DE3106701C2

DE3106701C2 - Meßsystem für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE3106701C2
Application number: DE3106701A
Authority: DE
Inventors: Werner 8962 Pfronten Babel; Walter Ing.(Grad.) Schwarz
Original assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel & Co 8962 Pfronten De; Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Current assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel & Co 8962 Pfronten De; Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1981-02-23
Publication date: 1982-12-02
Also published as: DE3106701A1; FR2500622A1; IT8267026A0; JPS57157110A

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßsystem für Werkzeugmaschinen zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile, bestehend aus einem am ersten Maschinenteil befestigten Maßstab und aus einer am zweiten Maschinenteil befestigten Leseeinrichtung.

An den über größere Strecken translatorisch verfahrbaren Teilen von Werkzeugmaschinen sind in der Regel Meßsysteme vorgesehen, die entweder dem Bearbeiter oder der Steuerung die jeweiligen Relativlagen beider Maschinenteile und damit die zu verfahrenden oder gefahrenen Strecken des beweglichen Maschinenteils angeben.

Diese Meßsysteme umfassen einen meist an dem verfahrbaren Maschinenteil befestigten Maßstab und eine am ortsfesten Maschinenteil angeordnete Abtastoder Leseeinrichtung.

Ein die Meß- und damit auch die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussendes Phänomen liegt in der Wärmedehnung der Maschinenteile bei Temperaturänderungen, z. B. im Anfahrbetrieb bis zum Erreichen der vollen Betriebstemperaturen. Da die wirksame Länge der Maßstäbe dem maximalen Fahrweg entspricht, die Maschinenteile in der Regel jedoch länger als dieser maximale Fahrweg sind, wirken sich die Temperaturänderungen dahingehend aus, daß sieh der Nullpunkt des Maßstabes entsprechend der Längung des Maschinenteiles gegenüber der ortsfesten Leseeinrichtung verschiebt.

Die nachteiligen Wirkungen treten besonders bei programmgesteuerten Fräsmaschinen mit horizontalvcrfahrbarem Spindelstock hervor, bei denen der Maßstab z. B. seitlich am Spindelstock und ein Lesekopf am Ständer befestigt sind. Die Programmsteuerung dieser Maschinen ist so ausgelegt, daß ihr Lagesteuerkreis unerwünschte Relativbewegungen zwischen dem Spindelstock und dem ortsfesten Lesekopf erfaßt und kompensiert Wenn jedoch die Wärmedehnungen des Spindelstocks und der im Spindelstock gelagerten Spindel unterschiedliche Werte aufweisen, kann der Lesekopf diese Unterschiede nicht erfassen, so daß dem Lagesteuerkreis entsprechend mit Fehlern behaftete Daten zugeführt werden. Gleiches gilt grundsätzlich auch, wenn mit an die Spindelstockstirn angebautem Vertikalfräskopf gearbeitet wird, dessen Wärmedehnung im Betrieb nicht exakt gemessen werden kann.

Diese Bearbeitungsfehler können sich noch vergrö-Bern, wenn im Kettenmaß gearbeitet wird, da sich dabei die Fehler addieren.

Meßeinrichtungen mit angestrebter Kompensation der sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnenden Einzelteile sind in verschiedenen Ausführungen bekannt So beschreibt z. B. die DE-AS 25 05 587 eine Längenmeßeinrichtung zum Messen oder Einstellen der Reiativiage zwischen dem Bett und dem Schütten einer Bearbeitungs- oder Meßmaschine, bei welcher die thermischen Ausdehnungen der einzelnen Einrichtungsteile so aufeinander abgestimmt werden sollen, daß praktisch keine Verfälschung der Meßergebnisse eintritt Zu diesem Zweck ist der Maßstab nur an einer einzigen Fläche am biegesteifen Hohlkörper unter Zwischenschaltung einer dünnen hochelastischen Schicht aus Silikonkautschuk befestigt. Durch diese Anordnung kann sich einerseits der Maßstab und zum anderen auch der Hohlkörper bei sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten ungehindert ausdehnen. Wärmedehnungen von Maschinenteilen, die nicht unmittelbar zur Meßeinrichtung gehören, können bei dieser bekannten Einrichtung jedoch nicht erfaßt und berücksichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßsystem der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem die Wärmedehnungen von Maschinenteilen über deren gesamte, den Maßstab übersteigende Länge hinweg erfaßt und im Meßsystem selbst kompensiert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die geeignete Wahl des Dehnstab-Materials hinsichtlich seines Wärmedehnungskoeffizienten und der freien wirksamen Dehnstablänge wird erreicht, daß in einem vorgegebenen Temperaturbereich der Maßstab sich mit seinem vorderen Ende, d. h. seinem Nullpunkt, genau so bewegt, wie dies der thermischen Dehnung des Maschinenteiles über seine gesamte, den Maßstab in der Regel erheblich übersteigende Länge entspricht.

