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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen und/oder Kalibrieren
einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und eine Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs
15.
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Aus
der
DE 10 2005
008 055 B4 ist ein Verfahren zum Vermessen einer numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschine bekannt. Gemäß diesem
Verfahren wird eine Messkugel an einem Maschinenteil positioniert
und mit Hilfe der Vermessung einer Oberfläche des Messtasters
eine Raumlage des Mittelpunkts der Messkugel bestimmt. Anschließend
wird ein Maschinenteil, mit dem die Messkugel verbunden ist, bewegt
und die Positionsbestimmung des Mittelpunkts der Messkugel wird
wiederholt. Die Differenz zwischen den derart bestimmten Mittelpunktskoordinaten
wird mit Sollwerten verglichen, um etwaige Kalibrierungsfehler der
Werkzeugmaschine zu erkennen und ggf. kompensieren zu können.
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Ferner
ist zum Vermessen der rotativen Achsen einer Fräsmaschine,
beispielsweise von Fräsköpfen unterschiedlicher
Bauarten, ein als FDIA-Kopf-Messsystem bezeichnetes Verfahren bekannt,
bei dem ein spezielles Kalibrier- und Messgerät eingesetzt
wird.
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Aus
der
DE 31 32 383 C ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überprüfung
der Messgenauigkeit von Koordinatenmessgeräten bekannt.
Zwei mit hoher Oberflächengüte genau bearbeitete
Kugeln sind auf einem gemeinsamen Träger in veränderbarem
Abstand angeordnet und entlang eines Messstrahls mit Bohrungen versehen. Änderungen
des Abstands beider Kugeln werden mittels einer Interferometeranordnung
gemessen, wobei ein Ausgangsabstand beider Messkugeln genau bekannt
sein muss.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren zum Vermessen
bzw. Kalibrieren einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine bereitzustellen,
das hochgenau ist und kein aufwändiges, teures und hochgenau
gefertigtes Zubehör erfordert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
nach dem Anspruch 1 bzw. durch eine Werkzeugmaschine nach dem Anspruch
15 gelöst.
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Die
Erfindung geht insbesondere aus von einem Verfahren zum Vermessen
und/oder Kalibrieren einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine
mit wenigstens einer Werkzeugspindel und wenigstens einer Rundachse,
um welche die Werkzeugspindel gegenüber einem Werkstück
schwenkbar ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das erfindungsgemäße
Verfahren die Schritte Einspannen eines Testklotzes, Einfräsen
wenigstens einer ersten Messfläche in einer vorgegebenen
Position und Orientierung in den Testklotz mit einer ersten Schwenkposition
der Rundachse, Schwenken der Werkzeugspindel und/oder des Testklotzes
um die Rundachse in eine zweite Schwenkposition, Einfräsen
wenigstens einer zweiten Messfläche in den Testklotz und
Vermessen der ersten Messfläche und der zweiten Messfläche mit
einem Messtaster umfasst. Dabei entspricht die Orientierung der
zweiten Messfläche der Orientierung der ersten Messfläche.
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Hier
und im Folgenden soll eine Werkzeugspindel als „gegenüber
einem Werkstück schwenkbar” bezeichnet werden,
wenn eine relative Schwenkbewegung zwischen einem Werkstücktisch zum
Aufspannen des Werkstücks und der Werkzeugspindel bzw.
dem Maschinenkopf möglich ist. Die Werkzeugspindel kann
natürlich auch durch eine Bewegung des Werkstücks
relativ zu dem Werkstück verschwenkt werden. In diesem
Sinne kann auch eine fest stehende Werkzeugspindel „gegenüber
einem Werkstück schwenkbar” sein.
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Da
das Kalibrierungsverfahren spanabtragend ist, werden bei der Kalibrierung
bzw. Vermessung der Maschinenkinematik automatisch dynamische Deformationen
der Werkzeugspindel berücksichtigt, die auch drehzahlabhängig
sein können. Je nach der Art der Maschinenkinematik kann
die Schwenklage des Werkzeugkopfs bezogen auf das Werkstück
bzw. den Testklotz durch eine Bewegung des Werkzeugkopfs oder durch
eine Bewegung des Testklotzes verändert werden.
