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Die
Erfindung betrifft eine lineare Schlittenführung einer
Werkzeugmaschine zum hydrostatisch gelagert längsbeweglichen
Aufnehmen wenigstens eines Schlittens, welche als an den Längsenden
verankerte Säule, vorzugsweise massive zylindrische Säule,
ausgebildet ist. Der Schlitten kann beispielsweise ein Spannmittel
zum Aufnehmen eines Werkzeugs (Werkzeugschlitten), eines Werkstücks
(Werkstückschlitten) oder einer Pinole (Reitstock) besitzen. Er
wird deshalb auch als Spannmittelschlitten bezeichnet. Im vorliegenden
Zusammenhang ist unter dem Begriff „Werkzeugmaschinen"
vor allem an Drehmaschinen aber auch an Bohrwerke, Fräsmaschinen,
Rundschleifmaschinen und dergleichen Maschinen gedacht, die einen
auf einer Führung längsbeweglichen Schlitten besitzen.
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Lineare
Schlittenführungen – auch Linearführung
oder Längsführung – vorgenannter Art,
die horizontal, vertikal oder gegenüber der Horizontalen geneigt
angeordnet werden können, haben wegen der hydrostatischen
Lagerung der geführten Schlitten den Vorteil eines verschwindend
geringen Verschleißes aber den Nachteil einer je nach dem
Angriffspunkt der jeweiligen Belastung unterschiedlichen Biegung
der als Führung dienenden Säule. Um diesem Problem
zu begegnen, wird in
DE
30 02 153 A1 vorgeschlagen, die Längsführung
an den Längsenden in Haltemitteln aufzunehmen, die im Bereich
unterhalb der Führung rückkragend mit erheblichem Abstand
von den Längsenden verankert sind. Hierdurch wird erreicht,
dass die Linearführung in einem mittleren Bereich ihrer
Länge für den Betrieb einer Präzisionsmaschine
ausreichend steif ist, weil in diesem Bereich durch die rückkragenden
Tragarme ein Drehmoment auf die Führung ausgeübt
wird, das dem durch den Schlitten verursachten Biegemoment entgegengesetzt
ist. An den steifen Mittelbereich der Führung schließen
sich beiderseits Randbereiche an, in denen die genannten Biege-
und Drehmomente in gleicher Richtung wirken. Die Steifheit der Randbereiche
wird daher durch die rückkragenden Tragarme vermindert.
Die Randbereiche, deren Gesamtlänge mit ein Drittel bis
zwei Drittel der Führungslänge angegeben wird,
können daher bei Präzisionsbetrieb der Maschine
nicht genutzt werden.
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Bei
herkömmlichen Drehmaschinen mit auf einer Längs-
oder Linearführung in axialer Richtung verfahrbarem Schlitten,
insbesondere Werkzeugschlitten, in denen Drehgenauigkeiten in der
Größenordnung weniger Mikrometer erstrebt werden
und bei denen der Schlitten zur Verminderung der Reibung auf der
Führung hydrostatisch gelagert wird, lassen sich bisher
Schlittenhübe (Bewegungen in Richtung der Achse der Linearführung)
von maximal etwa 1.500 mm erreichen. Größere Arbeitshübe
konnten nur mit Kompromissen betreffend die Arbeitsgenauigkeit erkauft
werden.
