EP4028209A1 - Strukturbauteil für eine werkzeugmaschine und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Strukturbauteil dient für eine Werkzeugmaschine (1). Das Strukturbauteil (2, 2') ist aus einem Mineralguss gebildet und in das Strukturbauteil (2, 2') ist zumindest eine Sensorbaugruppe (11-15) integriert, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) vollständig vom Mineralguss umschlossen ist und zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mechanischen Belastung (S1-S5) enthält.

Description

Strukturbauteil für eine Werkzeugmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strukturbauteil für eine Werkzeug- maschine und auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Strukturbauteils, sowie auf eine Werkzeugmaschine mit einem derartigen Strukturbauteil und die Verwendung eines derartigen Strukturbauteils in einer Werkzeugmaschine und eine Maschine, die dynamische Beanspruchung auffangen muss und diese erfasst werden soll. Werkzeug- und Bearbeitungsmaschinen kommen in vielfältigen Industriezweigen, wie beispielsweise in der mechanischen Fertigung, der Halbleiterindustrie, SEMI Bestückungsautomaten, Medizintechnik, Automatisation oder Elektronik, zum Ein satz. Eine Werkzeugmaschine umfasst allgemein eine Maschinenstruktur, welche in der Regel feststehend bzw. ortsfest angeordnet ist und im Folgenden auch als Strukturbauteil bezeichnet wird. Das Strukturbauteil dient der definierten Positio nierung des zu bearbeitenden Objekts in Bezug auf die Bearbeitungsvorrichtung und kann beispielsweise als Maschinenbett, Ständer, Portal, Spindelaufhängung, Gerätekörper, etc. ausgebildet sein.

Ein Beispiel einer solchen Bearbeitungsvorrichtung ist eine Werkzeugmaschine mit einem als Maschinenbett ausgebildeten Strukturbauteil, an bzw. auf dem das zu bearbeitende Werkstück positioniert wird, um es mit einem Werkzeug der Werk zeugmaschine zu bearbeiten. Als Referenzpunkt für die Interaktion zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wird ein Tool Center Point (kurz: TCP) bezeichnet.

Thermische Effekte und mechanische Belastungen, die im Betrieb der Werkzeug- maschine auftreten oder durch maschinenexterne Einflüsse verursacht werden können, können zu geometrischen Veränderungen, insbesondere Dimensionsän derungen, des Maschinenbetts führen. Dies kann sich negativ auf den Betrieb der Werkzeugmaschine ausüben, insbesondere die Präzision der Werkstückbearbei tung verschlechtern, beispielsweise durch eine Verschiebung des Tool Center Points von dessen gewünschter Position. In der Regel wird das Maschinenbett da her ausreichend gross und steif dimensioniert, um mechanische Lasten aufzuneh men, wohingegen thermisch bedingte Effekte schlecht, respektive nur aufwändig, kompensiert oder kontrolliert werden können.

CN 108422208 A beschreibt ein Maschinenbett aus einem Mineralguss mit in den Mineralguss integrierten Rohren eines Kühlsystems. Ein Temperatursensor misst die Temperatur des Maschinenbettes und das Kühlsystem wird entsprechend den erfassten Temperaturwerten gesteuert.

Eine solche thermische Erfassung von Veränderungen in dem Maschinenbett ist u.a. aufgrund der thermischen Trägheit des Maschinenbettes in der Regel lediglich zeitversetzt möglich bzw. können kurzzeitige Veränderungen unter Umständen nicht erfasst werden. Auch eine solche thermische Kompensation von Verände rungen in dem Maschinenbett ist in der Regel nur zeitversetzt möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives bzw. ver bessertes Strukturbauteil für eine Werkzeugmaschine bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Strukturbauteils bereitzu stellen, mit dem insbesondere eine möglichst exakte Erfassung einer auf das Strukturbauteil wirkenden mechanischen Last und/oder eine Erfassung einer me chanischen Last im Wesentlichen in Echtzeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil gemäss Anspruch 1 , eine Werkzeugmaschine gemäss Anspruch 9, ein Herstellungsverfahren gemäss An spruch 10 und die Verwendung eines Strukturbauteils gemäss Anspruch 14. Wei terbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können die Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprü chen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umge kehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und der Verfahren können auch je weils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.

Ein erfindungsgemässes Strukturbauteil dient für eine Werkzeugmaschine. Das Strukturbauteil ist aus Mineralguss gebildet und in das Strukturbauteil ist zumindest eine Sensorbaugruppe integriert. Die Sensorbaugruppe ist vollständig vom Mine ralguss umschlossen und enthält zumindest einen Sensor zur Erfassung einer me chanischen Belastung.

