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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes
von einem bewegbaren Maschinenelement einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine
oder eines Roboters.
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Bei
Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschine oder bei Robotern sind an
bewegbaren Maschinenelementen wie z.B. einem Werkzeugschlitten oder
einem Roboterarm sogenannte Anbauelemente angebracht.
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In 1 ist
beispielhaft eine Werkzeugmaschine in Form einer Laser-Schneidemaschine
dargestellt. Die Werkzeugmaschine weist eine Traverse 6 auf,
die mit Hilfe zweier Antriebe 11a und 11b in beide
Richtungen der Doppelpfeile 12a und 12b entlang der
Säulen 8a und 8b auf
und ab verfahren werden kann. Die Traverse 6 weist ein
bewegbares Maschinenelement 4 in Form eines Werkzeugschlittens
auf, der mit Hilfe eines innerhalb des Werkzeugschlittens befindlichen
nicht dargestellten Antriebs in beide Richtungen des Doppelpfeils 3 entlang
der Traverse 6 verfahren werden kann. Der Werkzeugschlitten trägt ein Werkzeug 2,
das einen Laserstrahl 10 erzeugt, der auf ein Werkstück 9,
das z.B. in Form eines Bleches vorliegen kann, trifft und dieses
bearbeitet. Das Werkstück 9 ist
auf einen Maschinenbett 10 gelagert. Der Werkzeugschlitten
ist direkt oder indirekt mit Anbauelementen verbunden, die in der
beispielhaft dargestellten Werkzeugmaschine in Form einer Trägerplatte 7a,
eines Ventils 7b, einer hydraulischen Komponente 7c und
einer Kabelschleppe 7d vorliegen. Die Anbauelemente 7a,7b,7c und 7d dienen
z.B. zur Steuerung und/oder Bewegung des Werkzeugschlittens. So
versorgt z.B. die Kabelschleppe 7d den Antrieb des Werkzeugschlittens
mit Energie und enthält
die notwendigen Steuerleitungen zur Steuerung des Antriebs des Werkzeugschlittens.
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An
das bewegbare Maschinenelement 4, dass in dem Ausführungsbeispiel
in Form des Werkzeugschlittens vorliegt, wird einerseits die Anforderung
gestellt, dass dieses hochgenau entlang der Traverse 6 positioniert
werden kann und andererseits hochdynamisch verfahren werden kann.
Bei hochdynamischen Verfahrvorgängen
treten hohe Beschleunigungskräfte
auf, die in kurzer Zeit aufgebaut werden müssen, was einen entsprechend
hohen Ruck erfordert. Hierbei treten im Wesentlichen zwei Probleme
auf.
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Die
mechanische Anbindung der Anbauelemente an das bewegbare Maschinenelement
muss auf den hohen Gradienten der mit den Beschleunigungskräften verbundenen
Belastungen ausgelegt sein. Dies kann mit hohem Aufwand und hohen
Kosten verbunden sein.
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Selbst
wenn die Anbindung der Anbauelemente an das bewegbare Maschinenelement
derart ausgeführt
ist, dass die Anbauelemente den Belastungen standhalten, reagieren
diese dennoch mit schlecht gedämpften
Schwingungsbewegungen. Durch die dynamische Bewegung des Maschinenelements
werden die Anbauelemente zum Schwingen angeregt. Die Rückwirkung
dieser Schwingungen auf das bewegbare Maschinenelement hat eine
erheblich verminderte Positioniergenauigkeit des bewegbaren Maschinenelements
zur Folge.
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In 2 ist
die schwingungstechnische Wirkung der Anbauelemente auf das bewegbare
Maschinenelement 4, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines
Werkzeugschlittens vorliegt, schematisiert dargestellt. Das Schwingungsverhalten
ist in 2 durch symbolisch dargestellte Federn angedeutet,
wobei die Wirkrichtung der symbolisch dargestellten Federn in Richtung
des Doppelpfeils 3 geht. Die Anbauelemente 7b, 7c und 7d schwingen
jeweils im Wesentlichen mit ihrer jeweils zugehörigen Eigenfrequenz in Richtung
des Doppelpfeils 3. Entsprechend schwingt das Anbauelement 7a,
das in dem Ausführungsbeispiel
in Form einer Trägerplatte
ausgebildet ist, mit meh reren Frequenzen in Richtung des Doppelpfeils 3.
