DE102009001634A1

DE102009001634A1 - Verfahren zum Ansteuern einer Achse

Info

Publication number: DE102009001634A1
Application number: DE102009001634A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. Wastlhuber (FH); Frieder Kohler; Bernhard Aicher
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Achse in einer Werkzeugmaschine beschrieben, bei dem ein längs eines Trägers (1) in einer Bewegungsrichtung (X) bewegliches Element (6) anhand von zwei parallelen Linearantrieben (3) relativ zum Träger (1) bewegt wird. Die Linearantriebe (3) leiten an zwei voneinander beabstandeten Stellen am beweglichen Element (6) eine Kraft ein. Eine Vorspannung zwischen den Linearantrieben (3) bewirkt ein Drehmoment (M) auf das bewegliche Element (6), so dass das bewegliche Element (6) seine Ausrichtung bezüglich der Bewegungsrichtung (X) stets beibehält. Die Vorspannung der Linearantriebe (3) wird anhand einer Position des beweglichen Elements (6) in Bewegungsrichtung (X) gewählt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Achse in einer Werkzeugmaschine, bei dem ein bewegliches Element anhand von zwei parallelen Linearantrieben bewegt wird.
Werkzeugmaschinen mit solchen Achsen sind bekannt. Bei der Achse kann es sich beispielsweise um einen horizontalen Träger handeln, an dem ein vertikal in Z-Richtung beweglicher Fräskopf in X-Richtung beweglich gelagert ist. Der Fräskopf wird mit zwei in Z-Richtung beabstandeten Linearführungen am Träger geführt und von zwei Linearantrieben wie beispielsweise Kugelumlaufspindeln angetrieben. Durch das Eigengewicht des Trägers oder des Fräskopfes kann sich der Träger verbiegen. Dadurch wird der Fräskopf aus seiner idealerweise senkrechten Ausrichtung verschwenkt. Der Werkzeugmittelpunkt (Tool Center Point oder hier auch TCP genannt) verschiebt sich dadurch in X-Richtung, eine exakte Bearbeitung eines Werkstücks ist nicht mehr möglich.
Es sind bereits Maßnahmen bekannt geworden, die eine Durchbiegung eines solchen Trägers vermeiden sollen.
So offenbart die US 5297907 eine portable Werkzeugmaschine, bei der ein Träger mittels im Träger integrierter Spannelemente vorgespannt wird. Dies verleiht dem Träger eine zusätzliche Steifigkeit. Dem grundsätzlichen Problem der positionsabhängigen Durchbiegung eines Trägers kann diese Lösung aber nicht abhelfen, denn der Träger wird sich dennoch je nach Stellung des am Träger geführten Werkzeuges oder unter seinem eigenen Gewicht durchbiegen.
Aus der DE 1956889 ist es bereits bekannt, die Durchbiegung eines Trägers mittels eines Zugankers zu korrigieren. In einem Ausführungsbeispiel wird dabei die Zugankerspannung durch ein Steuerorgan eingestellt, um auf unterschiedliche Gewichte des beweglichen Elements reagieren zu können und damit eine höhere Genauigkeit bei der Korrektur der Durchbiegung des Trägers zu erreichen. Eine positionsabhängige Korrektur der Durchbiegung ist jedoch nicht offenbart. Ein separater Zuganker bedeutet außerdem einen nicht unerheblichen konstruktiven Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ansteuern einer Achse anzugeben, mit dem die Durchbiegung eines Trägers einer Werkzeugmaschine der oben beschriebenen Bauart kompensiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Details des Verfahrens ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Es wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Achse in einer Werkzeugmaschine beschrieben, bei dem ein längs eines Trägers in einer Bewegungsrichtung bewegliches Element anhand von zwei parallelen Linearantrieben relativ zum Träger bewegt wird. Die Linearantriebe leiten an zwei voneinander beabstandeten Stellen am beweglichen Element eine Kraft ein. Eine Vorspannung zwischen den Linearantrieben bewirkt ein Drehmoment auf das bewegliche Element, so dass das bewegliche Element seine Ausrichtung bezüglich der Bewegungsrichtung stets beibehält.
Die Linearantriebe bewegen dabei das bewegliche Element parallel zum Träger in Bewegungsrichtung, oder aber in einer von der Bewegungsrich tung abweichenden Richtung, insbesondere senkrecht zur Bewegungsrichtung. Das bewegliche Element ist nämlich vorzugsweise in zwei oder mehr Richtungen beweglich, um ein daran befestigtes Werkzeug im Arbeitsraum frei bewegen zu können.
Dabei bewirkt das Drehmoment entweder eine lokale Deformation am beweglichen Element oder am Träger selbst, und hebt so die Fehlstellung des beweglichen Elements auf, oder die Durchbiegung des Trägers selbst wird aufgehoben. Auch eine Mischung dieser Möglichkeiten ist möglich. Entsprechende elastische Freiheitsgrade können konstruktiv vorgesehen sein, evtl. genügen aber auch die in jeder Anordnung stets vorhandenen Elastizitäten. Im Ergebnis soll das Drehmoment zwischen dem beweglichen Element und dem Träger bewirken, dass das bewegliche Element und damit das daran befestigte Werkzeug seine räumliche Ausrichtung stets beibehält und damit beispielsweise immer vertikal und damit senkrecht auf die horizontale Bewegungsrichtung ausgerichtet ist.
Mittels einer Tabelle oder mittels einer Funktion wird die Vorspannung zwischen den beiden Linearantrieben auf einen von der Position des beweglichen Elements in Bewegungsrichtung abhängigen Wert geregelt, so dass die Ausrichtung des Werkzeugs unabhängig von der Stellung des beweglichen Elements wird und eine exakte Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht wird.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Figuren. Dabei zeigt
1 eine Werkzeugmaschine nach dem Stand der Technik, betrieben nach einem herkömmlichen Verfahren,
