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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Einspannen eines Werkstücks umfassend zwei Kniehebel-Einheiten und weiterem Spann-Element.
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Beispielsweise werden Spannvorrichtungen dazu verwendet, Mechatronik-Baugruppen in einem Prüfstand auf einem Träger zu fixieren, so dass der Träger mit der Mechatronik-Baugruppe bspw. in unterschiedliche Prüfpositionen bewegt werden kann, ohne die relative Position der Mechatronik-Baugruppe gegenüber dem Träger zu verändern. Gerade bei einer solchen Fixierung von Mechatronik-Baugruppen über Spannvorrichtungen gelten sehr hohe Anforderungen an die Sauberkeit beim Handling der Baugruppen. Bei jedem Prozessschritt muss die Entstehung von Partikeln verhindert werden, da diese zu einer späteren Funktionsstörung der Mechatronik-Baugruppe führen könnten.
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Darüber hinaus sind derartige Mechatronik-Baugruppen meist aus verschiedenen Bauteilen zusammengesetzt, so dass sich diverse Toleranzen aufsummieren können, was beim Einspannen zu Problemen führen kann.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die vorgenannten Probleme zu überwinden. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Spannvorrichtung zu schaffen, die möglichst keine Partikel beim Einspannen/Freigeben entstehen lässt und die in gewissem Umfang unempfindlich gegenüber Toleranzen ist, insbesondere toleranzunabhängig eine vordefinierte Spannkraft bereitstellt.
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Diese Aufgabe wird von einer Spannvorrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung weist bevorzugt folgende Merkmale auf: ein Gehäuse, eine erste Kniehebel-Einheit, die einen ersten Kniehebelarm und einen mit dem ersten gelenkig verbundenen zweiten Kniehebelarm aufweist, wobei ein Ende des ersten Kniehebelarms am Gehäuse angebracht ist und ein Ende des zweiten Kniehebelarms eine Spannbacke bildet, die zwischen einer Freigabeposition und einer Spannposition bewegbar ist, einen Spann-Arm, dessen eines Ende gelenkig mit dem zweiten Kniehebelarm der ersten Kniehebel-Einheit verbunden ist und dessen anderes Ende über ein Spann-Element gegen einen am Gehäuse vorgesehenen Anschlag vorgespannt ist, eine zweite Kniehebel-Einheit, die einen dritten Kniehebelarm und einen mit dem dritten gelenkig verbundenen vierten Kniehebelarm aufweist, wobei ein Ende des dritten Kniehebelarms am Gehäuse angebracht ist und das eine Ende des vierten Kniehebelarms gelenkig mit dem ersten Kniehebelarm der ersten Kniehebel-Einheit verbunden ist, eine Hebel-Einheit, die einen Kurbelarm und einen mit diesem gelenkig verbundenen Pleuelarm aufweist, wobei ein Ende des Kurbelarms drehbar am Gehäuse und koppelbar mit einer Antriebswelle angebracht ist und ein Ende des Pleuelarms mit der zweiten Kniehebel-Einheit gelenkig verbunden ist, und einen weiteren Hebelarm, dessen eines Ende drehbar am Gehäuse angebracht ist und dessen anderes Ende mit dem Spann-Arm verbunden ist. wobei – in einer Spannposition – das andere Ende des Spann-Arms beabstandet zum Anschlag liegt und das Spann-Element dadurch den zweiten Kniehebelarm mit einer Spannkraft beaufschlagt.
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Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung ermöglicht ein toleranzunabhängiges Einspannen eines Werkstücks mit einer vordefinierten Spannkraft, die das Spann-Element, das bevorzugt als Feder ausgebildet ist, liefert. Das Einspannen eines Werkstücks erfolgt über eine schwenkbare Spannbacke, so dass eine minimale Relativbewegung zwischen Werkstück und Spannbacke beim Einspannen entsteht. Damit wird die Erzeugung von Partikeln reduziert.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Spannkraft, die das Spann-Element bereitstellt, einstellbar.
