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Vorrichtung zum Positionieren von Bohrern
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Vorrichtung zum Positionieren von Bohrern Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Positionieren von Bohrern.
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Beim Schleifen der Spitzen von Spiralbohrern, insbesondere bei Printerbohrern
mit einem kleinen Durchmesser, ist eine sehr genaue Positionierung des Bohrers in
seine Schleifstellung sehr wichtig.
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Aus der CH-PS 591 927 ist eine Bohrschleifmaschine bekannt, bei welcher
die Bohrer vor dem Schleifen optisch positioniert werden. Bei dieser Bohrschleifmaschine
ist das Positionieren sehr zeitaufwendig, indem ein Operateur erforderlich ist,
der jeden einzelnen Bohrer mit Hilfe eines Bildschirmes positioniert. Es ist eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum vollautomatischen
Positionieren von Bohrern für das anschliessende Beschleifen ihrer Spitze zu schaffen.
Die Positionierung soll möglichst genau erfolgen, so dass eine Genauigkeit der Schleifposition
von einem Tausendstel-Millimeter erzielt werden kann. Dies wird erfindungsgemäss
erzielt durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und
3.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zum Schleifen der Spitzen von Spiralbohrern
mit optischer Positioniereinrichtung, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die optische
Positioniereinrichtung, wobei der Bohrer im Längsschnitt dargestellt ist, Fig. 3
einen Längsschnitt durch die optische Positioniereinrichtung, wobei der Bohrer im
Querschnitt dargestellt ist, Fig. 4 einen Längsschnitt durch die optische Positioniereinrichtung,
wobei der Bohrer gegenüber Fig. 3 um 900 um seine Längsachse gedreht ist, Fig. 5
einen Längsschnitt durch die optische Positioniereinrichtung, wobei der Bohrer gegenüber
Fig. 4 um 1800 um seine Längsachse gedreht ist, Fig. 6 den Schieber mit Blende,
Fig. 7 den Spannungsverlauf am Fotoelement der cptischen Positioniereinrichtung,
Fig. 8 den Verlauf der verstärkten Fotoelementspannung als Funktion des Drehwinkels
des Bohrers, Fig. 9 einen Querschnitt des Bohrers in der Positionierstation bei
minimalem Lichtdurchtritt, Fig. 10 einen Querschnitt durch den Bohrer in der Positionierstation
bei maximalem Lichtdurchtritt, Fig. 11 einen Querschnitt durch den Bohrer in seiner
Schleifstellung; Fig. 12 einen Längsschnitt durch den Spindelstock mit eingespanntem
Bohrer und schematisch dargestellter optischer Positioniereinrichtung, Fig. 13 einen
Schnitt gemäss Linie XIII-XIII der Fig. 11, Fig. 14 einen Schnitt durch die Teilscheibe,
Fig. 15 einen Schnitt durch die Positionierscheibe, Fig. 16 einen Schnitt durch
die Teilscheibe mit dahinterliegender Positionierscheibe in der Lage beim
optischen
Positionieren, Fig. 17 einen Schnitt durch Teilscheibe mit dahinterliegender Positionierscheibe
in Schleifstellung.
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In Fig. 1 ist die gesamte Vorrichtung zum Schleifen von Spiralbohrern
dargestellt. Sie umfasst einen Drehtisch 1 mit einem Spindelstock 2 und eine Einspannvorrichtung
3 zur Halterung des Spiralbohrers 4. Im weiteren ist eine Antriebsvorrichtung 5
zum Drehen des Bohrers 4 um seine Längsachse vorgesehen. Im weiteren ist eine Schleifstation
6 mit zwei dreh- und verkippbaren Schleifscheiben 7 und 8 vorgesehen. Mit einer
Kulisse 9 ist die Schleifvorrichtung 6 verschiebbar angeordnet. Im weiteren ist
eine optische Positioniervorrichtung 10 sowie eine Lade- und Entladestation 11 für
die Spiralbohrer vorgesehen. Der Spindelstock 2 (mit einer nicht dargestellten Drehvorrichtung)
kann zwischen Schleifstation, optischer Positioniervorrichtung und Lade- und Entladestation
11 verschwenkt werden.
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In Fig. 2 ist ein Schnitt durch die optische Positioniervorrichtung
10 dargestellt. Sie umfasst eine stabilisierte Lichtquelle 12, einen Kondensor 13
und einen Lichtleiter 14 zur Querschnnittsänderung des optischen Strahls 15, einen
Schieber 16 zur Einstellung der Breite des durch den Lichtleiter erzeugten Lichtvorhanges,
eine optische "Verlängerung" 17, einen Lichtsammler 18, einen Lichtleiter 19 sowie
ein Fotoelement 20. Die Längsachse des Bohrers 4 ist gemäss Fig. 2 parallel zur
Zeichenebene.
