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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Methode und auf eine Vorrichtung
zum Positionieren eines Werkzeuges relativ zu einem Werkstück. Die Erfindung
ist besonders zur Verwendung beim Positionieren eines Brenners relativ
zu Werkstücken,
wie etwa Konstruktionsstahlteile und ähnliche Werkstücke, geeignet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND DURCH DEN STAND DER TECHNIK GESTELLTE PROBLEME
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Zuverlässige und
effiziente, maschinell gesteuerte Werkzeugpositionierer, oder andere
Typen Halter für
verschiedene Typen Werkzeuge, sind in vielen verschiedenen Anwendungen
und Umgebungen erwünscht.
Beispielsweise werden 5-achsige numerisch gesteuerte Vorrichtungen
benutzt, um Werkzeuge, wie etwa Bohrer (und ggf. auch die Werkstücke selber)
durch den dreidimensionalen Raum zu bewegen, um die vielen verschiedenen
Bearbeitungsvorgänge,
die zur Formgebung des Werkstückes
notwendig sind, durchzuführen.
Angesichts der komplizierten Computersteuerung und der vielen verschiedenen
Motoren und Antriebe, welche zum Bewegen der Werkzeuge und der Werkstücke notwendig
sind, können
solche Vorrichtungen relativ teuer sein. Außerdem kann die Computerprogrammierung des
numerischen Steuerungssystems zeitaufwändig und kompliziert sein.
In einigen Fällen
kann es beispielsweise notwendig sein, die Form bestimmter Kurven
durch Extrapolation zwischen bestimmten Punkten auf den Kurven lediglich
zu approximieren, was entweder die zeitaufwändige Bestimmung einer großen Anzahl
von Punkten erfordert oder in einer Bearbeitungskurve resultiert,
welche von der gewünschten
Kurve etwas abweichen kann.
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Bei
besonders großen
und/oder langen Werkstücken,
wie etwa Konstruktionskantbalken oder U-Profil-Balken, ist freier
Zugang zum Bewegen des Werkzeuges entlang der Länge des Werkstückes nicht
immer gegeben. Bei solchen Anwendungen ist es bekannt, ein passendes
Werkzeug, wie einen Brenner, für
die Bewegung in einer im Wesentlichen normal zu der Länge des
Werkstückes
gelegenen Ebene, zu halten. Beispielsweise zeigt die US-Patentschrift Nr.
5,256,212 (Magnuson) eine Vorrichtung, welche ein Werkzeug (wie
einen Brenner) auf einem Ring zum Bewegen um das Werkstück hält, während das
Werkstück
der Länge
nach durch den Ring bewegt wird. Die Vorrichtung bewegt das Werkzeug
um das Werkstück
in den zwei Dimensionen der Ebene des Rings, und das Werkstück wird
der Iongitudinalen Länge
nach für
die Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werk stück in der
dritten Dimension bewegt. Das Werkstück kann mit einem mit einem
Transportband verbundenen Greifer transportiert werden oder mit
einem Satz Antriebsrollen, welche das Werkstück durch Drücken gegen das Werkstück greifen
und antreiben.
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Bei
solchen Werkzeughaltevorrichtungen wird das Schneiden mit dem Brenner
im Allgemeinen im Zentrum des Rings durchgeführt. Ein gerader longitudinaler
Schnitt kann durch Positionieren des Brenners in einer passenden
Position und anschließendes
Bewegen des Werkstückes
entlang dem Brenner vorgesehen werden. Ein gerader lateraler Schnitt
kann durch Ruhighalten des Werkstückes und Bewegen des Brenners über das
Werkstück
in der Ebene des Halterrings vorgesehen werden. Große nicht-lineare
Konturen können
durch eine kombinierte Bewegung des Brenners um den Ring und des Werkstückes entlang
seiner Länge
geschnitten werden. Weiter kann dies für das Schneiden von kleinen Löchern durch
korrekte Positionierung des Brenners und anschließendes Hindurchschneiden
durch das stationäre
Werkstück
erreicht werden. Auf diese Weise kann die gesamte Oberfläche des
gerade bearbeiteten Werkstückes
erreicht werden, sei es zum Bohren, Stanzen, Brennen, Schneiden
oder für
andere Tätigkeiten.
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Für einige
Schnitte kann jedoch eine kompliziertere Bearbeitung notwendig sein.
Beispielsweise können
unterschiedliche Werkzeuge an der Haltevorrichtung gesichert sein,
je nach Typ der erforderlichen Bearbeitung. Natürlich kann die effiziente Verwendung
der Vorrichtung, wenn verschiedene Typen der Bearbeitung an demselben
Werkstück
erforderlich sind, durch die Wechselzeit zwischen Werkzeugen signifikant
beeinträchtig
werden. Weiter können die
gemeinsamen Kosten verschiedener Werkzeuge signifikant zu den Bearbeitungskosten
beitragen.
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Obwohl
ein einziges Werkzeug, wie ein Schneidbrenner, für eine Vielzahl verschiedener
Tätigkeiten
verwendet werden kann und daher das Bedürfnis nach mehreren Werkzeugen
nicht aufkommen lässt,
kann die Verwendung eines Schneidbrenners für einige Vorgänge bei
einer wie oben angesprochenen Vorrichtung problematisch sein. Wenn der
Vorgang beispielsweise das Schneiden großer geschlossener Kurven umfasst
(z. B. großer
Löcher), kann
es notwendig sein, die Richtung der longitudinalen Bewegung des
Werkstückes
umzukehren, wobei eine solche Änderung
der Bewegung des Werkstückes
relativ schnelle Änderungen
der Beschleunigung und des Verzögerns
in Verbindung mit einer Bewegung des Brenners erfordert. Wenn beispielsweise
ein kleines quadratisches Loch parallel zu der longitudinalen Richtung
des Werkstückes
geschnitten werden soll, muss das Werkstück ggf. ausgehend von einer
Vollbremsung (wenn der Brenner in lateraler Richtung schneidet)
zu höchster
Schneidgeschwindigkeit (wenn der Brenner in longitudinaler Richtung
schneidet) innerhalb eines Bruchteils eines Zolls wechseln. Am Ende
des longitudinalen Schnittes wäre
eine ähnlich
schnelle Abbremsung bis hin zu einem Halt notwendig, um wieder zum
Schneiden in Lateralrichtung zu wechseln. Es kann davon ausgegangen
werden, dass ein einziges Loch eine große Anzahl von intensiven Beschleunigungen
und Verzögerungen
des Werkstückes
erfordern kann. Hinzu kommt, dass je schmaler der Durchmesser der Ecken
des Loches ist, desto intensiver die benötigten Beschleunigungen und
Verzögerungen
sind.
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Wenn
solche Schnitte in schweren Materialien durchgeführt werden sollen, so wie es
für beim Bau
benutzte Konstruktionsstahlteile verbreitet ist, oder sogar bei
sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden leichteren Materialien,
können
die zur Erzeugung der notwendigen Beschleunigungen und Verzögerungen
benötigten
Getriebe und Motoren groß und teuer
sein, manchmal auch ebenso unpraktisch. Wenn die notwendige Ausrüstung zum
Bewegen des Werkstückes
jedoch nicht adäquat
ist, können
die geschnittenen Löcher
und Ecken aufgrund der Unfähigkeit
der Vorrichtung, das Werkstück
schnell genug auf volle Schneidgeschwindigkeit zu beschleunigen (oder
es schnell genug zu stoppen), während
Richtungswechseln deformiert werden.
