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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme von Baugruppen für eine messtechnische Erfassung und/oder für eine Bearbeitung und/oder für eine Abstützung eines in einer Werkzeugmaschine drehbar eingespannten Werkstückes mit einem freien Konturabschnitt im Innenraum, insbesondere einer Hohlwelle.
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Für verschiedenartige Anwendungen müssen an Werkstücken, die zur Bearbeitung in einer Werkzeugmaschine eingespannt sind, geometrische Daten im Innenraum einer Bohrung oder einem ähnlichen Hohlraum im Werkstück erfasst werden, um auf Grundlage der somit ermittelten Messwerte eine weitgehend optimale Bearbeitung des Werkstückes zu erreichen. Für die Bearbeitung müssen teilweise Werkzeuge in den jeweiligen Hohlraum eingeführt oder die Werkstücke in spezifischer Anordnung abgestützt werden.
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Ein diesbezügliches typisches Beispiel ist das sog. Tieflochbohren, bei dem während der Bearbeitung aufgrund der großen Werkzeuglänge axiale Positionsabweichungen des Bohrers auftreten können. Dadurch ergeben sich Abweichungen der ausgeführten Bohrung von der theoretischen Mittellängsachse. Die erzeugten Bohrungen werden vermessen, z.B. mit optischen Sensoren, ultraschallbasierten Sensoren oder taktilen Sensoren. Danach wird mit einem Werkzeug in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt der Versatz von tatsächlicher und theoretischer Mittellängsachse weitgehend korrigiert.
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Ein anderes Beispiel sind Hohlwellen, die üblicherweise hergestellt werden, indem zunächst ein Ausgangswerkstück mit einem Aufmaß gefertigt wird, das nachfolgend in zumeist mehreren Verfahrensschritten spanend auf ein Fertigmaß bearbeitet wird. Sofern Hohlwellen mit einer großen axialen Ausdehnung zu bearbeiten sind, können Durchbiegungen der Hohlwelle auftreten. Deshalb ist es beispielsweise bei einer spanenden Bearbeitung längerer Hohlwellen zur Aufnahme von Turbinenschaufeln notwendig, dass die gemittelte Achse des inneren Hohlraums mit der Drehachse der die Hohlwelle drehenden Werkzeugmaschine ausgerichtet wird. Hierfür wird der innere Radius einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Hohlwelle gemessen und danach wird über eine rechnerisch fiktiv ermittelte mittlere Achse eine Ausrichtung von Hohlwelle und Werkzeugmaschine realisiert, bevor eine spanende Bearbeitung erfolgt.
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So wird in
EP 2 527 084 A2 zur Reduzierung von Unwuchten vorgeschlagen, dass spanend zu bearbeitende Hohlwellen zunächst abschnittsweise optisch abgescannt werden und dass auf Grundlage der optisch erfassten Werte abschnittsweise Schwerpunkte bzw. Unwuchten berechnet werden. Diese Punkte bzw. Abschnitte werden nachfolgend gezielt abgefräst, um für den späteren Einsatz einen weitgehend optimalen Rundlauf der Hohlwelle zu erreichen.
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Aus
DE 199 58 373 A1 ist ein Verfahren zur Verringerung der Exzentrizität der Innen- zur Außenfläche eines in einer Werkzeugmaschine drehbar eingespannten hohlen Werkstückes bekannt. Hierbei werden mit Ultraschall mehrere von der Kontur der Innenfläche abhängige Messdaten ermittelt. Mit diesen Messdaten wird ein Sollverlauf der Außenfläche berechnet und in derselben Aufspannung des Werkstückes wie bei der Messung wird nachfolgend die Außenfläche gemäß dem berechneten Sollverlauf spanend abgedreht.
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Ein ähnlicher Lösungsansatz wird in
EP 2 668 547 B1 beschrieben. Hierbei werden die ermittelten Messdaten der Kontur der Innenfläche jedoch zur Berechnung für einen Teil der Außenfläche verwendet, die in einem weiteren Verfahrensschritt zumindest teilweise spanend bearbeitet wird. Über die derart erzeugten Teilflächen wird das Werkstück über Spannmittel wie Spannfutter und Lünetten neu aufgespannt und nachfolgend werden die anderen Außenflächen des Werkstückes spanend bearbeitet.
