-
Die Erfindung betrifft eine Markiervorrichtung mit einem Prägekopf, der eine entlang einer Achse des Prägekopfes hin und her bewegliche Prägespitze aufweist, und mit einer Stelleinrichtung zum Verstellen des Prägekopfes in einer zur Achse des Prägekopfes senkrechten Verstellebene, sowie ein Verfahren zum Verstellen eines solchen Prägekopfes beim Markieren von Werkstücken mit zweidimensionalen Codes oder Klarschrift.
-
So eine Markiervorrichtung und das entsprechende Verfahren sind aus der
DE 102 57 178 A1 bekannt. Als Stelleinrichtung dienen gekoppelte Schlitten mit Linearführungen und Zahnstangenantrieb, mit denen der Prägekopf in den X- und Y-Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems verfahrbar ist, dessen Z-Richtung der Hubrichtung des Prägekopfes entspricht.
-
Solche X-Y-Linearführungen und die dazugehörigen Antriebe haben einen großen Platzbedarf in der Verstellebene und einen auskragenden Masseschwerpunkt. Da der Schlitten für die eine Richtung die gesamte Anordnung aus Linearführungen, Schlitten und Zahnstangenantrieb für die andere Richtung stabil tragen und bewegen muss, sind die zu bewegenden Massen groß, was die Verstellgeschwindigkeit begrenzt. Außerdem benötigt man aufwändig herzustellende Abdeckungen.
-
Aus der
EP 0 371 896 A1 ist außerdem eine Markiervorrichtung bekannt, bei der der Prägekopf nach Art eines Pendels um einen gewissen Drehwinkel um eine Achse schwenkbar ist, die in einem relativ großen Abstand vom Prägekopfes senkrecht zur Arbeitsrichtung des Prägekopfes liegt. Da sich der Abstand des Prägekopfes von der zu bearbeitenden Fläche in Abhängigkeit vom Drehwinkel ändert, ist die Größe der markierbaren Fläche sehr beschränkt, das erzeugte Zeichenbild ungleichmäßig und die Bauhöhe der Markiervorrichtung unverhältnismäßig groß. Außerdem muss beim Verstellen des Prägekopfes ein großes Drehmoment überwunden werden.
-
Die
DD 105 414 beschreibt eine Vorrichtung zum Anreißen von Profilstücken, bei der eine Reißnadel kontinuierlich um eine in einem Abstand von ihrer Achse und parallel dazu verlaufende Drehachse gedreht wird, wobei die Reißnadel im Zusammenwirken mit einer Werkstücksupportbewegung ein Profilband in Form einer Aneinanderreihung von Kreisbögen auf dem Profilstück erzeugt. Außerdem ist die Reißnadel um eine weitere in einem Abstand von ihrer Achse und parallel dazu verlaufende Drehachse schwenkbar, um den Radius der Kreisbögen fest einstellen zu können. Der Verlauf des Profilbandes mit fest eingestellter Breite wird allein durch die Werkstücksupportbewegung bestimmt. Hiermit lassen sich keine zweidimensionalen Codes auf den Werkstücken markieren.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompaktere, robuste und aus weniger Bauteilen bestehende Markiervorrichtung und ein Verfahren zum schnellen und energiesparenden Verstellen eines Prägekopfes bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Markiervorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Exzenter-Mechanik ist der Prägekopfträger exzentrisch an einem Zwischenträger gelagert, der wiederum exzentrisch an einer Basis gelagert ist, wobei die Arbeitsrichtung des Prägekopfes und die Drehachsen achsparallel sind.
-
Eine besonders kompakte und robuste Bauweise wird ermöglicht, wenn der Prägekopfträger ein innerer, vorzugsweise zylinderförmiger Exzenter ist und der Zwischenträger ein äußerer Exzenter, vorzugsweise ringförmiger Exzenter ist, an dem der innere Exzenter gelagert ist bzw. in den der innere Exzenter radial eingebettet ist. Diese Rundteile können bei gleicher Stabilität mit geringerem Gewicht hergestellt werden als langgestreckte gerade Bauteile, z.B. aus Leichtmetall, und wegen der kleineren bewegten Massen gibt es weniger Schwingungsprobleme, so dass die Prägefrequenz hoch sein kann. Insbesondere hat man es nicht mit einander mehr oder weniger addierenden Wirkkräften in den X- und Y-Richtungen zu tun, sondern mit tangential umlaufenden Wirkrichtungen, wobei sich die Wirkkräfte teilweise gegenseitig kompensieren.
