Kopiermaschine Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kopiermaschine mit einem beweglichen Tastorgan zum Abtasten der räumlichen Form eines Modellkörpers und einem materialabhebenden Werkzeug, vorzug weise einem motorisch angetriebenen Fräswerkzeug, dessen Relativbewegungen zum Werkstück zwang läufig eine zur Modellkörperform geometrisch ähn liche Form des Werkstückes ergeben.
Gegenüber bekannten Ausführungen solcher Ko piermaschinen unterscheidet sich die erfindungsgemässe durch Mittel, um das Werkstück und den Modell körper so zu fixieren, dass sie um zueinander gleich gerichtete Drehachsen in zwangläufigem Gleichlauf drehen, und durch einen Pantographen, der nur Translationsbewegungen des Tastorganes relativ zum Modellkörper in einer zur Drehachse des Modell körpers parallelen Ebene zulässt und dabei ent sprechend parallele Relativbewegungen zwischen Werk zeug und Werkstück im eingestellten Grössenverhältnis erzwingt.
Die Abtastung der Modellkörper erfolgt zum Beispiel mit Vorteil in einem zylindrischen Koordina tensystem, das durch den Drehwinkel p jedes Tast- punktes relativ zu einer Ausgangsdrehlage in bezug auf die Drehachse, durch den Radialabstand r des Tast- punktes von der Drehachse und durch den axialen Längenabstand z des Tastpunktes von einer quer zur Drehachse orientierten Bezugsebene definiert ist.
Dabei sind die Drehwinkel 99 im Arbeitspunkt des Werk- zeuges am Werkzeug voraussetzungsgemäss stets gleich wie die jeweiligen Drehwinkel des Kontaktpunktes des Abtastkopfes am Modellkörper, während die beiden Längen-Koordinaten je nach dem am Pantographen eingestellten Übertragungsverhältnis massstabstrans formiert werden. Eine derartige Ausbildung einer Kopiermaschine ist zum Kopieren von kompliziert geformten Modellkörpern, zum Beispiel von Turbinen schaufeln, in wählbarem Massstab sehr vorteilhaft.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Kopiermaschine in weit gehend schematisierter Form dargestellt.
Fig.2a und 2b veranschaulichen anhand eines schaubildlich dargestellten Werkstückes zwei mit der in Fig. 1 dargestellten Maschine durchführbare Bearbei tungsverfahren.
Die in Fig. 1 dargestellte Kopiermaschine umfasst einen Aufspanntisch 1, dessen Höhenlage in bezug auf eine feststehende Maschinenständerkonstruktion un veränderlich ist und der auch in der senkrecht zur Zeichenebene orientierten Richtung unbeweglich ist. Hingegen ist er in der Längsrichtung Z der Maschine, d. h. in der Zeichnung nach links und rechts, ver schiebbar. Die dargestellte Horizontalspindel 2, die in maschinenfesten Lagern 31, 32 drehbar und axial unverschiebbar gelagert ist und deren Aussengewinde mit dem Innengewinde der Tischführungsbohrungen in Eingriff steht, ermöglicht die Tischverschiebung in Z-Richtung, indem dazu die Spindel 2 am Handrad 20 verdreht werden kann. Dieses Handrad 20 kann beispielsweise auch durch einen steuerbaren Elektro motor oder ein elektromagnetisches Schrittschaltwerk ersetzt werden.
Ebenfalls ist es möglich, für die Z- Verschiebung des Tisches an Stelle eines Spindel antriebes auch eine hydraulische oder pneumatische Verstellvorrichtung mit Zylinder und Kolben vorzu sehen. Auf dem Tisch sind Support-Ständer 10, 11, 12 und 13 montiert, die sich also stets mit dem Tisch 1 zusammen bewegen.
