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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Position eines in eine Werkstückeinspannvorrichtung eingespannten Werkstücks bei einer Werkzeugmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine.
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Bevor ein Werkstück mit einer Werkzeugmaschine bearbeitet werden kann, muss in der Regel die Position und gegebenenfalls die Ausrichtung des Werkstücks in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmaschine ermittelt werden. Hierzu wird in der Regel heutzutage ein Messtaster verwendet. Der Messvorgang erfolgt dabei bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen in der Regel in zwei Messschritten. Nachdem der Bediener den Messtaster in die Werkzeugaufnahmevorrichtung der Werkzeugmaschine eingespannt hat, bewegt der Bediener den Messtaster über die Werkzeugmaschine im Tippbetrieb oder Handradbetrieb in die Nähe der vorgesehenen Messstellen. An jeder Messstelle wird von der Werkzeugmaschine eine automatische Messbewegung des Messtasters durchgeführt und solchermaßen die Position des Werkstücks und, falls erwünscht, die Ausrichtung des Werkstücks ermittelt. Bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen wird, wie schon gesagt, der Messtaster vom Bediener über die Steuerung der Werkzeugmaschine mittels eines Handrads oder mittels Antippen einer Richtungstaste, welche bei jedem Antippen eine Bewegung des Messtasters in eine bestimmte Richtung veranlasst, verfahren. Diese manuell gesteuerte Bewegung des Messtasters ist dabei sehr aufwändig und der Bediener benötigt eine relativ lange Zeit, bis er solchermaßen per Hand den Messtaster in die Nähe der zu messenden Stelle, von der aus der anschließende automatisierte Messvorgang durchgeführt wird, verfahren hat.
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Bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen wird der Messtaster somit manuell (Handrad- oder Tippbetrieb) vorpositioniert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, auf einfache Art und Weise eine Ermittlung der Position eines in eine Werkstückeinspannvorrichtung eingespannten Werkstücks bei einer Werkzeugmaschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittelung der Position eines in eine Werkstückeinspannvorrichtung eingespannten Werkstücks bei einer Werkzeugmaschine, wobei von einem Bediener ein Positionsmesskopf, einer in einer Hand des Bedieners gehaltenen Positionserfassungseinrichtung, auf unterschiedliche auf der Oberfläche des Werkstücks liegende Positionen, nacheinander positioniert wird, wobei nach jeder Positionierung des Positionsmesskopfs die Position des Positionsmesskopfs in Bezug auf ein Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmasche ermittelt wird und aus den ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs die Position des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Werkzeugmaschine,
- – wobei die Werkzeugmaschine eine Werkstückeinspannvorrichtung zum Einspannen eines Werkstücks aufweist,
- – wobei die Werkzeugmaschine eine, in einer Hand eines Bedieners haltbare Positionserfassungseinrichtung aufweist,
- – wobei die Positionserfassungseinrichtung einen Positionsmesskopf aufweist,
- – wobei die Werkzeugmaschine derart ausgebildet ist, dass
wenn von dem Bediener der Positionsmesskopf auf unterschiedliche auf der Oberfläche des Werkstücks liegende Positionen nacheinander positioniert wird, von der Werkzeugmaschine nach jeder Positionierung des Positionsmesskopfs die Position des Positionsmesskopfs in Bezug auf ein Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmaschine ermittelbar ist und von der Werkzeugmaschine aus den ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs die Position des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelbar ist.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zu vorteilhaften Ausbildungen der Werkzeugmaschine und umgekehrt.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn nicht direkt aus den ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs die Position des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird, sondern dass ein Messtaster automatisiert nacheinander auf Positionen, die in der Nähe der ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs liegen, verfahren wird, wobei an jeder solchermaßen angefahrenen Position der Messtaster in Richtung des Werkstücks verfahren wird und bei Eintritt einer Berührung des Messtasters mit dem Werkstück die Position des Messtasters ermittelt wird und aus den ermittelten Positionen des Messtasters die Position des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird. Hierdurch wird eine hochgenaue Ermittlung der Position des in die Werkstückeinspannvorrichtung eingespannten Werkstücks ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn aus den ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs die Position und Ausrichtung des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird. Wenn zusätzlich zur Position auch die Ausrichtung des Werkstücks, d. h. die Orientierung des Werkstücks in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird, wird eine hochpräzise Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn aus den ermittelten Positionen des Messtasters die Position und Ausrichtung des Werkstücks im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird. Wenn zusätzlich zur Position auch die Ausrichtung des Werkstücks, d. h. die Orientierung des Werkstücks in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem ermittelt wird, wird eine hochpräzise Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht.