Die Bezeichnungen der übrigen Elemente
in 2 stimmen mit den Bezeichnungen der Elemente in 1 überein.
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Aus
der europäischen
Offenlegungsschrift
EP
1 347 337 A2 ist ein Positionierungssystem mit einer Dämpfungsvorrichtung
bekannt.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 01 981 A1 ist ein Koordinatenmessgerät bekannt, wobei
zur Verringerung von Schwingungen des freien Endes eines Messarms
des Koordinatenmessgeräts,
an dem ein Taskkopf befestigt ist, an dem Messarm eine Zusatzmasse
beweglich aufgehängt
ist.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 35 621 A1 ist eine Vorrichtung zur
piezoelektrischen Schwingungsbeeinflussung bei Maschinen der Druckindustrie
bekannt.
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Die
oben aufgeführten
Probleme führen
bei handelsüblichen
Maschinen zu einer Beschränkung der
Maschinendynamik.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine einfache Vorrichtung
zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem bewegbaren Maschinenelement
zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem
bewegbaren Maschinenelement einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine
oder eines Roboters, wobei zur Entkoppelung das Anbauelement über eine
Dämpfungsvorrichtung
mit dem Maschinenelement verbunden ist, wobei die Dämpfungsvorrichtung
eine Wirbelstrombremse und ein Versteifungselement aufweist, wobei
die Wirbelstrombremse einen Magneten und eine Wirbelstromplatte
aufweist, wobei durch einen Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte
gegenüber
dem Magneten in der Wirbelstromplatte Wirbelströme erzeugt werden, wobei die
Wirbelstromplatte in Form einer mit Nuten versehenen Platte realisiert
ist, wobei in die Nuten zum Kurzschlie ßen der Wirbelströme ein Gitter
aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist.
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Eine
erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Maschinenelement als Werkzeugschlitten ausgebildet ist. Eine
Ausbildung des Maschinenelementes als Werkzeugschlitten stellt eine
handelsübliche
Ausbildung des Maschinenelementes dar.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Anbauelement als Kabelschleppe,
hydraulische Komponente, Trägerplatte
oder als Ventil ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Anbauelements
als Kabelschleppe, hydraulische Komponente, Trägerplatte oder als Ventil stellt
eine übliche
Ausbildung des Anbauelements dar.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämpfungsvorrichtung eine Wirbelstrombremse und
ein Versteifungselement aufweist, da dann eine besonders wirkungsvolle
Dämpfung
der Schwingungen der Anbauelemente erreicht werden kann.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Versteifungselement als
Federelement ausgebildet ist, da eine Aus bildung des Versteifungselements als
Federelement besonders kostengünstig
ist.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wirbelstrombremse einen
Magneten und eine Wirbelstromplatte aufweist, wobei durch einen
Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte gegenüber dem Magneten in der Wirbelstromplatte
Wirbelströme
erzeugt werden. Hierdurch wird eine besonders einfache Realisierung
einer Wirbelstrombremse geschaffen.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wirbelstromplatte in Form
einer mit Nuten versehenen Platte realisiert ist, wobei in die Nuten zum
Kurzschließen
der Wirbelströme
ein Gitter aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet
ist, da dann die Wirbelströme
besonders hoch werden, was eine besonders gute Dämpfung der Schwingungen zur
Folge hat.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämpfungsvorrichtung in Form
eines Stoßdämpfers ausgebildet
ist, da ein Stoßdämpfer eine besonders
einfach zu realisierende und handelsübliche Dämpfungsvorrichtung darstellt.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämpfungsvorrichtung in Form
von Piezobiegeelementen ausgebildet ist, da sich durch den Einsatz
von Piezobiegeelementen eine gute Dämpfung erzielen lässt.
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Drei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
handelsübliche
Werkzeugmaschine,
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2 das
prinzipielle Schwingungsverhalten von Anbauelementen,
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3 eine
Darstellung des Prinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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6 ein
dritten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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7 eine
mit Nuten versehene Platte und
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8 ein
Gitter.
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In 3 ist
schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entkoppeln
eines Anbauelementes von einem bewegbaren Maschinenelement dargestellt.
