DD209765B5 - Einrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Laengenaenderungen von Arbeitsspindeln - Google Patents

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft rotierende Arbeitsspindeln, insbesondere von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, deren Axiallagerung nicht in unmittelbarer Nähe der Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme angeordnet werden kann, so daß thermisch bedingte Abstandsänderungen zwischen Axiallagerung und Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In einer Maschine mit rotierender Arbeitsspindel, deren Axiallagerung nicht in unmittelbarer Nähe der Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme angeordnet ist, treten bekanntlich thermisch bedingte Verlagerungen des Spindelkopfes auf, die durch die bei der Zerspanung und/oder im Getriebe entstehende Wärme hervorgerufen werden. Die thermisch bedingte Verlagerung des Spindelkopfes ist durch veränderliche Einflußgrößen starken zeitlichen Schwankungen unterworfen und insbesondere den Leistungsbeanspruchungen zeitlich nacheilend. Dadurch sind besonders bei einem Übergang von leistungsintensiver Vorbearbeitung an Werkstücken und anschließender Genauigkeitsbearbeitung mit geringerer Leistungs-Inanspruchnahme die Auswirkungen dieser Verlagerungsänderung von großem Nachteil bezüglich der Bearbeitungsgenauigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Einflußbedingungen ist auch eine Berücksichtigung derthermischen Dehnungen im Maschinen-Steuerprogramm nicht möglich.

Es wurden daher bereits Lösungen vorgeschlagen, die daraufgerichtet sind, die Temperatur des Ölkreislaufes im die Arbeitsspindel umgebenden Spindelstock konstant zu halten. Zum Beispiel wird gemäß DE-AS 1 957974 die Kühlmitteltemperatur im Spindelstock durch eine Temperatur-Regeleinrichtung konstant gehalten.

Gemäß DE-OS 2055562 werden alle toleranzempfindlichen Teile der Maschine von einem temperaturausgleichenden Medium durchflossen.

Nach DE-OS 1 218251 w'irdzum Konstanthalten der Temperaturdifferenz zwischen Maschinenteilen eine Regeleinrichtung eingesetzt, die die Durchflußmenge eines die Maschinenteile durchströmenden Mediums durch Wärmetauscher regelt, die jedem der Maschinenteile zugeordnet sind.

Nachteilig an diesen Lösungen ist, daß zur Kühlung der durchströmenden Medien hoher Energieaufwand erforderlich ist, die Wärmeeinflüsse von der Werkzeug-bzw. Werkstückaufnahme nicht erfaßt werden können und die gezielte Kühlung der Arbeitsspindel nicht gleichmäßig über deren gesamte Länge erreicht werden kann.

Eine weitere bekannte Lösung (DE-AS 2450322) sieht zur Kompensation der Wärmedehnung eines Maschinenteiles den Einsatz eines Wärmedehnstabes vor. Die Anordnung ist jedoch insbesondere an langen rotierenden Arbeitsspindeln nicht möglich und erfaßt auch nicht alle auftretenden verschiedenen Wärmeeinflüsse.

Nach CH-PS 489328 wird die Verbindung eines einzelnen Temperaturgebers mit einem Teil des numerischen Meßsystems vorgeschlagen. Auch hierbei werden die unterschiedlichen thermischen Einflüsse und Zustände in der Spindel nur unterschiedlich erfaßt. Außerdem ist diese Lösung an eine spezielle Ausführung des numerischen Meßsystems gebunden. Im DD-WP 146410 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der in oder an mindestens zwei einander gegenüberliegenden Gestellteilen elektrische Temperaturmeßgeber angeordnet sind, die in einer Brückenschaltung verknüpft und deren Ausgang mit den Lage-Soll-Wert-Speichern und Lageregelkreisen der Maschinenachsen verbunden sind. Hierbei ist von Nachteil, daß nur die in den Gestellteilen entstehenden thermischen Verformungen erfaßt und die Einflüsse durch die Arbeitsspindel nicht berücksichtigt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die thermischen Längenänderungen der Arbeitsspindel vollständig zu erfassen und dadurch über die Steuerung der Maschine deren Bearbeitungsgenauigkeit zeitunabhängig zu erhöhen.

