WO2012116889A2 - Werkzeugmaschine - Google Patents

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WO2012116889A2
WO2012116889A2 PCT/EP2012/052479 EP2012052479W WO2012116889A2 WO 2012116889 A2 WO2012116889 A2 WO 2012116889A2 EP 2012052479 W EP2012052479 W EP 2012052479W WO 2012116889 A2 WO2012116889 A2 WO 2012116889A2
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WO
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machine
machine part
measuring
machine tool
measuring system
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PCT/EP2012/052479
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Inventor
Dirk Prust
Markus Kohler
Original Assignee
Chiron-Werke Gmbh & Co. Kg
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Application filed by Chiron-Werke Gmbh & Co. Kg filed Critical Chiron-Werke Gmbh & Co. Kg
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Publication of WO2012116889A2 publication Critical patent/WO2012116889A2/de
Publication of WO2012116889A3 publication Critical patent/WO2012116889A3/de

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    • 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
    • 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
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/22—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring existing or desired position of tool or work

Definitions

  • the present invention relates to a machine tool having a first machine part, which is movably mounted relative to a second machine part, wherein on the first machine part a first element and on the second machine part a cooperating with the first element second element of a measuring system is arranged detects the relative position of the two machine parts to each other.
  • these machine tools have a work spindle, which has at its free end-side portion a tool holder, are clamped in the processing tools or tool holder, in which then machining tools are firmly clamped.
  • the workpieces to be machined with these machining tools are usually clamped onto a machine table, wherein the work spindle and the workpiece in the three orthogonal axes of the coordinate system are movable relative to each other in the present invention as machine axes with x, y, and z be designated.
  • the workpiece and / or the tool can be pivoted about different axes, wherein it is also known to enable the workpiece about its longitudinal axis in rotation, so that shooting on the workpiece can be made.
  • the spindles can be aligned horizontally or vertically.
  • the machine tools according to the invention are so-called.
  • Moving column machines in which a moving in the x-direction carriage is arranged on a machine frame, on which a driving in the y-direction moving stand is mounted.
  • On the traveling column is a vertical, so moved in the z-direction spindle head, in which the work spindle is rotatably mounted.
  • This spindle head may additionally be pivotable on the traveling column.
  • a high machining accuracy also includes a high reproducibility, so that in a series produced workpieces may differ only slightly in dimensional accuracy.
  • the changing ambient temperature plays a major role during the working day, whereby the influence of direct sunlight can lead to the machine tool being heated differently in different areas.
  • the machine control of the known machine tools is based on certain fixed geometric relationships, the relative Movements between the individual moving machine parts are detected by a measuring system that comprises two interacting elements.
  • the two elements of the measuring system are for example a measuring head and a linear scale, usually a glass scale. These elements are arranged on two machine parts, which are movable against each other, and their relative position must be determined to each other.
  • the glass scale is arranged on the traveling column and the measuring head on the spindle head so as to be able to measure the position of the tool in the z direction.
  • DE 10 2004 044 838 A1 describes a method in which temperature values are measured at various points in the machine tool and are calculated according to a calculation rule to a correction value, with which then the movement commands stored in the machine control system are corrected.
  • the present invention seeks to provide a machine tool of the type mentioned, in which the problems associated with thermal displacements are reduced.
  • this object is achieved with the machine tool mentioned above in that the first element of the measuring system is slidably mounted on the first machine part, and that provided between a measuring point on the first machine part and the first element of the measuring system, a thermally largely unchangeable connection is.
  • the inventor of the present application has recognized that the effect of the thermal displacement can be compensated in this way, without requiring cooling measures, complicated calculation paths, temperature measurements or feed movements within the main time.
  • the distance between an element of the measuring system and the part of the machine tool is kept constant at which the relevant measuring point sits.
  • the relevant element of the measuring system is displaceably mounted on the corresponding machine part.
  • the deposited as a constant in the machine control distance between the first element of the measuring system and the relevant measuring point on the first machine part according to the invention now actually held constant, thermal expansions or shrinkages, in general So thermal displacements, now lead to the fact that the position of the first element of the measuring system is changed at the first machine part.
  • This first element of the measuring system is thus moved on the machine part by the amount in the relevant direction by which shifts the measuring point on the relevant machine part due to the thermal displacement.
  • the location of the measurement is shifted to the measuring point itself.
  • the measuring point remote measuring point is coupled to the measuring system, so that the effect of the thermal behavior of lying between the measuring system and the remote measurement point measurement chain is compensated so to speak.
  • the thermal behavior of the first machine element is removed from the measuring chain, because the thermally largely unchangeable connection is outside the power flow between the first and the second machine element.
  • a "thermally largely length-variable connection” is understood to mean a connection which has a heat-dependent change in length, which is in the region of the change in length which would have an Invar alloy or a comparable alloy with corresponding dimensions. It is preferred if the thermal expansion coefficient of this thermally largely unchangeable compound is not worse than the thermal expansion coefficient of Invar, that is below 5 ppm / K, preferably below 1 ppm / K. Under an “Invar alloy” is understood in a conventional manner, an iron-nickel alloy or a comparable alloy, which is used in the prior art, wherever particular value is placed on length stability with temperature fluctuations, and their Thermal expansion coefficient is below 5 ppm / K, preferably below 1 ppm / K.
