DE102007020633B4

DE102007020633B4 - Positioniervorrichtung

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Publication number: DE102007020633B4
Application number: DE200710020633
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Ing. Immel; Berend Prof. Dr.-Ing. Denkena
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2007-04-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: WO2008131753A1; EP2150370A1; DE102007020633A1

Abstract

Positioniervorrichtung, insbesondere Spannfutter für eine Werkzeugmaschine, mit
(a) einem Grundkörper (12),
(b) einem bezüglich einer Längsachse (1) vor dem Grundkörper (12) angeordneten Abtriebskörper (14) zum Verbinden mit einem Werkstück (56),
(c) einem mit dem Grundkörper (12) verbundenen und sich entlang der Längsachse (L) erstreckenden Verbindungselement (16) und
(d) mindestens zwei am Grundkörper (12) befestigten, quer zur Längsachse (L) wirkenden Exzenter-Aktoren (18), die ausgebildet sind zum Verschieben des Abtriebskörpers (14) senkrecht zur Längsachse (L) relativ zum Grundkörper (12) durch elastisches Verformen des Verbindungselements (16),
dadurch gekennzeichnet, dass
(e) die Positioniervorrichtung (10) mindestens zwei Neige-Aktoren (36) zum Neigen des Abtriebskörpers (14) relativ zum Grundkörper (12) besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung, insbesondere ein Spannfutter für eine Werkzeugmaschine, mit einem Grundkörper, einem bezüglich einer Längsachse vor dem Grundkörper angeordneten Abtriebskörper zum Verbinden mit einem Werkstück, einem mit dem Grundkörper verbundenen und sich entlang der Längsachse erstreckenden Verbindungselement und mindestens zwei am Grundkörper befestigten, quer zur Längsachse wirkenden Exzenter-Aktoren, insbesondere Exzenter-Piezoaktoren, die ausgebildet sind zum Verschieben des Abtriebkörpers senkrecht zur Längsachse relativ zum Grundkörper durch elastisches Verformen des Verbindungselements. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten eines Werkstücks.
Aus der DE 854 759 B ist eine Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken für Werkzeugmaschinen bekannt, bei der ein in zwei zueinander senkrechten Ebenen stellbar gelagertes Dreibackenfutter verwendet wird, um eine achsparallele Einstellung dem gespannten Werkzeug zu gestatten. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass das achsparallele Ausrichten nur manuell möglich ist und einen hohen Zeitaufwand erfordert.
Aus der DE 103 60 917 A1 ist ein Werkzeughalter für ein um eine Drehachse drehbares Werkzeug bekannt. Der Werkzeughalter besitzt einen Spannschaft, an dessen Umfang elektrostriktives Material angeordnet ist, das beim Rotieren des Werkzeughalters extern angeregt werden kann, so dass Torkelschwingungen vermieden werden. Nachteilig an dem Werkzeughalter ist, dass größere Geometrieabweichungen mit diesem Werkzeughalter nicht korrigiert werden können.
Aus der DE 41 27 770 A1 ist ein Spanndorn für Zerspanwerkzeuge bekannt, bei dem Stellelemente vorhanden sind, um ein mit dem Spanndorn gespanntes Werkzeug auszurichten. Nachteilig an diesem Spanndorn ist, dass das Ausrichten des Werkzeugstücks mit ihm sehr arbeitsintensiv ist und nur manuell erfolgen kann.
Aus der DE 38 24 462 C2 ist eine Werkzeug-Einstellvorrichtung bekannt, die dazu dient, eine Achse eines feststehenden Werkzeugs auf eine Spindelachse eines sich bewegenden Werkstücks einzurichten. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass sie nur aufwändig und per Hand einstellbar ist.
Des Weiteren sind gattungsgemäße Positioniervorrichtungen bekannt. Diese werden beispielsweise bei der Vorbereitung von geschmiedeten Roh-Zahnrädern für eine nachfolgende Schleifbearbeitung eingesetzt. Nach dem Schmieden und einem nachfolgenden Härten kann es nämlich passieren, dass eine Zentralbohrung des Roh-Zahnrads exzentrisch zu dessen Zahnkranz angeordnet ist. Würde bei der nachfolgenden Schleifbe arbeitung das Roh-Zahnrad über die exzentrische Zentralbohrung gespannt, müsste eine in Abhängigkeit von der Position auf dem Zahnkranz variierende Materialmenge abgeschliffen werden, um die gewünschte Endkontur zu erhalten, was nachteilig ist. Um überflüssige Aufmaße zu vermeiden, wird daher vor der Schleifbearbeitung in einem Hartdrehprozess die Zentralbohrung so ausgebildet, dass ein möglichst geringer Materialbetrag abgeschliffen werden muss.
