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Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur von Einstellfehlern
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in Meßsystemen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur
von durch temperaturabhängige Längenänderungen hervorgerufenen Einstellfehlern in
Meßsystemen für die Wegmessung an elektronisch gesteuerten Maschinen, Geräten und
Vorrichtungen, insbesondere Werkzeugmaschinen.
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Bei elektronisch gesteuerten Maschinen, Geräten und Vorrichtungen
ist die Arbeitsgenauigkeit, gleichgültig ob diese mit Bahnsteuerung oder Streckensteuerung
betrieben werden, in erster Linie abhängig von der Genauigkeit der ihnen zugeordneten
Meßsysteme.
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Zur Erzielung hoher Arbeitsgenauigkeiten sind verschiedene Meßsysteme
bekannt. So gehört es zum Stand der Technik, die abgefahrenen Wegstrecken an Maschinen,
Geräten und-Vorrichtungen mechanisch durch Zusammenarbeit einer Meßzahnstange mit
einem Meßritzel ab zugreifen sowie in elektronische Meßwertgeber und Zähler einzugeben.
Bekannt sind aber auch photoelektonische oder elektrisch-induktiv arbeitende Meßsysteme,
die gegenüber den mechanischen Meßsystemen den Vorteil haben, daß sie berührungslos
arbeiten und infolgedessen keinem Verschleiß unterliegen.
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Bei den photoelektronisch oder elektrisch-induktiv arbeitenden Meßsystemen
wird die abgefahrene Wegstrecke von einem sogenannten Meßlineal abgetastet, welches
im ersteren Falle als Skala ein Strichraster mittels eines Lichtstrahles abtastet,
während im letzteren Falle eine in Längsrichtung des Lineals verlaufende, ortsfeste
Wicklung von einer beweglichen Wicklung, dem sogenannten Slider abgefahren wird.
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Damit unter Verwendung dieser bekannten Meßsysteme eine hohe relative
Arbeitsgenauigkeit der Maschinen, Geräte und Vorrichtungen sichergestellt wird,
müssen Vorkehrungen getroffen werden, welche thermisch bedingte Änderungen weitestgehend
eliminieren. Deshalb werden die funktionswesentlichen Elemente der Meßsysteme aus
einem Material gefertigt, welches den gleichen Wärmedehnungsbeiwerten unterliegt,
wie das Baumaterial der zu steuernden Maschinen, Geräte und Vorrichtungen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch Temperatureinflüsse bedingte
Änderungen an den Maschinen, Geräten und Vorrichtungen nur dann in optimaler Weise
über das Meßsystem ausgeglichen werden können, wenn dessen die abgefahrenen Wegstrecken
abgreifenden bzw. abtastenden Funktionsglieder möglichst genau in der jeweiligen
Arbeitsebene angeordnet sind.
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In der Praxis ist es jedoch vielfach nicht möglich, die die abgefahrenen
Wegstrecken abgreifenden bzw. abtastenden Funktionsglieder der Meßsysteme in der
Arbeitsebene der Maschinen, Geräte und Vorrichtungen, anzuordnen. In diesen Fällen
ist dann aber die relative Arbeitsgenauigkeit durch den Abstand zwischen der Arbeitsebene
und der Meßebene beeinträchtigt. Das bedeutet aber, daß die Arbeitsgenauigkeit der
Maschinen, Geräte und Vorrichtungen um so stärker beeinträchtigt wird, je größer
bei ihnen der Abstand zwischen der Einbauebene der Meßsysteme und der Arbeitsebene
gemacht werden muß.
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Zweck der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen. Es liegt
daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Korrektur
von durch temperaturabhängige Längenänderungen hervorgerufenen Einstellfehlern in
Meßsystemen für die Wegmessung an elektrisch gesteuerten Maschinen, Geräten und
Vorrichtungen, insbesondere Werkzeugmaschinen, zu schaffen, durch welches bzw. welche
der Praxis bedingte Abstand zwischen der Bearbeitungsebene und derMeßebene theoretisch
bzw. wirkungsmäßig auf 0 gebracht werden kann.
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In verfahrens technischer Hinsicht wird dieses Problem im wesentlichen
dadurch gelöst, daß die Längen zweier paralleler, aber wesentlich verschiedenen
Wärmedehnungsbeiwerten unterliegender Meßstrecken im Abstand von ihrer gemeinsamen
Basis fortwährend miteinander verglichen werden und der jeweilige Längen-Differenzwert
unmittelbar als Korrekturgröße in das Meßsystem gegeben wird.
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Damit das Meßsystem exakt auf die jeweiligen thermisch bedingten Änderungen
anspricht, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, daß zusätzlich zu der aus dem
Längen-Differenzwert abgeleiteten Korrekturgröße in das Meßsystem ein dem kleineren
Wärmedehnungsbeiwert entsprechender Vorgabewert eingespeist wird.
