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Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine wie eine Dreh-
und eine Schleifmaschine oder dergleichen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Im
Allgemeinen, mit Bezug auf eine Werkzeugmaschine wie eine Dreh-
und eine Schleifmaschine wie in 7 gezeigt
ist, wird für
den Fall, dass die Vorschubsteuerung eines Werkzeugsupports 51 von
einer Steuereinheit 10 wie einer NC-Steuerung durchgeführt wird,
die halbautomatische Regelung mittels eines Rückkopplungssignals F/B angewandt, das
von einem Kodierer 53 eines Servomotors 52 erhalten
wird. Der Antrieb des Servomotors 52 wird auf den Werkzeugsupport 51 über eine
Kugelspindel 56 übertragen.
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Üblicherweise
wird der mechanische Ursprung OM in der
Steuereinheit 50 eingestellt, um die Stelle zu positionieren,
an der der Werkzeugsupport 51 am weitesten vom Spindelkasten 54 entfernt
ist. 8 zeigt den mechanischen Ursprung OM,
der der Ursprung im Koordinatensystem des Rückkopplungssignals F/B durch
den Kodierer 53 ist.
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In
der Kugelspindel 56 wird jedoch eine Wärmedehnung in Folge der Schneidwärme durch
die Bearbeitung hervorgerufen, und auch die anderen Teile erwärmen sich
durch den Maschinenbetrieb. Die halbautomatische Regelung hat daher
einen erheblichen Fehleranteil. Dies bedeutet, dass der Prozessursprung
Ow, wie in 8 gezeigt,
die Mitte eines Werkstücks
W ist, das von einer Spindel 55 (7) erfasst
wird, und vom mechanischen Ursprung OM weit
entfernt ist, der der Ursprung des Rückkopplungssignals F/B ist,
so dass ein wesentlicher Fehleranteil auftritt, selbst wenn eine
selbsttätige
Regelung durchgeführt
wird, wenn eine Wärmedehnung
der Kugelspindel 56 und eine mechanische Verformung auftreten.
Es ist schwierig, eine hohe Genauigkeit zu erreichen, obwohl eine
Verbesserung hinsichtlich der Wärmedehnung
erreicht wird, so dass die Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit begrenzt
ist.
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Um
die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, wird die Regelung auch
unter Verwendung eines linearen Sensors 57 durchgeführt, wie
durch eine strichpunktierte Linie wie in 7 gezeigt
ist. Der lineare Sensor 57 ist längs der Gleitfläche der
Maschine befestigt, z.B. längs
einer Führung
des Werkzeugsupports (in den Zeichnungen nicht gezeigt) in einem Maschinenbett 58.
Demgemäß kann die
Position des Werkzeugsupports direkt ohne Einwirkung auf die Wärmedehnung
der Kugelspindel 56 ermittelt werden.
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Jedoch
wird, wie in denselben Zeichnungen durch Betonung der Verstellung
im Falle einer Störung
wie einer geringen Neigung des Spindelkastens 54 der Fehler
selbst bei der in diesen Zeichnungen angegebenen Regelungen groß. Die oben
erwähnte Störung kann
durch die Regelung nur schwer verbessert werden, da sie durch die
Schneidwärme,
den Lastzustand, die Umgebung und dergleichen hervorgerufen wird,
und die Verstellung nicht festliegt.
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Aus
der DE-A-2546508 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, bestehend aus:
- – einem
Werkstückhalter
zum Befestigen eines Werkstücks,
der auf einem Werkzeugmaschinenbett gelagert ist und einen Prozessursprung
bildet,
- – einem
Spindelkasten, der mit dem Werkstückhalter verbunden ist,
- – einer
Schneideinrichtung, um das Werkstück zu bearbeiten, die auf dem
Bett mittels einer Antriebseinrichtung verstellbar ist,
- – einer
Steuereinheit, die mit der Antriebseinrichtung verbunden ist, die
die Schneideinrichtung vorschiebt und ein erstes Positionsermittlungssignal
der Schneideinrichtung liefert.