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Die
EP 0 486 992 zeigt eine
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechende Vorrichtung zum Bewegen
eines Werkzeuges relativ zu einem Werkstück mit einer ersten um eine
erste Achse drehbaren Halterung und einer zweiten um eine zweite
Achse drehbaren Halterung, wobei die zweite Achse zu der ersten
Achse parallel und versetzt ist. Ein mit der zweiten Halterung verbundener
Werkzeughalter ist versetzt exzentrisch zu der zweiten Achse gelegen. Die
Vorrichtung umfasst einen Antriebsmechanismus zum gezielten Antreiben
der ersten Halterung und der zweiten Halterung.
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf die Beseitigung eines oder mehrerer
der oben genannten Probleme.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Entsprechend
verschiedener Aspekte der vorliegenden in den anhängenden
Ansprüchen
definierten Erfindung kann ein Werkzeug positioniert oder entlang
eines gewünschten
Pfads innerhalb eines Bewegungsbereichs bewegt werden, um die Verwendung
des Werkzeugs in Verbindung mit mit dem Werkzeug zu bearbeitenden
Werkstücken
zu erleichtern. Solche Manipulationen können durch die Verwendung einer
an einem um eine Achse drehbaren Bügelarm gesicherten Werkzeugbefestigung
erreicht werden und/oder durch die Verwen dung zweier exzentrischer
Halterungen, wobei positionsbezogenes Feedback ein gezieltes Antreiben
der Halterungen erlaubt, um ein solches Positionieren und Bewegen zu
erreichen.
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Bei
einer Ausprägung
der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung sind ein Werkstückantrieb und
eine Werkzeugbefestigung oder Rotatorenanordnung vorgesehen, um
ein längliches
Werkstück entlang
eines Schneidpfads mit einem Schneidwerkzeug zu schneiden. Der Werkstückantrieb
ist dazu ausgelegt, ein unterstütztes
Werkzeug in der Richtung einer X-Achse
in einem Koordinatensystem mit zueinander orthogonalen X-, Y- und
Z-Achsen gezielt zu bewegen. Die Werkzeugbefestigung umfasst eine erste
drehbare Halterung mit einer ersten Drehachse und einem ersten Antriebsgetriebe
sowie eine zweite von der ersten Halterung gehaltene Halterung zur Drehung
um eine zweite Achse, wobei die erste Achse und die zweite Achse
beabstandet sind. Kreisförmig
um die zweite Achse liegende Zahnradzähne sind an der zweiten Halterung
vorgesehen, und ein Werkzeughalter ist dazu ausgelegt, das Werkzeug
an der zweiten Halterung zu befestigen, wobei das Werkzeug hauptsächlich parallel
zu der zweiten Achse orientiert und von dieser beabstandet ist.
Ein Hohlrad ist um die erste Achse drehbar und greift in die Zahnradzähne der
zweiten Halterung ein. Ein Antrieb ist dazu ausgelegt, gezielt das
erste Antriebsgetriebe und das Hohlrad anzutreiben, um das Werkzeug
gezielt zu positionieren und zu bewegen; weiter kann ein Führungsring
die Werkzeugbefestigung bei Bewegungen in den Y- und Z-Richtungen
und bei Rotationsbewegungen um ein Werkstück unterstützen.
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Anders
ausgedrückt
bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zum Schneiden
eines länglichen
Werkstücks
mit einem Schneidewerkzeug entlang eines Schneidepfads, welche Vorrichtung aufweist
einen Werkstückantrieb,
dazu ausgelegt, ein unterstütztes
Werkstück
in der Richtung einer X-Achse in einem Koordinatensystem mit zueinander
orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen gezielt zu bewegen; eine Werkzeugbefestigung
umfassend eine erste drehbare Halterung mit einer ersten Rotationsachse und
ein erstes Antriebsgetriebe, eine zweite von der ersten Halterung
gehaltene Halterung zur Drehung um eine zweite Achse, wobei die
erste und die zweite Achse beabstandet sind, Zahnradzähne auf
der zweiten Halterung, wobei die Zahnradzähne kreisförmig um die zweite Achse liegen,
einen Werkzeughalter, dazu ausgelegt, das Werkzeug an der zweiten Halterung
zu sichern, wobei das Werkzeug hauptsächlich parallel zu der zweiten
Achse orientiert und von dieser beabstandet ist, und ein um die
erste Achse drehbares und in die Zahnradzähne auf der zweiten Halterung
greifendes Hohlrad; einen Antriebsmechanismus, ausgelegt zum gezielten
Antreiben des ersten Antriebsgetriebes und des Hohlrades, um das Werkzeug
gezielt zu positionieren und zu bewegen; und einen Führungsring,
ausgelegt zur Unterstützung
der Werkzeughalte rung für
Bewegungen in der Y-Richtung und der Z-Richtung und für Drehbewegungen
um ein Werkstück.
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Bei
einer Ausführungsform
dieses Aspekts der Erfindung sind die erste und die zweite Achse eine
Distanz S beabstandet und das Werkzeug und die zweite Achse sind
eine Distanz T beabstandet, sodass die Vorrichtung dazu ausgelegt
ist, zumindest einige in einen oder auf einen Kreis mit dem Radius S+T
passende Pfade zu schneiden. Bei einer weiteren Ausführungsform
ist S = T, sodass die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, einen beliebigen
in einen oder auf einen Kreis mit dem Radius S+T passenden Pfad
zu schneiden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
enthält der
Antriebsmechanismus einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb,
die dazu ausgelegt sind, gezielt die erste Halterung bzw. das Hohlrad
durch unterschiedliche Drehwinkel anzutreiben, um das Werkzeug in
einem bestimmten Abstand von der ersten Drehachse entfernt zu positionieren.
Alternativ können
der erste Antrieb und der zweite Antrieb das erste Antriebsgetriebe
und das Hohlrad mit einer gleichen Drehrate antreiben, sodass das
Werkzeug in einem Kreis um die erste Drehachse bewegt wird.
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Bei
noch einer weiteren Ausführungsform dieses
Erfindungsaspektes greift der Antrieb in das Hohlrad ein und eine
erste Antriebssperre verriegelt die erste Halterung mit dem Hohlrad,
wenn das Hohlrad in einer ersten Drehrichtung angetrieben wird, und
eine zweite Antriebssperre verhindert eine Drehung der ersten Halterung,
wenn das Hohlrad in einer zweiten Drehrichtung entgegengesetzt zu
der ersten Drehrichtung angetrieben wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist eine Neigungsunterstützung
zwischen dem Führungsring und
der Werkzeugbefestigung relativ zu einer Werkstückoberfläche, die hauptsächlich in
der X-Y-Ebene liegt, gezielt neigbar, um den Winkel der Seite der Schneidfuge
zu kompensieren oder um einen gezielten Gehrungsschnitt vorzusehen.