Dies gilt beispielsweise für ein an einem Spindelstock einer Universal-Fräs- und Bohrmaschine angeordnetes Meßsystem, bei welchem der Maßstab nur bis zur Vorderkante des Spindelstockes reicht, der Spindelstock selbst jedoch erheblich langer als der Maßstab ist und beim vertikalen Arbeiten noch einen Vertikalfräskopf mit Zwischenstück vor der Stirnfläche des Spindelstockes trägt.

Um eine ausreichende Stabilität des Maßstabes zu gewährleisten, kann dieser an seinem hinteren Ende axial verschiebbar an dem ersten Maschinenteil gehaltert sein. Um den Maßstab und damit das gesamte Meßsystem von thermischen Beeinflussungen durch das

sich im Betrieb aufwärrr?^dc Maschinenteil wettgehend freizuhalten, wird gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung zwischen dem Dehnstab und dem Maßstab ein Wärme-Dämmstoff, vorzugsweise ei.. PUR-Schaum, angeordnet.

Als Werkstoff für den Dehnstab wird zweckmäßigerweise Aluminium oder Zink verwendet, weiche Wärmedehnungskoeftizienten von 24 bis 30 μΐη/m K besitzen. Der Maßstab besteht zweckmäßigerweise aus einem Glasstab, der mit seinem vorderen Ende in ein mit dem freien Ende des Dehnstabes fest verbundenes Zwischenstück fix:!: ι is! i;r;d der Ober seine Länge in einem Bett aus einem elastischen bzw. dehnbaren Material aufgekittet wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben, in welchem der Maßstab und seine Halterung an einem Spindelstock in teilgeschnittener Draufsicht dargestellt ist.

Am Spindelstock 1 ist über eine Zwischenplatte 2 ein Vertikal-Fräskopf 3 montiert, dessen Spindel um die Achse 4 umläuft.

An einer Seitenwand des Fräskopfes ist ein Dehnstab 5 angeschraubt, der aus einem Werkstoff mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten, ζ. B. aus Aluminium oder Zink, besteht. An seinem hinteren, in der Zeichnung rechten Ende weist der Dehnstab 5 mehrere Löcher 6 auf, über welche er mittels mindestens einer Schraube am Spindelstock befestigt ist. In seinem vorderen Endteil kann der Dehnstab 5 mittels einer weiteren Schraube, welche ein Langloch durchgreift, zusätzlich am Spindelstock gehalten werden, wobei diese Halterung jedoch axiale Relativbewegungen zulassen muß. Am vorderen, in der Zeichnung rechten Ende des Dehnstabes 5 greift in eine Bohrung 8 eine Spannschraube 9 ein, mit welcher ein Zwischenstück 10 sowie ein Maßstab 11 fest mit dem vorderen Ende des Dehnstabes 5 verspannt sind. Am Zwischenstück 10 ist eine Platte 12 aus einem wärmedämmenden Material, vorzugsweise aus einem PUR-Schaumstoff, befestigt, die sich mit geringen Abständen parallel zum Dehnstab 5 sowie zum Maßstab 11 erstreckt. Diese Dämmplatte 12 kann im Querschnitt haubenförmig ausgebildet sein und den Dehnstab auch seitlich umschließen. An ihrem hinteren Ende ist die Dämmplatte i2 über ein weiteres Zwischenstück 13 und eine Schraube 14 am Spindelstock befestigt. An der hinteren Stirnfläche des Maßstabes 11 ist ein Zapfen 15 angeordnet, der eine Bohrung 16 eines Halters 17 mit Spiel durchgreift und auf diese Weise den Maßstab 11 axial verschiebbar halten.

Unterhalb des Maßstabes 11 sowie auch unterhalb des Spindelstockes ist am — nicht dargestellten — Ständer ein strichpunktiert angedeuteter Lesekopf 18 befestigt, der die Markierungen eines im Maßstab 11 eingekitteten Glasstabes 19 bei Fahrbewegungen des Spindelstockes erfaßt.

Das vorstehend beschriebene Meßsystem arbeitet wie folgt:

Beim Verfahren des Spindelstockes 1 mißt der Lesekopf die jeweiligen Fahrstrecken und gibt diese Informationen an die Programmsteuerung der Universalfräsmaschine weiter. Wenn sich im Betrieb die Temperaturen ändern, dann ändert sich auch die Länge des gesamten Spindelstockes 1 mit den angebauten Teilen 2 und 3 um den Betrag AIm- Wäre der Maßstab 11 direkt am Spindelstock beidendig befestigt, dann würde sich seine Länge um ein°n Betrag AIn ändern, wobei jedoch die Längenänderung des Maßstabes i\ datirwesentlich kleiner wäre, da auch der Kiuß^tali Ii kurzer als die wirksame Länge des Spirweistockes ist.

