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Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zum Überprüfen einer Werkzeugmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Messeinrichtungen dienen dazu, eine Werkzeugmaschine bezüglich der Positionierung ihrer beweglichen Achsen unabhängig von den Positionsmesssystemen der Werkzeugmaschine zu überprüfen oder zu kalibrieren.
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Die Anforderungen an moderne Werkzeugmaschinen steigen immer weiter an. So soll einerseits die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden, um den Durchsatz an den Werkzeugmaschinen und damit deren Produktivität zu steigern, andererseits ist auch eine immer präzisere Bearbeitung der Werkstücke gefragt. Entscheidend für die Lösung dieser eigentlich konträren Aufgaben sind immer bessere Lageregelkreise, mit denen die verschiedenen beweglichen Achsen der Werkzeugmaschinen positioniert werden. Hochdynamische Antriebe mit hoher Leistung müssen mit sehr guten Positionsmesssystemen und bestens auf die jeweiligen Anforderungen angepassten Reglerstrukturen kombiniert werden. Bei der Inbetriebnahme und zur Wartung und Kontrolle von Werkzeugmaschinen ist es dabei immer wieder nötig, die exakte Positionierung der Achsen zu überprüfen bzw. zu kalibrieren. Die Einstellparameter der Regelkreise können mit solchen Messungen optimiert und den gegebenen Randbedingungen angepasst werden.
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Aus dem Buch ”Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik” (verlag moderne industrie, Landsberg, 1998) sind Kreuzgittermesssysteme bekannt, die sich für diesen Zweck eignen. Montiert man eine Kreuzgitterplatte auf dem Werkstücktisch einer Werkzeugmaschine und den Abtastkopf des Kreuzgittermesssystems mittels eines Spannkegels im Werkzeugaufnahmekonus der Werkzeugspindel, so lässt sich beispielsweise in einem Kreisformtest überprüfen, welche Abweichungen von der idealen Kreisform bei verschiedenen Bearbeitungsgeschwindigkeiten auftreten. Moderne Werkzeugmaschinen haben allerdings oft deutlich mehr Freiheitsgrade als die für den Kreisformtest üblichen zwei linearen Achsen. Zur Überprüfung von mehr als zwei solcher Freiheitsgrade sind also zusätzliche Maßnahmen erforderlich.
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Die
EP 1019669 B1 beschreibt ein Kreuzgittermesssystem mit zusätzlicher Sensorik, die es erlaubt, alle sechs Freiheitsgrade zu erfassen. Das Messsystem ist aber dennoch beschränkt auf primär ebene Bewegungen in der Ebene der Kreuzgitterplatte. Die übrigen Freiheitsgrade dürfen nur einen kleinen Beitrag zur untersuchten Bewegung leisten, da eine Abtastung des Kreuzgitters sonst nicht mehr möglich wäre. Die Anordnung erlaubt also lediglich zwei große Freiheitsgrade.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein in der Anwendung einfaches Kreuzgittermesssystem so zu verbessern, dass wenigstens drei große Freiheitsgrade einer Werkzeugmaschine überprüft werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Es wird eine Messeinrichtung zum Überprüfen der Positioniergenauigkeit einer Werkzeugmaschine mit mehreren beweglichen Achsen in wenigstens einem ersten, zweiten und dritten Freiheitsgrad offenbart, bei der die zwei aufeinander senkrecht stehenden ersten und zweiten Freiheitsgrade mittels einer Kreuzgitterplatte erfassbar sind. Die Kreuzgitterplatte ist dabei bezüglich des dritten Freiheitsgrades unabhängig von den beweglichen Achsen der Werkzeugmaschine nachführbar.
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Die Größe der notwendigen Nachführbewegungen wird von einem Referenzmesssystem erfasst und steht als Referenzmessung zur Kalibrierung oder Überprüfung der Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine im dritten Freiheitsgrad zur Verfügung.
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Die Nachführbewegungen werden von einem Antrieb ausgeführt, der über einen Regelkreis mit entsprechender Sensorik, bestehend zum Beispiel aus Abtastköpfen für die Gitterteilung der Kreuzgitterplatte und Abstandssensoren, die Position der Kreuzgitterplatte bezüglich des dritten Freiheitsgrades konstant hält.
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Als dritter großer Freiheitsgrad mit wesentlichem Beitrag zu einer Bewegung kommen dabei zum Beispiel rotatorische Bewegungen (um eine Achse senkrecht zur Kreuzgitterplatte), translatorische Bewegungen (senkrecht zur Kreuzgitterplatte) oder Kippbewegungen (um in der Ebene der Kreuzgitterplatte liegende Kippachsen) der Kreuzgitterplatte in Betracht. Bei entsprechendem Aufbau mit mehreren Positionsmesssystemen können auch mehrere zusätzliche Freiheitsgrade gleichzeitig erfasst und überprüft werden.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine Werkzeugmaschine mit Messeinrichtung;
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2 eine in zwei Freiheitsgraden nachführbare Kreuzgitterplatte.
