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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Positionsdetektor und eine
Werkzeugmaschine unter Verwendung desslb, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Positionsdetektor zu schaffen, bei dem die Verschiebung des zum Kontakt mit
dem zu vermessenden Werkstück bestimmten Fühlers so erfolgen soll, daß zwei Meßgrößen
abgeleitet werden, die Komponenten für die Position des Werkstücks angeben, wobei
die eine Meßgröße jeweils von der Meßgröße für die andere Komponente unabhängig
ist. Ferner soll der Aufbau eine möglichst genaue, zuverlässige und einfache Messung
erlauben und schwierigen Anordnungen zu messender Werkzeugteile entsprechen können,
insbesondere wenn die Messung an nicht derselben Stelle des Werkstücks wie die Bearbeitung
erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf einem Trägerteil
um eine erste Achse drehbar ein Halter angeordnet ist, in dem ein zum Kontakt mit
dem zu vermessenden Gegenstand bestimmter Füliler entlang einer zweiten Achse geradlinig
verschiebbar ist, die zur ersten Achse rechtwinklig verläuft und sie schneidet,
und daß ferner ein erster Wandler zur Messung der Drehverschiebung des Halters gegenüber
dem Trägerteil um die erste Achse sowie ein zweiter Wandler zur Messung der Translationsverschiebung
des Fühlers gegenüber dem Halter entlang der genannten zweiten Achse vorgesehen
ist.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß der erste
Wandler ein Tastelement im Eingriff mit dem Halter aufweist, das geradlinig bezüglich
des genannten Trägerteils entlang einer dritten Achse verschiebbar ist, die rechtwinklig
zur ersten Achse verläuft und von dieser einen bestimmten Abstand hat. Nach einer
weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweite Wandler
im Eingriff mit dem genannten Fühler ein zweites Tastelement aufweist, das geradlinig
bezüglich des genannten Trägerteils entlang einer vierten Achse verschiebbar ist,
die rechtwinklig zur ersten Achse verläuft und sie schneidet.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine sind vorgesehen: (a) ein
Werkzeug, (b) Mittel zur Bewegung des Werkzeuges in einem cartesischen Koordinatensystem,
(c) ein Positionsdetektor mit einem Trägerteil, einem drehbar um eine erste Achse
auf dem Trägerteil angeordneten Halter, einem zum Kontakt mit dem Werkstück bestimmten
Fühler, der geradlinig entlang einer zweiten Achse auf dem Halter verschiebbar ist,
wobei die zweite Achse im wesentlichen senkrecht zur ersten Achse verläuft und diese
schneidet, sowie mit einem ersten Wandler zur Messung der Drehverschiebung des Halters
gegenüber dem Trägerteil zur Erzeugung eines entsprechenden ersten Ausgangssignals,
und ferner mit
einem zweiten Wandler zur Messung der geradlinigen
Translationsverschiebung des Fühlers gegenüber dem Trägerteil entlang der zweiten
Achse zur Erzeugung eines entsprechenden zweiten Ausgangssignals, und (d) ein numerisches
Steuerungssystem zur Umrechnung der beiden Ausgangssignale in die entsprechenden
Werte im cartesischen Koordinatensystem, mit denen die Mittel zur Bewegung des Werkzeugs
gesteuert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es stellen dar: Fig. 1 eine schematische
Seitenansicht eines Positionsdetektors; Fig. 2 eine detaillierte Ansicht eines Teiles
des Positionsdetektors nach Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer
Bearbeitungseinheit unter Verwendung mehrerer Positionsdetektoren gemsiß Fg. 1 und
Fig. 2 Der Positionsdetektor nach Fig. 1 und 2 weist einen als Hohlkörper ausgebildeten
Trägerteil 10 auf, in dem ein Halter 11 derart angeordnet ist, daß er sich gegenüber
dem Hohlkörper 10 um eine erste Achse A1 drehen kann, wobei der Halter 11 im Gegenuhrzeigersinn
(bezogen auf
die Figuren) mit Hilfe der Feder 12 vorgespannt ist.
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Der Halter 11 ist mit einer Bohrung versehen, in der ein Fühler 13
gleitend angeordnet ist derart, daß er sich gegenüber dem Halter 11 geradlinig verschieben
kann, und zwar entlang einer zweiten Achse A2, die rechtwinklig zur genannten Achse
A1 liegt und diese schneidet.
