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WO2000037213A2 - Werkzeugmaschine mit piezoelektrischer positionskorrektureinrichtung - Google Patents

Werkzeugmaschine mit piezoelektrischer positionskorrektureinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2000037213A2
WO2000037213A2 PCT/DE1999/003872 DE9903872W WO0037213A2 WO 2000037213 A2 WO2000037213 A2 WO 2000037213A2 DE 9903872 W DE9903872 W DE 9903872W WO 0037213 A2 WO0037213 A2 WO 0037213A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
machine tool
workpiece table
tool according
piezoelectric
processing unit
Prior art date
Application number
PCT/DE1999/003872
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2000037213A3 (de
WO2000037213B1 (de
Inventor
Dieter Kroll
Stefan Weber
Original Assignee
Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH filed Critical Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH
Priority to EP99964391A priority Critical patent/EP1140423A2/de
Publication of WO2000037213A2 publication Critical patent/WO2000037213A2/de
Publication of WO2000037213A3 publication Critical patent/WO2000037213A3/de
Publication of WO2000037213B1 publication Critical patent/WO2000037213B1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34—Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/402—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for positioning, e.g. centring a tool relative to a hole in the workpiece, additional detection means to correct position
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q11/0007—Arrangements for preventing undesired thermal effects on tools or parts of the machine by compensating occurring thermal dilations
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    • B23Q11/001—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine
    • B23Q11/0028—Arrangements compensating weight or flexion on parts of the machine by actively reacting to a change of the configuration of the machine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q39/00—Metal-working machines incorporating a plurality of sub-assemblies, each capable of performing a metal-working operation
    • B23Q2039/002—Machines with twin spindles

Definitions

  • the invention relates to a machine tool for in particular machining workpieces, with a processing unit and / or a workpiece table and with a position correction device for the processing unit or the workpiece table.
  • a machine tool has become known, for example, from DE 196 07 599 AI.
  • stationary optical measuring barriers are provided, through which the workpiece and tool are moved simultaneously or in quick succession.
  • the positions thus detected are compared to stored positions from previous measurements, and the difference between the detected and previously measured positions is used to correct the machine control.
  • This means that the tool or workpiece is not mechanically moved back to the setpoint, but the change in position is taken into account by a corresponding correction of the setpoints of the machine control.
  • dynamic position correction during the machining of a workpiece is not possible.
  • At least one electrically controlled piezoelectric (piezoceramic) actuating element is provided as the position correction device, in particular for a work spindle of the processing unit.
  • Piezoelectric control elements actuators
  • actuators with which stretches of up to approx. 300 Im can be achieved today, have very high rigidity and in particular very short actuation times (less than 1 ⁇ s).
  • actuators In machine tools they can be used on both the tool and the workpiece side, for example:
  • tool length correction especially a relative tool length correction in multi-spindle systems
  • the work spindles of machine tools in particular multi-spindle machines, can be coupled to the machine tool in a spatially displaceable manner with the aid of piezoelectric adjusting elements.
  • This enables a spatial movement of the or each individual work spindle that is superimposed on the degrees of freedom of the conventional machine axes.
  • the machine stand for example a slide unit, with the work spindle carries out the axis movements specified by the control program, while a work spindle can also carry out superimposed compensation movements for a position correction.
  • This piezoelectric position correction device according to the invention can be used both in conventional work spindles and in motor spindles and multi-spindle drilling heads.
  • the work spindle can either be controlled to a target position by means of predefined parameters, or the tool or work spindle position is adjusted to the workpiece or with the help of a closed control loop. Adjusted target position.
  • the target / actual deviation can be determined by means of mechanical, optical, capacitive or inductive sensors or buttons. The dimensions can be adjusted both on the workpieces to be machined and on the tool.
  • the deviation is then determined in several control steps, e.g. minimized by moving the work spindle to its target position.
  • the work spindle is controlled into its exact target position on the basis of parameters typical of the machine, tool or device. These parameters can also be variably based on the respective machine condition (temperature, machining force, etc.).
