DE3914059A1

DE3914059A1 - Vorrichtung zur festlegung der eingriffstiefe eines gravierstichels in ein zu gravierendes werkstueck

Info

Publication number: DE3914059A1
Application number: DE3914059A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Wissner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1989-04-28
Publication date: 1990-10-31
Also published as: DE3914059C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Festlegung der Eingriffstiefe eines Gravierstichels in ein zu gravierendes Werkstück, mit einer eine Gravierspindel aufnehmenden Spanneinheit, wobei in der Gravierspindel der Gravierstichel drehbar gelagert ist, mit einer die Oberfläche des Werkstücks berührenden Abtastnase und mit einem CNC- Antrieb für die z-Achse der Spanneinheit. Die in Rede stehende Vorrichtung ist an eine Graviermaschine ansetzbar bzw. Bestandteil einer solchen Graviermaschine.

Beim Gravieren von Werkstücken besteht das Problem, die Eingriffstiefe des Gravierstichels konstantzuhalten. Dieses Problem beginnt bereits bei plattenförmigen, weitgehend ebenen Werkstücken, deren Oberfläche bzw. Materialdicke nicht überall konstant ist, so daß das Werkstück eine Krümmung besitzt. Solche leichten Krümmungen werden in der Regel bereits durch eine gute Aufspannung des Werkstücks an der Graviermaschine beseitigt. Außerdem kann das zu gravierende Werkstück örtlich unterschiedliche Wandstärken aufweisen oder selbst in sich gewölbt ausgebildet sein, so daß bei gegebener z-Achsen-Steuerung unterschiedlich große Eindringtiefen resultieren. Damit ergeben sich örtlich unterschiedlich breite Gravierstriche, je nach der Eindringtiefe, weil der Gravierstichel in der Regel kegelförmig ausgebildet ist.

Um dem aufgezeigten Problem zu begegnen, ist bereits eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art bekannt. Dabei wird die den Gravierstichel tragende Gravierspindel in der z-Achse, also in vertikaler Richtung, axial beweglich an der Spanneinheit gelagert. Es ist eine Abtastnase vorgesehen, die an der Gravierspindel feststehend gelagert ist und auf der Oberfläche des Werkstücks während des Graviervorgangs aufliegt. Der Gravierstichel ist mit einem der Eindringtiefe entsprechenden Überstand gegenüber der Abtastnase montiert. Die Abtastnase schleift beim Gravieren über die Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks. Auf diese Art und Weise wird die Eingriffstiefe konstantgehalten. In vorteilhafter Weise ist es damit möglich, die Eingriffstiefe unabhängig von der Materialstärke des Werkstücks in etwa konstantzuhalten. Jedoch entsteht zwischen der Abtastnase und der Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks eine entsprechende Flächenpressung, verursacht durch das Auflagegewicht der Gravierspindel und der Abtastnase einschließlich des Gravierstichels. Diese nicht unerhebliche Flächenpressung bewirkt auch, daß aus dem zu gravierenden Werkstück herausgeholte Späne von der Abtastnase in die Oberfläche des Werkstücks eingedrückt werden, so daß erhebliche Schleif- und Kratzspuren auf der Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks entstehen können, insbesondere bei empfindlicher Oberfläche, durch die Werkstückoberfläche unansehnlich wird, so daß nicht nur der Graviervorgang umsonst durchgeführt wurde, sondern auch noch das Werkstück unbrauchbar geworden ist. Durch die Abtastnase wird weiterhin die Späneabfuhr von der Werkstückoberfläche erheblich behindert. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist darin zu sehen, daß durch die axiale Lagerung der Gravierspindel mit dem Gravierstichel notwendigerweise Lagerluft vorgesehen sein muß, weil die Lagerung leichtgängig ausgebildet ist. Diese Lagerluft beeinträchtigt jedoch die Sauberkeit des Gravierbilds. Weiterhin ist nachteilig, daß der Steigungswinkel am Werkstück begrenzt bzw. beschränkt ist. Gewölbte Oberflächen können auf diese Art und Weise nur bedingt bearbeitet werden. Da die axiale Lagerung der Gravierspindel gegenüber der Spanneinheit eine nur vergleichsweise kurze axiale Länge aufweist, ist auch der Hub der Gravierspindel entsprechend begrenzt. Die Eingriffstiefe ist an dieser bekannten Vorrichtung nur mit großem mechanischen Aufwand und darüber hinaus manuell schwer durchführbar veränderbar.

