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Die
Erfindung geht auf dem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten
Gegenstand aus.
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Die
spanende industrielle Fertigung von gehäuseförmigen Werkstücken auf
Werkzeugmaschinen zum Bohren und Fräsen, als hochtemperierte Trockenbearbeitung
realisiert, bedingt vielfach qualitätsmindernde und sicherheitsrelevante
Zustandsänderungen
an der Spannvorrichtung und am positionierten und gespannten Werkstück. Daneben
bedingen die Elemente der Werkstückspannung
mit Fluid-Druckmedien, wie Drucköl- oder Druckluftspannelemente,
eine Überwachung
des Spannzustandes.
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Kennzeichnend
für eine
intelligente Werkstück-Spannvorrichtung
sind dabei die sensorische Feststellung der durch die hohen Bearbeitungskräfte, durch
die Temperaturentwicklung bei der Trockenbearbeitung und die durch
die Auswirkungen der Spannfunktion bedingten Zustandsänderungen
und, nach entsprechender Informationsübertragung an die Steuerung
der Werkzeugmaschine, eine aktorische Kompensation durch diese.
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Damit
sind Fehlfunktionen, Qualitätsmängel und
sicherheitsrelevante Negativauswirkungen auf den Bediener vermeidbar.
Die so mit Intelligenz ausgestattete Werkstück-Spannvorrichtung ist damit die wesentlichste
Komponente im technologischen Prozess zur Realisierung einer bedienarmen
spanenden Trockenbearbeitung.
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Unmittelbar
auf der Werkstück-Spannvorrichtung
und am gespannten Werkstück
wird eine große
Anzahl an technischen, technologischen und funktionellen Daten sensorisch
erfasst und für
die aktorische Kompensation an die Steuerung der Werkzeugmaschine übertragen.
Dies erfolgt zusätzlich
zu den eigentlichen Vorrichtungsfunktionen:
Lagebestimmung
und Spannung mittels spezifischer Funktionselemente und Anordnung
der Armaturen für
die funktionell benötigten
Leistungsarmaturen.
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Aus
DE 100 59 153 C1 ist
eine Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung
bekannt, die als ein Bearbeitungssystem mit beweglichen Werkstückträger- und
Werkstückspann-Modulen ausgebildet
ist. Diese beweglichen Module sind am einem Grund- oder Aufspannkörper beispielsweise
schwenkbeweglich gelagert angeordnet und damit in vorbestimmten Schwenkpositionen
hochgenau zentrisch positioniert.
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Da
auch hier Elektroenergie als Erzeugerenergie für zu übertragende Spann- und Schwenk-Zustandsinformationen
benötigt
wird, bedurfte es zur Vermeidung von flexiblen Kabelverbindungen,
die zu Verschlingungen neigen, und zur Vermeidung von Steckerkupplungen
drahtloser Informationsübertragungen
an entsprechend gestalteten Kontakt- und Schnittstellen zwischen
den beweglichen Modulen und dem unbeweglichen Grund- oder Aufspannkörper.
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In
der erwähnten
Erfindung wird zu diesem Zweck Druckluft als Energieträger für eine drahtlose Realisierung
der Zu- und Abführung
sowie Wandlung der Elektroenergie, ergänzt durch Energie aus einem nachladbaren
Batteriesystem, als ein Schwachstrom-Energieversorgungssystem strukturiert,
genutzt. Die sensorischen Daten über
Spann- und Schwenkzustände und
deren Veränderungen
werden als Signale drahtlos auf der Grundlage von Infrarot entlang
der Schwenkachse beweglicher Module am unbeweglichen Grund- und
Aufspannkörper
gerichtet übertragen.
Die geschlossene abgeschirmte Anordnung dieser drahtlosen Informationsübertragung
in einer rohrförmig
hohl ausgebildeten Drehdurchführung
hält prozessbedingt
entstehende heiße Späne fern
und vermeidet Informationsfehler. Die entsprechend gestaltete Informationsschnittstelle
ist auch an der Kontaktstelle zwischen der Grundfläche des
Grund- oder Aufspannkörpers
der Werkstück-Spannvorrichtung
und der Oberfläche
der Maschinenpalette oder des Maschinentisches der Werkzeugmaschine
angeordnet.
