WO2006005700A1 - Regelungsverfahren für eine werkzeugmaschine mit numerischer steuerung - Google Patents

Regelungsverfahren für eine werkzeugmaschine mit numerischer steuerung Download PDF

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WO2006005700A1
WO2006005700A1 PCT/EP2005/053206 EP2005053206W WO2006005700A1 WO 2006005700 A1 WO2006005700 A1 WO 2006005700A1 EP 2005053206 W EP2005053206 W EP 2005053206W WO 2006005700 A1 WO2006005700 A1 WO 2006005700A1
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machining head
workpiece
relative movement
additional sensor
state variables
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PCT/EP2005/053206
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Jochen Bretschneider
Hans Vogler
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—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
    • G05B19/404—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 compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
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    • Y10T82/00—Turning
    • Y10T82/10—Process of turning

Definitions

  • the present invention relates to a control method for a machine tool with numerical control, a machine tool, which is particularly suitable for carrying out such a control method, a machining head ei ⁇ ner such machine tool and a corresponding Maschinen ⁇ zeugaufnähme.
  • the machining head for example, a Bosch machined grinder.
  • the machining head for example, a Bosch machined grinder.
  • Milling head with a driven spindle and a chuck for holding the tool and the tool consist.
  • 'For Bear ⁇ BEITEN of the workpiece takes place a relative movement between the workpiece and the machining head instead, these being guided by numerical generic control along a programmed path relative to each other.
  • the adjusting devices for the positioning movements of the tool to the workpiece zugeord ⁇ net zugeord ⁇ which detect the positioning movements, from which the relative position of the tool or the relative movement of the two zu ⁇ each other is determined.
  • the regulating devices are regulated as a function of the relative movement in order to generate the presetting actuating movements.
  • the deflection of a milling cutter clamped in the machining head to a workpiece held stationary in a workpiece holder is determined as a relative movement, so that the desired, predetermined shapes are produced on the workpiece.
  • the machining head includes the drive for the cutter, which is held for example at the end of a spindle in a chuck.
  • a disadvantage of such devices is that, for metrological reasons, the position (position and orientation) of the tool can not be measured directly at the machining head but only via the measured values of the sensors which are assigned to the actuating devices. These are usually spatially removed from the machining head. Due to the dynamic behavior between actuators and Bear ⁇ processing head there are deviations of the controlled or controlled movement of the feed axes and thus to unwanted inaccuracies of relative movements to each other, which affect the machining accuracy and repeatability of the machining of the workpiece.
  • a control method for a numerical control machine tool provides adjusting means for generating a relative movement between a machining head and a workpiece.
  • the positioning movements are performed with the detected direction associated sensors detected.
  • a value for the relative movement of machining head to workpiece is determined from the signals of the sensors assigned to the actuating devices.
  • state variables are detected in at least one additional sensor system which serve to describe the relative movement between the machining head and the workpiece, the state variables being taken into account in the determination of the value for the relative movement.
  • the state variables describe the behavior of the relative movement of the machining head and the workpiece. Dynamic changes of this position are caused in particular by the adjusting movements per se, for example by the occurring accelerations. These lead to relative changes in position between the adjusting devices and the objects driven by the adjusting devices, also in a manner different from the pure adjusting movement to be generated.
  • the determined value which is determined taking into account the state variables, thus contains a more precise information about the actual relative movement compared with a determination solely from the sensors assigned by the actuating device - which serve to capture the: derived values for the relative movement.
  • At least one of the state variables of temperature, inclination, angular velocity, angular acceleration, axial acceleration is detected in at least one direction.
  • the detected state variables are then taken into account when determining the value for the relative movement.
  • the larger the number of detected state variables, the more accurate the relative movement can be under occurring disturbing influences such as vibrations, acceleration forces, external shocks, vibrations in the construction of the machine and temperature course are detected and determined.
  • the relative movement is designed so that it detects both the position and the orientation of the machining head to the workpiece.
  • the orientation comprises the alignment of the machining head with the workpiece and thus the effect on the workpiece produced during machining of the workpiece.
  • the orientation takes into account that both the machining head and the workpiece are not punctiform objects but rather spatial devices.
  • a machine tool with numerical control has adjusting devices for generating a relative movement between a machining head and a workpiece.
  • ⁇ directions associated sensors detect the positioning movements.
  • an evaluation unit is provided for the determination of a value for the relative movement between the machining head and the workpiece.
  • the adjusting devices can be controlled controlled, wherein predetermined actuating movements can be generated.
  • at least one additional sensor system is provided for detecting state variables.
  • the additional sensors make it possible, in addition to detecting the positioning movements through the sensors, to other sizes to capture.
