DE102020000379A1

DE102020000379A1 - Präzisionswerkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102020000379A1
Application number: DE102020000379.6A
Authority: DE
Inventors: Yohei Arimatsu
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2020-08-13
Also published as: JP7078560B2; JP2020116713A; US20200238389A1; CN111482845A; US11654491B2

Abstract

Eine Präzisionswerkzeugmaschine (10) enthält: einen Werkzeugträger (16) zum Halten eines Werkzeuges (TL); einen Werkzeugtisch (12b) als Bewegungsmechanismus zum Bewegen des Werkzeugträgers (16); und eine oder mehrere Abbildungseinrichtungen (18), die an dem Werkzeugträger (16) angebracht sind, wobei die Abbildungseinrichtungen jeweils eine Abbildungseinheit (30) aufweisen, die eingerichtet ist zum Aufnehmen eines Bildes des Bearbeitungspunktes (P) an dem mit dem Werkzeug (TL) bearbeiteten Werkstück (WK).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung betrifft eine Präzisionswerkzeugmaschine, welche ein Werkzeug einsetzt zur Präzisionsbearbeitung eines Werkstückes entsprechend Bearbeitungsbefehlen mit einer Bearbeitungsgenauigkeit in der Größenordnung von 10 Nanometer oder besser.
Zum Stand der Technik:
Die offengelegte japanische Patentanmeldung 2010-058263 beschreibt eine Präzisionswerkzeugmaschine, welche ein Werkstück entsprechend einer Oberflächenrauhigkeit in der Größenordnung von Nanometern bearbeitet. Bei dieser Präzisionswerkzeugmaschine ist zur Minimierung von Fehlern aufgrund thermischer Effekte die Hauptstruktur symmetrisch in Bezug auf den Bearbeitungspunkt ausgelegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der Präzisionsbearbeitung mit Präzisionswerkzeugmaschinen ist es häufig erforderlich, die Bearbeitung am Werkstück auszuführen unter genauer Überwachung des Zustandes des Bearbeitungspunktes des Werkzeuges am Werkstück, um die Bearbeitungsbedingungen zu erfassen. Hierfür ist es allgemeine Praxis, dass für eine visuelle Überwachung die Bedienungsperson ihr Gesicht nahe an den Bearbeitungspunkt bringt. Eine solche visuelle Überwachung gefährdet allerdings die Bedienungsperson, da bei der Bearbeitung erzeugte Chips in die Augen geraten können, der Kopf der Bedienungsperson mit Maschinenteilen zusammenstoßen kann, der Körper der Bedienungsperson das Werkzeug unbeabsichtigt berühren kann etc.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Präzisionswerkzeugmaschine mit erhöhter Sicherheit bereitzustellen.
Eine Variante der vorliegenden Erfindung betrifft eine Präzisionswerkzeugmaschine, welche ein Werkzeug einsetzt für eine Präzisionsbearbeitung eines Werkstückes entsprechend Bearbeitungsbefehlen mit einer Bearbeitungsgenauigkeit in der Grössenordnung von 10 Nanometer oder besser, aufweisend: einen Werkzeugträger, der eingerichtet ist zum Abstützen des Werkzeuges; einen Bewegungsmechanismus, der eingerichtet ist zum Bewegen des Werkzeugträgers; und eine oder mehrere Abbildungseinrichtungen, die an dem Werkzeugträger oder dem Bewegungsmechanismus befestigt sind, wobei die Abbildungseinrichtungen jeweils eine Abbildungseinheit aufweisen, die eingerichtet ist ein Bild des Bearbeitungspunktes am mit dem Werkzeug bearbeiteten Werkstück aufzunehmen.
Mit der Erfindung ist es möglich, ein Bild des Bearbeitungspunktes aufzunehmen mit einer einzigen oder mit mehreren Abbildungseinrichtungen ohne die Relativposition von Abbildungseinrichtung zu dem vom Werkzeugträger getragenen Werkzeug zu ändern, auch wenn der Werkzeugträger bei Bewegung des Bewegungsmechanismus bewegt wird.
Im Ergebnis kann die Bedienungsperson den Bearbeitungspunkt überwachen, ohne nahe an diesen zu kommen, was die Sicherheit erhöht.
Obige und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläuternd dargestellt ist.
Figurenliste

1 zeigt schematisch die Konfiguration einer Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt einen Zustand, in dem eine Abbildungseinrichtung angebracht ist;
3 erläutert beispielhaft eine Konfiguration einer Abbildungseinheit;
4 ist eine Tabelle (1) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild;
5 ist eine Tabelle (2) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild;
6 ist eine Tabelle (3) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild;
7 ist eine Tabelle (4) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild;
8 ist eine Tabelle (5) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild; und
9 ist eine Tabelle (6) mit Berechnungen der Objektlänge pro Punkt in einem Bild.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Einzelheiten bevorzugter Ausführungsbeispiele und mit Blick auf die Figuren näher beschrieben.
