DE102012023328B3

DE102012023328B3 - Absaugvorrichtung sowie Verfahren zum Absaugen eines Partikelstromes

Info

Publication number: DE102012023328B3
Application number: DE201210023328
Authority: DE
Inventors: Marco Schneider; Christoph Birenbaum; Andreas Gebhardt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-11-30

Abstract

Beschrieben wird eine Absaugvorrichtung für eine Partikelströmung, die durch abrasivem Materialabtrag an einem Werkstück durch Ineingriffnahme mit einem längs einer Drehachse rotierenden Materialabtragewerkzeug erzeugbar ist, mit einem über eine Ansaugöffnung verfügenden Absaugkopf. Ferner wird ein Verfahren zum Absaugen eines bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entstehenden Partikelstromes mittels einer Absaugvorrichtung beschrieben. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Absaugkopf seitlich neben dem Materialabtragewerkzeug mit einer der Partikelströmung zugewandten Ansaugöffnung angeordnet, an einem raumfest zur Drehachse angeordneten Führungsmittel mittel- oder unmittelbar angebracht und längs einer um die Achse orientierten Bewegungstrajektorie vermittels einer Antriebseinheit verfahrbar gelagert ist, dass wenigstens raumfest zur Achse und/oder raumfest zum Absaugkopf eine den Partikelstrom detektierende Sensoreinrichtung zur Erzeugung von Sensorsignalen angeordnet ist, die mit einer Auswerte- und Steuereinheit mittel- oder unmittelbar verbunden ist, die auf der Grundlage der Sensorsignale Steuersignale zur Ansteuerung der Antriebseinheit generiert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Absaugvorrichtung für eine Partikelströmung, die durch abrasiven Materialabtrag an einem Werkstück durch Ineingriffnahme mit einem längs einer Drehachse rotierenden Materialabtragewerkzeug erzeugbar ist, mit einem über eine Ansaugöffnung verfügenden Absaugkopf. Ferner wird ein Verfahren zum Absaugen eines bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entstehenden Partikelstromes mittels einer Absaugvorrichtung beschrieben.
Stand der Technik
Trennende bzw. Spanabhebende Materialbearbeitungsverfahren an Werkstücken bedienen sich im Rahmen industrieller Maßstäbe typischerweise Mehrachsen-Werkzeugmaschinen, die ein um eine Drehachse rotierendes Materialabtragewerkzeug, bspw. in Form eines Bohr-, Fräs-, Schleif- oder Schneidwerkzeuges, mit dem zu bearbeitenden Werkstück unter Vorgabe einer dreidimensionalen Bearbeitungstrajektorie in Eingriff bringen. Durch den abrasiven Materialabtrag am Werkstück entstehen große Mengen an Abriebmaterial in Form von Spänen oder staubförmigen Partikeln, die in Form einer sich mit hoher Geschwindigkeit bevorzugt längs einer Ebene senkrecht zur Drehachse ausbreitenden Partikelwolke bzw. -strömung in die Umgebung des Bearbeitungsortes ausgetragen werden und somit zur Verschmutzung der Umgebung führt, sofern keine der Ausbreitung der Partikelströmung Einhalt gewährenden Maßnahmen getroffen werden.
So vermögen die als Abfall entstehenden Späne und Stäube nicht nur das zu bearbeitende Werkstück, sondern insbesondere auch die Werkzeugmaschine selbst zu verunreinigen und somit nachhaltig zu beeinträchtigen, wodurch sich qualitätsmindernde Bearbeitungserfolge am Werkstück sowie ein erhöhter Verschleiß und damit verbunden ein Mehraufwand an Reparatur-, Wartungs- und Reinigungsaufwendungen einstellen.
Ferner können sich je nach Material des zu bearbeitenden Werkstückes, Größe und Konzentration der beim abrasiven Materialabtrag entstehenden Stäube und feinen Partikel in Durchmischung mit der Raumluft explosive und gegebenenfalls giftige Aerosole ausbilden, die vor allem für den Bearbeitungsprozess überwachende Personen eine erhebliche Gesundheitsgefahr darstellen, insbesondere durch die Inhalation lungengängiger und möglicherweise Krebs erregender Stoffe und Stäube.
Zum Entfernen derartiger Späne und Stäube werden, insbesondere bei der Holz- oder Verbundwerkstoffverarbeitung sowie auch bei der Trockenbearbeitung metallischer Werkstoffe hauptsächlich Raum-Absaugungsanlagen eingesetzt, die die Raumluft im Allgemeinen absaugen und einer Filteranlage zuführen. Trotz leistungsstarker und damit verbunden auch energieintensiver Absaugungsanlagen kann jedoch nicht vermieden werden, dass Partikelablagerungen sowohl in und an den Werkzeugmaschinen sowie auch auf den zu bearbeitenden Werkstücken auftreten. Insbesondere können auf diese Weise keine feinen Partikel in Form von Schwebstoffen in der Luft zurück gehalten werden.
Eine gegenüber den vorstehenden Raumluftabsaugungsanlagen deutliche Reduzierung der Partikelströme, die im Wege eines abrasiven Werkstückbearbeitungsprozesses entstehen, ermöglichen Werkzeugmaschineninterne Absaugsysteme, bei denen individuell an die Werkzeugmaschine angepasste Partikelabsaugsysteme in oder an der Werkzeugmaschine integriert sind. Typischerweise sind derartige Systeme in Form von die Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine zumindest abschnittsweise umgebende Absaughauben ausgebildet, die in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Werkstückes bündig an der Werkzeugoberfläche angrenzen und mit dieser ein die Bearbeitungsstelle umschließendes Volumen hermetisch umfassen, aus dem weitgehend sämtliche abrasiv vom Werkstück abgetrennte Späne und Stäube sicher abgeführt werden.
