DE3831736C2 - Positioniereinrichtung zweier Bauteile in vorgegebener Relativlage und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positioniereinrichtung zum Fügen zweier Bauteile in vorgegebener Relativlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung gemäß Anspruch 12.

Jedes Bauteil verfügt an der entsprechenden Positionierstelle über eine durch eine Mittenachse bezüglich ihrer Lage gekennzeichnete Positionierausnehmung bzw. gekennzeichnetes Positionierelement, wobei die Achsen mit Hilfe der Zentrierwirkung des Positionierelementes (z. B. Kugel) beim Fügevorgang in einem vorgegebenen Raumpunkt zum Schnitt bzw. zur koaxialen Deckung gebracht werden sollen. Beispielsweise können bei­ de Bauteile auszurichtende Teile einer Maschine sein, oder das eine Teil ist ein Maschinentisch und das andere eine aufzuspannende Wechselpalet­ te, usw.

Oft sind nur sehr geringe Abweichungen von der vorgesehenen Relativlage der Bauteile in der Größenordnung einiger 0,001 mm zulässig und entsprechend genau und reduzierbar muß die verwendete Positionier­ einrichtung arbeiten.

Eine extrem genaue Positioniereinrichtung ist in der gattung­ bildenden DE 25 37 146 B2 beschrieben und dargestellt. Abhängig von den Baugrößen bzw. Materialmassen der zu positionierenden Bauteile sind auch die verwendeten Positionierelemente- und -ausnehmungen zu bemessen, damit die bei der Deformation auftretende Flächenpressung innerhalb der für das verwendete Material zulässigen Grenze bleibt. Mit zunehmender Größe der Kontaktbereiche wächst aber auch die für die zweite Fügephase aufzubringende Springkraft, was für viele Anwendungsfälle zu untragbaren Werten führt.

Beispielsweise muß bei Verwendung einer Positionierkugel von 25 mm Durchmesser eine Spannkraft von ca. 50 000 N aufgewendet werden, wenn als Materialpaarung sowohl für das Positionierelement Kugel als auch für die Positionierausnehmung gehärteter Stahl angenommen wird und wenn ferner angenommen wird, daß die konische Positionierausnehmung ei­ nen Kegelwinkel von 60° aufweist und daß eine Verformung zur Kompensa­ tion eines Fügespaltes von 0,06 bis 0,08 mm vorgenommen werden muß. Der­ artig hohe Spannkräfte führen aber bereits in vielen Fällen zu unzuläs­ sigen Bauteile-Verformungen und erfordern dabei eine Spannkrafteinlei­ tung in unmittelbarer Nähe der Positionierstellen-Achse, was bei vielen Bauteilen durch deren Konstruktion ausgeschlossen ist.

Es ist also die Aufgabe gestellt, das geschilderte Positio­ nierprinzip dahingehend zu verbessern, daß trotz großer Positionier­ durchmesser nur mäßige Fügekräfte aufzubringen sind. Große Positionier­ durchmesser sind dabei bevorzugt, weil zum Beispiel hohe queraxiale Po­ sitionier- und Betriebskräfte abgeleitet werden können und weil der un­ vermeidliche Verschleiß gering und somit die Wiederholgenauigkeit der Positionierung hoch ist. Geringe Fügekräfte sind gefragt, um zum Bei­ spiel die Bauteileverformungen gering zu halten, die durch die auf das Positionierelement wirkenden Fügekräfte verursacht werden oder um bei der Anwendung des Positionierprinzips für das Positionieren von Wechsel­ paletten bei der Werkstückfertigung nur geringe Aufspannkräfte aufwenden zu müssen, so daß z. B. eine Magnet-Kraftspannung in Frage kommen kann.

Eine Verbesserung des ursprünglichen Prinzips der Kugelposi­ tionierung im Sinne der gestellten Aufgabe wurde inzwischen durch eine Anordnung nach der nicht vorveröffentlichten WO 88/10172 erzielt. Wäh­ rend nach der Lehre der DE 25 37 146 B2 die analog zum Fügespalt (in der ersten Fügephase) notwendigerweise zu erfolgende Materialdeformation überwiegend infolge von in den Kontaktzonen erzeugten Druckspannungen bewirkt wird, wird nach der Lehre der oben genannten PCT-Patentanmeldung eine andere Art der elastischen Deformation gewählt, nämlich eine Mate­ rialdeformation überwiegend infolge von Biegespannungen in den die quer­ axialen Positionierkräfte übertragenden Wandungen der Positionierausneh­ mungen, wobei bei den an der Biegedeformation beteiligten Wandungsteilen eine Materialverlagerung im wesentlichen in axialer Richtung erfolgt.

Diese Lösung erfordert um die Positionierausnehmung herum eine plattenförmige oder membranförmige Gestaltung der die Positionierausneh­ mung tragenden Wandungen, was im einfachsten Falle zu einer an ihrem Rande allseitig abgestützten Kreisplatte mit mittig sitzender Positio­ nierausnehmung führt.

Nachteilig wirkt sich bei dieser neueren Lösung aus, daß ins­ besondere für die Erzeugung sehr kleiner Fügekräfte die Kreismembrane mit der sie tragenden und notwendigerweise steif auszubildenden Umbau­ ungs-Struktur relativ groß baut und in vielen Fällen die Gestaltungs­ freiheit für das entsprechende Bauteil einengt, daß die Härtung der an einer relativ dünnen Membrane eingebrachten Kontaktzonen nicht einfach durchzuführen ist und daß die Fähigkeit zur Übertragung hoher queraxia­ ler Betriebskräfte in der Ausbeulung der Membrane ihre Grenze findet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Positioniereinrichtung und deren Verwendung nach der DE 25 37 146 B2 im Sinne der Erfüllung der oben genannten Verbesserungsanforderungen weiterzubilden, wobei es auch möglich sein soll, die Bauteile in einer dreidimensional definierten Re­ lativlage zu positionieren. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der in den Patentansprüchen 1 und 5 wiedergegebenen Erfindung gelöst. Die Ver­ wendung erfolgt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.

