließt ein Strom und es kann dieser leicht mit Hilfe einer einfachen Schaltung auf Grund der sich verändernden elektrischen Spannung festgestellt werden. Auch bei extrem kurzem Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug ist eine solche Veränderung der Spannung bereits feststellbar. Wenn in dem Moment der durch den Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem Werkstück verursachten Spannungsänderung ein Signal an die Steuerung gesendet wird, um die die Werkzeugmaschine sofort anzuhalten oder zurückzuziehen, kann ein signifikanter Eingriff, d.h. eine Beschädigung am Werkstück, sicher vermieden werden. Die entstehenden„Antastmarken" sind deutlich kleiner als 1 m, wenn die Antastgeschwindigkeit geeignet gewählt wird. Derart geringe Veränderungen der anzutastenden Oberfläche sind in der Praxis auch an bereits fertiggestellten Geometrieelementen des Werkstückes vernachlässigbar und können hingenommen werden, auch bei wiederholtem Antasten. Damit eignet sich das beschriebene Verfahren für ein fast beschädigungsfreies Antasten von Werkstücken direkt mit dem Bearbeitungswerkzeug, das für die Bearbeitung eingesetzt werden soll. Mögliche Ungenauigkeiten, die durch Einsatz eines Hilfsmittels wie eines automatischen Tasters entstehen, werden vermieden.
Das Verfahren kann sowohl für Bearbeitungswerkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide, z.B. Fräswerkzeuge, als auch mit geometrisch unbestimmter Schneide, z.B. Schleifwerkzeuge, eingesetzt werden. Einzige Voraussetzung für das Verfahren ist, dass auch das Bearbeitungswerkzeug elektrisch leitend ist.
Ein weiterer großer Vorteil des erfindungsgemäßen Antastens direkt mit dem Bearbeitungswerkzeug besteht darin, dass dieses jederzeit während der Bearbeitung durchgeführt werden kann. In der Praxis sind Werkzeugmaschinen insbesondere bei längeren Bearbeitungen häufig nicht Nullpunktstabil, d.h. die Lage des Nullpunktes verändert sich leicht. Meist wird die Veränderung des Nullpunktes durch thermische Effekte verursacht, entweder in der Werkzeugmaschine, z.B. durch Erwärmung bestimmter Komponenten, oder durch die Umgebung, z.B. bei Temperaturschwankungen der die Werkzeugmaschine umgebenden Luft. Die Veränderung des Nullpunktes während der Bearbeitung führt zu unerwünschten Abweichungen. Um diese zu minimieren ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, während der Bearbeitung den Antastvorgang an den vorgegebenen Geometrieelementen jederzeit zu wiederholen. Dabei ist es von großem Vorteil, dass das Bearbeitungswerkzeug nicht ausgewechselt werden muss, sondern das Antasten direkt mit diesem durchgeführt werden kann. Dadurch wird das Antasten sehr zeiteffektiv. Es versteht sich, dass die anzutastenden Geometrieelemente vor dem Antasten zu reinigen sind, z.B. mit in der Werkzeugmaschine vorhandenem Kühlmittel, um Fehlmessungen durch am Werkstück anhaftende Späne zu vermeiden. Dieser nullpunktkorrigierende Antastvorgang kann in beliebigen Zeitintervallen ausgeführt werden, je nachdem, wie nullpunktstabil die Werkzeugmaschine ist und welche Genauigkeiten gefordert sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrische Spannung eine Wechselspannung ist und die Wechselspannung mittels einer kapazitiven Kopplung von einer Spannungsquelle zu dem Werkzeug übertragen wird. Dabei ist ein erster Pol der Spannungsquelle mit dem Werkstück gekoppelt und ein zweiter Pol der Spannungsquelle über die kapazitive Kopplung mit dem Werkzeug gekoppelt. Auf diese Weise wird eine mechanische Kontaktierung, beispielsweise durch Schleifkontakte, zwischen den in Rotation versetzten Elementen und der Spannungsquelle vermieden. Somit werden die für eine solche mechanische Kontaktierung bekannten Nachteile, wie z.B. Abnutzungserscheinungen, unterbunden. An Stelle der mechanischen Kontaktierung erfolgt eine kapazitive Kopplung, wobei zumindest eines der in Rotation versetzten Elemente, Spindelwelle, Werkzeugaufnahme oder Werkzeug, als eine Seite eines Kondensators und ein Kopplungselement auf Seiten der Spannungsquelle, beispielsweise eine Metallplatte, die dicht an einem der rotierenden Elemente mit einem definierten Spalt angeordnet ist, als eine zweite Seite dieses Kondensators wirkt. Je höher die Frequenz der angelegten Wechselspannung ist, desto geringer ist der Widerstand des so realisierten Kondensators. Außerdem kann durch entsprechende Anordnung, z.B. Wahl einer ausreichend großen Metallplatte und eines kleinen Abstandes zur Spindelwelle, dafür gesorgt werden, dass die Kapazität entsprechend groß und damit der elektrische Widerstand für die gewählte Wechselspannung entsprechend klein ist.
Bei dem Antasten mit dem Werkzeug am Werkstück wird sich ein größerer Stromfluss auch bei Verwendung einer Wechselspannung erst ergeben, wenn ein mechanischer Kontakt entsteht oder wenn der Abstand zwischen Werkzeug und Werkstück nur noch extrem klein ist. Das liegt daran, dass die Oberfläche der eingesetzten Werkzeuge nicht flächig genug ist, um eine signifikante kapazitive Kopplung zum Werkstück auszubilden. Bei den Bearbeitungswerkzeugen stehen immer nur die einzelnen Schneiden vor, die nur punkt- oder linienförmig einen engen Abstand zu dem anzutastenden Werkstück bilden können, aber in keinem Fall eine größere Fläche, wie bei der kapazitiven Kopplung der Stromquelle zu den rotierenden Elementen in und an der Spindel. Im Vergleich zu der kapazitiven Kopplung der Stromquelle an die rotierenden Elemente mit beispielsweise einer flächigen etallplatte ist die kapazitive Kopplung des Werkzeuges zum Werkstück auch kurz vor dem mechanischen Kontakt sehr klein.
Ein Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück kann sowohl ein physikalischer Kontakt als auch ein elektrischer Kontakt sein. Ein elektrischer Kontakt ist dabei auch dann gegeben, wenn noch ein sehr geringer Spalt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück besteht, aber dennoch ein Stromfluß aufgrund kapazitiver Effekte erfolgt.
Da der Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück extrem klein sein muss, damit sich eine signifikante kapazitive Kopplung ergibt, ist der Effekt für das Messergebnis von untergeordneter Bedeutung. Die Abweichung zum mechanischen Kontakt ist minimal.