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Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn nach jeder Positionierung des Positionsmesskopfs die Position des Positionsmesskopfs in Bezug auf ein Maschinenkoordinatensystem der Werkzeugmasche ermittelt wird, wobei die Ermittelung der Position des Positionsmesskopfs bei Betätigung eines an der Positionserfassungseinrichtung angeordneten Tasters erfolgt. Hierdurch wird eine für den Bediener besonders bedienfreundliche Ermittlung der Position des Werkstücks ermöglicht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematisierte Ansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine,
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2 eine schematisierte blockförmige Detailansicht der für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente der Werkzeugmaschine und
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3 eine schematisierte Ansicht einer Positionserfassungseinrichtung
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In 1 ist in Form einer schematisierten perspektivischen Ansicht eine Werkzeugmaschine 14 dargestellt. Die Werkzeugmaschine 14 dient zur Bearbeitung eines Werkstücks 4, das mittels einer Werkstückeinspannvorrichtung, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von zwei Spannbacken 2 und 3 vorliegt, zwischen denen das Werkstück 4 eingespannt ist. Von einem Motor 15 wird rotierend ein Werkzeug 13, das im Rahmen des Ausführungsbeispiels als Fräser ausgebildet ist, angetrieben. Die Werkzeugmaschine 14 weist einen Maschinenkoordinatensystem 20 auf, dessen Nullpunkt N z. B. bei erstmaliger Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine festgelegt wird. Das Werkzeug 13 kann sich im Rahmen der im Ausführungsbeispiel dargestellten dreiachsigen Werkzeugmaschine 14 gegenüber dem Werkstück 4 in X-, Y- und Z-Richtung bewegen. Die Bewegung des Werkzeugs 13 in Bezug auf das Werkstück 4 wird dabei von einer Steuereinrichtung 11 gesteuert, die an eine Antriebseinrichtung 12 Sollwerte zur Bewegung des Werkzeugs 13 übermittelt. Die Antriebseinrichtung 12 umfasst dabei die zur Ansteuerung der Motoren der Werkzeugmaschine notwendigen Regeleinrichtungen und Stromrichter.
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Die vom Werkzeug 13 durchzuführenden Bewegungen werden dabei der Steuereinrichtung 11 in Form eines sogenannten Teileprogramms vorgegeben. Das Teileprogramm besteht dabei aus einer Vielzahl von Steuerbefehlen, die eine durchzuführende Bewegung des Werkzeugs 13 in Bezug auf ein Werkstückkoordinatensystem 21 angeben. Das Werkstückkoordinatensystem 21 weist dabei den Nullpunkt N' auf. Das Werkstückkoordinatensystem 21 wird dabei in der Regel so gewählt, dass dieses mit der Position des Werkstücks übereinstimmt. Das Werkstückkoordinatensystem 21 weist dabei die Richtungen X', Y' und Z' auf, die mit der Ausrichtung des Werkstücks 4, d. h. dessen Orientierung im Raum, übereinstimmen.
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Im Teileprogramm werden dabei im Allgemeinen die durchzuführenden Bewegungen des Werkzeugs 13 in Bezug auf das Werkstückkoordinatensystem 21 und somit in Bezug auf die Position und Ausrichtung des Werkstücks 4 angegeben. Die Steuereinrichtung 11 rechnet dabei die auf das Werkstückkoordinatensystem 21 bezogenen Angaben des Teileprogramms auf entsprechende Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem 20 um. Vor der Bearbeitung des Werkstücks 4 ist es somit notwendig, die Position des Werkstücks 4 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem und gegebenenfalls die Ausrichtung des Werkstücks 4 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 mittels Messungen zu ermitteln. Es sei dabei angemerkt, dass z. B. die X'-Achse des Werkstückkoordinatensystem 21 nicht unbedingt parallel zur X-Achse des Maschinenkoordinatensystems 20 verlaufen muss. So können z. B. die Spannbacken 2 und 3 leicht in der X-Y-Ebene verdreht sein, so dass die X'-Achse des Werkstückkoordinatensystems 21 nicht parallel zur X-Achse des Maschinenkoordinatensystems 20 verläuft.
