DE102016010657A1

DE102016010657A1 - Spannvorrichtung mit einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102016010657A1
Application number: DE102016010657.3A
Authority: DE
Inventors: Johann Kiesner; Peter Diehl; Johannes Thoelen
Original assignee: Ludwig Ehrhardt GmbH
Current assignee: Ludwig Ehrhardt GmbH
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (1), wie beispielsweise einen Schwenkspanner, mit einem beweglichen Element (3) zum Spannen bzw. Abstützen eines Werkstücks oder eines Werkzeugs, insbesondere in einer Werkzeugmaschine. Erfindungsgemäß weist die Spannvorrichtung (1) eine integrierte Sensoranordnung (6, 7, 8) mit mindestens einem Sensor (6, 7, 8) auf. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (z. B. Schwenkspanner, Abstützelement) mit einem beweglichen Element (z. B. Spanneisen) zum Spannen bzw. Abstützen eines Werkstücks oder eines Werkzeugs. Beispielsweise kann es sich bei der Spannvorrichtung um ein Abstützelement, einen Hebelspanner, einen Schwenkspanner, einen Bohrungsspanner, einen Schraubstock oder einen Spannzylinder handeln, wobei derartige Spannvorrichtungen grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt sind und beispielsweise in DE 102 52 549 A1 , DE 33 34 401 A1 , DE 197 52 671 A1 und DE 102 05 601 A1 beschrieben sind.
Im Betrieb dieser bekannten Spannvorrichtungen können jedoch verschiedene Probleme auftreten, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
Beispielsweise kann der zum mechanischen Antrieb derartiger Spannvorrichtungen üblicherweise vorgesehene Hydraulikantrieb einen Druckverlust erleiden, was beispielsweise durch Späne im Ölkreislauf oder eine sonstige Ölverschmutzung verursacht werden kann.
Darüber hinaus kann der Hydraulikantrieb undicht werden, was beispielsweise durch von außen eindringende Späne oder eine zu hohe Temperatur verursacht werden kann.
Weiterhin kann das Problem auftreten, dass die Position des zu spannenden Werkstücks nicht korrekt ist.
Darüber hinaus kann eine Kollision auftreten zwischen dem beweglichen Element (z. B. Spanneisen) der Spannvorrichtung und einem Hindernis.
Schließlich können während der Bearbeitung auch Vibrationen entstehen, die das zulässige Maß überschreiten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend verbesserte Spannvorrichtung zu schaffen, die zumindest eines der vorstehend genannten Probleme wenigstens teilweise löst.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Die Erfindung geht aus von einer ansonsten herkömmlichen Spannvorrichtung, wie beispielsweise einem Abstützelement, einem Hebelspanner, einem Schwenkspanner, einem Bohrungsspanner, einem Schraubstock oder einem Spannzylinder, wobei die Erfindung nicht beschränkt ist auf diese Typen von Spannvorrichtungen. Hierzu ist zu erwähnen, dass derartige Spannvorrichtungen grundsätzlich bekannt sind und in den eingangs genannten Druckschriften beschrieben werden, deren Inhalt der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung des ansonsten herkömmlichen Aufbaus und der Funktionsweise der Spannvorrichtung verzichtet werden kann.
Es ist an dieser Stelle lediglich zu erwähnen, dass die erfindungsgemäße Spannvorrichtung ein bewegliches Element (z. B. Spanneisen) aufweist, um ein Werkstück oder ein Werkzeug zu spannen.
Hierbei ist zu bemerken, dass die erfindungsgemäße Spannvorrichtung wahlweise zum Spannen eines Werkstücks oder zum Spannen eines Werkzeugs eingesetzt werden kann, was jedoch ebenfalls an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung zeichnet sich demgegenüber durch eine baulich integrierte Sensoranordnung mit mindestens einem Sensor aus. Der Sensor ermöglicht hierbei eine Ermittlung einer Betriebskenngröße (z. B. Druck, Kraft, Temperatur, Verformung (Dehnung) oder Zeit), die im Betrieb einen Rückschluss auf das Betriebsverhalten der Spannvorrichtung zulässt. Auf diese Weise können die eingangs beschriebenen Probleme erkannt oder sogar vermieden werden, indem die Spannvorrichtung dann in Abhängigkeit von der gemessenen Betriebskenngröße in ihrer Ansteuerung verändert wird.
