DE1961010A1 - Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE F.W. H EM M ER ICH · G E R D M O LLE R · D. C-R OSSf 21 DÜSSELDORF 1 0 · HO M BE R G E R STR ASSE 5 2ß H 1969 THE CINCINNATI MILLING MACHINE CO., Cincinnati, OHIO / USA Werkzeugmaschine

Diese Erfindung befaßt sich mit einer Werkzeugmaschine. Sie befaßt sich insbesondere aber mit einer Vorrichtung, welche unter Verwendung eines flachen Laserstrahles die Position oder die Einstellung des Werkzeuges bestimmt.

Was den Betrieb und die Arbeitsweise von Werkzeugmaschinen, insbesondere von Werkzeugmaschinen mit Werkzeugwechselvorrichtungen und numerischer Steuerung, betrifft, so gibt es noch eine Reihe von praxisbezogenen Problemen. Eines dieser Probleme ist die Anordnung oder die Positionierung der Werkzeugspitze. Ist eine Werkzeugwechselvorrichtung vorhanden, dann besitzt ein jedes der aufeinanderfolgenden Werkzeuge einen eigenen Werkzeughalter, welcher fest und kraftschlüssig in eine Buchse der Werkzeugmaschinenspindel paßt und dadurch im Hinblick auf die Spindelachse sehr genau in Position gebracht wird. Im Hinblick auf die Spindelachse kann der Arbeitspunkt oder die Schneidkante des Werkzeuges nach dem Einstellen der Maschine und nach dem Aufzeichnen der Werkzeugspitzenposition auf den Steuerstreifen oder Lochstreifen sich jedoch verändern, weil das Werkzeugverschlissen sein kann, weil das Werkzeug geschärft sein kann oder weil das Werkzeug im Werkzeughalter verschoben worden ist. Ein anderes Problem ist die Erwärmung oder Erhitzung des Werkzeuges. Eine Lochstreifensteuerung ist ohne eine bestimmte Startposition für jedes Werkzeug unmöglich. Diese und andere bei den bisherigen Vorrichtungen" aufgekommenen Schwierigkeiten und Probleme werden im Rahmen dieser Erfindung in einer vollkommen neuartigen Weise vermieden,

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Diese Erfindung zielt deshalb in der Hauptsache darauf ab, eine. Werkzeugmaschine zu schaffen, bei welcher im Hinblick auf die Spindelachse die Position der Werkzeugspitze genau bestimmt wird.

Diese Erfindung zielt zum anderen darauf ab, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, welche eine Bandsteuerung oder eine Lochstreifensteuerung besitzt, die trotz der von Werkstück zu Werkstück anderen Werkzeugspitzenposition eine w gute Wiederholbarkeit gewährleistet.

Diese Erfindung zielt weiterhin darauf ab, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, deren Arbeitsablauf samt Werkzeugwechsel automatisch gesteuert und geregelt wird und bei welcher es nicht notwendig ist, ein bestimmtes Werkzeug trotz Verschleiß des Werkzeuges, trotz Anschärfen des Werkzeuges und trotz Verschieben des Werkzeuges im Werkzeughalter einzustellen oder zu verstellen.

Werden diese und andere Ziele und Eigenschaften berücksichtigt, dann sollte es für Fachleute klar sein, daß sich k diese Erfindung aus einer Kombination der in der nachstehend gegebenen Spezifikation beschriebenen Teile zusammensetzt, für welche mit den Patentansprüchen um Patentschutz nachgesucht wird.

Diese Erfindung befaßt sich im allgemeinen mit einer Werkzeugmaschine. Zu dieser Werkzeugmaschine gehören: eine Grundplatte, auf welche eine Werkzeughalterung und eine Werkstückhalterung montiert sind; Vorrichtungen, welche längs einer bestimmten Bahn zwischen Werkzeughalterung und der Werkstückhalterung eine Relativbewegung herbeizuführen haben; ein Generator oder eine Lichtquelle, welche in einer rechtwinklig zur vorerwähnten Bahn liegenden Ebene ein

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Lichtband oder einen Lichtstrahl zu erzeugen hat; sowie eine Empfangsvorrichtung, auf welche der Lichtstrahl oder das Lichtband auftrifft und welche zur Errichtung eines Bezugspunktes in dem vorerwähnten Pfad oder in der vorerwähnten Bahn dann wirksam wird, wenn das Werkzeug in das Lichtband oder in den Lichtstrahl eindringt.

Um es genauer auszudrücken: Der Generator oder die Lichtquelle setzt einen Lichtstrahl konstanter Frequenz frei, welcher dann Über eine Reihe von Lichtstrahlbahnen, welche alle in der gleichen Ebene liegen,geführt wird. Die Unterbrechung von irgendeiner Lichtbahn wird vom Empfänger oder vom Meßfühler zur Kenntnis genommen. Bei einer Ausführung des Erfindungsgegenstandes besitzen die Lichtbahnen oder Strahlenbahnen eine durch einen sich drehenden Spiegel herbeiführte fächerartige Form, bei einer anderen Ausführung des Erfindungsgegenstandes erzeugen zwei nicht ganz parallel angeordnete Spiegel eine Zick-Zack-Form.

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Diese und andere Eigenschaften und Ziele dieser Erfindung sind am besten zu verstehen, wenn dazu die nachstehend gegebene Beschreibung und die dieser Patentanmeldung beiliegenden Zeichnungen zu Hilfe genommen werden. Im einzelnen ist:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Werkzeugmaschine dieser Erfindung.

Fig. 2 ein längs der Linie II-II von Fig. 1 gelegter Vertikalschnitt durch" den Erf xndung s gegenstand.

