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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schleifen von festen Werkstücken, mit
- • einer Schleifscheibe,
- • einem ersten Lager zur drehbaren Lagerung der Schleifscheibe um eine erste Drehachse,
- • einem mit der Schleifscheibe gekoppelten Schleifscheibenantrieb zum Drehen der Schleifscheibe.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schleifen von festen Werkstücken, bei dem
- • eine Schleifscheibe durch einen Schleifscheibenantrieb in Drehung um eine erste Drehachse versetzt wird,
- • die Schleifscheibe in einem ersten Lager um die erste Drehachse drehbar gelagert wird.
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Die Schleifscheibe ist vorzugsweise mit einer ebenen Schleifoberfläche auf der von dem Lager abgewandten Seite oder mit zwei ebenen Schleifoberflächen auf beiden Seiten versehen. Die Schleifoberflächen können aber auch von ebenen Flächen abweichen.
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Zum Schleifen der Enden flexibler Borsten von Bürsten ist aus der Druckschrift
DE 297 13 087 U1 eine Vorrichtung bekannt, bei der eine kegelförmige Schleifscheibe um eine Rotationsachse rotiert und gleichzeitig um eine zur Rotationsachse schräg verlaufende zweite Achse umlaufend drehbar ist. Der Schrägstellungswinkel der zweiten Achse entspricht dem Kegelwinkel der Schleifscheibe und die flexiblen Borsten werden im Wesentlichen im Schnittpunkt der zweiten Achse mit der Oberfläche der Schleifscheibe gegen die Schleifscheibe gedrückt. Hierdurch ergibt sich bei senkrechtem Verlauf der zweiten Achse durch die betragsgleichen Schrägstellungswinkel und Kegelwinkel im Wesentlichen eine horizontal verlaufende Oberfläche der Schleifscheibe im Kontaktbereich mit den Borsten. Durch das umlaufende Verdrehen der Schleifscheibe kann die Richtung der Schleifbewegung der Oberfläche der Schleifscheibe kontinuierlich geändert werden, so dass die Enden der flexiblen, sich durch die Schleifscheibe in deren Drehrichtung verbiegenden Borsten von allen Seiten angeschliffen werden und so dass sich ein Schleifergebnis mit etwa halbkugelig abgerundeten Enden der Borsten ergibt. Ein derartiges Vorgehen ist allerdings bei festen, nicht flexiblen Werkstücken unmöglich, da diese nicht durch die Schleifkraft verbogen werden.
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Die vorliegende Entwicklung ist insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schleifen von starren, metallischen Schweißelektroden für das Widerstandsschweißen gerichtet. Beim Widerstandsschweißen von Metallblechen werden elektrische Ströme mit hoher Stromstärke durch zwei gegen die äußeren Oberflächen der miteinander zu verschweißenden Bleche gedrückten Elektroden in die Bleche eingeleitet. Hierdurch wird das Metall der Bleche aufgeschmolzen und bildet eine Schweißlinse, welche die gegeneinander gedrückten Bleche fest miteinander verbindet. Die Schweißelektroden bestehen üblicherweise aus Kupfer oder Kupferlegierungen.
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Insbesondere beim Aluminium-Widerstandsschweißen ist die ideale Form und die Reinheit der Oberfläche der Schweißelektroden eine wesentliche Voraussetzung für die Erzeugung eines Schweißpunktes mit hoher und reproduzierbarer Qualität. Schon durch das Schweißen einiger Schweißpunkte, zum Beispiel zehn bis zwanzig Schweißpunkte, können die Oberflächen der Schweißelektroden durch Ablagerungen und Verschleiß beeinträchtigt werden, so dass die erzeugten Schweißpunkte nicht die gewünschte Festigkeit aufweisen.
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Aus diesem Grund werden Schweißelektroden in regelmäßigen Zeitabständen nachgearbeitet, so dass ihre Oberflächen bei jedem Schweißvorgang eine optimale Form aufweisen und frei von Verunreinigungen sind. Ein bekanntes Verfahren zum Nacharbeiten der Oberflächen der Schweißelektroden ist das Schleifen der Schweißelektroden.
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Die Firma AMDP S.A.S. aus Croissy-sur-Seine bietet eine Schleifvorrichtung für Schweißelektroden an, bei der eine ebene Schleifscheibe an einer starren Drehachse befestigt, welche durch einen Antriebsmotor in Drehung versetzt wird. Der Antriebsmotor befindet sich in einem Gehäuse, dessen oberes Ende an einem Gestell schwenkbar befestigt ist. Ein Taumelantrieb bewegt das untere Ende des Gehäuses auf einer Kreisbahn, so dass die in dem Gehäuse aufgenommene Drehachse eine Taumelbewegung ausführt, um mit der Schleifscheibe an der Elektrode eine kegelförmige Elektrodenoberfläche zu erzeugen. Diese Vorrichtung weist eine ortsfeste Position der taumelnden Schleifscheibe auf, so dass die Schweißelektroden für die Bearbeitung, z.B. durch einen die Schweißzange mit den Elektroden tragenden Roboterarm, gegen die Schleifscheibe gedrückt werden müssen. Dies erfordert eine sehr aufwändige Programmierung des Roboterarms.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren der oben genannten Art für starre Werkstücke zu schaffen, welche automatisch die Herstellung von frei definierbaren Oberflächen auf der die Schleifscheibe kontaktierenden Fläche des starren Werkstücks ermöglichen. Wenn das bearbeitete Werkstück eine Schweißelektrode ist, sollen die Vorrichtung und das Verfahren die Erzeugung einer optimal für den Schweißvorgang geeigneten, rotationssymmetrischen konvexen und insbesondere kegel- oder kappenförmigen Elektrodenoberfläche, möglichst mit hoher Geschwindigkeit, ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Bezug auf die Vorrichtung durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Mit anderen Worten ist die maschinenseitige Lagerschale des Lagers, welches die Schleifscheibe um ihre Symmetrieachse drehbar lagert, auf einem Lagerträger derart befestigt, dass ihre Ebene in alle Richtungen verschwenkt werden kann. Die Lagerschale ist ferner in eine Richtung verschiebbar befestigt. Die Verschieberichtung der Lagerschale wird als Ausgangsrichtung bezeichnet. Die Verschwenkbarkeit der Lagerebene in alle Richtungen bezieht sich auf eine Ausgangsebene, die zur Ausgangsrichtung senkrecht liegt. Insbesondere für die Bearbeitung von Schweißelektroden muss in Bezug auf die Ausgangsebene eine Verschwenkung nur innerhalb eines beschränkten Winkelbereichs von weniger als 20°, in der Praxis meist weniger als 10° ermöglicht werden. Für andere Anwendungsfälle kann ein größerer Schwenkwinkel gewählt werden. Die Vorrichtung umfasst Stellantriebe zum Verschwenken und Verschieben des Lagerträgers sowie eine digitale Steuereinheit, welche die Stellantriebe derart steuert und synchronisiert, dass die Oberfläche der Schleifscheibe eine frei definierte Fläche um einen ortsfesten Bezugspunkt erzeugt, der einen radialen Abstand vom Mittelpunkt der Schleifscheibe aufweist. Das heißt, dass das Werkstück parallel zur Ausgangsrichtung auf den Bezugspunkt zu bewegt werden kann, bis die Stirnseite des Werkstücks die Schleifscheibe im Bereich des Bezugspunkts kontaktiert. Die Steuereinheit steuert und synchronisiert die Stellantriebe derart, dass der Kontaktbereich zwischen Schleifscheibe und Stirnfläche des Werkstücks eine bezogen auf die Stirnfläche des Werkstücks vorgegebene und im Rahmen der möglichen Bewegungsfreiheit des Lagerträgers frei definierbare Fläche erzeugt.
