DE102015211989A1

DE102015211989A1 - Werkstückadapter zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102015211989A1
Application number: DE102015211989.0A
Authority: DE
Inventors: Roland Huttner; Martin Fessler-Knobel
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-06-29
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstückadapter (10) zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks (12), mit wenigstens einem drehbar um eine Referenzachse (14) an einem ersten Gehäuseelement (16) des Werkstückadapters (10) gelagerten Basiselement (18), und mit wenigstens einem drehbar um eine die Referenzachse (14) mit einem Winkel (α) schneidende Drehachse (20) an einem zweiten Gehäuseelement (26) gelagerten Befestigungselement (22), mittels welchem das Werkstück (12) an dem Werkstückadapter (10) befestigbar ist, wobei mittels einer ersten Drehbewegung (D1) des Basiselements (18) um die Referenzachse (14) eine Taumelbewegung des Werkstücks (12) um die Referenzachse (14) bewirkbar und damit eine erste Winkellage des Werkstücks (12) in einer ersten vorbestimmten Ebene (E1) einstellbar ist, wobei die erste Ebene (E1) die Referenzachse (14) umfasst, und wobei mittels einer zweiten Drehbewegung (D2) des Befestigungselements (22) um die Drehachse (20) eine zweite Winkellage des Werkstücks (12) in einer zweiten Ebene (E2) einstellbar ist, welche orthogonal zur ersten Ebene (E1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstückadapter zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsmaschine.
Die DE 10 2009 037 738 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausrichten eines Gegenstandes. Dabei werden eine erste und eine zweite Taumelscheibe, welche beispielsweise keilförmig ausgebildet sind, so gegeneinander verdreht, dass eine Winkellage eines daran gehaltenen Werkstücks einstellbar ist. Zudem ist eine axiale Verschiebung des Gegenstands durch eine Verschiebeplatte vorgesehen.
Die EP 0 882 535 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Ausrichten von Rundlauffehlern eines Werkzeugs. Dabei sind Einstellmittel vorgesehen, mit welchen ein erster Teil bezüglich eines zweiten Teils eines Werkzeughalters verschiebbar ist. Dadurch können radiale Rundlauffehler des Werkzeugs ausgeglichen werden. Weiterhin weist der Werkzeughalter zwei Ringe zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des Werkzeugteils auf, welche koaxial zu einer Drehachse verdrehbar angebracht sind. Diese Ringe weisen zueinander geneigte Ringflächen auf. Durch gegenseitiges Verdrehen der beiden Ringe lässt sich der erste Teil bezüglich des zweiten Teils des Werkzeughalters neigen, wodurch auch ein Winkelfehler des Werkzeugs ausgerichtet werden kann.
Je nach Befestigungskonzept kann es vorkommen, dass ein Werkstück innerhalb eines Koordinatensystems einer Fertigungsmaschine, welche auch als Bearbeitungsmaschine bezeichnet wird, nicht richtig positioniert ist. Beispielsweise kann das Werkstück eine leichte, ungewollte Schiefstellung nach seiner Befestigung aufweisen. Für ein entsprechendes Ausrichten des Werkstücks, welches auch als Rohteil bezeichnet werden kann, fehlen in vielen Fertigungsmaschinen die notwendigen Einstellachsen. Beispielsweise kann eine Schleifmaschine nur über translatorisch verstellbare Einstellachsen, welche auch als Maschinenachsen bezeichnet werden, verfügen. Dann ist eine Korrektur oder Ausgleich eines Neigungsfehlers des an der Schleifmaschine befestigten Werkstücks durch die Maschinenachsen nicht ohne Weiteres möglich.
Bekannte Lösungen zum Korrigieren von Schiefstellungen des Werkstücks gegenüber dem Koordinatensystem der Fertigungsmaschine basieren auf hintereinander geschalteten Maschinenachsen. Diese Maschinenachsen erlauben große Drehwinkel beziehungsweise Verfahrwege und benötigen daher viel Platz im Arbeitsraum. Beispielsweise kann die oben beschriebene Schleifmaschine mit zusätzlichen, insbesondere rotatorischen Maschinenachsen nachgerüstet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkstückadapter zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks zu schaffen, mittels welchem eine Winkellage des Werkstücks einstellbar ist und welcher besonders bauraumsparend ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsmaschine zu schaffen, mittels welchem eine korrekte Ausrichtung eines Werkstücks in einem Koordinatensystem der Fertigungsmaschine möglich ist.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Werkstückadapter zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks. Der Werkstückadapter umfasst wenigstens ein drehbar um eine Referenzachse an einem ersten Gehäuseelement des Werkstückadapters gelagertes Basiselement. Weiterhin umfasst der Werkstückadapter wenigstens ein drehbar um eine die Referenzachse mit einem Winkel schneidende Drehachse an einem zweiten Gehäuseelement gelagertes Befestigungselement. Mittels dieses Befestigungselements ist das Werkstück an dem Werkstückadapter lösbar befestigbar. Der Werkstückadapter kann an einer Fertigungsmaschine befestigt werden, beispielsweise mittels des ersten Gehäuseelements.