Derartige, werkzeugnahe Absaugsysteme haben sich vor allem in der Bearbeitung von Plattenwerkstoffen mittels CNC-Werkzeugmaschinen durchgesetzt. In diesem Zusammenhang sei auf die Druckschrift DE 60 2005 004 058 T2 verwiesen, in der eine Staubabzugshaube für Werkzeugmaschinen beschrieben ist, die koaxial um eine Werkzeugspindel eine rohrförmig ausgebildete Abzugshaube vorsieht, deren dem Werkstück zugewandte kreisrunde Rohröffnung mit einem synthetischen Bürstenbesatz versehen ist und sensorüberwacht axial zur Werkzeugspindelachse gegenüber der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche in geeigneter Weise positioniert wird. Die Staubabsaugung erfolgt mit Hilfe der koaxial zur Werkzeugspindel axial beweglich angeordneten Abzugshaube solange zufrieden stellend solange der kreisrunde synthetische Bürstenbesatz der Absaughaube vollumfänglich an der ebenen Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstückes aufliegt. Gilt es jedoch Werkstücke mit einer unebenen Werkstückoberfläche oder Werkstückränder bzw. -kanten zu bearbeiten, so erzielt diese Art der Absaugung lediglich einen geringen Späneerfassungsgrad, da die Absaughaube nicht vollständig an der Werkstückoberfläche aufliegt. Hinzu kommt, dass durch die das Materialabtragewerkzeug umschließende Rohrform der Absaughaube eine uneingeschränkte Mehrachsenbeweglichkeit der Werkzeugmaschine aus Gründen bestehender Kollisionsgefahr zwischen der Absaughaube und dem zu bearbeitenden Werkstück nicht möglich ist.
Einen ähnlichen Ansatz beschreibt die Druckschrift DE 102 28 585 A1 , welche eine zusätzliche Anpassungsfähigkeit der Innengeometrie der Absaughaube an die Werkzeuggeometrie nutzt, um den Luftstrom der Absaugung zu optimieren. Hier zielt man gewollt nicht auf einen hermetischen Abschluss mit der Werkstückoberfläche, sondern nutzt den verbleibenden Spalt um das abgesaugte Luftvolumen nachströmen zu lassen. Somit wird ein effizienterer Luftstrom mit Nachteil einer nicht vollständig geschlossenen Abdeckung erzielt.
Die japanische Druckschrift, JP H08 323 578 A , beschreibt eine Lösung, welche die Spanabfuhr werkzeugnah mit einer axial zur Werkzeugspindel verfahrbaren Absaugdüse realisiert. Die Anpassung an die Werkstückkontur axial zur Werkzeugachse wird über eine Sensor-Aktuator Anwendung oder einer der Werkstückkontur folgenden Rolle an einem Abstandshalter umgesetzt. Das Werkstück wird von einer Abdeckhaube umschlossen, die an der Eingriffstelle des Werkzeugs in das Material seitlich eine Öffnung aufweist, der gegenüber die Absaugdüse positioniert ist. Zwar geschieht die Absaugung der Späne nun direkt am Entstehungsort, jedoch schränkt das Absaugsystem auch hier die bearbeitbaren Werkstückgeometrien ein.
Aus der US-Schrift US 5 036 754 A ist ein System zum Absaugen von Abgasen, bspw. von Rauchgasen, von einem Arbeitsbereich in der unmittelbaren Nähe eines ein Werkstück bearbeitenden Werkzeuges zu entnehmen, das eine Abgashaube vorsieht, die über eine motorisch unterstützte Stativanordnung unabhängig vom Werkzeug räumlich um das zu bearbeitende Werkstück frei positionierbar ist. Die Abzugshaube sieht hierzu Signalempfangssensoren vor, die ein Signal eines am Werkzeug angebrachten Signalgebers empfangen. Die Sensorsignale werden unter Zugrundelegung eines triangulatorischen Auswerteverfahrens zu Zwecken der räumlichen Positionierung der Abzugshaube relativ zum Ort des Signalgebers am Ort des Werkzeuges ausgewertet.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absaugvorrichtung für eine Partikelströmung, die durch abrasiven Materialabtrag an einem Werkstück durch in Eingriffnahme mit einem um eine Drehachse rotierenden Materialabtragewerkzeug erzeugbar ist, mit einem über eine Ansaugöffnung verfügenden Absaugkopf, derart weiterzubilden, so dass zum einen gewährleistet wird, dass unabhängig von Form, Größe und Beschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstückes der durch den abrasiven Materialabtrageprozess erzeugte Partikelstrom weitgehend vollständig über den Absaugkopf eingefangen und sicher verbracht werden kann. Die Absaugvorrichtung soll insbesondere eine freie Beweglichkeit und räumliche Positionierbarkeit des Materialabtragewerkzeuges relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück ermöglichen, ohne dabei in Kollision mit diesem zu geraten. Die Absaugvorrichtung soll darüber hinaus weitgehend autonom und unabhängig von einer das Materialabtragewerkzeug betätigenden Mehrachsen-Werkzeugmaschine arbeiten, d. h. die Inbetriebnahme sowie der Betrieb der Absaugvorrichtung benötigt keine Kenntnis über Prozessparameter bzw. maschinenspezifische Betriebsinformationen der Werkzeugmaschine noch Materialspezifische Werkstoffparameter des zu bearbeitenden Werkstückes. Die Absaugvorrichtung sollte darüber hinaus als modular nachrüstbare Einheit für bereits bestehende Werkzeugmaschinen adaptierbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Gegenstand des Anspruches 12 ist ein lösungsgemäßes Verfahren zum Absaugen eines bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entstehenden Partikelstromes mit Hilfe einer Absaugvorrichtung gemäß des Anspruches 1. Die lösungsgemäße Absaugvorrichtung wird in vorteilhafter Weise durch die in den Unteransprüchen formulierten Merkmale weitergebildet. Die lösungsgemäße Vorrichtung bzw. das lösungsgemäße Verfahren weiterbildende Merkmale sind ferner der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die der lösungsgemäßen Absaugvorrichtung zugrunde liegende Idee sieht eine automatische Ausrichtung eines beweglich um die Drehachse des rotierenden Materialabtragewerkzeuges angebrachten Absaugkopfes vor, dessen Ansaugöffnung seitlich neben dem Materialabtragewerkzeug, jeweils der sich ausbildenden Partikelströmung zugewandt angeordnet ist.
