Vorrichtung zum Positionieren der Tische oder Schlitten von Werkzeug- oder Messmaschinen
Bei den verschiebbaren Tischen oder Schlitten von Messmaschinen und Präzisions-Werkzeug-Maschinen kommt es neben der spielfreien Lagerung und Parallelführung vor allem darauf an, das Mass der jeweiligen Verschiebung genau zu bestimmen, mit anderen Worten, den Tisch bzw. Schlitten fehlerfrei zu positionieren. Vor allem in Koordinaten-Messmaschinen, Bohrmaschinen und Lehrenbohrwerken tritt diese Aufgabe auf, die das Positionieren des Tisches bzw. Schlittens mit Genauigkeiten bis zu einem 1/1000 mm erfordert.
In der Regel bestehen die konstruktiven Hilfsmitc tel zur Lösung dieser Aufgabe darin, dass am verschiebbaren Teil ein Massstab mit feiner Teilung und am ortsfesten Teil, meistens dem Maschinengestell, eine Ablesevorrichtung angebracht ist, die im wesentlichen aus einem Mikroskop oder einer Pro jektionseinrichtung mit Vergrösserungsoptik besteht.
Dadurch ist die Lage der ortsfesten Messmarke relativ zum beweglichen Massstab in geeigneter Vergrösserung sichtbar gemacht. Bei der vergrösserten Darstellung des Massstabs ist allerdings nur ein sehr kleiner Abschnitt übersehbar. Es kommt daher oft vor, dass zwar die letzten Dezimalstellen des verlangten Masses genau eingestellt sind, dass aber Fehlpositionierungen in den vorhergehenden Stellen übersehen werden. Auch wenn man zur Vermeidung solcher Fehler die Positionierung in einen Grob- und einen Feineinstellvorgang einteilt, was an sich schon unbequem ist, hängt das Ergebnis der Arbeit mit den beschriebenen Maschinen wesentlich davon ab, dass geschulte Fachkräfte eingesetzt sind.
Man hat deshalb das Positionieren bereits weitgehend automatisiert und verwendet hierzu Einrichtungen, die ausser mit Iden bereits genannten optischen Ausrüstungen auch mit photoelektrischen und elektronischen Mitteln arbeiten und den verschiebbaren Tisch bzw.
Schlitten mittels Lochkarten, Lochband oder Magnetband steuern. Diese Anlagen sind nicht nur aufwendig und daher für kleinere Betriebe meist nicht erschwinglich. Sie erfordern darüberhinaus wegen ihrer komplizierten Einrichtungen hochspezialisiertes Wartungspersonal, das auch in grossen Betrieben nicht immer verfügbar ist. Es werden daher Positioniervorrichtungen benötigt, die trotz einfachen Aufbaus nicht nur mit der geforderten Genauigi keit arbeiten, sondern auch von weniger geschulten Kräften bedient und gewartet werden können.
Eine Vorrichtung zum Positionieren des verschiebbaren Tisches oder Schlittens einer Präzisions werkzeug- oder Messmaschine mit einem am Tisch bzw. Schlitten befestigten Massstab und mit einer am Maschinengestell angeordneten Ablesevorrichtung ist erfindungsgemäss dadurch geschaffen, dass als Massstab eine Anzahl sich gegenseitig berührender Kugeln gleichen Durchmessers vorgesehen ist, deren Mittelpunkt auf einer zur Verschieberichtung parallelen Geraden liegen, und dass die Ablesevorrichtung aus einem zylindrischen, zwecks Anlage an je zwei Kugeln des Massstabs senkrecht zu diesem bewegbaren Tastorgan besteht, das parallel zum Massstab auslenkbar federnd gelagert ist, und zwei einander gegenüberliegende Messtaster beaufschlagt, deren Messuhren die Nullage des Tastorgans parallel zum Massstab bzw.
seine Abweichung von dieser anzeigen.
Das Tastorgan und die Messtaster können auf einem parallel zum Massstab verschiebbaren Wagen gelagert sein, dessen Lage relativ zum Maschinengestell mittels Endmassen festlegbar ist.