In 3 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen wie in 1. Der erfinderische Gedanke
basiert darauf, die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d,
die untereinander verbunden sind, nicht mehr starr mit den bewegbaren
Maschinenelement 4, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines
Werkzeugschlittens vorliegt, zu verbinden sondern zur Entkopplung
der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d von
den bewegbaren Maschinenelement, die Anbauelemente über eine Dämpfungsvorrichtung 13 mit
dem Maschinenelement 4 direkt oder indirekt zu verbinden.
Die Dämpfungsvorrichtung 13 weist
dabei zur Dämpfung
der Bewegung ein Dämpfungselement 14 und
um die notwendige Steifigkeit der Anordnung zu realisieren ein Versteifungselement 15 auf,
das in der Prinzipdarstellung gemäß 3 in Form
eines Federelements 15 dargestellt ist. Die Wirkrichtung
des symbolisch dargestellten Dämpfungselements 14 und
des symbolisch dargestellten Versteifungselement 15 liegt
in Richtung des Doppelpfeils 3.
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In 4 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Die in 4 dargestellte Ausführungsform
entspricht im Wesentlichen der vorstehend in 1 beschriebenen
Ausführungsform.
Gleiche Elemente sind daher in 4 mit den
gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. Der wesentliche
Unterschied gegenüber
der Ausführungsform
gemäß 1 besteht
darin, dass bei der Ausführungsform
gemäß
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4 zur
Entkopplung der Anbauelemente 7a,7b,7c und 7d von
dem bewegbaren Maschinenelement 4, die Anbauelemente 7a,7b,7c und 7d direkt oder
indirekt über
die Dämpfungsvorrichtung,
die in dem Ausführungsbeispiel
in Form einer Kombination eines Dämpfungselementes 14 und
eines Federelementes 15 vorliegt, mit dem Maschinenelement 4 verbunden
sind. In dem Ausführungsbeispiel
ist das Anbauelement 7a, das in dem Ausführungsbeispiel
in Form einer Trägerplatte
vorliegt zur Entkopplung über
eine Dämpfungsvorrichtung
mit dem Maschinenelement 4, das in dem Ausführungsbeispiel
in Form eines Werkzeugschlittens ausgebildet ist, verbunden. Die
Anbauelemente 7b, 7c und 7d sind mit der
Trägerplatte 7a verbunden.
Die Dämpfungselement 14 ist
in dem Ausführungsbeispiel
in Form einer Wirbelstrombremse realisiert. Als Federelement 15 kann
z.B. eine handelsübliche
Feder dienen. Das Federelement 15, als Bestandteil der
Dampfungsvorrichtung, sorgt für
die nötige
Steifigkeit zwischen den Anbauelementen 7a, 7b, 7c und 7d und
dem Maschinenelement 4. Die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d sind über zwei
Führungen 19a und 19b in
beide Richtungen des Doppelpfeils 20 beweglich auf dem
Maschinenelement 4 gelagert. Ein am Maschinenelement 4 angebrachter
Magnet 18 erzeugt ein Magnetfeld, das eine Wirbelstromplatte 21 durchdringt. Durch
einen Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte 21 gegenüber dem
Magneten 18 werden in der Wirbelstromplatte 21 Wirbelströme erzeugt,
die eine Bewegung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d in beide
Richtungen des Doppelpfeils 20 bedämpfen.
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Der
Magnet 18 bildet zusammen mit der Wirbelstromplatte 21 eine
Wirbelstrombremse. Mit Hilfe der Wirbelstrombremse kann eine hohe
Dämpfung der
Schwingungen der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d erreicht
werden, was eine höhere
Positioniergenauigkeit des Maschinenelementes 4 und eine hohe
dynamische Bewegungsführung
des Maschinenelementes 4 ermöglicht. Selbstverständlich kann der
Magnet 18 dabei aus mehreren Einzelmagneten aufgebaut sein
und/oder mehrere unterschiedlich magnetisierte Bereiche aufweisen.
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In 7 ist
eine vorteilhafte Ausführungsform
der Wirbelstromplatte 21 in einer Seitenansicht (obere
Abbildung) und in einer Draufsicht (untere Abbildung) dargestellt.