  • these state variables describe the actual behavior of the relative movement from workpiece to machining head of the machine tool. It is therefore more accurate than closing to the relative movement solely from the detection of the setting movements.
  • the adjusting devices consist in particular of a number of actuators, which are each assigned to an adjusting movement.
  • each of the actuators has a sensor arranged directly on the actuator or arranged indirectly in the vicinity of the actuator for detecting the actuating movement generated by this actuator.
  • these are sensors which detect an axial displacement or a rotation (displacement sensors or angle sensors).
  • the actuators are generally electric motors, wherein for the control of their
  • Operation rotary encoder are provided and can also be used as Sen ⁇ sor for detecting the adjusting movement.
  • the sensor is one of which the controller separate independent sensor.
  • the sensors are preferably those which have a measurement resolution down to the range of a few ⁇ m and below.
  • the additional sensor system is arranged at least on the element of the machine tool on which actuating movements are generated via the adjusting devices. If the machining head can be moved by means of adjusting devices with respect to the workpiece, then at least it has at least : an additional sensor system.
  • an additional sensor system can be provided on the workpiece itself or on the workpiece holder.
  • An additional sensor may consist of a sensor or a number of sensors, which are housed in a common housing.
  • a machining head generally includes a tool and a drive source for the tool.
  • the drive source is the laser light source and the tool is the beam guide. and beam-focusing agents.
  • the drive source is an electric motor and the tool is a drill held in a chuck.
  • the additional sensor system is then preferably arranged in or on the housing of the drive source. It is also possible to arrange additional sensors on the tool itself.
  • a planer or drill may well contain sensors that measure forces as state variables and are used as additional sensors for determining the relative movement.
  • the adjusting devices it is both possible for the adjusting devices to generate only adjusting movements of one of the two elements made of the machining head and the workpiece and also for actuating movements of these two elements to be produced. If a positioning movement is generated on only one of the two elements, according to an advantageous embodiment, an additional sensor system can also be provided on the other element. At least on the element performs the adjusting movements is provided at least one additional sensor.
  • At least one of the state variables from temperature, inclination, angle acceleration, axial acceleration is detected.
  • Each of these variables is suitable for influencing the relative movement of the workpiece to the machining head.
  • the angular acceleration or the angular velocity has a direct influence on the orientation to each other.
  • accelerations and delays have for example the processing head or a held and driven therein
  • Tool an influence on the relative movement.
  • changes in the angular speed of the machining head can indicate that the working tip of the tool has reached the workpiece and thus also provide information about the position of the tool tip, or even a deflection of the tool tip ⁇ ken, which is detectable.
  • the axial acceleration of a drive spindle of a tool in the machining head can be detected in all three directions of the Cartesian coordinate system and thus offers a possibility of improving position accuracy, since the acceleration and deceleration in the axial directions information about the different positioning movements and Stelldorfdes machining head, which has been generated by the adjusting devices contains.
  • the temperature in the region of such a drive spindle enables the compensation of temperature-dependent changes in position, for example over the length of the tool spindle.
  • the temperature change of the tool itself during machining has an influence on the position of the tool tip, which carries out the machining of the workpiece.
  • a corresponding change in position can be compensated for or taken into account as part of the regulation of the position of the tool by the actuating devices.
  • the spatial orientation of the tool is determined when determining the position in addition to the position of the tool.
  • the acceleration values in the Cartesian coordinate system it is possible, for example, to compensate for a spatial displacement of the machining head with respect to a predetermined feed direction in the context of the feed movements generated by the actuating devices. It is therefore a correction or compensation of Lü.des diarrhea ⁇ head due to actually measured sizes compared to what is possible, which corresponds to the design expectations.
  • assembly and fabrication tolerances can be compensated, at least in part.
  • a machining head intended for use in a machine tool has at least one additional sensor system.
  • the additional sensor is preferably protected arranged inside the housing of the machining head and integrated into it. It also corresponds to the embodiment according to the invention when a tool for a machining head has an additional sensor system.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a machine tool with a machining head
  • FIG. 1 shows a machine tool 10 in which a machining head 14 is held in a positioning device which can be moved in two directions.
  • the workpiece 20 is fixedly held on the workpiece holder 21 in a defined position.
  • the machining head can be moved by adjusting devices 12 in the direction 15, which are each identified by a double arrow.
  • the adjusting devices 12 are, for example, like linear drives.
  • the orientation of the workpiece 20 with respect to the tool 11 is effected by pivoting the workpiece holder 21 to two mutually orthogonal Dreh ⁇ directions 13, the rotational movements are symbolically represented by the directional arrows 22.
  • the workpiece 20 is provided with two mutually linearly independent pivotable and thus orientier ⁇ bar with respect to the tool.
