DE3410672A1

DE3410672A1 - Nc-flaechenportal

Info

Publication number: DE3410672A1
Application number: DE19843410672
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 6301 Launsbach Rinn
Original assignee: Heyligenstaedt and Co Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Current assignee: Heyligenstaedt and Co Werkzeugmaschinenfabrik GmbH
Priority date: 1984-03-23
Filing date: 1984-03-23
Publication date: 1985-10-03
Also published as: US4597182A

Description

Werkzeugmaschinen fabrik GmbH 6300 Gießen

NC-Flächenportal

Die Erfindung bezieht sich auf ein NC-Flächenportal, durch welches Werkzeuge oder Werkstücke auf sehr genauen, programmierten Bahnen innerhalb des von dem Flächenportal umschlossenen Raumes bewegt und/oder sehr genau positioniert werden können.

Flächenportale für derartige Anforderungen sind allgemein bekannt, zum Beispiel für Meßaufgaben. Um die verlangte Genauigkeit zu erreichen, sind die ruhenden Ge-Stellbauteile, aber auch der verfahrbare Querbalken so stark dimensioniert, daß die Verbiegungen infolge der Wanderlast weit unter den geforderten Genauiqkeitstoleranzen liegen. Das bedingt eine relativ schwere, materialaufwendige Bauweise. Eine Verwendung von leichten Werkstoffen mit sehr hohem Elastizitätsmodul, z,B.

CFK-Material, scheitert meist an dem hohen Preis dieser Werkstoffe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein NC-Flächenportal derart zu gestalten, daß es auch ohne Verwendung teurer Spezialwerkstoffe ein möglichst geringes Gewicht hat, dennoch aber eine sehr hohe Bahn- und Positioniergenauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Längsbalken und der verfahrbare Querbalken je weils aus einem Tragelement und einem Positionierelement

bestehen, von denen jeweils das Tragelement die Last vollständig oder zum überwiegenden Teil aufnimmt, während das Positionierelement gar nicht oder nur gering be lastet wird und für die Genauigkeit in der vertikalen Richtung maßgeblich ist. Das Tragelement und das zugehörige Positionierelement sind jeweils nur gelenkig oberhalb der Auflagepunkte des Balkens miteinander verbunden .

Durch diese Gestaltung wird erreicht, daß die variable Gewichtsbelastung durchgehend von Bauteilen und Führungen aufgenommen wird, die nicht die Position des Werkzeugs in senkrechter Richtung bestimmen. Dadurch kann man ohne Genauigkeitseinbußen auch stärkere Durchbiegungen der das Gewicht aufnehmenden Tragelemente hinnehmen. Das erfindungsgemäße NC-Flächenportal kann deshalb bei gleich großer Bahn- und Positioniergenauigkeit wesentlich schwächer dimensioniert werden als die bisher bekannten NC-Flächenportale. Bei dem erfindungsgemäßen Flächenportal bilden die Positionierelemente eine konstante Ausgangsbasis zum Messen der Verformung der Tragelernen te .

Besonders einfach lassen sich Fehler infolge der Durchbiegung der Tragelemente kompensieren, wenn die für die Genauigkeit in der vertikalen Richtung maßgeblichen Posi- -⁵O t ionierelemente lediglich Schablonen sind, auf denen Meßsensoren verfahrbar angeordnet sind, welche die Abweichungen in der Senkrechten infolge der Durchbiegung der Längsbalken und des Querbalkens messen und dadurch Höhenkorrekturwerte erzeugen.

Günstig ist es auch, wenn aus den Höhenkorrekturt/i/erten mittels eines Rechners die daraus resultierende gesamte Höhenabweichung der Laufkatze errechnet und dieser Wert durch eine entsprechende Bewegung des Stößels der Laufkatze korrigiert wird. Bei dieser Ausführungsform wird mit einem Rechenprogramm die Abweichung der Schablone des Querbalkens v^n der idealen waagerechten Null-Linie infolge der Durchbiegung der Längsbalken und des dadurch verursachten Höhenversatzes an der Stelle des Querbalkens, an der sich die Laufkatze befindet, ermittelt. Zu diesem Höhenversatz wird noch die mittels eines weiteren Meßsensors und der Schablone des Querbalkens gemessene Durchbiegung des Querbalkens in Höhe der Laufkatze addiert und dieser Gesamtwert der Abweichung in der senk rechten Richtung über die ebenfalls NC-gesteuerte Bewegung des Stößels der Laufkatze korrigiert.