[Ausfü h rungsbeispiel]
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Präzisionswerkzeugmaschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Präzisionswerkzeugmaschine 10 bearbeitet ein Werkstück WK mittels eines Werkzeuges TL entsprechend Bearbeitungsbefehlen präzise mit einer Genauigkeit im Bereich von 10 Nanometern oder weniger. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Präzisionswerkzeugmaschine 10 um eine Drehmaschine, welche eine Bearbeitung ausführt durch Kontakt zwischen dem drehenden Werkstück WK und dem Werkzeug TL.
Die Präzisionswerkzeugmaschine 10 hat ein Gestell 12, einen Spindelstock 14, einen Werkzeugträger 16, eine Abbildungseinrichtung 18 und eine Steuereinrichtung 20.
Das Gestell 12 bildet eine Basis für den Spindelstock 14 und den Werkzeugträger 16. In 6 ist die Richtung (Axialrichtung), in welcher sich eine Spindelwelle 14a des Spindelstockes 14 erstreckt, als die Vorne/Hinten-Richtung angegeben, die Richtung parallel zu zur Positionierungsoberfläche F des Gestells 12 und senkrecht zur Axialrichtung ist als Links/Rechts-Richtung angegeben und die Richtung senkrecht zur Positionierungsoberfläche F und zur Axialrichtung ist als Oben/Unten-Richtung angegeben. Die Richtung nach unten ist somit die Richtung, in welcher die Schwerkraft wirkt.
Ein Spindeltisch 12a ist Teil eines Bewegungsmechanismus, der den Spindelstock 14 bewegen kann, und ist auf der Positionierungsoberfläche F des Gestells 12 angeordnet. Der Spindeltisch 12a kann den Spindelstock 14 in Bezug auf das Gestell 12 in Richtung nach links und nach rechts bewegen. Der Spindelstock 14 ist auf dem Spindeltisch 12a angeordnet.
Ein Werkzeugtisch 12b und ein Drehtisch 12c sind als Bewegungsmechanismus, der den Werkzeugträger 16 bewegen kann, ebenfalls auf der Positionierungsoberfläche F des Gestells 12 angeordnet. Der Werkzeugtisch 12b kann den Werkzeugträger 16 in Bezug auf das Gestell 12 in Richtung nach vorne und nach hinten bewegen und der Drehtisch 12c ist auf dem Werkzeugtisch 12b angeordnet. Der Drehtisch 12c kann um eine vertikale Achse (also in Richtung nach oben und unten) als Drehachse rotieren und der Werkzeugträger 16 ist auf dem Drehtisch 12c angeordnet. Der Drehtisch 12c kann auch weggelassen werden.
Der Spindelstock 14 ist ein Werkstückhalter zum Abstützen des Werkstückes WK und enthält eine Spindelwelle 14a, die sich in Richtung vorne/hinten erstreckt, und einen Rotor 14b an einem Ende (dem vorderen Ende) der Spindelwelle 14a. Das Werkstück WK ist am Rotor 14b an dessen Stirnfläche mit nicht dargestellten Befestigungsmitteln angebracht. Der Spindelstock 14 stützt also das Werkstück WK drehbar ab.
Der Werkzeugträger 16 stützt ein Werkzeug TL ab und hat Säulenform, die sich von der oberen Fläche des Drehtisches 12c aufwärts erstreckt. Das Werkzeug TL ist am oberen Ende des Werkzeugträgers 16 mit nicht dargestellten Mitteln befestigt. Das am Werkzeugträger 16 befestigte Werkzeug TL erstreckt sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung, in welcher sich der Werkzeugträger 16 erstreckt. Die Abbildungseinrichtung 18 nimmt ein Bild eines Gegenstandes auf und gibt ein entsprechendes Bildsignal als Abbildungsergebnis zu der Steuereinrichtung 20. Die Steuereinrichtung 20 hat eine Anzeigeeinheit 22 und zeigt auf der Anzeigeeinheit 22 das von der Abbildungseinrichtung 18 über das Bildsignal abgegebene Bild an.
Die Steuereinrichtung 20 hat ein Bearbeitungsprogramm zum Bearbeiten des Werkstückes WK mit dem Werkzeug TL. Die Steuereinrichtung 20 steuert entsprechend die Spindelwelle 14a des Spindelstockes 14 und den Bewegungsmechanismus (Spindeltisch 12a, Werkzeugtisch 12b und Drehtisch 12c) entsprechend den Bearbeitungsbefehlen mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Bereich von 10 Nanometern oder besser gemäß dem Bearbeitungsprogramm.
Beispielsweise bewegt die Steuervorrichtung 20 den Spindeltisch 12a und den Werkzeugtisch 12b des Werkzeugträgers 16 relativ zueinander unter Drehung der Spindelwelle 14a des Spindelstockes 14, um so die Bearbeitung an dem Bearbeitungspunkt, wie er durch das Bearbeitungsprogramm vorgegeben ist, auszuführen. Bei der Relativbewegung zwischen Spindeltisch 12a und Werkzeugtisch 12b wird das an dem Werkzeugträger 16 auf dem Werkzeugtisch 12b befestigte Werkzeug TL gegen das Werkstück WK gedrückt, welches durch den Spindelstock 14 auf dem Spindeltisch 12a abgestützt ist, um so das Werkstück WK zu bearbeiten.