  • the sensors 16 are arranged, which detects the process of the tool 11 by the adjusting devices 12. It can be seen that the sensors 16 are not directly connected to the processing head 14 but are spatially and functionally spaced therefrom and therefore, due to the positioning movements, the spatial relationship between them is not necessarily to be regarded as fixed and without further measurable variables. Further sensors 16 serve to capture the actuating movements of the workpiece 20.
  • the additional sensors 17 for detecting the state variables of the machining head 14 and the additional sensors 23, which detect state variables of the tool holder, are provided.
  • the signals of all the sensors 16 and the additional sensors 17, 23 are fed to an evaluation unit 18 which determines the relative movement of the machining head 14 as a function of the signals of the positioning movements from the sensors 16, the state variables from the signals of the sensors Additional sensor 17 and detects the signals of the additional sensor 23 and the numerical leadership in terms of control or regulation to the position of the machining head 14 bezüg ⁇ makes the workpiece 20, in particular by the adjusting: devices according to generating a predetermined desired position or Sollverfahrkuve Both elements are controlled to each other.
  • FIG. 2 shows a diagrammatic representation of the sequence of a method according to the invention.
  • step 201 of the method adjusting movements of the tool detected by the sensors 16 are recorded due to the adjusting devices.
  • step 202 the state variables of the machining head 14 detected by the additional sensor system 17 as well as state variables of the workpiece detected by the additional sensor system 23 are fed to the control unit 18.
  • step 203 the relative movement, in particular with regard to position but also with regard to the alignment of the tool 11 with respect to the workpiece 20, is detected from these data.
  • step 204 the setting movement of the adjusting devices is then controlled or regulated by the tool 11 on the basis of the detected position and the specification of a desired position for the purpose of processing the workpiece 20. There is a corresponding activation of the adjusting devices and it is again jumped to step 201.

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Abstract

Ein Regelungsverfahren für eine Werkzeugmaschine (10) mit numerischer Steuerung sieht Stelleinrichtungen (12) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf (14) und einem Werkstück (20) vor. Die Stellbewegungen werden mit den Stelleinrichtungen (12) zugeordneten Sensoren (16) erfasst. Aus den Signalen der den Stelleinrichtungen zugeordneten Sensoren wird ein Wert für die Relativbewegung von Bearbeitungskopf (24) zu Werkstück (20) ermittelt. Es erfolgt ein Regeln der Stelleinrichtungen (12) in Abhängigkeit des Wertes der Relativbewegung zum Erzeugen vorgegebener Stellbewegungen. Gemäss der Erfindung werden in wenigstens einer Zusatzsensorik (17, 23) Zustandsgrössen erfasst, welche der Beschreibung der Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (14) und Werkstück (20) dienen, wobei die Zustandsgrössen bei dem Ermitteln für den Wert für die Relativbewegung berücksichtigt werden.

Description

REGELUNGSVERFAHREN FÜR EINE WERKZEUGMASCHINE MIT NUMERISCHER STEUERUNG
Beschreibung
Regelungsverfahren für eine Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung, Werkzeugmaschine, sowie Bearbeitungskopf und Werk- zeugaufnahme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungsverfahren für eine Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung, eine Werk¬ zeugmaschine, die insbesondere zur Durchführung eines solchen Regelungsverfahrens geeignet ist, einen Bearbeitungskopf ei¬ ner solchen Werkzeugmaschine sowie eine entsprechende Werk¬ zeugaufnähme.
Es ist bekannt, Werkzeuge in einem Bearbeitungskopf einzu- spannen. Dabei kann der Bearbeitungskopf beispielsweise ein
Fräskopf mit einer angetriebene Spindel und einem Spannfutter zum Halten des Werkzeugs und dem Werkzeug bestehen. ' Zum Bear¬ beiten des Werkstücks findet eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf statt, wobei diese durch nume- rische Steuerung entlang einer programmierten Bahn relativ zueinander geführt sind. Zu den Zwecken der geregelten Bahn¬ führung des Werkzeuges sind den Stelleinrichtungen für die Stellbewegungen des Werkzeugs zum Werkstück Sensoren zugeord¬ net, welche die Stellbewegungen erfassen, woraus die relative Lage des Werkzeuges bzw. die Relativbewegung der beiden zu¬ einander bestimmt wird. Es erfolgt ein Regeln der Stellein¬ richtungen in Abhängigkeit der Relativbewegung, um die vorge¬ gebenen Stellbewegungen zu erzeugen. Bei einer allgemein üb¬ lichen numerisch gesteuerten Fräsmaschine wird beispielsweise die Besiegung eines im Bearbeitungskopf eingespannten Fräsers zu einem in einer Werkstückaufnahme feststehend gehaltenen Werkstück als Relativbewegung bestimmt, so dass die gewünsch¬ ten, vorbestimmten Formen am Werkstück erzeugt werden. Dabei beinhaltet der Bearbeitungskopf den Antrieb für den Fräser, der zum Beispiel am Ende einer Spindel in einem Spannfutter gehalten ist. Ein Nachteil solcher Einrichtungen ist es, dass aus messtech¬ nischen Gründen die Lage (Position und Orientierung) des Werkzeugs nicht direkt an dem Bearbeitungskopf gemessen wer¬ den kann, sondern lediglich über die Messwerte der Sensoren, die den Stelleinrichtungen zugeordnet sind. Diese sind in der Regel räumlich vom Bearbeitungskopf entfernt. Aufgrund des dynamischen Verhaltens zwischen Stelleinrichtungen und Bear¬ beitungskopf kommt es zu Abweichungen der gesteuerten bzw. geregelten Bewegung der Vorschubsachsen und somit zu uner- wünschten Ungenauigkeiten der Relativbewegungen zueinander, welche die Bearbeitungsgenauigkeit und die Wiederholbarkeit der Bearbeitung des Werkstücks beeinträchtigen.
