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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Fixieren eines Werkstücks. Derartige Spannvorrichtungen werden häufig auch allgemein als Spannmittel bezeichnet. Sie dienen in der Fertigungstechnik zum Fixieren (Ein- oder Festspannen) eines Werkstücks oder Werkzeugs während eines Bearbeitungsprozesses.
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Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung eignet sich insbesondere zur Anwendung im Umfeld der dimensionellen Messtechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus auch ein Koordinatenmessgerät mit einer solchen Spannvorrichtung und einem Messsensor zur Messung des in der Spannvorrichtung fixierten Werkstücks.
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Spannvorrichtungen, die beispielsweise als Spannzangen ausgestaltet sein können, sind im Stand der Technik bereits vielfältig bekannt. Sie dienen im Wesentlichen dem Ein- oder Festspannen von Werkstücken mit zylindrischen Außenkonturen. Konisch geformte Werkstücke oder Werkstücke mit Freiformgeometrieen können mit herkömmlichen Spannzangen nur sehr schlecht gespannt werden. Rein geometriebedingt wäre eine Einspannung eines solchen komplex geformten Werkstücks mit einer herkömmlichen Spannzange relativ instabil, da die Spannzangen meist zylindrisch ausgestaltet sind und daher nur bedingt zur Außenkontur derartiger Werkstücke passen.
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Grundsätzlich ist es natürlich möglich, die Geometrie des Spannmittels an die Außenkontur des jeweils einzuspannenden Werkstücks anzupassen. Eine derart komplex geformte Spannvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 049 862 A1 bekannt. Auch die
DE 10 2015 114 582 A1 zeigt eine solche Spannvorrichtung, deren Spanngeometrie an die Außenkontur des jeweils einzuspannenden Werkstücks angepasst ist. Derartige Vorrichtungen sind jedoch nur sehr aufwändig herstellbar und damit relativ kostenintensiv. Herkömmliche spanende Herstellungsverfahren eignen sich meist nur schlecht zur Herstellung derartiger Spannvorrichtungen.
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Ein weiteres Problem bei der Einspannung von konisch geformten Werkstücken oder Werkstücken mit Freiformgeometrie besteht darin, dass herkömmliche Spannmittel für derartige Werkstücke meist keine exakte axiale Positionierung des Werkstücks erlauben.
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Derartige Ungenauigkeiten können insbesondere in der dimensionellen Messtechnik nicht geduldet werden. In der dimensionellen Messtechnik bestehen zum Teil sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Messung. Diese hängt unmittelbar von der Genauigkeit der Einspannung des zu vermessenden Werkstücks ab. Das zu vermessende Werkstück muss daher stabil und wiederholgenau auf einer bestimmten Position gehalten werden. Zudem ist es wichtig, dass das zu vermessende Werkstück trotz seiner Einspannung gut zugänglich ist.
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In Koordinatenmessgeräten werden Werkstücke beispielsweise im Rahmen einer Qualitätssicherung überprüft oder die Geometrie eines Werkstücks vollständig im Rahmen eines sogenannten „reverse engineering“ ermittelt. Darüber hinaus sind vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Während der Messung mittels eines Koordinatenmessgerätes wird das Werkstück mithilfe eines taktilen Tastsensors und/oder mittels eines optischen Sensors an verschiedenen Stellen der Oberfläche oder gesamthaft abgetastet. Während dieser Abtastung werden die Koordinaten der einzelnen Abtastpunkte erfasst. Diese können letztendlich in einem Modell des Werkstücks zusammengeführt werden, anhand dessen beispielsweise überprüft werden kann, ob das Werkstück korrekt hergestellt wurde.
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Das zu vermessende Werkstück bleibt während der Messung meist unbewegt. Es ist jedoch einfach nachvollziehbar, dass die Art der Einspannung des Werkstücks einen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung hat. Ebenso ist es wichtig, dass das Werkstück wiederholgenau in der Spannvorrichtung eingespannt ist, um Messungen beispielsweise wiederholen zu können, ohne dass dies zu anderen Messergebnissen führt. Ein weiterer wichtiger Punkt zur Realisierung einer solchen Wiederholgenauigkeit ist das Vorsehen eines Axialanschlags. Dies ist jedoch, wie bereits erwähnt, bei der Einspannung von Werkstücken mit konischen oder komplex geformten Außenkonturen bisher nur mit erheblichem Aufwand realisierbar.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Spannvorrichtung bereitzustellen, die sich insbesondere zur Einspannung von konischen oder komplex geformten Werkstücken eignet und die immensen Anforderungen an die Genauigkeit der Einspannung, wie sie insbesondere im Umfeld der dimensionellen Messtechnik gefordert sind, erfüllt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spannvorrichtung zum Fixieren eines Werkstücks gelöst, die folgende Bauteile aufweist.
