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Steuereinrichtung für Nachformwerkzeugmaschinen, insbesondere Fräsmaschinen
Es ist bekannt, mit Hilfe von Lichtstrahlen und Fotozellen Nachformeinrichtungen
zu steuern. Mit dieser masselosen Fühlereinrichtung lassen sich Konturen nachformen,
die in einer Ebene liegen; es läßt sich damit z. B. das sogenannte Umrißfräsen ausführen.
Bewegungen des Werkzeuges von und zum Werkstück in Richtung der Werkzeugspindel
bzw. des Lichtstrahles zu steuern, ist nicht möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, auch diese Nachformbewegungen mittels eines masselosen Fühlers zu ermöglichen.
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß sich fast alle Wellen bündeln lassen
und zu Entfernungsmessungen zu benutzen sind. Es kann sich dabei um elektrische
Wellen, z. B. Radar, als auch um Schallwellen, z. B. Ultraschall, handeln. Es ist
bekannt, Ultraschallwellen zur Werkstoffprüfung in der Weise anzuwenden, daß Schallimpulse
durch das Werkstück gesandt und die Laufzeit dieser Schallimpulse gemessen oder
sichtbar gemacht wird. Dabei sind ein Schallsender und ein Schallempfänger vorgesehen,
oder der Schallsender dient auch als Schallempfänger. Diese Einrichtungen werden
zum Messen von Materialstärken oder auch zum Feststellen von Fehlern benutzt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mit dem Werkzeugschlitten gleichlaufend
einen Ultraschallgeber und -empfänger, z. B. ein Ultraschallinterferometer, anzuordnen,
das das Modell abtastet und die Entfernungsänderungen zwischen Ultraschallgerät
und Modell als Stromänderungen wiedergibt, die über Verstärkereinrichtungen Verstelleinrichtungen,
wie Elektromotor oder Kupplungen, betätigt. Vorteilhaft kann die Anordnung so getroffen
sein, daß, mit der Werkzeugspindel gekuppelt, ein Ultraschallgeber und -empfänger,
z. B. ein Ultraschallinterferometer, angeordnet ist, das das Modell abtastet und
die Entfernungsänderungen zwischen Ultraschallgerät und Modell als Stromänderungen
wiedergibt, die über Brückenschaltung und Verstärkereinrichtung Verstelleinrichtungen,
wie Elektromotor oder Kupplungen, betätigt, welche das Ultraschallgerät und den
damit gleichlaufend verbundenen Werkzeugschlitten verschieben, bis die Brücke wieder
im Gleichgewicht und damit die ursprüngliche Stellung vom Ultraschallgerät zum Modell
wiederhergestellt ist. Damit ist es möglich gemacht, auch mit massenlosem Fühler
Konturen nachzuformen, die in Achsenrichtung der Werkzeugspindel von der Geraden
abweichen. Nachformfräsmaschinen, besonders für größere Werkstücke, neigen infolge
ihrer hohen oder ausladenden Bauart zum Schwingen. Schon aus diesem Grunde ist es
schwierig, eine hohe Arbeitsgenauigkeit zu erreichen. Die Schwingungen können den
Fühler beeinflussen. Man ist deshalb bestrebt, die Fühlspindel und den Taster selbst
möglichst leicht zu halten, um Kommandos zu vermeiden, die nicht durch das Modell
bedingt sind. Die Genauigkeit wird nicht in der z. B. beim Nachformdrehen verlangten
Höhe erwartet, da die Werkstücke, wie z. B. Gesenke, in der Regel Zeile für Zeile
gefräst werden und infolgedessen schon durch die Form des Fräsers Unebenheiten aufweisen,
die nachträglich weggearbeitet werden müssen. Die Nachformgenanigkeit läßt sich
durch die Wahl der Frequenz der Ultraschallwellen und die Wahl der Größe der elektrischen
Verstärkung regeln.
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Die Einrichtung kann erfindungsgemäß auch so ausgebildet sein, daß
mit dem Werkzeugschlitten gleichlaufend ein Ultraschallsender und -empfänger, z.