Dabei sollen die zeitlich und örtlich verschiedenen thermischen Zustände in der Arbeitsspindel, die durch Erwärmungseinflüsse über die Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme als auch vom umgebenden Getriebe bedingt sind, berücksichtigt werden, ohne daß intensive Kühl- und Wärmetauscher-Einrichtung für das Schmiermittel erforderlich sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen ergeben sich aus der bisher als notwendig erachteten Einhaltung eines bestimmten Temperaturniveaus der die Arbeitsspindel umgebenden Teile, der Vernachlässigung des Wärmeeinflusses von der Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme bzw. der grundsätzlichen Vernachlässigung der thermischen Dehnung der Arbeitsspindel gegenüber der thermischen Deformation der Gestellteile.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die den thermischen Zustand der Arbeitsspindel, ohne diesen zu beeinflussen, meßtechnisch erfaßt und über die automatische Steuerung eine adäquate Beeinflussung des in der Spindellängsrichtung wirksamen Antriebssystems und des zugehörigen Lageregelkreises gewährleistet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Temperaturmeßgeber über die von thermischen Einwirkungen beeinflußte Länge der Arbeitsspindel angeordnet und in die Arbeitsspindel eingebaut sind. Durch die Erfindung wird die Auswirkung der thermischen Längenänderung der Arbeitsspindel auf das Bearbeitungsergebnis vermieden. Zweckmäßig ist es, die über die thermisch beeinflußte Länge der Arbeitsspindel angeordneten Temperaturmeßgeber in Nuten an Begrenzungsflächen von Paßfedernuten, in Oberflächennuten, in Bohrungen oder an der Innenwand der Arbeitsspindel anzuordnen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Anordnung von Temperaturmeßgebern 2 (Meßwiderstände) in einer Waagerecht- Bohr- und Fräsmaschine mit verstellbarer Arbeitsspindel 1

Fig. 2: eine Schaltungsanordnung zur Verbindung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) der Arbeitsspindel 1 Fig.3: eine Schaltungsanordnung zum Anschluß eines Widerstandsdrahtes 18 als Temperaturmeßgeber 2 an der Arbeitsspindel 1.

In der Arbeitsspindel 1 einer Waagerecht-, Bohr- und Fräsmaschine sind über die von Wärmeeinwirkungen beeinflußte Länge als Temperaturmeßgeber 2 Meßwiderstände angebracht.

Diese Meßwiderstände können erfindungsgemäß an verschiedenen Stellen der Arbeitsspindel 1 angebracht sein. Schnitt A-A der Fig. 1 zeigt eine erste Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) in zwei Nuten 3, die in die Paßfedernuten 4 eingearbeitet sind und mittels Plastwerkstoff vergossen sind. Schnitt B-B zeigt eine weitere Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) in zwei Oberflächennuten 5, die unmittelbar an der Oberfläche der Arbeitsspindel 1 angebracht sind.

Schnitt C-C zeigt eine weitere Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) an der Innenwand einer längsdurchbohrten Arbeitsspindel 1.

Im Schnitt D-D der Fig. 1 ist die Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) in achsparallel verlaufenden Bohrungen 6 der Arbeitsspindel 1 dargestellt.

Bei allen Anordnungen können eine oder mehrere Nuten 3, Oberflächennuten 5 bzw. Bohrungen 6 angebracht sein.

