-
Diese
Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Weiterschalten in eine
definierte Drehstellung. Er kann in einem Arm zum Halten eines Tastkopfes
in einer Werkzeugmaschine verwendet werden.
-
Die
US 5 678 967 offenbart einen
kinematischen Positionsgeber, durch den die Drehorientierung eines
Teils in Bezug auf ein anderes durch eine Anzahl radial beabstandeter
zusammenwirkender Einrichtungspaare, wie etwa eines Vorsprungs an
einem Teil mit einer Nut an dem anderen, definiert ist. Wenn sich
die beiden Teile in der gewünschten
Orientierung befinden, gelangen die zusammenwirkenden Einrichtungspaare
in Eingriff. Dies ermöglicht eine
wiederholbare genaue Positionierung eines Teils in Bezug auf ein
anderes.
-
Es
ist bekannt, einen Werkzeugeinstell-Tastkopf in einer Werkzeugmaschine
zu montieren. Der Tastkopf wird derart an dem Bett oder Tisch der Werkzeugmaschine
montiert, dass ein Schnittwerkzeug in Berührung mit diesem bewegt werden
kann. Dies ermöglicht,
dass die örtliche
Lage der Schneidespitze des Werkzeugs hergestellt werden kann, um Verschiebungen,
die zu dem Werkzeug gehören,
zur Verwendung durch die numerische Steuerung der Maschine einzustellen.
-
Bei
vielen Maschinen würde
der Werkzeugeinstell-Tastkopf im Weg stehen, wenn er ständig in der
erforderlichen Lage montiert wäre.
Es ist folglich bekannt, diesen an einem beweglichen Arm zu montieren,
der wiederum an dem Bett der Maschine montiert ist.
-
Beispielsweise
zeigt unser US-Patent Nr.
5 446
970 einen derartigen Arm, der zwischen einer Betriebsstellung
und einer Ruhestellung bewegbar ist. Die Betriebsstellung ist durch
Elemente definiert, die einen Anschlag gegen eine weitere Drehbewegung über die
Betriebsstellung hinaus bilden. Diese Elemente sind als kinematisches
Lager eingerichtet, so dass die Betriebsstellung auf eine genau
wiederholbare Weise definiert ist. Eine relativ komplexe Anordnung
von Spannfedern stellt eine Vorspannkraft bereit, die in der Umfangsrichtung
wirkt und die Elemente des Anschlags gegeneinander vorspannt.
-
Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Drehmechanismus bereit,
umfassend:
ein festes Bauteil;
ein drehbares Bauteil,
das um eine Achse relativ zu dem festen Bauteil drehbar ist;
einen
Anschlag zwischen dem festen und dem drehbaren Bauteil, der eine
Indexstellung bei der Drehung des drehbaren Bauteils definiert und
seine weitere Drehung an der Indexstellung vorbei verhindert;
wobei
das drehbare Bauteil durch eine Drehkraft in Eingriff mit dem festen
Bauteil an dem Anschlag vorgespannt ist, wenn sich das drehbare
Bauteil in der Indexstellung befindet;
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Mechanismus vorgesehen ist, der die Drehvorspannkraft von
einer axialen Vorspanneinrichtung, die in der axialen Richtung wirkt,
ableitet.
-
Die
axiale Vorspanneinrichtung kann eine Feder, wie etwa eine planare
Feder, sein.
-
Die
Drehkraft kann aus der axialen Kraft durch einen Verzahnungsmechanismus
abgeleitet werden, in welchem ein Verzahnungselement axial gegen
einen Rand oder eine Oberfläche
vorgespannt wird, der/die sich im Allgemeinen radial erstreckt.
-
Der
Anschlag umfasst vorzugsweise zumindest ein Element an jeder von
drei in Umfangsrichtung beabstandeten Stellen an dem drehbaren Bauteil;
und zumindest ein Element an jeder der drei entsprechenden in Umfangsrichtung
beabstandeten Stellen an dem festen Bauteil, wobei die Elemente
an dem festem und dem drehbaren Bauteil an jeder Stelle durch die
Drehkraft gegeneinander gedrängt
werden.
