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,Verfahren und Einrichtung zur Kompensierung der z Wärmedehnung eines
Werkzeugschilttens Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur
Kompensierung der Wärmedehnung eines einen Werkzeugkopf tragenden mit einen Einstellmaßstab
zur Positionsanzeige versehenen Werkzeugschlittens einer Werkzeugmaschine.
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Lin wesentliches Problem bei modernen Präzisionstwerkzeugmaschinen
besteht darin, daß im allgemeinen die Position des Werkzeuges nicht am Ort des Werkzeuges
selbst gemessen a,erden kann , sondern z. B. aus der Position des das Werkzeug bzw.
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den Werkzeugkopf tragenden Werkzeugschlittens bestimmt werden inuß
Bei einer bestimmten, unveränderlichen Betriebstemperatur der Maschine ist das ohne
Fehler möglich, da dann die Position des Werkzeugschlittens der Position des damit
fest verbundenen t.Jerkzeuges stets entspricht. Im allgemeinen weicht jedoch die
Position des Werkzeuges von der durch den Einstellmaßstab angezeigten Position des
Werkzeugschlittens ab, da sich dieser in Abhängigkeit von der Arbeitsbelastung,
der Betriebszeit, der Raumtemperatur usw. ständig unterschiedlich erwärmt und ausdehnt.
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-Es sind bereits verschiedene Verfahren und Einrichtungen bekannt,
bei denen der Werkzeugversatz in geeigneter Weise bestimmt und der ermittelte Wert
dazu verwendet wird, um über eine Regeleinrichtung den Werkzeugschlitten um den
Betrag des Versatzes zurückzuverschieben und damit den Fehler zu kompensieren. Der
artige Einrichtungen sind verhältnismäßig aufwendig und finden
deshalb
im allgemcinen nur bei teuren, rechnergesteuerten Maschinen o. dgl. Verwendung.
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Es ist bei einem Lehrenbohrwerk mit feststehendem Werkzeugkopf auch
scilor. eine einfachere mechanische Kompensierungseinrichtung bekannt, bei welcher
ebenfalls der Werkzeugversatz durch Verschieben des \~erkzeugkopfes in Gegenrichtung
ko:npensi ert wird (DBP 1 010 802). Die Verschiebebewegung wird durch einen einseitig
in der Werkzeugmaschine eingespannten, mit dem TIerkzeu£topf verbundenen Dehnstab
gesteuert. Auch diese Einrichtung ist verhältnismäßig aufwendig und muß bereits
bei der Konstruktion der Maschine vorgesehen werden. Für einen nachträglichen Einbau
ist in der Regel der erforderliche Einbauraum nicht gegeben. Außerdem ist diese
bekannte Einrichtung nicht zum Einbau bei Werkzeugmaschinen geeignet, bei denen
das Werkzeug auf einem vorschubbeweglichen Werkzeugschlitten mit Einstellmaßstab
angeordnet ist, da bei der Kompensierungsbewegung des Werkzeugschlittens auch der
maßstab mit verschoben werden würde, so daß nach der Korrektur zwar die Position
des Werkzeuges der Sollstellung entspricht, die Positionsanzeige jedoch nicht den
richtigen Wert anzeigt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben sowie eine
Einrichtung der genannten Art zu schaffen, welche einfach und preiswert ist und
sich zum nachträglichen Einbau eignet.
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Diese Aufgabe ist z. B. durch ein Verfahren gelost, bei dem erfindungsgemäß
die Anzeige des Einstellmaßstabes jeweils entsprechend dem Versatz des Werkzeugkopfes
bzw. Werkzeuges im Sinne dieses Versatzes automatisch verstellt wird, worauf durch
Nachregeln der Stellung des Werkzeugschlittens der Versatz des Werkzeuges sowie
die entsprechend verstellte Anzeige des Einstellungsstabes korrigiert wird.
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Es wird also nicht unmittelbar der t#erkzeugversatz korrigiert, sondern
die Anzeige des Einstellmaßstabes an den Fehler angepaßt, so daß dieser Fehler sichtbar
wird. Er kann dann durch die vorgesehenen Positioniernöglichkeiten, z. B. durch
die Bedienungsperson von hand oder über Verstellmotoren usw., korrigiert werden.
