DE4303221C2 - Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschine und Kalibrierwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschi­ ne und ein Kalibrierwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der EP 0 283 486 B1 ist ein Kalibrierwerkzeug und ein Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeug­ maschine bekannt. Das Kalibrierwerkzeug ist dabei ein Würfel bekannter Abmessungen, der von einem Taster abgetastet wird.

Für viele Bearbeitungsvorgänge werden Werkzeugma­ schinen eingesetzt, welche einen Ausleger aufwei­ sen, der um eine Drehachse verschwenkbar ist und an dessen Ende ein längs des Auslegers verschiebbares Werkzeug angeordnet ist. Die Position des Werkzeu­ ges entlang der Längsachse wird durch ein Längen­ meßsystem am Ausleger sowie der Schwenkwinkel durch einen Drehgeber an der Achse erfaßt. Die Längsposi­ tion sowie der Schwenkwinkel des Auslegers werden einer Positionsanzeige oder einer Steuerungsein­ richtung als Polarkoordinaten R, Θ zugeführt. Zur Erleichterung der Bedienung der Werkzeugmaschine werden diese Polarkoordinaten R, Θ von der Posi­ tionsanzeige oder der Steuereinrichtung in karte­ sische Koordinaten X, Y umgerechnet, die sich auf ein Koordinatensystem des Werkstückes beziehen.

Die Position des Werkzeuges kann nur dann richtig erfaßt werden, wenn die Position der Drehachse be­ kannt ist. Ebenso muß ein evtl. vorliegender seit­ licher Versatz des Auslegers relativ zur Drehachse berücksichtigt werden. Diese Werte variieren von Werkzeugmaschine zu Werkzeugmaschine sehr.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschine und ein Kalibrierwerkzeug anzugeben. Es soll die Position einer Drehachse sowie der seitliche Versatz eines Auslegers relativ zur Drehachse sehr genau und auf einfache Weise ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 6 und 7 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das Kalibrierwerkzeug gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß es sehr leicht handhabbar ist und die benötigten Werte durch wenige Verfahrensschritte ermittelt werden können. Ein weiterer Vorteil be­ steht darin, daß bei dem Kalibrierverfahren die Meßsysteme der Werkzeugmaschine selbst Verwendung finden und somit keine aufwendigen externen Meßein­ richtungen erforderlich sind.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele er­ läutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Radialbohrmaschi­ ne mit einer Positionsanzeige,

Fig. 2 ein zu bearbeitendes Werkstück,

Fig. 3 ein Kalibrierwerkzeug gemäß der Erfindung,

Fig. 4 die Lage des Kalibrierwerkzeuges bei dem Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Drehachse und des Versatzes des Auslegers und

Fig. 5 die Lage des Kalibrierwerkzeuges bei dem Kalibrierverfahren zur Ermittlung der Auflösung des Dreh­ gebers.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einer in Fig. 1 gezeigten Radialbohrmaschine anwendbar. Ein Spindelstock 2 mit einem Werkzeug 3 ist bei dieser Art von Werkzeugmaschine an einem Ausleger 4 befestigt, der um die Achse A einer Rundsäule 5 schwenkbar ist. Der Spindelstock 2 ist radial längs des Auslegers 4 verschiebbar. Der Schwenkwinkel Θ des Auslegers 4 wird von einem Drehgeber 6 erfaßt, der im gezeigten Beispiel nachträglich angebaut ist und von einem am Umfang der Rundsäule 5 abrollenden Reibrad 7 angetrieben wird. Die Verschiebung R des Spindelstockes 2 entlang der Längsachse wird mit Hilfe eines Längenmeßsystemes 8 erfaßt. Die posi­ tionsabhängigen Signale des Drehgebers 7 und des Längenmeßsystemes 8 werden einer Positionsanzeige 1 zugeführt.

Die Positionsanzeige 1 weist eine Vielzahl von Ta­ sten auf, von denen nur die wichtigsten dargestellt und erläutert werden. Soll beispielsweise das in Fig. 2 dargestellte Werkstück 9 bearbeitet werden, indem im Punkt P eine Bohrung eingebracht wird, so werden als erster Schritt die Soll-Koordinaten X, Y des Punktes P eingegeben. Diese Eingabe erfolgt über die Tasten der Positionsanzeige 1. Die Soll- Koordinaten X = 50 mm und Y = 20 mm können direkt von einer Werkstückzeichnung übernommen werden und be­ ziehen sich auf ein kartesisches Koordinatensystem, dessen Ursprung der Werkstücknullpunkt WNP ist. Die eingegebenen Koordinatenwerte werden einer Spei­ chereinheit der Positionsanzeige 1 zugeführt und an Anzeigefeldern angezeigt. Die Koordinatenwerte X, Y werden in einem Koordinatenwandler in Polarkoordi­ naten R, Θ umgewandelt, die sich auf das Koordina­ tensystem der Radialbohrmaschine beziehen. Der Ur­ sprung dieses Koordinatensystemes ist der Maschi­ nennullpunkt MNP auf der Drehachse A der Rundsäule 5.