Fig. 3 eine vertikale Seitenansicht einer geänderten und modifizierten Ausführung des Erfindungsgegenstandes.

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht auf einen Teil der Werkzeugmaschine.

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer anderen Werkzeugmaschine, bei welcher dieser Erfindung Anwendung findet.

Fig. 6 eine vergrößerte perspektivische Wiedergabe eines Teiles der mit Fig. 5 dargestellten Werkzeugmaschine.

Zunächst einmal sei auf Fig. 1 verwiesen, welche die wesentlichen Eigenschaften und Merkmale dieser Erfindung am besten kenntlich macht. Die dort mit der Hinweiszahl 10 gekennzeichnete Werkzeugmaschine besitzt eine längliche Grundplatte 11, auf welche ein Werkzeugschlitten oder Werkzeughalterungsschlitten 12 montiert ist. Zur Werkzeugmaschine gehört auch eine Vorrichtung, welche zur Herbei-

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führung einer Quervorschubsbewegung während des Arbeitsablaufes den Werkzeugschlitten oder den Werkzeughalterungsschlitten quer zur Grundplatte zu bewegen oder zu verfahren hat. Auf die Oberfläche des Werkzeugschlittens oder des Werkzeughalterungsschlittens ist die Werkzeughalterung

13 aufgesetzt, in welche wiederum ein Einschneidenwerkzeug

14 eingesetzt ist.

Auf die Grundplatte 11 ist weiterhin auch ein Werkstückschlitten 15 mit seiner drehbaren oder umlaufenden Spindel 16, auf welcher ein Werkstück 17 sitzt, welches durch das Werkzeug 14 eine Drehfläche eingearbeitet erhalten soll. Die vorerwähnte Spindel wird von einer Werkstückshalterung 18 gehalten und von einem Motor 19, welcher ebenfalls auf die Oberfläche des Werkstückschlittens montiert ist, angetrieben. Damit der Werkstückschlitten 15 in Richtung der Spindelachse und in Längsrichtung der Grundplatte verfahren oder bewegt werden kann, ist eine Antriebsvorrichtung vorgesehen.

Von der einen Seite des Werkstückschlittens 15 aus erstreckt sich in seitlicher Richtung ein Arm oder Träger 21, auf dem ein Lichtstrahlgenerator oder eine den Lichtstrahl hervorrufende Beleuchtungsquelle 22 sitzt. Von der anderen Seite des Werkstückschlittens 15 aus erstreckt sich in seitlicher Richtung ein Arm oder Träger 23, auf welchen der Empfänger oder die Lichtstrahlaufnahmevorrichtung 24 sitzt. Das aus dem Lichtstrahlgenerator oder aus der einen Lichtstrahl erzeugenden Beleuchtungsvorrichtung 23 austretende Licht, welches auf die Lichtstrahlaufnahmevorrichtung oder den Empfänger 24 ausgerichtet ist, bildet ein dünnes Band 25, welches in einer zur Achse der Spindel 16 rechtwinkligen Ebene liegt.

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Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Lichtstrahlgenerator oder die einen Lichtstrahl hervorrufende Beleuchtungsvorrichtung einen aus Einzelfrequenzlicht bestehenden Lichtstrahl 26 erzeugt, welcher allgemein als Laserstrahl bekannt ist. Dieser Lichtstrahl, welcher zunächst einmal eine Blende 27 passiert, wird auf einen nahe dem Empfänger oder der Lichtstrahlaufnahmevorrichtung 2»» angeordneten Spiegel 28 geführt, welcher dann wiederum den Lichtstrahl wieder zum Lichtstrahlgenerator oder der den Lichtstrahl erzeugenden Beleuchtungsvorrichtung hin reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl fällt in einen Spiegel 29 ein, welcher den Lichtstrahl dann wieder zurückwirft. Die vorerwähnten Spiegel sind derart montiert, daß sie auf Achsen, welche der Spindelachse parallel angeordnet sind, eingestellt und verstellt werden können. Werden die reflektierenden Flächen dieser Spiegel so eingestellt, daß sie etwas aus der Parallele herausgebracht sind, dann wird der Lichtstrahl zur Bildung des Lichtbandes 25 zickzackförmig hin und her reflektiert. Dieser Lichtstrahl wird dann vom Spiegel 29 derart reflektiert, daß,er an der unteren Kante des Spiegels 28 vorbei in den Empfänger oder in die Lichtstrahlauf nahmevorrichtung 24,zu welcher eine Photozelle 31 gehört, einfällt. Diese Photozelle ist in der üblichen Weise derart mit einem Relais verbunden, daß ein Ausbleiben des Lichtstrahles oder des einfallenden Lichtes ein Signal hervorruft, welches dann zur Steuerung oder zur Regelung der Werkzeugmaschine weitergeleitet wird und dort anzeigt, daß ein Werkzeug oder daß das Werkzeug das Lichtband 25. erreicht hat. Die vertikale oder seitliche Anordnung des Werkzeuges ist nicht so wichtig, weil das Lichtband so breit gewählt ist, daß es allen möglichen Positionen des Werkzeuges entsprechen kann.

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Fig. 3 zeigt eine geänderte und modifizierte Ausführung der Vorrichtung, mittels der der Lichtstrahl in ein Lichtband umgesetzt werden soll. Von einem Lasergenerator 22a wird ein Lichtstrahl 26a erzeugt und dann auf den Spiegel 32 geworfen.