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Eine
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin,
eine Werkzeugmaschine zu schaffen, deren Bearbeitungsgenauigkeit sich
nicht verschlechtert, selbst wenn sich die Genauigkeit der Maschine
selbst in einem gewissen Maße
verändert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die
oben erwähnte
hochgenaue Bearbeitung bei einer einfachen Konstruktion durchgeführt wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaltbild, das den allgemeinen Aufbau der Werkzeugmaschine
in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 ist
eine Aufsicht des Bearbeitungsteils der gleichen Werkzeugmaschine,
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3 ist
eine Aufsicht einer Abwandlung des Bearbeitungsteils der gleichen
Werkzeugmaschine,
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4 ist
ein erläuterndes
Diagramm des Rückkopplungssignals
der gleichen Werkzeugmaschine,
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5 ist
ein erläuterndes
Diagramm, das die Arbeitsweise der gleichen Werkzeugmaschine zeigt,
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6 ist
eine teilweise vergrößerte Aufsicht einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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7 ist
eine Frontansicht einer üblichen Werkzeugmaschine,
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8 ist
ein Diagramm, das die Arbeitsweise der üblichen Werkzeugmaschine erläutert.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Der
Aufbau der vorliegenden Erfindung wird nun anhand einer in 1 gezeigten
Ausführungsform
beschrieben.
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Die
Werkzeugmaschine ist mit einem Werkstückhalter 3 ausgestattet,
der ein Werkstück
W, einer Schneideinrichtung 4, die bezüglich des Werkstückhalters 3 verstellbar
ist, um das Werkstück
W zu bearbeiten, und einer Steuereinheit 2 ausgestattet ist,
so dass die Bewegung der zuvor erwähnten Schneideinrichtung 4 durch
die Positionsinformation auf der Grundlage eines Prozessursprungs
Ow gesteuert wird, der die zuvor beschriebene
Position des Werkstücks
W ist, das der Werkstückhalter 3 trägt.
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Entsprechend
diesem Aufbau steuert die Steuereinheit 2 die Bewegung
der Schneideinrichtung 4 durch die Positionsinformation
auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow,
der die vorgeschriebene Position des Werkstückhalters 3 ist. Die
vorgeschriebene Position des Werkstückhalters 3 ist die Mitte
einer Spindel 8 usw., die z.B. den Werkstückhalter 3 bildet.
Die oben erwähnte
Positionsinformation ist z.B. die gemessene Positionsinformation,
und diese wird in der Steuereinheit 2 zur Regelung verwendet.
Gesteuert durch die Positionsinformation auf der Grundlage des Prozessursprungs
Ow ist, selbst wenn in der Maschine durch
die Wärmeverstellung bzw.
-störung
eine bestimmte Verschiebung hervorgerufen wird, ist der Fehler,
mit dem die Positionsinformation die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt,
nur die Verstellung eines Bearbeitungsteils 1 entsprechend
der Messung vom Ursprung Ow zum Werkstück W. Daher
verschlechtert sich die Bearbeitungsgenauigkeit nicht, selbst wenn
sich die Genauigkeit der Maschine selbst bis zu einem bestimmten Ausmaß ändert.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist eine Positionsmesseinrichtung 25 vorgesehen,
die die Position der Bewegungsrichtung der zuvor erwähnten Schneideinrichtung 4 auf
der Grundlage des zuvor erwähnten
Prozessursprungs Ow misst, und die zuvor erwähnte Positionsinformation
kann von der Positionsmesseinrichtung 25 erhalten werden.
Ein linearer Sensor bzw. eine Lasermesseinrichtung kann als die oben
erwähnte
Positionsmesseinrichtung 25 verwendet werden.
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Mittels
der Positionsmesseinrichtung 25 basierend auf den Prozessursprung
Ow kann die Steuerung der Positionsinformation
auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow durch
die zuvor erwähnte Steuereinheit 2 durchgeführt werden.
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Die
zuvor erwähnte
Positionsmesseinrichtung 25 kann nur den Verstellbereich
messen, in dem die zuvor erwähnte
Schneideinrichtung 4 arbeitet.