2 die Werkzeugmaschine der 1, betrieben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In 1 ist ein Teil einer Werkzeugmaschine dargestellt. Zwischen zwei vertikalen Ständern 2 ist ein horizontaler Träger 1 montiert, der eine X-Achse der Werkzeugmaschine definiert. Mittels zweier Führungen 4 ist ein bewegliches Element 6 horizontal und in einer Bewegungsrichtung X verschiebbar gehalten. In den Führungen 4 ist jeweils ein Linearantrieb 3 integriert. In der Zeichnung ist dieser Linearantrieb mit je einem rotatorischen Motor in Verbindung mit in die Führungen 4 integrierten Kugelumlaufspindeln realisiert. Ebenso könnten die Linearantriebe mit Linearmotoren realisiert werden.
Das bewegliche Element 6 trägt ein Werkzeug, dessen Werkstückmittelpunkt oder TCP 5 zur Bearbeitung eines Werkstücks positioniert werden soll. Hierzu sind das bewegliche Element 6 und damit das Werkzeug auch in einer vertikalen Richtung Z beweglich. Dar Abstand des TCP 5 vom Träger 1 kann daher beträchtlich sein.
In der 1 ist übertrieben dargestellt, dass der Träger 1 durch sein Eigengewicht und/oder durch das Gewicht des beweglichen Elements 6 durchgebogen ist, wobei die Durchbiegung in der Bewegungsrichtung X variiert. In der Stellung A des beweglichen Elements 6 spielt dies für die Positionierung des TCP 5 keine Rolle, da hier die Durchbiegung nicht zu einem Verschwenken des beweglichen Elements 6 führt. Die Führungen 4 zeigen hier genau in die Bewegungsrichtung X.
In der Stellung B wird jedoch das bewegliche Element 6 verschwenkt, denn die Führungen 4 sind hier nicht mehr genau in Bewegungsrichtung X ausgerichtet. Das Werkzeug ist damit nicht mehr in Richtung Z ausgerichtet, sondern vielmehr zu dieser Richtung geneigt. Es ergibt sich für den TCP 5 eine ungewollte Auslenkung in Richtung X. Die Auslenkung des TCP 5 in vertikaler Richtung Z ist dagegen zumindest für kleine Schwenkwinkel vernachlässigbar. In einer großen Werkzeugmaschine kann der vertikale Abstand des TCP 5 vom Träger 1 z. B. drei Meter betragen. Bereits eine Verschwenkung des beweglichen Elements um 0.001 Grad bewirkt dann eine Verschiebung des TCP in Bewegungsrichtung X um etwa 0.1 Millimeter. Eine hochgenaue Bearbeitung des Werkstücks ist somit nicht möglich.
Es ist nun nicht unüblich, einen solchen Versatz des TCP 5 in Bewegungsrichtung X durch eine Ausgleichsbewegung in eben dieser Bewegungsrich tung X zu kompensieren. Da aber z. B. bei einer Fräsbearbeitung immer auch die Ausrichtung des Werkzeugs zur Werkstückoberfläche eine wichtige Rolle für die Oberflächenqualität des gefertigten Werkstücks spielt, ist so eine Korrektur der Lage des TCP 5 unbefriedigend.
Eine bessere Lösung ist in 2 dargestellt. Mit zwei Kraftpfeilen ist für die Stellung B des beweglichen Elements 6 angedeutet, dass die beiden Linearantriebe 3 gegeneinander so vorgespannt sind, dass sie ein Drehmoment M zwischen dem beweglichen Element 6 und dem Träger 1 bewirken. Dieses Drehmoment M ist gerade so bemessen, dass das bewegliche Element 6 trotz der Durchbiegung des Trägers 1 vertikal und damit parallel zur Richtung Z ausgerichtet ist. Damit verschwindet nicht nur der Versatz in Bewegungsrichtung X, auch die Ausrichtung des Werkzeugs entspricht nun wieder dem Sollzustand.
Der Freiheitsgrad, der nötig ist, um das bewegliche Element 6 zurück in seine Solllage zu drehen, kann durch Elastizitäten im Bereich des Trägers 1 und/oder des beweglichen Elements 6 und/oder der Führungen 4 realisiert sein. Die Vorspannung der Antriebe 3 kann daher ein lokales oder vollständiges zurückbiegen des Trägers 1 ebenso bewirken wie eine lokale Verformung des beweglichen Elements 6 oder der Führungen 4. Auch eine Mischung aus all diesen Effekten ist möglich.
Praktisch wird man durch eine Referenzmessung für eine ausreichende Anzahl von Stützstellen im Verfahrbereich des beweglichen Elements 6 in Bewegungsrichtung X die zum Geradestellen des beweglichen Elements 6 nötige Vorspannung zwischen den Antrieben 3 ermitteln. Diese Werte können in einer Tabelle zum späteren Abruf abgelegt werden, wobei Zwischenwerte interpoliert werden können. Ebenso kann über eine Ausgleichsrechnung eine Näherungsfunktion durch die gemessenen Stützstellen ermittelt werden. Diese Funktion dient dann im Betrieb der Ermittlung der passenden Vorspannung.
Ist das Gewicht des beweglichen Elements variabel, so kann die Vorspannung durch entsprechende zusätzliche Referenzmessungen mit unter schiedlichen Gewichten und entsprechend erweiterte Tabellen bzw. Funktionen auch an das jeweilige Gewicht angepasst werden.
Im anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispiel wird das bewegliche Element 6 von den beiden Linearantrieben in der Bewegungsrichtung X angetrieben. In einer nicht anhand von Figuren dargestellten Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels kann für diese Bewegung auch ein beliebiger anderer Antrieb vorgesehen sein, etwa nur ein einziger Linearantrieb. Stattdessen wird das bewegliche Element 5 dann von zwei parallelen und voneinander beabstandeten Linearantrieben vertikal und damit senkrecht zur Bewegungsrichtung in der Richtung Z angetrieben. Der TCP 5 ist damit in X- und Z-Richtung beweglich. Entscheidend für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass auch hier durch eine Vorspannung zwischen den Linearantrieben ein Drehmoment auf das bewegliche Element ausgeübt werden kann, mit dem ein Ausgleich des durch einen durchgebogenen Träger verursachten Versatzes des TCP möglich ist.
Verallgemeinert ist die Richtung der beiden Linearantriebe unwichtig. Es muss lediglich durch eine Vorspannung der beiden Linearantriebe ein Drehmoment bewirkt werden können, dass der unerwünschten Fehlstellung des beweglichen Elements entgegenwirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5297907 [0004]
- DE 1956889 [0005]

