DE102008005131B4

DE102008005131B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkstücktisch einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102008005131B4
Application number: DE200810005131
Authority: DE
Inventors: Franz-Xaver Bernhard; Josef Mauch; Dietmar Wiltschko
Original assignee: Maschinenfabrik Berthold Hermle AG
Current assignee: Maschinenfabrik Berthold Hermle AG
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-01-19
Also published as: DE102008005131A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkzeugtisch einer Werkzeugmaschine, wobei der Werkzeugtisch über ein Nullpunktspannsystem mit der Werkstückpalette oder dem Werkstück verbindbar ist und wobei das Nullpunktspannsystem über ein Schiebeelement betätigbare Spannelemente aufweist. Um ein Verfahren zu schaffen, mit der eine sichere und einfache Anwesenheitskontrolle für eine Werkstückpalette auf einem Schwenk-Rundtisch mit Nullpunktspannsystem durchgeführt werden kann, um somit die Betriebsarten "Spannen ohne Palette", "Spannen mit Palette", "Lösen ohne Palette" und "Lösen mit Palette" eindeutig detektieren zu kösehen: a) Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des unbeladenen Werkstücktisches bei der ersten Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine, b) Abspeichern des ermittelten Massenträgheitsmomentes als Referenzwert, c) erneute Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des Werkstücktisches in einem weiteren Messlauf bei Normalbetrieb der Werkzeugmaschine als Folge bestimmter vorgebbarer Betriebsparameter, d) Erfassung der Stellung des die Spannelemente betätigenden Schiebeelementes, e) Vergleich des in Schritt c) ermittelten Wertes mit dem in Schritt a) ermittelten Referenzwert unter Berücksichtigung der in Schritt d) erfassten Stellung des Schiebeelementes. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkstücktisch einer Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkstücktisch einer Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Moderne Bearbeitungszentren für die Bohr- und Fräsbearbeitung von sehr komplexen Werkstückgeometrien besitzen in der Regel fünf Bewegungsachsen, nämlich drei lineare Bewegungsachsen und zwei rotative Bewegungsachsen. Die drei linearen Bewegungsachsen beschreiben dabei ein orthogonal ausgerichtetes Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum (X-Y-Z). Die zwei rotativen Bewegungsachsen (A und C) sind mit ihren Mittelachsen rechtwinklig zueinander und parallel zu jeweils einer linearen Bewegungsachse ausgerichtet. Die Mittelachse der C-Achse kann zum Beispiel parallel zur Z-Achse, die Mittelachse der A-Achse kann zum Beispiel parallel zur Y-Achse ausgerichtet sein.
Des Weiteren hat ein Bearbeitungszentrum für die Bohr- und Fräsbearbeitung immer eine werkzeugtragende Baugruppe und eine werkstücktragende Baugruppe. Die fünf Bewegungsachsen müssen auf diese beiden Baugruppen aufgeteilt werden. Wie diese Aufteilung durchgeführt wird, hängt von der Bauform des Bearbeitungszentrums ab. Bei einer sogenannten Fahrständer-Bauform oder bei einer sogenannten Gantry(Portal)-Bauform sind die drei linearen Bewegungsachsen immer der werkzeugtragenden Baugruppe zugeordnet. Die zwei rotativen Bewegungsachsen können aber bei diesen beiden Bauformen unterschiedlich aufgeteilt sein. So sind Fahrständer- oder Gantry(Portal)-Bauformen bekannt, wo eine rotative Bewegungsachse der werkstücktragenden Baugruppe und eine rotative Bewegungsachse der werkzeugtragenden Baugruppe zugeordnet sind.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die beiden rotativen Bewegungsachsen nur der werkstücktragenden Baugruppe zugeordnet werden. In diesem Fall wird die werkstücktragende Baugruppe als sogenannter Schwenk-Rundtisch ausgebildet. Das heißt, der drehende Werkstücktisch (Rundtisch) zur Aufnahme der Werkstücke kann noch zusätzlich um eine horizontale oder vertikale Achse verschwenkt werden. Die Bauweise mit einem Schwenk-Rundtisch hat sich in der Praxis als sehr vorteilhaft erwiesen und wird in den letzten Jahren zunehmend gebaut.
Besonders bei Bearbeitungszentren für die Bearbeitung von mittelschweren Werkstücken (500 bis 2.000 kg) wird diese Bauweise mit Schwenk-Rundtisch gerne eingesetzt. Das Werkstück wird dabei in der Regel automatisiert auf den Schwenk-Rundtisch aufgespannt. Die manuelle Aufspannung mit über Handkraft betätigbaren Spannelementen (Spannpratzen usw.) wird aufgrund der relativ hohen unproduktiven Verlustzeiten nur noch im Ausnahmefall durchgeführt.
Während dem manuellen Aufspann- und Ausrichtvorgang steht das Bearbeitungszentrum still. Bei der automatisierten Aufspannung dagegen wird das einzuwechselnde Werkstück in der Regel hauptzeitparallel, d. h. parallel zu einer Bearbeitung, auf normierte Werkstückpaletten manuell aufgespannt.
