WO2009015789A1 - Numerically controlled machine tool - Google Patents

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WO2009015789A1
WO2009015789A1 PCT/EP2008/005918 EP2008005918W WO2009015789A1 WO 2009015789 A1 WO2009015789 A1 WO 2009015789A1 EP 2008005918 W EP2008005918 W EP 2008005918W WO 2009015789 A1 WO2009015789 A1 WO 2009015789A1
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machine tool
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PCT/EP2008/005918
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Inventor
Erich Unger
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Matec Maschinenbau Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to a numerically controlled machine tool having at least five driven machine axes for positioning and orientation of a tool of the machine tool relative to a workpiece to be machined by the tool.
  • Such a machine tool is basically known and used for the automated processing of a workpiece.
  • Typical machining processes that are carried out on such a machine tool include, for example, cutting processes, joining processes or also forming processes.
  • the at least five driven machine axes and the resulting at least five degrees of freedom of relative movement between the workpiece and tool not only allow for accurate positioning of the tool relative to the workpiece, but also permit accurate orientation of the tool relative to the workpiece, i. that is, a precise adjustment of the angle of attack of the tool with respect to the workpiece.
  • Space can also be used robot.
  • automated machining processes of the above type require a high structural rigidity. Since robots, in comparison to conventional machine tools, for example have limited rigidity and path accuracy, machine tools are preferably used for these machining processes.
  • machining processes performed with machine tools often require that the tool acts on the workpiece in a precisely defined manner. In some machining processes, for example, as constant as possible machining conditions must be met.
  • the cutting force or abutment force i. the force exerted by the tool on the workpiece, of importance.
  • the so-called in-process measurement is used.
  • the generated diameter of the workpiece is measured by means of a measuring pliers and, depending on the measured diameter, the feed axis of the grinding tool is controlled such that the desired diameter is reached at the end of the grinding process.
  • the grinding process itself i.
  • the pressing radial force generating the setting or cutting force is not regulated by the measuring tongs.
  • the cutting force of the grinding tool is not varied directly depending on the measured diameter.
  • the desired diameter is set independently of the respective cutting force exclusively on the residence time of the grinding tool on the workpiece to be machined, the tool can both perform a feed movement (finishing feed) and stand still (sparking) can.
  • the invention has for its object to provide a machine tool of the type mentioned, which allows a more accurate machining of a workpiece.
  • the machine tool according to the invention is characterized in particular by a separate from a controller for setting the Maschinenachsen- positions and of any existing control or regulation of a main drive closed loop, which can be actuated independently of the machine axes and the possibly existing main actuator actuator for moving the tool relative to the workpiece and a sensor for detecting the actual value of a processing-relevant control variable and serves to, the
  • Control variable by actuating the actuator to a predetermined setpoint to regulate.
  • drive which causes a relative movement between the tool and the workpiece for the actual machining of the workpiece.
  • This can be both a workpiece drive and a tool drive, e.g. To drive a speed-controlled milling or grinding spindle.
  • the invention is based on the general idea of treating the problem of movement and orientation of the tool in space and possibly the drive of the tool and / or workpiece on the one hand and the problem of generating a process-relevant controlled variable on the other hand separately to solve.
  • a further axis is integrated into the system by the actuator, which serves exclusively as an actuator for generating the controlled variable.
  • the control variable is detected by means of a sensor and tracked via a separate control loop, ie a control loop, which is separated from a controller for setting the machine axis positions, a setpoint.
  • control clock of the control loop is higher than the clock, with which the setting of the machine axis positions is controlled. In this way, excessive fluctuations in the controlled variable are avoided, which could occur when the control of the controlled variable and the control of the setting of the machine axis positions were made with an at least approximately the same timing.
  • the control clock of the control loop can, for example, by a factor of at least 2, for example by one Factor 20, higher than the clock used to control the setting of the machine axis positions.
  • a relative movement between the tool and the workpiece in the sense of the invention not only movement of the tool on the workpiece, but also a movement of the workpiece towards the tool or even a combination of these movements, i. movement of both the tool and the workpiece towards each other.
  • the controlled variable is a force, in particular a force exerted on the workpiece by the tool.
  • This force can be the contact force of the tool, i. That is, the force with which the tool is pressed against the workpiece, for example in a grinding, drilling or friction welding process.
  • the controlled variable may be a distance, in particular a distance between the tool and the workpiece, or a temperature, in particular a temperature measured in a processing region of the workpiece.
  • the actuator comprises a numerically controlled axis.
  • the tool can be moved in a particularly simple manner and particularly precisely relative to the workpiece in order to track the controlled variable to the predetermined desired value.
  • the relative movement between the tool and the workpiece caused by the actuator may comprise a linear movement and / or a rotation.
  • the actuator may comprise, for example, a screw drive, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder and / or a piezoelement.
  • the desired value may be variable and depending, for example, on the position and / or orientation of the tool relative to the workpiece and / or on the machining time. Generally speaking, the setpoint can therefore follow any setpoint curve.
  • the setpoint may be constant.
  • Such a setpoint curve represents an extreme case of a setpoint curve.
  • a certain cost advantage can be achieved if a controller of the control loop is integrated in a control module provided for the numerical control of the machine axes. Alternatively, the controller may also be disconnected from the control module.
  • the machining process can be a turning, drilling, milling, grinding, joining and / or machining process.
  • the machining process may also be a friction welding process.
  • the heat generation is preferably carried out by a, in particular at a constant speed, rotating tool.
  • the tool is pressed under rotation onto a two-part workpiece such that the generated frictional heat and the kneading effect are the two Join workpiece parts into a whole.
  • Decisive for the heat generated is the force with which the tool is pressed against the workpiece.
  • This force can be determined by a sensor, which may for example have a piezoelectric element or a strain gauge, and be tracked as a control variable of the control loop by a corresponding actuation of the actuator to a predetermined desired value.
  • the force is determined as close as possible to the point at which the tool acts on the workpiece.
  • Suitable locations for the placement of the sensor are, for example, the bearing seats of the actuator or the tool drive, or force-carrying structural elements in the actuator, in the tool drive or in adjacent components.
  • Another object of the invention is also a method having the features of claim 12, by which the advantages mentioned above can be achieved accordingly.
  • Fig. 1 is a side view of a machine tool according to the invention
  • FIG. 2 is a front view of the machine tool of FIG. 1; FIG.
  • FIG. 3 is a top plan view of the machine tool of Fig. 1;
  • FIG. 4 is a side view of a tool unit of the machine tool of FIG. 1;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a process control of the machine tool of FIG. 1.
  • a machine tool 10 according to the invention is shown in travel stand construction.
  • the machine tool IO comprises a machine frame 12 and a work table 14 with a work surface 15 for receiving a workpiece 16 to be processed.
  • a tool 18 is provided, which is held by a tool spindle 19 of a tool unit 20 and rotatable about the spindle longitudinal axis 21.
  • a tool or spindle drive known per se and not further explained here is provided, which in this context is also referred to as the main drive.
  • the main drive can be suitably controlled or regulated, e.g. speed controlled, be.
  • the tool unit 20 is movably mounted in the three spatial directions X, Y and Z relative to the machine frame 12.
  • the machine tool 10 In order to move the tool unit 20 and thus the tool 18 held therein in the three spatial directions X, Y and Z, the machine tool 10 has three driven machine axes (not shown) which extend in the spatial directions X, Y and Z.