  • a "measuring point” is understood to be a specific point or a specific region of a machine tool whose relative position to the coordinate origin must be known so that the machining of a workpiece can be carried out with the required accuracy.
  • This measuring point may be, for example, a reference point on the x-slide or the y-slide, wherein it is particularly preferred if the measuring point is located on the front-side portion of the work spindle, in which the tool holder is provided.
  • the measuring point is as close as possible to the tool holder, so its position is the position of each clamped machining tool to the coordinate origin again.
  • the dimensions of the machining tool itself still have to be considered, but these are known and also stored in the machine control.
  • the measurement system provided anyway can also be used to compensate for the effect of thermal displacements.
  • the first element of the measuring system provided on the first machine part has to be displaceably arranged, furthermore a thermally largely length-independent connection is provided between this first element of the measuring system and the measuring point.
  • the thermal displacement compensates itself automatically so to speak, because the effect of the thermally largely unchanging components is removed from the measuring chain.
  • the connection which is largely thermally variable in length, the chain of the machine parts involved in the thermal displacement is bridged, as it were, without the thermally largely length-variable connection itself being inserted into the force flow between the machine elements.
  • the compensation is thus automatically already when a machine part lengthened thermally. This is processed by the controller as well as the desired method of the first machine part relative to the second machine part.
  • the thermally largely unchangeable connection comprises an Invar rod.
  • This Invar rod can run at any angle in the spindle head, angle and lengths of the Invar rod play no role for the effect of the invention.
  • the machine axis is determined by the direction of the displaceability of the displaceably mounted on the first machine part of the first element of the measuring system, in which the effect of the thermal displacement is compensated. It is generally preferred if the first machine part is a displaceable in the direction of the z-axis machine part in which the work spindle is mounted, wherein preferably the first element of the measuring system in the direction of the z-axis slidably mounted.
  • the longitudinal axis of the work spindle is commonly referred to as z-axis.
  • the second machine part is a stand or y-slide on which the z-axis forming machine part is mounted.
  • the first element of the measuring system is mounted without clearance by means of a spring in relation to the thermally largely length-variable connection.
  • Invar rod is pivotally connected at its two ends to the first element of the measuring system and / or the measuring point, because he, for example. Run obliquely on the spindle head.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of a first machine part and a second machine part movably mounted thereon, wherein the relationships relevant for determining the position of a measuring point on the first machine part are indicated;
  • Fig. 2 is an illustration like Fig. 1, but showing the effects of thermal displacement and its compensation according to the invention.
  • Fig. 3 is a schematic front view of a machine tool, in which the new system for the compensation of thermal displacements is shown schematically.
  • a machine part 10 is shown schematically, with respect to which a machine part 11 is movable in a direction indicated by the arrow 12 direction.
  • the machine part 11 can be mounted directly on the machine part 10, but it can also be mounted on a further machine part on which the machine part 10 is mounted.
  • the two machine parts 10, 11 are part of a machine tool 30, as shown in Fig. 3.
  • the direction 12 is, for example, the z-axis of a machine tool and then coincides with the longitudinal direction of the work spindle.
  • a coordinate origin or reference point ZO is arranged, against which the position of a measuring point Zm on the second machine part 11 is to be determined.
  • the measuring point Zm is, for example, on the front side of the tool spindle, are clamped in the processing tools.
  • a scale 14 is arranged on the machine part 10, for example.
  • the distance between the origin of coordinates or reference point Z0 and a further reference point Zk on the machine part 11 in the z-direction 12 is determined by means of the measuring system 16 formed from measuring head 15 and scale 14.
  • the distance between the coordinate origin Z0 and the measuring point Zm denoted by 18 is calculated as the sum of the distance ZkZm 17 and the measured distance ZOZk, which is denoted by 19 in FIG.
  • ZmZO ZmZk + ZkZO
  • the machine part 11 is now often not made of a single solid component, but is composed of several components, which are indicated schematically in Fig. 1 with 21, 22 and 23. About these components 21, 22, 23, the power flow between the two machine parts 10,11 takes place.
  • a thermal displacement or elongation is manifested by the fact that the distance ZmZk 17 changes, that is to say generally becomes larger.
  • this distance is stored in the control of the machine tool as a fixed value and can not be detected metrologically, the elongation is usually estimated and compensated by mathematical models.
  • the measuring head 15 is now mounted on the machine part 11 in the direction of one of the machine axes x, y, z, here that of the z-axis 12, displaceable but without play.
  • Fig. 2 this is represented by a stop 24, against which the measuring head 15 is pressed by a compression spring 25 in abutment.
  • the distance ZmZk 17 has once been determined and stored in the machine control.
  • the measuring head 15 is further connected via a rod 26 with the machine component 23, on which the measuring point Zm is located.
  • the distance between the coordinate origin Z0 and the reference point Zk has also increased by the distance 27.
