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Die vorliegende Erfindung betrifft
im Allgemeinen Schneidwerkzeuge zum Schneiden von Kegel- und Hypoidrädern mit
gekrümmten
Flanken. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Bestimmen und Ausgleichen von Stirnflächen-Indexfehlern von beispielsweise
Schneidplatten, die in Wälzfräser-Schneidköpfen montiert
sind.
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Bei der Herstellung von Kegel- und
Hypoidrädern
mit gekrümmten
Flankenlinien werden als Schneidwerkzeug vor allem Stirnfräser oder
Wälzfräser verwendet,
also Schneidwerkzeugarten, die im Bereich des Getriebebaus wohlbekannt
sind. Bei Stirnfräsern
sind die Schneidplatten im Schneidkopf so angeordnet, dass mit jedem
Abtauchen des Schneidwerkzeugs eine Zahnkerbe ausgebildet wird, und
der Fräser
dann zurückgezogen
und das Werkstück
zur nächsten
Zahnkerbenposition gedreht werden muss, um die nächste Zahnkerbe auszubilden.
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Ein Wälzfräser umfasst Schneidplatten,
die nicht ein einer Linie, aber in Gruppen, gewöhnlich in Paaren, die eine
innere Schneidplatte und eine äußere Schneidplatte
umfassen, um einen Fräser
angeordnet sind. Anders als bei den meisten Stirnfräsverfahren,
bei denen während
ihrer Ausbildung alle Schneidplatten durch die Zahnkerbe laufen,
umfasst ein Stirnfräser
aufeinanderfolgende Gruppen von Schneidplatten, die durch die jeweiligen
aufeinanderfolgenden Zahnkerben laufen, wobei jede Platte in der
Gruppe einen kompletten Schnitt entlang dem Längsabschnitt der Zahnkerbe
ausbildet. Der Fräsen und
das Werkstück
drehen sich in zeitlich zueinander abgestimmter Beziehung, wodurch
eine kontinuierliche Weitersetzung des Werkstücks und eine kontinuierliche
Ausbildung der einzelnen Zahnkerben des Getriebes ermöglicht wird.
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Schneidwerkzeuge für Stirnfräs- oder
Wälzfräsverfahren
bestehen üblicherweise
aus scheibenförmigen
Schneidköpfen
mit stabartigen Schneidplatten, die beispielsweise aus Werkzeugstabstahl
bestehen, welche in Schlitzen im Schneidkopf eingeführt und
angeordnet werden. Jede Schneidplatte umfasst eine vordere Spanfläche, eine
Schneidkante, eine in einem vorbestimmten Freiwinkel angeordnete
Seiten schneidfläche,
eine Freikante, eine Seitenfreikante und eine Oberseite. Beispiele
für Schneidköpfe mit
eingeführten
stabartigen Schneidplatten sind in den Patentveröffentlichungen US-A-4.575.285
von Blakesley und US-A-4.621.954 von Kitchen et al. aufgezeigt.
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Damit alle Platten der gleichen Art,
vor allem die inneren oder äußeren Platten,
dieselbe Spandicke erzeugen und somit dieselbe Beanspruchung und
Abnutzung haben, ist die radiale Lage der Schneidkante von größter Bedeutung.
Abweichungen des Plattenschafts und der Lage der Schneidkante relativ
zum Schaft sowie Abweichungen der "Abnutzung" der Schlitze im Schneidkopf
können sich
summieren.
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Ein Verfahren zum Messen und Abrichten von
sowohl Stirnfräsern
als auch Wälzfräsern, um
radiale Lagefehler von Schneidplatten zu korrigieren, ist in der
Patentveröffentlichung
WO-A-97/07930 von The Gleason Works (Stadtfeld), die nach dem Wissen
des Anmelders den nächsten
Stand der Technik darstellt, offenbart. Bei diesem Verfahren ist
die Schneidseiten-Freifläche
der Schneidplatte im Wesentlichen parallel zur versetzten Fortbewegungsrichtung
einer Sonde. Die Schneidseiten-Freifläche wird abgetastet, um die
radiale Position der Schneidseite zu bestimmen, und die Position
wird aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Position wird dann mit einer
vorbestimmten Position verglichen.