Soweit in den folgenden Patentansprüchen die Begriffe "im we­ sentlichen" oder "hauptsächlich" bezüglich des Ortes der elastischen De­ formation verwendet werden, soll damit zum Ausdruck gebracht werden, daß auch alle anderen Stellen der Bauelemente mehr oder weniger elastisch deformiert werden, sobald sie im Kraftfluß liegen. Dabei wird die not­ wendige Deformation im wesentlichen durch eine Biegedeformation reali­ siert. Im Unterschied zu der an einer Membrane im unmittelbaren Bereich der Kontaktzonen vorgenommenen Biegedeformation nach der Lehre der er­ wähnten PCT-Anmeldung wird bei der Lösung nach der vorliegenden Erfin­ dung die Biegedeformation nicht im unmittelbaren Bereich der Kontaktzo­ nen vorgenommen, sondern an eine andere dafür vorgesehene Stelle am Kraftübertragungsorgan verlagert. Durch die Unterbringung der Positio­ nierausnehmung (oder des Positionierelements) am Kragarm-Ende eines aus­ kra­ genden Kraftübertragungsorgans ergibt sich eine große Gestal­ tungsfreiheit für die Konstruktion des entsprechenden Bauteils.

Beispielsweise kann das Kraftübertragungsorgan fingerförmig ausgebildet sein, um von einer dafür geeigneten Anschluß­ stelle am Bauteil bis hin zu der an geeigneter Stelle unter­ gebrachten Positionierstelle reichen zu können.

Als weiterer Vorteil ergibt sich, daß durch entsprechende Dimensionierung des Kraftübertragungsorgans beliebige Ausfe­ derungswege und Fügekräfte, sowie die Möglichkeit zur Übertra­ gung hoher queraxialer Kräfte über das Positionierelement vor­ gesehen werden können.

Die Soll-Biegedeformation des Kraftübertragungsorgans ergibt sich in der Regel durch ein Biegemoment aus der Einwirkunng der über das Positionierelement übertragenen axialen Fügekraft auf den Kragarm eines einseitig eingespannten Trägers (wobei die Träger-Längsachse mit der Haupt-Längsachse des Kraftüber­ tragungsorgans gleichgesetzt wird). Das Kraftübertragunsorgan könnte jedoch auch derart als Biegebalken am Bauteil angekop­ pelt sein, daß sich als Lastfall ergäbe:

• a) Einseitig eingespannter und am freien Ende gelagerter Träger mit Einzelkraft belastet.
• b) Zweiseitig festeingespannter oder zweiseitig gelagerter Träger mit Einzelkraft belastet.

Eine besonders genaue und komfortable Positionierung zweier Bauteile über zwei Positionierstellen mit der Möglichkeit der Kompensation von Toleranzen der Stichmaße zwischen den Posi­ tionierstellen ergibt sich bei Ausbildung des Kraftübertra­ gungsorganes an einer Positionierstelle derart, daß hier das Kraftübertragungsorgan zusätzlich noch über eine relativ ge­ ringe Biegesteifigkeit in einer Richtung senkrecht zu seiner Haupt-Längsachse verfügt. (Anspruch 6, Fig. 2)

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den weiteren Patentansprüchen oder anhand der Figuren beschrie­ ben.

Für die gewerbliche Verwertung der vorliegenden Erfindung bieten sich viele Technikbereiche an. Überwiegend kommen aber solche Aufgaben in Frage, wo Bauteile mit Ultra-Präzision, also im 0,001 mm - Toleranzbereich in vorgegebene Relativla­ gen gefügt werden müssen.

Dabei kann es sich um Positionieraufgaben handeln, wo nur eine Positionierstelle in Frage kommt, oder um solche Aufga­ ben, wo zur Positionierung eines Bauteils bezüglich beider Koordinatenachsen eine Fügeebene zwei oder mehrere Positionier­ einrichtungen eingesetzt werden. Letztere Aufgabe liegt z. B. vor, wenn eine Wechselpalette (z. B. gemäß Fig. 4 und Fig. 5) bei beliebiger Wiederholung des Fügevorganges stets sehr ge­ nau in die vorgeschriebene Relativlage positioniert werden soll.

Die besonderen Vorteile des erfinderischen Positionierprin­ zips ergeben sich einmal aus der Spielfreiheit des Prinzips und aus der Tatsache, daß auch für große Kugeldurchmesser die Fügekräfte durch entsprechende Bauteildimensionierungen be­ liebig (klein) gewählt werden können und zum anderen aus der Kugelform des Positionierelementes. Inwieweit die daraus ab­ leitbaren Effekte für die Lösung von Positionieraufgaben im Genauigkeitsbereich von 0,001 mm eine Rolle spielen, liegt nicht so ohne weiteres auf der Hand. Dem sich mit dieser Thematik befassenden Fachmann ist jedoch bekannt, daß für die Endgenauigkeit der Positionierung stets diverse Einflußfak­ toren bestimmend sind, deren Einzelbeiträge durch gezielte Maßnahmen zu eliminieren oder zu minimieren sind. In diesem Sinne verdienen die nachfolgend beschriebenen Effekte Beach­ tung:

• - Bei einer Kugel kann es nicht zu einer Schiefstellung einer Symmetrieachse des Positionierelementes infolge Fer­ tigungsfehler, Ausrichtefehler oder infolge einer Biege­ belastung (Positionierkräfte) kommen, wie dies z. B. beim Positionierprinzip "Stift/Bohrung" der Fall ist.
• - Selbst bei einer kalottenförmigen Ausbildung der Gegen­ kontaktzonen der Positionierausnehmungen ergibt sich trotz kongruenter Form der Kontaktflächen keine zwangsläufige Ausrichtung der beteiligten Elemente durch Formschluß. Aus diesem Grunde kann es auch zu keinem die Genauigkeit beeinflußenden Verschleiß kommen. Man denke nur daran, daß bei den Anordnungen gemäß den Figuren es beim Fügevor­ gang, der ja in den meisten Fällen von Hand auszuführen ist, stets zu einer Schiefstellung der beiden zu fügenden Bauteile kommt.