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Im bevorzugten Fall einer Schweißelektrode wird die gegen die Schleifscheibe anliegende Stirnfläche des Werkstücks in eine konvexe, zum Bezugspunkt und zur Mittelachse des Werkstücks rotationssymmetrische Form gebracht. Die Stirnflächen von Schweißelektroden sind in der Regel leicht kegelförmig oder ballig ausgebildet.
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Aufgrund der beliebigen Richtung der Verschwenkung der Lagerebene und der synchronisierten Verschiebung des Lagers in parallel zur Ausgangsrichtung kann aber innerhalb des Verschwenkbereichs und des Verschiebeberichs zu jeder Zeit ein beliebiger Anstellwinkel und eine beliebige Kontaktebene eingestellt werden. Die durch die Oberfläche der Schleifscheibe erzeugte Fläche kann also innerhalb der Verschwenk- und Verschiebebereiche frei definiert werden. Beispielsweise kann diese Fläche pyramidenförmig ausgebildet sein. Die Stellantriebe werden dann z.B. bei einer dreiflächigen Pyramide in drei diskrete Neigungspositionen der Lagerebene gegen das Werkstück bewegt. Zum Verstellung der Lagerebene wird die Schleifscheibe von dem Werkstück weg bewegt. Nach dem Einnehmen der neuen Lagerebene wird die Schleifscheibe wieder durch die Verschiebbewegung gegen das Werkstück bewegt. Auf diese Weise kann auch eine vierflächige Pyramide oder eine facettenförmige Fläche an der Stirnseite des Werkstücks erzeugt werden.
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Wenn eine rotationssymmetrische Fläche erzeugt wird, wird anders als bei der Schleifvorrichtung der Firma AMDP S.A.S. der Winkel der Oberfläche der Schleifscheibe nicht zwangsläufig durch eine Taumelbewegung des Gehäuses der Schleifvorrichtung vorgegeben sondern durch die digitale Steuerungseinheit eingestellt.
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Die Antriebsmotoren, welche das Verschwenken und Verschieben bewirken, sind Schrittmotoren, deren Betätigung durch die digitale Steuerungseinheit sehr präzise gesteuert werden kann. Die Stellantriebe geben bei jeder Umdrehung der Motorwelle mehrere Signale an die digitale Steuerungseinheit ab, so dass die digitale Steuerungseinheit jederzeit über den Bertrag und die Richtung der Drehbewegung jedes der Stellantriebe informiert ist. Die Stellantriebe können über Untersetzungsgetriebe, beispielsweise Schraubspindeln oder Kugelumlaufspindeln, mit dem Lagerträger verbunden sein, so dass jede Umdrehung eines der Stellantriebe nur eine geringfügige Veränderung der Lage des Lagerträgers bewirkt. Dadurch ist die Steuerung der Bewegung der Schleifscheibe durch die Stellantriebe sehr präzise.
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In der Praxis kann jeder Stellantrieb eine Referenzposition aufweisen, in der die Steuerungseinheit ein Referenzsignal erhält und von der aus die Steuerungseinheit die Betätigung des jeweiligen Stellantriebs steuert. Die Referenzstellung kann entweder ein Anschlag des jeweiligen Stellantriebs am Ende seines Verstellweges sein oder eine Position, z.B. in der Mitte des Verstellweges, in der ein Signalgeber ein Signal an die Steuerungseinheit überträgt.
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Die Synchronisation der Stellantriebe zum Verschwenken des Lagerträgers kann zur Herstellung einer rotatsionssymmetrischen Fläche beispielsweise derart erfolgen, dass die Lagerebene einen konstanten Neigungswinkel zur Ausgangsebene aufweist, der sich aber umlaufend verlagert. Mit anderen Worten weist die Drehachse des Lagers eines konstanten Winkel zur Ausgangsrichtung auf, wobei diese Schrägstellung sich umlaufend ändert, so dass die Drehachse bei einem Umlauf einen Kegel definiert, dessen Symmetrieachse parallel zur Ausgangsrichtung verläuft. Der Stellantrieb oder die Stellantriebe zum Verschieben des Lagerträgers werden dabei derart betrieben, dass die Schleifscheibe jederzeit in dem vorgegebenen Kontaktbereich nahe dem ortsfesten Bezugspunkt mit der Stirnfläche des Werkstücks in Kontakt steht, um die angestrebte rotationssymmetrische konvexe Fläche dieser Stirnfläche auszubilden. Beim einfachen zyklischen Verschwenken der Lagerachse entlang eines Kegels mit Kegelachse parallel zur Ausgangsrichtung würde an jedem Bezugspunkt mit radialem Abstand vom Mittelpunkt der Schleifscheibe eine axiale Bewegung des Kontaktbereiches der Schleifscheibe zum Werkstück hin und vom Werkstück weg erfolgen. Durch die synchrone Verschiebung des Lagerträgers wird diese axiale Bewegung ausgeglichen und der Lagerträger wird derart geführt, dass der Kontaktbereich der Oberfläche der Schleifscheibe mit dem Werkstück sich auf der angestrebten subrotationssymmetrischen Fläche befindet.