Die Sensoranordnung kann also im Rahmen der Erfindung einen Temperatursensor, einen Drucksensor (z. B. Dehnungsmessstreifen), einen Verformungssensor (z. B. Dehnungsmessstreifen) und/oder ein Zeitmessgerät aufweisen, welches die aktuelle Betriebszeit liefert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Sensoranordnung eine Kombination mehrerer Sensortypen auf, wie beispielsweise mindestens einen Verformungssensor und einen Drucksensor. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch verschiedene Kombinationen von unterschiedlichen Sensortypen möglich.
Darüber hinaus weist die integrierte Sensoranordnung vorzugsweise auch eine elektronische Auswertungseinheit auf, die das Ausgangssignal der Sensoranordnung auswertet. Vorzugsweise ist diese Auswertungseinheit ebenfalls in der Spannvorrichtung baulich integriert. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die Auswertungseinheit baulich von der Spannvorrichtung getrennt ist und über ein Kabel mit der Sensoranordnung verbunden wird.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung leitet die Auswertungseinheit aus dem Ausgangssignal der Sensoranordnung mindestens eine der folgenden Größen ab:

– Kraft (z. B. Spannkraft), mit der die Spannvorrichtung ein Werkstück oder ein Werkzeug spannt,
– Druck, insbesondere Hydraulikdruck eines Hydraulikantriebs der Spannvorrichtung,
– Stellung der Spannvorrichtung, insbesondere Winkelstellung eines beweglichen Elements (z. B. Spanneisen),
– Geschwindigkeit der Verstellung der Spannvorrichtung, insbesondere Spanngeschwindigkeit.

Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der aus dem Ausgangssignal der Sensoranordnung abgeleiteten Größen nicht auf die vorstehenden Größen beschränkt. Vielmehr kann die Auswertungseinheit auch andere Betriebsgrößen aus den gemessenen Sensorgrößen ableiten.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Spannvorrichtung einen Fluidantrieb (z. B. Pneumatikantrieb, Hydraulikantrieb) auf, der mit einem unter Druck stehenden Antriebsfluid (z. B. Druckluft, Hydrauliköl) angetrieben wird.
Bei einem solchen Fluidantrieb ist vorzugsweise ein Drucksensor vorgesehen, der den Druck des Antriebsfluids (z. B. Hydrauliköl, Druckluft) misst.
Darüber hinaus kann auch ein Temperatursensor vorgesehen sein, der die Temperatur des Antriebsfluids (z. B. Hydrauliköl) misst.
Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass der Fluidantrieb in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft eine Dehnung erfährt, die im Rahmen der Erfindung durch einen Dehnungsmessstreifen (DMS) oder einen sonstigen Dehnungssensor gemessen werden kann.
Bei einem Fluidantrieb wird das Antriebsfluid (z. B. Hydrauliköl) üblicherweise mit einem bestimmten Förderstrom zugeführt, wobei folgende fehlerfreie bzw. fehlerhafte Betriebszustände auftreten können:

– Der Druckaufbau des Hydraulikdrucks in dem Fluidantrieb ist in Ordnung, d. h. es tritt kein Fehler auf,
– der Druck des Antriebsfluids ist zu niedrig, d. h. der Betriebszustand ist fehlerhaft,
– der Druck des Antriebsfluids ist zu hoch, d. h. der Betriebszustand ist fehlerhaft,
– das Antriebsfluid wird mit einem zu großen Förderstrom zugeführt, was zu einer Druckspitze führen kann, d. h. der Betriebszustand ist fehlerhaft,
– der Druckaufbau des Fluiddrucks des Antriebsfluids erfolgt zu langsam, d. h. der Betriebszustand ist fehlerhaft,
– bei einer Bewegung der Spannvorrichtung treten unzulässige Druckspitzen auf, die beispielsweise von einer Kollision mit einem Hindernis herrühren können oder die durch interne Schwergängigkeit der Spannvorrichtung bzw. des Fluidantriebs verursacht werden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wertet die Auswertungseinheit das Ausgangssignal eines Drucksensors oder eines Dehnungssensors (z. B. Dehnungsmessstreifen) aus und unterscheidet bzw. erkennt zumindest einige der vorstehend genannten fehlerfreien bzw. fehlerhaften Betriebszustände.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Auswertungseinheit im Betrieb (beispielsweise bei einem Spannvorgang) ein Profil der gemessenen Sensorgröße (z. B. Dehnung) ermittelt und zwar mit einer örtlichen und zeitlichen Auflösung. Die örtliche Auflösung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Dehnung mittels mehrerer Verformungssensoren gemessen wird, die örtlich verteilt an der Spannvorrichtung angeordnet sind und deshalb die Dehnung an verschiedenen Positionen an der Spannvorrichtung messen. Die zeitliche Auflösung des Profils der gemessenen Sensorgröße kann dadurch erreicht werden, dass die Sensorgröße während eines Spannvorgangs zu verschiedenen Zeitpunkten und vorzugsweise kontinuierlich bzw. getaktet gemessen wird.
