DE19712947A1

DE19712947A1 - Werkstück-Positionierer

Info

Publication number: DE19712947A1
Application number: DE19712947A
Authority: DE
Inventors: Erland L Hagman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: DE19712947B4; US5738344A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Werkstück-Positionierer zur Positionierung eines Werkstücks mit beliebiger Orientierung, und speziell einen Halter für Werkstücke zur Bearbeitung in dem das Werkstück bewegt und in einer gewünschten Position gehalten werden kann.

Bei der Herstellung von verschiedenen Gegenständen ist es oft notwendig, den Gegenstand so zu positionieren, daß an ihm bequem eine Bearbeitung durchgeführt werden kann, wie z. B. Schweißen, Streichen, Formen, Montieren etc. Die Gegenstände können verschiedene Formen und Größen haben und können so klein wie eine Leiterplatte aber auch so groß wie ein Teil eines Automobil-Körpers sein.

Dementsprechend ist es erstrebenswert einen Werkhalter zu haben, an dem eine große Vielfalt von Gegenständen zur Bearbeitung befestigt werden kann und der frei justierbar ist, damit der Gegenstand in einer ergonomisch korrekten Arbeitslage für die Durchführung der Bearbeitung positioniert werden kann.

Stand der Technik

In der US-A-5 314 174 ist ein ergonomischer Werkstück- Positionierer zur Befestigung von Werkstücken in einer bestimmten gewünschten Position beschrieben, der ein feder pneumatisches Steuersystem verwendet. Eine Eigenschaft dieses Systems ist es, daß in seinem normalen oder neutralen Zustand, in dem kein externer pneumatischer Druck vorliegt, das Werkstück fest in einer fixierten, verriegelten Position gehaltert ist.

Das Werkstück ist damit in einer festen Lage gehalten. Um das Werkstück für eine Bewegung in eine andere Lage zu lösen, muß eine hinreichend große pneumatische Kraft bereitgestellt werden. Dies ist eine wichtige Sicherheits-Eigenschaft der Anordnung nach der US-A-5 314 174, welche eine weitreichende Verwendung als Werkstück-Halterung findet.

Es stellte sich jedoch heraus, daß für einen vorgegebenen pneumatischen Lösedruck die bekannte Ausgestaltung die Belastungsfähigkeit des Werkstückhalters begrenzte. Der Grund lag darin, daß das Ungleichgewicht zwischen der Federkraft und der pneumatischen Kraft, die für das Lösen eines schweren Werkstückes in seiner Position nötig ist, eine große pneumatische Kraft für ein einwandfreies Lösen erfordert. Dies wiederum setzt einen Positionierer voraus, der innerhalb der begrenzten Abmessungen der gegebenen konstruktiven Möglichkeiten die Erzeugung einer starken, pneumatischen Löseraft ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstück-Positionierer so auszubilden, daß er bei konstruktiv begrenzten Abmessungen Werkstücke auch unter starker Last zu halten vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Werkstück-Positionierer, enthaltend

(a) ein Grundglied;
(b) einen Kolben mit einem ersten Kolbenabschnitt und einem zweiten Kolbenabschnitt wobei der erste Kolbenabschnitt und der zweite Kolbenabschnitt derart aneinander befestigt und angepaßt sind, daß sie als eine Einheit bewegbar sind und das Grundglied teilweise zwischen dem ersten Kolbenabschnitt und dem zweiten Kolbenabschnitt angeordnet ist,
(c) einen Werkstückhalter;
(d) Reibungsmittel, die zwischen dem Kolben und dem Werkstückhalter angeordnet sind;
(e) Federn, die zwischen dem Grundglied und dem ersten Kolbenabschnitt angeordnet sind, durch die der Kolben in eine erste Richtung belastet und der Werkstückhalter in einer fixierten Position gehalten ist; und
(f) eine Druckmittel-Kammer, die in aktiver Verbindung zwischen dem Grundglied und dem zweiten Kolbenabschnitt angeordnet ist und durch die der Kolben in eine zweite Richtung bewegbar und der Werkstückhalter lösbar ist, wenn Druckmittel-Druck auf die Druckmittel-Kammer aufgeschaltet wird.