Durch Lager 110, 120 und 130, die in den Ständern 11, 12, 13 in derselben Höhe h über der Tischfläche aufeinander ausgerichtet einge setzt sind, wird eine durchgehende, parallel zur Tisch verschiebungsrichtung Z orientierte horizontale Dreh achse A-A definiert, um welche ein Modellkörper thl und ein Werkstück W, mit Hilfe bekannter Aufspan nungsorgane fixiert, in zwangläufigem Gleichlauf drehbar sind. Zum Drehen der beiden Teile M und W dient hier ein Elektromotor 14, der direkt die gemein same Welle in der Achse A-A antreibt.
Dieser Motor könnte beispielsweise auch durch ein Handrad ersetzt werden, und es ist auch nicht unbe dingt notwendig, dass die Drehachsen des Modell körpers M und des Werkstückes W aufeinander aus gerichtet sind. Sie könnten auch seitlich und/oder in der Höhe gegeneinander versetzt und dann mittels eines 1:1-Getriebes zu zwangläufigem Gleichlauf gekuppelt sein.
Der Modellkörper M kann eine beliebige Voll körperform aufweisen, beispielsweise als Schaufel modellkörper M' bzw. M" nach den Fig. 2a bzw. 2b ausgebildet sein.
Über dem Tisch 1 ist an einem maschinenständer festen Trägerteil 30 ein vertikalachsiger Hydraulik zylinder 21 montiert. In diesem Zylinder 21 ist eine Kolbenstange 22 mit dem Arbeitskolben 23 in der zur Tischebene senkrecht orientierten, die Drehachse A-A des Werkstückes schneidenden Zustellrichtung R verschiebbar geführt. Die Kolbenstange 22 trägt einen Fräsapparat 4 mit eingebautem Antriebsmotor für ein auswechselbares Fräswerkzeug 40, beispielsweise einen Fingerfräser oder auch einen Scheibenfräser, der dazu bestimmt ist, materialabhebend auf das Werkstück einzuwirken, um ihm die gewünschte Form zu erteilen.
Über dem Modellkörper M ist an einem später erläuterten Parallelführungsgestänge ein Abtastkopf 5 in einer unveränderlichen senkrechten (parallel zu R) und die Modelldrehachse A-A stets schneidenden Geraden so montiert, dass er in der durch die einge zeichneten Verschiebungsrichtungen Z und R be stimmten Zeichnungsebene relativ zum Modellkörper beweglich ist. Der Tastkopf 5 ist mit einem im Tast- kopfgehäuse axial gegen Vorspannungsfederkräfte ver schiebbar geführten Tastfühler 50 versehen, dessen am Modell anliegender Kopf geometrisch ähnlich ge formt ist wie das Fräswerkzeug 40 und deshalb eben falls auswechselbar sein muss.
Nach der Zeichnung ist vorausgesetzt, dass der Abtastkopf 5 in bekannter Weise als automatischer Fehlerwertgeber ausgebildet ist, der eine physikalisch veränderliche Steuergrösse, zum Beispiel eine elektrische Steuerspannung u auf der Ausgangsleitung 51 erzeugt, die den Wert 0 hat, wenn sich der Tastfühler 50 in einer vorbestimmten Sollage gegenüber dem Tastkopf befindet, und je nach Grösse und Richtung der Tastfühlerverschiebung aus dieser Sollage nach Grösse und Vorzeichen entsprechend verändert wird. Diese nach Vorzeichen und Grösse veränderliche Steuergrösse u wird nun dazu benützt, die Auf- und Ab-Bewegungen des Fräsapparates 4 in der R-Richtung servomotorisch zu steuern.
Zu diesem Zweck wird die Fehler-Spannung u in einem Verstärker V leistungsverstärkt und dann einem elektromecha nisch betätigten Hydraulik-Steuerventil SV zugeführt, welches über eine Druckleitung ld mit der Druckseite einer Hydraulikpumpe P und über eine Rücklauf- Leitung l0 mit dem Sammler S für das hydraulische Arbeitsmedium verbunden ist. Je nach Richtung und Grösse der von ihm verarbeiteten Fehlerspannung ver bindet es mehr oder weniger drosselungsfrei entweder die Leitung l1 zum Zylinder 21 mit der Druckleitung ld und die Leitung l2 mit der Rücklaufleitung l0 oder umgekehrt; dabei wird im einen Fall der Kolben 23 mit dem Fräsapparat 4 nach unten und im andern Fall nach oben verstellt.