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Bevorzugt wirkt das Spannelement mit dem Hebelarm zusammen.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die vom Spann-Element bereitgestellte Spannkraft bspw. vergrößert werden kann, durch entsprechende Dimensionierung der Kniehebel-Einheit.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Spannvorrichtung;
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2A bis D schematische Darstellungen der Hebelmechanik innerhalb der Spannvorrichtung in unterschiedlichen Positionen; und
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3 eine perspektivische Darstellung der Spannvorrichtung mit teilweise geöffnetem Gehäuse.
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In 1 ist eine Spannvorrichtung perspektivisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Spannvorrichtung 10 dient grundsätzlich dazu, ein Werkstück, das in 1 mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet ist, bspw. auf einer Trägerplatte, auf der die Spannvorrichtung 10 ebenfalls montiert ist, festzuspannen. Die Einsatzbereiche der Spannvorrichtung 10 können vielfältig sein, wobei die vorliegende Spannvorrichtung bevorzugt in Prüfständen für Mechatronik-Baugruppen verwendet wird.
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Die Spannvorrichtung 10 weist ein bevorzugt geschlossenes Gehäuse 11 auf, das an einer Stirnseite eine Öffnung besitzt, durch die eine Spannbacke 14 ragt. Diese Spannbacke 14 kann über einen noch zu erläuternden Mechanismus in Richtung des Pfeils S verschwenkt werden, um darüber das Werkstück 12 mit einer in Richtung des Pfeils S wirkenden Kraft zu beaufschlagen. Als Widerlager dient bspw. die Trägerplatte, mit der die Spannvorrichtung 10 verbunden ist und die auch das einzuspannende Werkstück trägt. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in 1 diese Trägerplatte, auf der die Spannvorrichtung 10 mit ihrem Boden 18 aufliegt, nicht gezeigt.
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Der Antrieb für die Schwenkbewegung der Spannbacke 14 erfolgt über eine Antriebswelle 16, die seitlich in das Gehäuse 11 hineingeführt ist und mit dem noch zu erläuternden Mechanismus zusammenwirkt.
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Die Funktionsweise dieses Mechanismus wird nun anhand der schematischen Darstellungen in den 2A bis D näher erläutert. Die vier Darstellungen in 2 zeigen dabei den Mechanismus in vier unterschiedlichen Positionen, nämlich in einer Freigabeposition (2A), zwei Zwischenpositionen (2B, C) und einer Spannposition (2D).
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Der Mechanismus umfasst eine erste Kniehebel-Einheit 20, die zwei Kniehebelarme 22, 24 aufweist. Beide Kniehebelarme 22, 24 sind an ihren zugewandten Enden über ein Gelenk 26 drehbar miteinander verbunden. Das andere Ende des Kniehebelarms 22 ist drehbar über ein Gelenk 28 mit dem Gehäuse verbunden, so dass der Kniehebelarm 22 sowie der Kniehebelarm 24 schwenkbar um dieses Gelenk 28 sind. Das bedeutet mit anderen Worten, dass das Gelenk 26 nicht mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Am anderen Ende des Kniehebelarms 24 ist die Spannbacke 14 ausgebildet. Die Spannbacke 14 kann bspw. Teil des Kniehebelarms 24 sein oder bspw. als auswechselbares Bauteil am Kniehebelarm 24 angebracht sein.
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Der Mechanismus weist eine zweite Kniehebel-Einheit 30 auf, die ebenfalls zwei Kniehebelarme 32, 34 umfasst. Beide Kniehebelarme 32, 34 sind an ihren zugewandten Enden über ein Gelenk 36 drehbar miteinander verbunden. Das andere Ende des Kniehebelarms 32 ist über ein Gelenk 37 mit dem Kniehebelarm 22 drehbar verbunden, während das andere Ende des Kniehebelarms 34 über ein Gelenk 38 drehbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Das bedeutet, dass die beiden Kniehebelarme 32, 34 schwenkbar um das Gelenk 38 sind und der obere Kniehebelarm 34 zusätzlich schwenkbar um das Gelenk 36 ist.
