WO2017121711A1 - Verfahren zur relativen positionsbestimmung eines werkstücks und eines werkzeugs in einer maschine mittels uv-licht - Google Patents

Verfahren zur relativen positionsbestimmung eines werkstücks und eines werkzeugs in einer maschine mittels uv-licht Download PDF

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WO2017121711A1
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machine
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light
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Jürgen Röders
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P&L Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of a workpiece and a tool in a machine, in particular a multi-axis machine tool.
  • the clamping position of the workpiece is determined with suitable tools and fixed due to the detected clamping position of the zero point for machining.
  • an automatic mechanical button This has a stylus tip with a probe ball for probing the workpiece at one end. At the other end it is attached to a tool holder and can be exchanged for it in the machining spindle.
  • the machine moves the automatic probe held on the spindle via the tool holder to the workpiece until the stylus located on the automatic probe touches the workpiece and deflects far enough for the probe to switch.
  • Modern automatic buttons are designed so that the path for the deflection of the stylus is always exactly the same and can be calibrated.
  • the automatic button switches, the automatic button sends a signal to the controller, which detects the actual position of the machine for that position. So any edges, holes, etc., touched and their relative position in the Machine can be determined relatively accurately.
  • Modern buttons are highly accurate. Therefore, the position of the switch for the switching point can be determined very accurately.
  • JP 2008-105 134 A discloses a method for automatically relative positioning of a first object and a second object, wherein the first object is attached to a first assembly of a machine and the second object is attached to a second assembly of the machine, wherein one of the assemblies relative is moved to the other assembly, wherein between the first object and the second object, an electrical voltage is applied, and wherein a gas breakdown between the objects, the relative movement stopped and the positions of the objects are determined and stored.
  • the invention has for its object to provide a method for determining a position of a workpiece and a tool in a machine, which avoids the disadvantages of the prior art with a simple structure and simple, cost-effective manufacturability and an exact assignment between the geometry of the workpiece allows the tool.
  • a method for the automatic relative position determination of a first object and a second object, wherein the first object is located on a first object first assembly of a machine and the second object is attached to a second assembly of the machine. At least one of the assemblies is moved in the process relative to the other assembly, wherein an electrical voltage is applied between the first object and the second object, and wherein a gas breakdown between the objects stops the relative movement and the position of the objects is detected and stored , According to the invention, it is provided that at least the area between the objects is illuminated with UV light.
  • the invention is therefore based on a method in which the position of a first object mounted on a first module is determined relative to a second object mounted on a second module. For this purpose, an electrical voltage is applied between the two objects.
  • the two modules are moved relative to each other so that the two objects move towards each other. At the moment of electrical contact between the two objects of this is detected with a suitable circuit, the modules stopped and thus detects the relative position of the two objects to each other.
  • one object can be a workpiece and the other object can be a rotating tool, as used for machining.
  • the electrical contact between the two objects should be as damage-free as possible.
  • the physical effect of a voltage breakdown is used. At small applied voltages of e.g. For some 10 V, gas penetration is not possible. It comes just before a mechanical touch to a vacuum breakdown (even under normal air pressure). In order to be able to stop the machine in the event of the voltage breakdown before a mechanical contact between the workpiece and the tool, only very small relative speeds are possible in the approach of the first object to the second object, or the workpiece to the tool.
  • a two-step process is proposed. It is distinguished between a coarse and a fine measurement.
  • a significantly higher voltage is applied between the two objects. This is to ensure that the voltage impact occurs even at larger distances between the objects, so that the remaining distance to stop the modules before it comes to a mechanical contact between the first and second object is greater. Due to the longer distance to stop the modules are then generally higher relative speeds possible, which makes the process faster.
  • the applied voltage between the Objects above 350 V is also a gas breakdown instead of a Vakuumdurschlags possible.
  • the Gasdurschlag or gas breakdown has the advantage that it occurs even at lower field strengths than a vacuum breakdown.
  • the distance of the two objects where a voltage breakdown occurs when a voltage of over 350 V is applied, which allows a gas breakdown. It does not matter if a DC or AC voltage is used. With a gas breakdown, significantly larger distances between the two objects can thus be realized at the moment of electrical contacting by voltage breakdown. As a result, higher relative speeds of the two objects to each other are possible without there being a mechanical contact between the two objects.
  • the distance present at the moment of the detected voltage breakdown between the first and second object is sufficiently large to still stop the assemblies.
  • the method of electrical contacting between two objects by means of gas impact is optimized by irradiating ultraviolet light directly or indirectly into the distance between the first and second objects.
  • an ultraviolet light source illuminates them
  • gas breakdown occurs much earlier.
  • the variations in the distance at which gas breakdown occurs are significantly reduced.
  • the reproducibility improves significantly.
  • the accuracy of the process at voltages above 350 V, from which a gas breakdown in the air under normal air pressure occurs significantly improved.
