DE9317437U1

DE9317437U1 - Maschine, insbesondere Werkzeugmaschine

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Publication number: DE9317437U1
Application number: DE9317437U
Authority: DE
Original assignee: Jung K GmbH
Current assignee: Jung K GmbH
Priority date: 1993-11-15
Filing date: 1993-11-15
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2003-11-16

Description

MASCHINE, INSBESONDERE WERKZEUGMASCHINE

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem längs einer Führung verfahrbaren Schlitten für ein Werkzeug oder ein Werkstück, einem lagegeregelten Antrieb zur Positionierung des Schlittens mit einem geschlossenen Regelkreis, mit einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der jeweiligen Position des Schlittens relativ zu der Führung, die ein mit dem Schlitten verfahrbares und ein relativ zur Führung ortsfest angeordnetes Meßelement umfaßt, wobei das eine Meßelement ein parallel zur Verfahrrichtung angeordneter Maßstab und das zweite Meßelement ein mit diesem Maßstab zusammenwirkender Sensor ist, und mit einer von der Me&bgr;vorrichtung zu einer Steuerung für den Antrieb führenden Signalleitung.

Maschinen dieser Art, die im weitesten Sinne als Werkzeugmaschinen bezeichnet werden können, tragen auf dem längs der Führung verfahrbaren Schlitten ein Werkzeug, beispielsweise eine Schleifscheibe oder ein zu bearbeitendes Werkstück oder eine Halterung dafür. Die Position des Schlittens wird durch eine Steuerung entsprechend einem vorgegebenen Programm gesteuert, wobei die jeweilige Ist-Position des Schlittens über die Me&bgr;vorrichtung erfaßt wird. Dieser

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Ist-Position entsprechende Signale werden der Steuerung zugeführt, und diese vergleicht die Ist-Position mit der im Programm abgelegten Soll-Position und erzeugt Korrektursignale, mit denen der Schlitten in die jeweilige Soll-Position verfahren wird.

In der Praxis ergibt sich dabei die Schwierigkeit, daß dadurch zwar die Position des Schlittens sehr genau eingestellt werden kann, jedoch können sich trotzdem Abweichungen des Werkzeuges oder des Werkstückes von der gewünschten Position ergeben, wenn die auf dem Schlitten angeordnete Halterung des Werkzeuges oder Werkstückes im Betrieb ihre Abmessungen ändert. Dies erfolgt insbesondere unter dem Einfluß von Temperaturänderungen. Solche Temperaturänderungen können durch Umwelteinflüsse auftreten, wesentlich gravierender sind diese Änderungen dann, wenn die Halterung selber höhere Temperaturen erzeugt, beispielsweise dann, wenn die Halterung einen Antriebsmotor und Lagerungen umfaßt, die Verlustwärme abgeben. Bei Schleifmaschinen beispielsweise können auf dem Schlitten ein Antrieb für eine Spindel einer Schleifscheibe und die Schleifspindel selbst montiert sein. Dieser Antrieb einerseits und die Lagersteilen der Spindel andererseits erfahren im Betrieb je nach Belastung eine erhebliche Erwärmung, dadurch ergeben sich Längenänderungen der Halterung mit entsprechenden Positionsänderungen des Werkzeuges oder des Werkstückes relativ zum Schlitten und somit zur Maschine.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Maschine so auszugestalten, daß eine weitgehende Kompensation dieser temperaturbedingten Positionsänderungen des Werkzeuges oder des Werkstückes relativ zum Schlitten möglich wird.

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Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein fließfähiges Medium einerseits in Wärmekontakt mit einer auf dem Schlitten angeordneten Werkstück- oder Werkzeughalterung und andererseits in Wärmekontakt mit einer Halterung für eines der beiden Meßelemente steht und daß die Halterung für eines der beiden Meßelemente temperaturabhängig die Position des daran gehaltenen Meßelementes relativ zu ihrer Befestigungsstelle und parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens verschiebt.

