DE102015217600B4

DE102015217600B4 - Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102015217600B4
Application number: DE102015217600.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Wöhrle
Original assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Current assignee: Supfina Grieshaber GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: CN106938441B; DE102015217600A1; CN106938441A

Abstract

Vorrichtung (10) zur Finishbearbeitung von Werkstücken (18), mit einer Werkzeugspindel (26) für ein Finishwerkzeug (12), mit einer Zustelleinrichtung (32) für die Zustellung der Werkzeugspindel (26), mit einer zwischen der Werkzeugspindel (26) und der Zustelleinrichtung (32) wirksamen Kraftmesseinrichtung (56), und mit einer zwischen der Werkzeugspindel (26) und der Zustelleinrichtung (32) wirksamen Verbindungseinrichtung (44) zum Verbinden der Werkzeugspindel (26) mit der Zustelleinrichtung (32), wobei die Verbindungseinrichtung (44) zwei relativ zueinander bewegbare Bauteile (46, 48) umfasst, die mittels der Kraftmesseinrichtung (56) miteinander verbunden sind, sodass die Kraftmesseinrichtung (56) integraler und kraftleitender Bestandteil der Verbindungseinrichtung (44) ist, wobei die Bauteile (46, 48) mit nur einem einzigen Freiheitsgrad relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Freiheitsgrad eine Relativverschwenkbarkeit der Bauteile (46, 48) ist und dass die Verbindungseinrichtung (44) ein zu der Kraftmesseinrichtung (56) und zu einer Spindelachse (30) der Werkzeugspindel (26) beabstandet angeordnetes Schwenklager (50) umfasst, mittels welchem die Bauteile (46, 48) relativ zueinander verschwenkbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken, mit einer Werkzeugspindel für ein Finishwerkzeug, mit einer Zustelleinrichtung für die Zustellung der Werkzeugspindel, mit einer zwischen der Werkzeugspindel und der Zustelleinrichtung wirksamen Kraftmesseinrichtung, und mit einer zwischen der Werkzeugspindel und der Zustelleinrichtung wirksamen Verbindungseinrichtung zum Verbinden der Werkzeugspindel mit der Zustelleinrichtung.
Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 1 329 289 A2 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist die Verbindungseinrichtung durch Blattfedern gebildet, welche die Werkzeugspindel auf der Zustelleinrichtung abstützen. Eine Kraftmesseinrichtung in Form eines Piezoelements dient zur Erfassung einer Prozesskraft, die während der finishenden Bearbeitung eines Werkstücks auftritt.
Die bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass bei der Finishbearbeitung eines Werkstücks auftretende Bearbeitungskräfte Schwingungen verursachen können, welche die Genauigkeit, mit der ein Werkstück finishend bearbeitet werden kann, herabsetzen.
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 690 09 890 T2 bekannt. Weitere Vorrichtungen sind aus der US 2009/0104855 A1 , der DE 10 2007 024 760 A1 und der DE 20 2006 017 265 U1 bekannt.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine Prozesskraft gemessen werden kann, ohne dabei aber die Genauigkeit, mit der ein Werkstück finishend bearbeitet werden kann, herabzusetzen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß bildet die Kraftmesseinrichtung einen integralen und kraftleitenden Bestandteil der Verbindungseinrichtung. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Verbindungseinrichtung eine Einrichtung verstanden, welche einen mechanischen Zusammenhalt zwischen der Zustelleinrichtung und der Werkzeugspindel herstellt. Ein integraler Bestandteil der Verbindungseinrichtung ist die Kraftmesseinrichtung. Die Kraftmesseinrichtung nimmt zumindest einen Teil der für den mechanischen Zusammenhalt zwischen Zustelleinrichtung und Werkzeugspindel erforderlichen Kräfte auf; eine Demontage der Kraftmesseinrichtung geht damit einher, dass der mechanische Zusammenhalt zwischen der Werkzeugspindel und der Zustelleinrichtung unterbrochen wird.
Durch die erfindungsgemäße Integration der Kraftmesseinrichtung in die Verbindungseinrichtung kann ein insgesamt stabiler Aufbau geschaffen werden, der die Genauigkeit, mit welcher ein Werkstück finishend bearbeitet werden kann, nicht herabsetzt. Gleichzeitig ist es möglich, im Zuge der Finishbearbeitung eines Werkstücks auftretende Prozesskräfte zu messen, da diese Prozesskräfte von der Werkzeugspindel über die Verbindungseinrichtung auf die Zustelleinrichtung übertragen werden.
Ein besonders einfacher Aufbau der Verbindungseinrichtung ergibt sich, wenn ein erstes Bauteil der Verbindungseinrichtung mit der Zustelleinrichtung und ein zweites Bauteil der Verbindungseinrichtung mit der Werkzeugspindel verbunden ist.