  • the effective direction of the at least one piezoelectric actuating element runs approximately in the direction of a linear degree of freedom of the machining unit or the workpiece table, i.e. in the direction of the conventional machine axes X, Y or Z.
  • tool dimension fluctuations for example the tool length or Tool setting dimensions can be changed.
  • each linear degree of freedom of the processing unit or the workpiece table can be assigned at least one piezoelectric actuating element. This measure allows any spatial position correction, for example of the work spindle (s), to be carried out.
  • the effective direction of the at least one piezoelectric actuating element extends approximately radially to a linear degree of freedom of the processing unit or the workpiece table.
  • This embodiment has the essential advantage that e.g. a work spindle can be moved via the at least one piezoelectric actuating element from its position parallel to a linear degree of freedom (Z direction), in particular can be shifted in parallel or tilted.
  • the machining unit or the workpiece table can be spatially adjustable in a spatially adjustable manner by means of a multi-point holder formed by at least two, preferably at least three piezoelectric adjusting elements.
  • the adjusting elements are to be provided at the same angular intervals on the processing unit or the workpiece table.
  • the processing unit or the workpiece table is mounted in spatially adjustable manner via at least two multi-point holders arranged one behind the other in the direction of the linear degree of freedom.
  • two multi-point brackets for example with three control elements arranged under 120 in two radial planes
  • a work spindle can be moved in the radial planes spanned by the three control elements.
  • adjust dial either parallel to the spindle axis or spherical.
  • the spherical adjustability of the work spindle can also compensate for wobble errors in the work spindle. It also makes it possible to compensate for accuracy-related, geometric deviations of the machine tool and errors due to the flexibility of the machine structure.
  • the at least one piezoelectric actuating element can be provided according to the invention on the guide of the machining unit or the workpiece table assigned to a linear degree of freedom.
  • control elements are mounted under the guide shoes of the guides. The non-constant stiffness of the X-slide can thus be compensated for depending on its respective Y-position.
  • the distance between two processing units, in particular between their work spindles, or between two workpiece tables of the machine tool can be changed via the at least one piezoelectric actuating element.
  • Adjustment element between the two work spindles is provided, for example, in a parting line in order to adjust the spindle distance by widening the parting line.
  • Vibrations of the machine tool which are generally in a frequency range of approx. 10-20 Hz, can also lead to position inaccuracies and displacements. It is therefore of particular advantage if at least one piezoelectric element which supports the machining unit or the workpiece table in a height-adjustable manner is provided to compensate for such vibrations (active vibration damping). For this purpose, the movement of the machine tool is detected with suitable vibration measuring elements, calculated and given to the actuating elements as displacement compensation values.
  • a mechanical, optical, capacitive or inductive measuring sensor for example, can be provided that detects a displacement of the processing unit or the workpiece table directly or a parameter that determines the displacement as a sensing variable for controlling the at least one piezoelectric actuator detected.
  • the first-mentioned parameters are particularly suitable for regulating the actuating element, while the second-mentioned parameters are parameters typical of machines, tools or devices, such as temperature or machining force, etc., the characteristics of which are determined in advance and then used for control in the can serve exact target positions.
  • the at least one piezoelectric element itself can be provided as the measuring sensor.
  • the work spindle can not only be spatially adjusted by the adjusting element, but can also be kept continuously in this adjusted position.
  • This holding device can be, for example, clamping elements that can be controlled as electrically as possible.
  • piezoelectric elements can also be used as clamping elements.
  • 1 shows a first embodiment of a machine tool according to the invention with two vertical machining units in a perspective view
  • 2 shows an exemplary embodiment of a horizontal work spindle of a machine tool according to the invention, the work spindle being mounted displaceably in the Z direction;
  • FIG 3 shows another exemplary embodiment of a horizontal work spindle of a machine tool according to the invention, the work spindle being mounted so as to be displaceable radially to the Z direction;
  • Fig. 4 shows a second embodiment of a machine tool according to the invention in a side view.
  • the machine tool 1 shown in FIG. 1 comprises a machine base in the form of a base support 2 and two processing units 3, the vertical work spindles 4 of which are displaceably guided in the X, Y and Z directions by means of a slide unit.
