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Die Erfindung betrifft eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen eines Werkstücks in einem Koordinatenmessgerät oder in einer Werkzeugmaschine sowie ein Koordinatenmessgerät, aufweisend eine solche Bewegungsvorrichtung.
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In Koordinatenmessgeräten werden Drehtische zum Vermessen von Werkstücken eingesetzt. Das Werkstück kann auf dem Drehtisch, insbesondere auf einer Planscheibe eines Drehtisches, die an einem Rotor befestigt ist, platziert werden und in verschiedene Positionen gedreht werden. Besonders vorteilhaft ist dies bei rotationssymmetrischen Werkstücken.
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Die Größenordnung üblicher Antriebsmomente von Drehtischen mittlerer Größe mit beispielsweise 20 kgm2 Trägheitsmoment und bis zu 600 kg Zuladung, bewegt sich im Bereich von mehreren 10 Newtonmetern, beispielsweise 30 Nm.
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Die Sicherheitsrichtlinien anzuwendender Maschinen geben zum Beispiel eine maximale zulässige Quetschkraft von 400 N vor. Diese Quetschkraftobergrenze wird dabei auf den Außenrand einer Drehtisch-Planscheibe bezogen. Die Quetschkraft, aufgrund des Motormoments, errechnet sich hierbei aus dem Verhältnis des maximalen Motormoments und des Radius der Planscheibe. Die tatsächlich im Kollisionsfall auftretenden Kräfte sind allerdings noch höher, da zusätzlich noch die kinetische Energie eines Werkstücks und des Drehtisch-Rotors wirkt.
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Es ergibt sich auch das Problem, dass die Quetschkräfte mit kleiner werdendem Radius, also beispielsweise im Fall einer Kollision mit einem Werkstück mit relativ kleinem Durchmesser, aufgrund des konstanten Motormoments gefährlich hoch werden können. Es besteht daher erhebliche Verletzungsgefahr.
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Für Bediener eines Koordinatenmessgeräts mit beweglichen Teilen besteht die Gefahr von Quetschungen beim Betrieb des Koordinatenmessgeräts (siehe z.B. die elektronisch im Internet erhältlichen Grundlagen der Koordinatenmesstechnik, Lernmodul 9: Vorbereiten der Messung-Übersicht; AUKOM Stufe 1; http://www.aukom.info/seminare/e-learning.html).
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Je nach Art und Größe des Drehtisches wird ein bestimmtes Antriebsmoment benötigt, um die gewünschte Dynamik und Messleistung zu erreichen, und um ausreichend gut auf Regelkreisstörungen reagieren zu können. Dies gilt insbesondere dann, wenn die vom Drehtisch zu bewegenden Trägheitsmomente größer werden, beispielsweise 20 kgm2.
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Die obigen Aspekte betreffen im Wesentlichen die Sicherheit und Gefährdung eines Anwenders. Allerdings ist ein Drehtisch auch gegen Überlastung zu schützen, wenn externe Momente und Kräfte auf ihn einwirken. Drehtische für messtechnische Anwendungen weisen häufig empfindliche Getriebestufen auf. Beispiele für derartige Getriebe sind Reibradgetriebe oder Schneckengetriebe. Je nach Getriebeübersetzungsverhältnis ist die Selbsthemmung des Getriebes gegebenenfalls hoch.
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Die vorteilhaft mit einem Drehtisch vermessbaren Werkstücke sind häufig rotationsymmetrisch. Diese Werkstücke werden häufig mit einem Kranzspannfutter aufgespannt. Insbesondere bei verbreiteten Kranzspannfuttern wirken die Betätigungsmomente um die Drehtischachse und müssen damit vom Drehtischgetriebe aufgenommen werden. Es besteht hierbei das Problem bzw. die Gefahr, dass durch die Betätigungsmomente hochgenau bearbeitete Getriebeelemente beschädigt werden, z. B. wenn geschliffene Reibräder durchrutschen oder aus Gründen der Spielfreiheit angefederte Zahnräder oder Schnecken überdehnt werden. Die Oberfläche von Zahnrädern und Reibrädern kann beschädigt werden oder es kommt zu Flachstellen, insbesondere bei Reibrädern. Hierdurch wird die Laufruhe des Getriebes und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigt.
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Ein weiteres Problem ist die mögliche Beschädigung empfindlicher Werkstücke im Kollisionsfall. Ein Beispiel hierfür wären Turbinenblätter. Solche Werkstücke sind meist sehr teuer und weisen häufig dünnwandige und empfindliche Strukturen auf.