Die Vorrichtung kann in der Weise eingebaut sein, dass für die Endmasse jeweils einer Zehnerpo tenz von 1/1000 mm eine Schalttrommel vorgesehen ist, auf der die Endmasse auf einem Teilkreis gleichmässig verteilt angeor, d'net sind, wobei alle Teilkreise denselben Durchmesser besitzen, und dass die Schalttromrnel frei drehbar und längs verschiebbar auf zwei Achsen gelagert sind, die parallel zur Verschieberichtung des Wagens in einem dem Teilkreisdurchmesser gleichen Abstand voneinander angeorS net sind, so dass jede beliebige Kombination der Endmasse auf einer Kontaktlinie herstellbar ist, die durch einen zwischen den Achsen angeordneten ortsfesten Anschlag für das diesem benachbarte Endmass gegeben ist.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist, und zwar in Fig. 1 die Positioniervorrichtung in Ansicht, teilweise geschnitten und in Fig. 2 das drtickluftbetätigte Schrittschaltwerk dieser Vorrichtung.
In Fig. 1 ist rnit 1 der bewegliche Schlitten der Maschine bezeichnet und mit der Ziffer 2 das ebenfalls nur andeutungsweise dargestellte Maschinengestell. Am Schlitten 1 ist eine Schiene 3 befestigt, auf der Kugeln 4 angeordnet sind. Die Kugeln' sind inr der Schiene 3 fixiert, berühren einander und haben den gleichen Durchmesser, z. B. 10 mm. Sie dienen als Massstab der Positioniereinrichtung, der gegebenenfalls durch einen groben Strichmassstab auf der Schiene 3 ergänzt werden kann.
Die mit 5 bezeichnete Ablesevorrichtung ist in einem Gehäuse 6 untergebracht, das am Maschinen gestell 2 befestigt ist. Sie besitzt einen Tastkörper 7, der vorzugsweise von zylindrischer Form ist und dessen Achse senkrecht zum Massstab liegt. Der Tastkörper 7 ist an einem Hebel 8 befestigt, der seinerseits mittels einer Blattfeder 9 auf einem Träger 10 so gelagert ist, dass der Tastkörper 7 senkrecht zum Massstab beweglich ist. Eine zwischen dem Hebel 8 und dem Träger 10 angeordnete Zugfeder 11 zieht den Hebel 8 gegen einen Anschlag 13.
Der Anschlag 13 ist an einem Kolben 14 befestigt, der sich in einem im Träger 10 angeordneten Zylinder 15 befindet Durch Einleiten von Druckluft in den Zylinder 15 wird der Kolben 14 nach vorne geschoben, so dass der Anschlag 13 den Tastkörper 7 senkrecht zum Massstab bis zur Anlage an je zwei Kugeln 4 desselben bewegt.
Der Träger 10 ist mittels zweier Blattfedern 16 und 17 auf einem Wagen 18 so gelagert, dass die Teile 10, 16, 17 und 18 ein Parallelogramm bilden und der Träger 10 parallel zum Massstab auslenkbar ist. Eine Nase 19 des Trägers 10 greift zwischen die beiden Halter 20 und 21 des Wagens 18. Sie beaufschlagt zwei Messtaster 22 und 23, die einander gegenüberliegend an den Haltern 20 bzw. 21 angebracht sind. Die Messtaster 22 und 23 stehen mit Messuhren 24 und 25 in Wirkverbindung, die an geeigneter Stelle der Ablesevorrichtung 5 angebracht sind und die Auslenkung des Halters 10 und somit des Tastkörpers 7 parallel zum Massstab anneigen.
Der Wagen 18 ist, wie durch die Rollen 26 angedeutet, im Gehäuse 6 parallel zum Masstab verschiebbar gelagert. Eine Feder 27, die zwischen der Gehäusewand und dem Wagen 18 angebracht ist, drückt den Wagen 18 nach links, damit sein An ; schlag 28 auf die noch zu beschreibende Endmasse trifft. Im Wagen 18 befindet sich ein Zylinder 29, in dem ein Kolben 30 gleitet. Leitet man Druckluft in den Zylinder 29, so tritt der Kolben nach links aus und trifft auf einen Vorsprung 31 der Gehäusewand, worauf der Wagen 18 gegen die Kraft der Feder 27 nach rechts verschoben und dadurch sein Anschlag 28 von den Endmassen abgehoben wird.
Die Lage des Wagens 18 relativ zum Maschinengestell 2 ist mittels Endmassen festlegbar, deren Anordnung nachfolgend beschrieben ist. In der Aussenwand des Gehäuses 6 und in dem bereits erwähnten.