Diese Polarkoordinaten R, Θ werden bei der Bear­ beitung in Form von noch zu verfahrenden Radius- und Winkelwerten in den Anzeigefeldern angezeigt. Die Bedienperson führt das Werkzeug 3 zum Punkt P, indem sie den Ausleger 4 um den im Anzeigefeld sichtbaren Winkelwert Θ schwenkt, bis im Anzeige­ feld der Restweg "0" erscheint. Danach erfolgt die Verschiebung des Auslegers 4 um den angezeigten Restweg R. Es ist auch möglich, zuerst den Ausleger 4 zu verschieben und nachfolgend zu ver­ schwenken. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Bewegung jeweils nur in einer Achse möglich ist, indem eine der Achsen blockiert wird. Nach Er­ reichen der Zielposition P werden beide Achsen, also die Schwenk- und Radialbewegung des Werkzeuges 3 blockiert und eine Längsbewegung des Werkzeuges 3 nach Maßgabe eines eingegebenen Z-Koordinatenwertes durchgeführt.

Um die Position des Maschinennullpunktes MNP, d. h. die Position der Drehachse A sowie den seitlichen Versatz V des Auslegers 4 zu erfassen, ist das in Fig. 3 gezeigte Kalibrierwerkzeug 10 vorgesehen. Dieses Kalibrierwerkzeug 10 besteht aus einem Flachmaterial mit zwei Schenkeln S1, S2, die einen spitzen Winkel 2 . τ einschließen. In der Verlänge­ rung der Winkelhalbierenden H ist am Scheitelpunkt S der Schenkel S1, S2 ein Stab S3 mit zwei vonein­ ander beabstandeten Bohrungen B1, B2 vorgesehen. Die Mittelpunkte der Bohrungen B1, B2 liegen auf der Winkelhalbierenden H. Die Abstände L1, L2 der Bohrungen B1, B2 vom Scheitelpunkt S sind bekannt.

Jeder Mittelpunkt der Bohrungen B1, B2 bildet einen exakten Bezugspunkt des Kalibrierwerkzeuges. An­ stelle der Bohrungen B1, B2 können auch nur Vertie­ fungen - vorzugsweise kegelige Vertiefungen - als Bezugspunkte vorgesehen werden, die beim nachfol­ gend beschriebenen Kalibrierverfahren hochgenau mit einer Körnerspitze angefahren werden können. Ebenso können die Bezugspunkte auf der Winkelhalbierenden auch durch andere Anschlagflächen oder Paßflächen an dem Kalibrierwerkzeug festgelegt sein.

Das Kalibrierwerkzeug 10 besteht im gezeigten Bei­ spiel aus einem Stück. Es kann aber auch so ge­ staltet sein, daß es aus mehreren Teilen besteht, die miteinander verbunden sind. Das Kalibrierwerk­ zeug 10 ist besonders vielseitig einsetzbar, wenn auf der Winkelhalbierenden H eine Vielzahl von Boh­ rungen vorgesehen sind, von denen der Anwender die für die zu vermessende Werkzeugmaschine geeigneten auswählen kann. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Schenkel S1, S2 und/oder der Stab S3 teleskop­ artig verlängerbar ausgebildet sind.

Die Schenkel S1, S2 und/oder der Stab S3 können aber auch durch steck- bzw. schraubbare Verlänge­ rungsstücke verlängert werden.

Der Winkel τ ist ein beliebiger Winkel zwischen 0 und 90°, vorzugsweise aber etwa 45°.

Um die Position der Drehachse A, also den Drehmit­ telpunkt A zu ermitteln, wird das Kalibrierwerkzeug 10 flach auf den Werkstücktisch der zu kalibrieren­ den Werkzeugmaschine gelegt und mit den beiden Schenkeln S1, S2 an den Umfang der Rundsäule 5 her­ angeführt, so daß es an zwei Punkten daran zur An­ lage kommt. Die Innenflächen der Schenkel S1, S2 bilden dabei Bezugsflächen.

