DE19859360C2 - Werkzeugmaschine mit piezoelektrischer Positionskorrektureinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, mit mindestens zwei, jeweils eine Arbeits­ spindel aufweisenden Bearbeitungseinheiten und mit minde­ stens einem zwischen den beiden Bearbeitungseinheiten als Positionskorrektureinrichtung wirkenden, elektrisch ange­ steuerten piezoelektrischen Stellelement.

Eine derartige Werkzeugmaschine ist zum Beispiel durch die DE 37 11 600 A1 bekanntgeworden.

Aus der DE 37 11 600 A1 ist eine Werkmaschine mit zwei Ar­ beitsspindeln bekannt, wobei die eine Arbeitsspindel gegen­ über der anderen mittels eines piezoelektrischen Stellele­ ments verstellbar ist. Allerdings kann der ursprüngliche Ab­ stand zwischen beiden Arbeitsspindeln, nachdem eine Auslen­ kung mit dem piezoelektrischen Stellelement erfolgt ist, nur durch Nachstellen über eine dritte Spindel erfolgen.

Weiterhin ist aus der DE 196 19 103 A1 eine Werkzeugmaschine mit einer Kompensationsvorrichtung bekannt, die auswählbar den Werkzeugkopf einer Werkzeugmaschine orientiert, um das Werkzeug ausgerichtet zu halten. Die Kompositionsvorrichtung enthält einen Rahmen und einen Maschinenschlittenaufbau, an dem das Werkzeug gehalten ist. Eine Stellgliederanordnung mit einer Mehrzahl an Stellgliedern ist zwischen dem Maschi­ nenschlittenaufbau und dem Rahmen angeordnet. Jedes Stell­ glied ist an einer bestimmten Position angeordnet, um eine selektive Orientierung des Maschinenschlittenaufbaus und des Werkzeugs in bezug auf den Rahmen zu ermöglichen.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Werk­ zeugmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiter­ zubilden, daß der ursprüngliche Abstand zwischen den zwei Arbeitsspindeln automatisch wiederhergestellt wird, sobald das piezoelektrische Stellelement zurückgestellt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bearbeitungseinheiten einen gemeinsamen Gehäuseblock aufwei­ sen und durch eine im Gehäuseblock verlaufende aufweitbare Trennfuge beabstandet sind, in der sich zur Veränderung des Abstands der Arbeitsspindeln das mindestens eine piezoelek­ trische Stellelement befindet.

Piezoelektrische Stellelemente (Aktuatoren), mit denen sich heute Dehnungen von bis zu ca. 300 µm erreichen lassen, wei­ sen sehr hohe Steifigkeiten und insbesondere sehr kurze Stellzeiten (kleiner als 1 µs) auf. In Werkzeugmaschinen können sie sowohl auf der Werkzeug- als auch auf der Werk­ stückseite eingesetzt werden z. B.:

• - zum Ausgleich von thermischen Verformungen und Verlagerun­ gen;
• - zum Ausgleich von geometrischen Positionsfehlern (z. B. der Werkstücke);
• - zum Ausgleich von Verformungen und Verlagerungen aufgrund wirkender Kräfte;
• - zum Ausgleich von Werkzeugmaßschwankungen (z. B. Werkzeug­ längenkorrektur, insbesondere eine relative Werkzeuglän­ genkorrektur bei mehrspindligen Systemen);
• - zur aktiven Schwingungstilgung.

So können z. B. die Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen, insbesondere von mehrspindligen, mit Hilfe von piezoelektri­ schen Stellelementen räumlich verschiebbar an die Werkzeug­ maschine angekoppelt werden. Damit ist eine, den Freiheits­ graden der konventionellen Maschinenachsen überlagerte räum­ liche Bewegung der bzw. jeder einzelnen Arbeitsspindel mög­ lich. Der Maschinenständer, z. B. eine Schlitteneinheit, mit der Arbeitsspindel führt die vom Steuerprogramm vorgegebenen Achsbewegungen durch, während eine Arbeitsspindel zusätzlich überlagerte Kompensationsbewegungen für eine Positionskor­ rektur ausführen kann. Diese erfindungsgemäße piezoelektri­ sche Positionskorrektureinrichtung kann sowohl bei konven­ tionellen Arbeitsspindeln als auch bei Motorspindeln und Mehrspindelbohrköpfen eingesetzt werden.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, mit einer eine Antriebsspindel aufweisenden Bearbeitungseinheit und mit mindestens einem piezoelektrischen Stellelement als Po­ sitionskorrektureinrichtung für die Bearbeitungeinheit, wo­ bei erfindungsgemäß die Arbeitsspindel über mindestens zwei in Bearbeitungsrichtung (Z-Richtung) hintereinander angeord­ nete Mehrpunkthalterungen, die jeweils durch mindestens zwei, vorzugsweise drei piezoelektrische Stellelemente ge­ bildet sind, räumlich verstellbar gelagert ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung diese Ausführungsform der Erfindung verläuft die Wirkrichtung der piezoelektri­ schen Stellelemente etwa radial zu einem linearen Freiheits­ grad der Arbeitsspindel. Diese Ausführungsform hat den we­ sentlichen Vorteil, daß die Arbeitsspindel über das minde­ stens eine piezoelektrische Stellelement aus ihrer zu einem linearen Freiheitsgrad (Z-Richtung) parallelen Lage bewegt, insbesondere parallelverschoben oder auch verkippt werden kann.