Von zentraler Bedeutung ist die sensorielle Erfassung der sich räumlich ausbildenden Partikelströmung mit Hilfe einer Sensoreinrichtung, deren Sensorsignale einer kontinuierlichen Neupositionierung des Absaugkopfes und Ausrichtung der Ansaugöffnung relativ zu der sich am Ort der in Eingriffnahme des Materialabtragewerkzeuges mit dem Werkstück ausbildenden Partikelströmung zugrunde gelegt werden. Hierbei wird die Ansaugöffnung mit einer ihr zuordenbaren Öffnungsebene, vorzugsweise orthogonal zur Hauptausbreitungsrichtung der sich ausbildenden Partikelströmung ausgerichtet, so dass die Partikelströmung automatisch in den vorzugsweise trichterförmig ausgebildeten Absaugkopf vollständig einmündet.
Der Einsatz einer lösungsgemäß ausgebildeten Absaugvorrichtung erfolgt vollkommen autark von Prozessparametern der das Materialabtragewerkzeug führenden Werkzeugmaschine sowie von werkstoffabhängigen Größen bzw. Eigenschaften des zu bearbeitenden Werkstückes, zumal die Ausrichtung und Positionierung des Absaugkopfes einzig und allein von der räumlichen Erfassung des sich vom Ort der Ineingriffnahme zwischen Materialabtragewerkzeug und Werkstück ausbildenden Partikelströmung abhängt, die mit Hilfe der der Absaugvorrichtung eigenen Sensoreinrichtung erfassbar ist.
Die Absaugvorrichtung für eine Partikelströmung, die durch abrasiven Materialabtrag an einem Werkstück durch Ineingriffnahme mit einem längs einer Drehachse rotierenden Materialabtragewerkzeug erzeugbar ist und über einen, über eine Ansaugöffnung verfügenden Absaugkopf verfügt, ist lösungsgemäß derart ausgebildet, dass der Absaugkopf seitlich neben dem Materialabtragewerkzeug mit einer der Partikelströmung zugewandten Ansaugöffnung angeordnet ist, wobei der Absaugkopf an einem raumfest zur Drehachse angeordneten Führungsmittel mittel- oder unmittelbar angebracht und längs einer um die Drehachse orientierten Bewegungstrajektorie vermittels einer Antriebseinheit verfahrbar gelagert ist. Das raumfest zur Drehachse angeordnete Führungsmittel ist vorzugsweise in Form einer kreis- oder kreissektorförmigen Führungsschiene ausgebildet, die konzentrisch um die Drehachse an einem das Materialabtragewerkzeug tragenden Dreh- oder Spindelantrieb vorzugsweise einer Mehrachsen-Werkzeugmaschine befestigt ist.
Selbstverständlich kann die Raumform des schienenartigen Führungsmittels von der Kreis- oder Kreissektorform abweichen, beispielsweise kann das schienenartig ausgebildete Führungsmittel einen elliptischen Schienenverlauf annehmen oder ganz allgemein in Form einer als Freiform ausgebildeten Führungsschiene an der Mehrachsen-Werkzeugmaschine im Bereich des Spindelantriebes befestigt sein.
Um den mit dem schienenartigen Führungsmittel verbundenen Absaugkopf in geeigneter Weise vermittels der Antriebseinheit relativ zur Drehachse zu positionieren, um die Partikelströmung möglichst vollumfänglich mit dem Absaukopf zu erfassen, bedarf es der genauen Kenntnis über die räumliche Lage der sich aktuell ausbildenden Partikelströmung relativ zum Materialabtragewerkzeug bzw. relativ zur Drehachse.
Zur Erfassung der Partikelströmung dient wenigstens eine raumfest zur Drehachse und/oder raumfest zum Absaugkopf angeordnete Sensoreinrichtung zur Erzeugung von Sensorsignalen, die mit einer Auswerte- und Steuereinheit mittel- oder unmittelbar verbunden ist, die auf der Grundlage der Sensorsignale Steuersignale zur Ansteuerung der Antriebseinheit generiert, die den Absaugkopf exakt in die Position längs des schienenartigen Führungsmittels verfährt, an der die Ansaugöffnung des Absaugkopfes direkt in der Partikelströmung positioniert ist, so dass die Partikelströmung möglichst vollständig durch die Ansaugöffnung in den Absaugkopf gelangt.
Zur sensoriellen ortsaufgelösten Erfassung der Partikelströmung eignen sich grundsätzlich alle gängigen Sensoren, wie bspw. ortsauflösende CCD- oder Thermografie-Kamera; Ultraschall-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Magnetfeld-Sensoren, etc..
