DE3418583C1 - Kurbelwellenfraesmaschine oder dergleichen Fraesmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurbelwellenfräsmaschine oder dergleichen Fräsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Kurbelwellenfräsmaschinen oder dgl. Fräsmaschinen dieser Art (wie sie allgemein z. B. beschrieben sind in »Werkstatt und Betrieb« 115 (1982), I₁S. 24—26) tritt das Problem auf, daß sich durch die im Laufe des Betriebes entstehende Wärme die Abmessungen der einzelnen Teile der Kurbelwellenfräsmaschine ändern.

Besonders gravierend sind die wärmeabhängigen Änderungen der Längsabmessungen, die dazu führen, daß die bearbeiteten Kurbelwellen unzulässig große Abweichungen der Axiallage der einzelnen gefrästen Zapfen vom Paßlager oder sonstigen Längs-Maßbezugspunkt aufweisen. Das gleiche Problem tritt natürlich im Prinzip bei allen.derartigen Fräsmaschinen auf, beispielsweise Nockenwellenfräsmaschinen, ist dort aber in der Regel relativ unkritisch.

ίο Bei Fräsmaschinen, bei denen statt eines Meßsystems Nockenschalter zur Markierung der einzelnen Längspositionen der Fräseinheit vorgesehen waren, wurde versucht, das Längenwachstum der einzelnen Maschinenteile dadurch zu kompensieren, daß eine heizbare Halterung für die Nockenschalter vorgesehen wurde, so daß durch entsprechende Einstellung der Halterungsheizung die Halterung ein entsprechendes Längenwachstum zeigte. Eine solche Anordnung ist bei einem Meßsystem mit Längsmaßstab und Ableseeinrichtungen am Kreuzschlitten nicht anwendbar. Darüber hinaus hat die Verwendung einer heizbaren Halterung für Nockenschalter den prinzipiellen Nachteil, daß das Längswachstum nur über Erfahrungswerte erfaßt wird, im konkreten Anwendungsfall sich also durchaus beachtliche Abweichungen ergeben können, so daß bei engen Werkstücktoleranzen Kontrollmessungen in regelmäßigen Abständen erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kurbelwellenfräsmaschine oder dergleichen Fräsmaschine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß der Einfluß des wärmebedingten Längenwachstums der verschiedenen Teile der Maschine auf die axialen Abmessungen kritischer Bearbeitungsflächen auf jeden Fall mit ausreichend großer Sicherheit ausgeschaltet wird, so daß auch enge Toleranzen in den Längsabmessungen eingehalten werden können.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, daß zwar der früher verwendeten heizbaren Halterung für Nockenschalter die Idee zugrunde Hegt, daß die Maschine — selbstverständlich mit Ausnahme des Maschinenbettes — im großen und ganzen gleichmäßig erwärmt und diese Erwärmung durch die Heizung der Halterung für Nockenschalter gewissermaßen nachgeholt wird, daß diese Idee den tatsächlichen Verhältnissen aber nicht gerecht wird. Maßgeblich für das Meßsystem und damit für die Maschinensteuerung, ist der Abstand der Ableseeinrichtung vom Werkstücklängsanschlag, im allgemeinen am Spannfutter im linken Spannstock, da alle axialen Abmessungen auf dieso sen Werkstücklängsanschlag bezogen werden. Bei einem Längenwachstum des entsprechenden, also in der Regel linken, Spannstocks vergrößert sich dieser Abstand; solange mit nur einer Fräseinheit gearbeitet wird, spielt diese Abstandsvergrößerung jedoch keine Rolle für die Bearbeitungsgenauigkeit, wenn nur davon ausgegangen werden kann, daß das Längenwachstum des Spannstocks und das Längenwachstum der Fräseinheit, insbesondere natürlich der Fräsertrommel, gleich sind. Über längere Zeiträume (mehrere Stunden) gerechnet kann diese Bedingung durchaus erfüllt sein, über kürzere Zeiträume ist sie es jedoch mit Sicherheit nicht, da der Spannstock einerseits und die Fräseinheit, insbesondere die Fräsertrommel, ihre Betriebstemperatur nach unterschiedlichen Betriebszeiten erreichen.

