DE69509496T2

DE69509496T2 - Verfahren um einen bezugspunkt eines werkzeuges relativ zu einem werkstück zu messen und eine werkzeugmaschine zur durchführung des verfahrens

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Publication number: DE69509496T2
Application number: DE69509496T
Authority: DE
Inventors: Johannes Henricus Franciscus Maria Van Leest; Arie Van Tooren; Gerrit Hendrik Von Gool; Johan Cornelis Wijn
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-23
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2015-10-24
Also published as: DE69509496D1; WO1996013355A1; EP0737121A1; US5831734A; EP0737121B1; JPH09507933A; CN1141014A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs, das an einer ersten Halterung einer Werkzeugmaschine befestigt wird, gegenüber einem mit Hilfe des Werkzeugs herzustellenden Werkstück, das an einer zweiten Halterung der Werkzeugmaschine befestigt wird, wobei die Halterungen mittels einer Positionierungseinrichtung gegenüber einander verlagert werden, wobei nach diesem Verfahren mittels des Werkzeugs am Werkstück ein Formkennzeichen angebracht wird in einer vorbestimmten Bezugslage und danach mittels der Positionierungseinrichtung ein Sensor und das Werkstück gegenüber einander verlagert werden, wobei die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück aus einer Lage der Positionierungseinrichtung bestimmt wird, in der das Formkennzeichen von dem Sensor detektiert wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkzeugs, wobei eine Bezugslage des Werkstücks gegenüber dem Werkzeug mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung gemessen wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Werkzeugmaschine mit einer ersten Halterung für ein Werkzeug, einer zweiten Halterung für ein mit Hilfe des Werkzeugs herzustellendes Werkstück, einer Positionierungseinrichtung, mit der die Halterungen gegenüber einander verlagerbar sind, und einem Regelelement zum Steuern der Positionierungseinrichtung, wobei die Positionierungseinrichtung zum Messen einer Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück durch das Regelelement entsprechend einem Steuerprogramm steuerbar ist, wobei nach diesem Programm das Werkzeug an dem Werkstück ein Formkennzeichen anbringt in einer vorbestimmten Bezugslage der Positionierungseinrichtung und die Positionierungseinrichtung danach einen Sensor und das Werkstück gegenüber einander verlagert, wobei die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück durch eine Lage der Positionierungseinrichtung bestimmt wird, worin der Sensor das Formkennzeichen detektiert.
Ein Verfahren der obengenannten Art zum messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück, ein Verfahren der obengenannten Art zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkszeugs, und eine Werkzeugmaschine der obengenannten Art sind allgemein bekannt. Solche Werkzeugmaschinen zum Durchführen der bekannten Verfahren sind oft mit einem Magazin mit einer Vielzahl an Werkzeugen versehen, wobei das an der ersten Halterung befestigte Werkzeug mittels eines Austauschmechanismus mit einem der Werkzeuge in dem Magazin austauschbar ist. In dem Magazin derartiger Werkzeugmaschinen befindet sich auch der genannte Sensor, wie beispielsweise ein mechanischer Taster.
Nach einem allgemein bekannten Verfahren zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück wird die Positionierungseinrichtung der Werkzeugmaschine in eine vorbestimmte Bezugslage gebracht, in der die erste Halterung und die zweite Halterung sich gegenüber in einer vorbestimmten Lage befinden. In dieser Bezugslage der Positionierungseinrichtung wird mittels des an der Halterung befestigten Werkzeugs an dem an der zweiten Halterung befestigten Werkstück ein Formkennzeichen angebracht. Wenn die Werkzeugmaschine beispielsweise eine Drehbank ist, wobei die zweite Halterung mit dem Werkstück sich um eine Drehungsachse dreht, ist das Formkennzeichen beispielsweise ein Schnitt, der von dem Werkzeug in dem sich drehenden Werkstück angebracht wird. Wenn die Werkzeugmaschine beispielsweise eine Fräsmaschine ist, wobei die erste Halterung mit dem Werkzeug um eine Drehungsachse drehbar ist, ist das Formkennzeichen beispielsweise eine Ausnehmung, die von dem drehenden Werkzeug in dem Werkstück angebracht wird. Danach wird das Werkzeug gegen den genannten Sensor ausgetauscht, wobei der Sensor mit Hilfe des Austauschmechanismus an der ersten Halterung befestigt wird. Der Sensor und das Werkstück werden daraufhin mittels der Positionierungseinrichtung gegenüber einander verlagert, wobei der Sensor das Werkstück abtastet. Zu dem Zeitpunkt, wo das Formkennzeichen von dem Sensor detektiert wird, befindet sich die Positionierungseinrichtung in einer Lage, die eine Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück bestimmt. Infolge von beispielsweise Ungenauigkeiten in der Lage des Werkzeugs gegenüber der ersten Halterung, der ersten Halterung gegenüber der Positionierungseinrichtung, der Positionierungseinrichtung gegenüber einem Gestell der Werkzeugmaschine, der zweiten Halterung gegenüber dem Gestell der Werkzeugmaschine, und des Werkstücks gegenüber der zweiten Halterung weicht diese Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück in den meisten Fällen ab von der genannten Bezugslage der Positionierungseinrichtung, in der das Formkennzeichen mittels des Werkzeugs angebracht wurde. Dadurch, dass die auf diese Weise gemessene Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück mit der genannten Bezugslage der Positionierungseinrichtung verglichen wird, wird eine Korrektur berechnet für die Bezugslage der Positionierungseinrichtung, so dass die Bezugslage der Positionierungseinrichtung der Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück genau entspricht und das Werkstück auf genau Weise mit Hilfe des Werkzeugs hergestellt werden kann, trotz der genannten Ungenauigkeiten in den gegenseitigen Lagen der genannten Elemente der Werkzeugmaschine.
Mit Hilfe des bekannten Verfahrens ist bei der bekannten Werkzeugmaschine die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück im Allgemeinen mit einer Genauigkeit in dem u-Bereich messbar, d. h. mit einer Genauigkeit von einem bis einige um, so dass das mit Hilfe des Werkzeugs herzustellende Werkstück bei einer geeigneten Positionierungsgenauigkeit der Positionierungseinrichtung eine Formgenauigkeit aufweist, die ebenfalls in dem u-Bereich liegt. Zum Herstellen von Werkstücken mit einer Formgenauigkeit in dem Sub-u-Bereich, wobei das Werkzeug gegenüber dem Werkstück mit einer Positionierungsgenauigkeit in der Größenordnung von 0,1 um oder mehr positioniert werden soll, ist die Genauigkeit, mit der die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück bei der bekannten Werkzeugmaschine nach dem bekannten Verfahren messbar ist, jedoch unzureichend. Die genannte Genauigkeit wird bei der bekannten Werkzeugmaschine nämlich beschränkt durch den sog. Übernahmefehler bei dem Austauschmechanismus, der verursacht wird durch die beschränkte Genauigkeit, mit der das Werkzeug und der Sensor mittels des Austauschmechanismus an der ersten Halterung befestigt werden können. Durch den genannten Übernahmefehler entsteht eine Abweichung zwischen den Lagen gegenüber der ersten Halterung des Werkzeugs, mit dem das Formkennzeichen angebracht wird und dem Sensor, mit dem das Formkennzeichen detektiert wird, während auch eine Abweichung entsteht zwischen der Lage, die das Werkzeug beim Anbringen des Formkennzeichens gegenüber der ersten Halterung einnimmt, und der Lage, die dasselbe Werkzeug bei der nachfolgenden Herstellung des Werkstücks gegenüber der ersten Halterung einnimmt.
Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück, und eine Werkzeugmaschine der eingangs erwähnten Art zu schaffen, wobei die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich messbar ist, so dass das mit Hilfe des Werkzeugs herzustellende Erzeugnis bei einer geeigneten Positionierungsgenauigkeit der Positionierungseinrichtung eine Formgenauigkeit aufweist, die ebenfalls in dem Sub-u-Bereich liegt.
