DE10131408C2 - Diagnosesystem für Dreh-Schwenkköpfe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Diagnosesysteme, mit denen bei Maschinen mit Dreh-Schwenköpfen die Präzision der Dreh- bzw. Schwenk-Be­ wegungen meßtechnisch erfaßt werden kann. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme, bei denen eine Überprüfung der Abwei­ chungen der Bewegung einer Werkzeugaufnahme (Spindel, Futter, Einspannvorrichtung) von der gewünschten Idealbewegung bei meh­ reren vorhandenen Freiheitsgraden (Linearachsen, Drehachsen) erfolgen soll, z. B. bei 5-Achs-Fräsmaschinen.

Abweichungen im Bewegungsablauf können beispielsweise entstehen z. B. durch Spiel in den Drehlagern oder Untersetzungsgetrieben usw. Im Ergebnis fährt dann das in die Werkzeugaufnahme einge­ setzte Werkzeug (z. B. ein Fräser) nicht exakt die durch die An­ steuerung vorgegebenen Positionen im Raum an bzw. verläßt ge­ ringfügig die vorgegebene Bahn im Raum, so dass - je nach An­ forderung an die Masshaltigkeit des bearbeiteten Werkstücks - aufwendige Nachbehandlungen erforderlich werden können. Aus diesem Grund ist es in bestimmten Abständen notwendig, die Ge­ nauigkeit der Führung der Werkzeugaufnahme zu überprüfen. Diese Überprüfung muß unter gleichen Bedingungen erfolgen wie im Be­ trieb, d. h. es muß das dynamische Bahnverhalten der Werkzeug­ aufnahme bei einfachen (z. B. Drehung um eine Achse) und zusam­ mengesetzten Bewegungen (z. B. simultane Dreh-Schwenkbewegung) gemessen werden. Dabei kann die erforderliche Meßgenauigkeit je nach Maschinentyp im Bereich einiger Mikrometer und darunter liegen.

Aus den Druckschriften EP 0 526 056 A1, EP 0 939 295 A2 und DE 35 04 464 sind verschiedene Verfahren zur Diagnose der Bewegungspräzision bei mehrachsigen Maschinen bekannt. Aus der EP 0 504 691 A2 ist eine Meßstation mit einem Dreh-Schwenkkopf bekannt.

Es sind verschiedene Diagnosesysteme zur Überprüfung des dyna­ mischen Bahnverhaltens bekannt:

• a) Mit einem Kreuzgittermeßgerät können Kreisformtests, Eck­ fahrten und planare Freiformtests durchgeführt werden, wobei die Genauigkeit im Bereich von ca. 2 µm liegt. Dieses Meßgerät besteht aus einer Meßplatte mit Kreuzgitterteilung, die auf dem Maschinentisch angebracht ist. Der an der Werkzeugaufnahme ein­ gespannte Abtastkopf wird berührungslos über die Meßplatte ge­ führt. Aufgrund des Aufbaus sind die Messungen eingeschränkt auf Bewegungen in der Ebene parallel zum Maschinentisch.
• b) Bei einem Laserinterferometer ist an der Werkzeugaufnahme ein Reflektor angebracht, der den von einem Laser ausgesandten Strahl reflektiert. Mit dieser Einrichtung kann eine Meßge­ nauigkeit von unterhalb 1 µm erreicht werden. Es können nur Eigenschaften einzelner Achsen (Linearachsen), jedoch nicht das Zusammenwirken mehrerer Achsen bestimmt werden (Ausnahme: Rechtwinkligkeit). Die Justierung ist bei diesem Verfahren sehr aufwendig, auch sind die Kosten für die Meßeinrichtung relativ hoch.
• c) Ein anderes Verfahren zur Messung der Bewegung der Werk­ zeugaufnahme in einer Ebene ist der "Ball-Bar" Test. Bei diesem Verfahren wird ein stabförmiges Längenmeßgerät mit einem Ende an einer Halterung in einem Abstand von der Maschinenplatte drehbar gelagert. Das andere Ende wird von der Werkzeugaufnahme am Dreh-Schwenkkopf - ebenfalls frei drehbar - mitgeführt. Mit dieser Anordnung wird üblicherweise ein Kreisformtest durchge­ führt, indem der Dreh-Schwenkkopf in einer Ebene parallel zum Maschinentisch einen Kreis um die Halterung beschreibt, wobei die Signale des Längenmeßgeräts aufgezeichnet werden. Abwei­ chungen der Maschinenbewegung von der idealen Kreisbahn (= Ra­ dius konstant) sind so als Änderung des Abstands zwischen Hal­ terung und Werkzeugaufnahme erkennbar. Auch dieses Verfahren ist nur zur Überprüfung von Linearachsen geeignet, da nur die Bewegung in einer Ebene erfaßt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Diagnose der Bewegungspräzision an Dreh-Schwenkköpfen mehr­ achsiger Werkzeugmaschinen zu entwickeln, das einerseits eine hohe Meßgenauigkeit aufweist, einfache und schnelle Messungen ermöglicht und die genannten Nachteile bezüglich Meßbeschrän­ kung auf einzelne Achsen weitgehend überwindet.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und den darin aufgeführten Bezugszif­ fern. Es zeigt:

Fig. 1 Ein System zur Messung der Bewegungspräzision eines Dreh-Schwenkkopfs.

Fig. 2 Diagramme zur Darstellung der Meßkurven bei einer fehlerfreien Rotation um die Schwenkachse A und der Drehachse C (Idealzustand).

Fig. 3 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen­ de Diagramme bei einer Verkippung der Drehachse C.

Fig. 4 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen­ de Diagramme bei einer Verkippung der Schwenkachse A.

Fig. 5 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen­ de Diagramme bei einer Verkippung sowohl der Dreh­ achse C als auch der Schwenkachse A.

Fig. 6 Darstellung des Einflusses eines Umkehrspiels auf die bei Rotation um die Drehachse C bzw. Schwenk­ achse A erhaltenen Diagramme.

Das neue Verfahren nutzt die Meßmöglichkeiten des "Ball-Bar"- Tests in erweiterter Form: Wie beim "Ball-Bar"-Test werden bei Bewegungen des Dreh-Schwenkkopfs Änderungen des Abstands zwi­ schen der Werkzeugaufnahme und einem starren Bezugspunkt im Raum durch ein Längenmeßgerät erfaßt, wobei jedoch das Zusammenspiel verschiedener Achsen berücksichtigt wird.

Fig. 1 zeigt die bevorzugte Meßanordnung mit einer Längenmeß­ einrichtung (2), die in diesem Ausführungsbeispiel als stab­ förmige "Ball-Bar"-Längenmesseinrichtung dargestellt ist aber auch durch andere hochauflösende Distanzmessgeräte (z. B. Laser) ersetzt werden kann. Am einen Ende ist die Längenmeßeinrichtung (2) drehbar im ersten Bezugspunkt (P1) im Bereich der Werkzeug­ aufnahme mit dem Dreh-Schwenkkopf (1) verbunden. Das andere Ende der Längenmeßeinrichtung (2) ist drehbar in einem zweiten Bezugspunkt (P2) gelagert, der sich ortsfest an einer Halterung (3) befindet. Die Halterung (3) kann, wie in Fig. 1 darge­ stellt, auf dem Maschinentisch (4) befestigt oder in anderer Weise gegenüber dem Dreh-Schwenkkopf (1) starr fixiert sein. Vorzugsweise liegt der erste Bezugspunkt (P1) möglichst exakt auf einer ersten Achse (C) des Dreh-Schwenkkopfs (1) und der zweite Bezugspunkt (P2) auf einer zweiten Achse (A) des Dreh- Schwenkkopfs. Dies ergibt spezielle Messkurven bei verschiedenen Bewegungen des Dreh-Schwenkkopfs (Fig. 2 bis Fig. 5).