Das vorliegende System sieht eine Werkstück-Halterung vor, die wahlweise in Position gehalten wird und von einem Feder-Druckmittel-System gelöst wird, das auf einen Kolben wirkt, welcher wiederum das Werkstück unter einem stufenlos regelbaren Grad an Bewegungsreibung festhält und losläßt. Im normalen Zustand drückt das Feder-System den Kolben in eine Aufwärts-Richtung, so daß das Werkstück in irgendeiner gewünschten Position oder physikalischen Orientierung festgehalten wird, in welcher der Benutzer die Herstellung oder andere Arbeitsfunktionen an dem Werkstück auf bequeme Weise durchführen kann. Wenn dann gewünscht wird, das Werkstück zur Umorientierung zu lösen, wird ein variabler Druckmittel-Druck auf den Kolben ausgeübt der diesen gegen die Kraft des festgestellten Feder-Systems antreibt. Dieser Druckmittel-Druck wird auf eine kreisrunde Fläche ausgeübt, die in dem Umfang des Kolbens gebildet ist,.

Bei der Ausführung des Kolbens nach der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine erheblich größere Fläche als in der Ausführung nach der US-A-5 314 174. Dadurch ist ein größere hydraulische Kraft des Druckmittels für eine vorgegebene Werkstückhalter-Größe möglich. Das läßt wiederum ein stärkeres Feder-System zu, mit dem schwerere Werkstücke gehaltert werden können.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Grad der Positionier-Reibung vom Benutzer frei geregelt werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung des Werkstückhalters mit einem zugehörigen Sockel und Gestell.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Werkstückhalters.

Fig. 3 ist eine Explosionsdarstellung des Werkstückhalters aus Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer anderen Ausführung des Werkstückhalters.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des pneumatischen Steuersystems.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In den Zeichnungen und insbesondere in Fig. 1 ist ein Benutzer gezeigt, der mit dem Werkstück-Positionierer 10 arbeitet. Der Werkstück-Positionierer 10 sitzt auf einer Grundplatte 12. Der Werkstück-Positionierer weist einen Sockel 14 auf, auf welchem der Werkstückhalter 16 montiert ist. Ein Werkstück 18 irgendeiner geeigneten Größe und Form ist mit beliebigen geeigneten Mitteln an dem Werkstückhalter 16 befestigt. Wie im folgenden beschrieben wird, ist ein pneumatisches System vorgesehen, welches das Werkstück bei Betätigung durch den Benutzer löst. Zu dem pneumatischen System gehört eine (nicht dargestellte) Quelle für pneumatischen Druck, die mit einem pneumatischen Steuermechanismus 20 verbunden ist, der in einer Steuerbox untergebracht ist. Das Steuersystem kann mit einem Fußpedal 24 betätigt werden. Ein Schlauch oder eine Rohr 26 verbindet das Steuersystem mit dem Werkstückhalter 16. Das pneumatische Steuersystem dient dem Zweck, Druckmittel mit einem vom Benutzer geregelten Druckregler-Druckniveau über einen Regler 28 auf den Werkstückhalter aufzuschalten.

In Fig. 2 und 3, ist der Aufbau einer Ausführungsform des Werkstückhalters 16 gezeigt. Eine kreisrunde Grundplatte 30 trägt ein zylindrisches Gehäuse 32, das einen oberen, nach innen ragenden Abschnitt 34 und einen unteren Abschnitt 36 aufweist. In der oberen Fläche der Grundplatte 30 ist ein Kranz von Aussparungen 38 gebildet. Die Aussparungen 30 nehmen um Schraubenfedern 40 auf. Ein Kolben 42 weist einen oberen, zylindrischen Abschnitt 44 und einen unteren Abschnitt 46 auf, die mit einer Schraube 48 verbunden sind.

Der obere Kolbenabschnitt 44 des Kolbens 42 liegt auf der oberen Fläche 50 der Grundplatte 30. Der untere Kolbenabschnitt 46 des Kolbens liegt unter der unteren Fläche 52 der Grundplatte 30. Weiterhin überschreitet der Abstand zwischen der oberen Fläche des Kolbensabschnitts 46 und der unteren Fläche des Kolbenabschnitts 44 die Dicke der Grundplatte 30 hinaus. Zwischen den zwei Kolbenabschnitten 44 und 46 ist dann ein solcher Abstand gebildet, daß eine vorbestimmte Feder-Kompressionskraft erhalten wird, während sich der Kolben immer noch relativ zu der Grundplatte auf- und abbewegen kann.