Nach der Erfindung weist das Verfahren zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück dazu das Kennzeichen auf, dass bevor das Formkennzeichen angebracht wird, da Werkzeug und der Sensor gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung in einer festen, Dauerlage befestigt werden.
Nach der Erfindung weist die Werkzeugmaschine dazu das Kennzeichen auf, dass das Werkzeug und der Sensor im Betrieb gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung in einer festen, Dauerlage befestigt werden.
Da das Werkzeug und der Sensor beim Anbringen und Detektieren des Formkennzeichens gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung in einer festen, Dauerlage befestigt sind, hat die Lage des Werkzeugs gegenüber dem Sensor eine Genauigkeit, die durch die mechanische Steifigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Halterung bestimmt wird und die durch einen geeigneten Entwurf der ersten Halterung relativ hoch ist gegenüber der erforderlichen Formgenauigkeit des herzustellenden Werkstücks. Die Genauigkeit, mit der die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung und bei der Werkzeugmaschine nach der Erfindung messbar ist, wird daher ausschließlich durch die Positionierungsgenauigkeit der Positionierungseinrichtung der Werkzeugmaschine bestimmt. Deswegen ist durch Verwendung einer geeigneten Positionierungseinrichtung mit einer Positionierungsgenauigkeit in dem Sub-u-Bereich die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung und bei der Werkzeugmaschine nach der Erfindung mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich messbar, so dass das danach mit Hilfe des Werkzeugs herzustellende Werkstück eine Formgenauigkeit aufweist, die ebenfalls in dem Sub-u- Bereich liegt.
Nach der Erfindung weist das Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkzeugs, wobei eine Bezugslage des Werkstücks gegenüber dem Werkzeug mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung gemessen wird, das Kennzeichen auf, dass die Positionierungseinrichtung zum Herstellen des Werkstücks zu aufeinanderfolgenden Lagen verlagert wird, die je einer Summe einer der Positionierungseinrichtung mitgeteilten Lage und einer Differenz zwischen der Bezugslage der Positionierungseinrichtung und der gemessenen Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück entsprechen.
Eine besondere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Positionierungseinrichtung zum Herstellen des Werkstücks nach dem Steuerprogramm in aufeinanderfolgende Lagen verlagerbar ist, die je einer Summe einer von einem Benutzer der Werkzeugmaschine dem Steuerprogramm mitgeteilten Lage der Positionierungseinrichtung und einer Differenz zwischen der Bezugslage der Positionierungseinrichtung und der gemessenen Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück entsprechen.
Dadurch, dass die aufeinanderfolgenden Lagen der Positionierungseinrichtung je der genannten Summe einer der Positionierungseinrichtung mitgeteilten Lage und der Differenz zwischen der Bezugslage der Positionierungseinrichtung und der gemessenen Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück entsprechen, wird erreicht, dass das Werkstück mittels der Positionierungseinrichtung in eine gewünschte Lage gegenüber dem Werkstück gebracht wird, wenn die der Positionierungseinrichtung mitgeteilte Lage der gewünschten Lage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück entspricht. Auf diese Weise können die aufeinanderfolgenden Lagen der Positionierungseinrichtung durch den Benutzer auf schaubildliche Weise angegeben werden.
Eine weitere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der Sensor ein optischer Detektor ist. Durch die Verwendung eines optischen Detektors findet die Messung der Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück kontaktlos statt, so dass keine Ungenauigkeiten in der Messung verursacht werden durch mechanische Reibung oder durch Hysterese zwischen dem Sensor und dem Werkstück.
Noch eine andere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der optische Detektor mit einer Lichtquelle, einem Objektivsystem zum Fokussieren von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes auf das Werkstück, und mit einem Fokusfehlerdetektor versehen ist. Der Fokusfehlerdetektor des optischen Detektors detektiert, ob der Fokus des von der Lichtquelle ausgestrahlten und an der Oberfläche des Werkstücks zurückgeworfenen Lichtes sich auf der Oberfläche des Werkstücks befindet. Wenn das Licht auf das angebrachte Formkennzeichen trifft, erkennt der Fokusfehlerdetektor einen Fokusfehler, so dass das Formkennzeichen detektiert wird. Ein derartiger Fokusfehlerdetektor hat eine hohe Empfindlichkeit, d. h. er liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das relativ groß ist gegenüber dem detektierten Fokusfehler (beispielsweise eine elektrische Spannung von 10 V bei einem Fokusfehler von 10 um). Dadurch braucht das anzubringende Formkennzeichen nur geringe Abmessungen zu haben und ist die mit Hilfe des Fokusfehlerdetektors durchgeführte Messung besonders genau.
Eine besondere Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück und eine besondere Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkzeugs, wobei die zweite Halterung um eine Drehungsachse gedreht wird und die erste Halterung mittels der Positionierungseinrichtung gegenüber der zweiten Halterung parallel zu einer senkrecht auf der Drehungsachse stehenden Achse verlagert wird, weist das Kennzeichen auf, dass das Werkstück mit einer sich senkrecht auf der Drehungsachse erstreckenden Oberfläche versehen wird, während das Formkennzeichen eine kreisförmige Rille ist, die mit Hilfe des Werkzeugs in der genannten Oberfläche angebracht wird.
Eine besondere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung, wobei die zweite Halterung um eine Drehungsachse drehbar ist und die erste Halterung mittels der Positionierungseinrichtung gegenüber der zweiten Halterung parallel zu einer senkrecht auf der Drehungsachse stehenden X-Achse verlagerbar ist, weist das Kennzeichen auf, dass das Formkennzeichen eine kreisförmige Rille ist, die mit Hilfe des Werkzeugs in einer sich senkrecht auf der Drehungsachse erstrecken den Oberfläche des Werkstücks angebracht ist.
Eine derartige kreisförmige Rille kann mittels des Werkzeugs in einer relativ kurzen Zeit und auf einfache Weise angebracht und ebenfalls in einer relativ kurzen Zeit mit Hilfe des Sensors derart detektiert werden, dass die Positionierungseinrichtung parallel zu der genannten Oberfläche des Werkstücks verlagert wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück und eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkzeugs weisen das Kennzeichen auf, dass die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkzeug aus einem Durchmesser der kreisförmigen Rille bestimmt wird, die mit Hilfe des Sensors gemessen wird.
Eine weitere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück durch einen mit Hilfe des Sensors zu messenden Durchmesser der kreisförmigen Rille bestimmt wird.
Bei dieser weiteren Ausführungsform der Verfahren und der Werkzeugmaschine nach der Erfindung ist eine Bezugslage, die das Werkzeug gegenüber der Drehungsachse des Werkstücks einnimmt, auf einfache, genaue und schnelle Art und Weise messbar. Wenn der Sensor mit Hilfe einer Positionierungseinrichtung parallel zu der X-Achse gemäß einer geraden Linie, welche die Drehungsachse der zweiten Halterung schneidet, verlagert wird, wird die kreisförmige Rille in zwei einander diametral gegenüberliegenden Lagen von dem Sensor detektiert. Der Durchmesser der kreisförmigen Rille ist mit Hilfe des Sensors dadurch messbar, dass die beiden Lagen der Positionierungseinrichtung ermittelt werden, in denen die kreisförmige Rille von dem Sensor detektiert wird. Die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber der Drehungsachse des Werkstücks entspricht dabei der Hälfte des gemessenen Durchmessers.
Noch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs gegenüber einem Werkstück und noch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen eines Werkstücke mit Hilfe eines Werkzeugs weisen das Kennzeichen auf, dass als Sensor ein optischer Detektor verwendet wird, mit dessen Hilfe eine Seiten wand der kreisförmigen Rille detektiert wird.
Noch eine andere Ausführungsform einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung weist das Kennzeichen auf, dass der optische Detektor eine Seitenwand der kreisförmigen Rille detektiert.