2 zeigt einen Zustand, in dem die Abbildungseinrichtung 18 angebracht ist. Die Abbildungseinrichtung 18 nimmt ein Bild des Bearbeitungspunktes am Werkstück WK, welches mit dem Werkstück TL bearbeitet wird, auf. Dieser Bearbeitungspunkt P ist durch das Bearbeitungsprogramm bestimmt. Die Abbildungseinrichtung 18 hat eine hohle Rohrform und ist flexibel. Das heißt: die Abbildungseinrichtung 18 ist wie ein flexibler Schlauch ausgeformt (biegsam in gewünschte Positionen) und zumindest ein Ende der Bildaufnahmeeinrichtung 18 in der Rohrform ist geschlossen.
Die Aufnahmeeinrichtung 18 hat eine Abbildungseinheit 30 und ein Stützteil 40. Die Abbildungseinheit 30 ist am vorderen Ende der Abbildungseinrichtung 18 angeordnet. 3 zeigt beispielhaft eine Konfiguration der Abbildungseinheit 30.
Die Abbildungseinheit 30 hat zumindest eine Objektivlinse 32, einen Bildsensor 34 und ein Beleuchtungsmittel 36. Die Objektivlinse 32 fokussiert auf der Vorderseite der Abbildungseinheit 30 eintretendes Licht vom Gegenstand zur Erzeugung eines Bildes des Gegenstandes.
Der Bildsensor 34 nimmt das von der Objektivlinse 32 erzeugte Bild auf und ein von der Objektivlinse 32 fokussiertes Bild wird auf der bildgebenden Oberfläche des Bildsensors 34 geformt. Die Signalleitung vom Bildsensor 34 ist mit der Steuervorrichtung 20 über das Rohr der Abbildungseinrichtung 18 verbunden. Es können auch eine weitere Linse oder weitere Linsen zusätzlich zur Objektivlinse 32 zwischen dem Bildsensor 34 und der Objektivlinse 32 angeordnet werden. In diesem Fall handelt es sich bei dem von der Objektivlinse 32 erzeugten Bild um ein Zwischenbild, welches auf die bildgebende Oberfläche des Bildsensors 34 durch die eine oder die mehreren weiteren Linsen abgebildet (fokussiert) wird.
Die Steuereinrichtung 20 zeigt auf Basis des von der Abbildungseinrichtung 18 ausgegebenen Bildsignals auf der Anzeigeeinheit 22 zumindest das den Bearbeitungspunkt P des Werkzeuges TL auf dem Werkstück WK enthaltende Bild und ein vergrößertes Bild eines bestimmten Bereiches im zuvor genannten Bild an. Somit kann die Bedienungsperson den Bearbeitungspunkt P beobachten, ohne dass sie sich für die visuelle Überwachung in die Nähe des Bearbeitungspunktes P bringen müsste.
Im Bereich der Feinbearbeitung, wie der Ultrapräzisierungsbearbeitung, ist es wichtig, den kritischen Werkzeugkontakt der Schneidkante des Werkzeuges TL zu beobachten. Beobachtet die Bedienungsperson visuell den Bearbeitungspunkt P, kann sie visuell den Bearbeitungszustand am Bearbeitungspunkt P aus der Form und den Eigenschaften der Chips (Späne) erfassen, wenn die Form der Chips bei der Bearbeitung und Sammlung am Werkzeug TL am Bearbeitungspunkt P Abmessungen im Bereich von 0,3 mm bis 0,5 mm annimmt.
Wird gemäß 3 der Linearabstand (nachfolgend als Objektabstand bezeichnet) von einem vorgegebenen Abschnitt der Bearbeitungseinheit 30, wie dem Vorderende der Abbildungseinheit 40 oder einem Umfangspunkt der Objektivlinse 32, zum Bearbeitungspunkt P mit D bezeichnet (in Millimetern), der Bildwinkel der Abbildungseinheit 30 (also der Sichtwinkel der Objektivlinse 32) mit Θ (in Grad) bezeichnet und wird die Abbildungsweite, die mit der Abbildungseinheit 30 in dem Bild aufgenommen werden kann, mit W bezeichnet (in Millimetern), gilt die Beziehung „W = 2 x D x tan (Θ/2)“ aufgrund der Form des rechteckigen Dreiecks. Die Abbildungsweite W ist die diagonale Länge eines vorgegebenen rechtwinkligen Bereichs im Sichtfeld der Objektivlinse 32 und dieser rechtwinklige Bereich entspricht dem Abbildungsbereich, der mit dem Bildsensor 34 aufgenommen werden kann. Die Abbildungsweite W ist also die Länge der diagonalen Linie des Bereiches entsprechend dem rechtwinkligen Abbildungsbereich, der auf den Bildsensor 34 entsprechend dem Sichtfeld der Objektivlinse 32 fokussiert wird.
