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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohrbearbeitungsmaschinen-Spannfutter mit mehreren verfahrbaren Spannbacken zum Spannen eines zu bearbeitenden Rohres sowie ein Verfahren zum Überwachen eines solchen Rohrbearbeitungsmaschinen-Spannfutters auf korrektes Spannen eines Rohres mit bekannter Rohrgeometrie.
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Bei bekannten Rohrschneidemaschinen werden die Spannfutterzustände ”offen” und ”leergespannt” des Spannfutters mithilfe von Ein/Aus-Schaltern beim Stillstand der Maschine abgefragt. Der Spannfutterzustand „gespannt” kann selbst nicht abgefragt werden, sondern ergibt sich nur indirekt daraus, dass nach einer Wartezeit weder ein offener noch ein leergespannter Zustand gemessen wird. Auch kann mit den Ein/Aus-Schaltern nicht erkannt werden, wenn sich während der Bearbeitung ein Rohr aus dem Spannfutter löst. Bei vier voneinander unabhängig verfahrbaren Spannbacken sind insgesamt acht Ein/Aus-Schalter erforderlich, deren Einstellung schwierig und fehleranfällig ist.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rohrbearbeitungsmaschinen-Spannfutter der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass auch der Spannfutterzustand ”gespannt” direkt abgefragt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jeder unabhängig von den anderen Spannbacken verfahrbaren Spannbacke und/oder jeder Gruppe von miteinander gekoppelt verfahrbaren Spannbacken ein Positionssensor zugeordnet ist, der die jeweilige Position der Spannbacke oder der Gruppe von Spannbacken entlang ihres Verfahrweges erfasst.
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Diese Spannfuttersensorik ermöglicht es, anhand der von den Positionssensoren erfassten Spannbackenpositionen festzustellen, ob ein Rohr im Spannfutter korrekt eingespannt ist und ob der Rohrdurchmesser des eingespannten Rohres identisch dem in der CNC-Steuerung programmierten Rohrdurchmesser ist. Mit der Spannfuttersensorik kann in Echtzeit festgestellt werden, ob ein Klemmfehler, wie z. B. eine Deformation des gespannten Rohres durch zu hohen Spanndruck oder ein nicht-zentrisch gespanntes Rohr, vorliegt. Die Spannbackenpositionen können sowohl im Stillstand als auch im Betrieb bei rotierendem Spannfutter erfasst werden. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Spannfutters sind insbesondere:
- – Es kann eine echte Aussage getroffen werden, ob ein Rohr gespannt ist.
- – Die bisherige Wartezeit für die indirekte Abfrage des Spannfutterzustands „gespannt” kann entfallen, was eine Zeitersparnis von ca. 2 s bedeutet.
- – Beim manuellen Beladen kann eine Plausibilitätsprüfung des eingelegten Rohres stattfinden, weil die tatsächlichen Rohrabmessungen mit denen des programmierten Rohres verglichen werden können.
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Die Positionssensoren erfassen die Positionen ihrer jeweils zugeordneten Spannbacken vorzugsweise berührungslos und können beispielsweise als induktiver Sensor oder als Distanzmesssensor, insbesondere Laser-Distanzmesssensor, ausgebildet sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spannfutter drehbar in einem feststehenden Spannfuttergehäuse gelagert ist und der Positionssensor am drehbar gelagerten Spannfutter oder am feststehenden Spannfuttergehäuse befestigt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Positionssensor am drehbar gelagerten Spannfutter befestigt und zwischen dem drehbar gelagerten Spannfutter und dem feststehenden Spannfuttergehäuse eine insbesondere berührungslose Datenübertragungsverbindung vorgesehen, die die vom Positionssensor erfassten Daten auf die Seite des feststehenden Spannfuttergehäuses überträgt und/oder eine berührungslose Energieübertragungsverbindung vorgesehen ist, die den Positionssensor von der Seite des feststehenden Spannfuttergehäuses aus mit Energie versorgt. Die Daten- und/oder Energieübertragungsverbindung kann beispielsweise über einen induktiven Dreh-übertrager, eine Funkstrecke, einen Schleifkontakt oder jede andere im Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen.