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Die
in Drehmaschinen verwendeten Führungen vorgenannter Art
werden im allgemeinen massiv, z. B. als Vollzylinder, mit einem
Säulendurchmesser von größenordnungsmäßig
300 mm ausgeführt. Grundsätzlich kommen aber auch
hohle Führungen in Frage, z. B. als Hohlzylinder. Letztere
sollen eine ungewöhnlich große Wandstärke,
z. B. 60 mm bei 300 mm Rohrdurchmesser, besitzen, damit die Wandung
dem hohen hydrostatischen Druck ohne störende Rückwirkung
standhält.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die lineare Schlittenführung
so zu versteifen, dass sie einen hydrostatisch gelagerten Schlitten
unabhängig der von diesem auf die Führung jeweils
ausgeübten Kraft auf ihrer ganzen Länge – auch
bei gegenüber der derzeitigen Praxis erheblich verlängerter
Führung und entsprechend vergrößertem
Schlittenhub – ausreichend genau längs einer Geraden
führen kann. Das vom Schlitten ausgeübte Biegemoment soll
also auf dem ganzen Arbeitshub in einem für die Drehgenauigkeit
ausreichendem Maße durch eine zusätzlich auf die
Linearführung ausgeübte Kraft kompensiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird für
die eingangs beschriebene Längs- bzw. Linearführung angegeben
in Anspruch 1. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen
der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Für
die eingangs definierte lineare Schlittenführung zum hydrostatisch
gelagert längsbeweglichen Aufnehmen wenigstens eines Schlittens,
welche als an den Längsenden verankerte Säule
ausgebildet ist, besteht die Erfindung darin, dass außermittig
bzw. exzentrisch, vorzugsweise innerhalb der Säule, wenigstens
ein die Säule in ihrer Längsrichtung – annähernd
in Richtung parallel zur Säulenlängsachse – spannendes
und dadurch komprimierendes Zugglied vorgesehen ist. Die (in Zugrichtung verlaufende)
Mittellinie des Zugglieds soll also außermittig in Bezug
auf die Säule liegen. Mit anderen Worten: Die Mittellinie
des Zugglieds soll im Sinne einer Kompensation der durch das Gewicht
des jeweiligen Schlittens oder durch andere vom Schlitten übertragene
Kräfte hervorgerufenen Biegung der Säule versetzt
gegenüber deren Längsachse oder Mittellinie angeordnet
werden.
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Erfindungsgemäß soll
eine vom Schlitten her auf die Säule wirkende Schlitten-Biegekraft
durch eine vom Zugglied ausgeübte Gegenbiegekraft kompensiert
werden. Die Schlitten-Biegekraft und die Gegenbiegekraft sollen
also einander entgegengesetzt wirken. Demgemäss soll eine
durch den Schlitten (oder auf dem Wege über dem Schlitten)
verursachte Säulenbiegung mit Hilfe des Zugglieds „geradegezogen"
werden, in dem der unter die Wirkung des Zugglieds stehende Teil
der Säule komprimiert wird. Um das zu erreichen soll die
Zugkraft des Zugglieds exzentrisch zur Säulen-Mittellinie
auf denjenigen Längsbereich der Säule ausgeübt
werden, der derjenigen Längsseite der Säule (bezüglich
der Säulenmittellinie) gegenüber liegt, von der
her die zu kompensierende Schlitten-Biegekraft, z. B. dessen Gewichtskraft,
wirkt.
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Das
Zugglied wird bevorzugt an den beiden Längsenden der Säule
verankert, so dass es dort exzentrisch angreift und auf ein Längssegment
der Säule selbst – etwa wie eine gespannte Sehne
auf einem Bogen – ein Kraftmoment ausübt. Die
Mittellinie des Zugglieds beschreibt die Linie längs derer
das Zugglied in seiner Längsrichtung unter Zugspannung gesetzt
werden soll. Es wird dabei von einem „die Säule
spannenden Zugglied" gesprochen.
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Bevorzugt
soll das Zugglied im Rahmen der Erfindung als gesondertes Bauelement,
insbesondere als (sich in Längsrichtung der Säule – parallel
zu deren Mittellinie – erstreckende) Stange, vorzugsweise
aus Stahl, ausgebildet werden. Diese Stange soll an den Längsenden
der Säule fixiert und so unter mechanische Längsspannung
gesetzt werden, dass dadurch ein der zu kompensierenden Biegung
entgegen gesetztes Moment auf die Säule ausgeübt
wird. In einem Ausführungsbeispiel wird die Stange innerhalb
der Säule positioniert und mit Hilfe von Stellschrauben
in am Säulenende verankerten Lagern längsgespannt.
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Die
Säule bzw. Führung kann im Rahmen der Erfindung
rund oder kantig, z. B. als Zylinder oder Prisma, ausgebildet werden.
