WO2009106064A1 - Verfahren zum zentrierten montieren einer ersten komponente an einer zweiten komponente - Google Patents

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WO2009106064A1
WO2009106064A1 PCT/DE2009/000269 DE2009000269W WO2009106064A1 WO 2009106064 A1 WO2009106064 A1 WO 2009106064A1 DE 2009000269 W DE2009000269 W DE 2009000269W WO 2009106064 A1 WO2009106064 A1 WO 2009106064A1
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centrifugal force
drive axis
clamping
feinpositionierspannfutter
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Berend Denkena
Jochen Immel
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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    • G01B5/252—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes for measuring eccentricity, i.e. lateral shift between two parallel axes
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    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/108—Piezoelectric elements

Definitions

  • the invention relates to a method for centering a first component on a second component.
  • the invention relates to a fine positioning chuck for centering a first component relative to a drive axis of the fine positioning chuck, comprising (a) a tensioning device for tensioning the first component, and (b) at least one displacement actuator for displacing the tensioning device relative to the drive axis.
  • a method for centrally mounting a first component and a second component is carried out, for example, in the context of the manufacture and assembly of high-speed parts.
  • a first component in the form of a rotor wheel must be fastened to a second component in the form of a shaft. Since partial speeds up to over 200 000 U / min are achieved, the impeller must be mounted centrally on the shaft. That is, the center of mass of the impeller must be with high accuracy on the longitudinal axis of the shaft. Otherwise, the shaft would deflect its bearing during operation and destroy the overall structure during the following operation.
  • the centricity can not be sufficiently ensured, which is why sometimes considerable reject rates have a strong negative impact on productivity.
  • the invention is based on the object, two components process reliable centric to each other.
  • the invention solves the problem by a method of centrally mounting a first component on a second component comprising the steps of (a) releasably locating the first component in a fine positioning chuck, the fine positioning chuck being rotatably mounted about a drive axis, (b) supporting a second component such that its axis of rotation coincides with the drive axis of the fine positioning chuck, (c) rotating the fine positioning chuck about the drive axis at a rotational speed, (d) detecting a centrifugal force exerting the first component on the fine positioning chuck, (e) automatically translating the first component the fine positioning chuck relative to the drive axis so that a center of gravity of the first component moves closer to the drive axis; and (f) connecting the first component to the second component.
  • the invention solves the problem by a generic Feinpositionierspannfutter comprising a centrifugal force determining device for determining a centrifugal force that exerts the first component on the Feinposi- tion chuck.
  • the invention solves the problem by using this fine positioning chuck for balancing.
  • An advantage of the invention is that it allows automated centering. Therefore, no additional labor costs are required. It is a further advantage that the centering of the first component relative to the second component can be performed with such high accuracy that significantly less waste is produced than in known methods.
  • the second component is a shaft. It is possible that the shaft has been made immediately prior to connection to the first component, for example by turning. In this case, it is advantageous if the production of the shaft takes place with the same machine to which the fine positioning chuck is attached. In this way, the position of the axis of rotation of the second component with particularly high accuracy is known.
  • the threshold is for example 25 microns. If the threshold is undershot already at the first turning, the turning of the Feinpositionierspannfutters is not repeated but the first and the second component joined.
  • the first component must be positioned with only a small degree of accuracy. If the first component is initially highly eccentric, a relatively high centrifugal force is produced even at low rotational speeds. However, this does not affect the jig because the first component is moved in time so that its center of gravity moves closer to the drive axle.
  • a maximum centrifugal force is set and the rotational speed is not further increased when the maximum allowable centrifugal force is reached. This avoids damage to the fine positioning chuck.
  • arranging the component in the fine positioning chuck comprises clamping by means of at least one clamping element, in particular with at least three clamping elements.
  • a tensioning element is understood in particular to mean a component that is movable toward the first component for clamping the first component.
  • the centrifugal force applying step of the first component to the fine positioning chuck preferably comprises the steps of (a) determining all the clamping forces applied by the first component to the at least one clamping element during rotation of the fine positioning chuck and (b) determining the vectorial Centrifugal force from the clamping forces.
  • the first component for example, the paddle wheel, for example, the clamping elements are delivered to the rotor wheel.
  • each chuck applies a predetermined amount of tension to the first component.
  • the centrifugal force is added to this initial clamping force when turning the fine positioning chuck.
  • the original clamping force is known, then by measuring the clamping force as a function of the rotational speed of the fine positioning chuck the difference can be calculated.
  • the clamping elements are usually designed to apply a uniaxial force to the first component to be positioned and the direction in which the clamping force acts is known, the centrifugal force represented by a vector can be calculated from the clamping forces .
  • the advantage of this is that only one Spannkraftresvoriques per clamping element is necessary to measure the clamping forces and to determine the centrifugal force.
  • the offset is preferably calculated from the vectorial centrifugal force and then the fine positioning chuck is displaced so that the offset is compensated.
  • the centrifugal force is linearly dependent on the offset at a constant rotational speed.
  • the offset is the distance between the mass center of gravity of the first component and the drive axle. If the offset is zero, then the centrifugal force is zero.
  • the determination of the centrifugal force comprises measuring the centrifugal force at different rotational speeds and calculating a compensation parabola which describes the centrifugal force as a function of the rotational speed. Then the offset is calculated from the compensation parabola.