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Der Fühler 13 weist einen ersten Teil 14 auf, der sich durch eine
Öffnung 15 im Hohlkörper 10 hindurcherstreckt und einen vergrößerten Kopf 16 aufweist;
dieser ist für den Kontakt oder Eingriff mit einem Gegenstand, dessen Position festgestellt
werden muß, vorgesehen. Ferner weist der Fühler 13 einen zweiten Teil 17 in Form
einer Manschette auf, die an dem dem Kopf 16 entgegengesetzten Ende des Teiles 14
koaxial angeordnet ist. Eine Vruckfeder 18 innerhalb der Manschette 17 drückt gegen
die an den beiden Teilen des Fühlers v(,rgesehenen Anschlage 19 und 20 gegeneinander,
so daß si sich im Normalzustand gemeillsam entlang dei Achse A2 verschieben. Ein
Zusammendrücken der Feder 18 gestattet es jedoch, daß sich die Fühlerteile 14 und
17 auI:h h teleikopartig gegeneinander und damit ineinanderschis-ben. Imine flexible
Kappe 21 stellt eine Dichtung zwischen Fühler 13 und dem Hohlkörper 10 in Nähe der
Öffnung 15 her. Die Kappe 21 hat die Form eines Balges, so daß ein Ausfahren und
ein Zurückziehen des Fühlers gegenüber dem Trägerteil 10 entlang der zweiten Achse
A2 möglich ist. Zwischen dem Halter 11 und dem Teil 17 des Fühlers ist eine Feder
22 angeordnet, die dem Fühler 13 eine Vorspannung erteilt und ihn somit gegenüber
dem Trägerteil 10 in die zurückgezogene Position drückt.
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Die Drehverschiebung des Halters 11 gegenüber dem Trägerteil 10 um
die erste Achse A1 wird mit hilfe des Wandlers 23 gemessen, der zu diesem Zweck
mit einem Tastelement 24 versehen ist, das im Kontakt mit dem Halter 11 steht und
gegenüber dem Trägerteil 10 entlang einer dritten Achse A3 verschiebbar ist, die
rechtwinklig zur Achse A1 verläuft und von ihr einen bestimmten Abstand hat.
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Eine Verschiebung des Fühlers 13 gegenüber dem Halter 11 entlang-einer
zweiten Achse A2 wird mit Hilfe eines Wandlers 25, der ein Tastelement 26 aufweist,
gemessen.
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Das Tastelement 26 steht im Eingriff mit dem Teil 17 des Fühlers 13
und ist geradlinig gegenUber dem Trägerteil 10 entlang einer vierten Achse A4 versclriebbar,
die rechtwinklig zur ersten Achse A1 verläuft und sie schneidet. Um zu einer kompakten
Konstruktion des Positionedetektore zu gelangen, sind die Achsen A3 und A4 parallel
zueinander angeordnet. Es ergibt sich somit, daß infolge der getroffenen Anordnung
der Achsen A3 und A4 im Verhältnis zur Achse A1 der Wandler 23 von einer geradlinigen
Bewegung des Fühlers 13 gegenüber dem Halter 11 nicht beeinflusst wird und daß ebenso
der Wandler 25 von einer Drehbewegung des Halters 11 im Trägerteil 10 nicht beeinflusst
wird. Die Position eines Gegenstandes, mit dem der Kopf 16 in Kontakt bzw. in Eingriff
ist, kann daher festgestellt werden ) in dem man in geeigneter Form die Messungen
auswertet, die von den Wandlern 23 und 25 gemacht werden. Beide sind so ausgelegt,
daß sie elektrische Ausgangssignale abgeben, deren Größe bzw.
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Wert von der Verschiebung der Tastelemente abhängt.
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Aus den beschriebenen Eigenschaften des Positionsdetektors nach Fig.
1 und 2 ergibt sich, daß es hierfür viele und verschiedene Anwendungsmöglichkeiten
gibt, Eine
spezielle Anwendung des Positionsdetektors wird im folgenden
anhand von Fig. 3 beschrieben. Fig. 3 zeigt eine Maschine zur Bearbeitung von Luftdurchtrittslöchern
im Flammenrohrgehäuse einer Gasturbine. Das GehAuse ist mit 30 bezeichnet. Es besteht
aus einer Vielzahl von axial angeordneten Teilen 31 von im wesentlichen frusto-konischer
Form, die derart zueinander versetzt angeordnet sind, daß sich jeweils am Uebergang
von einem Bereich zum nächsten eine überhängende Lippe 32 ergibt, die auf der Außenseite
des Gehäuses an der Verbindung jeweils zwei aneinanderliegender Bereiche 31 einen
Stauraum (Plenum) definiert.
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Zwischen jedem Stauraum und dem Innenraum des Gehäuses müssen Luftdurchtrittsöffnungen
bearbeitet werden. Die Lage, an der sich die Luftdurchtrittsöffnungen in den Stauraum
hinein öffnen, muß sehr genau definiert sein.
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Die Bearbeitung der Öffnungen irl einem bestimmten Winkel kann nicht
von der Außenseite des Gehäuses 30 her vorgenommen werden, da die lippen 32 dem
Arbeitskopf M einer entsprechenden Werkzeugmaschine im Wege stehen würden. Daher
muß man die Öffnungen vom Inneren des Gehäuses her anbringen. Die inneren Dimensionen
des Gehäuses 30 können jedoch zur Einstellung der Maschinendaten nicht verwendet
werden, da sie vergleichsweise höhere Toleranzen haben als die äußeren Dimensionen
des Gehäuses, auf die es entscheidend ankommt, insbesondere wenn das Gehäuse durch
Verschweißen einer Reihe ringförmiger Bereiche miteinander hergestellt worden ist.