Die obere Fläche des Kolbenabschnitts 44 ist unterbrochen und nimmt ein kreisförmiges Verriegelteil 54 auf, das eine sphärische obere Fläche 56 hat, die eine sphärische Kugelgelenk-Kugel 58 aufnimmt. Auf dem unteren Gehäuse, das auf der Grundplatte 30 sitzt, liegt ein oberer Selenkpfannenring 62 auf. Sowohl die Innenfläche 60 des Gehäuses 32 als auch die Innenfläche des Gelenkpfannenrings 62 haben den gleichen Krümmungsradius wie die Kugelgelenk-Kugel 58, so daß diese Flächen zusammen mit der Fläche 56 des Verriegelteils 54 eine Gelenkpfanne bilden, innerhalb derer die Kugelgelenk-Kugel 58 rotieren kann.

Der Gelenkpfannenring 62 ist oben so weit offen, daß er eine Bewegung der Kugelgelenk-Kugel erlaubt. An der Kugelgelenk-Kugel ist ein Arm 64 befestigt, der am Ende mit einem Gewinde zur bequemen Halterung eines Werkstücks versehen sein kann. Die Baugruppe wird von Maschinenschrauben 66 zusammengehalten, die durch Löcher in dem Gelenkpfannenring 62 und dem Gehäuse 32 gehen und von den zugehörigen Öffnungen in der Grundplatte 30 aufgenommen werden. Auf diese Weise werden die Elemente des Werkstückhalters in einer kompakten, in sich geschlossenen Struktur zusammengehalten. Bei Festziehen der Schrauben 66 werden die Kugelgelenk-Kugel 58, das Verriegelteil 54 und der Kolben 42 etwas nach unten gezogen, so daß die Federn 40 weiter zusammengedrückt werden. Das führt zu einer aufwärtsgerichteten statischen Kraft. Die Reibung zwischen der Fläche 56 des Verriegelteils 54 und der Teil der Kugelgelenk-Kugel 58 der an der sphärischen Fläche des Gelenkpfannenrings 62 anliegt ist derart, daß die Kugelgelenk-Kugel und ihr zugehöriger Arm und das daran angebrachte Werkstück in einer fixierten, verriegelten Position gehalten werden. Das Verriegelteil 54 besteht aus einem Material mit hoher Reibung um eine ausreichende Reibung zu erzeugen, welche die Kugelgelenk-Kugel unter der Kompression der Federn in einer fixierten Position hält.

Von der oberen Fläche des unteren Kolbenabschnitts 46 und der unteren Fläche des sich nach innen erstreckenden Teils der Grundplatte 30 wird ein kreisförmiger Kanal 68 gebildet. Dieser Kanal ist durch eine mit Gewinde versehene Pneumatik-Einlaßöffnung 71 mit der Druckmittel-Druckquelle verbunden. Die Außenfläche des unteren Kolbenabschnitts 46 des Kolbens sowie die obere Innenfläche der Grundplatte 30 weisen Aussparungen für O-Ringe 69 und 72 auf, so daß die Bewegungs-Flächen wirksam abgedichtet sind. Wenn der Werkstückhalter gelöst werden soll, um das Werkstück in eine andere Position zu bringen, wird eine geregelte Menge an Druckmittel-Druck durch die Öffnung 71 In den kreisförmigen Kanal 68 geleitet. Dieser Druckmittel-Druck erzeugt eine angemessene, dynamische, nach unten gerichtete Kraft gegen die obere Fläche des unteren Kolbenabschnitts 46 und bewirkt damit eine Absenkung des Kolbens und des Verriegelteil 54 abgesenkt werden, so daß eine geregelte Bewegung der Kugelgelenk-Kugel 58 ermöglicht wird.

Eine besonders neue Eigenschaft der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß der Kolben, der aus zwei Kolbenabschnitten 46 und 48 besteht, einen Bereich zwischen diesen Abschnitten aufweist, in den die stationäre Grundplatte 30 sich nach innen bis innerhalb des Kolbens 42 erstrecken kann. Infolgedessen kann die Fläche 70, die den dynamischen Druckmittel-Druck aufnimmt, erheblich größer gemacht werden als die entsprechende Fläche nach der US-A- 5 314 174. Damit kann der Druckmittel-Druck eine viel größere Kraft ausüben, die den Kolben in seine Löse-Stellung drückt. Entsprechend kann das Feder-System derart ausgeführt werden, daß es eine größere Kraft ausübt, mit der das Werkstück in seiner vorbestimmten Position verriegelt wird. Dementsprechend kann mit der vorliegenden Konstruktion mit größeren Werkstücken gearbeitet werden.