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Daneben
ist aus
DE 102 18
188 C1 eine Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung bekannt,
wobei ebenfalls ein beweglicher Werkstückträger und ein Werkstückspann-Modul an einem Grund-
oder Aufspannkörper,
schwenkbeweglich gelagert, angeordnet und in vorbestimmten Schwenkpositionen hochgenau
zentrisch positioniert sind. Ergänzend werden
hier die Zustandsänderungen
der mit Druckflüssigkeit
betätigten
Arretier-Komponenten für
die Module und die Zustandsänderungen
der Spannbaugruppen für
die Werkstückpositionierung
und -spannung sensorisch ermittelt. Dazu ist in mindestens einer
der Druckflüssigkeitsleitungen
an der Schnittstelle der Werkstück-Spannvorrichtung
zur Werkzeugmaschine ein Volumensensor angeordnet und über eine
separate, in der Werkzeugmaschine verlaufende, Signalübertragungsleitung
mit der Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden. Über die Werkzeugmaschinensteuerung
sind aktorisch die sensorisch festgestellten, im wesentlichen funktionsstörenden, Änderungen
der Druckflüssigkeitsmenge und
-bewegung kompensierbar oder nach dem Signal „Maschine Aus" Instandsetzungsmaßnahmen durchführbar. Die
Informationsschnittstelle ist auch hierbei abgeschirmt ausgebildet
und an der Kontaktstelle zwischen Grundfläche der Werkstück-Spannvorrichtung
und Oberfläche
der Maschinenpalette oder des Werkzeugmaschinentisches angeordnet.
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Die
durch hohe Bearbeitungskräfte,
hohe Temperaturen sowie aufliegende hochtemperierte Späne gekennzeichnete
spanende industrielle Fertigung von Stahl-, Grauguss- und Aluminiumguss-Werkstücken (insbesondere
Trockenbearbeitung), die damit bedingten Veränderungen der Spannzustände, hoher
Wärmeeintrag
und wärmeeintragsbedingte
Verformungen an der Werkstück-Spannvorrichtung
und am Werkstück
sind nicht Gegenstand der sensorischen Feststellung und intelligenten
Datenübertragung
für eine
aktorische Kompensation der in beiden genannten Schriften vorgeschlagenen
Lösungen.
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Aus
DE 102 37 63 C1 ist
eine Werkstück-Spannvorrichtung
mit Späneableit-Komponenten
bekannt, wobei unter den Bedingungen der Trocken- und der Minimalmengenschmierungs-Bearbeitung
Komponentenlösungen
vorgeschlagen werden, die hochtemperierte Späne von beweglichen und festen
Werkstück-Spannmodulen
sowie von Raumsegmenten der Werkzeugmaschinen zügig ableiten und von den eigentlichen
Bestimm- und Spannflächen der
Werkstück
fern halten.
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Die
Ermittlung oder Feststellung von äußeren wärmeeintrags- und spänebedingten
Auswirkungen und Veränderungen
an der Werkstück-Spannvorrichtung
und an den gespannten, beispielsweise trockenspanend gefertigten,
Werkstücken
sind nicht Gegenstand der technischen Aufgabenstellung dieser Lösung.
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Die
Größenordnung
der Auswirkungen der Trockenbearbeitung auf die Werkstück-Spann-vorrichtung
und auf das Werkstück
unter den Bedingungen hoher Produktivität erfordert die sensorische
Erfassung einer großen
Anzahl von Daten an den räumlich
unmittelbar betroffenen Wirkungsstellen und Raumsegmenten sowie,
nach Zusammenfassung dieser Daten als Signale an einer Empfangseinheit
an der Werkstück-Spannvorrichtung,
eine offene Signalübertragung
für eine
aktorische Kompensation an die Werkzeugma-schinensteuerung.
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Die
unter anderen durch
EP
0108521 B1 bekannte offene Signalübertragung unter Nutzung von Funkwellen
an Werkzeugmaschinen ist technologisch auf Mess- und Einstellprozesse
von Werkzeugen und Tischkomponenten beschränkt. Die komplexe offene Übertragung
einer größeren Anzahl
funktions- und technologiebedingter unterschiedlicher Daten als
Signale, von einer Werkstück-Spannvorrichtung
ausgehend, ist bisher nicht unter Nutzung von Funkwellen in der
Praxis realisiert worden.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb das Problem
zugrunde, in der spanenden industriellen Fertigung, insbesondere
in der Trockenbearbeitung, zu bestimmen, welche technologischen
und funktionellen Informationen über Zustandsänderungen
an festzulegenden Stellen der Werkstück-Spannvorrichtung sensorisch
ermittelt und als Signale offen der Werkzeugmaschinensteuerung für eine aktorische
Kompensation übermittelt werden.