Eine alternative Ausführungsform besteht darin, daß sowohl an den beiden Enden des Querbalkens als auch an der Laufkatze Stellelemente vorgesehen sind, welche mittels der von den Meßsensoren ermittelten Höhenkorrekturwerte so gesteuert werden, daß die Höhenlage des Querbalkens an seinen beiden Enden und die der Laufkatze stets konstant gehalten wird. Im Gegensatz zur zuerst beschriebenen Ausführungsform werden hier keine Abweichungen von einer Referenzlage (durch die Schablonen gegeben) gemessen und in einem Rechenprogramm ausgewertet, sondern es handelt sich hier um eine nachführende Nullregelung ohne Rechneraufwand.

Ganz besonders leicht läßt sich die Durchbiegung des Tragelementes des Querbalkens erfassen, wenn die Laufkatze über Stellelemente am Tragelement des Querbalkens abgestützt ist und zur Ermittlung der Durchbiegung des Tragelementes des Querbalkens ein oder mehrere, den Stellelementen entsprechende Meßgeber zwischen Laufkatze und Positionierelement des Querbalkens vorgesehen ist.

Zu beachten ist bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform jedoch, daß bei Verwendung nur eines Meßgebers nur die durch die Durchbiegung verursachte Höhenabweichung ausgeglichen wird. Befindet sich die Laufkatze in einer Stellung nahe eines der Längsbalken, dann gelangt sie infolge der Durchbiegung zwangsläufig in eine Schräglage. Dies kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung auf einfache Weise dadurch behoben werden, daß an der Laufkatze beidseitig des Stößels jeweils ein Meßgeber zur Ermittlung der Durchbiegung des Tragelementes vorgesehen wird und jeder Meßgeber das auf seiner Seite liegende Stellelement der Laufkatze steuert.

Eine einfache Möglichkeit der letztgenannten Art, nämlieh sowohl Winkeländerungen als auch Höhenänderungen des Stößels zu vermeiden, besteht darin, daß die Laufkatze am Positionierelement des Querbalkens geführt und und mittels hydraulischer Stützelemente am Tragelement des Querbalkens abgestützt ist.
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Dieses Prinzip der Kraftentlastung kann natürlich auch bei den Längsbalken angewandt werden. Es ist deshalb günstig, wenn das Positionierelement des Querbalkens an den beiden Positionierelementen der Längsbalken geführt und mittels hydraulischer Stützelemente an den Tragelementen der Längsbalken abgestützt ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind drei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine räumliche Darstellung eines üblichen Flächenportals,

Fig.2 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestal

teten Flächenportals,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Flächenportals,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäß gestalteten Flächenportals. 15

Das in der Figur 1 dargestellte Flächenportal hat ein Gestell 1, welches zwei Längsbalken 2, 3 aufweist, auf denen ein Querbalken 4 längsverfahrbar angeordnet ist. Der Querbalken 4 trägt eine Laufkatze 5, die einen Stößel 6 mit beispielsweise einem Werkzeug 7 haltert. Die Laufkatze 5 ist auf dem Querbalken 4 verfahrbar.

Notwendigerweise kommt es bei einem solchen Flächenportal zu Durchbiegungen der Längsbalken 2, 3 und des Querbalkens 4. Diese Durchbiegungen sind davon abhängig, wo sich der Querbalken 4 und die Laufkatze 5 befinden, und verändern die Höhenlage des Stößels 6. Durch die Erfindung wird diese Höhenlage auch bei unterschiedlichen Durchbiegungen des Querbalkens 4 und der Längsbalken 2, 3 konstant gehalten. Zur Erläuterung der für die Erfindung wesentlichen Merkmale wird nunmehr zunächst auf die Figur 2 Bezug genommen.

Die Figur 2 läßt erkennen, daQ die Längsbalken 2 , 3 jeweils aus einem Tragelement 8 bzw. 8' und einem Positionierelement 9 bzw. 9' bestehen. Ebenso ist der Querbalken 4 aus einem Tragelement 10 und einem Positionierelement 11 aufgebaut. Bei den Positionierelemnten 9, 9' und 11 handelt es sich um Schablonen, die vom Gewicht des Querbalkens 4 bzw. der Laufkatze 5 nicht belastet sind und sich infolge dessen im Gegensatz zu den Tragelementen 8, 8' und 10 nicht durchbiegen.

