DE102010047284A1

DE102010047284A1 - Verfahren und Einrichtung zum bearbeitungssynchronen Messen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102010047284A1
Application number: DE102010047284A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Naumann Hans J.; Matthias Großer; Dirk Werner
Original assignee: Niles Simmons Industrieanlagen GmbH
Current assignee: Niles Simmons Industrieanlagen GmbH
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Werkstückmessen in Werkzeugmaschinen mit berührenden und berührungslosen Messeinrichtungen, die in X-, Y- und Z- Richtung verfahrbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesbezügliche technische Lösung zum gleichzeitigen Messen und Bearbeiten (spanabhebende Prozesse) in Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Dabei soll ein kontinuierlicher Führungsvorgang Bearbeiten, Messen und Korrigieren realisiert werden. Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Messung bearbeitungssynchron, mit einer Lasermesseinrichtung (6), deren Ausrichtung auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist, an einem Punkt, bei drehendem Werkstück erfolgt. Dabei ist die in X-Richtung und/oder Z-Richtung und/oder Y-Richtung verfahrbare Lasermesseinrichtung (6) auf einem separaten Messschlitten 5 angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum bearbeitungssynchronen Messen eines Werkstücks in Werkzeugmaschinen. Während der Bearbeitung durch spanabhebende Prozesse, zum Beispiel Drehen und Fräsen, überwiegend rotationssymmetrischer Teile aber auch komplexer Teile mit rotationssymmetrischen und nicht rotationssymmetrischen Formelementen, soll gleichzeitig das Messen durchgeführt werden.
Bei spanabhebenden Werkzeugmaschinen, die mit Werkzeugen mit bestimmter Schneide arbeiten, darunter werden Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Dreh-Fräs-Bearbeitungszentren verstanden, wird bisher entweder bearbeitet oder gemessen. Beide Prozesse laufen nacheinander ab, wobei durch das Messen Korrekturwerte ermittelt und durch die Steuerung verarbeitet werden. Das nacheinander Messen ist in der Regel mit einem Tausch des Werkzeugs durch ein Messmittel verbunden. Andererseits ist das Messen außerhalb der Maschine mit einer speziellen Messeinrichtung bei Teilen höchster Präzision noch üblich. Für rotationssymmetrische Teile werden überwiegend Zweipunktmesssysteme eingesetzt. Aus dem Bereich Schleifmaschinen sind bearbeitungssynchrone Messungen mit tastenden Messeinrichtungen bei ständiger Anlage an dem rotierenden Werkstück bekannt. Diese können nicht ohne weiteres in den o. g. Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehmaschinen, eingesetzt werden, da in diesen Maschinen andere Umgebungsbedingungen, hauptsächlich in Form größerer Spanvolumen und Verunreinigung herrschen.
Aus DE 40 32 361 A1 ist eine berührungslose Messung durch optische Triangulation mittels einer Laserdiode bekannt, wobei der Beleuchtungsstrahl und die optische Achse der Abbildungselektronik einen Winkel von 30° bilden. Mit dieser Lösung kann nicht bearbeitungssynchron gemessen werden, da mit dem Revolver entweder der Werkzeughalter oder der Messkopf eingesetzt werden kann.
In DE 102 08 990 A1 wird ein Bildverarbeitungssystem vorgeschlagen, wobei die Strahlung eine UV-Strahlung, eine IR-Strahlung oder sichtbares Licht ist.
DE 10 2007 060 661 A1 beschreibt eine Messeinrichtung mit zwei gegenüberliegenden Messflanken mit gestuften Anlageflächen zur Messung mehrerer Durchmesser.
Gemäß EP 0 199 705 A2 wird ein Messfühler aus einem Werkzeugmagazin in einen Planschlitten für eine Zweipunkt-Werkstückmessung eingewechselt.