-
Die zum Antrieb erforderlichen Drehbewegungen können sehr viel leichter erzeugt werden als Linearbewegungen. Insbesondere kann man rotatorische Antriebe platzsparend in die Markiervorrichtung integrieren, in einer bevorzugten Ausführungsform als einen inneren Torquemotor-Ring, der in einem ringförmigen Spalt zwischen dem inneren Exzenter und dem äußeren Exzenter angeordnet und dafür eingerichtet ist, den inneren Exzenter und den äußeren Exzenter relativ zueinander zu drehen, und einen äußeren Torquemotor-Ring, der den äußeren Exzenter umgibt und dafür eingerichtet ist, den äußeren Exzenter relativ zu der Basis zu drehen.
-
Noch mehr Platz und Aufwand lassen sich sparen, wenn man nur einen Torquemotor-Ring mit Innen- und Außenwicklungen verwendet, der in einem ringförmigen Spalt zwischen dem inneren Exzenter und dem äußeren Exzenter angeordnet, drehfest mit der Basis verbunden und dafür eingerichtet ist, den inneren Exzenter und den äußeren Exzenter unabhängig voneinander zueinander zu drehen.
-
Torquemotoren, d.h. die Kombination von Hohlwellen- und Linearmotoren, speziell rotatorische Direktantriebe, die wie ein permanent erregter Synchronmotor aufgebaut sind und bei niedriger Drehzahl ein hohes Drehmoment erzeugen, sind für die Erfindung besonders geeignet, da sie den Verzicht auf Gewindespindeln mit Lagern, auf Linearführungen, auf Gehäuse und auf Faltenbälge gestatten. Es gibt praktisch nur ineinander gesteckte Drehteile, Motorelemente, maximal 3 x 2 Wälzlager, einen Kabelstrang und den zentralen Prägekopf mit seinen Anschlüssen. Zur Abdichtung genügen ein Wellendichtring unten und eine Deckelscheibe oben. Somit werden die Teilezahl und die Materialkosten reduziert, und die Fertigung und Montage wird vereinfacht.
-
Anstelle von Torquemotoren kann man aber auch Synchronmotoren, Servomotoren mit Messsystemen oder als besonders kostengünstige Variante Schrittmotoren verwenden, nötigenfalls unter Zwischenschaltung von Getriebeelementen.
-
Wenn die beiden Exzenter jeweils um 360° drehbar sind, kann man z.B. ein quadratisches Schriftfeld erzeugen, dessen Diagonale durch den Gesamthub der beiden Exzenterhübe begrenzt wird. Wenn dies nicht ausreicht, oder zur Vorpositionierung des Prägekopfes auf einem Werkstück, kann man zusätzliche Linearverstelleinrichtungen zur Verstellung der Baugruppe aus Prägekopf und Exzentern in der X- und/oder Y-Richtung vorsehen. Die Linearverstelleinrichtungen müssen nur gelegentlich betätigt werden, um die Baugruppe mit Prägekopf und Exzentern eine Schriftfeldbreite weit zu verstellen. Dabei spielen Schwingungsprobleme keine Rolle.
-
Wenn man ohnehin mindestens eine Linearverstelleinrichtung vorsieht, kommt man auch mit einer einzigen exzentrischen Prägekopflagerung aus, wie in der alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 9 angegeben. Diese Ausführungsform kann man eher auf Basis von erprobten und kostengünstigen Bauteilen für Markiervorrichtungen wie z.B. Zahnriemen und Schrittmotoren realisieren, wenngleich sie weniger kompakt und schwingungsarm ist als die Ausführungsform von Anspruch 1.
-
Das Arbeitsprinzip der Erfindung, welches ein schnelles und energiesparendes Verstellen des Prägekopfes ermöglicht, ist im Verfahrensanspruch 12 angegeben.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
- 1a und 1b Perspektivansichten eines ersten Ausführungsbeispiels mit einem Exzenter und Schrittmotoren;
- 2a und 2b Perspektivansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels mit zwei Exzentern und integrierten Torquemotoren;
- 3a, 3b und 3c je eine detailliertere Ansicht von unten, eine Seitenansicht und eine Perspektivansicht der Prägekopf-Verstellbaugruppe von 2a und 2b; und
- 4 eine schematische Ansicht der Prägekopf-Verstellbaugruppe eines dritten Ausführungsbeispiels von unten.
-
Die Markiervorrichtung im ersten Ausführungsbeispiel ist in 1a und 1b aus einander entgegengesetzten Richtungen perspektivisch gezeigt, d.h. die auf dem Zeichnungsblatt eingezeichneten X-, Y- und Z-Richtungen eines kartesischen Koordinatensystems sind in 1a und 1b koaxial.