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Der Mechanismus umfasst eine weitere Hebel-Einheit 40, die zwei Hebelarme 42, 44, nämlich Pleuelarm 42 und Hebelarm 44 aufweist, die an ihren zugewandten Enden über ein Gelenk 46 drehbar miteinander verbunden sind. Das andere Ende des Hebelarms 42 ist mit dem Gelenk 36 drehbar verbunden, während das andere Ende des Hebelarms 44 drehbar am Gehäuse angebracht ist.
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Der Hebelarm 44 weist an seinem dem Gelenk gegenüberliegenden Ende eine Öffnung 47 auf, die zur Aufnahme der Antriebswelle 16 dient. Bevorzugt ist diese Antriebswelle 16 als Welle mit Paßfeder ausgebildet, um eine drehfeste Verbindung mit dem Hebelarm 44 zu gewährleisten. Eine Drehung der Antriebswelle 16 führt folglich zu einer Drehung des Hebelarms 44 und einer entsprechende Auslenkung des Hebelarms 42. Die Antriebswelle 16 mit dem Hebelarm 44 wirken wie eine Kurbelwelle, die ein Pleuel in Form des Hebelarms 42 antreibt.
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Schließlich umfasst der Mechanismus noch eine Hebel-Einheit 50, die zwei Hebelarme 52, 54 aufweist. Die beiden Hebelarme 52, 54 sind an ihren zugewandten Enden über ein Gelenk 56 drehbar miteinander verbunden. Das andere Ende des Hebelarms 52 ist über ein Gelenk 57 mit dem Hebelarm 24 verbunden, während der Hebelarm 54 über ein Gelenk 58 mit dem Gehäuse drehbar verbunden ist. Das bedeutet, dass die beiden Hebelarme 52, 54 um das Gelenk 58 schwenkbar sind. Der eine am Gehäuse festgelegte Hebelarm 54 wirkt als Schwinge, die den anderen Hebelarm als Spann-Arm 52 auslenkt.
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Im Bereich des Gelenks 56 weist bspw. der Hebelarm 54 eine Anschlagfläche 60 auf, die mit einer entsprechenden Anschlagfläche 62 des Gehäuses zusammenwirkt.
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Schließlich umfasst der Mechanismus noch ein Spann-Element 70, das bspw. als Schraubenfeder 72 ausgebildet ist. Dieses Spann-Element 70 stützt sich mit einem Ende am Hebelarm 54 und mit dem anderen Ende, das mit dem Bezugszeichen 74 gekennzeichnet ist, am Gehäuse ab. Das bedeutet, dass der Hebelarm 54 mit einer nach unten in Richtung des Pfeils F wirkenden Kraft beaufschlagt ist und dadurch mit der Anschlagfläche 60 gegen die Anschlagfläche 62 des Gehäuses gedrückt wird.
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Die Funktionsweise dieses aus mehreren Kniehebel- und Hebel-Einheiten aufgebauten Mechanismus ist nun wie folgt:
Zum Verschwenken der Spannbacke 14 nach unten in Richtung des Werkstücks 12 wird die Antriebswelle 16 im Uhrzeigersinn gedreht. Durch die drehfeste Verbindung der Antriebswelle mit dem Hebelarm 44 schwenkt dieser ebenfalls im Uhrzeigersinn und verlagert den Hebelarm 42 in Richtung des Pfeils 80 (vgl. 2D). Diese Bewegung des Hebelarms 42 wird auf die zweite Kniehebel-Einheit 30 übertragen, so dass der Kniehebelarm 34 um das Gelenk 38 ebenfalls im Uhrzeigersinn geschwenkt wird. Diese Schwenkbewegung des Kniehebelarms 34 führt nun dazu, dass der obere Kniehebelarm 32 mit seinem Gelenk 37 in Richtung des Pfeils 82 nach oben wandert.
