DE10131408C2 - Diagnostic system for rotary swivel heads - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Diagnosesysteme, mit denen bei Maschinen mit Dreh-Schwenköpfen die Präzision der Dreh- bzw. Schwenk-Be wegungen meßtechnisch erfaßt werden kann. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme, bei denen eine Überprüfung der Abwei chungen der Bewegung einer Werkzeugaufnahme (Spindel, Futter, Einspannvorrichtung) von der gewünschten Idealbewegung bei meh reren vorhandenen Freiheitsgraden (Linearachsen, Drehachsen) erfolgen soll, z. B. bei 5-Achs-Fräsmaschinen.The invention relates to diagnostic systems with which in machines with rotary pans the precision of the turning or swiveling Be movements can be detected by measurement. In particular, it concerns the invention systems in which a review of the rejection the movement of a tool holder (spindle, chuck, Clamping device) of the desired ideal movement in meh existing degrees of freedom (linear axes, rotary axes) should take place, for. B. in 5-axis milling machines.
Abweichungen im Bewegungsablauf können beispielsweise entstehen z. B. durch Spiel in den Drehlagern oder Untersetzungsgetrieben usw. Im Ergebnis fährt dann das in die Werkzeugaufnahme einge setzte Werkzeug (z. B. ein Fräser) nicht exakt die durch die An steuerung vorgegebenen Positionen im Raum an bzw. verläßt ge ringfügig die vorgegebene Bahn im Raum, so dass - je nach An forderung an die Masshaltigkeit des bearbeiteten Werkstücks - aufwendige Nachbehandlungen erforderlich werden können. Aus diesem Grund ist es in bestimmten Abständen notwendig, die Ge nauigkeit der Führung der Werkzeugaufnahme zu überprüfen. Diese Überprüfung muß unter gleichen Bedingungen erfolgen wie im Be trieb, d. h. es muß das dynamische Bahnverhalten der Werkzeug aufnahme bei einfachen (z. B. Drehung um eine Achse) und zusam mengesetzten Bewegungen (z. B. simultane Dreh-Schwenkbewegung) gemessen werden. Dabei kann die erforderliche Meßgenauigkeit je nach Maschinentyp im Bereich einiger Mikrometer und darunter liegen.Deviations in the sequence of movements can occur, for example z. B. by play in the pivot bearings or reduction gears etc. As a result, then moves into the tool holder did not put the tool (eg a milling cutter) exactly through the control specified positions in the room or leaves ge slightly the predetermined path in the room, so that - depending on the Demands on the dimensional accuracy of the machined workpiece - expensive post-treatments may be required. Out For this reason, it is necessary at certain intervals, the Ge accuracy of the guidance of the tool holder. This Verification must be carried out under the same conditions as in Be drove, d. H. it must be the dynamic path behavior of the tool recording in simple (eg rotation about an axis) and together set movements (eg simultaneous rotary swivel movement) be measured. The required accuracy can ever by machine type in the range of a few microns and below lie.
Aus den Druckschriften EP 0 526 056 A1, EP 0 939 295 A2 und DE 35 04 464 sind verschiedene Verfahren zur Diagnose der Bewegungspräzision bei mehrachsigen Maschinen bekannt. Aus der EP 0 504 691 A2 ist eine Meßstation mit einem Dreh-Schwenkkopf bekannt.From the publications EP 0 526 056 A1, EP 0 939 295 A2 and DE 35 04 464 are various methods for the diagnosis of Motion precision in multi-axis machines known. From the EP 0 504 691 A2 is a measuring station with a rotary swivel head known.
Es sind verschiedene Diagnosesysteme zur Überprüfung des dyna
mischen Bahnverhaltens bekannt:
Various diagnostic systems for checking the dynamic path behavior are known:
- a) Mit einem Kreuzgittermeßgerät können Kreisformtests, Eck fahrten und planare Freiformtests durchgeführt werden, wobei die Genauigkeit im Bereich von ca. 2 µm liegt. Dieses Meßgerät besteht aus einer Meßplatte mit Kreuzgitterteilung, die auf dem Maschinentisch angebracht ist. Der an der Werkzeugaufnahme ein gespannte Abtastkopf wird berührungslos über die Meßplatte ge führt. Aufgrund des Aufbaus sind die Messungen eingeschränkt auf Bewegungen in der Ebene parallel zum Maschinentisch.a) With a Kreuzgittermeßgerät circularity tests, corner rides and planar free-form tests are performed, wherein the accuracy is in the range of about 2 microns. This meter consists of a measuring plate with cross grating, which on the Machine table is attached. The one at the tool holder tensioned scanning is ge contactless over the measuring plate leads. Due to the structure of the measurements are limited on movements in the plane parallel to the machine table.
