DE102008052809B4

DE102008052809B4 - Vorrichtung für gespannte Werkstücke

Info

Publication number: DE102008052809B4
Application number: DE200810052809
Authority: DE
Inventors: Michael Franzki
Original assignee: Hohenstein Vorrichtungsbau und Spannsysteme GmbH
Current assignee: WVL Werkzeug und Vorrichtungsbau Lichtenstein GmbH
Priority date: 2008-10-17
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2028-10-18
Also published as: DE102008052809A1

Abstract

Beim positionsgenau, fest in der Vorrichtung gespannten Werkstück kommt es zu qualitätsmindernden Zustandsänderungen während der spanenden Hochleistungsfertigung, wenn das Werkstück eine forminstabileät hat. Um die, während der gesamten Dauer der Arbeitsgänge dauerhaft oder in Zeitintervallen festgestellten geänderten Messdaten bewerten zu können, ist in eine Spannvorrichtung für jedes Werkstück (7) eine aus induktiven Wegsensoren (8) bestehende Messmittelanordnung integriert und über einen Logikmodul (10) mit einer werkzeugmaschinenunabhängigen EDV-Einheit (11) informationsverbunden. Im Ergebnis, der als Zahlenabgleiche festgestellten Maßänderungen, sind die Zustandsänderungen der Werkstücke (7) während der laufenden Arbeitsgänge auswertbar. Das Anwendungsgebiet sind Spannvorrichtungen zum Bohren und Fräsen von als Ronden, Mittenflansche oder Schwungscheiben ausgebildeten Werkstücken.