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Aus
den durch das Vermessen der verschiedenen Messflächen gewonnenen
Messdaten können Fehler in der Kalibrierung der Maschinenkinematik der
Werkzeugmaschine be stimmt und ggf. korrigiert werden. Zum Kalibrieren
mehrerer Rundachsen bzw. Rotationsachsen der Werkzeugmaschine können mehrere
Paare von entsprechenden Messflächen in den Testklotz eingefräst
und vermessen werden. Durch die gleichzeitige bzw. vergleichende
Vermessung mehrerer Messflächen kann eine Differenzmessung
erfolgen, durch welche Fehler eliminiert werden können,
die unabhängig von der Schwenkposition des Maschinenkopfs
sind. Durch eine Anordnung der Messflächen auf einem engen
Raum können die Einflüsse von Fehlern aus Translationsfreiheitsgraden der
Erfindung minimiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur
zur Kalibrierung der Maschinenkinematik sondern auch zur rechnerischen
Kompensation von sogenannten Durchhängen der Werkzeugmaschine.
Als Durchhang wird die translatorische und/oder rotatorische Abweichung
der Werkzeugspitze bei einer vorgegebenen Orientierung bzw. Position
im Arbeitsraum von der, durch das kinematische Modell der Werkzeugmaschine
berechneten, Sollposition bezeichnet. Diese translatorischen und
rotatorischen Fehler entstehen durch Formtoleranzen in den Lagerungen
und Führungen, durch Geometrieabweichungen der Maschinenelemente
sowie durch Montageungenauigkeiten bei der Montage der Maschinenelemente
und können abhängig von der Schwenkstellung der
Rundachse sein.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit
einer Steuereinheit, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausgelegt ist und dazu eine geeignete Software und Hardware
umfasst. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt
eine Vermessung und Kalibrierung der Werkzeugmaschine ohne aufwändiges
Zubehör. Insbesondere sind keine hochpräzise gearbeiteten
Kugeln oder dergleichen notwendig. Als Testklotz kann ein einfaches,
zumindest im Wesentlichen unbearbeitetes Werkstück, wie
beispielsweise ein Aluminiumklotz, verwendet werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und
zur sinnvollen weiteren Kombination zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 eine
numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine mit mehreren Rundachsen und
einem Display,
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2 eine
Displaydarstellung mit einem Feld zum Starten eines Kalibrierungsvorgangs,
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3 einen
Testklotz mit mehreren Basisflächen und mehreren Messflächen,
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Kalibrierungsvorgangs der Werkzeugmaschine,
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5 eine
Displaydarstellung mit während des Kalibrierungsvorgangs
gewonnenen Messdaten und
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6 eine
Visualisierung von Fehlern in einem Kopfversatz und in einer Pivotlänge
in einer alternativen Displaydarstellung.
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1 zeigt
eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine 10 mit einer
an einem Maschinenkopf 12 befestigten Werkzeugspindel 14.
Der Maschinenkopf 12 ist in drei Richtungen X, Y, Z translatorisch bewegbar
und um eine horizontal verlaufende Rundachse B schwenkbar. Die translatorischen
und rotatorischen Bewegungen des Maschinenkopfes 12 werden
von einer hier nur schematisch dargestellten Steuereinheit 34 gesteuert.
Die Werkzeugmaschine 10 verfügt über
ein hier nicht explizit dargestelltes Werkzeugmagazin und die in
die Werkzeugspindel 14 eingespannten Werkzeuge wie Fräsköpfe,
Messerköpfe, Bohrer oder Messtaster können automatisch
ausgetauscht werden. Ein unter dem Werkzeugkopf 12 angeordneter
Werkstücktisch 16 ist um eine weitere Rundachse
bzw. rotatorische Achse C drehbar. Insgesamt verfügt die
Werkzeugmaschine 10 demnach über fünf
numerisch gesteuerte Achsen.
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Auf
dem Werkstücktisch 16 können zur Bearbeitung
beliebige Werkstücke verspannt werden. Eine Steuerkonsole 18 mit
einem Display 20 dient als Benutzerschnittstelle der Werkzeugmaschine 10. Über
die Benutzerschnittstelle können Arbeitsvorgänge
der Werkzeugmaschine 10 in einer an sich bekannten Weise
als CNC-Programme program miert werden bzw. der Ablauf von aus anderen
Quellen bezogenen CNC-Programmen kann überwacht werden.
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2 zeigt
eine Displaydarstellung der Benutzerschnittstelle bzw. des Displays 20.