Nachfolgend wird eine weitere Möglichkeit der Kontaktierung der Spindelwelle aufzeigt, alternativ zu den bereits oben beschriebenen Lösungen mit der Kontaktbürste oder dem Kondensatorprinzip. Es wird dabei ein weiteres Hilfskugellager auf die Spindelwelle montiert, das statt elektrisch isolierender Keramikkugeln mit Stahlkugeln ausgeführt ist und dadurch elektrisch leitend ist. Durch die Stahlkugeln erreicht das Hilfskugellager nur dann die gleichen Drehzahlen wie die Hauptlager der Spindelwelle, wenn der Durchmesser des Stahlkugellagers deutlich kleiner ist. Es muss daher an einer schlanken Stelle, z.B. am Ende der Spindelwelle montiert werden. Es hat lediglich die Funktion, einen elektrischen Kontakt zur Spindelwelle herzustellen und muss die Spindelwelle nicht zusätzlich mechanisch abstützen. Es kann also z.B. ein einfach ausgeführtes Rillenkugellager sein. Der Außenring des Lagers wird in einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Kunststoff, aufgenommen und so gegen das Spindelgehäuse elektrisch isoliert. Gleichzeitig wird ein Kabel mit dem Außenring des Lagers elektrisch verbunden und aus der Spindel herausgeführt. Dieses Kabel kann an einen Pol der Spannungsquelle angeschlossen werden. Auf diese Weise wird die Spindelwelle, wie für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlich, mit einem Pol der Spannungsquelle mit Hilfe des elektrisch leitenden Hilfskugellagers verbunden. Der Vorteil dieser Kontaktierung besteht darin, dass weiterhin mit der elektrisch einfacheren Gleichspannung gearbeitet werden kann und dass das Hilfskugellager eine längere Lebensdauer als die Kontaktbürsten hat, die durch die ständige Reibung einem Verschleiß unterliegen.
Oben stehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren zunächst im Hinblick darauf beschrieben, dass durch das Antasten eine Zuordnung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erfolgt und der exakte Ort dieser Zuordnung und Kontaktierung in dem Bearbeitungsprogramm für die weitere Bearbeitung des Werkstücks gespeichert und berücksichtigt wird.
Nachfolgend werden weitere erfindungsgemäße Aspekte beschrieben, die sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergeben.
Die während der Zerspanung z.B. durch Fräsen oder Schleifen abgetragenen Späne verteilen sich prozessbedingt im Arbeitsraum. Ein Teil der Späne bleibt auch auf dem Werkstück haften. In einigen Anwendungen versucht man durch eine Spülung mit einem Schmierstoff bzw. Kühlschmierstoff, z.B. Emulsion oder Öl, die Späne vom Werkstück fern zu halten beziehungsweise zu entfernen. Das gelingt jedoch nie vollständig. Abhängig von der Geometrie der Werkstücke, der Bearbeitung und der daraus resultierenden Flugrichtung der Späne kommt es immer wieder zu Späneansammlungen am Werkstück. Wenn mit einem Schmierstoff oder Kühlschmierstoff gearbeitet wird, wird das Anhaften der Späne am Werkstück noch begünstigt. Die Späne kleben am Werkstück. Ebenfalls wird das Anhaften von Spänen am Werkstück begünstigt, wenn das Werkstück aus einem eisenhaltigen Werkstoff besteht und mit einer Magnetplatte gespannt wird. Die Feldlinien der Magnetplatte dringen in das Werkstück ein und führen zu einem magnetischen Anhaften der abgetragenen Späne.
Die am Werkstück anhaftenden Späne können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren des Antastens des Werkstückes mit einem rotierenden Werkzeug über einen zu detektierenden Stromkontakt stören. Bereits bevor das rotierende Werkzeug das eigentliche Werkstück berührt und so einen Stromkontakt herstellt, kann sich durch am Werkstück anhaftende Späne ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug bilden. Die anhaftenden Späne werden dann zu einem das Werkstück und das Werkzeug elektrisch verbindenden Leiter.
Die Folge ist eine Falschmessung, da die eigentliche Position für den Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug noch nicht erreicht ist. Es wird gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise möglicherweise eine falsche Position für den Kontaktpunkt ermittelt und die nachfolgenden Bearbeitungsschritte folgen mit falsch ermittelten Daten, was zu erheblichen Beschädigungen bis hin zur Zerstörung des Werkstückes führen kann.
Leider lässt sich das Anhaften von Spänen an Werkstücken in der Praxis, wie oben beschrieben, nie ganz vermeiden. Um eine verlässliche Kontaktmessung durchzuführen, müsste das Werkstück vor jeder Messung von Hand gereinigt und auf Sauberkeit geprüft werden. Das ist insbesondere für automatisierte Bearbeitungsabläufe ein unerwünschter manueller Eingriff. g
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, für einen anzutastenden Kontaktpunkt zwischen Werkstück und Werkzeug eine Mehrfachmessung, mindestens eine zweimalige Messung, durchzuführen. Wenn, wie oben beschrieben, sich bei der Kontaktmessung Späne als leitende Elemente zwischen Werkzeug und Werkstück befinden, dann erhalten im Moment des Kontaktes, d.h. bei der Berührung zwischen am Werkstück anhaftenden Spänen und Werkzeug, die Späne durch die Rotation des Werkzeuges einen Impuls, der deren Lage wesentlich verändert und diese in der Regel vom Werkstück wegschleudert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verfahrrichtung des Werkzeuges relativ zum Werkstück, mit der diese aufeinander zubewegt werden, im Moment des elektrischen Kontaktes sofort umgekehrt wird, um eine Beschädigung des Werkstückes zu vermeiden. Das Werkzeug wird wieder vom Werkstück entfernt. Die Bahn, auf der das Werkzeug vom Werkstück auf diese Weise entfernt wird, in eine sichere Abstandsposition hinein, kann beliebig vorgegeben werden.
Aus der sicheren Abstandsposition heraus kann erfindungsgemäß sofort eine weitere (zweite) Kontaktmessung durchgeführt werden, indem das Werkzeug exakt auf der gleichen Bahn, auf der es zuvor vom Werkstück entfernt wurde, wieder auf das Werkstück zubewegt wird, bis es wieder einen Kontakt gibt. Sollte das Werkzeug bei der ersten Kontaktmessung bereits das Werkstück korrekt angetastet haben, so wird bei der zweiten Kontaktmessung mit der Genauigkeit der Messtoleranz des Messverfahrens selber die gleiche Kontaktposition für das Werkzeug relativ zum Werkstück ermittelt werden.
Sollten sich dagegen bei der ersten Kontaktmessung Späne als elektrische Leiter zwischen Werkzeug und Werkstück befunden haben, so wird sich bei der zweiten Kontaktmessung eine andere Kontaktposition für das Werkzeug relativ zum Werkstück ergeben, da die Späne durch das rotierende Werkzeug bei der ersten Kontaktmessung in ihrer Lage verändert wurden. In der Folge wird sich eine größere Differenz zwischen den Kontaktpositionen der ersten Kontaktmessung und der zweiten Kontaktmessung ergeben. Aus dieser größeren Differenz kann die die Ergebnisse der Kontaktmessungen verarbeitende Maschinensteuerung erkennen, dass es sich bei der ersten Messung um eine Fehlmessung gehandelt haben muss.