Es ist eine weitere Vorrichtung zur Festlegung der Eingriffstiefe bekannt, die das Prinzip eines Luftkissens anwendet. Es wird hier über eine Abtastnase Luft zum Ausströmen auf die Oberfläche des Werkstücks ausgeblasen. Dabei soll die Abtastnase auf diesem Luftkissen über der Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks schweben, damit ein direkter Kontakt zu der Werkstückoberfläche mit all seinen sich ergebenden Nachteilen vermieden wird. Damit entstehen in vorteilhafter Weise auf der Werkstückoberfläche weniger Kratz- und Schleifspuren. Nachteilig ist, daß die Eingriffstiefe nicht exakt eingehalten werden kann und beispielsweise bei einer gewölbten Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks von dem jeweiligen Gravierort abhängig ist. Auch wenn der Gravierstichel auf der zu gravierenden Oberfläche in Bereiche kommt, in denen bereits eine oder mehrere Gravierlinien graviert wurden, versagt das Luftkissenprinzip, weil durch die gravierten Linien sich der Widerstand des Luftkissens ändert und damit die Gravierspindel vergleichsweise tiefer in die Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks einsinkt. Auf balligen Oberflächen ist dieses Prinzip ohnehin nicht einsetzbar. Darüber hinaus besteht für die Luftversorgung und -steuerung ein erheblicher maschineller Aufwand. Der Hub ist zudem begrenzt. Die Anwendung des Luftkissenprinzips setzt weiterhin voraus, daß die Führung der auch hier axial beweglich gelagerten Gravierspindel an der Spanneinheit besonders leichtgängig ausgebildet sein muß, so daß auch hier die notwendige Lagerluft zu den bereits beschriebenen prinzipiellen Nachteilen in der Sauberkeit des Gravierbilds führt. Die Eingriffstiefe selbst läßt sich nur sehr schwer verstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Möglichkeit besteht, die Eingriffstiefe des Gravierstichels bei wesentlich geringerem Anpreßdruck der Abtastnase konstantzuhalten.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Gravierspindel an der Spanneinheit fest angeordnet ist, daß die Abtastnase federnd ausgebildet ist und mit der Gravierspindel oder der Spanneinheit verbunden ist, daß im Federweg der Abtastnase ein Sensor vorgesehen ist, der je nach Federweg unterschiedliche elektrische Signale an eine Auswerteelektronik abgibt, über die der CNC-Antrieb angesteuert wird. Wichtig ist dabei, daß die Abtastnase nicht mehr als fester Körper ausgebildet ist, was im Stand der Technik prinzipiell notwendig ist, damit überhaupt der Überstand des Gravierstichels gegenüber der Abtastnase eingehalten und die axiale Lagerung gesteuert werden kann, sondern federnd nachgiebig. Durch diese federnd nachgiebige Ausbildung der Abtastnase wird es prinzipiell erst möglich, geringere Abtastdrücke anzuwenden, so daß Kratz- und Schleifspuren weitgehend vermieden werden, die Späne leichter abgeführt werden können und nicht in die Oberfläche des zu gravierenden Werkstücks eingedrückt werden. Durch die Einschaltung des Sensors und die Ausnutzung des CNC-Antriebs in der vertikalen z-Achse wird ein Regelkreis geschaffen, bei dem der ohnehin erforderliche CNC-Antrieb in der z-Achse geschickt ausgenutzt wird. Die Eindringtiefe wird damit erstmals geregelt und nicht mehr gesteuert.