Dabei wird vorzugsweise die nachfolgende Beziehung erfüllt: $\frac{2 \times D \times tan (\frac{θ}{2})}{R_{sa}} \cdot \frac{1}{\sqrt{1 + x^{2}}} ≦ 0.03 [mm]$
Dabei ist x das Verhältnis der kurzen Seite zur langen Seite des rechtwinkligen Bereiches entsprechend dem mit dem Bildsensor 34 durch die Abbildungseinheit 30 aufgenommenen Bild, wobei die lange Seite auf 1 definiert ist, und Rsa ist die Anzahl der Punkte (Anzahl der Bildpunkte) auf der langen Seite in dem Bild.
Die linke Seite der Ungleichung (1) entspricht der Größe des Gegenstandes pro Punkt im aufgenommenen Bild. Beobachtet die Bedienungsperson, wie oben beschrieben, den Bearbeitungspunkt P, dann beträgt die minimale Abmessung der visuell überprüfbaren Chips 0,3 mm. Deshalb ist davon auszugehen, dass ein Objekt (Gegenstand; Bearbeitungspunkt P) aus etwa 10 Punkten überwacht werden kann. Die Ungleichung (1) zeigt an, dass der Bearbeitungspunkt P mit einer Auflösung beobachtet werden kann, die gleich ist oder größer als bei einer visuellen Überwachung, wenn die Auflösung bei 0,03 mm oder weniger liegt. 4 ist eine Tabelle (1), die Berechnungen angibt bezüglich der Länge eines Objektes pro Punkt in dem Bild. In 4 ist die Objektlänge pro Punkt in dem Bild berechnet unter Verwendung der Ungleichung (1), wobei der Bildwinkel Θ auf 30 Grad fixiert ist, das Verhältnis zwischen der langen und der kurzen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes auf 16:9 festgelegt ist und wobei die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und die Objektdistanz D variiert werden.
In der Tabelle entspricht „HD“ einem hochdefinierten Bild in der terrestrischen digitalen Telekommunikation und die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes beträgt 1440. In der Tabelle entspricht „FHD“ einem Vollbild hoher Definition und die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes beträgt 1920. In der Tabelle entspricht „4K“ dem UHDTV-Bild und die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes beträgt 3840.
Beträgt beispielsweise der Bildwinkel Θ 30 Grad und beträgt die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes, welches mit dem Bildsensor 34 aufgenommen wird, 1440, und ist die Objektdistanz D kleiner als 90 mm, dann kann aus den Berechnungen in 4 gemäß der Ungleichung (1) entnommen werden, dass die Länge des Objektes pro Punkt im mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bild im Bereich von 0,03 mm oder kleiner liegt. Dementsprechend kann mit der Bildeinheit 30 innerhalb eines Objektabstandes D von 90 mm der Bearbeitungspunkt P auf einem typischen Anzeigebildschirm mit einem Seitenverhältnis 16:9 mit einer Auflösung beobachtet werden, die gleich ist oder wesentlich besser als eine visuelle Beobachtung.
Beträgt die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes 1920 oder 3840, dann fällt auch dann, wenn der Objektabstand D 100 mm wird, die Länge des Objektes pro Punkt im Bild in den Bereich von 0,03 mm oder weniger, so dass der Bearbeitungspunkt P mit einer Auflösung beobachtet werden kann, die gleich ist oder besser als bei einer visuellen Beobachtung.
Die 5 bis 9 zeigen Berechnungsergebnisse bei in der Ungleichung (1) geänderten Parametern. 5 gibt Berechnungen für die Länge des Objektes pro Punkt im Bild unter Einsatz der Ungleichung (1), wenn der Bildwinkel Θ auf 30 Grad festgelegt ist, das Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes bei 1:1 liegt und die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und der Objektabstand D variiert werden.
Bei den Berechnungen gemäß 6 auf Basis der Ungleichung (1) ist die Länge des Objektes pro Punkt im Bild ermittelt bei einem Bildwinkel Θ von 45 Grad, einem Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes von 16:9 und wobei die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und der Objektabstand D variiert werden.
7 gibt Berechnungen der Länge des Objektes pro Punkt im Bild auf Basis der Ungleichung (1) für einen Bildwinkel Θ von 45 Grad und ein Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes von 1:1, wobei die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und der Objektabstand D variiert werden.
8 gibt die Länge des Objektes pro Punkt im Bild auf Basis der Ungleichung (1) für einen Bildwinkel Θ von 60 Grad und ein Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite im mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bild von 16:9, wobei die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und der Objektabstand D variiert sind.
9 gibt Berechnungen der Länge des Objektes pro Punkt im Bild auf Basis der Ungleichung (1) für einen Bildwinkel Θ von 60 Grad und ein Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bildes von 1:1, wobei die Anzahl der Punkte Rsa auf der langen Seite des Bildes und der Objektabstand D variiert sind.
