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Verfahren und Vorrichtung zum Ausgleich der durch temperaturbedingte
Dehnungsunterschiede beim Betrieb von Präzisionsmaschinen auftretenden Stellungsänderungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleich der durch temperaturbedingte
Dehnungsunterschiede beim Betrieb von Präzisionsmaschinen auftretenden Stellungsänderungen
zwischen zwei Maschinenteilen, insbesondere zwischen dem Tisch einer Werkzeugmaschine
und deren Arbeitskopf, unter Verwendung von elektrischen Brückenschaltungen mit
nichtlinearen Meßwiderständen zur Temperaturkontrolle.
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Bisher bekannte Verfahren, die mit nichtlinearen Meßwiderständen zur
Temperaturkontrolle arbeiten, in Verbindung mit Tastorganen, welche die Temperatur
des abzutastenden Bandes bei einem Banddicken-Meßgerät anzeigen, oder auch für die
Abstandsmessung zwischen Läufer und Gehäuse von Gasturbinen verwenden elektrische,
magnetische oder induktive Meßwertfühler, die zur Einhaltung vorgegebener Temperaturen
teilweise isoliert angeordnet oder zusätzlich geheizt werden, sowie vorzugsweise
in einer Widerstandsmeßbrücke mit entsprechenden Regelwiderständen zur Einstellung
des Nullabgleiches gebracht werden. Zur Temperaturmessung dienen Sonden mit Thermoelementen
oder Heißleiter-Widerstandsthermometer in Form einer Injektionsnadel und zur Auswertung
der Wärmemessungen dienen in bekannter Weise ermittelten elektrischen Werte. Die
quantitative Erfassung von Wärmedehnungsunterschieden verschieden großer und mit
verschiedenen Wärmemengen beteiligter Einzelabschnitte von Präzisionsmaschinen lassen
sich auf diese Weise jedoch keineswegs eindeutig erfassen.
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Während des Betriebes einer Werkzeugmaschine wird der Werkzeughalterkopf
bekanntlich etwas erhitzt und bewirkt dadurch eine Ausdehnung des denselben tragenden
Armes relativ zum Maschinenunterteil. Es wurden bereits Erwärmungen von etwa 15°
über die Umgebungstemperatur festgestellt, welche eine relative Verschiebung zwischen
dem Werkzeug und dem Aufspanntisch von etwa 0,1 mm bewirkten. Diese Verschiebung
ist bei Maschinen mit rechnerischer Bestimmung besonders schädlich, bei welchen
die Einstellung des Werkstückes relativ zum Werkzeug mit Hilfe einer Markierung
erfolgt, die an einem Ende des Hubes des Tisches angebracht ist. Die von modernen
Maschinen verlangte Genauigkeit ist mit einer solchen Verschiebung unvereinbar;
und es ist daher eine Korrektur der Ausdehnung erforderlich, um eine genaue Bearbeitung
zu erhalten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die durch Wärmedehnungen
während des Betriebes einer Präzisionsmaschine auftretenden Änderungen möglichst
ohne Rücksicht auf die Umgebungstemperatur in Abhängigkeit von den Abmessungen der
verschiedenen Maschinenteile in ihrem Zusammenhang zu erfassen und auch die zur
Kompensation der sich ergebenden Ungenauigkeiten erforderlichen Korrekturwerte möglichst
genau zu ermitteln und kontinuierlich zur Maschinenkorrektur heranzuziehen.
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Die gestellte Aufgabe läßt sich sehr genau durch eine gegenseitige
Anpassung der verschiedenen Dehnungswerte durch ein Verfahren lösen, das gemäß der
Erfindung in der Weise arbeitet, daß in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur
jedes der zueinander in unveränderter Stellung zu haltenden Maschinenteile an je
einer Widerstandsbrückenschaltung mit einem nichtlinearen Widerstand gegenüber je
einem Vergleichswiderstand mit einer gemeinsamen Bezugstemperatur ein elektrischer
Differenzwert abgeleitet und von diesem jeweils ein im Verhältnis zur dehnungswirksamen
Abmessung des betreffenden Maschinenteiles stehender Teilwert abgegriffen wird,
daß beide an den Abgriffen anstehenden Teilwerte gemeinsam einer auf Abweichungen
ansprechenden elektrischen Vergleichsschaltung zugeführt werden und daß durch diese
eine Zusatzvorrichtung zum Aufheizen oder
zum Abkühlen eines der
beiden Maschinenteile so lange eingeschaltet wird, bis der die Einschaltung auslösende
Temperaturunterschied verschwindet.