Mittels einer ersten Drehbewegung des Basiselements um die Referenzachse ist eine Taumelbewegung des Werkstücks um die Referenzachse bewirkbar und damit eine erste Winkellage des Werkstücks in einer ersten vorbestimmten Ebene einstellbar, wobei die erste Ebene die Referenzachse umfasst. Das heißt, die erste vorbestimmte Ebene ist durch die Referenzachse und eine zu der Referenzachse raumorthogonale Achse definiert beziehungsweise aufgespannt. Die Winkellage des Werkstücks ist dann insofern einstellbar, als dass eine Projektion der Taumelbewegung des Werkstücks auf die erste Ebene der eingestellten ersten Winkellage des Werkstücks in der ersten vorbestimmten Ebene entspricht. Der Betrag der einstellbaren ersten Winkellage entspricht dabei also dem Betrag des Winkels zwischen der Referenzachse und der Drehachse.
Das Basiselement kann auch als Basisplatte bezeichnet werden. Das Befestigungselement kann auch als Drehplatte bezeichnet werden. Die erste vorbestimmte Ebene entspricht beispielsweise einer Bearbeitungsebene einer Schleifmaschine. Mittels des Werkstückadapters kann die Winkellage des Werkstücks in dieser Bearbeitungsebene eingestellt werden.
Weiterhin ist mittels einer zweiten Drehbewegung des Befestigungselements um die Drehachse eine zweite Winkellage des Werkstücks in einer zweiten Ebene einstellbar, welche orthogonal zur ersten Ebene ist. Dadurch ist insbesondere eine durch die Taumelbewegung des Werkstücks verursachte Rotation des Werkstücks bezüglich der Drehachse ausgleichbar. Mittels der zweiten Drehbewegung kann eine Rotation des Werkstücks um die Drehachse bewirkt werden.
Durch die sich schneidende Drehachse und Referenzachse, die zueinander in einem kleinen Winkel schräg stehen, kann also eine Schiefstellung des Werkstücks korrigiert werden. Der Werkstückadapter ist dabei besonders bauraumsparend. Insbesondere im Gegensatz zu voll ausgeprägten Maschinenachsen einer CNC-Fertigungsmaschine benötigt die Erfindung besonders wenig Platz, da sie lediglich eine Schiefstellung eines Werkstückkoordinatensystems gegenüber einem Maschinenkoordinatensystem kompensieren muss, insbesondere lediglich durch zwei Rotationen. Gleichzeitig ist der Werkstückadapter wesentlich kostengünstiger, als voll ausgeprägte Maschinenachsen in der Fertigungsmaschine nachzurüsten. Voll ausgeprägte Maschinenachsen bedeuten beispielsweise, dass die Fertigungsmaschine fünf oder mehr Achsen aufweist. Das können beispielsweise drei translatorische Maschinenachsen und zwei oder mehr Achsen zum Rotieren des Werkstücks oder eines Werkzeugs sein. Diese Achsen müssen zueinander in geeigneter Weise angeordnet sein, um eine Schiefstellung des Werkstücks ausgleichen zu können. Dadurch erfordern diese besonders viel Platz in dem Bearbeitungsraum der Fertigungsmaschine.
Der Werkstückadapter kann zusätzlich oder alternativ zu einem Werkstückhalter eingesetzt werden. Dadurch kann auch bei bereits bestehenden Fertigungsmaschinen mit einem begrenzten Arbeitsraum besonders leicht und kostengünstig eine Korrekturmöglichkeit für einen Schiefstand des Werkstücks bezüglich des Maschinenkoordinatensystems vorgesehen werden. Insbesondere kann der Werkstückadapter eine ungewollte ungenaue, schiefe Befestigung des Werkstücks an dem Werkstückhalter kompensieren.