- b) Bei einem Laserinterferometer ist an der Werkzeugaufnahme ein Reflektor angebracht, der den von einem Laser ausgesandten Strahl reflektiert. Mit dieser Einrichtung kann eine Meßge nauigkeit von unterhalb 1 µm erreicht werden. Es können nur Eigenschaften einzelner Achsen (Linearachsen), jedoch nicht das Zusammenwirken mehrerer Achsen bestimmt werden (Ausnahme: Rechtwinkligkeit). Die Justierung ist bei diesem Verfahren sehr aufwendig, auch sind die Kosten für die Meßeinrichtung relativ hoch.b) A laser interferometer is on the tool holder a reflector attached to that emitted by a laser Beam reflected. With this device can Meßge accuracy of less than 1 micron can be achieved. It can only Properties of individual axes (linear axes), but not the Interaction of several axes are determined (exception: Squareness). The adjustment is very important in this process consuming, the cost of the measuring device are relatively high.
- c) Ein anderes Verfahren zur Messung der Bewegung der Werk zeugaufnahme in einer Ebene ist der "Ball-Bar" Test. Bei diesem Verfahren wird ein stabförmiges Längenmeßgerät mit einem Ende an einer Halterung in einem Abstand von der Maschinenplatte drehbar gelagert. Das andere Ende wird von der Werkzeugaufnahme am Dreh-Schwenkkopf - ebenfalls frei drehbar - mitgeführt. Mit dieser Anordnung wird üblicherweise ein Kreisformtest durchge führt, indem der Dreh-Schwenkkopf in einer Ebene parallel zum Maschinentisch einen Kreis um die Halterung beschreibt, wobei die Signale des Längenmeßgeräts aufgezeichnet werden. Abwei chungen der Maschinenbewegung von der idealen Kreisbahn (= Ra dius konstant) sind so als Änderung des Abstands zwischen Hal terung und Werkzeugaufnahme erkennbar. Auch dieses Verfahren ist nur zur Überprüfung von Linearachsen geeignet, da nur die Bewegung in einer Ebene erfaßt wird.c) Another method of measuring the movement of the work Taking a shot in one plane is the "ball-bar" test. In this Method is a rod-shaped length measuring device with one end on a bracket at a distance from the machine plate rotatably mounted. The other end is from the tool holder on the rotary swivel head - also freely rotatable - carried along. With This arrangement is usually carried out a circularity test leads by the rotary swivel head in a plane parallel to Machine table describes a circle around the bracket, wherein the signals of the length measuring device are recorded. deviate machine movement from the ideal circular path (= Ra dius constant) are like changing the distance between Hal and tool holder recognizable. Also this procedure is only suitable for checking linear axes, as only the Motion in a plane is detected.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Diagnose der Bewegungspräzision an Dreh-Schwenkköpfen mehr achsiger Werkzeugmaschinen zu entwickeln, das einerseits eine hohe Meßgenauigkeit aufweist, einfache und schnelle Messungen ermöglicht und die genannten Nachteile bezüglich Meßbeschrän kung auf einzelne Achsen weitgehend überwindet.Based on this prior art is the present Invention, the object of an improved method for Diagnosis of the precision of movement on rotary swivel heads more achsiger machine tools to develop, on the one hand a high accuracy, simple and fast measurements allows and the disadvantages mentioned with respect to Meßbeschrän kung on individual axes largely overcomes.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere Einzelheiten der Erfindung und Vorzüge verschiedener Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.This task is used in a method with the characteristics of The preamble of claim 1 solved by the characterizing Features of claim 1. Further details of the invention and advantages of various embodiments will be apparent the features of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf die Abbildungen und den darin aufgeführten Bezugszif fern. Es zeigt:The inventive method is described below with reference to a preferred embodiment described, with reference Reference is made to the figures and the reference numeral therein remote. It shows:
Fig. 1 Ein System zur Messung der Bewegungspräzision eines Dreh-Schwenkkopfs. Fig. 1 A system for measuring the movement precision of a rotary swivel head.
Fig. 2 Diagramme zur Darstellung der Meßkurven bei einer fehlerfreien Rotation um die Schwenkachse A und der Drehachse C (Idealzustand). Fig. 2 diagrams showing the curves at a fault-free rotation about the pivot axis A and the rotation axis C (ideal state).
