DE10126039A1 - Einrichtung zur Feinzustellung eines Drehmeißels - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feinzustellung eines Drehmeißels zur Minimierung von Geradlinigkeitsabweichungen des Maschinenschlittens einer Drehmaschine, bestehend aus einem Zylinderstift (1), einer Drehmeißelaufnahme (4) und zumindest einem Piezo-Aktuator (5) zwischen einem Widerlager und dem Drehmeißel, DOLLAR A dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - ein Gestell (2) mit dem Zylinderschaft (1) verbunden ist, DOLLAR A - das Gestell (2) eine Auflage für einen Schlitten (3) bildet, wobei Gestell (2) und Schlitten (3) mittels einer in Zustellrichtung deformierbaren Anordnung (10, 11) verbunden sind, DOLLAR A - vom Gestell (2) zwei sich gegenüberliegende Widerlager (6, 7) gebildet werden, und DOLLAR A - zwischen den Widerlagern (6, 7) ein Piezo-Aktuator (5) so vorgespannt ist, dass DOLLAR A - die Betätigung des Piezo-Aktuators (5) eine Zustellbewegung des Schlittens (3) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feinzustellung eines Drehmeißels zur Mini­ mierung von Geradlinigkeitsabweichungen des Maschinenschlittens einer Drehmaschi­ nen, bestehend aus einem Zylinderschaft, einer Drehmeißelaufnahme und zumindest einem Piezo-Aktuator zwischen einem Widerlager und dem Drehmeißel.

Die Genauigkeit von auf Großdrehmaschinen hergestellten Werkstücken wird durch geometrische Fehler der Bettschlittenbewegung begrenzt. So bildet sich beim Langdre­ hen von walzenförmigen Werkstücken direkt die Abweichung von der Geradlinigkeit in der Waagerecht-Ebene als Fehler erster Ordnung im Werkstückdurchmesser ab, Fig. 5.

Nach DIN 8607: Drehmaschinen mit normaler Genauigkeit; Umlaufdurchmesser über 800 mm bis 1600 mm; Abnahmebedingungen, 1976 sind Geradlinigkeitsabweichungen der Schlittenbewegung von 25 µm bei Verfahrwegen von 500 bis 1000 mm sowie zu­ sätzlich 5 µm pro weitere 1000 mm (maximal 50 µm) zulässig.

Der kleinste zustellbare Weg der X-Achse stellt eine markante Grenze hinsichtlich der erreichbaren Konturformen (Makrokontur und Mikrostruktur) am Werkstück dar. Dieser kleinste zustellbare Weg lässt sich bei Beibehaltung des Achskonzeptes (eine schwere Achse für die X-Bewegung) nicht mehr nennenswert verringern. Verantwortlich hierfür sind Trägheits-, Steifigkeits- und Reibungseffekte. Daraus folgt, dass Lageabweichun­ gen in der Größenordnung des kleinsten zustellbaren Weges nicht korrigierbar sind und dass Bombierungen (d. h. minimale Krümmungen an walzenförmigen Werkstücken), nicht mehr auf Großdrehmaschinen durch Drehen herstellbar sind, Fig. 6. Großdrehteile werden heute aufwendig nachbearbeitet, um derartige Konturen zu erzeugen.

Schwere lange Drehteile biegen sich unter ihrem Eigengewicht durch. Die daraus resul­ tierende Höhenverlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück wird als Fehler 2. Ord­ nung in Form einer Durchmesserabweichung des Werkstückes abgebildet.

Von der PI Physik Instrumente GmbH & Co: Firmenschrift Position und Bewegung, Ausgabe 25 ist ein Piezoelectric Tool Servo (Piezokeramischer Feinsteller für Drehmei­ ßel) bekannt. Dieser eignet sich jedoch weder hinsichtlich seiner Leistungsdaten noch hinsichtlich seiner mechanischen Schnittstelle für einen Einsatz in Großdrehmaschinen.