Hierbei besteht die Möglichkeit, dass bei einem Testlauf zunächst ein Referenzprofil gemessen wird, das dann abgespeichert wird. Das Referenzprofil wird also bei einem fehlerfreien Spannvorgang ermittelt. Im normalen Betrieb der Spannvorrichtung wird das gespeicherte Referenzprofil dann mit dem tatsächlich gemessenen aktuellen Profil der Sensorgröße verglichen. Aus dem Vergleich des gemessenen Profils mit dem gespeicherten Profil können dann vielfältige Rückschlüsse gezogen werden auf mögliche Fehlerzustände und Fehlerursachen.
Es wurde bereits vorstehend erwähnt, dass die Spannvorrichtung vorzugsweise einen Fluidantrieb (z. B. Hydraulikantrieb) aufweist. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass ein Temperatursensor die Temperatur des Antriebsfluids (z. B. Hydrauliköl) mit einem vorgegebenen Maximalwert und/oder einem vorgegebenen Minimalwert vergleicht, um einen Fehlerfall zu erkennen, der sich beispielsweise in einer Überhitzung des Hydrauliköls zeigt. Die Auswertungseinheit kann dann eine Fehlermeldung generieren, falls die gemessene Temperatur des Antriebsfluids außerhalb des zulässigen Temperaturbereichs liegt. Hierbei kann die Auswertungseinheit auch einen Zeitgeber enthalten, der die aktuelle Uhrzeit vorgibt, so dass die Fehlermeldung dann nicht nur einen entsprechenden Fehlercode für den jeweiligen Fehlerfall (Öltemperatur zu hoch/zu niedrig) enthält, sondern auch die aktuelle Uhrzeit des Auftretens des Fehlers.
Es wurde bereits vorstehend kurz erwähnt, dass die Sensoranordnung mehrere Verformungssensoren aufweisen kann, um eine Dehnungsmessung mit einer örtlichen Auflösung zu ermöglichen. Hierbei können die Verformungssensoren jeweils paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sein, um Dehnungen durch externe Kräfte durch eine Mittelwertbildung auszugleichen. So führen externe Kräfte in der Regel auf der einen Seite zu einer Dehnung und auf der gegenüberliegenden Seite zu einer entsprechenden Stauchung, so dass eine Mittelwertbildung der gemessenen Dehnungen die Möglichkeit bietet, externe Kräfte herauszurechnen. Die Verformungssensoren sind deshalb vorzugsweise mit der Auswertungseinheit verbunden, welche die Ausgangssignale der Verformungssensor auswertet, beispielsweise auch mit der vorstehend erwähnten Mittelwertbildung.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Spannvorrichtung ein auswechselbares Anbauteil auf, wie beispielsweise ein Spanneisen, einen Spannhebel, ein Druckstück oder Schraubstockbacken. Das Anbauteil ist hierbei vorzugsweise durch eine Schraubverbindung an der Spannvorrichtung montiert, wobei die Schraubverbindung bei einer Montage des Anbauteils mit einem bestimmten Anzugsmoment angezogen wird. Das Anzugsmoment führt jedoch nicht nur zu einer erwünschten Befestigung des Anbauteils an der Spannvorrichtung, sondern auch zu einer unerwünschten mechanischen Belastung des Anbauteils bzw. der Spannvorrichtung. Es ist deshalb vorzugsweise vorgesehen, dass die Auswertungseinheit durch eine Abfrage des Verformungssensors prüft, ob das Anzugsmoment zu einer mechanischen Überlastung der Spannvorrichtung führt. Falls dies der Fall sein sollte, so kann die Auswertungseinheit eine Fehlermeldung generieren, damit das Anzugsmoment nicht weiter erhöht wird. Auf diese Weise kann eine Beschädigung bei einer Befestigung des Anbauteils (z. B. Spanneisen) an der Spannvorrichtung (z. B. Schwenkspanner) verhindert werden.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Auswertungseinheit durch eine Abfrage des mindestens einen Verformungssensors verschiedene Betriebsstörungen erkennt, wie beispielsweise einen Werkzeugbruch, eine Vibration, eine Aufmaßschwankung, einen Werkstückeinschluss oder eine Undichtigkeit der Spannvorrichtung. Dies kann beispielsweise wieder erfolgen durch Vergleich des tatsächlich gemessenen aktuellen Profils mit einem gespeicherten Referenzprofil, wie es bereits vorstehend beschrieben wurde.