Wenn somit die Differenz der beiden Kontaktmessungen einen vorgegebenen (vom Bediener oder in der Steuerung fest hinterlegt) Toleranzwert überschreitet, besteht die Möglichkeit, nur die zweite Kontaktmessung in der Steuerung als richtig zu bewerten und die erste zu verwerfen, da diese durch die anhaftenden Späne fehlerhaft war.
Um die Verlässlichkeit der Kontaktmessung weiter zu erhöhen, ist es aber auch möglich, bei Überschreiten des vorgegebenen Toleranzwertes eine weitere (dritte) Kontaktmessung in g oben beschriebener Weise durchzuführen. Wieder kann im Anschluss die Differenz zwischen der zweiten und der dritten Kontaktmessung mit einem vorgegebenen Toleranzwert verglichen werden und daraus geschlossen werden, ob diese beiden Messungen beide durch den gewünschten direkten Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug zustande gekommen sind oder ob erneut anhaftende Späne die Messung gestört haben. Im letzteren Fall können weitere Kontaktmessungen durchgeführt werden, bis zwei aufeinanderfolgende Kontaktmessungen innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegen.
Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, auch bei größeren Späneansammlungen eine verlässliche Kontaktmessung zwischen Werkstück und Werkzeug durchzuführen.
Bei sehr kleinen Spänen kann es vorteilhaft sein, die vorgegebene Anzahl von aufeinanderfolgenden Kontaktmessungen an einer Stelle, die innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen müssen, auf mehr als 2 Kontaktmessungen zu erhöhen. Das gibt dem Verfahren eine noch höhere Verlässlichkeit, allerdings auf Kosten der Messzeit.
Es versteht sich, dass diese erfindungsgemäße Vorgehensweise für beliebige Antastrichtungen funktioniert. Späne können auf ebenen, geneigten oder auch senkrechten Bereichen des Werkstückes anhaften.
Außerdem kann es sinnvoll sein, größere Späneansammlungen vorab mit Hilfe von in der Maschine vorhandenen Medien zu beseitigen, z.B. kräftigen Luftdüsen, aber auch Schmierstoffen oder Kühlschmierstoffen. Dadurch wird die Anzahl der erforderlichen Kontaktmessungen, bis zwei aufeinanderfolgende Messungen innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegen, verringert. Es dauert nicht so lange, bis sämtliche Späne entfernt werden. Die Reinigung mit den Medien kann dabei gezielt an den für die Kontaktmessung vorgesehenen Stellen vorgenommen werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung sowohl für Schleif- als auch für Fräswerkzeuge, also Werkzeuge mit bestimmter und unbestimmter Schneide geeignet ist.
Bei Arbeitsgängen mir sehr kleinen Drehzahlen kann es vorteilhaft sein, die Drehzahl für die Kontaktmessung etwas zu erhöhen, damit im Falle eines elektrischen Kontaktes über einen Span (Fehlmessung) sichergestellt ist, dass dieser einen ausreichend hohen Impuls bekommt, um weggeschleudert zu werden.
Erfindungsgemäß ist es außerdem möglich, eine Redundanz der Kontaktmessungen zu schaffen, indem das Werkstück an mehreren unterschiedlichen Stellen einmal oder wie beschreiben mehrfach angetastet wird und die Ergebnisse dieser Messungen mit einander verglichen werden. Sollten die Messergebnisse der Kontaktmessungen an einer Stelle des Werkstückes nicht zu den anderen Kontaktmessungen passen, beispielsweise eine vorgegebene Toleranz / Abweichung überschreiten, so können die Ergebnisse der Kontaktmessung(en) an dieser einen Stelle als ungültig verworfen werden und von der Berücksichtigung für die weitere Bearbeitung ausgeschlossen werden.
Dieses Vorgehen kann auch angewandt werden, wenn zunächst mehrere Kontaktmessungen an verschiedenen Stellen des Werkstückes erforderlich sind, wie beschrieben, um eine Messung überhaupt durchzuführen, z.B. die Lage und Orientierung des Werkstückes relativ in der Werkzeugmaschine zu bestimmen. Durch entsprechend erhöhte Anzahl der Kontaktmessungen ist es immer möglich, eine Redundanz zu schaffen, über die spanbedingte Fehlmessungen erkannt und von der Berücksichtigung ausgeschlossen werden.
Bei einer spanbedingten Fehlmessung wird ein Kontakt grundsätzlich zu früh, also vor Erreichen der gesuchten Kontaktposition zwischen Werkstück und Werkzeug, ermittelt. Die anhaftenden Späne stellen den Kontakt bereits vorher her. Dieser Umstand kann zur Erkennung von spanbedingten Fehlmessungen genutzt werden. Das rotierende Werkzeug hat in solchen Fällen immer einen Abstand zum eigentlichen Werkstück.
Das Antasten mit dem rotierenden Werkzeug am Werkstück kann auch zur indirekten Geometrievermessung des Werkzeuges verwendet werden, durch Antasten bereits fertiggestellter, maßlich bekannter Geometrieelemente am Werkstück, z.B. der hochgenauen Werkstückoberfläche oder einer hochgenauen Führungsbohrung, die vorher auf einer Messmaschine vermessen wurden. Wenn eine Führungsbohrung nach ähnlichen Verfahren wie bei dem Vermessen der Bohrung mit einem automatischen Taster mit dem Werkzeug mehrfach, beispielsweise durch gegenüberliegende Messpunkte, angetastet wird, kann bei bekanntem Bohrungsdurchmesser mit Hilfe der ermittelten Antastpunkte auf den Wirkdurchmesser des Werkzeuges zurückgerechnet werden. Durch Antasten der bekannten Werkstückoberfläche kann die Werkzeuglänge ermittelt werden.
Das Antasten erfolgt mit der für die nachfolgende Bearbeitung vorgesehenen Solldrehzahl. Vor dem Antasten des Werkstückes kann eine Warmlaufphase abgewartet werden, bis sich die Werkzeugmaschine für die Bearbeitungsdrehzahl im thermisch stabilen Zustand befindet. Thermisch bedingte Ungenauigkeiten durch Antasten mit einem stehenden automatischen Taster gemäß dem Stand der Technik und nachfolgender Bearbeitung mit einem rotierenden Werkzeug werden so vermieden.
Während der Bearbeitung sind durch erneutes Antasten jederzeit Kontrollmessungen möglich, um durch Veränderung der Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine oder andere Einflüsse bedingte Verlagerungen zwischen Werkstück und Werkzeug zu erfassen und mit Hilfe der Antastergebnisse zu kompensieren. Dabei ist kein Einwechseln eines automatischen Tasters erforderlich. Das Werkzeug bleibt unter Drehzahl in der Spindel. Die Werkzeugmaschine bleibt thermisch stabil.