Wenn die Steuerspannung u den Wert 0 hat, d. h. wenn der Tastfühler 50 in seiner Sollage zum Tastkopf 5 mit vorbestimmtem Tastdruck an der Oberfläche des Modellkörpers M anliegt, bleibt der Fräser 40 in unverändertem Radialabstand von der Achse<B>A -A</B> stehen.
Statt dem dargestellten hydraulischen Servoverstell- system für den Fräsapparat könnte auch ein elektro motorisches Servoverstellsystem mit stufenlos vor- und rückwärts steuerbarem Motor und Spindeltrieb vorgesehen werden. Ebenso wäre es auch möglich, den Tastkopf 5 direkt als hydraulisches Steuerventil aus zubilden.
Damit nun die Kopierung des Modellkörpers am Werkstück in einem genau vorbestimmten Grössen verhältnis, z. B. 2:1, erfolgt, sind der Tastkopf 5, der Fräsapparat 4 und ein weiterer Maschinenteil, nämlich der Support 10 auf dem Tisch, durch einen Panto graphen mit den Hauptarmen 61, 62 und den Parallel führungsstücken 63, 64 gelenkig verbunden, wobei diese Arme untereinander durch Gelenke mit senkrecht zur Zeichenebene orientierten Achsen verbunden sind. So ist der Arm 61 am Tastkopf und der Arm 62 am tischfesten Supportständer 10 angelenkt, während das Verbindungsgelenk der Parallelführungsstücke 63, 64 am Fräsapparat 4 angelenkt ist.
Die Verbindungs gelenke 602 bzw. 601 der Teile 62, 64 bzw. der Teile 61, 63 sind je längs beider Gelenkarme verschiebbar und einstellbar, um das wirksame Übertragungsverhältnis des Pantographen auf wählbare Werte einstellen zu können.
Parallel zu den Hauptarmen 61 und 62 des Panto graphen und unter Benützung von Hilfslenkern 65, 66 sind Parallelführungsarme 61' bzw. 62' für den Abtast kopf 5 so angeordnet, dass dieser, wie weiter vorn vor ausgesetzt worden ist, bezüglich seiner Achsrichtung stets senkrecht zur Tischebene orientiert bleibt.
Unter Beiziehung von Fig.2a wird nun die An wendungs- und Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestell ten Maschine erläutert.
In der mit ausgezogenen Linien dargestellten Lage der Organe liegt der Tastfühler 50 mit seinem Kopf an der Oberfläche des Modellkörpers M an und der Fräser 40 liegt mit seinem Kopf der Werkstückober- fiäche an. Der Motor 14 dreht das Werkstück W und den Modellkörper in zwangläufigem Gleichlauf mit relativ kleiner Drehgeschwindigkeit um die Drehachse A-A, d. h. die Drehwinkel 9p der beiden Teile in bezug auf eine Ausgangslage verändern sich gleichmässig und stetig.
Entsprechend der nicht zylindrischen Form des Modellkörpers ändert sich dabei in Funktion des Drehwinkels p stetig die Radialkomponente r = f1 (p) des jeweils abgetasteten Modellkörper-Oberflächen punktes. Wenn also die Radial-Koordinate r zunimmt, wird der Tastfühler 50 in den Tastkopf 5 hineinge drückt, wodurch eine Steuerspannung u erzeugt wird, die eine derartige Betätigung des Steuerventils SV aus löst, dass der Fräsapparat sich in der R-Richtung von der Drehachse A-A entfernt. Umgekehrt bewegt sich bei abnehmendem Radius des Modellkörpers M der Tastfühler 50 aus dem Abtastkopf 5 über seine Sollage gegen die Achse A-A, bis er wieder an der Modell körperoberfläche anliegt.