Vorstehend wurde bereits kurz erwähnt, dass die Spannvorrichtung einen Fluidantrieb aufweisen kann. Ein derartiger Fluidantrieb weist in der Regel einen Zylinder auf, in dem ein Kolben verschiebbar ist, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Im Betrieb treten deshalb Kräfte an dem Zylinder des Fluidantriebs auf, wobei diese Kräfte durch einen Verformungssensor gemessen werden können, der an dem Zylinder angebracht ist. Beispielsweise kann der Verformungssensor an der äußeren Mantelfläche des Zylinders angebracht sein. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, dass über den Umfang des Zylinders verteilt mehrere Verformungssensoren angeordnet sind, um die Dehnung an dem Zylinder mit einer örtlichen Auflösung messen zu können.
Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass die Auswertungseinheit aus dem Ausgangssignal des Sensors die Kolbenstellung des Kolbens des Fluidantriebs ermittelt. So treten innerhalb der Endlagen des Kolbens variable Kräfte an dem Zylinder auf, die von dem Verformungssensor gemessen werden können, was wiederum eine Ermittlung der Kolbenstellung ermöglicht.
Weiterhin besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Auswertungseinheit aus den gemessenen Dehnungen die Steifigkeit des Werkzeugs bzw. des Werkstücks ableitet. Hierbei kann wieder ein Dehnungsprofil mit einer örtlichen und zeitlichen Auflösung gemessen und mit einem gespeicherten Referenzprofil verglichen werden.
Ferner ist noch zu erwähnen, dass die Erfindung auch Schutz beansprucht für ein entsprechendes Betriebsverfahren für eine solche Spannvorrichtung, wobei die Einzelheiten dieses Betriebsverfahrens bereits aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sind, so dass auf eine separate Beschreibung des Betriebsverfahrens verzichtet werden kann.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwenkspanners mit einer Sensoranordnung,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Temperaturmessung an dem Schwenkspanner,
3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Überwachung der Montage des Spannhebels an dem Schwenkspanner zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung,
4A ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Ermittlung eines Referenzprofils der gemessenen Dehnungen mit örtlicher und zeitlicher Auflösung,
4B ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Vergleichs eines tatsächlich gemessenen Profils mit dem gespeicherten Referenzprofil während eines Spannzyklus,
5A ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der Unterscheidung verschiedener Betriebszustände in Abhängigkeit von gemessenen Sensorgrößen, sowie
5B ein Druckdiagramm zur Verdeutlichung der verschiedenen fehlerhaften Betriebszustände.
1 zeigt eine vereinfachte, schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwenkspanners 1, wie er an sich aus dem Stand der Technik (z. B. DE 102 52 549 A1 ) bekannt ist, so dass hinsichtlich der Details des konstruktiven Aufbaus und der Funktionsweise des Schwenkspanners 1 auf den Stand der Technik verwiesen werden kann.
Es ist an dieser Stelle lediglich zu erwähnen, dass der Schwenkspanner 1 eine Bodenplatte 2 aufweist, die auf einem Untergrund befestigt werden kann.
An seiner Oberseite weist der Schwenkspanner 1 ein herkömmliches Spanneisen 3 auf, das um eine Schwenkachse 4 geschwenkt werden kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Das Spanneisen 3 wird hierbei in herkömmlicher Weise von einem Hydraulikantrieb bewegt, der in einem Gehäuse 5 des Schwenkspanners 1 untergebracht ist. Die von dem Hydraulikantrieb erzeugten Kräfte wirken jedoch nicht nur auf das Spanneisen 3, sondern auch auf das Gehäuse 5 des Schwenkspanners 1 und die anderen Bauteile des Schwenkspanners 1.
Der Schwenkspanner 1 weist deshalb eine baulich integrierte Sensoranordnung auf, die mehrere Verformungssensoren 6, 7, z. B. Dehnungsmessstreifen, umfasst. In der Zeichnung sind nur die beiden Verformungssensoren 6, 7 dargestellt. In der Praxis können jedoch über den Umfang des Gehäuses 5 verteilt zahlreiche Verformungssensoren 6, 7 angeordnet sein, was es ermöglicht, eine mechanische Dehnung ε an dem Gehäuse 5 mit einer örtlichen Auflösung zu messen.
Darüber hinaus umfasst die Sensoranordnung des Schwenkspanners 1 noch einen Drucksensor 8, der einen Druck p des Hydrauliköls des Hydraulikantriebs misst.