  • a subsequent fine measurement for the relative position determination between the first and second object can be dispensed with.
  • the ultraviolet light source can be mounted in the working area of a machine so that it always sufficiently illuminates both objects for any geometry of a first and second object. If necessary, several ultraviolet light sources can be mounted.
  • the discs of the machine can be coated so that an ultraviolet radiation is retained by this and can not escape from the working space of the machine.
  • the ultraviolet light source leads to the results according to the invention both when using a direct electrical voltage and at an alternating electrical voltage.
  • ultraviolet light source or the ultraviolet light sources are or are mounted in the vicinity of one of the objects.
  • ultraviolet irradiation may be realized by light emitting diodes or lamps mounted below the Z axis (vertical direction of movement) which radiate ultraviolet light into the area of a machining tool.
  • ultraviolet light is understood as meaning wavelengths of 100 nm to 380 nm in accordance with DIN 5031.
  • the electrical voltage used according to the invention for position determination is preferably between 400 volts and 1000 volts.
  • the position determination carried out by means of the method according to the invention can be modified in different ways. It is possible to first perform a coarse measurement with a higher relative speed and a higher voltage. After the relative positions have been roughly determined in this way, a subsequent fine measurement can serve to carry out an even more exact position determination. Here it is possible to use a lower voltage and the To perform relative movement at a lower speed.
  • the decision as to whether a repeated execution of the method according to the invention or an additional fine measurement should take place can be made automatically, in particular if the actual distance resulting during the measurement differs from a predetermined desired distance, for example is greater than the desired distance ,
  • the method according to the invention is preferably used in a machine tool, for example a multi-axis milling machine.
  • the method can be carried out fully automatically, be it at the beginning of a machining operation on a previously used tool or automatically during machining, in order to detect and compensate for errors resulting, for example, from tool wear or thermal reasons.
  • the method according to the invention can thus be used both with rotating tools, and quite generally with the distance determination or position determination of two objects, for example a workpiece and a measuring probe or measuring object in a machine tool or a measuring machine.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a machine tool according to the invention, which is provided for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 is a simplified representation, analogous to FIG. 1, in modification of the UV illumination, and
  • 3 is a graphical representation of measured values to illustrate the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a multi-axis machine tool, which is designated generally by the reference numeral 1.
  • the machine comprises a frame 2, on which a table 3 is mounted, which is movable in a first direction of movement X.
  • a workpiece 4 is fixed, for example by means of a tensioning device, not shown.
  • a portal 5 is fixed, on which by means of horizontal rails 6, a Z-slide 7 is mounted.
  • the Z slider 7 is thus movable by means of the rails 6 in a direction of movement Y relative to the portal 5 and thus to the frame 2 of the machine 1.
  • rails 8 are provided in order to be able to move the Z slide 7 in the vertical direction (Z direction). This construction is over known in the art and therefore need not be further detailed description at this point.
  • a spindle 9 is mounted in the Z-slide 7, a spindle 9 is mounted.
  • a spindle shaft In the spindle 9 is a spindle shaft, not shown, which is rotatably mounted about a rotation axis 10.
  • the bearing of the spindle shaft by means not shown electrically insulating bearings, for example by means of ceramic bearings.
  • a tool holder 1 1 On the spindle shaft, a tool holder 1 1 is fixed in a known manner, in which a tool 12 is inserted.
  • the workpiece 4 forms a first object, while the tool 12 represents a second object.
  • the first object (workpiece 4) and / or the second object (tool 12) are mounted electrically isolated and connected to an electrical circuit comprising a voltage source 18 and a voltage detector 19.
  • the method according to the invention serves to determine the relative positions between the first object (workpiece 4) and the second object (tool 12) in order in this way to enable precise machining of the workpiece 4 by the tool 12.
  • a controller 17 controls, as shown schematically in Figure 1, with the aid of Achsumrichtern the individual axes X, Y and Z of the machine. 1
  • the controller 17 is connected via lines 13, 14, 15, 16, which are both motor lines and encoder lines of glass scales, not shown. This control or regulation is also known from the prior art, so that a detailed description can be dispensed with at this point.
  • a voltage source 18 is provided, which may be formed as a DC voltage source or AC voltage source and includes a voltage detector 19 and a resistor 20, as is known from the prior art.
  • the implementation of the method by means of the machine 1 shown in Figure 1 is carried out so that first the first object (workpiece 4) is fixed on the table 3.
  • the tool 12 (second object) is inserted into the tool holder 11 and the tool holder 11 into the spindle shaft of the spindle 9.
  • the first object (workpiece 4 ) and the second object (tool 12) moves in the directions of movement X, Y and / or Z with a predetermined relative speed to each other. It is understood that not both objects must be moved simultaneously. Rather, it may also be sufficient to move only one of the objects while the other object is stationary during the execution of the method.
