Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelements von einem be¬ wegbaren Maschinenelement

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem bewegbaren Maschinenelement einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine oder eines Roboters.

Bei Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschine oder bei Robotern sind an bewegbaren Maschinenelementen wie z.B. einem Werk¬ zeugschlitten oder einem Roboterarm sogenannte Anbauelemente angebracht .

In FIG 1 ist beispielhaft eine Werkzeugmaschine in Form einer Laser-Schneidemaschine dargestellt. Die Werkzeugmaschine weist eine Traverse 6 auf, die mit Hilfe zweier Antriebe IIa und IIb in beide Richtungen der Doppelpfeile 12a und 12b ent¬ lang der Säulen 8a und 8b auf und ab verfahren werden kann. Die Traverse 6 weist ein bewegbares Maschinenelement 4 in Form eines Werkzeugschlittens auf, der mit Hilfe eines inner¬ halb des Werkzeugschlittens befindlichen nicht dargestellten Antriebs in beide Richtungen des Doppelpfeils 3 entlang der Traverse 6 verfahren werden kann. Der Werkzeugschlitten trägt ein Werkzeug 2, das einen Laserstrahl 10 erzeugt, der auf ein Werkstück 9, das z.B. in Form eines Bleches vorliegen kann, trifft und dieses bearbeitet. Das Werkstück 9 ist auf einen Maschinenbett 10 gelagert. Der Werkzeugschlitten ist direkt oder indirekt mit Anbauelementen verbunden, die in der bei- spielhaft dargestellten Werkzeugmaschine in Form einer Trä¬ gerplatte 7a, eines Ventils 7b, einer hydraulischen Komponen¬ te 7c und einer Kabelschleppe 7d vorliegen. Die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d dienen z.B. zur Steuerung und/oder Bewegung des Werkzeugschlittens. So versorgt z.B. die Kabelschleppe 7d den Antrieb des Werkzeugschlittens mit Energie und enthält die notwendigen Steuerleitungen zur Steuerung des Antriebs des Werkzeugschlittens. An das bewegbare Maschinenelement 4, dass in dem Ausführungs¬ beispiel in Form des Werkzeugschlittens vorliegt, wird einer¬ seits die Anforderung gestellt, dass dieses hochgenau entlang der Traverse 6 positioniert werden kann und andererseits hochdynamisch verfahren werden kann. Bei hochdynamischen Ver¬ fahrvorgängen treten hohe Beschleunigungskräfte auf, die in kurzer Zeit aufgebaut werden müssen, was einen entsprechend hohen Ruck erfordert. Hierbei treten im Wesentlichen zwei Probleme auf.

Die mechanische Anbindung der Anbauelemente an das bewegbare Maschinenelement muss auf den hohen Gradienten der mit den Beschleunigungskräften verbundenen Belastungen ausgelegt sein. Dies kann mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden sein.

Selbst wenn die Anbindung der Anbauelemente an das bewegbare Maschinenelement derart ausgeführt ist, dass die Anbauelemen¬ te den Belastungen standhalten, reagieren diese dennoch mit schlecht gedämpften Schwingungsbewegungen. Durch die dynami¬ sche Bewegung des Maschinenelements werden die Anbauelemente zum Schwingen angeregt. Die Rückwirkung dieser Schwingungen auf das bewegbare Maschinenelement hat eine erheblich vermin¬ derte Positioniergenauigkeit des bewegbaren Maschinenelements zur Folge.

In FIG 2 ist die schwingungstechnische Wirkung der Anbauele¬ mente auf das bewegbare Maschinenelement 4, das in dem Aus¬ führungsbeispiel in Form eines Werkzeugschlittens vorliegt, schematisiert dargestellt. Das Schwingungsverhalten ist in FIG 2 durch symbolisch dargestellte Federn angedeutet, wobei die Wirkrichtung der symbolisch dargestellten Federn in Rich¬ tung des Doppelpfeils 3 geht. Die Anbauelemente 7b, 7c und 7d schwingen jeweils im Wesentlichen mit ihrer jeweils zugehöri- gen Eigenfrequenz in Richtung des Doppelpfeils 3. Entspre¬ chend schwingt das Anbauelement 7a, das in dem Ausführungs¬ beispiel in Form einer Trägerplatte ausgebildet ist, mit meh¬ reren Frequenzen in Richtung des Doppelpfeils 3. Die Bezeich- nungen der übrigen Elemente in FIG 2 stimmen mit den Bezeich¬ nungen der Elemente in FIG 1 überein.

Aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 347 337 A2 ist ein Positionierungssystem mit einer Dämpfungsvorrichtung be¬ kannt .

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 40 Ol 981 Al ist ein Koordinatenmessgerät bekannt, wobei zur Verringerung von Schwingungen des freien Endes eines Messarms des Koordinaten- messgeräts, an dem ein Taskkopf befestigt ist, an dem Messarm eine Zusatzmasse beweglich aufgehängt ist.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 35 621 Al ist eine Vorrichtung zur piezoelektrischen Schwingungsbeeinflus¬ sung bei Maschinen der Druckindustrie bekannt.

Die oben aufgeführten Probleme führen bei handelsüblichen Ma¬ schinen zu einer Beschränkung der Maschinendynamik.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine einfache Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem be¬ wegbaren Maschinenelement zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem bewegbaren Maschinenelement einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine oder eines Robo¬ ters, wobei zur Entkoppelung das Anbauelement über eine Dämp¬ fungsvorrichtung mit dem Maschinenelement verbunden ist, wo- bei die Dämpfungsvorrichtung eine Wirbelstrombremse und ein Versteifungselement aufweist, wobei die Wirbelstrombremse ei¬ nen Magneten und eine Wirbelstromplatte aufweist, wobei durch ein Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte gegenüber dem Mag¬ neten in der Wirbelstromplatte Wirbelströme erzeugt werden, wobei die Wirbelstromplatte in Form einer mit Nuten versehe¬ nen Platte realisiert ist, wobei in die Nuten zum Kurzschlie¬ ßen der Wirbelströme ein Gitter aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist. Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenelement als Werkzeugschlit¬ ten ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Maschinenelementes als Werkzeugschlitten stellt eine handelsübliche Ausbildung des Maschinenelementes dar.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Anbauelement als Kabelschleppe, hydraulische Komponente, Trägerplatte oder als Ventil ausgebildet ist. Eine Ausbildung des Anbauelements als Kabelschleppe, hydraulische Komponente, Trägerplatte oder als Ventil stellt eine übliche Ausbildung des Anbauelements dar.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämpfungs- Vorrichtung eine Wirbelstrombremse und ein Versteifungsele¬ ment aufweist, da dann eine besonders wirkungsvolle Dämpfung der Schwingungen der Anbauelemente erreicht werden kann.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Verstei- fungselement als Federelement ausgebildet ist, da eine Aus¬ bildung des Versteifungselements als Federelement besonders kostengünstig ist.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wirbelstrom- bremse einen Magneten und eine Wirbelstromplatte aufweist, wobei durch ein Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte gegen¬ über dem Magneten in der Wirbelstromplatte Wirbelströme er¬ zeugt werden. Hierdurch wird eine besonders einfache Reali¬ sierung einer Wirbelstrombremse geschaffen.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Wirbel¬ stromplatte in Form einer mit Nuten versehenen Platte reali¬ siert ist, wobei in die Nuten zum Kurzschließen der Wirbel¬ ströme ein Gitter aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist, da dann die Wirbelströme beson¬ ders hoch werden, was eine besonders gute Dämpfung der Schwingungen zur Folge hat . Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämp¬ fungsvorrichtung in Form eines Stoßdämpfers ausgebildet ist, da ein Stoßdämpfer eine besonders einfach zu realisierende und handelsübliche Dämpfungsvorrichtung darstellt.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Dämp¬ fungsvorrichtung in Form von Piezobiegeelementen ausgebildet ist, da sich durch den Einsatz von Piezobiegeelementen eine gute Dämpfung erzielen lässt.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:

FIG 1 eine handelsübliche Werkzeugmaschine, FIG 2 das prinzipielle Schwingungsverhalten von Anbauelemen¬ ten, FIG 3 eine Darstellung des Prinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung, FIG 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, FIG 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, FIG 6 ein dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, FIG 7 eine mit Nuten versehene Platte und FIG 8 ein Gitter.

