DE3106701A1

DE3106701A1 - Messsystem fuer werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE3106701A1
Application number: DE19813106701
Authority: DE
Inventors: Werner 8962 Pfronten Babel; Walter Ing.(Grad.) Schwarz
Original assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Current assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1982-09-09
Also published as: FR2500622A1; DE3106701C2; JPS57157110A; IT8267026A0

Description

MAHO WERKZEUGMASCHINENBAU BABEL & CO. D-8962 Pfronten/Allgku

Meßsystem für Werkzeugmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem für Werkzeugmaschinen zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile, bestehend aus einem am ersten Maschinenteil befestigten Maßstab und aus einer am zweiten Maschinenteil befestigten Leseeinrichtung.

An den über größere Strecken translatorisch verfahrbaren Teilen von Werkzeugmaschinen sind in der Regel Meßsysteme vorgesehen, die entweder dem Bearbeiter oder der Steuerung die jeweiligen Relatiylagen beider Maschinenteile und damit die zu verfahrenden oder gefahrenen Strekken des beweglichen Maschinenteils angeben.

Diese Meßsysteme umfassen einen meist an dem verfahrbaren Maschinenteil befestigten Maßstab und eine am ortsfesten Maschinenteil angeordnete Abtast- oder Leseeinrichtung.

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Ein die Meß- und damit auch die.Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussendes Phänomen liegt in dor Wärmedehnung der Maschinenteile bei Temperaturänderungen, z. B. im Anfahrbetrieb bis zum Erreichen der vollen Betriebstemperaturen. Da die wirksame Länge der Maßstäbe dem maximalen

Fahrweg entspricht, die Maschinenteile in der Regel jedoch «

langer als dieser maximale Fahrweg sind, wirken sich die Temperaturänderungen dahingehend aus, daß sich der Nullpunkt des Maßstabes entsprechend der Längung des Maschinenteiles gegenüber der ortsfesten Leseeinrichtung verschiebt.

Die nachteiligen Wirkungen treten besonders bei programmgesteuerten Fräsmaschinen mit horizontalverfahrbarem Spindelstock hervor, bei denen der Maßstab z.B. seitlich am Spindelstock und ein Lesekopf am Ständer befestigt sind. Die Programmsteuerung dieser Maschinen ist so ausgelegt, daß ihr Lage stäuerkreis unerwünschte Relativbewegungen zwischen dem Spindelstock und dem ortsfesten Lesekopf erfasst und kompensiert. Wenn jedoch die Wärmedehnungen des Spindeistocka und der im Spindelstock gelagerten Spindel unterschiedliche Werte aufweisen, kann der Lesekopf diese Unterschiede nicht erfassen, sodaß dem Lagesteuerkreis entsprechend mit Fehlern behaftete Daten zugeführt werden. Gleiches gilt grundsätzlich auch, wenn mit an die Spindelstockstirn angebautem Vertikalfräskopf gearbeitet wird, dessen Wärmedehnung im Betrieb nicht exakt gemessen werden kaan.

Diese Bearbeitungsfehler können sich noch vergrößern, wenn im Kettentnaß gearbeitet wird, da sich dabei die Fehler addieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Meßsystem der angegebenen Gattung die durch Wärmedehnungen verursachten Meß- und Bearbeitungsungenauigkeiten faktisch zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Dehnstab aus einem Material mit hohem Wärmekoeffizienten mit seinem hinteren Ende am ersten Maschinenteil

und mit seinem vorderen Ende am Maßstab befestigt ist, daß die Wärmedehnung Δ1 des Dehni
des ersten Maschinenteils ist.

die Wärmedehnung Δ1 des Dehnstabes etwa gleich derjenigen

Durch die geeignete Wahl des Dehnstab-Materials hinsichtlich seines Wärmedehnungskoeffizienten und der freien wirksamen Dehnst ab län'ge wird erreicht, daß in einem vorgegebenen Temperaturbereich der Maßstab sich mit seinem vorderen Ende, d. h. seinem Nullpunkt, genau so bewegt, wie dies der thermischen Dehnung des Maschinenteiles über seine gesamte, den Maßstab in der Regel erheblich übersteigende Länge entspricht.

Dies gilt beispielsweise für ein an einem Spindelstock einer Unlversal-Fräs- und Bohrmaschine angeordnetes Meßsystem, bei welchem der Maßstab nur bis zur Vorderkante des Spindelstockes reicht, der Spindelstock selbst jedbch erheblich länger als der Maßstab ist und beim vertikalen Arbeiten noch einen Vertikalfräskopf mit Zwischenstück vor der Stirnfläche des Spindelstockes trägt.

Um eine ausreichende Stabilität des Maßstabes zu gewährleisten, kann dieser an seinem hinteren Ende axial verschiebbar an dem ersten Maschinenteil gehaltert sein. Um den Maßstab und damit das gesamte Meßsystem von thermischen Beeinflussungen durch das sich im Betrieb aufwärmende Maschinenteil weitgehend freizuhalten, wird gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Dehnstab und dem Maßstab ein Wärme-Dämmstoff, vorzugsweise ein PUR-Schaum, angeordnet.