Description

Die Erfindung geht von der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Vorrichtung für gespannte Werkstücke aus.
Die spanende industrielle Fertigung von Werkstücken auf Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren durch Bohren und Fräsen bedingt, insbesondere wenn sie als spanender Hochleistungsprozess abläuft, vielfach qualitätsmindernde Zustandsänderungen an den in einer Spannvorrichtung gespannten Werkstücken. Das ist dann zutreffend, wenn die Werkstücke eine forminstabile Leichtbaustruktur oder eine hohe werkstoffbedingte Eigenelastizität haben und sich während der Fertigung lageändernd verschieben und verformen. Trotz einer lagegenauen Positionierung und festen sowie sicheren Spannung der Werkstücke in einer ausreichend steifen Vorrichtung treten diese Lage- und Positionsänderungen neben den Verformungen, abhängig von den hohen Bearbeitungskräften, vorübergehend und dauerhaft ein. Eine Unterbrechung des jeweiligen Arbeitsganges ist ebenso wie eine wiederholte Positionierung und Spannung der Werkstücke während des Arbeitsganges wenig geeignet, dieser Situation der qualitätmindernden Zustandsänderungen entgegen zu wirken. Es ist deshalb notwendig vor, im und nach dem laufenden Arbeitsgang des spanenden Hochleistungsprozesses diese qualitätsmindernden Zustandsänderungen am jeweils gefertigten Werkstück festzustellen, zu bewerten und Schlussfolgerungen für Veränderungen vorzuschlagen.
Es ist bekannter Stand der Technik neben den Vorrichtungen für die Spannung des Werkstückes während der Fertigung, zum Beispiel Bohren und Fräsen, gesondert Vorrichtungen für die Spannung dieser Werkstücke auszubilden und aufzubauen mit denen ausschließlich Messaufgaben realisiert werden. Beispielhaft sind u. a. in DE 9104820.6 U1 und in DE 3807914 A1 Bauelementesätze vorgeschlagen worden, aus denen man für das Messen von Werkstücken mittels Längen- und Koordinaten-Messgeräten auf Messtischen, Messplätzen und Koordinaten-Messmaschinen aus Grundplatten, Auf- und Anlageelementen und Verbindungselementen Messvorrichtungen aufbaut und anwendet.
Die benötigte Messständer als Halterungsgestelle, die Messtaster und spezifische Faststeller von Messwerten an Werkstücken sind eine gesonderte Ausstattung auf den Messplätzen oder anlagenintegrierter Bestandteile von Koordinaten-Messmaschinen. Als Beispiel sei DE 20 2008 002 243 U1 benannt.
Allen diesen Messvorrichtungen, auch denen die als Zubehör an spanenden Werkzeugmaschinen installiert sind, ist eigen, dass jeweils nur je ein Werkstück im Zusammenhang mit der Fertigung positioniert, gespannt und in dieser Position gemessen wird. Als beispiele sind DE 10227884 A1 , DE 20 2005 013 544 U1 und DE 20122472 U1 zu benennen.
Außerdem ist u. a. aus DE 20 2008 005 154 U1 bekannt, Messtaster-Träger mit Messtastern neben anderen Werkstücken mit in die Werkzeugkegel-Aufnahmen der Werkzeugspeicher an Werkzeugmaschinen zu integrieren.
Nachteilig ist, dass mit den bekannten Messvorrichtungen das jeweils zu messende Werkstück nur vor und nach, aber nicht während des laufenden Arbeitsganges gemessen werden kann.
Bei der als Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung bezeichneten Vorrichtung nach DE 10 2005 020 703 B4 werden die Messungen am Werkstück nur zum Zwecke der Feststellung qualitätsmindernder Zustandsänderungen an der Spannvorrichtung und am Spindelkopf während des Arbeitsganges realisiert. Diese Informationen werden von an bzw. In bestimmten Raumsegmenten der Spannvorrichtung angeordneten Sensoren, in Abständen eine Winkelvergrößerung nutzend, als Signale offen der Werkzeugmaschinensteuerung für eine sofortige aktorische Funktionskompensation übermittelt. Damit sind ausgehend von der Werkzeugmaschinensteuerung die sensorisch ermittelten Werte erhöhter Temperaturmessung, schnittkraftbedingter Verformungen und Werkzeugbruch, insbesondere an der Spannvorrichtung aber auch am Werkstück festgestellt, durch die Werkzeugmaschine, zum Beispiel durch Fertigung mit geringerer Vorschubbewegung, mit Einwechselung eines Austausch-Werkzeuges oder durch Maschinen-Stillstand kompensierbar.
Nachteilig ist, dass mit dieser Lösung eine kontinuierliche werkzeugmaschinensteuerungsunabhängige Feststellung und Bewertung von Zustandsänderungen während des gesamten laufenden Arbeitsganges an jedem der nacheinander gefertigten Werkstücke nicht möglich ist. Die Werkzeugmaschinensteuerung kompensiert aktorisch nur bei außergewöhnlichen Anlässen qualitätsmindernder Änderungen des Werkstückzustandes.
Der im Patentanspruch 1 angegeben Erfindung liegt das Problem zu Grunde, in eine Vorrichtung für mehr als ein gleichzeitiges Werkstück eine Messmittelanordnung so direkt zu integrieren und auszustatten, dass eine Feststellung und Bewertung von qualitätsmindernden Zustandsänderungen an den Werkstücken über die Dauer des gesamten laufenden Arbeitsganges des spanenden Hochleistungsrozesses möglich ist. Betroffen sind Werkstücke, die über eine forminstabile Leichtbaustruktur und eine hohe Stoffelastizität verfügen und damit leicht vorübergehend oder dauerhaft lagenändernd verschiebbar und verformbar sind.