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Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
zweckmäßig eine Vorrichtung in der Weise aufgebaut, daß zur temperaturabhängigen
Erfassung der Dehnungswerte an beiden Maschinenteilen und an einem demgegenüber
temperaturneutraleren Teil der Maschine insgesamt vier Thermowiderstände angebracht
sind, die paarweise und zusammen mit je zwei temperaturunabhängigen Meßwiderständen
in je einem Nullzweig einer gleichstromgespeisten Brückenschaltung die elektrischen
Differenzwerte erzeugen, deren den Abmessungen der Maschinenteile gegenüber dem
temperaturneutralen Maschinenteil entsprechende Anzapfungen eines entsprechenden
Potentiometers mit einem Nullwertinstrument in Verbindung stehen, das nach Art eines
polarisierten Relais abweichungsbedingt einen Kippschalter steuert, dem das Schaltrelais
einer Heizvorrichtung bzw. das Schaltrelais einer Kühlvorrichtung nachgeschaltet
sind.
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Eine besonders genaue Arbeitsweise ergibt sich dadurch, daß als nichtlineare
Widerstände zur Erfassung der dehnungsbestimmenden Temperaturwerte an den zu überwachenden
Stellen der Maschine bekannte Dehnungsmeßstreifen angebracht sind und daß in Verbindung
damit als elektrische Vergleichsschaltung zur Auswertung der ermittelten Differenzwerte
ein entsprechend empfindlicher. Quotientenmesser dient.
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Zur Erläuterung -des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in der Zeichnung
Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Werkzeugmaschine in schematischer
Darstellung mit den wesentlichen Temperaturmeßstellen, F i g. 2 den Aufbau einer
erfindungsgemäßen Vergleichsschaltung und F i g. 3 ein abgewandeltes Schaltschema
zu dem gleichen Zweck.
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F i g. 1 zeigt eine Werkzeugmaschine, auf deren Unterteil 1 ein Arbeitstisch
2 verschiebbar und mit diesem ein Stellorgäh 3 fest verbunden ist, welches sich
vor einem Ablesekopf 4 verschiebt. Die -automatische Vorschubregelung steuert den
Ablesekopf 4 und damit die Bewegungen des Tisches 2. Der Ständer 5 der Maschine
trägt einen Werkzeughaltekopf 6, dessen strichpunktiert angedeutete Arbeitsachse
mit 7 bezeichnet ist und genau senkrecht zum Tisch 2 stehen soll.
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Ein temperaturabhängiger Widerstand an der Stelle 8 ist am Werkzeughaltekopf
6 angeordnet und hat einen großen negativen Temperaturkoeffizienten. Ein zweiter
temperaturabhängiger Widerstand 9 gleicher Art ist an einem Maschinenteil 10 zwischen
dem Stellorgan 3 und dem Tisch 2 angeordnet. Außerdem sind noch zwei temperaturabhängige
Widerstände 13 und 14 zur Erfassung der Umgebungstemperatur an einer verhältnismäßig
neutralen Stelle des Ständers 5 angeordnet. Durch die Widerstände 8 und 13 wird
die Wärmedehnung des Werkzeughaltekopfes 6 und durch die Widerstände 9 und 14 die
des Maschinenteiles 10 quantitativ in Form der betreffenden Wärmeänderungen. erfaßt.
Das Maschinenteil 10 kann außerdem durch einen Heizwiderstand 11 künstlich erhitzt
oder durch einen Ventilator 12 im Bedarfsfalle gekühlt werden. . _ _ -In F i g.
2 und 3 sind elektronische Schaltungen schematisch dargestellt, mit denen die temperaturveränderlichen
Widerstandswerte miteinander verglichen und die durch die Widerstände 8 und 13 erhaltenen
Änderungen mit den Änderungen der Widerstände 9 und 14 zur Erzeugung eines entsprechenden
Federsignales verglichen werden, welches richtungsabhängig entweder den Heizwiderstand
11 oder den Kühlventilator 12 bis zum Verschwinden des Fehlersignales einschaltet.