Oberhalb der Positionierelemente 9, 9' ist am Querbalken 4 jeweils ein Meßgeber 12, 13 angeordnet. Diese Meßgeber 12, 13 ermitteln kontinuierlich den Abstand zu den Positionierelementen 9, 9'. Fährt der Querbalken 4 be'ispielsweise aus seiner vordersten Stellung in eine mittlere Stellung, so nimmt dieser Abstand entsprechend der zunehmenden Durchbiegung der Längsbalken 2, 3 ab.

An der Laufkatze 5 sind zwei weitere Meßgeber 14, 14' angeordnet, die auf dem Positionierelement 11 entlangfahren. Da die Laufkatze 5 ausschließlich am Tragelement 10 abgestützt ist, nimmt der Abstand zwischen den Meßgebern 14 und dem Positionierelement 11 ab, wenn sich die Laufkatze 5 zur Mitte des Querbalkens 4 hin bewegt. 25

Sowohl die Meßwerte der Meßgeber 12, 13 als auch die des Meßgebers 14 werden einem Rechner 15 zugeführt, der auf Grund eines Rechenprogramms Korrekturwerte ermittelt, von denen ein Stellmotor 16 gesteuert wird, der den Stößel entsprechend des durch die Durchbiegungen verursachten Höhenversatzes anhebt.

Die Ausführungsform gemäß Figur 3 unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen im wesentlichen dadurch, daß das Tragelement 10 des Querbalkens 4 beidseitig unter Zwischenschaltung jeweils eines Stellelementes 17, 18 am Tragelement 8 bzw. 8' der Längsbalken 2, 3 abgestützt

ist. Im linken Bildteil ist als Stellelement 17 ein hydrauliches Stellelement gezeigt, während im rechten Bildteil alternativ/ ein Stellmotor 19 mit einem Stellkeil 20 dargestellt wurde. Auch die Laufkatze 5 ist über zwei Stellelemente ?1, 22 am Tragelement 10 abgestützt. Ein Meßgeber 23 ist wiederum an der Laufkatze 5 befestigt und tastet den Abstand zum Positionierelement 11 ab. Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind außenseitig am Querbalken 4 die Meßgeber 12, 13 vorgesehen, welche den Abstand des Querbalkens 4 von den Positionierelementen 9, 9' ermitteln. Nimmt dieser Abstand zu, dann werden die Stellelemente 17, 18 entsprechend angesteuert, so daß der Querbalken 4 stets an seinen Enden auf gleicher Höhe gehalten wird. Die Durchbiegung des Tragelementes 10 des Querbalkens wird vom Meßgeber 23 registriert und führt zu einer Druckbeaufschlagung der Stellelemente 21, 22 und damit zu einem Anheben der Laufkatze 5 in Bezug auf das Tragelement 10, wenn dieses sich durchbiegt.

Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der statt des einen Meßgebers 23 auf der Mittellinie des Stößels 6 zwei Meßgeber beidseitig dieses Stößels 6 vorgesehen sind. Der linke Meßgeber kann dann das linke Stellelement 21 und der rechte Meßgeber das rechte Stell element 22 ansteuern. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Stößel 6 der Laufkatze 5 unabhängig von Durchbiegungen sich stets in einer senkrechten Position befindet.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist die Laufkatze 5 mittels Rollenpaaren 24, 25 formschlüssig am Positionierelement 11 des Querbalkens 4 geführt. Um jedoch eine Durchbiegung des Positionierelementes 11 infolge des Gewichtes der Laufkatze 5 zu vermeiden, ist die Laufkatze 5 genau wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mittels der Stellelemente 21, 22 auf dem Tragelement 10 abgestützt. Ein Drucksensor 26 zwischen Laufkatze 5 und

Positionierelement 11 stellt die Gewichtsbelastung des Positionierelementes kontinuierlich fest und steuert die Stellelemente 21, 22 derart, daß das Positionierelement 11 nur geringfügig kraftbeaufschlagt wird und deshalb sicher nicht durchbiegt.