Vorsprung 31 der Gehäusewand ist eine Achse 32 parallel zum Masstab gelagert. Die Achse 32 trägt die frei drehbar und längs verschiebbar auf ihr angeordneten Schalttrommeln 33 und 34. Die Schalttrommel 33 ist durch eine Feder 35 nach rechts belastet, die sich an einer Schulter der Achse 32 abstützt. In gleicher Weise ist die Schalttrommel 34 durch eine Feder 36 belastet. Auf der Schalttrommel 33 sind auf einem Teilkreis vorzugsweise zehn Endmasse gleichmässig verteilt angeordnet. Der Übersichtlichkeit halber sind nur zwei Endmasse 37 und 38 dargestellt. Die linken Enden der Endmasse liegen in einer zur Achse 32 senkrechten Ebene. Die Länge der Endmasse ist gleichmässig, z.
B. von Millimeter zu Millimeter abgestuft. Ebenso wie auf der Schalttrormnel 33 sind auf der Schalttrommel 34 vorzugsweise zehn End masse e angeordnet, wobei wiederum nur zwei, die Endmasse 39 und 40, dargestellt sind. Der Durch- messer des Teilkreises, auf dem die zuletzt genannten Endmasse gleichmässig verteilt angeordnet sind, ist derselbe wie derjenige des Teilkreises auf der Schalttrommel 33. Die linken Enden der auf der Schalt trommel 34 angeordneten Endmasse liegen in einer Ebene senkrecht zur Achse 32. Die Endmasse dieser Schalttrommel sind der Länge nach abgestuft z.B. mit jeweils 1/10 raln Längenunterschied.
In einem Abstand von der Achse 32, der dem Durchmesser der vorerwähnten Teilkreise gleich ist, befindet sich eine dieser Achse parallele Achse 41. Sie ist in der Gehäuseaussenwand und einer Gehäuseinnenwand 42 gelagert und trägt Schalttrommeln 43 und 44, die frei drehbar und längs verschiebbar angeordnet sind.
Die Schalttrommeln 43 und 44 sind wie die bereits beschriebenen Schalttrommeln 33 und 34 durch Federn 49 und 50 belastet. Auf der Schalttrommel 43 sind vorzugsweise zehn Endmasse mit einem Län genunterschied von jeweils 1/1000 mm gleichmässig auf einem Teilkreis angeordnet, dessen Durchmesser der gleiche ist wie diejenigen der schon beschriebenen Trommeln. Von den Endmassen, die sich auf der Schalttrommel 43 befinden, sind wiederum nur zwei, nämlich die mit 45 und 46 bezeichneten dargestellt.
Auch auf der Schalttrommel 44 befinden sich vorzugsweise zehn Endmasse, die einen Längenunterschied von 1/100 mm aufweisen. Von diesen End massen sind nur die mit 47 und 48 bezeichneten sichtbar. Der Teilkreis, auf dem diese Endmasse angeordnet sind, hat den gleichen Durchmesser wie die bereits erwähnten Teilkreise. In der Mitte zwischen den Lagerstellen der Achsen 32 und 41 ist ein An schlag 51 in der Wand des Gehäuses 6 befestigt. Gegen diesen Anschlag kann sich das jeweils vor ihm befindliche Endmass der Schalttrommel 43 abstützen.
An diesem Endmass liegt Idas in die Achse des Anschlags 51 gebrachte Endmass der Schalttrommel 34, dann folgt das entsprechende Endmass der Schalttrommel 44 und dasjenige der Schalttrommel 33, an welchem der Anschlag 28 des Wagens 18 un ter der Kraft der Feder r 27 anliegt. Dabei überwindet die Feder 27 die Summe der Kräfte, die von den Federn 35, 36, 49 und 50 ausgeübt wird. Wird dagegen in den Zylinder 29 Druckluft geleitet und dadurch der Anschlag 28 des Wagens 18 von den Endmassen abgehoben, so bewegt jede der Federn 35, 36, 49 und 50 die von ihr beaufschlagte Schalttrommel nach rechts bis an die jeweilige Anschlagschulter der Achsen 32 und 41. Hierdurch heben die Endmasse voneinander ab und die Schalttrommeln können gedreht werden, ohne dass die Endmasse beschädigt werden.
Bevor die beschriebene Positioniervorrichtung in Gebrauch genommen wird, stellt man die Messtaster 22 und 23 so ein, dass die Messuhren 24 und 25 in der Ruhelage des Trägers 10 gleiche Werte, zweckmässig den Nullwert anzeigen. Für ihre Funktion ist es belanglos, ob die Messtaster mechanisch, elektrisch, elektronisch oder pneumatisch arbeiten. Es ist natürlich zweckmässig, an dieser Stelle Messysteme zu verwenden, die in der Lage sind, der Antriebseinrichtung des Schlittens 1 Steuerimpulse zu geben.