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Wenn hierbei der Längen-Differenzwert 0 zwischen den beiden Meßstrecken
auf eine vorbestimmte Bezugstemperatur, z.B. die normale Raumtemperatur eingestellt
und die aus den von 0 abweichenden Längen-Differenzwerten entstehende Korrekturgröße
mit zum jeweiligen Längen-Differenzwert umgekehrtem Vor zeichnen in das Meßsystem
gegeben wird, dann lassen sich die durch thermisch bedingten Änderungen hervorgerufenen
Einstellfehler vollständig ausgleichen.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht ist es weiterhin besonders vorteilhaft,
wenn die erste Meßstrecke auf einen wesentlich größeren Wärmedehnungsbeiwert als
die zweite Meßstrecke eingestellt wird.
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Möglich ist es aber auch, die erste Meßstrecke ein einen wesentlich
kleineren Wärmedehnungsbeiwert als die zweite Meßstrecke einzustellen.
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Bevorzugt werden die beiden Meßstrecken in einem Betriebs-Temperaturbereich
zwischen 0°C und 100°C eingesetzt. Dabei hat es sich für den ersteren Fall als vorteilhaft
erwiesen, wenn die eine Meßstrecke auf einen Wärmedehnungsbeiwert von lo bis 12-10
6 -6 vorzugweise von 11,2.1o , die andere Meßstrecke aber auf einen -6 Wärmedehnungsbeiwert
von 0,64 bis 1,2-10 , vorzugsweise von 0,7.1o6, eingestellt wird. Im zweiten Falle
kann hingegen die eine Meßstrecke auf einen Wärmedehnungsbeiwert von lo bis 12.1o
vorzugsweise
von 11,210 , die andere Meßstrecke aber auf einen Wärmedehnungsbeiwert von 21 bis
30 10 6, vorzugsweise von 25 10 eingestellt werden.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Ausübung des Verfahrens ist hauptsächlich
dadurch gekennzeichnet, daß das einzustellende Vorrichtungsteil, z.B. der Werkzeugträger
einer Werkzeugmaschine, mit einem zwischen seiner Einspannstelle und seiner Arbeitsebene
liegenden Teilabschnitt eine temperaturabhängig längenveränderbare Meßstrecke bildet,
daß damit ausschließlich im Bereich der Arbeitsebene als zweite temperaturabhängig
langen veränderbare Meßstrecke ein sich parallel zur Einstellrichtung des Vorrichtungsteils
auf die Einspannstelle zu erstreckendes Bauteil mit einem wesentlich anderen Wärmedehnungsbeiwert,
z.B.
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ein Profilstab oder ein Rohr starr verbunden ist, und daß das freie
Ende des Bauteils ein Einstellglied für einen am Vorrichtungsteil angeordneten Korrekturwertgeber
bildet, der wiederum mit dem Meßsystem bzw. der Steuerelektronik des Stellantriebs
für das einzustellende Vorrichtungsteil in Verbindung steht.
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Nach der Erfindung ist es dabei vorteilhaft, wenn das die zweite Meßstrecke
bildende Bauteil in Längsführungen, z.B. Kugelhülsen oder Nadelbetten, am einzustellenden
Vorrichtungsteil gehalten ist.
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In Verbindung mit einer solchen Anordnung können Korrekturwertgeber
unterschiedlicher Bauart zum Einsatz gelangen. So ist es möglich, den Korrekturwertgeber
als optischen Lesekopf auszubilden oder ihn als Induktions-Meßwertgeber auszuführen.
Er kann auch als Rotations-Meßwertgeber oder als Differenzresolver aufgebaut sein.
Im letzteren Falle wird das freie Ende des Bauteils unter Zwischenschaltung eines
Umformergetriebes mit dem Rotations-Meßwertgeber bzw. dem Differenzresolver in Wirkverbindung
gebracht.
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In baulicher Hinsicht hat es sich als wesentlich erwiesen, das die
zweite Meßstrecke bildende Bauteil aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen zu
lassen. Soll es hierbei mit einem besonders kleinen Wärmedehnungsbeiwert arbeiten,
dann wird der Stahl Ni 36 benutzt. Ist hingegen ein Arbeiten des Bauteils mit einem
besonders großen Wärmedehnungsbeiwert erwünscht, dann können für das Bauteil Stähle
Ni 1o bis Ni 25 zum Einsatz gelangen. Wird das Bauteil aus Stahl Ni 36 durch Kaltverformung
behandelt, dann kann sein Wärmedehnungsbeiwert für den Betriebs-Temperaturbereich
bis 100°C auf 0,5-10-6 gesenkt werden.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend im einzelnen
erläutert. Es zeigt Fig. 1 als Anwendungsbeispiel der Erfindung in schematisch vereinfachter
Seitenansicht ein Waagerechtbohrwerk, Fig. 2 ebenfalls in schematisch vereinfachter
Ansichtsdarstellung als Anwendungsbeispiel der Erfindung ein Portalfräswerk, Fig.