Aus der Druckschrift des Fraunhofer-Institutes für Produktionstechnologie IPT, Aachen. Flyer "Aktive Schwingungskompensation", ohne Jahr, Weck, M.; Henning, T.; Kreutz, E. W.; Lebert, R.; Oezmeral, H.: Nicht-rotationssymmetrische Optiken. Herstellung und Anwendung in der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung. Vortrag zum 12. Internatio­ nalen Kongreß LASER 95, München 1995 und in Klocke, F.; Ruebenach, O.: Perfekt in Form gebracht. Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide. in: Schweizer Maschi­ nenmarkt, (1998) 39, S. 48-51 geht ein Fast Tool Servo (Verstärker, Meißelzustellein­ richtung) hervor, mit dem Drehmeißel dynamisch um Mikrometer verstellt werden kön­ nen. Der Fast Tool Servo wird zur Erzeugung gewollter Feinstrukturierungen z. B. an Laseroptiken und zur aktiven Schwingungskompensation eingesetzt. Die Ausführung dieser Einrichtung berücksichtigt nicht die spezifischen Einbau- und Prozessbedingun­ gen an Großdrehmaschinen. Eine analoge amerikanische Entwicklung ist in Ras­ mussen, J. D.; Tsao, T. C.; Hanson, R. D.; Kapoor, S. G.: Dynamic variable depth of cut machining using piezoelectric actuators. in: Int. Journal of Machine Tools and Manu­ facture, 34 (1994) 3, S. 379-392 beschrieben - wiederum mit o. g. Einschränkungen.

Aus der DE 35 09 240 A1 ist eine Antriebseinrichtung zum Bewegen von zum Beispiel einer Werkzeugschneide über insbesondere kleine Wegstrecken im Millimeterbereich mit hohen Frequenzen im kHz Bereich bekannt. Dazu ist zumindest ein piezoelektri­ scher Kristall derart auf einer Seite an einem Widerlager abgestützt und auf der gegen­ überliegenden Seite die Werkzeugschneide beaufschlagt, dass die Elektrostriktion des Kristalls oder der Kristalle eine Änderung des Abstandes zwischen der Werkzeug­ schneide und dem Widerlager erzeugt. Die konstruktive Ausführung dieser Antriebsein­ richtung einschließlich der Werkzeugführung und Befestigung wird nicht beschrieben.

In der DE 196 40 280 C2 wird ein Werkzeugkopf für das spanende Feinbearbeiten einer Fläche eines Werkstückes während einer Drehbewegung des Werkzeugkopfes oder des Werkstückes mit einem Schneidmeißel beschrieben, der gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus einer Ausgangsposition in unterschiedliche Bearbeitungspositionen in bezug auf das Werkstück mittels eines Stellantriebes bewegbar ist. Der Stellantrieb der Einrichtung ist ein axial positiv magnetostriktiv wirkender Dehnstab.

Aus der DE 198 59 360 A1 ist eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstüc­ ken mit einer Bearbeitungseinheit und/oder einem Werkstücktisch und mit einer Posi­ tionskorrektureinrichtung für die Bearbeitungseinheit bzw. den Werkstücktisch bekannt, bei der als Positionskorrektureinrichtung der Bearbeitungseinheit mindestens ein elek­ trisch angesteuerter Piezo-Aktuator vorgesehen ist. Die Piezo-Aktuatoren wirken direkt auf das zu stellenden Element.

Eine Verringerung der Geradlinigkeitsabweichungen der Schlittenbewegung von Dreh­ maschinenachsen kann nur durch eine Erhöhung der Führungsgenauigkeit erfolgen. Diese stößt aufgrund der Größe der Achsen an Grenzen.

Der kleinste zustellbare Weg von Maschinenachsen lässt sich durch Verbesserung der Führungsqualität, d. h. Verringerung von Haft- und Gleitreibung sowie Erhöhung der Achssteifigkeiten, verringern aber nicht vermeiden.

Zur Korrektur der durch die Durchbiegung von Drehteilen unter ihrem Eigengewicht Maß- und Oberflächenfehler wurde in DE 295 06 856 U1 folgende Lösung beschrieben: die Dreh- oder Schleifmaschine wird mit einer zusätzlichen NC-Achse ausgerüstet, mit der die Höhe des Werkzeuges entsprechend der Durchbiegung des Werkstückes ver­ ändert werden kann. Diese Lösung ist relativ aufwendig und korrigiert nur Fehler 2. Ordnung. Die eingangs beschriebenen Probleme können damit nicht gelöst werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Einrichtung anzugeben, mit der eine

• - Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit von Großdrehmaschinen ohne aufwendige und technisch begrenzten Verbesserung des Positionier- und Folgeverhaltens von schweren X-Achsen in Großdrehmaschinen,
• - Erhöhung der Fertigungsgenauigkeit von Großdrehmaschinen durch Korrektur von der gewichtsbedingten Durchbiegung langer Drehteile,
• - Erzielung eines deutlich erweiterten Einsatzbereichs von schweren Werkzeugma­ schinen (Großdrehmaschinen) für die Anwender

ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in Verbindung mit den im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass ein Gestell mit dem Zylinder­ schaft verbunden ist, das Gestell eine Auflage für einen Schlitten bildet, wobei Gestell und Schlitten mittels einer in Zustellrichtung deformierbaren Anordnung verbunden sind, vom Gestell zwei sich gegenüberliegende Widerlager gebildet werden, und zwischen den Widerlagern ein Piezo-Aktuator so vorgespannt ist, dass die Betätigung des Piezo- Aktuators eine Zustellbewegung des Schlitten erzeugt.

Der Zylinderschaft ist entsprechend der DIN 69880-1: Werkzeughalter mit Zylinder­ schaft; Zylinderschaft, Aufnahmebohrung, Technische Lieferbedingungen. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 08/1994, zum Einsatz auf Großdrehmaschinen mit Revolverkopf ausge­ bildet. Die äußeren Abmaße der Einrichtung orientieren sich an den in DIN 69880-3: Werkzeughalter mit Zylinderschaft; Form B mit Vierkantaufnahme. Beuth Verlag GmbH, Berlin, 05/1995, beschriebenen Vorgaben für Werkzeughalter mit Zylinderschaft. Der Stellweg beträgt mindestens 200 µm. Als Antrieb werden Piezo-Aktuatoren verwendet, da sie eine sehr hohe mechanische Drucksteife besitzen, einen geringen Bauraum be­ nötigen und bei entsprechender Auslegung bzw. Gestaltung von Einbauumgebung, Hochspannungsverstärker und Lageregelung im geregelten Betrieb sehr hohe Positio­ niergenauigkeiten im Submikrometerbereich erzielbar sind.

Vorteilhaft wird die in Zustellrichtung deformierbare Anordnung zur Verbindung von Ge­ stell und Schlitten aus zwei parallel angeordneten Blattfederpaketen gebildet, die einer­ seits am Schlitten und andererseits am Gestell eingespannt sind.

An der auf dem Gestell liegenden Seite des Schlittens ist ein in das Gestell einsetzba­ res Mittelstück angebracht. An zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Mittelstücks sind die Blattfederpakete mittels Spannplatten verschraubt. Damit wird eine sehr stabile Anordnung erreicht, die nur in eine Richtung auslenkbar ist.

Eine der Spannplatten weist mittig eine Bohrung auf, durch die der Piezo-Aktuator ver­ läuft. Die andere Spannplatte ist mit einer Senkbohrung zur Aufnahme eines Vorspan­ nelementes versehen und die gegenüberliegende Seite der Spannplatte als Abstützung eines Endes des Piezoaktuators ausgebildet. Auf diese Weise kann der zur Auslösung der Stellbewegung dienende Piezo-Aktuator vorgespannt werden. Die Zustellung des Schlittens erfolgt gegen die Wirkung des Vorspannelementes, wobei durch die Wirkung der Vorspannung der Schlitten in die Ausgangslage zurückbefördert werden kann.

Weiterhin vorteilhaft wird das gegenüberliegende Widerlager von einer Stellschraube zum Toleranzausgleich gebildet. Damit kann der Piezo-Aktuator so zwischen den bei­ den Widerlagern positioniert werden, dass der Schlitten in eine eindeutige Ausgangsla­ ge gelangt.

Die Auflage des Schlittens auf dem Gestell erfolgt vorteilhaft über eine umlaufende Dichtung. Schlitten und Gestell bilden für den Piezo-Aktuator mit der Dichtung einen gegen das Eindringen von Flüssigkeiten abgedichteten Raum. Bei der Zustellung des Schlittens wird die Dichtung geringfügig gewalkt, was sich bei der Größe der Zustellbe­ wegung nicht nachteilig auf die Dichtung auswirkt.

Vorteile, die durch die Erfindung erzielt werden, sind:

• - deutliche Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit von Großdrehmaschinen mit relativ geringem technischen und finanziellen Aufwand,
• - Erweiterung der technologischen Möglichkeiten von Großdrehmaschinen
• - Verwendung zum Bombieren (Fertigung minimaler Krümmungen der Mantelflä­ che walzenförmiger Werkstücke)
• - Feinstrukturierung von Drehoberflächen (aus tribologischer Sicht häufig vorteil­ hafte Oberflächenausbildung).