  • the rod 26 is made of Invar or a suitable material, which has a comparable coefficient of thermal expansion as Invar, preferably even an even lower coefficient of thermal expansion, which is usually below lppm / K.
  • FIG. 3 shows a concrete exemplary embodiment of a machine tool 30 which has a carriage 33 that can be moved on guides 31 in a machine bed 31 in the y direction. On the carriage 33, a stand 35 can be moved in the x-direction via guides 34.
  • a spindle head 37 which carries a work spindle 38 which is rotatably mounted about its longitudinal axis 12.
  • a tool holder 41 is provided, in which processing tools 40 or tool holders for processing tools 40 are used in a manner known per se.
  • the rod 26 is articulated to the frontal portion 39 and mounted on the carriage 42.

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  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)

Abstract

Eine Werkzeugmaschine ist mit einem ersten Maschinenteil (11) versehen, das gegenüber einem zweiten Maschinenteil (10) verfahrbar gelagert ist, wobei an dem ersten Maschinenteil (11) ein erstes Element (15) und an dem zweiten Maschinenteil (10) ein mit dem ersten Element (15) zusammenwirkendes zweites Element (14) eines Messsystemes (16) angeordnet ist, das die relative Position der beiden Maschinenteile (10, 11) zueinander erfasst. Das erste Element (15) des Messsystems (16) ist verschiebbar an dem ersten Maschinenteil (11) gelagert ist.Zwischen einem Messpunkt (Zm) an dem ersten Maschinenteil (11) und dem ersten Element (15) des Messsystemes (16) ist eine thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung (26) vorgesehen (Fig. 2).

Description

Werkzeugmaschine
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einem ersten Maschinenteil, das gegenüber einem zweiten Maschinenteil verfahrbar gelagert ist, wobei an dem ersten Maschinenteil ein erstes Element und an dem zweiten Maschinenteil ein mit dem ersten Element zusammenwirkendes zweites Element eines Messsystems angeordnet ist, das die relative Position der beiden Maschinenteile zueinander erfasst.
[0002] Derartige Werkzeugmaschinen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
[0003] In der Regel weisen diese Werkzeugmaschinen eine Arbeitsspindel auf, die an ihrem freien stirnseitigen Abschnitt eine Werkzeugaufnahme aufweist, in die Bearbeitungswerkzeuge oder Werkzeughalter eingespannt werden, in die dann Bearbeitungswerkzeuge fest eingespannt sind.
[0004] Die mit diesen Bearbeitungswerkzeugen zu bearbeitenden Werkstücke werden in der Regel auf einen Maschinentisch aufgespannt, wobei die Arbeitsspindel und das Werkstück in den drei orthogonalen Achsen des Koordinatensystems zueinander verfahrbar sind, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Maschinenachsen mit x, y, und z bezeichnet werden.
[0005] Dabei ist es bekannt, diese drei Maschinenachsen vollständig in dem Werkzeug zu realisieren, wobei es auch bekannt ist, eine oder zwei Maschinenachsen in dem Werkstück vorzusehen.
[0006] Darüber hinaus können das Werkstück und/oder das Werkzeug um verschiedene Achsen geschwenkt werden, wobei es auch bekannt ist, das Werkstück um seine Längsachse in Rotation zu versetzen, so dass Dreharbeiten an dem Werkstück vorgenommen werden können.
[0007] Bei den bekannten Werkzeugmaschinen können die Arbeitsspindeln horizontal oder vertikal ausgerichtet sein.
[0008] In einem Ausführungsbeispiel sind die erfindungsgemäßen Werkzeugmaschinen sog. Fahrständermaschinen, bei denen an einem Maschinengestell ein in x-Richtung verfahrender Schlitten angeordnet ist, auf den ein in y-Richtung fahrender Fahrständer montiert ist. An dem Fahrständer ist ein vertikal, also in z-Richtung verfahrbarer Spindelkopf gelagert, in dem die Arbeitsspindel drehbar angeordnet ist. [0009] Dieser Spindelkopf kann zusätzlich noch an dem Fahrständer verschwenkbar sein.
[0010] Bei all diesen bekannten Werkzeugmaschinen ist von größter Bedeutung, dass die Werkstücke mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit bearbeitet werden. Eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit beinhaltet auch eine hohe Reproduzierbarkeit, so dass in einer Serie gefertigte Werkstücke zueinander in der Maßhaltigkeit nur geringfügig abweichen dürfen.
[0011] Neben Genauigkeitsproblemen, die sich durch die Verfahrbewegungen und die Verlagerung von Massen bei den bekannten Werkzeugmaschinen ergeben, spielen auch thermische Effekte insbesondere dann eine große Rolle, wenn die Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich liegen muss.
[0012] Diese thermischen Probleme resultieren aus den unterschiedlichen Einsatzorten und -bedingungen der bekannten Werkzeugmaschinen. Nach einer längeren Stillstandsphase, bspw. über Nacht, müssen die Werkzeugmaschinen zudem erst wieder auf "Betriebstemperatur" kommen, was erst nach einer gewissen Anzahl von Bearbeitungszyklen der Fall sein kann.