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Dabei ist zu beachten, dass zu Beginn des Schleifvorgangs die Oberfläche des Werkstücks von der angestrebten Fläche abweichen kann. Die Schleifscheibe sollte daher flexibel ausgebildet oder gehalten sein, so dass ihre Oberfläche eine gewisse Nachgiebigkeit aufweist. Hierzu kann das Material der Schleifscheibe elastisch verformbar sein, so dass sie zu Beginn des Schleifvorgangs einfedert, bis die Stirnfläche des Werkstücks die angestrebte rotationssymmetrische Fläche angenommen hat. Alternativ kann der Lagerträger elastisch gehalten sein, so dass er zu Beginn des Schleifvorgangs von dem Werkstück aus der Soll-Position herausgedrückt werden kann, bis die mit der Schleifscheibe in Kontakt stehende Oberfläche des Werkstücks die angestrebte Form angenommen hat. Selbstverständlich kann auch die durch die Steuerungseinheit bewirkte Verschiebebewegung derart erfolgen, dass die Abweichung von der angestrebten Fläche ausgeglichen wird.
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Gegenüber der festen Zwangsbewegung der Lagerung der Schleifscheibe mittels einer Taumel-Vorrichtung hat die vorgeschlagene freie Verschwenkbarkeit und Verschiebbarkeit des Lagerträgers in Bezug auf eine Ausgangsstellung (Schleifscheibe befindet sich parallel zur Ausgangsebene) hat in der Praxis mehrere Vorteile. Zum einen kann der konstruktive Aufbau der verstellbaren Befestigung des Lagerträgers recht simpel gehalten werden. Ferner werden Unwuchten vermieden, die sich durch das Bewegen großer Massen ergeben. Außerdem kann durch die freie Verschwenkbarkeit und Verschiebbarkeit des Lagerträgers eine hohe Variabilität in Bezug auf die Schleifbearbeitung selbst erzielt werden. Bei einer zwangsgesteuerten Bewegung des Lagers der Schleifscheibe bewegt sich dieses Lager auf einer fest vorgegebenen Bahn. Die Schleifscheibe taumelt folglich konstant um die angestrebte rotationssymmetrische Fläche. Jeder Bereich der zu erzeugenden rotationssymmetrischen Fläche wird dabei mit gleicher Intensität bearbeitet. Bei der neuen selektiven freien Verschwenkbarkeit und Verschiebbarkeit gemäß dem hier beschriebenen Vorschlag können unterschiedliche Bereiche der zu erzeugenden Fläche unterschiedlich intensiv bearbeitet werden. Beispielsweise kann während der Bearbeitung das Drehmoment des Schleifscheibenantriebs gemessen werden. Ein hohes Drehmoment lässt auf einen großen Materialabtrag schließen. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass die Oberfläche des Werkstücks erheblich von dem Verlauf der zu erzeugenden Fläche abweicht. Die Verstellbewegung der Stellantriebe kann folglich derart erfolgen, dass der Kontaktbereich sich zunächst dort befindet, wo ein hohes Drehmoment des Schleifscheibenantriebs gemessen wird. Es werden also erst die Bereiche des Werkstücks bearbeitet, die die größten Formabweichungen von der angestrebten Oberfläche aufweisen. Die Stellantriebe können dann den Lagerträger weiter bewegen, wenn dieses Drehmoment abgesunken ist, bis in dem gesamten Stellbereich ein gleichförmiges niedriges Drehmoment herrscht und die Werkstückoberfläche der angestrebten Oberfläche, welche durch die Bewegung der Schleifscheibe definiert wird, entspricht.
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Außerdem liegt bei einer zwangsgesteuerten Taumelbewegung der Schleifscheibe der Bezugspunkt meist ortsfest im Raum. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung kann der Bezugspunkt dagegen beliebig innerhalb der Kontur der Schleifscheibe gewählt werden. Bei einer Verlagerung des Bezugspunktes ist lediglich die Verschiebebewegung derart anzupassen, dass sie die durch das Verschwenken der Schleifscheibe hervorgerufene Verlagerung der Schleifscheibenoberfläche in Ausgangsrichtung ausgleicht. Dadurch können aufeinanderfolgende Werkstücke durch unterschiedliche Bereiche der Schleifscheibe bearbeitet werden, so dass die Schleifscheibe über einen großen Bereich Ihres Durchmessers gleichmäßig benutzt werden kann.
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Durch die freie Verschwenkbarkeit und Verschiebbarkeit lassen sich die durch die Schleifscheibe erzeugten Flächen frei definieren. Zum Beispiel sind die Längsachsen von Schweißelektroden bei vielen Schweißzangen in offener Stellung zueinander schräggestellt. Diese bekannte Schrägstellung kann durch die Programmierung der Steuerungseinheit berücksichtigt werden, so dass an jeder der Schweißelektroden eine zu Ihrer Längsachse rotationssymmetrische Fläche erzeugt wird.
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Der Lagerträger kann auf beliebige Weise befestigt werden, solange er frei zur Ausgangsebene verschwenkbar und in Ausgangsrichtung verschiebbar ist. Bei einer praktischen Ausführungsform kann zur verschwenkbaren Lagerung der Lagerebene ein Schwenkgelenk verwendet werden. Hierzu eignet sich insbesondere ein Kreuzgelenk oder ein Kugelgelenk. Das Kreuzgelenk, auch Kardangelenk genannt, weist zwei sich kreuzende Schwenkachsen auf, um welche der Lagerträger schwenkbar ist. Das Schwenkgelenk ist verschiebbar an einem Maschinenrahmen zu befestigen, wobei der Bezugspunkt zum Rahmen ortsfest ist.
