EP0883466A1 - Verfahren zur korrektur der positionsbestimmung von werkstücken und werkzeugen in bearbeitungsmaschinen - Google Patents

Verfahren zur korrektur der positionsbestimmung von werkstücken und werkzeugen in bearbeitungsmaschinen

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EP0883466A1
EP0883466A1 EP97901538A EP97901538A EP0883466A1 EP 0883466 A1 EP0883466 A1 EP 0883466A1 EP 97901538 A EP97901538 A EP 97901538A EP 97901538 A EP97901538 A EP 97901538A EP 0883466 A1 EP0883466 A1 EP 0883466A1
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EP
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tool
workpiece
measuring
machine
positions
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EP97901538A
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Wolfgang Horn
Horst Sanzenbacher
Karlhermann Sus
Sören WELB
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Hueller Hille GmbH
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Hueller Hille GmbH
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Publication date
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    • G05B19/4015—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes going to a reference at the beginning of machine cycle, e.g. for calibration
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    • G05B2219/50—Machine tool, machine tool null till machine tool work handling
    • G05B2219/50133—With optical beam, tool crosses beam

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting the position determination of workpieces and tools that can be moved relative to one another in processing machines, in particular CNC machining centers, with the aid of machine-internal measuring systems.
  • the invention also relates to a processing machine, in particular a CNC center, for carrying out the method.
  • Positions of the workpiece and / or the tool are regularly recorded with the aid of machine-internal measuring systems which, however, cannot record the thermally induced changes in position in the working area of the tool. Since the setpoint values for the positions of the workpiece and tool specified by a machine control system depend on internal machine measurement systems can be specified, this can lead to machining inaccuracies.
  • the object of the invention is to avoid machining inaccuracies due to thermally induced changes in position of the workpiece and / or tool in the working area of the tool.
  • This object is achieved in that the workpiece or the workpiece carrier and the tool or the tool carrier with respectively assigned measuring points or measuring edges are moved simultaneously or at short intervals in succession through a fixed optical measuring barrier, that the respective positions of the workpiece when the measuring barrier is interrupted or the tool can be detected with the aid of the machine's internal measuring system, that the detected positions with stored positions may be from an earlier one
  • Measurement are compared and that the difference between the detected position and the stored position is used to correct the machine control.
  • the position detected in each case is preferably stored after a correction value has been formed, so that an earlier measurement serves as a reference for the next measurement.
  • all changes in position of the workpiece and tool or their carrier in the working area of the tool, regardless of the source from which they originate, can be recorded and used to form a correction value for the machine control.
  • the method can be used to generate correction values for each of the three spatial axes if corresponding optical measuring barriers are set up.
  • an optical beam e.g. a laser beam as
  • Measuring barrier used. Since also a beam of finite dimensions , it is advisable to move the workpiece and the tool through the measuring barrier in the same direction to ensure that the actual positions of the workpiece and tool are recorded in the same place.
  • the invention also relates to a processing machine, in particular a CNC processing center, with a workpiece holder and a tool holder, which can be moved relative to one another, and with a housing, which surrounds at least the working area of a tool connected to the tool holder, for carrying out the method described above .
  • This processing machine is characterized in that transmitters and receivers for an optical beam which cross the working area of the tool are arranged on opposite walls of the housing.
  • the optical steel should extend orthogonally to the direction of movement of the workpiece carrier and / or the tool carrier.
  • Fig. 1 shows schematically and partially an end view of a
  • FIG. 3 another embodiment of the object according to FIG. 1
  • FIG. 4 a plan view of the object according to FIG. 3.
  • the machine tool shown includes a machine bed 1, only indicated, with rails 2, on which a machine table 3 and a workpiece carrier with a workpiece 4 arranged thereon can be moved.
  • the rails 2 extend in the Z direction in accordance with the coordinate cross 5 indicated at the top right in FIG. 1.
  • the processing machine also includes a spindle 7 mounted in a spindle carrier 6, the spindle nose 8 of which is set up for the connection of a tool, not shown.
  • the axis of the spindle 7 also extends in the Z direction.
  • the spindle carrier 6 with the spindle 7 is movable in the Z direction.
  • the working area of the tool is crossed by an optical beam 9 which, in the embodiment shown, extends in an X-Y plane at an angle to the X direction and thus orthogonally to the Z direction.
  • the fixed beam 9 starts from a transmitter 10 and hits a receiver 11.