  • a particularly fast process is obtained when the shifting of the first component occurs during the rotation of the fine positioning chuck. So it is convenient, the Feinpositionierspannfutter with a first rotary speed to move the first component relative to the drive axis by means of the fine positioning chuck so that the center of gravity moves closer to the drive axis and thereafter repeating these steps at a higher rotational speed until the offset has dropped below a predetermined threshold.
  • the bonding of the first component to the second component is preferably a permanent bonding, in particular a welding, gluing or soldering. Laser welding or electron beam welding is particularly favorable.
  • the Feinpositionierspannfutter comprises an electrical control, which is adapted to drive a machine tool comprising a drive shaft, so that the machine tool rotates the drive shaft about a drive axis at a predetermined rotational speed, for determining a centrifugal force from measured values of the centrifugal force detection device and for driving the displacement actuator so that a center of gravity of the first component moves closer to the drive axle.
  • a particularly simple centrifugal force detection device is obtained if it comprises strain gauges and / or piezo sensors, which are arranged to measure the clamping force and / or the centrifugal force.
  • a particularly compact Positionierspannfutter which is also particularly robust, is obtained when the clamping device comprises at least one clamping element and strain gauges and / or the piezoelectric sensors are integrated into the clamping elements.
  • the Feinpositionierspannfutter preferably has piezoelectric actuators, which are designed for moving the Feinpositionierspannfutters relative to the drive axis. Piezo actuators are very stiff and allow a high position precision, so that particularly small values for the offset can be obtained.
  • the fine positioning chuck may include a balancing compensator configured to displace a balance balance mass relative to the drive axis such that a fine positioning chuck center of mass is always below a predetermined distance from the drive axis.
  • the angular velocity ⁇ is greater than 314 rad / s chosen (3000 revolutions per minute), in particular greater than 628 rad / s (6000 revolutions per minute). This achieves particularly high centering accuracy.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a machine tool according to the invention with a fine positioning chuck according to the invention for carrying out a method according to the invention
  • FIG. 2 shows an exploded perspective view of the fine positioning chuck according to FIG. 1,
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the Feinpositionierspannfutter invention.
  • Figure 5 is a schematic representation for explaining the underlying physical principle of the invention.
  • the machine tool 10 also includes a receptacle in the form of a shaft receptacle 16 for receiving a second component, namely a shaft 18 in the form of a turbo shaft of a turbocharger.
  • the shaft 18 has a shaft longitudinal axis Aw and is stretched in the shaft receptacle 16 so that the shaft longitudinal axis Aw is aligned with the drive axis AA, that is, coincides.
  • the Feinpositionierspannfutter 12 has a clamping device 20 which is designed for clamping a first component one, here: a precision casting in the form of a paddle wheel 22.
  • the machine tool 10 also has a schematically drawn joining device in the form of an electron beam welding device 24th
  • FIG. 2 shows the fine positioning chuck 12, which has a main body 26 extending along the drive axis AA, an output body 28 arranged in front of the main body 26 with respect to the drive axis A A for connection to the first component in the form of the paddle wheel 22 and a base body 26 includes along the drive axis AA extending connecting element 30 which connects the main body 26 with the output body 28.
  • the Feinpositionierspannfutter also comprises at least two, in the present case four attached to the base 26, acting transversely to the drive axis AA, mounted in symbolss 32.1, 32.2, 32.3, 32.4 in the form of eccentric piezoelectric actuators, which are designed to move the output body 28th perpendicular to the drive axis A A relative to the base body 26 by elastic deformation of the connecting element 30th
  • the connecting element 30 may optionally have a tensioning element 34 (see FIG. 3) which is connected to the output body 28 at a base point 35 and is arranged between the eccentric actuators 32 in such a way that by applying an electrical voltage to one or more of the eccentric actuators 32. Actuators 32.1, 32.2, 32.3, 32.4, the output body 28 shifts to the main body 26.
  • the connecting element is attached to a main body diaphragm 37 and a driven-body diaphragm 39.
  • the driven body 28 comprises the tensioning device 20, which has tensioning elements 36.1, 36.2, 36.3 in the form of clamping jaws.
  • FIG. 3 shows a cross section through the fine positioning chuck 12. It can be seen that the base body 26 has a base ring 38, with which the Fine positioning chuck 12 is attached to the drive 14 (see Figure 1) of the machine tool 10.
  • FIG. 3 also shows comb elements 40, which are arranged between the base body 26 and the output body 28.
  • the eccentric actuator 32.2 this lengthens and exerts a force acting perpendicular to the drive axis AA force on the connecting element 32, so that the membranes 35, 37 and / or the connecting element 32 then deform.
  • the grid elements 40 deform and the output body 28 shifts perpendicular to the drive axis A A relative to the base body 26th
  • FIG. 4 shows a schematic view of the output body 28 with the three clamping elements 36.1, 36.2, 36.3.
  • the clamping element 36.1 comprises a strain gauge 42.1, with which a deformation of the clamping element 36.1 and thus a clamping force exerted by the clamping element 36.1 on the not shown first component in the form of the blade wheel clamping force can be measured.
  • the clamping elements 36.2, 36.3 strain gauges 42.2 and 42.3 have the clamping elements 36.2, 36.3 strain gauges 42.2 and 42.3.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram for explaining the physical principle underlying the invention.
  • the output body 28, the main body 26 and the clamping elements 36.1, 36.2, 36.3 are indicated.
