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Die Erfindung betrifft eine Schwingplattform für ein Fertigungssystem zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Werkzeugs durch Antrieb der Schwingplattform zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück.
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Konventionelle Fertigungssysteme zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Werkzeugs mit geometrisch bestimmten oder unbestimmten Schneiden sind hinreichend bekannt. Zur Durchführung derartiger Fertigungsverfahren werden Werkzeug und Werkstück jeweils in vorgegebener Weise gegeneinander relativ verlagert, wobei zumindest eines der beiden Funktionsteile – Werkstück oder Werkzeug – gegenüber dem anderen mittels eines makroskopischen Antriebs angetrieben wird. Ein derartiger Antrieb kann je nach gewünschter Oberfläche des Werkstücks als Linear-, Drehbewegung oder Bewegung in Freiform oder in Summe aus Bestandteilen dieser erfolgen.
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Aus der
DE 10 2005 005 230 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung bekannt, bei der das Werkstück ausschließlich mittels Ultraschall bearbeitet wird. Zur Erzeugung der Materialabtragung am Werkstück verursachenden Schwingungen sind resonante Bedingungen notwendig. Dies bedeutet, dass im vorgesehenen Ultraschallbereich eine Berechnung, Konstruktion und Fertigung einer Schwingplattform zur Aufnahme des Werkstücks oder des Werkzeugs notwendig ist, um die Resonanzbedingungen zu erfüllen. Beispielsweise müssen bei Masseänderungen der Schwingplattform bei sich änderndem Werkzeug oder Werkstück die Schwingungsparameter neu berechnet und umgesetzt werden. Insbesondere ein hierfür vorgesehener Ultraschallschwinger und dessen Anbindung an die Schwingplattform in Form einer Sonotrode müssen dabei in umständlicher Weise angepasst werden. Dies erfordert einen erheblichen Zeit- und Montageaufwand.
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer Schwingplattform für ein konventionelles Fertigungssystem mit konventionellem Antrieb zwischen Werkstück und Werkzeug.
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Die Aufgabe wird durch eine Schwingplattform gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die auf diesen Anspruch rückbezogenen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen. Eine vorteilhafte Schwingplattform für ein Fertigungssystem zur spanenden oder abtragenden Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Werkzeugs durch Antrieb der Schwingplattform zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück ist dabei derart ausgebildet, dass dem Antrieb eine nicht resonante Schwingung überlagert ist. Dies bedeutet, dass während einer durch den Antrieb bewirkten Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug eine von der Schwingplattform eingetragene, von der Ausbildung einer Resonanz unabhängige Schwingung überlagert wird, die den Fertigungsprozess in vorteilhafter Weise unterstützt. Die Schwingplattform ermöglicht gegenüber einer auf eine Resonanzbedingung abgestimmten Ultraschallplattform eine vereinfachte Herstellung und Bedienung. Weiterhin kann bei wesentlich kleineren, einfach zu kontrollierenden Frequenzen gearbeitet werden. Die Schwingplattform ist infolge einer nicht resonanten Arbeitsweise nicht empfindlich gegenüber Änderungen der beteiligten Massen und Abmessungen des in Schwingung versetzten Werkzeugs oder Werkstücks und kann daher auf eine breite Anwendung verschiedener Fertigungssysteme angewendet werden. Die Richtung und Amplitude ist neben der Frequenz im physikalischen Sinne weitgehend flexibel einsetzbar. Beispielsweise können auf eine Fertigungsrichtung bezogene Flexibilitäten und Steifigkeiten weitgehend unabhängig vorgegeben werden. Die Schwingungsanregung der Schwingplattform erfolgt innerhalb dieser, so dass keine Abstützung gegenüber dem Fertigungssystem erfolgen muss. Die Schwingungsanregung ist einem Antrieb zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, beispielsweise einem Vorschub einer Drehbewegung, einer bidirektionalen Linearbewegung und dergleichen überlagert.
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Je nach Anforderung an die Werkzeugführung gegenüber dem Werkstück kann dabei unabhängig von Resonanzvoraussetzungen der Schwingplattform und den darauf befestigten Massen eine bevorzugte Frequenz und eine hierzu vorteilhafte Amplitude eingestellt werden, die lediglich durch die mechanischen und physikalischen Grenzparameter der Massebeschleunigung begrenzt ist. Hierbei können – abhängig vom eingesetzten Schwinger, beispielsweise einem Exzenter, einem Piezo-Schwinger und dergleichen – Frequenzen von einem Hertz bis in den Megahertzbereich bei Amplituden zwischen mehreren Millimetern bis zu mit zunehmenden Frequenzen physikalisch bedingt abnehmenden Amplituden bis in den Nanometer-Bereich vorgesehen sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Frequenzen bis zu einem GHz, bevorzugt unterhalb des Ultraschallbereichs bis zu 20 kHz und Amplituden bis zu 5 Millimetern, bevorzugt im Bereich von Mikrometern vorzusehen.