  • the transmitter 10 and the receiver 11 are arranged on the opposite sides of a housing, not shown, which at least surrounds the working area of the tool.
  • the spindle nose 8 has as its measuring edge 13 its end face, which extends in an X-Y plane.
  • both the machine table 3 or the workpiece carrier and the spindle carrier 6 are assigned to machine-internal measuring systems with which the respective positions of workpiece carrier 4 and spindle carrier 6 are detected, which then
  • the machine table 3 is a rotary table with two workpieces 4 arranged thereon, which are also rotatable.
  • 4a shows an enlarged part of the workpiece 4 with the associated measuring edge 12, which is also open in the Z direction.
  • the transmitter 10 and the receiver 11 for the fixed beam 9 are connected to the machine bed 1 like the other machines.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Positionsbestimmung von relativ zueinander bewegbaren Werkstücken und Werkzeugen in Bearbeitungsmaschinen, insbesondere CNC-Bearbeitungszentren, mit Hilfe von maschineninternen Meßsystemen. Bearbeitungsungenauigkeiten durch thermisch bedingte Positionsänderungen von Werkstück und/oder Werkzeug im Arbeitsbereich des Werkzeuges werden vermieden, wenn das Werkstück und das Werkzeug mit jeweils zugeordneten Meßpunkten oder Meßkanten gleichzeitig oder in kurzem Zeitabstand nacheinander durch eine ortsfeste optische Meßschranke bewegt werden, daß bei Unterbrechung der Meßschranke die jeweiligen Positionen des Werkstücks bzw. des Werkzeugs mit Hilfe des maschineninternen Meßsystems erfaßt werden, daß die erfaßten Positionen mit abgespeicherten Positionen aus einer früheren Messung verglichen werden und daß die Differenz zwischen der erfaßten Position und der abgespeicherten Position zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren zur Korrektur der Positionsbestimmung von Werkstücken und Werkzeugen in Bearbeitungsmaschinen
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur der Positionsbestimmung von relativ zueinander bewegbaren Werkstücken und Werkzeugen in Bearbeitungsmaschinen, insbesondere CNC-Bearbeitungszentren, mit Hilfe von maschineninternen Meßsystemen. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere CNC-Zentrum, zur Durchführung des Verfahrens.
Bei größeren Bearbeitungsmaschinen bzw. in größeren Bearbeitungszentren kann es insbesondere bei Veränderungen der
Raumtemperatur zu unterschiedlichen, wärmebedingten Ausdehnungen am Maschinenbett, den Werkstückträgern und Werkstücken sowie auch an den Werkzeugträgern bzw. Werkzeugen kommen. Neben der veränderten Raumtemperatur kann auch der Einsatz von Kühlmitteln zu unterschiedlichen Dehnungen führen. Selbst eine Anhäufung von thermisch belasteten Spänen z.B. bei der Trockenbearbeitung kann derartige Auswirkungen haben. Besonders bei schnelldrehenden Hauptspindeln kann es durch Lagererwärmung zu einem störenden Längenwachstum kommen. Alle diese thermisch bedingten Änderungen wirken sich im Arbeitsbereich des Werkzeuges auf die tatsächlichen
Positionen des Werkstückes und/oder des Werkzeuges aus. Regelmäßig werden die Positionen von Werkstück und Werkzeug mit Hilfe maschineninterner Meßsysteme erfaßt, die aber nicht die thermisch bedingten Positionsänderungen im Arbeitsbereich des Werkzeuges erfassen können. Da die einer Maschinensteuerung vorgegebenen Soll- Werte der Positionen von Werkstück und Werkzeug von den maschineninternen Meßsystemen vorgegeben werden, kann es infolge dessen zu Bearbeitungsungenauigkeiten kommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, Bearbeitungsungenauigkeiten durch thermisch bedingte Positionsänderungen von Werkstück und/oder Werkzeug im Arbeitsbereich des Werkzeuges zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Werkstück bzw. der Werkstückträger und das Werkzeug bzw. der Werkzeugträger mit jeweils zugeordneten Meßpunkten oder Meßkanten gleichzeitig oder in kurzem Zeitabstand nacheinander durch eine ortsfeste optische Meßschranke bewegt werden, daß bei Unterbrechung der Meßschranke die jeweiligen Positionen des Werkstückes bzw. des Werkzeuges mit Hilfe des maschineninternen Meßsystems erfaßt werden, daß die erfaßten Positionen mit abgespeicherten Positionen ggf. aus einer früheren
Messung verglichen werden und daß die Differenz zwischen der erfaßten Position und der abgespeicherten Position zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet wird. Vorzugsweise wird die jeweils erfaßte Position nach Bildung eines Korrekturwertes abgespeichert, so daß eine jeweils frühere Messung als Referenz für die nächstfolgende Messung dient. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle Positionsänderungen von Werkstück und Werkzeug bzw. deren Träger im Arbeitsbereich des Werkzeuges, unabhängig davon, aus welcher Quelle sie stammen, erfaßt und zur Bildung eines Korrekturwertes für die Maschinensteuerung verwendet werden. Das Verfahren kann grundsätzlich zur Korrekturwertbildung für jede der drei Raumachsen angewendet werden, wenn entsprechende optische Meßschranken eingerichtet werden.
