DE102013009021B3

DE102013009021B3 - Werkstückspannvorrichtung mit autarker Signalübertragung

Info

Publication number: DE102013009021B3
Application number: DE201310009021
Authority: DE
Inventors: Michael Franzki
Original assignee: Hohenstein Vorrichtungsbau und Spannsysteme GmbH
Current assignee: WVL Werkzeug und Vorrichtungsbau Lichtenstein GmbH
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-05-22

Abstract

Die von Sensoren (8) in der Werkstückspannvorrichtung (1) an positionierten und gespannten Werkstücken (6) festgestellten Positions-, Maß- sowie Zustandsänderungen durch Verformungen oder vollzogene Verfahrensschritte sind als Signale (10) mit technischen Inhalten und Daten, einheitlich strukturiert, unaufwändig an die Bediener-Arbeitsstation (15) oder auch an die Werkzeugmaschinensteuerung (19) zu übertragen. Die Übertragung erfolgt drahtlos mittels akustischer Signale (12) von Sendern (11) an der Werkstückspannvorrichtung (1), an die Signal-Empfänger (13), an der Bediener-Arbeitsstation (15) und an der Werkzeugmaschinensteuerung (19), wobei die sensorisch festgestellten technischen Informationen zunächst als kabelgeleitete Signale (10) übertragen, eine Umwandlung oder Rückumwandlung, sowie Codierung ihrer digitalen und binären Datenstruktur mit Zahlen, Buchstaben und Worten erfahren. Das Anwendungsgebiet sind Fern- und Mehrmaschinen-Bedienungen in der spanenden Werkstückfertigung.

Description

Die Erfindung geht von dem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten Gegenstand aus, mit dem das Verfahren zur Werkstück-Positionierung und -Fixierung, in seiner Gesamtheit auch als Werkstückspannung bezeichnet, durchgeführt und eine Vielzahl von technischen Zustandsinformationen darüber dem Bediener als autarke Signale zugeleitet werden können.
Stand der Technik ist, zu mindestens Teile des Verfahrens für die Positionierung und Fixierung der Werkstücke in Werkstückspannvorrichtungen und auf Werkstückträgern als Teil des formändernden Fertigungsverfahrens miteinander zu vernetzen, um dieses bedienarm und teilautomatisiert mit hoher Qualität und Arbeitssicherheit durchführen zu können. Dazu sind die werkstückabhängigen Ausbildungen der Zuführ,- der Positionier- und der Fixierkomponenten der Werkstückspannvorrichtung durch zustandsfeststellende und informationsübertragende Funktionskomponenten zu ergänzen. Damit sind sensorisch festgestellte und erfasste technische Zusatzinformationen dem Bediener als übertragene Signale ständig oder nur zeitabschnittsweise zugängig.
Das in DE 10 2010 052 676 A1 beschriebene Verfahren zur Werkstück-Positionierung und -Fixierung in Werkstückspannvorrichtungen oder auf Werkstückträgern ist deshalb so strukturiert, dass vor, zwischen und nach jedem der Arbeitsgänge oder Fertigungsschritte auf den Werkzeugmaschinen auch vor, zwischen und nach den mittels mechanischen Zuführ-, Positionier- und Fixierkomponenten der Werkstückspannvorrichtungen realisierten Verfahrensschritte auch je ein mittels informatorischen Funktionskomponenten realisierbaren Verfahrensschritt ein- und angeordnet ist. Damit läuft dieses Verfahren der Werkstück-Positionierung und -Fixierung mit folgender Reihung der einzelnen Verfahrensschritte ab:

– die Feststellung der Nichtanwesenheit von vorher gefertigten Werkstücken und von Restspänen
– das Zuführen oder Einlegen der nachfolgend zu fertigenden Werkstücke
– die Feststellung der Anwesenheit der zugeführten oder eingelegten Werkstücke
– die Positionierung der Werkstücke an den Zentrier-, Auflage- und Anlageelementen
– die Feststellung der zentrierten, auf- und anliegenden Position der Werkstücke
– das Fixieren der Werkstücke in dieser Position mittels Spannelementen
– die Feststellung der gespannten Stellung der Spannelemente und das Vorhandensein der ausreichenden Festhaltekräfte an den Werkstücken und/oder der ausreichenden Spanndrücke durch die hydraulischen oder pneumatischen Druckerzeuger
– die Zu- und Ableitung von Werkstücken von der Werkstückwechselstellung in die Fertigungsstellung und zurück, sowie die Fixierung in der Zielposition
– die Feststellung der richtigen Position und wirksamen Positions-Fixierung
– die Initiierung der Startinformation und des Startinformationsimpulses an die Werkzeugmaschinensteuerung

