DE2505391C3 - Vorrichtung zum Nachführen bewegter, unter Bearbeitungskräften und/oder Eigengewicht von einer vorgegebenen Soll-Lage abweichender Werkzeugmaschinenteile in die Soll-Lage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachführen bewegter, unter Bearbeitungskräften und/oder Eigengewicht von einer vorgegebenen Soll-Lage abweichender Werkzeugmaschinenteile in die Soll-Lage mit einem an einem der Abweichung nicnt unterworfenen Maschinenteil angeordneten, einen tcharf gebündelten, auf das nachzuführende Maschinenteil gerichteten Laserstrahl aussenden Laserstrahlgeber und mit einem am nachzuführenden Maschinenteil •ngeordneten Detektor, der bei Abweichung des nachzuführenden Maschinenteils von der Achse des Laserstrahls in positiver oder negativer Richtung elektrische Steuersignale gegensinniger Polarität abgibt, die unter Zwischenschaltung eines Verstärkers auf eine Nachlaufsteuerung zur Soll-Ist-Korrektur des nachzuführenden Maschinenteils einwirken.

Man ist neuerdings bestrebt, auch auf großen und ich'iVeren Werkzeugmaschinen, zum Beispiel Fräsmaschinen, Arbeitsgenauigkeiten zu erreichen, die bisher nur bei kleinen Präzisionsmaschinen erreicht worden lind. Trotz genauester Bearbeitung der Führungen kann jedoch nicht verhindert werden, daß die das Werkzeug, zum Beispiel den Präser, tragenden Maschinenteile, zum Beispiel Stößel, Winkelfräsköpfe usw., durch Eigengc wicht und/oder unter den Bearbeitungskräften eine Abweichung von ihrer vorgegebenen Soll-Lage erfahren, die bei Voller Ausfahrlärlge bis zu 200μπι und mehr betragen kann.

Um jedoch die gewünschte Arbeitsgenauigkeit zu erreichen, dürfen die das Werkzeug tragenden Maschinenteile maximal nur 30μιη von ihrer Soll-Lage abweichen. Zum Nachführen des von seiner vorgegebenen Soll-Lage abweichenden Maschinenteils in die Soll-Lage sind daher Nachführvorrichtungen erforderlich.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs erwähnten Gattung (DE-OS 21 18 612) ist ein Laserstrahlgebsr am Ende eines der Abweichung nicht unterworfenen Maschinenteils, nämlich des M;.schinenbetts angeordnet, während der Detektor an dem nachzuführenden Maschinenteil, nämlich an dem Maschinentisch vorgesehen ist Durch den Detektor sollen bei der bekannten Vorrichtung Lageveränderungen des Maschinentisches von der Achse des Laserstrahls festgestellt und in elektrische Steuersignale gegensinniger Polarität umgewandelt werden. Wie dies jedoch im einzelnen erfolgt, ist in der bekannten Druckschrift nicht näher beschrieben.

2" Es ist ferner bekannt, zu einer genauen Längenmessung bei Werkzeugmaschinen Laserstrahlen einzusetzen (vgl. DE-OS 17 63 379, DE-Zeitschrift »Elektronik«, 1965, Heft 2, Seite 46 und CH-Zeitschrift »Technische Rundschau«, Nr. 9 vom 7.7.196/, Seite 25, 27). Zu einer genauen Längenmessung sind jeweils am ortsfesten Teil der Maschine der Laserstrahlgeber, die Optik und auch der Detektor angeordnet. An dem in Richtung des ausgesandten Laserstrahls verschiebbaren Maschinenteil ist ein Reflektor vorgesehen. Die durch die

Μ Bewegung des Reflektors hervorgerufenen Interferenzstreifen werden in einem lichtempfindlichen Fotodetektor eingefangen und mit einem Vorwärts- Rückwärtszähler digital ausgewertet. Da jedoch die Meßgenauigkeit dieser Laser-Interferometers sehr von den Umwelt-

■15 faktoren abhängt, müssen in einem atmosphärischen Druckumformer die Umweltbedingungen, zum Beispiel Luftdruck und Temperatur, berücksichtigt und anschließend das gesamte Ergebnis in einem Computer ausgewertet werden. Der Einsatz eines Druckumformers und eines Computers sowie r>es Spezialreflektors sind jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Ausgehend von einer Vorrichtung zum Nachführen bewegter, unter Bearbeitungskräften und/oder Eigengewicht von einer vorgegebenen Soll-Lage abweichender Werkzeugmaschinenteile in die Soll-Lage der eingangs erwähnten Gattung, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachführgenauigkeit einer derartigen Vorrichtung bei einfachem Aufbau zu erhöhen.