Die beigefügten Zeichnungen stellen das Grundprinzip und einige Anwendungsbeispiele der Erfindung dar und werden nachstehend im einzelnen erläutert.

Fig. 1a, 1b, 1c zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung anhand zweier zu positionierender Bauteile.

Fig. 2a, 2b zeigt eine weitere Ausgestaltung des Erfindungs­ prinzips.

Fig. 3a, 3b zeigt die mittige Zentrierungs eines Bauteil­ trägers auf die Mittenachse eines Aufnahmekörpers.

Fig. 4 ist die Draufsicht auf eine Magnetspannplatte mit Positioniereinrichtungen zur gleichzeitigen Aufnahme mehrerer Wechselpaletten in vorbestimmter Relativlage.

Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittführung A-B in Fig. 4.

Fig. 6 ist die Draufsicht auf eine Magnetspannplatte zur gleichzeitigen Aufnahme mehrerer Werkstücke, welche mit positionierbaren Anschlägen ausgerichtet sind.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt ähnlich Fig. 5 in einer anderen erfinderischen Ausgestaltung.

Fig. 1a bis 1c zeigt das grundsätzliche Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung. Und zwar zeigt Fig. 1a die Situation vor dem Zusammenspannen und Fig. 1b die Si­ tuation nach dem Zusammenspannen, jeweils im Schnitt gemäß der Schnittangabe A-B in der Draufsicht nach Fig. 1c.

In Fig. 1b sind beide Bauteile 100 und 102 in ihrer endgül­ tigen Relativlage positioniert. Dabei liegen die Bauteile mit ihren Fügeflächen 104/106 bzw. 108/110 in zwei unterschied­ lichen Höhenebenen aneinander, womit die Relativlage in einer Raumrichtung festgelegt ist. Die Relativlage in dieser Rich­ tung könnte in einem anderen Falle auch durch eine andere Anzahl von Fügeflächen in einer oder mehreren Fügeebenen vorgegeben sein. Die in diesem Beispiel gemeinsam anliegen­ den Fügeflächen sind in Fig. 1c mit Kreuz-Schraffur gekenn­ zeichnet.

Beide Bauteile tragen an einander zugewandten Flächen als Positionierausnehmungen je zwei sich gegenüberliegende Kegel­ bohrungen 112/114 bzw. 116/118, deren Mittenlage durch die zugehörigen Mittenachsen 112'/114 bzw. 116'/118' gekennzeich­ net sind.

Die genaue und vorbestimmte Relativlage der Bauteile bezüg­ lich der beiden restlichen Koordinatenlagen eines räumlichen orthogonalen Koordinatensystems wird über die Ausrichtung der Mittenachsen mittels der Kegelbohrungen und der zwischen ihnen eingeklemmten und als Positionierelemente fungierenden Kugeln wie folgt bewirkt:
Nach Vollendung einer ersten Fügephase gemäß Fig. 1a liegen die Kontaktzonen 122/122' der Kugeln 120/120' an den Kon­ taktzonen 124, 126/124', 126' der Kegelbohrungen an. Der bei der genauen Ausrichtung eines Achsenpaares (z. B. 112', 116') und beim Anliegen der Fügeflächen bei entfernter Kugel durch die Kontaktzonen der Kegelbohrungen definierbare Kugel-Durch­ messer hat ein Untermaß bezüglich der Kugeln 120, 120', so daß vor dem Aufbringen einer Spannkraft in der ersten Füge­ phase, wie in Fig. 1a dargestellt, ein Spalt 128, 128' zwischen den einander gegenüberliegenden Fügeflächen vorhan­ den ist.

Durch stets vorhandene Toleranzen bei den Abstandsmaßen zwi­ schen den Achsenpaaren 112' und 114' bzw. 116' und 118' kön­ nen bei den zusammengefügten Bauteilen nie beide Achsenpaare 112', 116' bzw. 114', 118' gleichzeitig koaxial ausgerichtet sein. Von zwei Verfahrensmöglichkeiten zur Rücksichtnahme auf diesen Umstand, von denen das erste Verfahren auf einer selbsttätig ablaufenden Ausmittelung beider Bauteile unter Beteiligung der Asymmetrischen (elastischen) Verformung von Bohrungswänden und Kugeln an beiden Positionierstellen beruht, wurde bei der Darstellung nach Fig. 1 das genauer wirkende zweite Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren wird (auf eine hier nicht weiter zu erörternde Weise) dafür gesorgt, daß bereits in der ersten Fügephase eine exakte koaxiale Aus­ richtung der beiden Bohrungsachsen einer Positionierstelle, hier Achse 112' und 116', vorliegt. An der anderen Positionier­ stelle kann sich dabei ein kleiner Spalt 130 zwischen Kugel und Bohrungswand bilden. Trotz eines derart auftretenden Spal­ tes 130 kommt es an dieser Positionierstelle, bedingt durch die geometrische Form von Kugel und Bohrungswandung, zu einer Ausricht-Wirkung, und zwar derart, daß bei paralleler Führung der Fügeflächen alle Bohrungsachsen in einer Ebene liegen.

Bei der Einleitung der zweiten Fügephase, deren Abschluß in Fig. 1b dargestellt ist, wird zuerst eine erste Spann­ kraft F1 in der Nähe der linken Positionierstelle aufgebracht, welche zunächst ein Aneinanderliegen der Fügeflächen 104, 108 erzwingt und nach Beseitigung des Fügespaltes 128 weiter ge­ steigert wird, um an der Kontaktstelle der Fügeflächen 104, 108 anschließend parallel zur Fügefläche wirkende Friktions­ kräfte einleiten zu können. Nachfolgend wird eine zweite Spannkraft F2 in der Nähe der rechten Positionierstelle er­ zeugt, durch welche die Fügeflächen 106, 110 zur Anlage ge­ zwungen werden, wodurch auch der Fügespalt 128' auf den Wert Null abgebaut wird und womit - gegebenenfalls nach weiterer Steigerung der Spannkraft F2 - die zweite Fügephase abge­ schlossen ist.