3 in rein schematischer Darstellung das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung
für Einstellfehler, Fig. 4 in größerem Maßstab den in Fig. 1 mit IV gekennzeichneten
Teilbereich der Korrekturvorrichtung im Längsschnitt, Fig. 5 in größerem Maßstab
und im Längsschnitt den in Fig. 1 mit V gekennzeichneten Teilbereich der Korrekturvorrichtung,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5, Fig. 7 den in Fig. 1 mit VII
gekennzeichneten Teilbereich der Korrekturvorrichtung in größerem Maßstab, Fig.
8 eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 mit VIII gekennzeichneten Teilbereichs,
Fig. 9 in größerem Maßstab den in Fig. 2 mit IX bezeichneten Teilbereich, während
die
Fign. 1o bis 12 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Korrekturvorrichtung in Ansicht von vorne, in Seitenansicht und in einem Horizontalschnitt
wiedergeben.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Waagerechtbohrwerk dargestellt, welches
zur Bearbeitung großer Werkstücke, beispielsweise zum Ausbohren von Turbinengehäusen,
eingesetzt werden kann.
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Bei diesem Waagerechtbohrwerk ist auf einem Bett 1 der Spindel kasten
2 horizontal verfahrbar angeordnet, welcher mit einer langen Bohrstange 3 arbeitet,
die im Abstand vom Spindelkasten 2 zusätzlich durch einen lünettenartigen Gegenhalter
4 gestützt und geführt wird.
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Die Bohrstange 3 ist mit Werkzeugen, beispielsweise Bohrstählen 5
besetzt, welche mit dieser Bohrstange rotieren und außerdem in Radialrichtung gegen
das Werkstück abgestellt werden können.
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Die Bewegungssteuerung der Bohrstange 3 in Richtung ihrer Längsachse
Z (Z-Achse) und der Werkzeuge 5 in Radial- bzw. Planrichtung X (X-Achse) kann elektronisch
entweder durch Bahnsteuerung oder aber durch Streckensteuerung, d.h. also entweder
digital oder analog bewirkt werden. Zur Meßwerterfassung beim Abfahren der vorbestirtititen
Wegstrecken werden dabei geeignete Meßsysteme eingesetzt. Diese Meßsysteme können
dabei mechanisch, beispielsweise über Präzisions-Meßzahnstangen und -meßritzel beeinflußt
werden, die beispielsweise auf Rotations-Drehgeber einwirken.
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Zum gleichen Zweck können jedoch auch photo-elektronische Meßsysteme
zum Einsatz gelangen, die aus einem Meßlineal und einem photoelektrischen Meßwertgeber
bestehen. Schließlich sind aber auch elektrisch-induktiv arbeitende Meßsysteme einsetzbar,
die sich wiederum aus einem Meßlineal und einem zugehörigen Abtaster, dem sogenannten
Slider, zusammensetzen. Das Meßsystem zur Meßwerterfassung.bei der Bewegung der
Bohrstange 3 in Richtung ihrer Z-Achse ist in Fig. 1 mit 6 bezeichnet.
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Als weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 ein Portalfräswerk
dargestellt. Dieses besteht aus den beiden Ständern 11', 11", der daran in Höhenrichtung
verfahrbaren Traverse 12 und dem auf dieser horizontal beweglichen Schlitten 13.
Am Schlitten 13 ist dabei ein sogenannter Winkelkopf 14 aufgehängt, in welchem das
Werkzeug 15 lagert.
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Dem Schlitten 13, der Traverse 12 sowie den Ständern 11' und 11" ist
das Meßsystem 16 zugeordnet, welches der Meßwerterfassung für die Vertikalbewegung
der Traverse 12 an den Ständern 11' und 11" dient.
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Naturgemäß unterliegen die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Werkzeugmaschinen
äußeren und inneren Temperaturschwankungen, die deren Arbeitsgenauigkeit beeinträchtigen
können. Diese Temperaturschwankungen wirken sich insbesondere als Längenänderungen
an der Bohrstange 3 nach Fig. 1 oder am Winkelkopf 14 nach Fig. 2 aus. Dabei können
diese Längenänderungen zu Einstellfehlern der Werkzeuge 5 bzw. 15 führen, weil die
Meßsysteme 6 bzw. 16 nicht in der Bearbeitungsebene desselben liegen, sondern einen
relativ großen Abstand hiervon haben.