Dazu wird der Grundkörper der Positioniervorrichtung an einer Arbeitsspindel einer Hartdrehmaschine befestigt. Anschließend wird das Zahnrad mit einer am Abtriebskörper angeordneten Spannvorrichtung gespannt und geometrisch vermessen. Sodann wird die Spannvorrichtung so relativ zum Grundkörper parallel verschoben, dass eine Drehachse der Arbeitsspindel der Hartdrehmaschine durch den Mittelpunkt der einzubringenden Zentralbohrung verläuft. Nachfolgend wird die Zentralbohrung ausgedreht, so dass das Roh-Zahnrad in dem nachfolgenden Schleifprozess nur noch minimal endbearbeitet werden muss.
Nachteilig an der bekannten Positioniervorrichtung ist, dass sie nur für schmale Zahnräder geeignet ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass das Spannfutter für tiefere Bauteile, wie beispielsweise Ritzelwellen oder breite Zahnräder, ungeeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positioniervorrichtung vorzuschlagen, die Nachteile im Stand der Technik überwindet.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Positioniervorrichtung, die mindestens zwei Neige-Aktoren, insbesondere Neige-Piezoaktoren, aufweist, die zum Neigen des Antriebskörpers relativ zum Grundkörper ausgebildet und angeordnet sind. Die Erfindung löst das Problem zudem durch eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Schleif- oder Drehmaschine, die eine Werkstückdrehvorrichtung zum Drehen eines Werkstücks um eine Drehachse und eine erfindungsgemäße Positioniervorrichtung besitzt, wobei die Längsachse der Positioniervorrichtung mit der Drehachse zusammenfällt. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Ausrichten eines Werkstücks das den Schritt eines Spannens des Werkstücks auf einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine umfasst.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass auch Taumelfehler eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Roh-Zahnrads oder einer Roh-Ritzelwelle, ausgleichbar sind. Dadurch werden auch längere Bauteile exakt zu einer Drehachse einer Werkzeugmaschine ausrichtbar. Daraus folgt, dass weniger Abtrag notwendig ist, so dass Aufmaße verringert werden können, der Schleifscheibenverschleiß sinkt und eine schnellere und kostengünstigere Fertigung erreichbar ist.
Dadurch, dass mit der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung Exzenter- und Taumelfehler korrigierbar sind, können Fertigungsfehler in vorlaufenden Prozessen korrigiert werden. Ausschuss wird so vermindert. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine derartige Positioniervorrichtung so auslegbar ist, dass bei einer Bearbeitung eines gespannten Werkstücks auftretende Bearbeitungskräfte sicher abgefangen werden können, so dass mit der erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung im Wesentlichen die gleichen Fertigungstoleranzen einhaltbar sind wie mit einem herkömmlichen Positionierfutter ohne Aktoren.
Vorteilhaft ist zudem, dass zwei zu fügende Komponenten besonders präzise zueinander ausgerichtet werden können. So ist es möglich, ein optisches Bauteil, wie beispielsweise eine Linse oder eine Linsenanordnung in einem mit einem Aufmaß versehenen Rohr zu fixieren. Um eine optische Achse des optischen Bauteils zu einer Längsachse des Rohrs auszurichten, muss dieses lediglich mit einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung auf einer Drehmaschine gespannt werden. Anschließend wird eine etwaige Abweichung der optischen Achse von der Längsachse des Rohrs mit Hilfe der Positionsvorrichtung kompensiert und das Rohr wird anschließend in einem Außendrehprozess fertig bearbeitet. Auf diese Weise wird die optische Achse des optischen Bauteils auf einfache Weise zur Längsachse des so fertig bearbeiteten Rohrs ausgerichtet.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff der Längsachse insbesondere auf eine Achse, um die die Positioniervorrichtung drehbar ausgebildet ist, indem beispielsweise eine entsprechende Aufnahme zum Anschluss an eine Werkstückspindel einer Werkzeugmaschine vorgesehen ist. Es wird dabei auf die Ruhelage der Aktoren abgestellt, so dass ein Betätigen der Exzenter-Aktoren oder Neige-Aktoren die Längsachse nicht verändert.
Als Exzenter-Aktoren oder Neige-Aktoren kommen neben Piezoaktoren beispielsweise magnetostriktive Aktoren oder Elektromotoren, die mit einer Gewindespindel gekoppelt sind, in Betracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verbindungselement einen Kern, in dem die mindestens zwei Neige-Piezoaktoren parallel zu der Längsachse verlaufen. Auf diese Weise ist die Korrektur des Exzenterfehlers von der Korrektur des Taumelfehlers separiert. Durch Ansteuern der Exzenter-Aktoren kann der Exzenterfehler korrigiert werden, ohne dass dies die Taumelabweichung des Werkstücks von der Längsachse beeinflusst. Umgekehrt können die Neige-Aktoren betätigt werden, ohne dass dies die Exzentrizität des Werkstücks relativ zu der Längsachse ändert.