Diesen Abweichungen kann teilweise entgegengewirkt werden, indem im Rahmen einer Inbetriebnahme der Maschine bzw. im Rahmen von Einricht- oder Wartungsarbeiten ein genaues Ver¬ messen der Führung des Bearbeitungskopfes bzw. des Werkstücks vorgenommen wird. Diese Art der Einricht- und Messarbeiten bedürfen zum einem hoher Präzision und sind insbesondere bei Maschinen-Inbetriebnahmen zeitaufwändig. Darüber hinaus be¬ dürfen sie auch der regelmäßigen Überprüfung, um dauerhafte Maßhaltigkeit zu gewährleisten.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Führung des Werkzeuges zu verbessern und etwaige Einrichtarbeiten zu er¬ leichtern.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelungsverfahren gemäß der Erfindung gelöst so wie durch erfindungsgemäße Werkzeugma- schinen, wobei insbesondere erfindungsgemäße Bearbeitungsköp¬ fe, Werkstückaufnahmen und Werkzeuge Verwendung finden kön¬ nen.
Ein Regelungsverfahren für eine Werkzeugmaschine mit numeri- scher Steuerung sieht Stelleinrichtungen zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück vor. Die Stellbewegungen werden mit den Stellein- richtungen zugeordneten Sensoren erfasst. Aus den Signalen der den Stelleinrichtungen zugeordneten Sensoren wird ein Wert für die Relativbewegung von Bearbeitungskopf zu Werk¬ stück ermittelt. Es erfolgt ein Regeln der Stelleinrichtungen in Abhängigkeit des Wertes der Relativbewegung zum Erzeugen vorgegebener Stellbewegungen. Gemäß der Erfindung werden in wenigstens einer Zusatzsensorik Zustandsgrößen erfasst, wel¬ che der Beschreibung der Relativbewegung zwischen Bearbei¬ tungskopf und Werkstück dienen, wobei die Zustandsgrößen bei dem Ermitteln für den Wert für die Relativbewegung berück¬ sichtigt werden.
Die Zustandsgrößen beschreiben das Verhalten der Relativbewe¬ gung von Bearbeitungskopf und Werkstück. Dynamische Änderun- gen dieser Lage werden insbesondere durch die Stellbewegungen an sich hervorgerufen, beispielsweise durch die auftretenden Beschleunigungen. Diese führen zu relativen Lageänderungen zwischen den Stelleinrichtungen und den durch die Stellein¬ richtungen angetriebenen Gegenstände, auch in anderer Weise als der reinen zu erzeugenden Stellbewegung. Durch das Erfas¬ sen der Zustandsgrößen für die Relativbewegung wird ein ge- naures Regeln der Stellbewegungen ermöglicht und damit eine erhöhte Bearbeitungsgenauigkeit. Der ermittelte Wert, der un¬ ter Berücksichtigung der Zustandsgrößen bestimmt wird, ent- hält also eine genauere Information über die tatsächliche Re¬ lativbewegung gegenüber einem ermitteln allein aus den von der Stelleinrichtung zugeordneten Sensoren - welche dem Er¬ fassen: der erzeugten Stellbewegung dienen - abgeleiteten Wer¬ ten für die Relativbewegung.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird dabei wenigstens eine der Zustandsgrößen aus Temperatur, Neigung, ,Winkelgeschwindig¬ keit, Winkelbeschleunigung, axialer Beschleunigung in wenigs¬ tens einer Richtung erfasst. Die erfassten Zustandsgrößen werden dann beim Ermitteln des Wertes für die Relativbewegung berücksichtigt. Je größer die Anzahl der erfassten Zustands¬ größen ist, desto genauer kann die Relativbewegung auch unter auftretenden Störeinflüssen wie Schwingungen, Beschleuni¬ gungskräften, externen Erschütterungen, Schwingungen im Auf¬ bau der Maschine und Temperaturverlauf erfasst und ermittelt werden.