  • a fourth driven machine axis which allows pivoting of the tool unit 20 about an axis extending in the Y-direction, which is also referred to as B-axis ( Figure 2).
  • a pivoting of the tool unit 20 about the B axis allows the setting of a first orientation angle, ie, a first angle of attack ⁇ of the tool 18 relative to the workpiece 16.
  • the worktop 15 of the work table 14 and thus the workpiece 16 mounted thereon can be rotated about an axis extending in the Z direction, the so-called W axis (FIG. 3).
  • W axis a fifth driven machine axis extending in a corresponding direction is provided.
  • the rotation of the workpiece 16 about the W axis makes it possible to set a second orientation angle of the tool 18 at right angles to the first orientation angle ⁇ relative to the workpiece 16.
  • the tool 18 By the movement of the tool unit 20 in the three spatial directions X, Y and Z and the pivoting of the tool unit 20 about the B axis and the rotation of the worktop 15 about the W axis, it is possible, the tool 18 in a clear and accurate relative to position and orient to the workpiece 16. In addition, it is possible with a movement of the tool 18 along a path to keep the arrival angle of the tool 18 to the direction of web movement constant.
  • the machining process carried out in the machine tool is a friction welding process in which the tool 18 mounted in the tool spindle 19 moves around the spindle axis 21 at a constant speed is rotated and pressed with rotation on a two-part workpiece 16 such that the generated frictional heat and the kneading effect connect the two workpiece parts into a whole.
  • the control loop comprises an actuator 24 (FIG. 4) which has an additional linear machine axis which is oriented parallel to the spindle axis 21 and which allows the tool 18 to move relative to the workpiece 16 in the axial direction, referred to as the Q direction in FIG ,
  • the actuator 24 can thus cause an adjusting movement of the tool 18 to track the adjusting force to a predetermined desired value.
  • the actuator 24 comprises a ball screw drive with a Q-direction extending threaded spindle '26.
  • the threaded spindle 26 is coupled to a motor 28 through which the threaded spindle 26 is rotatable about its longitudinal axis.
  • the threaded spindle is mounted in a FesÜager 30.
  • On the threaded spindle 26 is seated a nut 32, which is fixedly connected to a tool spindle 19 supporting adjusting slide 34.
  • the adjusting slide 34 is guided displaceably by a guide 36 in the Q direction.
  • a sensor 38 is provided.
  • the sensor 38 is attached to the nut 32 of the ball screw, but it can also be attached to the fixed bearing 30 or another force-carrying structural element of the ball screw or the spindle bearing of the tool drive or on an adjacent to the ball screw force-flow component.
  • the sensor 38 may be a sensor based on a piezoelectric element which detects a deformation of the nut 32 or of the force-carrying structural element or component, or a sensor based on a strain gauge which generates a stress in the nut 32 or in the force-tracing structure dement or component detected.
  • the actual value of the setting force determined by the sensor 38 is fed to a controller 40 located in the control station 22 (FIG. 5).
  • the controller 40 receives from the control module 42 for controlling the machine axes a predetermined desired value for the setting force.
  • the controller 40 performs a comparison between the actual value and the target value of the adjusting force and optionally actuates the motor 28 of the actuator 24 in order to track the setting force by a corresponding movement of the tool 18 in the Q direction to the predetermined desired value.
  • the controller 40 and the control module 42 are shown as separate units. In principle, however, it is also possible to integrate the controller 40 in the control module 42.
  • the sensor 38, the controller 40 and the actuator 24 form a closed loop. This is from an open loop for controlling the positions of the five machine axes X, Y, Z, B and W, which is indicated by the five inputs 44 and the five outputs 46 of the control module 42, separated.
  • the closed control loop has a control clock that is higher than the clock with which the control of the positions of the machine axes takes place.
  • the tool 18 and the workpiece 16 can not only be positioned and oriented exactly relative to one another, but also the force exerted on the workpiece 16 by the tool 18 can be optimally set to one Setpoint control, whereby ultimately an optimal processing result is achieved.
  • the closed loop comprising sensor 38, regulator 40 and actuator 24 is also separate from the main drive control so that actuator 24 operates independently of the main drive and exerts its action on tool 16 by tool 18 Force can be adjusted separately from the speed of the tool 18.

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Abstract

The invention relates to a numerically controlled machine tool (10) having at least five driven machine axes for the positioning and orientation of a tool (18) of the machine tool (10) relative to a workpiece (16) to be machined by the tool (18), and a closed control circuit separate from a controller for adjusting the machine axis positions and a controller or regulating unit of a main drive that may be present, the control circuit comprising an actuator (24) to be actuated independently of the machine axes and the main drive that may be present for moving the tool (18) relative to the workpiece (16), and a sensor (38) for detecting the actual value of a machining-relevant control variable, and which serves to regulate the control variable to a predetermined target value by actuating the actuator (24). The invention further relates to a method for machining a workpiece (16) by means of a tool (18) of a numerically controlled machine tool (10).

Description

Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine Numerically controlled machine tool
Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerische gesteuerte Werkzeugmaschine mit mindestens fünf angetriebenen Maschinenachsen zur Positionierung und Orientierung eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine relativ zu einem durch das Werkzeug zu bearbeitenden Werkstück.The present invention relates to a numerically controlled machine tool having at least five driven machine axes for positioning and orientation of a tool of the machine tool relative to a workpiece to be machined by the tool.
Eine derartige Werkzeugmaschine ist grundsätzlich bekannt und dient zur automatisierten Bearbeitung eines Werkstücks. Typische Bearbeitungsprozesse, die auf einer derartigen Werkzeugmaschine ausgeführt werden, umfassen beispielsweise Zerspanungsprozesse, Fügeprozesse oder auch Umformungsprozesse .Such a machine tool is basically known and used for the automated processing of a workpiece. Typical machining processes that are carried out on such a machine tool include, for example, cutting processes, joining processes or also forming processes.
Die mindestens fünf angetriebenen Maschinenachsen und die sich daraus ergebenden mindestens fünf Freiheitsgrade der Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug ermöglichen nicht nur eine exakte Positionie- rung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, sondern auch eine exakte Orientierung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, d.h. also eine genaue Einstellung des Anstellwinkels des Werkzeugs bezüglich des Werkstücks.The at least five driven machine axes and the resulting at least five degrees of freedom of relative movement between the workpiece and tool not only allow for accurate positioning of the tool relative to the workpiece, but also permit accurate orientation of the tool relative to the workpiece, i. that is, a precise adjustment of the angle of attack of the tool with respect to the workpiece.
Grundsätzlich können zur fünfachsigen Bewegung eines Werkzeugs imBasically, the five-axis movement of a tool in the
Raum auch Roboter eingesetzt werden. Im Allgemeinen erfordern automatisierte Bearbeitungsprozesse der voranstehend genannten Art jedoch eine hohe Struktursteifigkeit. Da Roboter im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugmaschinen, beispielsweise der Zerspanungstechnik, eine be- grenzte Steifigkeit und Bahngenauigkeit aufweisen, werden für diese Bearbeitungsprozesse bevorzugt Werkzeugmaschinen eingesetzt.Space can also be used robot. In general, however, automated machining processes of the above type require a high structural rigidity. Since robots, in comparison to conventional machine tools, for example have limited rigidity and path accuracy, machine tools are preferably used for these machining processes.