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Während
die radiale Position einer Schneidplatte sowohl bei Stirnfräs- als auch
bei Wälzfräsarbeiten
von Bedeutung ist, ist bei Wälzfräsverfahren jedoch
auch die Position der Stirnfläche
(Indexposition) einer Schneidplatte von Bedeutung. Um das zu verstehen,
muss die zeitlich abgestimmte Beziehung zwischen dem sich drehenden
Werkzeug und dem sich drehenden Werkstück in Betracht gezogen werden.
Wenn eine Schneidplatte sich in Bezug auf andere gleichartige Platten
im Schneidkopf nicht in einer angemessenen Position (Indexposition)
befindet, kommt die Schneidplatte entweder zu früh oder zu spät an ihrer
jeweiligen Zahnkerbe an. Die von der Zahnkerbe entfernten Späne sind
so entweder dicker oder dünner
als jene, die durch andere Schneidplatten in anderen Zahnkerben
erzeugt werden, wodurch das Schneidwerkzeug ungleichmäßig beansprucht wird
und sich ungleichmäßig abnutzt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Bestimmen und Ausgleichen
des Ausmaßes
von Indexfehlern, die bei Wälzfräsern auftreten.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Bestimmen und Ausgleichen von Stirnflächen-Indexfehlern
gleichartiger Schneidplatten, die in einem Wälzfräser-Schneidkopf montiert sind. Der Schneidkopf
ist um eine Schneidachse drehbar und die gleichartigen Schneidplatten
(z.B. inneren Schneidplatten oder äußeren Schneidplatten) weisen jeweils
eine Schneidkante auf und sind in einer Vielzahl von Plattengruppen
im Schneidkopf angeordnet.
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Das Verfahren der Erfindung umfasst
das Bestimmen der Winkelposition der Stirnfläche einer oder mehrerer der
gleichartigen Schneidplatten in Bezug auf die Schneidachse durch
Drehen der Schneidkante der gleichartigen Schneidplatten relativ
zu einem Winkelerfassungsmittel wie beispielsweise einer berührenden
Sonde oder berührungslosen
Sonde. Die gemessenen Stirnflächen-Winkelpositionen
werden mit jeweiligen theoretischen Stirnflächen-Winkelpositionen verglichen
und eine Winkeldifferenz Δφc wird berechnet.
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Dann wird ein Stirnflächen-Indexfehler
Fd einer Schneidplatte bestimmt, das Ausmaß dieses Fehler
wird mit akzeptablen Grenzwerten verglichen, und wenn diese Grenzwerte überschritten
werden, wird die Platte ersetzt oder der Fräser ausrangiert.
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Andererseits kann der berechnete
Stirnflächen-Indexfehler
Fd auch in einen Fehler normal zur Flanke
Nε umgewandelt
werden, und die Position der Schneidplatte kann axial in einem Ausmaß ΔH eingestellt
werden, um den Fehler normal zur Zahnflanke auszugleichen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
das Wälzfräsverfahren
zum Ausbilden von Kegelrädern.
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2 ist
eine graphische Darstellung eines Beispiels eines Winkelpositionsfehlers
(Indexfehlers) der Stirnfläche
einer Schneidplatte in einem Wälzfräsen-Schneidkopf.
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3 ist
eine vergrößerte Darstellung
des Indexfehlers von 2 in
Dreiecksform.
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4 zeigt
eine Anordnung von Näherungssensoren
zur Bestimmung der Winkelpositionen der Stirnflächen von Schneidplatten im
Verfahren der Erfindung.
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Geräts, auf dem das Verfahren der
Erfindung ausgeführt
werden kann.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Im Folgenden wird die vorliegende
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail
erklärt.