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F i g. 2 zeigt zu diesem Zweck einen Transformator, dessen Primärwicklung
E zwei Sekundärwicklungen 15 und 16 mit Strom versorgt, der über zwei Vollweggleichrichter
an den Klemmenpaaren 17 -und 18 bzw. 19 und 20 zwei Gleichspannungen liefert. Am
Klemmenpaar 17 ist eine Widerstandsmeßbrücke durch die beiden temperaturabhängigen
Widerstände 8 und 13 und durch zwei unveränderliche Brückenwiderstände R1 und R2
gebildet mit den Anschlußpunkten 21 und 22 im Nullzweig.
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In gleicher Weise ist an die Klemmen 19 und 20 eine Widerstandsmeßbrücke
aus den temperaturab= hängigen Widerständen 9 und 14 und zwei unveränderlichen Brückenwiderständen
R3 und R4 gebildet, mit den Klemmen 23 und 24 im Nullzweig. In beiden Nullzweigen
liegt ein Verbindungswiderstand mit einem regelbaren Abgriff 25 bzw. 26. Beide Brückenschaltungen
sind unter konstanten Temperaturbedingungen bei ausgeschalteter Maschine im Abgleichzustand.
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Eine einfache Rechnung zu F i g. 2 zeigt, daß die Spannung an den
Klemmen 21 und 22 im Nullzweig der ersten Widerstandsbrücke annähernd proportional
der Differenz zwischen der Temperatur des Werkzeughaltekopfes 6 und der Umgebungstemperatur
am Ständer 5 ist und infolgedessen auch der Wärmeausdehnung des Werkzeughaltekopfes
6. In gleicher Weise ist auch die Spannung zwischen den Klemmen 23 und 24 in guter
Näherung proportional der Erwärmung des Maschinenteiles 10 am Tisch 2 gegenüber
der am Ständer 5 durch den temperaturabhängigen Widerstand 14 gemeldeten Wärme.
Auch ist die entsprechende Dehnung der Wärmedifferenz annähernd proportional. Zwischen
den beiden Abgriffen 25 und 26 der beiden Brückenschaltungen besteht also dann kein
Potentialunterschied, wenn beide Abgriffe an der gleichen Stelle angeordnet sind
und dazu beide Temperaturunterschiede den gleichen Betrag haben.
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Es ist jedoch für den vorliegenden Zweck wichtig, daß das Maschinenteil
10 und das damit verbundene Stellorgan 3 aus einem Metall gleicher linearer
Wärmedehnung hergestellt sind und deshalb zweckmäßig aus dem gleichen Metall bestehen,
damit das erfindungsgemäße Meßverfahren nicht durch Kompensation gegenläufiger Dehnungswerte
verschiedener Größe im Ergebnis verfälscht werden kann. Im allgemeinen ist die Ausdehnung
des Maschinenteiles 10 wesentlich kleiner als der Gesamtabstand zwischen der gestrichelten
Achse 7 und dem Ablesekopf 4. Infolgedessen kann eine zusätzliche Erhitzung oder
Abkühlung des Maschinenteiles 10 mit wesentlich höheren Temperaturdifferenzen und
entsprechend genauer vorgenommen werden, als wenn damit nur jene Temperaturänderungen
kompensiert werden müßten, welche den Werkzeughaltekopf 6 und dessen Wärmedehnungswert
bestimmen. Die tatsächlichen Verhältnisse lassen sich in sehr einfacher Weise durch
Versuche
ermitteln und in der nachgeordneten elektrischen Schaltung sehr genau abgleichen.
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Dieses Ergebnis kann durch eines der beiden nachstehend angegebenen
Mittel erzielt werden, da zwischen den Klemmen 21 und 22 bzw. 23 und 24 in den Nullzweigen
der beiden Brückenschaltungen nach F i g. 2 durch die Abgriffe 25 und 26 beliebige
Bruchteile der von beiden Brücken erzeugten Temperaturdifferenzspannungen abgreifbar
sind.