Fig. 3 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen de Diagramme bei einer Verkippung der Drehachse C. Fig. 3 representation of the rotary pan head and correspond de diagrams with a tilt of the axis of rotation C.
Fig. 4 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen de Diagramme bei einer Verkippung der Schwenkachse A. Fig. 4 representation of the rotary swivel head and correspond de diagrams at a tilt of the pivot axis A.
Fig. 5 Darstellung des Dreh-Schwenkkopfs und entsprechen de Diagramme bei einer Verkippung sowohl der Dreh achse C als auch der Schwenkachse A. Fig. 5 representation of the rotary swivel head and correspond de diagrams at a tilt both the rotation axis C and the pivot axis A.
Fig. 6 Darstellung des Einflusses eines Umkehrspiels auf die bei Rotation um die Drehachse C bzw. Schwenk achse A erhaltenen Diagramme. Fig. 6 representation of the influence of a backlash on the rotation of the axis C or pan axis A obtained diagrams.
Das neue Verfahren nutzt die Meßmöglichkeiten des "Ball-Bar"- Tests in erweiterter Form: Wie beim "Ball-Bar"-Test werden bei Bewegungen des Dreh-Schwenkkopfs Änderungen des Abstands zwi schen der Werkzeugaufnahme und einem starren Bezugspunkt im Raum durch ein Längenmeßgerät erfaßt, wobei jedoch das Zusammenspiel verschiedener Achsen berücksichtigt wird.The new method uses the measuring capabilities of the "Ball-Bar" - Enhanced Tests: Like the "Ball Bar" Test Movements of the rotary swivel head Changes of the distance between the tool holder and a rigid reference point in space detected by a length measuring device, but the interaction different axes is considered.
Fig. 1 zeigt die bevorzugte Meßanordnung mit einer Längenmeß einrichtung (2), die in diesem Ausführungsbeispiel als stab förmige "Ball-Bar"-Längenmesseinrichtung dargestellt ist aber auch durch andere hochauflösende Distanzmessgeräte (z. B. Laser) ersetzt werden kann. Am einen Ende ist die Längenmeßeinrichtung (2) drehbar im ersten Bezugspunkt (P1) im Bereich der Werkzeug aufnahme mit dem Dreh-Schwenkkopf (1) verbunden. Das andere Ende der Längenmeßeinrichtung (2) ist drehbar in einem zweiten Bezugspunkt (P2) gelagert, der sich ortsfest an einer Halterung (3) befindet. Die Halterung (3) kann, wie in Fig. 1 darge stellt, auf dem Maschinentisch (4) befestigt oder in anderer Weise gegenüber dem Dreh-Schwenkkopf (1) starr fixiert sein. Vorzugsweise liegt der erste Bezugspunkt (P1) möglichst exakt auf einer ersten Achse (C) des Dreh-Schwenkkopfs (1) und der zweite Bezugspunkt (P2) auf einer zweiten Achse (A) des Dreh- Schwenkkopfs. Dies ergibt spezielle Messkurven bei verschiedenen Bewegungen des Dreh-Schwenkkopfs (Fig. 2 bis Fig. 5). Fig. 1 shows the preferred measuring device with a length measuring device ( 2 ), which is shown in this embodiment as a rod-shaped "ball-bar" length measuring device but can also be replaced by other high-resolution distance measuring devices (eg., Laser). At one end of the length measuring device ( 2 ) is rotatably connected in the first reference point (P1) in the region of the tool holder with the rotary swivel head ( 1 ). The other end of the length measuring device ( 2 ) is rotatably mounted in a second reference point (P2), which is stationary on a holder ( 3 ). The holder ( 3 ), as shown in Fig. 1 Darge, mounted on the machine table ( 4 ) or fixed in any other way against the rotary swivel head ( 1 ) rigid. Preferably, the first reference point (P1) lies as exactly as possible on a first axis (C) of the rotary swivel head ( 1 ) and the second reference point (P2) on a second axis (A) of the rotary swivel head. This results in special measurement curves for different movements of the rotary swivel head ( Fig. 2 to Fig. 5).