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen an Hand schematischer Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung

Fig. 2 eine erfindungsgemäßen Einrichtung in Explosivdarstellung

Fig. 3 eine räumliche Darstellung des Schlittens mit Federpaketen

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung als Revolverkopfsegment

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Drehmaschine zur Veranschaulichung der Abbildung von Geradlinigkeitsfehlern der Maschinenschlittenführung im Werk­ stück als Fehler erster Ordnung

Fig. 6 ein Messergebnis eines Step-Response-Tests

In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt. Das Ge­ stell 2 der Einrichtung besitzt einen Zylinderschaft 1 nach DIN 69880-1, der in einem Revolverkopf einer Drehmaschine befestigt werden kann. Gemäß der Darstellung weist das Gestell rechtsseitig ein Widerlager 7 auf, das von einer Stellschraube 8 gebildet wird. Linksseitig am Gestell 2 befindet sich ein zweites Widerlager 6. Zwischen den bei­ den Widerlagern 6, 7 ist ein Piezo-Aktuator 5 vorgespannt.

Ein Schlitten 3 ist mit einer Drehmeißelaufnahme 4 mittels zweier Blattfederpakete 10, 11 an dem Gestell 2 befestigt. Die Bewegung des Schlittens 3 ist in einer Richtung durch Deformation der Blattfederpakete 10, 11 möglich. Als Antrieb dienen ein oder mehrere piezokeramische Piezo-Aktuator(en) 5 in Stapelbauweise, die mittels eines Vorspannelementes 9, vorzugsweise ein Tellerfederpaket, vorgespannt werden. Der oder die Piezo-Aktuator(en) 5 stützen sich auf der einen Seite am vom Gestell 2 gebil­ deten Widerlager 7 und auf der anderen Seite am vom Schlitten 3 gebildeten Widerla­ ger 6 ab.

Beim Anlegen einer Spannung am Steuerspannungsstecker 13 dehnen sich der oder die Piezo-Aktuator(en) 5 aus und verschieben den Schlitten 3 in Drehmeißelzustellrich­ tung. Die Drehmeißelaufnahme 4 ist gemäß DIN 69880-3 zur Verwendung von Stan­ darddrehmeißeln ausgebildet.

Die Einrichtung ist mit einem Wegmesssystem zur Messung der Feinzustellung ausge­ rüstet, das mit einem Regler zu einem Lageregelkreis verbunden ist. Das Messsignal liegt am Messsystemstecker 14 an.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäßen Einrichtung in Explosivdarstellung. Der Schlitten 3 ist von dem Gestell 2 abgenommen zeigt an der Unterseite die beiden Blattfederpakete 10, 11 und den Piezo-Aktuator 5. An der Unterseite des Schlittens 3 ist eine umlaufende Nut vorgesehen, in die eine Dichtung 12 eingelegt werden kann. Die Dichtung 12 stützt sich auf den Seitenwänden des Gestells 2 ab und wird bei der Montage der Einrichtung so zusammengedrückt, dass eine Dichtheit der Einrichtung entsprechend IP67 ge­ währleistet ist. Damit ist der Piezo-Aktuator 5 mit allen Anschlüssen während des Be­ triebs wirksam abgeschlossen.

Fig. 3 zeigt den Schlitten 3 mit Blick auf das schneidenseitige Ende. Das Mittelstück 18 zwischen den beiden Blattfederpaketen 10, 11 ist fest mit dem Schlitten 3 verbunden. Durch das Mittelstück 18 verläuft eine Bohrung zur Aufnahme des Piezo-Aktuators. Zur Befestigung der Blattfederpakete am Schlitten 3 liegt eine Spannplatte 16 am schnei­ denseitigen Ende des Schlittens 3 auf dem Blattfederpaket 10 und am gegenüberlie­ genden Ende eine Spannplatte 17 auf dem Blattfederpaket 11. Die beiden Spannplatten 16, 17 sind mit dem Mittelstück 18 verschraubt, und halten so die Blattfederpakete 10, 11 sicher am Schlitten 3. Die Spannplatten 16, 17 und das Mittelstück 18 sind an den freien Ecken abgerundet, damit sich der Schlitten 3 gegenüber dem eingespannten Rand der Blattfederpakete 10, 11 ohne eine Überbeanspruchung oder Kerbung dersel­ ben verschieben lässt.