  • a suitable position This may, for example, be a reference position, i. a surface defined on the first object (workpiece 4).
  • a reference position i. a surface defined on the first object (workpiece 4).
  • it can be determined where the first object was fixed relative to the machine 1 and relative to the second object (tool 12) on the machine table.
  • it is also possible to move the second object.
  • the dimensioning and / or position of the second object, for example, relative to the spindle 9 can be determined.
  • the UV light source 23 is arranged such that it can illuminate the entire working area of the machine 1 with UV light 24.
  • the UV light source 23 is directly associated with the spindle 9 and thus the tool 12 and only illuminates the direct area of the tool 12 when the tool 12 is approached the workpiece 4.
  • FIG. 2 is a simplified representation of the structure of FIG. 1, so that the illustration and description of the further assemblies and components can be dispensed with.
  • FIG. 3 shows a graphic representation from which the effect of the use according to the invention of UV light results.
  • the distances at which a voltage breakdown (electrical contact) occurs are shown in millimeters on the ordinate, while the abscissa represents individual measuring points.
  • the measuring points on the abscissa are divided into four groups.
  • the first group I shows the use of a voltage of 1000 volts without UV light
  • the second group II shows the use of a voltage of 1000 volts with UV light
  • the third group III is the use of a voltage of 22 volts without UV Light
  • the fourth group IV a Voltage of 22 volts with UV light shows.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen relativen Positionsbestimmung eines ersten Objekts (4) und eines zweiten Objekts (12), wobei das erste Objekt (4) an einer ersten Baugruppe (7) einer Maschine (1) und das zweite Objekt (12) an einer zweiten Baugruppe (3) der Maschine (1) befestigt ist, wobei eine der Baugruppen (3, 7) relativ zu der anderen Baugruppe (3, 7) bewegt wird, wobei zwischen dem ersten Objekt (4) und dem zweiten Objekt (12) eine elektrische Spannung angelegt wird, und wobei bei einem Gasdurchschlag zwischen den Objekten (4, 12) die relative Bewegung gestoppt und die Positionen der Objekte (4, 12) ermittelt und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich zwischen den Objekten (4, 12) mit UV-Licht (24) beleuchtet wird.

Description

Verfahren zur relativen Positionsbestimmung eines Werkstücks und eines Werkzeugs in einer Maschine mittels UV-Licht
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Werkstücks und eines Werkzeugs in einer Maschine, insbesondere einer Mehrachswerkzeugmaschine.
Die Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen mit rotierenden Werkzeugen, z.B. Fräsmaschinen, steigen immer weiter. Neben der Genauigkeit der eigentlichen Bearbeitung, die durch die Genauigkeit der Maschine, des Bearbeitungswerkzeuges, der Werkzeugaufnahme etc., bestimmt wird, wird die Genauigkeit bei dem Einrichten des Werkstückes, bzw. dem Setzen des Nullpunktes für die Bearbeitung zunehmend zu einem begrenzenden Faktor für die erreichbare Präzision.
Nachdem ein Werkstück in die Maschine eingebracht und für die Bearbeitung gespannt wurde, sei es auf Paletten oder auch mit konventionellen Mitteln, wie einem Schraubstock, wird üblicherweise die Spannlage des Werkstückes mit geeigneten Hilfsmitteln festgestellt und aufgrund der festgestellten Spannlage der Nullpunkt für die Bearbeitung festgelegt.
Aus dem Stand der Technik bekannt ist das Antasten des Nullpunktes mit einem automatischen mechanischen Taster. Dieser verfügt über eine Tastspitze mit einer Tastkugel zum Antasten des Werkstücks an einem Ende. Am anderen Ende ist er an einer Werkzeugaufnahme befestigt und kann darüber in die Bearbeitungsspindel eingewechselt werden. Zum Antasten eines Werkstückes fährt die Maschine den an der Spindel über die Werkzeugaufnahme gehaltenen automatischen Taster zum Werkstück, bis der am automatischen Taster befindliche Taststift das Werkstück berührt und so weit auslenkt, dass der Taster schaltet. Moderne automatische Taster sind dabei so aufgebaut, dass der Weg für die Auslenkung des Taststiftes immer exakt gleich ist und kalibriert werden kann. Wenn der automatische Taster schaltet, wird vom automatischen Taster ein Signal an die Steuerung gesendet und von dieser die Ist-Position der Maschine für diese Tastposition festgestellt. So können beliebige Kanten, Bohrungen etc., angetastet und deren relative Lage in der Maschine relativ genau festgestellt werden. Moderne Taster sind hochgenau. Daher kann die Position des Tasters für den Schaltpunkt sehr exakt festgestellt werden.