In Fig. 5 ist das pneumatische System schematisch dargestellt. Das pneumatische System enthält ein pneumatisches Steuersystem und ein durch ein Fußpedal gesteuertes Ventil 22. Die Luftversorgung, die mit dem Schlauch 18 verbunden ist, wird durch einen Filter 19 zu einem Druckregler 28 geleitet. Der Druckregler kann zur Einstellung des Druckes im System von Hand justiert werden. Dieser Druck erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft, die dem Federdruck entgegenwirkt. Der Federdruck hat eine Kraftkomponente, die ein Zurückziehen des Kolbens 42 und der Kugelgelenk-Kugel 58 von seiner Berührung mit dem Verriegelteil 56 bewirkt. Wenn der pneumatische Druck die Federkraft überwindet, wird die Kugelgelenk-Kugel 58 von dem Verriegelteil 56 freigegeben. Dadurch kann die Kugelgelenk-Kugel 58 mit dem daran angebrachten Werkstück unkontrolliert verschwenkt werden. Im dem vorzubeugen justiert der Benutzer den Regler 28 zur Bereitstellung eines angemessenen Druckes so, daß die Reibung zwischen Verriegelteil 56 und Kugelgelenk-Kugel 58 nur teilweise aufgehoben wird. Dadurch werden Justierfestigkeit und allgemeine Stabilität bei der Positionierung des Systems erreicht. Auf diese Weise kann der Arm 64 mit dem daran angebrachten Werkstück sicher vom Benutzer von Hand in die neu gewünschte Position bewegt werden.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführung des Werkstückhalters gezeigt, bei der das Werkstück an einem Drehtisch statt an einer Kugelgelenk-Kugel mit Gelenkmechanismus der oben beschriebenen Art angebracht ist. Die Elemente in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4, die den oben beschriebenen Elementen entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen mit einem Suffix A.

Der Mechanismus zur Werkstück-Positionierung ist an einer Grundplatte 83 befestigt, welche wiederum an dem Sockel 14 aus Fig. 1 befestigt ist. Der Kolben, der hin- und herbewegbar montiert ist, wird mit 42A bezeichnet und besteht aus einem oberen Kolbenabschnitt 44A der an einem unteren Kolbenabschnitt 46A mit einem Kranz von Maschinenschrauben 71 befestigt ist. Von den Maschinenschrauben 71 ist eine in der Schnittansicht in Fig. 4 dargestellt. Das Grundglied 30A ist zwischen zwei Kolbenabschnitten des Kolbens 42A angeordnet und hat eine obere Fläche, die eine Reihe von Aussparungen 38A enthält, welche die Schraubenfedern 40A aufnehmen. Das obere Ende jeder Schraubenfeder wird von einer entsprechenden Aussparung in der unteren Fläche des oberen Kolbenabschnitts 44A aufgenommen. Auf diese Weise wird der Kolben von einer Reihe von Schraubenfedern nach oben gedrückt. Ein Verriegelglied in Form einer Reibungsplatte 54A ist derart angeordnet, daß es die obere Fläche des Kolbens 42A berührt und eine obere Platte 73 trägt. Die Platte 73 ist mit Maschinenschrauben 77 an dem Drehtisch 75 befestigt.

Das (nicht dargestellte) Werkstück wird mit beliebigen geeigneten Mitteln an der oberen Fläche des Drehtisches 75 befestigt. Der Drehtisch 75 wird normalerweise durch die Wirkung von Federn 40A in einer befestigten Stellung gehalten, wobei die Federn eine vorbestimmte steuerbare Kraft auf den Kolben 42A ausüben. Dadurch drückt die obere Fläche der Verriegelungs-Reibungsplatte 54A gegen die untere Fläche der oberen Platte 73 . Die obere Platte 73 ist gelöst und kann um das Lager 81 schwenken, wenn sie nicht durch die Wirkung des Kolbens 42A stationär gehalten wird. Dübel 85, von denen mehrere verwendet sein können und von denen zwei in Fig. 4 dargestellt sind, reichen durch die Grundplatte 83 und gewährleisten die Fixierung des Systems an der Basis. Wie in der oben beschriebenen Ausführung der Fig. 2 und 3 überschreitet der Abstand zwischen der unteren Fläche des oberen Kolbenabschnitts 44A und der oberen Fläche des unteren Kolbenabschnitts 46A die Dicke der Grundplatte 30A genau so, daß der Kolben sich unter einer vorbestimmten Feder-Kompressionskraft nach oben und unten bewegen kann. Ein kreisförmiger Kanal 68A zwischen der Grundplatte 30A und dem unteren Kolbenabschnitt 46A ist mit einer Druckmittel-Druckquelle über einen Anschluß 71A verbunden. Der kreisförmige Kanal wird wirksam mit O-Ringen 87 und 89 abgedichtet.

