FINDEKLEE, Joachim (Uhlengrund 18e, Buchholz, 21244, DE)
RÖDERS, Jürgen (Scheibenstrasse 6, Soltau, 29614, DE)
FINDEKLEE, Joachim (Uhlengrund 18e, Buchholz, 21244, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten Spindel (1 ), in welche lösbar eine mit einem Werkzeug (2) versehene Werkzeugaufnahme (3) einsetzbar ist, wobei die Werkzeugaufnahme (3) nacheinander mehrfach mit unterschiedlichen Drehwinkelpositionen in die Spindel (1 ) eingespannt wird und dabei in jeder Drehwinkelposition zumindest ein Rundlauffehler gemessen wird, wobei eine Bestimmung der Winkelpositionen mit dem minimalen Gesamt-Rundlauffehler erfolgt und für eine nachfolgende Bearbeitung eines Werkstücks die Werkzeugaufnahme (3) dann in dieser Drehwinkelposition in die Spindel (1 ) eingesetzt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den unterschiedlichen Drehwinkelpositionen eine direkte Messung des Rundlauffehlers erfolgt. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den unterschiedlichen Drehwinkelpositionen eine indirekte Messung des Rundlauffehlers durch Messung von zumindest einem Durchmesser eines Bereichs des Werkzeugs (2) erfolgt. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest zwei Drehwinkelpositionen eine Messung erfolgt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rund lauffehler als Gesamt-Rundlauffehler aus einem Einzel-Rundlauffehler (A) der Spindel (1 ) und einem Einzel-Rundlauffehler (B) der Werkzeugaufnahme (3) mit eingespanntem Werkzeug (2) errechnet wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Drehwinkelpositionen durch Drehung der Spindel (1 ) eingestellt werden und die Werkzeugaufnahme (3) nachfolgend in der Spindel (1 ) gespannt wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rundlauffehler an zumindest einer Schneide des Werkzeugs (2) gemessen wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einsetzen und Spannen der Werkzeugaufnahme (3) an der Spindel (2) der Werkzeugmaschine in der optimierten Drehwinkelposition der sich dann ergebende Gesamt-Rundlauffehler (C) gemessen und mit dem berechneten Rundlauffehler verglichen wird. |
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine mit einer drehbar gelagerten Spindel, in welche lösbar eine mit einem Werkzeug versehene Werkzeugaufnahme einsetzbar ist.
Spanende Werkzeugmaschinen führen die Bearbeitung von Werkstücken häufig mit Hilfe eines rotierenden Bearbeitungswerkzeuges aus, z.B. Fräsmaschinen oder Schleifmaschinen. Für den Materialabtrag sind an dem rotierenden Bearbeitungswerkzeug einige wenige bestimmte oder eine Vielzahl von unbestimmten Schneiden angebracht. Diese schneiden durch Rotation des Bearbeitungswerkzeuges entsprechend der gewünschten Bearbeitung das Material aus dem zu bearbeitenden Werkstück heraus. Das Bearbeitungswerkzeug wird dazu von einer Hauptspindel angetrieben und gleichzeitig an dieser gelagert.
Um in einer Maschine unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben an einem oder mehreren Werkstücken automatisch vornehmen zu können, wird ein automatischer Werkzeugwechsel in der Werkzeugmaschine vorgesehen. Dazu wird das Bearbeitungswerkzeug in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen, an deren Enden jeweils eine Schnittstelle vorgesehen ist. Eine Schnittstelle dient zur Aufnahme des Bearbeitungswerkzeuges an der Werkzeugaufnahme, z.B. über eine Spannzange, die auf den Durchmesser des Schaftes des Bearbeitungswerkzeuges abgestimmt ist. Die andere gegenüberliegende Schnittstelle dient zur Aufnahme der Werkzeugaufnahme mit dem eingespannten Bearbeitungswerkzeug an einer Hauptspindel. Über diese Schnittstelle wird die Werkzeugaufnahme mit dem Bearbeitungswerkzeug gelagert und das notwendige Drehmoment für die Bearbeitung von der Hauptspindel über die Werkzeugaufnahme in das Bearbeitungswerkzeug übertragen. Bekannt aus der Technik sind HSK-Schnittstellen (Hohlschaftkegel), Steilkegelschnittstellen und andere.