Den festgestellten Vollzug jedes dieser Verfahrensschritte erfährt der Bediener als übertragenes Signal an seinem Computer in der von der Werkstückspannvorrichtung beabstandeten Bediener-Arbeitsstation. Damit sind durch ihn die technischen Informationen manuell oder über Verfahrensprogramme kontroll- und steuerbar. Mit der Kenntnis dieser Informationen sind von ihm Wiederholungen, Fortsetzungen und Unterbrechungen des Verfahrensablaufs initiierend steuerbar. Die Übertragung der festgestellten Ergebnisinformationen als Signale sowie von Ja/Nein-Signalen erfolgt zunächst kabelgeleitet und nachfolgend kabellos über Funkwellen.
Gegenstand in DE 10 2008 052 809 B4 ist eine Werkstückspannvorrichtung, die auch für eine Feststellung und Bewertung von qualitätsmindernden Zustandsänderungen an den gespannten Werkstücken während eines spanenden Hochleistungsprozesses ausgebildet ist. Betroffen sind Werkstücke mit forminstabiler Leichtbaustruktur und hoher Stoffelastizität, die während der Bohr- und Fräsfertigung vorübergehend oder dauerhaft verformbar sind. Die sensorische Feststellung dieser Zustandsänderungen erfolgt beispielhaft über acht Erfassungsstellen in der Werkstückspannvorrichtung. Die hier für jedes Werkstück anfallende große Anzahl festgestellter Messdaten sind als Signale von der Werkstückspannvorrichtung zu einem beabstandeten mobilen Computer übertragbar und so vom Bediener les- und auch auswertbar.
Nachteilig ist die werkstück- und verfahrensbedingte große Anzahl notwendiger Zustandsfeststellungen. Diese erfordern eine übersichtlich strukturierte Datenübertragung sowie eine aufwändige Datenauswertung und Datenbewertung, die als eine umfangreiche und systematisiert ablaufende Bedienertätigkeit hohen Anforderungen an das fachliche Wissen und an die Leistungsbereitschaft der Bediener stellt.
Andererseits werden aber Ausbildungen von Werkstückspannvorrichtungen mit denen lediglich nur jeweils ein Messwert oder ein Ergebniszustand erfasst, identifiziert und übertragen wird, den praktischen Anforderungen einer spanenden Werkstückfertigung von Maschinen- und Autoteilen in einer Mehrmaschinenbedienung nicht gerecht.
Als Beispiele für Einrichtungen zur Werkstückspannung, bei der nur eine Ergebnisinformation erfasst und als Signal übertragen wird, können

– die Feststellung der Anwesenheit der eingelegten Werkstücke, in DE 20 2006 003 402 U1 beschrieben,
– die Positionierung anwesender Werkstücke an Anlageelementen, Gegenstand in DE 10 2006 004 901 A1 , und
– das Vorhandensein ausreichender Festhaltekräfte, in DE 10 2010 011 318 B3 beschrieben,

Die gegenwärtig verbreitetste Art der kabellosen Signalübertragung an Spannvorrichtungen zur Information des Bedieners, dessen Bediener-Arbeitsstation nicht mit der Werkzeugmaschine oder mit der Werkstückspannvorrichtung kontaktiert, sondern in einem bestimmten Abstand zu diesem separat angeordnet ist, ist die Anwendung von Funkwellen, als sogenannte gepulste Funkwellen für technische Informationen, die als binäre Daten zu übertragen sind. Nachteilig ist, dass durch den gegenwärtig schon großen Umfang von Funkanwendungen in den unterschiedlichsten Frequenz-Größenanordnungen in der Fertigung bzw. in den Produktionshallen elektrische Geräte, Computer, Elektroantriebe und Werkzeugmaschinensteuerungen sowie andere Funksysteme in ihrer Funktion störend beeinträchtigt oder selbst gestört sind.
Bei Anwendung von

– Infrarot, Gegenstand in EP 123 65 36 B1 ,
– Lichtsignalgebern, beispielhaft beschrieben in DE 20 2010 001 139 U1 und in DE 10 2011 100 184 B3 , sowie
– Hydrauliköl-Durchfluss, Gegenstand in DE 102 18 188 C1 , als kabellose Datenträger zwischen Werkstückspannvorrichtung, Werkzeugmaschine und Bediener sind nachteilig:

– die nicht eindeutige Erkennbarkeit und Feststellung des technischen Informationsinhaltes durch den Bediener
– die aufwändige Maßnahmerealisierung zur Begrenzung von Strahlungsstärken, Abstandseinhaltung zum Bediener und trennende Schutzeinrichtungen gegenüber Strahlungen und
– die mögliche Funktionsbeeinträchtigung, u. a. der Werkzeugmaschinensteuerung und der Computer

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb die Problemstellung zugrunde, die Signalübertragung der von Sensoren festgestellten technischen Zustandsinformationen und Daten so zu gestalten, dass die kabellos übertragenen Signale durch den Bediener unaufwändig, eindeutig, sowie ungestört erkenn- und feststellbar sind, dass Funktionsbeeinträchtigungen an elektrischen Geräten, Computer, Elektroantrieben und an Werkzeugmaschinensteuerungen ausgeschlossen und störende Beeinträchtigungen der Funksysteme weitestgehend auszuschließen sind.
Diese Problemstellung wird durch eine Werkstückspannvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die technischen Zustandsinformationen und Daten sind Inhalt akustischer Signale, nach dem diese als digitale oder binäre Daten von Sensoren, von den Erfassungsstellen an den Werkstücken und an den Elementen am Spannkörper in der Werkstückspannvorrichtung hin zu mehreren Sendern, die spänegeschützt auf, am oder im Spannkörper angeordnet, kabelgeleitet sind. Von diesen Sendern werden diese in drahtlose sowie moduliert gewandelte Signale, in einem von dem Bediener nicht wahrnehmbaren Frequenzbereich auf die Signalempfänger, die an der Bediener-Arbeitsstation und an der Werkzeugmaschinensteuerung angeordnet sind, weitergeleitet. Nach Rückumwandlung in kabelgeleitet übertragbare induktive Signale werden diese dem Computer der Bediener-Arbeitsstation zugeführt. Vom Bediener sind daraufhin prozessfortsetzende Steuerimpulse in einem aus mechanischen und informellen Verfahrensschritten bestehenden in den Fertigungsprozess integrierten Verfahren der Positionierung und Fixierung von Werkstücken initiierbar und kontrollierbar.
In den Patentansprüchen 2 und 3 sind ergänzend weitere Lösungsmerkmale benannt. Sie betreffend die Struktur und Inhalte der Signale, sowie deren Verarbeitung und die Elektroenergieversorgung für Erfassung und Wandlung von Signalen.
Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in einer Figur vereinfacht und dargestellt im folgenden Teil der Beschreibung erläutert.
Die in einer Vorderansicht als Teilschnitt dargestellte Werkstückspannvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Spannkörper 2, für zwei Werkstücke 6, der mit seiner Grundplatte auf der Werkzeugmaschine 18 angeordnet ist. An senkrechten sich gegenüberliegenden Flächen des Spannkörpers 2 sind die zwei art- und formgleichen Werkstücke 6 positioniert und fixiert. Die Positionierung jedes Werkstückes 6 erfolgt mittels eines Zentrierelementes 3, einer Druckfeder und mit sechs Auf- und Anlageelementen 4, von denen vier in der Fig. dargestellt sind. Die Fixierung jedes Werkstücks 6 erfolgt mittels Spannelementen 5, die in der Fig. als hydraulisch betätigte, schwenkend spannende und entspannende Spannhaken dargestellt sind. Die Werkstücke 6 haben eine dünnwandige formelastische Leichtbaustruktur in einer Formung als Schwungscheiben. Zur Feststellung der Größenordnung der fertigungsbedingten Positions-, Maß- und Zustandsänderungen während der spanenden Fertigung von Bohrungen und gefrästen Planflächen sind im Zentrierelement 3 und in den sechs Auf- und Anlageelementen 4 je ein Sensor 8 mit Antastbolzen 9 angeordnet. Außerdem wird die vollzogene Positionierung und der Gespanntzustand der Spannelemente 2 sensorisch festgestellt. Diese technischen Zustandsinformationen wurden über Kabel als kabelgeleitete Signale 10 den auf dem Spannkörper 2 angeordneten Sendern 11 zugeführt. Diese digitalen oder binären Signale werden nach Wandlung und Codierung als einheitlich strukturierte akustische Signale 12, in der Monitoringstation 14 geprüft, an die Signal-Empfänger 13, informationsverbunden mit der Bediener-Arbeitsstation 15 des Bedieners 20 und dessen Computer 17, übertragen, wobei nach Rückumwandlung das Signal wieder kabelgeleitet ist.
Abgesehen von der Übertragung von Notaus-Befehlen an die Werkzeugmaschinensteuerung 19 sind die anderen technischen Informationen und Daten zur Information des Bedieners 20 bestimmt, der mittels einer Code-Eingabetastatur 16 selbst Bedien- und Steuerbefehle initiieren kann.
Die Elektroenergieversorgung erfolgt mittels der im Spannkörper 2 angeordneten Batterieelemente 7.
Bezugszeichenliste