Dabei ist gemäß bevorzugter Ausgestaltung die Relativbewegung so gestaltet, dass sie sowohl die Lage als auch die Orientie¬ rung von Bearbeitungskopf zu Werkstück erfasst. Die Orientie¬ rung umfasst insbesondere die Ausrichtung des Bearbeitungs- köpfes zum Werkstück und somit die bei einem Bearbeiten des Werkstückes erzeugte Wirkung am Werkstück. Die Orientierung berücksichtigt, dass sowohl Bearbeitungskopf als auch Werk¬ stück keine punktförmigen Gegenstände sondern räumliche Ge¬ bilde sind.
Dadurch dass wenigstens der Wert für die Relativbewegung, be¬ vorzugt aber auch Werte der Zustandsgrößen aus der Werkzeug¬ maschine bzw. deren Recheneinheit auslesbar sind, können die¬ se Werte insbesondere im Rahmen einer Ferndiagnose oder einer Fernwartung der Werkzeugmaschine auch hinzugezogen und über¬ wacht werden. Insbesondere aus den Zustandsgrößen kann auf das Verhalten und auf auftretende Störungen geschlossen wer¬ den.
Eine Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung weist Stell¬ einrichtungen zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen ei¬ nem Bearbeitungskopf und einem Werkstück auf. Den Stellein¬ richtungen zugeordnete Sensoren erfassen die Stellbewegungen. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinheit zum ERmitte31n eines Wertes für die Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück vorgesehen. Die Stelleinrichtungen sind geregelt ansteuerbar, wobei vorgegebene Stellbewegungen erzeugbar sind. Gemäß der Erfindung ist wenigstens eine Zusatzsensorik zum Erfassen von Zustandsgrößen vorgesehen.
Die Zusatzsensorik ermöglicht es, über das Erfassen der Stellbewegungen durch die Sensoren hinaus, weitere Größen zu erfassen. Diese Zustandsgrößen beschreiben insbesondere das tatsächliche Verhalten der Relativbewegung von Werkstück zu Bearbeitungskopf der Werkzeugmaschine. Es ist daher genauer als ein Schließen auf die Relativbewegung allein aus dem Er- fassen der Stellbewegungen.
Die Stelleinrichtungen bestehen insbesondere aus einer Anzahl von Stellern, die jeweils einer Stellbewegung zugeordnet sind. Dabei weist jeder der Steller einen unmittelbar am Steller angeordneten oder mittelbar in der Nähe des Stellers angeordneten Sensor zum Erfassen der von diesem Steller er¬ zeugten Stellbewegung auf. Es handelt sich also im wesentli¬ chen um Sensoren die ein axiales Verschieben oder eine Rota— tion erfassen (Wegsensoren bzw. Winkelsensoren) Die Steller sind in der Regel Elektromotoren, wobei zur Steuerung ihres
Betriebes Drehgeber vorgesehen sind und daneben auch als Sen¬ sor für das Erfassen der Stellbewegung herangezogen werden können. Häufig ist der Sensor aber ein von denen der Steller getrennter eigenständiger Sensor. Es handelt sich bei den Sensoren bevorzugt um solche, die eine Messauflösung bis in den Bereich von wenigen μm und darunter haben.
Die Zusatzsensorik ist gemäß bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung zumindest dem Element der Werkzeugmaschine angeord- net, an dem über die Stelleinrichtungen Stellbewegungen er¬ zeugt werden. Ist der Bearbeitungskopf durch Stelleinrichtun¬ gen bezüglich des Werkstücks verfahrbar, so weist zumindest er wenigstens :eine Zusatzsensorik auf. Zusätzlich kann an dem Werkstück selber oder aber an der Werkstückaufnahme eine Zu- satzsensorik vorgesehen sein. Eine Zusatzsensorik kann aus einem Sensor oder einer Anzahl von Sensoren bestehen, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Ein Bearbeitungskopf enthält im Allgemeinen ein Werkzeug und eine Antriebsquelle für das Werkzeug. Im Falle einer Laserbe¬ arbeitungsmaschine handelt es sich bei der Antriebsquelle um die Laserlichtquelle und bei dem Werkzeug um die Strahlfüh- renden und Strahlfokussierenden Mittel. Bei einer Bohrma¬ schine ist die Antriebsquelle ein Elektromotor und das Werk¬ zeug ein in einem Spannfutter gehaltener Bohrer. Dabei ist die Zusatzsensorik dann bevorzugt im oder am Gehäuse der An- triebsquelle angeordnet. Auch am Werkzeug selbst ist es Mög¬ lich Zusatzsensorik anzuordnen. So kann ein Hobel oder Bohrer durchaus Sensoren enthalten, die Kräfte als Zustandsgrößen messen und als Zusatzsensorik zur Bestimmung der Relativbewe¬ gung herangezogen werden.