Der auf einer parallel zur Spindelachse angeordneten Achse 33 montierte Spiegel 32 kann derart gedreht werden, daß das Licht nach dem Passieren eines Schlitzes der Blende 35 zu einem fächerartigen Lichtband 34 wird. Die Lichtstrahlen fallen in einen Hohlspiegel 36 ein, welcher die Lichtstrahlen in einer Linse 37 sammelt, von wo aus die Lichtstrahlen dann auf einen Empfänger oder eine Photozelle 38 geführt werden. Wird der Lichtstrahl während seiner Schwingbewegung irgendwann einmal unterbrochen, dann wird dieser Zustand von der Photozelle aus der Werkzeugmaschinensteuerung weitergegeben oder gemeldet.

Fig. 4 zeigt schematisch wie eine Werkzeugspitze 39 in ein Lichtband 41 eindringt, welches aus mehreren schlitzförmigen Strahlen 42, 43 und 44 besteht. Bei einer praktischen Ausführung des Erfxndungsgegenstandes hat die Werkzeugspitze einen Radius von 0,0025", sind die Lichtstrahlen 0,0005" dick und 0,003" breit, während die Kanten der Lichtstrahlen um 0,0005" voneinander entfernt sind. Ist die Werkzeugspitze nun so tief in das Lichtband 41 eingedrungen, daß der Querschnitt von einem der Lichtstrahlen um 20 % verringert ist, dann spricht der Meßfühler an. Das Eindringen der Werkzeugspitze zwischen zwei einander benachbarten Strahlen führt zu der gleichen Verringerung im Ausgangsstrahl, wie dies bei ' nur einem Lichtstrahl der Fall wäre, weil wegen der Reflektion durch die Spiegel es zu einer Umkehrung der Seiten der Lichtstrahlen kommt.

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Nachstehend seien nun einige der Vorteile dieser Erfindung angeführt;

1. In den Werkzeughaltern braucht die Wirklänge der Schneidwerkzeuge nicht mehr voreingestellt zu werden.

2. Wegfall der für das Nachstellen oder Kompensieren der zufällig eingestellten Werkzeuglängen erforderlichen Maschinen-Einstellzeit.

3. Größere Genauigkeit in der Z-Achsen-Zustellbewegung:

a) Vermeidung einer sich aus der Voreinstellungsungenauigkeit und aus der Veränderung der zwischen dem Werkzeughalter und der Spindel vorhandenen Einsatztiefe ergebenden Toleranzvergrößerung.

b) Automatische Kompensation oder automatischer Ausgleich für thermisch in der Werkzeugmaschine herbeigeführte Abmessungsänderungen.

c) Automatische Kompensation oder automatischer Ausgleich für orthogonale Ungenauigkeiten oder Winkelungenauigkeiten in der Werkzeugmaschine. (Besonders bedeutend bei großen Maschinen, beispielsweise bei Maschinen mit verfahrbarem Ständer, bei welchen die Position der Spindelspitze beeinflußt wird von der geraden Ausführung der Gleitbahnen und von dem koplanaren Verhältnis oder der koplanaren Zuordnung zwischen den Zweiwege-Oberflächen).

^. Weil ein genauer Tiefenanschlag des Werkzeughalters in der Spindel nicht mehr erforderlich ist, kann im Hinblick auf die Konstruktion des Werkzeughalters und der

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Spindelspitze ein völlig neuer Weg eingeschlagen werden. So läßt diese Erfindung beispielsweise die Verwendung von konischen Schäften samt deren damit verbundenen Verbesserung in der Festigkeit und in der Auslaufsteuerung oder Auslaufregelung zu.

Eine Obersicht über den bisherigen und vor dieser Erfindung liegenden Zustand wird von Interesse sein.

Bei positionsgesteuerten Maschinen sind bisher zur Steuerung und Regelung der Spitze von Werkzeugen im Hinblick auf die Z-Achsen-Messungen zwei Methoden oder verfahren in großem Umfange.

Bei dem einen dieser Verfahren wird das Werkzeug im Werkzeughalter in einem bestimmten geregelten Tiefenverhältnis zu einem Ansatz in diesem Werkzeughalter voreingestellt. Dieser Ansatz des Werkzeughalters liegt dann gegen eine entsprechende Fläche auf der Spindelspitze an und arbeitet mit dieser zusammen. Bei dieser Anordnung wird die Position der Schneidkante durch ihr Verhältnis zur Spindelnase oder zur Spindelspitze bekannt, welche ihrerseits wiederum in einem gesteuerten und geregelten Verhältnis zu einer Meßskala steht. Dieses System besitzt die nachstehend angezogenen größeren Nachteile:

1. Es ist wegen des sehr großen Arbeitsanteiles, welcher bei der Einstellung der Werkzeugspitzen oder Werkzeugschneiden auf die bei den meisten Anwendungsfällen verlangte Genauigkeit erforderlich ist, kostspielig und teuer. Ganz besonders viel Arbeitszeit wird dann verbraucht, wenn Spannhülsen zum Greifen und Festhalten der Werkzeugschäfte oder der Schäfte der Werkzeughalterpaßstücke - (wie dies oft geschieht) - verwendet werden.

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Eine Spannhülse besitzt die Eigenschaft, daß sie, wenn sie angezogen oder gespannt wird, bei dem von ihr gegriffenen Schaft eine Axialbewegung herbeiführt:^ Ein Schaft, welcher vor dem Anziehen oder Spannen der Spannhülse in seiner richtigen Position war, ist nun nach dem Anziehen oder Spannen der Spannhülse nicht mehr in seiner richtigen Position. Für den Werkzeug-Einsteller ist es nicht ungewöhnlich, daß er die Spannhülse drei oder vier mal spannt und löst, bevor er seine Arbeit beendet hat, und sich das Werkzeug mit seiner Spitze bei gespannter Spannhülse in der richtigen Position befindet.