Das Strukturbauteil dient vorzugsweise der definierten Positionierung eines mit der Werkzeugmaschine zu bearbeitenden Objekts, d. h. eines Werkstücks, in Bezug auf die Bearbeitungsvorrichtung. Weiter bevorzugt ist der Werkzeugmaschine ein Tool Center Point (TCP) zugeordnet, welcher einen räumlichen Bezug zwischen dem Strukturbauteil bzw. einem darauf oder daran angeordneten Werkstück und einer Werkzeugmaschine definiert.

Dass die Sensorbaugruppe vollständig vom Mineralguss umschlossen ist meint vorzugsweise, dass der Mineralguss bzw. das Strukturbauteil die Sensorbau gruppe bzw. zumindest deren Sensor oder Sensoren formschlüssig und in allen drei Raumrichtungen umgibt und mit der Sensorbaugruppe bzw. dem oder den Sensor(en) in Kontakt ist. Wie weiter unten beschrieben wird die Sensorbaugruppe zu diesem Zweck bevorzugt während der Herstellung des Strukturbauteils einge gossen. Ein vollständiges Umschliessen der Sensorbaugruppe bzw. des oder der Sensor(en) durch den Mineralguss schliesst dabei nicht aus, dass Teile der Sen sorbaugruppe oder der Sensorbaugruppe zugeordneter Elemente aus dem Struk turbauteil herausragen, beispielsweise ein Kabel, das als Datenverbindung zur Ausgabe der von der Sensorbaugruppe erfassten Sensorwerte dient.

Die Sensorbaugruppe umfasst zumindest einen Sensor, vorzugsweise mehrere Sensoren, die weiter bevorzugt in einer definierten Position in Bezug aufeinander angeordnet sind. Unter einer definierten Position in Bezug aufeinander ist in die sem Zusammenhang zu verstehen, dass die räumliche Lage und räumliche Orien tierung der Sensoren in Bezug aufeinander festgelegt ist. Insbesondere kann die Sensorbaugruppe verschiedene Sensoren umfassen, also Sensoren, die dazu ausgebildet sind, verschiedene physikalische Grössen zu erfassen.

Der zumindest eine Sensor ist vorzugsweise zur Erfassung einer zumindest loka len mechanischen Belastung des Strukturbauteils ausgebildet, d. h. er reagiert un mittelbar auf eine auf das Strukturbauteil im Bereich des Sensors wirkende me- chanische Last bzw. Belastung. Beispiele für durch den Sensor erfassbare mecha nische Belastungen sind weiter unten angegeben. Der Sensor unterscheidet sich somit insbesondere von thermischen Sensoren, die eine Temperaturänderung o- der absolute Temperatur des Strukturbauteils erfassen. Die von dem Sensor er fasste mechanische Belastung kann dabei mechanisch bedingt sein, beispiels weise durch eine auf das Strukturbauteil wirkende Gewichtskraft oder eine Schwin gung in dem Strukturbauteil, und/oder thermisch bedingt sein, beispielsweise eine thermisch induzierte Längenänderung. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine auftretende mechanische Belastung des Strukturbauteils im Wesentlichen ohne Zeitverzögerung zu erfassen. Dies kann weiter beispielsweise ermöglichen, ein möglichst exaktes Strukturmodell des Strukturbauteils zu erstellen, insbesondere innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums, und/oder mechanische Belastungen des Strukturbauteils im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung im Wesentlichen in Echt zeit, d. h. im Wesentlichen ohne Zeitverzögerungen, und/oder möglichst genau zu erfassen. Insbesondere im Vergleich zu thermischen Messungen an oder in dem Strukturbauteil, welche in der Regel aufgrund der thermischen Trägheit des Struk turbauteils zeitversetzt erfolgen, kann die Erfassung mechanischer Belastungen durch die Sensorbaugruppe beispielsweise den Vorteil haben, dass ein Modell des Strukturbauteils für numerische Berechnungen in einer kürzeren Zeit erstellt wer den kann und/oder dass ein exakteres Modell des Strukturbauteils erstellt werden kann.

Insgesamt kann das erfindungsgemässe Strukturbauteil beispielsweise eine di rekte Erfassung bzw. Messung mechanischer Veränderungen in dem Strukturbau teil ermöglichen, welche die Präzision der Werkzeugmaschine negativ beeinflus sen können, ohne dass Kenntnisse über thermische Eigenschaften des Struktur bauteils erforderlich sind.

