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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zum Einspannen eines stabartigen Werkstücks für die Bearbeitung des stabartigen Werkstücks an einer Werkzeugmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, zum thermischen Bearbeiten von stabartigen Werkstücken mit einer solchen Spanneinrichtung.
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Stabprofile mit großem Querschnitt sind sehr steif und in handelsüblicher Ausführung nach geltenden Normen ungerade. Für die Hersteller von derartigen Bauteilen ist es günstig, wenn auch solche ungeraden Profile ohne Einbußen bei der Konturgenauigkeit auf einer Werkzeugmaschine bearbeitet werden können. Die Herausforderung bei der Bearbeitung stabartiger Werkstücke an einer Werkzeugmaschine liegt darin, die Maß-Abweichungen bei der Bearbeitung gering zu halten und Schäden am Werkstück und der Werkzeugmaschine zu vermeiden.
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Unter einem stabartigen Werkstück wird im Rahmen dieser Anmeldung ein länglicher Körper (ein längliches Werkstück) verstanden, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist und der aus einem im Wesentlichen unflexiblen Material gefertigt ist. Stabartige Werkstücke können eine beliebige offene oder geschlossene Querschnittsform (auch Vollprofile) aufweisen, wobei Rund- und Rechteckrohre die gebräuchlichsten stabartigen Werkstücke darstellen.
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Bei einer von der Anmelderin unter dem Handelsnamen ”TruLaser Tube” vertriebenen Laserbearbeitungsmaschine ist vorgesehen, ein stabartiges Werkstück an zwei Spannstellen zentrisch einzuspannen, und zwar an einer ersten Spannstelle an einer Spanneinrichtung einer Dreh- und Vorschubeinrichtung und an einer zweiten Spannstelle an einem Spannfutter einer Durchschiebeinrichtung. Dabei bildet eine Verbindungslinie der beiden zentrischen Spannstellen eine Spannmitten-Achse, welche im Idealfall mit einer Vorschubrichtung (X-Richtung) der Dreh- und Vorschubeinrichtung übereinstimmt. Wird ein stabartiges Werkstück mittels der Dreh- und Vorschubeinrichtung um seine Längsachse gedreht, so befindet sich das Werkstück typischer Weise an den beiden Spanstellen auf der idealen Spannmitten-Achse, während sich im Wesentlichen alle übrigen Stellen entlang der Längsachse des Werkstücks (aufgrund des Eigengewichts des Werkstücks bzw. aufgrund des ungeraden Werkstückprofils) von der idealen Spannmitten-Achse einen mehr oder weniger großen Abstand aufweisen und eine Drehbewegung exzentrisch zur idealen Spannmitten-Achse ausführen.
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Die Bearbeitung des Werkstücks in einer solchen Bearbeitungsanlage erfolgt an einer Bearbeitungsstelle, die auf einer der Dreh- und Vorschubeinrichtung abgewandten Seite der Durchschiebeeinrichtung vorgesehen ist. Zur zusätzlichen Führung und Unterstützung des Werkstücks können sowohl zwischen den Spannstellen als auch auf der Gutteilseite im Bereich der Bearbeitungsstelle Stützelemente angebracht werden. Die Spanneinrichtung, das Spannfutter und die Stützelemente für das stabartige Werkstück sind jedoch auf die ideale Spannmitten-Achse eingestellt. Daraus resultierend tritt folgendes Problem auf: Je nach Abarbeitungszustand, d. h. je nach Abstand zwischen der Dreh- und Vorschubeinrichtung und der Durchschiebeeinrichtung sowie der Länge des Gutteils ändern sich die Stütz- und Haltekräfte in der Spanneinrichtung und dem Spannfutter erheblich. In der Folge können die die Lage fixierenden Spann- oder Führungskräfte überschritten werden, so dass es ggf. auch im Bereich der Spannstellen zu einer Abweichung des Werkstücks von der Spannmitten-Achse kommen kann.
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Zudem kann das ungerade stabartige Werkstück bei der Erstspannung ggf. unter einem von der idealen Spannmitten-Achse abweichenden Einspannwinkel eingespannt werden. Mit zunehmender Bearbeitungsdauer des Werkstücks, bei welcher der Abstand zwischen der Dreh- und Vorschubeinrichtung und der Durchschiebeeinrichtung sich verkürzt, verändert sich auch der Einspannwinkel. Die daraus resultierende Krafteinwirkung auf das Werkstück verbunden mit Drehungen des Werkstücks kann dazu führen, dass sich das Werkstück in Vorschubrichtung aus der gewünschten Spannstelle heraus verschiebt. Dadurch können bei der Bearbeitung Maßabweichungen auch in Vorschubrichtung auftreten.