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Die Ebene des Lichtvorhanges 21 verläuft senkrecht zur Längsachse
des Bohrers 4.
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In den Fig. 3 bis 5 ist der Schnitt durch die optische Positioniervorrichtung
um 900 gegenüber dem Schnitt gemäss Fig. 2 verdreht. Gemäss Fig. 3 ist der Bohrer
in einer solchen Lage, dass am meisten Licht des Lichtvorhanges abgedeckt wird,
d.h. der Lichtvorhang fällt auf den effektiven Durchmesser D des Bohrers. Die
beiden
seitlichen Einengungen des Bohrers sind mit d unter d' bezeichnet. Gemäss Fig. 4
ist der Bohrer um seine Längsachse um 90<> gegenüber der Stellung gemäss Fig.
3 verdreht, wobei die Einengung d' oben liegt, d.h. den Lichtvorhang teilweise abdeckt.
Gemäss Fig. 5 ist der Bohrer gegenüber der Stellung gemäss Fig. 4 in seiner Längsachse
um 1800 verdreht, wobei die Einengung d oben liegt und den Lichtvorhang teilweise
abdeckt.
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Das von der stabilisierten Lichtquelle 12 ausgesandte Licht wird
mit dem Kondensor auf den als Quer schnittwandler wirkenden Lichtleiter 14 geleitet.
Der Querschnittwandler wandelt den kreisrunden Lichteintrittsquerschnitt nach dem
Kondensor mittels Lichtleiter in den Lichtvorhang 21 um, der möglichst dünn sein
sollte (z.B. 0,05 x 8 mm Lichtvorhangquerschnitt). Die Breite des Lichtvorhanges
21 kann mittels dem Blendenschieber 16 fein reguliert und somit dem zu positionierenden
Bohrerdurchmesser angepasst werden. Mit Hilfe der optischen "Verlängerung" 17 wird
das optische Abbild senkrecht auf die Längsachse des zu positionierenden Bohrers
gerichtet, und zwar so, dass die Lichtstrahlbreite schmäler als der Bohrerdurchmesser
D, jedoch breiter als die schmälste Bohrereinengung d' eingestellt wird. Der Bohrer
dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit um seine Längsachse, so dass sich die
Bohrereinengung d resp.
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d' über die gesamte Längsachse verschiebt. Befindet sich die dickste
Stelle D direkt unter dem Lichtstrahl, so fällt kein Licht mehr auf den senkrecht
unter dem Strahl liegenden Lichtsammler 18. Befindet sich jedoch die grösste Einengung
d' unter dem Lichtstrahl so fällt ein Maximum an Licht auf den Lichtsammler. Beim
genau geschliffenen Bohrer sind die beiden Masse d und d' genau gleich, so dass
zwischen den Stellungen gemäss Fig. 4 und Fig. 5 kein Unterschied in der Lichtmenge
festste3lbar ist. In der Praxis ist jedoch immer ein kleiner Unterschied zwischen
d und d' feststellbar, so dass ein
Maximum an Lichteinfall dann
erreicht ist, wenn der schmälere Teil d' gemäss Fig. 4 sich näher bei der Lichtquelle
befindet. Die vier Kanten der beiden Strecken d und d' werden dann von den infolge
Streuung nicht ganz parallel verlaufenden Strahlen sozusagen eingebettet, während
im Fall gemäss Fig. 5 infolge grösserer Schattenfläche von d mehr Licht zurückgehalten
wird.
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Bei Stellung des Bohrers gemäss Fig.4, also bei maximalem Lichtdurchlass,
ist eine sichere und jederzeit genau reproduzierbare Stellung des Bohrers fixiert.
Das gemessene Licht wird nun mittels Lichtleiter 19 auf das Fotoelement 20 geleitet,
und zwar so, dass die einzelnen Lichtfasern zwischen dem Lichteingang und dem Lichtaustritt
(ca. 2 m) bewusst stark vermischt werden. Auf die--se Weise erhält man ein von der
Exzentrität des Bohrers gegenüber der Drehachse unabhängiges, über den gesamten
Lichtaustrittsquerschnitt verteiltes homogenes Licht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform können Lichtsammler und Lichtleiter
entfallen. Anstelle des Lichtsammlers wird das Fotoelement 20 angebracht. Als Folge
davon würde der nicht dargestellte Lichtverstärker in der optischen Positioniervorrichtung
nach dem Fotoelement angeordnet.