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Man muß daher zur exakten Einstellung der Bearbeitungsmaschine bzw.
der Wischer, die gebohrt werden sollen, die Maschinendaten auf der Grundlage der
äußeren Abmessungen des Gehäuses einstellen.
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Um dies zu erreichen, sind eine Vielzahl von Positionsdetektoren D
der oben anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Art vorgesehen. ihre Anordnung ist
derart, daß sie mit den Lippen 32 des Gehäuses 30 in Eingriff treten können. Die
Positionsdetektoren sind auf einem Träger 33 parallel zueinander angeordnet.
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Der Träger 33 wiederum wird von einem Gestell 34 gehalten. Die Position
des Trägers auf dem Gestell ist mit Hilfe von Schlittenführungen 35 einstellbar,
von denen lediglich eine in Fig. 3 sichtbar ist. Bevor die Bearbeitung begonnen
wird, wird der Träger 33 so verschoben, daß die Fühler 13 aller Detektoren D mit
der äußeren Oberfläche des Gehäuses 30 im Eingriff sind.
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Diese Bewegung des Trägers 33 wird so lange fortgesetzt, bis die Teile
14 und 17 des Fühlers 13 in der oben beschriebenen Art und Weise teleskopartig ineinander
geschoben sind. Der vergrößerte Kopf 16 jedes Fühlers steht dann im Eingriff mit
einer Stelle unter einer Lippe 32. Der Träger 33 wird dann wieder so weit vom Gehäuse
30 wegbewegt, daß die Teile jedes Fühlers in ihren nicht zusammengeschobenem Zustand
zurückgekehrt sind: das bestimmt man besonders einfach durch eine Überwachung der
Ausgangssignale der Wandler 25 jedes Detektors. Das Gehäuse 30 wird dann um seine
Achse AC um volle 3600 gedreht. Dabei werden die Ausgangssignale aller Wandler 23
und 25 aller Detektoren D überwacht, um sicherzustellen, daß die äußeren Abmessungen
des Gehäuses innerhalb der Bearbeitungstoleranzen der Bearbeitungseinrichtung liegen.
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Wenn der beschriebene erste vorläufige Verfahrensschritt beendet ist,
kann die Bearbeitung beginnen. Bei der dargestellten Anordnung werden die Durchtrittsöffnungen
mittels elektrischer Entladung angebracht. Zu diesem
Zweck sind
an dem Bearbeitungskopf M eine Reihe stabähnlicher Elektroden angeordnet, von denen
jede eine entsprechende Öffnung in dem Gehäuse herstellt. Eine vollständige Gruppe
von Öffnungen, die je einem Stauraum zugeordnet sind, werden jeweils bearbeitet,
bevor die Öffnungen des nächsten Stauraums angebracht werden.
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Die Öffnungen werden also in aufeinanderfolgenden entlang des Umfangs
angeordneten Gruppen bearbeitet, während das Gehäuse zwischenzeitlich jeweils um
seine Achse AC um einen vorbestimmten Winkel weitergedreht wird.
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Nachdem die Bearbeitungsdaten für einen bestimmten Stauraum eingestellt
worden sind, überwacht der entsprechende Detektor D die Position der zugeordneten
Lippe 32; die Position des Maschinenkopfes M wird dann so justiert, daß jede Veränderung
der überwachten Position berücksichtigt wird. Wenn die eine Gruppe von Öffnungen,
die einem bestimmten Stauraum zugeordnet sind, vollständig bearbeitet worden ist,
wird der Maschinenkopf M auf die Bearbeitungsdaten eingestellt, die sich für den
nächsten Stauraum ergeben und der Winkel gegenüber dem Gehäuse 30 wird, sofern notwendig,
dann entsprechend neu justiert.
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Diese Öffnungen werden dann auf dieselbe Art und Weise bearbeitet,
wobei die Lage zweier zugeordneten Lippen 32 von dem nächsten Detektor D in derselben
Art und Weise überwacht wird.
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Die Daten für den Maschinenkopf sind im rechtwinkligen Koordinatensystem
mit cartesischen Koordinaten eingestellt. Eine Achse dieses Koordinatensystems ist
parallel zur Achse AC des Gehäuss 30. Die Detektoren D messen jedoch die Verschiebung
bw. die Lage der Lippen 32 in den Richtungen X und Y, die iicht den Koordinatenachsen
des
genannten Systems entsprechen. Uin dies zu kompensieren, ist
in der Steuerung der Maschine auch ein numerisches System vorgesehen, das die Werte,
wie sie von den Detektoren D gemessen werden, in Werte des genannten Koordinatensystems
umrechnet.
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Obwohl bei der beschriebenen Bearbeitungseinricllturlg eine Vielzahl
von Positionsdetektoren vorgesehen ist, und zwar jeweils für eine Lipp@ einer, kann
man iiur einen Detektor verwenden, der jeweils nacheillarlder auf die verschiedenen
Lippen eingestellt wird.
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- Ende der Beschreibung -