Insbesondere im Fall einer lösbaren Befestigung des Werkstücks ohne Bezug zu einem Maschinenkoordinatensystem oder einem Rohteil-Datumsystem, zum Beispiel durch ein Klemmen oder Kleben des Werkstücks auf einem Träger bzw. Werkstückhalter ohne Zentrierung, kann eine Fehlstellung des Werkstücks in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem durch ein Erfassen seiner Raumlage festgestellt werden. Eine damit bestimmbare Fehlstellung des Werkstücks kann mittels des Werkstückadapters durch die entsprechenden Drehbewegungen des Basiselements und/oder des Befestigungselements des Werkstückadapters ausgeglichen beziehungsweise korrigiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass die erste Drehbewegung und/oder die zweite Drehbewegung mittels wenigstens eines Schrittmotors, insbesondere eines Torque-Motors, bewirkbar sind. Pro Achse kann dabei jeweils ein Schrittmotor vorgesehen sein. Schrittmotoren können exakt einem außen angelegten Feld folgen und können ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung genau betrieben werden. Das heißt, mittels des Schrittmotors kann die Schiefstellung des Werkstücks durch die erste und/oder die zweite Drehbewegung ohne zusätzliche Sensoren an dem Werkstückadapter eingestellt werden. Bei einem Torque-Motor kann auf ein Getriebe verzichtet werden, sodass dieser als ein besonders bauraumsparender Direktantrieb ausgebildet sein kann. Ein Torque-Motor kann besonders starke Seltenerdenmagnete umfassen, sodass eine besonders hohe Kraftdichte erzielt werden kann. Dadurch kann der Werkstückadapter besonders kompakt und damit bauraumsparend sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Schneckengetriebe verwendet werden, welche besonders kostengünstig sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist der Schrittmotor in dem ersten Gehäuseelement und/oder dem zweiten Gehäuseelement des Werkstückadapters angeordnet. Dadurch ist der Schrittmotor besonders gut vor jeweiligen Umwelteinflüssen geschützt. Insbesondere ist der Schrittmotor so vor jeweiligen Kühlschmierstoffen und Spänen in dem Arbeitsraum der Fertigungsmaschine geschützt. Weiterhin kann der Werkstückadapter so besonders kompakt sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist der Schrittmotor achsintegriert mit der Referenzachse und/oder der Drehachse. Beispielsweise kann der Schrittmotor in jeweiligen Lagerelementen, mittels welchen die Basisplatte und/oder das Befestigungselement drehbar gelagert sind, integriert sein. Ein jeweiliger Schrittmotor kann dabei in jeder der beiden Achsen bzw. jeweiligen Lagerelementen integriert sein. Der Werkstückadapter ist so besonders kompakt und bauraumsparend. Insbesondere kann so auch auf ein Getriebe und/oder andere Elemente zur Kraftübertragung verzichtet werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass der Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse größer gleich 0,5 Grad, insbesondere 3 Grad und kleiner gleich 5 Grad ist. Der Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse entspricht dem Betrag, um welchen eine Schiefstellung des Werkstücks in der ersten vorbestimmten Ebene korrigierbar ist. Beträgt der Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse beispielsweise 3 Grad, so kann die erste Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene durch die Taumelbewegung zwischen –3 Grad und +3 Grad verschwenkt werden. Das heißt, die maximale Winkelkorrektur entspricht dem Doppelten des Winkels zwischen der Drehachse und der Referenzachse.
Je kleiner der Winkel ist, desto geringer ist die Bauhöhe des Werkstückadapters. Gleichzeitig lässt sich bei kleineren Winkeln die Schiefstellung des Werkstücks genauer korrigieren, da die erste Winkellage proportional zu der ersten Drehbewegung des Basiselements verändert wird. Das heißt, bei einem Winkel von beispielsweise 3 Grad wird bei einer ersten Drehbewegung des Basiselements um 180 Grad die erste Winkellage des Werkstücks lediglich um 6 Grad in der ersten Ebene verändert. Beträgt der Winkel dagegen 5 Grad, so bewirkt eine erste Drehbewegung des Basiselements um 180 Grad bereits eine Veränderung der ersten Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene um 10 Grad. Aus den beiden Beispielen ist abzuleiten, dass bei größeren Winkeln die Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene weniger präzise durch die erste Drehbewegung einstellbar ist. Die Übersetzung zwischen der ersten Drehbewegung und der Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene ist nämlich proportional zu dem Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse. Die Übersetzung ist größer, je größer dieser Winkel ist.
Typischerweise ist auch bei hochpräzisem Befestigen des Werkstücks an einem Werkstückhalter mittels eines Klebers wenigstens mit einer Schiefstellung von bis zu 1 Grad des Werkstücks zu rechnen. Entsprechend sollte der Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse wenigstens größer gleich 0,5 Grad sein. Bei Befestigungen eines Werkstücks wie beispielsweise von Turbinenschaufeln in Halterungen für Schleifmaschinen ist ein Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse von größer gleich 3 Grad sinnvoll, um die meisten oder alle bei der Befestigung des Werkstücks auftretenden Schiefstellungen ausgleichen zu können. Der Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse sollte kleiner gleich 5 Grad sein, da ansonsten der Werkstückadapter einen zu großen Bauraum beanspruchen kann und/oder die Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene nicht mehr präzise genug einstellbar sein kann. Zudem ist es ohne besonders großen Aufwand möglich, ein Werkstück präzise genug an einem Werkstückhalter zu befestigen, dass ein größerer Winkel unnötig sein kann. Entsprechend ist üblicherweise kein größerer Winkel zwischen der Drehachse und der Referenzachse zur Korrektur der Schiefstellung des Werkstücks notwendig.