Die mit Werkzeugmaschinen durchgeführten Bearbeitungsprozesse erfor- dem häufig, dass das Werkzeug in genau definierter Weise auf das Werkstück einwirkt. Bei einigen Bearbeitungsprozessen müssen beispielsweise möglichst konstante Bearbeitungsbedingungen eingehalten werden.The machining processes performed with machine tools often require that the tool acts on the workpiece in a precisely defined manner. In some machining processes, for example, as constant as possible machining conditions must be met.
Prozessregelungen, welche diese Problematik berücksichtigen, sind zum Beispiel aus der Schleiftechnik bekannt. So ist bei einem fünfachsigenProcess regulations which take this problem into consideration are known, for example, from grinding technology. So is in a five-axis
Schleifen räumlicher Geometrien unter anderem die Schnitt- oder Anstellkraft, d.h. die durch das Werkzeug auf das Werkstück ausgeübte Kraft, von Bedeutung.Grinding spatial geometries, inter alia, the cutting force or abutment force, i. the force exerted by the tool on the workpiece, of importance.
Beim Schleifen von Nockenwellen und gekrümmten Nocken wurde das Problem konstanter Bearbeitungsbedingungen dadurch gelöst, dass die Anstellkraft über den Motorstrom einer zur Rotation des Werkzeugs vorgesehenen Schleifspindel und/ oder über die Messung der Maschinenachsströme und eine Verrechnung derselben ermittelt und durch eine oder mehrere der fünf numerisch gesteuerten Maschinenachsen nachgeregelt wird. Auf diese Weise kann die Anstellkraft mit dem Ziel einer geregelten Abtragsleistung beispielsweise konstant gehalten werden.When grinding camshafts and curved cams, the problem of constant machining conditions has been solved by determining the contact force via the motor current of a grinding spindle provided for rotating the tool and / or by measuring the machine axis currents and offsetting them, and by one or more of the five numerically controlled ones Machine axes is readjusted. In this way, the contact force can be kept constant, for example, with the aim of a controlled removal rate.
Dieses Regelprinzip, welches unter anderem als "Adaptive Control" be- kannt ist, erweist sich jedoch insofern als nachteilig, als die fünf Maschinenachsen interaktiv die Anstellkraft erzeugen. Das heißt, die fünf Maschinenachsen dienen nicht nur zur Positionierung und Orientierung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, sondern gleichzeitig auch zur Einstellung der gewünschten Anstellkraft. Dies bedeutet, dass nicht nur die zugehörige Regelstrategie sehr aufwändig ist, sondern dass die Regelgenauigkeit aufgrund der Reibung in den Maschinenachsen und anderer Störgrößen außerdem begrenzt ist. So kann die erreichbare Regelgüte beispielsweise für das Schleifen einer No- ckenwelle ausreichend sein, während andere Prozesse oder Bearbeitungsverfahren eine höhere Regelgenauigkeit erfordern können.However, this control principle, which is known inter alia as "adaptive control", proves to be disadvantageous insofar as the five machine axes interactively generate the setting force. That is, the five machine axes are not only used for positioning and orientation of the tool relative to the workpiece, but also at the same time to adjust the desired contact force. This means that not only the associated control strategy is very complex, but that the control accuracy due to the friction in the machine axes and other disturbances is also limited. For example, the achievable control quality may be sufficient for grinding a camshaft, while other processes or machining methods may require a higher control accuracy.
Beim Schleifen von zylindrischen Werkstücken kommt unter anderem auch die sogenannte In-Prozess-Messung zum Einsatz. Hierbei wird mit- tels einer Messzange der erzeugte Durchmesser des Werkstücks gemessen und in Abhängigkeit von dem gemessenen Durchmesser die Vorschubachse des Schleifwerkzeugs so gesteuert, dass am Ende des Schleifvorgangs der gewünschte Durchmesser erreicht ist. Der Schleifprozess selbst, d.h. die die Anstell- oder Schnittkraft erzeugende andrückende Radialbewe- gung, wird durch die Messzange nicht geregelt. Mit anderen Worten wird die Schnittkraft des Schleifwerkzeugs nicht direkt in Abhängigkeit von dem gemessenen Durchmesser variiert. Stattdessen wird der gewünschte Durchmesser unabhängig von der jeweiligen Schnittkraft ausschließlich über die Verweildauer des Schleifwerkzeugs an dem zu bearbeitenden Werkstück eingestellt, wobei das Werkzeug sowohl eine Zustellbewegung (Schlichtvorschub) ausführen als auch still stehen (Ausfunken) kann.When grinding cylindrical workpieces, inter alia, the so-called in-process measurement is used. In this case, the generated diameter of the workpiece is measured by means of a measuring pliers and, depending on the measured diameter, the feed axis of the grinding tool is controlled such that the desired diameter is reached at the end of the grinding process. The grinding process itself, i. The pressing radial force generating the setting or cutting force is not regulated by the measuring tongs. In other words, the cutting force of the grinding tool is not varied directly depending on the measured diameter. Instead, the desired diameter is set independently of the respective cutting force exclusively on the residence time of the grinding tool on the workpiece to be machined, the tool can both perform a feed movement (finishing feed) and stand still (sparking) can.
Eine weitere in der Schleiftechnik bekannte Art der Prozessregelung bildet das sogenannte Touch-Dressing. Hierbei wird durch einen Körperschall- sensor oder einen "Acoustic Emission" -Sensor der Zeitpunkt erfasst, zu welchem ein Werkzeug ein Abrichtwerkzeug berührt. Der Prozess des Abrichtens selbst wird hierdurch jedoch nicht geregelt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine genauere Bearbeitung eines Werkstücks ermöglicht.Another type of process control known in grinding technology is the so-called touch-dressing. In this case, the time at which a tool touches a dressing tool is detected by a structure-borne sound sensor or an "acoustic emission" sensor. However, the process of dressing itself is not regulated by this. The invention has for its object to provide a machine tool of the type mentioned, which allows a more accurate machining of a workpiece.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.To solve the problem, a machine tool having the features of claim 1 is provided.
Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zeichnet sich insbesondere durch einen von einer Steuerung zur Einstellung der Maschinenachsen- Positionen und von einer ggf. vorhandenen Steuerung oder Regelung eines Hauptantriebs separaten geschlossenen Regelkreis aus, welcher einen unabhängig von den Maschinenachsen und dem gegebenenfalls vorhandenen Hauptantrieb betätigbaren Aktuator zum Bewegen des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück und einen Sensor zum Erfassen des Istwerts einer bearbeitungsrelevanten Regelgröße umfasst und dazu dient, dieThe machine tool according to the invention is characterized in particular by a separate from a controller for setting the Maschinenachsen- positions and of any existing control or regulation of a main drive closed loop, which can be actuated independently of the machine axes and the possibly existing main actuator actuator for moving the tool relative to the workpiece and a sensor for detecting the actual value of a processing-relevant control variable and serves to, the
Regelgröße durch Betätigung des Aktuators auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.Control variable by actuating the actuator to a predetermined setpoint to regulate.
