EP4028209A1 - Structural component for a machine tool and method for producing same - Google Patents

Structural component for a machine tool and method for producing same

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Publication number
EP4028209A1
EP4028209A1 EP20780951.8A EP20780951A EP4028209A1 EP 4028209 A1 EP4028209 A1 EP 4028209A1 EP 20780951 A EP20780951 A EP 20780951A EP 4028209 A1 EP4028209 A1 EP 4028209A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
structural component
sensor
machine tool
sensor assembly
machine bed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20780951.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
George Blaha
Radek PIKRT
Josef Mayr
Eduard RELEA
Lukas Weiss
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.)
Schneeberger Mineralgusstechnik S R O
Schneeberger Mineralgusstechnik SRO
Original Assignee
Schneeberger Mineralgusstechnik S R O
Schneeberger Mineralgusstechnik SRO
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneeberger Mineralgusstechnik S R O, Schneeberger Mineralgusstechnik SRO filed Critical Schneeberger Mineralgusstechnik S R O
Publication of EP4028209A1 publication Critical patent/EP4028209A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/001—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine
    • B23Q11/0028—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine by actively reacting to a change of the configuration of the machine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/01—Frames, beds, pillars or like members; Arrangement of ways
    • B23Q1/015—Frames, beds, pillars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/0003—Arrangements for preventing undesired thermal effects on tools or parts of the machine
    • B23Q11/0007—Arrangements for preventing undesired thermal effects on tools or parts of the machine by compensating occurring thermal dilations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B29C67/24—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00 characterised by the choice of material
    • B29C67/242—Moulding mineral aggregates bonded with resin, e.g. resin concrete
    • B29C67/243—Moulding mineral aggregates bonded with resin, e.g. resin concrete for making articles of definite length

Definitions

  • the present invention relates to a structural component for a machine tool and to a method for producing such a structural component, as well as to a machine tool with such a structural component and the use of such a structural component in a machine tool and a machine that has to absorb dynamic stress and this should be recorded.
  • Machine tools and processing machines are used in a wide range of industries, such as mechanical production, the semiconductor industry, SEMI pick-and-place machines, medical technology, automation and electronics.
  • a machine tool generally comprises a machine structure which is generally arranged in a stationary or stationary manner and is also referred to below as a structural component.
  • the structural component is used for the defined positioning of the object to be processed in relation to the processing device and can be designed, for example, as a machine bed, stand, portal, spindle suspension, device body, etc.
  • a machining device is a machine tool with a structural component designed as a machine bed, on or on which the workpiece to be machined is positioned in order to machine it with a tool of the machine tool.
  • a tool center point (short: TCP) is referred to as a reference point for the interaction between the tool and the workpiece.
  • Thermal effects and mechanical loads that occur during the operation of the machine tool or that can be caused by influences external to the machine can lead to geometric changes, in particular dimensional changes, of the machine bed. This can have a negative effect on the operation of the machine tool, in particular it can worsen the precision of the workpiece machining, for example by moving the tool center Points from its desired position.
  • the machine bed is dimensioned sufficiently large and stiff to absorb mechanical loads, whereas thermally induced effects can be compensated for or controlled poorly or only with great effort.
  • CN 108422208 A describes a machine bed made of a mineral casting with pipes of a cooling system integrated into the mineral casting.
  • a temperature sensor measures the temperature of the machine bed and the cooling system is controlled according to the recorded temperature values.
  • Such a thermal recording of changes in the machine bed is usually only possible with a time delay, e.g. due to the thermal inertia of the machine bed, and short-term changes may not be recorded under certain circumstances.
  • Such thermal compensation for changes in the machine bed is usually only possible with a time delay.
  • the object of the present invention is to provide an alternative or improved structural component for a machine tool or an alternative or improved method for producing such a structural component, with which in particular the most exact possible detection of a mechanical load acting on the structural component and / or a detection of a mechanical load is possible essentially in real time.
  • a structural component according to the invention is used for a machine tool.
  • the structural component is formed from mineral casting and is at least in the structural component a sensor assembly integrated.
  • the sensor assembly is completely enclosed by the cast mine and contains at least one sensor for detecting mechanical stress.
  • the structural component is preferably used for the defined positioning of an object to be machined with the machine tool, i. H. of a workpiece, in relation to the machining device. More preferably, the machine tool is assigned a tool center point (TCP) which defines a spatial relationship between the structural component or a workpiece arranged thereon or thereon and a machine tool.
  • TCP tool center point
  • the fact that the sensor assembly is completely enclosed by the mineral casting preferably means that the mineral casting or the structural component surrounds the sensor assembly or at least its sensor or sensors in a form-fitting manner and in all three spatial directions and is in contact with the sensor assembly or the sensor (s) is.
  • the sensor assembly is preferably cast in during the production of the structural component.
  • a complete enclosure of the sensor assembly or the sensor (s) by the mineral casting does not rule out that parts of the sensor assembly or elements assigned to the sensor assembly protrude from the structural component, for example a cable that is used as a data connection for outputting the data from the Sensor assembly recorded sensor values is used.
  • the sensor assembly comprises at least one sensor, preferably a plurality of sensors, which are more preferably arranged in a defined position in relation to one another.
  • a defined position in relation to one another is to be understood as meaning that the spatial position and spatial orientation of the sensors is defined in relation to one another.
  • the sensor assembly can comprise various sensors, that is to say sensors which are designed to detect various physical variables.
  • the at least one sensor is preferably designed to detect an at least local mechanical load on the structural component, that is, it reacts directly to a measurement acting on the structural component in the area of the sensor.
  • mechanical load or load Examples of mechanical loads that can be detected by the sensor are given below.
  • the sensor thus differs in particular from thermal sensors that detect a temperature change or the absolute temperature of the structural component.