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Bei
einem weiteren Vorrichtungsaspekt der vorliegenden Erfindung zum
Positionieren eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück, ist
eine erste Halterung um eine erste Achse drehbar und eine zweite
Halterung wird von der ersten Halterung gehalten und ist um eine
durch die erste Halterung definierte zweite Achse drehbar. Die zweite
Achse steht zu der ersten Achse in einer parallelen und versetzt exzentrischen
Beziehung. Ein Werkzeughalter ist an der zweiten Halterung in einer
versetzt exzentrischen Beziehung zu der zweiten Achse gesichert
und ein Antriebsmechanismus treibt gezielt drehend die erste Halterung
um die erste Achse und die zweite Halterung um die zweite Achse
an, um den Werkzeughalter gezielt zu positionieren.
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Die
verschiedenen Ausführungsformen
des ersten beschriebenen Vorrichtungsaspekts der vorliegenden Erfindung
können
vorteilhafterweise mit diesem Erfindungsaspekt benutzt werden, so
wie die unten beschriebenen Ausführungsformen
dieses Erfindungsaspekts mit dem ersten beschriebenen Erfindungsaspekt
benutzt werden können.
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Bei
einer Ausführungsform
kann das Werkzeug beispielsweise gezielt innerhalb einer kreisförmig um
die erste Achse gelegenen Fläche
positioniert werden, wobei die Fläche einen Radius aufweist,
welcher der Summe der exzentrischen Beziehung der zweiten Halterung
zu der ersten Achse und der exzentrischen Beziehung des Werkzeughalters zu
der zweiten Achse entspricht.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
dieses Erfindungsaspekts ist ein Hohlrad um die erste Achse drehbar
und kämmt
die außenliegenden
Zahnradzähne
auf der zweiten Halterung, und ein Antrieb dreht gezielt das Hohlrad.
Eine erste Antriebssperre verriegelt die erste Halterung mit dem
Hohlrad, wenn das Hohlrad in einer ersten Drehrichtung angetrieben wird,
und eine zweite Antriebssperre verhindert eine Drehung der ersten
Halterung, wenn das Hohlrad in einer zweiten Drehrichtung entgegengesetzt
der ersten Drehrichtung angetrieben wird.
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In
anderen Worten bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung
mit außenliegenden
Zahnradzähnen
auf der zweiten Halterung, einem um die erste Achse liegenden Hohlrad,
welches die außenliegenden
Zahnradzähne
auf der zweiten Halterung kämmt,
einem ersten Antrieb zur gezielten Drehung der ersten Halterung
und einem zweiten Antrieb zur gezielten Drehung des Hohlrads.
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Dabei
können
der erste Antrieb und der zweite Antrieb angepasst werden, die erste
Halterung und das Hohlrad bei gleicher Drehrate anzutreiben, sodass
der Werkzeughalter in einem Kreis um die erste Drehachse bewegt
werden kann.
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Bei
noch einer weiteren Ausführungsform umfasst
die erste Halterung eine Hülse
mit einer die zweite Achse definierenden zylinderförmigen Aufnahmebohrung;
und die zweite Halterung umfasst (1) einen zylindrischen, drehend
in der zylindrischen Aufnahmebohrung aufgenommenen äußeren Teil und
(2) ein äußeres, kreisförmig um
die zweite Achse liegendes Zahnrad. Bei dieser Ausführungsform kann
das Hohlrad um die erste Achse gedreht werden und das außenliegende
Zahnrad der zweiten Halterung kämmen,
wobei das Hohlrad einen Radius aufweist, der im Wesentlichen dem
Radius des äußeren Zahnrads
plus der Versetzung oder dem exzentrischen Abstand zwischen der
ersten Achse und der zweiten Achse gleicht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
die erste Achse und die zweite Achse im Wesentlichen parallel zu
der X-Achse in einem Koordinatensystem mit zueinander orthogonalen
X-, Y- und Z-Achsen sein; weiter kann die erste Halterung von einem
an das Unterstützen
der ersten Halterung für Bewegungen
in die Y- und in die Z-Richtung und für Drehbewegungen um die X-Achse
angepassten Führungsring
unterstützt
sein.
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Dabei
kann die Vorrichtung einen Werkstückantrieb aufweisen, der daran
angepasst ist, ein unterstütztes
Werkstück
durch den Führungsring
in der Richtung der X-Achse gezielt zu bewegen.
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Weiter
kann diese Vorrichtung eine Neigungsunterstützung zwischen dem Führungsring
und dem Werkzeughalter aufweisen, wobei die Neigungsunterstützung relativ
zu einer Werkstückoberfläche, die
hauptsächlich
in der X-Y-Ebene liegt, gezielt neigbar ist, um den Winkel der Seite
der Schneidfuge zu kompensieren oder um einen gezielten Gehrungsschnitt
vorzusehen.
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Bei
einem Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Bewegen eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück unter Verwendung
einer ersten um eine erste Achse drehbaren Halterung bereitgestellt,
mit den Schritten: (1) Anbringen des Werkzeugs an einer zweiten
Halterung, die drehbar von der ersten Halterung zur Drehung um eine
durch die erste Halterung definierten zweiten Achse gehalten wird,
wobei die zweite Achse exzentrisch zu der ersten Achse liegt und
das Schneidwerkzeug exzentrisch zu der zweiten Achse liegt und (2)
Bewegen des Werkzeugs entlang eines bestimmten Pfads durch gezieltes
drehendes Antreiben der ersten Halterung um die erste Achse und
der zweiten Halterung um die zweite Achse.
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Bei
einer Ausführungsform
dieses Verfahrensaspekts der vorliegenden Erfindung werden die erste
Halterung und die zweite Halterung separat während des Bewegungsschrittes
drehend angetrieben.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist die zweite Halterung bei antreibender Kämmung mit inneren Zähnen eines
um die erste Achse drehbaren Hohlrads unterstützt, wodurch das Werkzeug während des
Bewegungsschrittes gezielt durch gezieltes Antreiben der ersten
Halterung und des Hohlrads bewegt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform
wird das Werkzeug zum Schneiden eines zylindrischen Lochs bewegt,
wobei der Bewegungsschrittes umfasst: (1) Drehen der ersten Halterung
und des Hohlrads, um das Werkzeug bei einem dem Radius des zylindrischen
Lochs gleichen Abstand von der ersten Achse zu platzieren, (2) Ausrichten
des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, wodurch die erste Achse mit
der Achse des zu schneidenden zylindrischen Lochs zusammenfällt und
(3) Schneiden des zylindrischen Lochs mit dem Schneidewerkzeug während die
erste Halterung und das Hohlrad bei einer gleichen Drehrate um die
erste Achse gedreht werden. Bei weiteren Ausführungsformen ist die erste
Halterung gegen Drehung in einer Richtung verriegelt und die erste
Halterung und das Hohlrad sind gegen eine relative Drehung verriegelt,
wenn das Hohlrad in der der einen Richtung entgegengesetzten Richtung
gedreht wird. Das Werkstück
kann während
des Schneidens des Lochs zur Verhinderung einer Bewegung festgelegt
werden.