Zur Erfassung der Bewegungspräzision des Dreh-Schwenkkopfs (1) werden verschiedene Achsen angesteuert und in Abhängigkeit von der Sollvorgabe (Drehwinkel, Kippwinkel usw.) die Änderungen des Abstands zwischen den beiden Bezugspunkten P1 und P2 konti­ nuierlich gemessen. Zur Diagnose kann im Anschluß eine ent­ sprechende grafische Darstellung der Abstandsänderung in Ab­ hängigkeit von einer der Sollvorgaben (z. B. vom Winkel der Ro­ tation um die C-Achse) erstellt werden (z. B. in Polarkoordina­ tendarstellung). Mit bekannten Koordinaten der Bezugspunkte P1 und P2 lassen sich zusätzlich für jede Bewegung die theoreti­ schen Graphen einer idealen, fehlerfreien Maschine errechnen. Eine Vergleich zwischen idealer und real gemessenen Kurve er­ laubt Aussagen über die Qualität der getesteten Maschine.

Fig. 2 zeigt für eine mehrachsige Maschine ohne Defekte (Ide­ alzustand) die bei der bevorzugten Messanordnung (Fig. 1) zu erwartenden Meßergebnisse für Rotationen des Dreh-Schwenkkopfs um die A-Achse bzw. die C-Achse.

Dargestellt ist jeweils der gemessene Abstand D zwischen den Bezugspunkten P1 und P2 in Abhängigkeit vom Rotationswinkel 9 der jeweiligen Achse (Polarkoordinatendarstellung). Aufgrund der Positionen der Bezugspunkte P1 und P2 auf der gedachten Verlängerung der Rotationsachsen (A, C) wird keine Änderung des Abstands D gemessen, wenn nur eine Achse (A oder C) angesteuert wird (kreisförmige Meßkurven).

In Fig. 3 ist das Verhalten bei einer (fehlerhaften) Verkip­ pung der C-Achse schematisch dargestellt. Eine Rotation um die A-Achse liefert in entsprechender Darstellung eine elliptische Kurvenform, während eine Rotation um die C-Achse unverändert einen Kreis ergibt.

Die Auswirkung einer (fehlerhaft) verkippten A-Achse ist in Fig. 4 wiedergegeben. In diesem Fall ergibt eine Rotation um die A-Achse wieder eine elliptische Kurvenform, während eine Rotation um die C-Achse eine veränderte, angenähert elliptische Kurvenform ergibt.

Fig. 5 stellt die Situation bei einer (fehlerhaften) Verkip­ pung sowohl der A- als auch der C-Achse dar. Die in diesem Fall entstehenden Meßkurven stellen in gewisser Weise eine Überla­ gerung der Abweichungen dar, wie sie bei Dejustage der einzel­ nen Achsen auftreten.

Fig. 6 zeigt den Einfluß eines vorhandenen Umkehrspiels der A- Achse: Ein angesteuerter 180° Bogen um die A-Achse wird um den Anteil des Umkehrspiels reduziert durchfahren. Eine Drehung um die C-Achse bleibt davon unbeeinflußt.