  • the mechanical load detected by the sensor can be mechanically caused, for example by a weight acting on the structural component or a vibration in the structural component, and / or thermally caused, for example a thermally induced change in length. This makes it possible, for example, to detect a mechanical load that occurs on the structural component essentially without a time delay.
  • the detection of mechanical loads by the sensor assembly can, for example, have the advantage that a model of the structural component for numerical calculations is shorter Time created who can and / or that a more exact model of the structural component can be created.
  • the structural component according to the invention can, for example, enable direct detection or measurement of mechanical changes in the structural component which can negatively influence the precision of the machine tool without knowledge of the thermal properties of the structural component being required.
  • a mineral casting is understood to mean a material which consists of at least one or more fillers and a matrix, in the case of mineral casting a plastic matrix.
  • mineral casting it is possible, for example, to provide a structural component that is inexpensive and / or can be produced in a simple manner. It is also possible, for example, to include the sensors or the sensor assembly great freedom, especially at particularly relevant points, to attach in the structural component.
  • the sensors can, for example, also be protected against external influences over a long period of time, which can ensure a long service life for the sensors.
  • sensors of this type integrated into the structural component for recording mechanical loads, it is possible, for example, to use the sensors during their entire service life, for example to optimize the structural component in the development phase and / or to detect and detect any damage during transport of the structural component / or to monitor and / or correct the operation of the machining device.
  • the fact that the same sensors, that is to say the same technology, is used in all of these phases mentioned by way of example can have a particularly advantageous effect.
  • the at least one sensor is preferably designed to apply a mechanical load both statically, i. H. continuously as well as intermittently. This makes the sensor suitable, for example, for use in various measurements, which can reduce the number of sensors required overall.
  • the at least one sensor is preferably designed to detect a mechanical load within a period of less than 1 ms after it has occurred in the structural component. In this way, for example, the mechanical load can be recorded with the least possible time lag or essentially in real time.
  • the sensor assembly or the at least one sensor is preferably for detecting a compressive force and / or a tensile force and / or an elongation and / or a compression and / or a bend and / or a torsion and / or a change in length and / or a mechanical one Vibration developed. So that is it is possible, for example, to provide various options for detecting (local) mechanical loads on the structural component, or to detect different mechanical loads.
  • the sensor assembly or the at least one sensor is preferably designed to detect mechanical loads absolutely. This makes it possible, for example, to detect changes in the structural component even when measurements are interrupted, d. H. not to be recorded continuously, and especially over a long period of time. In particular, it is thus possible, for example, to be able to record long-term changes in the structural component, which are caused, for example, by the operational stress and / or by the installation.
  • the sensor assembly or the at least one sensor is preferably designed to detect mechanical vibrations, the frequency of which corresponds at least to the lowest natural frequency of the structural component. This makes it possible, for example, as described below, to carry out a modal analysis of the structural component.
  • the sensor assemblies preferably further contain at least one temperature sensor, which is located in a defined position or at a predetermined position with respect to the at least one sensor for detecting a mechanical load.
  • This preferably means that the spatial position and spatial orientation of the sensors, ie the temperature sensor (s) and the sensor (s) for detecting a mechanical load, is fixed in relation to one another. This makes it possible, for example, to evaluate different measured values, which are recorded by the different sensors, in their spatial relationship to one another and thus to determine a structural model of the structural component that is as precise as possible.
  • a temperature sensor it is also possible, for example, to consider thermal effects in the structural component separately or in connection with the mechanical loads that occur, in particular to create a thermo-mechanical model of the structural component.
  • the sensor assembly is preferably provided at a predetermined position in the structural component. This makes it possible, for example, to attach the sensor assembly to particularly relevant locations in the structural component, for example where large mechanical loads occur.
  • the sensor assembly on or in the vicinity of a bracket, e.g. B. a linkage, which is integrated into the mineral casting and z. B. is used to fasten other elements of the machine tool Be.
  • the structural component preferably further comprises at least one actuator provided on the structural component or integrated in the structural component. More preferably, the at least one actuator is designed to reduce the mechanical load detected by the at least one sensor in the structural component, in particular a compressive force and / or a tensile force and / or an expansion and / or a compression and / or a bend and / or to at least partially compensate for a torsion and / or a change in length and / or a mechanical vibration.
  • the actuator can, for example, mechanically, z. B. by counteracting the force occurring, and / or thermally compensate or reduce ver.
  • the structural component is preferably a machine bed and / or the machining device is a machine tool.
  • the structural component can be designed as a stand, a portal, a spindle suspension, a device body or the like, for example. In this way, for example, various structural components are provided in which the invention can advantageously be used.
  • a machining device according to the invention comprises a structural component described above. It is thus possible, for example, to achieve the effects described above in relation to the structural component in a machining device.
  • a method according to the invention is used to manufacture a structural component for a machine tool and comprises at least the following steps: Providing a casting mold for the structural component, providing at least one sensor assembly in and / or on the casting mold, the sensor assembly at least contains a sensor for detecting a mechanical load, and introducing a liquid mineral casting into the mold.
  • Providing a casting mold for the structural component providing at least one sensor assembly in and / or on the casting mold, the sensor assembly at least contains a sensor for detecting a mechanical load, and introducing a liquid mineral casting into the mold.
  • the sensor assembly is preferably provided at a previously determined position in and / or on the casting mold. It is thus possible, for example, to attach the sensor assembly at particularly relevant points in the structural component, for example where there are great mechanical loads.
  • the casting mold is preferably removed from the structural component after the mineral casting has hardened. By removing the mold, it is possible, for example, to provide the structural component for use in the processing device.
  • sensor values are at least intermittently recorded by the at least one sensor, and at least one optimization value for the structural component is determined based on the recorded sensor values.