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Das
Werkstück
kann gezielt in der Richtung einer X-Achse in einem Koordinatensystem
mit zueinander orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen bewegt werden, und
das Werkzeug schneidet eine hauptsächlich in der X-Y-Ebene liegende
Werkstückoberfläche.
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Daher
kann das Schneidewerkzeug in einer anfänglichen Schneideposition durch
Bewegen des Werkzeugs in der Y-Ebene und der Z-Ebene positioniert
werden.
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Zahlreiche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung, durch die Ansprüche und
durch die beiliegenden Zeichnungen verdeutlicht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Bei
den beiliegenden einen Teil der Beschreibung bildenden Zeichnungen
sind durchgehend gleiche Ziffern zur Kennzeichnung sich entsprechender Teile
verwendet:
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1 ist
eine perspektivische Sicht auf eine exemplarische Werkzeugpositionierungsvorrichtung,
welche die vorliegende Erfindung umfasst und besonders geeignet
zur Positionierung eines Brenners zum Schneiden eines longitudinal
gestreckten Werkstücks
geeignet ist, wie der illustrierten gestreckten Flachmaterialplatte;
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2 ist
eine perspektivische Sicht der von der Vorrichtung nach 1 umfassten
Werkzeugbewegungseinrichtung, wobei in 2 das Werkzeug (z.
B. ein Brenner) wegen der Einfachheit der Darstellung weggelassen
ist;
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3 ist
eine perspektivische Sicht auf die Einrichtung aus 2,
wobei das Antriebsgehäuse für die Darstellung
entfernt ist;
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4 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht der in 2 gezeigten
Werkzeugbewegungseinrichtung;
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5 ist
ein Diagramm zur Darstellung der Geometrie der Positionierung eines
Werkzeugs unter Verwendung einer Werkzeugsbewegungseinrichtung entsprechend
der vorliegenden Erfindung; und
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6 ist
eine perspektivische Sicht einer alternativen, durch einen einzigen
Antrieb betriebenen Ausführungsform
der Werkzeugbewegungseinrichtung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
Erfindung ist zwar zur Ausgestaltung durch viele unterschiedliche
Formen geeignet, diese Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen
offenbaren jedoch nur bestimmte Ausführungsformen als Beispiele
für die
Erfindung. Die Erfindung soll jedoch nicht auf die so dargestellten
Ausführungsformen
beschränkt
sein. Der Schutzbereich der Erfindung ist in den anhängenden
Ansprüchen
definiert.
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Die
die Vorrichtung illustrierenden Figuren zeigen einige mechanische
Elemente, welche bekannt sind und von einem Fachmann erkannt werden.
Die detaillierte Beschreibung solcher Elemente ist für ein Verständnis der
Erfindung nicht notwendig, und entsprechend werden sie hier lediglich
in einem Umfang dargestellt, welcher zur Unterstützung eines Verständnisses
der neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung notwendig ist.
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1 zeigt
eine Werkzeugpositionierungsvorrichtung 10, welche vorteilhaft
mit länglich
gestreckten Werkstücken
verwendet werden kann, wobei ein solches Werkstück 12 gezeigt ist.
Grob betrachtet ähnelt
diese Vorrichtung der in dem US-Patent 5,256,212 gezeigten mit den
im Folgenden diskutierten Verbesserungen.
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Wie
gezeigt umfasst die Werkzeugpositionierungsvorrichtung 10 einen
Unterstützungsrahmen 20 für einen
Führungsring 22.
Der Führungsring 22 ist
durch den Rahmen 20 zur Drehung um seine zentrale Achse
geeignet unterstützt;
weiter ist er zur Bewegung in der Y-Z-Ebene eines Koordinatensystems mit zueinander
orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen geeignet unterstützt (d.
h. er bewegt sich auf und ab und lateral oder seitlich). In 1 ist
ein Zahnstangenantrieb 24 mit einer passenden Antriebswelle 26 als
ein geeigneter Antrieb zur Bewegung des Führungsrings 22 in
der vertikalen Richtung (Z-Achse) gezeigt. Ein ähnlicher Antrieb (in 1 nicht
sichtbar) kann zum horizontalen (Y-Achse) Bewegen des Führungsrings 22 verwendet
werden. Es sollte jedoch klar sein, dass diese Antriebe bloße Beispiele
verwendbarer Antriebe sind. Geeignete Strukturen zum Bewegen eines solchen
Führungsrings 22 in
der Y-Z-Ebene sind dem Fachmann bekannt, und irgendeine für die Kontrolle solcher
Bewegungen geeignete Struktur kann mit Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung – wie eine
in 1 gezeigt ist – verwendet werden.
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Ein
Werkstück 12 ist
passend für
eine longitudinale Bewegung hauptsächlich entlang der im Wesentlichen
parallel zu der X-Achse des orthogonalen Koordinatensystems liegenden
Achse des Führungsrings 22 unterstützt, etwa
durch konventionelle oder spezielle Mechanismen, wie etwa angetriebene
Rollen oder ein Transportband (nicht gezeigt). Durch Bewegen des
Werkstücks 12 in
der X-Richtung und Bewegen des Führungsrings 22 in
der Y-Z-Ebene und um die zentrale Achse kann ein unterstütztes Werkzeug 30 leicht
so positioniert werden, dass es die meisten Punkte auf dem länglichen
Werkstück 12 erreicht.
Eine Drehung des Führungsrings 22,
durch passende konventionelle oder spezielle Mechanismen (nicht
in 1 gezeigt), um 360° erlaubt es, das Werkzeug 30 für die gewünschte Bearbeitung
normal zu jeder Oberfläche
auf dem Werkstück 12 zu
positionieren. Steuer- und Versorgungsleitungen sowie -kabel (nicht
gezeigt) können
in der Vorrichtung 10 passend gehalten sein, beispielsweise
mit einer Führungsschiene,
um eine solche Bewegung des Führungsrings 22 ohne
Verbinden oder Verdrehen der Leitungen und Kabel zu erlauben.
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Die
Mechanismen zum Bewegen des Werkstücks 12, zum Bewegen
des Führungsrings 22 in der
Y-Z-Ebene und zum Drehen des Führungsrings 22 können geeignete
konventionelle oder spezielle Ausführungen einsetzen. Die Details
solcher Ausführungen
stellen keinen Teil der vorliegenden Erfindung dar.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist das Werkzeug 30 ein Plasmabrenner mit einer zum Schneiden
des Werkstücks 12 geeigneten
Flamme. Ein solcher Brenner 30 kann vorteilhaft für viele
unterschiedliche Bearbeitungen verwendet werden und daher eine effiziente
Verwendung der Vorrichtung 10 durch das Ermöglichen
nahezu sämtlicher
durch das eine Werkzeug 30 durchzuführender Bearbeitungen ermöglichen,
indem die Vorrichtung 10 kontinuierlich arbeiten kann,
ohne Ausfallzeiten zum Wechsel zwischen verschiedenen Typen von
Werkzeug zu benötigen
(beispielsweise ist es nicht notwendig, zu einem Bohrer zu wechseln,
um nach dem Schneiden langer Schnitte ein Loch zu bohren). Weiter
kann eine solche Vorgehensweise vorteilhaft bei Vorrichtungen vorgesehen
werden, bei denen räumliche
oder andere Beschränkungen
das Anbringen anderer Werkzeuge, wie etwa Bohrern oder Pressen,
verhindern; in einem solchen Fall könnte der Brenner 30 beispielsweise
das einzige Werkzeug zur Durchführung der
gewünschten
Tätigkeit
sein, welches verfügbar wäre. Nichtsdestotrotz
sollte es klar sein, dass die vorliegende Erfindung vorteilhaft
mit einer weiten Variationsbreite von Werkzeugen, welche während des Betriebs
der Positionierung bedürfen,
verwendet werden kann, und zwar einschließlich Einrichtungen, bei denen
die Werkzeuge von Zeit zu Zeit gewechselt werden können.