B. ein Interferometer, angeordnet ist, das das Modell abtastet und ein zweiter Ultraschallsender
und -empfänger, der die Axialbewegung der schiebbaren Werkzeugspindel abtastet,
wobei beide Ultraschallgeräte über eine- Brückenschaltung und Verstärkereinrichtung
derart zusammenarbeiten, daß durch Veränderungen des Abstandes der Schallquelle
vom Modell eine Verstelleinrichtung in Tätigkeit gesetzt wird, die eine dieser Veränderung
entsprechende Längsverschiebung der Werkzeugspindel bewirkt. Durch diese Maßnahme
ist es möglich, die: das Modell abtastende Einrichtung, wie den Werkzeugschlitten,
parallel zur Aufspannfläche vom Modell und Werkstück sich verschieben zu lassen,
während die Bewegung des Werkzeuges zum und vom Werkstück, also senkrecht zur Aufspannfläche,
lediglich von der verschiebbaren Werkzeugspindel ausgeführt wird.
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In der weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Modell auch aus
Scheiben zusammengesetzt sein,
die etwa senkrecht zur Aufspannfläche
stehen, sich in Vorschubrichtung des Werkzeuges erstrecken und in Zeilenabstand
voneinander angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich ein Modell leicht nachbilden,
wobei die Scheiben aus weichem; leicht zu bearbeitendem Material, wie z. B. Pappe,
bestehen können.
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Auch Umrißfräsen läßt sich nach dein Erfindungsgedanken ausführen,
wenn die Schablone für das Umrißfräsen eine entsprechende Stärke aufweist oder in
einem Abstand von der Auflagefläche angeordnet ist und die bei Abweichung des Schallstrahles.
von der Umrißkontur der Schablone auftretende Entfernungsänderung die Bewegung auf
die Umrißkontur zu auslöst.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt.
Es zeigt Abb. 1 die Einrichtung für gleichzeitige Verschiebung von Werkzeug und
Tasteinrichtung auf das Werkstück, Abb.2 eine Steuereinrichtung für parallele Bewegung
der Tasteinrichtung zur Aufspannfläche des Modells, Abb. 3 ein aus Scheiben gebildetes
Modell in der Draufsicht, Abb. -1 in der Seitenansicht und Abb. 5 im Schnitt, Abb.
6 eine Anordnung fürUmrißfräsen im Schnitt und in Abb. 7 im Grundriß. Mit dem Bett
1 ist der Ständer 2 verbunden, der das Werkstück 3 und das Modell 4 trägt. Diesem
gegenüber ist auf einer Führung 5 der Ständer 6 mittels eines (nicht gezeichneten)
V orschubgetriebes verschiebbar angeordnet. Der Ständer 6 weist Führungen 7 und
8 auf, auf denen ein Ständerschlitten 9 senkrecht geführt ist, der auf seiner Oberseite
waagerechte Führungen 10 trägt, die einen in Richtung auf das Werkstück verschiebbaren
Frässchlitten 11 aufnehmen. Die Frässpindel 12 mit dem Fräser 13 ist im Frässpindelschlitten
11 unverschieblich gelagert. Die Bewegungen des Ständerschlittens 9 erfolgen durch
eine mit dem Vorschubgetriebe verbundene Gewindespindel 14 und die Bewegungen des
Frässpindelschlittens 11 durch einen Elektromotor 15. ':Hit dem Frässpindelschlitten
ist ein Arm 16 verbunden, auf dem ein Gehäuse 17 mit einem Interferometer 18 verstellbar
mittels Gewindespindel 19 gelagert ist. Somit macht das Interferometer 18 dieselben
Bewegungen wie der Fräser 13. Durch die Gewindespindel 19 läßt sich die Entfernung
des Interferometers von der Achse der Frässpindel 12 ändern und die Stellung des
Werkstückes 3 zum Modell 4 ausgleichen. Das Interferometer 18 ist durch Leitungen
20 und 21 mit den Punkten 22 und 23 einer Brückenschaltung verbunden, eine Stromwelle
24 über Leitung 25 mit Punkt 22 und über eine Leitung 27 mit Punkt 28 der Brückenschaltung.