Zum Abgleich von Positionsfehlern zwischen Werkzeug und Werkstück, die aufgrund der oben genannten Einflüsse entste­ hen, kann die Arbeitsspindel entweder mittels vorgegebener Parameter in eine Sollposition gesteuert werden, oder es wird mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises die Werk­ zeug- bzw. Arbeitsspindelposition an die Werkstück- bzw. Sollposition angepaßt. Die Ermittlung der Soll/Ist-Abwei­ chung kann mittels mechanischer, optischer, kapazitiver oder induktiver Meßaufnehmer oder Taster erfolgt. Der Maßabgleich kann dabei sowohl an den zu bearbeitenden Werkstücken als auch an dem Werkzeug erfolgen.

Die festgestellte Abweichung wird dann in mehreren Regel­ schritten z. B. durch das Verschieben der Arbeitsspindel auf ihre Sollposition minimiert. Bei der gesteuerten Vorgehens­ weise wird die Arbeitsspindel anhand von im Vorfeld ermit­ telter maschinen-, werkzeug- oder vorrichtungstypischer Pa­ rameter in ihre exakte Sollposition gesteuert. Dabei können sich diese Parameter auch variabel am jeweiligen Maschinen­ zustand orientieren (Temperatur, Bearbeitungskraft usw.).

Zur Ermittlung der Soll/Ist-Abweichung auf der Werkzeug- oder Werkstückseite kann ein z. B. mechanischer, optischer, kapazitiver oder induktiver Meßfühler vorgesehen sein, der eine Verlagerung der Arbeitsspindel unmittelbar oder einen die Verlagerung bestimmenden Parameter als Fühlgröße für das Ansteuern des mindestens einen piezoelektrischen Stellele­ ments erfaßt. Die erstgenannten Parameter eignen sich insbe­ sondere für eine Regelung des Stellelements, während es sich bei den zweitgenannten Parametern um maschinen-, werkzeug- oder vorrichtungstypische Parameter wie z. B. Temperatur oder Bearbeitungskraft usw. handelt, deren Kennlinien bereits im Vorfeld ermittelt werden und dann zur Steuerung in die exak­ te Sollpositionen dienen können. In einer vorteilhaften Wei­ terbildung kann als Meßfühler das mindestens eine piezoelek­ trisches Element selbst vorgesehen sein.

Bei einer dynamischen Positionskorrektur der Arbeitsspindel während der Bearbeitung eines Werkstücks kann die Arbeits­ spindel durch das Stellelement nicht nur räumlich verstellt, sondern in dieser verstellten Position auch fortwährend ge­ halten werden. Es ist aber auch möglich, die Arbeitsspindel in ihrer durch das Stellelement räumlich verstellten Lage durch eine separate Halteeinrichtung zu halten. Bei dieser Halteeinrichtung kann es sich z. B. um Klemmelemente handeln, die sich möglichst elektrisch ansteuern lassen. Insbesondere können als Klemmelemente auch piezoelektrische Elemente ver­ wendet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Erfin­ dung ist in den Figuren schematisch dargestellt, so daß die wesentlichen Merkmale der Erfindung gut zu erkennen ist. Die Darstellungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit zwei vertikalen Bearbeitungs­ einheiten in perspektivischer Ansicht; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer horizontalen Ar­ beitsspindel einer erfindungsgemäßen Werkzeugma­ schine, wobei die Arbeitsspindel radial zur Z-Rich­ tung verschiebbar gelagert ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Werkzeugmaschine 1 umfaßt ein Maschi­ nenuntergestell in Form eines Bodenträgers 2 sowie zwei Be­ arbeitungseinheiten 3, deren vertikale Arbeitsspindeln 4 mittels einer Schlitteneinheit in X-, Y- und Z-Richtung ver­ schiebbar geführt sind.