- - einen Grundkörper;
- - eine mit dem Grundkörper verbundene oder in diesem ausgebildete Werkzeugaufnahme, die ein Durchgangsloch zur Aufnahme des Werkstücks aufweist;
- - eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende, erste fixe Spannbacke;
- - eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende, zweite fixe Spannbacke; und
- - eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende oder in dieses hineinragende, erste bewegliche Spannbacke, die zwischen der ersten fixen Spannbacke und der zweiten fixen Spannbacke angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung weist also (mindestens) zwei fixe, unbewegliche Spannbacken und (mindestens) eine bewegliche Spannbacke auf, die örtlich zwischen den beiden fixen Spannbacken angeordnet ist. Mit unbeweglich bzw. fix ist jeweils gemeint, dass sich die beiden fixen Spannbacken gegenüber dem Grundkörper nicht bewegen lassen, wohingegen sich die bewegliche Spannbacke gegenüber dem Grundkörper bewegen lässt. Die Präfixe „erste“ und „zweite“ (weiter unten auch „dritte“) bei den Begriffen „fixe Spannbacke“ und „bewegliche Spannbacke“ dienen lediglich der terminologischen Unterscheidung und nicht der Festlegung auf eine Gesamtzahl oder spezifische Reihenfolge der jeweiligen Spannbacken.
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Die (mindestens) zwei fixen Spannbacken der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung dienen der Positionierung des Werkstücks. Die (mindestens) eine bewegliche Spannbacke dient hingegen dem Fixieren des Werkstücks. Anders ausgedrückt dienen die beiden fixen Spannbacken vorzugsweise als Axialanschlag für das Werkstück, so dass mithilfe der beiden fixen Spannbacken zumindest die axiale Position des Werkstücks innerhalb der Spannvorrichtung eindeutig definiert ist. Vorzugsweise dienen die beiden fixen Spannbacken nicht nur zur Festlegung der axialen Position, sondern auch zur eindeutigen Festlegung der gesamten räumlichen Position des Werkstücks in allen drei Raumrichtungen. Die bewegliche Spannbacke dient hingegen zum Einspannen bzw. Fixieren des Werkstücks. Dies erhöht die Stabilität der Einspannung des Werkstücks und verhindert, dass dieses sich ungewollt wieder aus der Spannvorrichtung lösen kann.
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Mit einer solchen Spannvorrichtung lassen sich insbesondere auch komplex geformte Bauteile exakt, stabil und wiederholgenau einspannen. Das einzuspannende Bauteil (Werkstück) wird dazu in das Durchgangsloch der Werkzeugaufnahme der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung eingeführt. Das Durchgangsloch der Werkzeugaufnahme erstreckt sich vorzugsweise entlang einer Längsachse, entlang derer das Werkstück in die Werkzeugaufnahme derart einführbar ist, dass dieses im in der Spannvorrichtung fixierten Zustand durch die Spannvorrichtung hindurchragt.
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Die Spannbacken grenzen alle vorzugsweise unmittelbar an dieses Durchgangsloch an bzw. umgeben dieses zumindest teilweise. Damit ist gemeint, dass die Spannbacken zumindest einen Teil des Umfangs des Durchgangslochs bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt die Querschnittsfläche des Durchgangslochs entlang der Längsachse ab. Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche des Durchgangslochs entlang der Längsachse stetig ab.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sich hierdurch insbesondere Werkstücke, die sich entlang einer ihrer Achsen konisch oder andersartig verjüngen, bezüglich ihrer Axialposition in der Spannvorrichtung eindeutig positionieren lassen. Diese axiale Positionierung erfolgt, wie bereits erwähnt, vorzugsweise anhand der (mindestens) zwei fixen bzw. unbeweglichen Spannbacken.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die erste fixe Spannbacke eine erste Anlagefläche zur Anlage an dem Werkstück auf, deren Abstand von der Längsachse entlang der Längsachse abnimmt. Diese erste Anlagefläche der ersten fixen Spannbacke ist also vorzugsweise geneigt in Bezug auf die Längsachse. Es kann sich dabei um eine konische Fläche, eine teilkonische Fläche oder eine Freiformfläche handeln. Vorzugsweise nimmt der Abstand der ersten Anlagefläche von der Längsachse entlang der Längsachse stetig ab.
