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Einrichtung zur Kompensation temperaturbedingter Verschiebun-
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gen einer Arbeitsspindel gegenüber einem am Spindelschlitten im Abstand
von der Arbeitsspindel angebrachten Massstab Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Kompensation temperaturbedingter Verschiebungen einer Arbeitsspindel
gegenüber einem am Spindelschlitten im Abstand von der Arbeitsspindel angebrachten
Massstab gemäss Oberbegriff des Anspruchs 19 Bekannte Einrichtungen dieser Art dienen
der Losung eines wesentlichen Problems bei Werkzeugmaschinen, z.B. Universal-Werkzeug#Fräsmaschinen,
welches darin besteht dass die Positionsbestimmung der Arbeitsspindelachse aus räumlichen
Gründen nicht am Ort selbst erfolgen kann. Die da durch bedingte Versetzung des
zur Positionsbestimmung der A-beitsspindelachse verwendeten Massstabes in der Längsrichtung
des Spindelschlittens beeinflusst die Präzision der Posi~ tionsbestimmung nicht,
solange die Betriebstempertur der Maschine nicht ändert. Erhöht sich jedoch die
Betriebstempertur so erfährt der Vertikal-Fräskopf eine Wärmedehnung und als Folge
davon wird sich die Position der Arbeitsspindel gegenüber dem Massstab verändern.
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Bekannte Einrichtungen der oben erwähnten Art verwenden ein Korrekturorgan
in Form eines Dehnstabes aus einem Material mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten,
dessen eines Ende am Spindelschlitten und dessen anderes Ende am Massstab befestigt
ist. Die Länge und der Wärmedehnungskoeffizient dieses Dehnstabes sind so gewählt,
dass er bei Erwärmung den Massstab um so viel verschiebt als die Verschiebung der
Arbeitsspindel achse gegenüber der Ansatzstelle des Dehnstabes am Spindelschlitten
infolge der Wärmedehnung des Spindeischlittens und des Spindelkopfes beträgt (DE-PS
24 50 322). Diese bekannte Art der Kompensation ist zwar verhältnismässig einfach,
ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass Temperaturänderungen des Spindelkopfes
und des Spindelschlittens verzögert auf den Dehnstab übertragen werden und somit
die Kompensation jeweils mit Verzögerung erfolgt. Um ein verbessertes
Ansprechverhalten
zu erzielen und den Wärmeübergang zwischen dem Spindelschlitten und dem Dehnstab
zu beschleunigen, ist es auch bekannt, den Dehnstab durch mindestens einen Wärreleitbolzen
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit an einem der Erwärmung besonders
ausgesetzten Abschnitt des Spindelschlittens verschiebbar zu halten (DE-OS 31 16
827).
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Diese Lösung ist jedoch aufwendig und eine gewisse Verzögerung der
Erwärmung des Dehnstabes gegenüber der Erwärrmrng der beteiligten Maschinenteile
ist auch nicht zu vermeiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher die gewünschte Nachstellbewegung
des Maßstabes in direkter Abhängigkeit der Wärmedehnung eines in der Nähe der Wärmequelle
befindlichen Spindelschlittenteils erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Korrekturorgan
der Spindelschlitten selbst wirkt, indem die Temperaturänderungen entsprechenden
Relativbewegungen zwischen zwei Stellen desselben in zur Kompensation führendem
Verhältnis und Sinn an den Maßstab übertragen werden.
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Es wird dabei nicht nur eine verzögerungsaaae Kompensation erzielt,
sondern die Einrichtung ist auch einfach, indem ein Dehnstab und insbesondere Wärmeleitbolzen
od. dgl. wegfallen können.
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Vorzugsweise können die Relativbewegungen zwischen Stellen des Spindelschlittens
übersetzt an den Maßstab übertragen werden, was es erlaubt, Bewegungen zwischen
zwei verhältnismäBigwenig auseinanderliegenden Stellen des Spindelschlittens zur
Kompensation heranzuziehen, was bedeutet, daß zur Kompensation eine Wärmedehnung
herangezogen werden kann, die an einer Stelle starker Erwärmung nahe bei der Wärmequelle
auftritt.