  • the first component in the form of the paddle wheel 22 is shown in dashed lines.
  • a center of gravity S of the paddle wheel 22 and the drive axis A A are located .
  • the base body 26 and the output body 28 are not shifted from one another, so that a center of gravity S 28 of the output body 28 and a center of mass S 26 of the main body 26 are located on the drive axle A A.
  • a cylindrical coordinate system is clamped, the center of which lies on the drive axis AA.
  • An angular coordinate ⁇ is measured from the connecting line between the zero point of the coordinate system and 0 the first clamping element 36.1.
  • the Feinpositionierspannfutter 12 is rotated about the drive axis AA with the first rotational speed coi ge-0. Since the center of gravity S of the paddle wheel 22 is offset
  • the mass m of the paddle wheel 22 was determined prior to placing the first component in the form of the paddle wheel 22 on the fine positioning chuck 12, the mass m of the paddle wheel 22 was determined. From formula (3), the offset f V ⁇ rsatz can then be calculated. Subsequently, the eccentric actuators 32.1, ..., 32.4 are subjected to an electrical voltage such that the output body 28 moves relative to the main body 26 so that the center of gravity S of the impeller 22 moves closer to the drive axis A A. If the Feinpositionierspannfutter 12 has a balancing mass, so this is so shifted that a center of gravity S 2 8 of the output body 28 does not change its position and continue to remain on the drive axis A A.
  • the process is optionally repeated at a higher rotational speed ⁇ 2 > CO 1 .
  • the described method is repeated until the measured offset is less than an offset threshold
  • the shaft 18 ( Figure 1) is moved up to the paddle wheel 22 and by means of the electron beam welding device, both components are welded together. It is possible to place a second fine positioning chuck relative to the first fine positioning chuck, align the second component with the drive axis AA as described above for the first component, and then join the first and second components together.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zentrierten Montieren einer ersten Komponente (22) an einer zweiten Komponente (18) mit den Schritten: lösbares Anordnen der ersten Komponente (22) in einem Feinpositionierspannfutter (12), wobei das Feinpositionierspannfutter (12) um eine Antriebsachse (AA) drehbar ist, Lagern einer zweiten Komponente (18) so, dass deren Drehachse (Aw) mit der Antriebsachse (AA) des Feinpositionierspannfutters (12) zusammenfällt, Drehen des Feinpositionierspannfutters (12) um die Antriebsachse (AA) mit einer Drehgeschwindigkeit (ω), Ermitteln einer Fliehkraft (Fflieh), die die erste Komponente (22) auf das Feinpositionierspannfutter (12) ausübt, automatisches Verschieben der ersten Komponente (22) mittels dem Feinpositionierspannfutter (12) relativ zu der Antriebsachse (AA) so, dass ein Massenschwerpunkt (S) der ersten Komponente (22) näher an die Antriebsachse (AA) rückt, und Verbinden der ersten Komponente (22) mit der zweiten Komponente (18).

Description

Verfahren zum zentrierten Montieren einer ersten Komponente an einer zweiten Komponente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zentrierten Montieren einer ersten Komponente an einer zweiten Komponente. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Feinpositionierspannfutter zum Zentrieren einer ersten Komponente relativ zu einer Antriebsachse des Feinpositionierspannfutters, mit (a) einer Spannvorrichtung zum Spannen der ersten Komponente und (b) mindestens einem Verschiebeaktor zum Verschieben der Spannvorrichtung relativ zu der Antriebsachse.
Ein Verfahren zum zentrischen Montieren einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente wird beispielsweise im Rahmen der Herstellung und Montage von hoch drehenden Teilen durchgeführt. Dabei muss eine erste Kompo- nente in Form eines Läuferrads an einer zweiten Komponente in Form einer Welle befestigt werden. Da teilweise Drehzahlen bis über 200 000 U/min erreicht werden, muss das Läuferrad zentrisch an der Welle befestigt werden. Das heißt, der Massenschwerpunkt des Läuferrads muss mit einer hohen Genauigkeit auf der Längsachse der Welle liegen. Anderenfalls würde die Welle im Betrieb ihr Lager ausschlagen und der Gesamtaufbau während des folgenden Betriebs zerstört. Bei bisherigen Verfahren zum Montieren eines Läuferrads an einer Welle kann die Zentrizität nicht ausreichend gewährleistet werden, weshalb teilweise beträchtliche Ausschussraten die Produktivität stark negativ beeinträchtigen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwei Komponenten prozesssicher zentrisch aneinander zu fügen.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum zentrischen Montieren einer ersten Komponente an einer zweiten Komponente mit den Schritten (a) lösbares Anordnen der ersten Komponente in einem Feinpositionierspannfutter, wobei das Feinpositionierspannfutter um eine Antriebsachse drehbar gelagert ist, (b) Lagern einer zweiten Komponente so, dass deren Drehachse mit der Antriebsachse des Feinpositionierspannfutters zusammenfällt, (c) Drehen des Feinpositionierspannfutters um die Antriebsachse mit einer Drehgeschwindigkeit, (d) Ermitteln einer Fliehkraft, die die erste Komponente auf das Feinpositionierspannfutter ausübt, (e) automatisches Verschieben der ersten Komponente mittels dem Feinpositionierspannfutter relativ zu der Antriebsachse so, dass ein Massenschwerpunkt der ersten Komponente näher an die Antriebsachse rückt, und (f) Verbinden der ersten Komponente mit der zweiten Komponente.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Feinpositionierspannfutter, das eine Fliehkraftermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Fliehkraft, die die erste Komponente auf das Feinposi- tionierspannfutter ausübt, umfasst. Gemäß einem dritten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine Verwendung dieses Feinpositionierspannfutter zum Auswuchten.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie ein automatisiertes Zentrieren erlaubt. Es werden daher keine zusätzlichen Kosten für Arbeitskraft benötigt. Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Zentrierung der ersten Komponente relativ zur zweiten Komponente mit einer so hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann, dass deutlich weniger Ausschuss entsteht als bei bekannten Verfahren.