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Im
Falle der Positionssteuerung auf der Grundlage des Prozessursprungs
Ow ist der Bereich, indem die gemessene
Positionsinformation die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt,
nur der Verstellbereich, indem die Schneideinrichtung 4 arbeitet,
so dass die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert werden kann, wenn
die Positionsmesseinrichtung 25 diesen Verstellbereich
messen kann. Obwohl die hochgenaue Positionsmesseinrichtung aufwendig
ist, können
die Kosten durch Verkürzen
der Einrichtung nur auf die Länge
des Verstellbereichs, in dem bearbeitet wird, reduziert werden.
Entsprechend dem Verstellbereich, der z.B. über den Bereich hinausgeht,
indem bearbeitet wird, kann eine Messeinrichtung mit einer geringeren
Genauigkeit im Vergleich zu der verwendet werden, die für den Verstellbereich
verwendet wird, in dem bearbeitet wird, und die halbautomatische
Regelung durch Kodierer und dergleichen, die an einem Servomotor 13 befestigt
werden, kann ebenfalls angewandt werden.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
weitere detaillierte Erläuterung
der vorliegenden Erfindung erfolgt nun anhand der Zeichnungen.
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Die
Werkzeugmaschine, die eine gesteuerte Drehmaschine ist, ist mit
dem Bearbeitungsteil 1 und der Steuereinheit 2 ausgestattet,
die den Bearbeitungsteil 1 steuert. Der Bearbeitungsteil 1 hat
den Werkstückhalter 3,
der das Werkstück
W trägt,
und die Schneideinrichtung 4, die bezüglich des Werkstückhalters 3 verstellbar
ist, um das Werkstück
W zu bearbeiten. Die Steuereinheit 2 hat die Funktion,
die Bewegung der Schneideinrichtung 4 durch die gemessene
Positionsinformation auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow zu steuern, die die vorgeschriebene Position
des Werkzeughalters 3 ist.
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Der
Werkstückhalter 3 hat
eine Spindel 8, die durch einen Spindelkasten 7 auf
einen Maschinenbett gelagert ist, und ein Spindelspannfutter 8a,
das an der Spindel 8 sitzt. Die Spindel 8 wird
von einem Spindelmotor (in den Zeichnungen nicht gezeigt) angetrieben,
der im Maschinenbett 5 angeordnet ist.
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Die
Schneideinrichtung 4 hat ein Vorschubschlitten 9,
der auf dem Bett 5 angeordnet ist, einen Werkzeugsupport 10,
der auf dem Vorschubschlitten 9 angeordnet ist, und eine
verstellbare Antriebseinrichtung 11 des Vorschubschlittens 9.
Der Vorschubschlitten 9 sitzt auf einer Führung 12 (siehe 2), die
sich im Bett 5 befindet und sich in der orthogonalen Richtung
(der X-Achsenrichtung) zur Achsrichtung (der Z-Achsrichtung) der
Spindel 8 bewegt. Die verstellbare Antriebsreinrichtung 11 verschiebt
den Vorschubschlitten 9 über einen Kugelspindelmechanismus 14 durch
Drehung eines Servomotors 13. Der Servomotor 13 hat
einen Drehdetektor 15 ähnlich
einem Pulskodierer oder einem Impulsgenerator. Der Werkzeugschlitten 10 hat
einen Revolver, und ein Meisel, bzw. Werkzeug 16 sitzt
an einem Umfangsabschnitt. Der Revolverwerkzeugsupport 10 ist
in der Z-Achsenrichtung orthogonal zur Bewegungsrichtung (zur X-Achsenrichtung)
des Vorschubschlitten 9 über eine Revolverachse 17 frei
zustellbar und ist frei drehbar. Der Vorschubschlitten 9 sitzt
auf einer Zustellantriebseinrichtung und einer Schaltdreheinrichtung
des Werkzeugschlittens 10 (in den Zeichnungen nicht gezeigt).
