DE2847510C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 25 02 203 A1 bekannt. Das Anfahren der Werkzeuge in den verschiedenen Richtungen zur Ermittlung der Einstellwerte erfolgt dabei mit je einem Meßsystem. Diese zusätzlichen - zu den bei einer NC-Maschine erforderlichen - Meß-Systeme sind aufwendig und stellen den wirtschaftlichen Einsatz solcher Einrichtungen in Frage. Aufwendig ist auch das Ein- und Ausfahren der zusätzlichen Meß-Systeme aus dem Arbeitsbereich bei der bekannten Vorrichtung (Seite 3, vorletzter Absatz).

Aus der DE 25 08 968 A1 ist für ein Handhabungssystem für die Bearbeitung von komplizierten, schwer genau justierbar einzuspannenden Werkstücken, wie z. B. Autokarosserien, die Anwendung von Stößeln in Sensoren zur Bestimmung der Lage der zu bearbeitenden Werkstückteile bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, bei einer Vorrichtung zur Korrektur der Längen und Radien von Werkzeugen bei numerisch gesteuerten Maschinen gemäß der DE 25 02 203 eine einfachere, gut handhabbare Geberanordnung vorzusehen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 näher beschrieben.

Vorteilhaft ist, daß lediglich mindestens zwei Grenztaster und ein zum Beispiel induktiver Null-Geber benötigt werden, dessen Null-Durchgang zur Lagebestimmung ausgewertet wird. Grenztaster und induktive Geber sind preisgünstige Massenartikel. Sie sind fest in einem 2-Achsen-Taster ortsfest angebracht, und es ist kein zusätzliches Ein- oder Zwei-Achsen-Meßsystem erforderlich, das separat bewegt werden muß. Vielmehr werden bei der vorliegenden Erfindung die ohnehin bei NC-Maschinen vorhandenen maschineneigenen Meßsysteme der Koordinaten-Achsen X und Z oder Y und Z herangezogen, wobei der Null- Durchgang den konstanten Maßen zur Maschine (a, b) entspricht. Hierbei wird durch eine einfache ortsfeste Einrichtung lediglich der Null-Punkt zum Soll-Ist-Vergleich gebildet. Dies ist nicht nur eine wesentliche Vereinfachung gegenüber dem Stand der Technik, sondern erhöht auch die Sicherheit.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein horizontales Bearbeitungs-Zentrum in der Seitenansicht mit eingesetztem Werkzeug,

Fig. 2 die Draufsicht auf das horizontale Bearbeitungs-Zentrum mit eingesetztem Werkzeug,

Fig. 3 den am X-Tisch fest angeordneten 2-Achsen-Taster im Schnitt,

Fig. 4 das Funktions-Diagramm einer automatischen Werkzeug-Längen-Korrektur,

Fig. 5 und 6 das Funktions-Prinzip zur Feststellung eines Fräser-Radius im vergrößerten Maßstab.

Bei dem horizontalen Bearbeitungs-Zentrum gemäß Fig. 1 ist das Werkzeug, im vorliegenden Falle ein Spiralbohrer, mit der Werkzeuglänge gleich 0 und in Fig. 2 dieses Werkzeug mit dem Radius gleich 0 programmiert. Mit Hilfe eines am X-Tisch befestigten 2-Achsen-Tasters 2 und dem in der NC-Maschine ohnehin vorhandenen Lagemeß-System der Maschinen-Z-Achse wird die reale Werkzeug-Länge und mit dem ebenfalls vorhandenen Lagemaß-System der Maschinen-X- (oder-Y-)Achse der reale Werkzeugradius ermittelt. Beide Werte werden als Korrekturwerte in die NC eingegeben.