  • the carriage unit comprises an X-carriage 5, which is guided in horizontal guides 6 of the floor support 2 so as to be displaceable in the X-direction.
  • Horizontal guides 7 are provided on the X slide 5 for a Y slide 8 carrying the two machining units 3.
  • Each processing unit 3 has a quill-like Z-slide (not shown) with the work spindle 4, so that it can also be moved in the Z direction.
  • the two processing units 3, which are formed by a common housing block 9, are spaced in the X direction by a dividing joint 10 which is open to the front and in which a piezo-acting in the X direction electrical actuating elements 11 is located.
  • the separation joint 10 can be widened by corresponding electrical control of the actuating elements 11 and the distance ⁇ X between the two work spindles 4 or between the tools 12 located therein can be changed.
  • the work spindle 20 shown in FIG. 2 is surrounded by three piezoelectric actuating elements 21 acting in the Z direction, which are arranged at equal angular intervals around the longitudinal axis 22 of the work spindle 20.
  • the piezoelectric actuating elements 21 are attached at one end to the bearing 23 of the work spindle 20 and at the other end to the quinoline-like Z-slide (not shown). Since all three piezoelectric actuating elements 21 are electrically controlled for the same change in length .DELTA.z, the working spindle 20 or its tool 24 can be adjusted in length in the Z direction by the amount .DELTA.z. With different lengths of control of the three piezoelectric actuating elements 21, the work spindle 20 or the tool 24 can be tilted as desired from its original position designated 22.
  • three piezoelectric actuating elements 33 which act radially to the longitudinal direction 32 of the work spindle 30 are arranged on the outside and on the periphery of their bearing 31 at the outside and are supported at the other end on a housing (not shown).
  • Each bearing 31 is held in a 3-point bearing 34 by its three piezoelectric actuating elements 32, each distributed around 120.
  • Appropriate electrical length control of all piezoelectric actuating elements 33 of the two 3-point bearings 34 enables the work spindle 20 or its tool 35 either from the 32 shift the position in parallel by an amount ⁇ r or tilt it. Due to the spherical adjustability, wobble errors of the work spindle 30 can be compensated for.
  • piezoelectric adjusting elements 44 which act in the Y direction, are arranged between the base support 41 and the guides 42 for the slide unit described in FIG. 1 and a workpiece table 43.
  • the workpieces to be machined with the tool 45 in the work spindle 46 are located on the workpiece table 43.
  • the transmission of vibrations of the base support 41 to the tool can be damped or eliminated by correspondingly rapid length control ⁇ Y of the actuating elements 44.
  • ⁇ Y rapid length control
  • the forces acting on the guide 42 change, which can lead to geometrical deviations.
  • the adjusting elements 44 provided under the guides 42 e.g. Resilience of the carriage unit is compensated for and the non-constant rigidity of the carriage unit is compensated for depending on its respective position.
  • At least one electrically controlled piezoelectric actuating element (11) is provided as the position correction device, in particular for a work spindle (4) of the machining unit (3). If a change in position is detected, the processing unit can be quickly mechanically moved into its respective target position.

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Abstract

Bei einer Werkzeugmaschine (1) zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit einer Bearbeitungseinheit (3) ist als Positionskorrektureinrichtung, insbesondere für eine Arbeitsspindel (4) der Bearbeitungseinheit (3), mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches Stellelement (11) vorgesehen. Bei einer festgestellten Positionsänderung kann die Bearbeitungseinheit schnell mechanisch in ihre jeweilige Sollposition bewegt werden.

Description

Werkzeugmaschine mit piezoelektrischer Positionskorrektureinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit einer Bearbeitungseinheit und/oder einem Werkstücktisch und mit einer Positionskorrektureinrichtung für die Bearbeitungseinheit bzw. den Werkstücktisch. Eine derartige Werkzeugmaschine ist zum Beispiel durch die DE 196 07 599 AI bekanntgeworden.