Mit der neuen Vorrichtung werden Fehler vermieden, die sich insbesondere bei sich kreuzenden Gravierlinien, z. B. bei einer Oberflächenstruktur des Werkstücks, sonst einstellen würden. Der Sensor, also das eigentliche Element, welches den Regelkreis mitbestimmt, ist nicht mehr wie bei der bekannten Steuerung direkt an der Abtastnase und damit im Bereich der Oberfläche des Werkstücks angeordnet, sondern nunmehr außerhalb der Oberfläche lediglich im Bereich des Federwegs der Abtastnase. Die Vorrichtung kann über den gesamten Verfahrweg der z-Achse ausgenutzt werden, so daß der mögliche Hub erheblich ausgeweitet ist und nicht mehr auf die Relativbewegungsmöglichkeit zwischen Gravierspindel und Spanneinheit begrenzt ist. Auch ist vorteilhaft der Neigungswinkel an der Oberfläche eines Werkstücks, der mit der Vorrichtung noch beherrschbar ist, wesentlich vergrößert. Auch die Graviergenauigkeit wird gesteigert, da die Gravierspindel straffer geführt ist; es entfällt die bewegliche Lagerung der Gravierspindel im Stand der Technik. Hierdurch erhöht sich vorteilhaft auch die Steifigkeit der Vorrichtung bis in den Bereich des Gravierstichels.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Stellglied zur Abgabe eines Korrektur- oder Einstellsignals auf die Auswerteeinheit vorgesehen ist. Mit einem solchen Stellglied kann eine feinfühlige Einstellung auch sehr niedriger Anpreßdrücke der Abtastnase erfolgen, so daß auf diese Art und Weise auch sehr empfindliche Werkstücke mit vergleichsweise dünner, gewölbter Wandstärke bearbeitet werden können, ohne daß der Gravierstichel das Werkstück in unzulässiger Weise eindrückt o. dgl. Das Stellglied ist schließlich eine sehr einfach, schnell und sicher zu handhabende Möglichkeit, um die Eingriffstiefe variabel einstellbar zu machen.

Die Auswerteelektronik weist in der Regel einen Verstärker für das von dem Sensor abgegebene Signal auf, wie es für die Ausbildung im Regelkreis und das Ansprechen des CNC-Antriebs für die z-Achse erforderlich ist. Die Auswerteelektronik kann im Fall der Anordnung eines Stellglieds einen Differentialverstärker für das von dem Sensor abgegebene und das von dem Stellglied überlagerte Korrektur- oder Einstellsignal aufweisen.

Als Sensor können ganz verschiedene Elemente eingesetzt werden. So ist es möglich, als Sensor eine Differentialspule, eine Hall-Sonde, eine kapazitive oder induktive Meßdose oder eine Kraft-Meßdose oder auch ein Linear-Potentiometer o. dgl. vorzusehen.

Die Vorrichtung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht der Vorrichtung in ihrem mechanischen Aufbau,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Regelkreises und

Fig. 3 einen weiteren möglichen Regelkreis.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, so daß die vertikale z- Achse 1 in der Zeichenebene liegt. Der CNC-Antrieb 2 für diese z-Achse 1 ist hier nur ganz schematisch wiedergegeben. Der CNC-Antrieb 2 wirkt auf eine Spanneinheit 3 ein, mit der eine Gravierspindel 4 fest verbunden ist, so daß über den CNC-Antrieb 2 die Spanneinheit 3 und die damit verbundene Gravierspindel 4 in vertikaler Richtung gemäß z-Achse 1 verfahrbar sind. In der Gravierspindel 4 ist über eine Pinole ein Gravierstichel 6 rotierend angetrieben, wobei ein Lager 7 für die drehbare Lagerung der Pinole in der Gravierspindel 4 vorgesehen ist. Es ist ein Ausschnitt aus einem Werkstück 8 im Schnitt dargestellt, welches eine Oberfläche 9 aufweist, in die die Spitze des Gravierstichels 6 mit einer Eingriffstiefe 10 eingreift und dabei den gewünschten Gravierstrich hinterläßt bzw. in die Oberfläche 9 und das Werkstück 8 einformt.