In besonderer Weise eignet sich zur optischen Erfassung der Partikelströmung eine ortsauflösende CCD- oder Thermografie-Kamera, zumal die abrasiv vom Werkstück abgetrennten Späne oder allgemein Partikel einer erheblichen reibungsbedingten Erwärmung unterliegen und sich somit auf einem insbesondere mit einer Thermografie-Kamera aufgenommenen Szenebild kontrastreich von der deutlich kühleren Umgebung abheben. Eine derartige Kamera ist aus Gründen eines bevorzugterweise kompakten Aufbaus der lösungsgemäßen Absaugvorrichtung raumfest mit dem Absaugkopf verbunden, wobei das Kamerablickfeld den Raumbereich enthaltend das Materialabtragewerkzeug und den Absaugkopf erfasst. Selbstverständlich ist es möglich die Kamera unabhängig von der Absaugvorrichtung anzuordnen, bspw. in direkter Verbindung mit der Werkzeugmaschine. Unabhängig von der tatsächlichen Positionierung der Kamera gilt es dafür Sorge zu tragen, dass die Kamera den Ort der Ineingriffnahme des Materialabtragewerkzeuges mit dem Werkstück sowie die Lage des Absaugkopfes relativ zu diesem Ort erfasst.
Alternativ zu oder in Kombination mit der kamerabasierten, bildgebenden Aufnahmetechnik zur ortsaufgelösten Erfassung der sich ausbildenden Partikelströmung können Druck- und/oder Temperatursensoren zum Einsatz kommen, mit Hilfe derer thermische sowie auch druckspezifische Gradienten im Bereich der Partikelströmung erfassbar sind. Derartige Sensoren sind in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel unmittelbar am Absaugkopf um die Ansaugöffnung herum angeordnet. Sobald der Absaugkopf längs der um die Drehachse verlaufenden Bewegungstrajektorie verfahren wird und dabei in den Bereich der Partikelströmung gerät oder aus dieser austritt, erfasst der wenigstens eine Drucksensor einen Druckgradienten, der je nach Gradient das Ereignis des Eintrittes in die Partikelströmung oder des Austretens anzeigt. In der gleichen Weise vermag ein Temperatursensor den Bereich der Partikelströmung zu markieren, der sich durch eine erhöhte Temperatur im Vergleich zum Umfeld auszeichnet.
Selbstverständlich können auch weitere Sensoren zur Erfassung der Partikelströmung eingesetzt werden, wie bspw. Ultraschallsensoren, die an den Partikeln reflektierte Ultraschallwellen erfassen, oder induktive bzw. kapazitive Sensoren, die im Falle elektrisch leitfähiger Partikel Ladungen oder Magnetfelder zu erfassen in der Lage sind.
Zur Erfassung der Partikelströmung werden die Sensorsignale, insbesondere die von einer ortsauflösenden Kamera herrührenden Bildsignale einer Auswertung, vorzugsweise einer Bildauswertung auf Basis einer ortsaufgelösten Mustererkennung unterzogen, um eine exakte Lage der Partikelströmung relativ zum Ort der Ineingriffnahme, d. h. relativ zum Materialabtragewerkzeug zu bestimmen.
Die sensorbasierte Detektion der Partikelströmung dient der Kenntnis über das sich dynamisch ändernde räumliche Ausbreitungsverhalten der Partikelströmung relativ zum Ort der Ineingriffnahme zwischen dem Materialabtragewerkzeug und dem Werkstück und schafft die Grundlage auf Basis der Sensorsignale Steuersignale zu generieren, um den Absaugkopf vermittels der mit dem Führungsschlitten verbundenen Antriebseinheit 6 längs des schienenartigen Führungsmittels kontinuierlich neu relativ zur Partikelströmung zu positionieren.
Neben der Positionierung des Absaugkopfes um die Drehachse des Materialabtragewerkzeuges sieht die lösungsgemäße Absaugvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform weitere die Beweglichkeit und Positionierung der Ansaugöffnung des Absaugkopfes relativ zur Partikelströmung vor. So lässt sich durch geeignete Ausgestaltung der Absaugkopf parallel zur Drehachse des Materialabtragewerkzeuges verfahren. Des weiteren ist durch Vorsehen eines im Absaugkopf integrierten Drehgelenkmechanismus ein Verschwenken zumindest von Bereichen des Absaugkopfes um eine orthogonal zur Drehachse orientierte Gelenkachse realisierbar, um auf diese Weise die Ansaugöffnung des Absaugkopfes räumlich ideal entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung der Partikelströmung auszurichten. Vorteilhafte Ausgestaltungen für eine individuelle Nachführbarkeit des Absaugkopfes relativ zur Partikelströmung sind der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die lösungsgemäße Absaugvorrichtung ermöglicht ein neuartiges Verfahren zum Absaugen einer bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entstehenden Partikelströmung, das sich durch die folgenden Verfahrensschritte auszeichnet:
In einem ersten Schritt wird die Partikelströmung mit Hilfe einer Sensoreinrichtung erfasst. Die Partikelströmungserfassung basiert vorzugsweise auf der Detektion von Druck-, Temperatur- und/oder optischen Kontrastunterschiede, die in Form von Sensorsignalen einer Auswertung zur Ermittlung der räumlichen Lage der Partikelströmung relativ zu dem mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Materialabtragewerkzeug zugrunde gelegt werden.
Schließlich erfolgt das Positionieren des Absaugkopfes derart, dass die Ansaugöffnung in den Bereich der Partikelströmung positioniert wird, so dass die Partikelströmung in den Absaugkopf gelangt. Hierzu wird der Absaugkopf mit der stets zur Drehachse zugewandt orientierten Absaugöffnung um die Drehachse verfahren, wobei die Absaugöffnung einen endlich großen radialen Abstand zur Drehachse einhält. In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt das Positionieren des Absaugkopfes zusätzlich durch axiales Bewegen längs der Drehachse und/oder durch Verkippen des Absaugkopfes um wenigstens eine Schwenkachse die orthogonal und/oder parallel zur Drehachse orientiert ist und/oder durch radiale Abstandsänderung der Ansaugöffnung relativ zur Drehachse.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte perspektivische Darstellung einer an einer Werkzeugmaschine angebrachten lösungsgemäß ausgebildeten Absaugvorrichtung.