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Die zum translatorischen Verfahren des Motors 15 und damit des Werkzeugs 13 in X-, Y- und Z-Richtung vorhandenen Motoren der Werkzeugmaschine 14 sind der Übersichtlichkeit halber in 1 nicht dargestellt.
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Erfindungsgemäß weist die Werkzeugmaschine 14 eine Positionserfassungseinrichtung 5 auf, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels über eine drahtgebundene Verbindung 30 mit der Steuereinrichtung 11 verbunden ist. Alternativ hierzu kann die Verbindung 30 aber auch drahtlos als Funkverbindung realisiert sein. Die Positionserfassungseinrichtung 5 ist in 3 in Form einer schematisierten Ansicht vergrößert dargestellt. Die Positionserfassungseinrichtung 5 wird dabei bei der Positionsbestimmung des Werkstücks in der Hand des Bedieners der Werkzeugmaschine gehalten und von der Hand im Raum bewegt. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Positionserfassungseinrichtung 5 ein längliches Halteelement 16 auf, das ein einfaches Halten in der Hand des Bedieners ermöglicht. An einem Ende der Positionserfassungseinrichtung 5, d. h. im Rahmen des Ausführungsbeispiels am Ende des Halteelements 16, ist ein Positionsmesskopf 17 angeordnet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Positionsmesskopf 17 eine spitzige Form auf, er kann jedoch auch eine kugelförmige oder andersartige Form aufweisen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist der Positionsmesskopf 17 im Inneren eine in 3 nicht dargestellte Antenne auf, die die Signale von drei an unterschiedlichen Positionen der Werkzeugmaschine 14 angeordneten Sendern 9a, 9b und 9c (siehe 1 und 2) empfängt und die empfangenen Signale an eine im Inneren des Halteelements 16 angeordnete Auswerteeinheit 31 übermittelt. Die Auswerteeinheit 31 ermittelt aus den Laufzeitunterschieden, der von den Sendern 9a, 9b und 9c ausgesendeten hochfrequenten elektromagnetischen Wellen, die Position des Positionsmesskopfs 17 im dreidimensionalen Raum (”Mirco-GPS”). Die Auswerteeinheit 31 übermittelt die solchermaßen gemessene Position des Positionsmesskopfs 17 über die Verbindung 30 an die Steuereinrichtung 11. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass alternativ die Auswerteeinheit 31 auch Bestandteil der Steuereinrichtung 11 sein kann, wobei die Antenne in diesem Fall direkt über die in diesem Fall drahtgebunden ausgeführte Verbindung 30 mit der Steuereinrichtung 11 verbunden ist und die Position des Positionsmesskopfs 17 in der Steuereinrichtung 11 ermittelt wird.
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Alternativ kann, was in 3 gestrichelt dargestellt ist, die Antenne aber auch in Form einer außerhalb des Positionsmesskopfs 17 angeordneten Antenne 18 vorliegen. Aus dem bekannten Abstand zwischen der Antenne 18 und dem Positionsmesskopf 17, und der von einer Ausrichtungseinheit 19 bestimmten Ausrichtung der Positionserfassungseinrichtung 5 im Raum, wird in dieser alternativen Ausführungsform von der Auswerteeinheit 31 die Position des Positionsmesskopfs 17 ermittelt und über die Verbindung 30 an die Steuereinrichtung 11 übermittelt. Es sei dabei angemerkt, dass auch bei dieser Ausbildung der Positionserfassungseinrichtung 5 die Auswerteeinheit 31 Bestandteil der Steuereinrichtung 11 sein kann, wobei die Antenne in diesem Fall direkt über die in diesem Fall drahtgebunden ausgeführte Verbindung 30 mit der Steuereinrichtung 11 verbunden ist und die Position des Positionsmesskopfs 17 in der Steuereinrichtung 11 ermittelt wird.