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Die Stellantriebe können einen ersten Neigungsverstellantrieb aufweisen, der das Verschwenken des Lagers um die erste der Schwenkachsen des Kreuzgelenks bewirkt. Sie können einen zweiten Neigungsverstellantrieb aufweisen, der das Verschwenken des Lagers um die zweite der Schwenkachsen des Kreuzgelenks bewirkt. Und sie können ferner einen linear wirkenden Antrieb aufweisen, der den Lagerträger verschiebt. Vorzugsweise verschiebt der linear wirkende Antrieb die gesamte Befestigungsanordnung für den Lagerträger mit dem Kreuzgelenk und den zwei Neigungsverstellantrieben. Die Neigungsverstellantriebe können beispielsweise Schrittmotoren sein, deren Motorwelle eine Gewindespindel oder Kugelumlaufspindel antreibt, welche die Neigung des Lagerträgers in Bezug auf die jeweilige dem Neigungsverstellantrieb zugeordnete Achse des Kreuzgelenks verändert. Der linear wirkende Antrieb kann ebenfalls eine Gewindespindel drehen, welche eine Gewindemutter in axialer Richtung vor- und zurückbewegt, an der eine Platte mit den Schwenkantrieben und dem Schwenklager befestigt ist.
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Das Kreuzgelenk ist vorzugsweise zur Ausgangsebene symmetrisch ausgebildet, d.h. dass die zwei Schwenkachsen des Kreuzgelenks parallel zur Ausgangsebene verlaufen, wenn die Lagerebene sich parallel zur Ausgangsebene erstreckt. Ferner ist das Kreuzgelenk vorzugsweise derart ausgebildet, dass der maximale Schwenkwinkel in Bezug auf die Ausgangsebene in alle Richtungen gleich groß ist.
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Alternativ zum Kreuzgelenk kann bei gleicher Funktion der Stellmotoren auch ein Kugelgelenk den Lagerträger verschwenkbar halten.
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Der Lagerträger kann nach Art einer Taumelscheibe bewegt werden. Eine Taumelscheibe ist beispielsweise aus dem Helikopterbau bekannt. Jedes Rotorblatt eines Helikopters ist über eine Blattverstellstange mit der Taumelscheibe gekoppelt. Durch Anheben und Absenken der Taumelscheibe werden die Anstellwinkel aller Rotorblätter kollektiv geändert. Das heißt, dass bei einer Parallelverschiebung der Taumelscheibe die Schrägstellung aller Rotorblätter in jeder Drehstellung des Rotors um das gleiche Maß verändert wird. Bei einer Verschwenkung der Taumelscheibe wird die Variation des Anstellwinkels jedes Rotorblatts bei einem Umlauf um die Rotorachse verändert. Je nach gewünschter Flugrichtung und Richtungsänderung muss das Rotorblatt vorne, hinten, rechts oder links einen größeren Auftrieb erzeugen und folglich einen größeren Antriebswinkel aufweisen. Die Schräglage der Taumelscheibe legt fest, in welcher Winkelposition bezogen auf die Flugrichtung der Anstellwinkel des Rotorblatts maximal ist.
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Im Kontext der vorliegenden Entwicklung ist allerdings nur die Bewegung der Taumelscheibe von Bedeutung, nicht ihre Funktion bei der Anstellwinkelverstellung von Rotorblättern.
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Eine Taumelscheibe ist entlang einer in Ausgangsrichtung verlaufenden Mittelachse verschiebbar und zu einer zur Ausgangsrichtung rechtwinklig verlaufenden Ausgangsebene frei verschwenkbar. Dabei ist die Taumelscheibe zum Beispiel mittels eines Kugelgelenks frei schwenkbar gelagert. Taumelscheibenantriebe weisen meist drei angetriebene Betätigungsstangen auf. An der Taumelscheibe sind im drei Abstand zueinander angeordnete Befestigungselemente vorgesehen sind, an denen jeweils eine Betätigungsstange angreift, die mit jeweils einem Stellantrieb verbunden ist. Die Befestigungselemente sind in Bezug auf die Mittelachse der Taumelscheibe möglichst regelmäßig in unterschiedlichen radialen Positionen angeordnet. Vorzugsweise weisen alle drei Befestigungselemente den gleichen Abstand zur Mittelachse der Taumelscheibe auf, das zweite Befestigungselement ist bezogen auf die Mittelachse in einem festgelegten Drehsinn um 120° zum ersten Befestigungselement verlagert und das dritte Befestigungselement ist um 240° zum ersten Befestigungselement verlagert. Mit anderen Worten befinden sich die drei Befestigungselemente an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks, dessen Schwerpunkt auf der Mittelachse der Taumelscheibe liegt. Die drei Befestigungspunkte der drei Befestigungselemente definieren zu jeder Zeit die Ebene der Taumelscheibe. Jedes der Befestigungselemente ist über eine Betätigungsstange mit einem Stellantrieb verbunden. Als Stellantrieb eignet sich wiederum eine durch einen Schrittmotor angetriebenen Gewindestange.
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Durch Betätigung eines der drei Stellantriebe wird das diesem Stellantrieb zugeordnete Befestigungselement in Richtung der Betätigungsstange verlagert, so dass die Taumelscheibe verschwenkt. Werden alle drei Stellantriebe gleichzeitig betätigt, kann die Taumelscheibe verschoben und verschwenkt werden. In der Praxis kann die Taumelscheibe an einem Schwenkgelenk (z.B. Kugelgelenk) gelagert, dessen Verschiebung durch eine in Ausgangsrichtung verlaufende Führungsstange geführt ist. Der Schwenkwinkel des Schwenkgelenks ist in der Praxis konstruktiv beschränkt. Die Taumelscheibe kann folglich durch Betätigen der Stellantriebe in axialer Richtung der Führungsstange verlagert und um eine Ausgangsebene, die senkrecht zur Führungsstange verläuft, herum in einem vorgegebenen Winkelbereich verschwenkt werden.