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In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Positionssensor hingegen am feststehenden Spannfuttergehäuse befestigt und wirkt mit einer Referenzfläche der Spannbacke zusammen. Sowohl diese Ausführungsform, als auch die Verwendung eines induktiven Drehübertragers vermeiden dabei die folgenden, aus dem Stand der Technik bekannten Probleme:
- – Die Verwendung von Drehdurchführungen für Signal- und Energiekabel vom feststehenden Spannfuttergehäuse zu Sensoren am drehbar gelagerten Spannfutter ist teuer, fehleranfällig und einschränkend.
- – Signal- oder Energieübertragung über Funk werden durch Störungen des metallischen Spannfuttergehäuses und des metallischen Spannfutters erschwert.
- – Batterien für die Energieversorgung von am Spannfutter befestigten Sensoren bedürfen regelmäßigen Austauschs.
- – Schleifkontakte zur Übertragung von der Sensorik am Spannfutter zum Spannfuttergehäuse unterliegen der Abnutzung.
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Vorzugsweise sind alle Positionssensoren an eine Überwachungseinheit angeschlossen, die anhand der erfassten Spannbackenpositionen das Spannfutter auf korrektes Spannen eines in das Spannfutter eingelegten Rohres mit bekannter Rohrgeometrie (Rohrdurchmesser bzw. Rohraußenquerschnitt) überwacht.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen des oben beschriebenen Spannfutters auf korrektes Spannen eines Rohres mit bekannter Rohrgeometrie, wobei der Spannabstand, insbesondere der Spanndurchmesser, der das Rohr spannenden Spannbacken anhand der von den Positionssensoren erfassten Spannbackenpositionen ermittelt und mit der bekanntem Rohrgeometrie des Rohres verglichen wird. Diese Überwachung kann sowohl bei stillstehendem Spannfutter als auch bei rotierendem Spannfutter, also während der Bearbeitung des Rohrs, erfolgen.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine maschinelle Anlage zum schneidenden Bearbeiten von Rohren in einer perspektivischen Gesamtansicht;
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2 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorik zur Positionserfassung von Spannbacken eines in 1 gezeigten Spannfutters; und
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3 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorik zur Positionserfassung von Spannbacken eines in 1 gezeigten Spannfutters.
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Gemäß 1 umfasst eine maschinelle Anlage 1 zum schneidenden Bearbeiten von Werkstücken, im dargestellten Fall von Rohren 2, eine Bearbeitungseinrichtung in Form einer Laserschneidstation 3, eine Zuführvorrichtung 4 sowie eine Ausschleusstation 5.
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An der Laserschneidstation 3 ist ein Laserschneidkopf 6 vorgesehen, mit dem Strukturen in das Rohr 2 geschnitten oder Rohr-Teilstücke 7 von den Rohren abgelängt werden. Nahe der Bearbeitungsstelle ist das jeweils zu bearbeitende Rohr 2 in einem Durchschiebefutter 8 gelagert. Die abgelängten Rohr-Teilstücke 7 werden an der Ausschleusstation 5 an einen Auflagetisch 9 übergeben. An dem Auflagetisch 9 können die Rohr-Teilstücke 7 aus der maschinellen Anlage 1 entnommen werden. Die wesentlichen Funktionen der maschinellen Anlage 1 sind CNC-gesteuert.
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Komponenten der Zuführvorrichtung 4 sind eine Beladeeinheit 10 sowie eine als Dreh- und Vorschubstation 11 ausgebildete Werkstückhalterung. Mittels der Dreh- und Vorschubstation 11 werden die zu bearbeitenden Rohre 2 gegenüber dem Laserschneidkopf 6 der Laserschneidstation 3 in der für die Bearbeitung erforderlichen Weise bewegt. Im Einzelnen werden die zu bearbeitenden Rohre 2 mittels der Dreh- und Vorschubstation 11 gegenüber dem Laserschneidkopf 6 in Rohrlängsrichtung nachgesetzt und zur Erstellung des Trennschnittes um die Rohrlängsachse gedreht. Zur Bewegung in Rohrlängsrichtung ist die Dreh- und Vorschubstation 11 auf einem Maschinenbett 12 der Rohrbearbeitungsmaschine 1 in Richtung eines Doppelpfeils 13 verfahrbar. Zur Führung der Dreh- und Vorschubstation 11 bei der Verfahrbewegung dienen an dem Maschinenbett 12 angebrachte Führungsschienen 14. An der Dreh- und Vorschubstation 11 fixierbar ist das jeweils zu bearbeitende Rohr 2 mittels eines Spannfutters 15, das seinerseits in Richtung eines Doppelpfeils 16 um die Rohrachse gedreht werden kann. Zwischen der Dreh- und Vorschubstation 11 und dem Durchschiebefutter 8 sind die zu bearbeitenden Rohre 2 auf Rohrunterstützungen 17 gelagert. Mit fortschreitender Rohrbearbeitung werden die Rohrunterstützungen 17 nacheinander in das Maschinenbett 12 abgesenkt und können dann von der Dreh- und Vorschubstation 11 überfahren werden.