Um bei dieser bekannten Werkzeugmaschine Bearbeitungsunge- nauigkeiten aufgrund thermisch bedingter Positionsänderungen von Werkstück und/oder Werkzeug im Arbeitsbereich des Werkzeuges zu vermeiden, sind ortsfeste optische Meßschranken vorgesehen, durch die Werkstück und Werkzeug gleichzeitig oder kurz nacheinander bewegt werden. Die so erfaßten Positionen werden mit abgespeicherten Positionen aus früheren Messungen verglichen, und die Differenz zwischen erfaßter und früher gemessener Position wird zur Korrektur der Maschinensteuerung verwendet. Das heißt, das Werkzeug oder Werkstück wird nicht mechanisch auf den Sollwert zurückbewegt, sondern die Positionsänderung wird durch eine entsprechende Korrektur der Sollwerte der Maschinensteuerung berücksichtigt. Außerdem ist eine dynamische Positionskorrektur während der Bearbeitung eines Werkstücks nicht möglich.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß bei einer festgestellten Positionsänderung die Bearbeitungseinheit und/oder der Werkstücktisch möglichst schnell mechanisch in ihre jeweilige Sollposition bewegt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Positionskorrektureinrichtung, insbesondere für eine Ar- beitsspindel der Bearbeitungseinheit, mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches (piezokeramisches) Stellelement vorgesehen ist. Piezoelektrische Stellelemente (Aktuatoren) , mit denen sich heute Dehnungen von bis zu ca. 300 Im erreichen lassen, weisen sehr hohe Steifigkeiten und insbesondere sehr kurze Stellzeiten (kleiner als 1 ϊs) auf. In Werkzeugmaschinen können sie sowohl auf der Werkzeug- als auch auf der Werkstückseite eingesetzt werden z.B.:
- zum Ausgleich von thermischen Verformungen und Verlagerungen;
- zum Ausgleich von geometrischen Positionsfehlern (z.B. der Werkstücke) ;
- zum Ausgleich von Verformungen und Verlagerungen aufgrund wirkender Kräfte;
- zum Ausgleich von Werkzeugmaßschwankungen (z.B. Werkzeuglängenkorrektur, insbesondere eine relative Werkzeuglängenkorrektur bei mehrspindligen Systemen) ;
- zur aktiven Schwingungstilgung.
So können z.B. die Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen, insbesondere von mehrspindligen, mit Hilfe von piezoelektrischen Stellelementen räumlich verschiebbar an die Werkzeugmaschine angekoppelt werden. Damit ist eine, den Freiheitsgraden der konventionellen Maschinenachsen überlagerte räumliche Bewegung der bzw. jeder einzelnen Arbeitsspindel möglich. Der Maschinenständer, z.B. eine Schlitteneinheit, mit der Arbeitsspindel führt die vom Steuerprogramm vorgegebenen Achsbewegungen durch, während eine Arbeitsspindel zusätzlich überlagerte Kompensationsbewegungen für eine Positionskorrektur ausführen kann. Diese erfindungsgemäße piezoelektrische Positionskorrektureinrichtung kann sowohl bei konventionellen Arbeitsspindeln als auch bei Motorspindeln und Mehrspindelbohrköpfen eingesetzt werden. Zum Abgleich von Positionsfehlern zwischen Werkzeug und Werkstück, die aufgrund der oben genannten Einflüsse entstehen, kann die Arbeitsspindel entweder mittels vorgegebener Parameter in eine Sollposition gesteuert werden, oder es wird mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises die Werkzeug- bzw. Arbeitsspindelposition an die Werkstück- bzw. Sollposition angepaßt. Die Ermittlung der Soll/Ist-Abwei- chung kann mittels mechanischer, optischer, kapazitiver oder induktiver Meßaufnehmer oder Taster erfolgt. Der Maßabgleich kann dabei sowohl an den zu bearbeitenden Werkstücken als auch an dem Werkzeug erfolgen.