Dennoch ist die Genauigkeit dieses Verfahrens durch den vorgegebenen Ablauf an sich begrenzt. Nachdem die vorgegebenen Geometrieelemente mit einem automatischen Taster in einer Maschine angetastet wurden, muss die Werkzeugaufnahme, an der der automatische Taster befestigt ist, wieder aus der Spindel ausgewechselt und das für die Bearbeitung gewünschte Bearbeitungswerkzeug in die Spindel eingewechselt werden. Bei diesem Wechselvorgang kommt es zu Abweichungen, da die Spannlage der Werkzeugaufnahmen nie exakt identisch ist. Außerdem stimmt in den meisten Fällen die Länge des automatischen Tasters von der Anlagefläche der Werkzeugaufnahme bis zur Spitze des Taststiftes nicht mit der Länge des Bearbeitungswerkzeuges von der Anlagefläche der Werkzeugaufnahme bis zur Werkzeugspitze überein. Wenn die Spindel nicht exakt parallel zur Verfahrrichtung der Achse steht, welche die Spindel in Richtung der Spindelachse verfährt, kommt es zu zusätzlichen Abweichungen. Kleinste Verkippungen der Spindel führen zu einem Versatz zwischen Antastvorgang und Bearbeitung. Je größer der Längenunterschied zwischen Bearbeitungswerkzeug und automatischem Taster ist, desto gravierender sind diese Verkippungen für die Antastgenauigkeit.
Die JP 2008-105 134 A offenbart ein Verfahren zur automatischen relativen Positionsbestimmung eines ersten Objekts und eines zweiten Objekts, wobei das erste Objekt an einer ersten Baugruppe einer Maschine und das zweite Objekt an einer zweiten Baugruppe der Maschine befestigt ist, wobei eine der Baugruppen relativ zu der anderen Baugruppe bewegt wird, wobei zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt eine elektrische Spannung angelegt wird, und wobei bei einem Gasdurchschlag zwischen den Objekten die relative Bewegung gestoppt und die Positionen der Objekte ermittelt und gespeichert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Werkstücks und eines Werkzeugs in einer Maschine zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine exakte Zuordnung zwischen der Geometrie des Werkstücks zu dem Werkzeug ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren zur automatischen relativen Positionsbestimmung eines ersten Objekts und eines zweiten Objekts vorgesehen, wobei das erste Objekt an einer ersten Baugruppe einer Maschine und das zweite Objekt an einer zweiten Baugruppe der Maschine befestigt ist. Zumindest eine der Baugruppen wird bei dem Verfahren relativ zu der anderen Baugruppe bewegt, wobei zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt eine elektrische Spannung angelegt wird und wobei bei einem Gasdurchschlag zwischen den Objekten die relative Bewegung gestoppt und die Position der Objekte ermittelt und gespeichert wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zumindest der Bereich zwischen den Objekten mit UV-Licht beleuchtet wird.
Der Erfindung liegt somit zugrunde ein Verfahren zugrunde, bei dem die Position eines an einer ersten Baugruppe gelagerten ersten Objektes relativ zu einem an einer zweiten Baugruppe gelagerten zweiten Objekt ermittelt wird. Dazu wird zwischen den beiden Objekten eine elektrische Spannung angelegt. Die beiden Baugruppen werden relativ so zueinander verfahren, dass sich die beiden Objekte auf einander zubewegen. Im Moment eines elektrischen Kontaktes zwischen den beiden Objekten wird dieser mit einer geeigneten Schaltung detektiert, die Baugruppen angehalten und so die relative Position der beiden Objekte zueinander erfasst.
Für das Verfahren ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Objekt ein Werkstück und das andere Objekt ein rotierendes Werkzeug, wie es für die Zerspanung eingesetzt wird, sein kann. Die elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Objekten soll möglichst beschädigungsfrei verlaufen. Dazu wird der physikalische Effekt eines Spannungsdurchschlags genutzt. Bei kleinen angelegten Spannungen von z.B. einigen 10 V ist ein Gasdurchschlag nicht möglich. Es kommt erst kurz vor einer mechanischen Berührung zu einem Vakuumdurchschlag (auch unter normalem Luftdruck). Um die Maschine bei Auftreten des Spannungsdurchschlags noch vor einer mechanischen Berührung zwischen Werkstück und Werkzeug anhalten zu können, sind nur sehr kleine Relativgeschwindigkeiten bei der Annäherung von dem ersten Objekt an das zweite Objekt, bzw. dem Werkstück an das Werkzeug möglich.
