DE3116827A1

DE3116827A1 - Messeinrichtung fuer werkzeugmaschinen zum erfassen von geradlinigen relativbewegungen zweier maschinenteile

Info

Publication number: DE3116827A1
Application number: DE19813116827
Authority: DE
Inventors: Werner Babel; Walter 8962 Pfronten Schwarz
Original assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Current assignee: Maho Werkzeugmaschinenbau Babel and Co
Priority date: 1981-02-23
Filing date: 1981-04-28
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3116827C2; FR2504671A2

Description

MAHO WERKZEUGMASCHINENBAU BABEL & CO.
D-8962 Pfronten/Allgäu

Meßeinrichtung für Werkzeugmaschinen
zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile

Zusatz zu P 31 06 701.8

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für Werkzeugmaschinen zum Erfassen von geradlinigen Relativbewegungen zweier Maschinenteile, bestehend aus einem ersten am Maschinenteil befestigten Maßstab und aus einer am
zweiten Maschinenteil befestigten Leseeinrichtung, wobei ein Dehnstab aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten α mit seinem hinteren Ende am
ersten Maschinenteil und mit seinem vorderen Ende am Maßstab befestigt ist, und wobei die Wärmedehnung Δ 1 des Dehnstabes etwa gleich der Wärmedehnung Δ L. des ersten Maschinenteiles ist, nach Patent ... (Patentanmeldung
P 31 06 701.8).

An den über größere Strecken translatorisch verfahrbaren Teilen von Werkzeugmaschinen sind in der Regel Meßsysteme vorgesehen, die entweder dem Bearbeiter oder der

112-(x2146J-Sd-E

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 Abtast- oder Leseeinrichtung.

Ein die Meß- und damit auch die Bearbeitungsgenauigkeit beeinflussendes Phänomen liegt in der Wärmedehnung der Maschinenteile bei Temperaturänderungen, z. B. vom Anfahrbetrieb bis zum Erreichen der vollen Betriebstemperaturen. Derartige Erwärmungen sind in den überwiegenden Fällen auf die Lagerreibung der in den jeweiligen Maschinenteilen umlaufenden Bauelemente, wie z. B. der Arbeitsspindel und deren Antriebswellen im Spindelstock einer Fräsmaschine, zurückzuführen. Da die wirksame Länge der Maßstäbe dem maximalen Fahrweg entspricht, die entsprechenden Maschinenteile in der Regel jedoch länger als dieser maximale Fahrweg sind, wirken sich die Temperaturänderungen dahingehend aus, daß sich der Nullpunkt des Maßstabes entsprechend der Längung des Maschinenteiles gegenüber der ortsfesten Leseeinrichtung verschiebt.

Die nachteiligen Wirkungen treten besonders bei programmgesteuerten Fräsmaschinen mit horizontal verfahrbarem 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 Spindelstockes 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 vom Maßstab nicht exakt erfaßt werden kann.

Diese Bearbeitungsfehler können sich noch vergrößern, wenn im Kettmaß gearbeitet wird, da sich dabei die Fehler addieren.

Gegenstand des Hauptpatentes ist eine Meßeinrichtung, bei welcher die durch die vorstehend genannten Wärmedehnungen verursachten Meß- und Bearbeitungsungenauigkeiten praktisch dadurch vermieden werden, daß ein Dehnstab aus einem Material mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten mit seinem hinteren Ende am ersten Maschinenteil und mit seinem vorderen Ende am Maßstab befestigt ist, wobei die Wärmedehnung Δ 1 des Dehnstabes etwa gleich der Wärmedehnung Δ 1_M des ersten Maschinenteils ist.