  • the optimization value can be, for example, a weight and / or a material composition and / or a geometric shape and / or a dimensioning of the structural component. This makes it possible, for example, to detect inhomogeneities in the structural component within the scope of quality assurance or to provide a structural component that is as homogeneous as possible and / or a structural component that is as optimally adapted as possible to a designated use.
  • sensor values are detected by the at least one sensor at least temporarily during and / or before and / or after the operation of the machine tool.
  • This makes it possible, for example, to record the mechanical loads occurring in the structural component as precisely as possible in terms of location and time and, if necessary, to compensate or correct the operation of the machine tool.
  • Natural vibrations of the structural component and, at the same time, their effects at a tool center point of the machine tool are preferably determined by means of the recorded sensor values.
  • the effect at the tool center point is preferably determined by means of a further provided sensor, for example a vibration sensor, acceleration sensor, etc. This makes it possible, for example, to carry out a modal analysis of the structural component, and thus to determine the effects of certain excitation frequencies on the tool center point in order to B. to be able to compensate or prevent.
  • Fig. 1a is a schematic perspective view of a machine bed of a machine tool with integrated sensors according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 1b is a schematic representation of an orthogonal projection of the sensors shown in Fig. 1a on the top of the machine bed.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the machine bed shown in FIG. 1a according to a further development of the invention.
  • FIGS. 1a, 1b and 2 show schematically the steps of a method according to the invention for lowering the machine bed shown in FIGS. 1a, 1b and 2.
  • An embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. 1a, 1b.
  • 1a shows a machine tool designed as a machine tool 1 with a structural element designed as a machine bed 2.
  • the machine tool 1 is designed for machining and / or manufacturing a workpiece (not shown in the figures) by means of at least one tool (not shown in the figures), the workpiece being attached to or on the machine bed 2.
  • the machine bed 2 is designed, purely by way of example, in the shape of a cuboid and is made of mineral casting.
  • the machine bed 2 has an upper side 3.
  • a first linear guide 4a and a second linear guide 4b are arranged parallel to one another at a distance d.
  • a slide not shown in more detail in the figures, can be attached, on or to which the workpiece (not shown in the figures) can be fastened.
  • the slide (not shown) is provided such that it can be moved along the linear guides 4a, 4b over the surface 3 of the machine bed 2.
  • a bracket 5 is attached in the machine bed 2, which is embedded in the mine ralguss and protrudes upwards over the top 3 of the machine bed 2.
  • the holder 5 shown in FIG. 1 a is, purely by way of example, rod-shaped or tower-shaped and has a circular cross-section in the area of the upper side 3.
  • the tool (not shown in the figures) for machining or manufacturing the workpiece (also not shown) can be attached to the holder 5.
  • a tool center point TCP assigned to the machine tool 1 is shown purely by way of example, which is located on the upper side 3 of the machine bed 2 in FIGS. 1 a and 1 b.
  • the tool center point can also be provided at another point on the machine tool 1, in particular above the machine bed 2.
  • the machine bed 2 shown in Fig. 1a has, purely by way of example, five sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 integrated into the machine bed, each of the sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 being completely enclosed by the mineral casting , ie the sensor assemblies 11-15 are not visible from the outside when looking at the machine bed 2.
  • Each of the sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 has a sensor designed as a strain sensor S1-S5 for detecting a mechanical load and a temperature sensor T1-T5.
  • the strain sensors S1-S5 can, for example, comprise glass fibers integrated into the machine bed 2, the length of which is recorded interferometrically.
  • each of the sensor assemblies 11-15 are in a defined position with respect to one another, ie have a predetermined distance and a predetermined orientation to one another. Furthermore, each of the sensor assemblies 11-15 is provided at a previously defined position in the machine bed 2. As from Fig. 1a and that in Fig. 1b The orthogonal projection of the sensor assemblies 11-15 shown on the top 3 can be seen, the first and second sensor assemblies 11, 12 are each provided in the vicinity of the holder 5 and the third, fourth and fifth sensor assemblies 13, 14, 15 are in the vicinity of the linear guides 4a , 4b provided.
  • the strain sensors S3, S4 of the third and fourth sensor assemblies 13, 14 each extend essentially parallel to the linear guides 4a, 4b and can be provided essentially vertically below the respective linear guide 4a, 4b, as shown in FIG. 1a by the dashed lines indicated.
  • the strain sensors S3, S4 of the third and fourth sensor assemblies 13, 14 are arranged horizontally offset to the linear guides 4a, 4b.
  • the strain sensor S5 of the fifth sensor assembly 15 extends essentially transversely to the linear guides 4a, 4b.
  • the machine tool 1 comprises an evaluation unit, not shown in the figures, to which each sensor assembly 11-15 or each sensor T 1 -T5, S1 -S5 is connected via a data link.
  • five sensor assemblies 11-15 are integrated into the machine bed 2, each of which has a strain sensor S1-S5 and a temperature sensor T1-T5.
  • the sensor assemblies 11-15 can also be provided at least partially without the temperature sensor and / or can include any other sensors for detecting a mechanical load, for example a sensor that is used to detect a compressive force and / or a tensile force and / or an elongation and / or or a compression and / or a bend and / or a torsion and / or a change in length and / or a mechanical vibration or several such sensors.
  • the sensor assemblies can also be designed differently, i. H. have at least partially different sensors and / or more or less than five sensor assemblies can be provided.
  • At least one of the sensor assemblies 11-15 comprises at least one sensor S1-S5, which is designed to detect mechanical vibrations whose frequency is at least the lowest natural frequency of the machine bed 2 speaks.
  • Fig. 2 shows a second development of the machine bed 2 shown in Fig. 1a, 1b, wherein to simplify the representation, the sensors S1-S5, T1-T5 shown in Fig. 1a, 1b of the sensor assemblies 11-15 in Fig 2 are not shown.