Werkstückpaletten sind normierte Werkstückträger, die auf der Unterseite zur genauen Fixierung und zur Spannung auf dem Werkstücktisch geeignete Flächen und Funktionselemente besitzen. Der Vorteil der Verwendung einer normierten Werkstückpalette ist darin zu sehen, dass die normierte Werkstückpalette immer eine gleichbleibende Anschlussgeometrie zum Werkstücktisch aufweist, so dass eine schnelle Positionierung und eine schnelle automatische Spannung möglich sind. Die an der Unterseite der Werkstückpalette und an der Oberseite des Werkstücktisches angeordneten Funktionselemente zum Spannen und Ausrichten (Zentrieren) der Werk stückpalette werden allgemein als Nullpunktspannsysteme bezeichnet. Diese Nullpunktspannsysteme sind die eigentliche Schnittstelle zwischen Werkstückpalette und Werkstücktisch. Sie müssen ein exaktes und wiederholgenaues Fixieren der Werkstückpalette auf dem Werkstücktisch ermöglichen. Wiederholgenauigkeiten von bis zu wenigen μm müssen erreicht werden. Des Weiteren muss eine schnelle und sichere Aufspannung der Werkstückpalette durch das Nullpunktspannsystem gewährleistet sein. Die Spann- bzw. Haltekraft kann bis zu 50.000 N betragen. Ganz allgemein gesprochen ist ein Nullpunktspannsystem ein Kupplungssystem zum Fixieren und zum schnellen Spannen von Werkstückpaletten auf dem Werkstücktisch eines Bearbeitungszentrums. Das Nullpunktspannsystem besteht immer aus einem Positivteil mit Spannbolzen bzw. Einzugsnippel und aus einem Negativteil mit Spannbüchse bzw. Einzugsring.
Bei einem Bearbeitungszentrum mit einem Schwenk-Rundtisch darf aus Gründen der Sicherheit das Lösen der Werkstückpalette über die Nullpunktspannsysteme nur erfolgen, wenn der Schwenk-Rundtisch sich annähernd in der waagrechten 0°-Position befindet. Ansonsten würde die Gefahr bestehen, dass die Werkstückpalette mit dem Werkstück aufgrund der Schwerkraft undefiniert herunterfällt. Erheblicher Personen- und Sachschaden könnte die Folge sein. Aus diesem Grund ist der Befehlsgeber für die Lösefunktion steuerungstechnisch mit der Positionsüberwachung der Schwenkachse (A-Achse) des Schwenk-Rundtisches verbunden. Somit ist sichergestellt, dass ein Lösen der Werkstückpalette nur in waagrechter 0°-Position möglicht ist und dass bei einem gelösten Nullpunktspannsystem der Schwenk-Rundtisch in der 0°-Position gesperrt bleibt. Das heißt, der Schwenk-Rundtisch kann bei gelöstem Nullpunktspannsystem nicht verschwenkt werden. Somit wird zwangsläufig sichergestellt, dass bei einem Fehler des Bedienpersonals, wenn der Bediener ver gisst nach Aufsetzen der Werkstückpalette den Befehlsgeber „Spannen Werkstückpalette” zu betätigten, der Schwenk-Rundtisch mit ungespannter Werkstückpalette nicht aus der waagrechten 0°-Position heraus verschwenkt werden kann.
In der EP 1 396 306 B1 ist ein Nullpunktspannsystem für das automatische Festspannen von Werkstückpaletten beschrieben. Das beschriebene Nullpunktspannsystem besteht aus einem Kegelstumpf und aus einer Kegelhülse. Der Kegelstumpf (Positivteil) wird auf dem Werkstücktisch und die Kegelhülse (Negativteil) wird auf der Werkstückpalette befestigt. In der Regel wird eine Werkstückpalette immer mit mehreren Nullpunktspannsystemen auf dem Werkstücktisch befestigt. Im Kegelstumpf ist ein Schiebeelement für die Betätigung der Spannelemente angeordnet. Das Schiebeelement ist im vorliegenden Fall als doppeltwirkender Hydraulikkolben ausgebildet. Das heißt, durch Beaufschlagen des jeweiligen Druckraums mit einem Hydrauliköl unter hohem Druck kann das Schiebeelement ein- oder ausgefahren werden. Die Spannelemente zum Spannen der Kegelhülse sind als Doppelkugel ausgeführt und gleichmäßig am Umfang des Kegelstumpfes verteilt. Beim Einfahren des Schiebeelementes in den Kegelstumpf werden die Spannkugeln zwangsläufig nach außen gedrückt und die Kegelhülse wird form- und kraftschlüssig mit dem Kegelstumpf verklemmt. In diesem Fall ist die Werkstückpalette sicher mit dem Werkstücktisch verbunden, die Werkstückpalette ist gespannt. Beim Ausfahren des Schiebeelementes aus dem Kegelstumpf werden die Spannkugeln freigeben und die Werkstückpalette kann abgehoben werden. Beim Abheben der Werkstückpalette werden die Spannkugeln wieder in den Kegelstumpf hineingedrückt.
Bei dem in der EP 1 396 306 B1 dargestellten Nullpunktspannsystem wird mit einem Fluid (Hydraulik) gespannt und mit einem Fluid (Hydraulik) gelöst. Die Stellung des Schie beelementes und somit die Spann- und Lösestellung des Spannsystems kann indirekt über den Löse- und/oder Spanndruck durch die Maschinensteuerung ermittelt werden. Dazu sind entsprechende Drucksensoren in den Druckleitungen angeordnet, über die die Maschinensteuerung feststellen kann, ob das Nullpunktspannsystem sich in der Löse- oder Spannstellung befindet. Zum Beispiel ist in der EP 1 396 306 B1 das Schiebeelement in Spannstellung, wenn der Drucksensor für den oberen Druckraum einen Druck anzeigt und wenn der Drucksensor für den unteren Druckraum keinen Druck anzeigt. Für die Lösestellung gelten die umgekehrten Bedingungen.