Um den Ablauf der relativen Positionsbestimmung zu beschleunigen wird ein zweistufiges Verfahren vorgeschlagen. Es wird dabei zwischen einer Grob- und einer Feinmessung unterschieden. Bei der Grobmessung wird unter anderem zwischen den beiden Objekten eine deutlich höhere Spannung angelegt. Damit soll erreicht werden, dass der Spannungsdurschlag schon bei größeren Abständen zwischen den Objekten auftritt, so dass der Restweg zum Anhalten der Baugruppen, ehe es zu einer mechanischen Berührung zwischen dem ersten und zweiten Objekt kommt, größer ist. Durch den längeren Restweg zum Anhalten der Baugruppen sind dann grundsätzlich höhere Relativgeschwindigkeiten möglich, was das Verfahren schneller macht. Wenn die angelegte Spannung zwischen den Objekten über 350 V liegt, ist auch ein Gasdurchschlag statt eines Vakuumdurschlags möglich. Der Gasdurschlag oder Spannungsgasdurchschlag hat den Vorteil, dass er bereits bei geringeren Feldstärken als ein Vakuumdurchschlag auftritt. In der Folge vergrößert sich der Abstand der beiden Objekte, bei dem ein Spannungsdurchschlag auftritt, wenn eine Spannung von über 350 V angelegt wird, die einen Gasdurchschlag ermöglicht. Dabei spielt es keine Rolle, ob eine Gleich- oder Wechselspannung verwendet wird. Mit einem Gasdurchschlag lassen sich somit erheblich größere Abstände zwischen den beiden Objekten im Moment der elektrischen Kontaktierung durch Spannungsdurchschlag realisieren. In der Folge sind höhere Relativgeschwindigkeiten der beiden Objekte zueinander möglich, ohne dass es zu einer mechanischen Berührung zwischen beiden Objekten kommt. Der im Moment des detektierten Spannungsdurchschlags zwischen dem ersten und zweiten Objekt vorhandene Abstand ist ausreichend groß, um die Baugruppen noch anzuhalten.
Versuche in der Praxis zeigen, dass bei elektrischen Spannungen unter 2000 V ein Gasdurschlag nur eingeschränkt erfolgt. Bei normalem Luftdruck ergäbe sich theoretisch für einen Gasdurchschlag bei 1000 V elektrischer Spannung zwischen den Objekten ein Abstand der beiden Objekte von ca. 0,1 mm, bei 2000 V ein Abstand von ungefähr 0,3 mm, bei dem ein Gasdurchschlag auftreten sollte. Auch wenn die Objekte mit relativ kleiner Relativgeschwindigkeit auf einander zubewegt werden, zeigt sich jedoch in der Praxis, dass der Spannungsdurchschlag in diesem Spannungsbereich meist erst bei erheblich kleineren Abständen auftritt. Außerdem kommt es zu einer relativ starken Schwankung der Abstände, bei denen der Spannungsdurchschlag (Gasdurchschlag) auftritt.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren der elektrischen Kontaktierung zwischen zwei Objekten mittels Gasdurschlag dadurch optimiert, dass ultraviolettes Licht in den Abstand zwischen erstem und zweitem Objekt direkt oder indirekt eingestrahlt wird. Wenn die beiden Objekte mittels der Baugruppen, wie zuvor beschrieben, auf einander zubewegt werden und eine ultraviolette Lichtquelle diese beleuchtet, tritt ein Gasdurchschlag erheblich früher auf. Die Schwankungen des Abstandes, bei denen ein Gasdurchschlag auftritt verringern sich erheblich. Die Reproduzierbarkeit verbessert sich deutlich. Somit verbessert sich die Genauigkeit des Verfahrens bei Spannungen über 350 V, ab denen ein Gasdurchschlag in der Luft unter normalem Luftdruck auftritt, ganz erheblich. In einigen Fällen kann auf eine nachfolgende Feinmessung für die relative Positionsbestimmung zwischen erstem und zweitem Objekt verzichtet werden.
Weil sich durch das ultraviolette Licht der Abstand, bei dem ein Gasdurchschlag auftritt, vergrößert, vergrößert sich auch der im Moment des Gasdurchschlags noch vorhandene Restweg zwischen den Objekten, der zum Anhalten der Baugruppen genutzt werden kann, ehe es zu einer mechanischen Berührung zwischen den Objekten kommt. In der Folge können höhere Relativgeschwindigkeiten für die relative Positionsbestimmung zwischen den Objekten genutzt werden, ohne dass eine mechanische Berührung auftritt. Das Verfahren wird dadurch auch deutlich schneller.
Die ultraviolette Lichtquelle kann so im Arbeitsbereich einer Maschine angebracht werden, dass diese für beliebige Geometrien eines ersten und zweiten Objektes beide Objekte immer ausreichend ausleuchtet. Bei Bedarf können auch mehrere ultraviolette Lichtquellen angebracht werden.
Um den Maschinenbediener vor gesundheitlich belastender ultravioletter Bestrahlung zu schützen, kann es sachdienlich sein, die ultraviolette Lichtquelle nur dann einzuschalten, wenn eine erfindungsgemäße relative Positionsbestimmung zwischen erstem und zweiten Objekt durchgeführt werden soll.