Das Problem wird durch den Patentanspruch 1 gelöst. Für jedes in einer Spannvorrichtung gespannte Werkstück ist eine Koordinaten-Längenmess-Vorrichtung vorgesehen, deren Messmittelanordnung aus je acht als Messtaster wirkenden induktiven Wegsensoren besteht. Werkstückformabhängig sind das drei Sensoren in der axialen Auflage- und Spannrichtung Z, zwei Sensoren in den radialen X- und Y-Richtungen und drei Sensoren für eine lineare Verformungsbestimmung in Wirkrichtung der Verformungskräfte, die in den Wänden, Platten und in Auflageelementen der Spannvorrichtung eingebettet sind. Die an diesen Sensoren feststellbaren Messdaten sind über ein vorrichtungsinternes Logikmodul für jedes Werkstück kabellos über Funkwellen oder über Kabel mit einer werkzeugmaschinenunabhängigen EDV-Einheit für die Energieversorgung und die Informationsübertragung verbunden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Sie betreffen die Abdichtung und die Tastkräftejustierbarkeit der federnden Antastbolzen in den induktiven Wegsensoren und die koordinierte Speicherung, Auswertung und Information über die an den Werkstücken festgestellten Messdaten mittels einer EDV-Einheit.
Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in einer Figur vereinfacht dargestellt und wird im folgenden Teil der Beschreibung näher erläutert.
Die in einer Vorderansicht im Teilschnitt dargestellte Spannvorrichtung hat eine Doppelwinkelstruktur; auf einer Platte 2 ist in Mittellage eine aus zwei beabstandeten Platten bestehende hohle Wand 1 angeordnet. Die Spannvorrichtung ist für zwei Werkstücke 7, hier Schwungscheiben, ausgebildet. Die Metallreifen der Schwungscheiben sind an der Wand 1 mit drei Spannelementen 6, in 120° – Abständen auf den An- und Auflageelemente 3 fest aufliegend, gespannt. Die Positionierung der Schwungscheiben erfolgt federnd über deren Mittennabe und die Mittenbohrung, die in der zentrierenden Bohrungsaufnahme 5 aufgenommen ist.
Für die Abnahme von veränderbaren Messdaten der Werkstücke 7 sind drei Sensoren 8.1 in den Werkstückauflagen 4 unter den Metallreifen in der axialen Auflage- und Spannrichtung Z, zwei Sensoren 8.2 in den radialen X- und Y- Richtungen in der zentrierenden Bohrungsaufnahme 5 für die Nabe und drei Sensoren 8.3 in koordinierter vorausbestimmter Wirkrichtung von Verformungskräften an der Melallronde der Schwungscheiben in An- und Auflageelementen, die an der Wand 1 befestigt sind, angeordnet.
Die Wirkrichtung der Sensoren 8.1 entspricht der Spannrichtung und der Richtung des Werkzeugvorschubes beim Arbeitsgang Fräsen der Nabe 12, die Wirkrichtung der Sensoren 8.2 entspricht der Richtung des Werkzeugvorschubes beim Arbeitsgang Bohren der Nabe 13 und die Wirkrichtung der Sensoren 8.3 entspricht der Richtung beim Arbeitsgang Bohren der Ronde 14.
Diese Sensoren, als induktive Wegsensoren 8 ausgebildet, verfügen über je einen federnden Antastbolzen der in nicht dargestellter Weise mittels Sperrluft gegen Späne und Kühlmittel abgedichtet und dessen Tastkräfte mittels regulierbaren Luftdruck einstell- und justierbar sind.
Die an den je acht Sensoren 8.1 bis 8.3 festgestellten Messdaten der zwei Werkstücke 7 werden über Sensorkabel auf zwei hintereinander, auf der Doppelwand 1 oben aufsitzende Logikmodule 10 übertragen. Eine nicht dargestellte Leitungsverbindung besteht auch für die Energieversorgung dieser Sensoren 8.1 bis 8.3.
Mit den beiden Logikmodulen 10 erfolgt neben der Erfassung und Verstärkung der Messdaten deren kabellose Übermittlung mittels Funkwellen von einem Informationssender aus auf einen Informationsempfänger, der mit der hier werkzeugmaschinenunabhängigen EDV-Einheit 11 verbunden ist.
Über dieses EDV-Einheit 11 erfolgt eine koordinierte Speicherung, Auswertung und Information der hier in Zeitintervallen an den zwei Werkstücken 7 festgestellten und abgenommenen Messdaten über die gesamte Dauer der Arbeitsgänge Fräsen der Nabe 12, Bohren in Nabe und Bohren der Ronde 14, ohne dass eine Um- oder Neuaufspannung der Werkstücke 7 an der Spannvorrichtung erfolgt. Die aus dem Soll-Ist-Vergleich der Maße festgestellten Maßänderungen gegenüber 0 während dieser drei Arbeitsgänge im spanenden Hochleistungsprozess werden als Zahlenabgleich numerisch dargestellt.
Die festgestellten Maßänderungen sind, soweit die qualitätsmindernd die Werkstückfunktion beeinflussen, Gegenstand von Aktivitäten des Qualitätsmanagements. Ist im Ergebnis eine forminstabile Leichtbaustruktur oder eine zu hohe Stoffelastizität der Werkstücke 7 feststellbar, bedarf es konstruktiver Maßnahmen, das Design der Werkstücke mit dem Ziel einer Struktur-Versteifung zu überarbeiten.