Außerdem
ist die Schneideinrichtung 4 nicht auf den Revolvertyp
begrenzt, und das Werkzeug 16 kann am Vorschubschlitten 9 unter
Weglassung des Werkzeugssupports installiert werden. Das heißt, dass
der Vorschubschlitten 9 der Werkzeugsupport sein kann.
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Die
Steuereinheit 2, die eine numerische Steuereinheit ist,
ist die Einrichtung, um jede Komponente des Bearbeitungsteils 1 unter
Dekodierung eines Bearbeitungsprogramms 20 durch eine Betriebssteuereinheit 21 zu
steuern. Die Steuereinheit 2 hat die Funktion eines programmierbaren
Controllers. Die Betriebssteuereinheit 21 hat die Funktion,
einen Antriebsbefehl an einem Servocontroller 22 entsprechend
dem Verstellbefehl in der X-Achsenrichtung des Schneidprogramms
auszugeben. Der Servocontroller 22 regelt den Servomotor 13 entsprechend dem
oben erwähnten
Antriebsbefehl durch Rückkopplung.
Es können
nur die Positionsrückkopplung bzw.
nur die Positions- und die Geschwindigkeitsrückkopplung bei der Regelung
durch den Servomotor 22 angewandt werden, jedoch werden
bei diesem Beispiel (siehe 4) die Positions- und die Geschwindigkeitsrückkopplung
und die Rückkopplung des
elektrischen Stroms durchgeführt.
Die Geschwindigkeitsrückkopplung
wird mittels des Geschwindigkeitsdetektionssignals des Drehdetektors 50 durchgeführt, das
durch den Impulsgenerator erzeugt wird, der auf dem Servomotor 13 sitzt.
Die Rückkopplung
des elektrischen Stroms wird mittels der Größe des elektrischen Stroms
durch einen Amperemeter 24 durchgeführt, dass im Versorgungskreis
des Servomotors 13 liegt.
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Die
Positionsrückkopplung
durch den Servocontroller 22 wird durch Umschalten der
Steuerung durch das Positionsdetektionssignals des Drehdetektors 15 am
Servomotor 13 und ein Positionsdetektionssignal der Positionsmesseinrichtung 25 durchgeführt, durch
die die Position des Vorschubschlittens 9 direkt ermittelt
wird. Die Positionsmesseinrichtung 25, die aus einem linearen
Sensor besteht, hat eine Skala 25a und eine Leseeinheit 25b,
die die Skala 25a liest. Die Skala 25a sitzt am
Werkzeughalter 3, das heißt am Spindelkasten 7.
Die Leseeinheit 25b sitzt an der Schneideinrichtung 4 z.B.
am Vorschubschlitten 9. Die Leseeinheit 25b gibt über eine
Sensorinterface 26 ein Signal ab. Andererseits kann die Skala 25a am
Vorschubschlitten 9 vorgesehen sein, und die Leseeinheit 25 kann
am Spindelkasten 7 angeordnet sein.
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Die
Messursprungsposition der Positionsmesseinrichtung 25,
die aus einem linearen Sensor besteht, wird auf die Mitte der Schneideinrichtung 4 bzw.
der Prozessursprung Ow, um den sich die
Spindel 8 dreht, auf die X-Achsenrichtung, die die Messrichtung
ist. Wenn die Skala 25a am Spindelkasten 7 angeordnet
ist, wie in den Zeichnungen gezeigt, wird der Ursprung der Skala 25a auf
den Prozessursprung Ow eingestellt.
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Die
Positionsmesseinrichtung 25 kann nur den Verstellbereich
messen, in dem die Schneideinrichtung 4 bearbeitet, das
heißt
der Verstellbereich bedeutet den Bereich vom Prozessursprung Ow bis zur Radiuserstreckung des Werkstücks W mit
maximalem Durchmesser, das die Spindel 8 aufnehmen kann
bzw. umfasst die geringe Pufferstrecke bis zu diesem Bereich.