Ein über eine Computermaus oder einen Trackball, über Pfeil-Tasten
oder mittels einer geeigneten Tastenkombination auswählbares
Feld 22 ist dem Start eines Kalibrierungsvorgangs der Werkzeugmaschine 10 zugeordnet.
In dem im Folgenden detailliert beschriebenen Kalibrierungsvorgang
wird die Maschinenkinematik der Werkzeugmaschine 10 präzise
vermessen und Kalibrierungsfehler können durch eine Anpassung
von in der Software der Werkzeugmaschine 10 hinterlegten
Korrekturparametern kompensiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung speichert die Werkzeugmaschine 10 in
einer hier nicht dargestellten Speichereinheit den Zeitpunkt und
die Messdaten der letzten Kalibrierungsvorgänge bzw. führt über
die seit dem letzten Kalibrierungsvorgang verstrichene Bearbeitungszeit
Buch, wobei die Bearbeitungszeit ggf. mit Parametern gewichtet werden
kann, die die Art der von der Maschine durchgeführten Bearbeitung
charakterisieren. Ferner kann die Steuereinheit 34 der
Werkzeugmaschine 10 Temperaturverläufe und Temperaturdifferenzen
in der Umgebungstemperatur der Werkzeugmaschine 10 und/oder
im Maschinenkopf 12 der Werkzeugmaschine 10 ermitteln
und/oder aufzeichnen.
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Wenn
eine Differenz zwischen der Temperatur zum Zeitpunkt der letzten
Kalibrierung und einer aktuellen Temperatur einen Grenzwert überschreitet, wenn
der Temperaturverlauf große Temperaturdifferenzen aufweist
und/oder wenn die seit der letzten Kalibrierung verstrichene Zeit
größer als eine Minimalzeit ist, erkennt die Werkzeugmaschine 10 in
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung selbsttätig,
dass eine neue Kalibrierung notwendig ist. Die Minimalzeit kann
auch abhängig von dem Temperaturverlauf gestaltet werden
und/oder die Schwellenwerte der Temperaturdifferenz können abhängig
von der seit dem letzen Kalibrierungsvorgang verstrichenen Zeit
gestaltet werden. Das Feld 22 kann dann beispielsweise
durch eine geeignete Farbgebung oder durch ein Blinksignal optisch
hervorgehoben werden, um den Benutzer auf die Notwendigkeit eines
neuen Kalibrierungsvorgangs aufmerksam zu machen. Je nach der Dringlichkeit
einer Kalibrierung können die von der Werkzeugmaschine 10 erzeugten
optischen und/oder akustischen Signale, die den Bediener auf die
Notwendigkeit einer Kalibrierung aufmerksam machen, in ihrer Intensität oder
Farbe variiert werden.
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Die
in dem Programm der Werkzeugmaschine 10 hinterlegten Parameter,
die als Schwellenwerte zur Auslösung eines solchen Signals
dienen, können vom Benutzer einstellbar sein und/oder adaptiv
ermittelt werden. Wenn beispielsweise wegen des Überschreitens
eines solchen Schwellenwerts ausgelöste Kalibrierungsvorgänge
im Nachhinein als wenig sinnvoll erscheinen, da nur geringe Kalibrierungsfehler
festgestellt wurden, kann der Schwellenwert erhöht werden
und umgekehrt kann der Schwellenwert reduziert werden, wenn sehr
große Kalibrierungsfehler festgestellt wurden.
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Nach
dem Starten des Kalibrierungsvorgangs wird der Benutzer über
das Display 20 aufgefordert, einen in 3 dargestellten
Testklotz 24 auf den Werkstücktisch 16 der
Werkzeugmaschine 10 aufzuspannen und den Maschinenkopf 12 über
einer Kante des Testklotzes 24 zu positionieren. Der Testklotz 24 kann
ein beliebiger, im Wesentlichen unbearbeiteter Metallklotz verwendet
werden, der wenigstens eine Kante mit einer Kantenlänge
von mindestens 6 cm aufweist. Nach dem Aufspannen des Testklotzes 24 kann
der Benutzer über die Benutzerschnittstelle den eigentlichen
Kalibrierungsvorgang starten.
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Ein
Ablaufdiagramm des Kalibrierungsvorgangs ist in 4 dargestellt.
Die dabei erzeugten Basis- und Messflächen sind in 3 dargestellt.
