Zweifach abgestätzter Träger mit Vorspannglied Die Erfindung bezieht sich auf einen balkenför migen, zweifach abgestützten Träger an Werkzeug maschinen, dessen Körper durch sein Eigengewicht und durch eine auf dem Träger verschiebbare Last einer Biegeverformung unterworfen ist. Beispiels, weise kommt eine solche Anordnung bei Werkzeug maschinen in Betracht wie Bohrwerken und Fräs maschinen in Portalbauweise, bei welchen ein Spin delstock an dem Querträger verschiebbar angeordnet ist, oder auch bei Drehbänken, bei denen ein Wan genschlitten in Führungen an einem Bett verschieb bar ist.
Im Anwendungsgebiet der Werkzeugmaschinen z. B. hängt die Arbeitsgenauigkeit in hohem Masse von der Geradheit ihrer Führung ab. Die Führungen aber erleiden zusammen mit den Querträgem bzw. Maschinenbetten, mit welchen sie vereinigt sind, Ver biegungen unter der Last des Eigengewichtes und der Last des Arbeitschlittens, so dass die Genauigkeit solcher Maschinen sehr ungünstig beeinflusst wird.
Um diesen Verformungen entgegenzuwirken, sind schon verschiedenerlei Massnahmen getroffen wor den.
So ist es üblich, die Führungen ballig, d. h. leicht nach oben krümmt zu schaben, oder in belastetem Zustand eben zu schleifen, so dass sie in entlastetem Zustand ebenfalls eine nach oben gekrümmte Form aufweisen. Solchem Vorgehen haftet aber der Nach teil an, dass die Verformung schon bei der Herstel lung der Führungen kompensiert werden muss, so dass nachträgliche Korrekturen nicht mehr möglich sind. Ferner ist es bereits bekannt, der Verwindungs, Verformung eines seitlichen Auslegers durch Vor spannung mittels eines Torsionsgliedes entgegenzu wirken.
Ferner ist schon vorgeschlagen worden, durch Gewichtsausgleich das Durchhängen des Querträgers von Werkzeugmaschinen zu verringern, wobei ein Seilzug über eine Laufkatze geleitet und der wan dernden Last nachgeführt wird, um auf diese Art durch Gegengewicht einen Ausgleich zu schaffen. Eine solche Lösung befriedigt aber besonders ihres umständlichen platzraubenden Aufbaues. wegen nicht.
Ein anderer Lösungsvorschlag besteht darin, dass ebenfalls bei einer Zweiständerwerkzeugmaschine, der Querträger über die Ständeraussenkanten hinaus ragend ausgebildet wird. An dessen Enden ist je ein Hilfsständer angebracht, der den Querträger in bezug auf den Portalständer verspannt. Auch bei diesem. Vorschlag kommt wiederum der wesentlich ver mehrte Platzbedarf zum Ausdruck.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der Biegeverformung in einem an beiden Enden unter stützten Träger zu eliminieren.
Erfindungsgemäss wird vorgeschlagen, dass ein der Biegeverformung entgegenwirkendes Vorspann glied, das als unterhalb der neutralen Biegefaser in Längsrichtung des Trägerkörpers. liegender, an sei nen Enden mit dem Trägerkörper in<B>Nähe</B> der Auf lager verbundener, ihn im übrigen aber frei durch dringender Zuganker mit einstellbarer Vorspannzug kraft ausgebildet ist. Dabei kann dieser Zuganker in nerhalb oder auch ausserhalb des Trägerkörperquer schnittes zu liegen kommen, je nach Anwendungs fall. Seine Verankerung findet der Zuganker z. B. an den beiden Stirnseiten des Trägers, wo gleich auch die Einstellvorrichtung der Vorspannung angebracht ist. Ferner ist der Anwendungsfall ebenfalls berück- sichtigt, dass zwei Zuganker angeordnet sind,<B>d.</B> h.
beiderseits der Verforrnungsebene der Längsachse des Trägerkörpeers <B>je</B> einer, desgleichen in Längsrich tung wie diese Achse. Hierbei ergibt sich die,<B>Mög-</B> lichkeit, durch, ungleiches Vorspannen der beiden Anker die Biegeebene der Vorspannung der Verfor mungsebene des Trägerkörpers von Fall zu Fall noch besser anzupassen.