An dem Maschinentisch 4, der die X-Achse fährt, ist ein 2-Achsen-Taster 2 so angeordnet, daß er zwar noch im Fahrbereich der Maschine 3 liegt, sich aber außerhalb des eigentlichen Bearbeitungsraumes befindet. Dieser Taster 2 ist mit dem Unterteil des in der X-Achse verfahrbaren Maschinentisches 4 fest verbunden und mit diesem verfahrbar. Die Höhenlage des Tasters 2 in der Y-Achse ist festgelegt.

Die Maschine 3, im vorliegenden Falle ein numerisch gesteuertes Bearbeitungszentrum mit horizontaler Arbeitsspindel 5, ist in ihren drei Bewegungsachsen mit je einem direkten Lagemeß-System ausgerüstet. Es sind jedoch auch indirekte Lage- bzw. Wegmeß-Systeme geeignet.

Der in Fig. 3 dargestellte 2-Achsen-Taster 2 weist zwei präzisionsgelagerte Taststößel 6 und 7 auf, die in der Höhe versetzt sind und mittels je einer Verzahnung 8 über ein Zahnritzel 9 spielarm miteinander verbunden sind. Die Taststößel 6 und 7 stehen, in der Ansicht von oben, wie in Abb. 3 dargestellt, genau rechtwinklig zueinander. Das heißt, der Taststößel 6 für die Werkzeug-Längen-Korrektur ist beweglich und liegt in der Z-Achse und der Taststößel 7 für die Werkzeugradius-Korrektur ist beweglich und liegt in der X-Achse der Maschine 3. Durch ihre formschlüssige Verbindung miteinander mittels der Verzahnung 8 und des Zahnritzels 9 sind ihre Bewegungen voneinander abhängig, und diese verlaufen absolut synchron. Wird z. B. der Taststößel 6 in der Z-Achse bewegt, so bewegt sich ebenfalls der um 90° versetzte Taststößel 7 zwangsläufig in der X-Achse mit und umgekehrt.

Durch diese formschlüssige Verbindung der beiden Taststößel 6 und 7 miteinander ist die Erfassung der Werkzeug-Längen- und -Radius-Korrekturen (in der Z- und X-Richtung) mit jeweils nur in einer Achse angeordneten Schaltgliedern und Regelgliedern möglich. Außer wesentlichen Kosteneinsparungen ergibt sich dadurch auch ein beachtlich verringertes Bauvolumen des 2-Achsen-Tasters 2 sowie des Steuerschrankes.

Die Taststößel 6 und 7 werden durch je eine Schraubenfeder 10 nach außen gedrückt und liegen in ihrer Ausgangslage mit dem Bund 11 an der Lagerbüchse 12 an. Zum Schutz gegen feinste Verunreinigungen sind die Taststößel 6 und 7 nach außen mit hermetisch dichtenden Gummibalgen 13 abgedeckt. Der Taststößel 6 der Z-Achse weist zwei Schaltschrägen 14 auf, die zwei Grenztaster 15 und 16 betätigen zur Reduzierung der Eilgang- Geschwindigkeit auf Referenz-Geschwindigkeit. Der Grenztaster 16 ist so eingestellt, daß er um ein geringes Maß, z. B. 0,2-0,5 mm, später als der Grenztaster 15 schaltet. Diese Doppelanordnung ist nicht zwingend, aus Sicherheitsgründen jedoch empfehlenswert.

Auf dem Taststößel 7 der X-Achse ist hinter dem Bund 11 ein Schaltstück 17 aufgeklemmt, das zur Betätigung des induktiven Gebers 18 und eines zusätzlichen Sicherheitsgrenztasters 19 dient. Der induktive Geber 18 ist parallel zur Achse des Taststößels 7 angeordnet und hat einen Betätigungshub von ca. ± 2 mm. Am Schaft 20 ist er mittels eines Klemmstückes 21 mit dem Gehäuse 22 des 2-Achsen-Tasters 2 verbunden.