Die nicht dargestellte Spannplatte 17 weist mittig eine Bohrung auf, durch die der Piezo- Aktuator wie in Fig. 2 ragt. Die Spannplatte 16 ist auf der dargestellten Seite mit einer Senkbohrung zur Aufnahme des Vorspannelementes versehen. Die gegenüberliegende Seite der Spannplatte 16 dient als Abstützung des durch das Mittelstück 18 verlaufen­ den Piezo-Aktuators.

Fig. 4 zeigt ein Revolverkopfsegment mit 2 Werkzeugaufnahmeplätzen. Die erfindungs­ gemäße Einrichtung ist in ihren äußeren Abmessungen so ausgebildet, dass alle Auf­ nahmeplätze mit Einrichtungen gemäß der Erfindung besetzt werden können. Das schneidenseitige Ende des Schlittens ist vom Mittelpunkt des Revolverkopfes abge­ wandt. Die Bewegung der einzelnen Schlitten erfolgt in radialer Richtung.

Die Fig. 5 und 6 dienen der Erläuterung des Standes der Technik und wurden in der Beschreibungseinleitung abgehandelt.

Bezugszeichenliste

1

Zylinderschaft

2

Gestell

3

Schlitten

4

Drehmeißelaufnahme

5

Piezo-Aktuator

6

Widerlager

7

Widerlager

8

Stellschraube

9

Vorspannelement

10

Blattfederpaket

11

Blattfederpaket

12

Dichtung

13

Steuerspannungssteckverbinder

14

Messsystemsteckverbinder

15

Rundung

16

Spannplatte

17

Spannplatte

18

Mittelstück

Claims (9)

1. Einrichtung zur Feinzustellung eines Drehmeißels zur Minimierung von Geradlinig­ keitsabweichungen des Maschinenschlittens von Drehmaschinen, bestehend aus einem Zylinderschaft (1), einer Drehmeißelaufnahme (4) und zumindest einem Pie­ zo-Aktuator (5) zwischen einem Widerlager und dem Drehmeißel, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gestell (2) mit dem Zylinderschaft (1) verbunden ist,
das Gestell (2) eine Auflage für einen Schlitten (3) bildet, wobei Gestell (2) und Schlitten (3) mittels einer in Zustellrichtung deformierbaren Anordnung (10, 11) verbunden sind,
vom Gestell (2) zwei sich gegenüberliegende Widerlager (6, 7) gebildet werden, und
zwischen den Widerlagern (6, 7) ein Piezo-Aktuator (5) so vorgespannt ist, dass
die Betätigung des Piezo-Aktuators (5) eine Zustellbewegung des Schlitten (3) erzeugt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Zustellrichtung deformierbare Anordnung zur Verbindung von Gestell (2) und Schlitten (3) zwei par­ allel angeordnete Blattfederpakete (10, 11) sind, die einerseits am Schlitten (3) und andererseits am Gestell (2) eingespannt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der auf dem Gestell (2) liegenden Seite des Schlittens (3) ein in das Gestell (2) einsetzbares Mittelstück (18) angebracht ist, und an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Mittelstücks (18) die Blattfederpakete (10, 11) mittels Spannplatten (16, 17) verschraubt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spannplatten (17) mittig eine Bohrung aufweist, durch die der Piezo-Aktuator (5) verläuft, und die andere Spannplatte (16) eine Senkbohrung zur Aufnahme eines Vorspannelemen­ tes (9) aufweist und die gegenüberliegende Seite der Spannplatte (16) als Abstüt­ zung eines Endes des Piezoaktuators dient.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (9) auf einer Seite am Gestell (2) und der anderen Seite an der mit dem Schlitten (3) verbundenen Spannplatte (17) aufliegt, wobei das Widerlager (6) für den Piezo- Aktuator (5) von der gegenüberliegenden Seite der Spannplatte (17) gebildet wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (7) von einer Stellschraube (8) im Gestell (2) gebildet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspan­ nelement (9) ein Tellerfederpaket ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage des Schlittens (3) auf dem Gestell (2) über eine umlaufende Dichtung (12) erfolgt, wobei Schlitten (3) und Gestell (2) für den Piezo-Aktuator (5) einen ge­ schlossenen Raum bilden.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Auslenkung des Schlittens (3) gegenüber dem Gestell (2) ein Weg­ messsystem vorgesehen ist.