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Die Anordnung der Meßsysteme relativ zur jeweiligen Bearbeitungsebene
ist zwar entsprechend dem Abbe'schen Komparatorprinzip so getroffen, daß die zu
messende Strecke in geradliniger Fortsetzung der als Maßstab dienenden Strecke,
d.h. also, als Longitudinalkomparator, wirkt. Hierdurch wird zwar erreicht, daß
die der Werkzeugmaschine eigentümliche Kippungsfehler geringstmögliche Auswirkungen
auf das Bearbeitungsergebnis haben, jedoch lassen sich hierdurch keine Einstellfehler
ausgleichen, die durch temperaturabhängige Längenänderungen der Maschinenteile zwischen
der Bearbeitungsebene und der Einbauebene des Meßsystemes hervorgerufen werden.
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Die Größenordnung der in diesen Fällen auftretenden Einstellfehler
der Werkzeugmaschine und damit der Bearbeitungsfehler am Werkstück ist abhängig
von dem mittleren linearen Wärmedehnungsbeiwert
der Konstruktionsteile
und folgt der Formel
Die durch temperaturabhängige Längenänderungen hervorgerufenen Einstellfehler wirken
sich besonders gravierend bei Großwerkzeugmaschinen aus, wie sie beispielsweise
zur Präzisionsbearbeitung der Gehäuse von Großturbinen oder Großmotoren zum Einsatz
gelangen, weil sich die dort notwendigen geringen Bearbeitungstoleranzen nicht immer
einhalten lassen.
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Zur Ausschaltung solcher durch temperaturabhängige Längenänderungen
hervorgerufenen Einstellfehler sind die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Werkzeugmaschinen
mit selbsttätig wirkenden Korrekturvorrichtungen 7 bzw. 17 ausgestattet, die den
durch die Meßsysteme 6 bzw. 16 nicht zu erfassenden Abstand a zwischen der jeweiligen
Bearbeitungsebene und der Einbauebene der Meßsysteme überbrücken und damit das Abbe'sche
Komparatorprinzip auch über den Abstandsbereich a wirksam machen.
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Wesentliche Bestandteile dieser Korrekturvorrichtungen 7 bzw.
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17 sind zwei zueinander parallele Meßstrecken 20 und 21, die aus unterschiedlichen
Werkstoffen mit wesentlich verschiedenen Wärmedehnungsbeiwerten bestehen.
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Die Meßstrecke 20 kann dabei von demjenigen Teilstück der Bohrstange
3 nach.Fig. 1 bzw. des Winkelkopfes 14 nach Fig. 2 gebildet werden, welches sich
über den Abstandsbereich a zwischen der Bearbeitungsebene des Werkzeuges 5 bzw.
15 und der Einbauebene des Meßsystems 6 bzw. 16 erstreckt.
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Die Meßstrecke 20 ist in der Einbauebene des Meßsystems 6 bzw.
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16 fest eingespannt, d.h., eine aus Temperaturänderungen resultierende
Längenänderung dieser Meßstrecke 20 wirkt sich als eine entsprechende Lagenänderung
der Bearbeitungsebene des Werkzuges
5 bzw. 15 relativ zur Einbauebene
der Meßsysteme 6 bzw.
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16 aus.
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Die Meßstrecke 21 ist hingegen mit der Meßstrecke 20 etwa im Bereich
der Bearbeitungsebene der Werkzeuge 5 bzw. 15 starr verbunden, während sie im übrigen
in ihrer Längsrichtung freibeweglich relativ zur Meßstrecke 20 gehalten ist.
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Im Bereich der Bearbeitungsebene der Werkzeuge 5 bzw. 15 haben also
die beiden Meßstrecken 20 und 21 eine gemeinsame Basis 22, die in Fig. 3 schematisch
angedeutet ist.
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Die Meßstrecke 20 weist einen wesentlich größeren Wärmedehnungsbeiwert
auf als die Meßstrecke 21, so daß bei einer temperaturbedingten Längenänderung der
Meßstrecke 20 die Meßstrecke 21 über die Basis 22 entsprechend mitgeschleppt wird.
Gleichzeitig unterliegt aber die Meßstrecke 21 ebenfalls einer aus der Temperaturänderung
resultierenden, ihrem Wärmedehnungsbeiwert proportionalen Längenänderung, die dann
der Richtung der Längenänderung der Meßstrecke 20 entgegengesetzt ist. Der aus den
unterschiedlichen Wärmedehnungsbeiwerten beider Meßstrecken 20 und 21 resultierende
Längendifferenzwert bildet dabei im Bereich der Einbauebene des Meßsystems 6 bzwh
16 die jeweilige Korrekturgröße, welche das Meßsystem 6 bzw. 16 so beeinflußt, daß
der aus der temperaturabhängigen Längenänderung resultierende Einstellfehler beseitigt
wird.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, für die Bohrstange 3 bzw.