Die Null-Position des induktiven Gebers 18 ist die Position, mit deren Erreichen die Werkzeuglängen- und -Radius-Korrekturen ermittelt werden. Als Kontaktfläche zur Spitze des induktiven Gebers 18, die mit einer Hartmetallkugel 23 bestückt ist, dient ein gehärteter Bolzen 24, der in das auf dem Taststößel 7 der X-Achse geklemmte Schaltstück 17 eingepreßt ist. Die Feinjustage der Null-Position des induktiven Gebers 18 erfolgt an der Auswerte-Elektronik.

Das Schaltstück 17 hat außerdem eine Schaltschräge 25 zur Betätigung des zusätzlichen Sicherheitsgrenztasters 19, der so eingestellt ist, daß er nach einem fehlerbedingten Überfahren der Null-Position des induktiven Gebers um ca. 0,2 mm ein Not-Aus-Signal gibt und somit eine Beschädigung oder Zerstörung des Werkzeuges, des Z-Achsen-Taststößels 7 oder der Maschine 3 verhindert.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel des 2-Achsen-Tasters 2 wurde die direkte Betätigung des induktiven Gebers 18 in die X-Achse gelegt, weil in der Regel die Werkzeug- Radien genauer eingestellt werden müssen als die Werkzeuglängen, und weil mit dieser Anordnung und der direkten Betätigung jegliche Übertragungsfehler vermieden werden und somit die höchste Genauigkeit in der X-Achse erreicht wird. Grundsätzlich kann jedoch der induktive Geber 18 auch in der Z-Achse angeordnet werden.

Der Betätigungshub der Taststößel 6 und 7 ist so groß, daß nach dem Anfahren der Grenztaster 15, 16 die Eilgang-Geschwindigkeit der jeweiligen Bewegungs-Achse (Z oder X) reduziert und die Referenz-Geschwindigkeit mit Sicherheit erreicht wird, bevor der induktive Geber 18 durch die Kontaktfläche 26 an dem gehärteten Bolzen 24 betätigt wird. Ab hier wird dann die Bewegungsachse geregelt in die Null-Position des induktiven Gebers 18 gefahren.

Bei dem induktiven Geber 18 handelt es sich um einen Analogschalter, der analog zu seiner Stellung eine unterschiedliche Spannung abgibt. Diese Spannung wird dazu benutzt, den Antrieb geregelt auf die Null-Position zu fahren. Der gesamte Regelweg von Beginn der Referenz-Geschwindigkeit in die Null-Position beträgt ca. 2 mm.

Die vorstehende allgemeine Beschreibung stellt die Erfindung im Zusammenhang mit einem horizontalen Bearbeitungszentrum dar. Sie kann aber grundsätzlich auch mit geringen Änderungen für vertikale Bearbeitungszentren verwendet werden. Ein funktioneller Unterschied besteht nicht.

Nachstehend werden die Ermittlungen der Korrekturwerte beschrieben:
Es wird davon ausgegangen, daß bei der Erstellung des Teile- Programmes die Werkzeuglänge und der Werkzeugradius = 0 zugrunde gelegt wurden. Grundsätzlich ist auch die Programmierung mit der Werkzeug-Soll-Länge möglich, doch ist die beschriebene Art zu bevorzugen, weil sich dann immer Korrekturwerte mit gleichen Vorzeichen ergeben.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der 2-Achsen-Taster 2 so angebracht, daß sich durch die Null-Position des induktiven Gebers 18, bezogen auf die Mitte des Maschinentisches 4, ein konstantes Maß a in Z-Richtung ergibt.

Bei der Programmierung mit Werkzeug-Länge = 0 ergeben sich für die einzelnen Positionen der Z-Achse Maße, die bei eingesetzten Werkzeugen um das reale Längenmaß derselben zu weit nach vorne liegen. Zur Erzielung der werkstückgerechten Soll-Positionen müssen sie mittels Korrekturwerten korrigiert werden, die den realen Werkzeuglängen entsprechen und, wie nachstehend beschrieben, automatisch ermittelt werden.