Ein besonders bevorzugter und stabiler Aufbau sieht vor, dass die Bauteile als Plattenkörper ausgebildet sind. Diese Plattenkörper sind in sich mechanisch stabil und dienen jeweils als Träger für die Werkzeugspindel bzw. für die Zustelleinrichtung.
Erfindungsgemäß sind die Bauteile mit nur einem einzigen Freiheitsgrad relativ zueinander bewegbar, wobei der genannte einzige Freiheitsgrad eine Relativverschwenkbarkeit der Bauteile ist.
Vorzugsweise ist die Kraftmesseinrichtung auf Zug und/oder Druck belastbar und hemmt eine Relativbewegbarkeit der Bauteile. Insbesondere ist die Kraftmesseinrichtung ausschließlich auf Zug und/oder Druck belastbar. Bei einer besonders bevorzugten Variante ist die Kraftmesseinrichtung ausschließlich zur Aufnahme von Druckkräften vorgesehen. Als integraler Bestandteil der Verbindungseinrichtung überträgt die Kraftmesseinrichtung statische Verbindungskräfte, die für den mechanischen Zusammenhalt zwischen der Zustelleinrichtung und der Werkzeugspindel erforderlich sind. Der Betrag der statischen Verbindungskraft hängt von den Gewichten der Bauteile und von der Orientierung der Vorrichtung ab; die statische Verbindungskraft kann von der Kraftmesseinrichtung gemessen werden, beispielsweise um einen „Nullpunkt“ zu bestimmen, von welchem ausgehend dann eine während des Betriebs der Vorrichtung auftretende Prozesskraft gemessen wird. Die von der Kraftmesseinrichtung zu messende Prozesskraft und die statische Verbindungskraft verlaufen entlang einer identischen Kraftübertragungsachse.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verbindungseinrichtung ein zu der Kraftmesseinrichtung und zu einer Spindelachse der Werkzeugspindel beabstandet angeordnetes Schwenklager umfasst, mittels welchem die Bauteile relativ zueinander verschwenkbar sind. Hierdurch kann ein einfacher und gleichzeitig stabiler Aufbau der Verbindungseinrichtung geschaffen werden, welcher darüber hinaus eine einfache Umlenkung von Prozesskräften ermöglicht, welche ausgehend von einem Werkstück auf das an der Werkzeugspindel angeordnete Werkzeug wirken und dann über die Werkzeugspindel in die Verbindungseinrichtung eingeleitet werden und zu der Kraftmesseinrichtung gelangen.
Wenn eine durch das Schwenklager definierte Schwenkachse winklig, insbesondere senkrecht, zu einer Zustellachse der Zustelleinrichtung verläuft, ist es insbesondere bei der Bearbeitung von planen und sphärischen Flächen möglich, einen Eingriffswinkel eines Finishwerkzeugs mit einem Werkstück einzustellen und somit die geometrischen Parameter eines sogenannten „Kreuzschliffs“ zu beeinflussen.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Kraftmesseinrichtung im Kraftfluss einer zwischen den Bauteilen wirksamen Abstandseinstelleinrichtung angeordnet ist. Die Abstandseinstelleinrichtung ermöglicht die Einstellung eines Abstands zwischen den Bauteilen im Sinne eines durch die Kraftmesseinrichtung hindurch gemessenen Abstands der Bauteil, der in diesem Bereich zwischen den Bauteilen anliegt. Die Abstandseinstelleinrichtung ermöglicht die Einstellung eines absoluten Abstands zwischen den Bauteilen oder die Einstellung eines Winkelabstands zwischen den Bauteilen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
In den Zeichnungen zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken;
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1, wobei eine Werkzeugspindel der Vorrichtung eine Grundstellung einnimmt; und
3 eine der 2 entsprechende Seitenansicht, wobei die Werkzeugspindel eine gegenüber der Grundstellung geneigte Betriebsstellung einnimmt.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung eines Werkstücks insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 weist ein Finishwerkzeug 12 auf, das beispielsweise in Form einer Topfscheibe ausgebildet ist. Eine Topfscheibe weist an ihrer Stirnseite eine ringförmige Wirkfläche 14 auf, mit welcher eine plane oder sphärische Oberfläche 16 eines Werkstücks 18 finishend bearbeitbar ist.
Das Werkstück 18 ist in einem Werkstückhalter 20 (beispielsweise einem Spannfutter) aufgenommen. Mittels eines Werkstückantriebs 22 wird das Werkstück 18 rotatorisch um eine Antriebsachse 24 angetrieben.
Das Werkzeug 12 ist an einer Werkzeugspindel 26 gehalten und mittels eines Antriebs 28 um eine Spindelachse 30 rotatorisch angetrieben. Die Spindelachse 30 und die Antriebsachse 24 des Werkstücks 18 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander oder sind um wenige Grad (beispielsweise maximal 5°) relativ zueinander geneigt.