Durch wiederholtes Antasten des rotierenden Werkzeuges am Werkstück an definierten maßlich bekannten Geometrieelementen kann während der Bearbeitung der Verschleiß des Werkzeuges ermittelt werden. Wenn beispielsweise in einer Führungsbohrung immer wieder gegenüberliegende Messpunkte genommen werden, werden die Antastpunkte bei auf Grund von durch Verschleiß verkleinertem Werkzeugdurchmesser abhängig vom Verschleiß immer weiter auseinander liegen. Wenn die Messpunkte mit den Werten der Erstantastung verglichen werden, kann auf den Verschleiß des Werkzeuges geschlossen werden. Gleiches gilt für die Länge des Werkzeuges oder auch den Radius.
Nach Beendigung eines Arbeitsganges kann die gefräste Geometrie direkt mit dem Bearbeitungswerkzeug geprüft werden. Dazu kann zuvor das Werkzeug erneut an maßlich bekannten Geometrieelementen am Werkstück referenziert werden, also der Verschleiß ermittelt werden. So kann beispielsweise erkannt werden, ob sich das Werkzeug, insbesondere bei längeren Werkzeuglängen, während der Bearbeitung auf Grund von Zerspankräften weggedrückt hat oder auf Grund ungünstiger Schneidengeometrie in das Werkstück hineingezogen hat und es somit zu Abweichungen bei der Bearbeitung gekommen ist.
Bei Werkstücken mit komplexen Oberflächen muss die Bearbeitung häufig mit unterschiedlich großen Werkzeugen durchgeführt werden. Aus Zeitgründen werden möglichst viele Bereiche der Werkstückoberfläche mit großen Werkzeugen bearbeitet. In konkaven Bereichen mit kleinen Innenradien kann die Bearbeitung mit den großen Werkzeugen nicht beendet werden. Es bleibt Material stehen. Daher wird eine Restmaterialbearbeitung mit einem deutlich kleineren Werkzeug durchgeführt. Wenn die Positionierung der Restmaterialbearbeitung mit dem kleinen Werkzeug nicht genau passt, entstehen zwischen dem Bereich, der mit einem größeren Werkzeug bearbeitet wurde, und dem Bereich, der für die Restmaterialbearbeitung mit einem kleineren Werkzeug bearbeitet wird, unerwünschte Absätze in der hergestellten Werkstückoberfläche. Erfindungsgemäß ist es möglich, vor Beginn der Restmaterialbearbeitung mit dem kleinen Werkzeug die bereits mit einem großen Werkzeug fertiggestellte Werkstückoberfläche in direkter Umgebung der Restmaterialbearbeitung mit dem rotierenden kleinen Werkzeug anzutasten und die Restmaterialbearbeitung mit dem kleinen Werkzeug an der mit einem großen Werkzeug fertiggestellten Werkstückoberfläche in direkter Umgebung der Restmaterialbearbeitung exakt auszurichten. Die Ausrichtung ist dabei nicht nur durch translatorische Verschiebung möglich, sondern gegebenenfalls kann zusätzlich eine Verdrehung im Raum vorgenommen werden, so dass die Restmaterialbearbeitung möglichst perfekt zu der bereits hergestellten Oberfläche passt. Derartige Ausrichtevorgänge sind aus dem Stand der Technik als sogenannte„Best-Fit- Verfahren" bekannt.
Auch ist es möglich, ein Antasten an fest am Maschinentisch installierten extra Antastelementen (Referenzelementen) vorzunehmen, wie aus DE102009037593A1 bekannt. Statt mit einem automatischen Taster können die Antastvorgänge an den in DE102009037593A1 beschriebenen Referenzelementen erfindungsgemäß auch mit dem rotierenden Werkzeug durchgeführt werden. Solche maßlich bekannten Referenzelemente in der Werkzeugmaschine können auch dazu verwendet werden, die Geometrie des rotierenden Werkzeuges durch Antasten zu vermessen. Sollte das erfindungsgemäße Antasten nicht vollständig verschleißfrei erfolgen können, beispielsweise, weil die Werkzeugmaschine nicht schnell genug reagiert, können die fest installierten Referenzelemente auch austauschbar vorgesehen werden.
Zum Kalibrieren eines automatischen Tasters wird beispielsweise eine hochpräzise, maßlich bekannte Kugel verwendet. Diese wird mit dem Taster mehrfach angetastet und so die Schaltcharakterisitik des Tasters bestimmt. Solche bekannten Kugeln können auch als feste Antastelemente für das erfindungsgemäße Verfahren in der Maschine genutzt werden.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht vor, dass man während der oft sehr langen Bearbeitungszeit, z.B. bei einer Schlichtbearbeitung, bei der die einzelnen Zeilen sehr eng nebeneinander liegen können, während der Bearbeitung den Kontakt des Werkstückes mit dem Werkzeug kontinuierlich überwacht. Bei jedem Schneideneingriff, also mehrmals pro Umdrehung des Werkzeugs muss es einen elektrischen Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück geben. Die Anzahl der Kontakte pro Umdrehung ist abhängig von der Anzahl der Schneiden am Werkzeug. Wenn dieser fortlaufende Kontakt nicht mehr gegeben ist, kann daraus geschlossen werden, dass das Werkzeug abgebrochen ist. Wenn es weniger Kontakte pro Umdrehung des Werkzeuges als Schneiden gibt, kann darauf geschlossen werden, dass einzelne Schneiden ausgebrochen sind. Da die Drehzahl des Werkzeugs für die Bearbeitung und die Anzahl der Schneiden des eingesetzten Werkzeuges in der Steuerung bekannt sind, ist eine derartige Überprüfung, ob alle Schneiden des Werkzeuges in Eingriff kommen, leicht möglich. Die erfindungsgemäße Werkzeugbruchkontrolle ist besonders bei der Bearbeitung mit sehr dünnen Werkzeugen, die sehr empfindlich sind, sehr vorteilhaft. Gemäß dem Stand der Technik wird das Werkzeug erst am Ende der Bearbeitung in einem Hilfsmittel, z.B. einem Messlaser vermessen. Wenn das Werkzeug frühzeitig abbricht, gehen so eventuell viele Stunden Bearbeitungszeit verloren, ohne dass dies bemerkt wird. Bei einer erfindungsgemäßen kontinuierlichen Überwachung über Stromkontakt kann ein Werkzeugbruch sofort überwacht werden. Dabei ist zu beachten, dass es in abzuarbeitenden NC-Programmen auch häufig Übersetzbewegungen gibt, beispielsweise von einer Bearbeitungsstelle an die nächste. Während der Übersetzbewegung gibt es natürlich auch keinen Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Diese Übersetzbewegungen können aber im NC-Programm der Werkzeugmaschine gekennzeichnet werden, z.B. durch einen anderen, höheren Vorschub. Die Maschinensteuerung wird den Kontakt zum Werkstück also nur während der eigentlichen Bearbeitung, z.B. mit dem vorgegebenen Bearbeitungsvorschub erwarten und nur während der Ausführung dieser Programmteile einen Kontakt des Werkzeuges mit dem Werkstück überprüfen. So wird vermieden, dass während einer programmbedingten Übersetzbewegung ein Werkzeugbruch fälschlich erkannt wird. Häufig gibt es in den NC-Programmen außerdem eine Anfahrbewegung an das Werkstück, die bereits mit dem Bearbeitungsvorschub durchgeführt wird, um das Werkzeug langsam in Eingriff zu bringen. Für derartige Fälle kann zu Beginn des Programmes und nach jeder Übersetzbewegung eine Karenzzeit vorgesehen sein, ab der erst die erfindungsgemäße Kontaktüberprüfung beginnt. Dabei wird die Karenzzeit so lange gewählt, dass die Anfahrbewegung innerhalb dieser sicher abgeschlossen ist. Wichtig an dieser Vorgehensweise ist, dass auch der Eingriff einzelner Schneiden überwacht werden kann.