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Die hier beschriebene Erfindung ist anwendbar auf Werkzeugmaschinen mit mehreren beweglichen Achsen. Diese Achsen werden wie üblich mit X, Y und Z für die linearen Achsen und A, B, C für die rotatorischen Achsen bezeichnet. Die Achsen A, B, C, X, Y, Z erlauben eine Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück in mehreren Freiheitsgraden, die im Folgenden ebenfalls mit den Buchstaben A, B, C, X, Y und Z entsprechend den zugrundeliegenden Achsen bezeichnet werden.
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1 zeigt eine Werkzeugmaschine 5, von der eine Werkzeugspindel 5.1 und ein Rundtisch 5.2 dargestellt sind. In hier nicht dargestellter Weise lässt sich ein auf dem Rundtisch 5.2 aufgespanntes Werkstück mit einem in der Werkzeugspindel 5.1 eingespannten Werkzeug bearbeiten. Dabei kann das Werkstück relativ zum Werkzeug in mehrere Freiheitsgrade X, Y, Z und C bewegt werden. Diese Bewegung wird üblicherweise von einer Numerischen Steuerung überwacht, die ein Teileprogramm abarbeitet und dabei Positionssollwerte an die Antriebe der verschiedenen Achsen X, Y, Z, C abgibt. In die Werkzeugmaschine 5 integrierte Positionsmesssysteme liefern dabei Positionsistwerte, die zusammen mit den Positionssollwerten in einem Lageregelkreis verarbeitet werden.
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Um die Genauigkeit des Bearbeitungsvorganges zu überprüfen, ist eine Kreuzgitterplatte 1 über ein Referenzmesssystem 4 auf dem Rundtisch 5.2 montiert, so dass die Drehachse C des Rundtisches 5.2 parallel zur Drehachse des Referenzmesssystems 4 ist. In die Werkzeugspindel 5.1 ist eine Halterung 3 eingespannt, die mehrere Abtastköpfe 2 trägt. Diese Abtastköpfe 2 sind in der Lage, von der Kreuzgitterplatte 1 Positionsinformationen bezüglich der Verschiebung der Kreuzgitterplatte 1 in Richtung der Freiheitsgrade X und Y aufzunehmen. Hierzu wird das Gitter der Kreuzgitterplatte 1 abgetastet und im einfachsten Fall ein Inkrementalsignal in Form einer definierten Anzahl von Pulsen pro Wegstrecke in der Richtung X bzw. Y abgegeben. Vereinfacht dargestellt werden dabei die Gitterstriche gezählt, die jeweils in Richtung der aufeinander senkrecht stehenden und die Ebene der Kreuzgitterplatte aufspannenden Freiheitsgrade X und Y von den Abtastköpfen 2 überstrichen werden. Details zum Abtastprinzip und zur Funktionsweise solcher Messsysteme können dem oben zitierten Buch ”Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik” entnommen werden.
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Eine Recheneinheit 7 enthält eine Auswerteeinheit 7.1, die aus den Inkrementalsignalen der Abtastköpfe 2 eine Information über die Verschiebung der Kreuzgitterplatte 1 relativ zu den Abtastköpfen 2 berechnet. Diese Information lässt sich vergleichen mit der eigentlich durch ein Teileprogramm vorgegebenen Sollbewegung. Abweichungen können so erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
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Verwendet man nun wenigstens zwei Abtastköpfe 2, so lässt sich in der Recheneinheit 7 aus den Positionswerten der Abtastköpfe 2 auch der Drehwinkel der Kreuzgitterplatte 1 um einen dritten Freiheitsgrad C senkrecht zur Kreuzgitterplatte 1 berechnen. Die auf dem Referenzmesssystem 4 drehbar gelagerte Kreuzgitterplatte 1 lässt sich dann so nachführen, dass die durch den Rundtisch 5.2 ausgeführte Drehung um die Achse C gerade wieder ausgeglichen wird. Dies kann von einem Servoregler 7.2 in der Recheneinheit 7 erledigt werden, der einen Antrieb 6 steuert, der die Nachführbewegung der Kreuzgitterplatte 1 unabhängig von den beweglichen Achsen A, B, C, X, Y, Z der Werkzeugmaschine 5 bewirkt. Der Servoregler 7.2 hat also die Aufgabe, die durch den Rundtisch 5.2 verursachte Drehung der Kreuzgitterplatte 1 relativ zu der aus den Abtastköpfen 2 bestehenden Sensorik zu kompensieren, indem die Kreuzgitterplatte 1 mittels des Antriebes 6 zurück gedreht wird. Das Referenzmesssystem 4 erfasst dann eine Winkelpositionsinformation, die mit der ursprünglichen Vorgabe für die Achse C der Werkzeugmaschine 5 verglichen werden kann. Abweichungen geben Aufschluss über die Positioniergenauigkeit der rotatorischen Achse C.