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Aus der
DE 39 29 010 A1 ist eine Vorrichtung zur Halterung eines Werkstückes auf einer Drehmaschine mittels eines an einer Aufnahmescheibe als Spannkörper angebrachten Spannfutters bekannt. Bei dieser Vorrichtung sind dem Spannkörper gesonderte Stellelemente zugeordnet, die unabhängig voneinander elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbar und/oder ansteuerbar sind. Zum Ausrichten des Werkstückes wirken die Stellelemente auf den Spannkörper ein.
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Die
DE 10 2007 020 633 B4 beschreibt eine Positioniervorrichtung, insbesondere ein Spannfutter für eine Werkzeugmaschine, mit einem Grundkörper, einem bezüglich einer Längsachse vor dem Grundkörper angeordneten Abtriebskörper zum Verbinden mit einem Werkstück, einem mit dem Grundkörper verbundenen und sich entlang der Längsachse erstreckenden Verbindungselement und mindestens zwei am Grundkörper befestigten, quer zur Längsachse wirkenden Exzenteraktoren, die zum Verschieben des Abtriebskörpers senkrecht zur Längsachse relativ zum Grundkörper durch elastisches Verformen des Verbindungselements ausgebildet sind. Die Positioniervorrichtung besitzt mindestens zwei Neigeaktoren zum Neigen des Abtriebskörpers relativ zum Grundkörper.
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Die
US 7,654,178 B2 offenbart eine drehbare Spannfutteranordnung, umfassend eine Mehrzahl von unabhängig hydraulisch gesteuerten Spannbacken, die um eine zentrale Achse angeordnet sind, wobei jede Spannbacke einen hydraulischen Aktuator umfasst, der eine erste hydraulische Kammer und eine zweite hydraulische Kammer aufweist, wobei jede Spannbacke einen ersten und zweiten Flüssigkeitsanschluss hat, durch die Hydraulikfluid in die erste und zweite hydraulische Kammer eingeleitet werden kann, um unabhängig voneinander jede Spannbacke einzeln zu bewegen. Der hydraulische Druck zum Betreiben der Aktuatoren wird zentral durch eine Hydraulikpumpe erzeugt.
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Aus der
AT 197 233 B ist eine Vorrichtung zur Werkstückabstützung bei Kurbelwellenschleifmaschinen bekannt geworden. Die Vorrichtung weist ein auf dem Maschinenbett gelagertes, in senkrechter und waagrechter Richtung quer zur Umlaufachse der Kurbelwelle bewegbares Auflager auf, das mit einer den anfallenden Stützkräften angepassten Vorspannung elastisch von unten gegen die Kurbelwelle drückt und mit Hilfe einer verstellbaren Kurbel dem Werkstückumlauf entsprechend waagrecht hin- und herschiebbar ist. Die Vorrichtung weist auch Stützorgane auf, die zwecks Anpassung an verschiedene Werkstückdurchmesser mit Hilfe von Handrädern axial verstellt werden können.
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In der
US 6 568 694 B1 ist eine Kombination von zwei oder mehr Klemmbacken-Baugruppen zur Befestigung an einem selbstzentrierenden Kraftspannfutter beschrieben. Jede Klemmbacken-Baugruppe weist ein unabhängiges Hydrauliksystem auf, das, wenn es aktiviert wird, die Länge der Klemmbacken-Baugruppe verringert und auf diese Weise das in dem Kraftspannfutter eingeklemmte Werkstück bewegt.