  • the connections 17a, 17b, 18a, 18b have for supplying and discharging a medium, for example water, which is used for cooling or heating (general temperature control) of the machine bed 2' .
  • the machine bed 2 ′ can thus be cooled or heated by passing the medium through the temperature control lines 17, 18.
  • the actuators are preferably connected to a control unit (not shown) via which the actuators are controlled.
  • the workpiece is attached to the slide (not shown) and machined and / or manufactured by the tool (not shown).
  • the sensor values are forwarded to the evaluation unit (not shown) and evaluated by it.
  • the actuator (s) can be controlled in such a way that they at least partially compensate or counteract the recorded mechanical load and / or a recorded heat input.
  • the operation of the machine tool 1 can be intervened or its operation can be stopped.
  • a modal analysis of the machine bed 2, 2 'is preferably carried out at least once.
  • the machine bed 2, 2 'is also used by external excitation Vibrations are applied and the natural vibrations of the machine bed 2, 2 'are determined by means of the sensor values recorded by the sensors S1-S5 of the sensor components 11-15.
  • a method for lowering the machine bed 2, 2 ′ shown in FIGS. 1a, 1b, 2 is described below with reference to FIG. 3.
  • a casting mold (not shown in the figures) suitable for the machine bed 2, 2 'to be produced is provided.
  • the sensor assemblies 11-15 with the respective sensors S1 -S5, T 1 -T5 are provided and attached in and / or on the casting mold.
  • the sensor assemblies 11-15 are positioned so that they are later located in the finished machine bed 2, 2 'at the ge desired positions.
  • the folding 5 is attached in and / or on the casting mold.
  • the actuators are further provided in the second step 22 and attached in and / or on the mold at the desired position.
  • a liquid mineral casting is introduced into the casting mold.
  • the casting mold is removed from the machine bed 2, 2 'in a fourth step 24.
  • the linear guides 4a, 4b can be attached to the top 3 of the machine bed 2, 2 'and the machine bed 2, 2' can be integrated into the machine tool 1 or further elements of the machine tool 1 are attached to the machine bed 2, 2 '.
  • sensor values can be recorded by the sensors S1-S5, T1-T5.
  • the optimization value can be, for example, a weight and / or a material composition and / or a geometric shape and / or a dimensioning of the structural component. Modifications of the machine tool described above are possible within the scope of the invention.
  • the machine bed can also be provided without the folding 5 described above with reference to FIGS. 1a, 1b, 2 and / or without the linear guides 4a, 4b.
  • further structural elements can be provided on the machine bed or embedded in it, in particular if it is a loading or packaging machine.
  • the present invention has been described on the basis of a machine tool with a machine bed, it is not restricted thereto. It can be applied to any machining device with a structural component made of cast mineral.
  • the structural component of the machining devices is preferably used generally for the defined positioning of an object to be machined with the machining device, i. H. of a workpiece.
  • the structural component can be configured, for example, as a stand, a portal, a spindle suspension, a device body or the like.

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Abstract

The invention relates to a structural component for a machine tool (1). The structural component (2, 2') is formed from a mineral casting and at least one sensor module (11-15) is integrated into the structural component (2, 2'), wherein the sensor module (11-15) is completely enclosed by the mineral casting and contains at least one sensor for detecting a mechanical load (S1-S5).

Description

Strukturbauteil für eine Werkzeugmaschine und Verfahren zu dessen Herstellung Structural component for a machine tool and method for its production
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. The present invention relates to a structural component for a machine tool and to a method for producing such a structural component, as well as to a machine tool with such a structural component and the use of such a structural component in a machine tool and a machine that has to absorb dynamic stress and this should be recorded. Machine tools and processing machines are used in a wide range of industries, such as mechanical production, the semiconductor industry, SEMI pick-and-place machines, medical technology, automation and electronics. A machine tool generally comprises a machine structure which is generally arranged in a stationary or stationary manner and is also referred to below as a structural component. The structural component is used for the defined positioning of the object to be processed in relation to the processing device and can be designed, for example, as a machine bed, stand, portal, spindle suspension, device body, etc.
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.An example of such a machining device is a machine tool with a structural component designed as a machine bed, on or on which the workpiece to be machined is positioned in order to machine it with a tool of the machine tool. A tool center point (short: TCP) is referred to as a reference point for the interaction between the tool and the workpiece.
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. Thermal effects and mechanical loads that occur during the operation of the machine tool or that can be caused by influences external to the machine can lead to geometric changes, in particular dimensional changes, of the machine bed. This can have a negative effect on the operation of the machine tool, in particular it can worsen the precision of the workpiece machining, for example by moving the tool center Points from its desired position. As a rule, the machine bed is dimensioned sufficiently large and stiff to absorb mechanical loads, whereas thermally induced effects can be compensated for or controlled poorly or only with great effort.
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. CN 108422208 A describes a machine bed made of a mineral casting with pipes of a cooling system integrated into the mineral casting. A temperature sensor measures the temperature of the machine bed and the cooling system is controlled according to the recorded temperature values.
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. Such a thermal recording of changes in the machine bed is usually only possible with a time delay, e.g. due to the thermal inertia of the machine bed, and short-term changes may not be recorded under certain circumstances. Such thermal compensation for changes in the machine bed is usually only possible with a time delay.
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. The object of the present invention is to provide an alternative or improved structural component for a machine tool or an alternative or improved method for producing such a structural component, with which in particular the most exact possible detection of a mechanical load acting on the structural component and / or a detection of a mechanical load is possible essentially in real time.