Zur Erfassung der Bewegungspräzision des Dreh-Schwenkkopfs (1) werden verschiedene Achsen angesteuert und in Abhängigkeit von der Sollvorgabe (Drehwinkel, Kippwinkel usw.) die Änderungen des Abstands zwischen den beiden Bezugspunkten P1 und P2 konti nuierlich gemessen. Zur Diagnose kann im Anschluß eine ent sprechende grafische Darstellung der Abstandsänderung in Ab hängigkeit von einer der Sollvorgaben (z. B. vom Winkel der Ro tation um die C-Achse) erstellt werden (z. B. in Polarkoordina tendarstellung). Mit bekannten Koordinaten der Bezugspunkte P1 und P2 lassen sich zusätzlich für jede Bewegung die theoreti schen Graphen einer idealen, fehlerfreien Maschine errechnen. Eine Vergleich zwischen idealer und real gemessenen Kurve er laubt Aussagen über die Qualität der getesteten Maschine.For detecting the movement precision of the rotary swivel head ( 1 ) different axes are controlled and measured in dependence on the target specification (rotation angle, tilt angle, etc.), the changes in the distance between the two reference points P1 and P2 continu ously. For diagnosis, a corresponding graphical representation of the change in distance as a function of one of the specified values (eg, the angle of the rotation about the C axis) can subsequently be drawn up (eg in polar coordinate display). With known coordinates of the reference points P1 and P2, the theoretical graphs of an ideal, error-free machine can additionally be calculated for each movement. A comparison between the ideal and the real measured curve allows statements about the quality of the tested machine.
Fig. 2 zeigt für eine mehrachsige Maschine ohne Defekte (Ide alzustand) die bei der bevorzugten Messanordnung (Fig. 1) zu erwartenden Meßergebnisse für Rotationen des Dreh-Schwenkkopfs um die A-Achse bzw. die C-Achse. Fig. 2 shows for a multi-axis machine without defects (Ide alzustand) in the preferred measuring arrangement ( Fig. 1) expected measurement results for rotations of the rotary pan head about the A-axis and the C-axis.
Dargestellt ist jeweils der gemessene Abstand D zwischen den Bezugspunkten P1 und P2 in Abhängigkeit vom Rotationswinkel 9 der jeweiligen Achse (Polarkoordinatendarstellung). Aufgrund der Positionen der Bezugspunkte P1 und P2 auf der gedachten Verlängerung der Rotationsachsen (A, C) wird keine Änderung des Abstands D gemessen, wenn nur eine Achse (A oder C) angesteuert wird (kreisförmige Meßkurven).In each case, the measured distance D between the reference points P1 and P2 is shown as a function of the angle of rotation 9 of the respective axis (polar coordinate representation). Due to the positions of the reference points P1 and P2 on the imaginary extension of the rotation axes (A, C), no change in the distance D is measured when only one axis (A or C) is driven (circular traces).
In Fig. 3 ist das Verhalten bei einer (fehlerhaften) Verkip pung der C-Achse schematisch dargestellt. Eine Rotation um die A-Achse liefert in entsprechender Darstellung eine elliptische Kurvenform, während eine Rotation um die C-Achse unverändert einen Kreis ergibt.In Fig. 3 the behavior at a (faulty) tilting of the C-axis is shown schematically. A rotation about the A-axis provides an elliptic waveform in a corresponding representation, while a rotation about the C-axis gives a circle unchanged.
Die Auswirkung einer (fehlerhaft) verkippten A-Achse ist in Fig. 4 wiedergegeben. In diesem Fall ergibt eine Rotation um die A-Achse wieder eine elliptische Kurvenform, während eine Rotation um die C-Achse eine veränderte, angenähert elliptische Kurvenform ergibt.The effect of a (erroneously) tilted A-axis is shown in FIG . In this case, rotation about the A-axis again gives an elliptic waveform, while rotation about the C-axis gives an altered, approximately elliptical waveform.
Fig. 5 stellt die Situation bei einer (fehlerhaften) Verkip pung sowohl der A- als auch der C-Achse dar. Die in diesem Fall entstehenden Meßkurven stellen in gewisser Weise eine Überla gerung der Abweichungen dar, wie sie bei Dejustage der einzel nen Achsen auftreten. Fig. 5 illustrates the situation with a (faulty) Verkip pung both the A- and the C-axis. The resulting in this case curves represent a kind of Überla delay of the deviations, as in the case of maladjustment of the individual axes occur.
Fig. 6 zeigt den Einfluß eines vorhandenen Umkehrspiels der A- Achse: Ein angesteuerter 180° Bogen um die A-Achse wird um den Anteil des Umkehrspiels reduziert durchfahren. Eine Drehung um die C-Achse bleibt davon unbeeinflußt. Fig. 6 shows the influence of an existing backlash of the A-axis: A controlled 180 ° arc about the A-axis is reduced by the proportion of the backlash reduced. A rotation around the C-axis remains unaffected.