Dabei ist es sowohl möglich, dass die Stelleinrichtungen nur Stellbewegungen eines der beiden Elemente aus Bearbeitungs¬ kopf und Werkstück erzeugen als auch dass Stellbewegungen dieser beiden Elemente erzeugt werden. Wird eine Stellbewe- gung an nur einem der beiden Elemente erzeugt, kann gemäß vorteilhafter Ausgestaltung auch am anderen Element eine Zu¬ satzsensorik vorgesehen sein. Wenigstens an dem Element das Stellbewegungen ausführt ist wenigstens eine Zusatzsensorik vorgesehen.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird wenigs¬ tens eine der Zustandsgrößen aus Temperatur, Neigung, Winkel¬ beschleunigung, axialer Beschleunigung erfasst .
Jede dieser Größen ist geeignet, Einfluss auf die Relativbe¬ wegung von Werkstück zu Bearbeitungskopf zu haben. Die Win¬ kelbeschleunigung bzw. die Winkelgeschwindigkeit hat direkten Einfluss auf die Orientierung zueinander. Auch haben Be¬ schleunigungen und Verzögerungen beispielsweise des Bearbei- tungskopfes oder eines darin gehaltenen und angetriebenen
Werkzeug einen Einfluss auf die Relativbewegung. Darüber hin¬ aus können beispielsweise Änderungen in der Winkelgeschwin¬ digkeit des Bearbeitungskopfes darauf hindeuten, dass die Ar¬ beitsspitze des Werkzeuges das Werkstück erreicht hat und da- mit auch eine Information über die Lage der Werkzeugspitze liefern, bzw. auch eine Ablenkung der Werkzeugspitze bewir¬ ken, welche erfassbar ist. Beispielsweise kann die axiale Beschleunigung einer Antrάebs- spindel eines Werkzeugs im Bearbeitungskopf in allen drei Richtungen des kartesischen Koordinatensystems erfasst werden und bietet damit ein Möglichkeit, Positionsgenauigkeit zu verbessern, da die Beschleunigung und Verzögerung in den axi¬ alen Richtungen eine Information über die unterschiedlichen Stellbewegungen und Stellwegendes Bearbeitungskopfes, welche durch die Stelleinrichtungen erzeugt wurde, enthält. Die Tem¬ peratur im Bereich einer solchen Antriebsspindel ermöglicht die Kompensation temperaturabhängiger Lageveränderungen, bei¬ spielsweise über die Länge der Werkzeugspindel hinweg. Insbe¬ sondere die Temperaturveränderung des Werkzeuges selbst bei der Bearbeitung hat einen Einfluss auf die Position der Werk— zeugspitze,, welche die Bearbeitung des Werkstücks durchführt. Durch entsprechende Erfassung der Temperatur kann eine ent¬ sprechende Lageveränderung kompensiert werden bzw. im Rahmen der Regelung der Lage des Werkzeugs durch die Stelleinrich¬ tungen entsprechend berücksichtigt werden.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird beim Er¬ mitteln der Lage neben der Position des Werkzeuges auch die räumliche Orientierung des Werkzeuges ermittelt. Insbesondere durch Messen der Beschleunigungswerte im kartesischen Koordi¬ natensystem kann beispielsweise eine räumliche Missweisung des Bearbeitungskopfes bezüglich einer vorgegebenen Zustell— richtung im Rahmen der Zustellbewegungen, welche durch die Stelleinrichtungen erzeugt werden, kompensiert werden. Es ist also eine Korrektur oder Kompensation der Lage.des Werkzeug¬ kopfes aufgrund tatsächlich gemessener Größen gegenüber dem möglich, was den konstruktiven Erwartungen entspricht. Es können insbesondere Montage- und Fabrikationstoleranzen, zu¬ mindest teilweise, kompensiert werden.
Es entspricht vorteilhafter erfindungsgemäßer Ausgestaltun- gen, wenn ein Bearbeitungskopf, der zur Verwendung in einer Werkzeugmaschine bestimmt ist, wenigstens eine Zusatzsensorik aufweist. Die Zusatzsensorik ist dabei vorzugsweise geschützt im inneren des Gehäuses des Bearbeitungskopfes angeordnet und in diesen integriert. Es entspricht weiterhin erfindungsgemä¬ ßer Ausgestaltung, wenn ein Werkzeug für einen Bearbeitungs¬ kopf eine Zusatzsensorik aufweist.