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Vorzugsweise kann in der Praxis bei parallel zur Ausgangsebene verlaufender Lagerebene jedes der Befestigungselemente mittels des Stellantriebs durch die darin befestigte Betätigungsstange parallel zur Ausgangsrichtung verschiebbar sein. Die Ausgangsrichtung kann in der Praxis parallel zur Führungsstange verlaufen. Mit anderen Worten bewirkt jeder Stellantrieb eine Verlagerung des ihm zugeordneten Befestigungselements parallel zur Ausgangsrichtung, wenn die Ebene der Taumelscheibe parallel zur Ausgangsebene ausgerichtet ist. Diese geometrischen Voraussetzungen führen zu relativ einfachen Berechnungen der Veränderung der Lage der Taumelscheibe in Abhängigkeit von der jeweiligen Betätigung der Stellantriebe. Die geometrischen Zusammenhänge und die Kinematik der Antriebselemente können aber auch unterschiedlich sein. Es ist lediglich erforderlich, dass beim Programmieren die geometrischen Zusammenhänge bekannt sind, so dass für jede Stellbewegung jedes der Stellantriebe die Veränderung der Position der Schleifscheibe bekannt ist und die Stellantriebe derart synchronisiert gesteuert werden können, dass die Oberfläche der auf der Taumelscheibe gelagerten Schleifscheibe die Stirnfläche des Werkstücks jeweils in einem vorgegebenen Kontaktbereich berührt, der auf der frei definierbaren Fläche liegt.
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Es sind aber auch andere Bauformen der Antriebe von Taumelscheiben bekannt, die das Verschwenken um die Ausgangsebene und das Verschieben entlang der Ausgangsrichtung bewirken und bei der vorliegenden Entwicklung zum Einsatz kommen können.
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Der Schleifscheibenantrieb kann ein Nabenmotor sein, dessen Außenläufer, auch Rotor genannt, drehfest mit der Schleifscheibe verbunden ist. Es kann aber auch jede andere Antriebsvorrichtung zum Drehen der Schleifscheibe verwendet werden. Zum Beispiel kann eine flexible Welle einen an dem Maschinenrahmen angeordneten Motor mit der Schleifscheibe koppeln.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
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Die 1 bis 4 zeigen eine perspektivische Darstellung und drei Schnittdarstellungen der Schleifscheibe und eines Werkstücks der hier beschriebenen Schleifvorrichtung.
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5 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der hier beschriebenen Schleifvorrichtung.
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6 zeigt eine Schnittansicht der Schleifvorrichtung aus 5 gemäß Schnittlinie VI-VI.
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7 zeigt eine Draufsicht und 8 zeigt eine gemäß Schnittlinie VIII-VIII geschnittene Darstellung der Schleifvorrichtung aus 5.
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9 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der hier beschriebenen Schleifvorrichtung.
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10 zeigt eine entlang der Schnittlinie X-X geschnittene Darstellung der Schleifvorrichtung aus 9.
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11 zeigt eine Draufsicht und 12 zeigt eine gemäß Schnittlinie XII-XII geschnittene Darstellung der Schleifvorrichtung aus 9.
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13 zeigt eine weitere Ausführungsform der hier beschriebenen Schleifvorrichtung.
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14 zeigt eine gemäß Schnittlinie XIV-XIV geschnittene Darstellung der Schleifvorrichtung aus 13.
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15 zeigt eine Draufsicht und 16 eine gemäß Schnittlinie XVI-XVI geschnittene Darstellung der Schleifvorrichtung aus 13.
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In den 1 bis 4 ist die mit der hier beschriebenen Schleifvorrichtung angestrebte Schleifbearbeitung dargestellt. Die Schleifscheibe 1 und das Werkstück 2 sind hier abgebildet. Die Schleifscheibe 1 ist eben ausgebildet, d.h. sie weist zwei zueinander parallele Schleifoberflächen auf. In der gezeigten Darstellung ist das Werkstück 2 eine Schweißelektrode aus Kupfer. Die Schweißelektrode 2 ist freigestellt gezeichnet. In der Praxis wird sie von einer an einem Roboterarm befestigten Schweißzange zur Schleifscheibe 1 bewegt. Die Schleifscheibe 1 besteht vorzugsweise aus einem elastischen, ggf. geschäumten Kunststoffmaterial, auf dessen scheibenförmiger Oberseite und Unterseite abrasive Schleifstoffe aufgetragen sind. Es werden aber auch starre Schleifschieben 1 verwendet. Die Schleifscheibe 1 ist auf einer Nabe 3 festgeschraubt, welche bei der vorliegenden Schleifvorrichtung verschwenkbar und verschiebbar ist.
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Die Drehachse des Lagers der Schleifscheibe ist in den 2 bis 4 mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Das Lager selbst ist nicht dargestellt.
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Die vertikale Richtung, entlang der die Schleifscheibe 1 verschiebbar ist, ist in den 2 bis 4 mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Die vertikale Richtung 5 in den 2 bis 4 entspricht der Ausgangsrichtung. Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausgangsrichtung in beliebiger Lage gewählt werden kann. Das Werkstück 2 ist dann in entsprechender Lage auf die Schleiffläche der Schleifscheibe 1 zu bewegen. Die relative Lage der Bauelemente der Schleifvorrichtung wird bei einem Verschwenken der Ausgangsrichtung 5 entsprechend verschwenkt.
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Insbesondere den 2 und 3 ist zu entnehmen, dass zur Erzeugung einer rotationssymmetrischen, balligen Oberfläche auf dem Werkstück 2 die Drehachse der Lagerung der Schleifscheibe 1 gegenüber der vertikalen Ausgangsrichtung 5 verschwenkbar ist. Dabei ist die Drehachse 4 nicht nur in der gezeichneten Ebene der 2, 3 und 4, sondern auch senkrecht hierzu und in beliebige andere Richtungen verschwenkbar. Die Schleifscheibe 1 ist derart gehalten, dass die Drehachse 4 innerhalb eines kegelförmigen Verstellbereichs um die Ausgangsrichtung 5 herum frei verschwenkbar ist. Gleichzeitig ist die Schleifscheibe 1 in der vertikalen Ausgangsrichtung 5 verschiebbar. Die Schwenkbewegungen und Verschiebebewegungen sind derart synchronisiert, dass die Schleifscheibe 1 in der nähe eines Bezugspunktes 6 mit der Oberfläche des Werkstücks 2 in Kontakt steht. Durch die Verschwenkbarkeit der Schleifscheibe 1 kann die Schleifscheibe 1 auf der Stirnseite des Werkstücks 2 eine ballige oder kegelige Oberfläche erzeugen. Während des Bearbeitungsvorgangs verweilt das Werkstück 2 ortsfest in Bezug auf den Maschinenrahmen der Schleifvorrichtung, so dass der Bezugspunkt 6 ortsfest ist.