Bevorzugt wird die Ausbildung der Säule als Vollzylinder,
beispielsweise bei einer Drehmaschine mit größenordnungsmäßig
300 mm Durchmesser. Für ein als gesonderte Stange ausgebildetes
Zugglied kann die massive Säule eine achsparallele Bohrung
besitzen. Die Stange wird gegebenenfalls längsbeweglich
in die Bohrung gesteckt und an den Längsenden der Säule
verankert. Um den Aufwand zum Herstellen der Bohrung gering zu halten,
soll diese so eng sein, dass sie das Einstecken der Stange gerade
noch zulässt. Außerdem soll die Bohrung so gesetzt
werden, dass sie die Stabilität der Säule – vor
allem auch betreffend der Druckkraft der Hydrostatik – merklich
nicht beeinträchtigt.
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Da
auf die Säule außer einer durch das Schlittengewicht
begründeten, vertikal gerichteten Biegekraft auch bzw.
zugleich durch die Zerspanarbeit hervorgerufene Biegemomente in
anderen Richtungen ausgeübt werden können, wird
gemäß weiterer Erfindung vorgesehen, der Säule
mindestens zwei Zugglieder, vorzugsweise bezüglich der
Säulenachse um 90° gegeneinander versetzt, zuzuordnen. Das
Zugglied, das die durch das Schlittengewicht verursachte Biegung
kompensieren soll, wird bevorzugt räumlich unterhalb der
Mittellinie der Säule positioniert. Wenn nur ein einziges
weiteres Zugglied vorgesehen ist, wird dieses, ähnlich
wie ersteres, bevorzugt innerhalb der Säule – gegebenenfalls
in einer anderen Bohrung zwischen Säulenmittellinie und – mantelfläche – einem
Säulenbereich zugeordnet, welcher andernfalls durch die
Wirkung des auf dem Wege über den Schlitten übertragenen
Zerspankräfte gedehnt würde.
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Durch
die Erfindung wird erreicht, dass die Linearführung gezielt
in ihrer Längsrichtung zu komprimieren ist, wobei eine
vorgesehene Kompression in den meisten Fällen ausreicht,
vom Schlitten verursachte Biegungen der Führung zu kompensieren. Das
macht die beschriebene Maschine nicht nur genauer als früher,
sondern ermöglicht auch, die Linearführung zu
verlängern und deren Arbeitshub deutlich, z. B. von 1,5
m auf 2 bis 3 m Länge, zu vergrößern.
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Durch
Einstellung einer festen auf das jeweilige Zugglied wirkenden Spannkraft
lässt sich aber nur eine ebenfalls konstante Kompensation
auf die Säule ausüben. Das dadurch bewirkte Moment
verformt die Säule in einer Weise, die das jeweilige vom Schlitten
ausgeübte Biegemoment ausgleichen soll. Die sich gegenseitig
kompensierenden Biegelinien sind aber spiegelbildlich nicht vollkommen
gleich. Außerdem allem kann sich die vom Schlitten verursachte
Biegelinie mit der Schlittenbewegung ändern.
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Der
Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zu Grunde, die vom Schlitten – durch
dessen Gewicht und/oder durch die Zerspankräfte – auf
die Führung ausgeübten Biegemomente auf der ganzen Länge
der Führung und für alle üblichen Zerspankräfte,
auch bei Linearführungen von deutlich mehr als 1.500 mm
Länge, in überall längs der Führung
praktisch gleichem Maße zu kompensieren. Die weitere Aufgabe
wird vorzugsweise dadurch gelöst, dass die längs
des Schlittenwegs auf die Säule ausgeübten Kräfte
gemessen und gespeichert werden und dass die auf das jeweilige Zugglied
ausgeübte Längszugkraft den gespeicherten Messwerten
entsprechend bei Schlittenbewegung längs der Führung
automatisch angepasst wird, derart, dass die momentane Resultierende der
zu kompensierenden Biegelinien für jede Schlittenposition
auf einer praktisch durchweg geraden Null-Linie liegt.