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

Im praktischen Betrieb hat sich gezeigt, daß dieses

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Meßsystem voll funktionsfähig ist und die eingangs genannten Meßfehler auf einen praktisch vernachlässigbaren Wert verringert werden. Es wurde jedoch festgestellt, daß dieses Meßsystem mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung reagiert. Die Ursache für dieses verzögerte Änsprechverhalten des Meßsystems liegt in der nicht voll befriedigenden Wärmeleitung zwischen denjenigen Bereichen und Abschnitten des ersten Maschinenteils, in denen die Wärme entsteht, und dem Dehnstab. Dies gilt beispielsweise bei Fräsmaschinen insbesondere für die Bereiche des Spindelstockes, in denen die Lager der Arbeitsspindel angeordnet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Ansprechverhalten einer Meßeinrichtung der angegebenen Gattung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dehnstab durch mindestens einen Bolzen aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit an einem der Erwärmung besonders ausgesetzten Abschnitt des ersten Maschinenteils axial verschiebbar gehalten ist.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß zwischen den - meist im Inneren des ersten Maschinenteils liegenden - Zonen bzw. Abschnitten, die bereits nach kurzem Anlaufen intensiv und schnell erwärmt werden, und dem Dehnstab eine oder ggf. mehrere Wärmebrücken gebildet werden, die eine beschleunigte Erwärmung des Dehnstabes und damit seine entsprechende Längung zur Folge haben.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung an dem Spindelstock einer Fräsmaschine, wobei ein oder zwei

Wärmeleit-Bolzen in entsprechenden Querwänden bis unmittelbar an die Lager der Arbeitsspindel heranreichend vorgesehen werden, kann diejenige Zeitspanne, in welcher sich der Dehnstab von der Normaltemperatur beim Anfahren bis zur vollen Betriebstemperatur erwärmt und entsprechend längt, von bisher ca. 20 bis 30 min auf 5 bis 10 min verkürzt werden.

Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Wärmeleit-Bolzen in seinem Maschineninnenteil eine zentrale Blindbohrung von geeignetem Durchmesser und Länge sowie einen Außendurchmesser aufweisen, der der Breite des Dehnstabes entspricht. Es empfiehlt sich, die Stirnfläche des Wärmeleit-Bolzens und die entsprechende Anlagefläche des Dehnstabes fein zu bearbeiten, um den Wärmeübergang an diesen Anlageflächen weiter zu verbessern.

Eine weiter verkürzte Ansprechzeit kann schließlich noch dadurch erreicht werden, daß der Dehnstab in einer Längsnut des ersten Maschinenteils, ζ. B. eines Spindelstockes, genau passend aufgenommen ist, wobei allerdings Relativbewegungen in Längsrichtung zwischen dem vorderen Ende des Dehnstabes und dem ersten Maschinenteil möglich sein müssen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Meßeinrichtung in Verbindung mit dem Spindelstock einer üniversal-Fräsmaschine in

schema ti schein, horizontalem Längsschnitt;

Fig. 2 die Meßeinrichtung nach Fig. 1 in detaillierterem Vertikalschnitt H-II;

Fig. 3 die Meßeinrichtung nach Fig. 1 bzw. 2 in vergrößertem, detailliertem Längsschnitt.

Am Spindelstock 1 ist über eine Zwischenplatte 2 ein Vertikal-Fräskopf 3 montiert, dessen Spindel um die Achse 4 umläuft. An einer Seitenwand des Spindelstockes ist ein Dehnstab 5 angeordnet, der aus einem Werkstoff mit hohem Wärmedehnungskoeffizienten, ζ. Β. aus Aluminium oder Zink, besteht. An seinem hinteren, in Fig. 1 rechten Ende weist der Dehnstab 5 mehrere Löcher 6 auf, über welche er mittels mindestens einer Schraube 7 am Spindelstock befestigt ist. In seinem vorderen Endteil wird der Dehnstab 5 mit Hilfe von - im folgenden im einzelnen beschriebenen - Halterungen axial verschiebbar am Spindelstock 1 gehalten. An seinem vorderen, in Fig. 1 linken Ende des Dehnstabes 5 greift in eine Bohrung 8 eine Spannschraube 9 ein, mit welcher ein Zwischenstück 10 sowie ein Maßstab 11 fest mit diesem 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 geringem Zwischenabstand 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 12

über ein weiteres Zwischenstück 13 und eine Schraube 14 am Spindelstock 1 befestigt. An der hinteren Stirnfläche des Maßstabes 11 ist ein Zapfen 15 angeordnet, der eine Bohrung 16 des Halters 17 mit Spiel durchgreift und auf diese Weise den Maßstab 11 axial verschiebbar haltert.

Unterhalb des Maßstabes 11 sowie auch unterhalb des Spindelstockes ist an dem - in Fig. 1 nicht dargestellten - Ständer der Fräsmaschine ein strichpunktiert angedeuteter Lesekopf 18 befestigt, der die Markierungen eines im Maßstab 11 eingekitteten Glasstabes 19 bei Fahrbewegungen des Spindelstockes 1 erfaßt.