In FIG 3 ist schematisch das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Entkoppeln eines Anbauelementes von einem be¬ wegbaren Maschinenelement dargestellt. In FIG 3 sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der erfinderische Gedanke basiert darauf, die Anbauelemen¬ te 7a, 7b, 7c und 7d, die untereinander verbunden sind, nicht mehr starr mit den bewegbaren Maschinenelement 4, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Werkzeugschlittens vor¬ liegt, zu verbinden sondern zur Entkopplung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d von den bewegbaren Maschinenelement, die Anbauelemente über eine Dämpfungsvorrichtung 13 mit dem Ma¬ schinenelement 4 direkt oder indirekt zu verbinden. Die Dämp¬ fungsvorrichtung 13 weist dabei zur Dämpfung der Bewegung ein Dämpfungselement 14 und um die notwendige Steifigkeit der An- Ordnung zu realisieren ein Versteifungselement 15 auf, das in der Prinzipdarstellung gemäß FIG 3 in Form eines Federele¬ ments 15 dargestellt ist. Die Wirkrichtung des symbolisch dargestellten Dämpfungselements 14 und des symbolisch darge¬ stellten Versteifungselement 15 liegt in Richtung des Doppel- pfeils 3.

In FIG 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung dargestellt. Die in FIG 4 dargestellte Aus¬ führungsform entspricht im Wesentlichen der vorstehend in FIG 1 beschriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 1. Der wesentliche Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 1 besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 4 zur Entkopplung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d von dem bewegbaren Maschinenelement 4, die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d direkt oder indirekt über die Dämpfungsvorrichtung, die in dem Ausführungsbeispiel in Form einer Kombination ei¬ nes Dämpfungselementes 14 und eines Federelementes 15 vor¬ liegt, mit dem Maschinenelement 4 verbunden sind. In dem Aus- führungsbeispiel ist das Anbauelement 7a, das in dem Ausfüh¬ rungsbeispiel in Form einer Trägerplatte vorliegt zur Ent¬ kopplung über eine Dämpfungsvorrichtung mit dem Maschinenele¬ ment 4, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Werk¬ zeugschlittens ausgebildet ist, verbunden. Die Anbauelemente 7b, 7c und 7d sind mit der Trägerplatte 7a verbunden. Die Dämpfungselement 14 ist in dem Ausführungsbeispiel in Form einer Wirbelstrombremse realisiert. Als Federelement 15 kann z.B. eine handelsübliche Feder dienen. Das Federelement 15, als Bestandteil der Dampfungsvorrichtung, sorgt für die nöti- ge Steifigkeit zwischen den Anbauelementen 7a, 7b, 7c und 7d und dem Maschinenelement 4. Die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d sind über zwei Führungen 19a und 19b in beide Richtungen des Doppelpfeils 20 beweglich auf dem Maschinenelement 4 ge- lagert. Ein am Maschinenelement 4 angebrachter Magnet 18 er¬ zeugt ein Magnetfeld, das eine Wirbelstromplatte 21 durch¬ dringt. Durch einen Bewegungsvorgang der Wirbelstromplatte 21 gegenüber dem Magneten 18 werden in der Wirbelstromplatte 21 Wirbelströme erzeugt, die eine Bewegung der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d in beide Richtungen des Doppelpfeils 20 bedamp¬ fen.

Der Magnet 18 bildet zusammen mit der Wirbelstromplatte 21 eine Wirbelstrombremse. Mit Hilfe der Wirbelstrombremse kann eine hohe Dämpfung der Schwingungen der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d erreicht werden, was eine höhere Positioniergenau¬ igkeit des Maschinenelementes 4 und eine hohe dynamische Be¬ wegungsführung des Maschinenelementes 4 ermöglicht. Selbst- verständlich kann der Magnet 18 dabei aus mehreren Einzelmag¬ neten aufgebaut sein und/oder mehrere unterschiedlich magne- tisierte Bereiche aufweisen.

In FIG 7 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Wirbel- stromplatte 21 in einer Seitenansicht (obere Abbildung) und in einer Draufsicht (untere Abbildung) dargestellt. Die Wir¬ belstromplatte 21 ist dabei in Form einer mit Nuten versehe¬ nen Platte 26 realisiert, wobei in die Nuten zum Kurzschlie¬ ßen der Wirbelströme ein Gitter 22 aus einem Material mit ho- her elektrischer Leitfähigkeit angeordnet ist. Das Gitter 22 ist in einer Draufsicht in FIG 8 dargestellt, wobei das Git¬ ter 22, das in die Nuten der Platte 26 eingelegt wird, vor¬ zugsweise aus Kupfer besteht, während die Platte 26 aus einem magnetisch leitfähigem Material besteht. Die Wirbelströme er- reichen durch eine Ausbildung des Gitters mit einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ein besonders hohen Wert, so dass sich eine besonders gute Dämpfung der Schwin¬ gungen der Anbauelemente ergibt .

