DE2008813C3 - Temperaturkompensationsvorrichtung - Google Patents

Description

einerseits ist der Kompensationsstab am einen Ende fest mit der Meßvorrichtung verbunden, andererseits wird die Längenänderung des den Meßkopf tragenden Supports unmittelbar und ohne ü'bertragungsfehler vom freien Ende des Kompensationsstabs auf die Fehlermeßvorrichtung übertragen. Zum Herstellen des temperaturkompensierten Meßwerts werden elektrische Signale als Ausgangsgröße verwendet, die leicht in der gewünschten Weise zu einem den temperaturkompensierten Meßwert entsprechenden elektrischen Ausgangssignal zusammengesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch insgesamt einfach aufgebaut; sie arbeitet einfach und zuverlässig. Ein Mitwirken der Bedienungsperson ist nicht erforderlich, so daß Ablesefehler und Ungenauigkeiten bei der Ablesung nicht auftreten.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kompensationsvorrichtung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine Kompensationsvorrichtung, weiche bei einer Koordinatenpräzisionsmeßmaschine verwendet wird, wobei einige Teile im Schnitt, andere bloßgelegt und wieder andere schematisch dargestellt sind.

Eine Koordinatenpräzisionsmeßmaschine 10 mit einer Kompensationsvorrichtung 11 hat einen Unterbau 12 mit einem senkrechten Rahmenteil 13, das senkrecht verlaufende Führungsbahnen 14 aufweist. Auf den Führungsbahnen 14 läuft ein in senkrechter Richtung verschiebbarer Schlitten 15.

Der Schlitten 15 hat eine nach hinten überstehende Auskragung 16 mit einem Innengewinde 20. Die Koordinatenpräzisionsmeßmaschine 10 weist eine senkrecht verlaufende Spindel 21 auf, auf deren Gewinde 22 das Innengewinde 20 der Auskragung 16 läuft. Auf dem Unterbau 12 ist ein Motor mit angeblocktem Getriebe 23 befestigt und bei 24 kraftschlüssig mit der Spindel 21 verbunden. Das obere Ende der Spindel 21 hat einen glatten Wellcnteil, der in einem Wälzlager 25 gelagert ist. Durch den Motor mit angeblocktem Getriebe 23 wird die Spindel 21 in bekannter Weise gedreht, so daß bei Drehung der Spindel 21 in einer Richtung der Schlitten 15 nach oben bewegt wird und bei Drehung .ler Spindel in entgegengesetzter Drehrichtung nach unten bewegt wird.

Die Koordinatenpräzisionsmeßmaschine hat einen Support 26 in Form eines sich horizontal erstreckenden langen Trägers, der mit einer bei 28 angeschweißten oder anderweitig befestigten Grundplatte 27 versehen ist, die ihrerseits durch mehrere Gewindebolzen 31 mit einer Lagerplatte 30 verschraubt ist. Jeder der Gewindebolzen 31 ist in ein Gewinde in der Lagerplatte 30 eingeschraubt, die in geeigneter Wiise an dem Schlitten 15 befestigt ist.

Der Support 26 wird hier als röhrenförmiges Gehäuse gezeigt, das aus einem einzigen Stück bestehen kann oder aus mehreren Platten zusammengesetzt sein kann, die längs ihrer Kanten miteinander verbunden sind. Der Support 26 ist hier mit einer Supportverlängerung 26/1 gezeigt, die in geeigneter Weise an einer den Abschluß des Hauptteils des Supports 26 bildenden Stirnplatte 33 befestigt ist. Die Supportverlängerung 26/4 weist einen röhrenförmigen Trägerbund 34 auf, in dem ein Meßkopf 35 zur La.geabtastung geführt ist. Der Trägerbund 34 kann mit geeigneten Mitteln versehen werden, um den Meßkopf 35 in Längsrichtung einstellen zu können und stufenlos in jeder axialen Stellung arretieren zu können.