Aus dieser Überlegung ergibt sich also überraschenderweise, daß im einfachsten Fall die Wärmedehnung des Spannstockes und damit die Wanderung des Werkstücklängsanschlages gegenüber der Ablesseeinrich-

tung des Meßsystems unberücksichtigt bleiben kann, daß es vielmehr zunächst nur darauf ankommt, die Verlagerung des Fräsers gegenüber dem Werkstücklängsanschlag im Spannstock zu erfassen, und aufgrund dieser Verlagerung dann in der Maschinensteuerung eine Korrektur einzuführen.

Wenn eine Kurbelwellenfräsmaschine — wie heute allgemein üblich — mit zwei Fräseinheiten ausgestattet ist, sind beide Fräseinheiten ebenso wie die zugehörigen Spannstöcke regelmäßig spiegelsymmetrisch aufgebaut, und es werden auch mit beiden Fräseinheiten im wesentlichen identische Bearbeitungsvorgänge ausgeführt, so daß bezüglich der Erwärmung mit identischen Verhältnissen in beiden Fräseinheiten gerechnet werden kann. Die in einer Fräseinheit gemessene Verschiebung der Fräserlage könnte also auch bei der anderen Fräseinheit angenommen werden. Bei Verwendung zweier Fräseinheiten ist es jedoch nicht mehr möglich, das Längenwachstum des Spannstocks unberücksichtigt zu lassen. Eine axiale Dehnung des Spannstocks mit dem Werkstücklängsanschlag schiebt ja das Werkstück um das entsprechende Maß vom Nullpunkt des Längsmaßstabes weg. Statt der Verschiebung der Fräserlage gegen den Werkstücklängsanschlag müssen also die Verschiebung der Fräserlage gegenüber der Ableseeinrichtung des Meßsystems und die axiale Dehnung des Spannstocks erfaßt werden. Das wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen vorbereitet und ermöglicht. Wegen der erwähnten identischen Verhältnisse an beiden Fräseinheiten ist es nämlich möglich, mit ein und demselben Meßwertaufnehmer zugleich die entscheidenden Meßwerte beider Fräseinheiten zu ermitteln. Wenn der Meßwertaufnehmer am Ruheanschlag anliegt und damit einen unveränderlichen Abstand zur Ableseeinrichtung hat, wird bei dieser Ausführung der exakte Abstand des Fräsers zur Ableseeinrichtung gemessen, und wenn er am Meßanschlag des Spannfutters anliegt, wird der Abstand des Fräsers zum Werkstücklängsanschlag erfaßt, aus dem letzteren ergibt sich die Korrektur für die als Bezugspunkt dienende, im allgemeinen linke Fräseinheit, aus beiden Meßwerten zusammen ergibt sich der Korrekturwert für die andere Fräseinheit, jeweils natürlich durch Vergleich mit dem Standardwert, der üblicherweise auf die kalte Maschine bezogen wird.

Es ist eine Verzahnungsmaschine bekannt, bei der zur Erfassung und Kompensation von Abstandsänderungen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, die von Temperaturschwankungen verursacht werden, eine indirekte Messung der Abstandsänderung zwischen Werkzeug und Werkstück vorgesehen ist, wobei das Meßergebnis der Maschinensteuerung übermittelt wird, welche dann die notwendige Korrekturen veranlaßt (DE-OS 33 09 722). Bei dieser bekannten Maschine wirkt sich das Wärmewachstum besonders auf das Maschinenbett aus, so daß die Abtastvorrichtung dessen Dehnungen zu erfassen hat; ferner ist bei dieser bekannten Maschine nur eine Fräseinheit vorgesehen. Über das allgemeine Prinzip hinaus kann deshalb dem Stand der Technik keine Anregung zur Lösung der Aufgabe entnommen werden.