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2 zeigt im Detail das drehbare Spannfutter 15 zum Spannen des zu bearbeitenden Rohres 2. Das Spannfutter 15 ist in Richtung des Doppelpfeils 16 drehbar in einem feststehenden Spannfuttergehäuse 18 gelagert und weist vier jeweils um 90° versetzt angeordnete Spannbacken 19 auf, die unabhängig voneinander jeweils in Richtung eines Doppelpfeils 20 radial verfahrbar sind, um gemeinsam das dazwischen befindliche Rohr 2 festzuspannen. Am drehbaren Spannfutter 15 sind vier Positionssensoren 21 fest angeordnet, die die jeweilige Position der Spannbacken 19 entlang ihres Verfahrweges 20 berührungslos erfassen.
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Die Positionssensoren 21 können, wie in 2 lediglich beispielhaft gezeigt ist, als induktive Abtastköpfe ausgebildet sein, die jeweils mit magnetischen Maßbändern 22 zusammenwirken, die an den Spannbacken 19 angebracht sind. Die von den Positionssensoren 21 erfassten Positionsdaten der Maßbänder 22 und damit der Spannbacken 19 werden kabellos vom drehbaren Spannfutter 15 an eine ortsfeste Überwachungseinheit 23 übertragen, die in die Maschinensteuerung integriert sein kann. Die Übertragung kann beispielsweise zentral über einen induktiven Drehübertrager erfolgen, der ein am feststehenden Spannfuttergehäuse 18 angebrachtes induktives Primärteil 24, welches das Spannfutter 15 ringförmig umgibt und mit der Auswerteeinheit 23 verbunden ist, sowie ein induktives Sekundärteil 25, welches am drehbaren Spannfutter 15 fest angebracht und an die Überwachungseinheit 23 angeschlossen ist, aufweist. Das mit dem Spannfutter 15 mitrotierende Sekundärteil 25 ist als kleiner Block ausgeführt und durch einen Luftspalt 26 vom Primärteil 24 getrennt. Statt induktiv über die Primär- und Sekundärteile 24, 25 kann die Datenübertragung von den Positionssensoren 21 an die Überwachungseinheit 23 auch auf jede andere Art und Weise, insbesondere über eine Funkstrecke oder über einen Schleifkontakt, erfolgen.
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Die Energieversorgung der Positionssensoren 21 kann ebenfalls induktiv über die Primär- und Sekundärteile 24, 25 erfolgen. Eine Alternative ist die Stromversorgung über eine Batterie am drehbaren Spannfutter 15. Alternativ kann die Energie für die Positionssensoren 21 auch aus der Rotationsbewegung des Spannfutters 15 erzeugt oder auch mithilfe von Licht oder einem starken elektromagnetischen Wechselfeld (Funkwelle) an das drehbare Spannfutter 15 übertragen werden.