In Fig. 1 ist gestrichelt die Lage der horizontalen Arbeitsspindel bzw. die Lage der Antriebswelle für die Vertikalspindel dargestellt. Jedes dieser Bauteile ist in entsprechenden Lagern 20, -21 im Spindelstock gelagert, die in massiven Querwänden 22, 23 abgestützt sind. In diesen Querwänden 22, 23 sind Ausnehmungen 24, 25 vorgesehen, in denen jeweils ein Wärmeleit-Bolzen 26, 27 aus Kupfer im Paßsitz aufgenommen ist. Jeder Wärmeleit-Bolzen reicht mit seinem inneren Ende bis unmittelbar an das jeweilige Lager 20 bzw. 21 und mit seinem äußeren Ende bündig bis an die Außenfläche des Spindelstockes heran.

Die konstruktiven Einzelheiten der Meßeinrichtung werden im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 beschrieben.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Spindelstock 1 in seitlichen Schwalbenschwanζführungen 30 längsverschiebbar geführt. In der das vordere Spindellager 20 aufnehmenden Querwand des Spindelstockes 1 ist die Ausnehmung 24 von kreisförmigem oder auch viereckigem Querschnitt eingearbeitet, und zwar ausgehend vom Lager 20 bis zur seit-

lichen Außenfläche des Spindelstockes. In dieserAusnehmung 24 sitzt der Wärmeleit-Bolzen 26, der zum Erhalt eines Paßsitzes an seinen jeweiligen Enden verbreitert ist, d. h. im mittleren Bereich eine Eindrehung 31 aufweist. Dieser Bolzen 26 kann in Anpassung an den Querschnitt der Ausnehmung 24 zylindrisch oder aber auch viereckig sein. An seinem zum Spindellager 20 hin weisenden Teil ist im Wärmeleit-Bolzen 26 eine Blindbohrung 32 von geeignetem Durchmesser eingearbeitet, die sich zum äußeren Endteil hin in einer Gewindebohrung 33 fortsetzt. Diese Gewindebohrung 33 dient zur Aufnahme eines Schraubbolzens 34, mit dem der Dehnstab 5 am Wärmeleit-Bolzen 26 und damit am Spindelstock 1 unter Zwischenlage einer Flanschbuchse 35 gehaltert ist. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, durchragen der Bolzen 34 und die Spannbuchse 35 ein Langloch 36 im Dehnstab 5, wobei der obere verbreiterte Ringflansch 37 der Spannbuchse 35 auf die Außenfläche des Dehnstabes drückt und damit eine kraftschlüssige Halterung herbeiführt, die relative Längsverschiebungen des Dehnstabes 5 gegenüber dem Wärmeleit-Bolzen 26 und damit gegenüber dem Gehäuse des Spindelstocks 1 zuläßt.

Der Dehnstab 5, die wärmeisolierende Platte 12 und der Maßstab 11 sind von einem kastenförmigen Schutzgehäuse 38 umgeben.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist ein weiterer Bolzen 27 im Bere'ich des hinteren Spindel lagers vorgesehen und über eine entsprechende Schraubverbindung mit dem Dehnstab 5 verbunden.

Die vorstehend beschriebene Meßeinrichtung arbeitet wie folgt:

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Beim Verfahren des Spindelstockes 1 mißt der Lesekopf 18 die jeweiligen Fahrstrecken und gibt diese Informationen an die Programmsteuerung der Universal-Fräsmaschine weiter. Wenn sich im Betrieb die Temperaturen ändern, dann ändert sich auch die wirksame Länge des gesamten Spindelstockes mit den angebauten Teilen 2 und 3 um den Betrag Δ 1 . Wäre der Maßstab 11 direkt am Spindelstock beidendig befestigt, dann würde sich seine Länge um einen Betrag Δ 1 ändern, wobei jedoch die Längenänderung des Maßstabes 11 wesentlich kleiner als die Längenänderung des Spindelstockes 1 mit den angebauten Teilen 2 und 3 wäre, da auch der Maßstab 11 kürzer als die wirksame Länge des Spindelstockes ist.