Ferner kann die baulich integrierte Sensoranordnung noch weitere Sensortypen umfassen, wie beispielsweise einen Temperatursensor, der die Betriebstemperatur des Hydrauliköls des Hydraulikantriebs misst.
Die gemessenen Sensorgrößen werden einer elektronischen Auswertungseinheit 9 zugeführt, die ebenfalls baulich in den Schwenkspanner 1 integriert ist. Die Auswertungseinheit 9 kann dann aus den aktuellen Messwerten Rückschlüsse auf verschiedene Fehlerursachen ziehen oder bestimmte Fehlerfälle erkennen, wie nachfolgend noch detailliert beschrieben wird.
Im Folgenden wird nun zunächst das Flussdiagramm gemäß 2 erläutert, das eine Temperaturüberwachung vorsieht.
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst eine aktuelle Temperatur T_IST des Hydrauliköls in dem Hydraulikantrieb gemessen.
In einem Schritt S2 wird dann laufend überprüft, ob die aktuelle Temperatur T_IST einen vorgegebenen Maximalwert T_MAX überschreitet.
Falls keine Temperaturüberschreitung festgestellt wird, so wird in einem Schritt S3 geprüft, ob die aktuelle Temperatur T_IST einen vorgegebenen Minimalwert T_MIN unterschreitet.
Falls dies nicht der Fall ist, so liegt die aktuelle Temperatur T_IST in einem zulässigen Temperaturbereich zwischen dem Minimalwert T_MIN und dem Maximalwert T_MAX.
Andernfalls liegt jedoch eine Temperaturüberschreitung bzw. eine Temperaturunterschreitung vor und es wird in einem Schritt S4 eine Fehlermeldung generiert, welche den tatsächlich gemessenen Wert der Temperatur T_IST sowie das Datum und die Uhrzeit der Grenzwertüberschreitung umfasst.
Diese Fehlermeldung wird dann in einem Schritt S5 optisch auf einem Anzeigegerät angezeigt und in einem Schritt S6 gespeichert.
Darüber hinaus kann die Auswertungseinheit in einem Schritt S7 noch einen Vorschlag für eine Fehlerbehebung machen, wobei dieser Vorschlag in Abhängigkeit von der Fehlermeldung aus einer Datenbank ausgelesen werden kann.
Im Folgenden wird nun das Flussdiagramm gemäß 3 erläutert, das eine Überwachung der Montage des Spanneisens 3 an dem Schwenkspanner 1 vorsieht.
In einem ersten Schritt S1 wird zunächst das Spanneisen 3 bereitgestellt, damit das Spanneisen 3 an dem Schwenkspanner 1 montiert werden kann und zwar mittels einer Schraubverbindung.
Die Schraubverbindung zwischen dem Spanneisen 3 und dem Schwenkspanner 1 wird dann in einem Schritt S2 angezogen. Hierbei entstehen erhebliche Kräfte, die nicht nur die Schraubverbindung anziehen, sondern auch auf das Spanneisen 3 und den Schwenkspanner 1 wirken.
Zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung wird dann in einem Schritt S3 von den Verformungssensoren 6, 7 laufend die Dehnung ε beim Anziehen der Schraubverbindung gemessen.
In einem Schritt S4 wird dann laufend überprüft, ob die gemessene Dehnung ε einen vorgegebenen Maximalwert ε_MAX überschreitet.
Falls dies der Fall ist, so wird in einem Schritt S5 eine Fehlermeldung generiert und das Anziehen der Schraubverbindung zwischen dem Spanneisen 3 und dem Schwenkspanner 1 wird beendet, um eine mechanische Überlastung zu vermeiden.
Im Folgenden werden nun die Flussdiagramme gemäß den 4A und 4B beschrieben. Das Flussdiagramm gemäß 4A beschreibt zunächst einen sogenannten Teach-In-Betrieb, der dazu dient, ein Soll-Profil (Referenzprofil) der Dehnungen zu ermitteln, die bei einem korrekten Spannzyklus auftreten. Das Flussdiagramm gemäß 4B erläutert dann einen normalen Spannbetrieb, in dem das aktuell auftretende Ist-Profil der Dehnungen mit dem gespeicherten Referenzprofil (Soll-Profil) verglichen wird.
Im Folgenden wird also zunächst der Teach-In-Betrieb gemäß 4A erläutert.
In einem Schritt S1 wird hierbei ein Spannzyklus mit mehreren Phasen (Anstellen, Spannen/Klemmen, Entspannen, Rückstellen) eingeleitet.