In gleicher Weise entspricht es vorteilhafter erfinderischer Ausgestaltung, wenn die Werkstückaufnahme eine Zusatzsensorik aufweist. Das Werkstück mit dieser zu versehen wäre aus Grün¬ den der Messgenauigkeit zwar wünschenswert, ist aber sehr aufwändig. Von daher ist es günstiger, die Werkstückaufnahme mit einer Zusatzsensorik auszustatten.
Im Übrigen ist die Erfindung nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigt:
FIG 1 die schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einem Bearbeitungskopf; und
FIG 2 das Schlussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfah- rens.
Die Figur 1 zeigt eine Werkzeugmaschine 10, bei der ein Bear¬ beitungskopf 14 in einer in 2 Richtungen verfahrbaren Stell¬ einrichtung gehalten ist. Das Werkstück 20 ist auf der Werk- Stückaufnahme 21 in definierter Lage feststehend gehalten.
Zur Durchführung von Bearbeitungen des Werkstücks 20 ist der Bearbeitungskopf durch Stelleinrichtungen 12 in den Richtung 15, welche jeweils durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet sind, verfahrbar. Die Stelleinrichtungen 12 sind beispiels¬ weise wie Linearantrieben. Das Orientieren des Werkstücks 20 bezüglich des Werkzeugs 11 erfolgt durch Verschwenken der Werkstückaufnahme 21, um zwei zueinander orthogonale Dreh¬ richtungen 13, deren Drehbewegungen durch die Richtungspfeile 22 symbolisch dargestellt sind. Im dargestellten Beispiel ist das Werkstück 20 um zwei voneinander linear unabhängige Rieh- tungen schwenkbar und damit bezüglich dem Werkzeug orientier¬ bar.
Beabstandet von der tatsächlichen Lage des Bearbeitungskopfes 14 sind die Sensoren 16 angeordnet, welche das Verfahren des Werkzeuges 11 durch die Stelleinrichtungen 12 erfasst. Dabei ist erkennbar, dass die Sensoren 16 nicht direkt mit dem Be¬ arbeitungskopf 14 verbunden sind sondern zu diesem räumlich und funktionell beabstandet sind und daher aufgrund der Stellbewegungen die räumliche Beziehung dazwischen nicht zwangsläufig als feststehend und ohne weitere Messgrößen be— schreibbar anzusehen ist. Weitere Sensoren 16 dienen dem Er¬ fassen der Stellbewegungen des Werkstücks 20.
Zum Beseitigen dieser Messungenauigkeiten und auftretender Messungenauigkeiten sind die Zusatzsensorik 17 zum Erfassen der Zustandsgrößen des Bearbeitungskopfes 14 und die Zusatz¬ sensorik 23, welche Zustandsgrößen der Werkzeugaufnahme er¬ fassen, vorgesehen. Die Signale aller Sensoren 16 und der Zu- satzsensorik 17, 23 werden einer Auswerteeinheit 18 zuge¬ führt, welche die Bestimmung der Relativbewegung des Bearbei¬ tungskopfes 14 in Abhängigkeit der Signale der Stellbewegun¬ gen von den Sensoren 16, den Zustandsgrößen aus den Signalen der Zusatzsensorik 17 und den Signalen der Zusatzsensorik 23 ermittelt und die numerische Führung im Sinne einer Steuerung oder einer Regelung zur Lage des Bearbeitungskopfes 14 bezüg¬ lich dem Werkstück 20 vornimmt, indem insbesondere die Stell- : einrichtungen entsprechend dem Erzeugen einer vorgegebenen Solllage bzw. Sollverfahrkuve der beiden Elemente zueinander angesteuert werden.
Die Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung den Ablauf ei¬ nes erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß dem Schritt 201 des Verfahrens werden von den Sensoren 16 erfasste Stellbewegungen des Werkzeuges aufgrund der Stelleinrichtungen aufgenommen. Gemäß dem Schritt 202 werden die von der Zusatzsensorik 17 erfassten Zustandsgrößen des Bearbeitungskopfes 14 sowie von Zusatzsensorik 23 erfassten Zustandsgrößen des Werkstücks der Steuereinheit 18 zugeführt. Gemäß dem Schritt 203 wird aus diesen Daten die Relativbewe- gung insbesondere hinsichtlich Position aber auch hinsicht¬ lich der Ausrichtung des Werkzeuges 11 bezüglich dem Werk¬ stück 20 erfasst.
Gemäß dem Schritt 204 wird dann aufgrund der erfassten Lage und der Vorgabe einer Solllage zwecks Bearbeitung des Werk¬ stücks 20 durch das Werkzeug 11 die Stellbewegung der Stell¬ einrichtungen gesteuert oder geregelt. Es erfolgt ein ent¬ sprechendes Ansteuern der Stelleinrichtungen und es wird wie¬ der zum Schritt 201 gesprungen.