Gleichartige Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
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1 zeigt
ein herkömmliches
Verfahren zur Ausbildung von wälzgefrästen Kegelrädern. Das Werkstück-Zahnrad 12 und
der Fräser 14 drehen sich
in einer zeitlich abgestimmten Beziehung. Der Fräser 14 weist innere
Platten 16, welche die konvexen Profile 24 der
Zahnflanken bilden, und äußere Platten 18,
welche die konkaven Profile 22 der Zahnflanken bilden,
auf. Die Schneidplatten kommen mit dem Werkstück-Zahnrad an der Spitze 26 in
Kontakt und treten an der Rückenkante 28 aus.
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Wie oben erwähnt, ist die Position der Stirnfläche der
Schneidplatten in Wälzfräsverfahren
(des erzeugenden oder nicht erzeugenden Typs) von Bedeutung. Aufgrund
der Tatsache, dass der Schneidkopf und der Zahnradkörper während des
Fräsverfahrens
kinematisch miteinander verbunden sind und sich gleichzeitig in
einem vorbestimmten zeitlichen Verhältnis drehen, führt eine
unpassende Winkelposition der Stirnfläche (d.h. ein Indexfehler)
der Schneidflächen
zu unterschiedlichen Spandicken.
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2 ist
eine graphische Darstellung eines Beispiels eines Winkelpositionsfehlers
(Indexfehlers) der Stirnfläche
einer Schneidplatte in einem Wälzfräser-Schneidkopf.
Der Wälzkreis
ist in 2 mit 30 bezeichnet,
der Grundkreis mit 32, und der radiale Abstand mit S. Da diese Komponenten
von 2 in der Beschreibung
von Wälzfräsverfahren
allgemein bekannt sind, sind hierzu wohl keine weiteren Erklärungen für das Verständnis der
vorliegenden Erfindung notwendig.
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In 2 bezeichnet
der Punkt P1 die gewünschte (theoretische) Lage
der Stirnfläche
einer Schneidplatte für
eine Schneidezahnflanke 34. Die Schneidachse ist mit Ac bezeichnet, und der nominale Schneidradius
mit Rc. Wenn jedoch die Schneidplatte durch
ein Erfassungsmittel (4),
wie etwa eine Sonde, vorzugsweise eine Sonde des berührungslosen
Typs (z.B. Impulsaufnehmer), läuft,
entspricht die tatsächliche
Lage der Schneidkante, und somit der Stirnfläche, dem Punkt P2,
der auf der gleichweit entfernten Flankenlinie 36 dargestellt
ist.
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Folglich kann der Indexfehler der
Schneidplatte, der zwischen den Lagen P1 und
P2 existiert, durch den Plattenkreisabstand
Fd dargestellt werden, der analog zum Winkelmaß eines
Drehfehlers Δφc in Bezug auf die Schneidachse Ac verläuft.
Da der Stirnflächenfehler
Fd bei identischen Schneidradien Rc auftritt, erzeugen die normalen Radien
Rw und R'w (normal
zur Flankenlinie 34) eine mit der Flanke 34 nahezu
identische Leitlinie. Da die tatsächlichen Ausmaße jedes
Indexfehlers in Bezug auf den Schneidkopfradius gewöhnlich sehr
klein sind, beispielsweise etwa weniger als 100 μm betragen, können die
gekrümmten
Abschnitte (d.h. die Zahnflanke 34 und der Plattenkreis
Fd) als gerade Linien betrachtet werden, wodurch
die dreieckige Anordnung von 3 erhalten
wird und die folgenden Gleichungen gelten:
Δφc = ΔφMessung – (360°/Zahl der
Plattengruppen) [umgewandelt in Radianten]
worin Δφc = Drehfehlerwinkel und
ΔφMessung = Winkelmessung zwischen aufeinanderfolgenden
gleichartigen
Platten ist.
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Sobald der Drehfehlerwinkel berechnet
ist, kann der Stirnflächenfehler
Fd nach der folgenden Gleichung bestimmt
werden: Fd = Δφc × Rc worin Δφc in
Radianten angegeben ist und
Rc = nominaler
Schneidradius.