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Die
Steuereinheit 2 hat eine Eingangsschalteinrichtung 23,
die ein Ausgangssignal an den Servocontroller 22 durch
automatisches Umschalten des Ausgangs der Positionsmesseinrichtung 25 und
des Positionsdetektionsausgang des Drehdetektors 15 des
Servomotors 13 ausgibt. Dieser automatische Umschaltvorgang
liefert das Ausgangssignal der Positionsmesseinrichtung 25,
bis das Ausgangssignal der Positionsmesseinrichtung 25 die
vorgeschriebene Position erreicht hat, z.B. die maximale Position, und
das Positionsdetektionsausgangssignal des Drehdetektors 15 wird
abgegeben, wenn das Ausgangssignal die oben erwähnte vorgeschriebene Position überschreitet.
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Die
Steuereinheit 2 steuert die Bewegung der Schneideinrichtung,
bzw. den Antrieb des Servomotors 13 durch die Positionsinformation
auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow.
Insbesondere steuern der Betriebssteuerteil 21 und der
Servomotor 22 die Position des Prozessursprungs Ow, gesehen als Bearbeitungsursprung Om (siehe 5). Außerdem beschreibt
das Schneidprogramm 20 die vorgeschriebene Position, die
verkürzt
ist, und die Schneideinrichtung 4 ist vom Spindelkasten 7 des Werkzeughalters 3 als
Programmursprung (Op) am weitesten entfernt.
Im Betriebssteuerteil 21 wird dabei der Befehl des Schneidprogramms 20 in
den Vorschubbefehl basierend auf den Prozessursprung Ow umgewandelt,
bzw. im Servocontroller 22 wird der Befehl, der vom Betriebssteuerteil 21 ausgegeben wird,
in den Befehl, basierend auf den Prozessursprung Ow ausgegeben.
Hierdurch kann das handelsübliche
Schneidprogramm ohne Änderung
verwendet werden.
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Vorstehend
wurde nur die Steuerung zur X-Achsenrichtung erläutert, jedoch wird in ähnlicher Weise
bezüglich
der Steuerung der Z-Achsenrichtung sowie der zur X-Achsenrichtung in
der Steuereinheit 2 die Bewegungssteuerung der Schneideinrichtung 4 durch
die Positionsinformation zur Z-Achsenrichtung, basierend auf dem
Prozessursprung Ow oder die Zustellrichtungssteuerung
des Revolverwerkzeugsupports 10 durchgeführt. Hierbei
wird die Bezugsposition zur Z-Achsenrichtung
des Prozessursprungs Ow als die Werkstücksoberfläche des Spindelspannfutters 8a angesehen.
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Entsprechend
diesem Aufbau steuert die Steuereinheit 2 die Vor- und
Rückwärtsbewegung des
Vorschubschlittens 9 und die Zustellbewegung des Revolverwerkzeugsupports 10 durch
die Positionsinformation des Rückkopplungssignals
F/B auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow,
wie 5 zeigt. Das heißt, dass die Bewegungssteuerung
auf der Grundlage des Prozessursprungs Ow,
gesehen als der Maschinenursprung Om durchgeführt wird. Der
Prozessursprung Ow ist in die Mitte der
Spindel 8. Der Maschinenursprung Om ist
die Ursprungskoordinate des Rückkopplungssignals
F/B der Positionsmesseinrichtung 25, und obwohl tatsächlich eine
Differenz zwischen den Ursprungskoordinaten und dem Prozessursprung
Ow besteht, wird die Differenz einem festgelegten
ergänzten
Wert gleichgesetzt.
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Gesteuert
durch die Positionsinformation des Rückkopplungssignals F/B auf
der Grundlage des Prozessursprungs Ow wird
die Bearbeitung selbst dann kaum beeinträchtigt, wenn die Maschine selbst
durch Wärmeverformung
oder eine andere Störung
erheblich verformt wird. Dies bedeutet, dass der Fehler, mit dem
die Positionsinformation des Rückkopplungssignals
F/B die Bearbeitungsgenauigkeit beeinträchtigt, nur der Maschinenverformungssteil
im Bearbeitungsmessbereich des Prozessursprungs Ow bis
zum Bearbeitungsteil des Werkstücks W
(entsprechend dem Werkstückradius)
ist. Deshalb verschlechtert sich die Bearbeitungsgenauigkeit nicht,
selbst wenn sich die Genauigkeit der Maschine bis zu einem gewissen
Ausmaß ändert.