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Die vorgeschlagene Schwingplattform kann in einer ersten Gruppe von vorteilhaften Ausbildungsformen beispielsweise bei spanender Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide wie Fräsen, Bohren, Reiben oder Hobeln oder geometrisch unbestimmter Schneide wie Schleifen, Honen, Leppen, Super-Finishing oder dergleichen beziehungsweise bei abtragender Bearbeitung wie Laserabtragung, elektrochemischer Abtragung, Erodieren oder dergleichen das Werkstück aufnehmen, so dass dieses in entsprechende Schwingungen versetzt vom angetriebenen Werkzeug bearbeitet wird. Alternativ kann das Werkzeug auf der Schwingplattform aufgenommen sein, wobei diese angetrieben und in Schwingung versetzt wird. In einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen kann das Werkzeug auf der Schwingplattform aufgenommen sein. Beispielsweise kann in einem Fertigungssystem mit geometrisch bestimmter Schneide ein in Schwingung versetzter Meißel gegen das drehende Werkstück angetrieben werden oder bei geometrischer unbestimmter Schneide ein Schleifmittel gegen das Werkstück geführt werden.
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Die Schwingplattform kann eine das Werkzeug oder das Werkstück aufnehmende Aufnahmeplatte enthalten, die mittels eines elastischen Zwischenelements auf einer Trägerplatte der Schwingplattform aufgenommen ist. Hierbei kann die Schwingplattform gegenüber dem Fertigungssystem beispielsweise mittels einer entsprechend massiv gegenüber der Aufnahmeplatte ausgelegten Trägerplatte, einer zwischen Zwischenelement und Trägerplatte und/oder zwischen Trägerplatte und einem diese aufnehmenden Maschinenbett des Fertigungssystems vorgesehenen Schwingungsisolierung im Wesentlichen schwingungsfrei gegenüber dem Fertigungssystem vorgesehen sein. Zumindest ein Schwinger, beispielsweise ein Exzenter, ein Piezo-Schwinger oder ein mittels eines anderen physikalischen Prinzips eine in die Aufnahmeplatte eingetragene Energie in eine Schwingung umsetzender Schwinger regt dabei die Aufnahmeplatte selbst oder das Zwischenelement zu den vorgegebenen Schwingungen mit einer vorgesehenen Frequenz und Amplitude an. Die Schwingungsanregung kann auch zwischen Trägerplatte und Aufnahmeplatte vorgesehen sein. Das Zwischenelement kann aus elastischen Stützen, einer elastischen Platte, beispielsweise aus elastischem Material wie Gummi oder dergleichen gebildet sein.
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Im einfachsten Fall kann beispielsweise ein einziger Schwinger eine lineare Schwingung in Fertigungsrichtung oder in eine von dieser abweichenden Richtung auf die Aufnahmeplatte übertragen. Mehrdimensionale Schwingungen in mehrere Schwingrichtungen können durch einen oder mehrere Schwinger auf die Aufnahmeplattform übertragen werden. Der zumindest eine Schwinger kann sich außerhalb der Schwingplattform gehäusefest beispielsweise an einem fest angeordneten Bauteil des Fertigungssystems abstützen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, den oder die Schwinger innerhalb der Schwingplattform beispielsweise an der Trägerplatte abzustützen oder mit entsprechender Eigenmasse ausgerüstet frei gegenüber der Aufnahmeplatte schwingen zu lassen.
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Der zumindest eine Schwinger koppelt in bevorzugter Weise mittels eines Schwingungsübertragers an die Aufnahmeplattform oder das Zwischenelement an und überträgt steif oder elastisch die erzeugten Schwingungen an die Aufnahmeplattform oder das Zwischenelement. Der Schwingungsübertrager kann passiv als mechanisches Bauteil ausgebildet sein oder aktiv schwingungsverstärkend ausgebildet sein.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Schwingplattform eine mechanisch autarke Baueinheit bildet. Diese kann in entsprechenden Fertigungssystemen in einfacher Weise aus- und eingebaut werden und beispielsweise zwischen verschiedenen Fertigungssystemen ausgetauscht werden. Durch eine mögliche Abstimmung von Frequenz und Amplitude kann die Schwingplattform in einfacher Weise auf verschiedene Anwendungen abgestimmt werden, ohne eine exakte Berechnung und Anpassung an Resonanzbestimmungen vornehmen zu müssen. In vielen Anwendungsfällen kann durch empirische Ermittlung beispielsweise ausgehend von einem nicht schwingungsaktiven Betriebszustand der Schwingplattform eine Verbesserung der Fertigungsergebnisse des Fertigungssystems erzielt werden, indem beispielsweise die Frequenz und die Amplitude des Schwingers optimiert werden.