Dazu umfaßt die Schlitteneinheit einen X-Schlitten 5, der in horizontalen Führungen 6 des Bodenträgers 2 in X-Richtung verschiebbar geführt ist. Am X-Schlitten 5 sind horizontale Führungen 7 für einen die beiden Bearbeitungseinheiten 3 tragenden Y-Schlitten 8 vorgesehen. Jede Bearbeitungseinheit 3 weist einen pinolenartigen Z-Schlitten (nicht dargestellt) mit der Arbeitsspindel 4 auf, so daß diese auch in Z-Rich­ tung verfahrbar ist.

Die beiden Bearbeitungseinheiten 3, die durch einen gemein­ samen Gehäuseblock 9 gebildet sind, sind in X-Richtung durch eine nach vorne offene Trennfuge 10 beabstandet, in der sich oben und unten jeweils ein in X-Richtung wirkendes piezo­ elektrisches Stellelemente 11 befindet. Durch entsprechende elektrische Ansteuerung der Stellelemente 11 kann die Trenn­ fuge 10 geweitet und so der Abstand ΔX zwischen beiden Ar­ beitsspindeln 4 bzw. zwischen den darin befindlichen Werk­ zeugen 12 geändert werden.

Um die in Fig. 2 gezeigte Arbeitsspindel 30 sind außen am Umfang ihres Lagers 31 vorne und hinten jeweils drei radial zur Längsrichtung 32 der Arbeitsspindel 30 wirkende piezo­ elektrische Stellelemente 33 angeordnet, die anderenends an einem Gehäuse (nicht dargestellt) abgestützt sind. Jedes La­ ger 31 ist durch seine drei, jeweils um 120 verteilt ange­ ordneten piezoelektrischen Stellelemente 32 in einer 3-Punkt-Lagerung 34 gehalten. Durch entsprechende elektri­ sche Längen-Ansteuerung aller piezoelektrischer Stellelemen­ te 33 der beiden 3-Punkt-Lagerung 34 läßt sich die Arbeits­ spindel 20 bzw. ihr Werkzeug 35 entweder aus der mit 32 be­ zeichneten Lage um einen Betrag Δr parallel verschieben oder aber verkippen. Durch die sphärische Verstellbarkeit können z. B. Taumelfehler der Arbeitsspindel 30 ausgeglichen werden.

Claims (5)

1. Werkzeugmaschine (1; 40) zur Bearbeitung von Werkstüc­ ken, mit mindestens zwei, jeweils eine Arbeitsspindel (4) aufweisenden Bearbeitungseinheiten (3) und mit mindestens einem zwischen den beiden Bearbeitungsein­ heiten (3) als Positionskorrektureinrichtung wirken­ den, elektrisch angesteuerten piezoelektrischen Stell­ element (11), dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinheiten (3) einen gemeinsamen Gehäuseblock (9) aufweisen und durch eine im Gehäuse­ block (9) verlaufende aufweitbare Trennfuge (10) beab­ standet sind, in der sich zur Veränderung des Abstands der Arbeitsspindeln (4) das mindestens eine piezoelek­ trische Stellelement (11) befindet.

2. Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, mit einer eine Antriebsspindel (30) aufweisenden Bearbei­ tungseinheit (3) und mit mindestens einem piezoelek­ trischen Stellelement (33) als Positionskorrekturein­ richtung für die Bearbeitungseinheit (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel (30) über mindestens zwei in Bearbeitungsrichtung (Z-Richtung) hintereinander ange­ ordnete Mehrpunkthalterungen (34), die jeweils durch mindestens zwei, vorzugsweise drei piezoelektrische Stellelemente (33) gebildet sind, räumlich verstellbar gelagert ist.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wirkrichtung der piezoelektrischen Stell­ elemente (33) etwa radial zur Bearbeitungsrichtung (Z- Richtung) der Arbeitsspindel (30) verläuft.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß als Meßfühler, der eine Ver­ lagerung der Arbeitsspindel (4; 30) unmittelbar oder einen die Verlagerung bestimmenden Parameter als Fühl­ größe für das Ansteuern des mindestens einen piezo­ elektrischen Stellelements (11; 33) erfaßt, das minde­ stens eine piezoelektrisches Stellelement (11; 33) selbst vorgesehen ist.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem piezoelektrischen Stellelement (11; 33) eine Halteeinrichtung zugeordnet ist, welche die Arbeitsspindel (4; 30) jeweils in der durch das piezoelektrische Stellelement (11; 33) vor­ gegebenen Lage hält.