Nachteilig ist bei den oben genannten technischen Lösungen, dass die Messung bei ruhenden Werkstücken hohe Nebenzeiten und einen höheren Energiebedarf der Maschine bedingt. Die Messungen erfolgen bei Werkzeugmaschinen nach der Bearbeitung, punktuell oder mit zwei Messflanken. Jeder Messpunkt muss angetastet oder ausgerichtet werden. An Schleifmaschinen werden vorwiegend berührende Messfühler eingesetzt, da die Werkstücke sauber gespült sind. Diese berührenden Messfühler können aufgrund des Späneanfalls bei der spanenden Bearbeitung und bei Trockenbearbeitung mit Werkzeugen mit bestimmter Schneide nicht eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der o. g. Messeinrichtungen zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum gleichzeitigen Messen und Bearbeiten (spanabhebende Prozesse) in Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Es ist ein kontinuierlicher Führungsvorgang Bearbeiten, Messen und Korrigieren zu realisieren. Die Messeinrichtung soll universell einsetzbar sein. Ziel ist es, die Bearbeitungszeit deutlich zu verkürzen, wodurch die Stückkosten gesenkt und die Qualität erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Lasermesseinrichtung auf einem separaten, zusätzlichen Schlitten angeordnet ist, der vorzugsweise gegenüber des Werkzeuges angeordnet ist und Verfahrwege in Xm-, Ym- und Zm-Richtung ermöglicht. Die Achse Ym kann wahlweise entsprechend der Messaufgabe angeordnet werden, wobei diese Achse insbesondere bei nicht rotationssymmetrischen Werkstücken benötigt wird, beispielsweise bei der Bearbeitung von Bohrungen, Sechskant und Gewinde.
Die Messeinrichtung arbeitet berührungslos, mit Laser, kann aber auch mit einer tastenden Messeinrichtung bestückt sein. Durch die Bewegungen des Schlittens werden Messungen in axialer, tangentialer und radialer Richtung zum Werkstück möglich. Dieser Aufbau ermöglicht das Messen bearbeitungssynchron, d. h., während der Bearbeitung oder während der Nebenzeiten (Werkzeugwechsel).
Die Messeinrichtung kann die Daten der Lasermessung auswerten und automatisch den Durchmesser und die Nachstellung des Werkzeuges berechnen. Die Messeinrichtung kann vorzugsweise als Laserdistanzsensor oder schaltender Laser ausgeführt sein. Der Laserdistanzsensor beinhaltet Sender, Empfänger und Auswerteeinheit. Gemessen wird direkt zur Oberfläche des Werkstücks. Die Messung erfolgt an einem Punkt bei drehendem Werkstück. Die Messeinrichtung ist nach der Werkstückmitte auszurichten oder einzustellen. Vorzugsweise erfolgt die Messung parallel zur X-Achse. Neben der Messung von Durchmessern können Radien, Unrundheiten und beliebige Formen gemessen werden.
Die Anordnung der Messeinrichtung kann an frei beweglichen Schlitten, die unabhängig vom Bearbeitungsschlitten verfahrbar sind, erfolgen. Die Messeinrichtung kann auch direkt am Bearbeitungsschlitten angebracht werden. Bei Anordnung am Bearbeitungsschlitten kann jedoch nur in einem bestimmten Abstand vom Werkzeug an der bearbeiteten Fläche gemessen werden. Unter Nutzung an der Maschine vorhandener Vorschubeinrichtungen kann die Messeinrichtung bzw. der Laserdistanzsensor auch auf einem Lünettenschlitten, der bereits über eine Z-Achse verfügt, mit den zusätzlichen Messachsen in Xm bzw. Ym angebracht werden.
Die Messeinrichtung sollte vorzugsweise gegenüber der Zerspanungsstelle oder an beliebigen Punkten im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine installiert werden. Weiterhin kann die Anbringung an vorhandenen Aggregaten oder Vorschubeinheiten integriert oder als separate Einheit erfolgen. Vorteilhaft ist die der Zerspanungsstelle gegenüberliegende Anordnung des Messschlittens, so dass weitestgehend ohne eine Beeinflussung durch Späne während der Bearbeitung beliebig gemessen werden kann. Vorzugsweise sollten genaue Führungssysteme an der Werkzeugmaschine für die Bearbeitungs- und Messschlitten eingesetzt werden.
Mit der Lasermesseinrichtung können verschiedenartige geometrische Punkte, z. B. Absätze oder Flanken gemessen und damit Abstände bzw. Längen am Werkstück ermittelt werden.
Die Lösung der Aufgabe umfasst weiterhin eine maschinentaugliche Laserschranke, die einen Punkt an den jeweiligen Messstellen (zum Beispiel Passungen) fixiert und danach mittels einer Hubvorrichtung die Tangente an der Werkstückoberfläche der zu bearbeitenden Passungen prozessintern erfasst. Die Messung erfolgt damit tangential zur Werkstückoberfläche mit einem so genannten Unterbrechungslaser. Die Messung kann bei ruhendem oder auch drehendem Werkstück erfolgen.