2. Werden die Werkzeuge geschärft, wird die Länge der Werkzeuge verändert, dann ist es oft erforderlich, Längenausgleichsstücke zu verwenden, wodurch wiederum ein anderes mechanisches Element eingeführt wird, das dazu neigt, das Auslaufen des Werkzeuges zu verstärken, und die Kosten der Voreinstellung zu erhöhen.

3. Die Voreinstellungsmethode verlangt vom Programmierer, daß er bestimmt, ob er eine standardmäßige Werkzeug-

. verschiebung oder eine spezielle Werkzeugverschiebung haben möchte, die dann der Werkzeugvoreinstellungsstation eingegeben wird. Im Rahmen dieser Erfindung wird die Aufgabe des Programmierers erleichtert, und zwar dadurch, daß er alle Schneidwerkzeug-Z-Achsen-Instruktionen unter Verwendung der auf der Maschine durch das "Lichtband" errichteten Meßstation gibt und diese Meßstation als Startpunkt verwendet.

Η. Die Voreinstellungsmethode kompliziert die Konstruktion der Werkzeughalter und der Spindelnase oder Spindelspitze, wodurch wiederum auch die Kosten sowohl für

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die Werkzeughalter als auch für die Spindelnase oder Spindelspitze größer werden. Darüber hinaus können konische Werkzeughalterschäfte bei diesem System dann nicht verwendet werden« wenn eine große Tiefengenauigkeit verlangt wird, eine Einstellung auf der Maschine aber nicht gewünscht ist. Bei einigen Maschinen-Werkzeughalterkonstruktion wird durch das Voreinstellungsprinzip auch das Werkzeugwechselsystem kompliziert. So haben beispielsweise solche Werkzeughalter, welche einen Endeiristellungszapf en besitzen, je nach Einstellung dieses Zapfens, welche abmessungsmäßig auf die Spitze des Fräsers bezogen ist, in der Spindelnase oder der Spindelspitze eine variable Eindringtiefe. Bei einer solchen Anordnung muß der Werkzeugzuführungsmechanismus in der Lage sein, die Aufnahmenut im Werkzeugschaft zu suchen, weil dessen Position von Werkzeug zu Werkzeug nicht festgelegt ist. Dadurch werden die Kosten und die Komplexität des Werkzeugaufnahmesystems größer, was auch wiederum dazu führt, daß für einen Werkzeugwechsel mehr Zeit erforderlich ist.

Bei dem anderen System oder bei der anderen Methode der Zuordnung der Werkzeugspitze in das Z-Achsen-Maßsystem we2*?en die Fräswerkzeuge oder die Schneidwerkzeuge ohne Beachtung der Position der Werkzeugspitze oder der FCäserspitze in die Werkzeughalter eingesetzt. Dann werden vom Maschinenführer auf der Maschine eine Reihe von Arbeitsvorgängen, zu denen die Positionierung der Werkzeugspitze oder der Fräserspitze in gesteuerter oder geregelter Zuordnung zu dem zu bearbeitenden Teil oder zu der Fläche, welche das zu bearbeitende Teil hält, vorgenommen, und damit der Achse dann registriert

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-Gewahrend die iräserspitze oder Werkzeugspitze ausgerichtet wird. Dieses System besitzt die nachstehend erwähnten Nachteile:

1. Verringerung der Mensch/Maschinen-Produktivität durch Vornahme solcher zeitraubender Arbeitsvorgänge an der Maschine.

2. Erhöhte Komplizierung der Werkzeugmaschine und des Steuerungssystemes oder Regelungssystemes durch die Hereinnahme der Steuerungen, Anzeigevorrichtungen und Speicherschaltungen, welche dafür erforderlich sind.

Es gibt zwei Spezialverfahren, welche bis heute zur automatischen Anpassung von beliebig eingestellten Werkzeugen verwendet worden sind und verwendet werden. Diese Verfahren besitzen jedoch zwei größere Nachteile. Bei dem einen dieser Verfahren wird in die Spindel eine Meßvorrichtung oder ein Meßfühler eingebaut, welcher anzeigt, wann das Werkzeug das zu bearbeitende Teil berührt, und welcher an dieser Stelle mit der Z-Achsen-Messung beginnt. Einige der Nachteile bei dieser Lösung sind:

1. Das Kriterium für die Eindringtiefe des Werkzeuges in ein zu bearbeitendes Teil ist oft nicht die Oberfläche des Teiles, welches dem Werkzeug zuerst gegenüberliegt.

2. Die Geschwindigkeit, mit welcher sich das Werkzeug dem zu bearbeitenden Teil nähern kann, ist beträchtlich geringer als die Geschwindigkeit, welche in zufriedenstellender Weise mit dieser Erfindung gefahren werden kann.

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3. Das hier verwendete Prinzip kann bei Maschinen mit horizontal angeordneten Spindeln wegen der um vieles größeren Reibungsprobleme nicht eingesetzt werden. Darin liegt aber der größere Nachteil, weil allen oder den meisten Werkzeugwechselsystemen ein Drehen des Werkstückes zugeordnet ist, was wiederum eine HorizontalspindelrAusführung diktiert.

Um festzustellen, wo sich die Werkzeugspitze befindet, verwendet das andere System einen Lichtstrahl. Dies geschieht in einer sehr groben Weise (innerhalb eines 1/4"). Das Signal dient dazu, in einer sicheren Entfernung den raschen Vorschub vor dem Auftreffen des Werkzeuges auf das zu bearbeitende Werkzeug zu verlangsamen. Der Augenblick, in dem das Werkzeug das zu bearbeitende Werkstück tatsächlich berührte, wurde von einem in der Haltevorrichtung montierten Schwingungsaufnehmer gemessen. Dieser Schwingungsaufnehmer aktivierte dann seinerseits wiederum die Tiefenmessungsschaltung. Dieses System wird schon seit vielen Jahren in der Praxis verwendet, sein Einsatz wird jedoch wegen der nachstehend angegebenen größeren Nachteile nicht so weit verbreitet sein:

1. Bisher ist noch kein Schwingungsaufnehmer gefunden worden, welcher an einer einzelnen Stelle in der Halterung montiert auf alle Werkzeugeingriffe in dem zu bearbeitendem Teil zuverlässig ansprechen würde. Zur Zeit wird ein Ausgleich oder eine Kompensation dadurch geschaffen, daß der Maschinenführer die Halterung dann mit einem Hammer bearbeitet, wenn die Schwingungsaufnahmevorrichtung im Ansprechen versagt.