Die genannte Seitenwand der kreisförmigen Rille bildet eine stufenförmige Begrenzung der Rille, die mit Hilfe des optischen Detektors auf besonders genaue Art und Weise detektiert werden kann. Außerdem ist eine Lage eines Arbeitspunktes des Werkzeugs gegenüber der genannten Seitenwand auf genaue Art und Weise bestimmt, so dass eine Bezugslage des Arbeitspunktes des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück auf besonders genaue Art und Weise messbar ist.
Es sei bemerkt, dass in dem Artikel: "An Ultra-Precision Machining Method or the Workpiece-Referred Form Accuracy Control System" in "Proceedings of the International Conference on Advanced Mechatronics", Mai 21-24, 1989, Toyo, Japan, Seiten 143-146, eine Werkzeugmaschine dargestellt ist mit einem diamantenen Schneidwerkzeug und einem optischen Sensor, die an einem gemeinsamen Z-Schlitten befestigt sind. Bei dieser bekannten Werkzeugmaschine ist das Schneidwerkzeug mit Hilfe einer nicht näher beschriebenen Mikrobetätigungsvorrichtung an dem Z-Schlitten befestigt, so dass das Schneidwerkzeug und der Sensor im Betrieb nicht gegenüber einander und gegenüber dem Z-Schlitten in festen, dauerhaften Lagen befestigt sind. In dem genannten Artikel ist nicht von der mechanischen Steifigkeit und der Hysterese der Mikrobetätigungsvorrichtung die Rede, so dass nicht klar ist, wie genau die Lage des Schneidwerkzeugs gegenüber dem Sensor und gegenüber dem Z-Schlitten in einer vorbestimmten Lage der Mikrobetätigungsvorrichtung ist. Außerdem wird der optische Sensor nicht zum Detektieren des Vorhandenseins eines Formkennzeichens auf dem Werkstück verwendet, sondern der optische Sensor misst einen Abstand zwischen dem Z-Schlitten und einer Oberfläche des Werkstücks und der Sensor ist in der Regelanordnung vorgesehen, mit deren Hilfe der genannte Abstand konstant gehalten wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Werkzeugmaschine zum Durchführen eines Verfahrens nach der_______
TEXT FEHLT
Fig. 2 ein Steuerelement der Werkzeugmaschine nach Figur Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Detekt______ Werkzeugmaschine nach Fig. 1,
Fig. 4a eine schematische Darstellung eines mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Werkzeugmaschine herzustellenden Werkstücks, in dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Formkennzeichen angebracht ist,
Fig. 4b das Detektieren des Formkennzeichens nach Fig. 4a,
Fig. 5 eine detaillierte Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Werkzeugmaschine beim Anbringen des in Fig. 4 dargestellten Formkennzeichens,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Werkzeugmaschine zum Durchführen eines Verfahrens nach der Erfindung,
Fig. 7 eine Halterung für ein Werkstück der Werkzeugmaschine nach Fig. 6, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines mit Hilfe der in Fig. 6 dargestellten Werkzeugmaschine herzustellenden Werkstücks, wobei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Formkennzeichen angebracht ist.
Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform einer Werkzeugmaschine 1 zum Durchführen eines Verfahrens nach der Erfindung ist mit einem Gestell 3 versehen, das auf eine Basis gestellt werden kann. Auf dem Gestell 3 befindet sich ein Führungsblock 5 mit einer sich parallel zu einer X-Achse erstreckenden geraden Führung 7. Die Werkzeugmaschine 1 umfasst einen Schlitten 9, der mit Hilfe eines in Fig. 1 nicht sichtbaren statischen Flüssigkeitslagers verlagerbar über die Führung 7 verlagerbar ist. Auf dem Schlitten 9 befindet sich eine erste Halterung 11 für ein Werkzeug, wie beispielsweise ein Schneidwerkzeug 13. Der Schlitten 9 ist mit Hilfe einer Positionierungseinrichtung 15 über die Führung 7 verlagerbar, so dass die erste Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 parallel zu der X-Achse verlagerbar ist. Die Positionierungseinrichtung 15 umfasst eine sich parallel zu der X-Achse erstreckende Treibstange 17, die mit dem Schlitten 9 gekuppelt und in einem an dem Gestell 3 befestigten Gehäuse 19 geführt ist mittels einer Anzahl Führungsräder 21, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt sind. Ein Reibrad 23, das in dem Gehäuse 19 drehbar gelagert und mittels eines an dem Gehäuse 19 befestigten Elektromotors 25 antreibbar ist, liegt unter Vorspannung an der Treibstange 17 an, so dass der Schlitten 9 über die Treibstange 17 und das Reibrad 23 parallel zu der X-Achse mittels des Motors 25 verlagerbar ist.
Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, umfasst die Werkzeugmaschine 1 eine Spindel 27, die sich parallel zu einer senkrecht auf der X-Achse stehenden Z-Achse erstreckt und um eine mit der Z-Achse zusammentreffenden Drehungsachse 29 drehbar ist. Die X-Achse und die Z-Achse schneiden sich an einem auf der Drehungsachse 29 liegenden Ursprung O des (X, Z)-Achsensystems. Die Spindel 27 ist in der Nähe eines ersten Endes 31 mit einer zweiten Halterung 33 versehen, an der ein Werkstück 35 befestigt werden kann. Die Spindel 27 hat eine Hohlachse 37, die in einer Richtung senkrecht zu der Z-Achse mittels eines in Fig. 1 nur schematisch dargestellten radialen statischen Flüssigkeitslagers 39 unterstützt wird. Die Spindel 27 ist über ein in Fig. 1 nicht näher dargestelltes axiales statisches Flüssigkeitslager 41, das sich nahezu senkrecht zu der Drehungsachse 29 erstreckende Lagerflächen 43 und 45 aufweist, und über ein elastisch verformbares Kupplungselement 47 mit einer Positionierungseinrichtung 49 gekuppelt. Die Spindel 27 ist mittels des axialen Flüssigkeitslagers 41 parallel zu der Z-Achse unterstützt und vorgespannt. Durch Verwendung des Kupplungselementes 47, das von einer Art ist, die aus EP-A-0 602 724 bekannt ist, ist das axiale Flüssigkeitslager 41 gegenüber einem Schnittpunkt 51 der Lagerfläche 43 und der Drehungsachse 29 kippbar, so dass Ungenauigkeiten in der Winkellage gegenüber der Drehungsachse 29 der Lagerflächen 43 und 45 des axialen Flüssigkeitslagers 41 beim Drehen der Spindel 27 um die Drehungsachse 29 die Lage der Spindel 27 parallel zu der Z-Achse nicht beeinträchtigen.
Die obengenannte Positionierungseinrichtung 49 umfasst eine sich parallel zu der Z-Achse erstreckende Treibstange 53, die an dem Kupplungselement 47 befestigt ist. Die Treibstange 53 ist über eine Anzahl Führungsräder 55 geführt, die in Fig. 1 nur schematisch dargestellt werden und in einem an dem Gestell 3 befestigten Gehäuse 57 gelagert ist. Die Positionierungseinrichtung 49 umfasst weiterhin ein Reibrad 59, das ebenfalls in dem Gehäuse 57 drehbar gelagert und mittels eines an dem Gehäuse 57 befestigten Elektromotors 61 antreibbar ist. Das Reibrad 59 liegt unter Vorspannung an der Treibstange 53 an, so dass die Spindel 27 über das Reibrad 59, die Treibstange 53, das Kupplungselement 47 und das axiale Flüssigkeitslager 41 parallel zu der Z-Achse durch den Motor 61 verlagerbar ist. Wie Fig. 1 weiterhin zeigt, ist die Spindel 27 um die Drehungsachse 29 mit Hilfe eines weiteren Elektromotors 63, der ebenfalls an dem Gestell 3 befestigt ist und über eine Riemenscheibe 65, einen Riemen 67 und eine mit der Hohlachse 37 integrierten weiteren Riemenscheibe 69 mit der Hohlachse 37 gekuppelt ist. Der Riemen 67 ist elastisch genug um einer Verlagerung der Hohlachse 37 und der weiteren Riemenscheibe 69 parallel zu der Z-Achse folgen zu können.