Unter dem Hauptantrieb ist hier derjenige Antrieb zu verstehen, welcher zur eigentlichen Bearbeitung des Werkstücks eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück bewirkt. Es kann sich hierbei sowohl um einen Werkstückantrieb als auch um einen Werkzeugantrieb handeln, z.B. um den Antrieb einer geschwindigkeitsgeregelten Fräs- oder Schleifspindel.Under the main drive is here to understand that drive which causes a relative movement between the tool and the workpiece for the actual machining of the workpiece. This can be both a workpiece drive and a tool drive, e.g. To drive a speed-controlled milling or grinding spindle.
Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, das Problem der Bewegung und Orientierung des Werkzeugs im Raum sowie ggf. des Antriebs des Werkzeugs und/ oder Werkstücks einerseits und das Problem der Erzeugung einer prozess- bzw. bearbeitungsrelevanten Regelgröße andererseits voneinander getrennt zu behandeln bzw. zu lösen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß zusätzlich zu den mindestens fünf angetriebenen Maschinenachsen, die ausschließlich zur Positionierung und Orientierung des Werkzeugs relativ zu dem bearbeitenden Werkstück verwendet werden, durch den Aktuator eine weitere Achse in das System integriert, welche ausschließlich als Stellglied zur Erzeugung der Regelgröße dient. Die Regelgröße wird mittels eines Sensor erfasst und über einen eigenen Regelkreis, d.h. einen Regelkreis, welcher von einer Steuerung zur Einstellung der Maschinenachsenpositionen getrennt ist, einem Sollwert nachgeführt.The invention is based on the general idea of treating the problem of movement and orientation of the tool in space and possibly the drive of the tool and / or workpiece on the one hand and the problem of generating a process-relevant controlled variable on the other hand separately to solve. For this purpose, in addition to the at least five driven machine axes, which are used exclusively for positioning and orientation of the tool relative to the workpiece to be machined, a further axis is integrated into the system by the actuator, which serves exclusively as an actuator for generating the controlled variable. The control variable is detected by means of a sensor and tracked via a separate control loop, ie a control loop, which is separated from a controller for setting the machine axis positions, a setpoint.
Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Aktuator zum Bewegen des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück und die sich daraus ergebene zusätzliche Stellachse zur Beeinflussung der Regelgröße werden rechenauf- wändige Achstransformationen und durch Reibung in den Maschinenachsen bedingte Störungen bei der Regelung der Regelgröße vermieden. Somit kann die prozess- bzw. bearbeitungsrelevante Regelgröße durch den separaten geschlossenen Regelkreis in optimaler Weise dem gewünschten Sollwert nachgeführt werden. Die hierdurch erreichte erhöhte Regelgüte ermöglicht letztlich eine Bearbeitung eines Werkstücks mit einer höheren Genauigkeit.By means of the actuator provided according to the invention for moving the tool relative to the workpiece and the resulting additional adjusting axis for influencing the controlled variable, computation-intensive axis transformations and disturbances in the control of the controlled variable caused by friction in the machine axes are avoided. Thus, the process or processing relevant control variable can be tracked by the separate closed loop in an optimal manner to the desired setpoint. The resulting increased control quality ultimately allows machining of a workpiece with a higher accuracy.
Bevorzugt ist der Regeltakt des Regelkreises höher als der Takt, mit dem die Einstellung der Maschinenachsenpositionen gesteuert wird. Auf diese Weise werden übermäßige Schwankungen in der Regelgröße vermieden, die auftreten könnten, wenn die Regelung der Regelgröße und die Steuerung der Einstellung der Maschinenachsenpositionen mit einer zumindest annähernd gleichen Taktung erfolgten. Der Regeltakt des Regelkreises kann beispielsweise um einen Faktor von mindestens 2, z.B. um einen Faktor 20, höher sein als der Takt, mit dem die Einstellung der Maschi- nenachsenpositionen gesteuert wird.Preferably, the control clock of the control loop is higher than the clock, with which the setting of the machine axis positions is controlled. In this way, excessive fluctuations in the controlled variable are avoided, which could occur when the control of the controlled variable and the control of the setting of the machine axis positions were made with an at least approximately the same timing. The control clock of the control loop can, for example, by a factor of at least 2, for example by one Factor 20, higher than the clock used to control the setting of the machine axis positions.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Relativbewegung zwischen Werk- zeug und Werkstück im Sinne der Erfindung nicht nur eine Bewegung des Werkzeugs auf das Werkstück zu, sondern umgekehrt auch eine Bewegung des Werkstücks in Richtung Werkzeug oder sogar eine Kombination dieser Bewegungen, d.h. eine Bewegung von sowohl dem Werkzeug als auch dem Werkstück, und zwar aufeinander zu, umfasst.It should be noted that a relative movement between the tool and the workpiece in the sense of the invention not only movement of the tool on the workpiece, but also a movement of the workpiece towards the tool or even a combination of these movements, i. movement of both the tool and the workpiece towards each other.
Vorteilhafte Ausbildungen der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.Advantageous embodiments of the machine tool according to the invention are described in the dependent claims, the description and the drawings.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Regelgröße eine Kraft, insbesondere eine durch das Werkzeug auf das Werkstück ausgeübte Kraft. Bei dieser Kraft kann es sich um die Anstellkraft des Werkzeugs, d.h. also um die Kraft, mit welcher das Werkzeug gegen das Werkstück gedrückt wird, handeln, beispielsweise bei einem Schleif-, Bohr- oder Reibschweißpro- zess.According to one embodiment, the controlled variable is a force, in particular a force exerted on the workpiece by the tool. This force can be the contact force of the tool, i. That is, the force with which the tool is pressed against the workpiece, for example in a grinding, drilling or friction welding process.
Alternativ oder zusätzlich kann die Regelgröße ein Abstand, insbesondere ein Abstand zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, oder eine Temperatur, insbesondere eine in einem Bearbeitungsbereich des Werkstücks gemessene Temperatur, sein.Alternatively or additionally, the controlled variable may be a distance, in particular a distance between the tool and the workpiece, or a temperature, in particular a temperature measured in a processing region of the workpiece.
Bevorzugt umfasst der Aktuator eine numerisch gesteuerte Achse. Hierdurch lässt sich das Werkzeug auf besonders einfache Weise und besonders exakt relativ zu dem Werkstück bewegen, um die Regelgröße dem vorgegebenen Sollwert nachzuführen. Die durch den Aktuator bewirkte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück kann eine lineare Bewegung und /oder eine Rotation umfassen.Preferably, the actuator comprises a numerically controlled axis. In this way, the tool can be moved in a particularly simple manner and particularly precisely relative to the workpiece in order to track the controlled variable to the predetermined desired value. The relative movement between the tool and the workpiece caused by the actuator may comprise a linear movement and / or a rotation.
Zum Bewegen des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück kann der Aktuator beispielsweise einen Gewindetrieb, einen Hydraulikzylinder, einen Pneumatikzylinder und/ oder ein Piezoelement umfassen.For moving the tool relative to the workpiece, the actuator may comprise, for example, a screw drive, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder and / or a piezoelement.
Der Sollwert kann variabel sein und beispielsweise von der Position und/oder der Orientierung des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück und/ oder von der Bearbeitungszeit abhängig sein. Allgemein gesprochen kann der Sollwert also einer beliebigen Sollwertkurve folgen.The desired value may be variable and depending, for example, on the position and / or orientation of the tool relative to the workpiece and / or on the machining time. Generally speaking, the setpoint can therefore follow any setpoint curve.