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Besonders zweckmaBig und bevorzugt ist es, wenn der Maßstab mit seinem
hinteren Ende langenverschiebbar am Spindelschlitten gehaltert ist, während der
vordere Befestigungspunkt mit dem Ende eines am Spindelschlitten befestigten zweiarmigen
Hebels verbunden ist, an dessen entgegengesetzten Ende eine ebenfalls am Spindelschlitten
verankerte, parallel zum Maßstab angeordnete Schubstange aus einem Material mit
niederem Wärmeausdehnungskoeffizient Gfi D# so wirkt, daß bei einer Wärmedehnung
der Befestigungspunkt des Maßstabes sich um mindestens annähernd den gleichen Betrag
verschiebt, wie die Arbeitsspindel.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand dieses, in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels, in Form einer Fräsinaschine erläuterte Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht
der Fräsmaschine, Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht des vorderen Endes
des Spindelschlittens mit der daran angebrachten Kompensationseinrichtung,
Fig.
3 zeigt eine Stirnansicht von rechts in Fig. 2, teilweise im Schnitt und Fig. 4
zeigt die Aufhängung des in Fig. 2 links liegenden Massstabendes.
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Die dargestellte Fräsmaschine weist einen Frästisch 1, einen Vertikal-Fräskopf
2, an welchem die Arbeitsspindelachse 3 angegeben ist und einen# Spindelschlitten
4, an welchem der Vertikal-Fräskopf 2 schwenkbar angeordnet ist, auf. Auf dem Spindelschlitten
sitzt ein Antriebsmotor 5, welcher über einen nicht dargestellten Riemenantrieb
und ein im Spindelschlitten befindliches Getriebe die Arbeitsspindel antreibt.
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Im Maschinengestell befindet sich ein Antrieb für die Schlittenspindel,
mittels welcher der Spindelschlitten 4 horizontal verschoben werden kann.
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Zur Bestimmung der jeweiligen Horizontalposition des Fräskopfes 2
ist am Spindelschlitten 4 ein Massstab 6 angeordnet, welcher mit einem Leser 7 zusammenarbeitet.
Massstab und Leser sowie die zugehörigen Auswertungsgeräte sind bekannt und nicht
an sich Gegenstand vorliegender Erfindung. Wie Fig. 4 zeigt, ist das in den Figuren
1 und 2 links liegende Ende des Massstabes 6 mittels einer Blattfeder 8 in Längsrichtung
beweglich an der Seite des Spindelschlittens 4 aufgehängt. Das in den Figuren 1
und 2 rechts liegende Ende des Massstabs 6 ist mit dem unteren Ende eines Hebels
9 verschraubt. Wie die Figuren 2 und 3 zeigen erfolgt die Verschraubung mit einem
durch eine Nut 11 und Querbohrungen 12 des Hebels freigeschnittenen Teil 10 des
Hebels 9, welcher Teil 10 somit über eine elastische Brücke, die ein Gelenk 13 bildet
mit dem Hebel 9 um geringe Winkel schwenkbar aber in Längsrichtung praktisch starr
verbunden ist.
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Der Hebel 9 ist mit drei Bohrungen 14 versehen. Wie gezeigt, sind
in die zwei oberen benachbarten Bohrungen 14 Befestigungsschrauben eingesetzt, welche
mit einem Flansch 15 verschraubt sind und diesen Flansch starr mit dem Hebel 9 verbinden.
Der Flansch 15 ist über ein dem Gelenk 13 ähnliches
Gelenk 16 mit
einem Verankerungsklotz 17 verbunden, welche an der Seite des Spindelschlittens
4 festgeschraubt ist Der Spindelschlitten ist mit zusätzlichen, tiefer liegenden
Gewindebohrungen 18 versehen, welche der Befestigung des Verankerungsklotzes 17
in einer tieferen Position dienen. Sowohl der Flansch 15 als auch der Verankerungsklotz
17 konnen somit in einer tiefer liegenden Position angebracht und damit der durch
das Gelenk 16 bestimmte Schwenkpunkt des Hebels 9 versetzt werden um das Hebelübersetzungsverhältnis
grob einzustellen..
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Das obere Ende des Hebels 9 ist mit einem vertikal orientierten Langloch
19 versehen, , welches von einer Befestigungsschraube 20 durchragt wird. Sie ist
mit dem in Fig. 2 rechts liegenden Ende 21 einer Schubstange 22 aus Material sehr
geringer Wärmedehnung beispielsweise ~INVAR"-Stahl verschraubt. Zwischen dem Endteil
21 und dem übrigen Teil der Schubstange 22 ist wiederum eine dünne Gelenkstelle
23 gebildet, welche eine gewisse Kippbewegung zwischen der Schubstange 22 und dem
oberen Ende des Hebels 9 gestattet. Das in Fig.
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2 links liegende Ende der Schubstange 22 ist an der Seite der Spindelschlittens
4 mittels einer Schraube 24 festgeschraubt.