Für das Bearbeitungsergebnis ist eine hohe Rundlaufgüte der Schneiden des Bearbeitungswerkzeuges, d.h. ein minimaler Gesamt-Rundlauffehler, wünschenswert. Dieser wird durch - den Einzelrundlauffehler der Hauptspindel,
- den Einzelrundlauffehler der Werkzeugaufnahme und
- den Einzelrundlauffehler des Bearbeitungswerkzeuges verursacht. Im ungünstigsten Fall addieren sich diese Einzelrundlauffehler zu einem maximalen Gesamt-Rundlauffehler.
Die Einspannung des Bearbeitungswerkzeuges in die Werkzeugaufnahme wird außerhalb der Werkzeugmaschine vorgenommen. Eine Kontrolle und eventuelle Optimierung des sich ergebenden Rundlauffehlers von Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug ist mit entsprechender Messtechnik vorab außerhalb der Werkzeugmaschine möglich und bekannt. Entsprechende Geräte stehen zur Kontrolle und Optimierung des Rundlaufes von Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug zur Verfügung. Jedoch wird auch bei optimaler Technik ein Restrundlauffehler des Systems Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug verbleiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Rundlaufoptimierung einer Werkzeugmaschine zu schaffen, welches bei einfacher Anwendung eine Minimierung des Rundlauffehlers ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die aus der Werkzeugaufnahme und dem Werkzeug bestehende Einheit so in die Spindel (Spindelwelle) einzusetzen, dass sich ein Gesamt-Rundlauffehler ergibt, der erheblich minimiert ist. Es ist somit möglich, eine optimierte Bearbeitung eines Werkstücks durchzuführen, bei der sich beispielsweise eine erhebliche Steigerung der Oberflächengüte ergibt. Ein weiterer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, dass durch die Minimierung des Rundlauffehlers das Werkzeug weniger belastet wird, so dass die Bruchgefahr, insbesondere bei Mikrowerkzeugen, erheblich vermindert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher Weise bei einer programmgesteuerten Werkzeugmaschine eingesetzt werden, ohne dass erhebliche zusätzliche bauliche Änderungen durchgeführt werden. Vielmehr ist es lediglich erforderlich, den Vorgang des Einsetzens und des Spannens der Werkzeugaufnahme in die Spindel mehrfach in unterschiedlichen Drehwinkel-Positionen vorzunehmen. Die Werkzeugaufnahme selbst kann mit dem zugehörigen Werkzeug erfindungsgemäß in üblicher Weise bereitgestellt werden, so dass hierbei keine weiteren Maßnahmen, weder konstruktiver noch verfahrenstechnischer Weise, benötigt werden. Erfindungsgemäß kann auch die Messung mittels einer üblicherweise an einer Werkzeugmaschine bereits vorhandenen Messeinrichtung erfolgen, beispielsweise einer Lasermesseinrichtung.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Montage der Werkzeugaufnahme an der Spindel kann in einfacher Weise durch Drehung der Spindel mittels des Spindelantriebs erfolgen. Die Drehung zum Einsetzen in unterschiedlichen Drehwinkelpositionen kann an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. So ist es möglich, die unterschiedlichen Drehwinkelpositionen mit sehr kleinen Drehwinkeln vorzusehen oder beispielsweise nach einer 180°-Drehung der Spindel.
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, den aus den Einzelrundlauffehlern der Hauptspindel und der Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug sich ergebenden Gesamt-Rundlauffehler, der sich aus der Spannung der Werkzeugaufnahme mit Bearbeitungswerkzeug an der Hauptspindel ergibt, dadurch zu optimieren, dass eine optimale Winkellage der Werkzeugaufnahme mit Bearbeitungswerkzeug relativ zur Hauptspindel ermittelt wird.