Diese Aufgabe isyt nach der Erfindung dadurch gelöst, daß an dem nachzuführenden Maschinenteil im Bereich des Laserstrahls ein in einer Richtung gekrümmter Konvexspiegel, dessen Achse quer zur Laserstrahlachse verläuft, so angeordnet ist, daß der Einfallswinkel des Laserstrahls in bezug auf die Oberfläche des Konvexspiegels etwa 45° beträgt und daß als Detektor im Bereich des vom Konvexspiegel reflektierten und durch diesen divergierten Laserstrahls in einer parallel zum ausgesandten Laserstrahl verlaufenden Abbildungsebene mehrere, in einer Brückenschaltung angeordnete Fotoelemente oder Fototransistoren vorgesehen sind.

Die durch die Erfindung erreichte Wirkung besteht im wesentlichen darin, den Vom Laserstrahlgeber ausgesandten, scharf gebündelten Laserstrahl mittels des am

^Η'> nachzüfühfenden Maschinenteil angeordneten Konvexspiegels, der nur in einer Richtung gekrümmt ist, zu divergieren oder zu spreizen. Anstelle eitles kreisrunden Punktes von 1*1,5 mm entsteht durch diese Spreizung

auf der Abbildungsebene ein langgezogener Strich, der eigentlich eine sehr flache Ellipse ist. Dieser Strich, der je nach Radius des Konvexspiegels eine Länge von 50-200 mm haben kann, trifft auf eine Vielzahl von in der Abbildungsebene angeordneten Fotoelementen oder Fototransistoren auf. Durch die Spreizung des Lichtstrahles können außerordentlich kleine Abweichungen des nachzuführenden Maschinenteils von der Ideallinie festgestellt und dann in Steuersignale umgewandeltwerden. Der Effekt der Anordnung ist vergleichbar mit einem Verstärker oder Wegübersetzer, bei denen kleine Abweichungen quantifizierbar sind. Bewegt sich das nach7uführende Maschinenteil und somit der Träger des Konvexspiegels um einen sehr geringen Betrag gegenüber der vom Laserstrahl gebildeten Soll-Linie, so bewegt sich auf der Abbildungsebene der gespreizte Strahl um ein wesentlich größeres Stück, so daß es möglich ist, mit den heutigen technischen Mitteln diese Bewegung mit Fototransistoren und einer einfachen Brückenschaltung auszuwerten. Der Detektor weist damit einen sehr einfachen Aufbau auf und die Nachführgenauigkeit ist unabhängig von irgendwelchen Druck- und Temperaturschwankungen.

Zweckmäßigerweise weist der Konvexspiegel eine Kreiszylinderform auf, wodurch er einfach herstellbar ist

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Fräsmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 Einzelheiten der Vorrichtung in einem Blockschaltbild.

In F i g. 1 ist mit 1 das Portal einer großen Fräsmaschine angedeutet, die einen Querbalken 2 aufweist, welcher seinerseits den Stößel 3 zur Aufnahme eines Fräsers 5 trägt Der Querbalken 2 läßt sich in bezug auf das Portal 1 nach oben und unten bewegen, wohingegen der Stößel 3 auf dem Querbalken 2 nach links und rechts verschoben werden kann. Am Stößel 3 befindet sich im gezeichneten Fall ein Winkelfräskopf 4, welcher den Fräser 5 trägt

Im vorliegenden Beispiel sei der Stößel hydrostatisch gelagert, wobei die Lager mit dem Bezugszeichen 6 angedeutet sind. An dem Stößel 3 befindet sich ein stark gedämpftes Tragteil 7 nach Art eines Lotes, in welchem ein Laserstrahlgeber 8 untergebracht ist. Der vom Laserstrahlgeber 8 ausgesandte, scharf gebündelte Laserstrahl 11 von z.B. 1 mm Durchmesser, trifft nun seinerseits auf einen Konvexspiegel 12, der in einem staubdichten Detektorgfhäuse 10 untergebracht ist.

Zum weiteren Verständnis des Ausführungsbeispiels wird an Hand der F i g. 2 der Detektor und die weitere elektrische Funktion beschrieben:

Der Laserstrahl 11 trifft auf den zweckmäßigerweise die Form eines Kreiszylinders aufweisenden Konvexspiegel 12 auf, wobei dafür Sorge getragen wird, daß der Einfallwinkel in Bezug auf die Oberfläche des Konvexspiegels etwa 45° beträgt, so daß der Laserstrahl 11a praktisch in einem Winkt.l von 90° zur Einfallrichtung auf eine Abbildungsebene 13 projiziert wird. Da der K.envexspiegel 12 nur in einer Richtung gekrümmt ist und seine Achse quer zur Laserstrahlachse verläuft, erscheint auf der Abbildungsebene 13 ein langgezogener Strich, der bei genauer Betrachtung eine sehr flache Ellipse darstellt, welche durch die Reflektion des einfallenden, kreisförmigen Laserstrahles entsteht In der Abbildungsebene 13 befinden sich eine große Anzahl von Fotozellen oder Fototransistoren 14, die im vorliegenden Beispiel mit Wechselstrom beschickt werden, so daß an dem mit 15 gekennzeichneten

ίο Querwiderstand der zu einer Meßbrücke vereinten Elemente immer dann eine Wechselspannung entsteht, wenn der divergierte und projizierte Laserstrahl 11a von einem gedachten Mittelpunkt aus nach oben oder unten eine unterschiedliche Anzahl von Fototransistoren 14 belichtet Zwei Brückenzweige der genannten Brückenschaltung werden durch Induktivitäten 16 dargestellt, die ihrerseits über die Primärwicklung 17 aus einem Niederfrequenzgenerator 18 gespeist werden.