Es wird also zunächst entsprechend der Temperaturänderung der Werkstück- oder Werkzeughalterung eine Temperaturänderung eines fließfähigen Mediums erzeugt, beispielsweise einer Flüssigkeit. Dieses fließfähige Medium wirkt als ein Wärmeübertragungsmedium und überträgt diese geänderte Temperatur auf eine Halterung für eines der beiden Meßelemente. Durch die gezielte Temperaturänderung der Meßelementehalterung verschiebt diese das Meßelement parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens. Dies führt dazu, daß die Meßvorrichtung zur Steuerung eine Position des Schlittens meldet, die von dem thermisch bedingten Verschiebebetrag des Meßelementes von der tatsächlichen Position des Schlittens abweicht. Die Steuerung registriert dies als eine Abweichung des Schlittens von seiner Soll-Position und verfährt den Schlitten über den Positionierantrieb in die so korrigierte Lage.

Diese Verschiebung des Schlittens kompensiert mehr oder weniger die thermisch bedingte Positionsänderung des Werkzeuges oder Werkstückes relativ zum Schlitten, so daß insgesamt dadurch auch bei geänderter Temperatur der Werkstück-

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oder Werkzeughalterung ihre dadurch bedingten Längenänderungen weitgehend kompensiert werden.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß durch das fließfähige Medium ein gewisser Speichereffekt auftritt. Kurzzeitige Temperaturschwankungen der Werkstück- oder Werkzeughalterung führen nicht sofort zu einer entsprechenden Kompensation, da das fließfähige Medium eine gewisse Zeit braucht, um seine Temperatur an die Temperatur der Werkzeughalterung anzupassen. Dadurch wird vermieden, daß durch eine Nachregelung mit zu geringer Zeitkonstante Instabilitäten und Oszillationen auftreten. Es ist mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, ohne zusätzliche störanfällige und komplizierte elektronische Mittel eine wirksame Temperaturkompensation zu erreichen, die auch nachträglich bei Maschinen dieser Gattung eingesetzt werden kann.

Es ist dabei selbstverständlich grundsätzlich möglich, sowohl das mit dem Schlitten fahrende Meßelement als auch das an dem ortsfesten Maschinenteil gelagerte Meßelement entsprechend zu verschieben, auch kann es sich bei dem verschobenen Meßelement wahlweise sowohl um den Sensor als auch um den Maßstab handeln. Der Maßstab kann dabei von beliebiger Bauart sein, beispielsweise kann er optische oder magnetische Markierungen tragen oder jede andere Markierung, die eine Ma&bgr;Verkörperung darstellt. Wie bereits angesprochen, kann die Werkstück- oder Werkzeughalterung eine beliebig angetriebene Spindel sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein geschlossener Kreislauf für das fließfähige Medium vorgesehen ist, in den eine Umwälzpumpe eingeschaltet ist.

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Vorzugsweise weist der geschlossene Kreislauf ein mit der Werkstück- oder Werkzeughalterung in Wärmekontakt stehendes Speichervolumen auf. Dies führt dazu, daß je nach Größe des Speichervolumens die Zeitkonstante vergrößert wird, mit der die Temperaturänderung der Werkstück- oder Werkzeughalterung auf die Halterung des Meßelementes übertragen wird. Man kann auf diese Weise das Langzeit-Temperaturverhalten der Werkstück- oder Werkzeughalterung sehr genau nachbilden, ohne kurzzeitige örtliche Schwankungen der Temperatur zu übertragen. Diese führen nicht sofort zu entsprechenden Längenänderungen der Werkstück- oder Werkzeughalterung, da auch die Werkstück- oder Werkzeughalterung auf kurzzeitige örtliche Temperaturänderungen beispielsweise des Antriebsmotors einer Hauptspindel nicht zeitgleich anspricht, sondern ebenfalls ein integrierendes Verhalten zeigt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Halterung für eines der Meßelemente ein von dem fließfähigen Medium durchflossenes, parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens vorlaufendes Rohr aus einem wärmedehnbaren Material ist. Dabei ergibt sich eine besonders einfache Konstruktion der Halterung für das Meßelement, das Rohr ändert entsprechend der Temperatur seine Länge und verschiebt dadurch das an ihm gehaltene Meßelement.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Rohr U-förmig ausgebildet ist und zwei parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens verlaufende Schenkel aufweist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Länge der temperaturabhängig längenveränderbaren Halterung zwischen der Lagerstelle der Halterung