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Besonders bevorzugt gilt dies nicht nur für die erste fixe Spannbacke, sondern auch für die zweite fixe Spannbacke. Demnach weist die zweite fixe Spannbacke vorzugsweise analog dazu eine zweite Anlagefläche zur Anlage an dem Werkstück auf, deren Abstand von der Längsachse entlang der Längsachse (vorzugsweise stetig) abnimmt.
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Hierbei handelt es sich um eine einfache Möglichkeit, die Querschnittsfläche des Durchgangslochs entlang der Längsachse zu verkleinern bzw. zu verjüngen. Dies ermöglicht auf relativ einfache und kostengünstige Art und Weise eine sehr exakte axiale Positionierung des Werkstücks innerhalb der Spannvorrichtung und ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem einzuspannenden Werkstück um ein Werkstück handelt, das sich entlang einer seiner Achsen selbst konisch oder andersartig verjüngt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die an der ersten fixen Spannbacke angeordnete erste Anlagefläche als Freiformfläche ausgestaltet, die vorzugsweise an die Außenkontur des Werkstücks angepasst ist. Ebenso ist die an der zweiten fixen Spannbacke vorgesehene zweite Anlagefläche vorzugsweise als Freiformfläche ausgestaltet, die an die Außenkontur des Werkstücks angepasst ist.
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Durch diese Art der Anpassung der Kontur der fixen Spannbacken an die Außenkontur des einzuspannenden Werkstücks lässt sich die Positioniergenauigkeit nochmals verbessern.
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Um auch die Stabilität der Einspannung des Werkstücks zu verbessern, kann selbstverständlich auch die Kontur der Spannfläche der (mindestens) einen beweglichen Spannbacke an die Außenkontur des Werkstücks angepasst sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Spannvorrichtung eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende, zweite bewegliche Spannbacke, eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende, dritte bewegliche Spannbacke und eine das Durchgangsloch zumindest teilweise umgebende, dritte fixe Spannbacke auf.
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Insgesamt weist die erfindungsgemäße Spannvorrichtung gemäß dieser Ausgestaltung also sechs Spannbacken, nämlich drei fixe und drei bewegliche Spannbacken auf. Selbstverständlich wäre es auch möglich, dass die erfindungsgemäße Spannvorrichtung mehr als drei fixe und mehr als drei bewegliche Spannbacken aufweist. Die Ausgestaltung mit drei fixen Spannbacken und drei beweglichen Spannbacken hat jedoch den Vorteil, dass sowohl die Positionierung des Werkstücks über die drei festen Spannbacken mithilfe einer Drei-Punkt-Anlage bzw. Drei-Flächen-Anlage als auch das Fixieren des Werkstücks über die drei beweglichen Spannbacken mithilfe einer Drei-Punkt-Anlage bzw. Drei-Flächen-Anlage erfolgt.
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Im Falle der zuvor genannten Ausgestaltung mit insgesamt sechs Spannbacken ist es bevorzugt, dass die zweite bewegliche Spannbacke zwischen der zweiten fixen Spannbacke und der dritten fixen Spannbacke angeordnet ist, und dass die dritte bewegliche Spannbacke zwischen der dritten fixen Spannbacke und der ersten fixen Spannbacke angeordnet ist. Besonders bevorzugt sind die sechs Spannbacken in diesem Fall in einer Umfangsrichtung um die Längsachse herum nebenaneinander angeordnet, und zwar derart, dass eine fixe Spannbacke immer zwischen zwei beweglichen Spannbacken und eine bewegliche Spannbacke immer zwischen zwei fixen Spannbacken angeordnet ist. Die sechs Spannbacken sind dann vorzugsweise ähnlich wie bei einer Spannzange alle integral mit ein und demselben Grundkörper der Spannvorrichtung verbunden und durch Schlitze voneinander getrennt.
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Die letztgenannte Spannzangen-ähnliche Ausgestaltung kann auch für den eingangs genannten Fall von drei Spannbacken (zwei fixe Spannbacken und eine bewegliche Spannbacke) vorgesehen sein, wobei die erste fixe Spannbacke, die erste bewegliche Spannbacke und die zweite fixe Spannbacke in eine Umfangsrichtung um die Längsachse herum nebeneinander angeordnet sind.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste fixe Spannbacke, die erste bewegliche Spannbacke und die zweite fixe Spannbacke entlang der Längsachse versetzt zueinander angeordnet sind. Die einzelnen Spannbacken sind dann vorzugsweise entlang der Längsachse über- bzw. untereinander angeordnet. Die erste bewegliche Spannbacke ist jedoch auch in diesem Ausführungsbeispiel nach wie vor bevorzugt zwischen der ersten fixen Spannbacke und der zweiten fixen Spannbacke angeordnet.