Der Meßkopf 35 ist so ausgelegt, daß die Abmessungen eines Werkstücks 36 ermittelt werden können. Bei normalem Betrieb der Koordinatenpräzisionsmeßmaschine 10 wird der Schlitten 15 so in senkrechter Richtung bewegt, daß der Meßkopf 35 das Werkstück 36 längs dessen Flächen in senkrechter Richtung abtastet. Änderungen der Umgebungstemperatur der Koordinatenpräzisionsmeßmaschine 10 und des Supports 26 führen zu einem Ausdehnen oder Zusammenziehen des Supports und damit zu fehlerhaften Messungen des Meßkopfs 35. Die Kompensationsvorrichtung führt jedoch, wie später im einzelnen beschrieben wird, eine automatische Kompensation der fehlerhaften, vom Meßkopf 35 ermittelten Meßwerte herbei.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 36 in einem Drehlager 37 angeordnet, das seinerseits von einem in waagrechter Richtung bewegbaren Schlitten 38 getragen wird. Der Schlitten 38 ist auf einem vom Unterbau 12 der Koordinatenpräzisionsmeßmasehine unabhängigen Unterbau 39 gelagert.

In der Zeichnung verläuft die Achse des Supports 26 in waagrechter Richtung. Die dort gezeigte Kompensationsvoi richtung 11 weist einen langen, zylindrischen Kompensationsstab 40 auf, dessen Längsachse im wesentlichen parallel zur Längsachse des Supports 26 verläuft. Der Kompensationsstab 40 weist ein in einem Lager 42 des Supports 26 befestigtes Ende auf, während das diesem gegenüberliegende, freitragende Ende 43 des Kompensationsstabs 40 bezüglich des Supports 26 in Längsrichtung nicht festgelegt ist. Mit Ausnahme des Endes 41 kann sich somit der Kcmpensationsstab 40 in axialer Richtung frei auf das Lager 42 zu- und von ihm wegbewegen. Der Zweck dieser Anordnung wird untenstehend noch im einzelnen erläutert.

Der Kompensationsstab 40 ist innerhalb des Supports 26 angeordnet. Der Kompensationsstab 40 ist so ausgelegt, daß seine Abmessung durch Änderung der Umgebungstemperatur im wesentlichen nicht beeinflußt wird, während die Änderung der Umgebungstemperatur die Länge des Supports 26 merkbar beeinflußt und damit zu falschen Meßergebnissen des Meßkopfs 35 führt. Solche werden im Falle der Koordinatenpräzisionsmeßmaschine 10 zu falscher Angabe der Abmessungen des Werkstücks führen.

Die Kompensationsvorrichlung 11 weist ferner eine Fehlermeßvorrichtung 44 auf, die am äußeren Ende des Supports 26 bei 45 fest angeordnet ist und sich dicht bei dem freitragenden Ende 43 des Kompensationsstabs 40 befindet. Die Fehlermeßvorrichtung 44 arbeitet mit dem freitragenden Ende 43 zusammen, um die gegenseitige Verschiebung des freitragenden Endes 43 und des Befestigungspunktes 45 zu bestimmen, welche durch eine Änderung der Umgebungstemperatur hervorgerufen wird, welche ein Ausdehnen oder Zusammenziehen des Supports 26 bezüglich des Kompensationsstabs 40 herbeiführt. Die genaue Bestimmung der Änderung des Abstands zwischen dem freitragenden Ende 43 des Kompensationsstabs 40 und dem Befestigungspunkt 45 erlaubt die Kompensation von Fehlern der durch den Meßkopf 35 ausgeführten Messungen.

Der Kompensationsstab 40 besteht aus einem Werkstoff, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient klein ist im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des für den Support 26 verwendeten Werkstoffs. Ändert sich die Umgebungstemperatur der Koordinatenpräzisionsmaschine 10 und damit des Supports 26 und