In der Praxis gibt es die unterschiedlichsten Ausprägungen von Nullpunktspannsystemen.
So sind auch Systeme bekannt, bei denen das Schiebeelement für die Betätigung der Spannelemente über eine mechanische Feder in die Spannstellung und über ein Fluid (Druckluft oder Hydrauliköl) in die Lösestellung gedrückt wird. Bei diesen Nullpunktspannsystemen wird durch Feder gespannt und mit einem Fluid gelöst.
Des Weiteren sind auch Nullpunktspannsysteme bekannt, bei denen der Einzugsbolzen in der Kegelhülse an der Unterseite der Werkstückpalette und der Einzugsring (Spannzange) im Kegelstumpf auf dem Werkstücktisch angeordnet sind. Solch ein System ist zum Beispiel in der DE 100 31 103 A1 beschrieben.
Bei all diesen Nullpunktspannsystemen ist das kraftbetätigte Schiebeelement zum Lösen oder Spannen immer auf dem am Maschinenbett angeordneten Werkstücktisch befestigt und nicht auf der Werkstückpalette. Dies ist auch sinnvoll, da die Energieversorgung zum Verstellen des Schiebeelementes konstruktiv einfacher über den Werkstücktisch an das Schie beelement geführt werden kann als über eine frei transportierbare Werkstückpalette.
Die in der EP 1 396 306 B1 und in der DE 100 31 103 A1 offenbarten Nullpunktspannsysteme für das automatische Festspannen von Werkstückpaletten haben den Nachteil, dass eine Werkstückpalette, die auf Grund eines Bedienfehlers auf ein schon gespanntes Nullpunktspannsystem aufgesetzt wird, nicht zwangsläufig von der Maschinensteuerung des Bearbeitungszentrum erkannt werden kann. Dies kann zu einer Personen- und Sachgefährdung führen.
Folgende Gefährdungssituation ist zwar in der Praxis unwahrscheinlich, aber praktisch nicht unmöglich und muss daher aufgrund des hohen Verletzungsrisikos für eine Person in einer Risikoanalyse betrachtet werden:

1. Der Schwenk-Rundtisch wird in die waagrechte 0°-Position verschwenkt und die Maschinensteuerung gibt automatisch über ein Ablaufprogramm das Nullpunktspannsystem zum Lösen frei.
2. Der Bediener betätigt die Befehlstaste „Lösen Palette”, hebt die Werkstückpalette von dem Nullpunktspannsystem ab und transportiert die Werkstückpalette aus dem Arbeitsbereich des Bearbeitungszentrums heraus. Beim Betätigen der Befehlstaste „Lösen” wird der Schwenkantrieb (A-Achse) des Schwenk-Rundtisches durch die Maschinensteuerung automatisch gesperrt. Ein Verschwenken des Schwenk-Rundtisches mit einem gelösten Nullpunktspannsystem ist nicht möglich.
3. Aufgrund einer Unaufmerksamkeit oder Fehlbedienung wird die Befehlstaste „Spannen Palette” betätigt, obwohl noch keine neue Werkstückpalette auf dem Nullpunktspannsystem aufgesetzt wurde. Der Schwenk antrieb (A-Achse) des Schwenk-Rundtisches wird nach der Betätigung der Befehlstaste „Spannen Palette” von der Maschinensteuerung wieder automatisch freigeben. Der Schwenk-Rundtisch kann jetzt jederzeit verschwenkt werden.
4. Der Bediener setzt jetzt eine Werkstückpalette auf das gespannte Nullpunktspannsystem auf mit der Intention, dass diese noch gespannt werden müsste und betätigt die Befehlstaste „Spannen Palette” ein zweites Mal. Da das Nullpunktspannsystem schon gespannt ist, erfolgt keine weitere Reaktion am Schiebeelement des Nullpunktspannsystems mit der Folge, dass die Werkstückplatte ungesichert auf dem gespannten Nullpunktspannsystem aufliegt. Diese Fehlspannung kann optisch vom Bediener in der Regel nicht sicher erkannt werden. Wird jetzt der von der Maschinensteuerung freigegebene Schwenk-Rundtisch verschwenkt, kann eine gefährliche Situation entstehen. Die ungespannte Werkstückpalette kann vom Werkstücktisch unerwartet herunterfallen. Eine große Personen- und Sachgefährdung ist die Folge.

Nach dem bisherigen Stand der Technik kann mit der Maschinensteuerung nur eine zwangsläufige Stellungsabfrage am Schiebeelement des Nullpunktspannsystems durchgeführt werden. Durch diese zwangsläufige Stellungsabfrage kann nur die Betriebsart „Gespannt” und „Gelöst” detektiert werden. Die Stellungsabfrage am Schiebeelement kann dabei direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Stellungsabfrage wird der Verstellweg des Schiebeelementes über eine geeignete Sensorik direkt erfasst und über die Maschinensteuerung ausgewertet. Bei der indirekten Stellungsabfrage wird der Löse- und/oder Spanndruck in der Energiezuleitung des Nullpunktspannsystem ermittelt und über die Maschinensteue rung ausgewertet. Zum Beispiel kann in der EP 1 396 306 B1 die Betriebsart „Gelöst” oder „Gespannt” dadurch detektiert werden, dass jeweils über einen Drucksensor der hydraulische Druck der entsprechenden Druckkammer gemessen wird.