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den Winkelkopf 14 einen Konstruktionswerkstoff zu benutzen, dessen
Wärmedehnungsbeiwert zwischen lo bis 12-10 6, vorzugsweise bei l1,2.1o6, liegt.
Diese Bedingung erfüllt beispielsweise Gußstahl oder Baustahl.
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Der Konstruktionswerkstoff für das die Meßstrecke 21 bildende Bauteil
sollte hingegen einen Wärmedehnungsbeiwert zwischen 0,-64 bis 1,2.1o6, vorzugsweise
einen solchen von 0,7.1o6 haben. Diese Bedingung wird z.B. von einem Stahl Ni 36
erfüllt,
wie er beispielsweise unter dem Werksnamen "Invar"-Stahl
bekannt ist.
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Das verfahrenstechnische Wirkprinzip der Korrekturvorrichtungen 7
bzw. 17 ist schematisch in Fig. 3 wiedergegeben. Dabei zeigt die Abb. 3.1. die Korrekturvorrichtung
7 bzw. 17 unter Normalbedingungen, d.h., beispielsweise bei einer Temperatur von
293,150K (2o0C). Unter diesen Normalbedingungen liegt die Basis der beiden Meßstrecken
20 und 21 exakt auf der vorbestimmten Bearbeitungsebene 23 des Werkzeuges 5 bzw.
15 und mit genau vorgegebenem Abstand aO von der Einbauebene 24 des Meßsystems 6
bzw. 16. Tritt nunmehr durch äußere Einflüsse eine Temperaturerhöhung ein, dann
resultiert hieraus eine Längenänderung der Meßstrecke 20 in Pfeilrichtung 25, während
gleichzeitig die Meßstrecke 21 eine Längenänderung in Pfeilrichtung 26 erfährt,
wie das aus dem linken Teil der Abb. 3.2. ersichtlich ist. Hierdurch bewegt sich
die gemeinsame Basis der beiden Meßstrecken 2c und 21 in Richtung von der Einbauebene
24 des Meßsystems 6 bzw.
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16 weg, d.h., der Abstand zwischen der Einbauebene 24 des Meßsystems
6 bzw. 16 und der Basis 22 vergrößert sich auf den Wert a1. Aus der gleichzeitigen
aber sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen 25, 26 auswirkenden Längenänderung
der beiden Meßstrecken resultiert dann ein Längen-Differenzwert 27.
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Dieser Längen-Differenzwert 27 wirkt als Korrekturgröße auf die Meßsysteme
6 bzw. 16 ein und beeinflußt diese so, daß über den betreffenden Stellantrieb der
Werkzeugmaschine eine Rückstellbewegung des Spindelkastens 2 bzw. der Traverse 12
in Pfeilrichtung 28 veranlaßt wird, so daß das Werkzeug 5 bzw. 15 exakt auf der
vorgegebenen Bearbeitungsebene 23 verbleibt, wie das rechts in der Abb. 3.2. angedeutet
ist.
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Sinkt nun aus irgend welchen Gründen die Temperatur wieder um ein
bestimmtes Maß ab, dann tritt wieder eine Längenänderung der Meßstrecke 20 in Pfeilrichtung
29 ein, während gleichzeitig eine Längenänderung der Meßstrecke 21 in Pfeilrichtung
30 stattfindet, wie das im linken Teil der Asb. 3.3. gezeigt ist.
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Aus diesen Längenänderungen resultiert dann der Längendifferenzwert
31, welcher wiederum eine Verstellbewegung des Spindelkastens 2 bzw. der Traverse
12 in Pfeilrichtung 32 auslöst, wie das im rechten Teil der Abb. 3.3. angedeutet
ist. Auch in diesem Falle wird daher die vorbestimmte Bearbeitungsebene 23 für das
Werkzeug 5 bzw. 15 exakt eingehalten.
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In den Fig. 4 bis 7 ist der praktische Aufbau für eine Korrekturvorrichtung
7 nach Fig. 1 ersichtlich. Dabei zeigt die Fig. 4 ein Teilstück einer Wandung der
als Rohr ausgebildeten Bohrstange 3, welche als Meßstrecke 20 wirkt. Parallel zu
dieser Wandung des Rohres 3 ist eine Meßstrecke 21 angeordnet, welche ebenfalls
durch ein Rohr, jedoch mit wesentlich geringerem Durchmesser als das Rohr der Bohrstange
3 ausgebildet ist.
