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Die Erfindung betrifft eine Stützvorrichtung zum Abstützen und Festspannen von Werkstücken, insbesondere von großflächigen, dreidimensional verformten Werkstücken geringer Wandstärke, mit einer Vielzahl von längenverstellbaren Stützen, deren obere, dem Werkstück zugewandten Enden jeweils mit Spannvorrichtungen zum Festspannen des Werkstückes versehen sind, wobei jede Spannvorrichtung einen an der Unterseite des Werkstückes festsaugbaren Saugnapf und mehrere fixierbare Stützfinger ausweist, die den Saugnapf umgeben und gegen die Unterseite des Werkstückes anpressbar sind.
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Stützvorrichtungen dieser Art sind bekannt. Sie werden beispielsweise bei der Bearbeitung von Werkstücken geringer Wandstärke für die Außenverkleidung von Flugzeugen und Bahnwagons benötigt. Aufgrund der hier herrschenden hohen Anforderungen an Sicherheit und Verarbeitungsqualität müssen die Stützvorrichtungen äußert zuverlässig arbeiten, um eine präzise Werkstückbearbeitung zu gewährleisten. Natürlich sollen die Stützvorrichtungen aber trotzdem möglichst schnell und flexibel einsatzbereit sein. Je nach Größe des zu bearbeitenden Werkstückes kann die Anzahl der einzelnen Stützen einer solchen Stützvorrichtung von einigen Wenigen bis zu einigen Hundert variieren.
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Die
DE 10 2014 215 003 A1 beschreibt beispielsweise eine solche Stützvorrichtung. Die Stützen inklusive der einzelnen Stützfinger werden bei der dort offenbarten Stützvorrichtung mittels gegenüberliegenden Hubeinrichtungen eines Rüstaggregats anhand der bekannten CAD-Daten des zu bearbeitenden Werkstückes positioniert. Das Rüstaggregat kann gleichzeitig als Werkzeughalter dienen.
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Vorteilhaft an einer so ausgestalteten Stützvorrichtung ist, dass die Stützen und deren Stützfinger positioniert werden können, ohne dass das eigentliche Werkstück benötigt wird. Die Kontur des Werkstückes wird durch die Hubeinrichtungen simuliert.
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Ein Nachteil der dort beschriebenen Stützvorrichtung ist, dass das Werkstück bei Abweichungen der Werkstückkontur von den CAD-Daten nicht mehr optimal festgespannt wird, sodass es zu Ungenauigkeiten und Qualitätsverlusten bei der Bearbeitung des Werkstückes kommen kann. Um dies zu vermeiden müssen die Stützfinger aufwendig nachjustiert werden. Die Abweichungen von den CAD-Daten müssen hierfür nicht sonderlich groß sein und können durchaus im vorgegebenen Toleranzbereich der Fertigung liegen.
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Die Positionierung der einzelnen Stützen und Stützfinger kann zudem nur sequentiell durchgeführt werden, indem das Rüstaggregat Stütze für Stütze anfährt. Somit steigt die benötigte Zeit, um die Stützvorrichtung zu positionieren proportional mit der Anzahl der Stützen. Gerade bei einer hohen Anzahl von Stützen ist der Zeitaufwand entsprechend hoch.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Stützvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die schneller, flexibler und mit weniger Aufwand einsetzbar ist und dabei zusätzlich mit höherer Präzision arbeitet als bekannte Stützvorrichtungen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Stützvorrichtung der eingangs genannten Art vor, dass sowohl der Saugnapf als auch die Stützfinger dem Gelenkkopf eines Kugelgelenkes zugeordnet sind, dessen Gelenkpfanne sich am oberen Ende der Stütze befindet und dessen Mittelpunkt mit dem Referenzpunkt eines im Inneren des Saugnapfes befindlichen Referenzgebers zusammenfällt.
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Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die Höhe der Stützen mit Hilfe der Referenzgeber auf das jeweilige Werkstück auszurichten, ohne dass das eigentliche Werkstück benötigt wird. Wird das Werkstück nach dem positionieren der Stützen an diese herangeführt, richtet sich die gesamte Spannvorrichtung am Kopf der Stütze aufgrund des Kugelgelenks an der Kontur des Werkstückes aus. Da der Referenzgeber in der Mitte des Kugelgelenkes liegt, verändert sich dessen Position nicht. Der Saugnapf der Spannvorrichtung wird durch das Gewicht des Werkstückes mit eben diesem verbunden. Auch die Stützfinger passen sich der Kontur des Werkstückes an. Sobald das Werkstück die gewünschte Position erreicht hat, werden die Stützfinger festgeklemmt.