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass das Befestigungselement wenigstens ein Spannelement zum lösbaren Befestigen des Werkstücks oder eines das Werkstück haltenden Werkstückträgers umfasst. Das Spannelement kann beispielsweise als Schnellspanner ausgebildet sein. Zudem kann das Spannelement als Nullpunktspannsystem ausgebildet sein, welches ein wiederholtes zentriertes Befestigen des Werkstücks und/oder des Werkstückträgers erlaubt. Insbesondere kann das Spannelement ein Federelement umfassen, um eine lösbare und sichere Befestigung zu gewährleisten. Zusätzlich kann das Spannelement auch ein Zentrierelement umfassen, um eine lagegenaue Befestigung des Werkstücks an dem Befestigungselement zu gewährleisten.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass der Werkstückadapter wenigstens ein Spannelement zum lösbaren Befestigen des Werkstückadapters an einer Fertigungsmaschine umfasst. Insbesondere kann dieses Spannelement auch ein Zentrierelement umfassen, um eine besonders lagegenaue Positionierung des Werkstückadapters an der Fertigungsmaschine sicherzustellen. Das Spannelement erlaubt eine schnelle und sichere Verbindung des Werkstückadapters mit der Fertigungsmaschine. Das Spannelement kann beispielsweise an dem ersten Gehäuseelement oder an der Basisplatte angeordnet sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des ersten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass der Werkstückadapter eine Bremsvorrichtung zum Blockieren der ersten und/oder der zweiten Drehbewegung umfasst. Dadurch kann die erste und/oder die zweite Winkellage des Werkstücks durch ein Blockieren der korrespondierenden ersten und/oder zweiten Drehbewegung festgelegt werden. Insbesondere wird so verhindert, dass es durch eine Bearbeitung des Werkstücks zu einer ungewollten Veränderung der ersten und/oder der zweiten Winkellage des Werkstücks kommt. Die Bremsvorrichtung sollte dabei dazu ausgelegt sein, jeweilige durch die Bearbeitung des Werkstücks auf die Bremsvorrichtung wirkenden Kräfte aufnehmen zu können ohne das sich diese dadurch löst.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsmaschine. Dazu wird eine Raumlage des Werkstücks ermittelt. Dieses Werkstück ist an einem Werkstückhalter und/oder einem Werkstückadapter gemäß dem ersten Erfindungsaspekt befestigt. Die ermittelte Raumlage des Werkstücks wird mit einer Solllage des Werkstücks relativ zu der Fertigungsmaschine verglichen. Hiermit kann also festgestellt werden, welche Schiefstellung das Werkstück bei seiner Bearbeitung durch die Fertigungsmaschine relativ zu einer vorgesehenen Lage in dem Maschinenkoordinatensystem aufweist oder aufweisen wird. In Abhängigkeit von dem Vergleich der ermittelten Raumlage mit der Solllage wird die erste Drehbewegung des Basiselements und/oder die zweite Drehbewegung des Befestigungselements zum Einstellen der ersten Winkellage des Werkstücks in der ersten Ebene und/oder der zweiten Winkellage des Werkstücks in der zweiten Ebene gesteuert, wenn das Werkstück an dem Werkstückadapter befestigt ist. Gegebenenfalls ist es auch möglich, das Werkstück erst nach dem Steuern der ersten und/oder der zweiten Drehbewegung an dem Werkstückadapter zu befestigen, insbesondere falls dafür ein Zentrierelement an dem Werkstückadapter vorgesehen ist.
Die sich aus der Verwendung des Werkstückadapters gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ergebenden Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Um die Schiefstellung des Werkstücks besonders präzise korrigieren zu können, ist das Werkstück vor Ermitteln seiner Raumlage bereits an dem Werkstückadapter befestigt. Vorzugsweise ist der Werkstückadapter selbst zu diesem Zeitpunkt auch schon bereits an der Fertigungsmaschine befestigt. Dafür muss eine jeweilige Messvorrichtung jedoch die Raumlage des Werkstücks ermitteln können, wenn dieses bereits mittels des Werkstückadapters an der Fertigungsmaschine befestigt ist. Alternativ oder zusätzlich sind deswegen das Werkstück, der Werkstückhalter und/oder der Werkstückadapter jeweils mit einer Zentriervorrichtung aneinander befestigbar. Dafür kann ebenfalls das Nullpunktspannsystem eingesetzt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des zweiten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass die Raumlage des Werkstücks mittels eines optischen Messverfahrens, insbesondere mittels Photogrammetrie, Streifenprojektion und/oder Weißlichtprojektion, ermittelt wird. Mittels des optischen Messverfahrens kann die Raumlage insbesondere eines geometrisch komplexen Werkstücks, wie beispielsweise eine Turbinenschaufel, besonders schnell ermittelt werden. Insbesondere kann das optische Messverfahren die Raumlage des Werkstückes schneller ermitteln als ein taktiles Messverfahren. Das optische Messerverfahren erlaubt ein berührungsloses Ermitteln der Raumlage des Werkstücks. Durch das optische Messverfahren kann also nicht ungewollterweise beim Ermitteln der Raumlage des Werkstücks dessen Raumlage verändert werden. Die Photogrammetrie ist von Vorteil, wenn es sich um Werkstücke mit komplexer räumlicher Geometrie handelt, wie beispielsweise ein Rohling einer Turbinenschaufel einer Strömungsmaschine. Die Weißlichtprojektion erlaubt auch die Ermittelung der Raumlage eines Werkstücks mit geschliffener Oberfläche. Dabei kann auf zusätzliche Markierungen auf dem Werkstück, wie beispielweise eine Weißelung, verzichtet werden. Eingesetzt wird dabei beispielsweise ein Weißlichtsensor.