Die festgestellte Abweichung wird dann in mehreren Regel- schritten z.B. durch das Verschieben der Arbeitsspindel auf ihre Sollposition minimiert. Bei der gesteuerten Vorgehensweise wird die Arbeitsspindel anhand von im Vorfeld ermittelter maschinen-, Werkzeug- oder vorrichtungstypischer Parameter in ihre exakte Sollposition gesteuert . Dabei können sich diese Parameter auch variabel am jeweiligen Maschinen- zustand orientieren (Temperatur, Bearbeitungskraft usw.) .
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verläuft die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements etwa in Richtung eines linearen Freiheitgrades der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches , d.h. in Richtung der konventionellen Maschinenachsen X, Y oder Z. Neben thermisch bedingten Verlagerungen können so Werkzeugmaßschwankungen, z.B. die Werkzeuglänge oder Werkzeugeinstellmaße, verändert werden. Dies ermöglicht insbesondere bei mehrspindligen Systemen, bei denen ansonsten eine Kompensation ihrer Arbeitsspindeln in Achsrichtung (Z-Richtung) zueinander nicht möglich ist, einen individuellen und separaten Abgleich jeder einzelnen Arbeitsspindel in Z-Richtung. In vorteilhafter Weiterbildung dieser Ausführungsform kann jedem linearen Freiheitsgrad der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches jeweils mindestens ein piezoelektrisches Stellelement zugeordnet sein. Durch diese Maßnahme kann jede beliebige räumliche Positionskorrektur z.B. der Arbeitsspindel (n) vorgenommen werden.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung verläuft die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements etwa radial zu einem linearen Freiheitsgrad der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches. Diese Ausführungsform hat den wesentlichen Vorteil, daß z.B. eine Arbeitsspindel über das mindestens eine piezoelektrische Stellelement aus ihrer zu einem linearen Freiheitsgrad (Z- Richtung) parallelen Lage bewegt, insbesondere parallelverschoben oder auch verkippt werden kann.
Dazu kann die Bearbeitungseinheit bzw. der Werkstücktisch in einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform über eine durch mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei piezoelektrische Stellelemente gebildete Mehrpunkthal- terung räumlich verstellbar gelagert sein. Die Stellelemente sind dabei in gleichen Winkelabständen an der Bearbeitungseinheit bzw. dem Werkstücktisch vorzusehen.
Ferner ist es bei dieser Weiterbildung besonders von Vorteil, wenn die Bearbeitungseinheit bzw. der Werkstücktisch über mindestens zwei in Richtung des linearen Freiheitsgrades hintereinander angeordnete Mehrpunkthalterungen räumlich verstellbar gelagert ist. Mit zwei Mehrpunkthalterungen, z.B. mit je drei unter 120 angeordneten Stellelementen in zwei Radialebenen, läßt sich eine Arbeitsspindel in den durch die drei Stellelemente aufgespannten Radialebenen ra- dial verstellen, und zwar entweder zur Spindelachse parallelverschieben oder aber sphärisch verstellen. Im letzteren Fall ändert sich die Achsrichtung der Arbeitsspindel bzw. des darin eingespannten Werkstücks. Durch die sphärische Verstellbarkeit der Arbeitsspindel können auch Taumelfehler der Arbeitsspindel ausgeglichen werden. Ebenso wird es dadurch möglich, genauigkeitsbedingte, geometrische Abweichungen der Werkzeugmaschine sowie Fehler aufgrund der Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur auszugleichen.
Je nach Position des Massenmittelpunkts einer verfahrbaren Bearbeitungseinheit, insbesondere ihrer Schlitteneinheit, bei der Bearbeitung ändern sich die auf ihre Führung wirkenden Kräfte bzw. Belastung. Damit ergeben sich abhängig von der jeweiligen Position des Schlittens Geometrieabweichungen. Schlimmstenfalls kann diese Belastung zu einem Abkippen des Schlittens führen. Um auch solche von der Position des Schlittens abhängigen, jeweils unterschiedlichen Kräfte ausgleichen zu können, kann das mindestens eine piezoelektrische Stellelement erfindungsgemäß an der einem linearen Freiheitsgrad zugeordneten Führung der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches vorgesehen sein. So können bei vertikalen Bearbeitungseinheiten, um z.B. Nachgiebigkeiten ihres X-Schlittens auszugleichen, Stellelemente unter den Führungsschuhen der Führungen montiert werden. Damit kann die nicht konstante Steifigkeit des X-Schlittens in Abhängigkeit seiner jeweiligen Y-Position kompensiert werden.