Alternativ kann der Sollwert konstant sein. Ein derartiger Sollwertverlauf stellt einen Extremfall einer Sollwertkurve dar.Alternatively, the setpoint may be constant. Such a setpoint curve represents an extreme case of a setpoint curve.
Ein gewisser Kostenvorteil lässt sich erzielen, wenn ein Regler des Regelkreises in ein zur numerischen Steuerung der Maschinenachsen vorgese- henes Steuermodul integriert ist. Alternativ kann der Regler aber auch von dem Steuermodul getrennt sein.A certain cost advantage can be achieved if a controller of the control loop is integrated in a control module provided for the numerical control of the machine axes. Alternatively, the controller may also be disconnected from the control module.
Bei dem Bearbeitungsprozess kann es sich um einen Dreh-, Bohr-, Fräs-, Schleif-, Füge- und/oder Zerspanungsprozess handeln. Alternativ kann der Bearbeitungsprozess auch ein Reibschweißprozess sein.The machining process can be a turning, drilling, milling, grinding, joining and / or machining process. Alternatively, the machining process may also be a friction welding process.
Beim Reibschweißen erfolgt die Wärmeerzeugung bevorzugt durch ein, insbesondere mit konstanter Geschwindigkeit, rotierendes Werkzeug. Das Werkzeug wird unter Rotation auf ein zweiteiliges Werkstück derart ge- drückt, dass die erzeugte Reibungswärme und die Knetwirkung die beiden Werkstückteile zu einem Ganzen verbinden. Entscheidend für die erzeugte Wärme ist die Kraft, mit welcher das Werkzeug gegen das Werkstück gedrückt wird. Diese Kraft kann durch einen Sensor, welcher beispielsweise ein Piezoelement oder einen Dehnungsmessstreifen aufweisen kann, er- mittelt und als Regelgröße des Regelkreises durch eine entsprechende Betätigung des Aktuators einem vorgegebenen Sollwert nachgeführt werden.In friction welding, the heat generation is preferably carried out by a, in particular at a constant speed, rotating tool. The tool is pressed under rotation onto a two-part workpiece such that the generated frictional heat and the kneading effect are the two Join workpiece parts into a whole. Decisive for the heat generated is the force with which the tool is pressed against the workpiece. This force can be determined by a sensor, which may for example have a piezoelectric element or a strain gauge, and be tracked as a control variable of the control loop by a corresponding actuation of the actuator to a predetermined desired value.
Bevorzugt wird die Kraft möglichst nahe an der Stelle ermittelt, an welcher das Werkzeug auf das Werkstück einwirkt. Geeignete Orte für die Platzierung des Sensors sind beispielsweise die Lagersitze des Aktuators oder des Werkzeugantriebs, oder auch kraftdurchflossene Strukturelemente im Aktuator, im Werkzeugantrieb oder in daran angrenzenden Bauteilen.Preferably, the force is determined as close as possible to the point at which the tool acts on the workpiece. Suitable locations for the placement of the sensor are, for example, the bearing seats of the actuator or the tool drive, or force-carrying structural elements in the actuator, in the tool drive or in adjacent components.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12, durch welches sich die voranstehend genannten Vorteile entsprechend erreichen lassen.Another object of the invention is also a method having the features of claim 12, by which the advantages mentioned above can be achieved accordingly.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaf- ten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described purely by way of example with reference to an advantageous embodiment with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine;Fig. 1 is a side view of a machine tool according to the invention;
Fig. 2 eine Vorderansicht der Werkzeugmaschine von Fig. 1 ;FIG. 2 is a front view of the machine tool of FIG. 1; FIG.
Fig. 3 eine Draufsicht von oben auf die Werkzeugmaschine von Fig. 1 ; Fig. 4 eine Seitenansicht einer Werkzeugeinheit der Werkzeugmaschine von Fig. 1 ; undFig. 3 is a top plan view of the machine tool of Fig. 1; FIG. 4 is a side view of a tool unit of the machine tool of FIG. 1; FIG. and
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Prozessregelung der Werkzeugmaschine von Fig. 1.5 shows a schematic representation of a process control of the machine tool of FIG. 1.
In Fig. 1 bis 3 ist eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 10 in Fahrständerbauweise dargestellt. Die Werkzeugmaschine IO umfasst einen Maschinenrahmen 12 und einen Arbeitstisch 14 mit einer Arbeitsplatte 15 zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks 16.In Fig. 1 to 3, a machine tool 10 according to the invention is shown in travel stand construction. The machine tool IO comprises a machine frame 12 and a work table 14 with a work surface 15 for receiving a workpiece 16 to be processed.
Zur Bearbeitung des Werkstücks 16 ist ein Werkzeug 18 vorgesehen, welches durch eine Werkzeugspindel 19 einer Werkzeugeinheit 20 gehalten und um die Spindellängsachse 21 rotierbar ist. Zur Rotation des Werk- zeugs 18 um die Spindellängsachse 21 ist ein an sich bekannter und hier nicht näher erläuterter Werkzeug- bzw. Spindelantrieb vorgesehen, der in diesem Kontext auch als Hauptantrieb bezeichnet wird. Der Hauptantrieb kann in geeigneter Weise gesteuert oder geregelt, z.B. geschwindigkeitsgeregelt, werden.For machining the workpiece 16, a tool 18 is provided, which is held by a tool spindle 19 of a tool unit 20 and rotatable about the spindle longitudinal axis 21. For rotation of the tool 18 about the spindle longitudinal axis 21, a tool or spindle drive known per se and not further explained here is provided, which in this context is also referred to as the main drive. The main drive can be suitably controlled or regulated, e.g. speed controlled, be.
Die Werkzeugeinheit 20 ist in den drei Raumrichtungen X, Y und Z relativ zu dem Maschinenrahmen 12 beweglich gelagert. Um die Werkzeugeinheit 20 und somit das darin gehaltene Werkzeug 18 in den drei Raumrichtungen X, Y und Z zu verfahren, weist die Werkzeugmaschine 10 drei ange- triebene Maschinenachsen (nicht dargestellt) auf, die sich in die Raumrichtungen X, Y und Z erstrecken.The tool unit 20 is movably mounted in the three spatial directions X, Y and Z relative to the machine frame 12. In order to move the tool unit 20 and thus the tool 18 held therein in the three spatial directions X, Y and Z, the machine tool 10 has three driven machine axes (not shown) which extend in the spatial directions X, Y and Z.
Zusätzlich ist eine vierte angetriebene Maschinenachse vorgesehen, die eine Verschwenkung der Werkzeugeinheit 20 um eine sich in Y-Richtung erstreckende Achse ermöglicht, welche auch als B-Achse bezeichnet wird (Fig. 2). Eine Verschwenkung der Werkzeugeinheit 20 um die B-Achse erlaubt die Einstellung eines ersten Orientierungswinkels, d.h. also eines ersten Anstellwinkels ß des Werkzeugs 18 relativ zu dem Werkstück 16.In addition, a fourth driven machine axis is provided which allows pivoting of the tool unit 20 about an axis extending in the Y-direction, which is also referred to as B-axis (Figure 2). A pivoting of the tool unit 20 about the B axis allows the setting of a first orientation angle, ie, a first angle of attack β of the tool 18 relative to the workpiece 16.