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Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt schematisch den Aufbau der Schwingplattform 1 mit der an dem Maschinenbett 11 eines Fertigungssystems gehäusefest oder an einem Antrieb fest und mit diesem verlagerbar aufgenommenen Trägerplatte 2. Auf der Trägerplatte ist das hier aus beispielsweise einer größeren Anzahl elastischer Stützen 4 gebildete Zwischenelement 3 aufgenommen. Das Zwischenelement 3 nimmt die Aufnahmeplatte 5 gegenüber der Trägerplatte 2 elastisch auf. Die Aufnahmeplatte 5 wird mittels des Schwingungsübertragers 6 von dem Schwinger 7 in Schwingung versetzt. Hierbei wirken die zwischen Zwischenelement 3 und der Trägerplatte 2 und/oder zwischen der Trägerplatte 2 und dem Maschinenbett 11 angeordneten Schwingungsisolierungen 9, 10 im Wesentlichen schwingungsdämpfend gegenüber dem Maschinenbett 11, so dass die Schwingplattform 1 im Wesentlichen schwingungsisoliert gegenüber dem Fertigungssystem ist. Im Weiteren kann die Trägerplatte 2 gegenüber dem Fertigungssystem eine Tilgerfunktion übernehmen, indem diese beispielsweise gegenüber der Aufnahmeplatte 5 eine große Masse aufweist. Der Schwinger 7 kann an der Aufnahmeplatte 5 frei fliegend oder schwimmend geführt aufgenommen sein, so dass sich eine Schwingungsfrequenz der Aufnahmeplatte 5 aus der Schwingungsanregung des Schwingers aufgrund der Schwingungskoppelung zwischen Schwinger 7 und Aufnahmeplatte 5 mittels des Schwingungsübertragers 6 ergibt. Der Schwingungsübertrager 6 kann steif oder teilelastisch ausgebildet sein und daher die Schwingungen des Schwingers 7 gleich, gedämpft oder verstärkend übertragen. Im Weiteren kann der Schwinger 7 an dem Fertigungssystem, bevorzugt aber an dem Zwischenelement 3 oder an der Trägerplatte 2 abgestützt sein. Der Schwinger 7 ist für eine nicht resonante Übertragung seiner Schwingungen ausgelegt, was bedeutet, dass eine Resonanzbedingung zwischen Schwinger 7 und Aufnahmeplatte 5 nicht vorgesehen ist.
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Die Aufnahmeplatte 5 nimmt das zu bearbeitende Werkstück oder das bearbeitende Werkzeug auf. Hierzu sind je nach Bedarf nicht dargestellte Befestigungsmittel wie beispielsweise eine Lochplatte, Schraubanschlüsse, Zentriervorrichtungen, Rastvorrichtungen und dergleichen vorgesehen. Infolge des nicht resonanten Betriebs der Schwingplattform ist eine Massenänderung der Aufnahmeplatte 5, die Auslegung des Schwingers 7 mit dem Schwingungsübertrager 6, des Zwischenelements 3 und der Trägerplatte 2 für deren Funktion von untergeordneter Bedeutung. Abgesehen von der äußeren Versorgung des Schwingers 7 mit Energie wie beispielsweise elektrischer Energie und bei externer Steuerung des Schwingers entsprechend vorgesehenen Steuerleitungen ist die Schwingplattform als Baueinheit 8 autark betreibbar und ohne hohen Aufwand in ein Fertigungssystem integrierbar oder zwischen mehreren dieser austauschbar. Die Steuerung beziehungsweise Einstellung des Schwingers 7 kann fest vorgegeben sein, auf der Schwingplattform 1 mittels Bedienelementen wie beispielsweise Schaltern oder von außen drahtlos oder über Steuerleitungen vorgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingplattform
- 2
- Trägerplatte
- 3
- Zwischenelement
- 4
- Stütze
- 5
- Aufnahmeplatte
- 6
- Schwingungsübertrager
- 7
- Schwinger
- 8
- Baueinheit
- 9
- Schwingungsisolierung
- 10
- Schwingungsisolierung
- 11
- Maschinenbett
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005005230 A1 [0003]