Auch nach Abschluß der zweiten Fügephase kann bei groben Ab­ standstoleranzen an der rechten Positionierstelle noch ein Spalt 130' auftreten. Trotzdem ist dabei eine präzise Aus­ richtung der beiden Bauteile in eine vorausbestimmbare Rela­ tivlage erreichbar, da die bereits für die erste Fügephase beschriebene Ausrichtwirkung an der rechten Positionierstelle auch bei der Durchführung der zweiten Fügephase erhalten bleibt.

Die hier beschriebene Verfahrensmöglichkeit zur Berücksich­ tigung der Abstandstoleranzen setzt voraus, daß die Bauteil- Maße in einer von einem zum anderen Kugel-Mittelpunkt weisen­ den Richtung auf die Bohrungsachsen 112' bzw. 116' bezogen sein müssen.

Mit dem Abbau der Fügespalte 128 bzw. 128' mit dem Aufbringen der Spannkräfte F 1 und F 2 muß natürlich an anderer Stelle eine entsprechende Deformation stattfinden, da ja bereits nach Abschluß der ersten Fügephase Kegelbohrungen und Kugeln formschlüssig aufeinanderliegen.

Selbstverständlich wird unter dem Einfluß der Spannkräfte eine gewisse elastische Deformation an den Wandungen der Ke­ gelbohrungen und an den Kugeln auftreten. Der weitaus größe­ re Anteil an der an jeder Positionierstelle notwendigerweise erforderlich werdenden Deformation wird jedoch gemäß der vor­ liegenden Erfindung durch die Biegedeformation eines am äuße­ ren Ende seiner Auskraglänge "L" die Positionierausnehmung 112 tragenden auskragenden Kraftübertragungsorgans 132, 132' erzeugt.

Dieses Kraftübertragungsorgan soll in Richtung der Achsen der hier als Kegelbohrungen ausgebildeten Positionierausneh­ mungen in Abhängigkeit von der Größe des zu überwindenden Fügespaltes 128 nur eine relativ geringe, von der Spannkraft abgeleitete Fügekraft auf die Kugeln übertragen. Dazu ist das Kraftübertragungsorgan auf der Teillänge "W" seiner Aus­ kraglänge "L" plattenförmig als Soll-Deformations-Bereich mit niedriger Biegesteifigkeit in axialer Richtung ausgebil­ det.

Durch die im Vergleich zur Dicke "h" relativ große Breite "B" des plattenförmigen Bereiches verfügt das Kraftübertragungs­ organ andererseits jedoch über eine hohe Biegesteifigkeit und Zug-/Drucksteifigkeit für parallel zu den Fügeflächen angreifenden und über die Positionierkugel zu übertragenden Kräften.

Die Ausfederung des Kraftübertragungsorganes über die Krag­ länge "L" ist in Fig. 1 übertrieben gezeichnet. In der Praxis liegt die Ausfederungsweite bzw. die Größe des Fügespaltes 128 in der Regel im 0,1 mm Bereich. Da mit der vorliegenden Erfindung enorm hohe Genauigkeiten erzielt werden sollen, könnte man besorgt sein, daß die vorgesehene relativ große Ausfederung des Kragarmes eine merkliche Positionsveränderung des Bauteiles bewirken würde. Überraschenderweise ist dies nicht der Fall. Eine Nachrechnung der Wegeverkürzung bei praxisnahen Verhältnissen ergibt sehr geringe Werte, z. B. 0,0015 mm bei L = 30 mm und einer Fügespalthöhe von 0,3 mm. Dabei ist zu bedenken, daß diese Abweichung vorausberechen­ bar und reproduzierbar ist und somit kompensiert werden kann. Das in Fig. 1 gezeigte Kraftübertragungsorgan könnte natür­ lich bezüglich seiner Formgestaltung in vielfältiger Weise variiert werden. So könnte z. B. der Soll-Deformations-Bereich bezüglich der Querschnittsfläche H × B derart gestaltet wer­ den, daß in der Längserstreckung der Haupt-Längsachse 134, 134' des Kraftübertragungsorgans annähernd konstante Biegespannun­ gen auftreten. Bei einer sehr niedrig ausgeführten Biegestei­ figkeit in axialer Richtung des Soll-Deformations-Bereichs könnten die äußeren Kräfte F 1/F 2 z. B. auch durch das Eigen­ gewicht des Bauteils 100 aufgebracht werden.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung bei welcher ein Bauteil 200 mit­ tels einer Adapterplatte 204 mit einem anderen Bauteil 202 unter Anwendung von zwei erfindungsgemäßen Positioniereinrich­ tungen 216/216' und unter der Einwirkung einer durch den Pfeil 218 symbolisierten äußeren Kraft in eine vorbestimmte Relativ­ lage zusammengefügt wurde.

Fig. 2a ist ein Schnitt gemäß der in Fig. 2b gezeigten Schnitt­ führung C-D und Fig. 2b entspricht einem Schnitt durch die gemeinsame Anlagefläche von Bauteil 200 und Adapterplatte 204, wie durch die Schnittführung A-B in Fig. 2a angedeu­ det.