Das Werkstück 35 kann mit Hilfe des Schneidwerkzeugs 13 dadurch bearbeitet werden, dass die zweite Halterung 33 mit dem Werkstück 35 mit Hilfe des Motors 63 um die Drehungsachse 29 gedreht wird, dass die erste Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 auf eine dazu geeignete Art und Weise parallel zu der X- Achse mit Hilfe der Positionierungseinrichtung 15 verlagert wird und dass die zweite Halterung 33 mit dem Werkstück 35 auf eine dazu geeignete Art und Weise parallel zu der Z-Achse mit Hilfe der Positionierungseinrichtung 49 verlagert wird. Wenn die aufeinanderfolgenden Z-Lagen der zweiten Halterung 33 ausschließlich von der X-Lage der ersten Halterung 11 abhängig sind, wird das Werkstück 35 mit einer Oberfläche versehen, die gegenüber der Drehungsachse 29 rotationssymmetrisch ist. Wenn die aufeinanderfolgenden Z-Lagen der zweiten Halterung 33 ausschließlich abhängig sind von der X-Lage der ersten Halterung, wird das Werkstück 35 mit einer Oberfläche versehen, die rotationssymmetrisch ist gegenüber der Drehungsachse 29. Wenn die aufeinanderfolgenden Z-Lagen der zweiten Halterung 33 auch abhängig sind von einem Drehungswinkel der Spindel 27 um die Drehungsachse 29, wird das Werkstück 35 mit einer Oberfläche versehen, die nicht-rotationssymmetrisch ist gegenüber der Drehungsachse 29. Das Werkstück 35 kann beispielsweise eine Kunststofflinse oder eine Kontaktlinse sein, die auf diese Weise mit einer rotationssymmetrischen sphärischen oder asphärischen Oberfläche versehen wird, oder mit einer nicht-rotationssymmetrischen astigmatischen Oberfläche, es kann beispielsweise eine Matrize sein zum Herstellen einer derartigen Linse nach einem Replikverfahren, oder eine Lagerfläche eines axialen dynamischen Rillenlagers.
Fig. 2 zeigt ein Steuerelement 71 der Werkzeugmaschine 1, mit dessen Hilfe die Positionierungseinrichtungen 15 und 49 steuerbar sind. Das Steuerelement 71 umfasst einen Umrissgenerator 73, der nach einem vorbestimmten Programm ein erstes Signal ux erzeugt, das der gewünschten X-Lage der ersten Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 entspricht, und ein zweites Signal uz, das der gewünschten Z-Lage der zweiten Halterung 33 mit dem Werkstück entspricht. Das Signal uz wird von dem Umrissgenerator 73 berechnet gemäß einem mathematischen Algorithmus als Funktion der gewünschten X-Lage des Schneidwerkzeugs 13 und eines gemessenen Drehungswinkels φ der Spindel 27 um die Drehungsachse 29. Wie in Fig. 1 dargestellt, umfasst die Werkzeugmaschine 1 dazu einen optischen Drehwinkelsensor 75 einer an sich bekannten und üblichen Art, der in der Nähe eines zweiten Endes 77 der Spindel 27 befestigt ist, und das Steuerelement 71 hat einen in Fig. 2 dargestellten ersten elektrischen Eingang 79 zum Empfangen eines ersten elektrischen Eingangssignals uN, das dem mittels des Drehwinkelsensors 75 gemessenen Drehungswinkel N der Spindel 27 und die Drehungsachse 29 entspricht.
Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, hat das Steuerelement 71 eine erste Vergleichsschaltung 81, die das erste Signal ux, das einer von dem Umrissgenerator 73 berechneten gewünschten X-Lage der ersten Halterung mit dem Schneidwerkzeug 13 mit einem zweiten elektrischen Eingangssignal uxx vergleicht, das einer gemessenen X-Lage der ersten Halterung 11 entspricht und von einem zweiten elektrischen Eingang 83 des Steuerelementes 71 empfangen wird. Das zweite elektrische Eingangssignal uxx wird von einem ersten an sich bekannten und üblichen optischen Lagensensor 85 geliefert, der in Fig. 1 nur schematisch dargestellt wird und mit einer optischen Quelle 87 und einem optischen Detektor 89 versehen ist, der an dem Gehäuse 19 der Positionierungseinrichtung 15 befestigt ist, sowie mit einer reflektierenden Fläche 91 versehen ist, die an dem Schlitten der Positionierungseinrichtung 15 befestigt ist. Wie Fig. 2 zeigt, liefert die erste Vergleichsschaltung 81 ein Differenzsignal ucx = uxx - ux, das einem ersten an sich bekannten und üblichen Regler 93 angeboten wird, der den Edlektromotor 25 der Positionierungseinrichtung 15 auf eine derartige Weise speist, dass das Differenzsignal ucx = 0 wird und die gemessenen und gewünschten X- Lagen der ersten Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 einander gleich werden.
Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, umfasst das Steuerelement 71 auch eine zweite Vergleichsschaltung 95, die das zweite Signal uz, das einer von dem Umrissgenerator 73 berechneten gewünschten Z-Lage der zweiten Halterung 33 mit dem Werkstück 35 mit einem dritten elektrischen Eingangssignal uzz vergleicht, das einer gemessenen Z-Lage der zweiten Halterung 33 entspricht und von einem dritten elektrischen Eingang 97 des Steuerelementes 71 empfangen wird. Das dritte elektrische Eingangssignal uzz wird von einem zweiten an sich bekannten und üblichen optischen Lagensensor 99 geliefert, der in Fig. 1 ebenfalls nur schematisch angegeben und mit einer optischen Quelle 101 und mit einem optischen Detektor 103 versehen ist, die an dem Gehäuse 57 der Positionierungseinrichtung 49 befestigt sind, sowie mit einer reflektierenden Fläche 105, die an der Treibstange 53 der Positionierungseinrichtung 49 befestigt ist. Wie Fig. 2 zeigt, liefert die zweite Vergleichsschaltung ein Differenzsignal ucz = uzz - uz, das einem zweiten an sich bekannten und üblichen Regler 107 zugeführt wird, der den Elektromotor 61 der Positionierungseinrichtung 49 auf eine derartige Weise speist, dass das Differenzsignal ucz = 0 wird und die gemessenen und gewünschten Z-Lagen der zweiten Halterung 33 mit dem Werkstück 35 einander gleich werden.
Dadurch, dass die Reibräder 23, 59 der Positionierungseinrichtungen 15, 49 unter Vorspannung an den Treibstangen 17, 53 anliegen und dass de Schlitten 9 und die Spindel 27 durch statische Flüssigkeitslager gegenüber dem Gestell 3 gelagert sind, sind die erste Halterung 11 und die zweite Halterung 33 nahezu reibungslos, spielfrei und hysteresefrei gegenüber einander mittels der Positionierungseinrichtungen 15, 49 verlagerbar. Dadurch und durch einen geeigneten Entwurf der Regler 93, 107 des Steuerelementes 71 sind die erste Halterung 11 und die zweite Halterung 33 mit einer Positionierungsgeschwindigkeit, die in dem Sub-u-Bereich liegt, gegenüber einander positionierbar, d. h. mit einer Positionierungsgenauigkeit in der Größenordnung von 0,1 um oder mehr. Da eine erzielbare Formgenauigkeit des Werkstücks 35 durch eine Positionierungsgenauigkeit des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 bestimmt wird, und da eine Lage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber einem Werkstück 35 durch die lage der ersten Halterung 11 gegenüber der zweiten Halterung 33 und durch eine Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück bestimmt ist, hat das Werkstück eine Formgenauigkeit, die ebenfalls in dem Sub-u-Bereich liegt, wenn die genannte Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich messbar ist.