Bevorzugt umfasst das Verbindungselement ein Spannelement, das in einem Fußpunkt mit dem Abtriebskörper verbunden und zwischen den Neige-Piezoaktoren angeordnet ist, wobei das Spannelement und die Neige-Piezoaktoren so angeordnet sind, dass ein Längen eines der Neige-Piezoaktoren und ein Verkürzen aller anderen Neige-Piezoaktoren zum Neigen des Abtriebskörpers relativ zum Grundkörper führt. Dass Spannelement kann beispielsweise eine Spannschraube sein, die durch eine Bohrung in dem Kern verläuft und am Grundkörper angreift und auf diese Weise insbesondere die für die Aktoren erforderliche Vorspannung aufbringt.
Es ist vorteilhaft, dass die Neige-Piezoaktoren über Kegelpfannen-Kugelscheiben-Gelenke mit dem Abtriebskörper und/oder dem Grundkörper in Verbindung stehen. Es wird so eine besonders einfache Anordnung erhalten.
Bevorzugt sind vier Neige-Piezoaktoren vorgesehen, die jeweils in einem Krafteinleitungspunkt an dem Abtriebskörper angreifen, wobei die Krafteinleitungspunkte eine Raute, insbesondere ein Quadrat bilden. Durch eine symmetrische Anordnung wie diese, wird die Ansteuerung der Neige-Piezoaktoren erleichtert. Gleichzeitig wird der Einfluss einer thermischen Ausdehnung der Komponenten der Positioniervorrichtung auf die Lage des Antriebskörpers relativ zum Grundköper minimiert, so dass eine entsprechende Kompensation entbehrlich ist.
Besonders bevorzugt ist daher der Fußpunkt im geometrischen Mittelpunkt der Raute bzw. des Quadrats angeordnet. Sind mehr als vier Neige-Piezoaktoren vorhanden, so sind diese bevorzugt paarweise gegenüberliegend angeordnet und greifen in jeweiligen Krafteinleitungspunkten an, die die gleichen Abstände vom Fußpunkt besitzen, das heißt, bezüglich einer Wirkrichtung der Neige-Piezoaktoren in einer Ebene liegen. Günstig ist es zudem, wenn die Krafteinleitungspunkte auf den Eckpunkten eines regelmäßigen Mehrecks liegen.
Bevorzugt besitzt der Grundkörper einen Basisring und eine am Basisring befestigte Grundkörper-Membran, die eine relativ zum Basisring verringerte Biegesteifigkeit besitzt und an der das Verbindungselement angeordnet ist. Die Exzenter-Piezoaktoren greifen in diesem Fall günstigerweise am Basisring an. Die Biegesteifigkeit der Grundkörper-Membran ist bevorzugt wesentlich kleiner als die Biegesteifigkeit des Verbindungselements, wodurch eine besonders einfach zu steuernde Positioniervorrichtung erhalten wird.
Bevorzugt weist der Abtriebskörper einen Exzenterring auf und umfasst eine am Exzenterring befestigte Abtriebskörper-Membran, die eine relativ zum Exzenterring verringerte Biegesteifigkeit besitzt und an der das Verbindungselement angeordnet ist. Auf diese Weise können der Basisring und der Exzenterring aneinander parallel verschieblich gelagert sein, so dass ein Betätigen der Exzenter-Aktoren zu einer Parallelverschiebung zwischen Basisring und Exzenterring führt und so der Exzenterfehler unabhängig vom Taumelfehler kompensierbar ist. Eine solche Positioniervorrichtung ist besonders einfach zu steuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass das Verbindungselement mit dem Exzenterkörper verbunden ist, der am Grundkörper gelagert und mittels der Exzenter-Piezoaktoren parallel verschieblich relativ zum Grundkörper ver schiebbar ist, wobei der Abtriebskörper schwenkbar an dem Exzenterkörper gelagert ist.