Das Positionierelement 11 ist beidseitig ebenfalls durch Rollenpaare 27, 28 an den Positionierelementen 9, 9' der Längsbalken 3, 2 formschlüssig gehalten. Das würde natürlieh zu einer Durchbiegung beider Positionierelemente führen, wenn diese nicht genau wie das Positionierelement 11 kraftentlastet wären. Zur Herbeiführung dieser Kraftentlastung sind an beiden Enden beider Positionierelemente ebenfalls Stellelemente 29, 30 vorgesehen, über die das Positionierelement 11 auf den Tragelementen 8, 8' der Längsbalken 2, 3 abgestützt ist.

Auflistung der verwendeten Bezuqszeichen

1 Gestell

2 Längsbalken

3 Längsbalken

4 Querbalken

5 Laufkatze

21 Stellelement

22 Stellelement

23 Meßgeber

24 Rollenpaar

25 Rollenpaar

6 Stößel

7 Werkzeug

8 Tragelement

9 Positionierelement Tragelement

26 Drucksensor

27 Rollenpaar

28 Rollenpaar

29 Stellelement

30 Stellelement

Positionierelement Meßgeber Meßgeber Meßgeber Rechner

16	Ste	llmotor
17	Ste	!!element
18	Ste	llelement
19	Ste	llmotor
20	Ste	llkeil

Claims

Ansprüche

1. /NC-Flächenportal, durch welches Werkzeuge oder Werkstücke auf sehr genauen, programmierten Bahnen innerhalb des von dem Flächenportal umschlossenen Raumes bewegt und/oder sehr genau positioniert werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Längsbalken (2, 3) und der verfahrbare Querbalken (4) jeweils aus einem Tragelement (8, 8'; 10) und einem Positionierelement (9, 9'; 11) bestehen, von denen jeweils das Tragelement (8, 8'; 10) die Last vollständig oder zum überwiegenden Teil auf nimmt, während das Positionierelement (9, 9'; 11) gar nicht oder nur gering belastet wird und für die Genauigkeit in der vertikalen Richtung maßgeblich ist.

2. NC-Flächenportal nach Anspruch 1, dadurch gekennnzeichnet, daQ die für die Genauigkeit in der vertikalen Richtung maßgeblichen Positionierelemente (9, 9'; 11) lediglich Schablonen sind, auf denen Meßgeber (12, 13, 14) verfahrbar angeordnet sind, welche die Abweichungen in der Senkrechten infolge der Durchbiegung der Tragelemente (8, 8'; 10) messen und dadurch Höhenkorrekturinierte erzeugen.

3. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß aus diesen HÖhenkorrekturwerten die daraus resultierende gesamte Höhenabweichung der Laufkatze (5) mittels eines Rechners (15) errechnet und dieser Wert durch eine entsprechende Bewegung des Stößels (6) in der Laufkatze (5) korrigiert wird.

4. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an den beiden Enden des Querbalkens (4) als auch an der Laufkatze (5) Stellelemente (17, 18; 21, 22) vorgesehen sind, welche mittels der über die Meßgeber (12, 13, 14,) ermittelten

-M-

Höhenkorrekturwerte so gesteuert werden, daß die Höhenlage des Querbalkens (4) und der Laufkatze (5) stets konstant gehalten wird.

5. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufkatze (5) über Stellelemente (21, 22) arn Tragelement (10) des Querbalkens (4) abgestützt ist und zur Ermittlung der Durchbiegung des Tragelementes (10) des Querbalkens (4) ein oder mehrere, den Stellelementen (17, 18; 21, 22) entsprechende Meßgeber (26) zwischen Laufkatze (5) und Positionierelement (11) des Querbalkens (4) vorgesehen ist.

6. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Laufkatze (5) und Positionierelement zwei Meßgeber beiderseits des Stößels (6) angeordnet sind, welche jeweils ein auf gleicher Seite liegendes Stellelement der Laufkatze (5) steuern.

7. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufkatze (5) am Positionierelement (11) des Querbalkens (4) geführt und und mittels hydraulischer Stützelemente (21, 22) am Tragelement (10) des Querbalkens (4) abgestützt ist.

8. NC-Flächenportal nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekenneichnet, daß das Positionierelement (11) des Querbalkens (4) an den beiden Positionierelementen (9, 9') der Längsbalken (2, 3) geführt und mittels hydraulischer Stützelemente (29, 30) an den Tragelementen (8, 8') der Längsbalken (2, 3) abgestützt ist.