Der Umrissgenerator 73 des Steuerelementes 71 der Werkzeugmaschine 1 umfasst ein Steuerprogramm, mit dessen Hilfe die Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 auf eine nachstehend zu beschreibende Art und Weise gemessen wird. Die Werkzeugmaschine 1 weist dazu weiterhin einen Sensor 109 auf, der in Fig. 3 auf schematische Weise dargestellt ist und der, wie Fig. 1 zeigt, an der ersten Halterung 11 befestigt ist. Der Sensor 109 ist ein optischer Detektor einer Art, die an sich bekannt ist aus den CD-Spielern, wobei der Sensor in einem Steuersystem zum Fokussieren eines optischen Leseelementes auf eine Informationtragende Oberfläche einer zu lesenden CD und zum Positionieren des optischen Leseelementes in einer Richtung senkrecht zu einer von dem Leseelement zu befolgenden Informationsspur auf der CD. Wie Fig. 3 zeigt, enthält der Sensor 109 eine Lichtquelle 111, eine halbdurchlässige Platte 113, ein Objektivsystem 115 zum Fokussieren des von der Lichtquelle 111 ausgestrahlten Lichtes auf eine Oberflächhe des Werkstücks 35, eine zylindrische Linse 117 und einen in vier Quadranten aufgeteilten Fokusfehlerdetektor 119. Die Wirkungsweise eines derartigen Sensors wird in "Principles of Optical Disc Systems" von G. Bouwhuis u. a., Adam Hilger Ltd, Bristol, ISBN 0- 85274-785-3. Der Fokusfehlerdetektor 119 des Sensors detektiert ob der Fokus F des Lichtes, das von der Lichtquelle 111 ausgestrahlt und an der Oberfläche des Werkstücks 35 zurückgeworfen wird, sich auf der Oberfläche des Werkstücks 35 befindet. Ein derartiger Fokusfehlerdetektor 119 liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das relativ groß ist gegenüber dem detektierten Fokusfehler, beispielsweise eine elektrische Ausgangsspannung von 10 V bei einem Fokusfehler von 10 um, und hat daher eine hohe Empfindlichkeit.
Das Schneidwerkzeug 13 und der Sensor 109 sind gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung 11 in einer festen Dauerlage befestigt. Das Schneidwerkzeug 13 und der Sensor 109 werden dazu an der ersten Halterung 11 befestigt. Das Schneidwerkzeug 13 und der Sensor 109 werden dazu an der ersten Halterung 11 befestigt, und zwar mittels beispielsweise an sich bekannter und üblicher Bolzenbefestigungen, die in Fig. 1 nicht detailliert dargestellt sind. Dadurch, dass das Schneidwerkzeug 13 und der Sensor 109 gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung 13 in fester Dauerlage befestigt sind, wird die Genauigkeit der Lage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Sensor 109 durch die mechanische Steifigkeit und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten Halterung 11 bestimmt. Durch einen geeigneten Entwurf der ersten Halterung 11 und durch eine geeignete Wahl der Befestigungslagen des Schneidwerkzeugs 13 und des Sensors 119 an der ersten Halterung 11 hat die Lage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Sensor 109 eine Genauigkeit, die gegenüber der erforderlichen Formgenauigkeit des Werkstücks 35 relativ hoch ist.
Nach dem genannten Steuerprogramm des Steuerelementes 71 wird die Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 wie folgt gemessen. Zunächst wird das drehende Werkstück 35 dadurch mit einer in Fig. 4a dargestellten, sich senkrecht zu der Drehungsachse 29 erstreckenden Oberfläche 121 versehen, dass das Schneidwerkzeug 13 mittels der Positionierungseinrichtung 15 in eine vorbestimmte Bezugslage ZDF der zweiten Halterung 33 parallel zu der X-Achse verlagert wird. Danach wird das Werkstück 35 mit Hilfe des Schneidwerkzeugs 13 dadurch mit einer in Fig. 4a dargestellten kreisförmigen Rille 123 versehen, dass die erste Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 mittels der Positionierungseinrichtung 15 in eine vorbestimmte erste Bezugslage XREF,1 der Positionierungseinrichtung 15 gebracht wird, dass das Schneidwerkzeug 13 danach über eine vorbestimmte Tiefe d in das sich drehende Werkstück 35 eingeführt wird, und zwar mittels einer dazu geeigneten Verlagerung der zweiten Halterung 33 parallel zu der Z-Achse und dadurch, dass danach die erste Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 mittels der Positionierungseinrichtung 15 parallel zu der X-Achse in eine vorbestimmte zweite Bezugslage XREF,2 der Positionierungseinrichtung 15 gebracht wird. Wie Fig. 4a zeigt, befindet sich das Schneidwerkzeug 13 in einer ersten Bezugslage X'REF,1, bzw. einer zweiten Bezugslage X'REF,2 gegenüber dem Werkstück 35, wenn die erste Halterung 11 sich in der ersten Bezugslage XREF,1, bzw. XREF,2 befindet, so dass ein Innendurchmesser DBINNEN der kreisförmigen Rille 123 2*X'REF,2 ist und ein Außendurchmesser der kreisförmigen Rille 123 2*X'REF,2 ist.
Die kreisförmige Rille 123 bildet ein Formkennzeichen des Werkstücks 35, das danach nach dem obengenannten Steuerprogramm mittels des Sensors 109 detektiert wird. Wie Fig. 4b zeigt, wird der Sensor 109 dazu nach dem Steuerprogramm durch eine dazu geeigneten Verlagerung der zweiten Halterung 33 auf die Oberfläche 121 des Werkstücks 35 fokussiert. Danach wird der Sensor 109 mittels der Positionierungseinrichtung 1 S parallel zu der X-Achse gemäß einer geraden Linie, welche die Drehungsachse 29 der zweiten Halterung 33 schneidet, verlagert, wobei die Z-Lage der zweiten Halterung 33 mit dem Werkstück 35 konstant ist. Wenn der Sensor 109 dabei eine Innenseite 125 oder eine Außenseite 127 der kreisförmigen Rille 123 passiert, wird die Innenseite 125 oder die Außenseite 127 von dem Sensor 109 detektiert, weil der Sensor 109 dann nicht mehr auf die Oberfläche 121 des Werkstücks 35 fokussiert ist und der Fokusfehlerdetektor 119 einen Fokusfehler detektiert. Wie Fig. 4b zeigt, werden die mnnenseitenwand 125 und die Außenseitenwand 127 der kreisförmigen Rille 123 je zweimal von dem Sensor 109 detektiert, und zwar während der Verlagerung des Sensors 109 parallel zu der Oberfläche 121 des Werkstücks 35. Die X-Lage der ersten Halterung 11 und der Positionierungseinrichtung 15, worin der Sensor 109 die Innenseitenwand 125 der kreisförmigen Rille 123 detektiert, wird als X'2 bzw. X'3 bezeichnet, während die X-Lage der ersten Halterung 11 und der Positionierungseinrichtung 15, worin der Sensor 109 die Außenseitenwand 127 der kreisförmigen Rille 123 detektiert, als X'1 bzw. X'4 bezeichnet wird. Daraufhin bestimmt das Steuerprogramm die erste Bezugslage X'REF,1 des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 aus dem Durchmesser DBINNEN der Innenseitenwand 125 der kreisförmigen Rille 123, wobei DBINNEN = Xii - X'2 ist und wobei X'REF, 1 = DBINNEN/2 = (X'3 - X'&sub2;)/2 ist, während das Steuerprogramm die zweite Bezugslage X'RIEF,2 des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 aus dem Durchmesser DBUITEN der Außenseitenwand 127 der kreisförmigen Rille 123 bestimmt, wobei DBUITEN = X'&sub4; - X'1 ist und wobei X'REF,2 = DBUITEN/2 = (X'a-X'&sub1;)/2 ist. Da der Sensor 109 und das Schneidwerkzeug 13 während dieses Messvorgangs gegenüber der ersten Halterung in fester Dauerlage befestigt sind und durch die Positionierungseinrichtung 15 parallel zu der X-Achse verlagert werden, ist die Genauigkeit, mit der die Bezugslagen X'REF,1 und X'REF,2 des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 gemessen werden, durch die Positionierungsgenauigkeit der Positionierungseinrichtung 15, die wie oben bemerkt, in dem Sub-u-Bereich liegt, bestimmt.