Allgemein wird unter einem Mineralguss ein Werkstoff verstanden, der zumindest aus einem oder mehreren Füllstoffen und einer Matrix besteht, bei Mineralguss eine Kunststoff-Matrix. Durch die Verwendung von Mineralguss als Werkstoff für das Strukturbauteil ist es beispielsweise möglich, ein kostengünstiges und/oder auf einfache Art und Weise herstellbares Strukturbauteil bereitzustellen. Auch ist es dadurch beispielsweise möglich, die Sensoren bzw. die Sensorbaugruppe mit grosser Freiheit, insbesondere an besonders relevanten Stellen, in dem Struktur bauteil anzubringen. Zudem können die Sensoren durch ihre Einbettung beispiels weise auch über einen langen Zeitraum hinweg gegen äussere Einwirkungen ge schützt werden, was eine lange Lebensdauer der Sensoren sicherstellen kann. Mit solchen in das Strukturbauteil integrierten Sensoren zur Erfassung mechanischer Belastungen ist es beispielsweise möglich, die Sensoren während ihrer gesamten Lebensdauer zu nutzen, beispielsweise um in der Entwicklungsphase des Struk turbauteils dieses zu optimieren und/oder während eines Transports des Struktur bauteils allfällige Schäden zu erfassen und/oder den Betrieb der Bearbeitungsvor richtung zu überwachen und/oder zu korrigieren. Besonders vorteilhaft kann sich dabei die Tatsache auswirken, dass in allen diesen beispielshaft genannten Pha sen dieselben Sensoren, d. h. dieselbe Technologie, verwendet wird. Beispiels weise ist es auch möglich, schon ab der Bauteilstufe die Konstruktion des Struk turbauteils statisch oder dynamisch zu evaluieren und/oder im Montageprozess die Ausrichtung und/oder Lagerung des Strukturbauteils präzise vorzunehmen und/o der nach der Inbetriebnahme der Bearbeitungsvorrichtung Langzeitveränderungen des Strukturbauteils oder im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung zu erkennen.

Vorzugsweise ist der zumindest eine Sensor dazu ausgebildet, eine mechanische Belastung sowohl statisch, d. h. kontinuierlich, als auch intermittierend zu erfassen. Damit ist der Sensor beispielsweise zum Einsatz in verschiedenen Messungen ge eignet, was insgesamt die Anzahl der erforderlichen Sensoren verringern kann. Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest ein Sensor vorzugsweise dazu ausge bildet, eine mechanische Belastung innerhalb eines Zeitraums von weniger als 1 ms nach deren Auftreten in dem Strukturbauteil zu erfassen. Damit kann beispiels weise eine Erfassung der mechanischen Belastung mit möglichst geringem Zeit versatz bzw. im Wesentlichen in Echtzeit erfolgen.

Vorzugsweise ist die Sensorbaugruppe bzw. der zumindest eine Sensor zur Erfas sung einer Druckkraft und/oder einer Zugkraft und/oder einer Dehnung und/oder einer Stauchung und/oder einer Biegung und/oder einer Torsion und/oder einer Längenänderung und/oder einer mechanischen Schwingung ausgebildet. Damit ist es beispielsweise möglich, verschiedene Möglichkeiten zur Erfassung einer (loka len) mechanischen Belastung des Strukturbauteils bereitzustellen, respektive un terschiedliche mechanische Belastungen zu erfassen.

Vorzugsweise ist die Sensorbaugruppe bzw. der zumindest eine Sensor dazu aus gebildet, mechanische Belastungen absolut zu erfassen. Damit ist es beispiels weise möglich, Veränderungen in dem Strukturbauteil auch bei unterbrochenen Messungen, d. h. nicht kontinuierlich, und insbesondere über einen langen Zeit raum hinweg, zu erfassen. Insbesondere ist es damit beispielsweise möglich, Langzeitveränderungen des Strukturbauteils, welche beispielsweise durch die Be triebsbeanspruchung und/oder durch die Aufstellung verursacht werden, erfassen zu können.

Vorzugsweise ist die Sensorbaugruppe bzw. der zumindest eine Sensor dazu aus gebildet, mechanische Schwingungen zu erfassen, deren Frequenz mindestens der tiefsten Eigenfrequenz des Strukturbauteils entspricht. Damit ist es beispiels weise möglich, wie weiter unten beschrieben, eine Modalanalyse des Strukturbau teils durchzuführen.