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Der Bezugspunkt 6 hat einen radialen Abstand von dem Mittelpunkt der Schleifscheibe 1. Aufgrund dieses radialen Abstandes ergibt sich beim Verschwenken der Schleifscheibe 1 eine Verlagerung des Bezugspunktes 6 in der Ausgangsrichtung 5, welche durch ein Verschieben der Lagerung der Schleifscheibe 1 ausgeglichen wird. Die Schiebebewegung und die Schwenkbewegung der Schleifscheibe 1 sind derart synchronisiert, dass die Oberfläche der Schleifscheibe 1 das Werkstück 2 immer in der Nähe des Bezugspunktes 6 kontaktiert. So lässt sich eine taumelnde Bewegung der Schleifscheibe 1 erzeugen, die im Bereich des Bezugspunktes 6 eine kegelförmige oder kugelkappenförmige Oberfläche an der Stirnseite des Werkstücks 2 erzeugt.
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Die Oberfläche des Werkstücks 2 muss nicht rotationssymmetrisch angeschliffen werden. Durch das freie Verschwenken und Verschieben der Schleifscheibe 1 lassen sich beliebige Formen der Stirnseite des Werkstücks 2 in den Verschwenkbereich und Verschiebebereich der Schleifscheibe 1 realisieren.
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Die 5 bis 8 zeigen eine erste Ausführungsform der Schwenk- und Schiebeantriebe für die Schleifscheibe 1.
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Ein erster Schrittmotor 7 ist über eine Metallbalgkupplung 8 mit einer Gewindespindel 9 verbunden. Auf der Gewindespindel 9 läuft eine Spindelmutter 10, welche bei Drehung der Gewindespindel 9 nach oben und unten bewegt wird. Schrittmotor 7 und Gewindespindel 9 sind an einem ortsfesten Maschinengestell (nicht dargestellt) befestigt. Der erste Schrittmotor 7 bewirkt das Verschieben in der vertikalen Ausgangsrichtung 5. An der Spindelmutter 10 ist eine Tragplatte 11 befestigt, welche die Schwenkantriebe trägt. Wenn die Reibung der Gewindespindel 9 minimiert werden soll, kann dieser als Kugelumlaufspindel mit einer Kugelumlaufmutter als Spindelmutter 10 ausgebildet werden. Alternativ ist es möglich, eine selbsthemmende Trapezspindel einzusetzen, so dass die Gewichtskräfte der Vorrichtung kein Verstellen der Gewindespindel 9 verursachen können. Gleiches gilt für die nachfolgend beschriebenen Gewindespindeln. Die Metallbalgkupplung 8 gleicht einen Achsversatz oder Winkelversatz zwischen der Motorwelle und der Gewindespindel 9 aus.
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An der Unterseite der Tragplatte 11 sind zwei weitere Schrittmotoren 12, 13 angeflanscht. Jeder dieser Schrittmotoren 12, 13 ist über je eine Metallbalgkupplung 14, 15 mit jeweils einer weiteren Gewindespindel 16, 17 verbunden. Der Schrittmotor 12 treibt über die Metallbalgkupplung 14 die Drehbewegung der Gewindespindel 16 an, so dass die Spindelmutter 18 in vertikaler Richtung nach oben oder unten bewegt wird. Der Schrittmotor 13 treibt über das Metallbalgkupplung 15 die Gewindespindel 17 zum Verschieben der Spindelmutter 19 an. Die zwei Spindelmuttern 18, 19 sind über jeweils eine Betätigungsstange 20, 21 mit einem Lagerträger verbunden. Ein äußerer Gelenkring 32 eines Kreuzgelenks 28 bildet bei der Ausführungsform der 5 bis 8 den Lagerträger. Der Lagerträger 32 trägt ein Lager 22 für den Rotor 23 eines Nabenmotors, der die Schleifscheibe 1 antreibt. Weitere Bauelemente des Nabenmotors sind aus gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Rotor 23 ist drehfest mit der Nabe 3 der Schleifscheibe 1 verbunden. Das Lager 22 ist hier als einfaches Kugellager dargestellt. Es kann aber jedes geeignete Lager, insbesondere Wälzlager, verwendet werden.
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Der Lagerträger 32 kann über das nachfolgend näher beschriebene Kreuzgelenk 28 in beliebige Richtungen bezüglich einer waagerecht verlaufenden Ausgangsebene verschwenkt werden.
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Alle Schrittmotoren 7, 12, 13 sind über Signalleitungen 24, 25, 26 mit einer Steuerungseinheit 27 verbunden. Die Steuerungseinheit 27 ist lediglich in 5 und nicht in den 6 bis 8 dargestellt. Sie kann von jeder geeigneten Datenverarbeitungsvorrichtung gebildet werden. In der Praxis wird meist eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein Mikrocontroller zum Einsatz kommen, um die Schrittmotoren 7, 12, 13 zu steuern. Die Schrittmotoren 7, 12, 13 lassen sich derart steuern, dass durch die Steuerungseinheit 27 jeweils eine präzise vorbestimmte Position der Spindelmutter 10, 18 und 19 eingestellt werden kann. Das gleiche Ergebnis kann auch mit Servomotoren erreicht werden.
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Insbesondere in der 8 ist zu erkennen, dass der Lagerträger 32 bei dieser Ausführungsform durch das Kreuzgelenk 28 in beliebige Richtungen aus der horizontalen Ebene heraus verschwenkbar ist. Das Kreuzgelenk 28 ist am oberen Ende einer Haltestange 29 angeordnet, deren unteres Ende auf der Tragplatte 1 befestigt ist. Das Kreuzgelenk 28 weist einen inneren Gelenkring 30 auf, der um einen inneren Achsstift 31 schwenkbar an der Haltestange 29 befestigt ist. Ein zweiter äußerer Gelenkring 32 ist um zwei äußere Achsstifte 33, 34 schwenkbar. Die zwei äußeren Achsstifte 33, 34 erstrecken sich rechtwinklig zum inneren Achsstift 31. Die Betätigungsstange 20 bewirkt das Verschwenken des äußeren Gelenkrings 32. Die Betätigungsstange 21 bewirkt das Verschwenken des inneren Gelenkrings 30.