Ob eine Werkstückpalette auf dem Nullpunktspannsystem aufliegt oder nicht, wird durch die Maschinensteuerung nach dem Stand der Technik nicht erfasst. Auch die Stellungen „Gespannt ohne Palette” und „Gespannt mit Palette” können bislang nach dem Stand der Technik nicht durch die Maschinensteuerung detektiert werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine sichere und einfache Anwesenheitskontrolle für eine Werkstückpalette auf einem Schwenk-Rundtisch mit Nullpunktspannsystem durchgeführt werden kann, um somit die Betriebsarten „Spannen ohne Palette”, „Spannen mit Palette”, „Lösen ohne Palette” und „Lösen mit Palette” eindeutig detektieren zu können. Diese Betriebsarten müssen für den Bediener eindeutig und zwangsläufig über die Maschinensteuerung erkennbar sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkstücktisch einer Werkzeugmaschine, wobei der Werkstücktisch über ein Nullpunktspannsystem mit der Werkstückpalette oder dem Werkstück verbindbar ist und wobei das Nullpunktspannsystem über ein Schiebeelement betätigbare Spannelemente aufweist, durch folgende Schritte gelöst:

a) Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des unbeladenen Werkstücktisches bei der ersten Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine,
b) Abspeichern des ermittelten Massenträgheitsmomentes als Referenzwert,
c) Erneute Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des Werkstücktisches in einem weiteren Messlauf bei Normalbetrieb der Werkzeugmaschine als Folge bestimmter vorgebbarer Betriebsparameter,
d) Erfassung der Stellung des die Spannelemente betätigenden Schiebeelementes,
e) Vergleich des in Schritt c) ermittelten Wertes mit dem in Schritt a) ermittelten Referenzwert unter Berücksichtigung der in Schritt d) erfassten Stellung des Schiebeelementes.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Stellung des Schiebeelementes und eine Auswerteeinrichtung zum Vergleich der ermittelten Massenträgheitsmomente.
Moderne CNC-Antriebssteuerungen von Werkzeugmaschinen sind heutzutage in der Lage, das Massenträgheitsmoment eines elektromotorischen Antriebssystems zu ermitteln, ohne dass dazu eine zusätzliche externe Sensorik notwendig ist. Insbesondere bei einem Werkstücktischantrieb mit einem hohem Übertragungswirkungsgrad (ca. 90%) ist eine Ermittlung des Massenträgheitsmomentes über die Antriebssteuerung ohne größere Probleme möglich. Solche Werkstücktischantriebe (z. B. Direktantrieb mit Torque-Motor oder Servoantrieb mit einer Zahnradgetriebestufe oder Servoantrieb mit einem Harmonic-Drive-Getriebe) ersetzen zunehmend die bislang eingesetzten Schneckradantriebe. Der Vorteil dieser Werkstücktischantriebe ist unter anderem darin zu sehen, dass ein hoher Wirkungsgrad und somit eine hohe Drehmomentnutzung auch bei geringer Drehzahl möglich ist.
Über die Auswertung des Motorstroms kann bei diesen Werkstücktischantrieben ein Rückschluss auf das Massenträgheitsmoment des Antriebs gezogen werden. Die Beladung eines drehenden Werkstücktisches lässt sich somit in relativ einfacher Weise über das Massenträgheitsmoment des betreffenden Antriebssystems indirekt bestimmen. Dazu wird das Massenträgheitsmoment eines unbeladenen Werkstücktisches bei der ersten Inbetriebnahme der Maschine über einen Eichlauf mit definierter Drehzahl ermittelt und als Referenzwert im Datenspeicher der CNC-Antriebssteuerung überschreibsicher und gegebenenfalls redundant abgespeichert.
Über einen zwangsläufig ablaufenden Messlauf kann die Maschinensteuerung bei bestimmten vorgebbaren Betriebsparametern, z. B. nach Einschalten der Maschine, nach dem Betätigen eines Spannbefehls, nach dem Betätigen eines Lösebefehls oder nach dem Schließen einer den Zugang zum Werkstücktisch ermöglichenden Kabinentür automatisch das Massenträgheitsmoment des Werksstücktisches ermitteln. Der so ermittelte Wert wird mit dem im Speicher abgelegten Referenzwert verglichen. Über diesen Vergleich ist eine Aussage über den Beladezustand des Werkstücktisches möglich. Es kann somit mit ausreichender Sicherheit ermittelt werden, ob sich eine Werkstückpalette auf dem Werkstücktisch befindet oder nicht. Des Weiteren kann die Maschinensteuerung über die Auswertung der entsprechenden Sensorik für die Stellungsabfrage am Schiebeelement feststellen, ob sich das Schiebeelement in der Spann- oder in der Lösestellung befindet. Es sind somit alle vier relevanten Betriebsarten des Spannsystems durch die Maschinensteuerung eindeutig detektierbar und können über eine entsprechende Maschinenanzeige dem Bediener mitgeteilt werden.