Vorzugsweise enthält die Sensorbaugruppen weiter zumindest einen Temperatur sensor, der gegenüber dem zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mecha nischen Belastung in einer definierten bzw. an einer vorab festgelegten Position liegt. Dies meint vorzugsweise, dass die räumliche Lage und räumliche Orientie rung der Sensoren, d. h. des oder der Temperatursensor(en) und des oder der Sensor(en) zur Erfassung einer mechanischen Belastung, in Bezug aufeinander festgelegt ist. Damit ist es beispielsweise möglich, verschiedene Messwerte, wel che durch die unterschiedlichen Sensoren erfasst werden, in ihrer räumlichen Re lation zueinander auszuwerten und somit ein möglichst exaktes Strukturmodell es Strukturbauteils zu ermitteln. Durch die Bereitstellung eines Temperatursensors ist es zudem beispielsweise möglich, thermische Effekte in dem Strukturbauteil sepa rat oder in Zusammenhang mit den auftretenden mechanischen Belastungen zu betrachten, insbesondere um ein thermo-mechanisches Modell des Strukturbau teils zu erstellen. Vorzugsweise ist die Sensorbaugruppe an einer vorab festgelegten Position im Strukturbauteil vorgesehen. Damit ist es beispielsweise möglich, die Sensorbau gruppe an besonders relevanten Stellen in dem Strukturbauteil, beispielsweise dort, wo grosse mechanische Belastungen auftreten, anzubringen. Beispielsweise kann die Sensorbaugruppe an oder in der Nähe von einer Halterung, z. B. einem Gestänge, angebracht sein, die in den Mineralguss integriert ist und z. B. zur Be festigung weiterer Elemente der Werkzeugmaschine dient.

Vorzugsweise umfasst das Strukturbauteil weiter zumindest einen am Strukturbau teil vorgesehenen oder im Strukturbauteil integrierten Aktor. Weiter bevorzugt ist der zumindest eine Aktor dazu ausgebildet, die von dem zumindest einen Sensor erfasste mechanische Belastung in dem Strukturbauteil, insbesondere eine Druck kraft und/oder eine Zugkraft und/oder eine Dehnung und/oder eine Stauchung und/oder eine Biegung und/oder eine Torsion und/oder eine Längenänderung und/oder eine mechanische Schwingung, zumindest teilweise zu kompensieren. Der Aktor kann die auftretende Belastung beispielsweise mechanisch, z. B. durch Gegenwirken der auftretenden Kraft, und/oder thermisch kompensieren oder ver ringern.

Vorzugsweise ist das Strukturbauteil ein Maschinenbett und/oder die Bearbei tungsvorrichtung ist eine Werkzeugmaschine. Alternativ kann das Strukturbauteil beispielsweise als ein Ständer, ein Portal, eine Spindelaufhängung, ein Gerätekör per oder ähnliches ausgebildet sein. Damit sind beispielsweise verschiedene Strukturbauteile bereitgestellt, bei denen die Erfindung vorteilhaft zum Einsatz kommen kann.

Eine erfindungsgemässe Bearbeitungsvorrichtung umfasst ein oben beschriebe nes Strukturbauteil. Damit ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf das Strukturbauteil beschriebenen Wirkungen bei einer Bearbeitungsvorrichtung zu er zielen.

Ein erfindungsgemässes Verfahren dient zur Herstellung eines Strukturbauteils für eine Werkzeugmaschine und umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstel len einer Gussform für das Strukturbauteil, Bereitstellen zumindest einer Sensor baugruppe in und/oder an der Gussform, wobei die Sensorbaugruppe zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mechanischen Belastung enthält, und Einbrin gen eines flüssigen Mineralgusses in die Gussform. Damit kann beispielsweise ein auf einfache Art und Weise durchführbares und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemässen Strukturbauteils bereitgestellt werden.

Vorzugsweise wird in dem Verfahren die Sensorbaugruppe an einer vorab festge legten Position in und/oder an der Gussform bereitgestellt. Damit ist es beispiels weise möglich, die Sensorbaugruppe an besonders relevanten Stellen in dem Strukturbauteil, beispielsweise dort, wo grosse mechanische Belastungen auftre- ten, anzubringen.

Vorzugsweise wird die Gussform nach einer Aushärtung des Mineralgusses vom Strukturbauteil entfernt. Durch Entfernen der Gussform ist es beispielsweise mög lich, das Strukturbauteil zur Verwendung in der Bearbeitungsvorrichtung bereitzu stellen.

Vorzugsweise werden während dem Verfahren zumindest zeitweise Sensorwerte durch den zumindest einen Sensor erfasst und basierend auf den erfassten Sen sorwerten wird zumindest ein Optimierungswert für das Strukturbauteil ermittelt. Der Optimierungswert kann beispielsweise ein Gewicht und/oder eine Werkstoff zusammensetzung und/oder eine geometrische Form und/oder eine Dimensionie rung des Strukturbauteils sein. Damit ist es beispielsweise möglich, im Rahmen einer Qualitätssicherung Inhomogenitäten in dem Strukturbauteil zu erfassen bzw. ein möglichst homogenes Strukturbauteil und/oder ein möglichst optimal an einen bestimmungsgemässen Einsatzzweck angepasstes Strukturbauteil bereitzustel len.