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des zweiten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass vor einem Bearbeiten des Werkstücks mittels der Fertigungsmaschine die erste Drehbewegung und/oder die zweite Drehbewegung mittels der Bremsvorrichtung des Werkstückadapters blockiert werden. Das heißt, das Basiselement und das Befestigungselement werden in ihren jeweiligen Drehstellungen mittels der Bremsvorrichtung fixiert. Dadurch werden die erste und/oder die zweite Winkellage des Werkstücks auch bei dessen Bearbeitung beibehalten. Insbesondere kann es nicht zu einer ungewollten ersten und/oder zweiten Drehbewegung und entsprechender Veränderung der Raumlage des Werkstücks kommen. Dies könnte andernfalls zu einer unpräzisen Fertigung führen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des zweiten Erfindungsaspekts ist es vorgesehen, dass ein axialer Versatz des Werkstücks zu mindestens einer translatorisch einstellbaren Maschinenachse, insbesondere hervorgerufen durch die erste Drehbewegung und/oder die zweite Drehbewegung, durch ein Einstellen der jeweiligen Maschinenachsen ausgeglichen wird. Insbesondere kann es sich bei translatorisch einstellbaren Maschinenachsen um lineare Maschinenachsen handeln. Der axiale Versatz des Werkstücks kann also durch jeweilige reguläre Bearbeitungsachsen auch von einfachen Fertigungsmaschinen ausgeglichen werden. Bereits simple Schleifmaschinen ermöglichen üblicherweise ein axiales Verschieben des Werkstücks und/oder eines Werkzeugs in drei Raumachsen. Entsprechend ist es nicht notwendig, einen solchen Versatz mittels des Werkstückadapters ausgleichen zu können. Dadurch kann der Werkstückadapter besonders bauraumsparend und kompakt sein. Insbesondere kann durch die Taumelbewegung des Werkstücks zu dem axialen Versatz kommen. Dieser kann so besonders einfach ausgeglichen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigt:
1 in einer schematischen Schnittansicht einen Werkstückadapter zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks;
2 in einer schematischen Draufsicht den Werkstückadapter gemäß 1; und
3 in einer schematischen Perspektivansicht den Werkstückadapter gemäß 1.
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Werkstückadapter 10 zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks 12. Der Werkstückadapter 10 umfasst wenigstens ein drehbar um eine Referenzachse 14 an einem ersten Gehäuseelement 16 des Werkstückadapters 10 gelagertes Basiselement 18. Das Basiselement 18 kann dabei als Basisplatte bezeichnet werden und ist mittels eines Kugellagers 24 an dem ersten Gehäuseelement 16 drehbar befestigt. Weiterhin umfasst der Werkstückadapter 10 wenigstens ein drehbar um die Referenzachse 14 mit einem Winkel α schneidende Drehachse 20 an einem zweiten Gehäuseelement 26 gelagertes Befestigungselement 22. Mittels des Befestigungselements 22 ist das Werkstück 12 an dem Werkstückadapter 10 lösbar befestigt.
Die 2 zeigt den Werkstückadapter 10 in einer schematischen Draufsicht. Die 3 zeigt den Werkstückadapter 10 in einer schematischen Perspektivansicht.
Mittels des Werkstückadapters 10 ist ein Ausgleich einer Schiefstellung des Werkstücks 12 in zumindest einer Ebene möglich. Sollen Schiefstellungen in mehreren Ebenen ausgeglichen werden, so können beispielsweise mehrere Werkstückadapter 10 vorgesehen sein.
Beispielsweise wird eine Turbinenschaufel in einem Werkstückhalter eingeklebt und dann über diesen an dem Befestigungselement 22 des Werkstückadapters 10 befestigt. Nach dem Einkleben in den Werkstückhalter kann das Werkstück 12 eine leichte, ungewollte Schiefstellung aufweisen. Gerade bei Turbinenschaufeln von Strömungsmaschinen ist jedoch eine hochpräzise Fertigung für einen besonders hohen Wirkungsgrad der Strömungsmaschine und für eine besonders widerstandsfähige Turbinenschaufel notwendig. Deswegen wird eine Raumlage des Werkstücks 12 beispielsweise mittels Photogrammetrie ermittelt. Durch einen Vergleich dieser Raumlage mit einer Solllage des Werkstücks 12 relativ zu einem Maschinenkoordinatensystem einer Fertigungsmaschine kann dann bestimmt werden, wie die Raumlage des Werkstücks 12 mittels des Werkstückadapters 10 korrigiert werden kann.
Mittels einer ersten Drehbewegung D1 des Basiselements 18 um die Referenzachse 14 ist eine Taumelbewegung des Werkstücks 12 um die Referenzachse 14 bewirkbar. Die erste Drehbewegung D1 ist in 1 durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen D1 veranschaulicht. Mittels der ersten Drehbewegung D1 ist eine erste Winkellage des Werkstücks 12 in einer ersten vorbestimmten Ebene E1 einstellbar. Die erste Ebene E1 ist durch die Referenzachse 14 und eine Achse raumorthogonale zur Referenzachse 14 aufgespannt. Die erste Ebene E1 umfasst also die Referenzachse 14. Im in 1 gezeigten Beispiel entspricht die erste Ebene E1 beispielsweise der Zeichnungsebene. Durch die Drehbewegung D1 des Basiselements 18 taumelt das Befestigungselement 22 und damit auch die Drehachse 20 und das Werkstück 12 um die Referenzachse 14. Dabei wird der Winkel α auf die Ebene E1 als erste Winkellage des Werkstücks 12 projiziert. Entsprechend ändert sich also durch die Taumelbewegung des Werkstücks 12 dessen Winkel relativ zu der Referenzachse 14 in der ersten Ebene E1.