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Weiter
kann das Werkzeug 30 durch die Verwendung der vorliegenden
in dieser Vorrichtung 10 enthaltenen Erfindung, wie unten
beschrieben, vorteilhaft positioniert werden, ohne eine schnelle
Beschleunigung oder Verzögerung
des Werkstücks 12 für viele
Bearbeitungstypen zu erfordern, sodass sie das Verwenden günstiger
und kompakter Getriebe und Motoren erlaubt, um das Werkstück 12 entlang seiner
Länge anzutreiben,
und auch sicherstellt, dass nicht deformierte Schnitte (so wie Löcher und
Ecken) gemacht werden können.
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Ein
halbkreisförmiger
Bügelarm 34 kann ebenfalls
vorteilhaft in der gezeigten Ausführungsform enthalten sein,
um ein Neigen des Werkzeugs 30 um einen Winkel zu erlauben,
so dass der Winkel der Seite der Schneidfuge kompensiert wird oder
um einen gezielten Gehrungsschnitt, wo erwünscht, vorzugeben. Insbesondere
ist der Bügelarm 34 an
gegenüberliegenden
Enden einer in der Y-Z-Ebene liegende Drehachse gesichert, wobei
die Drehachse durch die zentrale Achse des Führungsringes führt (welche
zu der X-Achse parallel ist). Es kann ein geeigneter Antrieb 36 zur
Kontrolle der Drehposition des Bügelarms 34 vorgesehen
sein; weiter können geeignete
Gegengewichte 38 zur Unterstützung des Erhaltens einer Gewichtsbalance
vorgesehen sein und die Verwendung eines kompakten und günstigen Bügelarmantriebs 36 durch
Minimierung des Moments, wenn der Bügelarm 34 gedreht
wird, erlauben. Offensichtlich erlaubt es dieser Bügelarm 34 also,
ein Schneidewerkzeug 30, wie etwa einen Brenner, zu neigen,
um einen schrägen
oder gewinkelten Schnitt zu ermöglichen,
oder um die natürliche Schneidfuge
eines Schnittes zu kompensieren, wo dies gewünscht ist, während zur
gleichen Zeit das Werkzeug 30 noch an der gewünschten
Schneideposition an der zentralen Achse des Führungsringes 22 belassen
wird. Der Neigungsantrieb 36 des Bügelarms kann auf jede passende
konventionelle oder spezielle Weise ausgeführt sein, wobei die detaillierte Ausführung kein
Teil der vorliegenden Erfindung ist.
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Jetzt
wird Bezug genommen auf eine Werkzeugbefestigung 40, welche
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung entspricht und welche alternativ als
Rotatorenanordnung charakterisiert werden kann. Die Werkzeugbefestigung 40 unterstützt das Werkzeug 30 an
dem Bügelarm 34,
wie in 1 gezeigt, und das Werkzeug 40 kann,
entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, auf eine neue
Weise betrieben werden, wie nachstehend detailliert erklärt, um eine
Bewegung des Werkzeugs 30 aus der Y-Z-Ebene zu bewirken.
Wenn insbesondere das Werkzeug 30 durch den Bügelarm 34 in
der Y-Z-Ebene orientiert gehalten wird, kann die Werkzeugbefestigung 40 dazu
verwendet werden, eine gewisse Bewegung des Werkzeugs 30 in
Richtung der X-Achse zu bewirken. Wenn die Werkzeugbefestigung 40 durch
den Bügelarm 34 aus
der Orientierung in der Y-Z Ebene in eine gewinkelte Orientierung geneigt
wird, wird das Werkzeug 30 ähnlich relativ zu dem X-Y-Z-Koordinatensystem
geneigt, aber in der geneigten Orientierung kann die Werkzeugbefestigung
im Allgemeinen noch dazu verwendet werden, eine Bewegung des Werkzeugs 30 in
der Richtung der X-Achse
zu bewirken (der einzige Fall, bei dem eine solche Bewegung nicht
auftreten würde,
wäre gegeben,
wenn die Werkzeugbefestigung 40 durch den Bügelarm 34 in
eine Orientierung geneigt wäre, bei
der die Achse des Werkzeugs 30 parallel zu der X-Achse
liegt).
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Ist
die Werkzeugbefestigung 40 einmal verstanden, sollte klar
sein, dass das Werkzeug 30 bewegt werden kann, um u. a.
sehr unterschiedliche Variationen von Formen in Werkstücken 12,
inkl. runder, quadratischer und geschlitzter Formen und andere Löcher, auszuführen (z.
B. zu schneiden), welche sich in der Richtung der X-Achse erstrecken
und, wie unten beschrieben, in die Reichweite der Bewegung des Werkzeugs 30 passen.
Solche Schnitte können durchgeführt werden,
ohne intensive Beschleunigungen und Verzögerungen der Bewegung der oft schweren
Werkstücke 12 zu
benötigen
und ohne Teilbereiche der Schnitte (z. B. scharfe Ecken) zu deformieren.
Außerdem
ist die Werkzeugbefestigung 40 kompakt und kann daher besonders
vorteilhaft in Anwendungen mit begrenztem Raum verwendet werden,
wie etwa mit dem gezeigten Führungsring 22.
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Die 2–4 zeigen
insbesondere eine Werkzeugbefestigung 40, welche diesen
Aspekt der vorliegenden Erfindung einbezieht.
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Insbesondere
ist gemäß 2 ein
Gehäuse 44 mit
einem Antriebsschutzbereich 46 und einer Führungshülse 48 vorgesehen. 3 zeigt
die Werkzeugbefestigung 40 vor der Installation des Gehäuses: Eine äußere exzentrische
Hülse oder
eine erste Halterung 50 ist zur Drehung um eine zentrale
Achse 52 (2) geeignet drehbar innerhalb
der Führungshülse 48 (2)
unterstützt.
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Die äußere oder
erste Halterung 50 enthält eine Öffnung 56 (4),
welche zylindrisch um eine zweite Achse 58 (4)
liegt, die mit einem Abstand S exzentrisch zu der zentralen Achse 52 der äußeren Halterung
liegt. Wie 4 entnommen werden kann, ist
eine innere exzentrische Hülse
oder zweite Halterung 60 für die Drehung um die zweite
Achse 58 geeignet drehbar in der äußeren zylindrischen Öffnung 56 für die zweite
Halterung unterstützt.
Geeignete Lager, Aufnahmen und Führungsringe 62 können verwendet
werden, um die Halterungen 50, 60 für die gewünschte Drehung
zu sichern.