-
Die
Elemente an dem festen und dem drehbaren Bauteil wirken vorzugsweise
miteinander zusammen, um die Freiheitsgrade des drehbaren Bauteils
kinematisch zu beschränken,
wodurch die Indexstellung des drehbaren Bauteils genau definiert ist.
-
Ein
oder mehrere Paare der Elemente an dem festen und dem drehbaren
Bauteil, die das kinematische Lager bilden, können einander axial gegenübergestellt
und durch die axiale Vorspanneinrichtung in Eingriff vorgespannt
sein.
-
Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Tastkopfarm
für eine
Werkzeugmaschine bereit, der einen Drehmechanismus umfasst, wie
er oben beschrieben ist, wobei das drehbare Bauteil ein Armelement
umfasst oder trägt,
an dem sich ein Tastkopf befindet. Der Tastkopf kann beispielsweise
ein Werkzeugeinstell-Tastkopf sein.
-
Für eine Diskussion
der Bedeutung der Ausdrücke "kinematisch", "kinematisch" im adverbialen Gebrauch
und ähnlichen
Ausdrücken,
wie sie in dieser Beschreibung verwendet werden, sei auf US-Patent
Nr.
5 446 970 verwiesen.
Diese Ausdrücke
umfassen nicht nur kinematische Lager, in denen Punktkontakte zwischen
den jeweiligen Elementpaaren an dem festen und dem drehbaren Bauteil
vorgesehen sind, sondern auch halb- oder quasi kinematische Lager, in denen
es kleine Kontaktflächen
oder -linien zwischen den jeweiligen Elementen gibt.
-
Ein
bevorzugter Tastkopfarm gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
-
1 eine Seitenansicht eines
Arms eines Werkzeugeinstell-Tastkopfes
ist;
-
2 eine Schnittansicht entlang
der Linie II-II in 1 ist;
-
3 eine Ansicht auf der Linie
III-III in 2 ist;
-
4 eine Schnittansicht auf
der Linie IV-IV in 2 ist,
wobei die Schnittlinie von 2 bei
II-II angedeutet ist;
-
5 eine Draufsicht einer
Verzahnungsplatte ist; und
-
6 eine Draufsicht einer
planaren Feder ist.
-
Der
in 1 gezeigte Tastkopfarm
umfasst ein festes Basisbauteil 10 und eine Nabe 12,
die um eine Achse 14 über
90° drehbar
ist. Das Basisbauteil 10 kann an irgendeiner geeigneten
Fläche
einer Werkzeugmaschine, wie etwa einer Drehbank, befestigt sein.
Die Nabe 12 trägt
ein Armbauteil 16, das wiederum an seinem distalen Ende
einen Werkzeugeinstell-Tastkopf 18 trägt, der einen auslenkbaren Taster
mit einer Spitze 20 aufweist. Da die Nabe 12 über 90° drehbar
ist, kann der Arm 16 aus einer Ruhestellung, wie sie in 1 gezeigt ist (in der sie
außerhalb
des Weges des normalen Betriebes der Drehbank ist) in eine Betriebsstellung
verschwenkt werden (in der ein Schnittwerkzeug an einem Schlitten
der Drehbank zu Werkzeugeinstellungszwecken auf die Tasterspitze 20 zugreifen
kann).
-
Das
Armbauteil 16 kann irgendeine gewünschte Gestalt aufweisen (z.B.
mit einer rechtwinkligen Biegung, wie es gezeigt ist), um die Tasterspitze
geeignet zu positionieren.
-
Das
Armbauteil 16 und der Tastkopf 18 können verschiedene
optionale Einrichtungen aufweisen, wie es in unserer gleichfalls
anhängigen
Anmeldung, internationale Veröffentlichung,
Nummer WO 00/33149 offenbart ist.