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Der Stirnflächenfehler Fd kann
mit einer vorbestimmten Toleranzgrenze verglichen werden, und wenn
der vorbestimmte Toleranzwert überschritten wird,
kann die Schneidplatte ersetzt oder das Schneidwerkzeug ausrangiert
werden.
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Andererseits kann auch ein (normaler)
Radialfehler Nε vom
Stirnflächenfehler
abgeleitet werden, indem der Fehler normal zur Flanke 34 berechnet wird.
Dieser normale Fehler Nε wird durch den Abschnitt
des normalen Schneidradius R'w gebildet,
der sich zwischen den in 2 dargestellten
Punkten P2 und P3 erstreckt.
Der normale Fehler wird wie folgt bestimmt: Nε =
Fd sinδ worin
Nε =
Fehler normal zur Flanke,
Fd = Stirnflächenfehler
und
δ =
theoretischer Platten-Winkelversatz.
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Der theoretische Platten-Winkelversatz δ kann mit
Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden: δ = arcsin[zw × m/2 × Rc] worin δ = theoretischer
Platten-Winkelversatz,
zw = Zahl der
Plattengruppen,
m = Modul und
Rc =
nominaler Schneidradius ist.
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Der Winkel δ hängt von der jeweiligen Bauform
des Zahnrads ab. Wenn beispielsweise ein Schneidkopf mit 17 Platten
und einem Radius von 88 mm verwendet wird, ergibt die oben gegebene
Formel einen Winkel von etwa 26° mit
einem durchschnittlichen Modul von 4,5 mm. Der Fehler-Beeinflussungsfaktor
sinδ beträgt folglich
0,43. Der radiale (normale) Einfluss Nε des
Stirnflächenfehlers
Fd ist daher im Durchschnitt etwa 40% des
Stirnflächenfehlers.
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Eine bevorzugte Anordnung zum Messen des
Indexfehlers von gleichartigen Schneidplatten auf einem Wälzfräser ist
in 4 dargestellt. Vorzugsweise
werden berührungslose
Sonden, wie beispielsweise induktive Näherungssensoren, angeordnet,
um ein Signal auszusenden, wenn die Schneidkante einer gleichartigen
Platte vorbeiläuft,
oder im Falle von berührenden
Sonden, wenn sie in Kontakt mit der Schneidkante treten. In 4 sind ein äußerer Platten-Näherungssensor 37 und
ein innerer Platten-Näherungssensor 38 an
den Computer des Geräts
angeschlossen, der jedesmal, wenn ein Näherungssensor ein Signal aussendet,
Meßwerte
von einem Frässpindel-Kodieren
aufzeichnet. Eine Platte von jeder Gruppe gleichartiger Platten
wird als Bezugsplatte ausgewählt.
Die im Computer gespeicherten Unterschiede der Winkelwerte werden
dann mit dem theoretischen Neigungswert (Indexwert) verglichen und
der Indexfehler jeder Schneidkante (Plattenstirn) wird durch die
oben angeführte
Gleichung für Δφc erhalten.
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Der normale Fehler Nε kann
als Fehlerkomponente in die radiale Richtung angesehen werden und
also solches auf ähnliche
Weise wie der gemessene Radialfehler in der oben erwähnten Patentveröffentlichung
WO-A-97/07930 ausgeglichen werden. Der normale Fehler kann unabhängig oder
in Kombination mit dem in der oben erwähnten Anmeldung erläuterten
gemessenen Seiten-Freistell-(Radial-)Fehler
betrachtet werden, um zu einer Größe zu gelangen, durch die die
axiale Position einer Schneidplatte eingestellt werden kann, um
solche Radial- und/oder Index-Positionsfehler
zu korrigieren.