Folgende vier Betriebsarten des Nullpunkspannsystems sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung durch die Maschinensteuerung erkennbar:

a) Nullpunktspannsystem gespannt mit Werkstückpalette
b) Nullpunktspannsystem gespannt ohne Werkstückpalette
c) Nullpunktspannsystem gelöst mit Werkstückpalette
d) Nullpunktspannsystem gelöst ohne Werkstückpalette

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Erkennung der Betriebsarten eines Nullpunktspannsystems besteht aus dem direkten oder indirekten Erfassen der Stellung des Schiebeelementes, dem Erfassen des Massenträgheitsmomentes durch einen kurzen Messlauf des drehenden Werkstücktisches, dem Vergleich des durch den Messlauf ermittelten Massenträgheitsmomentes mit dem Massenträgheitsmoment eines Referenzwertes, insbesondere mit dem Referenzwert eines unbeladenen Werkstücktisches.
Der Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Erkennung der Betriebsarten eines Nullpunktspannsystems besteht aus einer Überwachungseinheit für die Stellung des Schiebeelementes (indirekte oder direkte Stellungsauswertung) und einer Auswerteeinheit für die Massenträgheitsmomente des Werkstücktisches.
Durch die Verwendung der steuerungsinternen Funktion zur Ermittlung des Massenträgheitsmomentes eines Antriebssystems können in einfacher und sicherer Weise die relevanten Betriebsarten eines Nullpunktspannsystems automatisch und zwangsläufig ermittelt werden. Eine aufwendige externe Sensorik zur Anwesenheitskontrolle einer Werkstückpalette ist nicht notwendig.
Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, die Betriebsarten „Spannen ohne Palette”, „Spannen mit Palette”, „Lösen mit Palette” und „Lösen ohne Palette” für den Bediener über die Maschinensteuerung erkennbar zu machen.
Durch diese Maßnahmen wird die Sicherheit der Bedienbarkeit der Werkzeugmaschine wesentlich erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch bei Systemen eingesetzt werden, wo das Nullpunktspannsystem direkt und ohne Zwischenschaltung einer Werkstückpalette am Werkstück befestigt ist.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Betriebsstellung „Nullpunktspannsystem gelöst mit Werkstückpalette”,
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Betriebsstellung „Nullpunktspannsystem gespannt mit Werkstückpalette”,
3 die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Betriebsstellung „Nullpunktspannsystem gespannt ohne Werkstückpalette”, und
4 die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Betriebsstellung „Nullpunktspannsystem gespannt ohne Werkstückpalette”.
In den 1 bis 4 ist ein Nullpunktspannsystem gezeigt, wie es im Prinzip aus der EP 1 369 306 B1 bekannt ist.
Im Folgenden wird zunächst das Nullpunktspannsystem beschrieben, daran im Anschluss werden die verschiedenen in den jeweiligen Figuren gezeigten Betriebszustände näher erläutert.
Das Nullpunktspannsystem besteht aus einem Schiebeelement 1, das in einem Kegelgehäuse 2 verschiebbar geführt ist. Das Kegelgehäuse 2 wiederum wirkt mit einer Kegelhülse 3 zusammen, die an einer Werkstückpalette 10 oder einem Werkstück befestigt ist.
Um das Schiebeelement 1 verschieben zu können, ist in dem Kegelgehäuse 2 ein oberer Druckraum 4 und ein unterer Druckraum 5 angeordnet. Wird der obere Druckraum 4 mit Druckmittel beaufschlagt, wird das Schiebeelement 1 nach unten gezogen, wird dagegen der untere Druckraum mit Druckmittel beaufschlagt, wird das Schiebeelement 1 nach oben gedrückt.
Das Schiebeelement 1 und das Kegelgehäuse 2 sind in einem Gehäuse 6 gelagert, welches zur Befestigung an einem Werkstücktisch 12 dient, der im vorliegenden Fall als Schwenk-Rundtisch ausgebildet sein kann.
Das Schiebeelement 1 wirkt über Kegelflächen auf Spannelemente 7 ein und kann diese ausfahren, wenn der obere Druckraum 4 mit Druckmittel beaufschlagt und dadurch das Schiebeelement 1 nach unten gezogen wird. Dazu mündet in den oberen Druckraum 4 eine Hydraulikleitung 8, 9, über die dem oberen Druckraum 4 Druckmittel zugeführt werden kann. Weiterhin ist eine Hydraulikleitung 13 vorgesehen, über welche dem unteren Druckraum 5 Druckmittel zugeführt werden kann.
In dem Schiebeelement 1 ist außerdem eine Luftzuleitung 11 vorhanden, über die das Nullpunktspannsystem ausgeblasen und somit von Bearbeitungsrückständen gereinigt werden kann.
Bei diesem Nullpunktspannsystem ist es nun mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung möglich, die im Folgenden näher beschriebenen unterschiedlichen Betriebszustände eindeutig zu detektieren.
Dazu wird über die Auswertung des den Werkstücktisch 12 bewegenden Motorstroms ein Rückschluss auf das Massenträgheitsmoment des Antriebs gezogen. Die Beladung eines drehenden Werkstücktisches 12 lässt sich somit in relativ einfacher Weise über das Massenträgheitsmoment des betreffenden Antriebssystems indirekt bestimmen. Dazu wird das Massenträgheitsmoment eines unbeladenen Werkstücktisches 12 bei der ersten Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine über einen Eichlauf mit definierter Drehzahl ermittelt und als wichtiger Referenzwert im Datenspeicher der CNC-Antriebssteuerung 29 überschreibsicher und gegebenenfalls redundant abgespeichert.