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Nach einem iKerkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß als Steuergröße
für die automatische Verstellung de. Anzeige des Einstellmaßstabes die den Versatz
des Werkzeuges verursachende Temperatur verwendet wird. Der Versatz selbst ist nur
mit Schwierigkeiten meßbar. Die den Versatz verursachende Temperatur ist ein ausreichend
genaues a und deshalb als Steuergröße geeignet.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Einrichtung vorgesehen, die
einen verschiebbaren Werkzeugschlitten, einen an diesen Werkzeugschlitten ansetzbaren
Werkzeugkopf sowie einen die Position des Werkzeugschiittens geaenüber dem festen
Maschinenständer anzeigenden Einstellmaßstab umfaßt. Diese Einrichtung ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellmaßstab und die damit zusammenwirkende Ablesemarke,
die z. B. auch als Ableseoptik, als digitales Zählwerk o. dgl. ausgebildet sein
kann, relativ zueinander verstellbar sind, und daß eine Steuereinrichtung für eine
dem Versatz des Iferkzçuges entsprechende ständige Verstellung des Einstellmaßstabes
bzw. der Ablesemarke gegeneinander vorgesehen ist.
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Die Verstellung der Anzeige des Einstellmaßstabes soll im Idealfall
stets exakt dem Werkzeugversatz entsprechen. Da jedoch dieser Versatz direkt nur
schwer im Betrieb meßbar ist, ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als
Steuereinrichtung für die relative Verstellung von Einstellmaßstab und Ablesemarke
ein mit der Werkzeugmaschine in Berührung
stehender, von dieser
erwärmter Dehnkörper vorgesehen, dessen Ausdehnungsbewegung auf den Einstellmaßstab
bzw. die Ablesemarke übertragen wird. Es ist dabei gleichgültig, welcher der beiden
Teile, Einstellmäßstab oder Ablesemarke, verschoben wird und welcher feststeht,
wenn nur die Anzeige im Sinne des Werkzeugversatzes verstellt wird.
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Bei einer ##erkzeugmaschine mit einem linearen Einstellmaßstab ist
dieser z. B. längsverschiebbar gelagert und mit dem freien Ende eines einseitig
an der IJerkzeugmaschine befestigten Dehnstabes verbunden. Statt dessen könnte auch
der Einstellmaßstab fest angeordnet sein und die Ablesemarke verschoben werden.
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Sinngem#ß müßte ein ringförmiger Einstellmaßstab gegenüber der Ablesemarke
verdreht werden oder umgekehrt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Einstellmaßstab
auf dem Dehnstab selbst auf und ist mit einem Ende mit dem freien Ende dieses Dehnstabes
verbunden. Diese Anordnung ist besonders einfach und platzsparend. Sie kann im allgemeinen
einfach an die Stelle des bisherigen maßstabes auf die' Werkzeugmaschine, beispielsweise
auf den Werkzeugschlitten, aufgeschraubt werden.
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Damit der Einstellmaßstab selbst in seiner Länge auch bei unterschiedlichen
Betriebstemperaturen der Maschine unverändert bleibt, ist zusätzlich zu der Tatsache,
daß ein Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten verwendet wird, zwischen Dehnstab
und Einstellmaßstab eine wärmeisolierende Schicht angeordnet.
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Der Ausdehnungskoeffizient des Dehnstabes ist derart, daß die Verstellung
des Einstellmaßstabes dem, Versatz des Werkzeuges bei den am häufigsten auftretenden
Arbeiten entspricht. Dieser Versatz kann beispielsweise experimentell bestimmt werden.
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.mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und
im folgenden naher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht
einer Universal-Fräs-und Bohrmaschine mit einem am 4aschinenständer befestigten
linearen Einstellmaßstab und demgegenüber verschiebbar am Werkzeugschlitten angeordneter
Ablesemarke; Fig. 2 eine SeitQnansicht gemaß Fig. 1 mit einem am Uerkzeugschlitten
verscniebbar angeordneten Einstellmaßstab; Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer
Einrichtung etwa gemäß Fig. 2 im Bereich des Einstellmaßstabes, mit einer Ableseoptik;
Fig. 4 und 5 vergrößerte Detaildarstellungen der Befestigung des Einstellmaßstabes
gemäß Fig. 3.
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Die in Fig. 1 dargestellte Fräs- und Bohrmaschine umfaßt einen Maschinenständer
2, einen darauf in Querrichtung verschiebbar gelagerten Werkzeugschlitten 4 sowie
einen darauf befestigten Werkzeugkopf 6, beispielsweise einen Bohrkopf mit vertikaler
Spindel 8. Zum Aufspannen des Werkstückes ist ein Werkstücktisch 10 an der Frontseite
desilaschinenbettes vorgesehen.
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Zur Positionierung des Werkzeugschlittens 4 ist ein Einstellmaßstab
12 vorgesehen, welcher fest mit dem ilaschinenständer verbunden ist. Die mit dem
Einstellmaßstab zusammenwirkende Ablesemarke 14 ist in Richtung der Bewegung des
t:ierkzeug schlittens 4 verschiebbar auf diesem gelagert. Der Betrag dieser Verschiebbarkeit
liegt in der Größenordnung des möglichen Versatzes des Werkzeuges bzw. der Spindel
8, welcher beispielsweise 1 mm oder weniger betragen kann.