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Unabhängig vom konkreten Verfahrensablauf und dem Funktionsprinzip der verwendeten Sensoren und Werkzeuge ergibt die Zuführung von Sensoren und Werkzeugen in den Innenraum einer Hohlwelle sowie die eigentliche Abstützung dieser Hohlwelle oftmals Probleme. Denn durch die zwangsläufig große Länge der Trägerbaugruppen für die Sensoren oder Werkzeuge können Schwingungen auftreten, welche die Messwerterfassung und die Bearbeitungsqualität beeinträchtigen. Um derartige Nachteile zu vermindern, ist überwiegend ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Aufnahme von Sensoren und/oder Werkzeugen und/oder zur Abstützung einer Hohlwelle zu schaffen, mit der eine messtechnische Erfassung, spanende Bearbeitung und Einspannung eines in einer Werkzeugmaschine drehbar eingespannten hohlen Werkstückes, insbesondere einer Hohlwelle möglich ist, so dass auf Grundlage von ermittelten Messwerten zunächst Zentren und der räumliche Verlauf dieser Zentren ermittelt und nachfolgend eine spanende Bearbeitung am Werkstück realisiert werden kann. Dabei soll die Vorrichtung als eine kompakte Baugruppe ausgestaltet werden, die an Werkzeugmaschinen adaptiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Vorrichtung eine Halterung für eine Kassette aufweist, die fest oder auswechselbar im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine angeordnet ist und über mindestens eine Maschinenachse in diesem Arbeitsraum frei positionierbar ist, wobei an der Kassette alternativ ein Tragelement oder ein Spannmittel abgestützt sind, wobei das Tragelement für eine Aufnahme von mindestens einem Sensor zur messtechnischen Erfassung oder für eine Aufnahme von mindestens einem Werkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung freier Konturabschnitte im Innenraum eines Werkstückes ausgestaltet sind und wobei das Spannmittel für eine lagefixierte innere oder äußere Aufnahme des Werkstückes ausgestaltet ist.
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Das Tragelement weist einen langgestreckten Grundkörper auf mit einer kleinen radialen Ausdehnung und mit einer um ein Vielfaches größeren axialen Ausdehnung. Der mindestens eine Sensor oder das mindestens eine Werkzeug sind vorzugsweise an dem der Kassette gegenüberliegenden Endabschnitt des Tragelementes angeordnet. Dabei ist das Tragelement bei Aufnahme von mindestens einem Sensor entweder um seine Mittellängsachse rotierend bewegbar oder lagefixiert. Beispielsweise ist in der Kassette ein Getriebe oder ein separater direkter Antrieb baulich integriert, mit dem das Tragelement drehbar ansteuerbar ist. Alternativ ist das Tragelement bei Aufnahme von mindestens einem Werkzeug um seine Mittellängsachse radial bewegbar. Beispielsweise ist in der Kassette ein Getriebe oder ein separater direkter Antrieb baulich integriert, mit dem das Tragelement radial aussteuerbar ist.
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Das Spannmittel ist um eine Rotationsachse drehbar, wahlweise antreibbar oder verriegelbar sowie manuell oder automatisiert betätigbar. Außerdem ist das Spannmittel über mindestens eine Maschinenachse im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine frei positionierbar.
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Die Vorrichtung ist in der Betriebsstellung fest in der Kontur der Werkstückrotationsachse angeordnet und in der Nicht-Betriebsstellung in Richtung mindestens einer Maschinenachse verlagerbar.
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Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand weiterer Unteransprüche, deren Merkmale und funktionellen Wirkungen im nachfolgenden Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung mit Darstellung der Wirkverbindung der Baugruppen zu einer Hohlwelle während einer Messung
- 2 den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung in separater Darstellung
- 3 den Aufbau der Vorrichtung in einer modifizierten Ausführung
- 4 den Aufbau der Vorrichtung in einer weiteren modifizierten Ausführung
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Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur Aufnahme von Baugruppen für eine messtechnische Erfassung und/oder für eine Bearbeitung und/oder für eine Abstützung eines in einer Werkzeugmaschine drehbar eingespannten Werkstückes mit einem freien Konturabschnitt im Innenraum konzipiert. Eine bevorzugte Anwendung sind in der Zeichnung beispielhaft dargestellte Hohlwellen, die an ihrer Außenfläche zumindest abschnittsweise spanend bearbeitet werden.