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spanneinrichtung, insbesondere für eine Dreh- und Vorschubeinrichtung einer Werkzeugmaschine, sowie eine Werkzeugmaschine mit einer solchen Spanneinrichtung bereitzustellen, welche unter Beibehaltung der Spannkraft auf das Werkstück eine Ausgleichsbewegung (exzentrische Bewegung) des Werkstücks an der Einspannstelle ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Spanneinrichtung, umfassend: eine Mehrzahl von Spannbacken, die entlang einer jeweiligen Spannrichtung in Richtung auf eine Spannmitten-Achse verschiebbar sind, eine der Mehrzahl von Spannbacken zugeordnete Mehrzahl von ersten Stellelementen, die zum Verschieben der Spannbacken in Richtung auf die Spannmitten-Achse betätigbar sind, eine der Mehrzahl von Spannbacken zugeordnete Mehrzahl von zweiten Stellelementen, die zur Verschiebung der Spannbacken in oder entgegen der Spannrichtung unabhängig von den ersten Stellelementen betätig bar sind, wobei mindestens eines der zweiten Stellelemente mit mindestens einem weiteren der zweiten Stellelemente zur gemeinsamen Bewegung über eine Hydraulik-Verbindung eines Hydraulik-Kreises koppelbar ist, um eine Ausgleichsbewegung des Werkstücks in einer Spannebene senkrecht zur Spannmitten-Achse zu ermöglichen, wobei jeweils ein erstes und ein zweites Stellelement einander zugeordnet sind, so dass durch die Verstellbewegung des ersten Stellelements das zweite Stellelement bewegbar ist, wobei der Hydraulik-Kreis mindestens ein Ventil zum Blockieren oder Freigeben der hydraulischen Verbindung zwischen den mindestens zwei zweiten Stellelementen aufweist, und wobei die Spanneinrichtung weiter umfasst: eine Betätigungseinrichtung zur synchronen Betätigung von mindestens zwei der ersten Stellelemente, wenn die hydraulische Verbindung zwischen den jeweils zugeordneten zweiten Stellelementen durch das Ventil des Hydraulik-Kreises blockiert ist. Hierbei ist das zweite Stellelement in der Regel an einem Bauteil des ersten Stellelements angebracht, welches durch die Betätigung des ersten Stellelements bewegt wird.
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Die ersten Stellelemente dienen dem zentrischen Einspannen des Werkstücks und sind zu diesem Zweck entlang einer jeweiligen Spannrichtung verschiebbar. Die Spannrichtungen der einzelnen Spannbacken sind auf ein gemeinsames Zentrum ausgerichtet, welches der Spannmitten-Achse entspricht. Hierbei wird von den Spannbacken eine vorgegebene (einstellbare) Spannkraft auf das Werkstück ausgeübt. Um bei einer exzentrischen (Dreh-)Bewegung des Werkstücks um die ideale Spannmitten-Achse eine Ausgleichsbewegung der Position der Spannstelle in der Spannebene zuzulassen, in der die Spannrichtungen verlaufen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens zwei unabhängig von den ersten Stellelementen betätigbare zweite Stellelemente in ihrer Bewegung zu koppeln, und zwar über eine (geschlossene) Hydraulik-Verbindung eines Hydraulik-Kreises. Ein in dem Hydraulik-Kreis bzw. in der Hydraulik-Verbindung vorgesehenes Hydraulik-Fluid stellt ein inkompressibles Medium dar, mit dem Kräfte annähernd verlustfrei zwischen den zwei oder mehr für die Bewegung miteinander gekoppelten zweiten Stellelementen übertragen werden können, so dass nur geringe Kräfte für die Bewegungskopplung erforderlich sind.
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Werden die Spannkräfte auf eine der Spannbacken zu groß, kann ein dieser Spannbacke zugeordnetes zweites Stellelement in der Spannebene (senkrecht zur Spannmitten-Achse) verschoben werden, wobei gleichzeitig mindestens ein weiteres über die Hydraulik-Verbindung bewegungsgekoppeltes zweites Stellelement verschoben wird. Dabei entspricht die (vektorielle) Summe der Längen der Ausgleichsbewegungen der bewegungsgekoppelten zweiten Spannbacken der Länge der Ausgleichsbewegung der ersten Spannbacke, so dass die durch die ersten Stellelemente auf das Werkstück aufgebrachte Spannkraft bei der durch die zweiten Stellelemente bewirkten Ausgleichsbewegung erhalten bleibt. Es versteht sich, dass insbesondere auch alle zweiten Stellelemente über eine gemeinsame Hydraulik-Verbindung eines (geschlossenen) Hydraulik-Kreises miteinander bewegungsgekoppelt werden können.