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Neugebauer, Reimund (Hrsg.): Werkzeugmaschinen, Springer, 2012, S. 52-58, ISBN 978-3-642-30077-6, Kapitel 3.2 - Europäische Sicherheitsgesetzgebung, weist darauf hin, dass bei Werkzeugmaschinen ein einheitliches Schutzniveau zur Unfallverhütung beim erstmaligen Inverkehrbringen und für die Nutzungszeit durch die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG geregelt ist. Demnach müssen alle Maschinen zu diesem Zeitpunkt sicher sein und anschließend innerhalb der Produktion vor allem sicher bedienenbar sein. Als Maschine wird innerhalb der Richtlinie „eine mit einem anderen Antriebssystem als der unmittelbar eingesetzten menschlichen oder tierischen Kraft ausgestattete oder dafür vorgesehene Gesamtheit miteinander verbundener Teile oder Vorrichtungen, von denen mindestens eines bzw. eine beweglich ist und die für eine bestimmte Anwendung zusammengefügt sind“, verstanden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, für eines oder mehrere der oben genannten Probleme eine Lösung anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß einer Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Varianten und Ausführungsformen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird bei einer Bewegungsvorrichtung zum Bewegen eines Werkstücks eine schaltende Sicherheitskupplung (erfindungsgemäß auch nur als „Kupplung“ bezeichnet) im Kraftverlauf (auch bezeichnet als „Kraftfluss“) zu einem bewegten Teil der Bewegungsvorrichtung angeordnet. Hierdurch kann ein wirkendes Antriebsmoment oder eine Antriebskraft auf ein ungefährliches Maß begrenzt werden. Bei Erreichen eines definierten Drehmoments oder einer definierten Kraft trennt bzw. löst die Kupplung (schaltet), sodass ein Kraftfluss unterbrochen wird. D.h. die Kupplung trennt oder löst eine Verbindung innerhalb des Kraftverlaufes. Die Unterbrechung des Kraftflusses geschieht dann ohne weiteren äußeren oder fremden Einfluss. Die Kupplung ist so ausgestaltet, dass sie den Kraftfluss selbst unterbrechen kann. Daher wird die Sicherheitskupplung auch als selbsttätige Sicherheitskupplung bezeichnet. Das Attribut „Sicherheit“ bei der Kupplung bedeutet, dass durch die Unterbrechung des Kraftflusses Schäden vermieden werden können. Die Sicherheitskupplung wird erfindungsgemäß auch einfach nur als „Kupplung“ bezeichnet. Sicherheitskupplungen als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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Durch die Sicherheitskupplung, insbesondere einer Rutschkupplung, kann auch ein durch eine kinetische Energie des Werkstücks erzeugtes Moment oder eine Kraft auf den Drehtischantrieb, beispielsweise im Kollisionsfall, begrenzt werden. Die Sicherheitskupplung schützt dann das Getriebe vor Beschädigung bei externen Momenten, wie sie beispielsweise beim Schließen oder Spannen einer Einspannvorrichtung auftreten. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Getriebe mit starker Selbsthemmung.
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Eine besonders bevorzugte Bewegungsvorrichtung in der vorliegenden Erfindung ist ein Drehtisch, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Generell kann die Erfindung auf rotatorisch wie auch translatorisch bewegende Bewegungsvorrichtungen angewandt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen eines Werkstücks in einem Koordinatenmessgerät oder einer Werkzeugmaschine, aufweisend einen Stator, einen beweglichen Teil, eine Auflage oder eine Einspannvorrichtung für ein Werkstück, die an den beweglichen Teil gekoppelt ist, einen Antrieb für den beweglichen Teil, wobei innerhalb eines Kraftverlaufes von dem Antrieb bis zu der Auflage oder der Einspannvorrichtung, oder von dem Antrieb bis zu einem Teil der Auflage oder Einspannvorrichtung, wo das Werkstück positionierbar oder anbringbar ist, eine kraft- oder drehmomentschaltende Sicherheitskupplung angeordnet ist, wobei die Auflage oder die Einspannvorrichtung mehrteilig ausgeführt ist und die Sicherheitskupplung zwischen zwei Teilen der Auflage oder der Einspannvorrichtung angeordnet ist.
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Der bewegliche Teil ist beispielsweise ein Rotor oder ein Translator.