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Gemäß 1 ist ein als Hohlwelle ausgestaltetes Werkstück 4 mit einem (hier dem linken) stirnseitigen Endabschnitt in einem als Futter 2 ausgestalteten Spannmittel eingespannt. Gleichzeitig ist das Werkstück 4 mit seiner Außenfläche in mindestens einem weiteren Spannmittel abgestützt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abstützung nicht mit lediglich einem weiteren Spannmittel, sondern mit zwei weiteren, jeweils als Lünette 5 ausgeführten Spannmitteln. In dieser abgestützten Position rotiert das Werkstück 4 um eine Rotationsachse 1. Diese Drehrichtung ist mit einem Pfeil stilisiert dargestellt.
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Aus 1 ist weiterhin ersichtlich, dass die Werkstückkontur 13 keinen konzentrischen Verlauf aufweist. Stattdessen verlaufen die Außenkontur und Innenkontur des Werkstücks 4 zueinander exzentrisch. Damit dennoch eine korrekte spanende Bearbeitung möglich wird, werden für den hohlen Innenraum des Werkstückes 4 zunächst Zentren ermittelt.
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Hierfür ist eine in 1 rechts dargestellte Vorrichtung 8 vorgesehen, deren grundsätzlicher Aufbau nochmals separat aus 2 ersichtlich ist. Die Vorrichtung 8 ist im Arbeitsraum einer hier nicht näher dargestellten Werkzeugmaschine angeordnet. Dabei ist sowohl eine feste als auch eine auswechselbare Anordnung möglich, wobei die auswechselbare Variante aufgrund der möglichen Nutzung von Kassetten vorteilhaft ist. Die Vorrichtung 8 ist außerdem im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine über mindestens eine Maschinenachse frei positionierbar. Die Maschinenachsen sind mit zwei Pfeilen 10 stilisiert dargestellt.
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Die Vorrichtung 8 weist eine Halterung 14 zur Aufnahme einer Kassette 19 auf. An der Kassette 19 ist in einer ersten Ausführungsvariante ein Tragelement 9 abgestützt.
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Dieses Tragelement 9 ist gemäß 1 und 2 für eine Aufnahme von mindestens einem Sensor 6 zur messtechnischen Erfassung von freien Konturabschnitten im Innenraum des Werkstücks 4 vorgesehen. Dabei können Sensoren 6 unterschiedlicher Wirkprinzipien verwendet werden, z.B. nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Sensoren 6. Der eine Sensor 6 bzw. die mehreren Sensoren rotieren gemeinsam mit dem Tragelement 9 um eine Rotationsachse 12 oder sind lagefixiert.
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Sofern die Vorrichtung 8 am Tragelement 9 mit mehreren Sensoren 6 ausgestattet ist, können hierfür Sensoren 6 gleicher oder unterschiedlicher Ausführung vorgesehen werden. Ebenso können mehrere Sensoren 6 in gleicher oder definiert verschiedener Ausrichtung angeordnet werden. Unabhängig von der konkreten Anzahl, Ausführung und Ausrichtung ist jeder Sensor 6 mit dem Tragelement 9 über mindestens eine Maschinenachse 10 im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine frei positionierbar.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils nur ein Sensor 6 vorgesehen. Mit diesem Sensor 6 werden an mindestens zwei definierten axialen Positionen 7 die radialen Abstände zwischen dem Sensor 6 und der Werkstückkontur 13 erfasst. In 1 sind drei Positionen 7 dargestellt, wobei sich der Sensor 6 beispielhaft an der mittleren axialen Position 7 befindet. Die berührungslose Erfassung der Abstände erfolgt in definierten Winkelrelativpositionen zwischen der Rotationsachse 12 des Sensors 6 und der Rotationsachse 1 des Werkstückes 4 über mindestens einen Vollwinkel der Werkstückkontur 13.
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Sofern lediglich ein Sensor 6 verwendet wird, werden die radialen Abstände an mindestens zwei definierten axialen Positionen 7 entlang der Rotationsachse 1 des Werkstückes zeitlich nacheinander erfasst. Sind hingegen mehrere Sensoren 6 vorhanden, werden die radialen Abstände entweder ebenfalls zeitlich nacheinander oder in vorteilhafter Weise zeitgleich erfasst.