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Die Meßstrecke 21 bzw. das sie bildende Rohr aus Ni 36-Stahl ist durch
eine Klemmvorrichtung 33 im Bereich seines einen Endes 34 relativ zur Bohrstange
3 unverschiebbar festgehalten.
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Das andere Ende 35 des als Meßstrecke 21 wirkenden Rohres wird in
Axialrichtung frei beweglich von einer Buchse 36 aufgenommen und trägt einen Stößelstift
37, dessen freies Ende in ein im Bereich der Einspannstelle der Bohrstange 3 angeordnetes
Gehäuse 38 hineinragt. In diesem Gehäuse 38 lagert mittels einer Welle 39 ein Präzisions-Zahnsegment
40, welches wiederum mit einem von einer Welle 41 getragenen Präzisions-Ritzel 42
kämmt. Auf das Zahnsegment 40 wirkt wiederum eine im Gehäuse 38 abgestützte Feder
43 als Kraftspeicher ein, derart, daß sie das Zahnsegment 40 nach oben zu schwenken
sucht. Dadurch hält die Feder 43 eine radial von der^Welle 39 weggerichtete Stützfläche
44 des Zahnsegmentes 40 mit dem kugelig ausgestalteten, freien Ende des Stößelstiftes
37 in spielfreier Kontaktberührung.
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Der Fig. 6 ist zu entnehmen, daß die das Ritzel 42 tragende Welle
41 über eine Miniatur-Scheibenkupplung 45 mit einem sogenannten Differenzresolver
in dauernder Eingriffsverbindung gehalten wird, welcher in das Gehäuse 38 seitlich
angeflanscht
ist. Dieser Differenzresolver 46 ist beispielsweise
mit einem Meßgetriebe ausgestattet, daß ein übersetzungsverhältnis 1 : 1o hat. Hieraus
ergibt sich, daß eine volle Drehung der Eingangswelle des Meßgetriebes 1o Umdrehungen
der Ausgangwelle des Meßgetriebes auslöst.
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Das Ubersetzungsverhältnis zwischen dem Zahnsegment 40 und dem Ritzel
42 ist vorzugsweise so ausgelegt, daß durch den maximalen Schwenkweg des Zahnsegmentes
40 eine volle Umdrehung des Ritzels 42 ausgelöst werden kann.
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Es ist ohne weiteres klar, daß als Folge einer temperaturabhängigen
Längenänderung der die Meßstrecke 2c bildenden Bohrstange 3 und des die zweite Meßstrecke
21 bildenden Rohres eine axiale Relativverlagerung des letzteren in der Bohrstange
stattfindet, die sich entsprechend auf den Stößelstift 37 auswirkt.
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Erhöht sich beispielsweise die Umgebungstemperatur, dann wird die
Bohrstange 3 um ein aus ihrem Wärmedehnungsbeiwert resultierendes Maß länger. Hierdurch
zieht sie natürlich das die Meßstrecke 21 bildende Rohr über die aus Fig. 4 ersichtliche
Klemmverbindung 33 von links nach rechts, während das die Meßstrecke 21 bildende
Rohr um ein aus seinem Wärmedehnungsbeiwert resultierendes Maß von rechts nach links
länger wird.
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Um das aus der Längenänderung der Bohrstange 3 und der Längenänderung
des die Meßstrecke 21 bildenden Rohres Differenzmaß wandert demzufolge das Ende
des Stößelstiftes 7 von links nach rechts, so daß unter der Wirkung der Feder 43
das Zahnsegment 4c um einen entsprechenden Winkel nach oben geschwenkt wird. Diese
Schwenkbewegung des Zahnsegmentes 4c überträgt sich auf das Ritzel 42 und wird über
die Welle 41 in den Differenzresolver 46 eingeleitet. Dieser lößt mit der durch
das Meßgetriebe vorgegebenen Übersetzung Steuerimpulse aus, deren Anzahl ein Maß
für die effektive Längenänderung der Bohrstange 3 ist.
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Diese Steuerimpulse werden in das Meßsystem 6 eingegeben, welches
wiederum den Stellantrieb für den Spindelkasten 2 so beeinflußt, daß dieser um das
Maß der auszugleichenden Längenänderung der Bohrstange 3 entgegengesetzt zur jeweiligen
Richtung der aufgetretenen Längenänderung verfahren wird.
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Fig. 7 macht noch deutlich, daß das die Meßstrecke 21 bildende Rohr
innerhalb der Bohrstange 3 durch Kugelbüchsen 47 geführt werden kann, um eine leichtgängige,
axiale Relativbeweglichkeit der beiden Meßstrecken 20 und 21 relativ zueinander
sicherzustellen.