Bei bevorzugten weiteren Ausführungsformen ist der Abstand zwischen zwei Bearbeitungseinheiten, insbesondere zwischen ihren Arbeitsspindeln, oder zwischen zwei Werkstücktischen der Werkzeugmaschine über das mindestens eine piezoelektrische Stellelement veränderbar. Im einfachsten Fall ist das Stellelement zwischen den beiden Arbeitsspindeln z.B. in einer Trennfuge vorgesehen, um den Spindelabstand durch Aufweiten der Trennfuge zu verstellen.
Auch Schwingungen der Werkzeugmaschine, die im allgemeinen in einem Frequenzbereich von ca. 10-20 Hz liegen, können zu Positionsungenauigkeiten und zu Verlagerungen führen. Daher ist es von besonderem Vorteil, wenn mindestens ein die Bearbeitungseinheit bzw. den Werkstücktisch höhenverstellbar lagerndes piezoelektrisches Element zur Kompensation solcher Schwingungen (aktive Schwingungstilgung) vorgesehen ist. Dazu wird die Bewegung der Werkzeugmaschine mit geeigneten Schwingungsmeßelementen erfaßt, verrechnet und als Wegkompensationswerte an die Stellelemente gegeben.
Zur Ermittlung der Soll/Ist-Abweichung auf der Werkzeugoder Werkstückseite kann ein z.B. mechanischer, optischer, kapazitiver oder induktiver Meßfühler vorgesehen sein, der eine Verlagerung der Bearbeitungseinheit bzw. des Werkstücktisches unmittelbar oder einen die Verlagerung bestimmenden Parameter als Fühlgröße für das Ansteuern des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements erfaßt. Die erstgenannten Parameter eignen sich insbesondere für eine Regelung des Stellelements, während es sich bei den zweitgenannten Parametern um maschinen- , Werkzeug- oder vorrichtungstypische Parameter wie z.B. Temperatur oder Bearbeitungskraft usw. handelt, deren Kennlinien bereits im Vorfeld ermittelt werden und dann zur Steuerung in die exakte Sollpositionen dienen können. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann als Meßfühler das mindestens eine piezoelektrisches Element selbst vorgesehen sein. Bei einer dynamischen Positionskorrektur der Arbeitsspindel während der Bearbeitung eines Werkstücks kann die Arbeitsspindel durch das Stellelement nicht nur räumlich verstellt, sondern in dieser verstellten Position auch fortwährend gehalten werden. Es ist aber auch möglich, die Arbeitsspindel in ihrer durch das Stellelement räumlich verstellten Lage durch eine separate Halteeinrichtung zu halten. Bei dieser Halteeinrichtung kann es sich z.B. um Klemmelemente handeln, die sich möglichst elektrisch ansteuern lassen. Insbesondere können als Klemmelemente auch piezoelektrische Elemente verwendet werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Erfindung ist in den Figuren schematisch dargestellt, so daß die wesentlichen Merkmale der Erfindung gut zu erkennen ist. Die Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.
Es zeigt :
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit zwei vertikalen Bearbeitungs- einheiten in perspektivischer Ansicht; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer horizontalen Arbeitsspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, wobei die Arbeitsspindel in Z-Richtung verschiebbar gelagert ist;
Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel einer horizontalen Arbeitsspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, wobei die Arbeitsspindel radial zur Z-Richtung verschiebbar gelagert ist; und
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine in einer Seitenansicht.
Die in Fig. 1 gezeigte Werkzeugmaschine 1 umfaßt ein Maschinenuntergestell in Form eines Bodenträgers 2 sowie zwei Bearbeitungseinheiten 3, deren vertikale Arbeitsspindeln 4 mittels einer Schlitteneinheit in X-, Y- und Z-Richtung verschiebbar geführt sind.