Während dieses Spannzyklus werden dann in einem Schritt S2 die Dehnungen ε_i(t) von n Verformungssensoren gemessen. Die Messung durch mehrere örtlich verteilte Verformungssensoren ermöglicht hierbei eine zeitliche und örtliche Auflösung bei der Messung.
Die während des Spannzyklus gemessenen Dehnungen ε_i(t) werden dann in einem Schritt S3 zu einem Soll-Profil (Referenzprofil) zusammengeführt, das dann in einem Schritt S4 abgespeichert wird, um während eines späteren normalen Betriebs als Vergleich zu dienen.
In dem normalen Betrieb gemäß 4B wird dann wieder in einem Schritt S1 ein Spannzyklus eingeleitet.
In einem Schritt S2 werden dann wieder laufend die Dehnungen ε_i(t) der n Verformungssensoren gemessen.
Die so gemessenen Dehnungen ε_i(t) werden dann in einem Schritt S3 zu einem Ist-Profil zusammengeführt, das eine örtliche und zeitliche Auflösung der Dehnungen enthält.
In einem Schritt S4 wird dann das aktuell gemessene Ist-Profil mit dem gespeicherten Soll-Profil (Referenzprofil) verglichen. Aus diesem Vergleich kann dann die Geschwindigkeit v des Spannvorgangs abgeleitet werden.
In einem Schritt S5 wird dann überprüft, ob die aktuelle Geschwindigkeit v des Spannvorgangs innerhalb eines erlaubten Wertebereichs zwischen einem Minimalwert v_MIN und einem Maximalwert v_MAX liegt.
Falls dies nicht der Fall ist, so wird in einem Schritt S6 eine Fehlermeldung generiert.
Im Folgenden wird nun das Ausführungsbeispiel gemäß den 5A und 5B erläutert. So zeigt 5B ein Druckdiagramm, das den zeitlichen Verlauf eine Hydraulikdrucks p bei einem Spannzyklus in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
Eine Kurve A zeige hierbei den gewünschten Verlauf (Soll-Kurve) des zeitlichen Verlaufs des Drucks. So soll der Druck p beim Spannen zunächst relativ gleichmäßig und linear steigen, bis der Druck p dann einen zulässigen Betriebsbereich zwischen einem Minimalwert p_MIN und einem Maximalwert p_MAX erreicht (t₁). Anschließend soll die Kurve A dann abflachen, so dass der Druck p innerhalb des zulässigen Bereichs bleibt.
Die Kurve B zeigt dagegen eine fehlerhafte Steuerung des Hydraulikantriebs, da der Druck p auch im stationären Zustand über dem zulässigen Maximaldruck p_MAX liegt.
Die Kurve C zeigt dagegen einen fehlerhaften Druckverlauf, bei dem Druck p auch im stationären Zustand unterhalb des vorgegebenen Minimalwerts p_MIN liegt.
Die Kurve D führt dagegen zu einem zulässigen Druckwert nach dem Abklingen der Einschwingvorgänge. Allerdings steigt der Druck p während des Spannvorgangs zunächst über den zulässigen Maximalwert p_MAX an und klingt erst dann wieder ab. Dieser Fehlerfall tritt in der Regel auf, wenn der Durchfluss des Hydrauliköls zu groß ist.
Schließlich zeigt die Kurve E einen zu langsamen Druckaufbau, da der Druck p erst nach dem Ende des Spannvorgangs (t₂) und damit während der mechanischen Bearbeitung innerhalb des zulässigen Druckbereichs liegt.
Die Erfindung ermöglicht eine Unterscheidung der vorstehend genannten Betriebszustände gemäß den Kurven A–E.
Hierbei wird in einem Schritt S1 gemäß 5A zunächst ein Spannvorgang eingeleitet.
Während des Spannvorgangs wird dann in einem Schritt S2 der Hydraulikdruck p des Hydrauliköls in dem Hydraulikantrieb gemessen.
In einem Schritt S3 werden dann folgende Parameter ermittelt:

– Stationärer Druckwert p_END nach dem Abklingen von Einschwingvorgängen,
– Zeitdauer T bis zum Erreichen des Minimaldrucks p_MIN,
– Maximaldruck p_PEAK beim Spannen.

In einem folgenden Schritt S4 werden dann die bereits vorstehend beschriebenen verschiedenen Betriebszustände gemäß den Kurven A–E unterschieden.
In einem Schritt S5 erfolgt dann gegebenenfalls eine Anpassung der Druckansteuerung des Hydraulikantriebs entsprechend dem ermittelten Betriebszustand, falls ein Fehlerfall erkannt wurde.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs.
