DE2012008A1

DE2012008A1 - Vorrichtung zur Kompensation von Linearitätsabweichungen bei Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2012008A1
Application number: DE19702012008
Authority: DE
Inventors: Frank Mt. Lebanon Pa. Kvasnicka (V.St.A.)
Original assignee: Blaw-Knox Company, Pittsburgh, Pa. (V.St.A.)
Priority date: 1969-03-13
Filing date: 1970-03-13
Publication date: 1970-10-01
Also published as: CA932437A; FR2038934A5; US3600987A; GB1259934A

Description

Blaw-Knöx Company, Pittsburgh., Pa./USA

Vorrichtung zur Kompensation von Linearitätsabweiohungen bei Werkzeugmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Linearitat»abweichungen in der Bettung von Werkzeugmaschinen, wie etwa Drehbänken. *

Bei der Konstruktion von Werkzeugmaschinen, insbesondere Präzislonsdrehbänken, spiegelt sich jede Linearitätsabweichung der Maschinenbettung im Werkstück wider. Bei Werkzeugmaschinen mit sehr langer Maschinenbettung, etwa 30 m und mehr, bereitet die Konstruktion einer für Präzisionsarbeiten genügend linearen Bettung beträchtliche Schwierigkeiten. Zum Teil rührt dies daher, daß d erartige Langbettungen aus mehreren Abschnitten bestehen, die bearbeitet, von Hand geschabt und zusammengepaßt werden« Es ist praktisch nicht möglich, derartige Maschinenbettungen mit für Präzisionsarbeiten ausreichender Linearität herzustellen.

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Oi· Erfindung hat »ich dl· Aufgabe geateilt, eine sehr genaue Vorrichtung aur Kompensation von Linearität·abweichungen In . der Bettung von Werkzeugmaschinen zu schaffen· Die β rfindungsgeuäße Vorrichtung eignet eioh insbesondere für Präzisionswerkaeugmasch inen Mit Langbettung.

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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung dient zur Kompensation von Linearltätsabwelchungen in Längsrichtung einer Werkzeugmasohinenbettung mit mindestens einer Längsführungsbahn«auf der ein Längsschlitten mit dazu querbeweglichem Werkzeugträger angeordnet ist. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet duroh einen Laserstrahlsender, der als Linear!tatenormal in Längsrichtung der Maschine und der Führungsbahn einen Laserstrahl aussendet, duroh einen mit dem Schlitten längs der Bettung verfahrbaren Laserstrahldetektor zur Aufnahme des Laserstrahls und zur Abgabe eines Abweichungen der Bettungslinearität vom Linearitätsnormal anzeigenden Signales und durch einen in Abhängig» keit vom Detektor stehenden Steuermechanismus zur derartigen Steuerung von Größe und Richtung der Werkzeugträger- und Werkzeugbewegung, daß Abweichungen der Bettungslinearität vom Linearitätsnormal ausgeglichen werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Darin zeigtt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Schlitten einer Werkzeugmaschine, der mit der erfindungsgemäßen Linear!tätekosnpenaationavorriohtung auagoetattet ist,

Fig. 2 eine schema tische Darstellung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. J eino schematisehe Darstellung der verwendeten Steuereinrichtung und

Fi/';. H zur Dars tu llun^ eines Dv tails einen Tellechnitt längs .tor l.iniü 4-Λ in Fig. l .

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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie für eine Präzisionswalzendrehbank typisch. · ist» mit der die Balligkeit von Walzgeriistwalzen gedreht wird· Die Bettung 10 einer solchen Drehbank kann, eine Länge von. 30 m und mehr besitzen* Die auf die übliche Weise im Fundament ruhende Bettung besitzt zwei Längsführungsbalmen 12 und 14. Zwischen Reitstock und Spindelstock der Walzendrehbank ist eine Walze "R" gestrichelt angedeutet. Die Längsachse der Walze ¹¹R" sowie von Reit» und Spindelstock ist mit "A" bezeichnet . ·

Der Schlitten 16 ist länga den Bahnen 12 und 14 verfahrbar. Der Antrieb 18 enthält den üblichen Zahnstangenantrieb.

Ein Quersupport 20 auf dem Schütten trägt als Schneidwerkzeug einen Revolverkopf 21» der um eine Achse 22 drehbar auf ein^m vom Quersupport 20 getragenen Werkzeughalter Zh befestigt ist. Der Quersupport 20 ist zur Bettung 10 quer verfahrbar und mit einer Quervorschubspindel Z6 mit Antrieb 28 versehen. Durch Drehen der Quervorschubspindel 26 wird der Quersupport 20 quer zur Bettung 10 bewegt.