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In der zuletzt genannten Ausgestaltung ist es besonders bevorzugt, dass die erste fixe Spannbacke und die zweite fixe Spannbacke jeweils ringförmig ausgestaltet sind und das Durchgangsloch jeweils vollständig umgeben.
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Mit „ringförmig“ ist vorliegend nicht zwangsweise ein spaltförmiger Querschnitt zu verstehen. „Ringförmig“ kann vorliegend jede Art einer geschlossenen Kontur sein, deren Querschnitt auch von der runden Form abweichen kann, also beispielsweise einen ovalen Querschnitt oder eine beliebige Kontur, die sogar teilweise eckig sein kann, als Querschnittsform aufweist.
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Die beiden fixen Spannbacken sind in der zuletzt genannten Ausgestaltung vorzugsweise als Durchgangslöcher ausgestaltet, die gemeinsam das Durchgangsloch der Werkzeugaufnahme bilden. Die zentralen Längsachsen der in diesem Fall als ringförmige Durchgangslöcher ausgestalteten fixen Spannbacken fluchten vorzugsweise miteinander, so dass sich das Werkstück durch beide fixe Spannbacken hindurch in die Spannvorrichtung einführen lässt. Die Kontur der ringförmigen Durchgangslöcher ist wiederum vorzugsweise an die Außenkontur des einzuspannenden Werkstücks angepasst. Von diesem Ausführungsbeispiel diesen die beiden fixen Spannbacken insbesondere der axialen Positionierung des Werkstücks.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Spannvorrichtung ein Spannelement auf, das dazu ausgestaltet ist, die erste bewegliche Spannbacke relativ zu dem Grundkörper zu bewegen, um das Werkstück in der Werkzeugaufnahme zu fixieren. Im Falle einer Ausgestaltung mit mehr als nur einer beweglichen Spannbacke ist das Spannelement vorzugsweise dazu ausgestaltet, alle beweglichen Spannbacken gleichzeitig relativ zu dem Grundkörper zu bewegen, um das Werkstück in der Werkzeugaufnahme zu fixieren.
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Das Spannelement kann eine Spannmutter, eine Schraube oder einen pneumatischen Aktuator aufweisen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Spannelement einen hydraulischen oder elektrischen Aktuator aufweist. Vorzugsweise wirkt das Spannelement unmittelbar auf die bewegliche(n) Spannbacke(n) ein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Spannelement eine Spannmutter auf, welche die erste fixe Spannbacke, die erste bewegliche Spannbacke und die zweite fixe Spannbacke umgibt und dazu ausgestaltet ist, bei deren Drehung lediglich eine Kraft auf die erste bewegliche Spannbacke, nicht jedoch auf die erste fixe Spannbacke und die zweite fixe Spannbacke auszuüben. Es versteht sich, dass die Spannmutter im Falle einer Ausgestaltung mit mehr als drei Spannbacken alle Spannbacken entsprechend umgibt und dazu ausgestaltet ist, bei Drehung der Spannmutter lediglich eine Kraft auf die beweglichen Spannbacken, nicht jedoch auf die fixen Spannbacken auszuüben. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die Außenseite der fixen Spannbacken gegenüber der mindestens einen beweglichen Spannbacke radial nach innen abgesetzt ist, so dass eine an der Spannmutter angeordnete konische Spannfläche bei Drehung der Spannmutter lediglich mit entsprechenden konischen Gegenflächen, die an der Außenseite der beweglichen Spannbacken angeordnet sind, in Kontakt tritt, jedoch nicht mit der Außenseite der fixen Spannbacken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Spannvorrichtung durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Spannvorrichtung mittels 3D-Druck hergestellt.
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Dies ermöglicht eine sehr kostengünstige und einfache Art der Fertigung der Spannvorrichtung. Zudem hat die dies den Vorteil, dass sich relativ komplexe Anlage- bzw. Spannflächen an den Spannbacken herstellen lassen, die exakt an die Außenkontur des zu fixierenden Werkstücks angepasst sein können.
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Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung kann auch zusammen mit dem darin zu fixierenden Werkstück bereitgestellt sein, wobei eine Innenkontur des Durchgangslochs der Werkzeugaufnahme zumindest eine Freiformfläche aufweist, deren Form einer Form einer zu der Außenkontur des Werkstücks gehörenden Freiformfläche entspricht.