Ausgehend von einem Referenzpunkt werden aufeinan­ derfolgend die zwei Bohrungen B1, B2 angefahren. Hierzu ist im Spindelstock 2 ein Paßstift als Werk­ zeug eingespannt. Bei Verwendung eines inkrementa­ len Längenmeßsystemes 8 wird hierzu im ersten Ver­ fahrensschritt eine Referenzmarke Ref als Referenz­ punkt überfahren und der Positionszähler Null ge­ setzt. Bei geklemmter Schwenkachse wird mit dem Paßstift als nächster Verfahrensschritt die erste Bohrung B1 angefahren und die dabei verfahrene Strecke P1 festgehalten (Fig. 4). Als nächster Verfahrensschritt wird der am Ausleger 4 befestigte Paßstift in die Bohrung B2 eingeführt und die dabei verfahrene Strecke P2 ebenfalls in einem Speicher festgehalten.

Die Strecken P1, P2 der Längsachse sowie die Posi­ tionen POS1, POS2 des Kalibrierwerkzeuges 10 bei diesen Verfahrensschritten sind in Fig. 4 im De­ tail dargestellt.

In einer Recheneinheit, die Bestandteil der Posi­ tionsanzeige 1 ist, werden die gesuchten Werte be­ rechnet.

Der Abstand L0 vom Scheitelpunkt S zur Drehachse A ergibt sich aus dem bekannten Winkel τ sowie dem bekannten Radius R1 der Rundsäule 5:

Die bekannten Abstände L0, L1, L2 sowie die abge­ speicherten Strecken P1, P2 ergeben ein Dreieck mit drei Seiten bekannter Länge. über trigonometrische Funktionen (Cosinussatz) läßt sich daraus der Win­ kel α berechnen:

wobei X der zum Ausleger 4 und somit zur Längsachse parallele Abstand zwischen der Drehachse A und der Bohrung B2 ist.

Die Absolutposition des Auslegers 4 am Ort der Re­ ferenzmarke Ref ergibt sich somit aus

Ref = X - P2

Dieser Wert wird ebenfalls abgespeichert, so daß er bei späteren Bearbeitungsverfahren zur Verfügung steht. Beim Überfahren der Referenzmarke Ref wird dann jedesmal der Positionszähler auf den Wert Ref gesetzt.

Der Versatz V wird ebenfalls aus den bekannten Wer­ ten berechnet und abgespeichert:

V = sinα . (L0 + L2)

Aus diesen berechneten Werten kann somit durch eine weitere Berechnung der tatsächliche Positionswert R für jede beliebige Position XP ermittelt werden. Da der zuvor ermittelte Versatz V bei allen Positionen XP des Auslegers konstant ist, ergibt sich für

R = √V² + XP²

XP ist dabei der absolute Meßwert, der bei der Ver­ schiebung des Auslegers 4 vom Längenmeßsystem 8 erfaßt wird und am Positionszähler ansteht. Der Positionswert R ist der Radiuswert für den Punkt XP, bezogen auf die Drehachse A.

Der zur Korrektur benötigte Korrekturwinkel ΘK für einen beliebigen Punkt XP berechnet sich aus

Der für die Ausleger- bzw. Werkzeugposition XP zu berücksichtigende Winkel Θ ergibt sich somit aus

Θ = ΘG + ΘK

wobei ΘG der vom Drehgeber 6 erfaßte Schwenkwinkel des Auslegers 4 um die Drehachse A ist.

Die für jede Werkzeugmaschine individuellen Werte Ref, V und ΘK werden abgespeichert und stehen beim Betrieb der Werkzeugmaschine jederzeit für weitere Berechnungen zur Verfügung.

Erst mit den auf die tatsächliche Drehachse A bezo­ genen Werten Θ und R ist eine korrekte Koordinaten­ wandlung in kartesische Koordinaten möglich.