Das Beleuchtungsmittel 36 beleuchtet den Bearbeitungspunkt P mit Licht. Das Beleuchtungsmittel 36 kann selbst Licht emittieren oder auch Licht aus einer Lichtquelle außerhalb der Abbildungseinrichtung 18 einleiten und abgeben. Im Falle, dass das Beleuchtungsmittel selbst Licht emittiert und abstrahlt, können beispielsweise für das Leuchtmittel 36 eine Punktlichtquelle wie eine LED (lichtemittierende Diode) oder andere Mittel eingesetzt werden. Für den Fall, dass die Beleuchtung des Objektes mit Licht erfolgt, welches von einer Lichtquelle außerhalb der Abbildungseinrichtung 18 emittiert wird, kann das Beleuchtungsmittel 36 hier beispielsweise das distale Ende von optischen Fasern sein, die optisch verbunden sind mit der Lichtquelle außerhalb der Abbildungseinrichtung 18, wobei die Fasern im Rohr der Abbildungseinheit 30 angeordnet sind und durch das Rohr des Stützteils 40 verlaufen und wobei ein Fenster vorgesehen ist, durch welches aus dem distalen Ende der optischen Fasern abgegebenes Licht nach außen austritt.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt den Fall, bei dem das Beleuchtungsmittel 36 Licht selbst emittiert und den Gegenstand beleuchtet. In diesem Fall ist die Signalleitung des Beleuchtungsmittels 36 mit der Steuereinrichtung 20 durch die Röhre der Abbildungseinrichtung 18 verbunden. Die Steuereinrichtung 20 kann das Beleuchtungsmittel 36 so steuern, dass die Intensität des vom Beleuchtungsmittel 36 abgegebenen Lichtes geändert werden kann.
Das Stützteil 40 (siehe 2) hält die Abbildungseinheit 30 und ist an dem Werkzeugträger 16 angebracht. Wie oben beschrieben, ist der Werkzeugträger 16 auf dem Werkzeugtisch 12b angeordnet, welcher in einer Richtung weg vom Werkstück WK (Richtung nach vorne) bewegbar ist oder in einer Richtung hin zum Werkstück WK (Richtung nach hinten). Die Abbildungseinrichtung 18 mit ihrem Stützteil 40 ist somit an dem Werkzeugträger 16 fixiert und bewegt sich zusammen mit dem Werkzeug TL, welches durch den Werkzeugträger 16 abgestützt ist. Das bedeutet: auch wenn sich der Werkzeugtisch 12b bewegt oder wenn der Drehtisch 12c rotiert, ändert sich die Relativposition zwischen dem Werkzeug TL auf dem Werkzeugträger 16 und der Bildaufnahmeeinrichtung 18 nicht. Der Drehtisch 12c muss nicht notwendig durchgehend rotieren, solange er nur über einen bestimmten Drehwinkel rotieren kann.
Zumindest ein Teil des Stützteils 40 hat einen Einstellmechanismus 42, der eine Einstellung der Orientierung der Abbildungseinheit 30 ermöglicht. Beispiele für einen solchen Einstellmechanismus 42 sind ein Balgenrohr mit einer wellenförmigen Rohrwandung des Stützteils 40 in dessen Längsrichtung, so dass mit extern einwirkenden Kräften eine verbiegende Positionierung ermöglicht ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Aktuator 44 vorgesehen, welcher den Einstellungsmechanismus 42 betätigt, sowie eine Aktuatorsteuerung 46, welche den Aktuator 44 steuert. Beispielsweise ist der Aktuator 44 im Rohr des Stützteils 40 vorgesehen und die Aktuatorsteuerung 46 ist in der Steuereinrichtung 20 vorgesehen.
Die Aktuatorsteuerung 46 enthält eine Datenbasis, in welcher zumindest der Typ und/oder die Größe und/oder die Länge des Werkzeuges TL verknüpft sind mit der Position (Position des vorderen Endes) der Abbildungseinheit 30 in Bezug auf den Bearbeitungspunkt P. Die Aktuatorsteuerung 46 bestätigt die Position der Abbildungseinheit 30 relativ zum Bearbeitungspunkt P auf Basis dieser Datenbasis und des Typs des Werkzeuges TL, wie es das Bearbeitungsprogramm vorgibt. Beim Bestätigen der Position der Abbildungseinheit 30 relativ zum Bearbeitungspunkt P steuert die Aktuatorsteuerung 46 den Aktuator 44 so, dass sich die Abbildungseinheit 30 in die bestätigte Position bewegt. Damit ist auch dann, wenn ein Werkzeug TL ausgetauscht wird, die Relativposition zwischen dem Bearbeitungspunkt P und der Abbildungseinheit 30 im Wesentlichen beibehalten.
Ändert sich der Bearbeitungspunkt P aufgrund des Bearbeitungsprogrammes, steuert die Aktuatorsteuerung 46 den Aktuator 44 so, dass die Abbildungseinheit 30 dem Bearbeitungspunkt P folgt. Somit kann auch dann, wenn sich der Bearbeitungspunkt P ändert, dieser kontinuierlich gleichbleibend aufgenommen werden.