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einerseits und der Position des Meßelementes an der Halterung andererseits veränderbar ist. Diese spezielle Ausgestaltung ermöglicht es, die absolute Größe der Verschiebung des Meßelementes gegenüber der Lagerstelle der Halterung einzustellen, so daß eine Eichung der Kompensationsverschiebung möglich wird. Dasselbe läßt sich auch durch entsprechende Wahl der Materialien des Rohres erreichen, jedoch ermöglicht die Längenveränderung bei ein- und demselben Rohr eine entsprechende Einstellung der Kompensation.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, daß eine als Rohrleitung ausgebildete Halterung an ihrer Lagerstelle verschiebbar und fixierbar gelagert ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung herausgestellt, bei der das U-förmige Rohr im Bereich der Verbindung der beiden parallelen Schenkel eines der beiden Meßelemente trägt und bei der beide Schenkel durch eine Klemmhalterung geführt sind, die im gelösten Zustand eine Verschiebung des U-förmigen Rohres parallel zu dessen beiden Schenkeln erlaubt, im gespannten Zustand jedoch das Rohr relativ zur Maschine unverschieblich festlegt.

Bei einer speziellen Ausgestaltung ist das an der wärmedehnbaren Halterung angeordnete Meßelement der Maßstab.

Bei einer solchen Ausgestaltung ist es günstig, wenn der Maßstab zusätzlich zur Festlegung an der wärmedehnbaren Halterung in einer Führung parallel zur Verschieberichtung des Schlittens verschieblich gelagert ist.

Insbesondere ist die Halterung für den Maßstab ortsfest an einem mit der Führung des Schlittens verbundenen Maschinengestell gelagert.

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Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1: eine schematische Seitenansicht einer Werkzeugmaschine mit Temperaturkompensation und

Figur 2: eine vergrößerte Ansicht der Meßvorrichtung

der Maschine der Figur 1 und insbesondere der Halterung des Maßstabes.

An einem ortsfesten Maschinengestell 1 ist längs einer gestellfesten Führung 2 ein Schlitten 3 verschiebbar gelagert. Dieser kann mittels einer Vorschubspindel 4 längs der Führung 2 verfahren werden. Die Vorschubspindel 4 wird von einem gestellfesten Motor 5 angetrieben, der über eine Steuerleitung 6 mit einer Steuerung 7 verbunden ist.

Auf dem Schlitten 3 ist ein Antrieb 8 für eine Hauptspindelwelle 9 angeordnet, auf diese Hauptspindelwelle 9 kann in nicht näher dargestellter Weise ein rotierendes Werkzeug aufgesetzt werden, beispielsweise eine Schleifscheibe.

Am Schlitten 3 ist weiter über einen nach unten abstehenden Arm 10 ein Sensor 11 gehalten, beispielsweise eine Photozelle, die über eine Signalleitung 12 ebenfalls mit der Steuerung 7 verbunden ist. Dieser Sensor 11 arbeitet zusammen mit einem länglichen Maßstab 13, der am Maschinengestell 1 parallel zur Führung 2 angeordnet ist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen bekannten Glasmaßstab handeln, in den Längenmarkierungen eingeätzt sind, die von dem Sensor 11 erfaßt werden.

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Der Sensor 11 und der Maßstab 13 bilden zusammen eine an sich bekannte Me&bgr;vorrichtung, durch die die jeweilige Ist-Position des Schlittens 3 längs der Führung 2 festgestellt wird. Entsprechende Signale werden über die Signalleitung 12 der Steuerung 7 zugeführt. Diese vergleicht die Ist-Positions-Signale mit gespeicherten Soll-Positions-Signalen und erzeugt Korrektursignale, die über die Steuerleitung 6 dem Motor 5 zugeführt werden. Dieser verschiebt den Schlitten 3 so, daß die Ist-Position des Schlittens 3 immer der Sollposition nachgeführt wird.

Soweit bisher beschrieben, entspricht diese Maschine bekannten Ausführungen.