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Die Auflage kann als separates Teil ausgebildet sein, das eine Auflagefläche aufweisen kann und an dem beweglichen Teil befestigt werden kann.
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Die Auflage kann eine Auflagefläche für ein Werkstück aufweisen, wobei eine Drehtisch-Planscheibe, die an einen Rotor eines Drehtisches koppelbar ist, ein spezielles Beispiel ist.
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Eine Einspannvorrichtung kann Einspann- oder Fixiermittel aufweisen, womit ein Werkstück fixierbar ist. Eine spezielle Einspannvorrichtung ist ein bereits genanntes Kranzspannfutter.
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Die Kopplung der Auflage oder Einspannvorrichtung an den beweglichen Teil ist vorzugsweise derart, dass die Auflage oder Einspannvorrichtung relativ zu dem beweglichen Teil bewegungsfest ist. Bei nachfolgend noch näher erläuterten mehrteiligen Auflagen oder Einspannvorrichtungen ist zumindest ein Teil, insbesondere das zu dem beweglichen Teil nächstliegende Teil, bewegungsfest relativ zu dem beweglichen Teil.
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Ein Antrieb kann einen Motor und ein nachgeschaltetes Getriebe aufweisen. Der Motor weist insbesondere eine kraftübertragende Motorwelle auf, die an ein genanntes Getriebe gekoppelt werden kann. Über den Antrieb wird zum einen das bewegliche Teil, insbesondere der Rotor oder Stator, bewegt und mit dem Rotor oder Stator ferner die Auflage oder die Einspannvorrichtung.
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Die Sicherheitskupplung kann eine Rutschkupplung sein. Verschiedenste Varianten Sicherheitskupplungen sind bekannt, wie z. B. axial oder radial wirkende. Eine Sicherheitskupplung kann rasten oder Reibbeläge aufweisen. Sicherheitskupplungen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Eine Sicherheitskupplung kann mechanisch oder elektronisch ausgeführt sein. Eine elektronische Sicherheitskupplung kann einen Beschleunigungssensor aufweisen, mit dem eine Kollision aufgrund der auftretenden Bremskräfte detektierbar ist. Bei Überschreitung einer bestimmten Beschleunigung bzw. negativen Beschleunigung kann der Kraftfluss unterbrochen werden.
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Die Sicherheitskupplung kann in das bewegliche Teil oder in den Stator, oder dazwischen integriert oder angeordnet sein. Auf weitere Varianten wird nachfolgend noch eingegangen.
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In einer Ausführungsform ist, wie bereits erwähnt, die Bewegungsvorrichtung eine Drehvorrichtung und die Sicherheitskupplung eine drehmomentschaltende Sicherheitskupplung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Drehvorrichtung ein Drehtisch. Im Falle eines Drehtisches ist die Auflage eine Planscheibe, die mit dem Rotor des Drehtisches gekoppelt wird, insbesondere daran befestigt wird.
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Die Auflage oder Einspannvorrichtung kann von dem beweglichen Teil demontierbar sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Sicherheitskupplung in die Auflage oder Einspannvorrichtung integriert ist. So kann bei einer Bewegungsvorrichtung einer Auflage oder Einspannvorrichtung ohne Sicherheitskupplung gegen eine Auflage oder Einspannvorrichtung mit Sicherheitskupplung getauscht werden.
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Die Auflage oder die Einspannvorrichtung ist mehrteilig ausgeführt und die Sicherheitskupplung ist zwischen zwei Teilen der Auflage oder der Einspannvorrichtung angeordnet. Hierbei ist also die Sicherheitskupplung in einer Auflage oder Einspannvorrichtung integriert. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Bewegungsvorrichtung eine Sicherheitskupplung gleichzeitig mit der Montage einer Auflage oder Einspannvorrichtung nachrüstbar ist. Ein spezielles Beispiel ist eine zweiteilige Drehtisch-Planscheibe, die einen näher zum Rotor angeordneten Teil und einen weiter vom Rotor entfernten Teil aufweist, beispielsweise einen unteren Teil, der an einen darunter liegenden Rotor gekoppelt ist und einen oberen Teil. Die Sicherheitskupplung ist im Kraftverlauf zwischen diesen beiden Teilen angeordnet.
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Eine oben genannte mehrteilige Auflage oder Einspannvorrichtung kann zwischen genannten zwei Teilen weiterhin ein Lager aufweisen, beispielsweise ein Translationslager oder Drehlager, insbesondere ein Wälzlager.