2. Dadurch, daß das Werkzeug vor dem Werkzeugeingriff in

das zu bearbeitende Werkstück sich durch eine Sicherheits-

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zone oder durch einen Sicherheitsabstand mit einem sehr geringen Vorschub bewegt, geht viel Maschinenzeit verloren.

3. Die Tatsache,.daß auch hier oft nicht die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes, welches zuerst von dem Fräser ergriffen wird, ein Kriterium für die Eindringtiefe ist.

Das Prinzip dieser Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß ein Lichtstrahl von extrem kleinem Durehmesser (in der Größenordnung von 0,0002" bis 0,0005") verwendet wird, um so etwas wie ein Lichtband, durch welches die Werkzeugspitze hindurch muß, zu bilden. Der Lichtstrahl kann von einem Lasergenerator oder auch von einer konventionelleren Lichtquelle erzeugt werden. Zur Umformung des Lichtstrahles in ein Lichtband können zwei Verfahren angewendet werden:

1. Verwendung zweier Spiegel mit reflektierender Oberfläche, welche zueinander in einem sehr kleinen Winkel eingestellt sind und verursachen, daß der Lichtstrahl hin und her reflektiert wird, und zwar derart, daß in dem Bereich, welchen das Werkzeug zu passieren hat, die Strahlen dicht beieinander liegen.

2. Reflektierung eines Einzelstrahles von einer sich drehenden Reflektionsfläche oder von einer oszillierenden Reflektionsflache, und zwar derart, daß der Lichtstrahl den Bereich, welchen das Werkzeug passieren muß, überstreicht.

Bei dem ersten Verfahren ist nach einer Reihe von Reflektionen durch die Spiegel der Zielpunkt für den Lichtstrahl ein optisches Linsensystem, welches den Strahl spreizt und auf eine Lichtaufnahmevorrichtung, beispielsweise auf eine

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Photozelle führt. Bei dem zweiten Verfahren fällt der oszillierende Lichtstrahl in einen Parabolspiegel ein, dessen parabolische Refelektionsflache den Lichtstrahl, welcher sich in irgendeiner Überstreichungsposition befindet, dazu bringt, in ein optisches Linsensystem einzufallen, welches den Strahl spreizt und in eine Lichtaufnahmevorrichtung einfallen läßt.

Das erste Verfahren mit den beiden oberflächen-reflektierenden Spiegeln ist für solche Bearbeitungsverfahren geeignet, bei welchen die am weitesten vorne liegende Fläche des Fräserwerkzeuges oder des Schneidwerkzeuges sich auf der Spindelachse befindet oder in einem kontrollierten Winkelverhältnis ringsum die Spindelachse angeordnet ist. So könnte beispielsweise ein Einzelfräser-Bohrwerkzeug von diesem System dann gemessen werden, wenn die Spitze des Werkzeuges zum Zeitpunkt des Durchganges durch das "Lichtband" immer in einem kontrollierten Winkelverhältnis wäre. Das gleiche gilt für Schlagmesser, Bohrwerkzeuge und für Mehrwerkzeugfräser. Dieses erste Prinzip kann auch ohne Überwachung des Winkelverhältnisses des Werkzeuges dadurch verwendet werden, daß die Spindel mit großer Geschwindigkeit in Umdrehung versetzt wird, was dazu führt, daß die Werkzeugspitze die Messungen mit einer verringerten seitlichen Geschwindigkeit passiert. Für die meisten Anwendungsfälle wird das zuletzt genannte Verfahren wegen des Nachteiles, daß das Werkzeug zum Erreichen des zu bearbeitenden Werkstückes mehr Zeit benötigt, jedoch nicht empfohlen. Das eigentliche Ziel dieser Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, welche die vorerwähnten Messungen dann ausführt, wenn sich das Werkzeug mit schnellem Vorschub, welcher beispielsweise Werte bis 200" in der Minute annehmen kann, dem zu bearbeitenden Werkstück nähert. Mit diesem

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Werkzeugspitzen-Suchsystem kann ein sehr einfaches und sehr wirksames System für die Z-Achsen-Messung eingesetzt werden. Ein Impulsgenerator mit einer so feinen Auflösung von 0,0001'* würde dann, wenn es von der Werkzeugaufnahmestation aus zu einem Vorrücken längs der Z-Achse kommt, Impulse erzeugen. Die Impulszahl würde bis zum Eindringen der Werkzeugspitze in das "Lichtband" nicht beachtet werden. Das Zählen der vom Impulsgenerator erzeugten Impulse beginnt von dem Augenblick an, in welchem der Lichtstrahl von der Werkzeugspitze unterbrochen wird. Vom gleichen Meßunkt aus würden auch die Bewegungen auf der Z-Achse programmiert werden. (Z = 0 ist in der Tat das "Lichtband"). Im Falle von Maschinen mit verfahrbarer Säule oder verfahrbarem Ständer würde der Tatbestand, daß das "Lichtband¹¹ eine absolut flache Ebene bildet, die Gesamtgenauigkeit der Maschine beträchtlich verbessern. Das derzeitige System, mit welchem Z-Achsen-Bewegungen gemessen werden, befindet sich in der Säule oder in dem Ständer und kann somit, weil sich die Säule bewegt, Schwankungen in der Position der Säule oder des Ständers nicht kompensieren.