Abweichend von bekannten Ausführungen ist der Maßstab 13 am Maschinengestell 1 nicht fest gelagert, sondern parallel zur Führung 2 längsbeweglich. Dazu ist ein Ende 14 des Maßstabes 13 über ein Verbindungselement 15 fest mit dem gebogenen Ende eines U-förmig gebogenen Rohres 16 verbunden, dessen Schenkel 17 und 18 parallel zur Führung 2 verlaufen. Diese Schenkel 17 und 18 sind mittels einer Klemmhalterung 19 am Maschinengestell 1 lösbar festgelegt. Diese Klemmhalterung ist in der Zeichnung nicht näher ausgeführt, es kann sich beispielsweise um zwei die beiden Schenkel 17 und 18 umgebende Klemmbacken handeln, die gegeneinander spannbar sind. Wenn die Klemmbacken gelöst sind, kann das U-förmige Rohr 16 parallel zur Führung 2 verschoben werden, bei entspannter Klemmhalterung 19 ist das Rohr 16 relativ zum Maschinengestell 1 festgelegt. Es ist dadurch möglich, die Länge zwischen der Lagerstelle des Rohres 16 am Maschinengestell 1, die durch die Klemmhalterung 19 bestimmt wird, und dem den Maßstab 13 tragenden Verbindungselement 15 zu

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verändern. Natürlich könnte die Klemmhalterung auch selbst relativ zum Maschinengestell verschiebbar und in verschiedenen Relativpositionen festlegbar sein.

Der Maßstab 13 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer am Maschinengestell gehaltenen Gleitführung 20, die in der Zeichnung nur schematisch dargestellt ist, beweglich gelagert.

Die beiden Schenkel 17 und 18 des Rohres 16 stehen über flexible Leitungen 21 und 22 mit einem Speichervolumen 23 auf dem Schlitten 3 in Verbindung, so daß sich ausgehend von dem Speichervolumen 23 ein geschlossener Kreislauf durch die Leitung 21, das Rohr 16 und die Leitung 22 ergibt. In diesen geschlossenen Kreislauf ist außerdem eine Umwälzpumpe 24 eingeschaltet, die sich vorzugsweise auf dem Schlitten 3 befindet.

Das Speichervolumen 23 ist auf dem Schlitten 3 so angeordnet, daß es in Wärmekontakt mit den Teilen steht, die die Position des Werkzeuges relativ zum Schlitten 3 bestimmen. Diese Teile werden nachfolgend allgemein als Werkstückoder Werkzeughalterung 25 bezeichnet. Wesentlich ist, daß ein fließfähiges Medium in dem Kreislaufsystem, beispielsweise eine Flüssigkeit, so in Wärmekontakt mit der Werkstück- oder Werkzeughalterung 25 steht, daß Temperaturänderungen der Werkstück- oder Werkzeughalterung auf das fließfähige Medium übertragen werden. Beim Umwälzen des fließfähigen Mediums wird dadurch diese Temperaturänderung auch auf das Rohr 16 übertragen. Dieses besteht aus einem wärmedehnbaren Material, beispielsweise aus Messing oder Kupfer. Bei einer Änderung der Temperatur der durch das

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Rohr 16 strömenden Flüssigkeit wird die effektive Länge der Schenkel 17 und 18 zwischen der Klemmhalterung 19 einerseits und dem Verbindungselement 15 andererseits verändert, und zwar in der Richtung, daß Lageänderungen des Werkzeuges oder Werkstückes relativ zum Schlitten 3 kompensiert werden. Wenn sich also durch eine Temperaturerhöhung das Werkzeug oder Werkstück in der Darstellung der Figur 1 um den Betrag &, Z nach links bewegt, führt dies dazu, daß durch die auf das Rohr übertragene Temperaturerhöhung der Maßstab 13 um den gleichen Betrag nach rechts verschoben wird. Dies wird von dem Sensor 11 mit einem geänderten Ist-Positions-Signal beantwortet, und als Folge davon steuert die Steuerung 7 den Motor 5 so, daß der Schlitten 3 ebenfalls um den Betrag 4 ^{z n}ach rechts verschoben wird. Auf diese Weise wird die aus der Temperaturerhöhung resultierende unerwünschte Verschiebung des Werkzeuges oder Werkstückes kompensiert.