Dazu umfaßt die Schlitteneinheit einen X-Schlitten 5, der in horizontalen Führungen 6 des Bodenträgers 2 in X-Richtung verschiebbar geführt ist. Am X-Schlitten 5 sind horizontale Führungen 7 für einen die beiden Bearbeitungseinheiten 3 tragenden Y-Schlitten 8 vorgesehen. Jede Bearbeitungseinheit 3 weist einen pinolenartigen Z-Schlitten (nicht dargestellt) mit der Arbeitsspindel 4 auf, so daß diese auch in Z-Richtung verf hrbar ist .
Die beiden Bearbeitungseinheiten 3, die durch einen gemeinsamen Gehäuseblock 9 gebildet sind, sind in X-Richtung durch eine nach vorne offene Trennfuge 10 beabstandet, in der sich oben und unten jeweils ein in X-Richtung wirkendes piezo- elektrisches Stellelemente 11 befindet. Durch entsprechende elektrische Ansteuerung der Stellelemente 11 kann die Trennfuge 10 geweitet und so der Abstand ΔX zwischen beiden Arbeitsspindeln 4 bzw. zwischen den darin befindlichen Werkzeugen 12 geändert werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Arbeitsspindel 20 ist von drei in Z-Richtung wirkenden piezoelektrischen Stellelemente 21 umgeben, die in gleichen Winkelabständen um die Längsachse 22 der Arbeitsspindel 20 verteilt angeordnet sind. Die piezoelektrischen Stellelemente 21 sind einenends an dem Lager 23 der Arbeitsspindel 20 angebracht und anderenends an dem pi- nolenartigen Z-Schlitten (nicht dargestellt) abgestützt. Indem alle drei piezoelektrischen Stellelemente 21 für die gleiche Längenänderung Δz elektrisch angesteuert werden, läßt sich die Arbeitsspindel 20 bzw. ihr Werkzeug 24 entsprechend in Z-Richtung in ihrer Länge um den Betrag Δz verstellen. Bei unterschiedlicher Längen-Ansteuerung der drei piezoelektrischen Stellelemente 21 läßt sich die Arbeitsspindel 20 bzw. das Werkzeug 24 aus ihrer ursprünglichen mit 22 bezeichneten Lage heraus beliebig verkippen.
Um die in Fig. 3 gezeigte Arbeitsspindel 30 sind außen am Umfang ihres Lagers 31 vorne und hinten jeweils drei radial zur Längsrichtung 32 der Arbeitsspindel 30 wirkende piezoelektrische Stellelemente 33 angeordnet, die anderenends an einem Gehäuse (nicht dargestellt) abgestützt sind. Jedes Lager 31 ist durch seine drei, jeweils um 120 verteilt angeordneten piezoelektrischen Stellelemente 32 in einer 3 -Punkt-Lagerung 34 gehalten. Durch entsprechende elektrische Längen-Ansteuerung aller piezoelektrischer Stellelemente 33 der beiden 3 -Punkt -Lagerung 34 läßt sich die Arbeitsspindel 20 bzw. ihr Werkzeug 35 entweder aus der mit 32 be- zeichneten Lage um einen Betrag Δr parallel verschieben oder aber verkippen. Durch die sphärische Verstellbarkeit können z.B. Taumelfehler der Arbeitsspindel 30 ausgeglichen werden.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Werkzeugmaschine 40 sind zwischen dem Bodenträger 41 und den Führungen 42 für die in Fig. 1 beschriebene Schlitteneinheit sowie einem Werkstücktisch 43 piezoelektrische Stellelemente 44 angeordnet, die in Y-Richtung wirken. Auf dem Werkstücktisch 43 befinden sich die mit dem Werkzeug 45 in der Arbeitsspindel 46 zu bearbeitenden Werkstücke.