2 Werkzeugmaschine mit einer lösungsgemäß ausgebildeten Absaugvorrichtung mit unterschiedlichen Sensoreinrichtungen.
3a, b an eine Werkzeugmaschine angebrachte Absaugvorrichtung mit unterschiedlich ausgestalteten, den Absaugkopf betreffenden Beweglichkeiten.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt eine Mehrachsen-Werkzeugmaschine 1, an deren Spindelantrieb 2 ein als Fräskopf ausgebildetes Materialabtragewerkzeug 3 drehbar um die Drehachse D angebracht ist. Eine derartige Fräsmaschine wird hauptsächlich zum Besäumen von Plattenwerkstoffen PW eingesetzt, die in Eingriff mit dem Fräskopf gelangen und dabei eine aus Werkstoffspänen bestehende Partikelströmung P erzeugt.
Zum vollständigen Absaugen der sich räumlich ausbreitenden Partikelströmung P dient eine an die Mehrachsen-Werkzeugmaschine 1 modular applizierte Absaugvorrichtung, die sich aus den folgenden Komponenten zusammensetzt:
Stirnseitig an der Mehrachsen-Werkzeugmaschine 1 ist im Bereich des Spindelantriebs 2 ein Führungsmittel 4 angebracht, das im Falle des in 1 illustrierten Auführungsbeispieles als ringartige Führungsschiene ausgebildet ist, die die Drehachse D und damit den Spindelantrieb 2 konzentrisch vollständig umgibt. Nur der guten Ordnung halber sei darauf hingewiesen, dass die ringförmig ausgebildete Führungsschiene eine von der Kreisform abweichende Gestalt annehmen kann, die von der Art und Einsatz der Mehrachsen-Werkzeugmaschine 1 abhängt. Auch kann eine nur teilweise um die Drehachse D verlaufende Führungsschiene, wie bspw. längs eines Kreissektors für viele Anwendungsfälle ausreichend sein. Die durch das schienenartige Führungsmittel 4 festgelegte Bewegungstrajektorie liegt vorzugsweise in einer orthogonal zur Drehachse D orientierten Ebene.
An dem als Führungsschiene ausgebildeten Führungsmittel 4 ist ein Führungsschlitten 5 angeordnet, der mittels eines elektromotorischen Antriebs 6 bidirektional längs der Führungsschiene verfahrbar gelagert ist.
Fest mit dem Führungsschlitten 5 ist darüber hinaus eine Trägerplatte 7 verbunden, an der ein Absaugrohr 8 befestigt ist, das in dem in 1 illustrierten Ausführungsbeispiel eine parallel zur Drehachse D orientierte Rohrachse R8 besitzt. Das in 1 ersichtliche obere Ende des Absaugrohres 8 ist mit einer nicht weiter in 1 dargestellten Absaugeinrichtung verbunden, vorzugsweise in Form einer Unterdruckquelle. Das untere Rohrende des Absaugrohres 8 ist mit einem Winkelrohrstück 9 verbunden, an dem der Absaugkopf 10 der Absaugvorrichtung anschließt. Der Absaugkopf 10 ist vorzugsweise trichterförmig ausgebildet und verfügt über eine Ansaugöffnung 11, die dem Materialabtragewerkzeug 3 unmittelbar radial zugewandt ist. Die dem Absaugkopf 10 zuordenbare Rohrachse R10 schließt mit der dem Absaugrohr 8 zuordenbaren Rohrachse R8 einen rechten Winkel ein. Aus der Komponentenansicht in 1 ist ersichtlich, dass die Ansaugöffnung 11 des Absaugkopfes 10 während eines Verfahrens des Führungsschlittens 5 längs der kreisringförmig ausgebildeten Führungsschiene 4 stets dem Materialabtragewerkzeug 3 mit einem radialen Abstand zugewandt orientiert bleibt.
Ferner sieht die lösungsgemäße Absaugvorrichtung eine vorzugsweise als Thermografie-Kamera 12 ausgebildete Sensoreinrichtung 12 vor, die im Falle des in 1 illustrierten Ausführungsbeispieles fest an der Trägerplatte 7 angebracht ist und eine Kamerablickrichtung aufweist, die den Bereich des Materialabtragewerkzeuges 3 und des Absaugkopfes 10 erfasst. Bei einem Verschwenken des Absaugkopfes 10 um die Drehachse D des Materialabtragewerkzeuges 3 wird somit die Sensoreinrichtung 12 mitverschwenkt. Auf diese Weise bleibt zumindest der Absaugkopf 10 innerhalb des von der Kamera erfassten Szenebildes in seiner Lage unverändert.
Bei Ineingriffnahme des Materialabtragewerkzeuges 3 mit einer Werkstückplatte PW wird eine Partikelströmung P in Form eines Spänestrahls in einer weitgehend senkrecht zur Drehachse D orientierten Ebene ausgeworfen und tritt bei geeigneter Positionierung der Absaugvorrichtung relativ zu der Partikelströmung P unmittelbar durch die Ansaugöffnung 11 in den Absaugkopf 10 ein. Die Ausbildung und Ausbreitungsrichtung der Partikelströmung P wird mit Hilfe der als Thermografie-Kamera 12 ausgebildeten Sensoreinrichtung 12 erfasst. Die von Seiten der Thermografie-Kamera 12 generierten Bildsignale werden auf der Basis eines Muster erkennenden Bildverarbeitungsverfahrens ausgewertet, so dass die räumliche Lage und Ausbreitung der Partikelströmung P relativ zur Drehachse D exakt ermittelt wird. Dies erfolgt mit Hilfe einer Auswerteeinheit 13. Die Auswerteeinheit 13 kann, gleichsam wie die Sensoreinrichtung 12 fest mit der Trägerplatte 7 verbunden sein, kann jedoch auch als separate, räumlich von der Absaugvorrichtung getrennte Einheit ausgeführt sein, zu der die Sensorsignale, bspw. in Form von Bildinformationen drahtlos, beispielsweise mittels Funktechnik, übermittelt werden.