Infolge der an sich konstanten Abweichungen in der Lage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber der ersten Halterung 11, der ersten Halterung gegenüber der Positionierungseinrichtung 15, der Positionierungseinrichtung 15 gegenüber dem Gestell 3 der Werkzeugmaschine 1, und der zweiten Halterung 33 gegenüber dem Gestell 3 der Werkzeugmaschine 1 weichen die gemessenen Bezugslagen X'REF,1 und X'RBF,2 des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 von den Bezugslagen XREF,1 bzw. XREF,2 der Positionierungseinrichtung 15 ab, in dem die Innenseitenwand 125 bzw. Außenseitenwand 127 der kreisförmigen Rille 123 mittels des Schneidwerkzeugs 13 angebracht sind. Wenn das Werkstück 35 mit Hilfe des Schneidwerkzeugs 13 bearbeitet wird, wird die erste Halterung 11 samt Schneidwerkzeug 13 mittels der Positionierungseinrichtung 15 in aufeinanderfolgende X-Lagen X' verlagert und die zweite Halterung 35 samt Werkstück 35 wird mittels der Positionierungseinrichtung 49 in aufeinanderfolgende Z-Lagen verlagert, wobei die aufeinanderfolgenden X- und Zlagen X' bzw. Z' von dem Umrissgenerator 73 bestimmt werden. Nach dem Steuerprogramm entsprechen die aufeinanderfolgenden X- Lagen X' dabei je einer Summe einer von einem Benutzter der Werkzeugmaschine 1 dem Steuerprogramm zugeführten gewünschten X-Lage der ersten Halterung 11 der Positionierungseinrichtung 15 und einer Differenz BXREF zwischen einer Bezugslage XREF der ersten Halterung 11 der Positionierungseinrichtung 15 und einer gemessenen Bezugslage X'REF des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35. Dabei ist die Bezugslage XREF der ersten Halterung 11 der Positionierungseinrichtung 15 ein Mittelwert der genannten ersten und zweiten Bezugslage XREF,1 und XREF,2, XREF = (XREF,1 + XREF,2)12, während die gemessene Bezugslage X'REF des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 ein Mittelwert ist der gemessenen ersten und zweiten Bezugslage X'REF,1 und X'REF,2, X'REF (X'REF,1 + X'REF,2)/ 2 ist, so dass X' = X + SXREF = X + (XREF - X'REF) = X + (XREF,1 - X'REF,1)/2 + XREF,2 = X'REF2)/ 2 ist. Dadurch, dass die aufeinanderfolgenden X-Lagen X' der ersten Halterung I 1 der Positionierungseinrichtung 15 je der genannten Summe der vom Benutzer gewünschten X-Lage X und der Differenz zwischen der Bezugslage de ersten Halterung 11 der Positionierungseinrichtung 15 und der gemessenen Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35, wird erreicht, dass in der X-Lage X' der Positionierungseinrichtung 15 das Schneidwerkzeug 13 sich gegenüber dem Werkstück 35 in einer X-Lage befindet, die der vom Benutzer gewünschten X-Lage X entspricht. Da die gewünschte X-Lage X der Positionierungseinrichtung 15 mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich einstellbar ist und auch die Bezugslagen XREF und X'REF mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich messbar sind, ist die X-Lage X' mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich einstellbar, so dass das Schneidwerkzeug 13 gegenüber dem Werkstück 35 positionierbar ist und das Werkstück 35 mit Hilfe des Schneidwerkzeug 13 mit einer Genauigkeit in dem Sub-u- Bereich bearbeitet werden kann.
Es sei bemerkt, dass mit einer Lage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 eine Lage ein Werkzeugspunkt P des Schneidwerkzeugs 13 gemeint wird, der in Fig. 5 dargestellt ist, Der Werkzeugspunkt P bildet einen Mittelpunkt eines gerundeten Schneidpunktes 129 des Schneidwerkzeugs 13, der einen Krümmungsradius r aufweist. Es sei bemerkt, dass die Bezugslage des Schneidwerkzeugs 13 gegenüber dem Werkstück 35 auf eine an sich bekannte und übliche Ar und Weise für die Form des Schneidpunktes 129 des Schneidwerkzeugs 13 korrigiert wird, wobei die genannte Form des Schneidpunktes 129 mit einer Genauigkeit in dem Sub- u-Bereich vorher gemessen und dem Steuerprogramm mitgeteilt wird.
Fig. 6 zeigt auf schematische Weise eine zweite Ausführungsform einer Werkzeugmaschine 131 zum Durchführen eines Verfahrens nach der Erfindung. Die Werkzeugmaschine 131 umfasst eine erste Halterung 133 für ein Fräswerkzeug 135, das gegenüber der ersten Halterung 133 drehbar gelagert ist und mittels eines an der ersten Halterung 133 befestigten Elektromotors 137 in Drehung versetzt werden kann. Die erste Halterung 133 ist mittels einer in Fig. 6 nicht näher dargestellten Positionierungseinrichtung längs einer ersten geraden Führung 139 verlagerbar, die nur schematisch dargestellt ist und sich parallel zu der Z-Achse erstreckt, wobei die Z-Achse mit einer Drehungsachse 141 des Phasenwerkzeugs 135 zusammenfällt. Wie Fig. 6 weiterhin zeigt, umfasst die Werkzeugmaschine 131 eine zweite Halterung 143, an der ein mit Hilfe des Fräswerkzeugs 135 zu bearbeitendes Werkstück 145 befestigt werden kann. Die zweite Halterung 143 wird in Fig. 7 auf schematische Weise in Draufsicht dargestellt. Wie Fig. 7 zeigt, ist die zweite Halterung 143 mittels einer in Fig. 7 nicht näher dargestellten Positionierungseinrichtung längs einer zweiten geraden Führung 147 verlagerbar, die nur schematisch dargestellt ist und sich parallel zu einer senkrecht auf der Z-Achse stehenden X-Achse erstreckt. Die zweite gerade Führung 147 ist an einem Schlitten 149 befestigt, der mittels einer in Fig. 7 nicht näher dargestellten weiteren Positionierungseinrichtung längs einer dritten geraden Führung 151 verlagerbar ist, die ebenfalls nur schematisch dargestellt ist und sich parallel zu einer senkrecht auf der Z-Achse und der X-Achse stehenden Y-Achse erstreckt. Wie die Fig. 6 und 7 zeigen, schneiden die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sich in einem auf der Drehungsachse 141 liegenden Ursprung O des (X, Y, Z)-Achsensystems.
Das Werkstück 145 kann mittels des Fräswerkzeugs 135 dadurch bearbeitet werden, dass das Fräswerkzeug 135 mit Hilfe des Elektromotors 137 um die Drehungsachse 141 in Drehung versetzt wird, dass die erste Halterung 133 mit dem Fräswerkzeug 135 auf eine dazu geeignete Art und Weise parallel zu der Z-Achse verlagert wird, und dass die zweite Halterung 143 mit dem Werkstücke 145 auf eine dazu geeignete Art und Weise parallel zu der X-Achse und der Y-Achse verlagert wird. Die Werkzeugmaschine 131 nach der zweiten Ausführungsform umfasst ebenso wie die Werkzeugmaschine 1 nach der ersten Ausführungsform ein in den Figuren nicht näher dargestelltes Steuerprogramm, mit dessen Hilfe eine Bezugslage des Werkzeugs 145 gegenüber dem Fräswerkzeug 135 gemessen wird. Wie Fig. 6 zeigt, umfasst die Werkzeugmaschine 131 dazu einen Sensor 153, der einer gleichen Art ist wie der Sensor 109 der Werkzeugmaschine 1, wobei das Fräswerkzeug 135 und der Sensor 153 ebenso wie das Schneidwerkzeug 13 und der Sensor 109 der Werkzeugmaschine 1 gegenüber der ersten Halterung 133 und gegenüber einander in fester Dauerlage befestigt sind. Wie Fig. 6 zeigt, ist der Sensor 153 dazu an einer Sensorhalterung 155 befestigt, die in einer festen Dauerlage gegenüber der ersten Halterung 133 befestigt ist.