Die mit Hilfe von zwei Schrauben 206/206' am Bauteil 200 be­ festigte Adapterplatte 204 trägt zwei Kraftübertragungs­ organe 222 und 224 unterschiedlicher Bauart und für unter­ schiedliche Funktionen bestimmt. Mit den kegelförmigen Po­ sitionierausnehmungen 220/220', den als Kugeln ausgebildeten Positionierelementen 210/210' und den im Bauteil 202 angebrach­ ten kegelförmigen Positionierausnehmungen 226/226' bilden die beiden Kraftübertragungsorgane Positioniereinrichtungen nach der Erfindung. Abgesehen von der im Vergleich zu Fig. 1 vorgenommenen Variantenbildung, wobei das Kraftübertragungs­ organ 222 nicht integraler Bestandteil des zugehörigen Bautei­ les ist, sondern als eigenständiges Teil lediglich am Bauteil befestigt ist, erfüllt es die gleiche Funktion wie das Kraft­ übertragungsorgan 132 in Fig. 1. Insbesondere verfügt es über eine große Biegesteifigkeit für über die Kugel 210' zu leitende und parallel zur Fügefläche 212/214 gerichtete und in beliebige Richtungen weisende Positionier- und Betriebs­ kräfte. Dadurch bedingt, vermag die Positioniereinrichtung 216' wie ein Zager mit der Lagerachse 228' zu fungieren, um welches die ganze Adapterplatte 204 bei ihrer Positionie­ rung gedreht werden kann. Damit auf diese Weise die Positio­ nierung des Bauteiles 200 in die vorgesehene Relativlage vollzogen werden kann, bedarf es der Positioniereinrichtung 216 nur noch, um bei bereits festgelegten Koordinaten des Kugelmittelpuntes 230 den Winkel "ϕ" zu bestimmen.

Das in Fig. 2b in der Draufsicht erkennbare Kraftübertragungs­ organ 224, mit seiner Haupt Längsachse 232 ist Bestandteil der Positioniereinrichtung 216. Durch die plattenförmige Aus­ bildung mit der Plattendicke 234 verfügt das Kraftübertragungs­ organ 224 über eine geringe Steifigkeit für über die Positio­ nierkugel 210 übertragene axiale (parallel zu Achse 228) Füge­ kräfte.

Zusätzlich ist das Kraftübertragungsorgan 224 durch entspre­ chende Querschnittsdimensionierung in seinem Soll-Deformations- Bereich (hier als Einschnürung erkennbar) derart ausgebildet, daß es für in Richtung des Pfeiles 236 und parallel zur Füge­ fläche wirkende Kräfte eine verringerte Biegesteifigkeit auf­ weist, die eine geringfügige Auslenkung des zungenförmig aus­ gebildeten Kraftübertragungsorgans senkrecht zu seiner Haupt- Längsachse 232 (etwa im Bereich von ± 0,05 mm maximal) bei relativ nieddrigen Auslenkungskräften zuläßt.

Gleichzeitig weist das Kraftübertragungsorgan 224 in seinem Soll-Deformations-Bereich jedoch noch eine hohe Steifigkeit für in Richtung der Haupt-Längsachse 232 wirkende Zug- und Druckkräfte. Da der Übergangsbereich (238) zwischen dem Kraft­ übertragungsorgan 224 und der Adapterplatte 204 sehr steif für parallel zur Fügefläche wirkende Kräfte ausgebildet ist, hat das zungenförmige Kraftübertragungsorgan 224 für parallel zur Haupt-Längsachse 232 und parallel zur Fügeebene wirkende Zug-Druck-Kräfte die Wirkung wie ein etwa im Punkt 240 ange­ lenktes Pleuel.

Im Sinne der Relativ-Positionierung mit einem Drehpunkt der Adapterplatte 204 um die Achse 228' und mit einer notwendi­ gen Einstellung des vorgegebenen Winkels ϕ kommt dann der Po­ sitioniereinrichtung 216 mit dem Kraftübertragungsorgan 224 die Aufgabe zu, den fiktiven Punkt 240 in Richtung der Achse 232 in eine ebenfalls vorgegebene Stellung zu positionieren.

Die bis hierher beschriebene Positioniereinrichtung mit dem "elastisch angelenten" Kraftübertragungsorgan 224 vermag nun die Aufgabe zu lösen, einen Ausgleich der Toleranzen der Stichmaße zwischen den Positionierausnehmungen in der Adap­ terplatte 204 und im Bauteil 202 elegant und bei sehr hoher Wiederholgenauigkeit der Relativpositionierung vorzunehmen. Dazu wird eine Stichmaßabweichung 244, die sich ja nur in Richtung der Verbindungslinie 242 auswirken kann, in die beiden Komponenten 246 und 248 zerlegt angenommen, wobei der Betrag 248 eine geringfügige Veränderung des Winkels ϕ und der Betrag 246 nur eine Verlagerung der Positionierausnehmung 220 in Richtung des Pfeiles 236, nicht jedoch eine Verände­ rung des Winkels ϕ, bewirkt.

Wie man erkennt, kann man bei entsprechender Wahl der Anord­ nung auch dafür sorgen, daß der Winkel ϕ = Null wird, womit die Stichmaßabweichung 244 zu keinerlei Veränderung des Winkels ϕ mehr beitragen kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Adapterplatte 204 mit den angeformten zwei unterschiedlichen Kraftübertragungsorganen ist nicht notwendigerweise so vorzusehen. Vielmehr können die Kraft­ übertragungsorgane auch als zwei Einzelelemente in beliebiger Weise an dem zugehörigen Bauteil befestigt sein.

Als ein zusätzlicher Vorteil bei der Verwendung einer die Stichmaßtoleranzen ausgleichenden Anordnung gemäß Fig. 2 er­ gibt sich noch, daß nicht mehr für die Ermöglichung eines Toleranzausgleiches über eine asymmetrische Verformung von Positionierausnehmungen entsprechend stumpfe Kegelwinkel und eine in etwa linienförmige Berührung zwischen Positionierele­ ment und Positionierausnehmung vorgesehen werden müssen. Vielmehr kann nun ein für eine Selbsthemmung (gegen durch parallel zur Fügefläche wirkende und eine Aushebung des Po­ sitionierelementes aus der Positionierausnehmung verursachen­ de Kräfte) ausreichender spitzer Kegelwinkel zur Anwendung gelangen, sowie auch eine kugelkalottenförmige Ausbildung der Positionierausnehmung, welche die sichere (und steife) Übertragung großer Querkräfte gestattet.

Fig. 3 zeigt eine zur Aufnahme von Werkstücken oder auch Werkzeugen geeignete Wechselpalette 336, welche relativ zu einem Aufnahmekörper 304 positioniert und auf denselben auf­ gespannt ist.