Mit Hilfe eines oder mehrerer solcher Zuganker kann die Durchbiegung des Trägerkörpers wesentlich, beispielsweise auf den zehnten Teil, herabgesetzt werden. Die Vorspannung kann jederzeit an der fer tig montierten Maschine, vorgenommen und nach Massgabe z. B. eines Messgerätes eingestellt werden. Es ist ferner möglich, den Messwert eines solchen Gerätes einem Stellglied zur Korrektur der Abwei chung de-, Trägerkörpers an der Stelle der Last bzw. des Schlittens von der waagrechten Lage zuzuführen, damit, wenn der Schlitten z. B. bei einem Bohrwerk eine lotrechte Arbeitsspindel aufweist, diese genau lotrecht zur Bearbeitungsfläche steht. In den Zeich nungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungs gegenstandes dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 die Ansicht einer Portal-Werkzeug maschine; Fig. 2 die Seitenansicht dieser Werkzeug maschine; Fig. 3 einen vertikalen Längsschnitt III-III in Fig. 2 durch ihren Querbalken; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Quer balkens für das im Detail beschriebene Anwendungs beispiel; Fig. 5 eine schematische Darstellung des Quer balkens für ein anderes Ausführungsbeispiel; Fig. 6 eine schematische Darstellung des Be lastungsfalles Fig. 7 eine graphische Darstellung der Durch biegungen; Fig. 8 eine graphische Darstellung der Durch biegungswinkel.
Dir, in Fig. 1 dargestellte Werkzeugmaschine ver fügt über eine Grundplatte<B>1,</B> auf welcher der Tisch 2 verschiebbar gelagert ist. An der Grundplatte<B>1</B> sind ferner die Seitenstützen<B>3</B> und 4 befestigt, welche den Querbalken<B>5</B> tragen. Am Querbalken<B>5</B> ist an Füh rungen<B>6</B> und<B>7</B> ein Schlitten<B>8,</B> beispielsweise, ein Spindelstock aufgehängt, der mittels Motor 9 und Spindel 10 verschiebbar ist.
Der Querbalken 5 ist in seinem Innern, siehe Fig. 3, in der üblichen Weise verrippt. Die Rippen 11 weisen unterhalb der Mitte des Querbalkens Durch brüche 12 auf, welche einem Zuganker<B>13</B> Platz bie ten, der an den gegenüberliegenden seitlichen Aus senflächen 14 und<B>15</B> des Querbalkens<B>5</B> mit Hilfe der Spannvorrichtung<B>16</B> verankert ist. Die Spannvor richtung<B>16</B> besteht aus den beiderseits des Querbal kens auf die Gewindeteile, <B>17</B> und<B>18</B> des Zugankers <B>13</B> aufgeschraubten Muttern 21 und 22 sowie den zu deren Sicherung vorgesehenen Kontermuttern<B>19</B> und 20.
In Fig. 4 ist in schematischer Darstellung die er- findungsgemässe Anordnung eines Zugankers<B>13</B> in einem Querbalken<B>5</B> zu erkennen. Der Zuganker<B>13</B> liegt im Querbalken<B>5</B> in der durch die Belastungen erzeugten Biegeebene 34, und zwar unterhalb der Längsachse 35 des Balkens bzw. seiner neutralen Biegefaser<B>32,</B> die im Querschnitt<B>33</B> angegeben ist. Die Längsachse<B>35</B> ist als. die Verbindungslinie aller Querschnittsflächen-Schwerpunkte, des Querbalkens <B>5</B> aufzufassen.
Ferner liegt der Zuganker<B>13</B> in der durch die Längsachse<B>35</B> in zwei Teile geteilten Biegeebene 34 in demjenigen Teil, in welchem die durch äussere Kräfte erzeugte Durchbiegung fällt, also in diesem Beispiel unterhalb der Längsachse <B>35.</B>
Fig. 5 zeigt die Anwendung zweier Zuganker 13a und<B>13b</B> in einem Querbalken<B>5.</B> Diese liegen beide in gleicher Weise wie zuvor beschrieben, jedoch in bestimmtem Abstand beiderseits der Biegeebene 34 parallel zur Längsachse<B>35.</B>
Der Querbalken 5 der in Fig. 1 als Anwendungs beispiel dargestellten Portal-Werkzeugmaschine wird durch, die wandernde Last des Schlittens 8 bzw. Spin delstockes und durch das Eigengewicht des Querbal kens durchgebogen. Die Durchbiegung des, Querbal kens<B>5</B> und der daran befestigten Führungen<B>6</B> und<B>7</B> verursachen eine Schrägstellung des Spindelstockes 8.
Diese Biegeverformung kann aufgehoben bzw. verringert werden, wenn auf den Querbalken 5 ein entgegenwirkendes Biegemoment M, durch die Vor spannung aufgebracht wird.
Nach der Erfindung wird dieses Moment M, ohne Zuhilfenahme äusserer Kräfte lediglich durch Verspannung des. Querbalkens<B>5</B> mittels Zuganker 13 bzw. 13a und 13b erzeugt.
In Fig. 6 ist der Belastungsfall de-, Querbalkens <B>5</B> vereinfacht dargestellt. Der an beiden Enden frei aufliegende Balken<B>5</B> von der Länge; L und mit konstantem Trägheitsmoment J wird durch sein Eigengewicht als. gleichmässig verteilte Streckenlast <B> G </B> und die wandernde Last Q beansprucht. Das entgegenwirkende, Moment ist das Vorspann-Moment <B> </B> m', .