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Die folgende Gleichung kann verwendet
werden, um die Größe der axialen
Einstellung der Schneidplatte zu bestimmen: ΔH = (ΔM – Nε)/sinα worin ΔH = axiale
Einstellung der Schneidplatte
ΔM = Differenz zwischen gemessener
radialer Position der Schneidplatte und theoretischer radialer Position
der Schneidplatte
Nε = Fehler normal zur Flanke
α =
Platten-Eingriffswinkel.
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Wenn nur der normale Fehler in Betracht
gezogen wird, wird die Gleichung natürlich wie folgt reduziert: ΔH
= –Nε/sinα
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Wenn erwünscht, können der Fehler normal zur
Flanke Nε und
der Radialfehler ΔM
addiert werden, um einen Gesamt-Fehlerwert zu erhalten, der mit
einem als Fehlertoleranzgrenze dienenden, effektiven Gesamt-Fehlerwert
verglichen werden kann. Der Gesamt-Fehlerwert muss innerhalb der
Toleranz liegen, die durch den Gesamt-Fehlerwert definiert wird.
Wenn die Summe aus dem gemessenen Radialfehler und dem aus dem normalen
Fehler abgeleiteten Radialfehler den Gesamt-Fehlerwert übersteigt,
wird die axiale Position der Schneidplatte in Übereinstimmung mit der oben
angeführten
Gleichung eingestellt.
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5 zeigt
ein Mess-/Abrichtgerät 40 zur Durchführung des
für Stirnfräser und/oder
Wälzfräser beschriebenen
Verfahrens der Erfindung. Ein ähnliches
Gerät ist
aus der oben erwähnten
Patentveröffentlichung
WO-A-97/07930 bekannt.
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Das Gerät 40 umfasst einen
Gerätesockel 42,
auf dem ein Werkzeugspindel-Gehäuse 44 montiert
ist, das eine um eine Werkzeugachse T drehbare Werkzeugspindel 46 umfasst.
Die Drehung der Werkzeugspindel 46 wird durch einen Gleichstrom-Servomotor 48 in
Verbindung mit Anti-Flankenspiel-, Schnecken- und Radgetriebe (nicht dargestellt)
erzielt. Die Positionierung der Spindel wird durch einen Drehgeber
(nicht dargestellt), beispielsweise einen Drehgeber der Firma Heidenhain,
geregelt, der mit dem Steuergerät
in einem geschlossenen Regelkreis in Kommunikation ist. Die Drucktastenstationen 50 und 80 umfassen
Start- und Notausschalttasten, und ein elektronisches Handrad 52 ermöglicht die
Anordnung und Einstellung der rotierenden Werkzeugspindel 46.
Die Steuertafel 54 umfasst einen Bildschirm und eine Tastatur,
um Informationen in das Steuergerät einzugeben, das ein zur multiplen
Achsensteuerung fähiges
Steuergerät
(z.B. ein PC mit 386SX-25MHz CPU, CNC, PLC) ist. Elektrische Geräte sind
im Stromgehäuse 82 untergebracht.
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Des Weiteren ist/sind auf dem Gerätesockel 42 zumindest
eine, vorzugsweise zwei, Kontakt-Messsonden 20 (eine für die inneren
Platten und eine für
die äußeren Platten),
beispielsweise berührende
Messsonden der Firma Heidenhain, montiert, um die radiale Position
der Schneidplatten anzuzeigen. Andererseits können auch berührungslose
Sonden verwendet werden. Die Sonden können in die Sondenbasen 58 zurückgezogen
werden, wobei die Vorwärtsbewegung
vorzugsweise durch eine Feder und die Rückwärtsbewegung elektrisch oder
durch Vakuum ausgelöst
wird. Die Sonden 20 und die Sondenbasen 58 befinden
sich auf dem Tisch 60 und können im Winkel eingestellt
werden (Schwenkungseinstellung), wie durch den Pfeil 62 dargestellt
ist. Die Halteposition der Sonden kann durch jede bekannte Vorrichtung,
beispielsweise eine ablesbare Skala (nicht dargestellt) auf der
Sondenbasis 58 oder eine elektronische Skala, deren Ablesungen
auf der Skala oder dem Bildschirm gezeigt werden, angezeigt werden.