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In einer Ausführungsform ist eine Kraft oder ein Drehmoment, bei der/dem die Sicherheitskupplung schaltet und den Kraftverlauf unterbricht, verstellbar bzw. veränderbar. Beispielsweise kann es erwünscht sein, eine Sicherheitskupplung auf ein geringes Moment oder eine geringe Kraft zu begrenzen, sodass kleine ungefährliche Kräfte bei Werkstücken mit kleinen Radien gewährleistet werden. In anderen Anwendungssituationen kann die Vorgabe anders sein. Hierbei ist eine Verstellbarkeit im obigen Sinne vorteilhaft.
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In einer Ausführungsform weist die Bewegungsvorrichtung ein Energieverzehrelement auf, insbesondere ein Dämpfungselement, welches bei einem Schalten der Sicherheitskupplung, also bei Unterbrechung des Kraftflusses, eine Bewegungsenergie aufnimmt. In einer Variante kann die Energie eines Antriebs, insbesondere eines Linearantriebs, aufgenommen werden, der sich nach Schalten der Sicherheitskupplung weiter fortbewegt. In einer weiteren Variante, die mit vorheriger Variante kombiniert werden kann, kann ein Energieverzehrelement eine Bewegungsenergie eines Elements auf der Abtriebsseite, beispielsweise einer Auflage oder einer Einspannvorrichtung, aufnehmen. Hierbei kann ein weiterer Schutz für den Anwender erzielt werden, da noch vorhandene Bewegungsenergie nicht auf ihn sondern auf das Energieverzehrelement übertragen wird. Das Energieverzehrelement kann bei Schalten der Sicherheitskupplung aktiviert werden bzw. so ausgestaltet sein, dass es bei Schalten der Sicherheitskupplung aktiviert wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Koordinatenmessgerät, aufweisend eine vorangehend beschriebene Bewegungsvorrichtung. Das Koordinatenmessgerät kann insbesondere ein Portal-Koordinatenmessgerät sein, ist aber hierauf nicht beschränkt. Eine genannte Bewegungsvorrichtung kann insbesondere auf einem Messtisch oder einer Basis eines Koordinatenmessgerätes angeordnet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen
- 1 einen erfindungsgemäßen Drehtisch,
- 2 ein erfindungsgemäßes Koordinatenmessgerät.
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1 zeigt als Bewegungsvorrichtung 1 einen Drehtisch mit dem Stator 2, dem beweglichen Teil 3, das in diesem Beispiel ein Rotor 3 ist und nachfolgend auch so bezeichnet wird, und der Auflage 4, die in diesem Beispiel eine zweiteilige Planscheibe 4 ist, nachfolgend auch so bezeichnet wird, und die eine Auflage für das Werkstück 5 ist. Die Planscheibe 4 weist oberseitig die Auflagefläche 6 auf.
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In dem Stator ist der Antrieb 7 untergebracht, der den schematisch gezeigten Motor 8 und die Motorwelle 9 aufweist, über welche der Rotor 3 an den Stator 2 gekoppelt ist. Zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 vorhandene Lager sind nicht näher dargestellt.
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Die Planscheibe 4 ist zweiteilig ausgestaltet und weist den unteren Teil 10 und den oberen Teil 11 auf. Der untere Teil 10 ist über ein Zwischenstück 12 drehfest relativ zu dem Rotor 3 an den Rotor 3 gekoppelt. Der obere Teil 11 der Planscheibe 4 ist über das Wälzlager 13 an den unteren Teil 10 gekoppelt und somit relativ zu dem unteren Teil 10 der Planscheibe 4 drehbar.
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Ferner ist zwischen dem unteren Teil 10 der Planscheibe 4 und dem oberen Teil 11 der Planscheibe 4 die Sicherheitskupplung 14 angeordnet. Die Sicherheitskupplung 14 weist eine Kugel 15 auf, welche über die Feder 16 mit dem Halter 17 verbunden ist. Durch die Kraft der Feder 16 wird die Kugel 15 in eine Vertiefung 18 hinein gepresst, auch bezeichnet als Raste oder Rastposition, die an dem oberen Teil 11 der Planscheibe 4 in radialer Richtung ausgebildet ist. Die Vertiefung 18 ist beispielsweise halbkugelförmig in Form einer Halb-Hohlkugel und passgenau zu ihrem Gegenstück, der Kugel 15 der Sicherheitskupplung 14. Die Kraft der Feder 16 wirkt in radiale Richtung.