Meßwertaufnehmer zur Erfassung des Abstandes zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Maschinenteil sind allgemein bekannt, gerade auch im Werkzeugmaschinenbau, als besonders vorteilhaft kommt für die Zwecke der Erfindung natürlich ein berührungslos arbeitender Meßwertaufnehmer in Frage, da bei diesem die Abnutzung bei längerem Betrieb wegfällt.

Da üblicherweise die Maschinenerwärmung im Vergleich zur Bearbeitungszeit eines einzelnen Werkstükkes sehr langsam vor sich geht, ist es bei Kurbelwellenfräsmaschinen jedenfalls nicht erforderlich, die erfindungsgemäße Kompensationsmessung im Zusammenhang mit der Bearbeitung jedes einzelnen Werkstückes durchzuführen, es genügt vielmehr, jeweils nach mehreren, beispielsweise 10 Werkstücken, eine Kompensationsmessung vorzusehen. Um die Anschläge in der Zwischenzeit zu schonen, wird dann zweckmäßigerweise die Maschine gemäß Anspruch 3 ausgestaltet. Die gleiche Maßnahme kann auch zu anderen Zwecken dienen.

Um sicher zu sein, daß tatsächlich die Lage des Ruheanschlages einen exakten Bezugspunkt bildet, sollte, sofern das möglich ist, die Konstruktion nach Anspruch 4 gewählt werden, da eine nicht vorhandene Abweichung der Vertikalebenen notwendigerweise unveränderlich ist.

Zur Vereinfachung der Justierung wird vorzugsweise eine Konstruktion gemäß Anspruch 5 gewählt.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 schematisch eine teilweise geschnittene Frontansicht einer Kurbelwellenfräsmaschine mit zwei Fräseinheiten mit einer erfindungsgemäß vorgesehenen Kompensationsmeßeinrichtung,·
F i g. 2 ein Detail des Schnittes in F i g. 1; F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in F i g. 2; Fig.4 ein Schema zur Erläuterung der Ermittlung des Korrekturwertes; und

F i g. 5 ein Blockschaltbild des hier interessierenden Teils einer Maschinensteuerung für eine Fräsmaschine nach F ig. 1.

Die in F i g. 1 dargestellte Fräsmaschine weist ein Maschinenbett 11 auf, das einen linken Spannstock 12 und einen rechten Spannstock 13 sowie eine linke Fräseinheit mit einem Längsschlitten 14 und eine rechte Fräseinheit mit einem Längsschlitten 15 trägt, die jeweils mit einem Vorschubantrieb 16 bzw. 17 in Längsrichtung der Maschine verfahrbar sind. Die Längsposition wird dabei jeweils durch eine Ableseeinrichtung 18 bzw. 19 erfaßt, die mit einem Längsmaßstab 20 in üblicher Weise zusammenarbeiten, der sich am Maschinenbett 11 befindet und sich im wesentlichen über den Raum zwischen den beiden Spannstöcken 12 und 13 erstreckt. Die Längsschlitten 14, 15 tragen jeweils einen Querschlitten 21 bzw. 22, bilden also jeweils einen Kreuzschlitten, und dieser Querschlitten 21 bzw. 22 trägt jeweils die zu der betreffenden Fräseinheit gehörende Fräsertrommel 23 bzw. 24.

Wie in F i g. 1 schematisch angedeutet und in F i g. 2 und 3 detailliert dargestellt, trägt der linke Längsschlitten 14 einen Meßwertaufnehmer 25, der in enger Nachbarschaft der Fräsertrommel 23, genauer gesagt des eigentlichen Fräsers 26, auf einem Rohr 27 aus Invar oder dergl. angeordnet ist, das in zwei Büchsen 28, 29 montiert ist, von denen die letztere einen Anschlag 30 trägt, der an einem justierbaren Ruheanschlag 31 anliegt, der vorzugsweise auf die Vertikalebene der Ableseeinrichtung 18 einjustierbar ist, wenn auch Abweichungen keine große Rolle spielen, sofern sie als unveränderlich betrachtet werden können. Beide Büchsen 28 und 29 sind auf Blattfedern 32 bzw. 33 montiert, die derart in einem am Längsschlitten 14 montierten Gehäuse 34 montiert sind, daß das Rohr 27 in Richtung auf den Ruheanschlag 31 gedrängt wird, so daß in der Ruhestel-