-
Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird das Armbauteil
16 von Hand zwischen der Betriebsstellung
und der Ruhestellung verschwenkt. Es wäre jedoch möglich, in dem Basisbauteil
10 oder
der Nabe
12 einen Motor vorzusehen, um diesen Vorgang durchzuführen, z.B.
wie in US-Patent Nr.
5 446 970 .
-
Wie
es am besten in den 2 und 4 zu sehen ist, weist die
Nabe 12 einen speziell geformten Abschnitt 22 auf,
der sich innerhalb einer Öffnung 24 dreht,
die durch das Basisbauteil 10 hindurch verläuft. Der
Abschnitt 22 weist drei radiale Vorsprünge 26 auf, die 120° voneinander
beabstandet angeordnet sind. Die Öffnung 24 weist einen
Bereich 28 mit verringertem Durchmesser auf, der drei radial
nach innen gerichtete Vorsprünge 30 besitzt,
die ebenfalls 120° beabstandet
angeordnet sind. Die Vorsprünge 26 erstrecken
sich radial über
die Innenflächen
der Vorsprünge 30 hinaus.
Folglich bilden die Vorsprünge 26, 30 zusammen
Anschläge
an jedem Ende des Drehweges der Nabe 12 relativ zu dem
Basisbauteil 10.
-
Im
Besonderen schlagen Ränder 32 der
Vorsprünge 26 an
der Nabe 12 in der Ruhestellung an entsprechenden Rändern 34 der
Vorsprünge 30 an dem
Basisbauteil 10 an. In der Betriebsstellung schlagen Ränder 36 der
Vorsprünge 26 an
Rändern 38 der
Vorsprünge 30 an.
Die Ränder 32, 34, 36, 38 sind
relativ zueinander derart angeordnet, dass es einen Weg von 90° zwischen
der Betriebsstellung und der Ruhestellung gibt.
-
Wie
es am besten in 3 zu
sehen ist, weisen die Ränder 36, 38 jeweils
Oberflächen 36A, 38A auf,
die unter 45° ausgebildet
sind. Die Vorsprünge 30, 26 sind
derart ausgebildet, dass nur diese 45°-Oberflächen der Vorsprünge in der
Betriebsstellung in Kontakt gelangen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft,
obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, dass eine der 45°-Oberflächen jedes
zusammengehörenden
Paares mit einer geringfügig
konvexen Krümmung
ausgebildet ist, so dass es zwischen diesen eher eine Kontaktlinie
als eine größere Kontaktfläche gibt.
-
In
der Öffnung 24 befindet
sich eine im Allgemeinen kreisringförmige, axial weisende Rippe 40, die
auf einer Seite des Bereiches 28 mit verringertem Durchmesser
ausgebildet ist. Die Rippe 40 weist drei kleine erhöh te Flächen 42 auf,
die ebenfalls axial weisen. Der geformte Abschnitt 22 der
Nabe 12 weist eine kreisringförmige Schulter 44 auf,
die axial in die entgegengesetzte Richtung weist und der Rippe 40 gegenübergestellt
ist, wie es in den 3 und 4 zu sehen ist. Die Schulter 44 ist
sowohl in der Betriebsstellung als auch der Ruhestellung durch die
drei kleinen Flächen 42 gelagert
und gleitet während
der Drehbewegung zwischen diesen beiden Stellungen über diese.
-
In
der Betriebsstellung gibt es daher sechs kleine Kontaktflächen zwischen
der Nabe 12 und der Basis 10. Diese sind an den
drei 45°-Oberflächen 36A,
die an den 45°-Oberflächen 38A anschlagen, und
an den drei Flächen 42,
die an der Schulter 44 anschlagen. Gleichermaßen gibt
es in der Ruhestellung sechs kleine Kontaktflächen. Diese befinden sich zwischen
den jeweiligen Rändern 32, 34 und wieder
an den Flächen 42,
die an der Schulter 44 anschlagen.
-
Die
Ränder 36, 38 können Oberflächen aufweisen,
die unter einem anderen Winkel als 45° angeordnet sind. Beispielsweise
können
sich die Oberflächen
von 36 und 38 vertikal, d.h. 90° zu
der axial weisenden Rippe 40 erstrecken.