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In Fig. 6 ist der Schieber 16 in Draufsicht dargestellt.
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In Fig. 7 ist der Verlauf der Spannung am Fotoelement als Funktion
des Drehwinkels des Bohrers dargestellt. Der Winkel Oo entspricht der Position gemäss
Fig. 4, der Winkel 900 der Position entsprechend Fig. 3 und der Winkel 1800 der
Position gemäss Fig. 5.
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In Fig. 8 ist der verstärkte Spannungsverlauf am Fotoelement als
Funktion des Drehwinkels des Bohrers dargestellt. Die Fotoelementspannung weist
bei den beiden Stellungen Oo resp. 3600 und 1800 ein Maximum auf. Bei der Verstärkung
der Fotoelementspannung gemäss Fig. 8 entstehen sehr steile Anstiegs- und Abfallflan-
ken.
Bei einem festgelegten Betrag h der verstärkten Fotoelementspannung U wird die Zeit
t resp. T zwischen der Anstiegs- und der Abfallflanke gemessen. Die ersten beiden
Messungen dienen zur Festlegung des grösseren Lichteinfalles, also der genaueren
Positionierlage und gleichzeitig zur Ermittlung der grössten Zeitspanne T zwischen
Anstieg- und Abfallflanke. Diese Zeitspanne T wird halbiert und zum Zeitpunkt St3
der nächsten steileren Anstiegsflanke dazuaddiert werden, um den Positionierzeitpunkt,
d.h. den Stopbefehl für die Weiterdrehung des Bohrers um die Längsachse zu erhalten.
Die oben beschriebenen Auswertungen der am Fotoelement gemessenen Spannungen erfolgen
durch eine geeignete elektronische Schaltung.
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In Fig. 9 ist der Bohrer im Querschnitt in der Position wie in Fig.
3 dargestellt, wobei jedoch zur besseren Erläuterung bereits die Schneidkanten 22
und 23 dargestellt sind. In dieser Position wird bei entsprechender Stellung des
Schiebers 16 sämtliches auf den Bohrer fallendes Licht durch denselben abgedeckt.
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Die Stellung gemäss Fig. 10 des Bohrers entspricht der Stellung gemäss
den Fig. 4 oder 5, wobei seitlich in den Bereichen 24 und 25 Licht neben dem Bohrer
hindurch auf den Lichtsammler fällt.
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Die Position gemäss Fig. 10 wird durch die optische Positionierung
festgelegt. Um den Bohrer in Schleifposition zu bringen, muss derselbe dann noch
um den Winkel Cd gedreht werden.
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In Fig. 11 ist der Bohrer in seiner Schleifstellung dargestellt.
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In Fig. 12 ist der Spindelstock 2 im Detail dargestellt. In der Halterung
1 ist die Schwenkachse 26 zur Verschwnkung des Spindelstockes in die drei Positionen
für Schleifen, optisches Positionieren und Laden-Entladen angeordnet. Die Welle
27, mit welcher der Bohrer um seine Längsachse rotiert wird, ist in zwei Lagern
28
und 29 gelagert. Im weiterer ist eine Riemenscheibe 30 mit einem Riemenantrieb 31
zum Drehen der Welle 27 resp. des Bohrers 4 um die l,änsachse vorgesehen. Zwischen
den beiden Lagern ist eine Teilscheibe 32 und eine Positionierscheibe 33 vorgefehen,
die mit einer Hülse 34 miteinander verbunden werder k(innen. Die Teilscheibe 32
ist immer fest mit der Hülse 34 verbunden, wobei die Positionierscheibe gegenüber
der Teilscheibe verdreht und mit einer Schraube 35 an der Hülse arretiert werden
kann. Die Positionierscheibe kann zwecks Anpassung an verschiedene Bohrerdicken
gegenüber der Teilscheibe verdreht werden. Eine erste und zweite elektromagnetische
Kupplung 36 resp. 37 sjnd fest mit der Welle 27 verbunden. An die erste Kupplung
36 kann die Teilscheibe 32 angekuppelt werden. Ao dle zweite Kupplung 37 kann die
Riemenscheibe 30 arlgekuppelt werden. Im weiteren ist ein Verriegelungskeil 38 vorgesehen,
der in entsprechende Einkerbungen Ln ler Teil- resp. Positionierscheibe eingreifen
kann In Fig. 13 ist ein Schnitt gemäss Linie XIII-XIII der Fig. 12 dargestellt.