Vor dem Einfahren eines neuen Teileprogrammes werden alle dafür benötigten Werkzeuge in das Werkzeugmagazin des Bearbeitungszentrums eingelegt. Durch ausblendbare Unterprogramme, sogenannte Macros, werden bei der Bearbeitung des ersten Werkstückes die jeweils in die Arbeitsspindel 5 eingesetzten Werkzeuge in X- und Y-Richtung so gefahren, daß sie mit der Achse des Taststößels 6 der Z-Achse konzentrisch sind. Dann erfolgt der Befehl "Fahren in Z-Richtung bis Werkzeuglänge = 0 = a (constant) ist." Da aber jedes eingesetzte Werkzeug größer als 0 ist, stößt die Werkzeugspitze, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Spiralbohrer dargestellt, im Eilgang auf den Taststößel 6, der die Grenztaster 15 bzw. 16 betätigt. Hierdurch wird die Eilgeschwindigkeit dem Antrieb entsprechend maximal verzögert, bis die Referenz-Geschwindigkeit erreicht ist. Mit dieser Geschwindigkeit wird der induktive Geber angefahren, mittels dessen die Z-Achse geregelt in die Null-Position des induktiven Gebers 18 gefahren wird (Fig. 4). Ist diese erreicht, erfolgt ein Soll-Ist-Vergleich zwischen dem programmierten Wert der Z-Achse und dem jetzt am Lagemeßsystem 27 der Maschine 3 anstehenden Wert. Der dabei ermittelte Wert wird vorzeichenrichtig der NC als Werkzeuglängenkorrektur mitgeteilt und bei ausgeblendetem Unterprogramm bei den folgenden Programmabläufen berücksichtigt.

Beim erstmaligen Einfahren eines Teile-Programmes wiederholt sich der Vorgang so oft, wie Werkzeuge im Speicher sind.

Bei weiteren Teile-Programmläufen des gleichen Werkstückloses werden die ausblendbaren Unterprogramme unterdrückt und nur das normale Teile-Programm abgearbeitet.

Zur Ermittlung des Korrekturwertes für den Werkzeugradius wird auf Fig. 2 verwiesen. Hier ist die Anordnung des 2-Achsen-Tasters 2 dargestellt, bei der sich durch die Null-Position des induktiven Gebers 18, bezogen auf die Mitte des Maschinentisches 1, ein konstantes Maß b in X-Richtung ergibt.

Für Werkzeuge, bei denen eine Radius-Korrektur durchgeführt wird (Schaftfräser, Walzen-Stirnfräser usw.), ist in der Regel auch eine Werkzeug-Längenkorrektur erforderlich, so daß in diesen Fällen die beiden Unterprogramme nacheinander abgerufen werden, und zwar zunächst das für die Werkzeuglänge- Korrektur und dann das für die Werkzeugradius-Korrektur. Diese Reihenfolge ist für den vollautomatischen Ablauf wichtig, weil durch die automatisch ermittelte Werkzeuglänge und durch die automatische Addition eines konstanten Maßes c am 2-Achsen-Taster 2 (Fig. 3) sichergestellt ist, daß bei der anschließenden automatischen Werkzeugradius-Ermittlung die zu messenden Schneiden in der Z-Achse auf der Mitte des Taststößels 7 der X-Achse liegen. Das heißt, in das Unterprogramm zur Feststellung des Werkzeug-Radius ist vom Programmierer nur ein konstantes Maß in Y-Richtung einzugeben, damit die Werkzeugachse in der gleichen Höhe wie die Achse des Taststößels 7 der X-Achse steht.