Bei korrekter Lage des projizierten Laserstrahls 11a entsteht am Querwiderstand 15 der Brücke keine Spannung, da gleichviele Fototrar.. stören 14 nach dem oberen und unteren Ende des projizieren Strahles Ha hin ausgeleuchtet werden.

Tritt allerdings durch den Druck des Fräsers 5 eine Verschiebung des Stößels 3 und somit des Winkelfräskopfei 4 mit dem Konvexspiegel 12 auf, d. h. erfolgt — bezogen auf eine ideale Senkrechte — eine Ablenkung, so bleibt die Richtung des Laserstrahles 11 zwar gleich, es erfolgt jedoch ein gewisser Versatz des Laserstrahlauftreffpunktes auf den Konvexspiegel 12, so daß der projizierte Strahl 11a auf der Abbildungsebene 13 nach unten oder oben wandert und somit in der Meßrichtung, also in der Senkrechten, eine verschieden große Anzahl von Fototransistoren 14 — gerechnet von dem gedachten Mittelpunkt aus — bedeckt Dieses führt zu einer Verstimmung der Meßbrücke, so daß an dem Querwiderstand 15 eine Wechselspannung entsteht, die eine endliche Größe aufweist Unter der Voraussetzung,

4" daß die gewonnene kleine Spannung in einem Selektivverstärker 19a verstärkt wird und anschließend mit Hilfe einer sogenannten gesteuerten Gleichrichtung IiJ gleichgerichtet wird, erhält man am Ausgang der gesteuerten Gleichrichtung ein positives oder negatives Signal unter der Voraussetzung, daß als Steuerspannung eine Wechselspannung verwendet wird, die dem Wechselstromgenerator 18 entnommen wird und stets eine starre Phasenlage aufweist Aus der gesteuerten Gleichrichtung 19 gelangt die nunmehr richtungsorientierte Gleichspannung in einen Impedanzwandler 20, von welchem die Regelspannung zur Nachführung des betreffenden Maschinenteils — hier des Stößels 3 — abgenommen wird.

Die erfindungsgemaße Vorrichtung kann auch zum Ausgleich der Führungen von Schlitten mit pneumatischen Lagern oder hydrostatischen Lagern verwendet werden. Das gleiche gilt für Schlitten, welche elektromechanisch angetrieben werden und eine normale, jedoch regelbare mechanische Lagerung besitzen. Darüber

fco hinaus kann die prfmdungsgerciäße Vorrichtung auch für Schlitten vorgesehen sein, welche eine magnetische Kissenhaltening besitzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Nachführen bewegter, unter Bearbeitungskräften und/oder Eigengewicht von einer vorgegebenen Soll-Lage abweichender Werkzeugmaschinenteile in die Soll-Lage mit einem an einem der Abweichung nicht unterworfenen Maschinenteil angeordneten, einen scharf gebündelten, auf das nachzuführende Maschinenteil gerichteten Laserstrahl aussendenden Laserstrahlgeber und mit einem am nachzuführenden Maschinenteil angeordneten Detektor, der bei Abweichung des nachzuführenden Maschinenteils von der Achse des Laserstrahls in positiver oder negativer Richtung elektrische Steuersignale gegensinniger Polarität abgibt, die unter Zwischenschaltung eines Verstärkers auf eine Nachlaufsteuerung zur Soll-Ist-Korrektur des nachzuführenden Maschinenteils einwirken, d a durch gekennzeichnet, daß an dem nachzuführenden Maschinenteil (4) im Bereich des Laserstrahls (il), ein in einer Richtung gekrümmter Konvexspiegel (12). dessen Achse quer zur Laserstrahlachse verläuft, so angeordnet ist, daß der Einfailswinkel des Laserstrahls (11) in bezug auf die Oberfläche des Konvexspiegels (12) etwa 45° beträgt und daß als Detektor im Bereich des vom Konvexspiegel reflektierten und durch diesen divergierten Laserstrahls (lta/in einer parallel zum ausgesandten Laserstrahl (11) verlaufenden Abbüdungsebene (13) mehrere, in einer Brückenschaltung (14, 15, 16) angeordnete Fotoelemente oder Fototransistoren (14) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d&ß der Konvexspiogel (12) eine Kreiszylinderform aufweist