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Das
Problem wird durch den Patentanspruch 1 gelöst.
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Es
werden vier Raumsegmente und deren Anordnung an der Spannwand eines
Aufspannkörpers
oder Spannwinkels der Werkstück-Spannvorrichtung
vorgeschlagen. Die Sensoren werden für die Temperaturmessung, die
Ermittlung von spannkraft- sowie temperaturbedingten Verformungen
an der Spannwand und am Werkstück
genutzt.
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Das
an einem Zapfen an der Spannwand vorpositioniert gehängte Werkstück wird
in einer mittels Sensoren festgestellten Mittenlage positioniert. Alle
Sensoren sind über
eine an der Spannwand angeordneten Signalverarbeitungseinheit leitungsverbunden,
eine Sendeeinheit für
Funkwellensignale auf der Werkstück-Spannvorrichtung
ist mit der Empfangseinheit für
Funkwellensignale auf der Werkzeugmaschine und der Werkzeugmaschinensteuerung
informationsverbunden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und
3 angegeben. Der an den Spannstellen festgestellte Zustand der mit
Fluid-Druckmedien betätigten
Spannbaugruppen wird zusätzlich über mindestens
einen, abgeschirmt angeordneten, Volumenmesssensor, der mit der
Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden ist, festgestellt.
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Zwischen
den Edelstahl-Späneableitblechen und
der Spannwand sind wärmeeintragvermindernde Luftpolster
ausgebildet. Die werkstück-
und trockenbearbeitungsspezifische Auswahl und Anordnung bekannter
Sensoren zur ständig
andauernden oder periodischen Ermittlung aller Zustandsänderungen an
der Werkstück-Spannvorrichtung,
ohne die Lagebestimm- und Spannfunktion zu behindern, sichert über die
Vorrichtungsintelligenz eine hohe Prozessgenauigkeit, Qualität und technische
Sicherheit in der Werkstückfertigung.
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Die
Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel
in den Figuren vereinfacht dargestellt und wird im folgenden Teil
der Beschreibung näher
erläutert:
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1 eine
Ansicht der Spannseite der Intelligenten Werkstück-Spannvorrichtung
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2 eine
Seitenansicht als Schnittdarstellung in Richtung A nach 1
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3 eine
Draufsicht auf die Maschinenpalette der Werkzeugmaschine
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4 eine
3D-Darstellung der Spannseite mit Edelstahl-Ableitblechen
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5 eine
Rückseiten-Darstellung
nach 4
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Die
in 1 und in 2 vereinfacht
dargestellte Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung
besteht im wesentlichen aus einem Aufspannkörper in der Form eines Spannwinkels 2 mit
einer Spannwand 1 und einer Grundplatte 4. An
der Vorderseite der Spannseite der senkrechten Spannwand 1 ist
das gehäuseförmige Werkstück 5,
hier eine Zylinderkopfhaube, auf Stützelementen 10 aufliegend,
positioniert und mittels Spannstellen 9 von drei schwenkbaren,
mit Fluid-Druckmedium – hier
mit Drucköl – betätigten,
Spannbaugruppen gespannt. An der Spannwand 1 sind in den
bestimmten Raumsektoren Sensoren 14, 15 und 16 angeordnet,
mit denen eine sensorische Ermittlung von Zustandsinformationen
und Zustandsänderungen
erfolgen kann.
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Sensoren 14 sind
in dem Raumsegment 6 an bzw. in unmittelbarer Nähe der Kontaktstelle
von Werkzeugschneiden des Bohrwerkzeuges und der Bearbeitungsflächen des
Werkzeuges 5 angeordnet.
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Weiterhin
sind Sensoren 14 an der Winkel- und Gelenkstelle 3 von
Spannwand 1 sowie Grund- und Adapterplatte 4 in
einem definierten weiten Abstand von der Kontaktstelle des Raumsegmentes 6 entfernt
angeordnet.