Ist also, wie im voraufgegangenen Abschnitt beschrieben, die Werkzeuglänge automatisch ermittelt, fährt die Maschine 3 in der Z-Achse ca. 30 mm (Maß: c) zurück und anschließend der Maschinentisch 4 in X-Richtung soweit nach, daß der Abstand zwischen dem Taststößel 7 der X-Achse und der Werkzeugachse größer ist als der auf der jeweiligen Maschine 3 zugelassene maximale Werkzeug-Radius. Gleichzeitig fährt die Maschine 3 in der Y-Richtung so weit, daß Werkzeugachse und Taststößel-Achse auf gleicher Höhe liegen. Zu der ermittelten Werkzeuglänge wird automatisch das konstante Maß c addiert und mittels dieser Maße die Maschine 3 anschließend in der Z-Achse automatisch soweit gefahren, bis die Vorderkante des Werkzeuges mit der Achse des Taststößels 7 der X-Achse in Z-Richtung übereinstimmt.

Nach Erreichen der Z-Position fährt der Maschinentisch mit dem 2-Achsen-Taster 2 im Eilgang in X-Richtung auf das Werkzeug zu, bis der Radius des Werkzeuges den Taststößel 7 der X-Achse berührt. Daran anschließend beginnt, wie bereits bei der Werkzeug-Längen-Korrektur beschrieben, das Verzögern der Eilgang-Geschwindigkeit auf Referenz-Geschwindigkeit VR und anschließend das Fahren in die Null-Position des induktiven Gebers 18. Der einzige Unterschied gegenüber dem Verfahren zur Längenkorrektur besteht darin, daß es nicht in der Z-Achse, sondern in der X-Achse durchgeführt wird.

Eine Beschädigung der Werkzeugschneiden beim Anfahren an die Taststößel-Fläche mit Eilgang-Geschwindigkeit wird dadurch vermieden, daß die Werkzeuge so in die Arbeitsspindel 5 eingesetzt werden, daß der erste Kontakt mit dem Taststößel 7 der X-Achse nicht mit der eigentlichen Schneidkante, sondern mit der Freifläche erfolgt (Fig. 5). Nach Erreichen der Null-Position des induktiven Gebers 18 wird die Arbeitsspindel 5 mit dem Werkzeug entgegen der Schneidrichtung langsam gedreht, bis sich der maximale Werkzeug-Radius eingestellt hat (Fig. 6). Der induktive Geber 18 regelt den Achsantrieb der X-Achse automatisch nach, so daß am maschineneigenen Lagemeßsystem 27 der X-Achse der Maximalwert ermittelt und als Korrekturwert zum programmierten Werkzeugradius = 0 in den Korrekturspeicher der NC eingegeben werden kann. Daran schließend fährt die Maschine in der X-Achse um ca. 30 mm im Eilgang in umgekehrter Reihenfolge zur Freigabe des Taststößels 7 der X-Achse und dann in eine beliebige, vom Programmierer bestimmte Position, um nun die Bearbeitungsoperation des Teile-Programmes mit diesem Werkzeug auszuführen. Das beschriebene und im Programmspeicher der NC abgelegte Unterprogramm wird hier ebenfalls nur jeweils beim erstmaligen Einsatz des Werkzeuges aufgerufen. Bei folgenden Aufrufen des gleichen Werkzeuges wird es unterdrückt, denn die Korrekturwerte sind ja bekannt und im Korrekturspeicher der NC abgelegt.

Die Unterprogramme können sowohl für die Werkzeuglängen- als auch für die -Radius-Korrektur nach gewissen Einsatzzeiten der Werkzeuge wieder aufgerufen werden, z. B. um den Verschleiß der Werkzeugschneiden in einer erneuten Korrektur zu berücksichtigen, d. h., die Korrekturwerte zu aktualisieren.

Auch hier ist die vorstehende Beschreibung auf ein Bearbeitungszentrum mit horizontaler Arbeitsspindel bezogen. Das gleiche Prinzip ist auch bei entsprechender Anordnung des 2-Achsen-Tasters 2 für Bearbeitungszentren mit vertikaler Arbeitsspindel einzusetzen.