Über einen weiteren zwangsläufig ablaufenden Messlauf kann die Maschinensteuerung 29 bei bestimmten vorgebbaren Betriebsparametern, z. B. nach Einschalten der Werkzeugmaschine, nach dem Betätigen eines Spannbefehls, nach dem Betätigen eines Lösebefehls oder nach dem Schließen einer den Zugang zum Werkstücktisch 12 ermöglichenden Kabinentür automatisch das Massenträgheitsmoment des Werkstücktischs 12 ermitteln. Der so ermittelte Wert wird mit dem im Speicher abgelegten Referenzwert verglichen. Über diesen Vergleich ist eine Aussage über den Beladezustand des Werkstücktisches 12 möglich. Es kann somit mit ausreichender Sicherheit ermittelt werden, ob sich eine Werkstückpalette 10 auf dem Werkstücktisch 12 befindet oder nicht. Des Weiteren kann die Maschinensteuerung 29 über die Auswertung der entsprechenden Sensorik für die Stellungsabfrage am Schiebeelement 1 feststellen, ob sich das Schiebeelement 1 in der Spann- oder in der Lösestellung befindet. Es sind somit alle vier relevanten Betriebsarten des Spannsystems durch die Maschinensteuerung 29 detektierbar. Diese können somit über eine entsprechende Maschinenanzeige dem Bediener mitgeteilt werden.
Folgende vier Betriebsarten des Nullpunkspannsystems werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Maschinensteuerung 29 erkennbar:

a) Nullpunktspannsystem gespannt mit Werkstückpalette 10
b) Nullpunktspannsystem gespannt ohne Werkstückpalette 10
c) Nullpunktspannsystem gelöst mit Werkstückpalette 10
d) Nullpunktspannsystem gelöst ohne Werkstückpalette 10

Die verschiedenen detektierbaren Betriebszustände sind in den 1 bis 4 dargestellt und werden im Folgenden beschrieben.
In 1 ist ein Betriebszustand gezeigt, bei dem eine Werkstückpalette 10 korrekt auf den Werkstücktisch 12 aufgesetzt ist und das Nullpunktspannsystem gelöst ist. Dabei ist der obere Druckraum 4 gelüftet, d. h. drucklos, während der untere Druckraum 5 mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt ist. Infolge dieses Betriebszustandes sind die Spannelemente 7 in ihrer eingefahrenen Stellung und gehen keine Verriegelung mit der Kegelhülse 3 ein. In diesem Zustand ist weiterhin die Schwenkachse (A-Achse) des Werkstücktisches 12 durch die Maschinensteuerung 29 gesperrt, so dass der Werkstücktisch 12 nicht aus der sicheren waagrechten Position (0°-Position) verschwenkt werden kann.
In 2 ist ein Zustand gezeigt, bei dem die Werkstückpalette 10 beim gelöstem Nullpunktspannsystem (1) korrekt auf den Werkstücktisch 12 aufgesetzt ist und das Nullpunktspannsystem gespannt ist. Dazu wurde der obere Druckraum 4 mit Druckmittel beaufschlagt und der untere Druckraum 5 gelüftet, d. h. drucklos gemacht. Dadurch wird das Schiebeelement 1 nach unten gezogen, die Spannelemente 7 werden ausgefahren und hintergreifen die Kegelhülse 3, so dass diese fest auf dem Kegelgehäuse 2 verankert wird. In diesem Zustand ist die Schwenkachse (A-Achse) des Werkstücktisches 12 durch die Maschinensteuerung 29 freigegeben. Der Werkstücktisch 12 kann nunmehr aus der sicheren waagrechten Position (0°-Position) verschwenkt werden.
In 2 ist weiterhin ein Schaltplan zu erkennen, der wiedergibt, wie das Nullpunktspannsystem gemäß der Erfindung gesteuert und geregelt wird.
Die in den oberen Druckraum 4 und den unteren Druckraum 5 mündenden Hydraulikleitungen 8, 9 bzw. 13 sind mit einer Drehdurchführung 15 zum abgedichteten Durchleiten einer Hydraulikflüssigkeit zwischen einem drehenden und einem festen Bauteil (hydraulischer Schleifring) verbundenen. In der zum oberen Druckraum 4 führenden Hydraulikleitung 8, 9 ist ein gesteuertes Rückschlagventil 14 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil 14 bewirkt, dass bei einem Energieausfall das Nullpunktspannsystem gespannt bleibt, da das Druckmittel im oberen Druckraum 4 eingeschlossen wird. Das Rückschlagventil 14 ist im Werkstücktisch 12 nach der Drehdurchführung 15 angeordnet. Dies ist deshalb wichtig, da eine Drehdurchführung 15 immer eine gewisse Leckage besitzt und somit immer in einem gewissen Masse undicht ist.
Um den Werkstücktisch 12 um die A-Achse verschwenken zu können, ist der Werkstücktisch 12 mit einem Antriebsmotor 16 verbunden. Damit die jeweilige Schwenkstellung sicher detektiert werden kann, ist weiterhin ein Positionsgeber 17 vorgesehen, der vorzugsweise am Antriebsmotor 16 angeordnet ist.
In den Hydraulikleitungen 8, 9 bzw. 13 sind außerdem Drucksensoren 19, 18 vorgesehen, um den im oberen bzw. unteren Druckraum 4, 5 herrschenden Druck zu ermitteln.