Mit der Spanneinheit 3 (oder auch der Gravierspindel 4) ist ein Sensorgehäuse 11 fest verbunden, welches die dargestellte offene Ringform aufweist und im Bereich eines federnden Schenkels 12 mit einer Abtastnase 13 versehen ist. Der federnde Schenkel 12 kann auch direkt als Abtastnase 13 verlängert sein. Das an sich ringförmige Sensorgehäuse 11 ist an einer Stelle 14 offen bzw. durchbrochen ausgebildet, so daß sich hier ein Fühler 15, der mit dem federnden Schenkel 12 verbunden ist, entsprechend einem Federweg 16 in vertikaler Richtung relativ zu einem Sensor 17 verschieben kann, der im Sensorgehäuse 11 dem Schenkel 12 gegenüber gelagert ist. Der Fühler 15 kann auch Bestandteil des Sensors 17 sein. Er führt auf jeden Fall die Bewegungen der federnd nachgiebigen Abtastnase 13 aus, wobei die Vertikalbewegung freilich entsprechend dem Hebelgesetz bzw. den Federungseigenschaften zwischen Abtastnase 13 und federndem Schenkel 12 verkleinert ist. Über den Sensor 13 wird eine Auswerteelektronik 18 angesteuert, die letztlich mit dem CNC- Antrieb 2 im Steuersinn verbunden ist, wobei der CNC-Antrieb 2 entsprechend der z-Achse 1 wiederum die Spanneinheit 3 und damit auch das Sensorgehäuse 11 in der vertikalen Richtung verfährt, so daß insbesondere ein Regelkreis gebildet ist. Es ist ersichtlich, daß der reduzierte Auflagedruck der Abtastnase 13 nicht mehr unmittelbar für die Eingriffstiefe 10 verantwortlich ist, sondern der CNC-Antrieb 2 die Eingriffstiefe 10 festlegt.

In Fig. 2 sind die wesentlichen elektrischen Teile der Vorrichtung anhand des Regelkreises prinzipiell verdeutlicht. Der Sensor 17, der ein Signal entsprechend dem Federweg 16 abgibt, ist mit der Auswerteelektronik 18 bzw. einem in dieser vorgesehenen Differentialverstärker 19 verbunden. Zweckmäßig ist auch ein Stellglied 20 mit dem Differentialverstärker 19 bzw. der Auswerteelektronik 18 verbunden. Nachfolgend wird über einen Lageregelkreis 21 die entsprechende Aussteuerung an den CNC-Antrieb 2 aufgegeben, der wiederum den Sensor 17 steuert, so daß damit der Regelkreis geschlossen ist. Vorteilhaft ist also in diesem Regelkreis nicht nur das Stellglied 20 vorgesehen, sondern auch noch ein Lageregelkreis 21.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsmöglichkeit des Regelkreises ohne Stellglied und ohne Lageregelkreis, so daß hier nur der Sensor 17, der Verstärker 18 und der CNC-Antrieb 2 in der gezeigten Weise zusammengeschaltet sind.

Bezugszeichenliste

1 = z-Achse
2 = CNC-Antrieb
3 = Spanneinheit
4 = Gravierspindel
5 = Pinole
6 = Gravierstichel
7 = Lager
8 = Werkstück
9 = Oberfläche
10 = Eingriffstiefe
11 = Sensorgehäuse
12 = federnder Schenkel
13 = Abtastnase
14 = Stelle
15 = Fühler
16 = Federweg
17 = Sensor
18 = Auswerteelektronik
19 = Differentialverstärker
20 = Stellglied
21 = Lageregelkreis

Claims

1. Vorrichtung zur Festlegung der Eingriffstiefe eines Gravierstichels in ein zu gravierendes Werkstück, mit einer eine Gravierspindel aufnehmenden Spanneinheit, wobei in der Gravierspindel der Gravierstichel drehbar gelagert ist, mit einer die Oberfläche des Werkstücks berührenden Abtastnase und mit einem CNC-Antrieb für die z-Achse der Spanneinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Gravierspindel (4) an der Spanneinheit (3) fest angeordnet ist, daß die Abtastnase (13) federnd ausgebildet ist und mit der Gravierspindel (4) oder der Spanneinheit (3) verbunden ist, und daß im Federweg (16) der Abtastnase (13) ein Sensor (17) vorgesehen ist, der je nach Federweg (16) unterschiedliche elektrische Signale an eine Auswerteelektronik (18) abgibt, über die der CNC-Antrieb (2) angesteuert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellglied (20) zur Abgabe eines Korrektur- oder Einstellsignals auf die Auswerteeinheit (18) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (18) einen Verstärker für das von dem Sensor (17) abgegebene Signal aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (18) einen Differentialverstärker (19) für das vom Stellglied (20) abgegebene und das von dem Sensor (17) abgegebene und das von dem Stellglied (20) überlagerte Korrektur- und Einstellsignal aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (17) eine Differentialspule, eine Hall-Sonde, eine kapazitive oder induktive Meßdose oder eine Kraftmeßdose oder ein Linear-Potentiometer o. dgl. vorgesehen ist.