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Mit der durch die Positionssensoren 21 gebildeten Spannfuttersensorik können die Positionen der Spannbacken 19 bei jeder Drehstellung des Spannfutters 15 ermittelt und dadurch von der Überwachungseinheit 23 in Echtzeit festgestellt werden, ob bei Stillstand oder während der Bearbeitung, also während der Drehung des Spannfutters 15, beim Spannen eines Rohres 2 mit der in der CNC-Steuerung programmierten, d. h. bekannten Rohrgeometrie (z. B. Rohrdurchmesser), ein Klemmfehler vorliegt. Anhand der übermittelten Positionsdaten der Positionssensoren 21 kann die Überwachungseinheit 23 den Spanndurchmesser der das Rohr 2 festspannenden Spannbacken 19 berechnen und diesen mit dem Rohrdurchmesser des gespannten Rohrs 2 vergleichen. Entspricht der berechnete Spanndurchmesser identisch dem programmierten Rohrdurchmesser, ist das Rohr 2 korrekt gespannt. Entspricht der berechnete Spanndurchmesser nicht identisch dem programmierten Rohrdurchmesser, liegt ein Klemmfehler vor. Ist der berechnete Spanndurchmesser kleiner als der programmierte Rohrdurchmesser, liegt beispielsweise eine Deformation des gespannten Rohres 2 vor. Ist der berechnete Spanndurchmesser hingegen größer als der programmierten Rohrdurchmesser, liegt das Rohr 2 nicht an allen Spannbacken 19 an, z. B. weil das Rohr 2 aufgrund einer verkanteten Spannbacke 19, eines verkanteten Schneidbutzens oder einer falschen Konturzugverstellung nicht zentriert geklemmt wird.
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Anders als in 2 gezeigt, können jeweils zwei einander gegenüberliegende Spannbacken 19 miteinander gegenläufig und damit zentrosymmterisch bewegungsgekoppelt sein. Für die vier Spannbacken 19 sind dann insgesamt nur zwei Positionssensoren 21 erforderlich, da sich aus der gemessenen Position der einen Spannbacke 19 die Position der bewegungsgekoppelten anderen Spannbacke 19 berechen lässt.
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Unabhängig davon oder in Kombination mit der Messung der Spannbackenposition kann die vorgestellte induktive Übertragungstechnik auch für die Signal- und/oder Energieübertragung von bzw. zu weiteren, zusätzlichen oder alternativen Komponenten des Spannfutters 15 benutzt werden. Diese im Folgenden dargestellten Komponenten können in beliebigen Kombinationen eingesetzt werden.
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Es ist möglich Drucksensoren an den Spannbacken 19 anzubringen, die den Druck der Spannbacken 19 messen und damit dafür sorgen können, dass das Werkstück nur so fest wie nötig gehalten wird, um ein „Verlieren” des Rohrs 2 wegen zu niedrigem Druck und Deformationen oder Kratzer wegen zu hohem Druck zu verhindern. Der Druck kann durch eine am Sensor angebrachte Regelung oder mit Hilfe einer modifizierten Überwachungseinheit 23 entsprechend geregelt werden.
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Auch das Anbringen von Temperatursensoren oder anderen Sensoren ist möglich, um den Schneidprozess zu überwachen. Ein Temperatursensor kann die Temperatur insbesondere des Spannfutters 15 aber auch des Rohres 2 überwachen, wodurch es möglich ist, Probleme beim Schneidprozess zu identifizieren. Eine schlechte Schnittqualität oder zu hohe Laserleistung können beispielsweise durch Streustrahlung zu erhöhten Temperaturen von Spannfutter 15 und/oder Rohr 2 führen. Diese Temperaturerhöhung kann mit Hilfe der Datenübertragung zur Überwachungseinheit 23 dem Bediener zugänglich gemacht werden und damit auf ein mögliches Problem hinweisen und/oder zu einer Regelung der Laserleistung oder anderer Laserparameter verwendet werden, um Schäden an Spannfutter 15 oder Werkstück 2 zu vermeiden und optimale Bearbeitungsparameter zu gewährleisten.
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Ebenfalls möglich ist die Steuerung und/oder Energieversorgung von elektrischen Aktoren anstelle von pneumatischen oder hydraulischen Aktoren für die Bewegung der Spannbacken 19. Hierdurch werden Drehdurchführungen für Schläuche vermieden und der Aufbau einfacher gestaltet. Dadurch ist mit Hilfe einer modifizierten Überwachungseinheit 23 eine wesentlich präzisere und einfachere Steuerung und Regelung der Spannbackenbewegung möglich, als bei hydraulisch oder insbesondere pneumatisch betriebenen Spannbacken 19.