-
Sowohl
in der Betriebsstellung als auch in der Ruhestellung werden diese
jeweiligen Kontaktflächen
durch Vorspannanordnungen in Eingriff miteinander gedrängt, die
nachstehend beschrieben werden. Folglich gibt es in beiden Stellungen
eine halb- oder quasi kinematische Lagerung, die mit einer guten
Genauigkeit die Stellung der Nabe 12 und des Armes 16 definiert.
Von Bedeutung ist, dass dies auch eine gut definierte Stellung für den Tastkopf 18 und seinen
Taster 20 ergibt, was in der Betriebsstellung für eine genaue
Werkzeugeinstellung von Bedeutung ist.
-
In
der Betriebsstellung ergeben die 45°-Oberflächen 36A, 38A einen
besonders festen Eingriff, und, wie es oben erwähnt ist, ist eine von diesen
geringfügig
konvex (was in der Theorie einen Linienkontakt ergibt), um die Kontaktfläche zu verringern.
Es ist somit zu sehen, dass die Positioniergenauigkeit in der Betriebsstellung
besonders gut definiert ist, wie es erforderlich ist.
-
Es
wäre natürlich möglich, das
kinematische Lager in der Betriebsstellung zu verbessern, indem so
nahe wie möglich
sichergestellt wird, dass es Kontaktpunkte anstelle von Kontaktflächen gibt.
Dies könnte
beispielsweise vorgenommen werden, indem jede der Flächen 42 durch
eine Kugel ersetzt wird, die von der Oberfläche der Rippe 40 hervorragt,
und ähnlich
eine Kugel vorgesehen wird, die von jeder der Ränder 36 oder von jeder
der Ränder 38 hervorragt.
-
Es
wäre natürlich auch
möglich,
in der Betriebsstellung sowie in der Ruhestellung ein quasi kinematisches
Lager von der Art vorzusehen, die durch die Ränder 32, 34 bereitgestellt
wird. Tatsächlich
ist in der Ruhestellung ein kinematisches oder quasi kinematisches
Lager nicht sehr wichtig.
-
Die
Vorspannanordnungen werden nun anhand der 4, 5 und 6 beschrieben.
-
5 zeigt eine kreisringförmige Verzahnungsplatte 46.
Wie es in 4 gezeigt
ist, ist diese in der Öffnung 24 auf
der Seite der Fläche 28 mit
verringertem Durchmesser befestigt, die dem Steg 40 abgewandt
ist. Die Verzahnungsplatte 46 weist zwei Paare von Verzahnungslöchern 58, 60 auf.
Diese sind beinahe (aber nicht genau) unter 90° zueinander angeordnet.
-
6 zeigt eine planare Feder 48,
von der ein zentraler Bereich, wie es in 4 gezeigt ist, an dem Abschnitt 22 der
Nabe 12 befestigt ist (gegebenenfalls über einen Abstandshalter).
Die planare Feder 48 weist Ausschnitte 50, 52 auf,
um es ihr zu ermöglichen,
sich zu biegen und die erforderliche Federkraft zu liefern.
-
Die
planare Feder weist zwei diametral entgegengesetzte Nasen 54 auf,
die derart geformt sind, dass sie jeweilige Kugellager 56 lose
halten (deren Stellungen in 6 in
gestrichelten Linienzügen
gezeigt sind). Die Kugellager 56 sind herkömmlich und umfassen
mehrere in Lagerschalen gefangene Kugeln. Die Nasen 54 weisen
Ränder
auf, die gerundet sind, um im Gebrauch gleichmäßig mit den Innendurchmessern
der Kugellager 56 in Eingriff zu gelangen.
-
Wenn
die Nabe 12 zwischen der Betriebsstellung und der Ruhestellung
rotiert, laufen die Kugellager 56 um die Verzahnungsplatte 46 herum
zwischen den Verzahnungslöchern 58 bzw. 60.