Alle Auswertungen können vorzugsweise mittels eines Computers (z. B. PC) vorgenommen werden, der beispielsweise einerseits die von der Längenmeßeinrichtung (2) gelieferten Signale über einen AD-Wandler in digitaler Form aufnimmt und andererseits die An steuerung (Sollwertvorgabe) verschiedener Linear- und Rota tionsachsen des Dreh-Schwenkkopfs übernimmt. Ein besonderer Vorteil der computerunterstützten Auswertung besteht in der Möglichkeit, entsprechende Graphen von Abstandsänderungen bei typischen Maschinenfehlern (Lagerdefekt, Umkehrspiel usw.) als Datenbasis abzuspeichern und für eine Diagnose heranzuziehen. Damit läßt sich nach Durchführung einer Messung unter vorge gebenen Bedingungen (definierter Dreh-Kippvorgang, definierte Positionen der Bezugspunkte P1, P2) nicht nur das Vorhandensein und der Betrag einer vorhandenen Bahnabweichung des Dreh- Schwenkkopfs feststellen, sondern auch weitgehend eine Fehler zuordnung durch Identifizierung charakteristischer Bahnabwei chungen angeben. Diese Fehlerdiagnose ist dabei nicht auf ein bestimmtes mehrachsiges Maschinensystem beschränkt: für ver schiedene Maschinensysteme können individuelle Datensätze der jeweiligen charakteristischen Fehlereinflüsse verwendet werden.All evaluations can preferably be made by means of a computer (eg PC), for example, on the one hand receives the signals supplied by the length measuring device ( 2 ) via an AD converter in digital form and on the other hand to control (setpoint) different linear and Rota tion axes of the rotary swivel head takes over. A particular advantage of the computer-assisted evaluation is the ability to store corresponding graphs of changes in distance for typical machine defects (bearing defect, backlash, etc.) as a database and to use them for a diagnosis. Thus, after performing a measurement under pre given conditions (defined rotation-tilting, defined positions of the reference points P1, P2) not only the presence and the amount of an existing path deviation of the rotary swivel head determine, but also largely a fault assignment by identifying characteristic Specify web deviations. This fault diagnosis is not restricted to a specific multi-axis machine system: individual data sets of the respective characteristic error influences can be used for different machine systems.
Über eine derartige automatisierte Auswertung lassen sich Dia gnosen der Bewegungspräzision in sehr kurzer Zeit erstellen. Dabei beschränkt sich der Aufwand fast ausschließlich auf die Montage der Längenmesseinrichtung (2) und ihrer einmaligen Ju stierung; alles weitere (Durchführung verschiedener Bewegungs programme, Datenerfasssung, graphische Darstellung und Auswer tung) erfolgt anschließend durch den Computer, wobei erkannte Maschinenfehler direkt angezeigt werden. By means of such an automated evaluation, diagnoses of the precision of movement can be created in a very short time. The effort is limited almost exclusively to the installation of the length measuring device ( 2 ) and their unique Ju stierung; Everything else (implementation of various motion programs, data acquisition, graphical representation and evaluation) is then carried out by the computer, with detected machine errors are displayed directly.
In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren auch ent sprechend kostengünstig zu realisieren. Neben einem handelsüb lichen Computersystem (PC) ist nur eine entsprechend hochauf lösende Längenmesseinrichtung (2) erforderlich, die nach dem Stand der Technik in verschiedenen Versionen verfügbar ist.In the preferred embodiment, the method is also ent accordingly inexpensive to implement. In addition to a commercial computer system (PC) only a correspondingly high-resolution length measuring device ( 2 ) is required, which is available in different versions according to the prior art.
Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für einen mobilen Einsatz an unterschiedlichen Standorten, da die erfor derlichen Gerätschaften (PC, Längenmesseinrichtung) problemlos transportiert werden können. Dabei können auch unterschiedliche mehrachsige Maschinensysteme mit ein und demselben Verfahren getestet werden, wobei nur die jeweils individuellen Ansteuer- und Auswerteprogramme (mit entsprechenden Daten charakteristi scher Fehlereinflüsse) im Computersystem bereitgestellt werden müssen.The inventive method is particularly suitable for a mobile use in different locations, as the requ Equipment (PC, length measuring device) easily can be transported. It can also different multi-axis machine systems with one and the same procedure tested, whereby only the individual control and evaluation programs (with corresponding data characteristi shear errors) in the computer system have to.
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