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Außerdem sind Sonden 37 und 38 dargestellt,
die entweder berührende
oder berührungslose Sonden
sein können,
um die Winkelposition der Schneidkante (und folglich der Stirnfläche) von gleichartigen
Schneidplatten und so den Stirnflächen-Indexfehler zu bestimmen. Unter Verwendung der
Ausrichtung von 4 misst
die Sonde 37 die Schneidkanten der äußeren Schneidplatten und Sonde 38 die
Schneidkanten der inneren Schneidplatten.
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Auf dem Tisch 60 sind auch
ein Plattenanschlag 30 und eine Basis 66 montiert.
Der Plattenanschlag 30 kann linear entlang einer Achse
Z1 bewegt werden, wobei die Bewegung durch einen Servomotor 68 ausgelöst wird
und die Positionierung durch einen linearen Kodieren (nicht dargestellt),
beispielsweise einen linearen Kodierer der Firma Heidenhain, der
mit dem Steuergerät
in einem geschlossenen Regelkreis in Kommunikation ist, geregelt
wird. Die Stirn des Plattenanschlags 30 ist im Wesentlichen
flach und besteht vorzugsweise aus einem Carbid-Material.
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Der Tisch 60 kann linear
entlang der Säule 70 (Y-Achse)
bewegt werden, um die Sonden 20 und den Plattenanschlag 30 vertikal
zu positionieren. Die Bewegung des Tisches 60 entlang der
Y-Achse wird manuell durch einen Einstellknopf 72, der über eine Führungsschrauben-
oder Zahnstangenanordnung funktioniert, erzielt. Die Säule 70 ist
auf einem Schieber 74 angeordnet und kann darauf bewegt
werden, um die Sonde(n) und den Plattenanschlag 30 entlang der
Breite des Gerätesockels 42 (X-Achse)
zu positionieren, wobei die Bewegung manuell durch den Einstellhebel 76 erzielt
wird, der über
eine Führungsschrauben-
oder Zahnstangenanordnung funktioniert. Der Schieber 74 ist
auf einem Schieber 78 angeordnet, mit dem die Sonde(n) 20 und
der Plattenanschlag 30 zur Werkzeugspindel 46 hin
und von ihr weg bewegt werden können
(Z2-Achse), um den notwendigen Abstand zum Einspannen und Entfernen von
Fräsern
aus der Werkzeugspindel 46 zu schaffen. Die Bewegung des
Schiebers 74 in die Z2-Richtung auf dem Schieber 78 wird
manuell erzielt, indem der Schieber 74 mit Hilfe eines
Stopp- und Sperrmechanismus (nicht dargestellt), durch den der Schieber 74 in
einer reproduzierbaren vorgeschobenen Arbeitsposition nahe dem Werkzeugspindel-Gehäuse 44 befestigt
werden kann, zur Frässpindel 46 und
von ihr weg bewegt wird. Andererseits kann die Bewegung des Schiebers 74 entlang
der Z2-Achse auch manuell durch einen Einstellhebel, der über eine
Führungsschrauben-
oder Zahnstangenanordnung funktioniert, erzielt werden.
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Die Position des Tisches 60 entlang
der Y-Achse und der Säule 70 entlang
der X-Achse, und wahlweise
des Schiebers 74 entlang der Z2-Achse, wird vorzugsweise
durch ablesbare Skalen (nicht dargestellt) überwacht, die sich auf der
Säule 70 bzw. dem
Schieber 74 befinden. In alternativen Ausführungsformen
können
elektronische Skalen verwendet werden, um Positionsablesungen für die Y-,
X- und/oder Z-Achse bereitzustellen und die Ablesungen auf dem Bildschirm
zu zeigen, oder Kodierer und Servomotoren als Teil des geschlossenen
Regelkreises können
verwendet werden, um die Positionen der Komponenten entlang der
Y-, X- und/oder Z-Achse zu überwachen
und zu regeln.