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Die Betätigungsstangen 20, 21 weisen an ihren Enden jeweils Kugelgelenke auf, mit denen sie einerseits an die Spindelmuttern 18, 19 und andererseits an die Gelenkringe 30, 32 des Kreuzgelenks 28 gekoppelt sind. Hierdurch werden die Schwenkbewegungen beim Betätigen der Gelenkringe 30, 32 ausgeglichen.
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Wie erwähnt, dient der äußere Gelenkring 32 als Lagerträger für das Lager 22 (6) der Schleifscheibe 1. Es ist erkennbar, dass mittels des Kreuzgelenks 28 ein beliebiges Verschwenken der Lagerebene für die Schleifscheibe 1 und damit der Hauptebene der Schleifscheibe 1 selbst aus der horizontalen Ausgangsebene heraus realisiert werden kann. Das Verschieben der Schleifscheibe 1 erfolgt durch das Anheben und Absenken der Tragplatte 1 mittels der durch den Schrittmotor 7 angetriebenen Gewindespindel 9. Die Stellbewegungen der drei Stellantriebe bewirken berechenbare Verlagerungen der Schleifscheibe 1, so dass mittels der digitalen Steuerungseinheit 27 das Verschwenken und Verschieben der Schleifscheibe 1 derart gesteuert werden kann, dass während der Bearbeitung eines Werkstücks 2, welches im Bereich des Bezugspunkts 6 gegen die Schleifscheibe 1 anliegt, zu jeder Zeit der gewünschte Kontakt zwischen der Oberfläche des Werkstücks 2 und der Oberfläche der Schleifscheibe 1 erzielt wird. Dabei ist es selbstverständlich auch möglich, dass abweichend von den Zeichnungen das Werkstück 2 von unten gegen die Schleifscheibe 1 gedrückt wird.
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In Bezug auf die hier beschriebenen Zeichnungen resultieren die Begriffe oben und unten von der gewählten Lage der Ausgangsrichtung 5, welche in den Zeichnungen vertikal verläuft. Hieraus ergibt sich eine horizontal verlaufende Ausgangsebene, um welche die Schleifscheibe 1 frei verschwenkbar ist. Die Ausgangsrichtung kann in beliebige Richtung im Raum verlaufen, wobei sich die Ausgangsebene und die Bauelemente der beschriebenen Vorrichtung entsprechend verlagern.
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Die 9 bis 12 zeigen eine alternative Ausführungsform der Schleifvorrichtung. Gleiche Bauteile sind in diesen Figuren mit gleichen Bezugszeichen wie in den 5 bis 8 versehen.
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Der wesentliche Unterschied ist hier, dass am oberen Ende der Haltestange 29 ein Kugelgelenk 33 befestigt ist. Genauer gesagt ist an der Haltestange 29 eine Kugel 34 befestigt, welche einen Tragring 35 trägt. Der Tragring 35 weist eine innere kugelige Lagerschale auf, welche von der Kugel 34 um die horizontale Ebene herum verschwenkbar getragen ist. Der Tragring 35 bildet den bei dieser Ausführungsform den Lagerträger, wobei auch hier das Lager 22 für die Schleifscheibe 1 ein Kugellager ist.
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Zum Verschwenken des Lagerträgers 35 ist dieser über Verbindungsstifte 36, 37 mit dem Betätigungsstangen 20, 21 verbunden. Anders als das Kreuzgelenk 28 der 8 kann das Kugelgelenk 33 aus den 9 bis 12 keine Drehmomente in die Haltestange 29 einleiten. Aus diesem Grund ist an dem Lagerträger 35 ein zylindrischer Stift 38 als Drehmomentstütze 38 angebracht. Der Stift 38 ist in einem Schlitz eines Führungsbügel 39 verschiebbar gehalten. Der Führungsbügel 39 ist an der Haltestange 29 befestigt, die drehfest mit der Tragplatte 11 verbunden ist. Der Stift 38 und der Führungsbügel 39 verhindern, dass sich der Lagerträger 35 durch die auf die Schleifscheibe 1 wirkenden Drehmomente auf der Kugel 34 verdreht.
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Ansonsten ermöglicht auch diese Ausführungsform das Verschieben der Schleifscheibe 1 mittels des Schrittmotors 7, der die Tragplatte in vertikaler Ausgangsrichtung 5 anhebt und absenkt, und das Verschwenken der Schleifscheibe 1 mittels der Schrittmotoren 12, 13, die den als Tragring ausgebildeten Lagerträger 35 verschwenken.
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Die Lagerträger, d.h. zum einen der äußere Gelenkring 32 des Kreuzgelenks 28 der ersten Ausführungsform (siehe insbesondere 6 und 8) sowie der Tragring 35, der auf der Kugel 34 schwenkbar angelenkt ist (10 und 12) werden nach Art einer Taumelscheibe bewegt. Sie verschwenken um die horizontale Ebene und können in vertikaler Richtung verlagert werden.
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Die 13 bis 16 zeigen eine alternative Ausführungsform, in der der Antrieb des Lagerträgers 40 ähnlich dem Antrieb für eine aus dem Helikopterbau bekannte Taumelscheibe ausgebildet ist. Auch in der Ausführungsform der 13 bis 16 sind gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 5 bis 8 versehen.
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Auch bei dieser Ausführungsform ist der Lagerträger 40 auf einer Kugel 41 verschwenkbar gelagert. Die Kugel 41 ist am oberen Ende einer Führungsstange 42 angeordnet, welche gegenüber einer Montageplatte 43 in vertikaler Richtung verschiebbar gelagert ist. Drei Schrittmotoren 44, 45, 46 sind an der Montageplatte 43 befestigt und über drei Metallbalgkupplungen 47, 48, 49 mit drei Gewindespindeln 50, 51, 52 verbunden. Auch die Metallbalgkupplungen 47–49 und die Gewindespindeln 50–51 sind fest an der Montageplatte 43 angeordnet. Die Gewindespindeln 50–53 sind jeweils über eine Betätigungsstange 53–55 mit dem Lagerträger 40 verbunden. Der Lagerträger 40 weist drei Befestigungselemente 56, 57, 58 auf, die aus an dem Lagerträger 40 festgeschraubten Kugelköpfen bestehen. Die Befestigungselemente 56, 57, 58 sind mit den Betätigungsstangen 53, 54, 55 verbunden.