des Kompensationsstabs 40, so stellt die Abstands- elektrische Ausgangssignal des Meßkopfs 35 zugeführt änderung zwischen dem freitragenden Ende 43 des wird. Das Kombinationsglied 52 setzt die beiden Kompensationsstabs 40 und dem Befestigungspunkt 45 Signale in bekannter Weise derart zusammen, daß das im wesentlichen die Korrektur dar, welche an dem von der Fehlermeßvorrichtung 44 erzeugte, über die Meßergebnis des Meßkopfs 35 vorgenommen werden 5 Leitung 53 angelieferte Kompensationssignal Berückmuß, da sich die Länge des Supports 26 in Folge der sichtigung findet; das Ausgangssignal des Kombina-Änderung der Umgebungstemperatur geändert hat. tionsglieds 52 kann durch ein Anzeigegerät 55 zur Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- Anzeige gebracht werden, das mit dem Kombinationsdung besteht der Kompensationsstab 40 aus Quarz glied 52 durch eine Leitung 56 verbunden ist.
und der Support 26 aus Stahl. Der lineare Wärmeaus- i° Damit ergeben Abmessungsänderungen des Supdehnungskoeffizient von Quarz beträgt etwa 1/20 des ports 26 in Folge von Temperaturänderungen ein linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des verwen- erhebliche·; Dehnen und Zusammenziehen verglichen deten Stahls. Bei diesem Ausführungsbeispiel waren die mit dem Dehnen und Zusammenziehen des Kompen-Anforderungen an die Genauigkeit der Koordinaten- sationsstabs 40, so daß die Fehlermeßvorrichtung 44 präzisionsmeßmaschine derart, daß der Quarz im Ver- 15 auf der Leitung 53 ein Kompensationssigna! bereitgleich zum Stahl als von der Temperatur nicht beein- stellt, und dieses Kompensationssignal und das vom flußt angesehen werden konnte, d. h. jede von der Meßkopf 35 erzeugte Ausgangssignal werden in geeig-Fehlermeßvorrichtung 44 angezeigte Längenänderung neter Weise zusammengesetzt, wobei die elektrische konnte als Längenänderung des Supports 26 angesehen Schaltung des Kombinationsglieds 52 das Signal der werden. ²⁰ Fehlermeßvorrichtung 44 berücksichtigt und ein Dies geht aus den folgenden Darlegungen noch korrigiertes Ausgangssignal erzeugt, welches bei dem klarer hervor. Nimmt man z. B. an, daß der Support 26 erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung einen und ein aus Quarz bestehender Kompensationsstab 40 korrigierten, genauen Meßwert für das Werkstück 36 die Länge L haben und einer Temperaturänderung AT darstellt, welcher der Ausdehnung und dem Zusamausgesetzt werden, dann ergibt sich die Längenände- 25 menziehen des Supports 26 Rechnung trägt,
rung des Kompensationsstabs aus Quarz und des aus Für den Kompensationsstab 40 ist ein Lager 61 mit Stahl bestehenden Supports zu geringer Reibung vorgesehen, welches Bewegungen des AL — La AT nd Kompensationsstabs 40 quer zu seiner mit 60 bezeich- * ~ "* neten, horizontal verlaufenden Längsachse ausschließt, ALs — La_sAT 30 während es eine ungehinderte Längsbewegung des Bei 20" C betragen die linearen Wärmeausdehnungs- freitragenden Endes 43 des Kompensationsstabs 40 koeffizienten des hier verwendeten Quarzes und des bezuglich des Supports 26 zulaßt. In der Zeichnung hier verwendeten Stahls etwa: '" ^{nur ein} _f ^LaS^er _f ⁶J d«Sestellt; je nach der Lange ces

Kompensationsstabs 40 können jedoch beliebig viele

a_q = 0,54 · 10~⁶/°C 35 Lager verwendet werden.

u, = 11,7 · JO ⁶/ C ^w'^{e nhen} ausgeführt, wird der Kompensationsstar ,'., , , _,. _n . . . .. 40 vorzugsweise aus einem Werkstoff gefertigt, dei und man erhalt als von der Fehlermeßvorr.chtung 44 _{verglichen mit dem des} Supports 26 einen verhältnisangezeigte Längenänderung _{mäßig kleinen linearen} Wärmeausdehnungskoeffizien- AU = AL,—AL_q = LJr(a_s—a,) 40 ten aufweist. So sind z. B. Kompensationsstäbe au; = LAT-W 2 · ΙΟ"⁶/C ^ ALs Invar, glasartigen Materialien wie Quarz und Glas

u. dgl. besonders geeignet, wenn sie bei Meßmaschiner

Die auf eine Temperaturänderung zurückzuführende verwendet werden, deren Supporte aus Stahl, Alumi-

angezeigte Längenänderung gibt daher bis auf 5 % die nium oder anderen Werkstoffen mit ähnlichen Eigen-

Längenänderung des Supports 26 an. Damit kann der 45 schäften gefertigt sind.