Erfindungsgemäss werden bei Verwendung eines oben beschriebenen Struktur bauteils in einer Werkzeugmaschine zumindest zeitweise während und/oder vor und/oder nach dem Betrieb der Werkzeugmaschine Sensorwerte durch den zu mindest einen Sensor erfasst. Damit ist es beispielsweise möglich, die in dem Strukturbauteil jeweils auftretenden mechanischen Belastungen örtlich und zeitlich möglichst exakt zu erfassen und gegebenenfalls zu kompensieren oder korrigie rend in den Betrieb der Werkzeugmaschine einzugreifen. Vorzugsweise werden mittels der erfassten Sensorwerte Eigenschwingungen des Strukturbauteils und gleichzeitig deren Auswirkungen an einem Tool Center Point der Werkzeugmaschine ermittelt. Die Auswirkung an dem Tool Center Point wird vorzugsweise mittels eines weiteren bereitgestellten Sensors, beispielsweise ei- nem Schwingungssensor, Beschleunigungssensor etc., ermittelt. Damit ist es bei spielsweise möglich, eine Modalanalyse des Strukturbauteils durchzuführen, und somit Auswirkungen bestimmter Anregungsfrequenzen auf den Tool Center Point zu ermitteln, um diese z. B. kompensieren oder verhindern zu können.

Weitere Merkmale und Zweckmässigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1a ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Maschinenbettes einer Werkzeugmaschine mit integrierten Sensoren gemäss einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 1b ist eine schemati sche Darstellung einer Orthogonalprojektion der in Fig. 1a gezeigten Sensoren auf die Oberseite des Maschinenbettes.

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des in Fig. 1a gezeigten Maschinenbettes gemäss einer Weiterbildung der Erfindung.

Fig. 3 zeigt schematisch die Schritte eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Fierstellung des in Fig. 1a, 1b und 2 gezeigten Maschinenbettes. Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 1a, 1b eine Ausführungsform der vorliegen den Erfindung beschrieben. Fig. 1a zeigt eine als Werkzeugmaschine 1 ausgebil dete Bearbeitungsmaschine mit einem als ein Maschinenbett 2 ausgebildetem Strukturelement. Die Werkzeugmaschine 1 ist zur Bearbeitung und/oder Fertigung eines Werkstücks (in den Figuren nicht gezeigt) mittels zumindest eines Werk- zeugs (in den Figuren nicht gezeigt) ausgebildet, wobei das Werkstück an oder auf dem Maschinenbett 2 angebracht ist.

Das Maschinenbett 2 ist in Fig. 1a rein beispielhaft quaderförmige ausgebildet und ist aus Mineralguss gefertigt. Das Maschinenbett 2 weist eine Oberseite 3 auf. An der Oberseite 3 sind eine erste Linearführung 4a und eine zweite Linearführung 4b in einem Abstand d parallel zueinander angeordnet. An den Linearführungen 4a, 4b ist ein in den Figuren nicht näher gezeigter Schlitten anbringbar, auf oder an dem das Werkstück (in den Figuren nicht gezeigt) befestigbar ist. Der Schlitten (nicht gezeigt) ist entlang den Linearführungen 4a, 4b über die Oberfläche 3 des Maschinenbettes 2 verfahrbar vorgesehen.

Weiter ist in dem Maschinenbett 2 eine Halterung 5 angebracht, die in dem Mine ralguss eingebettet ist und nach oben über die Oberseite 3 des Maschinenbettes 2 vorsteht. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 1a lediglich der in dem Maschinenbett 2 vorgesehene Abschnitt der Halterung 5 gezeigt. Die in Fig. 1a gezeigte Halterung 5 ist rein beispielhaft stabförmig bzw. turmförmig ausgebildet und weist in der Fläche der Oberseite 3 einen kreisförmigen Querschnitt auf. An der Halterung 5 kann beispielsweise das in den Figuren nicht gezeigte Werkzeug zur Bearbeitung oder Fertigung des Werkstücks (ebenfalls nicht gezeigt) befestigt sein.

Des Weiteren ist rein beispielhaft ein der Werkzeugmaschine 1 zugeordneter Tool Center Point TCP gezeigt, welcher in Fig. 1 a und 1 b auf der Oberseite 3 des Ma schinenbettes 2 lokalisiert ist. Der Tool Center Point kann auch an einer anderen Stelle der Werkzeugmaschine 1 vorgesehen sein, insbesondere oberhalb des Ma schinenbettes 2.