Die gezeigte Drehbank ist mit numerischer Steuerung ausgestattet und arbeitet mit programmsteuerung des Quersupports, wodurch während des Drehens der Balligkeit der Walze R die gewünschte Querbewegung erzielt wird. Die in der Zeichnung gezeigten Teile aer Programmsteuerung sind nicht Gegenstand der Erfindung.

Da die Drehbank insoweit bekannt ist, erübrigt sich eine eingehendere Beschreibung.

Die Erfindung bezieht sich auf die Vorrichtung zur Kompensation von Linearitätsabweichungen der Bettung 10. Die Vorrichtung arbeitet mit einem äußerst exakten Linear!tatsnormal in Form eines Lasersenders 30 (Fig. 2 und 3), der parallel zur

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Längsachse der Werkzeugmaschine bzw. in Längsrichtung der Bettung der Drehbank und ihrer Führungen einen Laserstrahl aussendet. Als Lasersender ist beispielsweise das Modell 565O "Autoreflecting Tooling Laser¹· der Perkin-Elmer Corporation geeignet. Infolge der Geradlinigkeit des Laserstrahls arbeitet die Vorrichtung mit einem äußerst genauen Linear!tatanormal. Außerdem lassen sich derartige La«ersender sehr exakt einstellen* Der obenerwähnte Las er se rider sendet einen Strahl von 10 mm Durchmesser aus, der sich innerhalb 0,024 mm (1/IOOO ^M) gegenüber dem Außendurchnesser des Lasergehäuses zentrieren läßt und zur mechanischen Achse dieses Gehäuses innerhalb von 10 Bogensekunden parallel ist.

Der Detektor bewegt sich mit dem Schlitten 16 entlang der Bettung 10, erfaßt dadurch jede Linearitätsabweichung in der Schlittenbewegung (die von Bettungsabweichungen herrühren) und liefert ein die Abweichung anzeigendes Signal. Hierzu ist ein Laserstrahlempfanger oder Detektor 32 auf den Schlitten 16 der Drehbank montiert und mit dem Laserstrahl ausgerichtet» Bin geeignetes Gerät ist das Modell CD-I "Centering Detector", hergestellt von der Perkin-Elmer Corporation. Dieser Detektor enthält einen Auffänger mit einer Anordnung in Brücke geschalteter und einen Sensor bildender gegenüberliegender Detektoren. Von zwei Zellen wird ein Differentialsignal erzeugt, sobald der Auffänger mit dem Laserstrahl nicht mehr fluchtet. Das Signal kann in Form einer Spannung gegeben werden* Όλτ Detektor erfaßt das EnergieZentrum des Laserstrahls, so daß bei Verwendung eines Meßgerätes jede Verschiebung zwischen Strahlzentrum und Zentrum des Detektors als Fehlereignal und/oder Anzeige verwendbar ist.

Der Detektor 32 ist auf einen Antifriktionsschieber 3k montiert» der auf den Schlitten 16 montiert quer zur Bewegung der Drehbank verschiebbar ist.

* Das vom Detektor 32 erzeugte Signal gelangt zu einem Servo veretärker 36, der das Signal verstärkt und auf ein elektrisch betätigtes Servoventil yo gibt. Das Servoventil 3d steuert die

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Druckzufuhr zu einem hydraulischen Betätigungsglied 4ö. Das hydraulische Betätigungsglied 4O weist einen Rohranschluß und einen Zylinder 44 auf, in dem ein Kolben 46 beweglich ist. Der Kolben 46 trägt eine Betätigungsstange 48, die vom Zylinder 44 nach oben geht. Am Ende der Betätigungsstange 48 ist ein vertikaler Block 50 von Keilform oder sich verjüngender Form befestigt, der eine im spitzen Winkel (ca. 5 ) gegen die Vertikale geneigte Fläche besitzt.

Der Bbek 50 ist auf drei Paar Wälzlagern 52. 54 und 56 verti kal beweglich. Fig. 4 zeigt die Anordnung der Lager 52 und %k.

Der Block 50 ist mit einer horizontalen Bohrung 58 versehen, durch die die Quervorschubspindel 26 geht. Die Spindel 26 geht außerdem durch eine damit fluchtende Öffnung 60 in einem nach oben ragenden Abschnitt des Schlittens 16.