Der in den oben stehenden Erläuterungen benutzte Begriff Antasten bedeutet im Rahmen der Erfindung eine Kontaktierung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, so wie dies obenstehend beschrieben wurde. Die Erfindung ist sowohl bei Schleifwerkzeugen als auch bei Fräswerkzeugen anwendbar, somit bei Werkzeugen, welche eine bestimmte oder eine unbestimmte Schneide aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Werkzeugmaschine mit Taster gemäß dem
Stand der Technik,
Fig. 2 eine Darstellung, analog Fig. 1 , eines ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 Darstellungen von Winkelfehlern der Frässpindel und daraus resultierende Fehler,
Fig. 4 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einer erfindungsgemäßen kapazitiven Kopplung,
Fig. 5 eine Ansicht, analog den Figuren 2 und 4, eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 6 eine Darstellung von verbleibendem Restmaterial bei Bearbeitung einer konkaven Fläche mit einem großen Werkzeug,
Fig. 7 eine Darstellung eines unerwünschter Absatzes in der Werkstückoberfläche nach
Restmaterialbearbeitung mit einem kleinen Werkzeug,
Fig. 8 eine Darstellung zum Antasten mit dem rotierenden Werkzeug vor Durchführung einer Restmaterialbearbeitung,
Fig. 9-11 schematische Darstellungen der Kontaktierung des Werkstücks mit dem
Werkzeug bei Vorhandensein von Spänen,
Fig. 12 ein Flussdiagramm zur Kontaktmessung ohne Späne,
Fig. 13 ein Flussdiagramm zur Kontaktmessung mit Spänen, und
Fig. 14 eine schematische Darstellung der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines
Werkzeugs.
In Fig. 1 ist eine vereinfachte Seitenansicht einer als Fräsmaschine gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Werkzeugmaschine 1 dargestellt. Auf dem Maschinentisch 5, der in einer X-Achse in Pfeilrichtung verfahren werden kann, befindet sich ein Werkstück 1. Eine Frässpindel 6 ist in einer Z-Achse 9 gelagert, die in zwei Achsen (Y und Z) verfahren werden kann. An der Frässpindel 6 wird mit Hilfe einer Werkzeugaufnahme 0 ein aus dem Stand der Technik bekannter automatischer Taster 7 gehalten. Unten an dem Taster 7 befindet sich ein Taststift, an dessen Ende eine Kugel angebracht ist. Wenn die Maschine den Maschinentisch 5 in Pfeilrichtung X verfährt, kommt es zunächst zur Berührung der Kugel des Taststiftes mit dem Werkstück 1 und in der Folge zur Auslenkung des Taststiftes. Wenn ein definierter Auslenkweg erreicht ist, schaltet der automatische Taster 7 und sendet ein Signal zur Steuerung. In diesem Moment wird die Position der Achsen in der Steuerung erfasst und auf diese Weise die Position des Werkstückes 1 auf dem Maschinentisch 5 ermittelt.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. An Stelle des automatischen Tasters 7 befindet sich ein Bearbeitungswerkzeug 3 (Fräswerkzeug) in einer Werkzeugaufnahme 10, die wiederum an Spindelwelle 4 der Frässpindel 6 gelagert ist. Der Maschinentisch 5 verfährt zum Antasten mit dem Bearbeitungswerkzeug 3 am Werkstück 1 ebenfalls in Pfeilrichtung X. Das Werkzeug 3 rotiert während des Antastvorgangs, so dass sich ein durch die Schneiden des Werkzeuges 3 beschriebener Hüllkörper bildet. Mit Hilfe einer Spannungsquelle 8, hier beispielhaft als Gleichspannungsquelle dargestellt, wird eine Spannung über geeignete Mittel, beispielsweise Bürsten, an die Spindelwelle 4 (nicht dargestellt) oder Werkzeugaufnahme 10 angelegt. Der zweite Pol der Spannungsquelle ist mit dem Werkstück 1 verbunden. Da bei schnell drehenden Frässpindeln 6 die Spindelwelle 4 mit Keramikkugellagem in der Frässpindel 6 gelagert wird, ist die Spindelwelle 4 elektrisch zu dem Gehäuse der Frässpindel 6 isoliert. Solange das Bearbeitungswerkzeug 3 das Werkstück 1 nicht berührt, fließt kein Strom, da der Stromkreis nicht geschlossen ist. Wenn der Maschinentisch 5 mit dem Werkstück 1 in Richtung des Bearbeitungswerkzeugs 3 in Pfeilrichtung verfahren wird, kommt es irgendwann zum mechanischen Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 3 und dem Werkstück 1. Der Stromkreis wird dadurch geschlossen. In der beispielhaft dargestellten Schaltung ist zusätzlich ein elektrischer Widerstand mit der Spannungsquelle 8 in Reihe geschaltet. So lange kein Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 3 und dem Werkstück 1 besteht, fällt an dem Widerstand keine elektrische Spannung ab, da der Stromkreis nicht geschlossen ist. Bei einer Berührung zwischen dem Werkstück 1 und dem Bearbeitungswerkzeug 3 wird der Stromkreis geschlossen, es fließt ein Strom über den Widerstand und damit fällt eine Spannung an diesem ab. Dieser Spannungsabfall kann mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltung in dem Moment der Berührung detektiert werden. Die Steuerung hält die Achse mit dem Werkstück 1 sofort an, damit es außer der Berührung zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 3 und dem Werkstück 1 nicht zu einem Materialabtrag an dem Werkstück 1 kommt. Statt einem Anhalten kann auch sofort ein Reversiervorgang der Achse mit dem Maschinentisch 5 eingeleitet werden, der das Werkstück 1 von dem Bearbeitungswerkzeug 3 wieder entfernt. In dem Moment der Spannungsänderung durch den Kontakt zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 3 und dem Werkstück 1 wird die Position der Maschinenachsen erfasst und so die Lage des Werkstücks 1 auf dem Maschinentisch 5 ermittelt.