Dadurch wird eine Steuer spannung u von umgekehrtem Vorzeichen erzeugt und über das Steuerventil eine entsprechende Vertikal verschiebung des Fräsapparates servomotorisch aus gelöst.
Dabei sind infolge der Anordnung des einen Panto graphen-Führungspunktes P1 an einem höhenfesten Teil, nämlich dem Tisch 1, des zweiten Führungs punktes P2 am Fräsapparat 4, des dritten Führungs punktes P3 am Tastkopf 5 und des am Pantographen eingestellten Übertragungsverhältnisses 2:1 die vertikal, d. h. radial orientierten Bewegungskomponenten des Tastkopfes stets genau doppelt so gross wie diejenigen des Fräsapparates.
Die bei einer Umdrehung der Teile<I>M</I> und<I>W</I> um die Achse A-A am Werkstück erzeugte Umrissform in einer bestimmten Querschnittsebene istalso geometrisch ähnlich und um das Verhältnis 1:2 massstabverklei nert wie die Umrissform des Modellkörpers in der entsprechenden Querschnittsebene.
Wenn man nun nach einer Umdrehung der Teile W und M um die Achse A-A durch Drehung am Handrad 20 den Tisch 1 um einen kleinen Wert A z gegenüber den maschinenfesten Teilen nach rechts verschiebt, wird das Werkstück relativ zum Fräser 40 und relativ zur vorherigen Lage des Tastfühlers 50 auch um diesen Wert A z nach rechts verschoben. Gleichzeitig erzwingt der die Rechtsverschiebung des Pantographenführungs punktes P1 um diesen Wert auch eine Linksverschie bung des Pantographenführungspunktes P3 um diesen Wert A z, weil der mittlere Pantographenführungs punkt P2 keine Seitwärtsverschiebungen erfahren kann.
Damit erfährt aber der Modellkörper M relativ zum Tastfühler eine Axialverschiebung in Z-Richtung um den Wert 2<B><I>Az,</I></B> so dass also bewiesen ist, dass beide Längendimensionen z und r im zylindrischen Koordi natensystem (p, <I>Z, R</I> im Verhältnis 2:1 kopiert werden bzw. in einem andern, je nach Einstellung des Über tragungsverhältnisses am Pantographen.
Sofern der Motor 14 durch ein Handrad oder ein Schrittschaltwerk und das Handrad 20 durch einen vor- und rückwärts steuerbaren Motor ersetzt würde, so dass also die Schlittenbewegung in Z-Richtung kontinuierlich erfolgen würde, während die Körper W und<I>M</I> jeweils schrittweise um einen Betrag<I>A</I> 99 gedreht würden, ergäbe sich eine Bearbeitungsweise nach Fig. 2b, d. h. die Radiuswerte würden als r = f2 (z) mit A p als Parameterwert aufgezeichnet. Der Fräsapparat mitsamt seiner Vertikalführungs vorrichtung und der Werkstückaufspannstelle könnte mit dem Tastkopf und der Modellkörperaufspannstelle gegeneinander konstruktiv vertauscht werden, wodurch die Modellkopierung vergrössert statt verkleinert erfolgen würde.
Anderseits liesse sich der Fräsapparat mit dem ihm zugeordneten Teiler auch am Pantographenführungs punkt P, anordnen und dafür der Pantographen führungspunkt P2 am Schlitten fixieren. Es erfolgt dann eine Kopierung etwa im Verhältnis 1:1, wobei aber zu beachten wäre, dass dann die Abtastkopfbewegungen spiegelbildlich zu denjenigen des Fräsapparates er folgen würden, d. h. der Modellkörper mit Links- Rechtsvertauschung über dem Abtastfühler einzu spannen wäre. Die Zustell-Bewegungsrichtung des Fräsapparates und des Tastkopfes muss nicht unbe dingt senkrecht zur Drehachse A-A von Werkstück und Modellkörper sein und diese schneiden; sie könnte auch windschief zur Drehachse orientiert sein.