Am einen Ende trägt die Quervorschubspindel 26 ein zum Antrieb der Spindel dienendes Zahnrad 62. Das andere Ende der Spindel 26 steht in Eingriff mit einer Kugelspindelmutter 64, die sich in einer zylindrischen Kammer in einem nach oben ragenden Abschnitt des Schlittens 16 befindet* Durch einen Federkeil 66 tat die Kugelapindelmutter 64 gegen Drehung gesichert. Ein· Tellerfeder 68 liegt zwischen dem äußeren Ende der Mutter 64 und einer Schulter, die von einem am Schlitten befestigten Kappenelement 72 gebildet wird, wodurch die Feder 68 die Mutter 6k nach links drückt (Fig. 1). Di· Bewegung der Mutter 6h nach links wird durch eine auf den Schlitten Montierte Platte Jk sowie durch verschiedene zwischen der Platte 74 und de« linken Ende der Mutter 64 angeordnete Elemente begrenzt, insbesondere einen Bund 76, di· Wälzlager $6, den oberen Endabschnitt des Blockes 50 und die Wälzlager . , 54, die genau Fig· 1 angeordnet sind, Pie Quervorachubspindel Z$ ermttglieltt somit eine axiale Querbewegung der Bettung 10 der Drehbank« MaA erkennt außerdem, daß dieae Axialbewegung duroli die Bewegung de· keilförmigen Blcokes 50 zwieohen den YMXslagern Sk und 56 erfolgt, die den Raum swlaohen den

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Lagern $k und 56 größer oder kleiner macht, wobei die Axialbewegung durch Deformation der Feder 68 erreicht wird* Dadurch bestimmt die Position des Blockes 5O₁ der von einer Steuereinrichtung gesteuert wird, die Position des Quersupports und damit letztlich die Position des Sohneidwerkzeugs T des Revolverkopfes 21 an dem zu bearbeitenden Werkstück. Di· durch Bewegung des Blockes 50 bewirkte Axialbewegung der Quervorschubspindel 26 ist relativ klein, da auch die erforderliohe Kompensation klein ist, jedoch für Präzisionsarbeiten mit äußerster Genauigkeit ausgeführt werden muß»

Der Auffänger des Detektors 32 wird während der Bewegung des Schlittens 16 entlang der Bettung in einer Linie mit dem Laserstrahl gehalten· Hierzu ist am linken Ende des Schiebers 3k eine Rolle 30 vorgesehen, während eine Feder 82 den Schieber 3k nach links drückt, wodurch die Rolle 80 in Kontakt mit der geneigten Fläche des Blockes 50 gehalten wird. Daduroh wird bei Vertikalbewegung des Blockes 50 über die geneigte Fläche der Sohieber 3k nach der Seite und der Auffänger des Detektors 32 zusammen mit der Position des Blockes 50 bewegt, der wiederum in Abhängigkeit der Steuereinrichtung positioniert wird. Dadurch führen das Werkzeug T und der Detektor 32 die gleiche Kompensationsbewegung aus, so daß, wenn der Mechanismus den Auffänger des Detektors in einer Linie mit dem Laserstrahl hält, das Werkzeug entsprechend ausgerichtet mit dem Linear!tatanormal positioniert wird.

Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung sei angenommen, daß die Bettung von der Linearität abweioht, wie in Fig. 2 übertrieben dargestellt ist» Ferner sei angenommen, daß in der Drehbank eine gerade Zylinderwalze bearbeitet wird. Während der Bewegung des Sohlitten.s entlang der Bettung 10 versuoht er dann,gemäß der Linie X in Fig. 2 von der geraden Linie und von der Walze abzuweiohen. Während dieser Abweichung geht der Auffänger des Detektors 32 aus der Ausrichtung mit dem Laserstrahl. Dadurch gibt der Detektor 32 ein die Richtung der Abweichung anzeigendes Fehlersignal· Das Signal

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gelangt zu einem Verstärker 36» der ein verstärktes Steuersignal auf das Servoventil 38 gibt, das wiederum den Hydraulikdruck steuert und eine Bewegung das Blockes 50 bewirkt 1 was asu einer Kompeneationsbewegung der Kugelspindelmutter 6k auf das Werkstück zu führt. Die Bewegung wird auf die Quervorschubspindel 26 übertragen, so daß das vom Quersupport 20 getragene Werkzeug T entsprechend bewegt wird. Das Werkzeug T bewegt sich dadurch auf einer Linie parallel zur Achse A der Walne R, welche Werkzeugposition in Fig. 2 gestrichelt gezeigt ist*

Über den Schieber 3^, der der geneigten Fläche des Blockes folgt, wird die Kompensationsbewegung des Blockes 50 auch auf den Detektor 32 übertragen. Der Detektor 32 gibt solange ein Fehler signal, als der Auffänger nicht mit dem Laserstrahl ausgerichtet ist. Sobald der Auffänger des Detektors und der

Laserstrahl fluchten, verschwindet das Signal. Die Kompensationssteuerung hält somit bis zur vollständigen Ausrichtung an.