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Nach
dem oben beschriebenen Einspannen des Testklotzes 24 vermisst
die Werkzeugmaschine 10 die genaue Position und Orientierung
des Testklotzes 24 auf dem Werkstücktisch 16 in
einem Schritt S1. Dazu verwendet die Werkzeugmaschine 10 einen
Messtaster. Ausgehend von den so angeführten Messdaten
bestimmt die Werkzeugmaschine 10 selbsttätig die
Positionen von drei jeweils paarweise senkrecht zueinander stehenden
Basisflächen 26, 28, 30, die
im Schritt S1 mittels eines Messerkopfs in den Testklotz 24 eingefräst
werden (3). Es sind weitere Ausgestaltungen
der Erfindung denkbar, in welchen auf das Einfräsen der
Basisflächen 26, 28, 30 verzichtet
wird. Das Einfräsen der Basisflächen 26, 28, 30 gewährleistet
einen gleichmäßigen Materialabtrag beim Einarbeiten
der Messflächen 32a–32h und
damit eine sauber definierte Ausgangskonfiguration. Lastabhängige
Deformationen, die bei stark unterschiedlichem Materialab trag beim
Einarbeiten der Messflächen zu Fehlern führen
könnten, werden dadurch vermieden.
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In
die Basisflächen 26–30, die
jeweils parallel zu zwei der translatorischen Achsen des Maschinenkopfs 12 verlaufen,
werden im Folgenden in einem vollautomatischen Ablauf mehrere Messflächen 32a–32t eingefräst,
die jeweils parallel zu einer der Basisflächen 26–30 orientiert
sind und einen Abstand von –0,1 mm zu der jeweiligen Basisfläche 26–30 aufweisen.
Der vorgenannte Abstand beschreibt die Dicke der Materialschicht,
die zum Herstellen der Messflächen 32a–32t von
den Basisflächen 26–30 abgetragen
werden muss und entspricht einem Sollwert, der bei perfekt kalibrierter
Maschinenkinematik erreicht werden könnte. Durch Kalibrierungsfehler der
Werkzeugmaschine 10 und/oder der Maschinenkinematik entstehen
Abweichungen von diesem Sollwert, die in dem im Folgenden beschriebenen
Kalibrierungsverfahren gemessen und zum Kalibrieren der Werkzeugmaschine 10 genutzt
werden. Da beim Einarbeiten der Messflächen 32a–32t Material
abgetragen wird, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen
Kalibrierungsverfahren um ein spanabtragendes Kalibrierungsverfahren,
das dynamische und/oder lastabhängige Deformationen des
Spindelkopfs und/oder der Maschinenkinematik berücksichtigt.
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In
einem Schritt S2 arbeitet die Werkzeugmaschine 10 in eine
horizontal ausgerichtete Basisfläche 26 mit einem
Kugelfräser mit einem Durchmesser von ca. 1 cm eine Messfläche 32a ein.
In eine parallel zur Y- und Z-Achse der Werkzeugmaschine verlaufende
Basisfläche 28 arbeitet die Werkzeugmaschine 10 anschließend
mit dem gleichen Kugelfräser eine Messfläche 32b ein.
Beide Messflächen 32a, 32b sind in der
Nähe einer Kante angeordnet, in der die Basisflächen 26, 28 aufeinander
treffen. Die Nullpunkte des beim Einarbeiten der Messflächen 32a, 32b verwendeten
Koordinatensystems sind nach dem Planfräsen der Basisflächen 26, 28, 30 von der
Werkzeugmaschine mittels des Messtasters aufgenommen worden.
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Die
Messflächen 32a, 32b werden mit identischer
Orientierung des Maschinenkopfs 12 in die Basisflächen 26, 28 eingearbeitet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Maschinenkopf 12 bzw. die
Rotationsachse der Werkzeugspindel 14 beim Einarbeiten
der Messflächen 32a, 32b senkrecht zu der
Basisfläche 26 ausgerichtet. Um mit dem Kugelfräser
möglichst plane Messflächen zu erreichen, werden
die Messflächen 32a, 32b in mehreren
parallelen Bahnen in einem Abstand, der klein gegenüber dem
Durchmesser des Kugelfräsers ist, in die Basisflächen 26, 28 eingefräst.