Nachstehend wird kurz erläutert, wie die Bezugslage des Werkstücks 145 gegenüber dem Fräswerkzeug 135 mittels des Steuerprogramms der Werkzeugmaschine 131 gemessen wird. Zunächst wird das Werkstück 145 ebenso wie das Werkstück 35 bei der Werkzeugmaschine 1 mit einer sich senkrecht zu der Z-Achse erstreckenden Oberfläche 157 versehen, die in Fig. 8 dargestellt ist, indem das Werk stück 145 in eine vorbestimmte Bezugslage ZREF der ersten Halterung 133 mit dem drehenden Fräswerkzeug 135 mittels der Positionierungseinrichtungen der zweiten Halterung 143 in eine Ebene senkrecht zu der Z-Achse zu bringen. Danach wird in der auf diese Weise gebildeten Oberfläche 157 des Werkstücks 145 ein in Fig. 8 dargestelltes kreisförmiges Formkennzeichen 159 dadurch angebracht, dass das Werkstück 145 in vorbestimmte Bezugslagen XREF und YREF der Positionierungseinrichtungen der zweiten Halterung 143 gebracht wird, und dadurch, dass danach mit Hilfe des Fräswerkzeugs 135 eine zylindrische Aussparung in der Oberfläche 157 des Werkstücks 145 durch eine dazu geeignete Verlagerung der ersten Halterung 133 angebracht wird. Das Formkennzeichen 159 hat auf diese Weise einen Durchmesser, der dem Durchmesser des Fräswerkzeugs 135 entspricht. Das Werkstück 145 befindet sich in Bezugslagen X'REF und Y'REF gegenüber dem Fräswerkzeug 135, wenn die Positionierungseinrichtungen der zweiten Halterung 143 sich in den Bezugslagen XREF und YREF befinden, so dass eine in Fig. 8 dargestellte Achse A des zylindrischen Formkennzeichens 159 sich in den Lagen X'M = X'REF + δX und Y'M = Y'REF + δY befindet, wobei δX ein vorher gemessener und dem Steuerprogramm mitgeteilter Abstand parallel zu der X-Achse zwischen der Drehungsachse 141 des Fräswerkzeugs 135 und einer optischen Achse 163 des Sensors 153 ist und wobei δY ein vorher gemessener und dem Steuerprogramm mitgeteilter Abstand parallel zu der Y-Achse zwischen der Drehungsachse 141 des Fräswerkzeugs 135 und der optischen Achse 163 des Sensors 153 ist. In Fig. 6 ist ausschließlich der genannte Abstand 8Y sichtbar. Danach wird der Sensor 153 durch eine dazu geeignete Verlagerung der ersten Halterung 133 auf die Oberfläche 157 des Werkstücks 145 fokussiert. Danach wird das Werkstück 145 zunächst parallel zu der X-Achse verlagert, und zwar gemäß einer in Fig. 8 dargestellten ersten geraden Linie 11, wobei die Z-Lage der ersten Halterung 133 konstant ist und die Y-Lage der zweiten Halterung 143 Y'&sub1; ist. Der Sensor 153 detektiert dabei zweimal eine Seitenwand 161 des Formkennzeichens 159. Die Lagen der zweiten Halterung 143, in denen der Sensor 153 während der Verlagerung des Werkstücks 145 gemäß der Linie 11 die Seitenwand 161 des Formkennzeichens 159 detektiert, werden durch (X'&sub1;&sub1;, Y'&sub1;) und (X'&sub1;&sub2;, Y'&sub1;) bezeichnet. Danach wird das Werkstück 145 parallel zu der Y-Achse gemäß einer in Fig. 8 dargestellten geraden Linie 12 verlagert, wobei die Z-Lage der ersten Halterung 133 ebenfalls konstant ist und die X-Lage der zweiten Halterung 143 X'2 ist. Sobald der Sensor 153 dabei die Seitenwand 161 des Formkennzeichens 159 detektiert, wird die Verlagerung des Werkstücks 145 längs der geraden Linie 1&sub2; beendet. Die Lage der zweiten Halterung 143, worin der Sensor 153 während der Verlagerung des Werkstücks 145 gemäß der Linie 12 die Seitenwand 161 des Formkennzeichens 259 detektiert, wird durch (X'&sub2;, Y'&sub2;&sub1;) bezeichnet. Das Steuerprogramm bestimmt danach auf eine an sich bekannte Art und Weise eine Lage des Mittelpunktes des Kreises, der durch die gemessenen Lagen (X'&sub1;&sub1;, Y'&sub1;), (X'&sub1;&sub2;, y'&sub1;) und (X'&sub2;, Y'&sub2;&sub1;) geht. Die X-Lage und die Y-Lage des genannten Mittelpunktes entsprechen den genannten Lagen X'M bzw. Y'M der Achse A des Formkennzeichens 159. Die gemessene Bezugslage (X'REF, Y'RYF) des Fräswerkzeugs 135 gegenüber dem Werkstück 145 wird danach als X'IWF = X'M - δX und Y'REF = Y'M - δY. Ebenso wie bei der Werkzeugmaschine 1 wird die Genauigkeit, mit der die Bezugslagen X'REF und Y'REF des Fräswerkzeugs 135 gegenüber dem Werkstück 145 gemessen werden, durch die Positionierungsgenauigkeit der Positionierungseinrichtungen der zweiten Halterung 143 bestimmt. Durch einen geeigneten Entwurf der genannten Positionierungseinrichtungen und des Steuerelementes der Positionierungseinrichtungen liegt die genannte Positionierungsgenauigkeit In dem Sub-u-Bereich, so dass die genannten Bezugslagen mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich gemessen werden können.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks 145 mit Hilfe des Fräswerkzeugs 135 wird die zweite Halterung 143 mit dem Werkstück 145 in aufeinanderfolgende X- und Y-Lagen X' bzw. Y' verlagert, die nach dem Steuerprogramm der Werkzeugmaschine 131 je einer Summe einer von einem Benutzer der Werkzeugmaschine 131 dem Steuerprogramm mitgeteilten gewünschten X-Lage X der zweiten Halterung 143 und einer Differenz δXREF zwischen der Bezugslage XREF der zweiten Halterung 143 und der gemessenen Bezugslage X'REF des Schneidwerkzeugs 135 gegenüber dem Werkstück 145 bzw. einer Summe einer von einem Benutzer der Werkzeugmaschine 131 dem Steuerprogramm mitgeteilten gewünschten Y-Lage der zweiten Halterung 143 und einer Differenz BYREF zwischen der Bezugslage YREF der zweiten Halterung 143 und der gemessenen Bezugslage Y'REF der Werkzeugmaschine 135 gegenüber dem Werkstück 145, so dass X' = X + δXREF = X + (XREF - X'REF) und Y' = Y + δYREF = y + (YREF - Y'REF). Da die gewünschten X- und Y-Lagen X und Y der zweiten Halte rung 143 mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich eingestellt werden können und auch die Bezugslagen XREF, X'REF, YREF und Y'REF mit einer Genauigkeit in dem Sub- u-Bereich gemessen werden können, sind die X- und die Y-Lagen mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich einstellbar, so dass das Fräswerkzeug 135 gegenüber dem Werkstück 145 positioniert werden kann und das Werkstück 145 mit Hilfe des Fräswerkzeugs 135 mit einer Genauigkeit in dem Sub-u-Bereich bearbeitet werden kann.
Bei der oben beschriebenen Werkzeugmaschine 1 wird ein sich drehendes Werkstück 35 mit einem Schneidwerkzeug 13 bearbeitet, während bei der oben beschriebenen Werkzeugmaschine 131 ein Werkstück 145 mit einem sich drehenden Fräswerkzeug 135 bearbeitet wird. Es sei bemerkt, dass das Verfahren nach der Erfindung auch bei anderen Arten von Werkzeugmaschinen angewandt werden kann, wobei ein Werkstück mit Hilfe eines Werkzeugs bearbeitet wird und das Werkstück sowie das Werkzeug gegenüber einander verlagert werden. So kann das Verfahren beispielsweise auch bei einer Werkzeugmaschine angewandt werden, bei der das Werkzeug ein Laserschneidwerkzeug ist, oder bei einer Werkzeugmaschine, bei der das Werkzeug ein Funkenerosionswerkzeug ist.