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Erwähnenswert ist noch, daß der Stößelstift 37 zum Zwecke einer exakten
Einstellung der Korrekturvorrichtung längenverstellbar und in jeder Einstellage
arretierbar mit dem die Meßstrecke 21 bildenden Rohr verbunden ist. Auch die Vorspannung
der Feder 43 kann mit Hilfe einer im Gehäuse 38 abgestützten Stellschraube 48 bedarfsweise
reguliert werden.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Differenzresolver
46 um einen Rotations-Drehgeber mit hohem Auflösungsvermögen handelt, dergestalt,
daß mit seiner Hilfe schon Meßwerte von 0,ool mm ermittelt und korrigiert werden
können.
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Die bei dem Portalfräswerk nach Fig. 2 verwendete Korrekturvorrichtung
arbeitet ebenfalls mit zwei Meßstrecken 20 und 21 und ist ausführlich in den Fig.
8 und 9 dargestellt. Die Meßstrecke 20 wird dabei vom Wickelkopf 14 des portalfräswerks
gebildet, während die Meßstrecke 21 aus einem im Querschnitt runden Stab aus Ni38
Stahl besteht. Dieser Stab ist dabei mit Umfangsspiel von einem Rohr 50 umgeben
und an seinem unteren Ende über einen Lagerbock 51 am unteren Ende des Winkelkopfes
14 verankert. Zur Verankerung dient dabei eine Rändelschraube 511, die mittels ihres
Gewindes 512 in einem Innengewinde 513 verstellbar ist. Die Rändelschraube 511 weist
aber außerdem ein Innengewinde 514 auf, welches eine geringere Steigung als die
Gewinde 512 und 513 hat und mit einem Gewindebolzen 515 im Eingriff
steht.
Der Gewindebolzen 515 ist Teil eines drehfest, jedoch axial verschiebbar im Lagerbock
51 geführten Stopfens 516, 7 welcher durch ein Tellerfederpaket 51 unter Vorspannung
gehalten ist und mit dem unteren Ende des die Meßstrecke 21 bildenden Stabes in
fester Verbindung steht.
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Das obere Ende des die Meßstrecke 21 bildenden Stabes ist frei verschiebbar
in einer Buchse 501, aus Kunststoff, beispielsweise Polyamid geführt, die einerseits
im oberen Ende des Rohres 50 und andererseits in einem Bock 502 am Winkelkopf 14
gehalten ist.
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Von oben her ragt in die Buchse 501 der Fühlerstift 521 eines Meßtasters
52 hinein, welcher am Winkelkopf 14 gehalten ist.
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Dabei liegt der Fühlerstift 521 auf dem oberen Ende des die Meßstrecke
21 bildenden Stabes an und durch Drehen der Rändelschraube 511 wird der die Meßstrecke
21 bildende Stab so eingestellt, daß der Meßtaster 52 bei einer bestimmten Bezugstemperatur
seine Null-Lage einnimmt.
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Der Meßtaster 52 arbeitet in bekannter Weise mit Strichgitter-Teilungen,
die fotoelektrisch abgetastet werden, derart, daß der Meßwert sich durch elektronische
Zählung der bei Bewegung des Fühlerstiftes 521 erzeugten Impulse ergibt. Die über
die Fotoelemente des Meßtasters 52 ermittelten und in einem Vor-Rückwärtszähler
ausgewerteten Signale werden über Kabelverbindungen auf einen Schrittmotor 53 gegeben,
der in Fig. 9 dargestellt ist.
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Der Schrittmotor 53 arbeitet über ein Zyklo-Kleingetriebe 54 und einen
weiteren, aus zwei Ritzeln bestehenden, nachgeschalteten Getriebezug 55 auf eine
Kugelgewindespindel 56, die mit einer in einem Schlitten 57 drehfest sitzenden Mutter
58 zusammenarbeitet.
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Der Schlitten 57 wird mittels eines Rolltisches 59 in einem Halterahmen
60 in.Vertikalrichtung verstellt, wobei der Halterahmen 60 ortsfest von der Traverse
12 des Portalfräswerkes getragen wird.
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Der Schlitten 57 trägt einen Differenzresolver 61, dessen Meßritzel
62 mit einer Meßzahnstange in Dauereingriff steht, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich
ist, beispielsweise am Ständer 11' des Portalfräswerkes in Vertikalrichtung verlaufend
angeordnet ist.
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Am oberen Ende der aus der Mutter 58 herausragenden Kugelgewindespindel
56 ist noch ein Betätigungsarm 63 befestigt, der auf einen Endschalter 64 einwirkt,
welcher ortsfest am Schlitten 59 sitzt.