Vorteilhaft ist zudem, dass wechselnde Bauteilgeometrien der Komponenten schnell implementiert werden können. So muss beispielsweise lediglich das Feinpositionierspannfutter umgerüstet werden, um eine andere Geometrie der ersten Komponente spannen zu können. Das Verfahren ist zudem für eine Vielzahl von Komponenten einsetzbar. Es ist ein weiterer Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren schneller als bei Verfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt werden kann. Das zentrische Fügen bzw. Montieren dau- ert damit weniger lang als bei bekannten Verfahren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Komponente eine Welle. Es ist möglich, dass die Welle unmittelbar vor dem Verbinden mit der ersten Komponente hergestellt worden ist, beispielsweise durch Drehen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das Herstellen der Welle mit der gleichen Maschine erfolgt, an der das Feinpositionierspannfutter befestigt ist. Auf diese Weise ist die Lage der Drehachse der zweiten Komponente mit besonders hoher Genauigkeit bekannt.
In einem bevorzugten Verfahren werden die Schritte des Drehens des Feinpositionierspannfutters um die Antriebsachse mit einer Drehgeschwindigkeit, des Ermitteins einer Fliehgeschwindigkeit, die die Komponente auf das Feinpositionierspannfutter ausübt und des automatischen Verschiebens der ersten Komponente mittels dem Feinpositionierspannfutter relativ zu der Antriebsachse so, dass ein Lastschwerpunkt der ersten Komponente näher an die Antriebsachse rückt, so lange wiederholt, bis ein vorgegebener Schwellenwert für einen Abstand zwischen der Antriebsachse und dem Massenschwerpunkt der ersten Komponente kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Der Schwellenwert liegt beispielsweise bei 25 μm. Sofern der Schwellenwert bereits beim ersten Drehen unterschritten wird, wird das Drehen des Feinpositionierspannfutters nicht wiederholt sondern gleich die erste und die zweite Komponente gefügt.
Vorteilhaft ist an dem oben beschriebenen schrittweisen Vorgehen, dass zu Beginn des Verfahrens die erste Komponente mit einer nur geringen Genauig- keit positioniert werden muss. Ist die erste Komponente zunächst stark außer- zentrisch gespannt, entsteht schon bei kleinen Drehgeschwindigkeiten eine relativ hohe Fliehkraft. Diese beeinflusst die Spannvorrichtung jedoch nicht, weil die erste Komponente rechtzeitig so bewegt wird, dass ihr Massenschwerpunkt näher an die Antriebsachse rückt.
In einem bevorzugten Verfahren wird eine maximale Fliehkraft festgelegt und die Drehgeschwindigkeit wird nicht weiter erhöht, wenn die maximal zulässige Fliehkraft erreicht ist. So werden Schäden an dem Feinpositionierspannfutter vermieden.
Besonders bevorzugt umfasst das Anordnen der Komponente in dem Feinposi- tionierspannfutter ein Spannen mittels mindestens eines Spannelements, insbesondere mit mindestens drei Spannelementen. Unter einem Spannelement wird insbesondere ein Bauteil verstanden, das auf die erste Komponente zum Klemmen der ersten Komponente zu bewegbar ist. Alternativ ist es jedoch auch möglich, beispielsweise ein Gefrierspannfutter vorzusehen. Werden drei Spannelemente verwendet, so hat dies den Vorteil, dass die erste Komponente sicher gespannt werden kann und dass das mechanische System aus der ersten Komponente und den Spannelementen mechanisch bestimmt ist, also weder mechanisch unter- noch überbestimmt.
Der Schritt des Ermitteins der Fliehkraft, die die erste Komponente auf das Feinpositionierspannfutter ausübt, umfasst bevorzugt die Schritte (a) Ermitteln aller Spannkräfte, die die erste Komponente auf das mindestens eine Spannelement aufbringt, während des Drehens des Feinpositionierspannfutters und (b) Ermitteln der vektoriellen Fliehkraft aus den Spannkräften. Zum Spannen der ersten Komponente, beispielsweise des Schaufelrads, werden beispielsweise die Spannelemente auf das Läuferrad zugestellt. Um das Schaufelrad an einer festen Position relativ zum Feinpositionierspannfutter zu halten, bringt jedes Spannelement eine vorbestimmte Spannkraft auf die erste Komponente auf. Zu dieser ursprünglichen Spannkraft addiert sich beim Drehen des Feinpo- sitionierspannfutters die Fliehkraft hinzu. Ist also die ursprüngliche Spannkraft bekannt, so kann durch Messen der Spannkraft in Abhängigkeit von der Dreh- geschwindigkeit des Feinpositionierspannfutters die Differenz errechnet werden.