Bevorzugt besitzt dabei der Abtriebskörper einen Fußabschnitt und einen Kopfabschnitt zum Verbinden mit dem Werkstück, wobei die mindestens zwei Neige-Piezoaktoren am Exzenterkörper angeordnet sind, quer zur Längsachse verlaufen und so zum Fußteil angeordnet sind, dass ein Längen eines der Neige-Piezoaktoren und ein Verkürzen der anderen Neige-Piezoaktoren zu einem Neigen des Abtriebskörpers relativ zum Exzenterkörper führt. Es ist auf diese Weise möglich, dass die Exzenter-Piezoaktoren parallel zu den Neige-Pieozaktoren verlaufen, wodurch sich eine besonders kompakte Bauweise für die Positioniervorrichtung ergibt. Vorteilhaft ist zudem, dass alle Piezoaktoren so angeordnet werden können, dass sie stets eine vollkommen gestreckte Anordnung besitzen und keine Biegekräfte auf sie wirken. Dadurch wird deren Lebensdauer erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Neige-Piezoaktoren in Gegenspieleranordnung angeordnet und verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse. Unter einer Gegenspieleranordnung ist insbesondere zu verstehen, dass jeweils zwei Aktoren einander genau entgegengesetzt wirkende Wirkrichtungen besitzen, die zudem in einer gemeinsamen Ebene verlaufen. Werden beide Aktoren des Gegenspielerpaars gleichzeitig betätigt, so kommt es lediglich zu einer Druck-, jedoch zu keiner Scherbelastung am beaufschlagten Bauteil. Vorteilhaft hieran ist die besonders einfache Steuerbarkeit der Aktoren.
Besonders günstig ist, wenn der Abtriebskörper benachbart zu seinem Kopfabschnitt von der Abtriebskörper-Membran gehaltert ist. In diesem Fall kann der Abtriebskörper mit Hilfe der Neige-Aktoren um einen Schwenkpunkt geschwenkt werden, der dicht bei einer dem Werkstück zugewandten Stirnfläche des Abtriebskörpers liegt. An der Stirnfläche kann beispielsweise eine Spannvorrichtung zum Spannen des Werkstücks angeordnet sein, wie beispielsweise ein Backen- oder ein Membranspannfutter. Wenn die Spannvorrichtung druckluftbetätigbar ist, besitzt die Positioniervorrichtung bevorzugt einen die Längsachse umgebenden Druckluftkanal, der von dem Grundkörper zum Spannmittel verläuft. Dadurch kann Druckluft von einer Werkzeugmaschine zum Spannmittel geleitet werden.
Um Kräfte innerhalb der Positioniervorrichtung zu minimieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine elektrische Steuerung vorgesehen, die ausgebildet ist, um jeweils zwei in Gegenspieleranordnung angeordnete Piezoaktoren so anzusteuern, dass sich einer der Piezoaktoren um einen vorgegebenen Betrag längt und sich der andere Piezoaktor um den gleichen Betrag verkürzt. So werden die von den Piezoaktoren ausgeübten Kräfte auf das Mindestmaß reduziert.
Eine erfindungsgemäße Werkszeugmaschine besitzt bevorzugt eine Messvorrichtung zum Erfassen einer Lage eines mit der Positioniervorrichtung gespannten Werkstücks. Diese Lage kann beispielsweise relativ zu einem Koordinatensystem der Werkzeugmaschine angegeben sein. Mit Hilfe dieser Messvorrichtung wird die Lage des Werkstücks erfasst und es kann die optimale Lage beispielsweise einer Zentralbohrung des Werkstücks bestimmt werden. Die notwendige Lageveränderung des Werkstücks wird dann über die Exzenter-Aktoren und die Neige-Aktoren kompensiert. Unter der Lage des Werkstücks wird dabei neben seiner Position in x-, y- und z-Richtung auch seine Orientierung bezüglich zwei oder drei Raumrichtungswinkeln verstanden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst bevorzugt die Schritte eines Erfassens einer Lage der Positioniervorrichtung relativ zur Werkzeugmaschine, eines Erfassens einer Bearbeitungskraft auf das Werkstück und eines Ansteuerns der Exzenter- und/oder Neige-Piezoaktoren so, dass sie eine Auslenkung des Werkstücks aufgrund der Bearbeitungskraft vermindern oder kompensieren. Die Bearbeitungskraft kann beispielsweise aus einer Tabelle ausgelesen werden. Alternativ kann die Bearbeitungskraft von einem Kraftsensor erfasst werden, der an einer Werkzeugaufnahme der Werkzeugmaschine angeordnet ist. Es ist zudem möglich, die Bearbeitungskraft, die beispielsweise von einer Schleifscheibe auf das Werkstück aufgebracht wird, aus der Leistung eines Motors zu bestimmen, der die Schleifscheibe antreibt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 einen Längsschnitt durch die Positioniervorrichtung nach 1,
3 einen Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung durch die Positioniervorrichtung nach 1,
4 eine perspektivische Ansicht der Positioniervorrichtung gemäß 1,
5 eine schematische Darstellung der Funktionsweise der Positioniervorrichtung gemäß den vorstehenden Figuren,
6 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung in einem Schnitt entlang der Längsachse,
7 eine perspektivische Teil-Ansicht der Positioniervorrichtung nach 6,
8 eine perspektivische Ansicht eines Details der Positioniervorrichtung gemäß der 6 und 7,
9 eine zweite Ansicht des Details nach 9,
10 einen Längsschnitt durch das Detail gemäß der 8 und 9 und
11 eine Detailansicht auf den Abtriebskörper einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung.