In den nachfolgenden Beziehungen zwischen den beanspruchenden Kräften, Momenten und elastischen Durchbiegungen des, Querbalkens, 5 bedeuten ferner: <B> E </B> den Elastizitäts-niodul und ec den veränder lichen Abstand der wandernden Last<B>Q</B> vom linken Auflager, wobei
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das Verhältnis dieses<B>Ab-</B> standes zur freien Stätzlänge darstellt, welches somit zwischen den Werten<B>0</B> und<B>1</B> zu verändern ist, da mit der ganze Zusammenhang in Erscheinung tritt.
Die Streckenlast<B>G</B> -ergibt an der Stelle c eine Durchbiegung fc, von:
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und die wandernde Last<B>Q</B> ebenfalls an der Stelle c eine Durchbiegung fQ von:
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Die Verformungsrichtungen dieser beiden Durchbiegungen sind gleichgerichtet, daher summieren sie sich:
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Das Vorspannmoment M", bestehend aus Zug kraft des Ankers multipliziert mit seinem Abstand von der neutralen Biege-Faser 32, verursacht an der Stelle c die Durchbiegung fm mit entgegengesetzter Verformungsrichtung des Balkens:
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In Fig. 7 sind über der Balkenlänge L mit A als Abzisse die letzteren 3 Durchbiegungen f, FMV und IR einzeln als Ordinaten für einen bestimmten Wert der Verhältnisse
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in ihren charakte ristischen Linienzügen graphisch dargestellt.
Da jedoch. die Durchbiegung, wie bereits, eingangs erwähnt, eine Schiefstellung der Führungen und da-
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und für den auf diese Weise gewichtsbelasteten und zugleich vorgespannten Balken<B>5</B> gilt wiederum die
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In gleicher Weise wie in Fig. 7 sind die beiden Linien-Züge für a, und αR in Fig. 8 graphisch dar gestellt, und zwar wiederum für die gleichen Verhält nisse von
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Man erkennt in Fig. 8, dass die Neigungswinkel αR bei einem vorgespannten Balken in dem z. B. von einem Spindelstock 8 tatsächlich benützten Bereich B zwischen den Auflagern um ein Vielfaches, klei ner sind als beim nicht vorgespannten Balken, so das-, eine erhebliche Steigerung der Genauigkeit er reicht wird.
Die Wirkung des zuerst beschriebenen Anwen dungsbeispiels geht folgendermassen, vor sich: Nach dem Zusammenbau der Werzeugmaschine wird der Zuganker<B>13</B> durch Betätigen einer der Spannvor richtungen<B>16</B> so weit gespannt, bis die fortlaufend am Spindelstock 8 unternommenen Messungen be züglich seiner Lage zum Tisch 2 optimale Werte er geben.
Da der Querbalken<B>5</B> in den meisten Fällen eine komplexe Struktur aufweist, ist es nicht möglich, exakt die Lage der Biegeebene 34 und der Längs achse 35 zu bestimmen.
Die richtige Anordnung eines einzelnen Zug ankers<B>13,</B> welcher in der Biegeebene 34 zu liegen hätte, würde daher eine, konstruktiv schwer zu lö-
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Daraus ergibt sich die resultierende Durchbie- gang fR des belasteten und zugleich vorgespannten Querbalkens zu: mit z. B. des Spindelstockes 8 verursacht, ist auch der Neigungswinkel a der elastischen Linie, zur Horizon talen in Betracht zu ziehen.
Vergleichshalber sind die Gleichungen auch für diese Beziehungen wiedergegeben. Für den mit Strek- kenlast G und wandernder Last Q verformten Balken 5 gilt für den Neigungswinkel α1 an der Stelle A: algebraische Addition für den resultierenden Nei gungswinkel αR sende Aufgabe sein. Es ist daher vorgesehen, gemass dem zweiten Anwendungsbeispiel, in solchen Fällen zwei Zuganker 13a und<B>13b</B> unter den weiter oben beschriebenen Bedingungen einzubauen. Durch ver schieden starkes, Anspannen der beiden Zuganker 13a und 13b ist es. daher möglich, die Wirkungs ebene des Vorspannmomentes M, zu verschieben und in die Biegeebene 34 zu verlegen.
Beim Einrichten ergibt sich, dass der erste Zug anker, z. B 13a, dessen Wirkungsebene ausserhalb der Biegeebene 34 liegt, auch eine Verformung des Querbalkens 5 quer zur Biegebene 34 hervorruft. Durch Nachspannen des zweiten Zugankers-<B>13b</B> wird die Durchbiegung in der quer zur Biegeebene 34 liegenden Biegeebene ausgeglichen. Daraus, resul tiert ein Vorspannverhältnis für die beiden Zuganker, welches stets, aufrechterhalten werden muss. Zur Überwachung der Vorspannung mögen in bekannter Weise Druckmessdosen oder Dehnungsmesstreifen verwendet werden. Nötigenfalls, ist eine Kontrolle der lotrechten Lage des. Spindelstockes 8 an mehreren Stellen des Querbalkens<B>5</B> vorzunehmen und die Spannvorfichtung <B>16</B> nachzustellen.