Da die Spannelemente in der Regel ausgebildet sind, um eine uniaxiale Kraft auf die zu positionierende erste Komponente aufzubringen und die Richtung, in der die Spannkraft wirkt, damit bekannt ist, kann die Fliehkraft, die durch einen Vektor repräsentiert ist, aus den Spannkräften berechnet werden. Vorteilhaft hieran ist, dass zum Messen der Spannkräfte und zum Ermitteln der Fliehkraft nur eine Spannkraftermittlungsvorrichtung pro Spannelement notwendig ist.
Bevorzugt wird aus der vektoriellen Fliehkraft der Versatz berechnet und anschließend das Feinpositionierspannfutter so verschoben, dass der Versatz ausgeglichen wird. Die Fliehkraft ist bei konstanter Drehgeschwindigkeit linear von dem Versatz abhängig. Der Versatz ist die Strecke zwischen dem Massen- Schwerpunkt der ersten Komponente und der Antriebsachse. Ist der Versatz null, so ist auch die Fliehkraft null.
Alternativ ist es möglich, die erste Komponente zunächst auf einer kleinen Kreisbahn zu bewegen und die Richtung zu ermitteln, in die die erste Kompo- nente bewegt werden muss, um die größte Minimierung der Fliehkraft zu erreichen. Anschließend wird die erste Komponente dann so lange in diese Richtung bewegt, bis der Versatz ausgeglichen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Ermitteln der Fliehkraft ein Messen der Fliehkraft bei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten und ein Berechnen einer Ausgleichsparabel, die die Fliehkraft in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit beschreibt. Anschließend wird aus der Ausgleichsparabel der Versatz berechnet.
Ein besonders schnelles Verfahren wird erhalten, wenn das Verschieben der ersten Komponente während des Drehens des Feinpositionierspannfutters erfolgt. So ist es günstig, das Feinpositionierspannfutter mit einer ersten Drehge- schwindigkeit zu drehen, die erste Komponente mittels des Feinpositionierspannfutters so relativ zu der Antriebsachse zu verschieben, dass der Massenschwerpunkt näher an die Antriebsachse rückt, und danach diese Schritte mit einer höheren Drehgeschwindigkeit zu wiederholen, bis der Versatz unter einen vorgegebenen Schwellenwert gefallen ist.
Das Verbinden der ersten Komponente mit der zweiten Komponente ist bevorzugt ein dauerhaftes Verbinden, insbesondere ein Verschweißen, Verkleben oder Verlöten. Besonders günstig ist Laserschweißen oder Elektronenstrahl- schweißen.
In einer bevorzugten Ausführung umfasst das Feinpositionierspannfutter eine elektrische Steuerung, die ausgebildet ist zum Ansteuern einer Werkzeugmaschine, die eine Antriebswelle umfasst, so dass die Werkzeugmaschine die An- triebswelle um eine Antriebsachse mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit dreht, zum Ermitteln einer Fliehkraft aus Messwerten der Fliehkraftermittlungsvorrichtung und zum Ansteuern des Verschiebeaktors so, dass ein Massenschwerpunkt der ersten Komponente näher an die Antriebsachse rückt.
Eine besonders einfache Fliehkraftermittlungsvorrichtung wird erhalten, wenn sie Dehnungsmessstreifen und/oder Piezosensoren umfasst, die zum Messen der Spannkraft und/oder der Fliehkraft angeordnet sind.
Ein besonders kompaktes Positionierspannfutter, das zudem besonders robust ist, wird erhalten, wenn die Spannvorrichtung mindesten ein Spannelement umfasst und Dehnungsmessstreifen und/oder die Piezosensoren in die Spannelemente integriert sind.
Das Feinpositionierspannfutter besitzt bevorzugt piezoelektrische Aktoren, die zum Verschieben des Feinpositionierspannfutters relativ zur Antriebsachse ausgebildet sind. Piezoaktoren sind sehr steif und gestatten eine hohe Positio- niergenauigkeit, so dass besonders kleine Werte für den Versatz erhalten werden können.
Durch das Verschieben der Spannvorrichtung relativ zur Antriebsachse kommt es zu einer Unwucht des Feinpositionierspannfutters. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Feinpositionierspannfutter daher eine Umwuchtaus- gleichsvorrichtung umfassen, die ausgebildet ist, um eine Umwuchtausgleichs- masse relativ zu der Antriebsachse so zu verschieben, dass ein Feinpositionierspannfutter-Massenschwerpunkt stets unterhalb eines vorgegebenen Ab- Stands von der Antriebsachse liegt.