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Wie eingangs bereits erwähnt, bezieht sich die Erfindung nicht nur auf die erfindungsgemäße Spannvorrichtung, sondern auch auf ein Koordinatenmessgerät mit einer solchen Spannvorrichtung und einen Messsensor zur Messung des Werkstücks.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Diesbezüglich sei nochmals explizit erwähnt, dass sich die o.g. Ausgestaltungen jeweils nicht nur auf eine Ausführung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung mit insgesamt drei Spannbacken (zwei fixen Spannbacken und einer beweglichen Spannbacke) beziehen, sondern auch in äquivalenter Form auf Ausführungen der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung beziehen können, in denen mehr als zwei fixe Spannbacken und mehr als eine bewegliche Spannbacke zum Einsatz kommen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung;
- 2 eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Spannvorrichtung;
- 3 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Spannvorrichtung mit darin eingesetztem Werkstück;
- 4 eine Draufsicht von oben auf die in 1 gezeigte Spannvorrichtung;
- 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung;
- 6 eine Schnittansicht der in 5 gezeigten Spannvorrichtung;
- 7 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung;
- 8 eine Schnittansicht der in 7 gezeigten Spannvorrichtung;
- 9 eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung;
- 10 eine Schnittansicht der in 9 gezeigten Spannvorrichtung; und
- 11 ein Koordinatenmessgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 1-4 zeigen ein ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung in verschiedenen Ansichten. Die Spannvorrichtung ist darin jeweils in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die Spannvorrichtung 10 ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der Art einer Spannzange ausgestaltet.
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Die Spannvorrichtung 10 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 12 auf, der in dem vorliegenden Fall auf einer Montageplatte 14 befestigbar ist. In dem Grundkörper 12 ist eine Werkzeugaufnahme 16 vorgesehen, die im vorliegenden Fall durch den Grundkörper 12 selbst gebildet ist. Die Werkzeugaufnahme 16 dient der Aufnahme eines Werkstücks 18. 3 zeigt ein beispielhaftes Werkstück 18, wie es sich in der Spannvorrichtung 10 montieren bzw. fixieren lässt.
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Die Werkzeugaufnahme 16 weist ein Durchgangsloch 20 auf, das den Grundkörper 12 durchdringt und sich entlang einer Längsachse 22 erstreckt. Das Durchgangsloch 20 wird gebildet durch mehrere Spannbacken 24, 26. Diese Spannbacken 24, 26 umgeben gemeinsam das Durchgangsloch 20 und sind in dem in 1-4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung um die Längsachse 22 herum nebeneinander angeordnet.
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Insgesamt weist die Spannvorrichtung 10 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels sechs Spannbacken 24, 26 auf. Drei der sechs Spannbacken 24, 26 sind als fixe Spannbacken ausgestaltet. Hierbei handelt es sich um die Spannbacken 24a, 24b und 24c. Diese fixen Spannbacken 24a-24c sind gegenüber dem Grundkörper 12 der Spannvorrichtung 10 unbeweglich. Die übrigen drei Spannbacken 26a, 26b und 26c sind bewegliche Spannbacken, die sich gegenüber dem Grundkörper 12 bewegen lassen. Gemäß dem in 1-4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel der Spannvorrichtung 10 sind alle sechs Spannbacken 24, 26 mit dem Grundkörper 12 integral verbunden und durch Schlitze 28 voneinander getrennt.
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Die fixen Spannbacken 24 und die beweglichen Spannbacken 26 sind jeweils abwechselnd nebeneinander angeordnet, so dass eine fixe Spannbacke 24 jeweils zwischen zwei beweglichen Spannbacken 26 angeordnet ist und eine bewegliche Spannbacke 26 jeweils zwischen zwei fixen Spannbacken 24 angeordnet ist. Zur einfacheren Differenzierung werden die Spannbacken 24, 26 ihrer Position entsprechend durchnummeriert. Die fixe Spannbacke 24a wird als erste fixe Spannbacke 24a bezeichnet, die fixe Spannbacke 24b wird als zweite fixe Spannbacke 24b bezeichnet und die die fixe Spannbacke 24c wird als dritte fixe Spannbacke 24c bezeichnet. Ebenso wird die bewegliche Spannbacke 26a als erste bewegliche Spannbacke 26a bezeichnet, die bewegliche Spannbacke 26b als zweite bewegliche Spannbacke 26b bezeichnet und die bewegliche Spannbacke 26c als dritte bewegliche Spannbacke 26c bezeichnet.
