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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 × 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.
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Anstelle
von Torquemotoren kann man aber auch Synchronmotoren, Servomotoren
mit Messsystemen oder als besonders kostengünstige Variante Schrittmotoren
verwenden, nötigenfalls
unter Zwischenschaltung von Getriebeelementen.
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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.
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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.
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Das
Arbeitsprinzip der Erfindung, welches ein schnelles und energiesparendes
Verstellen des Prägekopfes
ermöglicht,
ist im Verfahrensanspruch 12 angegeben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Darin zeigen:
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1a und 1b Perspektivansichten
eines ersten Ausführungsbeispiels
mit einem Exzenter und Schrittmotoren;
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2a und 2b Perspektivansichten
eines zweiten Ausführungsbeispiels
mit zwei Exzentern und integrierten Torquemotoren;
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3a, 3b und 3c je
eine detailliertere Ansicht von unten, eine Seitenansicht und eine Perspektivansicht
der Prägekopf-Verstellbaugruppe von 2a und 2b;
und
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4 eine
schematische Ansicht der Prägekopf-Verstellbaugruppe
eines dritten Ausführungsbeispiels
von unten.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 × 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.
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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.
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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.