Es versteht sich, dass die Schaltung nur exemplarisch dargestellt ist. Genauso kann eine Wechselstromquelle eingesetzt werden.
Ebenso kann das Bearbeitungswerkzeug 3 auch direkt in der Spindelwelle 4 gespannt werden.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich eine Schiefstellung der Frässpindel 6 zur Verfahrrichtung der vertikalen Achse Z auswirkt. Die Darstellung ist stark überhöht, um den Effekt zu verdeutlichen.
In der linken Ansicht der Fig. 3 sieht man die Frässpindel 6 mit einer Werkzeugaufnahme 10 und einem relativ kurzen Bearbeitungswerkzeug 3 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bezogen auf die Unterkante der Frässpindel 6 ergibt sich an der Werkzeugspitze eine Abweichung durch die Schiefstellung. In der rechten Ansicht der Frässpindel 6 ist bei gleicher Schiefstellung der Frässpindel 6, also gleichem Winkelfehler der Frässpindel 6, dargestellt, wie sich die Schiefstellung bei einem mit Hilfe einer Werkzeugaufnahme 10 an der Frässpindel 6 gelagerten automatischen Taster 7 gemäß dem Stand der Technik auswirkt.
Man erkennt aus dem Vergleich der beiden Darstellungen der Fig. 3, dass sich aufgrund des erheblich größeren Abstandes der Tastkugel von der Unterkante der Frässpindel 6 in der rechten Ansicht im Vergleich zu dem Abstand der Werkzeugspitze zur Unterkante der Frässpindel 6 in der linken Ansicht eine deutlich größere Abweichung ergibt. Wenn nun mit einem automatischen Taster bei einer derartigen Schiefstellung der Frässpindel 6 ein Werkstück 1 in der Art wie in Fig. 1 gezeigt angetastet wird und danach mit einem kürzeren Bearbeitungswerkzeug wie in der linken Ansicht der Fig. 3 gezeigt bearbeitet wird, so entsteht ein Versatz, der sich aus der Differenz der beiden eingetragenen Maßpfeile ergibt. Dies führt zu unerwünschten Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung. Wenn dagegen das Werkstück 1 erfindungsgemäß direkt mit dem Bearbeitungswerkzeug 3 angetastet wird, kann dieser Versatz vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit vollautomatisch durchgeführt werden, wobei der Kontakt zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug zu Beginn der Bearbeitung oder auch zyklisch und automatisch während der Bearbeitung erfolgen kann. Es werden dabei jeweils die Daten des zugrundeliegenden Bearbeitungsprogramms ergänzt oder kalibriert.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Kopplung zwischen der Spannungsquelle 8 und dem Werkzeug 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Dazu ist die Spannungsquelle 8 als eine Wechselspannungsquelle ausgeführt. Das Werkzeug 3 ist über die Werkzeugaufnahme 10 elektrisch leitfähig mit der Spindelwelle 4 verbunden. Entlang einer Oberfläche der Spindelwelle 4 ist eine metallische Platte 11 angeordnet, deren Oberfläche derart entlang der Oberfläche der Spindelwelle 4 angeordnet ist, dass sich zwischen der Spindelwelle 4 und der metallischen Platte 11 ein Spalt konstanter Breite ergibt. Die metallische Platte 1 ist mit einem ersten Pol der Spannungsquelle 8 elektrisch leitfähig verbunden. Ein zweiter Pol der der Spannungsquelle 8 ist, wie zuvor beschrieben, mit dem Werkstück 1 elektrisch leitfähig verbunden.
Die metallische Platte 11 bildet mit der Spindelwelle 4 einen Kondensator und ermöglicht somit einen Stromfluß, wenn eine Wechselspannung durch die Spannungsquelle 8 bereitgestellt wird und ein Kontakt zwischen dem Werkstück 1 und dem Werkzeug 3 auftritt. Dieser Stromfluß führt wiederum zu einem Spannungsabfall an dem Widerstand, welcher wiederum mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltung in dem Moment der Berührung detektiert werden kann. In solchen Ausführungsformen der Erfindung, in welcher die Spannungsquelle 8 eine Wechselspannung bereitstellt, kann bereits eine minimale Annäherung des Werkzeugs 3 an das Werkstück 1 erkannt werden, wenn die Maschine auf einen elektrischen Kontakt sehr schnell reagiert, da bei einer solchen Annäherung ebenfalls durch das Werkzeug 3 an das Werkstück 1 ein kapazitives Element gebildet wird und ein elektrischer Kontakt somit ganz kurz vor einem mechanischen Kontakt eintritt und ebenfalls durch eine Änderung der Spannung ermittelt werden kann.
Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Kontaktierung der Spindelwelle 4. An einem Bereich der Spindelwelle 4, bevorzugt am oberen Endbereich der Spindelwelle 4 ist ein Hilfskugellager 13 montiert, welches elektrisch leitende Stahlkugeln 17 umfasst, welche zwischen einem Innenring 14 und einem Außenring 15 angeordnet sind. Der Außenring 15 ist mittels eines bevorzugt ebenfalls ringförmigen Isolierelements 16 an der Werkzeugmaschine 2 gelagert. Wie gezeigt, ist der Außenring 15 mit einer Spannungsquelle 8 verbunden, analog dem Aufbau der Figuren 2 und/oder 4. Der Minus-Pol der Spannungsquelle 8 führt zum nicht weiter dargestellten Werkstück 1. Die Spannungsquelle 8 ist als Gleichspannungsquelle ausgebildet. Der Aufbau umfasst, wie auch in den Figuren 2 und 4 gezeigt, einen Spannungsdetektor 8.
Die Fig. 6 stellt das verbleibende Restmaterial 12 bei Bearbeitung einer konkaven Werkstückoberfläche dar, wenn der Werkzeugradius deutlich größer als der Innenradius des Werkstückes 1 ist
Die Fig. 7 zeigt den entstehenden Absatz auf der Werkstückoberfläche, wenn eine Restmaterialbearbeitung mit einem kleinen Werkzeug 3 in einem Teilbereich des Werkstückes 1 etwas zu tief durchgeführt wurde. Es entsteht ein unerwünschter Absatz„A" auf der Oberfläche.