Anhand eines Zahlenbeispiels werden nunmehr die für die Positionierung des Schlittens 1 vorzunehmenden Operationen beschrieben, wobei für die Position des Schlittens die Koordinate 16,384 mm verlangt sei. Um die hierfür notwendige Kombination der Endmasse zusammenstellen zu können, ist es notwendig, die Endmasse von dem Druck zu entlasten, der von der Feder 27 auf sie ausgeübt wird. Zu diesem Zweck leitet man Druckluft in den Zylinder 29 des Wagens 18. Dadurch verschiebt sich der Kol- ben 30 im Zylinder 29, trifft auf den Vorsprung 31 des Gehäuses 6 und schiebt den Wagen 18 nach rechts.
Die Kraft der die Schalttrommeln 33, 34, 43 und 44 belastenden Federn wird somit frei, so dass die Schalttrommeln nach rechts gegen die entsprechenden Schultern der Achsen 32 bzw. 41 geführt werden und jede Schalttrommel für sich frei drehbar ist. Nun werden das Endmass 0,004 mm der Schalttrommel 43, das Endmass 0,3 mm der Schalttrommel 34, das Endmass 0,08 mm der Schalttrommel 44 und das Endmass 6,0 mm der Schalttrommel 33 in die Achse des Anschlags 51 gedreht. Daraufhin lässt man die im Zylinder 29 befindliche Druckluft ent weichen, so dass die Kraft der Feder 27 den Wagen 18 nach links führt, bis sein Anschlag 28 auf das ihm benachbarte Endmass trifft.
Da die Kraft der Feder 27 die Summe der von den Federn 35, 36, 49 und 50 auf die Schalttrommeln ausgeübten Kräfte übersteigt, werden alle soeben in Gebrauchstellung gebrachten Endmasse nach links verschoben. Damit ist die Anlage der Endmasse untereinander als auch diejenige des ersten Endmasses am ortsfesten Anschlag 51 und des letzten Endmasses am Anschlag 28 des Wagens 18 hergestellt und der auf dem Wagen befestigte Tastkörper 7 hat relativ zum Maschinengestell 2 die Position 6,384 mm. Daraufhin wird die in der Mitte zwischen zwei Kugeln 4 liegende Koordinate 20,0 mm des Schlittens 1 auf die Mitte des Tastkörpers 7 eingestellt, wobei infolge der federnden Aufhängung des den Tastkörper 7 tragenden Halters 10 Abweichungen von +20 mm zulässig sind.
Durch Druckluft, die in den Zylinder 15 eingeleitet wird, wird der Kolben 14 und der an ihm befestigte Anschlag 13 verschoben, wodurch der Tastkörper 7 senkrecht zum Massstab bis zum Anschlag an den beiden ihm gegenüberliegenden Kugeln 4 geführt wird. Infolge der nur grob vorgenommenen Positionierung des Schlittens 1 ergibt sich dabei eine Verschiebung des Tastkörpers und somit des Halters 10 parallel zum Massstab.
Diese Verschiebung wird von den Messtastern 22 und 23 abgetastet und auf den Messuhren 24 und 25 angezeigt. Die Position des Schlittens 1 ist nun soweit nachzuregeln, bis auf den Messuhren erkennbar ist, dass das aus den Teilen 10, 16, 17 und 18 bestehende Feder-Parallelogramm und somit der Tastkörper 7 die Nullage wieder erreicht hat. Damit ist der Schlitten 1 auf die verlangte Koordinate 26,384 mm eingestellt.
Obwohl es ohne weiteres möglich ist, die erwähnten Operationen von Hand auszuführen, ist es zweckmässig, hierfür die bekannten Mittel der numerischen Steuerung z. B. Lochkarte, Lochband oder Magnetband zu verwenden. Insbesondere ist es zweckmässig, die Betätigung der Schalttrommeln 33, 34, 43 und 44 mittels einer pneumatischen Fernbedienurrgsanlage vorzunehmen. Eine solche Anlage ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Betätigung der Schalttrommel 43 als Beispiel gewählt ist. Mit der auf der Achse 41 drehbaren Schalttrommel 43 sind ein Schaltrad 52 und eine Rastscheibe 53 drehfest verbunden.