Nach Vorliegen der exakten Position und räumlichen Ausbreitung der Partikelströmung P relativ zur Drehachse D und der aktuellen Position und Raumlage des Absaugkopfes 10 generiert die Auswerteeinheit 13 Steuersignale, die der Antriebseinheit 6 zugeführt werden, um die Absaugvorrichtung um die Drehachse D längs der Führungsschiene 4 zu verfahren, so dass die Ansaugöffnung 11 des Absaugkopfes 10 den Strömungsquerschnitt der Partikelströmung P am Ort der Ansaugöffnung 11 vorzugsweise vollständig umfasst, sodass die gesamte Partikelströmung P durch die Ansaugöffnung 11 in den Absaugkopf 10 eintritt. Die Ausrichtung des Absaugkopfes 10 erfolgt stets derart, dass die Ansaugöffnung 11 in der Ebene der sich von der Drehachse D ausbreitenden Partikelströmung P angeordnet ist.
Alternativ zur Ausbildung der Sensoreinrichtung 12 in Form einer Thermografie-Kamera 12 gemäß 1, können auch handelsübliche CCD-Kameras eingesetzt werden, die das Szenebild im Bereich des Materialabtragewerkzeuges 3 ortsaufgelöst erfassen. Vorzugsweise ist eine derartige CCD-Kamera für eine störungsfreie räumliche Erfassung des Partikelstromes P mit einer Stroboskop-Lampe zu kombinieren.
Weitere Möglichkeiten zur sensoriellen Erfassung der sich ausbildenden Partikelströmung P bieten Druck- und/oder Temperatursensoren, die direkt an der Ansaugöffnung 11 des Absaugkopfes 10 angebracht sind, wie dies in 2 gezeigt ist. 2 zeigt nahezu die gleiche Absaugvorrichtung wie in 1 dargestellt, jedoch ist in diesem Fall die Sensoreinrichtung 12 anstelle einer Thermografie-Kamera in Form von an der Ansaugöffnung 11 angeordneten Sensoren 14 verwirklicht.
Hier befinden sich an der Ansaugöffnung 11 des Absaugkopfes 10 Sensoren 14, die als Druck- und/oder Temperatursensoren ausgebildet sind und mit deren Hilfe Druck- bzw. Temperaturänderungen erfassbar sind, die sich in signifikanter Weise einstellen, sobald der Absaugkopf 10 die Partikelströmung P bei Bewegung um die Drehachse D passiert. Grundsätzlich wäre für eine derartige Temperatur- und/oder Druck-Sensor-gestützte Detektion der Partikelströmung P der Einsatz von lediglich zwei am Umfangsrand der Ansaugöffnung 11 in einer Ebene der sich ausbreitenden Partikelströmung P gegenüber liegenden Sensoren 14 ausreichend. Das Vorsehen von drei oder mehr um die Ansaugöffnung 11 verteilt angeordnete Sensoren 14 ist vorteilhaft, sofern zusätzlich axiale, d. h. längs zur Drehachse D orientierte Lageveränderungen der Partikelströmung P erfasst werden sollen. Werden beispielsweise komplizierte Werkstückstrukturen mit Hilfe der Mehrachsen-Fräsmaschine 1 bearbeitet oder werden unterschiedlich lang ausgebildete Materialabtragewerkzeuge 3 eingesetzt, so muss neben der angularen Position der Partikelströmung P auch ihre axiale Position relativ zur Drehachse D erfasst werden.
Verwendet man, wie in 1 gezeigt eine kamerabasierte Sensoreinrichtung 12, so ist für die Erfassung einer axialen Lageveränderung der Partikelströmung P die Anordnung einer zweiten, versetzt angeordneten Kamera erforderlich, um auf diese Weise räumlich aufgelöste, Stereographie-Bildinformationen zu erhalten, aus denen Tiefen- bzw. Entfernungsinformationen von der Kameraebene hin zum Partikelstrom ermittelt werden können.
Zu Zwecken einer axialen Nachführung des Absaugkopfes 10 relativ zur Drehachse D bedarf es jedoch wenigstens eines weiteren Bewegungsfreiheitsgrades der Absaugvorrichtung. 3a illustriert ein teleskopartig ausgebildetes Absaugrohr 8, das axial zur Drehachse D verlängerbar bzw. verkürzbar ist. Der teleskopartig ausgebildete Rohrabschnitt 15 längs des Absaugrohres 8 kann in Form einer Verlängerung bzw. Verkürzung des Absaugrohres 8 ausgebildet werden.
Die Längenänderung des teleskopartig ausgebildeten Rohrabschnitts 15 kann durch Pneumatikzylinder vorgenommen werden, die parallel zur Drehachse D angeordnet einen Faltenbalgeinsatz parallel zur Drehachse D verlängern oder verkürzen. Weitere axiale Verstelleinrichtungen, wie lineare elektromechanische Stellmotoren oder ähnliches sind denkbar.
In 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Realisierung weiterer Bewegungsfreiheitsgrade des Absaugkopfes 10 illustriert. So weist das in 3b illustrierte Winkelrohrstück 9 eine Drehgelenkeinheit 16 auf, mit einer orthogonal zur Drehachse D orientierten Drehgelenksachse D16. Ferner ist längs des Absaugrohres 8 eine zweite Drehgelenkeinheit 17 vorgesehen, mit einer ebenfalls zur Drehachse D orthogonal orientierten Drehgelenkachse D17, die zudem orthogonal zur Drehgelenkachse D16 orientiert ist.
Eine weitere Drehgelenkeinheit 18 ist parallel zur Drehachse D längs des Absaugrohres 8 angeordnet und ermöglicht eine Drehbewegung um eine Drehgelenkachse D18 parallel zur Drehachse D.