1: Wände
2: Platten
3: An- und Auflageelemente
4: Werkstückauflagen; an 3
5: zentrierende Bohrungsaufnahme
6: Spannelemente
7: Werkstück(e)
8: induktive Wegsensoren
8.1: Sensoren
8.2: Sensoren
8.3: Sensoren
9: Antastbolzen; von 8 (8.1, 8.2, 8.3)
10: Logikmodul
11: EDV-Einheit
12: Arbeitsgang Fräsen der Nabe
13: Arbeitsgang Bohren in Nabe
14: Arbeitsgang Bohren in Ronde

Claims

Vorrichtung für gespannte Werkstücke, die während des spanenden Hochleistungsprozesses mit den Arbeitsgängen Fräsen der Nabe, Bohren der Nabe und Bohren der Ronde bedingt durch eine forminstabile Leichtbaustruktur oder eine hohe Stoffelastizität der Werkstücke vorübergehend oder dauerhaft lageändernd verschiebbar und verformbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mehrteile-Spannvorrichtung für jedes in ihr gespannte Werkstück (7) eine Koordinaten-Längenmessvorrichtung integriert ist, die aus einer Messmittelanordnung von als acht Messtaster wirkenden induktiven Wegsensoren (8) besteht, wobei werkstückformabhängig – drei Sensoren (8.1) in oder neben festen Werkstückauflagen (4) in der axialen Auflage- und Spannrichtung Z der Spannelemente (6) und – zwei Sensoren (8.2) in radialen X- und Y-Richtungen der zentrierenden Bohrungsaufnahme (5) für jeweils ein Werkstück (7) zur Feststellung von Längenmaß-Änderungen gegenüber einer vorausbestimmten Werkstücklage in diesen Koordinatenrichtungen und weitere – drei Sensoren (8.3) für eine lineare Verformungsbestimmung am Werkstück (7), in koordinierter voraus bestimmter Wirkrichtung der Verformungskräfte liegend in Wänden (1), Platten (2) und in Auflageelementen (3) der Spannvorrichtung eingebettet, angeordnet sind und dass die an den Sensoren (8.1 bis 8.3) feststellbaren Messdaten über Sensorkabel mit mindestens einem an einer Wand (1) der Mehrteile-Spannvorrichtung angeordneten vorrichtungsinternen Logikmodul (10) bezogen auf Energieversorgung und Informationsdaten-Übertragung leitungsverbunden sind und in dem Logikmodul (10) eine Erfassung und Verstärkung sowie über einen Informationssender eine kabellose Übermittlung mittels Funkwellen oder eine kabelverbundene Übermittlung an einen Informationsempfänger hin zu einer werkzeugmaschinenunabhängigen EDV-Einheit (11) realisiert ist.
Vorrichtung für gespannte Werkstücke nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass federnde Antastbolzen (9) in den induktiven Wegsensoren (8) vorgesehen und mittels Sperrluft gegen Späne und Kühlmittel abgedichtet sind und dass die Tastkräfte an den federnden Antastbolzen (9) mittel, regulierbarem Luftdruck einstell- und justierbar sind.
Vorrichtung für gespannte Werkstücke nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die EDV-Einheit (11) eine koordinierte Speicherung, Auswertung und Information der in Zeitintervallen oder dauerhaft am Werkstück (7) festgestellten Messdaten vom – jeweiligen gefertigten Werkstück, – Zeitfortschrift des laufenden Arbeitsganges bei diesem Werkstück nach dem Start des Arbeitsganges, – Im Soll-Ist-Vergleich der Maße festgestellten Maßänderungen gegenüber 0, als Zahlenabgleich numerisch oder als Grafisch darstellbar, realisierbar ist.