Claims

Verfahren zum Ansteuern einer Achse in einer Werkzeugmaschine, bei dem ein längs eines Trägers (1) in einer Bewegungsrichtung (X) bewegliches Element (6) anhand von zwei parallelen Linearantrieben (3) relativ zum Träger (1) bewegt wird, wobei die Linearantriebe (3) an zwei voneinander beabstandeten Stellen am beweglichen Element (6) eine Kraft einleiten, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Vorspannung zwischen den Linearantrieben (3) ein Drehmoment (M) auf das bewegliche Element (6) bewirkt wird, so dass das bewegliche Element (6) seine Ausrichtung bezüglich der Bewegungsrichtung (X) stets beibehält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linearantriebe (3) das bewegliche Element (6) in der Bewegungsrichtung (X) bewegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Linearantriebe (3) das bewegliche Element (6) in einer von der Bewegungsrichtung (X) abweichenden, insbesondere in einer zur Bewegungsrichtung (X) senkrechten Richtung (Z) bewegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (1) einer vom Gewicht des beweglichen Elements (6) und/oder von seinem Eigengewicht bewirkten Durchbiegung unterliegt, wobei die lokale Durchbiegung an der Position des beweglichen Elements (6) in Bewegungsrichtung (X) variiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Linearantriebe (3) anhand einer Position des beweglichen Elements (6) in Bewegungsrichtung (X) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Position des beweglichen Elements (6) abhängige Vorspannung aus einer Tabelle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung anhand einer Funktion ermittelt wird, die von der Position des beweglichen Elements (6) abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung zusätzlich anhand des Gewichts des beweglichen Elements (6) gewählt wird.