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Vom Spannfutter der 2 unterscheidet sich das in 3 gezeigte Spannfutter 15 dadurch, dass jeweils zwei einander gegenüberliegende Spannbacken 19 miteinander gegenläufig und damit zentrosymmterisch bewegungsgekoppelt sind, sowie durch eine modifizierte Spannfuttersensorik. Die Spannfuttersensorik umfasst zwei Laser-Distanzmesssensoren 31, die am feststehenden Spannfuttergehäuse 18 um 90° zueinander versetzt angeordnet sind und die den Abstand zu Referenzflächen 32 der Spannbacke 19, z. B. zu den radial nach außen weisenden rückseitigen Stirnflächen der Spannbacke 19, erfassen. Mit den beiden Distanzmesssensoren 31 kann die Position der beiden Spannbackenpaare – und damit deren jeweiliger Spannabstand – immer dann bestimmt werden, wenn das von den Distanzmesssensoren 31 ausgesandte Laserlicht 33 an den Referenzflächen 32 zurück zu den Distanzmesssensoren 31 reflektiert wird, also wenn die Spannbacken 19 ungefähr die in 3 gezeigte horizontale/senkrechte Anordnung einnehmen. Um die Genauigkeit zu verbessern und den Erfassungs- bzw. Drehwinkelbereich des Spannfutters 15, innerhalb dem eine Rückreflexion stattfindet, auf z. B. 20° zu vergrößern, sind die Referenzflächen 32 konvex ausgeführt.
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Die von den Distanzmesssensoren 31 erfassten Positionsdaten der Spannbacken 19 werden an die Überwachungseinheit 23 übertragen, die daraus wie oben beschrieben in Echtzeit feststellen kann, ob bei bestimmten Stillstand-Drehpositionen des Spannfutters 15 oder während der Bearbeitung, also während der Drehung des Spannfutters 15, beim Spannen eines Rohres 2 mit der in der CNC-Steuerung programmierten, d. h. bekannten Werkstückgeometrie/Rohrdurchmesser ein Klemmfehler vorliegt. Insbesondere ergeben sich hierbei die folgenden Vorteile:
- – Abfrage der Spannfutterstellung im 90°-Raster mit einem Erfassungswinkel von ca. 20°.
- – Bei einer möglichen Auflösung der Distanzmesssensoren 31 von < 0,12 mm können die Positionen der Spannbacken 19 bei jedem Rohrdurchmesser mit ausreichend hoher Genauigkeit erfasst werden.
- – Bei einer maximalen Drehgeschwindigkeit des Spannfutters 15 von ca. 0,9°/ms können die Positionen der Spannbacken 19 im laufenden Betrieb erfasst werden.
- – Da die Spannbacken 19 zentrisch spannen, kann der Spannzustand von beiden Spannebenen im Raster von ca. 90° ± 10° erfasst werden, d. h., vom Gesamtwinkelbereich von 360° können ca. 80° erfasst werden. Da bei Rechteck- und Quadratrohren die Bearbeitung überwiegend auf den ebenen Flächen stattfindet, ist die Überwachung, auf die Bearbeitung gesehen, noch deutlich höher.
- – Wird ein Rohr „verloren”, wird dies nach spätestens einer 70°-Drehung des Spannfutters 15 festgestellt.
- – Da die Spannfuttersensorik mittels Distanzmesssensoren 31 keine großen konstruktiven Änderungen erfordert, eignet sie sich auch für eine Nachrüstlösung.
- – Für die Übertragung des Sensorsignals wird keine Drehdurchführung vom drehenden Spannfutter 17 auf das feststehende Spannfuttergehäuse 18 benötigt.
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Zusammenfassend gesagt, ermöglichen die beiden oben beschriebenen Spannfuttersensoriken jeweils die Abfrage des Spannfutters 15 auf die Spannzustände „gelöst”, „gespannt” und „leergespannt”, und zwar sowohl bei Stillstand als auch während der laufenden Bearbeitung, sowie eine Plausibilitätsprüfung der Rohrgeometrie des gespannten Rohres.
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Weiterhin können die beiden oben beschriebenen Spannfuttersensoriken auch bei dem Durchschiebefutter 8 eingesetzt werden, um dessen Spannbackenpositionen zu erfassen und zu überwachen.