Durch Verfahren der Messeinrichtung, des Laserdistanzsensors, in Richtung Y-Achse mittels Hubeinrichtung, wird ausgehend vom Werkstückmittelpunkt bis zur Tangente der Werkstückoberfläche gemessen. Diese Messeinrichtung besteht aus einem Messschlitten mit einer Längenmesseinrichtung, Hubeinrichtung und Laserdistanzsensor. Die Messung erfolgt nur in einer Richtung. Der Laserdistanzsensor ermöglicht die Realisierung einer sehr hohen Messgenauigkeit. Weiterhin kann neben rotationssymmetrischen Werkstücken jede erreichbare Kontur eines Werkstückes vermessen werden, beispielsweise Gewindegänge, hergestellt mit Abwälzfräsen, gefräste Flächen und Bohrungen.
Die Werkzeugmaschine hat eine Steuerung oder einen zusätzlichen Messrechner für die Auswertung der Messdaten. Die erforderliche Software berechnet den Werkstückdurchmesser. Die Messung ermöglicht prozessintern eine genaue Bestimmung der realen Werkstückdurchmesser. Mit einer geeigneten Software wird die Rückkopplung zum Prozess des Werkzeuges zum Ausgleichen des Schneidkantenrückversatzes eingeleitet.
Die Werkzeugmaschine kann weiter ausgestaltet werden, beispielsweise durch Anordnung einer Späneabblaseinrichtung und/oder einer Reinigungseinrichtung.
Nachfolgend werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 den Grundaufbau einer Werkzeugmaschine
2 die Seitenansicht einer Schrägbett-Werkzeugmaschine
3 die Messung mit einem Unterbrechungslaser
4 ein komplexes Bauteil
1 zeigt sinnbildlich den Grundaufbau einer Werkzeugmaschine bzw. eines Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrums mit einem Maschinenbett, Bearbeitungsschlitten 8, Werkzeug 12, Hauptspindel 3, Gegenspindel/Reitstock 4, Werkstück 2 und einem zusätzlichen Messschlitten 5 gegenüber dem Werkzeug 12 angeordnet. Andererseits kann der Messschlitten 5 auch im oberen Bereich der Maschine, wenn der Bearbeitungsschlitten 8 auf einem unteren Schlitten angeordnet ist, angebracht werden.
2 zeigt die Seitenansicht einer Schrägbett-Werkzeugmaschine mit den zugeordneten Achsen Z, X und Y und mit einem erfindungsgemäßen Messschlitten 5. Für die Wegmessung ist der Messschlitten 5 mit einem Laserdistanzsensor 6 gegenüber der Zerspanungsstelle 12 angebracht. Zunächst erfolgt die Justierung des Messschlittens 5 mit dem Laserdistanzsensor 6 und den Messachsen Xm und Zm. Die Justierung mit der Messachse Ym wird erforderlich, wenn die Werkstückmitte nicht mit dem Messpunkt des Laserdistanzsensors 6 übereinstimmt. Die Werkstückmitte wird mit der Längenmesseinrichtung 9 und der Software der Maschine fixiert. Bei ruhendem und/oder drehendem Werkstück 2 wird der Durchmesser des Werkstückes 2 in Verbindung mit der Software der Maschine oder mit einem Messrechner ermittelt. In diesem Fall wird eine Anordnung der Messachse Ym nicht erforderlich. Mit der Messachse Ym kann der Laserdistanzsensor 6 über die Drehmitte verschoben werden.