ErfindungssemäQ wird die Lat.g·- und ocr Werkstoff ·> rf«--.\ lediglich an seinem hinteren Ende fest am Spindelstock fixierten Dehnstabes 5 so gewählt, daß er sich hei Temperaturänderungen um etwa gleiche Beträge wie die gesamte wirksame Länge des Spindelstockes 1 inklusive der angebauten Teile 2 und j

ίο längt oder verkürzt. Da der Maßstab 11 einerseits gegenüber dem sich im Betrieb erwärmenden Spindelstock 1 und auf dem Dehnstab 5 wärmeisoliert ist und eine feste Verbindung zum Dehnstab 5 lediglich an seinem vorderen Ende vorliegt, wird er von diesem die Wärmedehnungen ausführenden Teil des Dehnstabes 5 mitgenommen, so daß der Lesekopf 18 Werte erfaßt, die den sich bei Erwärmung ändernden Positionen der Achse 4 entsprechen. Damit kann die Programmsteuerung auf die Wärmedehnungen reagieren und Positionierfehler der Vertikalspindel ausgleichen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Sie kann vielmehr auch bei anderen Maschinenteilen, wie Ständern, Bei-en. Tischen od. dgl, angewandt werden, weiche horizontale oder vertikale Relativbewegungen gegenüber anderen Maschinenteilen ausführen.

Ferner !'-inn der Maßstab und die erfindungsgemäße Halterung auch an ortsfesten und der Lesekopf an den entsprechend verfahrbaren Maschinenteilen angeordnet werden.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß die Bezugslinie für die unterschiedlichen Ausdehnungen des Dehnstabes bzw. des wirksamen Maschinenteiles in der Ebene der Fixierung des Dehnstabes am Maschinenteil liegt.

Die erfindungsgemäß angestrebte Wirkung wird voll erreicht, wenn folgende Gleichung erfüllt ist:

AI_m=Im ■ ot_M ■ At_M=Al_D=lD ■ «o · At₀.
In dieser Gleichung bedeuten:

AIm Wärmedehnung des Maschinenteils,

/Af w./ksame Länge des Maschinenteils,

(Xm Wärmedehnungskoeffizient des Maschinenteils,
Vi AtM Zeit, in der die Wärmeänderung erfolgt,

AIo Wärmedehnung des Dehnstabes,

Id wirksame Länge des Dehnstabes zwischen seiner hinteren Befestigung an der Spindel und der Befestigungen des Maßstabes,
ac Wärmekoeffizient des Dehnstab-Materials,

A to Zeitdauer der Temperaturänderung.

Durch das vorstehend beschriebene Meßsystem können durch geeignete Auswahl des Werkstoffes und der wirVstmen Länge des Dehnstabes nicht nur die bisher nicht exakt meßbaren Wärmedehnungen z. B. des Vertikalfräskopfes scsidern in gleicher Weise auch unterschiedliche Ausdehnungen des Spindelstockgehäuses gegenüber der darin gelagerten Spindel praktisch vollständig ausgeglichen werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß die der Oesamtdehnung des Spindelkopfes incl, seiner Zusatzaggregate entsprechenden Dehnungswerte des Dehnstabes auf den Maßstab übertrager und vom Lesekopf erfaßt werden, so daß der Lagesteuerkreis der Programmsteuerung reagieren kann und die Steuerung eine entsprechende Lagekorrektur einleitet. Um die ertaiiten Wem nicht zu verfälschen, is; eine gute Wärmeisolation des Maßstabes gegenüber den

erwärmten Maschinenteilen, ζ. H. dem Spindelstock vor/Lisehen, damit die Dehnung des Maßstabes selbst so gering wie möglich gehalten wird. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt die Warmeisolaiion durch die PUR· Schicht und die angrenzenden l.uftspalte. Hierzu sind auch andere Werkstoffe geeignet.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßsystem für Werkzeugmaschinen zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile, bestehend aus einem am ersten Maschinenteil befestigten Maßstab und aus einer am zweiten Maschinenteil befestigten Leseeinrichtung, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Dehnstab (5) aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten (ccd) mit seinem hinteren Ende am ersten Maschinenteil (1) und mit seinem vorderen Ende am Maßstab (11) befestigt ist, daß der Maßstab (11) an seinem hinteren Ende axial verschiebbar am ersten Maschinenteil (1) gehaltert ist, und

daß die wirksame freie Länge (Id) des Dehnstabes (5) so gewählt ist, daß in einem gegebenen Temperaturbereich die Wärmedehnung (Δίο) des Dehnstabes (5) etwa gleich der Wärmedehnung (ΔΙμ) des ersten Maschinenteils (1) ist

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dehnstab (5) und dem Maßstab (11) ein Dämmstoff (12) angeordnet ist

3. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnstab (5) aus einem Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten («ο) von 24 bis 30 μπι/πι Κ besteht und kurzer als der Maßstab (11) ist

4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (11) ein Digital-Maßstab ist und einen zumindest an einem Ende festgelegten Glaskörper (19) enthält.