Bezugszeichenliste

1: Schwenkspanner
2: Bodenplatte
3: Spanneisen
4: Schwenkachse
5: Gehäuse des Schwenkspanners
6: Verformungssensor
7: Verformungssensor
8: Drucksensor zur Messung des Hydraulikdrucks
9: Auswertungseinheit
ε: Dehnung
p: Druck des Hydrauliköls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10252549 A1 [0001, 0042]
DE 3334401 A1 [0001]
DE 19752671 A1 [0001]
DE 10205601 A1 [0001]

Claims

Spannvorrichtung (1), insbesondere Abstützelement, mit einem beweglichen Element (3) zum Spannen bzw. Abstützen eines Werkstücks oder eines Werkzeugs, insbesondere in einer Werkzeugmaschine, gekennzeichnet durch eine integrierte Sensoranordnung (6, 7, 8) mit mindestens einem Sensor.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6, 7, 8) mindestens einen der folgenden Sensoren aufweist: a) Temperatursensor, b) Drucksensor (8), insbesondere mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen, c) Verformungssensor (6, 7), insbesondere Dehnungsmessstreifen, d) Zeitmessgerät.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (6, 7, 8) eine elektronische Auswertungseinheit (9) aufweist, die das Ausgangssignal (ε, p) der Sensoranordnung (6, 7, 8) auswertet.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (9) aus dem Ausgangssignal der Sensoranordnung (6, 7, 8) mindestens eine der folgenden Größen ableitet: a) eine Kraft, insbesondere die Spannkraft, mit der die Spannvorrichtung (1) ein Werkstück spannt, b) einen Druck, c) eine Stellung der Spannvorrichtung (1), insbesondere eine Winkelstellung, d) eine Geschwindigkeit, insbesondere eine Spanngeschwindigkeit.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (1) einen Fluidantrieb aufweist, der mit einem unter Druck stehenden Antriebsfluid gespeist wird, insbesondere a) als Pneumatikantrieb, der mit Druckluft gespeist wird, oder b) als Hydraulikantrieb, der mit Hydrauliköl angetrieben wird.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Drucksensor (8) den Druck (p) des Antriebsfluids misst, und/oder b) dass der Temperatursensor die Temperatur des Antriebsfluids misst, und/oder c) dass der Verformungssensor (6, 7) eine Dehnung (ε) an dem Fluidantrieb misst.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Antriebsfluid dem Fluidantrieb mit einem bestimmten Förderstrom zugeführt wird, und b) dass die Auswertungseinheit (9) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Drucksensors bzw. in Abhängigkeit von der Dehnung mindestens einen der folgenden Betriebszustände (A–E) erkennt: b1) Druckaufbau in Ordnung b2) zu niedriger Druck des Antriebsfluids, b3) zu hoher Druck des Antriebsfluids, b4) zu großer Förderstrom des Antriebsfluids und b5) Druckaufbau zu langsam, b6) unzulässige Druckspitzen während der Bewegung, beispielsweise wegen einer Kollision mit einem Hindernis oder wegen interner Schwergängigkeit, und/oder c) dass die Auswertungseinheit (9) ein Profil des Spannvorgangs ermittelt mit einer örtlichen und zeitlichen Auflösung der Dehnung, und/oder d) dass die Auswertungseinheit (9) das Profil bei einem Testlauf ermittelt und das ermittelte Profil dann als Referenzprofil abspeichert, und/oder e) dass die Auswertungseinheit (9) das Profil im normalen Betrieb ermittelt und mit dem gespeicherten Referenzprofil vergleicht.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Auswertungseinheit (9) die gemessene Temperatur des Antriebsfluids mit einem vorgegebenen Maximalwert und/oder mit einem vorgegebenen Minimalwert vergleicht, und/oder b) dass die Auswertungseinheit (9) eine Fehlermeldung generiert, wenn die gemessene Temperatur des Antriebsfluids den vorgegebenen Maximalwert überschreitet, und/oder c) dass die Auswertungseinheit (9) eine Fehlermeldung generiert, wenn die gemessene Temperatur des Antriebsfluids den vorgegebenen Minimalwert unterschreitet, und/oder d) dass die Auswertungseinheit (9) einen Zeitgeber enthält, der die Uhrzeit vorgibt, und/oder e) dass die Auswertungseinheit (9) die Fehlermeldung zusammen mit der Uhrzeit generiert und/oder abspeichert.