Für den erfolgreichen Einsatz dieser Erfindung ist es unbedingt erforderlich, daß die Spitze des Fräsers zum Zeitpunkt des Eindringens in das "Lichtband" sauber und trocken ist. Was die Maschinen betrifft, die mit manuell eingespannten Werkzeugen unter Z-Achsensteuerung arbeiten, so wird der Maschinenführer alle notwendigen Schritte unternehmen, um die Werkzeuge sauber und trocken zu halten. Bei Maschinen mit automatischem Werkzeugwechsel muß zusätzlich eine Werkzeugspitzen-Reinigungsvorrichtung vorgesehen werden. Eine solche Werkzeugspitzen-Reinigungsvorrichtung, welche als ein Teil der Erfindung anzusehen

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Ist, wird mit dieser Patentanmeldung besenrieben. Beim ersten Einsetzen in das Werkzeugmagazin der Haschine kann angenommen werden, daß die Werkzeuge und deren Spitzen sauber und trocken sind. Biese Annahme ist deswegen gültig, weil die Schneidkante wahrscheinlich auf Schärfe geprüft werden muß, so daß mit der Sauberkeit und Trockenheit der Werkzeugspitzen gerechnet werden kann, ohne daß irgend jemand zusätzlich belastet wird. Immer dann, wenn diese Werkzeuge in die Spindel eingesetzt werden und sich zum ¹¹LI ent band" bewegen, wird sich die Höheneinstellung der Werkzeugspitzen-Reinigungsvorrichtung mit der gleichen Geschwindigkeit und über die gleiche Distanz bewegen, die auch von der Werkzeugspitze zurückgelegt wird. Sobald die Werkzeugspitze den Lichtstrahl unterbricht, kommt es zu einer Verriegelung der Reinigungsvorrichtung in der gerade erreichten Position, und zwar in dem Augenblick, in welchem von der Lichtaufnahmevorrichtung das Signal aufgeschaltet wird. Auf diese Weise wird so ein jedes Werkzeug in die Spindel eingespannt und zum Anfahren an das zu bearbeitende Werkstück veranlaßt. Mit dem Werkzeug bewegt sich auch die Reinigungsvorrichtung eine entsprechende Strecke weiter und hält dann an, wenn sie die zum Reinigen des jeweiligen Werkzeuges bestimmte Position erreicht hat. Beim Abnehmen der Werkzeuge von der Spindel und bei deren Zurückführung in das Werkzeugmagazin der Maschine würde der Reinigungskopf, welcher aus einer rotierenden Bürstenscheibe und aus einer Druckluftdüse besteht, die Spitze reinigen. Damit aber werden.alle in dem Werkzeugmagazin der Maschine befindlichen Werkzeuge immer sauber gehalten und können deshalb dann genau gemessen werden, wenn sie das "Lichtband" passieren. Die Konstruktionsdetails der Reinigungsstation oder Reinigungsvorrichtung ändern sich mit jeder Maschine, sie sind im wesentlichen abhängig von der Ausführung der bei der Maschine verwendeten Fräeerwerkzeuge und vom größten

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Durehmesser solcher Werkzeuge. Eine rotierende bürste, in welche die Werkzeugspitze um ungefähr 1/8" eindringen würde, wäre ein sehr adäquates System, welches gewährleisten würde, daß keine Späne auf der Spitze dies Fräsers zurückbleiben. Nach dem Bürsten wird ein Luftstrahl, der so breit ist, daß er das Werkzeug mit dem größten Durchmesser umspülen kann, auf das Werkzeug gerichtet, welches dem Werkzeugspeicher der Maschine zugeführt wird.

Die Mehrzahl der Fräswerkzeuge oder der Schneidwerkzeuge besitzt eine Konstruktion mit nach vorn gerichteter Schneidfläche, welche mit diesem Meßsystem gut vereinbar ist, d.h. das vorderste Fräserelement des Fräsers ist die Bezugsfläche, von der aus die Messungen beginnen sollten. Es gibt jedoch auch Ausnahmen, dazu gehören einige Ausführungen von Bohrwerkzeugen und im wesentlichen alle geführten Werkzeuge. In diesen Fällen würde die nichtschneidende Kante vor der Schneidkante in das "Lichtband" eindringen. Eine praktische Lösung dieses Problemes wäre die Standardisierung oder Normung der Länge der Führungsstifte, welche bei Nabensenkern und bei anderen Fräsern verwendet werden. Der Programmierer würde dann die Bewegung auf der Z-Achse eher von der Spitze des FührungsStiftes aus bestimmen als von der Schneidkante aus. Bei Bohrwerkzeugen, bei welchen die Schneidkante dem Stangenkörper nicht vorangeht, würde das gleiche gelten. Der Programmierer würde den von der Stange zurückzulegenden Weg eher von der Spitze der Stange aus messen als von der Spitze der Schneidkante aus. Bei Bohrstangen könnte eine genormte Abmessung dadurch erreicht werden, daß in das Ende der Stange ein Gewindebolzen eingesetzt wird, deren Spitze dann derart eingestellt werden könnte, daß sie die

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standardmäßige nach vorn gerichtete Distanz der Schneidkante ist.