1 zeigt eine Teil-Explosionsansicht einer Positioniervorrichtung 10, die einen Grundkörper 12, einen bezüglich einer Längsachse L vor dem Grundkörper 12 angeordneten Abtriebskörper 14, ein mit dem Grundkörper 12 verbundenen und sich entlang der Längsachse L erstreckenden Verbindungselement 16 und vier am Grundkörper 12 befestigte, sich quer zur Längsachse L erstreckende Exzenter-Piezoaktoren 18.1, 18.2, 18.3 und 18.4 umfasst, die in Gegenspieleranordnung angeordnet sind. Das heißt, dass sie einander paarweise gegenüberliegen, ihre Wirkrichtungen in einer Ebene verlaufen und auf gegenüberliegenden Seiten am Verbindungselement 16 angreifen.
Der Grundkörper 12 umfasst, wie der Längsschnitt H durch die Längsachse L gemäß 2 zeigt, einen Basisring 20, dessen Längsachse mit der Längsachse L der Positioniervorrichtung zusammenfällt, und eine am Basisring 20 befestigte Grundkörper-Membran 22, die ebenfalls im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet ist und deren Mittelpunkt auf der Längsachse L liegt. Die Grundkörper-Membran 22 weist im Vergleich zum Basisring 20 eine deutlich verringerte Biegesteifigkeit auf, die beispielsweise um den Faktor 100 kleiner ist. Das Verbindungselement 16 ist an der Grundkörper-Membran 22 befestigt, beispielsweise angeschraubt oder angeschweißt.
Die Exzenter-Piezoaktoren 18.1 bis 18.4 sind am Basisring 20 befestigt und wirken, wie exemplarisch in 2 für die Exzenter-Piezoaktoren 18.2 und 18.4 gezeigt, auf das Verbindungselement 16 ein. Längt sich beispielsweise der Exzenter-Piezoaktor 18.2 und verkürzt sich der Exzenter-Piezoaktor 18.4, so verformt sich das Verbindungselement 16 wie in 2 angedeutet und der Abtriebskörper 14 verschiebt sich parallel zum Basisring 20. Dazu ist er über schematisch eingezeichnete elastokinematische Gitterführungen 26 am Basisring 20 befestigt.
3 zeigt einen Querschnitt durch die Positioniervorrichtung 10, der durch die Exzenter-Piezoaktoren 18.1 bis 18.4 gezogen ist. Die Exzenter-Piezoaktoren sind in jeweiligen Aufnahmehülsen 28.1 bis 28.4 angeordnet und wirken auf einen Kern 30 des Verbindungselements 16. Alle Exzenter-Piezoaktoren sind dabei auf die gleiche Weise in der jeweiligen Aufnahmehülle aufgenommen. Beispielsweise ist der Exzen ter-Piezoaktor 18.1 über ein erstes Kegelpfannen-Kugelscheibengelenk 32a an der Aufnahmehülse 28.1 und über ein baugleiches Kegelpfannen-Kugelscheiben-Gelenk 32b am Kern 30 gelagert. Im Kern 30 sind vier Längsbohrungen 34.1, ..., 34.4 eingebracht, in denen jeweils ein Neige-Piezoaktor 36.1, 36.2. 36.3 bzw. 36.4 mit geringem Spiel eingepasst ist.
Zwischen zwei Aufnahmehülsen ist jeweils eine Fixierplatte montiert, beispielsweise befindet sich zwischen den Aufnahmehülsen 28.1 und 28.2 die Fixierplatte 38.1, die über eine nicht eingezeichnete Schraube mit einem Spannring 40 verbunden ist, der den Kern 30 spielfrei umgibt. Über die Fixierplatten 38.1 bis 38.4, die jeweiligen Schrauben und den Spannring 40 können die Aufnahmehülsen 28.1 bis 28.4 auf den Kern 30 vorgespannt und der Antriebskörper vorjustiert werden. Nach der Justage werden die Aufnahmehülsen 28.1 bis 28.4. über Schrauben mit dem Basisring schlüssig verbunden. Die Neige-Piezoaktoren 36.1., ..., 36.4 sind in einer quadratischen Anordnung vorgesehen, in deren Mitte eine Längsbohrung 34.5 durch den Kern 30 verläuft, in der eine in 2 nicht sichtbare Vorspannschraube 42 verläuft.