Alle Auswertungen können vorzugsweise mittels eines Computers (z. B. PC) vorgenommen werden, der beispielsweise einerseits die von der Längenmeßeinrichtung (2) gelieferten Signale über einen AD-Wandler in digitaler Form aufnimmt und andererseits die An­ steuerung (Sollwertvorgabe) verschiedener Linear- und Rota­ tionsachsen des Dreh-Schwenkkopfs übernimmt. Ein besonderer Vorteil der computerunterstützten Auswertung besteht in der Möglichkeit, entsprechende Graphen von Abstandsänderungen bei typischen Maschinenfehlern (Lagerdefekt, Umkehrspiel usw.) als Datenbasis abzuspeichern und für eine Diagnose heranzuziehen. Damit läßt sich nach Durchführung einer Messung unter vorge­ gebenen Bedingungen (definierter Dreh-Kippvorgang, definierte Positionen der Bezugspunkte P1, P2) nicht nur das Vorhandensein und der Betrag einer vorhandenen Bahnabweichung des Dreh- Schwenkkopfs feststellen, sondern auch weitgehend eine Fehler­ zuordnung durch Identifizierung charakteristischer Bahnabwei­ chungen angeben. Diese Fehlerdiagnose ist dabei nicht auf ein bestimmtes mehrachsiges Maschinensystem beschränkt: für ver­ schiedene Maschinensysteme können individuelle Datensätze der jeweiligen charakteristischen Fehlereinflüsse verwendet werden.

Über eine derartige automatisierte Auswertung lassen sich Dia­ gnosen der Bewegungspräzision in sehr kurzer Zeit erstellen. Dabei beschränkt sich der Aufwand fast ausschließlich auf die Montage der Längenmesseinrichtung (2) und ihrer einmaligen Ju­ stierung; alles weitere (Durchführung verschiedener Bewegungs­ programme, Datenerfasssung, graphische Darstellung und Auswer­ tung) erfolgt anschließend durch den Computer, wobei erkannte Maschinenfehler direkt angezeigt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren auch ent­ sprechend kostengünstig zu realisieren. Neben einem handelsüb­ lichen Computersystem (PC) ist nur eine entsprechend hochauf­ lösende Längenmesseinrichtung (2) erforderlich, die nach dem Stand der Technik in verschiedenen Versionen verfügbar ist.

Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für einen mobilen Einsatz an unterschiedlichen Standorten, da die erfor­ derlichen Gerätschaften (PC, Längenmesseinrichtung) problemlos transportiert werden können. Dabei können auch unterschiedliche mehrachsige Maschinensysteme mit ein und demselben Verfahren getestet werden, wobei nur die jeweils individuellen Ansteuer- und Auswerteprogramme (mit entsprechenden Daten charakteristi­ scher Fehlereinflüsse) im Computersystem bereitgestellt werden müssen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Diagnose der Bewegungspräzision bei mehrachs­ igen Maschinensystemen mit einem Dreh-Schwenkkopf (1), wobei der Bewegungsverlauf des Dreh-Schwenkkopfs (1) durch kontinuierliche Messung der Änderung des Abstands zwischen einem ersten Bezugs­ punkt (P1) am Dreh-Schwenkkopf (1) und einem zweiten, ortsfesten Bezugspunkt (P2) in Abhängigkeit von der Ansteuerung (Sollwert­ vorgabe) des Dreh-Schwenkkopfs (1) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstands in Abhängigkeit von der Ansteuerung (Sollwertvorgabe) mindestens zweier verschiedener Achsen (A, C) des Dreh-Schwenkkopfs (1) gemessen wird, wobei der erste Bezugspunkt (P1) auf einer Ver­ längerung einer Drehachse (C) des Dreh-Schwenkkopfs (1) liegt, wobei der zweite Bezugspunkt (P2) auf einer Ver­ längerung einer anderen Drehachse (A) des Dreh-Schwenkkopfs (1) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Änderung des Abstands eine in beiden Bezugs­ punkten (P1, P2) drehbar gelagerte Längenmesseinrichtung (2) eingesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Vergleich durchgeführt wird zwischen den theoretischen Erwartungswerten der Änderung des Abstands und den gemessenen Werten und Abweichungen zwischen den theoretischen und den gemessenen Werten der Abstandsänderung als Ma­ schinenfehler erfaßt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich über ein Computersystem erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Computersystem über Daten verfügt, die charakteristische Ab­ standsänderungen bei typischen Maschinenfehlern repräsentieren und der Vergleich eine Identifizierung der vorhandenen Maschi­ nenfehler beinhaltet.