[0013] Dann spielt die sich ändernde Umgebungstemperatur während des Arbeitstages eine große Rolle, wobei auch der Einfluss von direkter Sonnenbestrahlung dazu führen kann, dass die Werkzeugmaschine sich in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich erwärmt.
[0014] All diese thermischen Effekte führen zu sog. thermischen Verlagerungen und/oder Längungen, die im Ergebnis dazu führen, dass die Lage des Werkzeuges zu einem Koordinatenursprung nicht mehr genau bestimmt werden kann.
[0015] Die Maschinensteuerung der bekannten Werkzeugmaschinen geht nämlich von bestimmten festen geometrischen Beziehungen aus, wobei die relativen Bewegungen zwischen den einzelnen bewegten Maschinenteilen durch ein Messsystem erfasst werden, dass zwei zusammen wirkende Elemente umfasst.
[0016] Die beiden Elemente des Messsystems sind beispielsweise ein Messkopf und ein Längenmaßstab, in der Regel ein Glasmaßstab. Diese Elemente werden an zwei Maschinenteilen angeordnet, die gegeneinander verfahrbar sind, und deren relative Lage zueinander bestimmt werden muss. Beispielsweise wird der Glasmaßstab an dem Fahrständer und der Messkopf an dem Spindelkopf angeordnet, um so die Lage des Werkzeuges in z-Richtung messen zu können.
[0017] Aus dem Messergebnis des Messsystems und dem bekannten Abstand zwischen der Werkzeugaufnahme und dem Ort an dem Spindelkopf, wo der Messkopf angeordnet ist, kann dann die relative Lage der Werkzeugaufnahme und somit des Werkzeuges zu einem Referenzpunkt bestimmt werden.
[0018] Wenn sich nun die als konstant abgespeicherte Länge eines dieser Maschinenteile aufgrund von thermischen Verlagerungen ändert, so führt dies zu Fehlern in der Zustellung der Werkzeuge.
[0019] Um diese thermischen Verlagerungen zu beherrschen, sind im Stand der Technik mehrere Vorgehensweisen bekannt.
[0020] Die DE 10 2004 044 838 AI beschreibt ein Verfahren, bei dem an verschiedenen Stellen in der Werkzeugmaschine Temperaturwerte gemessen und nach einer Rechenregel zu einem Korrekturwert verrechnet werden, mit dem dann die in der Maschinensteuerung gespeicherten Bewegungsbefehle korrigiert werden.
[0021] Die DE 103 30 915.2 AI beschreibt ein Verfahren zur Kompensation von Verlagerungen infolge thermischer Ausdehnungen, bei dem in der Werkzeugmaschine eine Lichtschranke vorgesehen ist. Die Werkzeuge werden dieser Lichtschranke zugestellt, wobei die bei der Unterbrechung der Lichtschranke gemessene Position als Maß für die momentane relative Lage des Spindelstockes zu dem Koordinatenursprung erfasst wird. Auf diese Weise können thermische Verlagerungen erfasst und rechnerisch kompensiert werden.
[0022] Aus der DE 197 27 952 AI ist es bekannt, bestimmte Teile einer Werkzeugmaschine mit einer besonderen Wärmeisolationsschicht zu versehen, um plötzliche Temperaturänderungen bspw. durch Kühlschmiermittel zu verhindern, die ansonsten ebenfalls zu thermischen Verlagerungen führen könnten.
[0023] Im Stand der Technik ist es also bekannt, die Effekte von thermischen Verlagerungen rechnerisch anhand von Temperaturmessungen zu kompensieren, durch entsprechende Isolation oder Kühlung zu vermeiden bzw. messtechnisch während der Bearbeitungsprozesse zu erfassen und rechnerisch zu kompensieren.
[0024] Obwohl all diese Verfahren ihre spezifischen Vorteile haben, weisen sie doch alle inhärente Nachteile auf.
[0025] Während die Verfahren zur Kühlung bzw. Isolation von Maschinenteilen zu konstruktiv aufwändigen Werkzeugmaschinen führen und zudem nur bestimmte thermische Effekte vermeiden können, unterliegen die Rechenverfahren, die auf Temperaturmessungen basieren, immer einer mathematischen Modellannahme, so dass sie nur mit einer gewissen Genauigkeit eingesetzt werden können.
[0026] Die unmittelbaren Messverfahren, bei denen im Arbeitsprozess immer wieder die Lage des Werkzeuges zu dem Koordinatenursprung bestimmt wird, weisen zwar eine sehr große Genauigkeit auf, sie kosten jedoch Hauptzeit, weil sie mit dem Bearbeitungswerkzeug immer dann durchgeführt werden müssen, wenn dieses Bearbeitungswerkzeug eigentlich im Einsatz am Werkstück ist. [0027] Vor diesem Hintergrund wird dieses an sich sehr genaue Verfahren häufig nicht oder nur stichprobenartig eingesetzt, was insgesamt ebenfalls unbefriedigend ist.
[0028] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der die Probleme verringert sind, die mit thermischen Verlagerungen einhergehen.