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Wird das Werkstück 5 bzw. der obere Teil 11 der Planscheibe 4 im Betrieb des Drehtisches blockiert, beispielsweise unbeabsichtigt durch ein Bedienpersonal, kann die Kugel 15 gegen die Kraft der Feder 16 aus der Vertiefung 18 herausgedrückt werden und der Rotor 3 und der Teil 10 der Auflage 4, in diesem Beispiel ein unterer Teil 10 der Planscheibe 4 können weiterdrehen, während der Teil 11 der der Auflage 4, in diesem Beispiel ein oberer Teil 11 der Planscheibe 4, stillsteht. Diese Drehbewegung wird durch das Wälzlager 13 gelagert. Die Federkraft der Feder 16 kann verstellbar sein, sodass das Schalten der Sicherheitskupplung, also das Herausbewegen der Kugel 15 aus der Vertiefung 18, drehmomentabhängig gestaltet sein kann.
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Das Wälzlager 13 ist vorzugsweise ein hochpräzises Wälzlager, ferner ist im Normalbetrieb, das heißt wenn der untere Teil 10 der Planscheibe 4 und der obere Teil 11 der Planscheibe 4 nicht gegeneinander bewegt werden, eine Spielfreilagerung beider Teile durch geeignete Maßnahmen zu gewährleisten.
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Nach Auslösen der Sicherheitskupplung ist gegebenenfalls eine erneute Einmessung der Lage des Werkstücks 5 erforderlich.
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Das in 2 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 211 in Portalbauweise weist einen Messtisch 201 auf, über der Säulen 202, 203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 202, 203 bilden zusammen mit einem Querträger 204 ein Portal des KMG 211. Der Querträger 204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 202 bzw. 203 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 202, 203 in Y-Richtung, entlang der Y-Bewegungs-Achse. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 202, 203 ein Elektromotor zugeordnet. Der Querträger 204 ist mit einem Querschlitten 207 kombiniert, welcher luftgelagert entlang dem Querträger 204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 207 relativ zu dem Querträger 204 kann anhand einer Maßstabsteilung 206 festgestellt werden. Die Bewegung des Querträgers 204 in X-Richtung, d.h. entlang der X-Bewegungs-Achse, wird durch einen weiteren Elektromotor angetrieben. An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 und eine Drehvorrichtung 205 mit einem Messkopf 209 verbunden ist. Der Messkopf 209 ist mit einem abgewinkelten Teil 215 verbunden, an dem ein Taststift 111 mit Tastkugel 121 abnehmbar angeordnet ist. Der Messkopf 209 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor relativ zu dem Querschlitten 207 in Z-Richtung, entlang der Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG kann der Messkopf 209 in dem Bereich unterhalb des Querträgers 204 in nahezu beliebige Positionen bewegt werden. Ferner kann die Drehvorrichtung 205 den Messkopf 209 um die Z-Achse drehen, sodass der Taststift 111 in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden kann. Nicht dargestellt ist eine Steuerung, die die Bewegung der beweglichen Teile des KMG entlang der Bewegungs-Achsen steuert. Die Steuerung ist eingerichtet zur Durchführung einer oder mehrerer der im allgemeinen Beschreibungsteil erläuterten Schritte.
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In den Messraum des KMG 211 ist eine Anordnung eingebracht, wie in 1 gezeigt und dort erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bewegungsvorrichtung
- 2
- Stator
- 3
- beweglicher Teil, im Beispiel ein Rotor
- 4
- Auflage, im Beispiel eine Planscheibe
- 5
- Werkstück
- 6
- Auflagefläche
- 7
- Antrieb
- 8
- Motor
- 9
- Motorwelle
- 10
- Teil der Auflage 4, im Beispiel unterer Teil der Planscheibe
- 11
- Teil der Auflage 4, im Beispiel oberer Teil der Planscheibe
- 12
- Zwischenstück
- 13
- Wälzlager
- 14
- Sicherheitskupplung
- 15
- Kugel
- 16
- Feder
- 17
- Halter
- 18
- Vertiefung
- 111
- Taststift
- 121
- Tastkugel
- 201
- Messtisch
- 202
- Säule
- 203
- Säule
- 204
- Querträger
- 205
- Drehvorrichtung
- 206
- Maßstabsteilung
- 207
- Querschlitten
- 208
- Pinole
- 209
- Messkopf
- 210
- Montageeinrichtung
- 211
- Koordinatenmessgerät (KMG)
- 215
- abgewinkelter Teil