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Zur Verschiebung der Ablesemarke dient ein Dehnstab 16, welcher mit
seinem der Spindel abgewandten Ende mittels einer Schraube 18 auf dem t'7#erkzeugschlitten
4 befestigt und mit seinem freien Ende mit der Ablesemarke 14 verbunden ist. Der
Dehnstab liegt beispielsweise mit einer möglichst großen Berührungsfläche auf dem
erkzeugschlitten auf, so daß er sich ohne zeitliche Verzögerung an die Temperatur
des Werkzeugschllttens anpaßt. Als ~!material für den Dehnstab kommt z. B. Aluminium
in Frage iiateri.al und Menge sind so aufeinander abgestimmt, daß die Verschiebung
der Ablesemarke stets den Versatz des Werkzeuges entspricht.
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Die Verschiebung der Ablesemarke 14 erfolgt in der gleichen Richtung
wie der Versatz der Spindel 8 bei Wärmedehnung des Werkzeugschlittens. Wird in Fig.
1 die #Spindel 8 -beispielsweise nach links versetzt, ,wird auch die Ablesemarke
nach links verschoben. Um diese Abweichung der Anzeige des Einstellmaßstabes zu
kompensieren, müß der ganze Werkzeugschlitten 4 nach rechts versetzt werden, wodurch
auch der Spindelversatz ausgeglichen wird.
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In Fig. 2 sind der Einstellmaßstab 20 und die Ablesemarke 22 gegenüber
der Anordnung in Fig. 1 vertauscht. Die Ablesemarke 22 ist am ,-Iaschinenständer
fest angeordnet, der Einstellmaßstab 20 längsbeweglich am Werkzeuaschlitten 4 gelagert.
Einem Versatz der Spindel 8 nach links entspricht auch die Verschiebung des Einstellmaßstabes
nach links. Beide werden durch Verschieben des Werkzeugschlittens 4 nach rechts
mittels der üblichen, für dessen Positionierung vorgesehenen Antriebe wieder kompensiert,
so daß die Position der Spindel sowie die Einstellung des Einstellmaßstabes wieder
ihren Sollwert annehmen.
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In Fig. 3 ist eine Einrichtung zur Kompensierung des Werkzeugversatzes
etwa gemäß Fig. 2 nochmals in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Achse 30 der
Spindel 32 verschiebt sich infolge Erwärmung
der Maschine um den
Betrag s #~ nach links. Es sei hier beaerlct, daß sich der Betrag "s'l aus der Wärmedehnung
'ta" des Werkzeugschlittens 34 sowie einer W;#rmedehnung des Werkzeugkopfes 36 zusammensetzen
kann, was jedoch belanglos ist, wenn nur.die Wärmedehnung des die Verstellung des
Einstellmaßstabes bewirkenden Dehnstabes auf den gesamten Versatz "s" abgestimmt
ist.
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Der Einstellmaßstab 38 liegt auf einem Dehnstab 40 aus Aluminium auf.
Dieser ist mit seinem rechten Ende 42 mit dem Werkzeugschlitten 34 verbunden, so
daß er sich nach links ausdehnen kann. Das linke Ende 44 ist mit dem Einstellmaßstab
38 verbunden und nimmt diesen mit.
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Die Ablesemarke 46 ist im vorliegenden Beispiel als Ableseoptik ausgeführt,
die sich z. B. aus dem Projektor 48 und dem Ablesegerät 50 zusammensetzt. Diese
Ableseoptik ermöglicht eine. wesentlich genauere Einstellung der Position des Werkzeugschlittens
und wird dem meist nur geringen Versatz des Werkzeuges'besser gerecht.
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Die Figuren 4 und 5 zeigen im Detail eine konstruktive Möglichkeit
der Befestigung des Einstellmaßstabes 38 aus Fig. 3 auf dem Werkzeugschlitten. Der
Einstellmaßstab liegt auf dem .Aluminium-Dehnstab 40 auf und ist mit diesem über
den Bolzen 54 verbunden. Der Dehnstab selbst ist mittels des Bolzens 56 in der T-Nut
58 des Werkzeugschlittens 34 befestigt.
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Zwischen dem Dehnstab 40 und dem Einstellmaßstab 38 ist eine Isolierschicht
60 vorgesehen, die verhindern soll, daß sich die Wärme des Dehnstabes auf den Einstellmaßstab
überträgt.
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Denn dadurch würde sich dieser entgegen der Bewegung des Dehnstabes
ausdehnen und dessen Effekt wenigstens teilweise vernichten.
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Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, liegt der Einstellmaßstab 38 in einer
etwa längs der Mittellinie des Dehnstabes verlaufenden Kehle 62. Der Bolzen 56 ist
seitlich von dieser Kehle angeordnet, so daß er die 4montage des Einstellmaßstabes
nicht behindert.