Dazu ist es vorteilhaft, einen Typ Werkzeugaufnahme vorzusehen, der bezüglich der relativen Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme beliebige Winkel für die Spannung der Werkzeugaufnahme in der Hauptspindel zulässt. Dies ist beispielsweise bei Hohlschaftkegelaufnahmen (HSK-Aufnahmen) des Typs E der Fall. An diesen Werkzeugaufnahmen sind keine Mitnehmer vorgesehen, so dass das für die Bearbeitung erforderliche Drehmoment von der Hauptspindel über die Werkzeugaufnahme auf das Bearbeitungswerkzeug lediglich durch Reibschluss zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme übertragen wird. Dafür ist die Lagerung (Spannung) der Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel in beliebiger relativer Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme möglich. Die Hauptspindel kann in ihrer relativen Winkellage zur Werkzeugaufnahme (Drehlage) frei positioniert werden, bevor die Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel gespannt wird.
Wenn eine derart im Drehwinkel frei positionierbare Werkzeugaufnahme mit gespanntem Bearbeitungswerkzeug an der Hauptspindel gelagert wird, kann dies im ungünstigsten Fall dazu führen, dass sich der Einzelrundlauffehler der Hauptspindel und der Einzelrundlauffehler des Systems Werkzeugaufnahme mit gespanntem Bearbeitungswerkzeug gerade addieren und somit maximieren. Durch einfache Vektorgraphik in einer gewählten XY-Ebene wird dies deutlich.
Im günstigsten Fall subtrahieren und somit minimieren sich beide Einzelrundlauffehler zu einem minimalen Gesamt-Rundlauffehler.
Außerdem gibt es zahlreiche Möglichkeiten zwischen diesem Maximum und Minimum des Gesamt-Rundlauffehlers, wie aus einer weiteren Vektorgraphik in der XY-Ebene ersichtlich ist, abhängig von der relativen Winkellage der Werkzeugaufnahme zu der Hauptspindel während der Spannung der Werkzeugaufnahme an der Hauptspindel.
Erfindungsgemäß wird somit eine optimale relative Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme bestimmt, für die der Gesamt-Rundlauffehler minimal ist. Im Stand der Technik ist es nicht möglich, diese Winkellage automatisch zu bestimmen. Es ergibt sich vielmehr ein zufälliger mal größerer und mal kleinerer Gesamt- Rundlauffehler, abhängig von der zufällig gewählten Winkellage. Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, eine Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug mehrfach in verschiedenen relativen Winkellagen an der Hauptspindel zu spannen und für jede Spannung jeweils den Gesamt-Rundlauffehler des Bearbeitungs-Werkzeuges in der Werkzeugmaschine mit einem geeigneten Messmittel, z.B. einem Messlaser in der Werkzeugmaschine, zu vermessen. Aus diesen Messungen kann auf verschiedene Weise auf die relative Winkellage zwischen Hauptspindel und Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Bearbeitungswerkzeug geschlossen werden, für die der sich ergebende Gesamt- Rundlauffehler minimal wird.
Erfindungsgemäß ist möglich, die optimale relative Winkellage iterativ zu bestimmen oder über einen geeigneten mathematischen Ansatz aus den Messergebnissen zu berechnen.
Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erreichen ist es wünschenswert, den sich ergebenden Gesamt-Rundlauffehler direkt an den Schneiden zu messen.
Die Messung des Gesamt-Rundlauffehlers und/oder der Winkellage des Gesamt- Rundlauffehlers des Bearbeitungswerkzeuges in der Werkzeugmaschine kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine erfindungsgemäß vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, das rotierende, über die Werkzeugaufnahme an der Spindel gelagerte Bearbeitungswerkzeug mit geringer Vorschubgeschwindigkeit in den Laserstrahl eines Messlasers in der Werkzeugmaschine zu verfahren, bis dieser unterbrochen wird.