Vorzugsweise wird ein optischer Strahl, z.B. ein Laserstrahl als
Meßschranke verwendet. Da auch ein Strahl endliche Abmessungen besitzt, empfiehlt es sich, das Werkstück und das Werkzeug in gleicher Richtung durch die Meßschranke zu bewegen, um sicherzustellen, daß die tatsächlichen Positionen von Werkstück und Werkzeug an der gleichen Stelle erfaßt werden.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Bearbeitungsmaschine, insbesondere ein CNC-Bearbeitungszentrum, mit einem Werkstückträger und einem Werkzeugträger, die relativ zueinander bewegbar sind, und mit einem Gehäuse, das wenigstens den Arbeitsbereich eines an den Werkzeugträger angeschlossenen Werkzeuges umgibt, zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens. Diese Bearbeitungsmaschine ist dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses Sender und Empfänger für einen optischen Strahl angeordnet sind, der den Arbeitsbereich des Werkzeuges kreuzt. Insbesondere sollte sich der optische Stahl orthogonal zur Bewegungsrichtung des Werkstückträgers und/oder des Werkzeugträgers erstrecken.
Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:
Fig. 1 schematisch und teilweise eine Stirnansicht einer
Bearbeitungsmaschine, Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1 in einer anderen Funktionsstellung, Fig. 3 eine andere Ausführung des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 4 eine Draufsicht auf den Gegenstand nach Fig. 3.
Zu der dargestellten Bearbeitungsmaschine gehört ein nur angedeutetes Maschinenbett 1 mit Schienen 2, auf denen ein Maschinentisch 3 und ein Werkstückträger mit darauf angeordnetem Werkstück 4 bewegbar ist. Die Schienen 2 erstrecken sich in Z-Richtung nach Maßgabe des in Fig. 1 rechts oben angedeuteten Koordinatenkreuzes 5. Zur Bearbeitungsmaschine gehört ferner eine in einem Spindelträger 6 gelagerte Spindel 7, deren Spindelnase 8 für den Anschluß eines nicht dargestellten Werkzeuges eingerichtet ist. Die Achse der Spindel 7 erstreckt sich ebenfalls in Z-Richtung. Der Spindelträger 6 mit der Spindel 7 ist in Z-Richtung bewegbar.
Der Arbeitsbereich des nicht dargestellten Werkzeuges wird von einem optischen Strahl 9 gekreuzt, der sich bei der dargestellten Ausführung in einer X-Y-Ebene unter einem Winkel zur X-Richtung und damit orthogonal zur Z-Richtung erstreckt. Der ortsfeste Strahl 9 geht von einem Sender 10 aus und trifft einen Empfänger 11. Der Sender 10 und der Empfänger 11 sind an den einander gegenüberliegenden Seiten eines nicht dargestellten Gehäuses angeordnet, welches zumindest den Arbeitsbereich des Werkzeuges umgibt.
Die Fig. 2a zeigt einen vergrößerten Teil des Werkstückes 4 mit einer Meßkante 12, die sich in X-Richtung erstreckt und in Z-Richtung weist. Die Spindelnase 8 besitzt als Meßkante 13 ihre Stirnfläche, die sich in eine X- Y-Ebene erstreckt.