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lung der Anschlag 30 am Ruheanschlag 31 anliegt. von dieser Ebene ist mit Bb bezeichnet. Im Abstand Ao

Die dem Meßwertaufnehmer 25 nähere Büchse 28 von der Fräsertrommel 23 ist schematisch der Meßanträgt einen Spannfutteranschlag 35, der nach unten aus schlag 36 dargestellt, dessen Abstand von der Ablesedem Gehäuse 34 herausragt, und dem ein Meßanschlag einrichtung 18 ist mit Cb bezeichnet.
36 zugeordent ist, der in der in Fig.2 dargestellten 5 Nach Erwärmung gegenüber dem Kalt-Zustand soll Drehstellung des zum Reitstock 12 gehörigen Spannfut- sich der Spannstock so weit axial gedehnt haben, daß ters 37 (Werkstückwechselstellung) am Spannfutteran- der Meßanschlag 36 in die unterbrochen dargestellte schlag 35 anliegt Wie ersichtlich ist durch die Anlage Position 36i verschoben ist; ferner soll sich die Fräserdes Spannfutteranschlages 35 am Meßanschlag 36 des trommel 23 so weit gedehnt haben, daß der Fräser die in Spannfutters 37 der Anschlag 30 vom Ruheanschlag 31 10 unterbrochenen Linien dargestellte Stellung 23i einabgehoben; ebenso ist ersichtlich, daß bei Verschiebung nimmt. Anstelle des Kaltmaßes Bo wird also jetzt das des Längsschlittens nach rechts die Anschläge 35 und 36 größere Maß B\ gemessen, und anstelle des Kalt-Abgetrennt werden und die Anschläge 30 und 31 unter der Standes Ao zwischen Werkstücklängsanschlag und Frä-Wirkung der Blattfedern 32 und 33 aneinander anliegen. sertrommel 23 wird jetzt der Abstand Ai gemessen. Wie

Wie schematisch angedeutet, ist der Meßanschlag 36 15 eingangs erläutert, ist jedoch für die Bearbeitungsge-

ein- und ausfahrbar; die Konstruktion ein- und ausfahr- nauigkeit von durch den Fräser der linken Einheit bear-

barer Anschläge ist bekannt und deshalb nicht näher beiteten Kurbelwellenzapfen nur die relative Änderung

dargestellt der Längsposition des Fräsers zum Längsanschlag 36

Nach Bearbeitung eines Werkstücks fährt die Fräs- maßgebend, für den Korrekturwert Kl für die linke

einheit 14 in die in Fig. 1 dargestellte Be- und Entlade- 20 Fräseinheit 14 braucht also nur die Differenz Ao-A\

stellung zurück, und während dieser Rückzugsbewe- berücksichtigt zu werden, die im dargestellten Fall (A\

gung wird der Meßwertaufnehmer 25 in bekannter und größer Ao) negativ ist, wenn in üblicher Weise die positi-

deshalb nicht näher dargestellter Weise aktiviert. Durch ve Vorschubrichtung nach rechts verlaufend angenom-

die Verwendung eines Invarrohres 27 als Träger für den men wird, es ergibt sich also ICl=Ao-Ai. Nach Anbrin-

Meßwertaufnehmer 25 ist dabei dafür gesorgt daß der 25 gen dieses Korrekturwertes nimmt dann der linke Frä-

Abstand des Meßwertaufnehmers 25 vom Ruhean- ser die mit Strich-Doppelpunkt-Strich angedeutete,

schlag 31 und damit der Längsabstand von der Ablese- dem, bezogen auf den Längsanschlag 36, gewünschten

einrichtung 18 unabhängig von der Temperatur ausrei- Sollwert entsprechende Position ein.