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Wenn sich der Spindelschlitten 4 während der Bearbeitung insbesondere
infolge Erwärmung des Fräskopfes erwärmt und dehnt, nimmt der Abstand zwischen den
beiden Verankerungsstellen der Kompensationseinrichtung an der Seite des Spindelschlittens
zu. Diese Verankerungsstellen sind einerseits das in Fig. 2 links liegende Ende
der Schubstange 22 und anderseits der Verankerungsklotz 17. Da sich hierbei die
Länge der Schubstange 22 praktisch nicht verändert, ist die Position des oberen
Endes des Hebels 9 durch die Position der Verankerungsstelle 24 der Schubstange
22 bestimmt, während sich der Verankerungsklotz 17 infolge der Wärmedehnung des
Spindelschlittens gegenüber diesen Stellen in Fig. 2 nach rechts verschiebt. Diese
Verschiebung nach rechts bewirkt eine Verschwenkung des Hebels 9 im Gegenuhrzeigersinn
und damit eine Bewegung des unteren Hebelendes nach rechts. Damit wird auch
der
Massstab 6 nach rechts mitgenommen. Die für die Wärmedehnung in horizontaler Richtung
massgebende Strecke zwischen den Verankerunqsstellen 24 und 17 und das Uebersetzungsverhältnis
des Hef is 9 sind so gewählt, dass die Verschiebung des unteren Hebelendes und des
Massstabes 6 infolge Wärmedehnung oder Kontraktion bei Abkühlung gerade der Dehnung
bzw.
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Kontraktion des Spindelschlittens und des Fräskopfes auf der Strecke
zwischen Verankerungsstelle 17 und Arbeitsspindelachse 3 entspricht. Der Massstab
wird damit immer um eine Strekke verschoben, welche dieser massgebenden Dehnung
oder Kontraktion entspricht, sodass Positionsabweichungen kompensiert werden können.
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Die dargestellte und beschriebene Kompensationseinrichtung kann an
bestehenden Maschinen ohne weiteres angebracht werden. Es kann sodann eine Anpassung
an die besonderen Gegebenheiten durch Einstellen des Hebelverhältnisses vorgenommen
werden. Eine Feineinstellung kann dadurch erfolgen, dass die Verschraubung des oberen
Hebelendes mit der Schubstange 21,22 dank des Langloches 19 vertikal verstellt werden
kann Damit kann der obere Hebelarm in gewissen Grenzen fein verstellt und damit
das Hebel-Uebersetzungsverhältnis den Gegebenheiten optimal angepasst werden. Das
Hebelverhältnis kann auch grob eingestellt werden, indem die Verschraubung des Hebels
9 mit dem Verankerungsklotz 17 um eine Lochteilung nach unten versetzt wird. Mit
diesen beiden Verstellmöglichkeiten ergibt sich in relativ weiten Grenzen eine kontinuierliche,
stufenlose Verstellmöglichkeit, sodass die Kompensationseinrichtung für praktisch
beliebige Maschinen verwendet und jeweils optimal eingestellt werden kann.
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Die Dehnung zwischen den Verankerungsstellen 24 und 17 wird vorzugsweise
übersetzt an den Massstab 6 übertragen. Das gestattet die Verwendung einer verhältnismässig
kurzen Schubstange 22 bzw. einer verhältnismässig kurzen Distanz zwischen den Verankerungsstellen
am vorderen Ende des Spindelschlittens wo die Erwärmung sich besonders schnell und
stark auswirkt.
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Es sind verschiedene Ausführungsvarianten möglich. Es könnten beispielsweise
die Relativbewegungen zwischen zwei am vorderen Ende des Spindelschlittens etwa
vertikal übereinander liegenden Stellen des Spindelschlittens über einen geeigneten
Mechanismus zur kompensierenden Horizontalverschiebung an den Massstab übertragen
werden, wobei vorausgesetzt würde D dass die Dehnung des Spindelschlittens in Vertikalrichtung
gleich oder proportional derjenigen in Horizontalrichtung sei. Eine solche Ausführung
hätte den Vorteil, dass eine durchschnitt~ lich noch näher bei der Wärmequelle liegende
Wärmedehnung oder Kontraktion zur kompensierenden Verstellung des Massstabes herangezogen
werden könnte.
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Bei gewissen Maschinen könnte eine Umkehrung in dem Sinne in Frage
kommen, dass der Leser am Spindelschlitten beweglich angebracht und zur Kompensation
verschoben wird, während der Massstab am Maschinengestellt angeordnet ist.