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Der Hydraulik-Kreis weist mindestens ein Ventil zum Blockieren oder Freigeben einer Hydraulik-Verbindung zwischen den mindestens zwei zweiten Stellelementen auf. Mit Hilfe des Ventils kann wahlweise die Bewegungskopplung der zweiten Stellelemente ein- oder ausgeschaltet werden. Das Ausschalten der Bewegungskopplung ist insbesondere bei labilen rohrförmigen Werkstücken günstig, bei denen eine solche Ausgleichsbewegung aufgrund der vergleichsweise geringen Lager- und Führungskräfte in der Regel nicht erforderlich ist. Um ein labiles Werkstück einzuspannen, können die Spannbacken zunächst in einen kraftfreien Zustand versetzt werden, d. h. die ersten Stellelemente bringen keine Spannkraft auf. Mittels einer Zentrierhilfe, z. B. eines konischen Stifts oder einer anderen geeigneten Referenzfläche werden die Spannbacken im geöffneten Zustand der Hydraulik-Verbindung(en) auf die ideale Spannmitte bzw. die Spannmitten-Achse ausgerichtet. Nachfolgend werden mittels des bzw. der Ventile die Verbindungen zwischen den zweiten Stellelementen blockiert, so dass diese keine Bewegung in oder entgegen der jeweiligen Spannrichtung mehr ausführen können und die zentrische Ausrichtung des Werkstücks während der Bearbeitung erhalten bleibt.
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Die Spanneinrichtung weist auch eine Betätigungseinrichtung zur gemeinsamen, synchronen Betätigung von mindestens zwei der ersten Stellelemente auf, wenn die hydraulische Verbindung zwischen den diesen ersten Stellelementen zugeordneten zweiten Stellelementen durch das Ventil des Hydraulik-Kreises blockiert ist. Durch eine synchrone Bewegung der ersten Stellelemente, bei der die hydraulische Verbindung zwischen den zugeordneten zweiten Stellelementen unterbunden ist, kann ein Einspannen des Werkstücks zentrisch zur Spannmitten-Achse erfolgen. Die ersten Stellelemente können für die gemeinsame Bewegung mechanisch z. B. über Hebel und einen Synchronring paarweise gekoppelt werden. Es versteht sich, dass auch andere Kopplungsmechanismen möglich sind, z. B. Zahnstange und Ritzel, Hydraulik, usw.
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Die ersten Stellelemente sind bevorzugt als Zylinder (z. B. als Hydraulik-, Elektro- oder Pneumatik-Zylinder) ausgebildet, an deren Kolbenstangen jeweils ein zweites Stellelement angebracht ist. Sind die ersten Stellelemente als Pneumatik-Zylinder ausgebildet, kann die Betätigungseinrichtung zum Aufbau eines Fluid-Drucks für die Bewegung der ersten Stell-Elemente dienen. In diesem Fall kann die Betätigungseinrichtung z. B. eine Pumpe bzw. ein Druckluft-Reservoir sowie eine (steuerbare) Ventilanordnung umfassen. Ein solches Druckluftsystem stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, um die ersten Stellelemente zu betätigen. Es versteht sich aber, dass die Betätigungseinrichtung zur Betätigung der ersten Stellelemente auch auf andere Weise ausgebildet sein kann und ggf. eine hydraulische, elektrische oder eine rein mechanische Betätigung (z. B. über ein Getriebe) ermöglichen kann.
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Bei einer Ausführungsform ist eine jeweilige Spannbacke an einer Kolbenstange eines als Hydraulikzylinder ausgebildeten zweiten Stellelements angebracht. In diesem Fall steht eine Kammer des Hydraulik-Zylinders über eine Hydraulik-Verbindung mit mindestens einer weiteren Kammer eines Hydraulik-Zylinders eines weiteren zweiten Spannelements in Verbindung, um die Bewegungskopplung zu ermöglichen. Wie weiter oben dargestellt wurde, kann die Bewegungskopplung über ein (inkompressibles) Hydraulik-Fluid, z. B. Wasser oder ein Hydraulik-Öl, auf einfache Weise unterdrückt werden, indem die Hydraulik-Verbindung durch Schließen des Ventils unterbrochen wird. Die Hydraulik-Zylinder, welche die zweiten Stellelemente bilden, können insbesondere an der Kolbenstange der als Pneumatik-Zylinder ausgebildeten ersten Stellelemente angebracht sein, so dass die ersten Stellelernente und die zweiten Stellelemente aufeinander aufbauen. Hierdurch kann eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden und es werden keine zusätzlichen Bauteile zur Umlenkung des Kraftflusses zwischen Spannbacke und Hydraulik-Zylinder bzw. zwischen Spannbacke und Pneumatik-Zylinder benötigt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Laserbearbeitungsmaschine, zum thermischen Bearbeiten von stabartigen Werkstücken, welche mindestens eine Spanneinrichtung umfasst, die wie oben beschrieben ausgebildet ist. Die Werkzeugmaschine kann zur Laserbearbeitung, insbesondere zum Laserschneiden, eines Werkstücks verwendet werden. Als Werkstücke kommen stabartige Werkstücke, insbesondere Rund- oder