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Im Rahmen des Ausführungsbeispiels weist die Positionserfassungseinrichtung 5 einen Taster 21 auf. Wenn der Taster 21 vom Bediener gedrückt wird, erfolgt die Ermittlung der Position des Positionsmesskopfs 17. Dabei kann die Ermittlung der Position des Positionsmesskopfs 17 z. B. derart erfolgen, dass die Position des Positionsmesskopfs 17 permanent von der Auswerteeinheit 31 ermittelt wird und die beim Betätigen der Taste 21 gerade bestimmte Position als ermittelte Position des Positionsmesskopfs 17 angesehen wird.
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Alternativ hierzu kann die Ermittlung der Position des Positionsmesskopfs 17 aber auch z. B. derart erfolgen, dass die Position des Positionsmesskopfs 17 nicht permanent von der Auswerteeinheit 31 ermittelt wird sondern nur beim Betätigen der Taste 21 die Position des Positionsmesskopfs 17 von der Auswerteeinheit 31 ermittelt wird.
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In 2 sind in Form einer schematisierten blockförmigen Darstellung die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente der Werkzeugmaschine 14 vergrößert dargestellt. Auf dem Maschinentisch 1 ist in einer Werkstückeinspannvorrichtung, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels aus den beiden Spannbacken 2 und 3 besteht, ein zu bearbeitendes Werkstück 4 eingespannt. Die Werkzeugmaschine 14 weist ein Maschinenkoordinatensystem 20 auf, wobei die Position des Nullpunkts N des Maschinenkoordinatensystems 20, z. B. bei Erstinbetriebnahme der Werkzeugmaschine 14, festgelegt wird. Das Maschinenkoordinatensystem 20 weist eine X-, Y- und Z-Richtung auf.
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Bevor die Bearbeitung des Werkstücks 4 beginnen kann, muss die Position des Werkstücks 4 im Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 ermittelt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß mittels der Positionserfassungseinrichtung 5. Zur Ermittlung der Position des Werkstücks 4 wird hierzu vom Bediener die Positionserfassungseinrichtung 5 in die Hand genommen und der Positionsmesskopf 17 der Positionserfassungseinrichtung 5 nacheinander an unterschiedliche Messpositionen, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form der auf Oberfläche des Werkstücks 4 befindlichen Positionen 6a, 6b, 6c und 6d vorliegen, mit der Hand hingeführt. Nach jeder solchermaßen durchgeführten Positionierung des Positionsmesskopfs 17 auf die unterschiedlichen Positionen 6a bis 6d wird die Position des Positionsmesskopfs 17 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 der Werkzeugmaschine 14 ermittelt. Zur Ermittelung der Position 6a wird der Positionsmesskopf 17 vom Bediener auf die Position 6a positioniert, d. h. auf die Position 6a mittels einer Handbewegung hingehalten, so dass an der Position 6a der Positionsmesskopf 17 der Positionserfassungseinrichtung 5 das Werkstück 4 berührt. Anschließend wird die Position des Positionsmesskopfs 17 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 der Werkzeugmaschine 14 beim Betätigen der Taste 21 der Positionserfassungseinrichtung 5 ermittelt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis alle Positionen 6a bis 6d ermittelt sind. Zur Ermittlung der Position N' des Werkstücks 4 im dreidimensionalen Raum reicht es dabei aus, nur die Positionen 6a, 6b und 6c mittels der Positionserfassungseinrichtung 5 zu ermitteln. Aus den mittels des Positionsmesskopf 17 ermittelten Positionen 6a, 6b und 6c wird die Position N' des Werkstücks 4 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 ermittelt. Die Koordinate der Position N' in X-Richtung entspricht dabei der Koordinate in X-Richtung der Position 6b. Die Koordinate der Position N' in Y-Richtung entspricht dabei der Koordinate in Y-Richtung der Position 6a. Die Koordinate der Position N' in Z-Richtung entspricht dabei der Koordinate in Z-Richtung der Position 6c.
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Die Position N' des Werkstücks 4 bildet dabei den Nullpunkt des Werkstückkoordinatensystems 21. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass, wenn z. B. nicht wie im Ausführungsbeispiel, die Position des Werkstücks 4 im Raum ermittelt werden soll, sondern nur die Position des Werkstücks 4 in X- und in Y-Richtung, es ausreicht, wenn nur die Positionen 6a und 6b mittels der Positionserfassungseinrichtung 5 ermittelt werden.