Zwischen Punkt 28 und 29 liegt ein Regelwiderstand 26. Mit Punkt 22 und 29 dieser
Brückenschaltung ist eine Verstärkereinrichtung 30 zusammengeschaltet. An die Starkstromseite
der Verstärkereinrichtung ist über Leitungen 31 und 32 der Motor 15 für die Kopierbewegungen
angeschlossen. Die Wirkungsweise ist folgende: Das Interferometer 18 besitzt eine
Einrichtung zum Bündeln der Ultraschallstrahlen und richtet dieses Strahlenbündel
auf das Modell. Nun kann die Brücke durch den Regelwiderstand 26 ins Gleichgewicht
gebracht werden. Eine Abweichung der Modelloberfläche von dieser Entfernung beim
Abfahren der Kontur mit der Vorschubbewegung verursacht eine Stromänderung im Stromkreis
des Interferometers, das Gleichgewicht der Brücke wird gestört, der Motor 15 bekommt
über Verstärker 30 Strom und dreht sich rechts oder links herum, je nachdem der
Strom im Stromkreis des Interferometers stärker oder schwächer geworden ist. Über
ein (nicht dargestelltes) Getriebe verstellt Motor 15 den Frässpindelschlitten axial
zur Frässpindelachse in Richtung auf das Werkstück zu oder t an diesem fort, bis
das mit dein Frässchlitten fest verbundene Interferometer wieder die alte Stellung
zur Modelloberfläche einnimmt.
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Damit ist auch das Gleichgewicht in der Brückenschaltung wiederhergestellt,
und Motor 15 kommt zum Stillstand.
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Während bei der beschriebenen Einrichtung der Abstand zwischen Schallquelle
und Modelloberfläche derselbe bleibt und Schallquelle wie Frässpindelschlitten nebst
Fräser dieselben Steuerbewegungen ausführen, zeigt Abb.2 eine Einrichtung, bei der
lediglich die Frässpindel nebst Fräser die Axialbewegungen ausführt, während das
Interferometer sich nur parallel zur Aufspannfläche des Ständers bewegt. Auch hier
ist mit dem Bett 1 der Ständer 2 verbunden, der das Werkstück 3 und das Modell 4
trägt. Diesem gegenüber ist auf einer Führung 5 der Ständer 6 mittels eines (nicht
gezeichneten) Vorschubgetriebes verschieblich angeordnet. Der Ständer 6 ist mit
Führungen 7 und 8 versehen, auf denen ein Ständerschlitten 9 senkrecht geführt ist.
In diesem ist die in Richtung auf das Werkstück verschiebbare Frässpindel 40 mit
dem Fräser 13 gelagert. Die Bewegungen des Ständerschlittens 9 erfolgen über ein
Vorschubgetriebe durch eine Gewindespindel 14 und die Axialbewegungen der Frässpindel40
über ein Getriebe durch den Elektromotor 41. -Mit dem Ständerschlitten 9 ist der
Arin 16 verbunden, auf dem das Gehäuse 17 mit dem Interferometer 18 verstellbar
mittels Gewindespindel 19 gelagert ist. Somit kann das Interferometer lediglich
Bewegungen parallel zur Führung 7, d. h. zur Auf spanufiächc des Ständers 2 machen,
während die Frässpinde140 und der damit verbundene Fräser 13 axiale Bewegungen ausführen
können. Das Interferometer 18 ist durch Leitungen 42, 43 mit den Punkten 44, 45
einer Brückenschaltung verbunden, eine Stromwelle 46 über Leitung 47 mit Punkt 48
und über Leitung 50 mit Punkt 44 der Brückenschaltung. Zwischen den Punkten 44 und
48 ist ein Regelwiderstand 49 geschaltet. Mit den Punkten 45 und 48 der Brückenschaltung
ist eine Verstärkereinrichtung 51 zusamiriengeschaltet. -Mit der Starkstromseite
der Verstärkereinrichtung 51 ist über Leitungen 52. 53 der Motor 41 verbunden, der
die Axialbewegung der Frässpindel40 bewirkt. An einem finit dem Ständerschlitten
9 verbundenen Arm 54 ist ein weiteres Interferometer 55 angeordnet, das finit der
rückwärtigen Stirnseite 56 der Frässpindel 40 zusammenarbeitet. Dieses Interferometer
ist über Leitungen 57, 58 mit Punkt 45 und 59 der Brückenschaltung verbunden. An
Punkt 59 ist über Leitung 60 eine Stromquelle 62 angeschlossen, der andere Pol Tiber
Leitung 63 mit Punkt 48 der Brückenschaltung verbunden. Zwischen den Punkten 48
und 59 liegt ein Regelwiderstand 61.