Damit ist diese erste Winkellage des Werkstücks 12 in der Ebene E1 zwischen einem Winkel von 0 Grad und einem maximalen Winkel entsprechend dem Winkel α zwischen der Referenzachse 14 und der Drehachse 20 in der Ebene E1 einstellbar. Im Sinne der 1 bedeutet dies, dass das Werkstück 12 in der Zeichnungsebene zwischen einer nach links gedrehten Neigung in der Höhe von maximal dem Betrag des Winkels α bis zu einer Rechtsneigung mit demselben Winkelbetrag verschwenkbar ist.
Damit kann eine Schiefstellung des Werkstücks 12 besonders einfach ausgeglichen werden. Der Werkstückadapter 10 ist kompakt und kostengünstig zu fertigen. Insbesondere kann er problemlos auch bei einem begrenzten Arbeitsraum in bereits bestehenden Fertigungsmaschinen ohne eigene Möglichkeiten zur Korrektur der Schiefstellung des Werkstücks 12 nachgerüstet werden. Dies ist wesentlich kostengünstiger und wesentlich weniger aufwendig als beispielsweise jeweilige Maschinenachsen nachzurüsten, mittels welchen eine Korrektur der Schiefstellung des Werkstücks 12 möglich ist.
Außerdem weist der Werkstückadapter 10 eine besonders große Übersetzung zwischen der ersten Drehbewegung D1 und einer Veränderung der ersten Winkellage des Werkstücks 12 auf. Eine große Drehbewegung D1 führt lediglich zu kleinen Winkeländerungen der ersten Winkellage des Werkstücks 12 in der Ebene E1, wodurch diese erste Winkellage besonders präzise einstellbar ist. Bei jeweiligen Maschinenachsen, welche eine Veränderung der ersten Winkellage des Werkstücks 12 oder eine entsprechende Veränderung einer Winkellage eines Werkzeugs ermöglicht, bedeutet eine solch präzise Einstellmöglichkeit eine wesentliche Verteuerung der Maschinenachsen. Gegebenenfalls arbeiten solche für eine Bearbeitung des Werkstücks 12 gedachten Maschinenachsen auch überhaupt nicht präzise genug, um die Schiefstellung des Werkstücks 12 korrigieren zu können.
Mittels einer zweiten Drehbewegung D2 des Befestigungselements 22 um die Drehachse 20 ist eine zweite Winkellage des Werkstücks 12 in einer zweiten Ebene E2 einstellbar. Die zweite Drehbewegung D2 ist in 1 durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen D2 veranschaulicht. Die zweite Ebene E2 ist orthogonal zur ersten Ebene E1. Im in 1 gezeigten Beispiel entspricht die Ebene E2 also einer Ebene, welche senkrecht auf der Zeichnungsebene steht. Die Ebene E2 entspricht hier beispielsweise einer Haupterstreckungsebene des Basiselement 18. Aufgrund der Taumelbewegung des Werkstücks 12 kann sich die zweite Winkellage des Werkstücks 12 ändern. Im Sinne der 1 bedeutet dies, dass einem Betrachter nach der Taumelbewegung des Werkstücks 12 aufgrund der ersten Drehbewegung D1 nicht mehr dieselbe Seite des Werkstücks 12 zugewandt ist. Gerade bei simplen Fertigungsmaschinen wie beispielsweise einer Fertigungsmaschine, deren Maschinenachse lediglich eine translatorische Bewegung des Werkzeugs oder des Werkstücks 12 erlaubt, ist dann die Ausrichtung bzw. zweite Winkellage des Werkstücks 12 gegebenenfalls nicht mehr für eine Bearbeitung geeignet. Mittels der Drehbewegung D2 kann das Werkstück 12 mit dem Befestigungselement 22 um die Drehachse 20 rotieren. Dadurch ist es möglich, auch nach der Taumelbewegung aufgrund der Drehbewegung D1 des Werkstücks 12 wieder dem Betrachter der 1 dieselbe Seite des Werkstücks 12 zuzuwenden. Entsprechend sind keine weiteren Korrekturen bei der Fertigungsmaschine mehr notwendig.