[Abgewandelte Beispiele]
Oben wurde ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, jedoch ist der technische Umfang der Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Es versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen am obigen Ausführungsbeispiel möglich sind. Es versteht sich auch aus dem Umfang der Ansprüche, dass eine Ausführungsform mit derartigen Abwandlungen und Verbesserungen im Umfang der Erfindung enthalten ist.
Nunmehr werden Beispiele näher beschrieben, bei denen das obige Ausführungsbeispiel abgewandelt oder verbessert ist.
(Abgewandeltes Beispiel 1)
Beim obigen Ausführungsbeispiel ist die Abbildungseinrichtung 18 am Werkzeugträger 16 fixiert, wobei dieser das Werkzeug TL hält. Die Abbildungseinrichtung 18 kann aber auch am Werkzeugtisch 12b oder am Drehtisch 12c fixiert werden, also an einem Bewegungsmechanismus, welcher den Werkzeugträger 16 bewegen kann.
(Abgewandeltes Beispiel 2)
Beim obigen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Präzisionswerkzeugmaschine 10 um eine Drehmaschine, welche eine Bearbeitung ausführt unter Kontaktgabe des rotierenden Werkstückes WK mit dem fixierten Werkzeug TL. Bei der Präzisionswerkzeugmaschine 10 kann es sich aber auch um ein sogenanntes Bearbeitungszentrum handeln, welches eine Bearbeitung ausführt durch Kontaktgabe zwischen einem drehenden Werkzeug TL mit einem fixierten Werkstück WK.
Ist die Präzisionswerkzeugmaschine 10 ein Bearbeitungszentrum, dann ist der Werkzeugträger ein Spindelkopf. In diesem Falle ist die Abbildungseinrichtung 18 am Spindelkopf oder am Bewegungsmechanismus, welcher den Spindelkopf bewegt, angeordnet. Das heißt: die Abbildungseinrichtung 18 kann an einem Bauteil fixiert werden, dessen Relativposition in Bezug auf das Werkzeug TL sich nicht ändert.
(Abgewandeltes Beispiel 3)
Beim obigen Ausführungsbeispiel ist die Abbildungseinrichtung 18 an dem Werkzeugträger 16 fixiert. Allerdings können auch mehrere Abbildungseinrichtungen 18 am Werkzeugträger 16 fixiert sein. Sind mehrere Abbildungseinrichtungen 18 am Werkzeugträger 16 fixiert, kann die obige Ungleichung (1) für zumindest einen der mehreren Abbildungseinrichtungen 18 erfüllt sein.
Zwischen den einzelnen Abbildungseinrichtungen 18 können sich zumindest der Bildwinkel der Objektivlinse 32 der Abbildungseinheit 30 und/oder die Anzahl der wirksamen Bildpunkte des Bildsensors 34 der Abbildungseinheit 30 unterscheiden. Auch können sich die einzelnen Abbildungseinrichtungen 18 unterscheiden hinsichtlich des Bildwinkels der Objektivlinsen 32 der Abbildungseinheit 30 und/oder der Anzahl der wirksamen Bildpunkte der Bildsensoren 34.
Sind mehrere Abbildungseinrichtungen 18 an dem Werkzeugträger 16 fixiert, kann die Steuereinrichtung 20 zumindest ein Bild anzeigen einschließlich des Bearbeitungspunktes P, wobei das Bild durch zumindest eine der mehreren Abbildungseinrichtungen 18 aufgenommen ist, und es kann auf dem gleichen Bildschirm der Anzeigeeinheit 22 oder auch auf anderen oder getrennten Bildschirmen der Anzeigeeinheit 22 ein vergrößertes Bild eines bestimmten Bereiches in den einzelnen mehreren aufgenommenen Bildern dargestellt werden.
(Abgewandeltes Beispiel 4)
Beim obigen Ausführungsbeispiel wird die Orientierung der Abbildungseinheit 30 automatisch angepasst durch Betätigung der Steuerung 46, welche den Einstellmechanismus 42 über den Aktuator 44 steuert. Es kann aber auch die Bedienungsperson die Orientierung der Abbildungseinheit 30 von Hand einstellen unter Beobachtung der Anzeigeeinheit 22. Andererseits kann die Bedienungsperson auch Instruktionen geben zum Einstellen der Orientierung der Abbildungseinheit 30, wobei die Instruktionen an die Aktuatorsteuerung 46 über eine Eingabeeinheit gegeben werden unter Beobachtung der Anzeigeeinheit 22, so dass die Aktuatorsteuerung 46 die Orientierung der Abbildungseinheit 30 entsprechend den Instruktionen einstellt.