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Die Stromkreise der leiden Interferometer sind über die Brückenschaltung
miteinander verbunden, an den Punkten 45 und 48 ist die Verstärkereinrichtung 51
angeschlossen. Ist die Brücke durch die Regelwiderstände 49 und 61 ins Gleichgewicht
gebracht, und ändert sich die Entfernung des Interferometers 18 von der Modelloberfläche
gegenüber der Entfernung
des Interferometers 55 von der Stirnfläche
56 der Frässpinde140 nicht, so bleibt die Brückenschaltung im Gleichgewicht. Tritt
durch die Kontur des Modells 4 aber eine Änderung der Entfernung seiner Oberfläche
zum Interferometer 18 ein, so wird das Gleichgewicht in der Brückenschaltung gestört,
und es fließt zwischen den Punkten 45 und 48 über die Verstärkereinrichtung ein
Strom in der einen oder der anderen Richtung. Dieser veranlaßt Motor 41 über Leitung
52 und 53 zum Rechts- oder Linkslauf so lange, bis durch Verschiebung der Frässpindel
40 die Entfernung vom Interferometer 55 zur Stirnfläche 56 wieder der Entfernung
vom Interferometer 18 zur Oberfläche des Modells 4 entspricht, und die Verbindung
der beiden Punkte 45 und 48 stromlos wird, womit der Motor 15 seine Bewegung einstellt.
Es kann Matt der Brückenschaltung auch ein sonstiges Instrutnent, z. B. Meßinstrument,
verwendet werden, das über Verstärker oder Schalteinrichtungen den Motor beeinflußt.
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In den Abb. 3, 4 und 5 ist ein Modell dargestellt, das aus einzelnen
Scheiben 71 bis 83 zusammengesetzt ist, deren Konturen 84 von dem Schallstrahl abgefahren
werden. Nach jedem Durchgang schaltet die Maschine auf die nächste Scheibe, d. h.
auf die nächste Zeile. Die Scheiben sind durch die Bolzen 85, 86 und Muttern 87,
88, 89; 90 gehalten. Zwischen den einzelnen Scheiben angeordnete Abstandsringe 91
sorgen dafür, daß der Abstand der einzelnen Scheiben voneinander gewahrt bleibt.
Das gesamte Scheibenpaket ist in bekannter (nicht dargestellter) Weise auf der Aufspannfläche:
92 befestigt.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen das Kopieren der Kontur beim Umrißfräsen.
Auf der Aufspannfläche 101 ist die Schablone 102 befestigt, deren Umrißkontur 103
nachgeformt werden soll. Die Steuereinrichtungen für die Vorschub- und Kopierbewegungen
werden so geschaltet, daß die Leitbewegung in der Hauptrichtung der Kontur liegt
und die Kopierbewegungen senkrecht dazu stehen. Solange die gebündelten Schallstrahlen
105 auf die Aufspannfläche 106 der Aufspannplatte 101 treffen, ist die Kopierbewegung
auf die Umrißkontur 103 zu gerichtet.
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Tritt durch diese Bewegung die- Kontur 103 in den Bereich der Schallstrahlen,
so treten, wie beim Zeilenfräsen, Stromänderungen im Stromkreise des Interferometers
auf, die auch hier die Bewegung auf die Umrißkontur 103 zu zum Stillstand bringen.
Kommt die Schablone noch weiter in den Bereich des Schallstrablenbündels, setzt
sich die Stromänderung in der-selben Richtung wie begonnen fort und löst
eine Bewegung des Schallstrahlenbündels und gleichzeitig des Werkzeuges aus, die
von der Kontur fort gerichtet ist.