Die Fig. 8 zeigt wie erfindungsgemäß die bereits durch ein größeres Werkzeug 3 fertiggestellte Werkstückoberfläche in der Umgebung einer erforderlichen Restmaterialbearbeitung mit einem kleinen rotierenden Werkzeug 3 angetastet wird. Dadurch kann die Lage der durchzuführenden Restmaterialbearbeitung optimal in das Werkstück 1 und die bereits hergestellten Oberflächen eingepasst werden.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen die Vorgehensweise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei welcher zwischen dem Werkstück 1 und dem um eine Drehachse 20 rotierenden Werkzeug 3 Späne 19 vorhanden sind, welche an dem Werkstück 1 anhaften. Die Fig. 9 und 10 erläutern, dass eine Kontaktierung zwischen dem Werkzeug 3 und dem Werkstück 1 über die Späne 19 erfolgen kann. Diese Kontaktierung ist fehlerhaft, weil das Werkzeug 3 sich in der Realität nicht in Kontakt mit dem Werkstück 1 befindet, sondern einen Abstand zu diesem aufweist, der der Dicke der Späne 19 entspricht. Die Maschinensteuerung empfängt somit ein falsches Signal. Dieses führt zu einer Falschmessung. Um derartige Falschmessungen und Fehler zu vermeiden, ist, wie oben stehend beschrieben, erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Werkstück 1 mittels des Werkzeugs 3 mindestens zweimal kontaktiert wird. Eine derartige zweite Kontaktierung ist in Fig. 11 dargestellt. Bei dieser zweiten Kontaktierung berührt das Werkzeug 3 in korrekter Weise das Werkstück 1 , wodurch ein elektrischer Strom fließen kann oder ein Spannungsabfall auftritt, sowie dies oben stehend erläutert wurde. Dieser Effekt wird von der Maschinensteuerung ebenso registriert wie das fälschliche Kontaktieren mittels der Späne 19. Wie beschrieben, berücksichtigt die Maschinensteuerung die sich im Abstand zwischen dem Werkzeug 3 und der Werkstück 1 ergebende Differenz und führt nachfolgend nochmals eine Kontaktierungs-Messung durch. Sofern diese die gleichen Ergebnisse wie bei der in Fig. 11 gezeigten Situation darstellt, werden diese Werte zugrunde gelegt und die Werte aus den Mess-Situationen der Fig. 10 verworfen.
Die Fig. 12 zeigt ein Flussdiagramm, welches die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte bei einer Kontaktmessung ohne Verschmutzung durch Späne darstellt. Zunächst wird das Werkzeug relativ zum Werkstück vorpositioniert, dann wird das Werkzeug in Richtung auf das Werkstück verfahren, und zwar mit kleinem definiertem Vorschub. Dabei wird die angelegte Spannung überwacht. Bei einem Stromkontakt erfolgt eine sofortige Aktion, nämlich eine Erfassung der Achspositionen aller Achsen der Werkzeugmaschine in der Steuerung sowie eine Umkehr der Verfahrrichtung des Werkzeugs relativ zum Werkstück in den Achsen. Das Werkzeug kann dabei relativ zum Werkstück in nur einer Achse, beispielsweise der vertikalen z-Achse verfahren werden, es ist jedoch auch möglich, das Werkzeug in allen drei Achsen der Werkzeugmaschine relativ zum Werkstück, also auch in der horizontalen x-Achse und y- Achse, zu verfahren. Wenn das Werkzeug realtiv zum Werkstück seine ursprüngliche Startposition wieder erreicht hat, ist die Kontaktmessung abgeschlossen. Es kann dann in der Maschinensteuerung ermittelt werden, wo sich Werkzeug und Werkzeug relativ zueinander im Arbeitsraum befinden, ob sich das Werkzeug und/oder das Werkstück in der korrekten Position befinden bzw. ob das Werkzeug korrekte Dimensionen hat etc, wie oben beschrieben. Hierdurch ist eine Korrektur oder Kalibrierung des Bearbeitungsprogramms möglich.
Es versteht sich, dass, wie in den Figuren gezeigt, das um die Drehachse 20 rotierende Werkzeug mit mehreren Schneiden versehen ist. Die abgerundete zylindrische Darstellung, insbesondere der Fig. 9 bis 11 zeigt somit die sich bei der Rotation des Werkzeugs ergebende Hüllkurve. Es versteht sich, dass bei einer dreidimensionalen Darstellung sich ein Hüllkörper ergeben würde. Dieser wird durch die radial am weitesten außen liegenden Punkte des Werkzeugs, insbesondere der Werkzeug-Schneiden, gebildet.
Die Fig. 13 zeigt ein Flussdiagramm bei einer Kontaktmessung, bei welcher das Werkstück 1 mit Spänen 19 verschmutzt ist, siehe Fig. 9 bis 11. Auch hierbei wird das Werkzeug relativ zum Werkstück in einer Startposition vorpositioniert. Anschließend wird das Werkzeug in Richtung auf das Werkstück mit einem kleinen definierten Vorschub verfahren. Die Spannung wird überwacht. Bei einem Stromkontakt oder bei einem Spannungsabfall erfolgt eine sofortige Aktion, nämlich die Erfassung aller Achspositionen mittels der Maschinensteuerung und eine Umkehr der Verfahrrichtung des Werkzeugs relativ zum Werkstück in den jeweiligen Achsen, um das Werkstück von dem Werkzeug zu beabstanden. Bei Erreichen der Ausgangsposition oder Startposition des Werkzeugs ist die Kontaktmessung abgeschlossen. Bis zu diesem Verfahrensschritt entspricht das Flussdiagramm der Fig. 13 dem Flussdiagramm der Fig. 12. Anschließend wird gemäß Fig. 13 das Werkzeug nochmals mit einem kleinen definierten Vorschub in Richtung auf das Werkstück verfahren. Bei einem Stromkontakt erfolgt nochmals eine sofortige Aktion, nämlich die Erfassung der Achspositionen und die Umkehr der Verfahrrichtung des Werkzeugs relativ zum Werkstück, so wie dies oben beschrieben ist. Das Werkzeug wird relativ zum Werkstück wiederum in seine Startposition verfahren. Danach werden dann die Ergebnisse der beiden Messungen, nämlich die bei der Kontaktierung erfassten Achspositionen der Achsen der Werkzeugmaschine verglichen. Dabei wird festgestellt, ob sich Unterschiede ergeben und ob diese kleiner sind als eine vorgegebene Toleranz. Falls sie kleiner sind als eine vorgegebene Toleranz, wurde die Kontaktmessung erfolgreich beendet, wobei z.B. ein Mittelwert der bei den zwei Kontaktierungen erfassten beiden Achspositionen jeder Achse als endgültiger Messwert berücksichtigt werden kann. Sind die Unterschiede der Achspositionen der Achsen aus den beiden Kontaktmessungen größer als die vorgegebene Toleranz, so wird überprüft, ob die Anzahl der Kontaktmessungen, die bisher durchgeführt wurden, größer ist als eine maximal zugelassene Anzahl. Ist sie größer, wird die Kontaktmessung mit einer Fehlermeldung abgebrochen. Ist sie kleiner, so geht das Programm auf eine nochmalige zweite Messung zurück. Die erfindungsgemäße Kontaktmessung wird somit von vorneherein zweimal durchgeführt und am Ende der zweiten Messung wird entschieden, ob die Ergebnisse der beiden Messungen innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen. Ist das der Fall, ist die Messung abgeschlossen und in Ordnung (Ja). Ist das nicht der Fall (Nein), dann wird geprüft, wie viele Kontaktmessungen an der Stelle schon durchgeführt worden sind. Ist die Anzahl kleiner / gleich der vorgegebenen maximal zugelassenen Anzahl, wird eine erneute Kontaktmessung an der Stelle durchgeführt. Ist die Anzahl der bereits durchgeführten Kontaktmessungen an der Stelle bereits größer als die vorgegebene maximal zugelassene Anzahl, wird die Kontaktmessung an der Stelle mit einem Fehler abgebrochen. So wird verhindert, dass eine unendliche Folge von Messungen an einer Stelle erfolgt, vielleicht weil irgendein anderer Fehler vorliegt.