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Mit der in 1 gezeigten Kombination aus einer nachgeführten Kreuzgitterplatte 1 mit einem Referenzmesssystem 4 lassen sich also drei Achsen der Werkzeugmaschine 5 hinsichtlich ihrer Positioniergenauigkeit überprüfen bzw. kalibrieren. Der Messbereich bezüglich der rotatorischen Achse C ist dabei mit einem geeigneten Referenzmesssystem 4 nicht begrenzt. Die Begrenzung durch die Größe der Abtastpatte 1 in Richtung der linearen Achsen X und Y lässt sich aufheben, wenn an der Halterung 3 mehrere Abtastköpfe 2 befestigt sind. Es muss dann lediglich darauf geachtet werden, dass im gewünschten Messbereich der linearen Achsen X, Y immer wenigstens zwei Abtastköpfe 2 oberhalb der Kreuzgitterplatte 1 liegen. Bevor diese den Bereich der Kreuzgitterplatte 1 verlassen, muss auf ein anderes Paar von Abtastköpfen 2 umgeschaltet werden. Im Sinne der Einleitung können also drei große Freiheitsgrade überprüft werden.
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Es lässt sich ein weiterer Freiheitsgrad der Werkzeugmaschine 5 überprüfen, wenn die Sensorik aus Abtastköpfen 2 wie in der 2 gezeigt durch einen Abstandssensor 9 ergänzt wird. Dies kann ein kapazitiver Abstandssensor 9 sein oder auch ein mechanischer Taster, der von der Halterung 3 aus die Kreuzgitterplatte 1 antastet. Montiert man die Kreuzgitterplatte 1 auf einem linearen Stellglied 8 mit integriertem Linearmesssystem, so lässt sich die Kreuzgitterplatte 1 auch senkrecht zur Kreuzgitterplatte 1 nachführen und damit die Achse Z überprüfen. Hierzu wird der Abstand der Kreuzgitterplatte 1 zum Abstandssensor 9 mit dem Linearstellglied 8 über den Servoregler 7.2 konstant gehalten. Die nötige Nachführung wird mit dem als Referenzmesssystem dienenden Linearmesssystem des Linearstellgliedes 8 erfasst und kann mit der Vorgabe an die Achse Z der Werkzeugmaschine 5 verglichen werden.
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Kippbewegungen der Kreuzgitterplatte 1 um in der Ebene der Kreuzgitterplatte 1 liegende Achsen A und B können erfasst werden, wenn die Kreuzgitterplatte 1 von wenigstens drei Abstandssensoren 9 an der Halterung 3 überwacht wird und die Kreuzgitterplatte 1 z. B. auf drei Linearstellgliedern 8 mit integriertem Linearmesssystem gelagert ist, wie in 2 dargestellt. Die drei Abstandssensoren 9 und die drei Linearstellglieder 8 dürfen dabei jeweils nicht auf einer Geraden liegen. Die Recheneinheit 7 kann aus den Abstandswerten der drei Abstandssensoren 9 geeignete Sollwerte für die Servoregler 7.2 der Linearstellglieder 8 berechnen. Auf diese Weise ist die Kreuzgitterplatte 1 bezüglich der Achsen A und B nachführbar. Aus den Positionswerten der Linearmesssysteme der Linearstellglieder 8 kann dann die Recheneinheit 7 die gesuchten Referenzwerte für die Kippwinkel um die Achsen A und B berechnen und mit den Vorgaben an die Werkzeugmaschine 5 vergleichen.
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Alternativ kann die Kreuzgitterplatte 1 auch kardanisch aufgehängt werden, wobei Winkelmesssysteme in den Gelenken der Aufhängung den Kippwinkel in den Freiheitsgraden A und B jeweils direkt erfassen und als Referenzposition ausgeben können.
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Durch die Montage der Abtastköpfe 2 anstelle eines Werkzeuges und der Montage der Kreuzgitterplatte 1 anstelle eines Werkstückes können alle Relativbewegungen zwischen Kreuzgitterplatte 1 und Abtastköpfen 2 erfasst werden, die ansonsten zwischen Werkzeug und Werkstück auftreten können. So sind alle Freiheitsgrade A, B, C, X, Y, Z einer Werkzeugmaschine 5 abgedeckt und einer genauen Überprüfung zugänglich.
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In speziellen Anwendungen werden Kreuzgittermesssysteme auch im Lageregelkreis einer Werkzeugmaschine 5 verwendet. Weist die Werkzeugmaschine 5 z. B. einen Freiheitsgrad A, B auf, durch den die Kreuzgitterplatte 1 um eine Achse in ihrer Ebene gekippt wird, ist die entsprechende Nachführung der Kreuzgitterplatte 1 eine sinnvolle Maßnahme. Hier wird also das beschriebene Messsystem nicht zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit, sondern direkt zur Positionsregelung der Werkzeugmaschine eingesetzt.