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Sobald die Erfassung der radialen Abstände zwischen dem Sensor 6 bzw. zwischen den mehreren Sensoren 6 und der Werkstückkontur 13 erfolgt ist, wird durch eine Verrechnung eines beliebigen konstanten Radius zu den erfassten radialen Abständen ein Vektor aus Polarkoordinaten mit den Werten Winkel und Radius mit radialen Abständen gebildet. Dieser Vektor wird in kartesische Koordinaten umgerechnet und über eine Mittelwertbildung wird ein der entsprechenden axialen Position 7 des Werkstückes 4 zuordenbarer geometrischer Werkstückzentrumspunkt berechnet. Danach wird aus mindestens zwei berechneten Werkstückzentrumspunkten an unterschiedlichen axialen Positionen 7 durch eine Regressionsanalyse eine im Raum liegende Zentrumsachse 3 berechnet, welche sich den Werkstückzentrumspunkten annähert. Nachfolgend werden ausgehend von der Zentrumsachse 3 entlang der Rotationsachse 1 des Werkstückes eine beliebige Anzahl von zur Zentrumsachse 3 konzentrischen Durchmessern berechnet. Diese berechneten Durchmesser können beispielsweise zur Bearbeitung von neuen Spannsitzen für das Werkstück 4 verwendet werden.
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4 zeigt eine alternative Ausführung. Hier ist das Tragelement 9 nicht mit Sensoren 6 ausgestattet, sondern mit mindestens einem Werkzeug 11 zur spanabhebenden Bearbeitung der Konturabschnitte im Innenraum des Werkstücks 4. Die Bewegung des Werkzeuges 11 gegenüber der Werkstückkontur 13 ist mit einem Pfeil stilisiert. Ähnlich wie bei der einer Ausstattung mit einem Sensor 6 kann auch hier in der Kassette 19 ein Getriebe oder ein separater direkter Antrieb baulich integriert werden, um das Tragelement 9 und somit das zugeordnete Werkzeug 11 in der gewünschten Richtung zu bewegen.
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3 zeigt eine weitere alternative Variante. Hier ist an der Kassette 19 kein Tragelement 9 abgestützt, sondern ein Spannmittel 17. Dieses Spannmittel 17 ist für eine lagefixierte innere oder äußere Aufnahme des Werkstücks 4 ausgestaltet. Das Spannmittel 17 ist wahlweise über die Kassette 19 antreibbar und verriegelbar ausgeführt und kann manuell oder automatisiert betätigt werden. Weiterhin ist das Spannmittel 17 über mindestens eine Maschinenachse 10 im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine frei positionierbar.
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Die Vorrichtung 8 kann weiter ausgestaltet werden, um eine weitgehend optimale Anpassung für konkrete Einsatzforderungen zu erreichen. So kann die zum Betrieb der Kassette 19 notwendige elektrische Energie berührungslos oder kabelgebunden zugeführt werden, wobei eine berührungslose Zuführung beispielsweise als induktive Leistungsversorgung ausgestaltet ist. Die zum Betrieb der Kassette 19 notwendige mechanische Energie ist mit mechanischen Koppelelementen zuführbar.
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Weiterhin sind die mittels der Vorrichtung 8 erfassten Messdaten berührungslos oder kabelgebunden an eine Recheneinheit übertragbar, mit der die Messdaten an eine weitere Recheneinheit einer Steuerung der zugeordneten Werkzeugmaschine übertragbar sind.
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Mit den oben erläuterten technischen Merkmalen wird eine Vorrichtung zur Aufnahme von verschiedenen Baugruppen geschaffen, mit denen eine messtechnische Erfassung und/oder eine Bearbeitung und/oder eine Abstützung eines in einer Werkzeugmaschine drehbar eingespannten hohlen Werkstückes, insbesondere einer Hohlwelle 4 in einfacher und funktionssicherer Weise möglich ist. Dabei ist die Vorrichtung 8 vorteilhaft als eine kompakte Baugruppe ausgestaltet, die mit geringem gerätetechnischem Aufwand an vorhandene und neue Werkzeugmaschinen adaptiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsachse Werkstück
- 2
- Spannmittel / Futter
- 3
- Zentrumsachse
- 4
- Werkstück / Hohlwelle
- 5
- Spannmittel / Lünette
- 6
- Sensor
- 7
- axiale Positionen zur Bestimmung Zentrumspunkt
- 8
- Vorrichtung
- 9
- Tragelement
- 10
- Maschinenachsen des Werkzeugträgers
- 11
- Werkzeug
- 12
- Mittellängsachse Tragelement / Rotationsachse Sensor
- 13
- Werkstückkontur
- 14
- Halterung
- 17
- Spannmittel
- 18
- Rotationsachse Spannmittel
- 19
- Kassette
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2527084 A2 [0005]
- DE 19958373 A1 [0006]
- EP 2668547 B1 [0007]