Das in Fig. 1a gezeigte Maschinenbett 2 weist rein beispielhaft fünf in das Maschi nenbett integrierte Sensorbaugruppen 11 , 12, 13, 14, 15 auf, wobei jede der Sen sorbaugruppen 11 , 12, 13, 14, 15 jeweils vollständig vom Mineralguss umschlos sen ist, d. h. die Sensorbaugruppen 11-15 sind bei Betrachtung des Maschinen bettes 2 von aussen nicht sichtbar. Jede der Sensorbaugruppen 11 , 12, 13, 14, 15 weist einen als Dehnungssensor S1-S5 ausgebildeten Sensor zur Erfassung einer mechanischen Belastung auf und einen Temperatursensor T1-T5. Die Dehnungs sensoren S1-S5 können beispielsweise in das Maschinenbett 2 integrierte Glasfa sern umfassen, deren Länge interferometrisch erfasst wird. Der Dehnungssensor S1 -S5 und der jeweilige Temperatursensor T 1 -T5 jeder der Sensorbaugruppen 11 - 15 liegen in Bezug aufeinander in einer definierten Position, d. h. weisen einen vorab festgelegten Abstand und eine vorab festgelegte Orientierung zueinander auf. Des Weiteren ist jede der Sensorbaugruppen 11 -15 an einer vorab festgeleg ten Position im Maschinenbett 2 vorgesehen. Wie aus Fig. 1a und der in Fig. 1b gezeigten Orthogonalprojektion der Sensorbaugruppen 11-15 auf die Oberseite 3 ersichtlich, sind die erste und zweite Sensorbaugruppe 11 , 12 jeweils in der Nähe der Halterung 5 vorgesehen und die dritte, vierte und fünfte Sensorbaugruppe 13, 14, 15 sind in der Nähe der Linearführungen 4a, 4b vorgesehen. Die Dehnungs sensoren S3, S4 der dritten und vierten Sensorbaugruppen 13, 14 erstrecken sich jeweils im Wesentlichen parallel zu den Linearführungen 4a, 4b und können im Wesentlichen vertikal unterhalb der jeweiligen Linearführung 4a, 4b vorgesehen sein, wie in Fig. 1a durch die gestrichelten Linien angedeutet. In Fig. 1 b sind die Dehnungssensoren S3, S4 der dritten und vierten Sensorbaugruppen 13, 14 hori zontal versetzt zu den Linearführungen 4a, 4b angeordnet. Der Dehnungssensor S5 der fünften Sensorbaugruppe 15 erstreckt sich im Wesentlichen quer zu den Linearführungen 4a, 4b.

Optional umfasst die Werkzeugmaschine 1 eine in den Figuren nicht gezeigte Aus werteinheit, mit der jede Sensorbaugruppe 11-15 bzw. jeder Sensor T 1 -T5, S1 -S5 über eine Datenverbindung verbunden ist.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind fünf Sensorbaugruppen 11- 15 in das Maschinenbett 2 integriert, die jeweils einen Dehnungssensor S1-S5 und einen Temperatursensor T1-T5 aufweisen. Die Sensorbaugruppen 11-15 können auch zumindest teilweise ohne den Temperatursensor bereitgestellt sein und/oder können beliebige andere Sensoren zur Erfassung einer mechanischen Belastung umfassen, beispielsweise einen Sensor, der zur Erfassung einer Druckkraft und/o der einer Zugkraft und/oder einer Dehnung und/oder einer Stauchung und/oder einer Biegung und/oder einer Torsion und/oder einer Längenänderung und/oder einer mechanischen Schwingung ausgebildet ist oder mehrere derartige Sensoren. Auch können die Sensorbaugruppen unterschiedlich ausgebildet sein, d. h. zumin dest teilweise unterschiedliche Sensoren aufweisen und/oder es können mehr o- der weniger als fünf Sensorbaugruppen bereitgestellt sein.

Gemäss einer ersten Weiterbildung des in Fig. 1a, 1 b gezeigten Maschinenbettes 2 umfasst zumindest eine der Sensorbaugruppen 11-15 zumindest einen Sensor S1-S5, der dazu ausgebildet ist, mechanische Schwingungen zu erfassen, deren Frequenz mindestens der tiefsten Eigenfrequenz des Maschinenbettes 2 ent spricht. Fig. 2 zeigt eine zweite Weiterbildung des in Fig. 1a, 1 b gezeigten Maschinenbet tes 2, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die in Fig. 1a, 1 b gezeigten Sen soren S1-S5, T1-T5 der Sensorbaugruppen 11-15 in Fig. 2 nicht dargestellt sind. In dem Maschinenbett 2' sind zwei Temperierleitungen 17, 18 integriert, die An schlüsse 17a, 17b, 18a, 18b aufweisen zum Zu- und Ableiten eines Mediums, bei spielsweise Wasser, welches zum Kühlen oder Beheizen (allgemein Temperieren) des Maschinenbettes 2' dient. Damit kann das Maschinenbett 2' durch Hindurch- leiten des Mediums durch die Temperierleitungen 17, 18 gekühlt bzw. beheizt wer den.