Die Arbeitsweise der Ausführung in Fig. 4 ist insofern ähnlich zu der oben beschriebenen, als bei Abwesenheit von Druckmittel-Druck am Anschluß 71A die Federn 40A den Kolben nach oben drücken, so daß die Reibungsplatte 54A gegen die obere Platte 73 drückt und den Drehtisch in einer fixierten, nicht-rotierenden Stellung hält. Wenn eine Verdrehung des Drehtisches zugelassen werden soll, dann wird eine geregelte Menge an Druckmittel-Druck durch den Anschluß 71A und in den Kanal 68A gelassen so, daß eine angemessene dynamische, nach unten gerichtete Kraft gegen die Fläche 70A des unteren Kolbenabschnitts 46A aufgebaut und den Kolben nach unten gedrückt wird. Damit wird der Drehtisch für eine geregelte Rotation gelöst.

Claims

1. Werkstück-Positionierer (10), enthaltend

(a) ein Grundglied (30);
(b) einen Kolben (42) mit einem ersten Abschnitt (44) und einem zweiten Abschnitt (46) wobei der erste Kolbenabschnitt (44) und der zweite Kolbenabschnitt (46) derart aneinander befestigt und angepaßt sind, daß sie als eine Einheit bewegbar sind und das Grundglied (30) teilweise zwischen dem ersten Kolbenabschnitt (44) und dem zweiten Kolbenabschnitt (46) angeordnet ist,
(c) einen Werkstückhalter (16)
(d) Reibungsmittel, die zwischen dem Kolben (42) und dem Werkstückhalter (16) angeordnet sind;
(e) Federn (40), die zwischen dem Grundglied (30) und dem ersten Kolbenabschnitt (44) angeordnet sind, durch die der Kolben (42) in eine erste Richtung belastet und der Werkstückhalter (16) in einer fixierten Position gehalten ist; und
(f) eine Druckmittel-Kammer (68), die in aktiver Verbindung zwischen dem Grundglied (30) und dem zweiten Kolbenabschnitt (46) angeordnet ist und durch die der Kolben (42) in eine zweite Richtung bewegbar und der Werkstückhalter (16) lösbar ist, wenn Druckmittel-Druck auf die Druckmittel-Kammer (68) aufgeschaltet wird.

2. Werkstück-Positionierer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückhalter (16) ein Kugelgelenk (54, 58) enthält.

3. Werkstück-Positionierer (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückhalter (16) einen Drehtisch enthält.

4. Werkstück-Positionierer (10) nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundglied (30) zylinderförmig ausgebildet ist.

5. Werkstückpositionierer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundglied (30) scheibenförmig ausgebildet ist.

6. Werkstückpositionierer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückhalter (16) eine Verriegelungs-Stellung und eine Freigabe stellung hat, in welcher er das Werkstück freigibt.

7. Werkstückpositionierer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der erste und zweite Kolbenabschnitt (44, 46) jeweils von einem oberen bzw. einem unteren Kolbenabschnitt gebildet ist,
(b) die erste Richtung nach oben gerichtet ist und die zweite Richtung nach unten gerichtet ist,
(c) der obere und untere Kolbenabschnitt (44, 46) jeweils eine obere Fläche und eine untere Fläche aufweisen,
(d) die untere Fläche des oberen Kolbenabschnitts (44) an die obere Fläche des Grundglieds (30) anschließend angeordnet ist.
(e) die Federn (40), in Kontakt mit der unteren Fläche des ersten Kolbenabschnitts (44) angeordnet sind, durch die der Kolben (42) nach oben belastet und der Werkstückhalter (16) in verriegelter Stellung gehalten ist,
(f) die Druckmittel-Kammer (68) von der oberen Fläche des unteren Kolbenabschnitts (46) und der daran anliegenden unteren Fläche des Grundgliedes (30) gebildet ist, und
(g) Mittel vorgesehen sind mit denen ein Druckmittel-Druck auf die Druckmittel-Kammer (68) ausgeübt werden kann.

8. Werkstückpositionierer (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Grundglied (30), der erste Kolbenabschnitt (44) und der zweite Kolbenabschnitt (46) koaxial zueinander angeordnet sind.