Rechteckrohre in Betracht, aber auch offene und geschlossene Profile. Die Spanneinrichtung ist typischer Weise an einer (Dreh-) und Vorschubstation angeordnet, an welcher das Werkstück zentrisch eingespannt wird und mittels derer das Werkstück entlang einer in Werkstücklängsrichtung verlaufenden Vorschubrichtung bewegt wird. Alternativ kann die Spanneinrichtung auch an einer Durchschiebeeinrichtung der Bearbeitungsmaschine angeordnet sein. Mittels der Spanneinrichtung einer derart ausgebildeten Laserbearbeitungsmaschine kann eine Ausgleichsbewegung des Werkstücks in einer Spannebene der Spanneinrichtung erfolgen, um auf die Spannbacken wirkende Lagerkräfte, die durch eine exzentrische Bewegung des Werkstücks erzeugt werden, auszugleichen bzw. um auch an der Einspannstelle des Werkstücks eine exzentrische Bewegung zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform umfasst die Werkzeugmaschine eine gesteuert betätigbare Dreheinrichtung zum Drehen der Spanneinrichtung um die (ideale) Spannmitten-Achse. Die Spannmitten-Achse verläuft typischer Weise parallel zur Vorschubrichtung und fällt im Idealfall (bei nicht exzentrischer Bewegung) mit der Längsachse des Werkstücks zusammen. Die Spanneinrichtung kann zusätzlich mittels eines geeigneten Antriebs in Vorschubrichtung bewegt werden, wenn diese ein Bauelement einer Dreh- und Vorschubeinrichtung für das Werkstück bildet.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und verwendeten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Zeichnungen und detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine,
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2 eine schematische Darstellung eines stabartigen Werkstücks, welches an zwei Spannstellen entlang seiner Längsachse eingespannt ist und eine exzentrische Drehbewegung auf der Rohteilseite ausführt,
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3a eine schematische Darstellung einer Spanneinrichtung für die Laserbearbeitungsmaschine von 1 mit ersten Stellelementen und mit zweiten Stellelementen in einer Stellung, in der die Spannstelle und die Position der Spannmitten-Achse in der Spannebene übereinstimmen, und
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3b eine schematische Darstellung analog 3a, bei welcher die Position der Spannstelle in der Spannebene von der Position der Spannmitten-Achse abweicht.
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1 zeigt eine Werkzeugmaschine in Form einer Laserbearbeitungsmaschine 1, die zur thermischen Bearbeitung von stabartigen Werkstücken mit einer beliebigen Querschnittsform, insbesondere zum Laserschneiden von stabförmigen, z. B. rohrförmigen Werkstücken 2, ausgebildet ist. Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst eine Zuführvorrichtung 3 zur seitlichen Zufuhr eines zu bearbeitenden stabförmigen Werkstücks 2, eine Bearbeitungsvorrichtung 4 zum Laserschneiden von Werkstückteilen aus dem stabförmigen Werkstück 2 und eine Entladevorrichtung 5 zum Entladen der geschnittenen Werkstückteile aus der Laserbearbeitungsmaschine 1. Alle wesentlichen Funktionen der Laserbearbeitungsmaschine 1 werden mittels einer numerischen Steuerungsvorrichtung 6 gesteuert, welche zu diesem Zweck typischer Weise eine Mehrzahl von Hard- und/oder Softwarekomponenten umfasst.
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Die Zuführvorrichtung 3 umfasst eine als Werkstück-Bewegungseinrichtung dienende Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 sowie ein Maschinenbett 8 mit Führungsschienen 9 und eine Durchschiebeeinrichtung 10. Die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 ist motorisch angetrieben in Vorschubrichtung 11 (welche der X-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems entspricht) auf den Führungsschienen 9 verfahrbar. An der einem zuzuführenden stabförmigen Werkstück 2 zugewandten Seite weist die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 eine Spanneinrichtung 12 auf, welche in Richtung des Doppelpfeils 13 gesteuert drehbar ist und das zugeführte Werkstück 2 von außen innen greift und ortsfest klemmt. Das zugeführte Werkstück 2 kann zusätzlich von mindestens einem in das Maschinenbett 8 integrierten Stützelement 14 abgestützt werden. Im Bereich der Bearbeitungsvorrichtung 4 wird das Werkstück 2 durch die Durchschiebeeinrichtung 10 geführt. Die Durchschiebeeinrichtung 10 weist ein Spannfutter 21 (Durchschiebefutter) auf, welches so ausgelegt ist, dass das eingespannte stabförmige Werkstück 2 in Vorschubrichtung 11 geführt, aber nicht ortsfest geklemmt ist d. h. das Werkstück ist im Spannfutter in Vorschubrichtung verschiebbar. Das stabförmige Werkstück 2 ist im Spannfutter 21 der Durchschiebeeinrichtung 10 in Richtung des Doppelpfeils 13 drehbar.