Bevorzugt wird die Winkelgeschwindigkeit ω größer als 314 rad/s gewählt (3000 Umdrehungen pro Minute), insbesondere größer als 628 rad/s (6000 Umdrehungen pro Minute). So wird eine besonders hohe Genauigkeit beim Zentrieren erreicht.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels unter Verwendung der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine mit einem erfindungsgemäßen Feinpositionierspannfutter zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine perspektivische Explosionsansicht des Feinpositionierspann- futters gemäß Figur 1 ,
Figur 3 einen Querschnitt durch das Feinpositionierspannfutter gemäß
Figur 2,
Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht auf das erfindungsgemäße Feinpositionierspannfutter und
Figur 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden physikalischen Prinzips.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 10 mit einem Feinpositionierspannfutter 12 und einem Antrieb 14 zum Drehen des Feinpositionierspannfutters 12 um eine Antriebsachse AA mit einer Drehgeschwindigkeit ω . Das Feinpositionierspannfutter 12 ist in der DE 10 2007 020 633 detailliert be- schrieben, für Einzelheiten der Konstruktion wird auf diese Druckschrift verwiesen. Die Werkzeugmaschine 10 umfasst zudem eine Aufnahme in Form einer Wellenaufnahme 16 zum Aufnehmen einer zweiten Komponente, nämlich einer Welle 18 in Form einer Turbowelle eines Turboladers. Die Welle 18 besitzt eine Wellenlängsachse Aw und ist so in der Wellenaufnahme 16 gespannt, dass die Wellenlängsachse Aw mit der Antriebsachse AA fluchtet, das heißt, zusammenfällt. Das Feinpositionierspannfutter 12 besitzt eine Spannvorrichtung 20, die ausgebildet ist zum Spannen einer ersten Komponente eine, hier: eines Feingussteils in Form eines Schaufelrads 22. Die Werkzeugmaschine 10 besitzt zudem eine schematisch eingezeichnete Fügevorrichtung in Form einer Elektronenstrahl- schweißvorrichtung 24.
Figur 2 zeigt das Feinpositionierspannfutter 12, das einen sich entlang der Antriebsachse AA erstreckenden Grundkörper 26, einen bezüglich der Antriebsachse AA vor dem Grundkörper 26 angeordneten Abtriebskörper 28 zum Verbinden mit der ersten Komponente in Form des Schaufelrads 22 und ein mit dem Grundkörper 26 verbundenes und sich entlang der Antriebsachse AA erstreckenden Verbindungselements 30 umfasst, das den Grundkörper 26 mit dem Abtriebskörper 28 verbindet. Das Feinpositionierspannfutter umfasst zudem mindestens zwei, im vorliegenden Fall vier am Grundkörper 26 befestigte, quer zur Antriebsachse AA wirkende, in Gegenspieleranordnung montierte Exzenter-Aktoren 32.1 , 32.2, 32.3, 32.4 in Form von Exzenter-Piezoaktoren, die ausgebildet sind zum Verschieben des Abtriebskörpers 28 senkrecht zur Antriebsachse AA relativ zum Grundkörper 26 durch elastisches Verformen des Verbindungselements 30.
Das Verbindungselement 30 kann optional ein Spannelement 34 (vgl. Figur 3) besitzen, das in einem Fußpunkt 35 mit dem Abtriebskörper 28 verbunden und zwischen den Exzenter-Aktoren 32 so angeordnet ist, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einen oder mehreren der Exzenter-Aktoren 32.1 , 32.2, 32.3, 32.4 sich der Abtriebskörper 28 zum Grundkörper 26 verschiebt. Das Verbindungselement ist an einer Grundkörper-Membran 37 und einer Abtriebskörper-Membran 39 befestigt. Der Abtriebskörper 28 umfasst die Spannvorrichtung 20, die Spannelemente 36.1 , 36.2, 36.3 in Form von Spannbacken besitzt.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch das Feinpositionierspannfutter 12. Es ist zu erkennen, dass der Grundkörper 26 einen Basisring 38 besitzt, mit dem das Feinpositionierspannfutter 12 an dem Antrieb 14 (vgl. Figur 1) der Werkzeugmaschine 10 befestigt ist. Die Grundkörper-Membran 37 und die Abtriebskörper-Membran 39 besitzen beide im Vergleich zum Basisring 38 eine deutlich verringerte Biegesteifigkeit, die beispielsweise um den Faktor 100 kleiner ist.
Figur 3 zeigt zudem Kammelemente 40, die zwischen dem Grundköper 26 und dem Abtriebskörper 28 angeordnet sind. Durch Bestromen beispielsweise des Exzenter-Aktors 32.2 längt sich dieser und übt eine senkrecht zur Antriebsachse AA wirkende Kraft auf das Verbindungselement 32 aus, so dass sich die die Membranen 35, 37 und/oder das Verbindungselement 32 sich daraufhin verformen. Als Folge dessen verformen sich auch die Gitterelemente 40 und der Abtriebskörper 28 verschiebt sich senkrecht zur Antriebsachse AA relativ zum Grundkörper 26.
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht des Abtriebskörpers 28 mit den drei Spannelementen 36.1 , 36.2, 36.3. Das Spannelement 36.1 umfasst einen Dehnungsmessstreifen 42.1 , mit dem eine Verformung des Spannelements 36.1 und damit eine vom Spannelement 36.1 auf die nicht eingezeichnete erste Komponente in Form des Schaufelrads ausgeübte Spannkraft gemessen wer- den kann. Auf gleiche Weise besitzen die Spannelemente 36.2, 36.3 Dehnungsmessstreifen 42.2 bzw. 42.3.
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze zur Erläuterung des physikalischen Prinzips, das der Erfindung zugrunde liegt. Angedeutet sind der Abtriebskörper 28, der Grundkörper 26 und die Spannelemente 36.1, 36.2, 36.3. Die erste Komponente in Form des Schaufelrads 22 ist gestrichelt eingezeichnet. Zudem sind ein Massenschwerpunkt S des Schaufelrads 22 und die Antriebsachse AA eingezeichnet.