Der elektrische Anschluß der Temperaturmeßgeber 2 ist über Schleifringe? und Schleifbürsten 8 mit einer Meßelektronik 9 verbunden. Diese gibt ein Signal über die Steuerung 10 an den Lageregelungsteil 11 ab, mit dessen Korrektursignal-Ausgang 12 der Antriebsmotor 13 verbunden ist. Der Antriebsmotor 13 verstellt über die Gewindespindel 14 sowie die Spindelmutter 15 und das Axiallager 16 die Arbeitsspindel 1 in axialer Richtung.

Die Rückmeldung über den Betrag der Verstellung erfolgt durch das Meßsystem 17 zum Lageregelungsteil 11.

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung für die einzelnen Temperaturmeßgeber 2 in Form einer Reihenschaltung.

Fig.3 zeigt eine weitere elektrische Schaltungsanordnung mit Widerstandsdraht 18, der anstatt von einzelnen Meßwiderständen über den von Wärmeeinwirkungen beeinflußten Teil der Arbeitsspindel 1 in diese eingelegt ist.

Je nach Größe der Temperaturänderung und deren räumlicher Ausdehnung über der Arbeitsspindel 1 werden die Temperaturmeßgeber 2 beeinflußt und in der Wirkungskette ein Signal an die Steuerung 10 sowie das Lageregelungsteil 11 abgegeben und dadurch eine Korrektur der thermischen Dehnung der Arbeitsspindel 1 erreicht. Im Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor 13 über die Gewindespindel 14 mit der Spindelmutter 12 und dem Axiallager 16 der Arbeitsspindel 1 verbunden.

Die erfindungsgemäße Lösung schließt auch Ausführungen mit ein, bei dem der Vorschubmotor nicht die Verstellung der Arbeitsspindel 1, sondern einer anderen, in gleicher Richtung wirksamen Achse, z. B. den in gleicher Richtung verstellbaren Werkstückträger, bewirkt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht vor allem darin, daß die Korrektur der thermischen Dehnungen mit dem Einschalten der Maschine und unabhängig von der momentanen Stellung der Arbeitsspindel 1 im Spindelstock der Werkzeugmaschine wirksam wird. Die Korrektur der thermischen Dehnung wird ohne zusätzlichen energetischen Aufwand zur Kühlung des Getriebes erreicht.

Die erfindungsgemäße Lösung schließt den Einsatz beliebiger Temperaturmeßgeber 2, z.B. in Form von Widerstandsgebern mit positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten (PTC-, NTC-Widerstände, Thermistoren) oder Thermoelementen mit ein. Weiterhin schließt die erfindungsgemäße Lösung andere bekannte Ausführungen der Signalübertragung von den mit der Arbeitsspindel! umlaufenden Temperaturmeßgebern 2 zu dem feststehenden Teil der Meßelektronik 9 mittels berührungsloser induktiver, kapazitiver, optischer oder optoelektronischer Elemente, z. B. mittels berührungsloser Drehübertrager oder funktechnischer Einrichtungen mit ein.

Claims (2)

1. Einrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Längenänderungen von Arbeitsspindeln in numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, deren Arbeitsspindel-Axiallagerung nicht in unmittelbarer Nähe der Werkzeug/Werkstückaufnahme angeordnet ist, mit Temperaturmeßgebern zur thermischen Zustandserfassung, die über Meßelektronik und die numerische Steuerung mit einem Lageregelungsteil verbunden sind, wobei der Korrektursignalausgang des Lageregelungsteiles mit dem für die Längsverstellung der Arbeitsspindel angeordneten Antriebsmotor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßgeber (2) über die von thermischen Einwirkungen beeinflußte Länge der Arbeitsspindel (1) angeordnet und in die Arbeitsspindel (1) eingebaut sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über die thermisch beeinflußte Länge der Arbeitsspindel (1) angeordneten Temperaturmeßgeber (2) in

a) Nuten (3) an Begrenzungsflächen von Paßfedernuten (4),

b) Oberflächennuten (5),

c) Bohrungen (6) oder an der Innenwand der Arbeitsspindel (1) angeordnet sind.