Außerdem ist eine Hydraulikpumpe 24 angeordnet, welche mit einem Hydrauliktank 25 in Verbindung steht und für die Zufuhr des Druckmittels zu den einzelnen Druckräumen 4, 5 sorgt.
In der Hydraulikleitung 13 für den unteren Druckraum 5 und in die Hydraulikleitung 8, 9 für den oberen Druckraum 4 sind jeweils ein Stellventil 20 und 21 vorgesehen. Jedes Stellventil 20, 21 kann eine Stellung „Spannsystem gelöst” (20-1 und 21-1) und eine Stellung „Spannsystem gespannt” (20-2 und 21-2) einnehmen.
Zum Lösen des Spannsystems müssen immer beide Stellventile 20 und 21 in der Stellung 20-1 und 21-1 geschaltet werden. Zum Spannen des Spannsystems müssen immer beide Stellventile 20 und 21 in der Stellung 20-2 und 21-2 geschaltet werden. Die Schalterstellungen der beiden Stellventile 20 und 21 müssen beim Lösen und Spannen miteinander korrespondieren.
Um die verschiedenen Stellungen einnehmen zu können, sind elektromagnetische Stellmittel 20-3 und 21-3 zum Verstellen der Stellventile 21 und 21 vorgesehen. Wird das Stellmittel 20-3 und das Stellmittel 21-3 bestromt (Signal = 1), schalten die Stellmittel 20-3 und 21-3 durch, so dass in den un teren Druckraum 5 ein Druckmittel einfließen und aus dem oberen Druckraum 4 ein Druckmittel gleichzeitig abfließen kann, so dass das Schiebeelement 1 nach oben gedrückt wird. Um ein Abfließen des Druckmittels aus dem oberen Druckraum 4 überhaupt zu ermöglichen, muss das gesteuerte Rückschlagventil 14 geöffnet werden. Dies geschieht zwangsläufig über die Steuerleitung 33, die von der Hydraulikleitung 13 an das Rückschlagventil 14 abzweigt. Das durch die Hydraulikleitung 13 einfließende Druckmittel wird über die Steuerleitung 33 an das Rückschlagventil 14 geleitet und öffnet dieses. Folglich kann das im oberen Druckraum 4 eingesperrte Druckmittel über die Ventilstellung 21-1 in den Hydrauliktank 25 abfließen.
In dieser Stellung kann die Kegelhülse 3 von dem Kegelgehäuse 2 abgenommen werden bzw. die Werkstückpalette 10 kann vom Werkstücktisch 12 getrennt werden.
Wird das Stellmittel 20-3 und das Stellmittel 21-3 nicht bestromt (Signal = 0), drückt eine mechanische Rückstellfeder 20-4 und 21-4 die Stellventil 20 und 21 in die Stellung 20-2 und 21-2, so dass in den oberen Druckraum 4 ein Druckmittel einfließen und aus dem unteren Druckraum 5 gleichzeitig ein Druckmittel abfließen kann, so dass das Schiebelement 1 nach unten gedrückt wird. In dieser Stellung ist die Kegelhülse 3 mit dem Kegelgehäuse 2 verspannt, die Werkstückpalette 10 ist mit dem Werkstücktisch 12 verbunden.
Um auch bei einer Unterbrechung der Energieversorgung den gespannten Zustand aufrechterhalten zu können, ist in der Hydraulikleitung 8, 9 für den oberen Druckraum 4 ein gesteuertes Rückschlagventil 14 vorgesehen. Bei einem Energieausfall kann die Hydraulikpumpe 24 keinen Gegendruck mehr in den Hydraulikleitungen 8, 9 aufbauen, das Rück schlagventil 14 wird zwangsläufig durch den Druck im oberen Druckraum 4 geschlossen und sperrt somit das Druckmittel im oberen Druckraum 4 ein. Das Spannsystem bleibt gespannt.
Um die Betriebszustände „Lösen” und „Spannen” herbeizuführen, ist ein elektronischer Befehlsgeber 26 vorgesehen, der mit einer elektronischen Überwachungseinheit 27 für die Druckräume 4, 5 des Scheibeelementes 1 sowie mit einer elektronischen Überwachungseinheit 28 für die Position der Schwenkachse (A-Achse) zusammenarbeitet.
Außerdem sind eine Eingabeeinheit 30, eine Ausgabeeinheit 31 und eine Auswerteeinheit 32 vorgesehen.
3 zeigt einen Zustand, bei dem die Werkstückpalette 10 nicht korrekt auf den Werkstücktisch 12 aufgesetzt ist. Die Werkstückpalette 10 wurde irrtümlich auf das gespannte Nullpunktspannsystem aufgesetzt und danach wurde ein Spannbefehl betätigt. Dieser Spannbefehl hat aber keine Reaktion auf das Nullpunktspannsystem, da das Nullpunktspannsystem sich schon im gespannten Zustand befindet. Es wird nur eine so genannte Luftspannung ausgeführt. In diesem Zustand ist die Schwenkachse (A-Achse) des Werkstücktisches 12 durch die Maschinensteuerung 29 freigegeben, da für die Maschinensteuerung 29 das Nullpunktspannsystem gespannt ist. Der Werkstücktisch 12 kann aus der sicheren waagrechten Position (0°-Position) verschwenkt werden. Es besteht eine akute Gefahrensituation.