-
Die Markiervorrichtung enthält einen konischen Prägekopf 2, der eine entlang seiner Symmetrieachse hin und her bewegliche Prägespitze 4 aus Hartmetall zum Prägen oder Sticheln von Vertiefungen in ein nicht gezeigtes Werkstück enthält. Der Antrieb der Prägespitze 4 ist in den Prägekopf 2 integriert und kann zum Beispiel elektromagnetisch oder pneumatisch sein. Die Symmetrieachse bzw. Arbeitsrichtung des Prägekopfes verläuft entlang der Z-Achse des Koordinatensystems.
-
Der Prägekopf 2 sitzt auf einer ebenen Seite eines zylindrischen Prägekopfträgers 6, der um seine Mittelachse drehbar an einem Schlitten 8 gelagert ist, wobei die Mittelachse des Prägekopfträgers 6 entlang der Z-Achse des Koordinatensystems verläuft. Der Prägekopf 2 sitzt achsparallel, aber in einem gewissen Abstand von der Drehachse des Prägekopfträgers 6, d.h. exzentrisch dazu.
-
Der Schlitten 8 enthält eine rechteckige Platte, die sich in der X-Y-Ebene erstreckt und auf ihrer dem Prägekopf 2 abgewandten Seite angeformte Blöcke enthält, von denen einer verschiebbar auf einer Linearführung 10 sitzt, die an einer nicht gezeigten Prägemaschine oder anderen Basis zu befestigen ist. Ein anderer am Schlitten 8 angeformter Block enthält eine Gewindebohrung, durch die eine Spindel 12 mit einer Spindelmutter, die nicht dargestellt ist, hindurchgeht, die sich bezüglich der Prägemaschine oder anderen Basis ortsfest, aber drehbar entlang der X-Achse erstreckt und über Zahnscheiben 14, 16 und einen Zahnriemen 18 an einen Schrittmotor 20 gekoppelt ist, so dass der Schlitten 8 mittels des Schrittmotors 20 entlang der X-Achse beweglich ist.
-
Seitlich am Schlitten 8 ist ein weiterer Schrittmotor 22 befestigt, der eine Zahnscheibe 24 antreibt, die sich in derselben Ebene wie der zylindrische Prägekopfträger 6 erstreckt. Ein Zahnriemen 26 verläuft um die Zahnscheibe 24 und den mit einer entsprechenden Verzahnung versehenen Außenumfang des Prägekopfträgers 6 herum, um den Prägekopfträger 6 mittels des Schrittmotors 22 drehen zu können.
-
Durch geeignetes Drehen des Prägekopfträgers 6 und Linearverschieben des Schlittens 8 kann der Prägekopf 2 an beliebige Stellen in einem langgestreckten Oval manövriert werden, das sich in der X-Y-Ebene erstreckt. Dabei sind einzelne Stellen in einem rechteckigen Raster anzufahren, um Werkstücke mit zweidimensionalen Codes oder Klarschrift zu codieren.
-
Eine Steuerung der Schrittmotoren 20 und 22, um diese Stellen nacheinander anzufahren, muss geeignet überlagerte Drehbewegungen des Prägekopfträgers 6 und Linearverschiebungen des Schlittens 8 hervorrufen, was etwas komplizierter als die Steuerung zweier orthogonaler geradliniger Bewegungen ist, aber mittels Software unschwer zu erreichen ist.
-
Wie aus 2a und 2b ersichtlich, hat die darin gezeigte Markiervorrichtung des zweiten Ausführungsbeispiels mit dem ersten Ausführungsbeispiel einige Elemente gemeinsam, welche mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und hier nicht nochmals erläutert werden. Der Schrittmotor 22, die Zahnscheibe 24 und der Zahnriemen 26 des ersten Ausführungsbeispiels sind im zweiten Ausführungsbeispiel nicht vorhanden.
-
Im zweiten Ausführungsbeispiel sitzt der Prägekopf 2 auf einer ebenen Seite einer zylinderförmigen Verstellbaugruppe 30, die an Stelle des Prägekopfträgers 6 in 1a und 1b am gleichen Ort auf dem Schlitten 8 befestigt ist.
-
Wie in 2a und 2b und detaillierter in 3a, 3b und 3c gezeigt, enthält die Verstellbaugruppe 30 ein topfförmiges Gehäuse 32, in dem mittels äußerer Lager 34 (3c) ein topfförmiger äußerer Exzenter 36 drehbar gelagert ist, der ein exzentrisches Sackloch aufweist, in dem mittels innerer Lager 38 ein innerer Exzenter 40 drehbar gelagert ist, der eine freiliegende ebene Seite hat, auf der der Prägekopf 2 exzentrisch befestigt ist. In einem ringförmigen Spalt zwischen dem Gehäuse 32 und dem äußeren Exzenter 36 ist in äußerer Torquemotor-Ring 42 am Gehäuse 32 befestigt, und in einem ringförmigen Spalt zwischen dem äußeren Exzenter 36 und dem inneren Exzenter 40 ist ein innerer Torquemotor-Ring 44 am äußeren Exzenter 36 befestigt.