Selbstverständlich ist es möglich, sämtliche in den 3a und 3b illustrierten Mittel zur Erhöhung der Bewegungsfreiheitsgrade des Absaugkopfes 10 beliebig miteinander zu kombinieren.
Gleichsam zur autonomen Längenveränderlichkeit des in 3a illustrierten teleskopartig ausgebildeten Rohrbereiches 15 stellen auch die in 3b gezeigten Drehgelenkeinheiten 16, 17 und 18 autonome, vorzugsweise motorisch antreibbare Gelenkeinheiten dar, so dass auf der Grundlage des sensoriell räumlich erfassten Partikelstromes P eine selbständig automatische Nachführung des Absaugkopfes 10 relativ zum Partikelstrom erfolgen kann, um auf diese Weise für eine vollständige Erfassung und Absaugung des Partikelstromes zu sorgen.
Selbstverständlich können ergänzende Sensoren im Bereich der lösungsgemäß ausgebildeten Absaugvorrichtung, insbesondere längs der Tragplatte 7, angebracht werden, um beispielsweise eine Kollision des Saugrohres bzw. des Absaugkopfes 10 mit dem zu bearbeitenden Werkstück zu verhindern. Beispielsweise können im Bereich des Absaugkopfes 10 zusätzliche Kraftsensoren angebracht sein, die eine Kollision des Absaugkopfes 10 mit Fremdgegenständen sofort registrieren.
Sowohl, die in den 3a und 3b gezeigten die axiale Länge des Absaugrohrs 8 sowie die Lage des Absaugkopfes 10 verändernden Mittel 15, 16, 17, 18, sowie auch die unterschiedlichen Varianten zur Ausbildung der Sensoreinrichtung 12 können beliebig miteinander kombiniert werden.
Mithin lassen sich zu der lösungsgemäßen Absaugvorrichtung die folgenden Vorteile zusammenfassen:
Die vorteilhafte Wirkung der lösungsgemäßen Absaugvorrichtung besteht darin, dass der Spänestrahl bzw. die Partikelströmung P sensorisch erfasst wird und ein Absaugrohr 8 aufgrund dieser Daten automatisch in dem Spänestrahl positioniert wird.
Dies hat den Vorteil gegenüber herkömmlicher Raumabsaugungen, dass bei einem Bruchteil der Absaugleistung sehr hohe Späneerfassungsraten erreicht werden können. Gegenüber werkzeugumschließenden Absaughauben vermag die lösungsgemäße Absaugvorrichtung insbesondere bei komplexen Bauteilen einen weitaus größeren Anteil an Spänen/Partikel zu erfassen.
Es sind keine Voruntersuchungen hinsichtlich der zu erwartenden Span/Partikel Auswurfwinkeln für verschiedene Prozessparameter bezüglich der Werkzeugmaschine, der verwendeten Werkzeuge und Werkstücke notwendig, da der Absaugkopf 10 ausschließlich anhand der tatsächlichen aktuellen räumlichen Lage der Partikelströmung P ausgerichtet wird.
Typische Anwendungsgebiete für die lösungsgemäße Absaugvorrichtung sind alle Werkzeugmaschinen zur Trockenbearbeitung von Werkstücken, bei denen Stäube oder Späne in einem mehr oder weniger gerichteten Strahl aus der Bearbeitungsstelle abgeschleudert werden. Dies sind vor allem Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen und Sägemaschinen. Auch kann das lösungsgemäße Verfahren bei Strahlverfahren, z. B. Sandstrahlen oder Kugelstrahlen, dem thermischen Beschichten, z. B. Flammspritzen oder Plasmaspritzen, oder Strahlschneiden, z. B. Wasserstrahlschneiden oder Laserstrahlschneiden eingesetzt werden. Voraussetzung ist lediglich, dass ein mehr oder weniger gebündelter Partikelstrahl entsteht und die Partikel die Bearbeitungsstelle nicht diffus verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Mehrachsen-Werkzeugmaschine
2: Spindelantrieb
3: Materialabtragewerkzeug
4: Führungsmittel
5: Führungsschlitten
6: Antriebseinheit
7: Trägerplatte
8: Absaugrohr
9: Winkelrohrstück
10: Absaugkopf
11: Ansaugöffnung
12: Sensoreinrichtung, Thermografie-Kamera
13: Auswerte-, Steuereinheit
14: Druck- und/oder Temperatursensoren
15: Teleskopartig ausgebildeter Rohrabschnitt
16: Drehgelenkeinheit
17: Drehgelenkeinheit
18: Drehgelenkeinheit
D: Drehachse
D16: Drehgelenkachse
D17: Drehgelenkachse
D18: Drehgelenkachse
P: Partikelströmung
R8: Rohrachse
R10: Rohrachse

Claims

Absaugvorrichtung für eine Partikelströmung (P), die durch abrasiven Materialabtrag an einem Werkstück durch Ineingriffnahme mit einem längs einer Drehachse (D) rotierenden Materialabtragewerkzeug (3) erzeugbar ist, mit einem über eine Ansaugöffnung (11) verfügenden Absaugkopf (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugkopf (10) seitlich neben dem Materialabtragewerkzeug (3) mit einer der Partikelströmung (P) zugewandten Ansaugöffnung (11) angeordnet, an einem raumfest zur Drehachse (D) angeordneten Führungsmittel (4) mittel- oder unmittelbar angebracht und längs einer um die Drehachse (D) orientierten Bewegungstrajektorie vermittels einer Antriebseinheit (6) verfahrbar gelagert ist, dass wenigstens raumfest zur Drehachse (D) und/oder raumfest zum Absaugkopf (10) eine den Partikelstrom (P) detektierende Sensoreinrichtung (12) zur Erzeugung von Sensorsignalen angeordnet ist, die mit einer Auswerte- und Steuereinheit (13) mittel- oder unmittelbar verbunden ist, die auf der Grundlage der Sensorsignale Steuersignale zur Ansteuerung der Antriebseinheit (6) generiert.
Absaugvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugkopf (10) über ein Absaugrohr (8) mit einer Unterdruckquelle verbunden ist, dass das Absaugrohr (8) wenigstens ein Winkelrohrstück (9) aufweist, das den Absaugkopf (10) mit einem geraden Absaugrohrstück (8) verbindet, das parallel zur Drehachse (D) orientiert und mit dem Führungsmittel (4) verbunden ist.
Absaugvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gerade Absaugrohrstück (8) teleskopartig axial längs zur Drehachse (D) verlänger- und verkürzbar ist, und/oder dass längs des geraden Absaugrohrstücks (8) eine Drehgelenkeinheit (17) integriert ist, mit einer orthogonal zur Drehachse (D) orientierten Drehgelenkachse (D17), und/oder dass längs des geraden Absaugrohrstücks (8) eine Drehgelenkeinheit (18) integriert ist, mit einer parallel zur Drehachse (D) orientierten Drehgelenkachse (D18), dass das Winkelstück (9) als Einachsgelenk (16) ausgebildet ist, mit einer orthogonal zur Drehachse (D) orientierten Gelenkachse (D16), und/oder dass der Absaugkopf (10) ein mit der Ansaugöffnung (11) endendes Rohrendstück aufweist, das teleskopartig verlänger- oder verkürzbar ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungsmittel (4) in Form einer kreis- oder kreissektorförmigen Führungsschiene ausgebildet ist, die konzentrisch um die Drehachse (D) an einem das Materialabtragewerkzeug (3) tragenden Spindelantrieb (2) befestigt ist, oder dass das Führungsmittel (4) in Form einer elliptischen oder einer als Freiform gestalteten Führungsschiene ausgebildet ist, die um die Drehachse (D) an einem das Materialabtragewerkzeug (3) tragenden Spindelantrieb (2) befestigt ist, und dass an der Führungsschiene ein mit der als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinheit (6) verbundener Führungsschlitten (5) angebracht ist, der längsbeweglich zur Führungsschiene bidirektional auslenkbar ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (12) wenigstens eine der nachfolgenden Sensoren umfasst: ortsauflösende Kamera; Ultraschall-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Magnetfeld-Sensoren.
Absaugvorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sensoreinrichtung (12) am Führungsschlitten (5) befestigt ist.
Absaugvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine ortsauflösende Kamera am Führungsschlitten (5) derart befestigt ist, dass zumindest die Ansaugöffnung (11) und das mit dem Werkstück in Eingriff bringbare Materialabtragewerkzeug (3) im Kamerablickfeld sind.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (12) am Absaugkopf (10) im Bereich der Ansaugöffnung (11) angebracht ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialabtragewerkzeug (3) ein Bohr-, Fräs- oder Schleifwerkzeug ist, das durch Ineingriffnahme mit dem Werkstück einen räumlich gerichteten Spänestrahl als Partikelströmung (P) erzeugt, der mittels der Sensoreinrichtung (12) bezüglich seiner sich ausbildenden Raumform und räumlichen Lage relativ zur Drehachse (D) erfassbar ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialabtragewerkzeug (3) samt des mit diesem raumfest angeordneten Führungsmittels (4) und dem mittel- oder unmittelbar mit diesem verbundenen Absaugkopf (10) an einem um wenigstens 3 Raumachsen beweglichen Manipulator-Endeffektor eines Roboters befestigt ist.
Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialabtragewerkzeug (3) Teil einer Mehrachsen-Werkzeugmaschine (1) ist oder mit einer Hauptspindel (2) einer Mehrachsen-Werkzeugmaschine (1) verbunden ist, und dass das Führungsmittel (4) und der mittel- oder unmittelbar mit diesem verbundene Absaugkopf (10) an der Mehrachsen-Werkzeugmaschine (1), insbesondere im Bereich der Hauptsspindel befestigt ist.
Verfahren zum Absaugen einer bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entstehenden Partikelströmung (P) mittels einer Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Erfassen der Partikelströmung (P) mit Hilfe der Sensoreinrichtung (12) und Erzeugen von Sensorsignalen, – Auswerten der Sensorsignale und Ermitteln der räumlichen Lage der Partikelströmung (P) relativ zu dem mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Materialabtragewerkzeug (3), – Positionieren des Absaugkopfes (10) derart, dass die Ansaugöffnung (11) in den Bereich der Partikelströmung (P) positioniert wird, so dass die Partikelströmung (P) in den Absaugkopf (10) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelströmungserfassung mittels Druck-Temperatur- und/oder optischer Kontrastunterschiede durchgeführt wird und die Ermittlung der räumlichen Lage der Partikelströmung (P) auf Basis einer ortsaufgelösten Mustererkennung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren des Absaugkopfes (10) wenigstens durch Verfahren des Absaugkopfes (10) mit einer zur Drehachse (D) zugewandt orientierten Ansaugöffnung (11) um die Drehachse (D) durchgeführt wird, wobei die Ansaugöffnung (11) einen endlich großen radialen Abstand zur Drehachse (D) einhält.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionieren des Absaugkopfes (10) zusätzlich durch axiales Bewegen längs der Drehachse (D) und/oder durch Verkippen des Absaugkopfes (10) um eine Schwenkachse die orthogonal oder senkrecht zur Drehachse (D) orientiert ist und/oder durch radiale Abstandsänderung der Ansaugöffnung (11) relativ zur Drehachse (D) erfolgt.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Erfassen und Absaugen eines Spänestrahls, der bei einer abrasiven Materialbearbeitung an einem Werkstück entsteht.