In Fig. 4 ist das Funktions-Diagramm der automatischen Korrektur der Werkzeuglänge bzw. des Werkzeugradius dargestellt. Auf der horizontalen Achse dieses Diagrammes ist der Weg s und auf der vertikalen Achse die Geschwindigkeit in m/min. des Taststößels 6 und 7 aufgetragen. Nachstehend wird die Bedeutung der römischen Zahlen entlang des Kurvenverlaufes wiedergegeben:

I
X und Y, bzw. Y und Z in Soll-Position
II	Fahren mit Eilganggeschwindigkeit
III	Betätigung des Grenztasters
IV	Geschwindigkeitsreduzierung auf Referenzgeschwindigkeit VR
V	VR erreicht
VI	Fahren mit VR
VII	Betätigung des induktiven Gebers
VIII	geregelt in Null-Position fahren
IX	Null-Position des induktiven Gebers erreicht

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Korrektur der Längen und Radien von Werkzeugen für numerisch gesteuerte Maschinen mit Lage- oder Wegmeß-Systemen mittels Soll-Ist-Vergleich zwischen den programmierten Werkzeuglängen und -radien und den realen Maßen mittels der vorhandenen maschineneigenen - den Bewegungsachsen - X-Achse und Z-Achse - zugeordneten - Lage- oder Wegmeß-Systeme, bei der die Differenz vorzeichenrichtig im Korrekturspeicher der NC als Längen- oder Radius-Korrektur abgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Ist-Vergleich in einer Null-Position oder bei einem Null-Durchgang mindestens eines Null-Gebers (18) durchgeführt wird und dieser so angeordnet ist, daß seine Null-Position oder Null-Durchgang in der Z- und X-Achse jeweils einem konstanten Maß (a, b) bezogen auf einen Maschinenpunkt (Mitte des Maschinentisches) entspricht, daß der Null-Geber (18) mittels zweier rechtwinklig in der Z- und X-Achse angeordneter, bewegbarer Taststößel (6, 7), die formschlüssig miteinander verbunden sind, betätigt wird und daß der Null-Geber (18) und die Taststößel (6, 7) in einem Tastgehäuse angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Anfahren eines der Taststößel (6, 7) durch ein Werkzeug ein Grenztaster (15, 16) betätigt wird, der das Abbremsen des Werkzeuges in der jeweiligen Bewegungsachse (Z, X) aus einem Eilgang auf eine Referenz- Geschwindigkeit einleitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dieser Referenzgeschwindigkeit der Taststößel (7) den Null-Geber (18) anfährt und daß beim Erreichen der Null-Position oder des Null-Durchgangs des Null-Gebers (18) der Soll-Ist-Vergleich zwischen der programmierten Werkzeuglänge und -radius und dem am Lage- oder Wegmeßsystem (27) anstehenden Wert die Längen- oder Radius-Korrektur liefert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der vorzunehmenden Radius-Korrektur zunächst die Längen- Korrektur durchgeführt wird, wobei die Position des Werkzeuges in der Z-Achse ermittelt wird, da diese für die anschließende Radius- Korrektur erforderlich ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taststößel (6, 7) präzisionsgelagert und in der Höhe versetzt angeordnet sind und daß ein bezüglich seiner Achse senkrecht zu den Achsen der beiden Taststößel (6, 7) verlaufendes Zahnritzel (9) mit Verzahnungen der Taststößel (6, 7) kämmt und daß für die Z-Achse mindestens der Grenztaster (15) vorhanden ist und der Null-Geber als ein induktiver Geber (18) ausgeführt ist, wobei dieser parallel zur Achse des in der X-Achse bewegbaren Taststößels (7) angeordnet ist und durch ein an diesem befestigtes Schaltstück (17) zu schalten ist, daß die Taststößel (6, 7) über Federn (10) nach außen bis zur Anlage an einem Anschlag (12) im Tastgehäuse gedrückt sind und daß jeder Grenztaster (15, 16) über je eine Schaltschräge (14) in dem in der Z-Achse bewegbaren Taststößel (6) zu schalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltstück (17) eine weitere Schaltschräge (25) aufweist, über die ein Sicherheitsgrenztaster (19) zu schalten ist.