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Sensoranordnung (6, 7, 8) mehrere Verformungssensoren (6, 7) aufweist, die jeweils eine Dehnung an dem Fluidantrieb messen, und/oder b) dass die Verformungssensoren (6, 7) paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind, um Dehnungen durch externe Kräfte durch eine Mittelwertbildung auszugleichen, und/oder c) dass die Verformungssensoren (6, 7) mit der Auswertungseinheit (9) verbunden sind, welche die Ausgangssignale der Verformungssensoren (6, 7) auswertet, insbesondere durch eine Mittelwertbildung.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Spannvorrichtung (1) ein auswechselbares Anbauteil (3) aufweist, insbesondere ein Spanneisen (3), einen Spannhebel, ein Druckstück oder Schraubstockbacken, b) dass das Anbauteil durch eine Schraubverbindung an der Spannvorrichtung (1) montierbar ist, wobei die Schraubverbindung bei einer Montage des Anbauteils mit einem bestimmten Anzugsmoment angezogen wird, c) dass das Anzugsmoment auch zu einer mechanischen Belastung der Spannvorrichtung (1) führt, die auf den Verformungssensor wirkt, d) dass die Auswertungseinheit (9) durch eine Abfrage des Verformungssensors (6, 7) prüft, ob das Anzugsmoment zu einer mechanischen Überlastung der Spannvorrichtung (1) führt, e) dass die Auswertungseinheit (9) eine Fehlermeldung generiert, wenn die Auswertungseinheit (9) eine mechanische Überlastung der Spannvorrichtung (1) erkennt.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Auswertungseinheit (9) den Verformungssensor (6, 7) abfragt, um die Dehnung (ε) zu ermitteln, und b) dass die Auswertungseinheit (9) anhand der ermittelten Dehnung (ε) feststellt, ob eine Betriebsstörung vorliegt, insbesondere ein Werkzeugbruch, eine Vibration, eine Aufmaßschwankung, ein Werkstückeinschluss oder eine Undichtigkeit der Spannvorrichtung (1), und/oder c) dass die Auswertungseinheit (9) ein Profil des Spannvorgangs ermittelt mit einer örtlichen und zeitlichen Auflösung der Dehnung, und/oder d) dass die Auswertungseinheit (9) das Profil bei einem Testlauf ermittelt und das ermittelte Profil als Referenzprofil abspeichert, und/oder e) dass die Auswertungseinheit (9) das Profil im normalen Betrieb ermittelt und das ermittelte Profil mit dem gespeicherten Referenzprofil vergleicht.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Fluidantrieb einen Zylinder (5) aufweist, in dem ein Kolben verschiebbar ist, b) dass der Verformungssensor (6, 7) an dem Zylinder (5) angebracht ist, insbesondere an der äußeren Mantelfläche des Zylinders, und eine Dehnung (ε) an dem Zylinder (5) misst.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Spannvorrichtung (1) einen Kolbenantrieb mit einem beweglichen Kolben aufweist, b) dass der Sensor mit einer Auswertungseinheit (9) verbunden ist, die das Ausgangssignal des Sensors auswertet, und c) dass die Auswertungseinheit (9) aus dem Ausgangssignal des Sensors die Kolbenstellung des Kolbens ermittelt.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Sensoranordnung (6, 7, 8) mehrere Verformungssensoren (6, 7) aufweist, die jeweils eine Dehnung (ε) an der Spannvorrichtung (1) messen, b) dass die Verformungssensoren (6, 7) örtlich verteilt an der Spannvorrichtung (1) angebracht sind, um die Dehnung (ε) mit einer Ortsauflösung messen zu können, c) dass die Auswertungseinheit (9) die Verformungssensoren (6, 7) abfragt, d) dass die Auswertungseinheit (9) aus den gemessenen Dehnungen (ε) die Steifigkeit des Werkzeugs und/oder des Werkstücks ableitet.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Auswertungseinheit (9) ein Dehnungsprofil der Spannvorrichtung (1) ermittelt mit einer örtlichen und zeitlichen Auflösung der Dehnung, b) dass die Auswertungseinheit (9) das Dehnungsprofil bei einem Testlauf ermittelt und als Referenzprofil speichert, und c) dass die Auswertungseinheit (9) das Dehnungsprofil im normalen Betrieb ermittelt und mit dem gespeicherten Referenzprofil vergleicht.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Spannvorrichtung (1) um eine der folgenden Spannvorrichtungen (1) handelt: a) Abstützelement, b) Hebelspanner, c) Schwenkspanner (1), d) Bohrungsspanner, e) Schraubstock, f) Spannzylinder.
Betriebsverfahren für eine Spannvorrichtung (1), insbesondere für eine Spannvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: Messen einer Betriebskenngröße (p, ε) mittels einer in die Spannvorrichtung (1) integrierten Sensoranordnung (6, 7, 8) mit mindestens einem Sensor.