In der Praxis wird auch bei exakt gleicher relativer Winkellage zwischen der Spindel (Hauptspindel) und Werkzeugaufnahme bei mehrfacher Spannung der Gesamt- Rundlauffehler auf Grund von Setzeffekten, leichten Unterschieden bei dem Einzug der Werkzeugaufnahme in die Hauptspindel etc. der Gesamt-Rundlauffehler immer etwas variieren. Auch das Messmittel, z.B. ein in der Werkzeugmaschine verbauter Messlaser, hat eine Messtoleranz, innerhalb derer die Messergebnisse schwanken. Derart verursachte Ungenauigkeiten verfälschen die Optimierung des Gesamt- Rundlauffehlers, da die Eingangsdaten bereits mit gewissen Fehlern behaftet sind. Um die Auswirkungen dieser Fehler zu minimieren, ist es sinnvoll, redundante Messungen durchzuführen und die Berechnung der optimalen relativen Winkellage mit geeigneten numerischen Verfahren durchzuführen, die die Fehler minimieren, z.B. mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Abhängig von der Qualität der Messergebnisse kann eine zusätzliche abschließende Kontrolle der ermittelten optimalen relativen Winkellage vorteilhaft sein. Dazu wird die Werkzeugaufnahme mit dem Bearbeitungswerkzeug in der berechneten optimalen relativen Winkellage an der Hauptspindel gespannt, der Gesamt-Rundlauffehler für diese Spannung gemessen und mit dem sich rechnerisch für diese relative Winkellage ergebenden Gesamt-Rundlauffehler verglichen. Die Abweichung zwischen berechnetem und gemessenem optimalen Gesamt-Rundlauffehler kann ein Kriterium für die Güte des Verfahrens sein, nach dem eventuelle weitere Maßnahmen eingeleitet werden, z.B. der Beginn der Bearbeitung oder weitere Messungen zur weiteren Optimierung.
Bei Werkzeugschnittstellen, die keine beliebige Winkellage für die Spannung der Werkzeugaufnahme zulassen, ist erfindungsgemäß ebenfalls eine eingeschränkte Optimierung möglich. Bei zahlreichen Werkzeugschnittstellen, bei denen das Drehmoment über Mitnehmer übertragen wird, sind zumindest zwei Spannungen in um 180° versetzten Winkellagen möglich. In diesem Fall ist die Optimierung zwar eingeschränkt, aber es kann zumindest die günstigere der beiden Spannungen ermittelt werden. Sind mehr als zwei Winkellagen für die Spannung der Werkzeugaufnahme möglich, kann der Rundlauffehler entsprechend den Spannmöglichkeiten weiter optimiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen ndel mit Werkzeugaufnahme und Werkzeug,
Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung, und
Fig. 3-6 Vektorgraphiken.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer, stark vereinfachter Darstellung, eine Spindel 1 (Spindelwelle). Diese weist, wie sich aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 2 ergibt, eine Rotationsachse 4 auf. An der Spindel 1 ist eine Werkzeugaufnahme 3 lösbar befestigt, welche eine Achse 5 einer Passbohrung umfasst, in welche ein Werkzeug 2 lösbar eingesetzt ist, welches eine Achse 6 aufweist.
Wie sich insbesondere aus der Darstellung der Fig. 2 ergibt, sind die drei Achsen 4, 5 und 6 nicht kongruent, sondern seitlich zueinander versetzt. Hierdurch ergibt sich bei der Drehung der gesamten Anordnung um die Rotationsachse 4 der Spindel 1 an einer nicht dargestellten Schneide des Werkzeugs 2 ein Rundlauffehler.
Die Fig. 3-5 zeigen jeweils Vektorgraphiken. Dabei ist in Fig. 3 in einer X- Y-Ebene ein günstigster Fall dargestellt, bei welchem sich ein Einzelrundlauffehler A der Spindel 1 mit einem Einzelrundlauffehler B der Werkzeugaufnahme 3 mit eingespanntem Werkzeug 2 addieren, so dass sich ein resultierender Gesamt-Rundlauffehler C ergibt, welcher eine maximale Größe aufweist. In Fig. 4 ist eine Situation dargestellt, welche einen günstigsten Fall darstellt, in welchem sich die Einzelrundlauffehler A und B subtrahieren, so dass sich nur ein minimaler resultierender Gesamt-Rundlauffehler C ergibt.