[0029] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Werkzeugmaschine dadurch gelöst, dass das erste Element des Messsystems verschiebbar an dem ersten Maschinenteil gelagert ist, und dass zwischen einem Messpunkt an dem ersten Maschinenteil und dem ersten Element des Messsystems eine thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung vorgesehen ist.
[0030] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
[0031] Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat nämlich erkannt, dass die Wirkung der thermischen Verlagerung auf diese Weise kompensiert werden kann, ohne dass dazu Kühlmaßnahmen, komplizierte Rechenwege, Temperaturmessungen oder Zustellbewegungen innerhalb der Hauptzeit erforderlich sind.
[0032] Erfindungsgemäß wird nämlich der Abstand zwischen einem Element des Messsystems und dem Teil der Werkzeugmaschine konstant gehalten, an dem der betreffende Messpunkt sitzt. Das betreffende Element des Messsystems ist dabei verschieblich an dem entsprechenden Maschinenteil gelagert.
[0033] Mit anderen Worten, der als konstant in der Maschinensteuerung hinterlegte Abstand zwischen dem ersten Element des Messsystemes und dem betreffenden Messpunkt an dem ersten Maschinenteil wird erfindungsgemäß jetzt tatsächlich konstant gehalten, thermische Ausdehnungen oder Schrumpfungen, allgemein also thermische Verlagerungen, führen jetzt dazu, dass die Lage des ersten Elementes des Messsystems an dem ersten Maschinenteil verändert wird.
[0034] Dieses erste Element des Messsystems wird also an dem Maschinenteil um den Betrag in der betreffenden Richtung verfahren, um den sich der Messpunkt an dem betreffenden Maschinenteil infolge der thermischen Verlagerung verschiebt.
[0035] Selbst wenn die beiden Maschinenteile zueinander nicht verfahren werden, führt diese thermisch bedingte Verlagerung des ersten Elementes des Messsystems dazu, dass eine Verlagerung des Messpunktes gemessen wird.
[0036] Durch die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung wird sozusagen der Ort der Messung zu dem Messpunkt selbst verlagert. Der messsystemfernen Messpunkt wird an das Messsystem angekoppelt, so dass die Wirkung des thermischen Verhaltens der zwischen dem Messsystem und dem messfernen Messpunkt liegenden Messkette sozusagen kompensiert wird. Mit anderen Worten, das thermische Verhalten des ersten Maschinenelementes wird aus der Messkette entfernt, weil die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung außerhalb des Kraftflusses zwischen dem ersten und dem zweiten Maschinenelement liegt.
[0037] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer "thermisch weitgehend längenunveränderlichen Verbindung" eine Verbindung verstanden, die eine wärmeabhängige Längenänderung aufweist, die im Bereich der Längenänderung liegt, die eine Invar-Legierung oder eine vergleichbare Legierung mit entsprechenden Abmessungen aufweisen würde. Es ist bevorzugt, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser thermisch weitgehend längenunveränderlichen Verbindung nicht schlechter ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient von Invar, also unterhalb von 5 ppm/K, vorzugsweise unterhalb von 1 ppm/K liegt. [0038] Unter einer„Invar-Legierung" wird in an sich bekannter Weise eine Eisen-Nickel-Legierung oder eine vergleichbare Legierung verstanden, die im Stand der Technik überall dort eingesetzt wird, wo besonderer Wert auf Längenstabilität bei Temperaturschwankungen gelegt wird, und deren Wärmeausdehnungskoeffizient unterhalb von 5 ppm/K, vorzugsweise unterhalb von 1 ppm/K liegt.
[0039] Unter einem„Messpunkt" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein bestimmter Punkt oder ein bestimmter Bereich einer Werkzeugmaschine verstanden, dessen relative Lage zu dem Koordinatenursprung bekannt sein muss, damit die Bearbeitung eines Werkstückes mit der erforderlichen Genauigkeit erfolgen kann.
[0040] Dieser Messpunkt kann bspw. ein Referenzpunkt auf dem x-Schlitten oder dem y-Schlitten sein, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn der Messpunkt an dem stirnseitigen Abschnitt der Arbeitsspindel liegt, in dem die Werkzeugaufnahme vorgesehen ist.
[0041] Auf diese Weise befindet sich der Messpunkt so dicht wie möglich an der Werkzeugaufnahme, seine Position gibt also die Lage des jeweils eingespannten Bearbeitungswerkzeuges zu dem Koordinatenursprung wieder. Selbstverständlich müssen die Abmaße des Bearbeitungswerkzeuges selbst noch berücksichtigt werden, diese sind jedoch bekannt und ebenfalls in der Maschinensteuerung abgelegt.
[0042] Von besonderem Vorteil ist bei der vorliegenden Erfindung, dass das sowieso vorgesehene Messsystem auch zur Kompensation der Wirkung thermischer Verlagerungen verwendet werden kann. Dazu muss lediglich das an dem ersten Maschinenteil vorgesehene erste Element des Messsystems verschiebbar angeordnet sein, wobei ferner eine thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung zwischen diesem ersten Element des Messsystems sowie dem Messpunkt vorgesehen ist. [0043] Damit sind weder zusätzliche Rechenregeln noch Zustellbewegungen erforderlich, die thermische Verlagerung kompensiert sich sozusagen automatisch, weil nämlich die Wirkung der thermisch weitgehend längenunveränderlichen Komponenten aus der Messkette entfernt wird. Durch die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung wird die Kette der an der thermischen Verlagerung beteiligten Maschinenteile sozusagen überbrückt, ohne dass dadurch die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung selbst in den Kraftfluss zwischen den Maschinenelementen eingefügt wird.