Fig. 3a zeigt die Anordnung in einem Schnitt gemäß der Schnittkennzeichnung in Fig. 3b und Fig. 3b ist ein Schnitt gemäß der Schnittführung nach Fig. 3a, wobei der Schnitt durch die Fügeebene zwischen den Teilen 302 und 306 gelegt ist.

In Fig. 3 ist ein Bauteil 300 mit einer Mittenachse 308 mit­ tels einer Schraube 312 auf dem Palettenkörper 306 aufge­ spannt. An der Unterseite des Palettenkörpers 306 ist mit 3 Schrauben 314 eine Adapterplatte 302 befestigt, welche an ihrem Umfang um jeweils 120° versetzt in Form von zungenför­ migen Fortsätzen 3 Kraftübertragungsorgane 316 mit ihren Haupt-Längsachsen 318 trägt. Am freien Ende weisen die Kraftübertragungsorgane kegelförmige Positionierausnehmungen 320 auf, welche über als Positionierelemente fungierende Kugeln 322 mit den in dem Aufnahmekörper 304 vorhandenen kegelförmigen Positionierausnehmungen 324 zentriert sind. 3 auf dem Umfang in gleichem Winkel verteilt in den Aufnahme­ körper eingesetzte Auflagebolzen 326 bilden zusammen mit ihren Stirnseiten 328 und der Aufstellfläche 330 des Aufnahmekör­ pers die Fügefläche. Nach dem Aufsetzen der Palette wird die­ selbe über den Zugbolzen 332 durch eine durch den Pfeil 334 symbolisierte Kraft gegen den Aufnahmekörper gespannt.

Der Aufnahmekörper 304 könnte z. B. auf dem Rundtisch einer Werkzeugmaschine aufgespannt sein und mit seiner Mittenachse 310 konzentrisch zur Rundtisch-Drehachse ausgerichtet sein. Unter der Voraussetzung, daß zuvor eine Ausrichtung der Mit­ tenachse 308 des Bauteiles 300 konzentrisch zur Mittenachse 310 stattgefunden hat, kann selbst bei beliebig häufigen Aufsetzen der Palette auf den Aufnahmekörper 304 stets eine genaue konzentrische Ausrichtung der Mittenachse 310 rela­ tiv zur Rundtisch Drehachse erwartet werden. Eine derartige Positionieraufgabe liegt z. B. vor, wenn auf dem Rundtisch einer Zahnradbearbeitungsmaschine Zahnradwerkstücke mittels einer Wechselpalette aufgespannt werden sollen.

Die mit der in Fig. 3 gezeigten Anordnung erzielbare hohe Genauigkeit der Mittenzentrierung wird durch die Kombina­ tion zweier Kriterien erreicht:
Zum einen handelt es sich bei den verwendeten Kraftübertra­ gungsorganen 316 um solche, welche auch zusätzlich für senk­ recht zur Haupt-Längsachse und parallel zur Fügefläche an­ greifende Kräfte eine bestimmte elastische Gelenkigkeit bzw. eine verminderte Biegesteifigkeit aufweisen, wie in Fig. 2 näher beschrieben. Zum anderen ist es auch erforder­ lich, die Haupt-Längsachse 318 unter einen bestimmten Winkel "α" (größer als Null) relativ zu der Verbindungslinie zwischen Positionierelementmittelpunkt 340 und Zentriermittelpunkt 342 anzuordnen.

Unter diesen Voraussetzungen ist es möglich, Positionstole­ ranzen der Positionierausnehmungen an der Palette und dem Aufnahmekörper (die z. B. durch unterschiedliche Wärmeaus­ dehnungen entstehen können) derart auszugleichen, daß eine größtmögliche Ausmittelung aller Positionstoleranzen statt­ findet. Die gezeigte Positionieranordnung kann natürlich auch für beliebige Positionieraufgaben genutzt werden. Es ist auch möglich, die Anzahl der beteiligten Kraftübertra­ gungsorgane 316 auf vier oder beliebig viele zu erhöhen.

In Fig. 4 wird in einer Draufsicht eine Magnetspannplatte 400 mit gleichzeitig aufgespannten Wechselpaletten 402, 404 und 406 gezeigt. Ein Schnitt gemäß der Schnittführung A-B durch die Magnetspannplatte und die Wechselpalette 402 wird in Fig. 5 wiedergegeben. Die Wechselpaletten sind über je zwei Positioniereinrichtungen auf der Magnetspannplatte po­ sitioniert. An den beiden Längsseiten der Magnetspannplatte 400 ist in einem vorgegebenen Rasterabstand eine Vielzahl von Positionierausnehmungen 410 (in Fig. 5) angeordnet deren Mittenachsen 408 in Fig. 4 durch die dort gezeichneten Mit­ telpunktsymbole gekennzeichnet sind. Die den Wechselpaletten zugeordneten Positionierausnehmungen 412 (Fig. 5) sind an plattenförmig ausgebildeten Kraftübertragungsorganen 414, 416, 418, 420 angebracht, die mit Hilfe von durch Kreuze 422 (Fig. 4) bzw. Achsen 424 (Fig. 5) symbolisierten Schrauben an den Unterseiten der Wechselpaletten befestigt sind.

In Fig. 4 sind für jede Wechselpalette zwei unterschiedliche Arten von Kraftübertragungsorganen vorgesehen. Die eine Art 414, 418 vermag ähnlich wie das Kraftübertragungsorgan 222 (in Fig. 2b) über das Positionierelement eingeleitete und parallel zur Fügeebene wirkende Kräfte mit großer Biegestei­ figkeit in alle Richtungen zu übertragen. Die andere Art 416, 420 vermag derartige Kräfte ähnlich, wie das Kraftübertra­ gungsorgan 224 (in Fig. 2b) mit nicht nennenswerter Defor­ mation nur in Richtung seiner Haupt-Längsachse zu übertragen. Die Positionierwirkung für die Wechselpaletten ist also ähn­ lich der nach der Anordnung in Fig. 2.