Ergänzend können die Scheiben der Maschine so beschichtet werden, dass eine ultraviolette Strahlung von dieser zurückgehalten wird und nicht aus dem Arbeitsraum der Maschine austreten kann.
Die ultraviolette Lichtquelle führt sowohl bei Verwendung einer elektrischen Gleichspannung als auch bei einer elektrischen Wechselspannung zu den erfindungsgemäßen Resultaten.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die ultraviolette Lichtquelle oder die ultravioletten Lichtquellen in der Nähe eines der Objekte angebracht ist bzw. sind. Bei einer Fräsmaschine kann eine ultraviolette Bestrahlung beispielsweise durch unter der Z-Achse (vertikale Bewegungsrichtung) befestigte Leuchtdioden oder Lampen realisiert werden, die ultraviolettes Licht in den Bereich eines Bearbeitungswerkzeuges abstrahlen.
Als ultraviolettes Licht werden im Rahmen der Erfindung Wellenlängen von 100 nm bis 380 nm gemäß DIN 5031 verstanden.
Die erfindungsgemäß zur Positionsbestimmung eingesetzte elektrische Spannung beträgt bevorzugterweise zwischen 400 Volt und 1000 Volt.
Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführte Positionsbestimmung kann in unterschiedlicher Weise modifiziert werden. Es ist dabei möglich, zunächst eine Grobmessung mit einer höheren Relativgeschwindigkeit und einer höheren Spannung durchzuführen. Nachdem die Relativpositionen auf diese Weise grob bestimmt wurden, kann eine anschließende Feinmessung dazu dienen, eine noch exaktere Positionsbestimmung durchzuführen. Hierbei ist es möglich, eine geringere Spannung zu verwenden sowie die Relativbewegung mit einer geringeren Geschwindigkeit auszuführen. Die Entscheidung, ob eine nochmalige Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder eine zusätzliche Feinmessung erfolgen soll, kann automatisch getroffen werden, insbesondere wenn sich der bei der Messung ergebende Ist-Abstand von einem vorgegebenen Soll-Abstand unterscheidet, beispielsweise größer ist, als der Soll-Abstand.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugterweise bei einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer Mehrachs-Fräsmaschine verwendet. Die Durchführung des Verfahrens kann vollautomatisch erfolgen, sei es zu Beginn einer Bearbeitung bei einem zuvor eingesetzten Werkzeug oder automatisch während der Bearbeitung, um Fehler festzustellen und zu kompensieren, die sich beispielsweise aus Verschleiß des Werkzeugs oder aus thermischen Gründen ergeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sowohl bei rotierenden Werkzeugen einsetzbar, als ganz allgemein bei der Abstandsbestimmung oder Positionsbestimmung zweier Objekte, beispielsweise eines Werkstücks und eines Messtasters bzw. Messobjektes in einer Werkzeugmaschine oder einer Messmaschine.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung, analog Fig. 1 , in Modifikation der UV-Beleuchtung, und
Fig. 3 eine grafische Darstellung von Messwerten zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 1 zweigt eine vereinfachte Darstellung einer Mehrachsenwerkzeugmaschine, welche allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Die Maschine umfasst ein Gestell 2, an welchem ein Tisch 3 gelagert ist, welcher in einer ersten Bewegungsrichtung X verfahrbar ist. Auf dem Tisch 3 ist ein Werkstück 4 befestigt, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Spannvorrichtung. An dem Gestell 2 ist ein Portal 5 befestigt, an welchem mittels horizontaler Schienen 6 ein Z-Schieber 7 gelagert ist. Der Z-Schieber 7 ist somit mittels der Schienen 6 in einer Bewegungsrichtung Y relativ zu dem Portal 5 und damit zu dem Gestell 2 der Maschine 1 verfahrbar. Weiterhin sind Schienen 8 vorgesehen, um den Z- Schieber 7 in vertikaler Richtung (Z-Richtung) verfahren zu können. Dieser Aufbau ist aus dem Stand der Technik bekannt und bedarf deshalb an dieser Stelle keiner weiteren detaillierten Beschreibung.
In dem Z-Schieber 7 ist eine Spindel 9 gelagert. In der Spindel 9 befindet sich eine nicht dargestellte Spindelwelle, die um eine Drehachse 10 drehbar gelagert ist. Die Lagerung der Spindelwelle erfolgt mittels nicht dargestellter elektrisch isolierender Lager, beispielsweise mittels Keramiklagern. An der Spindelwelle ist in bekannter Weise eine Werkzeugaufnahme 1 1 befestigt, in welche ein Werkzeug 12 eingesetzt ist.
