DD209765B5

DD209765B5 - Device for compensating thermally induced changes in length of work spindles

Info

Publication number: DD209765B5
Application number: DD24278582A
Authority: DD
Inventors: Manfred Dr Ing Fischer; Joachim Risser
Original assignee: Union Werkzeugmaschinenfabrik
Priority date: 1982-08-25
Filing date: 1982-08-25
Publication date: 1994-09-08
Also published as: DD209765A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

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.The invention relates to rotating work spindles, in particular of numerically controlled machine tools whose axial bearing can not be arranged in the immediate vicinity of the tool or workpiece holder, so that thermally induced changes in distance between axial bearing and tool or workpiece holder affect the machining accuracy.

Characteristic of the known technical solutions

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.In a machine with a rotating work spindle, the axial bearing is not arranged in the immediate vicinity of the tool or workpiece holder, known thermally induced displacements of the spindle head, which are caused by the heat generated during the machining and / or in the transmission. The thermally induced displacement of the spindle head is subject to variable influencing variables strong temporal variations and in particular the performance stresses lagging in time. As a result, especially at a transition from high-performance pre-processing on workpieces and subsequent precision processing with lower power consumption, the impact of this shift change of great disadvantage in terms of machining accuracy. Due to the different conditions of influence also a consideration of the thermal strains in the machine control program is not possible.

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.Therefore, solutions have already been proposed which are designed to keep the temperature of the oil circuit constant in the headstock surrounding the work spindle. For example, according to DE-AS 1 957974, the coolant temperature in the headstock is kept constant by a temperature control device.

Gemäß DE-OS 2055562 werden alle toleranzempfindlichen Teile der Maschine von einem temperaturausgleichenden Medium durchflossen.According to DE-OS 2055562 all tolerance-sensitive parts of the machine are traversed by a temperature-compensating medium.

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.According to DE-OS No. 1 218 251, a control device is used to keep the temperature difference between machine parts constant, which regulates the flow rate of a medium flowing through the machine parts through heat exchangers which are assigned to each of the machine parts.

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.A disadvantage of these solutions is that the cooling of the media flowing through high energy consumption is required, the heat influences of the tool or. Workpiece holder can not be detected and the targeted cooling of the work spindle can not be achieved uniformly over the entire length.

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.Another known solution (DE-AS 2450322) provides for the compensation of the thermal expansion of a machine part before the use of a heat expansion rod. However, the arrangement is not possible in particular on long rotating work spindles and does not detect all occurring different heat influences.

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.According to CH-PS 489328 the connection of a single temperature sensor is proposed with a part of the numerical measuring system. Again, the different thermal influences and conditions in the spindle are detected only different. In addition, this solution is tied to a special version of the numerical measuring system. In DD-WP 146410 a device is described in which electrical temperature sensors are arranged in or on at least two opposing frame parts, which are linked in a bridge circuit and the output of which are connected to the position-desired-value storage and position control circuits of the machine axes. This has the disadvantage that only detected in the frame parts thermal deformations detected and the influences are not taken into account by the work spindle.

Object of the invention

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.The aim of the invention is to fully detect the thermal changes in length of the work spindle and thereby increase the processing accuracy of the machine over time independently of the control of the machine.

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.In this case, the temporally and spatially different thermal conditions in the work spindle, which are due to heating influences on the tool or workpiece holder and the surrounding gear, are taken into account without intensive cooling and heat exchanger device for the lubricant are required.

Explanation of the essence of the invention

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.The causes of the deficiencies of the already known solutions arise from the hitherto regarded as necessary adherence to a certain temperature level of the work spindle surrounding parts, the neglect of the influence of heat from the tool or workpiece holder or the fundamental neglect of the thermal expansion of the work spindle against the thermal Deformation of the frame parts.

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.The object of the invention is to provide a device which detects the thermal state of the work spindle, without influencing this, metrologically and ensures an adequate influence of the effective in the spindle longitudinal direction of the drive system and the associated position control loop on the automatic control. According to the invention the object is achieved in that the temperature sensors are arranged on the influence of thermal effects length of the work spindle and installed in the work spindle. The invention avoids the effect of the thermal change in length of the work spindle on the machining result. It is expedient to arrange over the thermally influenced length of the work spindle arranged Temperaturmeßgeber in grooves on boundary surfaces of Paßfedernuten, in surface grooves, in holes or on the inner wall of the work spindle.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show

Fig. 1: eine Anordnung von Temperaturmeßgebern 2 (Meßwiderstände) in einer Waagerecht- Bohr- und Fräsmaschine mit verstellbarer Arbeitsspindel 11: an arrangement of temperature sensors 2 (measuring resistors) in a horizontal drilling and milling machine with adjustable work spindle. 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 1.3 shows a circuit arrangement for connecting a resistance wire 18 as a temperature measuring transducer 2 to the work spindle 1. FIG.