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Die
innere (zweite) Halterung 60 unterstützt oder enthält einen
Werkzeughalter, welcher – bei
der gerade gezeigten bevorzugten Ausführungsform – zumindest eine Öffnung 64 (4)
umfasst, die in der inneren Halterung vorgesehen ist und die um eine
dritte Achse 66 zylindrisch ist, welche zu der zweiten
Achse 58 mit einem Abstand T exzentrisch beabstandet ist.
Die Öffnung 64 der
inneren Halterung fungiert als Werkzeughalter, wodurch das Werkzeug 30 (welches
in den 2–4 nicht
gezeigt ist) während
des Betriebs geeignet gesichert werden kann, so dass seine Achse
(beispielsweise die Achse einer Brennerflamme) mit der dritten Achse 66 ausgerichtet
ist. Die spezielle Weise, in der der Werkzeughalter ein Werkzeug 30 in
oder an der Halterung 60 sichert, stellt keinen Teil der
vorliegenden Erfindung dar.
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In 4 sieht
man ein äußeres, zylindrisch um
die erste Achse 52 gelegenes Zahnrad 70, welches
geeignet an der äußeren Halterung 50 gesichert ist
oder integral mit diesem ausgebildet ist. Ein geeigneter erster
Antrieb, wie etwa der über
ein Riemenrad 78 (3) bei der
gezeigten Ausführungsform
an einen Servomotor 76 gekoppelte Zahnriemen 74,
dreht gezielt die äußere Halterung 50 durch
ihre Kämmung mit
dem äußeren Zahnrad 70,
um das Werkzeug 30, wie nachstehend detaillierter beschrieben,
zu positionieren.
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Ein äußeres, zylindrisch
um die zweite Achse 58 gelegenes Zahnrad 80 ist
geeignet an der inneren Halterung 60 gesichert oder integral
mit dieser ausgebildet. Ein Hohlrad 82 mit mit dem Zahnrad 80 kämmenden
inneren Zahnradzähnen 84 und
mit äußeren Zahnradzähnen 86 ist
geeignet drehbar unterstützt,
wobei seine Achse mit der erste Achse 52 ausgerichtet ist
(d. h. mit der Achse der ersten Halterung 50).
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Ein
geeigneter zweiter Antrieb, wie der bei der gezeigten Ausführungsform über ein
Riemenrad 92 an einen Servomotor 90 gekoppelte
Zahnriemen 88, dreht gezielt die innere, zweite Halterung 60 durch
seine Kämmung
mit den äußeren Zähnen 86 des
Hohlrades, um das Werkzeug 30, wie nachstehend detaillierter
beschrieben, zu positionieren. Ein Abstandhalter 94 kann
zwischen den Zahnriemen 74, 88 vorgesehen sein.
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Die
Motoren 76, 90 sind geeignet gesichert, etwa durch
Verbolzen mit an dem Gehäuse 44 gesicherten
Motormontageplatten 100. Außerdem ist eine Aufnahmeplatte 102 an
dem Gehäuse 44 durch geeignete
Bolzen und Druckfedern 104 gesichert, da es wünschenswert
ist, die Komponenten durch die vorab erwähnten Lager, Aufnahmen und
Führungsringe 62 zu
sichern.
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Auch
sind induktive Näherungsschalter 110, 112 neben
den Zahnriemenrädern 78, 92 vorgesehen,
welche Schalter die Nähe
von Feststellschrauben 114 auf den Halterungen 50, 60 messen
(lediglich die Feststellschraube 114 für die zweite Halterung 60 ist
in 4 gezeigt). Die Halterungen 50, 60 können so
unter Verwendung dieser Schalter 110, 112 in eine
Anfangsposition zurückgeführt werden (wobei
die äußere erste
Halterung 50 zuerst zurückgeführt wird,
gefolgt von der inneren zweiten Halterung 60), und ausgehend
von dieser zurückgeführten Position
können
die Zahnriemen 74, 88 gezielt angetrieben werden,
um das Hohlrad 82 und die Halterungen 50, 60 zu
bewegen und um das aufgesetzte Werkzeug 30 in einer Ebene
senkrecht zu den Achsen 52, 58, 66 vorhersagbar
zu positionieren und zu bewegen. Es sollte jedoch klar sein, dass
jede Struktur, welche es erlaubt, die Position der Halterungen 50, 60 zu
kennen, wodurch die Position des aufgesetzten Werkzeugs 30 auf ähnliche
Weise bekannt ist, geeignet mit diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann.
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Die
Bewegungen der Halterungen 50, 60 und des Hohlrades 82 zum
Positionieren des Werkzeugs 30 werden als nächstes im
Detail beschrieben.
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Während das
Hohlrad 82 stationär
ist, wird eine Drehung der ersten Halterung 50 bewirken,
dass die zweite Halterung 60 um die erste Achse 52 getragen
oder gedreht wird, und während
sie um die erste Achse 52 getragen wird, wird ebenfalls
ein Drehen der zweiten Halterung 60 um die zweite Achse 58 begründet, während das äußere Zahnrad 80 entlang der
inneren Zahnradzähne 84 des
Hohlrads 82 kriecht. Auf diese Weise wird eine Flamme eines
aufgesetzten Brenners 30 der dritten Achse 66 folgen, welche
sowohl um die erste Achse 52 getragen und gedreht wird
als auch gleichzeitig um die zweite Achse 58. Ein solcher
Brenner 30 kann so gehalten werden, dass er (und seine
Flamme) auf der dritten Achse 66 per se rotieren kann,
oder auch nicht.
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Andererseits
wird eine Drehung des Hohlrades 82, während die erste Halterung 50 stationär ist, einfach
bewirken, dass sich die zweite Halterung 60 lediglich um
ihre Achse 58 dreht, so dass die Flamme eines exzentrisch
oder beabstandet angebrachten Brenners um die zweite Achse 58 getragen
oder gedreht wird, wobei die zweite Achse 58 in einer festen Orientierung
relativ zu der ersten Achse 52 verbleibt.
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Natürlich könnte der
Betrieb auch durch gleichzeitiges Drehen sowohl der ersten Halterung 50 als
auch des Hohlrads 82 durch ihren jeweiligen Servomotor 76, 90 durchgeführt werden,
wobei solche gezielten Drehungen zum Positionieren eines aufgesetzten
Werkzeugs 30 zusammenwirken. Offensichtlich kann also ein
von einer Werkzeugbefestigung 40 getragenes Werkzeug 30 in
einem in einer Ebene senkrecht zu den parallelen Achsen 52, 58, 66 liegenden
Kreis positioniert werden, wobei der Kreis einen Radius gleich der
Summe der Exzentrizitäten
S + T hat, und wenn S = T gilt, kann das Werkzeug 30 irgendwo
innerhalb dieses Kreises montiert werden. Betragen die beiden Exzentrizitäten beispielsweise 0,375
Zoll, dann kann das Werkzeug irgendwo in einem Kreis mit einem Radius
von 0,75 Zoll zentriert um die erste Achse 52 positioniert
werden. Weiter kann bei einer bevorzugten Konfiguration, bei der
gilt S = T, die Werkzeugbefestigung 40 in einer Position für die Standardwerkzeugbereitstellung
geparkt werden (wenn eine Bewegung entlang der X-Achse nicht notwendig
ist), bei der die dritte Achse 66 mit der ersten Achse 52 zusammenfällt.