Infolge der gewählten Anordnung und Ausführung der Teile führen der Detektor 32 und das Werkzeug T eine übereinstimmende Bewegung aus, so daß der IfIe&ieZustand für das Werkzeug T solange eingehalten wird, wie der Detektor 32 mit dem Linearitatθnormal, dem Laserstrahl, ausgerichtet ist» Auf diese Welse wird durch Einhaltung der Ausrichtung des Laserstrahldetektors 32 mit -dem Laserstrahl erreicht, daß die Vorrichtung das Werkzeug T auch dann mit dem Linear!tatanormal ausgerichtet hält, wenn die Bettung von diesem Linearitätsnormal abweicht* Xn diesem Falle wird eine Kompensationsbewegung bewirkt.

Bei Abweichung in umgekehrter Richtung wird vom Detektor ein entgegengesetztes Signal erzeugt und auf den Block 50 Übertragen, so daß eine entgegengesetzte Kompensationsbewegung von Werkzeug T und Detektor 32 erfolgt. Man erkennt außerdem,

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daß eine ain <iiersupport 20 durch Drehen der Quervorschubspindel 26 bewirkte Bewegung lediglich der Kompensationsbewegung überlagert ist, die von dem Antifriktionskeil oder -block 50 herrührt. Dies ist beispielsweise beim Balligdrehen auf der Drehbank der Fall, wenn in einer Werkzeugmaschine Gewinde geschnitten wird oder bei ähnlichen Arbeiten.

Durch die Verwendung eines äußerst genauen Linearitätsnormals, d.h. eines Laserstrahls, werden somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Linearitätsabweichungen der Bettung sehr exakt ausgeglichen. Da die Kompensation während des tatsächlichen Bearbeitungsvorganges erfolgt, erhält man ausgezeichnete Endresultate.

Selbstverständlich ist es nicht erforderlich, dai3 die vom Antifriktionskeil erzeugte Kompensationsbewegung unbedingt der Uuervorschubspindel eines Quersupports zugeführt wird. Sie kann vielmehr über einen weiteren Support oder Schieber, der auf die vom hydraulischen Betätigungsglied erzeugte Bewegung anspricht, auch aiif einen Quersupport oder einen anderen Werkzeugträger gegeben werden.

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Pateatanspräche

Vorrichtung zur Kompensation von Linearitätsabweichungen in Längsrichtung einer Werkzeugmaschinenbettung mit mindestens einer Längsführungsbahn, auf der ein Längsschlitten mit dazu querbeweglichem Werkzeugträger angeordnet ist, gekennzeichnet durch einen Laserstrahlsender (30),. der als Linearitätsnormal in Längsrichtung der Maschine und der Führungsbahn (12, ik) einen Laserstrahl (31) aussendet, durch einen mit dem Schlitten (i6) längs der Bettung (10) verfahrbaren Laserstrahldetektor (32) zur Aufnahme des Laserstrahls (31) und zur Abgabe eines Abweichungen der Bettungslinearität vom Linearitätsnormal anzeigenden Signales und durch einen in Abhängigkeit vom Detektor (32) stehenden Steuermechanismus (JfO, 50 ) zur derartigen Steuerung von Größe und Richtung der Werkzeugträger- und Werkzeugbewegung (20, 21, 2k, T), daß Abweichungen der Bettungslinearität vom Linearitätsnormal ausgeglichen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuermechanismus ein Steuerelement (50) enthält, das zur Erzeugung einer Kompensationsbewegung des Werkzeuges (τ) betriebsmäßig mit dem Werkzeugträger verbunden und in Abhängigkeit des Signales vom Detektor (32) bewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (32) auf den Schlitten (16) montiert und vom Steuerelement (50 ) um einen mit der Bewegung des Werkzeuges übereinetimmenden Betrag bewegbar ist.

k* Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugträger einen auf den Schlitten (16) montierten Quersupport (20) umfaßt, wodurch das Werkzeug neben der Kompaniationsbewegung auch querbewegbar 1st.

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5. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersupport (16) zur Querbewegung des Werkzeuges eine Quervorschubspindel (26) aufweist, die quer zur Bettung verläuft und querbewegbar ist, und daß das Steuerelement (50) betriebsmäßig mit der Quervorscljubspindel (2ö) verbunden ist und zur Erzeugung einer Kompensationsbewegung des Werkzeuges auf diese eine Querbewegung überträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement einen sich verjüngenden Block (5O), eine in Abhängigkeit des Signales "vorn Detektor stehenden Zylinder (kO) mit einem Kolben zur Bewegung des Blockes (50) in Richtung der Verjüngung sowie Kontaktelemente (5k, 56) aufweist, die zur Querbewegung der Quervorschubspindel (26) mit dem Block (50) zusammenwirken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schieber (3k) zur Bewegung des Detektors (32) die sich verjüngende (schräge) Fläche des Blockes (50) berührt.

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