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Wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, ist die erste bewegliche Spannbacke 26a zwischen der ersten fixen Spannbacke 24a und der zweiten fixen Spannbacke 24b angeordnet. Die zweite bewegliche Spannbacke 26b ist zwischen der zweiten fixen Spannbacke 24b und der dritten fixen Spannbacke 24c angeordnet. Die dritte bewegliche Spannbacke 26c ist zwischen der dritten fixen Spannbacke 24c und der ersten fixen Spannbacke 24a angeordnet.
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Die drei fixen Spannbacken 24a-24c dienen der axialen Positionierung des Werkstücks 18, also der Positionierung entlang der Längsachse 22. Die beweglichen Spannbacken 26a-26c dienen der Fixierung bzw. Einspannung des Werkstücks 18. Zum Einspannen des Werkstücks 18 werden diese in Radialrichtung, also quer zu der Längsachse 22 auf das Werkstück 18 zugestellt.
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Um die axiale Positionierung entlang der Längsachse 22 zu gewährleisten, ist die Werkzeugaufnahme 16 vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sich das Durchgangsloch 20 entlang der Längsachse 22 nach unten hin verjüngt. Die Querschnittsfläche des Durchgangslochs 20 nimmt also entlang der Längsachse 22 ab. Vorzugsweise nimmt die Querschnittsfläche des Durchgangslochs 20 entlang der Längsachse 22 stetig ab. Dies wird dadurch bewirkt, dass insbesondere die fixen Spannbacken 24a-24c geneigt in Bezug auf die Längsachse 22 ausgestaltet sind. Hierdurch ergibt sich automatisch eine Art konische Verjüngung des Durchgangslochs 20, die zumindest annähernd in 2 erkennbar ist.
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Die Anlageflächen 30a-30c der fixen Spannbacken 24a-24c wie auch die Anlageflächen 32a-32c der beweglichen Spannbacken 26a-26c sind vorzugsweise an die Außenkontur des Werkstücks 18 angepasst. Handelt es sich bei dem Werkstück 18 um ein konisches Werkstück, so sind diese ebenfalls konisch geformt. Handelt es sich bei dem Werkstück 18, wie in dem in 3 beispielhaft gezeigten Fall um ein Werkstück, dessen Außenkontur durch Freiformflächen gebildet ist, so sind die Anlageflächen 30a-30c und 32a-32c ebenfalls als Freiformflächen ausgestaltet, um eine möglichst exakt definierte und stabile Anlage am Werkstück 18 zu ermöglichen. Durch diese Art der Formanpassung ist das Werkstück 18 nicht nur entlang der Längsachse 22 eindeutig positioniert, es lässt sich auch nur in einer einzigen Position in die Spannvorrichtung 10 einsetzen. Wie insbesondere aus 3 erkennbar ist, ragt das Werkstück 18 durch die Spannvorrichtung 10 hindurch, wenn es in das Durchgangsloch 20 eingesetzt ist.
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Wie erwähnt, dienen die fixen Spannbacken 24a-24c der Positionierung des Werkstücks 18 und die beweglichen Spannbacken 26a-26c der Fixierung des Werkstücks 18. Die Bewegung der beweglichen Spannbacken 26a-26c erfolgt mithilfe eines Spannelements 34, das in dem in 1-4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eine Spannmutter 36 aufweist. Diese Spannmutter 36 weist an ihrem Außenrand eine Rändelung auf, um die Spannmutter 36 von Hand besser greifen zu können. Die Spannmutter 36 ist über ein Außengewinde 38, das in ein entsprechendes Innengewinde 40 eingreift, mit dem Grundkörper 12 der Spannvorrichtung 10 verbunden. Das Außengewinde 40 ist auf einer der Spannmutter 36 zugewandten Innenseite des Grundkörpers 12 angeordnet.
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Die Bewegung der beweglichen Spannbacken 26a-26c erfolgt durch Drehung der Spannmutter 36 um die Längsachse 22. Während dieser Drehung bewegt sich die Spannmutter 36 aufgrund der Gewindeverbindung 38, 40 gleichzeitig entlang der Längsachse 22 relativ zu dem Grundkörper 12. Auf ihrer Innenseite weist die Spannmutter im Bereich ihres unteren Endes eine konische Spannfläche 42 auf, die während der Bewegung der Spannmutter 36 auf einer ebenfalls konisch ausgestalteten Außenseite der beweglichen Spannbacken 26a-26c abgleitet (siehe 2). Hierdurch werden die beweglichen Spannbacken 26a-26c in Radialrichtung, quer zu der Längsachse 22 bewegt.
