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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung und Kompensation von thermisch bedingten Verlagerungen der Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen, insbesondere der Hauptspindel von Drehmaschinen, wobei mindestens eine der thermisch bedingten Verlagerung der Spindelposition folgende Abtasteinrichtung vorgesehen ist, die die Kompensation zum Ausgleich der Verlagerung der Spindelposition auslöst.
Es sind bisher einige Einrichtungen bekannt, die es ermöglichen, die Temperaturverlagerungen der Hauptspindel zu erfassen. So ist es beispielsweise bekannt, eine auf der Hauptspindel vorgesehene Fläche mit einem Messfühler abzutasten und das Bezugssystem der Maschinensteuerung der Verlagerung der Hauptspindel nachzuführen. Ein Nachteil dieser Einrichtung ist, dass ein eigener Messfühler, der fest mit dem Werkzeugträger verbunden ist, vorgesehen werden muss, wobei die Zugänglichkeit zur Hauptspindel durch Werkstücke mit grossem Durchmesser mitunter unmöglich oder zumindest sehr erschwert ist. Benutzt man Teile der Aufspannvorrichtung mit grossen Durchmessern, so sind diese selbst Temperatureinflüssen unterworfen und beeinflussen die Genauigkeit oft erheblich.
Weiters sind Einrichtungen bekannt, bei denen die Temperatur im Spindelstock konstant gehalten wird, beispielsweise durch Bespülen der Wände mit warmem oder kaltem Öl. Nachteilig ist, dass diese Einrichtungen sehr aufwendig sind und äussere Störeinflüsse, wie Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung usw., nicht oder nur schwer erfasst werden können. Es sind auch Einrichtungen bekannt, bei denen an einigen charakteristischen Punkten die Temperatur gemessen wird, diese auf Grund einer empirisch gefundenen Funktion in eine äquivalente Längenänderung (Verlagerung) umgerechnet und der Steuerung als Korrekturgrösse eingegeben wird. Nachteilig ist, dass solche charakteristischen Punkte nur nach langen Versuchen, wenn überhaupt, gefunden werden können.
Auch eine mechanische Verstelleinrichtung zweier Werkzeugspindeln einer Werkzeugmaschine, wie etwa eines Zwillingbohrwerkes, zum Ausgleich einer thermischen Verlagerung ist bekannt. Dabei ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die mit einer Stelleinrichtung mit Antriebsmotor zusammenarbeitet. Der Antriebsmotor, beispielsweise ein Schrittmotor, erhält seine Verstellimpulse von einem Steuergerät, das zu einer Messeinrichtung zählt, die die Achsabstände einer bereits bearbeiteten Werkstückes überprüft. Etwaige Abweichungen vom Sollwert werden registriert und lösen eine Korrektur des Achsabstandes der Werkzeugspindel aus. Es erfolgt also eine Messung eines relativen Abstandes zweier Achsen im Raum, wogegen die genaue, absolute Position der Hauptspindel unberücksichtigt bleibt.
Die Erfindung zielt darauf ab, die Verlagerungen der Arbeitsspindel in zweckmässiger und einfacher Weise zu erfassen. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Lagerung der Arbeitsspindel mindestens ein Pendel od. dgl. angelenkt ist, das die thermisch bedingte Verlagerung dieser Hauptlagerstelle gegenüber ihrer Null-Lage über die Abtasteinrichtung in Form von Sensoren erfasst, welche an von thermischen Einflüssen freien Stellen der Maschine angeordnet sind, und dass als Kompensationseinrichtung Thermoquellen, beispielsweise Heizkörper, vorgesehen sind, die von den Sensoren zu-bzw. abschaltbar sind bzw. dass bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen die Sensoren mit der numerischen Steuerung elektrisch verbunden sind und die Abweichungen als Korrekturwerte der Koordinaten-Nullpunkte zuführbar sind.
Ein Schwerpunkt der Erfindung liegt somit in der Messeinrichtung zum Erfassen von Verlagerungen mittels Pendeln und Sensoren. Letztere geben bei Auslenkung des Pendels ein entsprechendes Signal an eine Kompensationseinrichtung, die verhindert, dass sich die Verlagerung nachteilig auf die Präzision der Bearbeitung von Werkstücken auswirkt. Als Kompensationseinrichtung sind entweder Thermoquellen, beispielsweise Heizkörper, vorgesehen, die von den Sensoren zu-bzw. abschaltbar sind, wobei durch die zusätzlichen Temperatureinflüsse die ursprüngliche Verlagerung der Arbeitsspindeln rückgängig gemacht werden kann, oder es sind die Sensoren bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen zur Kompensation mit der numerischen Steuerung verbunden. Dieser werden die Abweichungen von der Null-Lage der Arbeitsspindeln als Korrekturwerte der Koordinaten-Nullpunkte zugeführt.