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5 zeigt
die Geometrie, welche zur korrekten Positionierung des Werkzeugs 30 an
einem gewünschten
Punkt verwendet wird, wobei jeder ausgesuchte Punkt in der X-Z-Ebene
durch den Winkel φ von
der X-Achse und den Radius R von der ersten Achse 52 definiert
werden kann. Die X- und Z-Achsen entsprechen den dargestellten X-Z-Richtungen; z.
B. in 1, wenn der Führungsring 22 und
der Bügelarm 34 orientiert
sind, um ein aufgesetztes Werkzeug 30 direkt über einem
Werkstück 12 positionieren,
wobei die dritte Achse 66 vertikal ist. Es wird im Hinblick
auf die Tatsache, dass der Führungsring 22 und
der Bügelarm 34 gedreht
werden können,
um die Orientierung des dreidimensionalen Koordinatensystems zu
verschieben, auf die X- und Z-Achsen in 5 verwiesen.
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Insbesondere
gilt nach dem Cosinussatz: α =
Arc Cosinus [(S2+ R2 – T2)/(2·S·R)] (1)
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Die
Werkzeugbefestigung 40 kann natürlich mit nahezu allen gewünschten
Exzentrizitäten
S und T ausgestaltet werden. Jedoch soll bei einer bevorzugten Ausführungsform
von S = T ausgegangen werden, um einem mit der dritten Achse 66 orientierten
Werkzeug zu erlau ben, mit der ersten Achse 52 in der vorteilhaften
Parkposition für
Standardwerkzeugbereitstellung ausgerichtet zu werden, wenn eine
Bewegung entlang der X-Achse nicht notwendig ist, wie oben bereits
angemerkt.
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Der
Einfachheit halber sind in den folgenden Berechnungen beide Exzentrizitäten mit
0,375 Zoll angenommen (d. h. S = T = 0,375 Zoll). Für einen Fachmann
liegt es natürlich
innerhalb seiner Fähigkeiten,
die folgenden Berechnungen und Formeln für unterschiedliche Exzentrizitäten abzuändern. Aus Formel
(1) und S = T = 0,375 Zoll ergibt sich (wobei die Größen in den
Formeln in Zoll angegeben sind): α =
Arc Cosinus (R2/0.75R) = Arc Cosinus (R/0.75) (2)Da S = T,
folgt weiter a = b = c, und man kann der 5 entnehmen,
dass: φ1 = φ – α (3)
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Einsetzen
der Gleichung (2) in Gleichung (3) ergibt: φ1
= φ – Arc Cosinus
(R/0.75) (4),wobei φ1 die Winkelorientierung
der äußeren Halterung 50 von
ihrer zurückgeführten Position
ist (wobei die erste Achse 52 [4] in der
zurückgeführten Position
auf der X-Achse positioniert ist).
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Weiter
kann man 5 entnehmen, dass: φ2 = φ + c (5)
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Da,
wie bereits erwähnt, α = c, wenn
S = T, kann Gleichung (2) in Gleichung (5) eingesetzt werden und
man erhält: φ2 = φ + Arc Cosinus (R/0.75) (6),wobei φ2 die Winkelorientierung
der inneren Halterung 60 von der X-Achse ist. Bei diesem
Beispiel erstreckt sich die zurückgeführte Position
für beide
Halterungen entlang der X-Achse,
wobei sich beide Halterungen 50, 60 in ihrer zurückgeführten Position
mit φ1
= 0 und φ2
= 0 befinden. Wenn in der zurückgeführten Position
der beiden Halterungen 50, 60 S = T = 0,375 Zoll,
wie in diesem Beispiel, liegt die dritte Achse 66 (4)
entlang der X-Achse 0,75 Zoll von der ersten Achse 52 (4)
entfernt.
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Da
die Drehung der inneren Halterung 60 sowohl durch das Hohlrad 82 als
auch die Drehung der äußeren Halterung 50 bestimmt
wird, kann weiter ermittelt werden, dass die Drehung des Hohlrads 82, um
die innere Halterung 60 bei einem Winkel φ2 zu positionieren,
voraussetzt, dass das Hohlrad 82 um einen Winkel φ3 von der
zurückgeführten Position gedreht
wird, wobei φ3
wie folgt berechnet wird: φ3
= [(φ2 – φ1)/G] + φ1 (7),wobei G
die Getriebeübersetzung
des Hohlrads 82 zu dem außenliegenden Zahnrad 80 der
inneren Halterung 50 ist. Bei Einsetzen in die Gleichungen
(4) und (6) kann man sehen, dass: φ3
= {[2·Arc
Cosinus (R/0.75]/G} + φ – Arc Cosinus (R/0.75) (8)
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Ausgehend
von bekannten Ausgestaltungsparametern des Werkzeughalters 40 (d.
h. Getriebeübersetzung
G und Exzentrizitäten
S und T) und zwei bekannten Koordinaten (d. h. R und φ) sind diese
hinreichend, um einen ausgesuchten Punkt in der X-Z-Ebene zu definieren;
das Werkzeug 30 kann an dem ausgesuchten Punkt durch Drehen
der äußeren Halterung 50 um
einen Winkel φ1
(wie aus Gleichung (4) bestimmt) ausgehend von seiner zurückgeführten Position
(wie durch den Näherungsschalter 110 detektiert)
und Drehen des Hohlrades 82 um einen Winkel φ3 (wie bestimmt
aus Gleichung (8)) ausgehend von seiner zurückgeführten Position (wie von dem Näherungsschalter 112 detektiert)
positioniert werden. Also kann ein an der Werkzeugbefestigung 40 gesichertes
Werkzeug 30 einfach überall
an einem irgendeinem gewünschten
Punkt innerhalb des kreisförmigen
Bewegungsbereichs durch gezieltes Drehen der äußeren Halterung 50 und
des Hohlrades 82 um bestimmte Beträge positioniert werden.
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Entsprechend
können
komplexe Formen, welche in einen solchen Kreis passen und welche sich
entlang der longitudinalen (X-Achse) Richtung eines Werkstückes 12 erstrecken,
geschnitten werden, ohne irgendeine Bewegung des Werkstücks 12 zu
benötigen.
Also können
die großen
und teuren Antriebe, wie bereits diskutiert, vermieden werden, ebenso
wie Deformationen der Schnitte. Das Werkzeug 30 ist signifikant
kleiner als solche Werkstücke 12,
und entsprechend kann die für
den Schnitt notwendige Bewegung in X-Richtung mit kleineren und weniger
teuren Antrieben durchgeführt
werden (so wie die Servomotoren 76, 90) als für die Bewegung des
Werkstücks 12 notwendig
wären,
wenn es während
des Schneidens in X-Richtung bewegt werden müsste. Darüber hinaus können die
für solche Schnitte
notwendigen Richtungsänderungen
schnell durchgeführt
werden und daher sogar scharfe Ecken ohne Deformation der Ecken
des Schnitts geschnitten werden.