(Abgewandeltes Beispiel 5)
Bei obigem Ausführungsbeispiel bestätigt die Aktuatorsteuerung 46 die Position der Abbildungseinheit 30 relativ zu dem Bearbeitungspunkt P auf Basis der Datenbasis und des Typs des Werkzeuges TL gemäß Spezifikation durch das Bearbeitungsprogramm. Allerdings kann die Aktuatorsteuerung 46 auch die Position der Abbildungseinheit 30 relativ zum Bearbeitungspunkt P auf Basis der Datenbasis und des Typs des Werkzeuges TL einstellen, wobei Letzteres durch die Bedienungsperson über eine Eingabeeinheit eingegeben ist.
(Abgewandeltes Beispiel 6)
Die Abbildungseinheit 30 kann eine Kommunikationseinheit aufweisen für eine drahtlose Kommunikation mit der Steuereinrichtung 20, um so die mit dem Bildsensor 34 aufgenommenen Bilder an die Steuereinrichtung 20 über die Kommunikationseinheit zu übertragen. Auch kann die Abbildungseinheit 30 eine Batterie aufweisen, welche elektrischen Strom zum Antrieb der Abbildungseinheit 30 liefert.
(Abgewandeltes Beispiel 7)
Das obige Ausführungsbeispiel und die abgewandelten Beispiele können willkürlich miteinander kombiniert werden, solange nur keine technischen Widersprüche auftreten.
[Technische Ideen]
Die sich aus dem obigen Ausführungsbeispiel und den abgewandelten Beispielen ergebenden technischen Ideen werden nunmehr beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Präzisionswerkzeugmaschine (10), welche ein Werkzeug (TL) einsetzt für eine Präzisionsbearbeitung an einem Werkstück (WK) entsprechend Bearbeitungsbefehlen mit einer Bearbeitungsgenauigkeit in der Grössenordnung von 10 Nanometern oder besser. Diese Präzisionswerkzeugmaschine (10) enthält: einen Werkzeugträger (16), der eingerichtet ist zum Halten des Werkzeuges (TL); einen Bewegungsmechanismus (12b, 12c), der eingerichtet ist zum Bewegen des Werkzeugträgers (16); und eine oder mehrere Abbildungseinrichtungen (18), die an dem Werkzeugträger (16) angebracht sind oder an dem Bewegungsmechanismus (12b, 12c), wobei die Abbildungseinrichtungen jeweils eine Abbildungseinheit (30) aufweisen, die eingerichtet ist zum Aufnehmen eines Bildes des Bearbeitungspunktes (P) an dem Werkstück (WK), welches mit dem Werkzeug (TL) bearbeitet wird.
In der Präzisionswerkzeugmaschine (10) sind eine oder mehrere Abbildungseinrichtungen (18) an dem Werkzeugträger (16) fixiert oder an dem Bewegungsmechanismus (12b, 12c). Auch wenn sich der Werkzeugträger (16) mit dem Bewegungsmechanismus (12b, 12c) bewegt, können deshalb die eine oder die mehreren Abbildungseinrichtungen (18) das Bild des Bearbeitungspunktes (P) aufnehmen, ohne dass dabei die Relativposition der Abbildungseinrichtung (18) in Bezug auf das Werkzeug (TL), welches von dem Werkzeugträger (16) gehalten wird, geändert würde. Im Ergebnis kann die Bedienungsperson den Bearbeitungspunkt (P) beobachten, ohne dass sie sich diesem nähern müsste, was die Sicherheit der Bedienungsperson fördert.
Zumindest eine der Abbildungseinrichtungen (18) kann eingerichtet sein, die obige Ungleichung (1) zu erfüllen, wobei D [mm] der Abstand ist von einem vorgegebenen Bereich der Abbildungseinheit (30) zum Bearbeitungspunkt (P), Θ [in Grad] der Bildwinkel der Abbildungseinheit (30) ist, x das Verhältnis der kurzen Seite zur langen Seite des mit der Abbildungseinheit (30) aufgenommenen Bildes ist, wobei die lange Seite auf 1 normiert ist, und wobei Rsa die Anzahl der Punkte auf der langen Seite des Bildes ist. Diese Konfiguration fördert die präzise Aufnahme des Bildes des Bearbeitungspunktes (P). Das Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des Bildes kann bei 16:9 liegen.
Die Abbildungseinheit (30) kann ein Beleuchtungsmittel (36) aufweisen, welches eingerichtet ist zum Beleuchten des Bearbeitungspunktes (P) mit Licht. Dies fördert eine klare Bildaufnahme des Bearbeitungspunktes (P).
Zumindest eine der Bildaufnahmeeinrichtungen (18) kann mit einer flexiblen (biegsam positionierbaren) Stangenstruktur versehen sein. Dies erleichtert die flexible Positionierung der Abbildungseinrichtung (18) in dem Bearbeitungsbereich.
Zumindest eine der Abbildungseinrichtungen (18) kann einen Einstellmechanismus (42) aufweisen, der eingerichtet ist zum Einstellen der Orientierung der Abbildungseinheit (30). Dies erleichtert eine flexible Positionierung der Abbildungseinrichtung (18) in dem Bearbeitungsbereich.