Um die Wirkfläche 14 des Werkzeugs 12 in Richtung auf das Werkstück 18 zustellen und wieder entfernen zu können, ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnete Zustelleinrichtung vorgesehen. Die Zustelleinrichtung 32 umfasst einen Träger 34, welcher mit einem Antrieb 36 verbunden ist, der auf einen Schlitten 38 wirkt. Der Schlitten 38 ist mittels des Antriebs 36 entlang einer Zustellachse 40 verschiebbar. Die Zustellachse 40 verläuft parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel (beispielsweise maximal um 5° geneigt) zu der Spindelachse 30. Die Zustelleinrichtung 32 dient auch dazu, eine Andrückkraft zu erzeugen, mit welcher die Wirkfläche 14 des Finishwerkzeugs 12 auf die Oberfläche 16 des Werkstücks 18 drückt.
Zur Verbindung des Schlittens 38 der Zustelleinrichtung 32 einerseits und eines Gehäuses 42 der Werkzeugspindel 26 andererseits umfasst die Vorrichtung 10 eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnete Verbindungseinrichtung.
Die Verbindungseinrichtung 44 umfasst zwei relativ zueinander bewegbare, plattenkörperförmige Bauteile 46 und 48. Ein erstes Bauteil 46 ist mit dem Schlitten 38 der Zustelleinrichtung 32 verbunden, insbesondere verschraubt. Ein zweites Bauteil 48 ist mit dem Gehäuse 42 der Werkzeugspindel 26 verbunden, insbesondere verschraubt.
Zur Verbindung der Bauteile 46 und 48 ist ein Schwenklager 50 vorgesehen, das eine Schwenkachse 52 definiert. Die Schwenkachse 52 weist einen Abstand 54 zu der Spindelachse 30 der Werkzeugspindel 26 auf. Das Schwenklager 50 ist in der Zeichnung nur schematisch dargestellt; es umfasst beispielsweise in an sich bekannter Weise einen Schwenkbolzen und den Schwenkbolzen umgreifende Buchsen.
Das Schwenklager 50 zwischen den Bauteilen 46 und 48 verbindet die Bauteile 46 und 48 so, dass diese lediglich in einem einzigen Freiheitsgrad relativ zueinander bewegbar sind. Die Bauteile 46 und 48 sind also ausschließlich um die Schwenkachse 52 relativ zueinander verschwenkbar. Bevorzugt ist es, dass die Schwenkachse 52 an einem zu dem Werkzeug 12 benachbarten Ende der Bauteile 46, 48 angeordnet ist.
Um eine Verschwenkbarkeit zwischen den Bauteile 46 und 48 zu hemmen, umfasst die Verbindungseinrichtung 44 einen Verbindungsbereich 54, welcher als kraftleitender Bestandteil der Verbindungseinrichtung 44 wirksam ist. In dem Verbindungsbereich 54 werden ausschließlich Zug- und Druckkräfte übertragen. In dem Verbindungsbereich 54 werden zwischen den Bauteilen 46 und 48 wirksame Verbindungskräfte durch eine Kraftmesseinrichtung 56 hindurch übertragen. Die Kraftmesseinrichtung 56 kann beispielsweise durch eine Kraftmessdose gebildet sein.
In dem Verbindungsbereich 54 überträgt die Kraftmesseinrichtung 56 Zug- und Druckkräfte entlang einer Kraftübertragungsachse 58.
Insbesondere überträgt die Kraftmesseinrichtung 56 ausschließlich Druckkräfte entlang der Kraftübertragungsachse 58. Für diesen Fall ist es bevorzugt, dass die Kraftmesseinrichtung 56 zwei relativ zueinander bewegbare Bauelemente umfasst, welche mittels Federn relativ zueinander vorgespannt sind und durch eine Sensoreinheit zueinander beabstandet sind. Auf diese Weise können die Bauteile 46 und 48 relativ zueinander spielfrei angeordnet werden.
Die Kraftübertragungsachse 58 ist winklig, insbesondere senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht, zu der Schwenkachse 52 angeordnet und weist zu der Schwenkachse 52 einen Abstand 60 auf.
In dem Verbindungsbereich 54 ist, mechanisch in Reihe mit der Kraftmesseinrichtung angeordnet, eine Abstandseinstelleinrichtung 62 angeordnet. Diese umfasst beispielsweise eine Einstellspindel 64, welche einenends mit einem der Bauteile 46 oder 48 und anderenends mit der Kraftmesseinrichtung 56 verbunden ist. Zur Fixierung der Abstandseinstelleinrichtung 62 kann eine Einstellmutter 66 vorgesehen sein.