Zur Bedienerführung kann in der Positionsanzeige 1 ein Kalibrierprogramm abgelegt sein, mit dem die benötigten Eingabewerte angefordert werden. Nach den Eingaben werden dann die noch fehlenden Werte von der Positionsanzeige 1 berechnet. Zusammengefaßt sind zur Kalibrierung folgende Verfahrensschritte erforderlich:

• 1. Eingabe der Werte τ, R1, L1, L2
• 2. Berechnung von L0
• 3. Anfahren des Referenzpunktes Ref
• 4. Anfahren eines ersten Bezugspunktes B1
• 5. Abspeichern von P1
• 6. Anfahren eines zweiten Bezugspunktes B2
• 7. Abspeichern von P2
• 8. Berechnung von Ref (absolut)
• 9. Berechnung von V
• 10. Berechnung von ΘK
• 11. Berechnung von R und Θ

Mit dem Kalibrierwerkzeug 10 ist zusätzlich die Winkelauflösung des verwendeten Drehgebers 6 er­ mittelbar. Die Auflösung ist dabei das kleinste, durch das Meßsystem erfaßbare Inkrement zur Unter­ scheidung zweier diskreter Positionen. Es wird also mit dem Kalibrierwerkzeug 10 ermittelt, welcher Winkelwert einem Zählimpuls entspricht.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird das Ka­ librierwerkzeug 10 nahezu rechtwinkelig zur Längs­ achse des Auslegers 4 positioniert. Es werden auf­ einanderfolgend die beiden Bohrungen B1, B2 ange­ fahren und dabei die vom Ausleger verfahrenen Wege W1 und W2 erfaßt und abgespeichert. Der dabei vom Ausleger 4 verschwenkte Winkel β wird aus diesen beiden Wegen W1, W2 und dem bekannten Abstand (L2 - L1) der beiden Bohrungen B1, B2 berechnet (Co­ sinussatz):

Aus diesem berechneten Ist-Winkel β und dem vom Drehgeber 6 erfaßten Winkel Θ wird die effektive Winkel-Auflösung berechnet.

Die durch diese Verfahrensschritte berechnete ef­ fektive Auflösung muß besonders dann ermittelt wer­ den, wenn der Drehgeber 6 über ein Reibrad 7 oder ein anderes Getriebe angetrieben wird. Ist der Drehgeber auf der Drehachse A montiert, erübrigt sich diese Berechnung in den meisten Fällen, da der Ist-Winkel β dann exakt dem vom Drehgeber 6 er­ faßten Winkel Θ entspricht.

Anstelle der Rundsäule 5 kann auch die Oberfläche eines Lagers der Rundsäule 5 Anschlagflächen für die Schenkel S1, S2 bilden.

Anstelle des Paßstiftes zum Anfahren der Bohrungen B1, B2 kann auch ein bekannter Tastkopf eingesetzt werden.

Wird ein Kalibrierwerkzeug 10 mit mehr als zwei Bohrungen B1, B2 verwendet, dann können mehrere Werte für Ref und V ermittelt werden. Der Mittel­ wert dieser Werte wird vorteilhafterweise zur Be­ rechnung von R und Θ für einen beliebig anzufahren­ den Punkt XP verwendet.

Die Verwendung des Kalibrierwerkzeuges 10 wurde am Beispiel der Radialbohrmaschine erläutert. Das Ka­ librierwerkzeug 10 kann aber auch dazu dienen, die Drehachse und den Versatz einer anderen Werkzeug­ maschine zu ermitteln. Die Erfindung kann somit auch bei Robotern bzw. Handhabungsgeräten einge­ setzt werden, die als Arm einen verschiebbaren Ausleger (lineare Achse) aufweisen, der um eine Drehachse schwenkbar ist.

Claims (12)

1. Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschine, welche eine Längsachse aufweist, die um eine Drehachse einer Rundsäule schwenkbar ist und längs der ein Werkzeughalter radial zur Drehachse verfahrbar ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte,

• a) in Kontakt Bringen zueinander gerichteter Bezugsflächen zweier Schenkel (S1, S2) eines Kalibrierwerkzeuges (10) mit der Rundsäule (5),
• b) nacheinander Anfahren von mindestens zwei voneinander beabstandeten Bezugspunkten (B1, B2) des Kalibrierwerkzeuges (10) mit einem an der Längsachse angeordneten Werkzeug und Abspeichern der an den Bezugspunkten (B1, B2) erfaßten Strecken (P1, P2) der Längsachse, wobei die Bezugspunkte (B1, B2) auf der Verlängerung der die Schenkel (S1, S2) einschließenden Winkelhalbierenden (H) angeordnet sind,
• c) Berechnen des Versatzes (V) der Längsachse von der Drehachse (A) mit Hilfe der abgespeicherten Strecken (P1, P2), der Maße der Bezugsflächen und Bezugspunkte (B1, B2) des Kalibrierwerkzeugs (10) sowie des Radius der Rundsäule (5) und Abspeichern des berechneten Versatzes (V).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (A) während des Kalibriervorganges geklemmt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strecken (P1, P2) von einem Referenzpunkt (Ref) eines Längenmeßsystemes (8) ausgehend gemessen werden, und daß mit Hilfe der Strecken (P1, P2) die Absolutposition des Referenzpunktes (Ref) bezogen auf die Drehachse (A) berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Recheneinheit aus dem Versatz (V) für jede beliebige Position (XP) der Längsachse der auf die Drehachse (A) bezogene Radiuswert
R = V² + XP²
berechnet wird.

5. Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Eingabe der bekannten Maße der Bezugsflächen und Bezugspunkte des Kalibrierwerkzeuges (10):

• - Winkel (τ), den die beiden Schenkel (S1, S2) einschließen
• - Abstand (L1) vom Scheitelpunkt (S) der Schenkel (S1, S2) zum ersten Bezugspunkt (B1),
• - Abstand (L2) vom Scheitelpunkt (S) zum zweiten Bezugspunkt (B2),
  • a) Eingabe des Radiuswertes (R1) der Rundsäule,
  • b) Berechnung des Abstandes (L0) zwischen Drehachse (A) der Rundsäule (5) und dem Scheitelpunkt (S).
  • c) Anfahren eines Referenzpunktes (Ref) auf der Längsachse,
  • d) Anfahren eines ersten Bezugspunktes (B1) des Kalibrierwerkzeuges (10) mit einem Werkzeug der Werkzeugmaschine,
  • e) Abspeichern der dabei zurückgelegten Strecke (P1) zwischen dem Referenzpunkt (Ref) und dem ersten Bezugspunkt (B1),
  • f) Anfahren eines zweiten Bezugspunktes (B2),
  • g) Abspeichern der dabei zurückgelegten Strecke (P2) zwischen dem Referenzpunkt (Ref) und dem zweiten Bezugspunkt (B2),
  • h) Berechnung des Abstandes des Referenzpunktes (Ref) zum Drehpunkt (A),
  • i) Berechnung des Versatzes (V) zwischen der Drehachse (A) und der Längsachse.

6. Verfahren zum Kalibrieren einer Werkzeugmaschine, welche eine Längsachse aufweist, die um eine Drehachse einer Rundsäule schwenkbar ist und längs der ein Werkzeughalter radial zur Drehachse verfahrbar ist, wobei der Schwenkwinkel von einem Drehgeber erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierwerkzeug (10) vorgesehen ist, das mehrere voneinander beabstandete Bezugspunkte (B1, B2) aufweist, wobei

• a) der erste Bezugspunkt (B1) mit einem an der Längsachse angebrachten Werkzeug angefahren wird und dabei der Abstand (W1) zwischen der Drehachse (A) und dem ersten Bezugspunkt (B1) erfasst und abgespeichert wird,
• b) nachfolgend durch Verschwenken des Werkzeuges um die Drehachse der zweite Bezugspunkt (B2) angefahren wird und dabei der Abstand (W2) zwischen der Drehachse (A) und dem zweiten Bezugspunkt (B2) sowie der vom Drehgeber (6) erfaßte Schwenkwinkel (ΘG) erfaßt und abgespeichert wird,
• c) weiterhin aus den beiden erfaßten Abständen (W1, W2) und dem vorgegebenen gegenseitigen Abstand der beiden Bezugspunkte (B1, B2) der tatsächliche Schwenkwinkel (β) berechnet wird und
• d) aus dem gemessenen Schwenkwinkel (ΘG) und dem berechneten Schwenkwinkel (β) die Winkelauflösung des Drehgebers (6) ermittelt und abgespeichert wird.

7. Kalibrierwerkzeug für eine Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibrierwerkzeug (10) zwei Schenkel (51, 52) mit Bezugsflächen aufweist, die einen spitzen Winkel (2 . τ) einschließen, und daß auf der Verlängerung der Winkelhalbierenden (H) mehrere voneinander beabstandete antastbare Bezugspunkte (B1, B2) vorgesehen sind.

8. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugspunkte (B1, B2) an einem Stab (S3) vorgesehen sind, der am Scheitelpunkt (S) der beiden Schenkel (S1, S2) angebracht ist und entlang der Winkelhalbierenden (H) verläuft.

9. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugspunkte Bohrungen (B1, B2) sind.

10. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugspunkte Vertiefungen sind.

11. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es mit den Schenkeln (S1, S2) und mit dem Stab (S3) einstückig ausgebildet ist.

12. Kalibrierwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel und/oder der Stab verlängerbar sind.