Die Länge und der Werkstoff des lediglich an seinem hinteren Ende fest am Spindelstock fixierten Dehnstabes 5 wird so gewählt, daß er sich bei Temperaturänderungen um etwa gleiche Beträge wie die gesamte wirksame Länge des Spindelstockes 1 inklusive der angebauten Teile 2 und 3 längt oder verkürzt. Da der Maßstab 11 einerseits gegenüber dem sich im Betrieb erwärmenden Spindelstock 1 und auch gegenüber 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 des Vertikal-Fräskopfes entsprechen. Damit kann die Programmsteuerung auf die Wärmedehnungen reagieren und Positionierfehler der Vertikalspindel ausgleichen. Die Wärmeleit-Bolzen aus z. B. Kupfer oder einem anderen Metall von hoher Wärmeleitfähigkeit haben die Funktion, die z. B. durch die Lagerreibung der Spindellager 20, 21 erzeugte Wärme möglichst direkt und schnell auf den Dehnstab 5 zu übertragen, so daß die Tem-

peraturänderung des Dehnstabes in etwa derjenigen der Spindellager - bzw. anderer Teile, in denen Wärme erzeugt wird - mit nur geringer Verzögerung entspricht.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführung beschränkt, sondern kann vielmehr auch bei anderen Maschinenteilen, wie Ständern, Betten, Tischen od. dgl., angewandt werden, welche horizontale oder vertikale Relativbewegungen gegenüber anderen Maschinenteilen ausführen.

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Claims

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Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 Zugelassene Vertreter beim Europäischen Patentamt

Telefon (089) 227201 - 227244 - 295910 Dipl.-Ing. R. BEETZ sen.

Telex 522046 - Telegramm Allpatent München Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT

12-32.326P(32.327H) Dr.-Infl. R BEETZJr.

Rechtsanwalt Dipl.-Phys. Dr. jur. U. HEIDRICH

Dr.-lng.W.TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. cer. nat. W. SCHMITT-FUMIAN

28. April 1981

Ansprüche

Meßeinrichtung 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, wobei ein Dehnstab aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffxzienten (et ) mit seinem hinteren Ende am ersten Maschinenteil und mit seinem vorderen Ende am Maßstab befestigt ist, und wobei die Wärmedehnung (Δ1.) des Dehnstabes etwa gleich der Wärmedehnung ( Δ 1_M) des ersten Maschinenteiles ist, nach Patent ... (Patentanmeldung P 31 06 701.8),

dadurch gekennzeichnet,

daß der Dehnstab (5) durch mindestens einen Wärmeleit-Bolzen (26, 27) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit an einem der Erwärmung besonders ausgesetzten Abschnitt des ersten Maschinenteils (1) axial verschiebbar gehalten ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1,
dadur ch gekenn ζ e i chne t,

daß mindestens ein Wärmeleit-Bolzen (26, 27) im Bereich der Spindellager (20, 21) eines Spindelstockes (1) vorgesehen ist.

112-(x2146)-Sd-E
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß jeder Wärmeleit-Bolzen (26, 27) in seinem Maschineninneren-Abschnitt eine zentrale Blindbohrung (32) aufweist.
4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß in einer Querwand des ersten Maschinenteils (1) eine Ausnehmung (24, 25) vorgesehen ist, in welcher der bis unmittelbar an das Spindellager (20, 21) heranreichende Wärmeleit-Bolzen (26, 27) im Paßsitz aufgenommen ist, daß im Dehnstab (5) ein Langloch (36) ausgebildet ist, und daß eine Schraube (34) zusammen mit einer Spannbuchse

(35) das Langloch (36) durchragt und in eine Gewindebohrung in dem mit der Außenfläche des ersten Maschinenteils

(1) bündigen Ende des Wärmeleit-Bolzens (26, 27) eingeschraubt ist, so daß ein direkter Berührungskontakt zwischen dem Dehnstab (5) und dem Wärmeleit-Bolzen (26, 27) besteht.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Durchmesser des Wärmeleit-Bolzens (26, 27) in etwa gleich der Breite des Dehnstabes (5) ist.
6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß in jedem der Erwärmung besonders ausgesetztem Teil des ersten Maschinenteils (1) ein den Dehnstab (5) haltern der Wärmeleit-Bolzen (26, 27) vorgesehen ist.
7. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Dehnstab (5) in einer Längsnut des ersten Maschinenteils (1) aufgenommen ist.