Im Rahmen der Beschreibung der Erfindung bildet das Werkstück 4 ein erstes Objekt, während das Werkzeug 12 ein zweites Objekt darstellt. Somit sind das erste Objekt (Werkstück 4) und/oder das zweite Objekt (Werkzeug12) elektrisch isoliert gelagert und mit einer elektrischen Schaltung umfassend eine Spannungsquelle 18 und einen Spannungsdetektor 19 verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, die relativen Positionen zwischen dem ersten Objekt (Werkstück 4) und dem zweiten Objekt (Werkzeug 12) zu bestimmen, um auf diese Weise eine präzise Bearbeitung des Werkstücks 4 durch das Werkzeug 12 zu ermöglichen.
Die jeweiligen Positionen der oben beschriebenen Baugruppen der Maschine 1 , welche in den Richtungen X, Y und Z bewegbar sind, werden mittels nicht dargestellter geeigneter Detektionsmittel, beispielsweise Glasmaßstäben oder ähnlichem bestimmt. Eine Steuerung 17 steuert, wie in Figur 1 schematisch dargestellt, mit Hilfe von Achsumrichtern die einzelnen Achsen X, Y und Z der Maschine 1 . Die Steuerung 17 ist über Leitungen 13, 14, 15, 16 verbunden, welche sowohl Motorleitungen als auch Geberleitungen der nicht dargestellten Glasmaßstäbe sind. Diese Steuerung oder Regelung ist aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt, sodass auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Weiterhin ist eine Spannungsquelle 18 vorgesehen, welche als Gleichspannungsquelle oder Wechselspannungsquelle ausgebildet sein kann und einen Spannungsdetektor 19 sowie einen Widerstand 20 umfasst, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Minuspol der Spannungsquelle 18 über eine elektrische Leitung 21 mit dem Werkstück 4 verbunden, während der positive Pol über eine elektrische Leitung 22 mit der Werkzeugaufnahme 1 1 oder der nicht dargestellten Spindelwelle verbunden ist. Diese elektrische Verbindung erfolgt beispielsweise über Schleifkontakte oder ähnliches.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine UV-Lichtquelle 23 vorgesehen, welche UV-Licht 24 ausstrahlt, welches den Bereich zwischen dem Werkzeug 12 (zweites Objekt) und dem Werkstück 4 (erstes Objekt) beleuchtet. Die UV-Lichtquelle 23 kann beispielsweise nur während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingeschaltet werden.
Die Durchführung des Verfahrens mittels der in Figur 1 dargestellten Maschine 1 erfolgt so, dass zunächst das erste Objekt (Werkstück 4) auf dem Tisch 3 fixiert wird. Zugleich erfolgt ein Einsetzen des Werkzeugs 12 (zweites Objekt) in die Werkzeugaufnahme 1 1 und der Werkzeugaufnahme 1 1 in die Spindelwelle der Spindel 9. Nach Einschalten der Spannungsquelle 18 (in Figur 1 sind diesbezügliche Schalter nicht dargestellt) werden das erste Objekt (Werkstück 4) und das zweite Objekt (Werkzeug 12) in den Bewegungsrichtungen X, Y und/oder Z mit einer vorgegebenen Relativgeschwindigkeit zueinander bewegt. Es versteht sich, dass nicht beide Objekte gleichzeitig bewegt werden müssen. Vielmehr kann es auch ausreichend sein, nur eines der Objekte zu bewegen, während das andere Objekt während der Durchführung des Verfahrens stillsteht. Es erfolgt somit eine Annäherung der beiden Objekte an einer geeigneten Position. Dies kann beispielsweise eine Referenzposition, d.h. eine am ersten Objekt (Werkstück 4) genau definierte Fläche sein. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wo das erste Objekt relativ zu der Maschine 1 und relativ zm zweiten Objekt (Werkzeug 12) auf dem Maschinentisch befestigt wurde. Es ist jedoch auch möglich, das zweite Objekt zu bewegen. Auch kann so die Dimensionierung und/oder Position des zweiten Objekts, beispielsweise relativ zur Spindel 9 ermittelt werden.
Die UV-Lichtquelle 23 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 , welches nur eine schematische Darstellung bildet, so angeordnet, dass sie den gesamten Arbeitsbereich der Maschine 1 mit UV-Licht 24 beleuchten kann. In der in Figur 2 gezeigten alternativen Ausgestaltung ist die UV-Lichtquelle 23 direkt der Spindel 9 und damit dem Werkzeug 12 zugeordnet und beleuchtet nur den direkten Bereich des Werkzeugs 12, wenn das Werkzeug 12 dem Werkstück 4 angenähert wird. Die Figur 2 ist eine vereinfachte Darstellung des Aufbaus der Figur 1 , sodass auf die Darstellung und Beschreibung der weiteren Baugruppen und Komponenten verzichtet werden kann.