Die Rasten 54 der Rastscheibe, die in gleicher Anzahl und winkelgleich mit den Zähnen des Schaltrads 52 und den auf der Schalttrommel befindlichen Endmassen angeordnet sind, dienen zum Fixieren, der Schalttrommel 43 in der eingestellten Lage mittels einer Rastkugel 55. Diese Kugel ist an einer Blattfeder 56 befestigt, die ihrerseits im Gehäuse 6 angeordnet ist. Zur Zusammenarbeit mit den Zähnen des Schaltrads 52 ist ein Stöpsel 57 vorgesehen, der an einem Kolben 58 befestigt ist. Dieser Kolben befindet sich in einem an der Wand des Gehäuses 6 befestigten Zylinder 59 und ist durch eine Rückstellfeder 60 belastet.
Durch Einleiten von Druckluft in den Zylinder 59 wird der Kolben nach rechts geschoben, so dass das Schaltrad 52 und somit die Schalttrommel 43 um einen Schaltschritt im Uhrzeigersinn gedreht werden. Die neue Lage der Schalttrommel wird darauf ebenso wie ihre vorhergehende durch Einfallen der Rastkugel 55 in die nächste Rast 54 gesichert. Die zum Betätigen des Kolbens 58 erforderliche Druckluft wird dem Zylinder 59 durch eine Leitung 61 zugeführt, die an ein DreiwegeVentil 62 angeschlossen ist. Der zweite Anschluss des Dreiwage-Ventils 62 führt zu der Druckluft-Versorgungsleitung 63, während der dritte, nicht gezeichnete Weg ins Freie führt. Zur Steuerung des Dreiwege-Ventils 62 ist ein Schaltrad 64 vorgesehen, das mittels des Handrads 65 zu bedienen ist.
Das Schaltrad 64 weist die gleiche Zähnezahl auf wie das Schaltrad 52 und ist drehfest mit der Anzeigescheibe 66 und dem Handrad 65 verbunden. Das Schaltrad 64, das Handrad 65 und die Anzeigescheibe 66 sind in einem am Gehäuse 6 befindlichen Lagerbock 67 gelagert. Der Betätigungshebel 68 des Dreiwege-Ventils 62 ist an seinem freien Ende mit einer Rolle 69 versehen, die auf dem Umfang des Schaltrads 64 abrollen kann. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, dass bei jeder Drehung des Schaltrads 64 um einen Schaltschritt, der nur im Uhrzeigersinn möglich ist, der Hebel 68 entgegen dem Uhrzeigersinn geschwenkt wird, um dann in die dargestellte Lage zurückzufalIen.
Dabei wird zunächst die Verbindung zwischen der Druckluft-Versorgungsleitung 63 und der Leitung 61 hergestellt, so dass Druckluft in den Zylinder 59 einströmt und der am Kolben 58 befestigte Stössel 57 das Schaltrad 52 und somit die Schalttrommel 43 einen Schaltschritt weiterdreht.
Beim Rückgang des Hebels 68 wird gleichzeitig die Druckluft-Versorgungsleitung 63 abgesperrt und die Leitung 61 mit der Atmosphäre verbunden, so dass die Rückholfeder 60 den Kolben 58 und den Stössel 57 in die Ruhelage zurückführen kann. Auf der Anzeigescheibe 66 sind den Längen der auf der Schalttrommel 43 angeordneten Endmasse entsprechend Markierungen angebracht, so dass an einer ortsfesten Marke 70 abgelesen werden kann, welches der Endi- masse sich in Gebrauchslage befindet.
Die beschriebene Positioniervorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, dessen Prinzip vom Bedienungspersonal leicht übersehen werden kann. Fehlbedienungen sind aus diesem Grunde nahezu ausgeschlossen. Der Wartungsaufwand zur Instandhaltung der Vorrichtung ist äusserst gering, wobei die Wartung von jedem Feinmechaniker vorgenommen werden kann. Bei der Präzision, mit der die zur Messung der Schlittenposition verwendeten Kugeln, Zylinder und Endmasse hergestellt werden können, lässt sich ohne weiteres eine Positionierge nauigkeit von 1/1000 mm erreichen.
Die Positioniervorrichtung bietet weiterhin die Möglichkeit, durch Verwendung der für die numerische Steuerung üblichen Mittel jeden beliebigen Ausbau vorzunehmen, um ; eine weitgehende oder die völlige Automatisie- rung des Positioniervorganges zu erreichen.