Außerdem lässt sich die Arbeitsplatte 15 des Arbeitstisches 14 und somit das darauf gelagerte Werkstück 16 um eine sich in Z-Richtung erstreckende Achse, die sogenannte W- Achse, verdrehen (Fig. 3). Zur Verdrehung des Werkstücks 16 um die W-Achse ist eine sich in entsprechender Richtung erstreckende fünfte angetriebene Maschinenachse vorgesehen. Die Verdrehung des Werkstücks 16 um die W-Achse ermöglicht die Einstellung eines zu dem ersten Orientierungswinkel ß rechtwinkligen zweiten Orientierungswinkels des Werkzeugs 18 relativ zu dem Werkstück 16.In addition, the worktop 15 of the work table 14 and thus the workpiece 16 mounted thereon can be rotated about an axis extending in the Z direction, the so-called W axis (FIG. 3). For rotating the workpiece 16 about the W axis, a fifth driven machine axis extending in a corresponding direction is provided. The rotation of the workpiece 16 about the W axis makes it possible to set a second orientation angle of the tool 18 at right angles to the first orientation angle β relative to the workpiece 16.
Durch die Bewegung der Werkzeugeinheit 20 in den drei Raumrichtungen X, Y und Z sowie die Verschwenkung der Werkzeugeinheit 20 um die B- Achse und die Verdrehung der Arbeitsplatte 15 um die W-Achse ist es möglich, das Werkzeug 18 in eindeutiger und exakter Weise relativ zu dem Werkstück 16 zu positionieren und zu orientieren. Außerdem ist es bei einer Bewegung des Werkzeugs 18 entlang einer Bahn möglich, den An- Stellwinkel des Werkzeugs 18 zur Richtung der Bahnbewegung konstant zu halten.By the movement of the tool unit 20 in the three spatial directions X, Y and Z and the pivoting of the tool unit 20 about the B axis and the rotation of the worktop 15 about the W axis, it is possible, the tool 18 in a clear and accurate relative to position and orient to the workpiece 16. In addition, it is possible with a movement of the tool 18 along a path to keep the arrival angle of the tool 18 to the direction of web movement constant.
Die Betätigung der fünf Maschinenachsen X, Y, Z, B und W erfolgt numerisch gesteuert durch ein sich in einem Steuerstand 22 befindliches Steu- ermodul 42 (Fig. 5), in welchem das sogenannte NC-Programm abläuft.The operation of the five machine axes X, Y, Z, B and W is numerically controlled by a located in a control station 22 control module 42 (Fig. 5), in which the so-called NC program runs.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem in der Werkzeugmaschine durchgeführten Bearbeitungsprozess um einen Reib- schweißprozess, bei welchem das in der Werkzeugspindel 19 gelagerte Werkzeug 18 mit konstanter Geschwindigkeit um die Spindelachse 21 rotiert und unter Rotation auf ein zweiteiliges Werkstück 16 derart gedrückt wird, dass die erzeugte Reibungswärme und die Knetwirkung die beiden Werkstückteile zu einem Ganzen verbinden.In the present exemplary embodiment, the machining process carried out in the machine tool is a friction welding process in which the tool 18 mounted in the tool spindle 19 moves around the spindle axis 21 at a constant speed is rotated and pressed with rotation on a two-part workpiece 16 such that the generated frictional heat and the kneading effect connect the two workpiece parts into a whole.
Entscheidend für die erzeugte Wärme ist die Kraft, mit welcher das Werkzeug 18 gegen das Werkstück 16 gedrückt wird, d.h. also die Anstellkraft des Werkzeugs 18. Zur Regelung der Anstellkraft ist ein geschlossener Regelkreis vorgesehen, welcher von der zur Einstellung der fünf Maschinenachsen X, Y, Z, B und W dienenden Steuerung getrennt ist, wie an- hand von Fig. 5 nachfolgend näher erläutert wird.Decisive for the heat generated is the force with which the tool 18 is pressed against the workpiece 16, i. Thus, the contact force of the tool 18. For controlling the contact force, a closed loop is provided, which is separated from the control for the setting of the five machine axes X, Y, Z, B and W control, as explained with reference to FIG. 5 in more detail below becomes.
Der Regelkreis umfasst einen Aktuator 24 (Fig. 4), der eine zusätzliche lineare Maschinenachse aufweist, welche parallel zur Spindelachse 21 orientiert ist und das Werkzeug 18 in axialer Richtung, in Fig. 2 als Q- Richtung bezeichnet, relativ zum Werkstück 16 bewegen kann. Der Aktuator 24 kann somit eine Stellbewegung des Werkzeugs 18 bewirken, um die Anstellkraft einem vorgegebenen Sollwert nachzuführen.The control loop comprises an actuator 24 (FIG. 4) which has an additional linear machine axis which is oriented parallel to the spindle axis 21 and which allows the tool 18 to move relative to the workpiece 16 in the axial direction, referred to as the Q direction in FIG , The actuator 24 can thus cause an adjusting movement of the tool 18 to track the adjusting force to a predetermined desired value.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, umfasst der Aktuator 24 einen Kugelgewinde- trieb mit einer sich in Q-Richtung erstreckenden Gewindespindel '26. An ihrem einen Ende ist die Gewindespindel 26 mit einem Motor 28 gekoppelt, durch welchen die Gewinde spindel 26 um ihre Längsachse verdrehbar ist. An ihrem dem Motor 28 gegenüberliegenden Ende ist die Gewindespindel in einem FesÜager 30 gelagert. Auf der Gewindespindel 26 sitzt eine Mutter 32, welche mit einem die Werkzeugspindel 19 tragenden Stellschlitten 34 fest verbunden ist. Der Stellschlitten 34 ist durch eine Führung 36 in Q-Richtung verschiebbar geführt.As shown in Fig. 4, the actuator 24 comprises a ball screw drive with a Q-direction extending threaded spindle '26. At its one end, the threaded spindle 26 is coupled to a motor 28 through which the threaded spindle 26 is rotatable about its longitudinal axis. At its opposite end of the motor 28, the threaded spindle is mounted in a FesÜager 30. On the threaded spindle 26 is seated a nut 32, which is fixedly connected to a tool spindle 19 supporting adjusting slide 34. The adjusting slide 34 is guided displaceably by a guide 36 in the Q direction.
Eine Betätigung des Motors 28 bewirkt eine Verdrehung der Gewinde- spindel 26, wodurch die Mutter 32 und über den Stellschlitten 34 somit letztlich auch das Werkzeug 18 in Q-Richtung von dem Werkstück 16 weg oder zu diesem hin bewegt wird, je nach Drehrichtung des Motors 28. Durch eine entsprechende Bewegung des Werkzeugs 18 in Q-Richtung lässt sich die durch das Werkzeug 18 auf das Werkstück 16 ausgeübte Anstellkraft einstellen.An actuation of the motor 28 causes a rotation of the threaded spindle 26, whereby the nut 32 and the adjusting slide 34 thus Finally, the tool 18 in the Q direction of the workpiece 16 away or is moved towards this, depending on the direction of rotation of the motor 28. By a corresponding movement of the tool 18 in the Q direction can be through the tool 18 on the workpiece 16 Set applied force.