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Die Bearbeitungsvorrichtung 4 umfasst eine Laserstrahlquelle 15 zum Erzeugen eines Laserstrahls 16, einen Bearbeitungskopf 17 und eine Strahlführung 18, die den Laserstrahl 16 von der Laserstrahlquelle 15 zum Bearbeitungskopf 17 führt. Der Laserstrahl 16 tritt während der Bearbeitung aus dem Bearbeitungskopf 17 aus und wird an einer Bearbeitungsstelle F auf die Außenumfangsfläche des eingespannten Werkstücks 2 fokussiert. Auf der dem Maschinenbett 8 abgewandten Seite der Durchschiebeeinrichtung 10 ist die Entladevorrichtung 5 vorgesehen, welche die aus dem Werkstück 2 geschnittenen Werkstückteile sowie das Restwerkstück aus der Laserbearbeitungsmaschine 1 abführt.
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Um die Produktivität der Laserbearbeitungsmaschine 1 zu erhöhen, weist die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 eine Beladevorrichtung 19 als Automatisierungskomponente auf, mit der ein Werkstück 2 automatisch in eine Übergabeposition befördert und an die Zuführvorrichtung 3 der Laserbearbeitungsmaschine 1 übergeben wird. Die maschinelle Anordnung aus Laserbearbeitungsmaschine 1 und der Beladevorrichtung 19 wird auch als Fertigungszelle 20 bezeichnet.
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Wenn das über die Beladevorrichtung 19 zugeführte Werkstück 2 in der Übergabeposition angeordnet ist, befindet sich die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 zunächst in einer bearbeitungskopffernen Ausgangsstellung. Zur Werkstückbearbeitung verfährt die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 aus ihrer Position mit geöffneter Spanneinrichtung 12 so weit in Richtung auf das zugeführte Werkstück 2 zu, bis das dem Bearbeitungskopf 17 abgewandte Ende des Werkstücks 2 innerhalb der Spanneinrichtung 12 zu liegen kommt. Die Spanneinrichtung 12 wird geschlossen und dadurch das Werkstück 2 an der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 ortsfest geklemmt. Die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 und das Werkstück 2 können sich zur oder ggf. während der Bearbeitung gemeinsam in Richtung auf den Bearbeitungskopf 17 zu bewegen. Dabei läuft das Werkstück 2 mit seinem dem Bearbeitungskopf 17 zugewandten Ende zunächst in die Durchschiebeeinrichtung 10 ein, wird gespannt und wird in Vorschubrichtung 11 durch die Durchschiebeeinrichtung 10 hindurch bewegt, bis die Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 in Vorschubrichtung 11 gegenüber dem Bearbeitungskopf 17 in die gewünschte Bearbeitungsposition zugestellt wird.
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Im Idealfall verläuft die Längsrichtung des Werkstücks 2 bei der Drehung bzw. bei der Verschiebe-Bewegung parallel zur Vorschubrichtung 11 (X-Richtung). Wird ein ungerades Werkstück 2 bzw. ein ungerades Rohrprofil, wie es in 2 gezeigt ist, an einer ersten Spannstelle S1 in der Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 und an einer zweiten Spannstelle S2 in dem Spannfutter 21 der Durchschiebeeinrichtung 10 eingespannt und im Spannfutter 21 der Durchschiebeeinrichtung 10 fest auf die ideale Spannmitte ausgerichtet, so verläuft eine ideale (gestrichelt gezeigte) Spannmitten-Achse 22 zwar durch die zweite Spannstelle S2, aber alle weiteren Punkte des Werkstücks 2 bis auf eine Abstützstelle L1, die an einem als Stützelement 23 dienenden Formrolle gebildet ist, weichen von der Spannmitten-Achse 22 ab. Zudem wird das ungerade Werkstück bei der Erstspannung ggf. unter einem von 0° verschiedenen Einspannwinkel α zur idealen Spannmitten-Achse 22 eingespannt, wie in 2 ebenfalls zu erkennen ist.