Der Verriegelungskeil 38 greift in eine Kerbe 39 der Positionierscheibe ein.
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Zwei Kerben 40 und 41 in der Teilscheibe liegen einander im Winkel
von 1800 gegenüber. Die Verbindungslinien der Kerbe 39 der Positionierscheibe mit
dem Mittelpunkt der Scheibe sowie derjenige der Kerbe 40 der Teilscheibe mit dem
Mittelpunkt der Scheibe schliessen einen Winkel OQ miteinander ein. Die zukünftigen
Schneidkanten 22 und 23 sind senkrecht zur Verbindungslinie der Kerben 41 und 40
in der Teilscheibe angeordnet.
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In Fig. 14 ist die Teilscheibe mit den Einkerbungen 40 und 41 sowie
einer ausnehmung 42 in der optischen Positionierstellung dargestellt.
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In Fig. 15 ist die Positionierscheibe mit der Kerbe 39 sowie zwei
Ausnehmungen 43 und 44 in der Posi-
tionierstellung dargestellt.
Im weiteren ist eine Bohrung 45 zur Aufnahme der Arretierschraube 35 vorgesehen.
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Die Ausnehmungen 42, 43 und 44 kommen jeweils neben die Einkerbungen
der andern Scheibe zu liegen, so dass der Verriegelungskeil 38 in die Einkerbungen
eingreifen kann, da die Teil- und Positionierscheibe dicht nebeneinander liegen.
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Bei der Positionierung des Bohrers 4 in der optischen Positioniereinrichtung
10 greift der Verriegelungskeil 38 in die Kerbe 39 der #Positionierscheibe ein.
Ueber die Kupplung 37 ist die Riemenscheibe 30 mit der Welle 27 verbunden. Der Bohrer
wird in der optischen Positionierstation gedreht. Die erste Kuplung 36 ist mit der
Teilscneibe 32 ausgekuppelt, so dass die miteinander starr verbundene Teil- und
Positionierscheibe in einer festen Position verbleiben. Wenn der Bohrer 4 die optimale
Position wie gemäss Fig. 4 beschrieben, eingenommen hat, so erfolgt eine Entkuppelung
der zweiten Kupplung 37 mit der Riemenscheibe 30. Der Bohrer wird in der optisch
maximal bestimmten Lage gehalten.
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Diese Position isi jedoch noch nicht die Schleifposition, vielmehr
kann nun durch den vorher eingestellten Winkel g zwischen der Kerbe 39 der Positionierscheibe
33 sowie der Kerbe 40 der Teilscheibe 32 die Schleifposition eingestellt werden.
Wie bereits oben erwähnt, wird der Winkel c& der jeweiligen Bohrerdicke entsprechend
eingestellt, wobei jeweils grosse Serien mit gleichem Durchmesser positioniert und
geschliffen werden, so dass die Einstellung zwischen Positionier- und Teilscheibe
nicht oft vorgenommen werden muss. Wenn sich der Bohrer 4 in der optimalen Position
gemäss der optischen Positioniereinrichtung 10 befindet, wird die erste Kupplung
36 mit der Teilscheibe 32 eingekuppelt und der Verriegelungskeil 38 geöffnet. Die
zweite Kupplung 37 wird mit der Riemenscheibe 30 eingekuppelt und die Teil- und
Positionierscheiben um den Winkels( verdreht, bis der
Verriegelungskeil
38 in die Kerbe 40 der Teilscheibe einrastet. Nun ist der Bohrer 4 in der ersten
Schleifposition. Durch Drehen um 180 o der Welle 27 kann der Bohrer in die zweite
Schleifposition gebracht werden, wobei dann die Kerbe 41 der Teilscheibe 32 durch
den Verriegelungskeil 38 verriegelt und der Bohrer in der Schleifposition festgehalten
wird.
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Es wäre auch möglich, anstelle von gegeneinander verdrehbaren Teil-
und Positionierscheiben eine drehbare Optik vorzusehen, um den Winkel zwischen optimaler
optischer Positionierung und Schleifposition einstellen zu können.
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In Fig. 16 sind Teil- und Positionierscheiben in der Lage der optischen
Positionierung in Fig. 17 in der ersten Schleifposition dargestellt.
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Mit der beschriebenen Positioniervorrichtung ist es möglich, den
Bohrer so genau zu positionieren, dass ein Schleifen auf einen Tausendstel-Millimeter
genau mögich ist.
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