Die Abstandseinstelleinrichtung 62 ermöglicht es, einen entlang der Kraftübertragungsachse 58 gemessen Abstand zwischen den Bauteilen 46 und 48 einzustellen. Durch die Beabstandung der Kraftübertragungsachse 58 zu der Schwenkachse 52 geht eine Veränderung eines entlang der Kraftübertragungsachse vorhandenen Abstands zwischen den Bauteilen 46 und 48 damit einher, dass die Bauteile 46 und 48 um die Schwenkachse 52 relativ zueinander verschwenkt werden, vgl. 2 und 3. Auf diese Weise ist ein Neigungswinkel der Spindelachse 30 einstellbar. Beispielsweise können die Achsen 24 und 30 parallel zueinander verlaufen (vgl. 2); oder aber die Achsen 24 und 30 sind relativ zueinander geneigt (vgl. 3).
Während der finishenden Bearbeitung des Werkstücks 18 rotiert das Werkstück 18 um die Achse 24. Gleichzeitig rotiert das Werkzeug 12 um die Spindelachse 30. Die Wirkfläche 14 des Werkzeugs 12 steht in Eingriff mit der Werkstückfläche 16 des Werkstücks 18. Da zur finishenden Bearbeitung des Werkstücks 18 eine Druckkraft von dem Werkzeug 12 auf das Werkstück 18 ausgeübt wird, erfährt das Werkzeug 12 eine entsprechende Andrückkraft, welche in 2 mit dem Bezugszeichen 62 angedeutet ist. Die Andrückkraft 62 bewirkt über den „Hebelarm“ 54 ein auf die Werkzeugspindel 26 wirkendes Drehmoment um die Schwenkachse 52 (Der zeichnerischen Darstellung in 2 entsprechend verläuft dieses Drehmoment im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 52.)
Die mit dem „Hebelarm“ 60 zu der Schwenkachse 52 beabstandete Kraftmesseinrichtung 56 übt ein entgegengesetztes Drehmoment auf die Werkzeugspindel 26 aus, sodass diese bezogen auf die Schwenkachse 52 stillsteht. Das entgegengesetzte Drehmoment ist gleich einer von der Kraftmesseinrichtung 56 entlang der Kraftübertragungsachse 58 gemessenen Prozesskraft (entspricht der Gegenkraft zu einer von dem zweiten Bauteil 48 auf die Kraftmesseinrichtung ausgeübten Druckkraft), multipliziert mit der Länge des „Hebelarms“ 60.
Dementsprechend ist die Andrückkraft 62 gleich der von der Kraftmesseinrichtung 56 gemessenenen Prozesskraft multipliziert mit dem Hebelarmfaktor (Abstand 60 geteilt durch Abstand 54).

Claims

Vorrichtung (10) zur Finishbearbeitung von Werkstücken (18), mit einer Werkzeugspindel (26) für ein Finishwerkzeug (12), mit einer Zustelleinrichtung (32) für die Zustellung der Werkzeugspindel (26), mit einer zwischen der Werkzeugspindel (26) und der Zustelleinrichtung (32) wirksamen Kraftmesseinrichtung (56), und mit einer zwischen der Werkzeugspindel (26) und der Zustelleinrichtung (32) wirksamen Verbindungseinrichtung (44) zum Verbinden der Werkzeugspindel (26) mit der Zustelleinrichtung (32), wobei die Verbindungseinrichtung (44) zwei relativ zueinander bewegbare Bauteile (46, 48) umfasst, die mittels der Kraftmesseinrichtung (56) miteinander verbunden sind, sodass die Kraftmesseinrichtung (56) integraler und kraftleitender Bestandteil der Verbindungseinrichtung (44) ist, wobei die Bauteile (46, 48) mit nur einem einzigen Freiheitsgrad relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Freiheitsgrad eine Relativverschwenkbarkeit der Bauteile (46, 48) ist und dass die Verbindungseinrichtung (44) ein zu der Kraftmesseinrichtung (56) und zu einer Spindelachse (30) der Werkzeugspindel (26) beabstandet angeordnetes Schwenklager (50) umfasst, mittels welchem die Bauteile (46, 48) relativ zueinander verschwenkbar sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bauteil (46) mit der Zustelleinrichtung (32) und ein zweites Bauteil (48) mit der Werkzeugspindel (26) verbunden ist.
Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (46, 48) als Plattenkörper ausgebildet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (56) auf Zug und/oder Druck belastbar ist und eine Relativbewegbarkeit der Bauteile (46, 48) hemmt.
Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das Schwenklager (50) definierte Schwenkachse (52) winklig, insbesondere senkrecht, zu einer Zustellachse (40) der Zustelleinrichtung (32) verläuft.
Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (56) im Kraftfluss einer zwischen den Bauteilen (46, 48) wirksamen Abstandseinstelleinrichtung (62) angeordnet ist.