Ob nun die Wahl auf die Ausführung mit Flachspiegeln fällt oder auf das Verfahren mit dem Oszillations-Lichtstrahl, das hängt von einer großen Anzahl von Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören:

1. Typ und Konstruktion der Haschine.

2. Genauigkeit, mit welcher die Tiefe gesteuert und geregelt werden muß.

3. Abmessungen und Ausführung der zu verwendenden Fräserwerkzeuge oder Schneidwerkzeuge.

f. Kosten einer langsameren Vorschubsgeschwindigkeit durch die Meßstation. (Diese Kosten als Produktionsverlust angegeben).

Mit der nachstehenden Diskussion oder Erörterungen werden einige Parameter betreffend das mit Flächenspiegeln arbeitende Verfahren aufgestellt. Wird koherentes Licht verwendet, welches von einem Laser erzeugt wird, dann kann der Lichtstrahl wenige millionstel Zoll klein sein. Angenommen, das Flächenspiegelverfahren sollte in einem Anwendungefall verwendet werden, in welchem die zulässige Abweichung in der Werkzeugspitzenanzeige nicht größer sein sollte als 0,001". Für einen solchen Anwendungsfall könnte di* Verwendung eines Lichtstrahles von 0,003" χ 0,0005" zusammen mit einem Lichtaufnahmesystem gewählt werden, welches auf eine kurzzeitige Änderung in der Lichtstärke, und dies in der Größenordnung von 20 %,'anspricht. Nun sei angenommen, der Winkel der Flächenspiegel würde derart eingestellt werden, daß im Bereich "der'Spind'elächse der Abstand zwischen den 0,003" breiten Strahlen*von Mitte zu Mitte 0,00t" betragen würde. Das sollte'soga^'dem tat-

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sächlichen Radius von scharf gespitzten Werkzeugen entsprechen und eine Messung gestatten_f welche gut in der Töleranz von O,ÖÖ1^M liegt. Angenommen, der Wirkungsgrad der Flächenspiegel läge bei 95 %, dann können kB Reflek« tionen durchlaufen werden, bevor es zu einer Senkung der eingegebenen Energie um 10 % kommt. Diese Verringerung in der eingegebenen Energie würde dennoch eine Messung zulassen, welche innerhalb der Möglichkeiten der derzeit vor* handenen Ausrüstungen liegt. Mit der zuvor beschriebenen Anordnung würde das Lichtband im Bereich der Spindelachse 0,180" betragen. Die bei der Optimierung einer derartigen Konstruktion auszuwertenden Faktoren wären:

1. Die Energiekonzentration im Lichtstrahl muß derart ausgelegt sein, daß von ihr die reflektierenden Flächenspiegel nicht beschädigt werden.

2. Durchmesser, Form und Abstand der Strahlen, welche zur Erreichung der erforderlichen Meßgenauigkeit erforderlich sind.

3. Lichtmeßvorrichtung oder photoelektrische Meßvorrichtung sowie der Auslöserkreis sehr empfindlich gegenüber kurzzeitigen Änderungen in der Lichtstärke, jedoch relativ unempfindlich gegenüber Verschiebungen, welche lange Zeit benötigen.

Auch bei dem mit dem oszillierenden Lichtstrahl arbeitenden Verfahren wird die Konstruktion des Systems von den veränderlichen Größen bestimmt. Zuerst einmal muß die Genauigkeit, mit welcher die Messungen vorgenommen werden müssen berücksichtigt, desgleichen aber auch der größte Durchmesser der zu messenden Werkzeuge. Durch diese Oberlegungen wird der Durchmesser des Lichtstrahles festge-

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legt. Festgelegt wird aber auch der Bogen, welcher vom Lichtstrahl zu überstreichen ist. Die Konstruktion und die Anordnung der sammelnden Lichtreflektionsfläche und des Lichtmeßfühlers hängt im wesentlichen von der Art der Maschine ab. So könnte die Lichtquelle beispielsweise bei einer säulenartigen Vertikalspindelmaschine fest mit der Säule oder dem Ständer der Maschine verbunden sein, wie dies auch für den Meßfühler der Fall sein könnte, während die Reflektionsfläche auf der Bedienungsseite der Maschine montiert würde. Als Alternative könnte die Lichtquelle an dem einem Ende der Maschine bodenmontiert sein, während der LichtiKsßfühler und die Reflektionsfläche auf dem anderen Ende der Maschine angeordnet oder montiert sein könnten. Die Vorrichtung, welche das Schwingen des Lichtstrahles herbeizuführen hat, hängt von der Größe des Bogens ab sowie auch von der Durchlaufgeschwindigkeit, in welcher dieses Schwingen durchzuführen ist, wobei diese Geschwindigkeit der schnellen Vorschubsgeschwindigkeit der Maschine und der Genauigkeit der durchzuführenden Messungen zuzuordnen ist.

Für viele Anwendungsfälle würde ein reflektierender Flächenspiegel, welcher mit 60 Hz oder Schwingungen schwingt, vollauf genügen. Sind Überstreichungsgeschwindigkeiten oder Überstreichungsfrequenzen von mehr als 60 Hz oder Schwingungen in der Sekunde verlangt, dann wäre eine rotierende Reflektionsfläche eine einfache und angemessene Lösung. In jedem dieser Fälle könnte der auf die oszillierende oder rotierende Fläche auftreffende Lichtstrahl sehr groß sein, weil zur Einregulierung der Strahldicke und der Position der durch das Überstreichen durch den Strahl gebildeten Lichtebene der reflektierte Strahl durch einen Schlitz der erforderlichen Größe geführt wird.