Als Werkstoff für den Dehnstab ,wird zweckmäßigerweise Aluminium oder Zink verwendet, welche Wärmedehnungskoeffizienten von 24 bzw, 30 m/m K besitzen. Der Maßstab besteht zweckmäßigerweise aus einem Glasstab, der mit seinem vorderen Ende in ein mit dem freien Ende des Dehnstabes fest verbundenes Zwischenstück fixiert ist und

der über seine Länge in einem Bett aus einem elastischen bzw. dehnbaren Material aufgekittet wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in welchem der Maßstab und seine Halterung an einem Spindelstock in teilgeschnittener Draufsicht dargestellt ist.

Am Spindelstock 1 ist über eine Zwischenplatte 2 ein Vertikal-Fräskopf 3 montiert, dessen Spindel um die Achse 4 umläuft.

An einer Seitenwand des Fräskopfes ist ein Dehnstab 5 angeschraubt, der aus einem Werkstoff mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten, ζ. B. aus Aluminium oder Zink, besteht. An seinem hinteren, in der Zeichnung rechten Ende weist der Dehnstab 5 mehrere Löcher 6 auf, über welche er mittels mindestens einer Schraube am Spindelstock befestigt ist. In seinem vorderen Endteil kann der Dehnstab 5 mittels einer weiteren Schraube, welche ein Langloch durchgreift, zusätzlich am Spindelstock gehalten werden, wobei diese Halterung jedoch axiale Relativbewegungen zulassen muß. Am vorderen, in der Zeichnung rechten Ende des Dehnstabes 5 greift in eine Bohrung 8 eine Spannschraube 9 ein, mit welcher ein Zwischenstück 10 sowie ein Maßstab 11 fest mit dem vorderen Ende des Dehnstabes 5 verspannt sind. Am Zwischenstück 10 ist eine Platte 12 aus einem wärmedämmenden Material, vorzugsweise aus einem PÜR-Schaumstoff, befestigt, die sich mit geringen Abständen parallel zum Dehnstab 5 sowie zum Maßstab 11 erstreckt. Diese Dämmplatte 12 kann im Querschnitt haubenförmig ausgebildet sein und den Dehnstab auch seitlich umschließen. An ihrem hinteren Ende ist die Dämmplatte 12 über ein weiteres Zwischenstück 13 und eine Schraube 14 am Spindelstock befestigt. An der hinteren Stirnfläche des Maßstabes 11 ist ein Zapfen 15 angeordnet, der eine Bohrung 16 eines Halters 17 mit Spiel durchgreift und auf diese Weise den Maßstab 11 axial verschiebbar haltert.

Unterhalb des Maßstabes 11 sowie auch unterhalb des Spindelstockes ist am - nicht dargestellten - Ständer ein strichpunktiert angedeuteter Lesekopf 18 befestigt, der die Markierungen eines im Maßstab 11 eingekitteten Glasstabes 19 bei Fahrbewegungen des Spindelstockes erfaßt.

Das vorstehend beschriebene Meßsystem arbeitet wie folgt:

Beim Verfahren des Spindelstockes 1 mißt der Lesekopf die jeweiligen Fahrstrecken und gibt diese Informationen an die Programmsteuerung der Universal-Fräsmaschine weiter. Wenn sich im Betrieb die Temperaturen ändern, dann ändert sich auch die Länge des gesamten Spindelstockes

I mit den angebauten Teilen 2 und 3 um den Betrag Δ1_Μ· Wäre der Maßstab 11 direkt am Spindelstock beidendig befestigt, dann würde sich seine Länge um einen Betrag Δ1_ ändern, wobei jedoch die Längenänderung des Maßstabes

II dann wesentlich kleiner wäre, da auch der Maßstab 11 kürzer als die wirksame Länge des Spindelstockes ist.

Erfindungsgemäß wird die Länge und der Werkstoff des lediglich an seinem hinteren Ende fest am Spindelstock fixierten Dehnstabes 5 so gewählt, daß er sich bei Temperaturänderungen um etwa gleiche Beträge wie die gesamte wirksame Länge des Spindelstockes 1 inklusive der angebauten Teile 2 und 3 längt oder verkürzt. Da der Maßstab 11 einerseits gegenüber dem sich im Betrieb erwärmenden Spindelstock 1 und auf dem Dehnstab 5 wärmeisoliert ist und eine feste Verbindung zum Dehnstab 5 lediglich an seinem vorderen Ende vorliegt, wird er von diesem die Wärmedehnungen ausführenden Teil des Dehnstabes 5 mitgenommen, so daß der Lesekopf 18 Werte erfaßt, die den sich bei Erwärmung ändernden Positionen der Achse 4 entsprechen. Damit kann die Programmsteuerung auf die Wärmedehnungen reagieren und Posi-

tionierfehler der Vertikalspindel ausgleichen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Sie kann vielmehr auch bei anderen Maschinenteilen, wie Ständern, Betten, Tischen

od. dgl., angewandt werden, welche horizontale oder vertikale Relativbewegungen gegenüber anderen Maschinenteilen ausführen.