Nicht dargestellt ist, daß sowohl dem Maschinentisch 3 bzw. dem Werkstückträger als auch dem Spindelträger 6 maschineninterne Meßsysteme zugeordnet sind, mit denen die jeweiligen Positionen von Werkstückträger 4 und Spindelträger 6 erfaßt werden, die dann die
Grundlage für die Maschinensteuerung bilden. Diese maschineninternen Meßsysteme können aber nicht thermisch bedingte Verlagerungen der einzelnen Bauteile und daraus resultierende Positionsänderungen von Werkstück und/oder Werkzeug im Arbeitsbereich des Werkzeuges erfassen. Daraus sich ergebende Bearbeitungsungenauigkeiten werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Werkstück 4 und das Werkzeug mit ihren jeweils zugeordneten Meßkanten 12 bzw. 13 gleichzeitig oder in kurzem Zeitabstand nacheinander durch den als ortsfeste optische Meßschranke dienenden Laserstrahl 9 bewegt werden, und zwar vorzugsweise in gleicher Richtung (Z-Richtung), daß bei Unterbrechung der Meßschranke die jeweiligen Positionen des Werkstücks 4 bzw. des Werkzeuges mit Hilfe des maschineninternen Meßsystems erfaßt werden, daß die erfaßten Positionen mit abgespeicherten Positionen aus einer früheren Messung verglichen werden und daß die Differenz zwischen der erfaßten Position und der abgespeicherten Position zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet wird. Insbesondere kann die jeweils erfaßte Position nach Bildung eines Korrekturwertes abgespeichert werden und damit den Referenzwert für die nächste Messung bilden. Es versteht sich, daß die erfaßten Positionen unabhängig vom maschineninternen Meßsystem abgespeichert werden.
Bei der in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführung bezeichnet gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Der Maschinentisch 3 ist ein Drehtisch mit zwei darauf angeordneten Werkstücken 4, die ebenfalls drehbar sind. Die Fig. 4a gibt einen vergrößerten Teil des Werkstückes 4 mit der zugeordneten Meßkante 12 wieder, die ebenfalls in Z-Richtung offen ist. Der Sender 10 und der Empfänger 11 für den ortsfesten Strahl 9 sind wie die anderen Maschinen mit dem Maschinenbett 1 verbunden. Bezugszeichenliste:
1 Maschinenbett
2 Schienen
3 Maschinentisch
4 Werkstück, Werkstückträger
5 Koordinatenkreuz
6 Spindelträger
7 Spindel, Werkzeugträger
8 Spindelnase
9 Strahl, Meßschranke
10 Sender
11 Empfänger
12 Meßkante an 4
13 Meßkante an 7 bzw. 8

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Korrektur der Positionsbestimmung von relativ zueinander bewegbaren Werkzeugen in Bearbeitungsmaschinen, insbesondere CNC-Bearbeitungszentren, mit
Hilfe von maschineninternen Meßsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (4) und das Werkzeug mit jeweils zugeordneten Meßpunkten oder Meßkanten (12,13) gleichzeitig oder in kurzem Zeitabstand nacheinander durch eine ortsfeste optische Meßschranke (9) bewegt werden, daß bei
Unterbrechung der Meßschranke (9) die jeweiligen Positionen des Werkstückes (4) bzw. des Werkzeuges mit Hilfe des maschineninternen Meßsystems erfaßt werden, daß die erfaßten Positionen mit abgespeicherten Positionen verglichen werden und daß die Differenz zwischen der erfaßten Position und der abgespeicherten Position zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch die Verwendung eines optischen Strahls (9) als Meßschranke.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (4) und das Werkzeug in gleicher Richtung durch die Meßschranke (9) bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils erfaßte Position nach Bildung eines Korrekturwertes abgespeichert wird.
5. Bearbeitungsmaschine, insbesondere CNC-Bearbeitungszentrum, mit einem Werkstückträger und einem Werkzeugträger, die relativ zueinander bewegbar sind, und mit einem Gehäuse, das wenigstens den Arbeitsbereich eines an den Werkzeugträger angeschlossenen Werkzeuges umgibt, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegen Wandungen des Gehäuses Sender (10) und
Empfänger (11) für einen optischen Strahl (9) angeordnet sind, der den Arbeitsbereich des Werkzeuges kreuzt.
6. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Strahl (9) sich orthogonal zur Bewegungsrichtung des Werkstückträgers (4) und/oder des Werkzeugträgers (7) erstreckt.
EP97901538A 1996-02-29 1997-01-17 Verfahren zur korrektur der positionsbestimmung von werkstücken und werkzeugen in bearbeitungsmaschinen Withdrawn EP0883466A1 (de)

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