Die Präzisionswerkzeugmaschine (10) kann weiterhin enthalten:

Einen Aktuator (44), der eingerichtet ist zum Betätigen des Einstellmechanismus (42); eine Aktuatorsteuerung (46), die eingerichtet ist zum Steuern des Aktuators (44), und wobei die Aktuatorsteuerung (46) den Aktuator (44) entsprechend der Art, der Größe oder der Länge des Werkzeuges (TL) steuern kann. Mit einer solchen Konfiguration ist es auch dann, wenn ein Werkzeug (TL) ausgetauscht wird, möglich, die relative Positionierung des Bearbeitungspunktes (P) in Bezug auf die Abbildungseinheit (30) im Wesentlichen gleich zu halten.

Die Aktuatorsteuerung (46) kann eingerichtet sein, den Aktuator (44) so zu steuern, dass die Abbildungseinheit (30) dem Bearbeitungspunkt (P) folgt, wenn der Bearbeitungspunkt (P) gemäß dem Bearbeitungsbefehl des Bearbeitungsprogrammes sich ändert. Diese Konfiguration ermöglicht, dem Bearbeitungspunkt (P) kontinuierlich zu folgen, auch wenn sich der Bearbeitungspunkt (P) ändert.
Die Präzisionswerkzeugmaschine (10) kann weiterhin eine Anzeigeeinheit (22) enthalten, die eingerichtet ist zum Anzeigen zumindest eines mit der zumindest einen Abbildungseinheit (30) aufgenommenen Bildes und/oder eines vergrößerten Bildes eines bestimmten Bereiches in dem Bild. Dies ermöglicht einer Bedienungsperson, den Bearbeitungspunkt (P) zu beobachten, ohne nahe an diesen kommen zu müssen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010058263 [0002]

Claims

Präzisionswerkzeugmaschine (10), welche ein Werkzeug (TL) einsetzt für eine Präzisionsbearbeitung eines Werkstückes (WK) entsprechend Bearbeitungsbefehlen mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Bereich von 10 Nanometern oder besser, aufweisend: einen Werkzeugträger (16), der eingerichtet ist zum Halten des Werkzeuges; einen Bewegungsmechanismus (12b, 12c), der eingerichtet ist zum Bewegen des Werkzeughalters; und eine oder mehrere Abbildungseinrichtungen (18), die an dem Werkzeughalter oder an dem Bewegungsmechanismus angebracht sind, wobei die eine oder die mehreren Abbildungseinrichtungen jeweils eine Abbildungseinheit (30) aufweisen, die eingerichtet ist zum Aufnehmen eines Bildes eines Bearbeitungspunktes (P) an dem mit dem Werkzeug bearbeiteten Werkstück.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, wobei zumindest eine der Abbildungseinrichtungen eingerichtet ist, die nachfolgende Ungleichung zu erfüllen: $\frac{2 \times D \times tan (\frac{θ}{2})}{R_{sa}} \cdot \frac{1}{\sqrt{1 + x^{2}}} ≦ 0.03 [mm]$
wobei D [mm] der Abstand ist von einem vorgegebenen Bereich der Abbildungseinheit zum Bearbeitungspunkt, Θ [Grad] der Bildwinkel der Abbildungseinheit ist, x das Verhältnis der kurzen Seite zur langen Seite des Bildes ist, welches mit der Abbildungseinheit aufgenommen ist, wobei die lange Seite auf 1 normiert ist, und wobei Rsa die Anzahl der Punkte auf der langen Seite des Bildes ist.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß Anspruch 2, wobei das Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite des Bildes 16:9 ist.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abbildungseinheit ein Beleuchtungsmittel (36) enthält, welches eingerichtet ist zum Beleuchten des Bearbeitungspunktes mit Licht.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine der Abbildungseinrichtungen eine flexible Stangenstruktur aufweist.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zumindest eine der Abbildungseinrichtungen einen Einstellmechanismus (42) aufweist, der eingerichtet ist zum Einstellen der Orientierung der Abbildungseinheit.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß Anspruch 6, weiterhin aufweisend: einen Aktuator (44), der eingerichtet ist zum Betätigen des Einstellmechanismus; und eine Aktuatorsteuerung (46), die eingerichtet ist zum Steuern des Aktuators, wobei die Aktuatorsteuerung eingerichtet ist, den Aktuator in Abhängigkeit vom Typ, der Größe oder der Länge des Werkzeuges zu steuern.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß Anspruch 7, wobei die Aktuatorsteuerung eingerichtet ist, den Aktuator so zu steuern, dass die Abbildungseinheit dem Bearbeitungspunkt folgt, wenn der Bearbeitungspunkt gemäß dem Bearbeitungsbefehl des Bearbeitungsprogrammes sich ändert.
Präzisionswerkzeugmaschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin aufweisend eine Anzeigeeinheit (22), die eingerichtet ist zum Anzeigen von zumindest einem mit zumindest einer Aufnahmeeinheit aufgenommenen Bild und/oder einem vergrößerten Bild eines bestimmten Bereiches in dem Bild.