Ferner kann der Maßstab und die erfindungsgemäße Halterung auch an ortsfesten und der Lesekopf an den entsprechend verfahrbaren Maschinenteilen angeordnet werden.

Ferner·wird darauf hingewiesen, daß die Bezugslinie für die unterschiedlichen Ausdehnungen des Dehnstabes bzw. des wirksamen Maschinenteiles in der Ebene der Fixierung des Dehnstabes am Maschinenteil liegt.

Die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung wird voll erreicht, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

^Δ1Μ⁼¹Μ * ^ΛΜ * ^AtM= ^A1D ^{= 1}D * «D

In dieser Gleichung bedeuten:

Δ 1_M Wärmedehnung des Maschinenteils, 1 wirksame Länge des Maschinenteils,

<* _M Wärmedehnungskoeffizient des Maschinenteils,

Δ t_M · Zeit, in der die Wärmeänderung erfolgt, AIr, Wärmedehnung des Dehnstabes,

1 wirksame Länge des Dehnstabes zwischen seiner hinteren Befestigung an der Spindel und der Befestigungen des Maßstabes, \

oc Wärmekoeffizient des Dehnstab-Materials,

Zeitdauer der Temperaturänderung. ^;

Durch das vorstehend beschriebene Meßsystem können durch geeignete Auswahl des Werkstoffes und der wirksamen Länge des Dehnstabes nicht nur die bisher nicht exakt meßbaren Wärmedehnungen z.B. des Vertikalfräskopfes sondern in gleicher Weise auch unterschiedliche Ausdehnungen des Spindelstockgehäuses gegenüber der darin gelagerten Spindel praktisch vollständig ausgeglichen werden. Auf. diese Weise wird erreicht, daß die der Gesamtdehnung des Spindelkopfes incl. seiner Zusatzaggregate entsprechenden Dehnungswerte des Dehnstabes auf den Maßstab übertragen und vom Lesekopf erfasst werden, sodaß der Lagesteuerkreis der Programmsteuerung reagieren kann und die Steuerung eine entsprechende Lagekorrektur einleitet. Um die erfassten Werte nicht zu verfälschen, ist eine gute Wärmeisolation des Maßstabes gegenüber den erwärmten Maschinenteilen, z.B. dem Spindelstock vorzusehen, damit die Dehnung des Maßstabes selbst so gering wie möglich gehalten wird. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt die Wärmeisolation durch die PUR-Schicht und die angrenzenden Luftspalte. Hierzu sind auch andere Werkstoffe geeignet.

Leerseite

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ ** "PATENTANWÄLTE Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Dlpl.-lng. R. BEETZ sen. Telefon (08Θ) 227201 - 227244 - 295910 Dfpl^ng. K. LAMPRECHT Telex 522048 - Telegramm Allpatent München Dr.Hrig. R. BEETZ jr. RECHTSANWALT Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH 12-32.o75P(32.o76H) Dr.Hng. W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED Prlv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN 23. Febr. 1981 Ansprüche

1. Meßsystem für Werkzeugmaschinen zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile, bestehend aus einem am ersten Maschinenteil befestigten Maßstab und aus einer am zweiten Maschinenteil befestigten Leseeinrichtung,

dadurch gekennzeichnet ,

daß ein Dehnstab (5) aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten («,J mit seinem hinteren'Ende am ersten Maschinenteil (1) und mit seinem vorderen Ende am Maßstab (11) befestigt ist, daß die Wärmedehnung (Al des Dehnstabes (5) etwa gleich derjenigen (ΔΙ«) des ersten Maschinenteils (1) ist.

2. Meßsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Maßstab (11) an seinem hinteren Ende axial verschiebbar an dem ersten Maschinenteil (1) gehaltert ist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ζ e i ohnet,

daß zwischen dem Dehnstab (5) und dem Maßstab (11) ein Dämmstoff (12) angeordnet ist.

112-(x2136)-Sd-E

4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Dehnstab (5) aus einem Metall mit einem Wärmedehnungskoeffizienten («_D) von 24 bis 30 mm/m K besteht und kürzer als der Maßstab (11) ist.

5. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, . .

daß der Maßstab (11) ein Digital-'Maßstab ist und einen zumindest an einem Ende festgelegten Glaskörper (19) enthält.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die wirksame freie Länge (1 ) des Dehnstabes (5) so gewählt ist, daß in einem gegebenen Temperaturbereich folgende Beziehung erfüllt ist:

MM MDD D