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Nach F i g. 2 besteht der Vergleichsstromkreis aus der zwischen die
Abgriffe 25 und 26 eingeschalteten Meßeinrichtung 27 mit einem Nullinstrument, dessen
Zeiger 28 in bekannter Weise einen Unterbrecherkontakt 29 steuert, der entweder
den Erregerstromkreis eines Relais 30 mit dem nachgeschalteten Heizwiderstand 11
oder den Erregerstrom eines Relais 31 mit dem nachgeschalteten Ventilator 12 einschaltet.
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Grundsätzlich reicht die Anordnung des Heizwiderstandes 11 für das
Maschinenteil 10 bereits aus, um die Wärmedehnung des durch Arbeitswärme beanspruchten
Werkzeughaltekopfes 6 zu kompensieren. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß thermische
Trägheitserscheinungen unterdrückt und wesentlich kurzzeitigere Temperaturkompensationen
ermöglicht werden, wenn zusätzlich der Ventilator 12 angeordnet ist, der einen Wärmeüberschuß
rasch kompensieren kann. Außerdem ist zu bemerken, daß die beschriebene Arbeitsweise
der Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unabhängig von der jeweiligen
Länge des Maschinenteiles 10 und daß auch jede andere mechanische Einrichtung verwendbar
ist, die eindeutige Wärmedehnungsanzeigen liefert. Die Stromversorgung der beiden
Widerstandsbrücken mit zwei durch die gleiche Wechselstromquelle gespeisten Gleichstromquellen
ergibt eine vorteilhafte Kompensation von Netzspannungsänderungen. Auch ist die
Wirkungsweise der beschriebenen Widerstandsbrücken in weiten Grenzen linear, insbesondere
deren Einwirkung auf das Nullinstrument der Vorrichtung 27. Hinzu kommt der Vorteil,
daß auch Wärmedehnungen der Metalle bei Werkzeugmaschinen innerhalb der praktisch
vorkommenden Temperaturgrenzen nahezu linear verlaufen.
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Dennoch ändert sich bei der Schaltung nach F i g. 2 bei Abweichungen
von der vorgesehenen Ausgleichlage die Signalspannung infolge von Schwankungen der
Netzspannung an der Primärwicklung E. Jedoch ist die sich daraus ergebende Fehlerquelle
für die Erwärmung bzw. Abkühlung des Maschinenteiles 10 von untergeordneter Bedeutung,
zumal es sich nur um Vorgänge handelt, die beim erfolgten Ausgleich selbsttätig
wieder abgeschaltet werden.
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Zur Beseitigung von Ausgleichdifferenzen ist in F i g. 3 ein Schaltschema
dargestellt, bei welchem der Vergleich zwischen den Abgriffen 21 und 22 bzw. 23
und 24 in den Nullzweigen beider Widerstandsbrücken unabhängig vom abgegriffenen
Spannungswert und auch von Netzspannungsschwankungen weitgehend unabhängig gemacht
ist durch Verwendung eines Quotientenmessers 32, der nur das Spannungsverhältnis
der auf gleiche Werte eingestellten Abgriffe 25 und 26 anzeigt und im übrigen in
der gleichen Weise arbeitet, wie das Vergleichsinstrument 27 nach F i g. 2.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das vorgeschlagene Verfahren auch
auf solche Werkzeugmaschinen anwendbar, deren Tisch sich gegenüber dem Werkzeughaltekopf
nicht nur in einer Richtung, sondern auch senkrecht dazu verschiebt. Für diesen
Fall werden an der Maschine zwei Vorrichtungen der beschriebenen Art angeordnet
und diesen dementsprechende Heizwiderstände bzw. Ventilatoren nachgeschaltet, so
daß damit auch räumlich verschiedene Dehnungswerte unter Berücksichtigung der beteiligten
Werkstücklängen und der betreffenden Temperaturänderungen eindeutig kompensierbar
sind. Dieser Fall wird für alle solchen Präzisionsmaschinen vorteilhaft anzuwenden
sein, deren Wärmedehnungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen auftreten und
kompensiert werden sollen. Für die dritte Dimension gilt im Bedarfsfalle das gleiche.