Die Fig. 14 zeigt zu der oben beschriebenen Kontaktmessung, mittels derer ein Werkzeugbruch und / oder Schneidenkontrolle durchgeführt wird, wie das Werkzeug 3 längs Zeilen 21 relativ zu der Oberfläche des Werkstücks 1 bewegt wird. Es ergibt sich somit während des Abfahrens der Zeilen 21 eine stetige Folge von Kontakten zwischen dem Werkstück 1 und dem Werkzeug 3, mit jedem Schneideneingriff des Werkzeuges ein Kontakt, d.h. pro Werkzeugumdrehung so viele Kontakte, wie das Werkzeug Schneiden hat, welche erfindungsgemäß, wie oben beschrieben, fortlaufend geprüft und überwacht werden können.
Bezugszeichenliste
1 Werkstück
2 Werkzeugmaschine
3 Werkzeug
4 Spindelwelle
5 Maschinentisch
6 Frässpindel
7 Taster
8 Spannungsquelle
9 Z-Achse
10 Werkzeugaufnahme
1 1 metallische Platte
12 Restmaterial
13 Hilfskugellager
14 Innenring
15 Außenring
16 Isolierelement
17 Stahlkugel
18 Spannungsdetektor
19 Span
20 Drehachse
21 Zeile

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkstücks (1) und / oder eines Werkzeugs (3) in einer Werkzeugmaschine (2), bei welchem ein Werkstück (1) an der Werkzeugmaschine (2) gespannt wird, bei welchem nachfolgend das Werkzeug (3) mit Hilfe einer Werkzeugaufnahme (10) oder direkt in eine rotierbare Spindelwelle (4) eingesetzt und die Spindelwelle (4) in Rotation versetzt wird, bei welchem zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) eine elektrische Spannung angelegt wird, bei welchem das Werkzeug (3) und das Werkstück (1) gegeneinander verfahren werden, und bei welchem bei einem Kontakt zwischen dem Werkzeug (3) und dem Werkstück (1) eine Änderung der angelegten Spannung oder der entstehende Stromfluss ermittelt und die jeweilige Position des Werkstücks (1) und/oder des Werkzeugs (3) ermittelt und in einem Rechenprogramm zur Steuerung / Regelung der Bearbeitung des Werkstücks (1 ) hinterlegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelwelle (4) und/oder das Werkstück (1) elektrisch isoliert gelagert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) bei Erreichen eines Kontaktes zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) gestoppt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen eines Kontaktes zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) und nach Ermitteln der Position des Werkstücks (1 ) und/oder des Werkzeugs (3) das Werkstück (1) von dem Werkzeug (3) wegbewegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zu Beginn einer Bearbeitung eines Werkstücks (1) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Zeitintervallen während einer Bearbeitung eines Werkstücks (1) oder nach der Bearbeitung des Werkstücks (1) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) beschädigungsfrei in Kontakt mit dem Werkzeug (3) gebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Werkzeug (3) zu kontaktierende Bereich des Werkstücks (1) vor der Kontaktierung gereinigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren automatisch durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannung eine Wechselspannung ist und die Wechselspannung mittels einer kapazitiven Kopplung von einer Spannungsquelle zu dem Werkzeug (3) übertragen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem rotierenden Werkzeug (3) maßlich bekannte Geometrieelemente des Werkstücks (1) oder in der Maschine installierte Referenzelemente angetastet werden, um die Geometrie und / oder den Verschleiß des Werkzeugs (3) zu ermitteln.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Antasten des Werkstücks (1) mit dem rotierenden Werkzeug (3) eine Warmlaufphase abgewartet wird, bis die Werkzeugmaschine (2) thermisch stabil ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Antasten des Werkstücks (1) nach einer Bearbeitung an den mit dem Werkzeug (3) hergestellten Oberflächen erfolgt, um eine maßliche Kontrolle der mit dem Werkzeug (3) hergestellten Oberflächen durchzuführen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Restmaterialbearbeitung mit einem Werkzeug (3) genau in die an dem Werkstück (1) bereits hergestellten Oberflächen eingepasst wird, indem in der Umgebung der durchzuführenden Restmaterialbearbeitung bereits fertiggestellte Oberflächen des Werkstücks (1) mit dem Werkzeug (3) vor Durchführung der Restmaterialbearbeitung angetastet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) mittels des Werkzeugs (3) mindestens zweimal kontaktiert wird, wobei die detektierten Positionswerte verglichen werden und bei Vorliegen einer Differenz der Positionswerte eine nochmalige Kontaktierung durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz mit einem vorgegebenen Toleranzwert verglichen wird und bei überschreiten des Toleranzwerts die Kontaktierung wiederholt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtzahl der Kontaktierungen ermittelt wird und bei Überschreiten einer maximalen Anzahl eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei laufender Bearbeitung des Werkstücks (1) durch das Werkzeug (3) eine laufende Folge von Kontaktierungen überprüft und überwacht wird und bei Unterbrechung der Folge darauf geschlossen wird, dass das Werkzeug (3) nicht mehr im Eingriff mit dem Werkstück (1) ist, z.B. wegen Werkzeugbruch und eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei laufender Bearbeitung des Werkstücks (1) durch das Werkzeug (3) eine laufende Folge von Kontaktierungen überprüft und überwacht wird, wobei die Anzahl der Kontaktierungen exakt mit der Anzahl der Schneideneingriffe des Werkzeugs (3), die sich pro Umdrehung des Werkzeugs (3) auf Grund der Anzahl der Schneiden des Werkzeugs (3) ergeben muss, übereinstimmen muss und bei einer geringeren Anzahl von Kontaktierungen darauf geschlossen wird, dass einzelne Schneiden des Werkzeuges (3) nicht in Eingriff sind, also z.B. ausgebrochen oder verschlissen sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung zwischen dem Werkstück (1) und dem Werkzeug (3) über ein elektrisch leitendes Lager (13) oder über eine metallische Platte (11), welche zu der Spindelwelle (11) einen Spalt konstanter Breite aufweist oder über einen Schleifkontakt erfolgt.
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