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Der Lagerträger 40 weist die Form eines auf der Kugel 41 schwenkbar befestigten Tragrings auf, auf dem ein Ring des Lagers 22 für die Schleifscheibe 1 befestigt ist. Die an dem Lagerträger 40 befestigten Befestigungselemente 56–58 sind jeweils in einem Winkelabstand von 120° entlang des Umfangs des ringförmigen Lagerträgers 40 angeordnet. Werden alle Befestigungselemente 56, 57, 58 synchron angehoben oder abgesenkt, wird der Lagerträger 40 ohne Verschwenken in vertikaler Richtung verschoben. Wird nur eines der Befestigungselemente 56, 57, 58 durch den zugeordneten Schrittmotor 44, 45, 46 betätigt, so verschwenkt der Lagerträger 40. Die Schwenkstellung und Position des Lagerträgers 40 ist eindeutig den Positionen der drei Spindelmuttern 59, 60, 61 auf den Gewindespindeln 50, 51, 52 zugeordnet. Auch bei der Ausführungsform der 13 bis 16 kann die digitale Steuerungseinheit 27 durch Betätigung der Schrittmotoren 44, 45, 46 beliebige Schwenkstellungen und Verschiebungen des Lagerträgers 40 bewirken, so dass die Positionierung der Schleifscheibe 1 durch eine synchrone Ansteuerung der Schrittmotoren derart erfolgen kann, dass um den Bezugspunkt 6 herum an der Stirnfläche des Werkstücks 2 eine vorgegebene Fläche, insbesondere eine rotationssymmetrische, z.B. kegelförmige oder kugelkappenförmige Oberfläche, erzeugt wird.
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Bei dem nach Art einer Taumelscheibe ausgebildeten Lagerträger 40 kann es ebenfalls erforderlich sein, das Drehmoment aufzufangen, weil dieses über die Kugel 41 nicht aufgenommen werden kann. Auch hierzu ist ein Stift 38 an dem lagerträger 40 befestigt, der mit einem Schlitz in einem Führungsbügel rein schematisch in 16 eine stiftförmige Drehmomentstütze 38 eingezeichnet, die in dem Schlitz eines Führungsbügels 39 geführt ist. Der Führungsbügel 39 ist an der Führungsstange 42 befestigt. Damit die Führungsstange 42 gegenüber der Montageplatte 43 drehfest gehalten ist, ist an der Montageplatte 43 ein lineares Lager 62 befestigt, das die Führungsstange 42 verschiebbar hält. Die Führungsstange ist rohrförmig und weist im unteren Bereich einen Schlitz 64 auf, in den ein Fixierstift 63 eingreift. Folglich können die Drehmomente des Lagerträgers 40 über den Stift 38 in den Führungsbügel 39 eingeleitet werden und sich von hier aus über die Führungsstange 42 und den Fixierungsstift des linearen Lagers gegenüber der Montageplatte 43 abstützen.
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Die hier beschriebenen Antriebsvarianten für den Lagerträger 40 mittels Schrittmotoren, Metallbalgkupplung und Gewindespindel sind nur beispielhaft und schematisch dargestellt und beschrieben. Eine Vielzahl anderer Antriebs- und Kupplungsvorrichtungen zur Übertragung der Bewegung auf den Lagerträger 40 ist denkbar. Wesentlich sind die Verschiebbarkeit des Lagerträgers 40 entlang einer Ausgangsrichtung sowie die freie Verschwenkbarkeit des Lagerträgers 40 zur Ausgangsebene, welche senkrecht auf die Ausgangsrichtung verläuft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schleifscheibe
- 2
- Schweißelektrode, Werkstück
- 3
- Nabe
- 4
- Drehachse
- 5
- Ausgangsrichtung, vertikale Richtung
- 6
- Bezugspunkt
- 7
- Schrittmotor
- 8
- Metallbalgkupplung
- 9
- Gewindespindel
- 10
- Spindelmutter
- 11
- Tragplatte
- 12
- Schrittmotor
- 13
- Schrittmotor
- 14
- Metallbalgkupplung
- 15
- Metallbalgkupplung
- 16
- Gewindespindel
- 17
- Gewindespindel
- 18
- Spindelmutter
- 19
- Spindelmutter
- 20
- Betätigungsstange
- 21
- Betätigungsstange
- 22
- Lager
- 23
- Rotor
- 24
- Signalleitung
- 25
- Signalleitung
- 26
- Signalleitung
- 27
- digitale Steuerungseinheit
- 28
- Kreuzgelenk
- 29
- Haltestange
- 30
- innerer Gelenkring
- 31
- Achsstift
- 32
- äußerer Gelenkring, Lagerträger
- 33
- Kugelgelenk
- 34
- Kugel
- 35
- Tragring, Lagerträger
- 36
- Verbindungsstift
- 37
- Verbindungsstift
- 38
- Stift
- 39
- Führungsbügel
- 40
- ringförmiger Lagerträger
- 41
- Kugel
- 42
- Führungsstange
- 43
- Montageplatte
- 44
- Schrittmotor
- 45
- Schrittmotor
- 46
- Schrittmotor
- 47
- Metallbalgkupplung
- 48
- Metallbalgkupplung
- 49
- Metallbalgkupplung
- 50
- Gewindespindel
- 51
- Gewindespindel
- 52
- Gewindespindel
- 53
- Betätigungsstange
- 54
- Betätigungsstange
- 55
- Betätigungsstange
- 56
- Befestigungselement
- 57
- Befestigungselement
- 58
- Befestigungselement
- 59
- Spindelmutter
- 60
- Spindelmutter
- 61
- Spindelmutter
- 62
- lineares Lager
- 63
- Fixierungsstift
- 64
- Schlitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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