Claims

Patentansprüche
1. Regelungsverfahren für eine Werkzeugmaschine (10) mit nu¬ merischer Steuerung, mit Stelleinrichtungen zum Erzeugen ei- ner Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück
- mit den Stelleinrichtungen zugeordneten Sensoren (16) zum Erfassen der Stellbewegungen,
- einem aus den Signalen der Sensoren (16) ermittelten Wert für die Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (14) und
Werkstück (20),
- einem Regeln der Stelleinrichtung in Abhängigkeit des Wer¬ tes der Relativbewegung von Bearbeitungskopf (14) zu Werk¬ stück (20) zum Erzeugen vorgegebener Stellbewegungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in wenigstens einer Zusatzsensorik (17,23) Zustandsgrößen zur Beschreibung der Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (14) und Werkstück (20) erfasst werden, wobei die Zustands¬ größen bei der Ermittlung des Wertes für die Relativbewegung berücksichtigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass wenigstens eine der Zustandsgrößen aus Temperatur, Neigung, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbe- schleunigung, axialer Beschleunigung in wenigstens einer
Richtung, erfasst und beim Bestimmen des Wertes für die Rela¬ tivbewegung berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass die Relativbewegung Lage und
Orientierung zwischen Bearbeitungskopf (14) und Werkstück (20) umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass der Wert für die Relativbe¬ wegung und Werte der Zustandsgrößen auslesbar und an externe Einrichtungen übermittelbar sind.
5. Werkzeugmaschine mit numerischer Steuerung mit Stellein¬ richtungen zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf (14) und einem Werkstück (20) , mit - den Stelleinrichtungen (12) zugeordneten Sensoren (16) zum
Erfassen der Stellbewegungen,
- einer Auswerteeinheit (18) zum Ermitteln eines Wertes für die Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf (14) und Werkstück (20), - einem Regeln der Stelleinrichtungen (12) in Abhängigkeit des Wertes der Relativbewegung von Bearbeitungskopf (14) zu Werkstück (20) zum Erzeugen vorgegebener Stellbewegungen, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine Zusatzsensorik (17, 23) zum Erfassen von Zu- standsgrößen vorgesehen ist.
6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , dass die Stelleinrichtungen (12)
Stellbewegungen des Bearbeitungskopfes erzeugen, wobei der Bearbeitungskopf (14) wenigstens eine Zusatzsensorik (17) aufweist.
7. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Werkstückaufnahme (21) wenigstens eine Zusatzsensorik (23) vorgesehen ist.
8. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 5 oder 6 die Stellein- richtung (12) Stellbewegungen des Werkstücks (29) erzeugen, wobei die Werkstückaufnahme (21) wenigstens eine Zusatzsenso¬ rik (23) aufweist.
9. Werkzeugmaschine (10) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in dem Bearbeitungskopf (14) wenigstens eine Zusatzsensorik (17) vorgesehen ist.
10. Werkzeugmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Ma¬ schinenbett der Werkzeugmaschine (10) Vergleichssensoren zum Erfassen von Zustandsgrößen der Maschine angeordnet sind, wo- bei insbesondere Zustandsgrößen erfasst werden, die auch in einer Zusatzsensorik (17,23) erfasst werden.
11. Werkzeugmaschine (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t / dass die in einer Zusatzsensorik (17,23) erfassten Zustandsgrößen wenigs¬ tens eine der Zustandsgrößen aus Temperatur, Neigung, Winkel¬ geschwindigkeit, Winkelbeschleunigung und axialer Beschleu¬ nigung in wenigstens einer Richtung sind.
12. Bearbeitungskopf (14) zur Verwendung in einer Werkzeugma¬ schine (10) mit numerischer Steuerung, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass der Bearbeitungskopf (14) wenigstens eine Zusatzsensorik (17) zum Erfassen von Zu¬ standsgrößen aufweist.
13. Bearbeitungskopf (14) nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zusatzsensorik (17) in den Bearbeitungskopf integriert ist.
14. Werkstückaufnahme (21) zur Verwendung in einer Werkzeug¬ maschine (10) mit numerischer Steuerung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Werkstückaufnahme (21) wenigstens eine Zusatzsensorik (23) zum Erfassen von Zu¬ standsgrößen aufweist.
15. Werkstückaufnahme (21) nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zusatzsensorik in die Werkstückaufnahme integriert ist.
16. Werkzeug zur Verwendung in einer Werkzeugmaschine mit nu¬ merischer Steuerung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Werkzeug eine Zusatzsensorik (17,23) zum Erfassen von Zustandsgrößen aufweist.
17. Werkzeug nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass die Zusatzsensorik (17,23) in das Werkzeug integriert ist.
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