Bei der Werkzeugmaschine 1 ist die erste Halterung 11 mit dem Schneidwerkzeug 13 parallel zu einer X-Achse verlagerbar, während die zweite Halterung 33 mit dem Werkstück 35 um eine Z-Achse drehbar ist und parallel zu der Z- Achse verlagert werden kann. Bei der Werkzeugmaschine 131 ist die erste Halterung 133 mit dem Fräswerkzeug 135 parallel zu der Z-Achse verlagerbar, wobei das Fräswerkzeug 135 um die Z-Achse drehbar ist, während die zweite Halterung 143 mit dem Werkstück 145 parallel zu der X-Achse und der Y-Achse verlagerbar ist. Es sei bemerkt, dass das Verfahren nach der Erfindung auch bei Werkzeugmaschinen angewandt werden kann, bei denen die erste Halterung mit dem Werkzeug und die zweite Halterung mit dem Werkstück auf eine andere Art und Weise gegenüber einander verlagerbar sind. So ist das Verfahren beispielsweise auch anwendbar bei einer Werkzeugmaschine, bei der die erste Halterung mit dem Werkzeug parallel zu einer X- Achse und einer Z-Achse verlagerbar ist, während die zweite Halterung mit dem Werkstück um die Z-Achse drehbar ist, oder bei einer Werkzeugmaschine, bei der die erste Halterung parallel zu der X-Achse und der Z-Achse verlagerbar ist, während die zweite Halterung trommelförmig ist und um eine Drehungsachse parallel zu der X- Achse gedreht werden kann.
Bei der Werkzeugmaschine 1 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Formkennzeichen eine kreisförmige Rille 123 angebracht, während bei der Werkzeugmaschine 131 als Formkennzeichen eine kreisförmige Aussparung 159 angebracht wird. Es sei bemerkt, dass das Formkennzeichen nach dem Verfahren auch eine andere Form oder eine andere Geometrie haben kann, wobei die Form und die Geometrie des Formkennzeichens im Allgemeinen abhängig sind von der Art der Werkzeugmaschine und der Art des Werkzeugs. So kann beispielsweise bei der oben beschriebenen Werkzeugmaschine mit einer trommelförmigen Halterung das Formkennzeichen eine kreisförmige Rille sein mit einer Mittellinie, die mit der genannten Drehungsachse der trommelförmigen zweiten Halterung zusammenfällt.
Zum Schluss sei bemerkt, dass statt der oben beschriebenen optischen Sensoren 109, 153 auch ein anderer Sensortyp verwendet werden kann, wie beispielsweise ein an sich bekannter und üblicher mechanischer Tast-Sensor, ein elektrischer kapazitiver Sensor oder ein elektrischer induktiver Sensor.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Bezugslage eines Werkzeugs (13, 135), das an einer ersten Halterung (11, 133) einer Werkzeugmaschine (1, 131) befestigt wird, gegenüber einem mit Hilfe des Werkzeugs herzustellenden Werkstück, das an einer zweiten Halterung (33, 143) der Werkzeugmaschine befestigt wird, wobei die Halterungen mittels einer Positionierungseinrichtung (49) gegenüber einander verlagert werden, wobei nach diesem Verfahren mittels des Werkzeugs am Werkstück ein Formkennzeichen (123, 159) angebracht wird in einer vorbestimmten Bezugslage und danach mittels der Positionierungseinrichtung ein Sensor (109, 153) und das Werkstück gegenüber einander verlagert werden, wobei die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück aus einer Lage der Positionierungseinrichtung bestimmt wird, in der das Formkennzeichen von dem Sensor detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (13, 135) und der Sensor (109, 153) im Betrieb gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung (11, 133) in einer festen, Dauerlage befestigt werden.

2. Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit Hilfe eines Werkzeugs, wobei eine Bezugslage des Werkstücks (35, 145) gegenüber dem Werkzeug mit Hilfe eines Verfahrens nach Anspruch 1 gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtung (49) zum Herstellen des Werkstücks zu aufeinanderfolgenden Lagen verlagert wird, die je einer Summe einer der Positionierungseinrichtung mitgeteilten Lage und einer Differenz zwischen der Bezugslage der Positionierungseinrichtung und der gemessenen Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Halterung (33, 143) um eine Drehungsachse gedreht wird und die erste Halterung (11, 133) mittels der Positionierungseinrichtung gegenüber der zweiten Halterung parallel zu einer senkrecht auf der Drehungsachse stehenden Achse verlagert wird, dadurch gekenn zeichnet, dass das Werkstück mit einer sich senkrecht zu der Drehungsachse erstreckenden Oberfläche versehen wird, während das Formkennzeichen eine kreisförmige Rille (123) ist, die mit Hilfe des Werkzeugs in der genannten Oberfläche angebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugslage des Werkzeugs (13, 135) gegenüber dem Werkstück aus dem Durchmesser der kreisförmigen Rille (123) bestimmt wird, die mittels des Sensors gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (109, 153) ein optischer Detektor verwendet wird, mit dessen Hilfe eine Seitenwand der kreisförmigen Rille (123) detektiert wird.

6. Werkzeugmaschine (1, 131) mit einer ersten Halterung (11, 133) für ein Werkzeug (13, 135), einer zweiten Halterung (33, 143) für ein mit Hilfe des Werkzeugs herzustellendes Werkstück (35, 145), einer Positionierungseinrichtung (49), mit der die Halterungen gegenüber einander verlagerbar sind, und einem Steuerelement zum Steuern der Positionierungseinrichtung, wobei die Positionierungseinrichtung zum Messen einer Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück durch das Steuerelement entsprechend einem Steuerprogramm steuerbar ist, wobei nach diesem Programm das Werkzeug an dem Werkstück ein Formkennzeichen (123, 159) anbringt in einer vorbestimmten Bezugslage der Positionierungseinrichtung (49) und die Positionierungseinrichtung danach einen Sensor (109, 153) und das Werkstück gegenüber einander verlagert, wobei die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück durch eine Lage der Positionierungseinrichtung bestimmt wird, worin der Sensor das Formkennzeichen detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (13, 135) und der Sensor (109, 153) im Betrieb in einer festen, Dauerlage gegenüber einander und gegenüber der ersten Halterung (11, 133) befestigt sind.

7. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtung (49) zum Herstellen des Werkstücks nach dem Steuerprogramm in aufeinanderfolgende Lagen verlagerbar ist, die je einer Summe einer der Positionierungseinrichtung mitgeteilten Lage und einer Differenz zwischen der Bezugslage der Positionierungseinrichtung und der gemessenen Bezugslage des Werkzeugs (1, 131) gegenüber dem Werkstück entsprechen.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (109, 153) ein optischer Detektor ist.

9. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor mit einer Lichtquelle (111), einem Objektivsystem (115) zum Fokussieren von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes auf das Werkstück, und mit einem Fokusfehlerdetektor (119) versehen ist.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, wobei die zweite Halterung (33, 143) um eine Drehungsachse gedreht wird und die erste Halterung (11, 133) mittels der Positionierungseinrichtung (49) gegenüber der zweiten Halterung parallel zu einer senkrecht auf der Drehungsachse stehenden Achse verlagert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Formkennzeichen eine kreisförmige Rille (123) ist, die mit Hilfe des Werkzeugs in einer Oberfläche (121) des Werkstücks angebracht wird, die sich senkrecht zu der Drehungsachse erstreckt.

11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugslage des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück aus dem Durchmesser der mit Hilfe des Sensors (109, 153) zu messenden kreisförmigen Rille (123) bestimmt wird.

12. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8 oder 9 und 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor eine Seitenwand der kreisförmigen Rille (123) detektiert.