Die Erzeugung der äußeren Spannkräfte geschieht mit Hilfe von einzelnen schaltbaren Magnetsystemen 426, welche ebenfalls in einem vorgegebenen Raster angeordnet sind. Das Normraster der Magnetsysteme und der Positionierausnehmungen gestattet es, die Wechselpaletten an beliebigen Rasterpositionen zu positionieren und zu spannen. Bei einem Palettenwechsel wer­ den daher auch nur die jeweils betroffenen Magnetsysteme ein- und ausgeschaltet. Bedingt durch den guten Selbstzentrier­ effekt der kugelförmigen Positionierelemente und der kegel­ förmigen Positionierausnehmungen eignet sich das ganze System auch gut für den automatischen Austausch der Wechselpaletten mit Hilfe eines Handhabungsgerätes. Für einen derartigen Einsatz tragen die Wechselpaletten seitlich angebrachte Bolzen 428 für den Zugriff entsprechender Greiforgane.

In Fig. 5 sind noch folgende Einzelheiten hervorzuheben:
Das schaltbare Magnetsystem 426 enthält eine Erregerspule 430, mit dessen Hilfe entweder ein Elektromagnet realisiert werden kann, (wenn der Polkörper 432 aus ferromagnetischem Material besteht) oder ein ausschaltbares Permanentmagnetsys­ tem (wenn z. B. der Polkörper 432 ein Permanentmagnet ist).

Das offene Magnetsystem schließt mit der Spannfläche 434, die zugleich die Fügefläche ist ab. Auch die Oberfläche 436 der seitlichen Leisten liegt auf der Höhe der Spannfläche 434 und wird bei einem gegebenenfalls erfolgenden Überschlei­ fen der Spannfläche mitüberschliffen.

Die Positionierausnehmungen 410 sind in zylindrischen Ein­ sätzen 438 ausgebildet, welcher in die Bohrungen 442 einge­ preßt sind und bezüglich ihrer Höhe noch durch Stützschrauben 440 gesichert werden. Diese Anordnung erlaubt ein Nachsetzen der Einsätze 438 in der Tiefe unter Einhaltung der vorgege­ benen Stufe 444 mit Hilfe eines entsprechend abgestuften Einpreßwerkzeuges für den Fall, daß die Spannfläche 434 überschliffen wird.

In die Wechselpalette 402 von unten eingepreßte abgesetzte Bolzen dienen der Erzeugung der magnetischen Spannkraft durch Kurzschließen des Magnetflusses und definieren mit ihrer Stirnfläche 448 gleichzeitig die palettenseitige Fügefläche.

In Fig. 6 ist eine Magnetspannplatte 600 mit Querpolteilung in der Draufsicht gezeigt. Es sind positionierbare Anschläge 604, 606, 608 vorgesehen, mit denen Werkstücke 610, 612 in vorbestimmte Relativlagen bezüglich der Magnetspannplatte positioniert werden können. Jeder Anschlag wird mittels zweier Positioniereinrichtungen nach der vorliegenden Er­ findung durch die Zentrierung von in einem Normraster ange­ brachten Positionierausnehmungen durch Positionierelemente positioniert. Die Positionierausnehmungen der Anschläge 604 und 606 kooperieren dabei mit solchen, welche an den beiden Seitenrändern der Magnetspannplatte angebracht sind (602). Die Positionierausnehmungen des Anschlags 608 arbeiten mit solchen auf dem Anschlag 606 zusammen (614). Die Aus­ bildung der Positioniereinrichtungen kann im einzelnen bei­ spielsweise so erfolgen, wie dies in den Fig. 4 und 5 beschrieben ist.

Fig. 7 zeigt in einem Teilschnitt einen positionierbaren Werkstückträger 700, welcher mit seiner Fügefläche 706 auf den Stirnseiten 708 von in den Aufnahmekörper 704 eingelasse­ nen Abstandsbolzen 702 unter Einwirkung einer durch den Pfeil 710 symbolisierten äußeren Spannkraft aufgespannt ist.

Die Positioniereinrichtung ist ähnlich aufgebaut wie in Fig. 5 und umfaßt u. a. ein Kraftübertragungsorgan 712, wel­ ches an den Stellen 714 fest mit dem Aufnahmekörper 704 verbunden ist. Es ist ein spezielles Stützorgan 716 vorgesehen, welches das Kraftübertragungsorgan 712 an seinem freien auskragenden Ende mit einer beliebig einstellbaren Kraft un­ terstützen oder auch ausfedern lassen kann. In dem in Fig. 7 gezeichneten Beispiel kann dem Stützorgan 716 die Stütz­ kraft durch eine Feder 718 und/oder durch Beaufschlagung des Zylinderraumes 720 mit einem Druckfluid zugeführt werden. Mit dieser Anordnung kann eine beliebige Steifigkeit des Kraftübertragungsorgans 712 eingestellt bzw. simuliert werden. Dies kann von Bedeutung sein, um z. B. bei einem Werkstückträger mit starken unterschiedlichen Werkstückge­ wichten deren unterschiedliche Wirkungen zu kompensieren. Da der vorliegenden Erfindung das Ziel zugrunde liegt, eine Verbesserung des nach der DE-PS 25 37 146 bekanntgewor­ denen Positionierprinzips vorzunehmen und da dieses Positio­ nierprinzip auch eine solche Variante beinhaltet, wobei bei­ de sich gegenüberliegende Positionierausnehmungen nutenförmig mit einem - in einer senkrecht zur Haupt Längsachse gelegenen Ebene - etwa trapezförmigem Querschnitt versehen ausgebildet sind und wobei zwischen beiden Positionierausnehmungen ein Zylinderkörper eingespannt ist, liegt es nahe, ein derarti­ ges Positionierprinzip bei der vorliegenden Erfindung zu ver­ wenden.