[0044] Die Kompensation erfolgt somit automatisch bereits dann, wenn sich ein Maschinenteil thermisch bedingt längt. Dies wird von der Steuerung genauso verarbeitet, wie das gewünschte Verfahren des ersten Maschinenteils gegenüber dem zweiten Maschinenteil.
[0045] Erste Messungen bei der Anmelderin haben ergeben, dass auf diese Weise Dehnungen in der z-Achse bei einer Fahrständermaschine mit einer Genauigkeit von besser als 5 pm erfasst werden können.
[0046] Dabei ist es bevorzugt, wenn die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung einen Invar-Stab umfasst.
[0047] Dieser Invar-Stab kann beliebig schräg in dem Spindelkopf verlaufen, Winkel und Längen des Invar-Stabes spielen für den erfindungsgemäßen Effekt keine Rolle.
[0048] Wichtig ist lediglich, dass durch die Richtung der Verschiebbarkeit des an dem ersten Maschinenteil verschiebbar gelagerten ersten Elementes des Messsystems die Maschinenachse bestimmt wird, in der die Wirkung der thermischen Verlagerung kompensiert wird. [0049] Dabei ist es allgemein bevorzugt, wenn das erste Maschinenteil ein in Richtung der z-Achse verschiebbares Maschinenteil ist, in dem die Arbeitsspindel gelagert ist, wobei vorzugsweise das erste Element des Messsystems in Richtung der z- Achse verschiebbar gelagert.
[0050] Hier sei bemerkt, dass mit z-Achse üblich die Längsachse der Arbeitsspindel bezeichnet wird.
[0051] Weiter ist es bevorzugt, wenn das zweite Maschinenteil ein Ständer oder y-Schlitten ist, an dem das die z-Achse bildende Maschinenteil gelagert ist.
[0052] Allgemein ist es dabei bevorzugt, wenn das erste Element des Messsystems über eine Feder spielfrei gegenüber der thermisch weitgehend längenunveränderlichen Verbindung gelagert ist.
[0053] Bei dieser Maßnahme ist von Vorteil, dass Lose oder Spiel in der Verbindung des Invar-Stabes zu dem ersten Element des Messsystems und/oder den Messpunkt nicht zu Messungenauigkeiten führen.
[0054] Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn der Invar-Stab an seinen beiden Enden gelenkig mit dem ersten Element des Messsystems und/oder dem Messpunkt verbunden ist, weil er bspw. schräg an dem Spindelkopf verläuft.
[0055] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
[0056] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. [0057] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Anordnung aus einem ersten Maschinenteil sowie einem daran verfahrbar gelagerten zweiten Maschinenteil, wobei die für die Positionsbestimmung eines Messpunktes an dem ersten Maschinenteil relevanten Beziehungen angegeben sind;
Fig. 2 eine Darstellung wie Fig. 1, wobei jedoch die Effekte einer thermischen Verlagerung und deren erfindungsgemäße Kompensation gezeigt sind; und
Fig. 3 in schematischer Vorderansicht eine Werkzeugmaschine, bei der das neue System zur Kompensation von thermischen Verlagerungen schematisch gezeigt ist.
[0058] In Fig. 1 ist schematisch ein Maschinenteil 10 dargestellt, gegenüber dem ein Maschinenteil 11 in einer mit dem Pfeil 12 angedeuteten Richtung verfahrbar ist. Das Maschinenteil 11 kann dabei unmittelbar an dem Maschinenteil 10 gelagert sein, es kann aber auch an einem weiteren Maschinenteil gelagert sein, an dem auch das Maschinenteil 10 gelagert ist. Die beiden Maschinenteile 10, 11 sind Teil einer Werkzeugmaschine 30, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist.
[0059] Die Richtung 12 ist bspw. die z-Achse einer Werkzeugmaschine und fällt dann mit der Längsrichtung der Arbeitsspindel zusammen.
[0060] An dem Maschinenteil 10 ist ein Koordinatenursprung oder Referenzpunkt ZO angeordnet, gegenüber dem die Lage eines Messpunktes Zm an dem zweiten Maschinenteil 11 bestimmt werden soll. Der Messpunkt Zm liegt bspw. an der Stirnseite der Werkzeugspindel, in die Bearbeitungswerkzeuge eingespannt sind. [0061] Um die relative Lage des Maschinenteils 11 zu dem Maschinenteil 10 bestimmen zu können, ist an dem Maschinenteil 10 ein Maßstab 14 angeordnet, bspw. ein Glasmaßstab, während an dem Maschinenteil 11 ein Messkopf 15 angeordnet ist, der mit dem Maßstab 14 zusammenwirkt, was durch einen Pfeil angedeutet ist.