-
Die Torquemotor-Ringe 42 und 44 enthalten Wicklungen, die zur Platzgewinnung für die Exzenterkonturen segmentiert sind und über nicht gezeigte Zuleitungen mit Strom versorgt werden, der Magnetfelder erzeugt, die mit nicht gezeigten Permanentmagneten wechselwirken, die rings um die äußeren Exzenter 36 und inneren Exzenter 40 angebracht sind. Durch geeignete und bekannte Ansteuerung der Torquemotor-Ringe 42 und 44 können die darin liegenden Exzenter 36 und 40 gedreht werden. Insbesondere wird der äußere Exzenter 36 durch den äußeren Torquemotor-Ring 42 relativ zum Gehäuse 32 gedreht, und der innere Exzenter 40 wird durch den inneren Torquemotor-Ring 44 relativ zum äußeren Torquemotor-Ring 42 gedreht. Mittels der zwei kombinierten Exzenterbewegungen kann der Prägekopf 2 an beliebige Stellen in einem Kreis oder einer Ellipse in der X-Y-Ebene manövriert werden, wobei wie im ersten Ausführungsbeispiel einzelne Stellen in einem rechteckigen Raster angefahren werden, um Werkstücke mit zweidimensionalen Codes zu codieren.
-
Die richtige Ansteuerung der Torquemotor-Ringe 42 und 44 erfolgt mit Hilfe von Software, die eine Koordinatentransformation vornimmt, die denjenigen ähnelt, die man für Bogenschriften, beim Zirkularfräsen und bei Verzahnungsmaschinen verwendet.
-
Die Software und zugehörige Elektrik erzeugen eine bzw. richten sich nach einer Master-Slave-Hierarchie von äußeren Exzenter 36 zum inneren Exzenter 40, so dass der größere Wirkradius des Torquemotor-Rings 42 bei gleichem Haltemoment als Festlager für die kinematischen Kräfte dient, die der innere Torquemotor-Ring 44 erzeugt. Bei der Auslegung der Elektrik ist auf geringe Rotationsbeanspruchung der Stromzuleitungen zu achten, und die nötigen Drehrichtungswechsel können von der Software vorgenommen werden.
-
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die Linearverstelleinrichtung des ersten Ausführungsbeispiel, die den Schlitten 8, die Linearführung 10, die Spindel 12, die Zahnscheiben 14 und 16, den Zahnriemen 18 und den Schrittmotor 20 enthält, nicht nötig, wenn die Exzentrizitäten groß genug sind, um ein rechteckiges Raster mit der gewünschten Größe anzufahren. Typische Abmessungen sind zum Beispiel eine Verstellbaugruppe 30 in Form eines gedrungenen Zylinders von etwa 160 mm Durchmesser und Exzentrizitäten zur Realisierung eines Schriftfeldes von z.B. 16 x 16 mm. Die vorgeschaltete zusätzliche Linearverstelleinrichtung ist aber nützlich, um langgestreckte Beschriftungen zu erzeugen, wobei einfach ein quadratisches Schriftfeld neben das andere gesetzt wird. Entsprechend kann man noch eine vorgeschaltete Linearverstelleinrichtung für die Richtung quer dazu vorsehen, falls gewünscht. Solche zusätzlichen Linearverstelleinrichtungen können auch zur Positionierung des Prägekopfes auf einem Werkstück vor dem Prägen dienen.
-
4 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel schematisch eine Verstellbaugruppe 30' von unten, welche die Verstellbaugruppe 30 des zweiten Ausführungsbeispiels ersetzen kann und ähnlich aufgebaut ist, mit dem Unterschied, dass statt zweier Torquemotor-Ringe 42 und 44 ein einziger Torquemotor-Ring 46 vorgesehen ist, der in einem Spalt zwischen einem äußeren Exzenter 36' und einem inneren Exzenter 40' liegt und Wicklungen und Zuleitungen sowohl für den äußeren Exzenter 36' als auch den inneren Exzenter 40' aufweist. Um sowohl den äußeren Exzenter 36' als auch den inneren Exzenter 40' unabhängig voneinander drehen zu können, ist der Torquemotor-Ring 46 drehfest mit dem Gehäuse 32' oder einer anderen Basis gekoppelt. Die Exzenter 36' und 40' sind mittels nicht eingezeichneter Wälzlager am Gehäuse 32' gelagert. Auf dem inneren Exzenter 40' ist exzentrisch der Prägekopf 2' befestigt. Mehrere achsparallele Bohrungen 48 in den Exzentern 36' und 40' ermöglichen den Zutritt von Kühlluft zur Ableitung der vom Torquemotor-Ring 46 erzeugten Wärme.
-
Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.