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Die fixen Spannbacken 24a-24c erfahren während der Bewegung der Spannmutter 36 jedoch keine Bewegung relativ zu dem Grundkörper 12. Dies liegt u.a. daran, dass die beschriebene Spannfläche 42 der Spannmutter 36 nicht mit der Außenseite der fixen Spannbacken 24a-24c in Kontakt tritt. Die Außenseite der fixen Spannbacken 24a-24c ist an dieser Stelle gegenüber den beweglichen Spannbacken 26a-26c nämlich etwas zurückgesetzt, wodurch ein kleiner Spalt 44 zwischen der Spannmutter 36 und der jeweiligen fixen Spannbacke 24a-24c entsteht (siehe 2).
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Auf diese Weise lässt sich eine sehr einfach handhabbare und kostengünstig herstellbare Spannvorrichtung 10 realisieren, die sich insbesondere zur Einspannung und Fixierung von komplex geformten Werkstücken 18 eignet. Bei dem in 3 beispielhaft dargestellten Werkstück 18 kann es sich beispielsweise um einen künstlichen Hüftknochen handeln.
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5-6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10 in einer perspektivischen Ansicht sowie einer Schnittansicht. Auch hier weist die Werkzeugaufnahme 16 der Spannvorrichtung 10 wiederum ein Durchgangsloch 20 auf, das den Grundkörper 12 durchdringt und der Aufnahme des zu fixierenden Werkstücks dient. Im Unterschied zu dem in 1-4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel weist die Spannvorrichtung 10 gemäß des in 5-6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels lediglich zwei fixe Spannbacken 24a', 24b' und eine bewegliche Spannbacke 26a' auf.
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Wie zuvor ist die erste bewegliche Spannbacke 26a' zwischen der ersten fixen Spannbacke 24a' und der zweiten fixen Spannbacke 24b' angeordnet. Die drei Spannbacken 24a', 26a', 24b' sind nun jedoch nicht mehr um die Längsachse 22 herum nebeneinander angeordnet, sondern entlang der Längsachse 22 zueinander versetzt angeordnet. Die fixen Spannbacken 24a', 24b' sind jeweils ringförmig ausgestaltet und umgeben das Durchgangsloch 20 jeweils vollständig. Sie dienen jedoch nach wie vor der axialen Positionierung des Werkstücks 18 entlang der Längsachse 22. Wie zuvor ist es auch gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels bevorzugt, dass die Anlageflächen 30a', 30b' der fixen Spannbacken 24a', 24b' konisch oder als Freiformflächen ausgestaltet sind, die an die Außenkontur des zu fixierenden Werkstücks 18 angebracht sind. Die Anlageflächen 30a', 30b' sind demnach nicht exakt ringförmig im Sinne von kreisringförmig ausgestaltet. Der Begriff „ringförmig“ wird vorliegend dementsprechend breit verstanden, als jede beliebige Art der Form einer geschlossenen Kontur.
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Die Querschnittsfläche des Durchgangslochs 20 nimmt auch gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10 entlang der Längsachse 22 ab. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, dass die Querschnittsfläche des Durchgangslochs 20 im Bereich der ersten fixen Spannbacke 24a' sowie im Bereich der zweiten fixen Spannbacke 24b' entlang der Längsachse 22 abnimmt, um wie oben erwähnt die axiale Fixierung des Werkstücks 18 zu gewährleisten.
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Die einzige bewegliche Spannbacke 26a' ist bei dem in 5-6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel wie zuvor als ein Bauteil bzw. Element ausgestaltet, das integral mit dem Grundkörper 12 verbunden ist. Die Bewegung der ersten beweglichen Spannbacke 26a' erfolgt mittels einer Spannmutter 36, die, wie gemäß des ersten Ausführungsbeispiels, über eine entsprechende Gewindeverbindung 38, 40 mit dem Grundkörper 12 verbunden ist. Das zuvor beschriebene Prinzip der Bewegung über die am unteren Ende der Spannmutter 36 angeordnete, konische Spannfläche 42 ist auch gemäß des in 5-6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels realisiert.
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7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10. Dieses ähnelt dem in 5-6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel. Die Spannvorrichtung 10 weist auch gegenüber dem in 7 und 8 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel lediglich zwei fixe Spannbacken 24a'', 24b'' und eine bewegliche Spannbacke 26a'' auf. Die beiden fixen Spannbacken 24a'', 24b'' sind wiederum im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet, wobei das Durchgangsloch 20 nun nicht mehr als durchgängige Bohrung ausgebildet ist, sondern durch die beiden ringförmig ausgestalteten fixen Spannbacken 24a'', 24b'' gebildet wird, welche ihrerseits als Durchgangslöcher ausgestaltet sind, zwischen denen ein Hohl- bzw. Freiraum ist. Die beiden fixen Spannbacken 24a'', 24b'' fluchten derart miteinander, dass deren Mittelachsen jeweils auf der gemeinsamen Längsachse 22 zu liegen kommen. Die bewegliche Spannbacke 26a'' ist wiederum zwischen den beiden fixen Spannbacken 24a'', 24b'' angeordnet. Die drei Spannbacken 24a'', 26a'', 24b'' sind ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel entlang der Längsachse 22 versetzt zueinander angeordnet.