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Um bei fortgeschrittener Bearbeitung des Rohrs die Lagerkräfte zu reduzieren, die bei der exzentrischen Drehbewegung des ungeraden Werkstücks 2 auf die Spanneinrichtung 12 der Dreh- und Vorschubeinrichtung 7 ausgeübt werden, ist die Spanneinrichtung 12 zur Veränderung der Position der Spannstelle S1 ausgebildet, an welcher das Werkstück 2 in einer Spannebene (YZ-Ebene) senkrecht zur Spannmitten-Achse 22 zentrisch eingespannt ist. Bei dieser Veränderung der Position der Spannstelle S1 bleibt die auf das Werkstück 2 ausgeübte Spannkraft erhalten, wie nachfolgend anhand von 3a, b im Detail dargestellt wird.
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In 3a ist die Spanneinrichtung 12 schematisch in der Spannebene (YZ-Ebene) dargestellt. Die Spanneinrichtung 12 weist vier Spannbacken 24a–24d auf, die an dem in 3a nicht dargestellten Werkstück 2 zur Anlage kommen. Jeder Spannbacke 24a–24d ist jeweils ein erstes Stellelement zugeordnet, das als Pneumatikzylinder 25a–25d ausgebildet ist. Jeder der Pneumatikzylinder 25a–25d weist eine Kolbenstange 26a–26d auf, die einen entlang einer nicht näher bezeichneten Führung verschiebbaren Grundkörper mit einer Sackbohrung aufweist, in der ein zweites Stellelement angeordnet ist, welches als Hydraulikzylinder 27a–27d ausgebildet ist. Die Hydraulikzylinder 27a–27d weisen ebenfalls jeweils eine Kolbenstange 28a–28d auf, an der die Spannbacken 24a–24d zum Klemmen des Werkstücks 2 angebracht sind.
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Die Pneumatikzylinder 25a–d sind mittels einer in 3a gestrichelt angedeuteten herkömmlichen Betätigungseinrichtung 23, welche mit einem Druckspeicher (Druckluft-Reservoir) und/oder mit einer Pumpe (mit gesteuertem Ventil) in Verbindung steht, mit Druckluft beaufschlagbar, um die ersten Spannelemente 25a–d synchron in Richtung auf die Spannmitten-Achse 22 zu verschieben, welche in 3a mit der Position der Spannstelle S1 zusammen fällt. Diese Verschiebung der Spannelemente 25a–d erfolgt entlang einer jeweiligen Spannrichtung, welche im vorliegenden Beispiel mit der (positiven bzw. negativen) Y- bzw. Z-Achse übereinstimmt. Es versteht sich, dass sich die Lage der Achsen bei der Drehbewegung der Spanneinrichtung 12 in der YZ-Ebene entsprechend verändert. Die Wirkrichtungen der Spannkräfte auf das rohrförmige Werkstück 2 entlang der jeweiligen Spannrichtungen +Y, –Y, +Z, –Z treffen an der Spannmitten-Achse 22 aufeinander, so dass ein Werkstück 2 mit z. B. rundem Querschnitt mit Hilfe der Pneumatik-Zylinder 25a–d zentrisch um die Spannmitten-Achse 22 eingespannt wird.
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Wie in 3a, b ebenfalls zu erkennen ist, sind die Hydraulik-Zylinder 27a–27d über einen geschlossenen Hydraulik-Kreis 33 miteinander verbindbar und auf diese Weise in der Bewegung koppelbar. Zu diesem Zweck ist jedem der Hydraulik-Zylinder 27a–27d eine Hydraulik-Verbindung 34a–34d in Form einer mit einem (inkompressiblen) Hydraulik-Fluid beaufschlagen Hydraulik-Leitung zugeordnet. Die dem ersten und zweiten Hydraulik-Zylinder 27a, 27b zugeordneten Hydraulik-Verbindungen 34a, 34b sind hierbei an einem ersten Ventil 35, die dem dritten und vierten Hydraulik-Zylinder 27c, 27d zugeordneten Hydraulik-Verbindungen 34c, 34d an einem zweiten Ventil 36 miteinander verbindbar, d. h. an dem jeweiligen Ventil 35, 36 kann die hydraulische Verbindung blockiert oder freigegeben werden. Im vorliegenden Beispiel sind beide Ventile 35, 36 über eine gemeinsame Betätigungseinrichtung 37 mittels der Steuervorrichtung 6 zwischen zwei Schaltzuständen schaltbar, bei denen entweder alle Hydraulik-Zylinder 27a–d (beide Ventile 35, 36 und damit auch Verbindung zwischen den beiden Ventilen 35, 36 offen) oder keiner der Hydraulik-Zylinder 27a–27d (beide Ventile 35, 36 geschlossen) miteinander in Verbindung stehen. Alternativ kann auch eine unabhängige Betätigung der Ventile 35, 36 vorgesehen werden, wenn eine voneinander unabhängige Bewegungskopplung der in (positiver bzw. negativer) Y-Richtung wirkenden Spannbacken 24a, 24b und der in (positiver bzw. negativer) Z-Richtung wirkenden Spannbacken 24c, 24d realisiert werden soll.