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Das
auf die beschriebene Weise ermittelte Weg/Kraft-Diagramm berücksichtigt
vor allem ein durch Bewegen des Schlittens längs der Führung örtlich
wechselnd wirkendes Biegemoment, dessen Kompensation bei höchsten
Genauigkeitsanforderungen wünschenswert sein kann. Die
höchste Genauigkeit wird aber im allgemeinen nur bei Arbeitsgängen
mit sehr geringer Spankraft, z. B. beim Schlichten, gefordert, so
dass durch die Spanarbeit selbst kein merkliches Biegemoment auf
die Führung ausgeübt wird. – Soll auch
bei höchster Arbeitsgenauigkeit schwer zerspant werden,
kann es im Rahmen der weiteren Erfindung vorteilhaft sein, die durch
die Zerspanarbeit bewirkten Biegemomente permanent zu messen und
in die Wegsteuerung der Spannung des Zugglieds eingehen zu lassen.
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Für
die Wegsteuerung zum Nachstellen der auf das jeweilige Zugglied
ausgeübten Spannkraft kann eine Steuereinheit, z. B. elektrisch
oder hydraulisch, insbesondere ein Proportionalventil, vorgesehen
werden, welche den in der jeweiligen Position vom Schlitten auf
die Säule ausgeübten Kräften entsprechend – im
Sinne einer Kompensation dieser Kräfte – wirkt.
Hierdurch wird erreicht, dass auch auf Führungen von zwei
und mehr Meter Länge ein hydraulisch gelagerter Schlitten
auf einer räumlich geraden Linie zu verfahren ist.
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Anhand
der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels
werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Linearführung einer Drehmaschine mit auf einer Säule
hydrostatisch gelagertem Werkzeugschlitten;
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2 die
Linearführung nach 1 im Schnitt
mit einem innerhalb der Säule positionierten Zugglied;
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3 die
Biegelinien der Säule nach 1 und 2,
die sich einzeln als Folge der ausgeübten Biege- und Drehmomente
einstellen würden, sowie die daraus resultierende Biegelinie;
und
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4 eine
Säule nach 1 oder 2 im Schnitt
quer zur Säulenachse mit in zwei um 90° versetzt
gegeneinander innerhalb einer massiven Säule mit Abstand
von der Säulenachse positionierten Bohrungen angeordneten
Zuggliedern.
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Die
Säule 1 der linearen Schlittenführung – kurz
Linearführung – nach 1 und 2 wird
am (nicht gezeichneten) Maschinengestell gelagert. Die Säule 1 nach 1 wird – bei
Drehmaschinen häufig – schräg in Bezug
auf die Horizontale gelagert. Es gibt jedoch auch viele Drehmaschinentypen
mit horizontal gelagerter Führung. Die Säule 1 soll
bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt besitzen und
als Vollzylinder ausgebildet werden. Wenn die Säule 1 bei
einer Werkzeugmaschine, z. B. Drehmaschine, kein Drehlager bildet,
kann sie im Prinzip auch einen beliebig von der Kreisform abweichenden
Querschnitt, z. B. ausgebildet als Prisma mit kantigem, etwa quadratischem
Querschnitt, besitzen.
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Auf
der Säule 1 wird nach 1 als Beispiel ein
einziger Werkzeugschlitten 4 gelagert. Der Schlitten 4 kann
mit einem insgesamt mit 5 bezeichneten Werkzeugrevolver
ausgestattet und in der durch einen Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung 6 parallel
zur Säulenachse 7 – verfahrbar auf der
Säule 1 – gelagert werden. Das hydrostatische
Lager 8 des Schlittens 4 wird in 1 symbolisch
angedeutet.