Die Fig. 5 zeigt eine Vektorgraphik, aus welcher sich die Addition der Einzelrundlauffehler A und B zu dem resultierenden Gesamt-Rundlauffehler C besonders deutlich darstellen lässt. Wenn in mehreren unterschiedlichen Drehwinkelpositionen derartige Messungen vorgenommen werden, zeigt sich, dass der resultierende Gesamt-Rundlauffehler, bezogen auf einen 360°-Umlauf der einzelnen Drehwinkelpositionen, bei welchen die Messungen vorgenommen werden, in einer Schwingungslinie abgebildet ist, beispielsweise einer Sinusschwingung. Durch Messung einzelner Rundlauffehler an einzelnen Drehwinkelpositionen ist es somit möglich, eine Optimierung vorzunehmen und eine Drehwinkelposition zu bestimmen, bei welcher sich beim Einsetzen der Werkzeugaufnahme in die Spindel eine Minimierung des resultierenden Gesamt-Rundlauffehlers ergibt. Die Berechnung dieser optimierten drehwinkel-bezogenen Zuordnung der Spindel zur Werkzeugaufnahme kann, wie vorstehend erläutert, auf unterschiedliche Weise berechnet werden. In Zusammenhang mit Fig. 6 wird nachfolgend beispielhaft ein einfacher Lösungsansatz zur Ermittlung der Einzelrundlauffehler von Spindel und Werkzeugaufnahme dargestellt. Dabei sind: XGO = X-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
YGO = Y-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°, d8o = X-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°,
YGI8O = Y-Komponente des Gesamt-Rundlauffehlers vom Werkzeug in der Spindelwelle bei relativem Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°,
X s = X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Spindelwelle,
Ys = Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Spindelwelle,
Xwo = X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
Ywo = Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 0°,
Xwi8o = X-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°, Ywi8o = Y-Komponente des Rundlauffehlers nur der Werkzeugaufnahme bei einem relativen Spannwinkel zwischen Spindelwelle und Werkzeugaufnahme von 180°.
Der Lösungsansatz geht davon aus, dass die Werkzeugaufnahme einmal unter 0° und einmal unter 180° relativem Spannwinkel an der Spindelwelle gespannt wird und dass der sich ergebende Gesamt-Rundlauffehler (absoluter Betrag und Richtung) für beide Spannungen gemessen wird. Aus dem absolutem Betrag und der Richtung des Gesamt-Rundlauffehlers lassen sich die X- und die Y-Komponente des Gesamt- Rundlauffehlers in der XY-Ebene errechnen (X G o = Betrag des Gesamt-Rundlauffehlers x sin (Winkel der Richtung)).
Im Einzelnen ergibt sich Folgendes:
XGO = Xs + Xwo
Xd8o = Xs + Xwi80
mit Xwo = -Xwi80 und Ywo = -Ywiso
YC180 = Ys - YWO
XGO + XGI80
Ywo = YGO - Ys
Aus der Vektorgraphik der Fig. 6 wird leicht ersichtlich, dass sich mit diesen Vorgaben über eine einfache Mathematik die Einzelrundlauffehler von Spindelwelle und Werkzeugaufnahme leicht errechnen lassen (X- und Y-Komponenten). Wenn diese bekannt sind, kann leicht der Winkel des Rundlauffehlers der Spindel und der Winkel des Rundlauffehlers der Werkzeugaufnahme errechnet werden und daraus der optimale Spannwinkel festgelegt werden.
Bezugszeichenliste
1 Spindel (Spindelwelle)
2 Werkzeug
3 Werkzeugaufnahme
4 Rotationsachse der Spindel
5 Achse der Passbohrung der Werkzeugaufnahme
6 Achse des Werkzeugs
A Einzelrundlauffehler der Spindel
B Einzelrundlauffehler der Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Werkzeug
C Resultierender Gesamt-Rundlauffehler
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