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Bei dem in 3a gezeigten Beispiel sind die Ventile 35, 36 geschlossen, so dass die Hydraulik-Zylinder 27a–27d nicht in ihrer Bewegung miteinander gekoppelt sind. Ein solches Ausschalten der Bewegungskopplung ist insbesondere bei labilen rohrförmigen Werkstücken günstig, bei denen das Spannzentrum S1 bei der Drehung des Werkstücks 2 mit der Spannmitten-Achse 22 zusammen fallen soll. Um ein solches labiles Werkstück 2 einzuspannen, werden die Spannbacken 24a–24d zunächst in einen kraftfreien Zustand versetzt, d. h. die Pneumatik-Zylinder 25a–25d bringen keine bzw. nur eine geringe Spannkraft auf. Mittels einer Zentrierhilfe, z. B. eines konischen Stifts oder einer anderen geeigneten Referenzfläche werden die Spannbacken 24a–24d im geöffneten Zustand der Hydraulik-Verbindungen 34a–34d auf die Spannmitten-Achse 22 ausgerichtet. Nachfolgend werden mittels der Ventile 35, 36 die Hydraulik-Verbindungen 34a–34d zwischen den zweiten Stellelementen 25a–25d getrennt, so dass die zentrische Ausrichtung des Werkstücks 2 während der Bearbeitung erhalten bleibt.
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3b zeigt die Spanneinrichtung 12 in einer Schaltstellung der Ventile 35, 36, bei welcher die Bewegungskopplung zwischen den Hydraulik-Zylindern 27a–27d aktiv ist und die erste und zweite Spannbacke 24a, 24b bezüglich der Position der Spannmitten-Achse 22 in Y-Richtung verschoben sind. Die Verschiebung in Y-Richtung wird durch das exzentrisch rotierende (nicht gezeigte) Werkstück 2 ausgelöst, welches auf die zweite Spannbacke 24b bei der Drehbewegung eine Kraft in positiver Y-Richtung ausübt. Diese Kraft verschiebt den zugehörigen zweiten Hydraulik-Zylinder 27b ebenfalls in positive Y-Richtung wobei gleichzeitig durch die Bewegungskopplung mittels des Hydraulik-Kreises 33 der erste Hydraulik-Zylinder 27a um den gleichen Betrag in positive Y-Richtung verschoben wird.
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Auf diese Weise verschiebt sich unter Beibehaltung der Spannkraft auf das Werkstück 2 die Spannmitte S1 in positiver Y-Richtung, d. h. die durch die Betätigung der Hydraulikzylinder 27a, 27b erfolgende Ausgleichsbewegung der Spannbacken 24a, 24b verändert die mittels der Pneumatikzylinder 25a–d aufgebrachte konstante Spannkraft nicht. Eine entsprechende Ausgleichsbewegung des Werkstücks 2 kann entlang jeder Richtung in der YZ-Ebene erfolgen, so dass die Position der Spannstelle S1 des Werkstücks 2 in der YZ-Ebene der exzentrischen Bewegung des Werkstücks 2 folgen kann und so die auf die Spannbacken 24a–24d wirkenden Lagerkräfte ausgeglichen werden.
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Es versteht sich, dass anders als bei der in 3a, b dargestellten Spanneinrichtung 12 nicht zwingend vier Spannbacken 24a–24b mit entsprechenden ersten und zweiten Stellelementen 25a–25d, 27a–27d vorgesehen werden müssen, sondern das auch weniger (drei) oder mehr Spannbacken zum Einspannen des Werkstücks 2 verwendet werden können. Auch sei nochmals darauf hingewiesen, dass sich die Ausrichtung der Spannbacken 24a–24d in der Spannebene (YZ-Ebene) bei der Drehung des Werkstücks 2 verändert, so dass die Spannrichtungen nicht in Y-Richtung bzw. in Z-Richtung verlaufen. Die Spannbacken 24a–d bzw. die Spannrichtungen bleiben aber bei der Drehbewegung der Spanneinrichtung 12 in radialer Richtung zur Spannmitten-Achse 22 hin ausgerichtet.