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In
einem Schritt S3 misst die Werkzeugmaschine 10 mittels
des Messtasters den parallelen Versatz der Messflächen 32a, 32b gegenüber
einem vorgegebenen Sollwert, beispielsweise einem Sollwert von –0,1
mm, und überprüft in einem Sollwert-Istwertvergleich,
ob der gemessene Istwert dem Sollwert entspricht. Eine Abweichung
von diesem Sollwert resultiert im Fall der Messfläche 32a aus
einer Fehlkalibrierung der Werkzeuglänge und im Fall der
Messfläche 32b aus einer Fehlkalibrierung des
Werkzeugradius. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann neben der Kalibrierung der Maschinenkinematik auch zur Kalibrierung
des Werkzeugs genutzt werden, die in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
routinemäßig erfolgt. Auch wenn die kombinierte
Kalibrierung klare Vorteile im Hinblick auf die Zuverlässigkeit
und Präzision mit sich bringt, wäre es prinzipiell auch
denkbar, die Kalibrierung der Maschinenkinematik von der Kalibrierung
des Werkzeugs zu trennen.
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Die
korrekte Kalibrierung der Werkzeuglänge und des Werkzeugradius
erfolgt im Schritt S4. Die in der Programmsteuerung gespeicherten
Werte werden dabei abhängig von der Differenz zu den Sollwerten
angepasst.
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In
weiteren denkbaren Ausgestaltungen der Erfindung wäre es
denkbar, die Wirkkontur des Kugelfräsers nicht nur bei
0° und 90° bzw. der Werkzeuglänge und
dem Werkzeugradius sondern auch in weiteren Punkten in einer analogen
Weise zu bestimmen. Zum bestimmen der Wirkkontur bei 45° müsste zum
Beispiel eine um 45° gegenüber der Rotationsachse
der Werkzeugspindel 14 geneigte Messfläche erzeugt
werden.
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In
den Schritten S1–S3 wurden die Rundachsen B, C der Werkzeugmaschine 10 nicht
bewegt. Kinematikfehler der Rundachsen B, C haben daher auf die
Kalibrierung der Werkzeuglänge und des Werkzeugradius keinen
Einfluss. In den folgenden Schritten erfolgt die Kalibrierung dieser
Rundachsen B, C, und zwar insbesondere die Kalibrierung der Pivotlänge
und des Kopfversatzes und die Festlegung der exakten Achsenpositionen
der Rundachsen B, C in Bezug auf das den Translationsfreiheitsgraden
des Maschinenkopfs 12 entsprechende, bezogen auf das Maschinenfundament
unbewegliche Koordinatensystem X, Y, Z.
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In
einem Schritt S5 werden zur Kalibrierung der Pivotlänge
und des Kopfversatzes bezogen auf die Rundachse B zwei Messflächen 32c, 32d unmittelbar
nebeneinander in die Basisfläche 26 und weitere
Messflächen 32c', 32d' in die Basisfläche 28 eingefräst.
Die Pivotlänge ist der Abstand zwischen dem Mittelpunkt
des Werkzeugs und der B-Achse in der parallel zur Rotationsachse
der Werkzeugspindel 14 verlaufenden Richtung. Die beiden
Messflächen 32c, 32d bzw. 32c', 32d' werden
nacheinander in die horizontale Basisfläche 26 bzw.
in die Basisfläche 28 eingearbeitet, wobei der
Maschinenkopf 12 beim Einarbeiten der ersten Messfläche 32c in
einer ersten Schwenkposition um die B-Rundachse gehalten wird und
beim Einarbeiten der zweiten Messfläche 32d in einer
zweiten Schwenkposition um die B-Rundachse. Vorzugsweise unterscheiden
sich die beiden Schwenkpositionen um 90° und die Messflächen 32c und 32c' werden
mit senkrecht zu der Basisfläche 26 bzw. zu der
Basisfläche 28 ausgerichteter Spindelachse erzeugt,
während die Messflächen 32d und 32d' mit
parallel zu der Basisfläche 26 ausgerichteter Spindelachse
der Werkzeugspindel 14 eingearbeitet werden. Ist die Pivotlänge
in der Programmsteuerung falsch gespeichert, wird bei dem Schwenkvorgang des
Maschinenkopfs 12 der Kugelfräser nicht um seinen
Mittelpunkt, sondern um einen gegenüber diesem Mittelpunkt
axial versetzten Punkt gedreht. Die Folge ist ein horizontaler Versatz
der beiden Messflächen 32c, 32d bzw. 32c' und 32d' gegeneinander. Dieser
Versatz bzw. ein Höhenunterschied zwischen den beiden Messflächen 32c, 32d bzw. 23c' und 32d' wird
in einem Schritt S6 mit Hilfe des Messtasters gemessen. Aus den
vier Messwerten werden zwei Differenzen gebildet, aus denen die
Pivotlänge und der Kopfversatz berechnet werden.