chend konstant bleibt Der Wärmedehnungskoeffizient Für die rechte Fräseinheit gelten die schon erwähnten

von Invar ist bekanntlich nur ein Bruchteil des entspre- 30 Maße Bb bzw. Bi, die, wie erwähnt, hier zur Korrektur

chenden Koeffizienten von Eisen oder Stahl und kann benötigt werden, dazu kommt jedoch noch die Axialver-

deshalb hier vernachlässigt werden. Bei noch höheren Schiebung des Längsanschlages 36, die, wie erwähnt, zu

Genauigkeitsforderungen kann ein Werkstoff mit noch einer gleichen Verschiebung des Werkstücks führt so

kleinerem Wärmedehnungskoeffizienten eingesetzt daß der Korrekturwert Kr sich aus

werden, z. B. Quarzglas, oder es können aufwendigere 35

Konstruktionen eingesetzt werden, wie sie für söge- AB=Bi-Bo und AC— Ci-Co
nannte Kompensationspendel bekannt geworden sind.

Diese Messung liefert also mit entsprechender Genau- vorzeichengleich zu AA errechnen läßt. Aus F i g. 4 läßt igkeit den momentanen tatsächlichen Abstand der In- sich erkennen, daß das Maß B die Summe der Maße A nenfläche des Fräsers 26 zur Ableseeinrichtung. Dieses 40 und Cist, also kann jeweils C aus den Meßwerten für A Maß wird in üblicher Weise an die Maschinensteuerung und B ermittelt werden und braucht nicht getrennt geübermittelt, wo es mit dem eingespeicherten Sollwert messen zu werden, durch Einsetzen ergibt sich dann
verglichen wird; die sich ergebende Differenz führt zu

einem Korrekturwert, wie noch anhand von Fig. 4 er- Kr=AB+AC—2AB+AA.

läutert wird. 45

Nach öffnen des Spannfutters 37 wird dann der Meß- Nach Anbringen dieser Korrektur nimmt dann der anschlag 36 ausgefahren. Dieser Meßanschlag 36 liegt rechte Fräser die mit Strich-Doppelpunkt-Strich angesoweit konstruktiv möglich in der Vertikalebene des deutete, dem, bezogen auf den Längsanschlag, geüblichen Längsanschlags für das Werkstück im Spann- wünschten Sollwert entsprechende Längsposition ein.
futter 37; unvermeidliche Abweichungen können jedoch 50 Die Korrekturwerte lassen sich ersichlich in der Maals ausreichend konstant angesehen werden, so daß da- schinensteuerung sehr einfach durch Vergleich der jevon ausgegangen werden kann, daß der Spannfutteran- weiligen Meßwerte vom Meßwertaufnehmer mit den schlag 35 durch Anlage am Meßanschlag 36 auf den gespeicherten Kaltwerten (oder sonstigen Standard-Werkstücklängsanschlag justiert wird; dabei hebt An- werten) ermitteln.

schlag 30 vom Ruheanschlag 31 ab. Eine erneute Akti- 55 F i g. 5 zeigt eine Möglichkeit, diese Korrekturwerte vierung des Meßwertaufnehmers 25 liefert also einen anzubringen: Von der Maschinensteuerung (oder dem Wert für den derzeitigen genauen Abstand der Innen- Bearbeitungsprogramm) werden die Sollwerte für die seite des Fräsers 26 vom Werkstücklängsanschlag im linke und die rechte Fräseinheit an je einen Sollwert-Spannfutter 37, und durch Vergleich mit dem gespei- speicher 4OL bzw. 4Oi? geliefert. An diesen Sollwertspeicherten Sollwert in der Meßsteuerung ergibt sich eine 60 eher ist jeweils eine Korrekturschaltung 41L bzw. 41J? Änderung, die als Korrekturwert für beide Fräseinhei- angeschlossen, bei der es sich um einen üblichen Verten heranzuziehen ist. Die Ermittlung der Korrektur- gleicher handelt, in dem der jeweilige Meßwert vom werte wird anhand von F i g. 4 erläutert. Die Vertikal- Meßwertaufnehmer 25 mit dem entsprechenden Kaltebene der Ableseeinrichtungen 18 bzw. 19 ist jeweils wert verglichen wird und daraus in der in Verbindung durch eine strichpunktierte Linie dargestellt Der Ab- 65 mit Fig. 4 erläuterten Weise der erforderliche Korrekstand der Innenseiten der Fräsertrommel 23 bzw. 24 (für turwert ermittelt wird. Der so korrigierte Sollwert geht den Kalt-Zustand in durchgezogenen Linien dargestellt, dann in üblicher Weise als Sollwert an die Vergleichsexakt natürlich jeweils des eigentlichen Fräsers wie 26) schaltung 42L bzw. 42i?, in der er mit dem Ist-Wert vom