Zur Messung des Istwerts der Anstellkraft ist ein Sensor 38 vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Sensor 38 an der Mutter 32 des Kugelgewindetriebs angebracht, er kann aber auch am Festlager 30 oder an einem anderen kraftdurchflossenen Strukturelement des Kugelgewindetriebs oder der Spindellagerung des Werkzeugantriebs oder aber an einem an den Kugelgewindetrieb angrenzenden kraftdurchflossenen Bauteil angebracht sein.To measure the actual value of the contact force, a sensor 38 is provided. In the present embodiment, the sensor 38 is attached to the nut 32 of the ball screw, but it can also be attached to the fixed bearing 30 or another force-carrying structural element of the ball screw or the spindle bearing of the tool drive or on an adjacent to the ball screw force-flow component.
Bei dem Sensor 38 kann es sich um ein auf einem Piezoelement basierenden Sensor, welcher eine Verformung der Mutter 32 bzw. des kraftdurchflossenen Strukturelements oder Bauteils detektiert, oder um einen auf einem Dehnungsmessstreifen basierenden Sensor handeln, welcher eine Spannung in der Mutter 32 oder in dem kraftdurchflossenen Struktur- dement bzw. Bauteil erfasst.The sensor 38 may be a sensor based on a piezoelectric element which detects a deformation of the nut 32 or of the force-carrying structural element or component, or a sensor based on a strain gauge which generates a stress in the nut 32 or in the force-tracing structure dement or component detected.
Der durch den Sensor 38 ermittelte Istwert der Anstellkraft wird einem in dem Steuerstand 22 befindlichen Regler 40 zugeführt (Fig. 5). Gleichzeitig erhält der Regler 40 von dem Steuermodul 42 zur Steuerung der Maschi- nenachsen einen vorgegebenen Sollwert für die Anstellkraft. Der Regler 40 führt einen Vergleich zwischen Istwert und Sollwert der Anstellkraft durch und betätigt gegebenenfalls den Motor 28 des Aktuators 24, um durch eine entsprechende Bewegung des Werkzeugs 18 in Q-Richtung die Anstellkraft dem vorgegebenen Sollwert nachzuführen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Regler 40 und das Steuermodul 42 als getrennte Einheiten dargestellt. Grundsätzlich ist es aber auch möglich den Regler 40 in das Steuermodul 42 zu integrieren.The actual value of the setting force determined by the sensor 38 is fed to a controller 40 located in the control station 22 (FIG. 5). At the same time, the controller 40 receives from the control module 42 for controlling the machine axes a predetermined desired value for the setting force. The controller 40 performs a comparison between the actual value and the target value of the adjusting force and optionally actuates the motor 28 of the actuator 24 in order to track the setting force by a corresponding movement of the tool 18 in the Q direction to the predetermined desired value. In the present embodiment, the controller 40 and the control module 42 are shown as separate units. In principle, however, it is also possible to integrate the controller 40 in the control module 42.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist bilden der Sensor 38, der Regler 40 und der Aktuator 24 einen geschlossenen Regelkreis. Dieser ist von einem offenen Regelkreis zur Steuerung der Stellungen der fünf Maschinenachsen X, Y, Z, B und W, welcher durch die fünf Eingänge 44 und die fünf Ausgänge 46 des Steuermoduls 42 angedeutet ist, getrennt. Außerdem weist der ge- schlossene Regelkreis einen Regeltakt auf, der höher als der Takt ist, mit dem die Steuerung der Stellungen der Maschinenachsen erfolgt.As shown in Fig. 5, the sensor 38, the controller 40 and the actuator 24 form a closed loop. This is from an open loop for controlling the positions of the five machine axes X, Y, Z, B and W, which is indicated by the five inputs 44 and the five outputs 46 of the control module 42, separated. In addition, the closed control loop has a control clock that is higher than the clock with which the control of the positions of the machine axes takes place.
Durch die Trennung dieser beiden Regelkreise und ihre unterschiedlichen Regeltakte lassen sich das Werkzeug 18 und das Werkstück 16 nicht nur exakt relativ zueinander positionieren und orientieren, sondern es lässt sich auch die durch das Werkzeug 18 auf das Werkstück 16 ausgeübte Kraft in optimaler Weise auf einen vorgegeben Sollwert regeln, wodurch letztlich ein optimales Bearbeitungsergebnis erreicht wird.By separating these two control loops and their different control cycles, the tool 18 and the workpiece 16 can not only be positioned and oriented exactly relative to one another, but also the force exerted on the workpiece 16 by the tool 18 can be optimally set to one Setpoint control, whereby ultimately an optimal processing result is achieved.
Darüber hinaus ist der den Sensor 38, den Regler 40 und den Aktuator 24 umfassende geschlossene Regelkreis auch von der Steuerung oder Regelung des Hauptantriebs getrennt, so dass sich der Aktuator 24 unabhängig von dem Hauptantrieb betätigen und die durch das Werkzeug 18 auf das Werkstück 16 ausgeübte Kraft getrennt von der Drehzahl des Werk- zeugs 18 einstellen lässt. BezugszeichenlisteMoreover, the closed loop comprising sensor 38, regulator 40 and actuator 24 is also separate from the main drive control so that actuator 24 operates independently of the main drive and exerts its action on tool 16 by tool 18 Force can be adjusted separately from the speed of the tool 18. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Werkzeugmaschine10 machine tool
12 Maschinenrahmen12 machine frame
14 Arbeitstisch14 work table
15 Arbeitsplatte15 worktop
16 Werkstück16 workpiece
18 Werkzeug18 tool
19 Werkzeugspindel19 Tool spindle
20 Werkzeugeinheit20 tool unit
21 Spindelachse21 spindle axis
22 Steuerstand22 steering position
24 Aktuator24 actuator
26 Gewindespindel26 threaded spindle
28 Motor28 engine
30 Festlager30 fixed storage
32 Mutter32 mother
34 Stellschlitten34 positioning slides
36 Führung36 leadership
38 Sensor38 sensor
40 Regler40 controllers
42 Steuermodul42 control module
44 Eingang44 entrance
46 Ausgang 46 output

Claims

Patentansprüche claims
1. Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine (10) mit mindestens fünf angetriebenen Maschinenachsen zur Positionierung und Orientie- rung eines Werkzeugs (18) der Werkzeugmaschine (10) relativ zu einem durch das Werkzeug (18) zu bearbeitenden Werkstück (16), gekennzeichnet durch einen von einer Steuerung zur Einstellung der Maschinenachsenpo- sitionen und einer gegebenenfalls vorhandenen Steuerung oder Re- gelung eines Hauptantriebs separaten geschlossenen Regelkreis, welcher einen unabhängig von den Maschinenachsen und dem gegebenenfalls vorhandenen Hauptantrieb betätigbaren Aktuator (24) zum Bewegen des Werkzeugs (18) relativ zu dem Werkstück (16) und einen Sensor (38) zum Erfassen des Istwerts einer bearbei- tungsrelevanten Regelgröße umfasst und dazu dient, die Regelgröße durch Betätigung des Aktuators (24) auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.A numerically controlled machine tool (10) having at least five driven machine axes for positioning and orienting a tool (18) of the machine tool (10) relative to a workpiece (16) to be machined by the tool (18), characterized by one of Control for setting the machine axis positions and an optionally present control or regulation of a main drive separate closed control loop, which has an actuator (24), which can be actuated independently of the machine axes and the possibly present main drive, for moving the tool (18) relative to the workpiece ( 16) and a sensor (38) for detecting the actual value of a machining-relevant controlled variable and serves to regulate the controlled variable by actuation of the actuator (24) to a predetermined desired value.