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. This object is achieved by a structural component according to claim 1, a machine tool according to claim 9, a manufacturing method according to claim 10 and the use of a structural component according to claim 14. Further developments of the invention are specified in the subclaims. The methods can also be developed further by the features of the devices listed below or in the subclaims, or vice versa, or the features of the devices and the method can also be used in each case for further development.
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. A structural component according to the invention is used for a machine tool. The structural component is formed from mineral casting and is at least in the structural component a sensor assembly integrated. The sensor assembly is completely enclosed by the cast mine and contains at least one sensor for detecting mechanical stress.
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. The structural component is preferably used for the defined positioning of an object to be machined with the machine tool, i. H. of a workpiece, in relation to the machining device. More preferably, the machine tool is assigned a tool center point (TCP) which defines a spatial relationship between the structural component or a workpiece arranged thereon or thereon and a machine tool.
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. The fact that the sensor assembly is completely enclosed by the mineral casting preferably means that the mineral casting or the structural component surrounds the sensor assembly or at least its sensor or sensors in a form-fitting manner and in all three spatial directions and is in contact with the sensor assembly or the sensor (s) is. For this purpose, as described further below, the sensor assembly is preferably cast in during the production of the structural component. A complete enclosure of the sensor assembly or the sensor (s) by the mineral casting does not rule out that parts of the sensor assembly or elements assigned to the sensor assembly protrude from the structural component, for example a cable that is used as a data connection for outputting the data from the Sensor assembly recorded sensor values is used.
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. The sensor assembly comprises at least one sensor, preferably a plurality of sensors, which are more preferably arranged in a defined position in relation to one another. In this context, a defined position in relation to one another is to be understood as meaning that the spatial position and spatial orientation of the sensors is defined in relation to one another. In particular, the sensor assembly can comprise various sensors, that is to say sensors which are designed to detect various physical variables.
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. The at least one sensor is preferably designed to detect an at least local mechanical load on the structural component, that is, it reacts directly to a measurement acting on the structural component in the area of the sensor. mechanical load or load. Examples of mechanical loads that can be detected by the sensor are given below. The sensor thus differs in particular from thermal sensors that detect a temperature change or the absolute temperature of the structural component. The mechanical load detected by the sensor can be mechanically caused, for example by a weight acting on the structural component or a vibration in the structural component, and / or thermally caused, for example a thermally induced change in length. This makes it possible, for example, to detect a mechanical load that occurs on the structural component essentially without a time delay. This can also make it possible, for example, to create a structural model of the structural component that is as exact as possible, in particular within a relatively short period of time, and / or mechanical loads on the structural component during operation of the machining device essentially in real time, ie essentially without time delays and / or as precisely as possible capture. In particular in comparison to thermal measurements on or in the structural component, which are usually carried out with a time delay due to the thermal inertia of the structural component, the detection of mechanical loads by the sensor assembly can, for example, have the advantage that a model of the structural component for numerical calculations is shorter Time created who can and / or that a more exact model of the structural component can be created.
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. Overall, the structural component according to the invention can, for example, enable direct detection or measurement of mechanical changes in the structural component which can negatively influence the precision of the machine tool without knowledge of the thermal properties of the structural component being required.
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. In general, a mineral casting is understood to mean a material which consists of at least one or more fillers and a matrix, in the case of mineral casting a plastic matrix. By using mineral casting as the material for the structural component, it is possible, for example, to provide a structural component that is inexpensive and / or can be produced in a simple manner. It is also possible, for example, to include the sensors or the sensor assembly great freedom, especially at particularly relevant points, to attach in the structural component. In addition, thanks to their embedding, the sensors can, for example, also be protected against external influences over a long period of time, which can ensure a long service life for the sensors. With sensors of this type integrated into the structural component for recording mechanical loads, it is possible, for example, to use the sensors during their entire service life, for example to optimize the structural component in the development phase and / or to detect and detect any damage during transport of the structural component / or to monitor and / or correct the operation of the machining device. The fact that the same sensors, that is to say the same technology, is used in all of these phases mentioned by way of example can have a particularly advantageous effect. For example, it is also possible to evaluate the design of the structural component statically or dynamically as early as the component stage and / or precisely align and / or support the structural component in the assembly process and / or the long-term changes in the structural component after the processing device has been put into operation Detect operation of the processing device.
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. The at least one sensor is preferably designed to apply a mechanical load both statically, i. H. continuously as well as intermittently. This makes the sensor suitable, for example, for use in various measurements, which can reduce the number of sensors required overall. Alternatively or in addition, the at least one sensor is preferably designed to detect a mechanical load within a period of less than 1 ms after it has occurred in the structural component. In this way, for example, the mechanical load can be recorded with the least possible time lag or essentially in real time.
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. The sensor assembly or the at least one sensor is preferably for detecting a compressive force and / or a tensile force and / or an elongation and / or a compression and / or a bend and / or a torsion and / or a change in length and / or a mechanical one Vibration developed. So that is it is possible, for example, to provide various options for detecting (local) mechanical loads on the structural component, or to detect different mechanical loads.
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. The sensor assembly or the at least one sensor is preferably designed to detect mechanical loads absolutely. This makes it possible, for example, to detect changes in the structural component even when measurements are interrupted, d. H. not to be recorded continuously, and especially over a long period of time. In particular, it is thus possible, for example, to be able to record long-term changes in the structural component, which are caused, for example, by the operational stress and / or by the installation.
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. The sensor assembly or the at least one sensor is preferably designed to detect mechanical vibrations, the frequency of which corresponds at least to the lowest natural frequency of the structural component. This makes it possible, for example, as described below, to carry out a modal analysis of the structural component.