In der Arbeitsspindel 1 einer Waagerecht-, Bohr- und Fräsmaschine sind über die von Wärmeeinwirkungen beeinflußte Länge als Temperaturmeßgeber 2 Meßwiderstände angebracht.In the work spindle 1 a horizontal, drilling and milling machine 2 measuring resistors are mounted on the affected by heat effects length as Temperaturmeßgeber.

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.This measuring resistors can be mounted according to the invention at different points of the work spindle 1. Section A-A of Fig. 1 shows a first arrangement of the Temperaturmeßgeber 2 (measuring resistors) in two grooves 3, which are incorporated in the Faßfedernuten 4 and encapsulated by plastic material. Section B-B shows a further arrangement of the Temperaturmeßgeber 2 (measuring resistors) in two surface grooves 5, which are mounted directly on the surface of the work spindle 1.

Schnitt C-C zeigt eine weitere Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) an der Innenwand einer längsdurchbohrten Arbeitsspindel 1.Section C-C shows a further arrangement of the Temperaturmeßgeber 2 (measuring resistors) on the inner wall of a longitudinally-drilled work spindle first

Im Schnitt D-D der Fig. 1 ist die Anordnung der Temperaturmeßgeber 2 (Meßwiderstände) in achsparallel verlaufenden Bohrungen 6 der Arbeitsspindel 1 dargestellt.In section D-D of Fig. 1, the arrangement of the temperature measuring 2 (measuring resistors) in axially parallel holes 6 of the work spindle 1 is shown.

Bei allen Anordnungen können eine oder mehrere Nuten 3, Oberflächennuten 5 bzw. Bohrungen 6 angebracht sein.In all arrangements, one or more grooves 3, surface grooves 5 or holes 6 may be attached.

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.The electrical connection of temperature transmitter 2 is via slip rings? and brushes 8 connected to a measuring electronics 9. This outputs a signal via the controller 10 to the position control part 11, with the correction signal output 12 of the drive motor 13 is connected. The drive motor 13 adjusted via the threaded spindle 14 and the spindle nut 15 and the thrust bearing 16, the work spindle 1 in the axial direction.

Die Rückmeldung über den Betrag der Verstellung erfolgt durch das Meßsystem 17 zum Lageregelungsteil 11.The feedback about the amount of adjustment is carried out by the measuring system 17 to the position control part 11th

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung für die einzelnen Temperaturmeßgeber 2 in Form einer Reihenschaltung.Fig. 2 shows an electrical circuit arrangement for the individual Temperaturmeßgeber 2 in the form of a series circuit.

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.3 shows a further electrical circuit arrangement with resistance wire 18, which is inserted instead of individual measuring resistors on the part of the work spindle 1 influenced by heat effects.

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.Depending on the size of the change in temperature and their spatial extent over the work spindle 1, the temperature transmitter 2 are affected and delivered in the chain of effects a signal to the controller 10 and the position control part 11, thereby achieving a correction of the thermal expansion of the work spindle 1. In the exemplary embodiment, the drive motor 13 is connected via the threaded spindle 14 with the spindle nut 12 and the thrust bearing 16 of the work spindle 1.

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.The solution according to the invention also includes embodiments in which the feed motor is not the adjustment of the work spindle 1, but another, effective in the same direction axis, z. B. the adjustable in the same direction workpiece carrier causes.

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.The advantage of the solution according to the invention consists in the fact that the correction of the thermal expansions with the switching on of the machine and regardless of the current position of the work spindle 1 in the headstock of the machine tool is effective. The correction of the thermal expansion is achieved without additional energy expense for cooling the transmission.

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.The solution according to the invention excludes the use of any temperature sensors 2, e.g. in the form of resistance sensors with positive or negative temperature coefficients (PTC, NTC resistors, thermistors) or thermocouples with one. Furthermore, the solution according to the invention includes other known types of signal transmission from those with the work spindle! circulating Temperaturmeßgebern 2 to the fixed part of the measuring electronics 9 by means of non-contact inductive, capacitive, optical or opto-electronic elements, for. B. by means of non-contact rotary transformer or radio equipment with a.

Claims

1. means for compensating thermally induced changes in length of work spindles in numerically controlled machine tools, the work spindle thrust bearing is not located in the immediate vicinity of the tool / workpiece holder, with temperature sensors for thermal condition detection, which are connected via measuring electronics and the numerical control with a position control part, said the correction signal output of the position control part is connected to the drive motor arranged for the longitudinal adjustment of the work spindle, characterized in that the temperature sensors (2) are arranged over the length of the work spindle (1) influenced by thermal influences and incorporated in the work spindle (1).

2. Device according to claim 1, characterized in that over the thermally influenced length of the work spindle (1) arranged Temperaturmeßgeber (2) in

a) grooves (3) on boundary surfaces of parallel keyways (4),

b) surface grooves (5),

c) bores (6) or on the inner wall of the work spindle (1) are arranged.