Das Befestigungselement 22 ist an dem zweiten Gehäuseelement 26 mittels eines Kugellagers 28 drehbar gelagert. Das Befestigungselement 22 umfasst im gezeigten Beispiel zudem wenigstens ein Spannelement 30 zum lösbaren Befestigen des Werkstücks 12 oder eines das Werkstück 12 haltenden Werkstückträgers. Das Spannelement 30 ist dabei als ein Schnellspannsystem ausgebildet, mittels welchem das Werkstück 12 zentriert an dem Werkstückadapter 10 lösbar zu befestigen ist. Dazu umfasst das Spannelement 30 ein Federelement und jeweilige Kugelelemente, mittels welchen das Werkstück 12 gehalten wird. Auch das zweite Gehäuseelement 16 kann ein solches Spannelement aufweisen. Dann kann der Werkstückadapter 10 lösbar und gegebenenfalls zentriert an der Fertigungsmaschine befestigt werden.
Die erste Drehbewegung D1 und/oder die zweite Drehbewegung D2 kann mittels wenigstens eines Schrittmotors, insbesondere eines Torque-Motors, bewirkt werden. Beispielsweise ist sowohl für die erste Drehbewegung D1 als auch für die zweite Drehbewegung D2 ein jeweiliger Schrittmotor vorgesehen. Diese jeweiligen Schrittmotoren können achsintegriert mit der Referenzachse 14 und/oder der Drehachse 20 sein. Beispielsweise kann der jeweilige Schrittmotor an dem jeweiligen Kugellager 24 und 28 in dem ersten Gehäuseelement 16 und/oder dem zweiten Gehäuseelement 26 angeordnet sein. Dadurch ist der Werkstückadapter 10 besonders kompakt und die jeweiligen Schrittmotoren sind besonders gut vor Umwelteinflüssen geschützt. Insbesondere sind die jeweiligen Schrittmotoren so beispielsweise vor Kühlschmiermittel und Spänen in dem Arbeitsraum der Fertigungsmaschine geschützt.
Ein Schrittmotor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass er eine lagegenaue Drehbewegung ermöglicht, ohne dass zusätzliche Sensoren für eine Erfassung einer jeweiligen Drehstellung des Basiselements 18 und/oder des Befestigungselements 22 notwendig sind. Dadurch kann der Werkstückadapter 10 nochmals kostengünstiger und kompakter sein.
Der Winkel α zwischen der Referenzachse 14 und der Drehachse 20 beträgt beispielsweise mindestens 3 Grad und maximal 5 Grad. Ein Winkel in dieser Größe ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise des Werkstückadapters 10 und eine besonders präzise Einstellung der ersten Winkellage des Werkstücks 12. Typischerweise ist damit zu rechnen, dass das Werkstück 12 an einem Werkstückhalter präziser angebracht wird und werden kann als mit einer ungewollten Schiefstellung von mehr als 5 Grad.
Vor einem Bearbeiten des Werkstücks 12 mittels der Fertigungsmaschine wird die erste Drehbewegung D1 und/oder die zweite Drehbewegung D2 mittels einer Bremsvorrichtung des Werkstückadapters 10 blockiert. Dadurch werden unerwünschten Veränderungen der Raumlage des Werkstücks 12 bei einer Bearbeitung verhindert. Aufgrund des Blockierens der erste Drehbewegung D1 und/oder die zweite Drehbewegung D2 muss eine Lagekorrektur des Werkstücks 12 nur einmal pro Aufspannung vorgenommen werden. Alle weiteren Bearbeitungen können ohne weitere Bewegungen des Basiselements 18 und/oder des Befestigungselements 22 erfolgen.
Durch die erste Drehbewegung D1 und damit die Taumelbewegung des Werkstücks 12 kann ein axialer Versatz des Werkstücks 12 zu zumindest einer translatorisch einstellbaren Maschinenachse hervorgerufen werden. Dieser Versatz kann beispielsweise einfach durch ein Einstellen der jeweiligen Maschinenachse vor einem Bearbeiten ausgeglichen werden.
Im Folgenden soll noch einmal kurz die Abfolge einer Achskorrektur des Werkstücks 12 beispielhaft verdeutlicht werden. Für jede Bearbeitung des Werkstücks 12 gibt es eine Solllage des entsprechenden Werkzeugs zum Werkstück 12. Beispielsweise ist eine Solllage einer Rotationsachse einer Profilscheibe einer Schleifmaschine für die Herstellung eines Fußprofils einer Turbinenlaufschaufel vorgesehen. Ebenso gibt es in dem genannten Beispiel eine Sollachse eines Vorschubs. Beide Achsen sind fest mit dem Datumsystem des Werkstücks 12 verbunden. Im Beispiel des Fußprofils stehen beide Achsen senkrecht aufeinander. Das Werkstück 12 steht jedoch aufgrund einer Schiefstellung schräg zur inneren dieser beiden Achsen. In einem ersten Schritt wird mittels der Drehbewegung D1 die innere Achse mit dem Werkstück 12 verdreht, bis die Sollachse des Werkzeugs parallel zur tatsächlichen Achse des Werkzeugs steht. Anschließend wird eine äußere Achse der beiden Achsen mittels der Drehbewegung D2 so weit verstellt, bis das Werkstück 12 mit seiner Sollachse des Vorschubs parallel zur tatsächlichen Vorschubrichtung steht. Dies kann zum Beispiel eine Linearachse einer Schleifmaschine sein. m dieser Stellung kann das Werkstück 12 rein translatorisch über die linearen CNC-Achsen der Fertigungsmaschine an das Werkzeug herangeführt werden. Die Schiefstellung des Werkstücks 12 kann so mittels des Werkstückadapters 10 ausgeglichen werden, ohne dass dafür die Fertigungsmaschine jeweilige Maschinenachsen aufweist. Der Werkstückadapter 10 kann dabei leicht auch in bereits bestehenden Fertigungsmaschinen nachgerüstet werden, ohne dass dabei eine Modifikation jeweiliger Maschinenachsen notwendig ist.