In FIG 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Vorrichtung dargestellt. Die in FIG 5 dargestellte Aus¬ führungsform entspricht im wesentlichen der in FIG 4 be¬ schriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in FIG 4. Der wesentliche Unterschied der Ausführungsform gemäß FIG 5 gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 4 besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 5 die Dämpfungsvorrichtung nicht durch eine Kombination einer Wirbelstrombremse mit ei¬ nem Versteifungselement ausgebildet ist, sondern dass die Dämpfungsvorrichtung in Form eines Stoßdämpfers 16, der das Anbauelement 7a mit dem Maschinenelement 4 verbindet, ausge¬ führt ist. Der Stoßdämpfer 16, der z.B. als handelsübliche erhältliche hydraulische Komponente aufgebaut sein kann, kann innerhalb eines einzelnen Elementes sowohl die notwendige Steifigkeit als auch die Dämpfung realisieren.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor- richtung ist in FIG 6 dargestellt. Die in FIG 6 dargestellte Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der in FIG 4 be¬ schriebenen Ausführungsform. Gleiche Elemente sind daher in FIG 6 mit den gleichen Bezugszeichen wie in FIG 1. Der We¬ sentliche Unterschied besteht der Ausführungsform gemäß FIG 6 gegenüber der Ausführungsform gemäß FIG 4 besteht darin, dass bei der Ausführungsform gemäß FIG 6 zur Entkopplung der An¬ bauelemente 7a, 7b, 7c und 7d von dem bewegbaren Maschinen¬ element 4 die Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d direkt oder in¬ direkt über eine Dämpfungsvorrichtung, die in der Ausfüh- rungsform gemäß FIG 6 in Form von Piezobiegeelementen ausge¬ bildet ist, mit dem Maschinenelement 4 verbunden ist. Der Übersichtlichkeit halber ist in FIG 6 nur ein einzelnes Pie- zobiegeelement 23 mit einer Bezeichnung versehen.

Mit Hilfe der Piezobiegeelemente können sowohl die notwendige Steifigkeit als auch die Dämpfung innerhalb eines einzelnen Elementes realisiert werden. Durch eine entsprechende Ansteu¬ erung der Piezobiegeelemente lassen sich diese in beide Rich¬ tungen des Doppelpfeils 20 elektronisch gesteuert verbiegen. Durch eine geeignete Ansteuerung der Piezobiegeelemente ent¬ gegengesetzt der momentanen Schwingungsrichtung der Anbauele¬ mente 7a, 7b, 7c und 7d kann eine hohe Dämpfung der Schwin¬ gungen der Anbauelemente 7a, 7b, 7c und 7d erreicht werden. Die Piezobiegeelemente werden hierfür mit Hilfe einer Steuer¬ einrichtung 24 entsprechend angesteuert, wobei die Steuerein¬ richtung 24 in dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG 6 integraler Bestandteil des bewegbaren Maschinenelementes 4 ist. Selbst- verständlich kann die Steuereinrichtung 24 auch außerhalb des Maschinenelements 4 angeordnet sein.

Die erfindungsgemäße Entkopplung der Anbauelemente von dem bewegbaren Maschinenelement weist zahlreiche Vorteile auf. So kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Entkopplung aller Anbauelemente in einem breiten Frequenzbereich reali¬ siert werden. Die Rückwirkungen von Anbauelementen auf ein bewegbares Maschinenelement wie z.B. einem Werkzeugschlitten können stark reduziert werden. Hierdurch wird einerseits eine höhere Positioniergenauigkeit des bewegbaren Maschinenelemen¬ tes erreicht und andererseits können bewegbare Maschineele¬ mente von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen oder Robo¬ ter mit einer gegenüber handelsüblicher Maschinen größeren Dynamik verfahren werden. Gleichzeitig werden die Anbauele- mente gegenüber handelsüblichen Werkzeugmaschinen, Produkti¬ onsmaschinen oder Robotern in einem Wesentlich geringeren Ma¬ ße durch Beschleunigungskräfte beansprucht, da durch die Dämpfungsvorrichtung, die auf die Anbauelemente übertragenen Kräfte sehr weich auf- und abgebaut werden, so dass die An- bauelemente geschont werden.