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. The sensor assemblies preferably further contain at least one temperature sensor, which is located in a defined position or at a predetermined position with respect to the at least one sensor for detecting a mechanical load. This preferably means that the spatial position and spatial orientation of the sensors, ie the temperature sensor (s) and the sensor (s) for detecting a mechanical load, is fixed in relation to one another. This makes it possible, for example, to evaluate different measured values, which are recorded by the different sensors, in their spatial relationship to one another and thus to determine a structural model of the structural component that is as precise as possible. By providing a temperature sensor, it is also possible, for example, to consider thermal effects in the structural component separately or in connection with the mechanical loads that occur, in particular to create a thermo-mechanical model of the structural component. The sensor assembly is preferably provided at a predetermined position in the structural component. This makes it possible, for example, to attach the sensor assembly to particularly relevant locations in the structural component, for example where large mechanical loads occur. For example, the sensor assembly on or in the vicinity of a bracket, e.g. B. a linkage, which is integrated into the mineral casting and z. B. is used to fasten other elements of the machine tool Be.
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. The structural component preferably further comprises at least one actuator provided on the structural component or integrated in the structural component. More preferably, the at least one actuator is designed to reduce the mechanical load detected by the at least one sensor in the structural component, in particular a compressive force and / or a tensile force and / or an expansion and / or a compression and / or a bend and / or to at least partially compensate for a torsion and / or a change in length and / or a mechanical vibration. The actuator can, for example, mechanically, z. B. by counteracting the force occurring, and / or thermally compensate or reduce ver.
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. The structural component is preferably a machine bed and / or the machining device is a machine tool. Alternatively, the structural component can be designed as a stand, a portal, a spindle suspension, a device body or the like, for example. In this way, for example, various structural components are provided in which the invention can advantageously be used.
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. A machining device according to the invention comprises a structural component described above. It is thus possible, for example, to achieve the effects described above in relation to the structural component in a machining device.
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. A method according to the invention is used to manufacture a structural component for a machine tool and comprises at least the following steps: Providing a casting mold for the structural component, providing at least one sensor assembly in and / or on the casting mold, the sensor assembly at least contains a sensor for detecting a mechanical load, and introducing a liquid mineral casting into the mold. In this way, for example, an inexpensive method for producing a structural component according to the invention can be provided that can be carried out in a simple manner.
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. In the method, the sensor assembly is preferably provided at a previously determined position in and / or on the casting mold. It is thus possible, for example, to attach the sensor assembly at particularly relevant points in the structural component, for example where there are great mechanical loads.
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. The casting mold is preferably removed from the structural component after the mineral casting has hardened. By removing the mold, it is possible, for example, to provide the structural component for use in the processing device.
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. Preferably, during the method, sensor values are at least intermittently recorded by the at least one sensor, and at least one optimization value for the structural component is determined based on the recorded sensor values. The optimization value can be, for example, a weight and / or a material composition and / or a geometric shape and / or a dimensioning of the structural component. This makes it possible, for example, to detect inhomogeneities in the structural component within the scope of quality assurance or to provide a structural component that is as homogeneous as possible and / or a structural component that is as optimally adapted as possible to a designated use.
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. According to the invention, when using a structural component described above in a machine tool, sensor values are detected by the at least one sensor at least temporarily during and / or before and / or after the operation of the machine tool. This makes it possible, for example, to record the mechanical loads occurring in the structural component as precisely as possible in terms of location and time and, if necessary, to compensate or correct the operation of the machine tool. Natural vibrations of the structural component and, at the same time, their effects at a tool center point of the machine tool are preferably determined by means of the recorded sensor values. The effect at the tool center point is preferably determined by means of a further provided sensor, for example a vibration sensor, acceleration sensor, etc. This makes it possible, for example, to carry out a modal analysis of the structural component, and thus to determine the effects of certain excitation frequencies on the tool center point in order to B. to be able to compensate or prevent.
Weitere Merkmale und Zweckmässigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.Further features and expediencies of the invention emerge from the description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings.
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. 1a is a schematic perspective view of a machine bed of a machine tool with integrated sensors according to an embodiment of the present invention and Fig. 1b is a schematic representation of an orthogonal projection of the sensors shown in Fig. 1a on the top of the machine bed.
Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des in Fig. 1a gezeigten Maschinenbettes gemäss einer Weiterbildung der Erfindung.FIG. 2 is a schematic perspective view of the machine bed shown in FIG. 1a according to a further development of the invention.
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. 3 shows schematically the steps of a method according to the invention for lowering the machine bed shown in FIGS. 1a, 1b and 2. An embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. 1a, 1b. 1a shows a machine tool designed as a machine tool 1 with a structural element designed as a machine bed 2. The machine tool 1 is designed for machining and / or manufacturing a workpiece (not shown in the figures) by means of at least one tool (not shown in the figures), the workpiece being attached to or on the machine bed 2.
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. In FIG. 1 a, the machine bed 2 is designed, purely by way of example, in the shape of a cuboid and is made of mineral casting. The machine bed 2 has an upper side 3. On the upper side 3, a first linear guide 4a and a second linear guide 4b are arranged parallel to one another at a distance d. On the linear guides 4a, 4b, a slide, not shown in more detail in the figures, can be attached, on or to which the workpiece (not shown in the figures) can be fastened. The slide (not shown) is provided such that it can be moved along the linear guides 4a, 4b over the surface 3 of the machine bed 2.
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. Next, a bracket 5 is attached in the machine bed 2, which is embedded in the mine ralguss and protrudes upwards over the top 3 of the machine bed 2. To simplify the illustration, only the section of the holder 5 provided in the machine bed 2 is shown in FIG. 1 a. The holder 5 shown in FIG. 1 a is, purely by way of example, rod-shaped or tower-shaped and has a circular cross-section in the area of the upper side 3. For example, the tool (not shown in the figures) for machining or manufacturing the workpiece (also not shown) can be attached to the holder 5.