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Der so genannte Nullpunktverschiebungsvektor V ergibt sich aus der Differenz der Nullpunktposition N' des Werkstückkoordinatensystems 21 und der Nullpunktposition N des Maschinenkoordinatensystems 20.
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In 2 ist gestrichelt gezeichnet das Werkstückkoordinatensystem 21 mit den Koordinatenachsen X', Y' und Z' dargestellt. Es kann dabei auch vorkommen, dass das Werkstück nicht parallel in X-Richtung ausgerichtet ist, da z. B. die beiden Spannbacken 2 und 3 nicht exakt parallel in X-Richtung verlaufen, sondern leicht um die Z-Achse gedreht angeordnet sind, so dass infolge die Richtung X' des Werkstückkoordinatensystems 21 nicht parallel verläuft zur Richtung X des Maschinenkoordinatensystems 20. Deshalb ist es im Allgemein sinnvoll, zusätzlich zur Position N' des Werkstücks auch seine Ausrichtung, d. h. seine Orientierung im Raum in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 zu ermitteln. Hierzu kann z. B. eine zusätzliche Position 6d mittels der Positionserfassungseinrichtung 5 auf der Oberfläche des Werkstücks ermittelt werden und die Steuereinrichtung 11 ermittelt aus den Positionen 6b und 6d die Ausrichtung des Werkstücks und damit die Orientierung der Richtung X' des Werkstückkoordinatensystems 21 in Bezug zur Richtung X des Maschinenkoordinatensystems 20. Die Steuereinrichtung 11 kann dann beim späteren Verfahren des Werkzeugs 13 die nicht parallel zur X-Richtung des Maschinenkoordinatensystems 20 verlaufende Ausrichtung des Werkstücks 4 ausgleichen.
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Wenn die Position und gegebenenfalls die Ausrichtung des Werkstücks sehr genau bestimmt werden sollen, kann sich gegebenenfalls zu dem oberen Verfahren ein weiterer Verfahrensschritt anschließen. Dabei wird nicht direkt wie oben aus den ermittelten Positionen des Positionsmesskopfs 17 die Position und gegebenenfalls die Ausrichtung des Werkstücks 4 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 ermittelt, sondern es wird von der Steuereinrichtung 11, von z. B. einem in der Steuereinrichtung 11 ablaufenden Messunterprogramm gesteuert, automatisiert ein Messtaster 7 (siehe 2, untere Zeichnung), mittels des Antriebssystems 12 der Werkzeugmaschine 14 nacheinander auf Positionen, die in der Nähe und vorzugsweise in der unmittelbaren Nähe der ermittelten Positionen 6a, 6b, 6c und gegebenenfalls 6d des Positionsmesskopfs 17 liegen, verfahren.
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Bei dem Messtaster 7 handelt es sich um einen handelsüblichen Messtaster, der im Rahmen des Ausführungsbeispiels in die Werkzeugeinspannvorrichtung des Motors 15 anstatt des Werkzeugs 13 eingespannt wird. Bei jeder der solchermaßen angefahrenen Positionen wird der Messtaster 7 in Richtung des Werkstücks automatisiert von der Steuereinrichtung 11 verfahren, was in 2 unten durch gestrichelt gezeichnete Pfeile dargestellt ist, wobei bei einer Berührung des Messtasters 7 mit dem Werkstück 4 die Position des Messtasters 7 automatisch von der Steuereinrichtung ermittelt wird. Anschließend wird aus den solchermaßen ermittelten Positionen des Messtasters 7 die Position N' des Werkstücks 4 in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 ermittelt. Hierdurch ist eine hochpräzise Ermittlung der Position N' des Werkstücks 4 und dessen Ausrichtung im Raum in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem 20 möglich.
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Die Erfindung ermöglicht eine deutliche Vereinfachung der heute üblichen Messverfahren mit Messtaster. Im Falle einer ausreichenden Messgenauigkeit des aus der Positionserfassungseinrichtung und den Sendern bestehenden Positionsmesssystems entfällt die sonst notwendige Ermittlung mittels Messtaster komplett. Im Falle, dass die Messgenauigkeiten des Positionsmesssystems nicht ausreicht, kann der Messvorgang mittels Messtaster dahingehend vereinfacht werden, dass das heute noch notwendige manuelle Vorpositionieren des Messtasters mittels Tipp- oder Handradbetrieb entfällt.