Alternativ oder zusätzlich zu den in Fig. 2 gezeigten Temperierleitungen 17, 18 kann das Maschinenbett 2' einen oder mehrere weitere Aktoren (nicht gezeigt) auf weisen, insbesondere Aktoren, die dazu ausgebildet sind, von den Sensoren S1- S5 der Sensorbaugruppen 11-15 erfasste mechanische Belastungen zumindest teilweise zu kompensieren oder diesen entgegenzuwirken. Vorzugsweise sind die Aktoren mit einer (nicht gezeigten) Steuereinheit verbunden, über die die Aktoren gesteuert werden.

Im Betrieb der Werkzeugmaschine 1 wird das in den Figuren nicht gezeigte Werk stück an dem Schlitten (nicht gezeigt) angebracht und durch das Werkzeug (nicht gezeigt) bearbeitet und/oder gefertigt. Dabei können durch die Sensoren S1-S5, T 1 -T5 der in das Maschinenbett 2, 2' integrierten Sensorbaugruppen 11-15 zumin dest zeitweise während und/oder vor und/oder nach dem Betrieb der Werkzeug maschine Sensorwerte erfasst werden. Die Sensorwerte werden an die Auswert einheit (nicht gezeigt) weitergeleitet und von dieser ausgewertet. Basierend auf den erfassten und ausgewerteten Sensorwerten können beispielsweise der oder die Aktor(en) derart angesteuert werden, dass sie die erfasste mechanische Be lastung und/oder einen erfassten Wärmeeintrag zumindest teilweise kompensie ren oder ihr bzw. ihm entgegenwirken. Alternativ oder zusätzlich kann beispiels weise, basierend auf den erfassten und ausgewerteten Sensorwerten, in den Be trieb der Werkzeugmaschine 1 eingegriffen werden oder deren Betrieb gestoppt werden.

Vorzugsweise wird zumindest einmal eine Modalanalyse des Maschinenbettes 2, 2' durchgeführt. Flierzu wird das Maschinenbett 2, 2' durch externe Anregung mit Schwingungen beaufschlagt und mittels den durch die Sensoren S1-S5 der Sen sorbauteile 11-15 erfassten Sensorwerten die Eigenschwingungen des Maschi nenbettes 2, 2' ermittelt. Gleichzeitig wird die Strukturantwort des Maschinenbettes 2, 2' an einem Referenzpunkt, beispielsweise an dem Tool Center Point TCP, mit tels eines weiteren bereitgestellten Sensors (in den Figuren nicht gezeigt), bei spielsweise einem Schwingungssensor, Beschleunigungssensor etc., ermittelt.

Im Folgenden wird mit Bezug auf Fig. 3 ein Verfahren zur Fierstellung des in Fig. 1a, 1 b, 2 gezeigten Maschinenbettes 2, 2' beschrieben. In einem ersten Schritt 21 wird eine für das herzustellende Maschinenbett 2, 2' geeignete Gussform (in den Figuren nicht gezeigt) bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 22 werden die Sen sorbaugruppen 11-15 mit den jeweiligen Sensoren S1 -S5, T 1 -T5 bereitgestellt und in und/oder an der Gussform angebracht. Die Sensorbaugruppen 11-15 werden dabei so positioniert, dass sie später im fertigen Maschinenbett 2, 2' an den ge wünschten Positionen lokalisiert sind. Des Weiteren wird in dem zweiten Schritt 22 die Flalterung 5 in und/oder an der Gussform angebracht. Falls das Maschinenbett mit integrierten Aktoren, beispielsweise den in Fig. 2 gezeigten Temperierleitungen 17, 18 ausgestattet werden soll, werden in dem zweiten Schritt 22 weiter die Akto ren bereitgestellt und in und/oder an der Gussform an der gewünschten Position angebracht.

Anschliessend wird in einem dritten Schritt 23 ein flüssiger Mineralguss in die Gussform eingebracht. Nach der Aushärtung des Mineralgusses wird die Guss form in einem vierten Schritt 24 vom Maschinenbett 2, 2' entfernt. In anschliessen den Fertigungs- und/oder Montageschritten (in Fig. 3 nicht gezeigt) können noch die Linearführungen 4a, 4b an der Oberseite 3 des Maschinenbettes 2, 2' ange bracht werden und das Maschinenbett 2, 2' in die Werkzeugmaschine 1 integriert werden bzw. weitere Elemente der Werkzeugmaschine 1 an dem Maschinenbett 2,2' angebracht werden.