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. Furthermore, a tool center point TCP assigned to the machine tool 1 is shown purely by way of example, which is located on the upper side 3 of the machine bed 2 in FIGS. 1 a and 1 b. The tool center point can also be provided at another point on the machine tool 1, in particular above the machine bed 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. The machine bed 2 shown in Fig. 1a has, purely by way of example, five sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 integrated into the machine bed, each of the sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 being completely enclosed by the mineral casting , ie the sensor assemblies 11-15 are not visible from the outside when looking at the machine bed 2. Each of the sensor assemblies 11, 12, 13, 14, 15 has a sensor designed as a strain sensor S1-S5 for detecting a mechanical load and a temperature sensor T1-T5. The strain sensors S1-S5 can, for example, comprise glass fibers integrated into the machine bed 2, the length of which is recorded interferometrically. The strain sensor S1 -S5 and the respective temperature sensor T 1 -T5 of each of the sensor assemblies 11-15 are in a defined position with respect to one another, ie have a predetermined distance and a predetermined orientation to one another. Furthermore, each of the sensor assemblies 11-15 is provided at a previously defined position in the machine bed 2. As from Fig. 1a and that in Fig. 1b The orthogonal projection of the sensor assemblies 11-15 shown on the top 3 can be seen, the first and second sensor assemblies 11, 12 are each provided in the vicinity of the holder 5 and the third, fourth and fifth sensor assemblies 13, 14, 15 are in the vicinity of the linear guides 4a , 4b provided. The strain sensors S3, S4 of the third and fourth sensor assemblies 13, 14 each extend essentially parallel to the linear guides 4a, 4b and can be provided essentially vertically below the respective linear guide 4a, 4b, as shown in FIG. 1a by the dashed lines indicated. In Fig. 1b, the strain sensors S3, S4 of the third and fourth sensor assemblies 13, 14 are arranged horizontally offset to the linear guides 4a, 4b. The strain sensor S5 of the fifth sensor assembly 15 extends essentially transversely to the linear guides 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. Optionally, the machine tool 1 comprises an evaluation unit, not shown in the figures, to which each sensor assembly 11-15 or each sensor T 1 -T5, S1 -S5 is connected via a data link.
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. In the exemplary embodiment described above, five sensor assemblies 11-15 are integrated into the machine bed 2, each of which has a strain sensor S1-S5 and a temperature sensor T1-T5. The sensor assemblies 11-15 can also be provided at least partially without the temperature sensor and / or can include any other sensors for detecting a mechanical load, for example a sensor that is used to detect a compressive force and / or a tensile force and / or an elongation and / or or a compression and / or a bend and / or a torsion and / or a change in length and / or a mechanical vibration or several such sensors. The sensor assemblies can also be designed differently, i. H. have at least partially different sensors and / or more or less than five sensor assemblies can be provided.
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. According to a first development of the machine bed 2 shown in FIGS. 1a, 1b, at least one of the sensor assemblies 11-15 comprises at least one sensor S1-S5, which is designed to detect mechanical vibrations whose frequency is at least the lowest natural frequency of the machine bed 2 speaks. Fig. 2 shows a second development of the machine bed 2 shown in Fig. 1a, 1b, wherein to simplify the representation, the sensors S1-S5, T1-T5 shown in Fig. 1a, 1b of the sensor assemblies 11-15 in Fig 2 are not shown. In the machine bed 2 'two temperature control lines 17, 18 are integrated, the connections 17a, 17b, 18a, 18b have for supplying and discharging a medium, for example water, which is used for cooling or heating (general temperature control) of the machine bed 2' . The machine bed 2 ′ can thus be cooled or heated by passing the medium through the temperature control lines 17, 18.
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. As an alternative or in addition to the temperature control lines 17, 18 shown in FIG. 2, the machine bed 2 'can have one or more further actuators (not shown), in particular actuators that are designed to operate from the sensors S1-S5 of the sensor assemblies 11-15 to at least partially compensate for detected mechanical loads or to counteract them. The actuators are preferably connected to a control unit (not shown) via which the actuators are controlled.
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. During operation of the machine tool 1, the workpiece, not shown in the figures, is attached to the slide (not shown) and machined and / or manufactured by the tool (not shown). The sensors S1-S5, T 1 -T5 of the sensor assemblies 11-15 integrated in the machine bed 2, 2 'can detect sensor values at least temporarily during and / or before and / or after the operation of the machine tool. The sensor values are forwarded to the evaluation unit (not shown) and evaluated by it. Based on the recorded and evaluated sensor values, for example, the actuator (s) can be controlled in such a way that they at least partially compensate or counteract the recorded mechanical load and / or a recorded heat input. Alternatively or additionally, for example, based on the recorded and evaluated sensor values, the operation of the machine tool 1 can be intervened or its operation can be stopped.
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. A modal analysis of the machine bed 2, 2 'is preferably carried out at least once. The machine bed 2, 2 'is also used by external excitation Vibrations are applied and the natural vibrations of the machine bed 2, 2 'are determined by means of the sensor values recorded by the sensors S1-S5 of the sensor components 11-15. At the same time, the structural response of the machine bed 2, 2 'is determined at a reference point, for example at the tool center point TCP, by means of a further provided sensor (not shown in the figures), for example a vibration sensor, acceleration sensor, etc.
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. A method for lowering the machine bed 2, 2 ′ shown in FIGS. 1a, 1b, 2 is described below with reference to FIG. 3. In a first step 21, a casting mold (not shown in the figures) suitable for the machine bed 2, 2 'to be produced is provided. In a second step 22, the sensor assemblies 11-15 with the respective sensors S1 -S5, T 1 -T5 are provided and attached in and / or on the casting mold. The sensor assemblies 11-15 are positioned so that they are later located in the finished machine bed 2, 2 'at the ge desired positions. Furthermore, in the second step 22, the folding 5 is attached in and / or on the casting mold. If the machine bed is to be equipped with integrated actuators, for example the temperature control lines 17, 18 shown in FIG. 2, the actuators are further provided in the second step 22 and attached in and / or on the mold at the desired position.