Meßsystem (der von der Ableseeinrichtung 18 bzw. 19 kommt) verglichen wird und je nach Vergleichsergebnis ein Steuersignal an den linken bzw. rechten Vorschubantrieb liefert.

Zur Anbringung des Korrekturwertes stehen selbst- 5 verständlich noch andere Möglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise können die Ableseeinrichtungen körperlich oder virtuell verschoben werden (wobei gegebenenfalls andere Vorzeichen zu vereinbaren sind), oder der Korrekturwert kann in das Meßsystem eingefügt io werden, die beschriebene Korrektur des Sollwertes im Sollwertspeicher hat sich jedoch als am zweckmäßigsten gezeigt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen 15

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kurbelwellenfräsmaschine oder dergleichen Fräsmaschine mit wenigstens einer Fräseinheit, bestehend aus einer Fräsertrommel mit Fräser und einem einen Längsschlitten und einen Querschlitten aufweisenden Kreuzschlitten, zwei Spannstöcken mit Spannfuttern, von denen eines einen Werkstücklängsanschlag aufweist, einer Maschinensteuerung, von der die Vorschubantriebe angesteuert werden, und einem Meßsystem, mit dem die Positionen jedes Längsschlittens erfaßt und zur Maschinensteuerung übermittelt werden und das einen Längsmaßstab und an jedem Längsschlitten eine Äbleseeinrichtung für den Längsmaßstab aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Längsschlitten (14) einen Meßwertaufnehmer (25) trägt, daß der Meßwertaufnehmer (25) in der Ruhestellung federnd gegen einen Ruheanschlag (31) am Längsschlitten (14) gedrängt ist, daß der Ruheanschlag (31) in einer Querebene angeordnet ist, deren Abweichung von der Querebene der Ableseeinrichtung (18) für den Längsmaßstab als unveränderlich betrachtet werden kann, daß der Meßwertaufnehmer (25) einen Spannfutteranschlag (35) und das Spannfutter (37) einen mit Bezug auf den Werkstücklängsanschlag feststehenden Meßanschlag (36), der in den Weg des Meßwertaufnehmer-Spannfutteranschlages (35) ragt, aufweisen, und daß der Meßwertaufnehmer auf ein Signal von der Maschinensteuerung hin den Abstand des jeweiligen Anschlages (31, 36) zum Fräser (23) erfaßt und zur Maschinensteuerung übermittelt.

2. Kurbelwellenfräsmaschine oder dgl. Fräsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (25) ein berührungslos arbeitender Meßwertaufnehmer ist

3. Kurbelwellenfräsmaschine oder dgl. Fräsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßanschlag (36) am Spannfutter und/oder der Spannfutteranschlag (35) am Meßwertaufnehmer in den Weg des jeweils anderen ein- und ausfahrbar ist

4. Kurbelwellenfräsmaschine oder dgl. Fräsmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ruheanschlag (31) im Längsschlitten (14) in der Querebene angeordnet ist, die die Ableseeinrichtung (18) für den Längsmaßstab enthält.

5. Kurbelwellenfräsmaschine oder dgl. Fräsmaschine nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer (25) auf einen Träger (27) aus Invar oder einem Werkstoff mit noch kleinerem Wärmedehnungskoeffizienten montiert ist