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Die
Pivotlänge und der Kopfversatz werden im Schritt S6 in
der Programmsteuerung neu kalibriert. Dabei werden die zuvor in
Schritt S3 bestimmten Fehler in der Werkzeuglänge und dem
Werkzeugradius berücksichtigt.
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Anschließend
werden in einem Schritt S7 zur Ermittlung des Durchhangs in Y-Richtung
mehrere Messflächen 32i–32l in
die vertikale Basisfläche 30 des Testklotzes 24 eingefräst.
Jede der Messflächen 32i–32l wird
dabei mit einer unterschiedlichen Schwenkstellung des Maschinenkopfs 12 um
die B-Achse eingearbeitet, und zwar in der Schwenkstellung 90°,
67,5°, 45°, 22,5°. In einer Werkzeugmaschine
mit einer um mehr als 90° schwenkbaren A-Achse B-Achse
können andere geeignete Schwenkstellungen als Messwerte
gleichmäßig über den Schwenkbereich verteilt
werden.
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Die
Messflächen 32i–32l werden anschließend
im Schritt S7 mit dem Messtaster vermessen. Der Durchhang in Y-Richtung
wird aus den Messwerten bestimmt und in der Programmsteuerung zur
Kalibrierung berücksichtigt. Ein Kalibrierungsfehler im Kopfversatz
führt zu einer charakteristischen Abhängigkeit
der Abweichungen der Lage der Messflächen 32i–32l von
ihrer Sollposition in Y-Richtung. Ein Durchhang in Y-Richtung und/oder
eine Neigung der B-Rundachse gegenüber der Horizontalen
führt zu einem anderen charakteristischen Verlauf dieses Fehlers.
Beide Fehlerbeiträge können daher durch einfache
Algebra aus den vier Messwerten der Messflächen 32i, 32j, 32k, 32l auf
der Basisfläche 30 ermittelt werden.
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In
einem Schritt S8 erfolgt die Kalibrierung der vertikalen C-Achse,
um die der Werkstücktisch 16 drehbar ist. Dazu
werden in die Basisfläche 28 vier Messflächen 32e, 32f, 32g, 32h in
den Winkelstellungen 0°, 90°, 180° und
270° eingearbeitet bzw. eingekratzt.
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Die
Werkzeugmaschine arbeitet in dem erfindungsgemäßen
Kalibrierungsverfahren generell mit aktiver Kinematik (Tool Center
Point Management), und zwar in der aktuell gespeicherten Form. Der Werkzeugkopf
wird daher bei der Drehung des Werkstücks um die C-Achse
mit der Bewegung der Basisfläche 28 mitgeführt.
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Diese
Messflächen 32e–32h werden in
einem Schritt S8 mit Hilfe des Messtasters in einer gemeinsamen
Basisorientierung der Maschine gemessen und die C-Achse wird abhängig
von diesen Messwerten kalibriert. Dazu wird die Abweichung des Drehzentrums
der C-Achse in X-Richtung und die Abweichung des Drehzentrums der
C-Achse in Y-Richtung gemessen und in der Programmsteuerung berücksichtigt.
Die Messung ist eine Vergleichsmessung, die auf der Messung von
kleinen Differenzen zwischen einem Versatz der Messflächen 32e–32h in
X-Richtung beruht. Die Messflächen 32e–32h sind
auf einem engen Raum angeordnet. Der Abstand zwischen den Messflächen 32e–32h eines
Paars, die zu einer Differenzmessung verwendet werden, liegt vorteilhaft
unterhalb von ca. 20 mm.
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Anschließend
werden in einem Schritt S9 zur Ermittlung des Durchhangs in X-Richtung
mehrere Messflächen 32m–32p in
die vertikale Basisfläche 28 des Testklotzes 24 eingefräst.
Jede der Messflächen 32m–32p wird
dabei mit einer unterschiedlichen Schwenkstellung des Maschinenkopfs 12 um
die B-Achse eingearbeitet. Anschließend werden die Messflächen 32m–32p vermessen
und aus den Messwerten werden Differenzen gebildet, um die X-Komponente
des Durchhangs zu bestimmen.