Im Rahmen der Durchführung eines exemplarischen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst das Schaufelrad 22 mit den
Spannelementen 36 mit jeweiligen Spannkräften FSpar)n,i (i = 1 , 2, 3), die be- vorzugt gleiche Beträge FSpann haben, am Abtriebskörper 28 gespannt. Der
Grundkörper 26 und der Abtriebskörper 28 sind nicht gegeneinander verschoben, so dass sich ein Massenschwerpunkt S28 des Abtriebskörpers 28 und ein Massenschwerpunkt S26 des Grundkörpers 26 auf der Antriebsachse AA befin- 5 den.
Am Abtriebskörper 28 ist ein Zylinderkoordinatensystem aufgespannt, dessen Mittelpunkt auf der Antriebsachse AA liegt. Eine Winkelkoordinate φ wird von der Verbindungslinie zwischen dem Nullpunkt des Koordinatensystems und0 dem ersten Spannelement 36.1 aus gemessen.
Nach dem Spannen des Schaufelrads 22 üben die Spannelemente 36.1 , 36.2, 36.3 jeweilige Spannkräfte FSpann 1 , FSpann)2 , FSpann 3 auf das Schaufelrad 22 aus, die sich gemäß der Gleichung 5
FSpann,1 + FSpann,2 + FSpann,3 = ° ( O
zu null addieren. In einem nachfolgenden Schritt wird das Feinpositionierspannfutter 12 um die Antriebsachse AA mit der ersten Drehgeschwindigkeit coi ge-0 dreht. Da der Massenschwerpunkt S des Schaufelrads 22 einen Versatz
rVersatz ~ (2)
Figure imgf000013_0001
aufweist, entsteht eine Fliehkraft 5 FFlieh = m rVersatz ω (3)-
Es werden während des Drehens die resultierenden Spannkräfte
F'spann,i 0 = 1 , 2, 3) gemessen, die (vektoriell) addiert die Fliehkraft ergeben
° FSpann,1 + FsPann,2 + FSpann,3 = FFlieh(ω) (4)- Mit Apostroph gekennzeichnete Größen bezeichnen die Größen während des Drehens. Falls die Messdaten verrauscht sind, können sie vorab gefiltert werden. Durch Subtrahieren der der Gleichungen (1) und (4) von einander ergibt sich
(FSpann,1 ~ FsPann,1 ) + (FSpann,2 ~ FSpann,2 ) + (FSpann,3 ~ FSpann,3 ) = FFlieh (5)-
Aus den Differenzen zwischen den jeweiligen Spannkräften bei Drehgeschwin- digkeit ω = 0 und Co = Co1 kann damit die Fliehkraft FFlieh berechnet werden.
Vor dem Anordnen der ersten Komponente in Form des Schaufelrads 22 an dem Feinpositionierspannfutter 12 wurde die Masse m des Schaufelrads 22 bestimmt. Aus Formel (3) kann dann der Versatz fVθrsatz berechnet werden. An- schließend werden die Exzenter-Aktoren 32.1 , ..., 32.4 so mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, dass sich der Abtriebskörper 28 relativ zum Grundkörper 26 so bewegt, dass der Massenschwerpunkt S des Schaufelrads 22 näher an die Antriebsachse AA rückt. Wenn das Feinpositionierspannfutter 12 eine Ausgleichsmasse besitzt, so wird diese so verlagert, dass ein Massenschwer- punkt S28 des Abtriebskörpers 28 seine Position nicht ändert und weiterhin auf der Antriebsachse AA verbleibt.
Nachfolgend wird das Verfahren gegebenenfalls mit einer höheren Drehgeschwindigkeit ω2 > CO1 wiederholt. Das geschilderte Verfahren wird so lange wiederholt, bis der gemessene Versatz kleiner ist als ein Versatz-Schwellenwert
•"Versatz, Schwelle-
Alternativ ist es möglich, die Messung der Fliehkraft FF|ieh(ω) für verschiedene
Drehgeschwindigkeiten ω durchzuführen und die Messpunkte durch eine Para- bei FFlieh = m rVersatz ∞2 für die Beträge gemäß Formel (3) anzupassen bzw. anzufitten. Aus der vorher gemessenen Masse m, den Drehgeschwindigkeiten ω und den gemessenen Fliehkräften kann dann mit hoher Genauigkeit der Betrag des Versatzes rversatz und dessen Richtung bestimmt werden. Beispielsweise werden so viele Messwerte aufgenommen, dass eine vorgegebene Genau- igkeit bei der Bestimmung des Versatzes unterschritten wird.