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Um
ein Werkzeug 30 entlang eines Kreises mit einem Radius
R zu bewegen (z. B. um eine rundes Loch mit einem Radius R zu schneiden),
können ferner
die Halterungen 50, 60 relativ zueinander gedreht
werden, um das Werkzeug 30 auf dem ausgesuchten Radius
R (s. 5) von der ersten Achse 52 positionieren
zu können,
und können
dann die Zahnriemen 74, 88 bei gleicher Geschwindigkeit
gedreht werden (wodurch der äußere Zahnradkranz 70 der ersten
Halterung sich zusammen mit dem Hohlrad 82 dreht), um das
Werkzeug auf einem kreisförmigen Pfad
mit dem Radius R um die erste Achse 52 zu bewegen. Solch
ein Kreis wird geschnitten, ohne dass Punkte zur Interpolation des
Pfades berechnet werden müssen,
wie es bei vielen Werkzeugspositionierungseinrichtungen notwendig
ist. Also ist nicht nur der Schneidepfad ein exakter Kreis, sondern
ist das Fehlerrisiko der berechneten Pfade, welche während des
Schneidens ständig
der Geschwindigkeits- und Richtungsänderung bedürfen, eliminiert.
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Eine
alternative Werkzeugbefestigung 40', welche insbesondere für das Bewegen
eines Werkzeugs 30 entlang eines kreisförmigen Pfades unter Verwendung
nur eines Servomotors 90' angepasst ist,
ist in 6 gezeigt. In dieser Figur und der zugehörigen Beschreibung
sind Komponenten, welche der ersten beschriebenen Struktur entsprechen
(s. 1–4)
mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und Komponenten, welche
sich ähnlich, aber
modifiziert sind, werden mit der gleichen Bezugsziffer, aber mit
einem hinzugefügten
Strich bezeichnet (z. B. 40').
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Wie
man in 6 sehen kann, ist eine innere oder zweite Halterung 60 mit
einer exzentrischen zylindrischen Öffnung 64 für ein Werkzeug 30 drehbar in
einer exzentrischen zylindrischen Öffnung einer äußeren oder
ersten Halterung 50' gehalten.
Die äußere Halterung 50' ist drehbar
in dem Gehäuse 44' gesichert.
Die longitudinalen, zylindrischen Achsen der äußeren Halterung 50', inneren Halterung 60 und der
Werkzeugbefestigungsöffnung 64 entsprechen jeweils
den Achsen 52, 58, 66, wie in den 2 und 4 gezeigt.
Ein Zahnriemen 88 wird durch den Servomotor 90' angetrieben,
um das Hohlrad 82 gezielt zu rotieren.
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Ein
erster Einwegekontrollhebel, eine erste Klinke oder eine erste Verriegelung 150 ist
an der Halterung 50' gesichert
und ist gegen die inneren Zahnradzähne 84 des Hohlrades 82 vorgespannt
(z. B. durch eine Torsionsfeder, nicht gezeigt), um in die Zähne 84 einzugreifen.
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Wenn
das Hohlrad 82 im Uhrzeigersinn – von oben gesehen, wie in 6 – gedreht
wird, wird daher die Klinke 150 zusammen mit der äußeren Halterung 50', auf der die
Klinke 150 angebracht ist, zusammen mit dem Hohlrad 82 im
Uhrzeigersinn um die erste Achse 52 gedreht.
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Ein
zweiter Einwegekontrollhebel, eine zweite Klinke oder eine zweite
Verriegelung 152 ist an dem Gehäuse 44' gesichert und ist geeignet gegen die
Zahnradzähne
des äußeren Zahnrades 70 der äußeren Halterung 50' vorgespannt
(z. B. durch eine Torsionsfeder, nicht gezeigt), um die Halterung 50' daran zu hindern,
gegen den Uhrzeigersinn – von oben
gesehen, wie in 6 – gedreht zu werden. Daher
wird, wenn das Hohlrad 82 gegen den Uhrzeigersinn gedreht
wird, die äußere Halterung 50' ortsfest (relativ
zu dem Gehäuse 44') bleiben und
sich nur die innere Halterung 60 drehen, wobei eine solche
Drehung um die zweite Achse 58 auftritt, welche relativ zu
dem Gehäuse 44' festbleibt.
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Bei
dieser Werkzeugbefestigung 40' können die Halterungen 50', 60 zuerst über Näherungsschalter
oder andere passende Einrichtungen, wie zuvor beschrieben, zurückgeführt werden.
Die drei Achsen 52, 58, 66 sind in der
bevorzugten zurückgeführten Position
in einer einzigen Ebene ausgerichtet. Ausgehend von dieser zurückgeführten Position
kann das Hohlrad 82 durch den Servomotor 90' entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht werden, was lediglich eine Drehung der inneren
Halterung 60 verursacht (da die zweite Sperre 152 eine
Drehung der ersten Halterung 50' verhindert), wobei durch eine
solche Drehung die dritte Achse 66 ihren Abstand relativ
zu der ersten Achse 52 ändert.
Ist die dritte Achse 66 erst einmal durch die Drehung in
einem Abstand R1 der dem Radius des gewünschten
kreisförmigen
Pfades entspricht (welcher wie oben beschrieben bestimmt werden
kann), von der ersten Achse 52 positioniert worden, kann
die Antriebsrichtung des Servomotors 90' so umgedreht werden, dass er sich
im Uhrzeigersinn dreht, um das Hohlrad 82 im Uhrzeigersinn
zu drehen. Da die erste Verriegelung 150 ein gemeinsames
Drehen im Uhrzeigersinn des Hohlrades 82 und der äußeren Halterung 50' als Einheit
bewirkt, wird die innere Halterung 60 im Wesentlichen in einer
Position relativ zu der äußeren Halterung 50' festgelegt,
wodurch das montierte, entlang der dritten Achse 66 orientierte
Werkzeug 30 in dem gewählten Abstand
R von der ersten Achse festgelegt wird und es daher einem kreisförmigen Pfad
mit dem Radius R folgt.
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Wie
zuvor bemerkt bietet die vorliegende Erfindung in den speziellen
oben beschriebenen Strukturen eine vorteilhafte Vorrichtung, welche
kompakt, günstig
und effizient ist und es erlaubt, Werkzeuge zuverlässig zu
positionieren und zu bewegen, um verschiedene Tätigkeiten durchzuführen, inklusive dem
Schneiden von nicht deformierten Löchern mit kleinen Radi und/oder
scharfen Kanten. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise auch
dazu ver wendet werden, ein Markierwerkzeug entlang eines Werkstücks zu bewegen
oder lediglich einen Bohrer oder Stanzer an einer gewünschten
Betriebsposition auf dem Werkstück
zu positionieren. Auch andere Typen Werkzeug können, entsprechend den Lehren nach
den Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten der Erfindung, entlang
einem Werkstück
bewegt werden und/oder an einem Werkstück positioniert werden.
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Es
ist ausgehend von der vorangehenden detaillierten Beschreibung der
Erfindung und von den zugehörigen
Zeichnungen leicht ersichtlich, dass zahlreiche Variationen und
Veränderungen
dieser Erfindung, wie sie in den anhängenden Ansprüchen definiert
ist, abgedeckt werden.