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Fig. 5 und Fig. 6 zeigen eine praktische Ausführung dieser Erfindung bei einem Bearbeitungszentrum 44 mit numerisch gesteuerter oder numerisch geregelter Werkzeugwechselvorrichtung. Das Bearbeitungszentrum 44 besitzt eine Grundplatte 45, auf welcher die horizontalen Gleitbahnen 46
angeordnet sind. Auf diese Gleitbahnen ist eine Säule oder ein Ständer 47 derart aufgesetzt, daß sie/er sich unter Einwirkung des Motors 48 längs der X-Achse bewegen kann. Die vertikale Frontfläche des Ständers 47 ist mit den
Y-Achsen-Gleitbahnen 49 versehen, auf welche ein Sattel 51 derart montiert ist, daß er sich unter der Einwirkung eines Motors 51 gleitend bewegen kann. Die auf dem Sattel angeordneten horizontalen Gleitbahnen 53 und 54 halten
einen Spindelkopf 55, durch welchen eine mit einem Werkzeug 57 versehene Spindel 56 geführt ist. Hinter dem
Spindelkopf befindet sich der Spindelantriebsmotor 58,
an dessen Seite ein Werkzeugmagazin 59 montiert ist.

Auf dem Spindelkopf ist eine Werkzeug-Wechselvorrichtung 61 montiert, welche die Werkzeuge von dem Werkzeugmagazin 59 aus zur Spindel 56 zu befördern hat, oder von der
Spindel 56 aus zum Werkzeugmagazin 59.

Mit dem Sattel 51 verschraubt ist eine Halterung 62, auf deren freies Ende ein Lichtstrahlgenerator oder eine
Lichtquelle 63 montiert ist. Ebenso mit dem Sattel 51
verschraubt ist eine Halterung 64, auf deren freies Ende die Lichtstrahl-Aufnahmevorrichtung 65 montiert ist.

Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, besteht der Lichtstrahlgenerator oder die Lichtquelle 63 aus einem rohrförmigen Gehäuse, in welches eine Licht-Abstrahlvorrichtung 67, eine optische Maske mit einer gesteuerten Schlitzöffnung 68, ein optisches Bauelement 69 mit einer Flachspiegelfläche,

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eine Blende 71 und eine Schlitzmaske 72 eingesetzt sind. Der in ähnlicher Weise konstruierte Lichtstrahlaufnehmer 65 ist statt der Lichtstrahl-Abstrahlvorrichtung mit einem Meßfühler versehen.

Sowohl der Lichtstrahlgenerator als auch die Lichtstrahlaufnahmevorrichtung erhalten trockene Druckluft zugeführt, welche durch die Maske entweicht und verhindert, daß Fremdstoffe eindringen können. Der Lichtstrahlgenerator und auch die Licht strahl^-Auf nähme vorrichtung bewegen sich mit dem Sattel Sl längs der X-Achse und längs der Y-Achse. Sie bewegen sich jedoch nicht auf der Z-Achse mit der Spindel. Sie arbeiten deshalb so, daß sie das Eindringen eines Werkzeuges 57 in die Lichtebene, welche sich zwischen dem Lichtgenerator und der Lichtaufnähmevorrichtung erstreckt« anzeigen, und zwar dann, wenn sich die Spindel längs der Z-Achse bewegt. Diese Anordnung kann beispielsweise für die Anzeige der Nullstellung des Werkzeugendes, von welchem aus dann die numerischen Steuerungen ihre Abmessungen einstellen können, Verwendung finden.

Es dürfte klar sein, daß, ohne vom Geiste dieser Erfindung abzuweichen, kleinere Änderungen an der Form und an der Konstruktion dieser Erfindung vorgenommen werden können. Diese Erfindung soll deshalb nicht nur auf die hier beschriebene und wiedergegebene genaue Ausführungsform beschränkt sein, sondern vielmehr alles umfassen, was. in den Rahmen der Patentansprüche fällt.

-Al-

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Claims (3)

1. 21 671 26,11.1969

   -Al-

   THE CINCINNATI MILLING MACHINE CO., Cincinnati, OHIO / USA

   Patentansprüche

   Eine Werkzeugmaschine mit einer Grundplatte, auf welche ein Werkzeugkopf oder eine Werkzeughalterung und ein Werkstückskopf oder eine Werkstückshalterung montiert sind sowie mit einer Vorrichtung, welche zwischen der Werkzeughalterung und der Werkstückshalterung längs einer Gleitbahn eine Relativbewegung herbeizuführen hat. Die Werkzeugmaschine dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahlgenerator vorgesehen ist, welche in einer rechtwinklig zur vorerwähnten Bahn angeordneten Ebene ein Lichtband zu erzeugen hat; schließlich eine Lichtstrahlaufnahmevorrichtung vorgesehen ist, auf welche der Lichtstrahl auftrifft öder in welche das Licht einfällt. Diese Lichtaufnahmevorrichtung wird dann wirksam, wenn das Werkstück in das Lichtband eindringt, um in der vorerwähnten Bahn einen Bezugspunkt zu errichten.

   - A 2 -

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   ~*r,*rs 26.11.1969

   -Α2-
2. 2) Eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Lichtstrahlgenerator eine Lichtquelle gehört, welche einen Lichtstrahl abzustrahlen hat; weiterhin zwei parallel zueinander angeordnete Spiegel vorgesehen sind, welche zum Lichtstrahl hin nicht ganz rechtwinklig angeordnet sind, so daß der Lichtstrahl zwischen den Spiegeln zur Bildung des Lichtbandes zickzackförmig hin und her reflektiert wird.
3. 3) Eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennze ic h η e t , daß zu dem Lichtstrahlgenerator eine Lichtstrahl-Abgabequelle und ein Spiegel gehören, welcher derart montiert ist, daß er in einem rechten Winkel zur Strahlenbahn um eine sich dort erstreckende Achse gedreht werden kann.

   Ό Eine Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Lichtstrahlvorrichtung ein Laser gehört, welcher einen Lichtstrahl von konstant festliegender Frequenz erzeugt.

   - Ende -

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