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Zwei
Sensoren 14 sind für
die Temperaturmessung und zwei Sensoren 15 für die Feststellung von
spannkraft- sowie temperaturbedingten Verformungen an der Spannwand 1 und
am Werkstück 5 angeordnet.
Das Werkstück 5 ist
mittels einer in oberer Zentrumslage befindlichen Bohrung 7 hakenförmig, auf
einem an der Spannwand 1 angeordneten vorstehenden kugelförmigen Zapfen 8 gehängt, vorpositioniert.
Die Außenkonturen
der Zylinderkopfhaube sind in dieser Lage mittels der Sensoren 15 festgestellt
und werden für
eine Kompensation der Achskomponenten auf die Werkzeugmaschinensteuerung 13 übertragen.
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Alle
Sensoren sind über
die Signalverarbeitungseinheit 23, die auf der Spannwand 1 angeordnete
Sendeeinheit für
Funkwellensignale 18 und die auf der Werkzeugmaschine in
Reichweite befindliche Empfangseinheit für Funkwellensignale 19 mit
der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden.
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In 3 ist
dargestellt, dass die Zu- und Abführleitungen der Spannbaugruppe,
die die Spannstelle 9 bilden, in der Schwenkachse 12 im
engen Abstand um diese auf der Maschinenpalette 11 angeordnet
sind. Mindestens eine der Drucköl-Zu- und
Abführleitungen
ist mit einem Volumenmesssensor 17 ausgestattet. Dieser
Sensor ist unter der Maschinenpalette 11 angeordnet und über die
Signalübertragungsleitung 20 mit
der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden.
Nicht dargestellt sind die Elemente für die Wandlung von, über eine
Leitung in der Schwenkachse 12 zugeführten, Druckluft in Schwachstromenergie
mittels eines Energiewandlers an der Spannwand 1, um die Versorgung
der Sensoren mit Erzeugerenergie zu realisieren.
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In 4 und 5 ist
die Einhausung des Spannwinkels 2 für eine erleichterte Ableitung
der hochtemperierten Späne
aus der Maschinenpalette 11 angeordnet und über die
Signalübertragungsleitung 20 mit
der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden.
Nichtdargestellt sind die Elemente für die Wandlung von, über eine
Leitung in der Schwenkachse 12 zugeführte, Druckluft in Schwachstromenergie mittels
eines Energiewandlers an der Spannwand 1, um die Versorgung der
Sensoren mit Erzeugerenergie zu realisieren.
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In 4 und 5 ist
die Einhausung des Spannwinkels 2 für eine erleichterte Ableitung
der hochtemperierten Späne
aus der Trockenbearbeitung dargestellt.
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Die
senkrecht und schräg
nach unten gerichteten Edelstahl-Späneableitbleche 21 bilden,
in einem Abstand zur Spannwand 1 verlaufend, spanfreien
Hohlraum 22, in dem die Halterung von Sensoren angeordnet
und ein wärmeeintragsfreies
Luftpolster beidseitig ausgebildet ist.
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- 1
- Spannwand
- 2
- Spannwinkel/Aufspannkörper
- 3
- Winkel-
und Gelenkstellen (der Spannwand 1)
- 4
- Grundplatte/Adapterplatte
- 5
- Werkstück
- 6
- Kontaktstellen
Werkzeugschneiden/Bearbeitungsfläche
- 7
- Bohrung
(in Werkstück 5)
- 8
- Zapfen
- 9
- Spannstellen
- 10
- Stützelement
- 11
- Maschinenpalette
- 12
- Schwenkachse
(der Maschinenpalette 11)
- 13
- Steuerung
der Werkzeugmaschine
- 14
- Sensoren
für Temperaturmessung
- 15
- Sensoren
für spannkraft-/temperaturbedingte Verformungen
- 16
- Sensoren
für Werkstückspann-Zustandsabfrage
- 17
- Volumenmesssensor
- 18
- Sendeeinheit
für Funkwellensignale
- 19
- Empfangseinheit
für Funkwellensignale
- 20
- Signalübertragungsleitung
- 21
- Edelstahl-Späneableitbleche
- 22
- spanfreier
Hohlraum
- 23
- Signalverarbeitungseinheit