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Durch
das Gewicht des Schlittens 4 (einschließlich Werkzeugrevolver 5)
wird auf die Säule 1 ein Biegemoment ausgeübt,
welches in 3 als Biegelinie 9 abweichend
von der exakt Null-Linie 10 dargestellt wird. Um diese
Abweichung zu kompensieren wird im Ausführungsbeispiel
nach 2 innerhalb der Säule 1 zwischen
Säulenachse 7 und (in der Zeichnung) räumlich
unteren Säulenkante 11 ein Zugglied 12 vorgesehen,
das mit Hilfe einer Spannschraube 13, die die Zugkraft
symbolisiert, so in seiner Längsrichtung 14 zu
verkürzen ist, dass auf die Säule ein Drehmoment
ausgeübt wird, welches durch die in 3 symbolisierte
Biegelinie 15 der in 1 oder 2 oberen
Kante 16 der Säule 1 gekennzeichnet wird.
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In 3 wird
dargestellt, wie sich aus den Biegelinien 9 und 15 eine
Resultierende 17 ergibt. – Wenn der Schlitten 4 in 1 längs
der Säule 1 nach links unten bewegt wird, verändert
sich die Biegelinie 9 entsprechend, so dass der Schlitten
fast überall den für ihn vorgesehenen Positionen
auf der Säule 1 nahe der Null- Linie 10 bewegt
wird. Wenn die hierbei erreichte Genauigkeit im Einzelfall nicht
ausreichen sollte, wird gemäß weiterer Erfindung
vorgesehen, die vom Schlitten 4 bei dessen Vorschub längs
der Führung auf die Säule 1 ausgeübten
Kräfte mit Hilfe eines Kraftmessgeräts 18 für
einzelne Punkte des Schlittenweges zu messen, auf einen Rechner 19 als Kraft/Weg-Diagramm
zu speichern und mit dessen Hilfe ein Proportionalventil 20 oder
dergleichen Stellmittel zum automatischen Anpassen der auf das einzelne
Zugglied 12 ausgeübte Zugkraft, entsprechend dem
Weg/Kraft-Diagramm, zu steuern. Ersichtlich wird dabei als Folge
der wechselnden Kräfte die Resultierende 17 (3)
so „geglättet", dass der Schlitten 4 praktisch
genau längs der Null-Linie 10 auf de Führung 1 gleiten
kann.
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Von
dem Schlitten 4 nach 1 gehen
außer dem durch das Schlittengewicht begründeten Biegekräften
auch Kräfte in Richtung Säule 1 aus, welche
von der Zerspanarbeit herrühren. Um auch diese Kräfte
erfindungsgemäß zu kompensieren, wird nach 4 der
Säule 1 mit Abstand von deren Achse 7 mindestens
ein zweites Zugglied 22 zugeordnet, das vorzugsweise um
90° gegenüber dem ersten Zugglied 12 versetzt
ist. Das zweite Zugglied 22 kann vorzugsweise im Prinzip
ebenso wie das erste Zugglied 12 manipuliert und/oder dem
mit einem Kraftmessgerät 18 erfassten Weg/Kraft-Diagramm entsprechend
gesteuert werden.
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Wenn
sich die Zugglieder 12, 22 – wie bevorzugt – innerhalb
einer massiven Säule 1 parallel zu deren Achse 7 erstrecken
sollen, wird für jedes Zugglied 12, 22 eine – gegenüber
dem Säulendurchmesser enge – Längsbohrung 23 (parallel
zur Achse 7) im massiven Säulenkörper 24 vorgesehen.
Die lichte Weite jeder Bohrung 23 soll möglichst
gering aber größer als der Durchmesser der einzusteckenden Zugglieder
bzw. Zugstangen sein.
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- 1
- Führung,
Säule
- 2,
3
- Längsenden
von 1
- 4
- Schlitten
- 5
- Werkzeugrevolver
- 6
- Bewegungsrichtung
- 7
- Säulenachse
- 8
- hydrostatisches
Lager
- 9
- Biegemoment
- 10
- Null-Linie
- 11
- untere
Säulenkante
- 12
- Zugglied
- 13
- Spannschraube
- 14
- Längsrichtung
- 15
- Drehmoment
- 16
- obere
Säulenkante
- 17
- Resultierende
- 18
- Kraftmessgerät
- 19
- Rechner
- 20
- Proportionalventil
- 21
- momentane
Schlittenposition
- 22
- zweites
Zugglied
- 23
- Bohrung
- 24
- massiver
Säulenkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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