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Der Hebelarm 42 wird durch diese Bewegung um das ortsfeste Gelenk 28 im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt, so dass das Gelenk 26 ebenfalls nach oben geführt wird.
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Die Bewegung des Gelenks 26 nach oben führt zunächst dazu, dass der Kniehebelarm 24 mit der Spannbacke 14 um das Gelenk 57 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Das liegt daran, dass das Spann-Element 70 den Hebelarm 54 gegen die Anschlagfläche 62 des Gehäuses drückt, so dass der Hebelarm 52 verhindert, dass der gesamte Hebelarm 54 um das Gelenk 28 verschwenkt wird.
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Wie sich aus den 2B und C ergibt, wird also durch Drehung der Antriebswelle 16 im Uhrzeigersinn der Kniehebelarm 24 mit der Spannbacke 14 um das Gelenk 57 gedreht, so dass die Spannbacke 14 in Richtung des Werkstücks 12 wandert.
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Sobald die Spannbacke 14 am Werkstück 12 anschlägt, kann der Kniehebelarm 24 bei einer weiteren Drehung der Antriebswelle 16 nicht weiter um das Gelenk 57 drehen. Vielmehr führt eine weitere Drehung der Antriebswelle 16 dazu, dass das Gelenk 57 und damit der Hebelarm 52 nach oben wandert, solange bis die beiden Kniehebelarme 32, 34 eine gerade Linie bilden und die beiden Kniehebelarme 22, 24 in ihre Endposition gebracht haben. Bevorzugt liegen dann die beiden Kniehebelarme 22, 24 ebenfalls auf einer Linie.
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Durch die Bewegung des Hebelarms 52 nach oben, wird der Hebelarm 54 um das Gelenk 58 im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt, so dass sich die Anschlagfläche 60 von der Anschlagfläche 62 des Gehäuses löst.
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Damit wird schließlich erreicht, dass die Kraft des Spann-Elements 70 über den Hebelarm 54 und 52 auf den Kniehebelarm 24 und damit auf die Spannbacke 14 in Richtung des Pfeils S wirkt. Das Spann-Element 70 erzeugt folglich die zum Spannen erforderliche Spannkraft.
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Die auf das Werkstück wirkende Spannkraft ist somit entkoppelt von dem Antrieb der Antriebswelle 16 und kann definiert durch entsprechende Wahl eines Spann-Elements 70 eingestellt werden.
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Der Vorteil des zuvor beschriebenen Mechanismus liegt unter anderem darin, dass eine gleichbleibende Spannkraft über einen sehr großen Bereich gewährleistet ist, wobei die Spannkraft über das Spann-Element einstellbar ist. Darüber hinaus gewährleistet der beschriebene Mechanismus eine Toleranzunabhängigkeit in gewissem Umfang, so dass ein sicheres Einspannen auch bei unterschiedlichen Werkstückhöhen möglich ist. Darüber hinaus ist die Spannvorrichtung lageunabhängig einsetzbar, so dass eine hohe Flexibilität erreicht wird.
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In 3 ist die Spannvorrichtung 10 nochmals in perspektivischer Ansicht dargestellt, wobei ein unterer Bereich des Gehäuses weggelassen ist. Aus dieser Darstellung ergibt sich, dass die beschriebenen Kniehebelarme auch durch zwei parallel zueinander liegende Kniehebelarme gebildet sein können. So ist bspw. der Kniehebelarm 44 in Form von zwei parallelen Kniehebelarmen 44.1 und 44.2 gebildet, die zwischen sich bspw. einen Kniehebelarm 42 aufnehmen. Durch diese Ausgestaltung lässt sich das Drehmoment der Antriebswelle 16 besser übertragen, da die Antriebswelle mit zwei Kniehebelarmen 44.1 und 44.2 zusammenwirkt.