Durch entsprechend schnelle Längenansteuerung ΔY der Stell- elemente 44 läßt sich die Übertragung von Schwingungen des Bodenträgers 41 auf das Werkzeug dämpfen bzw. eliminieren. Je nach Position des Massenmittelpunkts des verfahrbaren Schlitteneinheit ändern sich die auf die Führung 42 wirkenden Kräfte, die zu Geometrieabweichungen führen können. Mit den unter den Führungen 42 vorgesehenen Stellelementen 44 können z.B. Nachgiebigkeiten der Schlitteneinheit ausgeglichen und so die nicht konstante Steifigkeit der Schlitteneinheit in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Position kompensiert werden.
Bei einer Werkzeugmaschine (1) zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit einer Bearbeitungseinheit (3) ist als Positionskorrektureinrichtung, insbesondere für eine Arbeitsspindel (4) der Bearbeitungseinheit (3), mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches Stellelement (11) vorgesehen. Bei einer festgestellten Positions- änderung kann die Bearbeitungseinheit schnell mechanisch in ihre jeweilige Sollposition bewegt werden.

Claims

Patentansprüche
Werkzeugmaschine (1; 40) zur insbesondere spanenden Bearbeitung von Werkstücken, mit einer Bearbeitungseinheit (3) und/oder einem Werkstücktisch (43) und mit einer Positionskorrektureinrichtung für die Bearbeitungseinheit (3) bzw. den Werkstücktisch (3), dadurch gekennzeichnet, daß als Positionskorrektureinrichtung, insbesondere für eine Arbeitsspindel (4; 20; 30; 46) der Bearbeitungseinheit (3), mindestens ein elektrisch angesteuertes piezoelektrisches Stellelement (11; 21; 33; 44) vorgesehen ist .
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements (11; 21; 44) etwa in Richtung eines linearen Freiheitgrades (X-, Y- , Z-Richtung) der Bearbeitungseinheit (3) bzw. des Werkstück- tisches (43) verläuft.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem linearen Freiheitsgrad (X-, Y- , Z-Richtung) der Bearbeitungseinheit (3) bzw. des Werkstück- tisches (43) jeweils mindestens ein piezoelektrisches Stellelement (11; 21; 44) zugeordnet ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkrichtung des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements (33) etwa radial zu einem linearen Freiheitsgrad (X-, Y- , Z-Richtung) der Bearbeitungseinheit (3) bzw. des Werkstücktisches verläuft.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinheit bzw. der Werkstücktisch über eine durch mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei piezoelektrische Stellelemente (33) gebildete Mehrpunkthalterung (34) räumlich verstellbar gelagert ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinheit bzw. der Werkstücktisch über mindestens zwei in Richtung des linearen Freiheitsgrades (X-, Y- , Z-Richtung) hintereinander angeordnete Mehrpunkthalterungen (34) räumlich verstellbar gelagert ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine piezoelektrische Stellelement (44) an der einem linearen Freiheitsgrad (X-, Y- , Z-Richtung) zugeordneten Führung (42) der Bearbeitungseinheit bzw. des Werk- stücktisches (43) vorgesehen ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei Bearbeitungseinheiten (3), insbesondere zwischen ihren Arbeitsspindeln (4), oder zwischen zwei Werkstücktischen der Werkzeugmaschine über das mindestens eine piezoelektrische Stellelement (11) veränderbar ist.
9. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein die Bearbeitungseinheit bzw. den Werkstücktisch (43) höhenverstellbar lagerndes piezoelektrisches Stellelement (33; 44) .
10. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Meßfühler, der eine Verlagerung der Bearbeitungseinheit (3) bzw. des Werk- stücktisches (43) unmittelbar oder einen die Verlagerung bestimmenden Parameter als Fühlgröße für das Ansteuern des mindestens einen piezoelektrischen Stellelements (11; 21; 33; 44) erfaßt.
11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor das mindestens eine piezoelektrisches Stellelement (11; 21; 33; 44) selbst vorgesehen ist.
12. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem piezoelektrischen Stellelement (11; 21; 33; 44) eine Halteeinrichtung zugeordnet ist, welche die Bearbeitungseinheit (3) bzw. den Werkstücktisch (43) jeweils in der durch das piezoelektrische Stellelement (11; 21; 33; 44) vorgegebenen Lage hält .
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