In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird die Welle 18 (Figur 1) an das Schaufelrad 22 herangefahren und mittels der Elektronenstrahl-Schweißvorrichtung werden beide Komponenten miteinander verschweißt. Es ist möglich, ein zwei- tes Feinpositionierspannfutter gegenüber dem ersten Feinpositionierspannfutter anzuordnen, die zweite Komponente wie oben für die erste Komponente beschrieben zu der Antriebsachse AA auszurichten und dann die erste und die zweite Komponente miteinander zu verbinden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum zentrierten Montieren einer ersten Komponente (22) an ei- ner zweiten Komponente (18) mit den Schritten:
(a) lösbares Anordnen der ersten Komponente (22) in einem Feinpositionierspannfutter (12), wobei das Feinpositionierspannfutter (12) um eine Antriebsachse (AA) drehbar ist,
(b) Lagern einer zweiten Komponente (18) so, dass deren Drehachse (Aw)mit der Antriebsachse (AA) des Feinpositionierspannfutters (12) zusammenfällt,
(c) Drehen des Feinpositionierspannfutters (12) um die Antriebsachse (AA) mit einer Drehgeschwindigkeit (ω)
(d) Ermitteln einer Fliehkraft (Ffljeh), die die erste Komponente (22) auf das Feinpositionierspannfutter (12) ausübt,
(e) automatisches Verschieben der ersten Komponente (22) mittels dem Feinpositionierspannfutter (12) relativ zu der Antriebsachse (AA) so, dass ein Massenschwerpunkt (S) der ersten Komponente (22) näher an die Antriebsachse (AA) rückt, und (f) Verbinden der ersten Komponente (22) mit der zweiten Komponente
(18).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente (22) ein Feingussteil und/oder die zweite Komponente (18) eine Welle ist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: nach Schritt (e) und vor Schritt (f) Wiederholen der Schritte (c) bis (e) für zumindest eine höhere Drehgeschwindigkeit (ω2), bis ein Versatz (rVersatz) zwischen dem Massenschwerpunkt (S) der ersten Komponente (22) und der Antriebsachse (AA) kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert (rver- satz.Schwelle)-
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (a) ein Spannen der ersten Komponente (22) mittels mindestens einem Spannelement (34) umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (d) des
Ermitteins der Fliehkraft (Ffneh) die folgenden Schritte umfasst:
(i) Ermitteln aller Spannkräfte (F'Spann i), die die erste Komponente (22) auf das mindestens eine Spannelement (34) aufbringt, während des Drehens des Feinpositionierspannfutters (12) und
(ii) Ermitteln der vektoriellen Fliehkraft (FF|ieh(ω)) aus den Spannkräften
(' Spannj λ
6. Verfahren nach Anspruch 5, mit dem Schritt: - Ermitteln des Versatzes ( rVersatz) aus der vektoriellen Fliehkraft
(FF|jeh(ω)) und Verschieben des Feinpositionierspannfutters (12) so, dass der Versatz ( Versatz) ausgeglichen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkräfte (F'Spann j) von dem Feinpositionierspannfutter (12) an eine elektrische Steuerung übermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - Schritt (d) das Messen der Fliehkraft (FF|ieh(ω)) bei unterschiedlichen
Drehgeschwindigkeiten (ω) umfasst und aus einer Ausgleichsparabel, die die Fliehkraft (FF|ieh(ω) ) in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit (ω) beschreibt, der Versatz ( Versatz )berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschieben der ersten Komponente (22) während des Drehens des Feinpositionierspannfutters (12) erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der ersten Komponente (22) mit der zweiten Komponente (18), insbesondere der Welle, ein dauerhaftes Verbinden, insbesondere ein Verschweißen, Verkleben oder Verlöten ist.
11. Feinpositionierspannfutter zum Zentrieren einer ersten Komponente (22) relativ zu einer Antriebsachse (AA) des Feinpositionierspannfutters (12), mit
(a) einer Spannvorrichtung (20) zum Spannen der ersten Komponente (22) und
(b) mindestens einem Verschiebeaktor (32) zum Verschieben der Spannvorrichtung (20) relativ zu der Antriebsachse (AA), gekennzeichnet durch
(c) eine Fliehkraftermittlungsvorrichtung (42) zum Ermitteln einer Flieh- kraft (FFlieh(ω)), die die erste Komponente (22) auf das Feinpositionierspannfutter (12) ausübt.
12. Feinpositionierspannfutter nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch eine elektrische Steuerung, die ausgebildet ist zum
(i) Ansteuern einer Werkzeugmaschine (10), die eine Antriebswelle um- fasst, so dass die Werkzeugmaschine (10) die Antriebsweile um eine Antriebsachse (AA) mit einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit (ω) dreht,
(ii) Ermitteln einer Fliehkraft (FF|ieh(ω)) aus Messwerten der Fliehkraftermittlungsvorrichtung (42) und
(iii) Ansteuern des Verschiebeaktors (32) so, dass ein Massenschwer- punkt (S) der ersten Komponente (22) näher an die Antriebsachse
(AA) rückt.
13. Feinpositionierspannfutter nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Fliehkraftermittlungsvorrichtung Dehnungsmessstrei- fen (42) und/oder Piezosensoren, die zum Messen der Spannkräfte
(F'spann.i) angeordnet sind, umfasst.
14. Feinpositionierspannfutter nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (20) mindestens ein Spann- element (34) umfasst und die Dehnungsmessstreifen (42) und/oder Piezosensoren in die Spannelemente (34) integriert sind.
15. Feinpositionierspannfutter nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch piezoelektrischer Aktoren (32), die zum Verschieben des Feinpositionierspannfutters relativ zur Antriebsachse ausgebildet sind.
16. Werkzeugmaschine mit einem Feinpositionierspannfutter (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, - einem Antrieb zum Drehen des Feinpositionierspannfutters um eine
Antriebsachse (AA) und einer Wellenaufnahme zum Aufnehmen einer mit der ersten Komponente (22) zu verbindenden zweiten Komponente (18), insbesondere einer Welle, so dass eine Wellenlängsachse (Aw) der zweiten Komponente (18) mit der Antriebsachse (AA) fluchtet.
17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Füge- Vorrichtung (24) zum Verbinden der ersten Komponente (22) mit der zweiten Komponente (18).
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