2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße eine Kraft, insbesondere eine durch das Werkzeug (18) auf das Werkstück (16) ausgeübte Kraft, ein Abstand, insbesondere ein Abstand zwischen dem Werkzeug ( 18) und dem Werkstück (16), oder eine Temperatur, insbesondere eine in einem Bear- beitungsbereich des Werkstücks (16) gemessene Temperatur, ist.2. Machine tool according to claim 1, characterized in that the controlled variable a force, in particular a by the tool (18) on the workpiece (16) force exerted, a distance, in particular a distance between the tool (18) and the workpiece (16 ), or a temperature, in particular a temperature measured in a machining region of the workpiece (16).
3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) eine numerisch gesteuerte Achse umfasst. 3. Machine tool according to claim 1 or 2, characterized in that the actuator (24) comprises a numerically controlled axis.
4. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Aktuator (24) bewirkte Relativbewegung zwischen Werkzeug (18) und Werkstück (16) eine lineare Bewegung und /oder eine Rotation umfasst.4. Machine tool according to at least one of the preceding claims, characterized in that by the actuator (24) effected relative movement between the tool (18) and workpiece (16) comprises a linear movement and / or rotation.
5. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (24) einen Gewindetrieb, einen Hydraulikzylinder, einen Pneumatikzylinder und/ oder ein Piezoelement zum Bewegen des Werkzeugs (18) relativ zu dem Werkstück (16) umfasst.5. Machine tool according to at least one of the preceding claims, characterized in that the actuator (24) comprises a screw, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder and / or a piezoelectric element for moving the tool (18) relative to the workpiece (16).
6. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert variabel ist und beispielsweise von der Position und/ oder der Orientierung des Werkzeugs (18) relativ zu dem Werk- stück (16) und /oder von der Bearbeitungszeit abhängig ist.6. Machine tool according to at least one of the preceding claims, characterized in that the desired value is variable and, for example, on the position and / or orientation of the tool (18) relative to the workpiece (16) and / or depends on the processing time ,
7. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert konstant ist.7. Machine tool according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the desired value is constant.
8. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler des Regelkreises in ein Steuermodul (42) zur numerischen Steuerung der Werkzeugmaschine ( 10) integriert ist oder von dem Steuermodul (42) getrennt ist.8. Machine tool according to at least one of the preceding claims, characterized in that a controller of the control loop is integrated in a control module (42) for numerical control of the machine tool (10) or is separated from the control module (42).
9. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsprozess ein Dreh-, Bohr-, Fräs-, Schleif-, Füge- und/oder Zerspanungsprozess ist.9. Machine tool according to at least one of the preceding claims, characterized in that the machining process is a turning, drilling, milling, grinding, joining and / or machining process.
10. Werkzeugmaschine nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsprozess ein Reibschweißprozess ist.10. Machine tool according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the machining process is a friction welding process.
11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Wärme für das Reibschweißen eine Rotation des Werkzeugs (18) vorgesehen ist.11. Machine tool according to claim 10, characterized in that for generating heat for the friction welding, a rotation of the tool (18) is provided.
12. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (16) mittels eines12. A method for machining a workpiece (16) by means of a
Werkzeugs (18) einer Werkzeugmaschine (10), die mindestens fünf angetriebene Maschinenachsen zur Positionierung und Orientierung des Werkzeugs (18) relativ zu dem Werkstück (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Sensors (38) der Istwert einer bearbeitungsrelevantenTool (18) of a machine tool (10) having at least five driven machine axes for positioning and orientation of the tool (18) relative to the workpiece (16), characterized in that by means of a sensor (38) of the actual value of a machining relevant
Regelgröße erfasst wird und das Werkzeug (18) in Abhängigkeit von dem erfassten Istwert durch einen unabhängig von den Maschinenachsen und einem gegebenenfalls vorhandenen Hauptantrieb betätigbaren Aktuator (24) relativ zu dem Werkstück (16) bewegt wird, um die Regelgröße mittels eines den Sensor (38) und den Aktuator (24) umfassenden, von einer Steuerung zur Einstellung der Maschi- nenachsenpositionen und einer gegebenenfalls vorhandenen Steuerung oder Regelung eines Hauptantriebs separaten geschlossenen Regelkreises auf einen vorgegebenen Sollwert zu regeln.Controlled variable is detected and the tool (18) in response to the detected actual value by a independently operable by the machine axes and an optionally present main actuator actuator (24) relative to the workpiece (16) is moved to the controlled variable by means of a sensor (38 ) and the actuator (24) to control a closed loop, which is separate from a control for setting the machine axis positions and any control or regulation of a main drive, if necessary.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße auf einen variablen Sollwert geregelt wird, der beispielsweise von der Position und/ oder Orientierung des Werkzeugs (18) relativ zu dem Werkstück (16) und/ oder der Bearbeitungszeit abhängig ist.13. The method according to claim 12, characterized in that the controlled variable is controlled to a variable setpoint, which is dependent for example on the position and / or orientation of the tool (18) relative to the workpiece (16) and / or the processing time.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße auf einen konstanten Sollwert geregelt wird.14. The method according to claim 12 or 13, characterized in that the controlled variable is regulated to a constant desired value.
15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (18) durch den Aktuator (24) relativ zu dem Werk- stück (16) linear bewegt wird und /oder verdreht wird15. The method according to at least one of claims 12 to 14, characterized in that the tool (18) by the actuator (24) relative to the workpiece (16) is linearly moved and / or rotated
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel des Werkzeugs (18) zur Richtung der Bewegung des Werkzeugs (18) entlang einer Bahn konstant gehalten wird.16. The method according to at least one of claims 12 to 15, characterized in that the angle of attack of the tool (18) to the direction of movement of the tool (18) is kept constant along a path.
17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Wärme für das Reibschweißen eine Rotation des Werkzeugs (18) mit konstanter Geschwindigkeit vorgesehen ist. 17. Machine tool according to claim 11, characterized in that for generating heat for the friction welding, a rotation of the tool (18) is provided at a constant speed.
18. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltakt des Regelkreises höher ist als der Takt, mit dem die Einstellung der Maschinenachsenpositionen gesteuert wird.18. Machine tool according to one of claims 1 to 11 or 17, characterized in that the control clock of the control loop is higher than the clock, with which the setting of the machine axis positions is controlled.
19. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeltakt des Regelkreises mindestens doppelt so hoch ist wie der Takt, mit dem die Einstellung der Maschinenachsenpositionen gesteuert wird.19. Machine tool according to one of claims 1 to 11, 17 or 18, characterized in that the control clock of the control loop is at least twice as high as the clock, with which the setting of the machine axis positions is controlled.
20. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße mit einem Takt geregelt wird, der höher ist als der20. The method according to at least one of claims 12 to 16, characterized in that the controlled variable is controlled with a clock that is higher than that
Takt, mit dem die Einstellung der Maschinenachsenpositionen gesteuert wird.Clock used to control the setting of machine axis positions.
21. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 16 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße mit einem Takt geregelt wird, der mindestens doppelt so hoch ist wie der Takt, mit dem die Einstellung der Maschinenachsenpositionen gesteuert wird. 21. The method according to at least one of claims 12 to 16 or 20, characterized in that the controlled variable is controlled with a clock that is at least twice as high as the clock, with which the setting of the machine axis positions is controlled.
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