Zur Verhinderung der Schrägstellung der Spindel ist es zweckmässig, wenn an jedem der beiden Lager der Arbeitsspindel im Spindelstock ein Pendel angeordnet ist, in dessen Ausschlagbereich Sensoren vorgesehen sind.
Zur Registrierung und Kompensation weiterer Verlagerungen können jedem Pendel auch je zwei Sensoren in Maschinenquerrichtung und vorzugsweise auch je zwei Sensoren in Maschinenlängsrichtung zugeordnet sein.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt. Fig. l zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Drehmaschine in der Höhe des Spindelstockes, Fig. 2 ein Diagramm der Verlagerung über der Sensorspannung, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Drehmaschine von oben gesehen und Fig. 4 eine andere Ausführungsform der Kompensation durch die numerische Steuerung.
Die Drehmaschine nach Fig. l besteht aus einem Bett-l--, einem Spindelstock --2-- und einer Arbeits-bzw. Hauptspindel-3-und umfasst ein Pendel --4--, Sensoren --5a und 5b-sowie Heizkörper--6a und 6b--. Erfolgt nun durch innere oder äussere Einwirkung, wie etwa durch Veränderung
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jener Heizkörper eingeschaltet, der infolge seiner Wärmeabgabe eine Verlagerung in die entgegengesetzte Richtung bewirkt. Nach Unterschreiten eines eingestellten Masses wird der Heizkörper wieder abgeschaltet.
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In Fig. 2 ist die Verlagerung als Funktion der Sensorspannung dargestellt und der Schaltbereich für die beiden Heizkörper--6a und 6b--gezeigt.
Um ein Schrägstellen der Hauptspindel zu vermeiden, können auch zwei Einrichtungen gemäss der Erfindung vorgesehen sein. Fig. 3 zeigt diese Anordnung, wobei an den beiden Lagern der Hauptspindel--3-im Spindelstock --2-- je ein Pendel-4a und 4b-vorgesehen ist, denen jeweils mindestens zwei Sensoren --5a, 5b und 5c, 5d--zugeordnet sind. Je nach der Kontaktstellung bzw. den Sensorspannungen sind die Heizkörper --6a, 6b, 6c und 6d-zu-bzw. abschaltbar. Es können auch jedem Pendel vier Sensoren zugeordnet sein, die paarweise in Maschinenlängsrichtung bzw. in Maschinenquerrichtung um das Pendel herum angeordnet sind. Es können aber auch anders orientierte Koordinatenachsen zur Verwendung kommen.
Ferner ist es zweckmässig, das Pendel mechanisch oder elektrisch zu dämpfen, um äussere Störeinflüsse durch Schwingungen zu unterdrücken.
Fig. 4 entspricht hinsichtlich der Anordnung des Pendels der Fig. 1. Die Sensoren--Sa und 5b--sind jedoch elektrisch mit einer numerischen Steuerung --7-- verbunden, die die Koordinaten-Nullpunkte für die Arbeits-Steuersignale entsprechend verschiebt, so dass eine Verlagerung der Hauptspindel --3-- durch eine Korrektur der Werkzeugschneidenposition ausgeglichen wird.
Die Sensoren können im einfachsten Fall elektrische Kontakte sein. Es ist aber auch die Verwendung von induktiven oder kapazitiven Sensoren od. dgl. möglich, bzw. insbesondere bei der Ausführung nach Fig. 4 erforderlich. Auch kann die übertragung vom Pendel auf thermisch stabile Teile der Maschine bei grösserer Entfernung auf optischem Weg mit an sich bekannten Einrichtungen wie Lichtstrahlen und Photozellen oder Laser erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erfassung und Kompensation von thermisch bedingten Verlagerungen der Arbeitsspindel von Werkzeugmaschinen, insbesondere der Hauptspindel von Drehmaschinen, wobei mindestens eine der thermisch bedingten Verlagerung der Spindelposition folgende Abtasteinrichtung vorgesehen ist, die die
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dass vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Lagerung der Arbeitsspindel (3) mindestens ein Pendel (4) od. dgl. angelenkt ist, das die thermisch bedingte Verlagerung dieser Hauptlagerstelle (2) gegenüber ihrer Null-Lage über die Abtasteinrichtung, in Form von Sensoren (5a, 5b) erfasst, welche an von thermischen Einflüssen freien Stellen der Maschine angeordnet sind, und dass als Kompensationseinrichtung (6a, 6b bzw. 7) Thermoquellen, beispielsweise Heizkörper (6a, 6b) vorgesehen sind, die von den Sensoren (5a, 5b) zu-bzw. abschaltbar sind, bzw.
dass bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen die Sensoren (5a, 5b) mit der numerischen Steuerung (7) elektrisch verbunden sind und die Abweichungen als Korrekturwerte der Koordinaten-Nullpunkte zuführbar sind.