[0062] Über das aus Messkopf 15 und Maßstab 14 gebildete Messsystem 16 wird der Abstand zwischen dem Koordinatenursprung oder Referenzpunkt Z0 und einem weiteren Referenzpunkt Zk auf dem Maschinenteil 11 in z-Richtung 12 bestimmt.
[0063] Um die relative Lage des Messpunktes Zm zu dem Koordinatenursprung Z0 bestimmen zu können, muss noch der Abstand zwischen dem Referenzpunkt Zk und dem Messpunkt Zm bekannt sein, der in Fig. 1 mit 17 bezeichnet ist.
[0064] Wenn dieser Abstand 17 bekannt ist, berechnet sich der mit 18 gekennzeichnete Abstand zwischen dem Koordinatenursprung Z0 und dem Messpunkt Zm als Summe aus dem Abstand ZkZm 17 sowie dem gemessenen Abstand ZOZk, der in Fig. 1 mit 19 bezeichnet ist.
ZmZO = ZmZk + ZkZO
[0065] Das Maschinenteil 11 besteht nun häufig nicht aus einem einzigen festen Bauteil, sondern ist aus mehreren Komponenten zusammengesetzt, die in Fig. 1 schematisch mit 21, 22 und 23 bezeichnet sind. Über diese Komponenten 21, 22, 23 erfolgt der Kraftfluss zwischen den beiden Maschinenteilen 10,11.
[0066] An den Übergängen zwischen den einzelnen Komponenten und/oder innerhalb der Komponenten kann es nun zu thermischen Verlagerungen und Längungen kommen, so dass der Abstand ZmZk 17 sich im Laufe des Einsatzes der Maschinenteile 10, 11 verändert, ohne dass dies von der Steuerung erkannt werden kann.
[0067] Dies ist insbesondere bei Werkzeugmaschinen der Fall, bei denen das Maschinenteil 11 dem Spindelkopf entspricht, in dem die Arbeitsspindel gelagert ist, während das Maschinenteil 10 dem Ständer oder y-Schlitten entspricht.
[0068] Diese thermischen Verlagerungen beeinträchtigen die Bearbeitungsgenauigkeit, so dass sie durch verschiedenste Maßnahmen kompensiert werden.
[0069] In dem in Fig. 1 gezeigten schematischen Modell äußert sich eine thermische Verlagerung oder Längung dadurch, dass der Abstand ZmZk 17 sich verändert, in der Regel also größer wird. Da dieser Abstand jedoch in der Steuerung der Werkzeugmaschine als fester Wert abgelegt ist und nicht messtechnisch erfasst werden kann, wird die Längung in der Regel anhand von mathematischen Modellen geschätzt und kompensiert.
[0070] Diese Verfahren sind jedoch unzuverlässig und zeitaufwändig, wobei sie zudem nur eine gewisse Kompensation der thermischen Verlagerungen ermöglichen.
[0071] Erfindungsgemäß ist nun der Messkopf 15 an dem Maschinenteil 11 in Richtung einer der Maschinenachsen x, y, z, hier der der z- Achse 12, verschiebbar aber spielfrei gelagert.
[0072] In Fig. 2 ist dies durch einen Anschlag 24 dargestellt, gegen den der Messkopf 15 über eine Druckfeder 25 in Anlage gedrückt wird. Für diese Ausgangsposition ist der Abstand ZmZk 17 einmal bestimmt worden und in der Maschinensteuerung abgespeichert. [0073] Der Messkopf 15 ist ferner über einen Stab 26 mit der Maschinenkomponente 23 verbunden, auf der der Messpunkt Zm liegt.
[0074] Wenn sich das Maschinenteil 11 jetzt infolge thermischer Verlagerungen längt, so wird der Messkopf 15 gegen die Kraft der Druckfeder 25 in Richtung der z-Achse 12 gezogen. Diese Situation ist gestrichelt in Fig. 2 rechts angedeutet, wo zwischen dem Messkopf 15 und dem Anschlag 24 ein kleiner Spalt 27 zu erkennen ist. An dem unteren Ende des Maschinenteils 11 ist zu erkennen, dass es sich um genau diesen Abstand 27 in Richtung der z- Achse 12 gelängt hat, so dass der Abstand zwischen dem Messpunkt Zm und dem Koordinatenursprung Z0 um genau den Abstand 27 vergrößert wurde.
[0075] Dadurch, dass der Messkopf durch den Stab 26 in Richtung der z- Achse gezogen wurde, hat sich der Abstand zwischen dem Koordinatenursprung Z0 und dem Referenzpunkt Zk ebenfalls um den Abstand 27 vergrößert.
[0076] Obwohl sich die relative Lage zwischen dem Maschinenteil 10 und dem Maschinenteil 11 nicht geändert hat, hat sich durch die thermische Längung des Maschinenteils 11 der Abstand des Messpunktes Zm zu dem Koordinatenursprung Z0 um den Abstand 27 vergrößert. Der Stab 26 befindet sich dabei nicht im Kraftfluss zwischen den Maschinenteilen 10, 11.