Eine volle Kompensation ergibt sich nur dann, wenn die thermisch bedingte Längenänderung des Rohres 16 genau der thermisch bedingten Längenänderung der Werkstück- oder Werkzeughalterung entspricht. Dies läßt sich dadurch beeinflussen, daß die effektive Länge des U-förmigen Rohres zwischen Klemmhalterung 19 und Verbindungselement 15 entsprechend gewählt wird. Wird diese Länge größer oder kleiner gewählt, ergibt sich eine Über- bzw. Unterkompensation der temperaturbedingten Verschiebung des Werkzeuges oder Werkstückes. Vorstehend ist die Temperaturkompensation an einer Achse erörtert worden. Selbstverständlich kann eine entsprechende Korrektur auch bei anderen Achsen der Maschine erfolgen, vorzugsweise wird dabei für mehrere Achsen nur ein einziges Flüssigkeitssystem verwendet, es wird also dieselbe Flüssigkeit in verschiedene Rohre 15 geleitet, die jeweils einer Achse zugeordnet sind.

Claims

A 51 350 u Anmelderin: K. Jung GmbH

u - 223 Jahnstraße 80-82

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SCHUTZANSPRÜCHE

1. Maschine mit einem längs einer Führung verfahrbaren Schlitten für ein Werkzeug oder ein Werkstück, einem lagegeregelten Antrieb zur Positionierung des Schlittens mit einem geschlossenen Regelkreis, mit einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der jeweiligen Position des Schlittens relativ zu der Führung, die ein mit dem Schlitten verfahrbares und ein relativ zu der Führung ortsfest angeordnetes Meßelement umfaßt, wobei das eine Meßelement ein parallel zur Verfahrrichtung angeordneter Maßstab und das zweite Meßelement ein mit diesem Maßstab zusammenwirkender Sensor ist, und mit einer von der Me&bgr;vorrichtung zu einer Steuerung für den Antrieb führenden Signalleitung, dadurch gekennzeichnet, daß ein fließfähiges Medium einerseits in Wärmekontakt mit einer auf dem Schlitten (3) angeordneten Werkstück- oder Werkzeughalterung (25) und andererseits in Wärmekontakt mit einer Halterung (16) für eines der beiden Meßelemente (13) steht und daß die Halterung (16) für eines der beiden Meßelemente (13) temperaturabhängig die Position des daran gehaltenen Meßelementes (13) relativ zu ihrer Befestigungsstelle (19) und parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens (3) verschiebt .

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2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Werkstück- oder Werkzeughalterung (25) eine angetriebene Spindel ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Kreislauf für das fließfähige Medium vorgesehen ist, in den eine Umwälzpumpe (24) eingeschaltet ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kreislauf ein mit der Werkstück- oder Werkzeughalterung (25) in Wärmekontakt stehendes Speichervolumen (23) aufweist.

5. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (16) für eines der Meßelemente (13) ein von dem fließfähigen Medium durchflossenes, parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens (3) verlaufendes Rohr aus einem wärmedehnbaren Material ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr U-förmig ausgebildet ist und zwei parallel zur Verfahrrichtung des Schlittens (3) verlaufende Schenkel (17, 18) aufweist.

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7. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der temperaturabhängig längenveränderbaren Halterung (16) zwischen der Lagerstelle (19) der Halterung (16) einerseits und der Position des Meßelementes (13) an der Halterung (16) andererseits veränderbar ist.

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Rohrleitung ausgebildete Halterung (16) an ihrer Lagerstelle (19) verschiebbar und fixierbar gelagert ist.

Maschine nach den Ansprüchen &dgr; und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das U-förmige Rohr im Bereich der Verbindung der beiden parallelen Schenkel (17, 18) eines der beiden Meßelemente (13) trägt und daß beide Schenkel (17, 18) durch eine Klemmhalterung geführt sind, die im gelösten Zustand eine Verschiebung des U-förmigen Rohres parallel zu dessen beiden Schenkeln (17, 18) erlaubt, im gespannten Zustand jedoch das Rohr relativ zur Maschine unverschieblich festlegt.

10. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß das an der wärmedehnbaren Halterung (16) angeordnete Meßelement (13) der Maßstab ist.

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11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab zusätzlich zur Festlegung an der wärmedehnbaren Halterung (16) in einer Führung (20) parallel zur Verschieberichtung des Schlittens (3) verschieblich gelagert ist.

12. Maschine nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (16) für den Maßstab (13) ortsfest an einem mit der Führung (2) des Schlittens verbundenen Maschinengestell (1) gelagert ist.

13. Maschine nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fließfähige Medium mit Halterungen (16) für unterschiedlich orientierte Achsen der Maschine in Verbindung steht.