In 4 ist der gleiche Zustand wie in 3 gezeigt, bei dem das Nullpunktspannsystem gespannt ist, obwohl keine Werkstückpalette 10 gehalten wird. Wird in einem solchen Zustand bei der mit dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Vorrichtung ausgestatteten Werkzeugmaschine ein vorgegebener Betriebsparame ter, wie Einschalten der Werkzeugmaschine, Betätigen eines Spannbefehls, Betätigen eines Lösebefehls oder Schließen einer den Zugang zum Werkstücktisch ermöglichenden Kabinentür, ausgelöst, wird zwangsweise und automatisch das augenblickliche Massenträgheitsmoment des Werkstücktisches 12 ermittelt und mit einem Referenzwert für eine unbeladenen Werkstücktisch 12 verglichen. Gleichzeitig wird die Stellung des Schiebeelementes 1 ermittelt und in den Vergleich mit einbezogen. Unter Zuhilfenahme dieser Werte lässt sich dann eine klare Aussage darüber treffen, ob das Nullpunktspannsystem mit oder ohne Werkstückpalette 10 gespannt oder gelöst ist.
Am Beispiel der 4 würde z. B. erkannt, dass die Werkstückpalette 10 nicht oder nicht richtig auf das Kegelgehäuse 2 aufgesetzt bzw. gespannt worden ist.
Das beispielhaft dargestellte Nullpunktspannsystem wird mit Fluiddruck gespannt und mit Fluiddruck gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung funktioniert auch bei Spannsystemen, bei denen mit Feder gespannt und mit Fluiddruck gelöst wird. Bei solchen Systemen muss die dargestellt Hydraulikeinheit für das Schiebeelement 1 lediglich entsprechend verändert werden.

1: Schiebeelement
2: Kegelgehäuse
3: Kegelhülse
4: oberer Druckraum
5: unterer Druckraum
6: Gehäuse
7: Spannelemente
8: Hydraulikleitung
9: Hydraulikleitung
10: Werkstückpalette oder Werkstück
11: Luftzuleitung
12: Werkstücktisch
13: Hydraulikleitung
14: gesteuertes Rückschlagventil
15: Drehdurchführung
16: Antriebsmotor für die Schwenkachse (A-Achse)
17: Positionsgeber für die Schwenkachse (A-Achse)
18: Drucksensor für den unteren Druckraum
19: Drucksensor für den oberen Druckraum
20: Stellventil für den unteren Druckraum
20-1: Stellung „Spannsysteme gelöst”
20-2: Stellung „Spannsystem gespannt”
20-3: elektromagnetisches Stellmittel
20-4: Rückstellfeder
21: Stellventil für den oberen Druckraum
21-1: Stellung „Spannsysteme gelöst”
21-2: Stellung „Spannsystem gespannt”
21-3: elektromagnetisches Stellmittel
21-4: Rückstellfeder
22: Rückschlagventil für den unteren Druckraum
23: Rückschlagventil für den oberen Druckraum
24: Hydraulikpumpe
25: Hydrauliktank
26: elektronischer Befehlsgeber
27: elektronische Überwachungseinheit für die Druckräume des Scheibeelementes
28: elektronische Überwachungseinheit für die Position der Schwenkachse (A-Achse)
29: Maschinensteuerung
30: Eingabeeinheit
31: Ausgabeeinheit
32: Auswerteeinheit
33: Steuerleitung

Claims

Verfahren zum Erkennen einer Werkstückpalette oder eines Werkstückes auf dem schwenkbaren Werkzeugtisch einer Werkzeugmaschine, wobei der Werkzeugtisch über ein Nullpunktspannsystem mit der Werkstückpalette oder dem Werkstück verbindbar ist und wobei das Nullpunktspannsystem über ein Schiebeelement betätigbare Spannelemente aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des unbeladenen Werkstücktisches bei der ersten Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine, b) Abspeichern des ermittelten Massenträgheitsmomentes als Referenzwert, c) Erneute Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des Werkstücktisches in einem weiteren Messlauf bei Normalbetrieb der Werkzeugmaschine als Folge bestimmter vorgebbarer Betriebsparameter, d) Erfassung der Stellung des die Spannelemente betätigenden Schiebeelementes, e) Vergleich des in Schritt c) ermittelten Wertes mit dem in Schritt a) ermittelten Referenzwert unter Berücksichtigung der in Schritt d) erfassten Stellung des Schiebeelementes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Referenzwertes in einen Eichlauf mit definierter Drehzahl erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert im Datenspeicher der Antriebssteuerung der Werkzeugmaschine überschreibsicher und gegebenenfalls redundant abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erneute Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des Werkstücktisches in einem weiteren Messlauf zwangsläufig und automatisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weiteren Messlauf mit der gleichen Drehzahl erfolgt wie der Eichlauf.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erneute Ermittelung des Massenträgheitsmomentes des Werkstücktisches in einem weiteren Messlauf nach dem Einschalten der Werkzeugmaschine, dem Betätigen eines Spannbefehls, dem Betätigen eines Lösebefehls oder dem Schließen einer den Zugang zum Werkstücktisch ermöglichenden Kabinentür erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ergebnis des Vergleichs auf einer Maschinenanzeige ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenträgheitsmoment des Werkstücktisches über die Auswertung des Motorstroms ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Stellung des Schiebeelementes (1) und eine Auswerteeinheit (32) zum Vergleich der ermittelten Massenträgheitsmomente.