Die Übertragung von Positionier- oder Betriebskräften sollte dabei jedoch möglichst in einem senkrechten Winkel zur Haupt- Längsachse erfolgen. Es ist daher vorgesehen, die vorliegende Erfindung auch in dieser Weise weiter auszubilden. Eine Anwen­ dung käme etwa bei der Positionierstelle 250 in Fig. 2b oder bei den Positionierstellen einer Anordnung nach Fig. 3 bzw. einer hierzu ähnlichen Anordnung in Frage.

Claims (12)

1. Positioniereinrichtung zum Fügen zweier Bauteile in vorge­ gebener Relativlage mit den Merkmalen:

• a) ein erstes Bauteil (102) weist ein vorkragendes bezüglich einer Achse (116') zentralsymmetrisches und sich im Bereich von Kontakt­ zonen (122) nach außen sphärisch gekrümmt verjüngendes Positionierele­ ment (120) auf,
• b) ein zweites Bauteil (100) weist eine bezüglich einer Achse (112') zentralsymmetrische und sich im Bereich von Kontaktzonen (124) nach innen verjüngende Positionierausnehmung (112) auf und ist mit dem ersten Bauteil derart zusammenzufügen, daß die Achsen beider zusammen­ treffen,
• c) beide Bauteile weisen einander zugekehrte Fügeflächen (104, 108, 106, 110) auf, die nach dem Zusammenfügen aneinanderliegen, womit die axiale Relativposition beider Bauteile festgelegt ist,
• d) beim Zusammenfügen dringt in einer ersten Fügephase das Positionierelement in die Positionierausnehmung ein, bis die für die Zentrierung vorgesehenen Kontaktzonen beider Bauteile einander berühren, während zwischen den Fügeflächen noch ein Fügespalt (128, 128') vor­ liegt,
• e) in einer zweiten Fügephase wird das Aneinanderliegen der Fügeflächen der beiden Bauteile durch Anwendung einer beide Bauteile in ihren Kraftfluß mit einbeziehenden Spannkraft bei gleichzeitig erfolgen­ dem Abbau des Fügespaltes erzwungen, wobei mit dem Abbau des Fügespaltes unter Einwirkung der über das Positionierelement übertragenen Fügekraft in bestimmten, dafür vorgesehenen Bereichen des in den Kraftfluß mit einbezogenen Materials eine ansteigende elastische Deformation einher­ geht, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierelement (120, 210, 322) und/­ oder die Positionierausnehmung (112, 220, 320) an einem auskragenden Kraftübertragungsorgan (132, 224, 222, 316) des mindestens einen Bau­ teils (100, 200, 300) angeordnet ist und daß die elastische Deformation hauptsächlich eine elastische Biegedeformation des mindestens einen Kraftübertragungsorgans (132, 224, 222, 316) ist.

2. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elastische Biegedeformation des Kraftübertragungsor­ gans (132, 224, 222, 316) mit einer Materialverlagerung relativ zu dem zugehörigen Bauteil verbunden ist, wobei die Partien in unmittelbarer Nähe der Kontaktzonen in Richtung der Achse (112') der Zentralsymmetrie weisend verlagert sind.

3. Positioniereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elastische Biegedeformation im wesentlichen auf einem dafür durch Ausbildung mit niedriger Biegesteifigkeit in Richtung der Achse (112') der Zentralsymmetrie vorgesehenen Abschnitt (W in Fig. 1) der Auskragelänge des Kraftübertragungsorgans (132, 224, 222, 316) stattfindet.

4. Positioniereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auskragelänge (L in Fig. 1) zwischen der Angriffslinie der durch das Positionierelement (120) übertragenen axialen Fügekraft und der Anschlußstelle des Kraftübertragungsorgans (132) an das Bauteil definiert ist, wobei die Angriffslinie mit der Achse (112') der Zentral­ symmetrie der Positionierausnehmung (112) identisch ist.

5. Positioniereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Positionierelement (120, 210, 322) und/oder die Positionierausnehmung (112, 220, 320) an einem auskragenden Kraftübertragungsorgan (132, 224, 222, 316) des Bauteils (100, 200, 300) angeordnet ist und daß die elastische Deformation im wesentlichen die Ausfederung des Kragarmes an der Stelle der Krafteinleitung (Achse 112' in Fig. 1) der durch das Positionierelement übertragenen Fügekraft ist, wobei die Größe der Ausfederung der Größe des abzubauenden Fügespaltes (128 in Fig. 1a) entspricht.

6. Positioniereinrichtung nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsorgan (132, 224, 222, 316) über den gesamten Bereich der Auskraglänge (L in Fig. 1) über eine hohe Biegesteifigkeit für von dem Positionierelement übertra­ gene und parallel zur Fügeebene gerichtete Kräfte verfügt.

7. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsorgan (132, 224, 222, 316) über eine Haupt-Längsachse (232, 318) verfügt und daß es eine rela­ tiv niedrige Steifigkeit für von dem Positionierelement parallel zur Fü­ geebene und senkrecht zur Haupt-Längsachse gerichtete Kräfte aufweist.

8. Positioniereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bauteile (100, 102) Positionierausneh­ mungen (112, 116) aufweisen, zwischen denen das Positionierelement (120) angeordnet ist.

9. Positioniereinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftübertragungsorgan (224) als ein gesondertes Element (204) am Bauteil (200) befestigt ist.

10. Positioniereinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein spezielles Stützorgan (716) vorgesehen ist, über welches in das Kraftübertragungsorgan (712) an sei­ nem freien auskragenden Ende eine senkrecht zur Fügeebene ausgerichtete vorgebbare Kraft eingeleitet werden kann.

11. Positioniereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kraftübertragungsorgan hydraulisch (720) oder über ei­ ne Feder (718) angetrieben ist.

12. Verwendung mindestens zweier Positioniereinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für eine Baueinheit aus zwei in eine vorbe­ stimmte Relativlage mit mindestens zwei Positioniereinrichtungen zu po­ sitionierenden Bauteilen (100, 102), wobei das eine Bauteil insbesondere als Werkstückträger und das andere Bauteil insbesondere als Aufnahmekör­ per für einen Werkstückträger ausgebildet ist.