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. Subsequently, in a third step 23, a liquid mineral casting is introduced into the casting mold. After the mineral cast has hardened, the casting mold is removed from the machine bed 2, 2 'in a fourth step 24. In subsequent manufacturing and / or assembly steps (not shown in FIG. 3), the linear guides 4a, 4b can be attached to the top 3 of the machine bed 2, 2 'and the machine bed 2, 2' can be integrated into the machine tool 1 or further elements of the machine tool 1 are attached to the machine bed 2, 2 '.
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.During the production of the machine bed 2, 2 ', for example for the purpose of quality control or process improvement, at least temporarily, in particular during the hardening or setting of the mineral casting, sensor values can be recorded by the sensors S1-S5, T1-T5. Based on the At least one optimization value for the machine bed can be determined from the sensor values collected. The optimization value can be, for example, a weight and / or a material composition and / or a geometric shape and / or a dimensioning of the structural component. Modifications of the machine tool described above are possible within the scope of the invention. Thus, the machine bed can also be provided without the folding 5 described above with reference to FIGS. 1a, 1b, 2 and / or without the linear guides 4a, 4b. As an alternative or in addition, further structural elements can be provided on the machine bed or embedded in it, in particular if it is a loading or packaging machine.
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. Even if the present invention has been described on the basis of a machine tool with a machine bed, it is not restricted thereto. It can be applied to any machining device with a structural component made of cast mineral. The structural component of the machining devices is preferably used generally for the defined positioning of an object to be machined with the machining device, i. H. of a workpiece. As an alternative to the above-described configuration of the structural component as a machine bed, the structural component can be configured, for example, as a stand, a portal, a spindle suspension, a device body or the like.

Claims

Patentansprüche Claims
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. 1. Structural component for a machine tool (1), the structural component (2, 2 ') being formed from a mineral cast and at least one sensor assembly (11-15) being integrated into the structural component (2, 2'), the sensor assembly (11-15) is completely enclosed by the mineral cast and contains at least one sensor for detecting a mechanical load (S1-S5) on the structural component during operation of the machine tool.
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. 2. Structural component according to claim 1, wherein the sensor assembly (11-15) for detecting a compressive force and / or a tensile force and / or an expansion and / or a compression and / or a bend and / or a torsion and / or a Change in length and / or a mechanical vibration is formed.
3. Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) dazu ausgebildet ist, mechanische Belastungen absolut zu erfassen. 3. Structural component according to claim 1 or 2, wherein the sensor assembly (11-15) is designed to absolutely detect mechanical loads.
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. 4. Structural component according to one of claims 1 to 3, wherein the Sensorbau group (11-15) is designed to detect mechanical vibrations sen, the frequency of which corresponds to at least the lowest natural frequency of the structural component (2, 2 ').
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. 5. Structural component according to one of claims 1 to 4, wherein the Sensorbau group (11-15) contains at least one temperature sensor (T1-T5), the ge compared to the at least one sensor for detecting a mechanical load (S1-S5) in a defined Position.
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. 6. Structural component according to one of claims 1 to 5, wherein the sensor assembly (11-15) is provided at a predetermined position in the structural component (2, 2 ').
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). 7. Structural component according to one of claims 1 to 6, further comprising at least one actuator (17, 18) provided on the structural component (2 ') or integrated in the structural component (2').
8. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Strukturbauteil ein Maschinenbett ist. 8. Structural component according to one of claims 1 to 7, wherein the structural component is a machine bed.
9. Werkzeugmaschine, umfassend ein Strukturbauteil (2, 2') nach einem der An sprüche 1 bis 8. 9. A machine tool, comprising a structural component (2, 2 ') according to one of claims 1 to 8.
10. Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (2, 2') für eine Werkzeugma schine (1), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:10. A method for producing a structural component (2, 2 ') for a machine tool (1), the method comprising at least the following steps:
Bereitstellen einer Gussform für das Strukturbauteil (2, 2'), Providing a casting mold for the structural component (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, undProviding at least one sensor assembly (11-15) in and / or on the casting mold, the sensor assembly (11-15) containing at least one sensor for detecting a mechanical load (S1-S5), and
Einbringen eines flüssigen Mineralgusses in die Gussform. Introducing a liquid mineral casting into the casting mold.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Sensorbaugruppe (11-15) an einer vorab festgelegten Position in und/oder an der Gussform bereitgestellt wird. 11. The method according to claim 10, wherein the sensor assembly (11-15) is provided at a predetermined position in and / or on the casting mold.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Gussform nach einer Aus härtung des Mineralgusses vom Strukturbauteil (2, 2') entfernt wird. 12. The method according to claim 10 or 11, wherein the casting mold is removed from the structural component (2, 2 ') after the mineral casting has cured.
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. 13. The method according to any one of claims 10 to 12, wherein during the method at least intermittent sensor values are recorded by the at least one sensor (S1-S5, T1-T5) and based on the recorded sensor values, at least one optimization value for the structural component ( 2, 2 ') it is averaged.
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. 14. Use of a structural component according to one of claims 1 to 8 in a machine tool (1), sensor values being detected by the at least one sensor (S1-S5, T1-T5) at least temporarily during operation of the machine tool (1).
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. 15. Use of the structural component according to claim 14, wherein natural vibrations of the structural component (2, 2 ') and, at the same time, their effects at a tool center point (TCP) of the machine tool (1) are determined by means of the sensor values recorded.
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