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Um die Positionierung des Werkstücks 18 entlang der Längsachse 22 zu garantieren, verjüngen sich die Anlageflächen 30a'', 30b'' der fixen Spannbacken 24a„*‟, 24b'' wiederum entlang der Längsachse 22 und sind je nach Außenkontur des zu fixierenden Werkstücks 18 konisch und/oder als Freiformflächen ausgestaltet.
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Ein wesentlicher Unterschied des in 7-8 gezeigten dritten Ausführungsbeispiels zu dem in 5-6 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel besteht in der Art der Bewegung der ersten beweglichen Spannbacke 26a''. Als Spannelement 34 ist hier ein pneumatischer Aktuator 46 vorgesehen, der auf die bewegliche Spannbacke 26a'' einwirkt. Der pneumatische Aktuator 46 ist dazu eingerichtet, die erste bewegliche Spannbacke 26a'' translatorisch zu bewegen.
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Das in 9-10 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10 ist sehr ähnlich zu dem in 7-8 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel. Die beiden fixen Spannbacken 24a''', 24b''' sind wiederum als ringförmige Durchgangslöcher ausgestaltet, die entlang der Längsachse 22 versetzt zueinander angeordnet sind. Die dazwischen angeordnete, erste bewegliche Spannbacke 26a''' wird hier jedoch nicht mit einem pneumatischen Aktuator, sondern mithilfe einer Spannschraube 48 bewegt, die als Spannmittel 34 fungiert.
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11 zeigt ein beispielhaftes Koordinatenmessgerät 100, in dem die erfindungsgemäße Spannvorrichtung 10 zum Einsatz kommen kann. Das in 11 gezeigte Koordinatenmessgerät 100 ist in einer sogenannten Portalbauweise ausgeführt. Grundsätzlich kommen jedoch auch Koordinatenmessgeräte in anderen Bauweisen (Ausleger-, Brücken- oder Ständerbauweise) in Frage.
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Bei dem in 11 gezeigten Koordinatenmessgerät 100 handelt es sich um ein taktiles Koordinatenmessgerät mit einem taktilen Messsensor 50, der einen taktilen Messtaster 52 aufweist. Während einer Messung lässt sich dieser taktile Messtaster 52 in allen drei Raumrichtungen X, Y und Z verschieben, um ein in der Spannvorrichtung 10 eingespanntes Werkstück an unterschiedlichsten Stellen abzutasten und somit letztendlich dessen Form oder zumindest einzelne Formmerkmale zu messen. Anstelle eines taktilen Messgeräts 100 kann es sich bei dem Koordinatenmessgerät jedoch auch um ein optisches Koordinatenmessgerät handeln, das das zu vermessende Werkstück mithilfe eines optischen Messsensors optisch abtastet. Ebenso ist es denkbar, dass es sich bei dem Koordinatenmessgerät 100 um ein sogenanntes Multisensor-Koordinatenmessgerät handelt, bei dem sowohl optische als auch taktile Messsensoren zum Einsatz kommen. Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung 10 ist insbesondere für den Einsatz in einem solchen Koordinatenmessgerät 100 geeignet, da sie eine sehr stabile, genaue und wiederholgenaue Art der Einspannung des Werkstücks ermöglicht, was für dessen dimensionelle Messung von erheblicher Wichtigkeit ist. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Spannvorrichtung eine Art der Einspannung, bei der das zu vermessende Werkstück 18 nach wie vor gut zugänglich ist.
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Abschließend sei darauf hingewiesen, dass insbesondere das in 1-4 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10 grundsätzlich auch nur mit drei Spannbacken 24, 26 ausgestaltet sein kann, nämlich mit zwei fixen Spannbacken 24a, 24b und einer dazwischen angeordneten, beweglichen Spannbacke 26a. Ebenso ist es denkbar, dass bei der Spannvorrichtung 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel mehr als insgesamt sechs Spannbacken 24, 26 zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007049862 A1 [0004]
- DE 102015114582 A1 [0004]
- DE 102013217422 A1 [0036]
- DE 102012219137 A1 [0036]