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Schließlich
werden in einem Schritt S10 zur Ermittlung des Durchhangs in Z-Richtung
mehrere Messflächen 32q–32t in
die horizontale Basisfläche 26 des Testklotzes 24 eingefräst
und vermessen. Zur Ermittlung des Durchhangs in X-Richtung und in Z-Richtung
werden die gleichen Schwenkstellungen wie zur Ermittlung des Durchhangs
in Y-Richtung verwendet. In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung
wäre es auch denkbar, zur Ermittlung des Durchhangs mehr
oder weniger Schwenkstellungen bzw. Messflächen zu verwenden.
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In
einem Schritt S11 wird schließlich die Temperatur der Werkzeugspindel 14 gemessen
und ebenfalls gespeichert. In einem Schritt S12 wird schließlich
von einer Steuereinheit 34 der Werkzeugmaschine 10 eine
in 5 dargestellte Display-Darstellung mit den Messergebnissen
bzw. den während des Kalibrierungsvorgangs ermittelten
und kompensierten Kalibrierungsfehlern erzeugt.
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Es
werden die Abweichungen der Werkzeuglänge, des Werkzeugradius,
der Drehzentren der rotativen Achsen B und C und die verschiedenen Durchhänge
in Millimeter angegeben. Auf weiteren Bildschirmseiten können
weitere Messdaten dargestellt werden.
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6 zeigt
eine Visualisierung von Fehlern in dem Kopfversatz und in der Pivotlänge
in einer alternativen Display-Darstellung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Die ermittelten und behobenen Kalibrierungsfehler
können überzogen in einer schematisierten Darstellung
der Werkzeugmaschine dargestellt werden, wobei verschiedene Visualisierungsmittel
wie beispielsweise eine Verzerrung oder eine Darstellung des Maschinenkopfs 12 in
einer Soll-Position und in einer Ist-Position gewählt werden
können, wobei der Fehler um einen vorgegebenen Faktor,
beispielsweise 10000:1, vergrößert dargestellt
werden kann. Die Darstellung der durch den Kalibrierungsvorgang
behobenen Kalibrierungsfehler kann einerseits von Servicemitarbeitern des
Maschinenherstellers dazu benutzt werden, Rückschlüsse
auf mögliche Ursachen von großen Kalibrierungsfehlern
zu ziehen. Eine Verzerrung des Maschinenkopfs 12 kann beispielsweise
durch eine Kollision des Maschinenkopfs 12 verursacht sein,
die ein charakteristisches Fehlerprofil erzeugen kann. Andererseits
kann auch der Bediener der Maschine aus den Informationen Rückschlüsse
auf die Güte der vor der Kalibrierung hergestellten Werksstücke ziehen.
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Ferner
ist es denkbar, dass die Maschine die Kalibrierungsfehler zusammen
mit den relevanten Temperaturen, insbesondere der Spindeltemperatur, speichert
und zur automatischen Anpassung einer Temperaturkompensationsfunktion
nutzt, so dass die Maschine gewissermaßen aus ihren Fehlern
lernt. Die Temperaturkompensationsfunktion der Werkzeugmaschine,
insbesondere eine Korrektur bezogen auf die Spindeltemperatur, kann
dadurch ständig verbessert und beispielsweise an einen
Verschleißzustand der Werkzeugmaschine angepasst werden.
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Die
oben beschriebenen Messungen erfolgen derart, dass sich die Rundachsen
der Maschine in der Ausgangsstellung bzw. in der Basisorientierung,
insbesondere in der Stellung 0°, befinden, so dass während
der Vergleichsmessungen Fehler in der Maschinenkinematik keine Rolle
spielen. Alle Messungen erfolgen in einer Basisorientierung bzw. Ausgangsorientierung
der Maschine.
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- 10
- Werkzeugmaschine
- 12
- Maschinenkopf
- 14
- Werkzeugspindel
- 16
- Werkstücktisch
- 18
- Steuerkonsole
- 20
- Display
- 22
- Feld
- 24
- Testklotz
- 26
- Basisfläche
- 28
- Basisfläche
- 30
- Basisfläche
- 32a–32l
- Messfläche
- 34
- Steuereinheit
- B
- Rundachse
- C
- Rundachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102005008055
B4 [0002]
- - DE 3132383 C [0004]