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Dieser Endschalter 59 ist vorgesehen, um zu verhindern, daß die Korrekturvorrichtung
durch von außen über Fremdquellen eingesteuerte Impulse nachteilig beeinflußt wird.
Solche "falschen" Impulse können beispielsweise bei der Benutzung von Elektroschweißmaschinen
von außen in den Riegelkreis eingestreut werden und würden dann die Arbeitsweise
der Korrekturvorrichtung erheblich beeinträchtigen. Diese Beeinträchtigungen werden
jedoch durch das Zusammenwirken des von der Kugelgewindespindel 56 getragenen Armes
63 mit dem Endschalter 64 ausgeschaltet, indem diese Anordnung auf einen maximalen
Korrekturwert von beispielsweise 0,2 mm eingestellt- ist.
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Die Arbeitsweise der Korrekturvorrichtung ist folgende: Wird beispielsweise
durch das Zusammenwirken der beiden Meßstrecken 2c und 21 über den Meßtaster 52
eine Längenänderung des Winkelkopfes 14 von 0,1 mm ermittelt, dann wird dieses Meßergebnis
dem Schrittmotor 53 übermittelt. Damit wird der als Geber für das Hauptsteuer,system
wirkende Differenzresolver 61 durch eine entsprechende Verstellung des Schlittens
57 um 0,1 mm heruntergefahren. Infolgedessen bildet das Steuersystem einen Korrekturwert,
durch welchen dann der Winkelkopf 14 durch entsprechende Verstellung der Traverse
12 relativ zu den Ständern 11' und 11" wieder in die richtige Position gestellt
wird.
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Eine in ihrem Aufbau abgewandelte Korrekturvorrichtung 17 zum Ausgleich
von durch temperaturabhängige Längenänderungen hervorgerufenen
Einstellfehlern
in Meßsystemen an Werkzeugmaschinen ist in den Fig. 1o bis 12 dargestellt. Dort
wird die Meßstrecke 20 in einem in Vertikalrichtung an einem ortsfesten Bett 65
geführten, als Werkzeugträger dienenden Schlitten 66 gebildet. Andererseits wirkt
der an seinem unteren Ende mit dem Schlitten 66 fest verbundene, die Meßstrecke
21 bildende, im Querschnitt flach rechteckige Stab an seinem oberen Ende mit einem
elektrisch-induktiv arbeitenden Meßsystem 67 zusammen.
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Dieses elektrisch-induktive Meßsystem 67 besteht aus einem in Längsrichtung
des ortsfesten Bettes 65 verlaufenden Linial 68, in das stromdurchflossene Windungen
eingearbeitet sind.
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Der Schlitten 66 trägt einen ebenfalls mit Strom durchflossenen Windungen
ausgestatteten Reiter 69, und zwar einen sogenannten Slider, der sich berührungslos
in Längsrichtung des Lineals 68 verfahren läßt.
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Die unterschiedlichen Relativstellungen zwischen dem Reiter 69 und
dem Lineal 68 induzieren entsprechend verschiedene Spannungen in die Wicklungen,
wobei diese verschiedenen Spannungen ein exaktes Maß für die jeweilige Einstellung
des Schlittens 66 ergeben.
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Damit dieses elektrisch-induktive Meßsystem 67 eine selbsttätige Korrektur
der durch temperaturabhängige Längenänderungen hervorgerufenen Einstellfehler des
Schlittens 66 bewirken kann, ist der Reiter 69 auf einer Konsole 70 montiert, der
in der Nähe des Reiters 69 mittels Rollenführungen 71 leichtgängig beweglich am
Bett 65 läuft, während er andererseits starr auf dem freien Ende des die Meßstrecke
21 bildenden Stabes montiert ist. Hier läuft der die Meßstrecke 21 bildende Stab
zumindest in der Nähe seines freien Endes zwischen Nadelkäfigen 72, um eine leichtgängige
Längsbewegung relativ zu dem die Meßstrecke 20 bildenden Schlitten 66 zu ermöglichen.
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Die durch die unterschiedlichen Längenänderungen zwischen den Meßstrecken
20 und 21 hervorgerufene Relativbewegung des Reiters
69 zum Schlitten
66 wirkt dabei unmittelbar auf das Linieal 68 ein, so daß die sich ergebenden Spannungsänderungen
eine entsprechende Korrekturbewegung des Stellantriebes für den Schlitten 66 hervorrufen.
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Abschließend sei noch erwähnt, daß an Stelle des elektrischinduktiven
Meßsystemes ohne weiteres auch ein photoelektrisches Meßsystem eingesetzt werden
kann. Auch in diesem Falle würde dann das Meßlineal am ortsfesten Führungsbett sitzen,
während der photoelektrische Meßwertgeber von dem die Meßstrecke 21 bilw denden
Stab getragen wird.