4 zeigt die Vorspannschraube 40, die in einem Fußpunkt F am Abtriebskörper 14 angreift und sie so mit dem Kern 40 verbindet. Wie 2 zeigt, ist eine Abtriebskörper-Membran 44 konzentrisch zu einem Exzenterring 46 angeordnet, die beide Teil des Abtriebskörpers 14 sind. Die Abtriebskörper-Membran 44 stellt eine Verbindung zwischen dem Abtriebskörper 14 und dem Exzenterring 46 her und ist zwischen dem Abtriebskörper 14 und dem Kern 40 angeordnet. Die Neige-Piezoaktoren 36.1, 26.2, 36.3, 36.4 greifen in jeweiligen Krafteinleitungspunkten K1, K2, K3 und K4 an, die ein Quadrat bilden, dessen Schwerpunkt mit dem Fußpunkt F zusammenfällt.
5 zeigt die prinzipielle Wirkung der Neige-Piezosensoren auf die Abtriebskörper-Membran 44. Längt sich beispielsweise der Neige-Piezoaktor 36.2 und verkürzt sich der Neige-Piezoaktor 36.4 um den Betrag δI, so neigt sich die Abtriebskörper-Membran 44 relativ zum Grundkörper 12. Da die beiden Neige-Piezoaktoren 36.2, 36.4 so angesteuert werden, dass sie sich jeweils um gleiche Beträge verlängern bzw. verkürzen, bleibt die Länge der Vorspannschraube 42 konstant.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Positioniervorrichtung 10 mit dem Grundkörper 12, dem Abtriebskörper 14, dem Verbindungselement 16 und den Aufnahmehülsen 28.3 und 28.4., in denen nicht sichbtbar die entsprechenden Exzenter-Piezoaktoren angeordnet sind.
6 zeigt zudem einen Exzenterkörper 48, der über elastokinematische Gitterführungen 26 am Grundkörper 12 parallel verschieblich gelagert ist. Der Abtriebskörper 14 besitzt einen Kopfabschnitt 50, der eine Stirnfläche zur Montage einer Spannvorrichtung 52 besitzt, und einen Fußabschnitt 54, an den vier Neige-Piezoaktoren angreifen, von denen in 6 die beiden Neige-Piezoaktoren 36.1 und 36.3 eingezeichnet sind. Der Abtriebskörper 14 wird benachbart zu seinem Kopfteil 50 von der Abtriebskörper-Membran 44 gehaltert. Ein Längen des Neige-Piezoaktors 36.1 und ein Verkürzen des Neige-Piezoaktors 36.3 führt zu einem Verkippen des Abtriebskörpers 14 um einen Drehpunkt D.
In 6 ist zudem ein Adapterflansch 58 zu erkennen, der ausgebildet ist, um mit einer Werkstückspindel 60 einer Werkzeugmaschine, wie beispielsweise einer Drehmaschine, verbunden zu werden. Der Adapterflansch 58 umfasst einen Teil einer Schnittstelle 62, mit deren Hilfe elektrische Energie für die Exzenter- und Neige-Piezoaktoren 18 bzw. 36 übertragen wird. Ansteuersignale für die Exzenter- und Neige-Piezoaktoren 18 bzw. 36 werden über eine Funkstrecke übertragen, die nach dem Bluetooth-Standard aufgebaut wird.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Positioniervorrichtung gemäß 6, bei der der Abtriebskörper 14 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden ist.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht von unten auf den Abtriebskörper 14 mit seinem Fußabschnitt 54, auf den die Neige-Piezoaktoren 36.1 bis 36.4 wirken, die in entsprechenden Aufnahmehülsen aufgenommen sind. Die Aufnahmehülsen sind am Exzenterring 46 befestigt. Der in 8 nicht sichtbare Kopfabschnitt des Abtriebskörpers ist an der Abtriebskörpermembran 44 befestigt, so dass ein Betätigen der Neige-Piezoaktoren 36 zu einem Schwenken des Abtriebskörpers 14 führt.
9 zeit die Befestigung des Abtriebskörpers 14 an der Abtriebskörper-Membran 44 in einer perspektivischen Ansicht
10 zeigt einen Querschnitt durch den Exzenterkörper 48, der die beiden in Gegenspieleranordnung gegen den Fußabschnitt 54 des Abtriebskörpers 14 wirkenden Neige-Piezoaktoren 36.1 und 36.3 erkennen lässt. Wenn sich beispielsweise der Neige-Piezoaktor 36.1 längt und der Neige-Piezoaktor 36.3 verkürzt, so wird der Kopfabschnitt 50 des Abtriebskörpers 14 gegen die Abtriebskörper-Membran 44 gedrückt und schwenkt um den Drehpunkt D um einen Schwenkwinkel φ relativ zur Längsachse L. Dabei verformt sich die Abtriebskörper-Membran 44, verschieb sich jedoch nicht relativ zum Exzenterring 46.
In 11 ist ein Werkstück 56 gezeigt, das mit Hilfe der Spannvorrichtung 52 auf dem Abtriebskörper 14 gespannt ist.
Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, um ein optisches Bauteil wie eine Linse oder eine Linsenanordnung in einem Rohr präzise fluchtend anzuordnen. Dazu wird zunächst ein Roh-Rohr mit Aufmaß hergestellt, das heißt, es besitzt einen Durchmesser, der größer ist als der für das fertige Rohr angestrebte Durchmesser. Nachfolgend wird das optische Bauteil in einem Inneren des Roh-Rohrs angeordnet, zu einer Längsachse des Roh-Rohrs ausgerichtet und dort fixiert.
Diese Ausrichtung ist jedoch zwangsläufig mit einem Fehler behaftet. Um diesen Fehler zu korrigieren, wird das Roh-Rohr mit einer oben beschriebenen Positioniervorrichtung gespannt, die an einer Arbeitsspindel einer Drehmaschine befestigt ist. Dabei wird das Roh-Rohr so eingespannt, dass seine Längsachse möglichst gut mit einer Drehachse der Arbeitsspindel fluchtet. Anschließend wird mit einem geeigneten Messgerät eine Abweichung der optischen Achse des optischen Bauteils relativ zur Drehachse der Arbeitsspindel ermittelt und die Positioniervorrichtung so betätigt, dass beide möglichst genau übereinstimmen. Anschließend wird das Roh-Rohr durch Außenlängsdrehen fertig bearbeitet. Es wird so ein Rohr erhalten, dessen Längsachse mit hoher Genauigkeit mit der optischen Achse des optischen Bauteils übereinstimmt. Das genannte Verfahren kann, wie alle erfindungsgemäßen Verfahren, auch mit zwei erfindungsgemäßen Positioniervorrichtungen durchgeführt werden, die an gegenüberliegenden Enden des Werkstücks angreifen.

10: Positioniervorrichtung
12: Grundkörper
14: Abriebskörper
16: Verbindungselement
18: Exzenter-Piezoaktor
20: Basisring
22: Grundkörper-Membran
24: Hülse
26: elastokinematische Gitterführung
28: Aufnahmehülse
30: Kern
32a, b: Kegelpfannen-Kugelscheiben-Gelenk
34: Längsbohrung
36: Neige-Piezoaktor
38: Fixierplatte
40: Spannung
42: Vorspannschraube
44: Abtriebkörper-Membran
46: Exzenterring
48: Exzenterkörper
50: Kopfabschnitt
52: Spannvorrichtung
54: Fußabschnitt
56: Werkstück
58: Adapterflansch
60: Werkstückspindel
62: Funkschnittstelle
L: Längsachse
F: Fußpunkt
K: Krafteinleitungspunkt
D: Drehpunkt

Claims

Positioniervorrichtung, insbesondere Spannfutter für eine Werkzeugmaschine, mit (a) einem Grundkörper (12), (b) einem bezüglich einer Längsachse (1) vor dem Grundkörper (12) angeordneten Abtriebskörper (14) zum Verbinden mit einem Werkstück (56), (c) einem mit dem Grundkörper (12) verbundenen und sich entlang der Längsachse (L) erstreckenden Verbindungselement (16) und (d) mindestens zwei am Grundkörper (12) befestigten, quer zur Längsachse (L) wirkenden Exzenter-Aktoren (18), die ausgebildet sind zum Verschieben des Abtriebskörpers (14) senkrecht zur Längsachse (L) relativ zum Grundkörper (12) durch elastisches Verformen des Verbindungselements (16), dadurch gekennzeichnet, dass (e) die Positioniervorrichtung (10) mindestens zwei Neige-Aktoren (36) zum Neigen des Abtriebskörpers (14) relativ zum Grundkörper (12) besitzt.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Neige-Aktoren Neige-Piezoaktoren (36) sind.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (16) einen Kern (30) umfasst, in dem die mindestens zwei Neige-Piezoaktoren (36) parallel zu der Längsachse (L) verlaufen.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (16) ein Spannelement (42) umfasst, das in einem Fußpunkt (F) mit dem Abtriebskörper (14) verbunden und zwischen den Neige-Piezoaktoren (36) angeordnet ist, wobei das Spannelement (42) und die Neige-Piezoaktoren (36) so angeordnet sind, dass ein Längen eines der Neige-Piezoaktoren (36) und ein Verkürzen aller anderen Neige-Piezoaktoren (36) zum Neigen des Abtriebskörpers (14) zum Grundkörper (12) führt.
Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch vier Neige-Piezoaktoren (36), die jeweils in einem Krafteinleitungspunkt (K) an dem Abtriebskörper (14) angreifen, wobei die Krafteinleitungspunkte (K) eine Raute, insbesondere ein Quadrat, bilden.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fußpunkt (F) im geometrischen Mittelpunkt der Raute angeordnet ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) einen Basisring (20) und eine am Basisring (20) befestigte Grundkörper-Membran (22) umfasst, die eine relativ zum Basisring (20) verringerte Biegesteifigkeit besitzt und an der das Verbindungselement (16) angeordnet ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebskörper (14) einen Exzenterring (46) und eine am Exzenterring (46) befestigte Abtriebskörper-Membran (44) umfasst, die eine relativ zum Exzenterring (46) verringerte Biegesteifigkeit besitzt und an der das Verbindungselement (16) angeordnet ist.
Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenter-Piezoaktoren (18) angeordnet sind, um zwischen der Grundkörper-Membran (22) und der Abtriebskörper-Membran (44) auf das Verbindungselement (16) zu wirken.
Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterring (46) parallelverschieblich am Grundkörper (12) gelagert ist.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (16) mit einem Exzenterkörper (48) verbunden ist, der am Grundkörper (12) gelagert und mittels der Exzenter-Piezoaktoren (18) parallel relativ zum Grundkörper (12) verschiebbar ist, und dass der Abtriebskörper (14) schwenkbar an dem Exzenterkörper (48) gelagert ist.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebskörper (14) einen Fußabschnitt (54) und einen Kopfabschnitt (50) zum Verbinden mit einem Werkstück (56) umfasst, wobei die mindestens zwei Neige-Piezoaktoren (36) am Exzenterkörper (48) angeordnet sind, quer zur Längsachse (L) verlaufen und so zum Fußabschnitt (54) angeordnet sind, dass ein Längen eines der Neige-Piezoaktoren (36) und ein Verkürzen der anderen Neige-Piezoaktoren (36) zu einem Neigen des Abtriebskörpers (14) relativ zum Exzenterkörper (48) führt.
Positioniervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenterkörper (48) vier in Gegenspieleranordnung angeordnete Neige-Piezoaktoren (36) besitzt, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (L) angeordnet sind.
Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebskörper (14) benachbart zu seinem Kopfabschnitt (50) von der Abtriebskörper-Membran (44) gehaltert ist.
Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) ausgebildet ist, um mit einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Schleif- oder Drehmaschine, verbunden zu werden.
Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch vier Exzenter-Piezoaktoren (18), die in Gegenspieleranordnung angeordnet sind.
Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abtriebskörper (14) eine Spannvorrichtung (52), insbesondere ein Backen- oder Membranspannfutter, zum Spannen des Werkstücks (56) befestigt ist.
Positioniervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung, die ausgebildet ist, um jeweils zwei in Gegenspieleranordnung angeordnete Piezoaktoren (18, 36) so anzusteuern, dass sich einer der Piezoaktoren (18, 36) um einen vorgegebenen Betrag längt und sich der andere Piezoaktor um den gleichen Betrag verkürzt.
Werkzeugmaschine, insbesondere Schleif- oder Drehmaschine, mit (a) einer Werkstückdrehvorrichtung zum Drehen eines Werkstücks (56) um eine Drehachse und (b) einer Positioniervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei (c) die Längsachse (L) der Positioniervorrichtung (10) mit der Drehachse zusammenfällt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Messvorrichtung zum Erfassen einer Lage eines mit der Positioniervorrichtung gespannten Werkstücks (56).
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 19 oder 20, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung zum Ansteuern der Positioniervorrichtung (10), die eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 22 bis 23.
Verfahren zum Ausrichten eines Werkstücks, mit dem Schritt: Spannen des Werkstücks (56) auf einer Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 20 oder 21.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erfassen einer Kontur des Werkstücks (56) mit einer Messvorrichtung, (b) Ermitteln einer Exzentrizität und einer Taumelabweichung des Werkstücks und (c) Ansteuern der Positioniervorrichtung (10) so, dass die Exzentrizität und die Taumelabweichung verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Werkstück ein optisches Bauteil mit einer optischen Achse ist, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erfassen der optischen Achse des Bauteils, (b) Ermitteln einer Abweichung der optischen Achse von der Drehachse der Werkzeugmaschine und (c) Ansteuern der Positioniervorrichtung so, dass die Abweichung verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, gekennzeichnet durch den Schritt eines Bearbeitens des Werkstücks (56), insbesondere durch Schleifen, Drehen, Fräsen und/oder Hartdrehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, gekennzeichnet durch den Schritt: – Erfassen einer Lage der Positioniervorrichtung relativ zur Werkzeugmaschine, – Erfassen einer Bearbeitungskraft auf das Werkstück und – Ansteuern der Exzenter- und/oder der Neige-Piezoaktoren so, dass die eine Auslenkung des Werkstücks aufgrund der Bearbeitungskraft vermindern oder kompensieren.