1: Werkstückspannvorrichtung
2: Spannkörper
3: Zentrierelemente
4: Auflage- und Anlageelemente
5: Spannelemente
6: Werkstücke
7: Batterieelemente
8: Sensoren
9: Antastbolzen
10: Kabelgeleitete Signale
11: Sender
12: akustische Signale
13: Signal-Empfänger
14: Monotoringstation
15: Bediener-Arbeitsstation
16: Code-Eingabetastatur
17: Computer
18: Werkzeugmaschine
19: Werkzeugmaschinensteuerung
20: Bediener

Claims

Werkstückspannvorrichtung (1) mit autarker Signalübertragung der von Sensoren (8) festgestellten und erfassten – Positions-, Maß- und Zustandsänderungen an spanend oder spanlos gefertigten Werkstücken (6) und – vollzogener Positionierung, Spannung und Entspannung der Werkstücke (6) mittels Zentrierelementen (3), Auf- und Anlageelementen (4) und Spannelementen (5) in der Werkstückspannvorrichtung (1) als technische Zustandsinformationen und Daten an die, örtlich entfernt und körperlich getrennt angeordnete, Bediener-Arbeitsstation (15), dadurch gekennzeichnet, dass die technischen Zustandsinformationen und Daten Inhalt akustischer Signale (12) sind, nachdem diese als digitale oder binäre Daten von Sensoren (8) kabelgeleitet von den Erfassungsstellen an den Werkstücken (6) und den Elementen (3, 4, 5) am Spannkörper (2) zu mehreren Sendern (11), die spänegeschützt auf, am oder im Spannkörper (2) der Werkstückspannvorrichtung (1) angeordnet sind und von den Sendern (11), drahtlos sowie moduliert gewandelt, in einem von einem Bediener (20) nichtwahrnehmbaren Frequenzbereich auf die Signal-Empfänger (13), die beabstandet an der Bediener-Arbeitsstation (15) und an einer Werkzeugmaschinensteuerung (19) angeordnet sind, und nach Rückumwandlung als kabelgeleitet übertragbare induktive Signale (10), einem Computer (17) der Bediener-Arbeitsstation (15) oder der Werkzeugmaschinensteuerung (19) zugeführt sind, und dass vom Bediener (20) prozessfortsetzende Steuerimpulse in einem, aus mechanischen und informellen Verfahrensschritten bestehenden, in den Fertigungsprozess integrierten, Verfahren der Positionierung und Spannung von Werkstücken (6) initiier- und kontrollierbar sind.
Werkstückspannvorrichtung mit autarker Signalübertragung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Umwandlung von Zahlensymbolen, Buchstaben und aus diesen zusammengefassten Wortsymbolen und Leerstellen gebildeten technischen Zustandsinformationen als modulierte, mit wechselbarer Tonfrequenz und in der Tonfolge frei programmierbare und codierbare Signale von den Sendern (11) abgesandt und von den Signal-Empfängern (13) nach ihrer Rückumwandlung und Überwachung mittels Auswerte-Elektronik in einer zugeordneten Monitoringstation (14) eine Gesamtinformation aller von den Sensoren (8) ermittelten Zustandsinformationen nach Bediener-Vorgabe, zeitpunktbezogen, als Bediener-Information an der Bediener-Arbeitsstation (15), als Steuerungs-Information und als Notaus-Befehl anwend- und auswertbar, realisierbar sind, dass zur Bildung von Wortsymbolen die spezifischen technischen Informationen und Messwerte bekannten Zahlen- und Buchstaben-Anordnungen sowie Codiersysteme ergänzend sortier- und zuordenbar sind und dass Sender (11) und Signal-Empfänger (13) mit Codierleisten (16) zum Veranlassen von Bedien- und Steuer-Befehlen ausgestattet sind.
Werkstückspannvorrichtung mit autarker Signalübertragung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroenergieversorgung der Sensoren (8), der Sender (11) und der Signalumwandlung an der Werkstückspannvorrichtung (1) autark mittels im Spannkörper (2) angeordneten Batterieelementen (7) erfolgt.