Dabei befindet sich die planare Feder 48 in einem gebogenen
Zustand und liefert eine axiale Vorspannkraft, die die Schulter 44 in
Gleiteingriff mit den drei erhöhten Flächen 42 an
dem Steg 40 drängt.
-
In
der Betriebsstellung und der Ruhestellung fallen die Kugellager 56 nicht
vollständig
in die Verzahnungslöcher 58, 60 hinein.
Vielmehr ruhen die Kugellager 56 auf sich im Allgemeinen
radial erstreckenden Rändern 58A, 60A teilweise
in den Löchern, wenn
die Nabe 12 zu dem quasi kinematischen Anschlag gelangt.
In diesem Zustand bleibt die planare Feder 48 gebogen und
liefert weiterhin eine axiale Vorspannkraft, um die Schulter 44 in
Kontakt mit den Flächen 42 zu
drängen.
Wenn jedoch diese axiale Kraft durch die Kugellager 56 auf
die jeweiligen Ränder 58A oder 60A wirkt,
liefert sie auch eine Komponente einer Kraft in der tangentialen
Richtung. Diese tangentiale Kraft bewirkt eine Drehkraft um die
Achse 14 herum, die die Oberflächen 36A, 38A in
Eingriff (in die Betriebsstellung) oder die Ränder 32, 34 in
Eingriff (in die Ruhestellung) drängt.
-
Die
beschriebene Ausführungsform
liefert daher eine ähnliche
Funktionalität
für den
Tastkopfarm, wie sie in US-Patent Nr.
5
446 970 beschrieben ist, ist aber wesentlich weniger komplex
und daher billiger herzustellen.
-
Falls
es gewünscht
ist, könnte
die einzelne planare Feder 48 durch mehrere derartige dünnere Federn
ersetzt sein, die übereinander
gelegt sind. Beispielsweise können
abhängig
von ihren Dicken und der gewünschten
Nachgiebigkeit drei Federn vorgesehen sein.
-
Bei
der obigen Ausführungsform
ist die planare Feder 48 zur Bereitstellung der axialen
Vorspannkraft wegen ihrer Einfachheit bevorzugt. Jedoch könnten andere
axiale Vorspannmittel vorgesehen sein, wie etwa andere Arten von
Federn oder auch Magnete.
-
Die
Kugellager 56 könnten
durch einzelne eingefangene Verzahnungskugeln oder auch durch geeignete
geformte axiale Vorsprünge
von der planaren Feder ersetzt sein. Diese würden mit den Rändern 58A, 60A in
der Betriebsstellung und der Ruhestellung auf die gleiche Weise
wie die Kugellager 56 in Eingriff stehen.
-
Wir
haben es als vorteilhaft erachtet, den Leerraum zwischen dem Nabenabschnitt 22 und
der Öffnung 24 des
Basisbauteils mit einem Dämpfungs- und
Schmieröl
oder einem anderen Dämpfungsfluid zu
füllen.
Damit das Öl
enthalten sein kann, ist eine Dichtungsabdeckung 62 über dem
Ende der Öffnung 24,
die in 4 am weitesten
unten ist, vorgesehen, und es ist ebenfalls eine Dichtung 64 zwischen
dem anderen Ende der Öffnung 24 und
der Nabe 12 vorgesehen. Das Öl ist geeigneterweise von der
Art, die für
Oberflächen
vorgesehen ist, die unter hohe Kontaktdrücke gelangen, z.B. Zahnradzähne in Getrieben.
Das Dämpfungsöl bewirkt,
dass die Vorsprünge 26, 30 sanfter
zusammenkommen, wenn das Armbauteil 16 durch die planare
Feder 48 in die Betriebsstellung und die Ruhestellung gedrückt wird.
Dies verringert Erschütterungen
und hilft, Verschleiß und Schäden an den
kinematischen Kontaktflächen
zu verhindern. Es erzielt auch einen glatteren Betrieb des Tastkopfarms,
der von dem Benutzer wahrgenommen wird.