Die Figur 3 zeigt eine grafische Darstellung, aus welcher sich der Effekt der erfindungsgemäßen Verwendung von UV-Licht ergibt. Dabei sind auf der Ordinate die Abstände, bei denen ein Spannungsdurchschlag (elektrischer Kontakt) auftritt, in Millimeter dargestellt, während die Abszisse einzelne Messpunkte wiedergibt. Die Messpunkte auf der Abszisse sind dabei in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe I zeigt die Verwendung einer Spannung von 1000 Volt ohne UV-Licht, die zweite Gruppe II zeigt die Verwendung einer Spannung von 1000 Volt mit UV-Licht, in der dritten Gruppe III ist die Verwendung einer Spannung von 22 Volt ohne UV-Licht dargestellt, während die vierte Gruppe IV eine Spannung von 22 Volt mit UV-Licht zeigt. Es ergibt sich, dass bei den Messpunkten der ersten Gruppe eine starke Streuung der jeweiligen Abstände beim Gasdurchschlag auftritt. Diese starke Streuung ist für eine sichere Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht brauchbar, da zum einen die exakte Relativposition zwischen den beiden Objekten nicht zuverlässig messbar ist und da zum anderen der Abstand beim Spannungsdurchschlag eventuell zu gering ist, um ein beschädigungsfreies Abbremsen der Relativbewegung der Baugruppen sicherzustellen. Demgegenüber ergibt sich bei der Verwendung von UV-Licht zum einen ein wesentlich größerer Abstand, bei welchem der Gasdurchschlag auftritt. Zum anderen ist die Streuung wesentlich geringer, sodass das erfindungsgemäße Verfahren mit großer Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit durchgeführt werden kann.
Die dritte und die vierte Gruppe zeigt, dass bei einer sehr geringen Spannung kein wesentlicher Unterschied zwischen den Messungen mit Verwendung von UV-Licht und den Messungen ohne UV-Licht auftritt. In beiden Fällen erfolgt der Spannungsdurchschlag in einem sehr geringen Abstand der beiden Objekte zueinander, sodass eine Messung der Relativpositionen zwischen den beiden Objekten beschädigungsfrei nur mit einer äußerst geringen relativen Bewegungsgeschwindigkeit erfolgen kann.
Bezugszeichenliste
1 Maschine
2 Gestell
3 Tisch (zweite Baugruppe)
4 Werkstück / erstes Objekt
5 Portal
6 Schiene
7 Z-Schieber (erste Baugruppe)
8 Schiene
9 Spindel
10 Drehachse
1 1 Werkzeugaufnahme
12 Werkzeug / zweites Objekt
13 Leitung
14 Leitung
15 Leitung
16 Leitung
17 Steuerung
18 Spannungsquelle
19 Spannungsdetektor
20 Widerstand
21 Leitung
22 Leitung
23 UV-Lichtquelle
24 UV-Licht

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur automatischen relativen Positionsbestimmung eines ersten Objekts (4) und eines zweiten Objekts (12), wobei das erste Objekt (4) an einer ersten Baugruppe (7) einer Maschine (1 ) und das zweite Objekt (12) an einer zweiten Baugruppe (3) der Maschine (1 ) befestigt ist, wobei eine der Baugruppen (3, 7) relativ zu der anderen Baugruppe (3, 7) bewegt wird, wobei das erste Objekt (4) und/oder das zweite Objekt (12) jeweils elektrisch isoliert gelagert und mit einer elektrischen Schaltung umfassend eine Spannungsquelle (18) und einen Spannungsdetektor (19) verbunden sind, wobei zwischen dem ersten Objekt (4) und dem zweiten Objekt (12) eine elektrische Spannung angelegt wird, und wobei bei einem Gasdurchschlag zwischen den Objekten (4, 12) die relative Bewegung gestoppt und die Positionen der Objekte (4, 12) ermittelt und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Bereich zwischen den Objekten (4, 12) mit UV-Licht (24) beleuchtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das UV-Licht (24) nur während der Durchführung des Verfahrens eingeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung zwischen 300 Volt und 1000 Volt zwischen dem ersten Objekt (4) und dem zweiten Objekt (12) angelegt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung angelegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das UV- Licht (24) durch zumindest eine UV-Lichtquelle (23) ausgesendet wird, welche zumindest eines der Objekte (4, 12) direkt beleuchtet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als UV- Lichtquelle (23) Leuchtdioden verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die relativen Positionen beim Gasdurchschlag ermittelte Ist-Abstand zwischen dem ersten Objekt (4) und dem zweiten Objekt (12) mit einem vorgegebenen Soll-Abstand verglichen wird und dass bei Ist-Abstand > Soll-Abstand die Positionsbestimmung wiederholt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wiederholung mit geänderter Spannung und/oder mit geänderter Bewegungsgeschwindigkeit zumindest eines der Objekte (4, 12) durchgeführt wird.
Werkzeugmaschine mit einer UV-Beleuchtung (23, 24) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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