In 3 wird die Messung mit einem Unterbrechungslaser dargestellt. Das Verfahren des Laserdistanzsensors 6 erfolgt als Laserschranke mit der Hubeinrichtung 7 und der Messachse Ym in Y-Richtung. Die Durchführung des Messvorganges erfolgt, indem zunächst mit dem Messschlitten 5 und dem Laserdistanzsensor 6 die Werkstückmitte fokussiert wird. Dabei kann durch Drehung des Werkstückes 2 und/oder mit einer Längenmesseinrichtung 9 der für die Messung notwendige höchste Punkt am Werkstück 2, der Messpunkt 11 gefunden werden. Die Lasermesseinrichtung 6 kann entlang der Messachse Ym mit einer Hubeinrichtung 7 auf die erforderliche Position der Messpunkte von 10 zu 11 verfahren werden. Diese unterschiedlichen Positionen sind in der Zeichnung durch eine unterbrochene bzw. umlaufende Konturlinie der Lasermesseinrichtung 6 stilisiert dargestellt. Der Messvorgang beginnt durch ein Verfahren des Laserdistanzsensors 6 mittels der Hubeinrichtung 7 vom Messpunkt 10 zum Messpunkt 11. Der Laser tastet die Werkstückoberfläche über mindestens 90° ab. Die Feststellung des Durchmessers des Werkstückes erfolgt in Verbindung mit der Software der Maschine.
Aus 4 sind einige Beispiele für mögliche Messungen an einem komplexen Bauteil ersichtlich, wobei hier Anwendungen für die Bearbeitungsverfahren Drehen, Fräsen, Abwälzgewindefräsen und Bohren dargestellt sind. Dabei können Bohrungen 13, Passungen 14, Sechskantkonturen 15 oder auch Gewinde 16 gemessen werden.
Bezugszeichenliste

1: Maschinenbett
2: Werkstück
3: Hauptspindel
4: Gegenspindel/Reitstock
5: Messschlitten
6: Lasermesseinrichtung/Laserdistanzsensor
7: Hubeinrichtung
8: Bearbeitungsschlitten
9: Längenmesseinrichtung
10: Messpunkt 1
11: Messpunkt 2
12: Werkzeug/Zerspanungsstelle
13: Bohrung
14: Passung
15: Sechskant
16: Gewinde
Xm: Messachse in X-Richtung
Ym: Messachse in Y-Richtung
Zm: Messachse in Z-Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4032361 A1 [0003]
DE 10208990 A1 [0004]
DE 102007060661 A1 [0005]
EP 0199705 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Werkstückmessen in Werkzeugmaschinen mit berührenden und berührungslosen Messeinrichtungen, die in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bearbeitungssynchron, mit einer Lasermesseinrichtung (6), deren Ausrichtung auf die Werkstückoberfläche gerichtet ist, an einem Punkt, bei drehendem Werkstück erfolgt.
Verfahren zum Werkstückmessen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten der Lasermesseinrichtung (6) zeitsynchron ausgewertet und automatisch die Werkstückflächen und die Nachstellung des Werkzeuges berechnet werden.
Verfahren zum Werkstückmessen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bearbeitungssynchron mit einer tastenden Messeinrichtung, die auf die Werkstückmitte gerichtet ist, und an einem Punkt an der Werkstückoberfläche bei drehendem Werkstück erfolgt.
Verfahren zum Werkstückmessen in Werkzeugmaschinen mit berührenden und berührungslosen Messeinrichtungen, die in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bearbeitungssynchron oder am ruhenden Werkstück an der Werkstückoberfläche zwischen der Werkstückmitte (Messpunkt 10) und der Tangente der Werkstückoberfläche (Messpunkt 11), in einem Messbereich von mindestens 90° erfolgt.
Verfahren zum Werkstückmessen in Werkzeugmaschinen mit berührenden und berührungslosen Messeinrichtungen, die in X-, Y- und Z-Richtung verfahrbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung nicht bearbeitungssynchron, sondern während der Nebenzeiten bei drehendem oder ruhendem Werkstück bis zu 360° erfolgt.
Einrichtung zum Werkstückmessen in Werkzeugmaschinen zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lasermesseinrichtung (6), verfahrbar in X-Richtung und/oder Z-Richtung und/oder Y-Richtung, auf einem separaten Messschlitten 5 angeordnet ist.
Einrichtung zum Werkstückmessen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasermesseinrichtung (6) gegenüber dem Werkzeug (12) angeordnet ist.
Einrichtung zum Werkstückmessen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messschlitten (5) eine Längenmesseinrichtung (9) aufweist.
Einrichtung zum Werkstückmessen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) an frei beweglichen Schlitten der Werkzeugmaschine angeordnet ist.
Einrichtung zum Werkstückmessen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugmaschine eine Späneabblaseinrichtung und/oder eine Reinigungseinrichtung angeordnet ist.