[0077] Bei der Bestimmung des Abstandes ZmZO 18 wird jetzt ein um den Abstand 27 größerer Abstand zwischen dem Koordinatenursprung Z0 und dem Referenzpunkt Zk gemessen, der Abstand ZmZk 17 ist dagegen unverändert gleich geblieben.
[0078] Der Stab 26, der den Messkopf 15 an den Messpunkt zm auf der Maschinenkomponente 23 koppelt, darf folglich die thermische Längung des Maschinenteils 11 nicht "mitmachen". [0079] Aus diesem Grund besteht der Stab 26 aus Invar oder einem geeigneten Material, das einen vergleichbaren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie Invar, vorzugsweise sogar einen noch geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, der üblicherweise unter lppm/K liegt.
[0080] Auf diese Weise wird die Wirkung von in dem Maschinenteil 11 auftretenden thermischen Verlagerungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit dadurch aufgefangen werden, dass der Abstand des Messkopfes 15 zu dem Messpunkt Zm durch eine thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung in Form des Invar-Stabs 26 konstant gehalten wird, während der Messkopf 15 gegenüber dem Maßstab 14 um den Betrag der thermischen Längung 27 verschoben wird.
[0081] In Fig. 3 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschine 30 gezeigt, die einen auf einem Maschinenbett 31 in y- Richtung über Führungen 32 verfahrbaren Schlitten 33 aufweist. Auf dem Schlitten 33 ist über Führungen 34 ein Ständer 35 in x-Richtung verfahrbar.
[0082] An dem Ständer 35 ist über Führungen 36 ein Spindelkopf 37 gelagert, der eine Arbeitsspindel 38 trägt, die um ihre Längsachse 12 drehbar gelagert ist. An ihrem stirnseitigen Abschnitt 39 ist eine Werkzeugaufnahme 41 vorgesehene, in die in an sich bekannter Weise Bearbeitungswerkzeuge 40 oder Werkzeughalter für Bearbeitungswerkzeuge 40 eingesetzt werden.
[0083] An dem Ständer 35 ist der aus Fig. 1 bekannte Maßstab 14 angeordnet, während an dem Spindelkopf 37 der Messkopf 15 angeordnet ist, der auf einem eigenen Schlitten 42 in Richtung der z-Achse 12 verfahrbar ist. Dieser Schlitten 42 wird durch die Druckfeder 25 in seine Grundposition vorgespannt, die sich auf einer Konsole 43 abstützt, die an dem Spindelkopf 37 angeordnet ist. [0084] Zwischen dem Schlitten 42 und dem stirnseitigen Abschnitt 39 der Arbeitsspindel 38 ist der Stab 26 gespannt, der dort mit der Arbeitsspindel 38 verbunden ist, wo diese aus dem Spindelkopf 337 nach unten herausragt.
[0085] Der Stab 26 ist gelenkig an dem stirnseitigen Abschnitt 39 und an dem Schlitten 42 gelagert.
[0086] Gemäß dem anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Prinzip führt eine thermische Verlagerung des stirnseitigen Abschnittes 39 der Arbeitsspindel 38 jetzt dazu, dass der Messkopf 15 in z-Richtung 12 verfahren wird, so dass der Effekt der thermischen Verlagerung aus der Messkette herausfällt.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeugmaschine mit einem ersten Maschinenteil (11), das gegenüber einem zweiten Maschinenteil (10) verfahrbar gelagert ist, wobei an dem ersten Maschinenteil (11) ein erstes Element (15) und an dem zweiten Maschinenteil (10) ein mit dem ersten Element (15) zusammenwirkendes zweites Element (14) eines Messsystemes (16) angeordnet ist, das die relative Position der beiden Maschinenteile (10, 11) zueinander erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (15) des Messsystems (16) verschiebbar an dem ersten Maschinenteil (11) gelagert ist, und dass zwischen einem Messpunkt (Zm) an dem ersten Maschinenteil (11) und dem ersten Element (15) des Messsystemes (16) eine thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung (26) vorgesehen ist.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (15) des Messsystems (16) in Richtung einer Maschinenachse (x, y z), vorzugsweise der z-Achse (12) verschiebbar gelagert ist.
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung (26) einen Stab, vorzugsweise einen Invar-Stab umfasst.
4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch weitgehend längenunveränderliche Verbindung (26) einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, der unterhalb von 5 ppm/K, vorzugsweise unterhalb von 1 ppm/K liegt.
5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (15) über eine Feder (25) gegenüber der thermisch weitgehend längenunveränderlichen Verbindung (26) spielfrei gelagert ist.
6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenteil (11) in Richtung der z-Achse (12) verschiebbar ist und eine Arbeitsspindel (38) drehbar lagert, an deren stirnseitigem Abschnitt (39) eine Aufnahme (41) für Bearbeitungswerkzeuge (43) oder Werkzeughalter vorgesehen ist, und dass der Messpunkt (Zm) an diesem vorderen Abschnitt (39) angeordnet ist.
7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Maschinenteil (10) ein y-Schlitten oder Fahrständer (35) ist.
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