Während der Herstellung des Maschinenbettes 2, 2' können, beispielsweise zum Zweck einer Qualitätskontrolle oder Prozessverbesserung, zumindest zeitweise, insbesondere während des Aushärtens bzw. Abbindens des Mineralgusses, Sen sorwerte durch die Sensoren S1-S5, T1-T5 erfasst werden. Basierend auf den er- fassten Sensorwerten kann zumindest ein Optimierungswert für das Maschinen bett ermittelt werden. Der Optimierungswert kann beispielsweise ein Gewicht und/oder eine Werkstoffzusammensetzung und/oder eine geometrische Form und/oder eine Dimensionierung des Strukturbauteils sein. Es sind im Rahmen der Erfindung Modifikationen der oben beschriebenen Werk zeugmaschine möglich. So kann das Maschinenbett auch ohne die oben in Bezug auf Fig. 1a, 1b, 2 beschriebene Flalterung 5 und/oder ohne die Linearführungen 4a, 4b bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich können weitere strukturelle Ele mente an dem Maschinenbett vorgesehen oder in dieses eingebettet sein, insbe- sondere wenn es sich um eine Bestückungs- oder Verpackungsmaschine handelt.

Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Werkzeugmaschine mit einem Maschinenbett beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt. Sie kann auf beliebige Bearbeitungsvorrichtungen mit einem aus Mineralguss gefertigten Struk turbauteil angewandt werden. Das Strukturbauteil der Bearbeitungsvorrichtungen dient vorzugsweise allgemein der definierten Positionierung eines mit der Bearbei tungsvorrichtung zu bearbeitenden Objekts, d. h. eines Werkstücks. Alternativ zu der oben beschriebenen Ausbildung des Strukturbauteils als ein Maschinenbett kann das Strukturbauteil beispielsweise als ein Ständer, ein Portal, eine Spin delaufhängung, ein Gerätekörper oder ähnliches ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche

1. Strukturbauteil für eine Werkzeugmaschine (1 ), wobei das Strukturbauteil (2, 2') aus einem Mineralguss gebildet ist und in das Strukturbauteil (2, 2') zumindest eine Sensorbaugruppe (11-15) inte- griert ist, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) vollständig vom Mineralguss umschlossen ist und zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mechani schen Belastung (S1-S5) des Strukturbauteils im Betrieb der Werkzeugma schine enthält.

2. Strukturbauteil nach Anspruch 1 , wobei die Sensorbaugruppe (11 -15) zur Er- fassung einer Druckkraft und/oder einer Zugkraft und/oder einer Dehnung und/oder einer Stauchung und/oder einer Biegung und/oder einer Torsion und/oder einer Längenänderung und/oder einer mechanischen Schwingung ausgebildet ist.

3. Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) dazu ausgebildet ist, mechanische Belastungen absolut zu erfassen.

4. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensorbau gruppe (11-15) dazu ausgebildet ist, mechanische Schwingungen zu erfas sen, deren Frequenz mindestens der tiefsten Eigenfrequenz des Strukturbau teils (2, 2') entspricht.

5. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensorbau gruppe (11-15) zumindest einen Temperatursensor (T1-T5) enthält, der ge genüber dem zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mechanischen Belastung (S1-S5) in einer definierten Position liegt.

6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorbau- gruppe (11-15) an einer vorab festgelegten Position im Strukturbauteil (2, 2') vorgesehen ist.

7. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter umfassend zumin dest einen am Strukturbauteil (2') vorgesehenen oder im Strukturbauteil (2') integrierten Aktor (17, 18).

8. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strukturbauteil ein Maschinenbett ist.

9. Werkzeugmaschine, umfassend ein Strukturbauteil (2, 2') nach einem der An sprüche 1 bis 8.

10. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (2, 2') für eine Werkzeugma schine (1), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen einer Gussform für das Strukturbauteil (2, 2'),

Bereitstellen zumindest einer Sensorbaugruppe (11-15) in und/oder an der Gussform, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) zumindest einen Sensor zur Erfassung einer mechanischen Belastung (S1-S5) enthält, und

Einbringen eines flüssigen Mineralgusses in die Gussform.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) an einer vorab festgelegten Position in und/oder an der Gussform bereitgestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Gussform nach einer Aus härtung des Mineralgusses vom Strukturbauteil (2, 2') entfernt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei während dem Verfah ren zumindest zeitweise Sensorwerte durch den zumindest einen Sensor (S1-S5, T1-T5) erfasst werden und wobei basierend auf den erfassten Sen sorwerten zumindest ein Optimierungswert für das Strukturbauteil (2, 2') er mittelt wird.

14. Verwendung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Werkzeugmaschine (1 ), wobei zumindest zeitweise während dem Betrieb der Werkzeugmaschine (1) Sensorwerte durch den zumindest einen Sensor (S1- S5, T1-T5) erfasst werden.

15. Verwendung des Strukturbauteils gemäss Anspruch 14, wobei mittels der er fassten Sensorwerte Eigenschwingungen des Strukturbauteils (2, 2') und gleichzeitig deren Auswirkungen an einem Tool Center Point (TCP) der Werk zeugmaschine (1) ermittelt werden.