Bezugszeichenliste

10: Werkstückadapter
12: Werkstück
14: Referenzachse
16: erstes Gehäuseelement
18: Basiselement
20: Drehachse
22: Befestigungselement
24: Kugellager
26: zweites Gehäuseelement
28: Kugellager
30: Spannelement
D1: erste Drehachse
D2: zweite Drehachse
E1: erste Ebene
E2: zweite Ebene
α: Winkel zwischen der Referenzachse und der Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009037738 A1 [0002]
EP 0882535 A1 [0003]

Claims

Werkstückadapter (10) zum lösbaren Befestigen mindestens eines Werkstücks (12), mit wenigstens einem drehbar um eine Referenzachse (14) an einem ersten Gehäuseelement (16) des Werkstückadapters (10) gelagerten Basiselement (18), und mit wenigstens einem drehbar um eine die Referenzachse (14) mit einem Winkel (α) schneidende Drehachse (20) an einem zweiten Gehäuseelement (26) gelagerten Befestigungselement (22), mittels welchem das Werkstück (12) an dem Werkstückadapter (10) befestigbar ist, wobei mittels einer ersten Drehbewegung (D1) des Basiselements (18) um die Referenzachse (14) eine Taumelbewegung des Werkstücks (12) um die Referenzachse (14) bewirkbar und damit eine erste Winkellage des Werkstücks (12) in einer ersten vorbestimmten Ebene (E1) einstellbar ist, wobei die erste Ebene (E1) die Referenzachse (14) umfasst, und wobei mittels einer zweiten Drehbewegung (D2) des Befestigungselements (22) um die Drehachse (20) eine zweite Winkellage des Werkstücks (12) in einer zweiten Ebene (E2) einstellbar ist, welche orthogonal zur ersten Ebene (E1) ist.
Werkstückadapter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehbewegung (D1) und/oder die zweite Drehbewegung (D2) mittels wenigstens eines Schrittmotors, insbesondere eines Torque-Motors, bewirkbar ist.
Werkstückadapter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor in dem ersten Gehäuseelement (16) und/oder dem zweiten Gehäuseelement (26) des Werkstückadapters (10) angeordnet ist.
Werkstückadapter (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor achsintegriert mit der Referenzachse (14) und/oder der Drehachse (20) ist.
Werkstückadapter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen der Drehachse (20) und der Referenzachse (14) größer gleich 0,5°, insbesondere 3°, und kleiner gleich 5° ist.
Werkstückadapter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (22) wenigstens ein Spannelement (30) zum lösbaren Befestigen des Werkstücks (12) oder eines das Werkstück (12) haltenden Werkstückträgers (10) umfasst.
Werkstückadapter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückadapter (10) wenigstens ein Spannelement (30) zum lösbaren Befestigen des Werkstückadapters an einer Fertigungsmaschine umfasst.
Werkstückadapter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückadapter (10) eine Bremsvorrichtung zum Blockieren der ersten Drehbewegung (D1) und/oder der zweiten Drehbewegung (D2) umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsmaschine mit mindestens den folgenden Schritten: – Ermitteln einer Raumlage des Werkstücks (12), welches an einem Werkstückhalter und/oder an einem Werkstückadapter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 befestigt ist; – Vergleichen der ermittelten Raumlage des Werkstücks (12) mit einer Solllage des Werkstücks (12) relativ zu der Fertigungsmaschine; – Steuern der ersten Drehbewegung (D1, D2) des Basiselements (18) und/oder der zweiten Drehbewegung (D2) des Befestigungselements (22) in Abhängigkeit von dem Vergleich der ermittelten Raumlage mit der Solllage zum Einstellen der ersten Winkellage des Werkstücks (12) in der ersten Ebene und/oder der zweiten Winkellage des Werkstücks in der zweiten Ebene (E1) wenn das Werkstück (12) an dem Werkstückadapter (10) befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumlage des Werkstücks (12) mittels eines optischen Messverfahrens, insbesondere mittels Photogrammetrie, Streifenprojektion und/oder Weißlichtprojektion, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Bearbeiten des Werkstücks (12) mittels der Fertigungsmaschine die erste Drehbewegung (D1) und/oder die zweite Drehbewegung (D2) mittels der Bremsvorrichtung des Werkstückadapters (10) blockiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Versatz des Werkstücks (12) zu mindestens einer translatorisch einstellbaren Maschinenachse, insbesondere hervorgerufen durch die erste Drehbewegung (D1) und/oder die zweite Drehbewegung (D2), durch ein Einstellen der jeweiligen Maschinenachsen ausgeglichen wird.