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Weiterhin
wird ein Linearsensor als Positionsmesseinrichtung 25 bei
der oben erwähnten
Ausführungsform
verwendet, jedoch kann die Positionsmesseinrichtung 25A,
die aus der Lasermesseinrichtung besteht, beispielsweise verwendet
werden, wie die 3 zeigt. Die Positionsmesseinrichtung 25A, die
aus dieser Lasermesseinrichtung besteht, misst die Position des
Vorschubschlittens 9 z.B. dadurch, dass die Spindelmitte
im Spindelkasten 7 als Anfangspunkt angesehen wird. Im
Falle der Verwendung der Lasermesseinrichtung wie bei der zuvor
erwähnten
Ausführungsform
kann der Detektionswert des Drehdetektors 15 des Servomotors 13 durch
Umschalten oder nur der Detektionswert der Lasermesseinrichtung
verwendet werden.
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Außerdem wird
bei Verwendung der Positionsmesseinrichtung 25B, bestehend
aus einem linearen Sensor, wie in 6 gezeigt,
der Gesamthub L der Schneideinrichtung 4 durch die Positionsmesseinrichtung 25B ermittelt,
und bezüglich
der Positionsmesseinrichtung 25B kann die Genauigkeit des Teils 25Ba des
Verstellbereichs L1, in dem die Schneideinrichtung bearbeitet, höher sein
als die des Teils 25Ba des anderen Verstellbereichs L2.
Durch Verkürzen
des Bereichs so, dass nur im Verstellbereich bearbeitet wird, können die
Kosten reduziert werden. Die Bearbeitungsgenauigkeit wird selbst dann
nicht beeinträchtigt,
wenn die Detektionsgenauigkeit im Bereich vom Verstellbereich L1
bis zur Bearbeitung im anderen Bereich L2 gering ist.
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Obwohl
die Anwendung auf Drehmaschinen bei der obigen Ausführungsform
erläutert
wurde, kann die vorliegende Erfindung auch auf andere Werkzeugmaschinen
angewandt werden, als z.B. Drehmaschinen und dergleichen, bei denen
sich die Schneideinrichtung 4 zum Werkstückhalter 3 bewegt.
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Die
Werkzeugmaschine der vorliegenden Erfindung ist mit einem Werkstückhalter
versehen, der das Werkstück
trägt,
einer Schneideinrichtung, die zum Werkstückhalter verstellbar ist, um
das Werkstück
zu bearbeiten, und einer Steuereinheit, die die Bewegung der zuvor
erwähnten
Schneideinrichtung durch die Positionsinformation aufgrund des Prozessursprungs
steuert, der die vorgeschriebene Position des Werkstückhalters
ist, so dass eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden
kann, ohne die Bearbeitungsgenauigkeit selbst dann zu verschlechtern,
wenn sich die Genauigkeit der Maschine selbst bis zu einem gewissen
Ausmaß ändert.
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Für den Fall,
dass die Positionsmesseinrichtung, die die Position bezüglich der
Bewegungsrichtung der zuvor erwähnten
Messeinrichtung auf der Grundlage des zuvor erwähnten Prozessursprungs liefert,
und die zuvor erwähnte
Positionsinformation von dieser Positionsmesseinrichtung erhalten
wird, kann die Steuerung durch die Positionsinformation auf der
Grundlage des Prozessursprungs durch die oben erwähnte Steuereinheit
leicht durchgeführt
werden.
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Für den Fall,
dass die zuvor erwähnte
Positionsmesseinrichtung nur den Verstellbereich misst, in dem die
zuvor erwähnten
Schneideinrichtung bearbeitet, können
die Kosten der Positionsmesseinrichtung reduziert werden, ohne dass
die Bearbeitungsgenauigkeit verschlechtert wird.