Ausgabewert der am Ende des Supports 26 angebrach- Die oben beschriebene Fehlermeßvorrichtung 44

ten Abtasteinrichtung in geeigneter Weise korrigiert weist den teleskopähnlich geführten Tauchkolben 4(

werden. auf, der normalerweise an das freitragende Ende 4^

Die Fehlermeßvorrichtung 44 kann ein beliebiger des Kompensationsstabs 40 angedrückt wird, urr

Weggeber sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 5° Abstandsänderungen zwischen dem Befestigungspunk'

weist sie einen teleskopähnlich geführten Tauchkolben 45 auf dem Support 26 und dem freitragenden Ende 4':

46 auf, der mit dem freitragenden Ende 43 des Korn- des Kompensationsstabs 40 zu bestimmen. Die Fehler

pensationsstabs 40 zusammenarbeitet und ein elektri- meßvorrichtung 44 kann jedoch auch eine nich

sches Signal erzeugt, das im folgenden als Kompen- mechanische Meßvorrichtung sein, z. B. eine elektro

sationssignal bezeichnet wird und dessen Größe der 55 optische Vorrichtung, welche die Abstandsänderung

Abstandsänderung zwischen dem freitragenden Ende zwischen dem freitragenden Ende 43 und dem Be 43 und dem Befestigungspunkt 45 auf dem Support 26 festigungspunkt 45 bestimmt und ein geeignete!

abhängt. Der Meßkopf 35 erzeugt ebenfalls ein Kompensationssignal abgibt. Ebenso kann der Meß

elektrisches Ausgangssignal, dessen Größe jedoch kopf 35 eine nicht mechanisch arbeitende Sonde sein

durch die Lage einer an dem Werkstück 36 anliegenden ⁶° die mit der Oberfläche des Werkstücks 36 zusammen

Tastspitze gegeben wird. arbeitet und ein geeignetes, dem Abstand der Ober

Das elektrische Kompensationssignal wird über eine fläche des Werkstücks vom Support 26 entsprechende: Leitung 53 in ein geeignetes Kombinationsglied 52 Signal erzeugt, das wie oben beschrieben kompensier eingespeist, welchem über eine Leitung 54 auch das bzw. korrigiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

ein Stab mit vernachlässigbar kleiner Wärmeausdeh- Patentansprüche: nung durch Federn gegen einen festen Anschlag gedrückt, wobei der Anschlag des Supports auf der Achse

1. Vorrichtung zur Kompensation von durch des Bohrwerkzeugs liegt und der Anschlag des Schiit-Temperaturänderungen hervorgerufenen Meßfeh- 5 tens mit der Achse des zu bohrenden Lochs fluchtet. lern bei Koordinaten-Präzisionsmeßvorrichtuagen, Die freien Enden dieser im übrigen in Längsrichtung mit einem den Meßkopf tragenden Support, an freitragend gelagerten Stäbe sind mit Marken versehen, dem ein erstes stabförmiges Kompensatiom;glied deren jeweilige gegenseitige Lage durch ein Fenster angeordnet ist, das von Umgebungstemperatur- abgelesen wird. Schlitten und Support können dann änderungen vergleichsweise unbeeinflußbar ist und 10 von Hand so gegeneinander bewegt werden, daß die das mit einem Ende fest mit dem Support verbun- Marken beider Stäbe fluchten, so daß die Achse des den ist, während das entgegengesetzte Ende frei Bohrwerkzeugs dann mit der Achse des zu erzeugenden gegenüber dem Support bewegbar ist, und mit Lochs fluchtet.

einer gehäusefest angeordneten Meßvorrichtung, Diese Anordnung bewirkt jedoch keine Kompendie ein der Verschiebung des Supports propor- 15 sation von auf Temperaturänderungen zurückzufühtionales Signal erzeugt, dadurch gekenn- renden Fehlern, sondern dient nur als Hilfsmittel zur zeichnet, daß der Kompensationsstab (4O) auf manuellen Kompensation. Da zwei voneinander unabder Seite der Supporthalterung (15) mit dem in hängige Stäbe mit geringer Wärmeausdehnung ver-Stablängsrichtung fest angeordneten Support (26) wendet werden, müssen diese genau fluchtend überfest verbunden ist und das freie Ende (43) des ao einander angeordnet werden. Spindelspiel und Tot-Stabes an der Fehlermeßvorrichtung (44) anliegt, gänge können zu einer Verschiebung der Anschläge die am Ende (33) des Supports (26) angebracht ist, führen, an denen die Stäbe anliegen. Damit ist auch daß an einer Supportverlängerung (26a) der Meß- keine ausreichend genaue Anzeige der gegenseitigen kopf (35) angeordnet ist, der einen gleichachsig mit Verschiebung von Schlitten und Support sichergestellt, dem Kompensationsstab (40) angeordneten Tast- 25 In der USA.-Patentschrift 3 045 510 ist eine Vorstift (50) aufweist, und daß mit der Fehlermeßvor- richtung zum elektromechanischen Erfassen temperarichtung (44) und dem Meßkopf (35) ein Kombina- turbedingter Lageänderungen einer Bohrspindel betionsglied (52) verbunden ist, in dem aus den züge- schrieben. Hierbei wird ein Stab mit vernachlässigbar führten elektrischen Signalen eine kompensierte kleiner Wärmeausdehnung am einen Ende mit der Meßanzeige gebildet wird. 30 Stirnseite der Spindel starr mitbewegt, während sein