Die Wirbelstromplatte 21 ist dabei in Form einer mit Nuten
versehenen Platte 26 realisiert, wobei in die Nuten zum
Kurzschließen
der Wirbelströme
ein Gitter 22 aus einem Material mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit
angeordnet ist. Das Gitter 22 ist in einer Draufsicht in 8 dargestellt,
wobei das Gitter 22, das in die Nuten der Platte 26 eingelegt wird,
vorzugsweise aus Kupfer besteht, während die Platte 26 aus
einem magnetisch leitfähigem
Material besteht. Die Wirbelströme
erreichen durch eine Ausbildung des Gitters mit einem Material mit
hoher elektrischer Leitfähigkeit
ein besonders hohen Wert, so dass sich eine besonders gute Dämpfung der Schwingungen
der Anbauelemente ergibt.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Die in 5 dargestellte Ausführungsform
entspricht im wesentlichen der in 4 beschriebenen
Ausführungsform.
Gleiche Elemente sind daher in 5 mit den
gleichen Bezugszeichen versehen wie in 4. Der wesentliche
Unterschied der Ausführungsform gemäß 5 gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 4 besteht
darin, dass bei der Ausführungsform
gemäß 5 die
Dämpfungsvorrichtung
nicht durch eine Kombination einer Wirbelstrombremse mit einem Versteifungselement
ausgebildet ist, sondern dass die Dämpfungsvorrichtung in Form
eines Stoßdämpfers 16,
der das Anbauelement 7a mit dem Maschinenelement 4 verbindet,
ausgeführt
ist. Der Stoßdämpfer 16,
der z.B. als handelsübliche
erhältliche
hydraulische Komponente aufgebaut sein kann, kann innerhalb eines
einzelnen Elementes sowohl die notwendige Steifigkeit als auch die
Dämpfung realisieren.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in 6 dargestellt. Die in 6 dargestellte
Ausführungsform
entspricht im Wesentlichen der in 4 beschriebenen
Ausführungsform.
Gleiche Elemente sind daher in
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6 mit
den gleichen Bezugszeichen wie in 1. Der Wesentliche
Unterschied besteht der Ausführungsform
gemäß 6 gegenüber der
Ausführungsform
gemäß 4 besteht
darin, dass bei der Ausführungsform
gemäß 6 zur
Entkopplung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d von
dem bewegbaren Maschinenelement 4 die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d direkt
oder indirekt über
eine Dämpfungsvorrichtung,
die in der Ausführungsform gemäß 6 in
Form von Piezobiegeelementen ausgebildet ist, mit dem Maschinenelement 4 verbunden
ist. Der Übersichtlichkeit
halber ist in 6 nur ein einzelnes Piezobiegeelement 23 mit
einer Bezeichnung versehen.
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Mit
Hilfe der Piezobiegeelemente können
sowohl die notwendige Steifigkeit als auch die Dämpfung innerhalb eines einzelnen
Elementes realisiert werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung
der Piezobiegeelemente lassen sich diese in beide Richtungen des
Doppelpfeils 20 elektronisch gesteuert verbiegen. Durch
eine geeignete Ansteuerung der Piezobiegeelemente entgegengesetzt
der momentanen Schwingungsrichtung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d kann
eine hohe Dämpfung
der Schwingungen der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d erreicht
werden. Die Piezobiegeelemente werden hierfür mit Hilfe einer Steuereinrichtung 24 entsprechend angesteuert,
wobei die Steuereinrichtung 24 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 6 integraler
Bestandteil des bewegbaren Maschinenelementes 4 ist. Selbstverständlich kann
die Steuereinrichtung 24 auch außerhalb des Maschinenelements 4 angeordnet
sein.
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Die
erfindungsgemäße Entkopplung
der Anbauelemente von dem bewegbaren Maschinenelement weist zahlreiche
Vorteile auf. So kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Entkopplung
aller Anbauelemente in einem breiten Frequenzbereich realisiert
werden. Die Rückwirkungen
von Anbauelementen auf ein bewegbares Maschinenelement wie z.B.
einem Werkzeugschlitten können
stark reduziert werden. Hierdurch wird einerseits eine höhere Positioniergenauigkeit
des bewegbaren Maschinenelementes erreicht und andererseits können bewegbare Maschineele mente
von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Roboter mit einer
gegenüber
handelsüblicher
Maschinen größeren Dynamik verfahren
werden. Gleichzeitig werden die Anbauelemente gegenüber handelsüblichen
Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robotern in einem Wesentlich
geringeren Maße
durch Beschleunigungskräfte
beansprucht, da durch die Dämpfungsvorrichtung,
die auf die Anbauelemente übertragenen
Kräfte
sehr weich auf- und abgebaut werden, so dass die Anbauelemente geschont
werden.