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- freies, eine Zahnstange tragendes Ende über ein Zahnkennzeichnet, daß das Kombinationsglied (52) mit rad mit einem Winkelgeber verbunden ist. Damit wird einer optischen Anzeigevorrichtung (55) verbun- die jeweilige Lage der Stirnfläche der Spindel unter den ist. Berücksichtigung der Wärmeausdehnung an die Steue-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 rung der Werkzeugmaschine zurückgemeldet; das kennzeichnet, daß der Kompensationsstab (40) Rückmeldungssignal wird jedoch nicht in ein V'eraus Quarz ist. gleichsgerät zur Fehlerkompensation eingespeist.

Demgegenüber besteht die der Erfindung zugrunde

liegende Aufgabe darin, eine verbesserte Vorrichtung

40 zur Kompensation von durch Temperaluränderungen hervorgerufenen Meßfehlern zu schaffen.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korn- Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß

pensation von durch Temperaturänderungen hervor- der Kombinationsstab auf der Seite der Supporthalgerufenen Meßfehlern bei Koordinaten-Präzisions- terung mit dem in Längsrichtung fest angeordneten meßvorrichtungen, mit einem den Meßkopf tragenden +5 Support fest verbunden ist und das freie Ende des Support, an dem ein erstes stabförmiges Kompensa- Stabs an der Fehlermeßvorrichtung anliegt, die am tionsglied angeordnet ist, das von Umgebungstempe- Ende des Supports angebracht ist, daß an einer raturänderungen vergleichsweise unbeeinflußbar ist Supportverlängerung der Meßkopf angeordnet ist. der und das mit einem Ende fest mit dem Support verbun- einen gleichachsig mit dem Kompensationsstab angeden ist, während das entgegengesetzte Ende frei gegen- 5» ordneten Taststift aufweist und daß mit der Fehlerüber dem Support bewegbar ist, und mit einer gehäuse- meßvorrichtung und dem Meßkopf ein Kombinationsfest angeordneten Meßvorrichtung, die ein der Ver- glied verbunden ist, in dem aus den zugeführten elekschiebung des Supports proportionales Signal erzeugt. trischen Signalen eine kompensierte Meßanzeige ge-Bes Präzisionsmeßvorrichtungen (zur Verwendung bildet wird.

mit Werkzeugmaschinen oder als unabhängige Meß- 55 Die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung vorrichtungen) entstehen durch Änderung der Umge- stellt somit unter Verwendung des von einem Meßkopf bungstemperatur, unzulässig große Abmessungsände- erzeugten, fehlerbehaftetem Lagesignals und eines von rungen des einen Meßkopf tragenden Supports. Es ist einer mit einem Kompensaiionsstab zusammenarbeisehr kostspielig, solche Präzisionsmeßvorrichtungen tenden Fehlermeßvorrichtung erzeugten Kompenbei einer genau vorgegebenen Temperatur zu betreiben ^6o sationssignals ein fehlerfreies, nicht von der Umge- und alle ihre Teile während des Betriebs auf ein und bungstemperatur abhängiges, der Lage des Werkstücks derselben Temperatur zu halten. entsprechendes Signal her.

In der USA.-Patentschrift 2 956 344 ist eine Werk- Erfindungsgemäß ist ein Ausgleich von tempcratur-

zeugmaschine beschrieben, bei der durch Temperatur- bedingten Lageänderungen eines Meßkopfes bezüglich änderungen hervorgerufene Längenänderungen eines ⁶S eines Werkstücks in einfacher Weise ohne weitere ein Bohrwerkzeug tragenden Supports und eines ein Kenntnis über die genaue Wärmeausdehnung des Werkstück tragenden Schlittens angezeigt werden. Supports möglich. Spiel und toter Gang sind bei der Sowohl im Support als; auch im Schlitten wird hierzu erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeräumt; denn