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Zweckmäßigerweise ist der Saugnapf kreisrund ausgebildet und weist eine zentrale Achse auf, die durch die Spitze des Referenzgebers verläuft und zu der die Stützfinger parallel ausgerichtet sind. Mit einem so ausgebildeten Saugnapf und Stützfingern ist die Stützung des Werkstücks besonders gleichmäßig.
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Für den gleichen Zweck ist es weiterhin sinnvoll, wenn die Stützfinger gleichmäßig um den Saugnapf verteilt sind und jeweils den gleichen Abstand zur zentralen Achse des Saugnapfes aufweisen.
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Um gegebenenfalls Fertigungsungenauigkeiten am Werkstück ausgleichen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Stützfinger mindestens über einen Hub parallel zur zentralen Achse des Saugnapfes von mindestens 10 mm, vorzugsweise 12 mm, verfügen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen der Gelenkpfanne und dem Gelenkkopf eine zwischengelagerte Schwenkpfanne angeordnet ist. Hierdurch lässt sich die Spannvorrichtung weiter aus ihrer Grundposition herausschwenken, um sich stärkeren Wölbungen am Werkstück anzupassen. Gleichzeitig besteht aber trotz des großen Schwenkwinkels die Möglichkeit, Zuleitungen, beispielsweise Signal- oder Luftzuleitungen, in der Stütze durch die Gelenkpfanne und die Schwenkpfanne zum Gelenkkopf zu führen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Saugnapf Mittel zum Ansaugen und Ausblasen von Luft vorgesehen sind. Durch das Ansaugen von Luft kann die Fixierung des Werkstückes beschleunigt werden. Durch das Ausblasen von Luft kann das Werkstück nach der Bearbeitung schnell, leicht und schonend von der Stützvorrichtung gelöst werden. Zudem ist es mit Hilfe dieser Mittel möglich, eine Stütze schnell nachzujustieren.
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Zweckmäßig ist an dem Saugnapf ein Vakuumbegrenzungsventil angeordnet. Hierdurch wird vermieden, dass das Werkstück durch eine zu hohe Druckdifferenz zwischen Saugnapfinneren und Umgebung, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion an der Stütze, beschädigt wird.
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Eine weitere sinnvolle Maßnahme sieht vor, dass an dem Saugnapf ein Drucksensor angeordnet ist. Mit Hilfe des Drucksensors kann ein Qualitätsverlust des Vakuums am Saugnapf festgestellt werden. Der Vakuumabfall kann beispielsweise durch eine unsaubere Oberfläche am Werkstück oder durch eine Leckage am Saugnapf begründet sein. Bei ansprechendem Drucksensor können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, sodass die Stütze samt Saugnapf wieder sachgemäß arbeitet.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe schlägt die Erfindung des Weiteren ein Verfahren zum Festspannen eines Werkstückes mittels einer zuvor beschriebenen Stützvorrichtung vor, bei dem
- - in einem ersten Verfahrensschritt mehrere der längenverstellbaren Stützen als Ausrichtstützen mit Hilfe der Referenzpunktgeber auf eine jeweils vorgegebene, werkstückspezifische Nennhöhe gefahren werden und das Werkstück stabil an den Saugnäpfen der Ausrichtstützen angebracht wird und die Stützfinger sich der Kontur des Werkstückes anpassen,
- - in einem zweiten Verfahrensschritt die Stützfinger der Ausrichtstützen in dieser Position fixiert werden,
- - in einem dritten Verfahrensschritt die übrigen, bisher noch nicht eingestellten Stützen als Fixierstützen ausgefahren werden, sodass ihre Saugnäpfe gegen das Werkstück angedrückt werden und die Stützfinger sich der Kontur des Werkstücks anpassen,
- - in einem vierten Verfahrensschritt die Stützfinger der Fixierstützen in dieser Position fixiert werden.
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Die Anwendung dieses Verfahrens hat den Vorteil, dass nicht alle Stützen auf die vorgegebene Nennhöhe gefahren werden müssen, sondern lediglich eine vorher durch den Anwender festzulegende Anzahl. Wie viele und welche Stützen benötigt werden, um das Werkstück in einer stabilen Position am Werkstück zu befestigen, hängt von der Geometrie und dem Material des Werkstücks ab. Wenn das Werkstück sich in einer stabilen Position befindet, kann es mit Hilfe der übrigen Stützen zur Bearbeitung festgespannt werden. Die Stützen können in beiden Verfahrensschritten jeweils gleichzeitig ausgefahren werden. Hierdurch kann das Festspannen sehr schnell geschehen und der gesamte Bearbeitungsprozess wird beschleunigt. Bei der Einstellung der Steuerung, beispielsweise durch eine Software, müssen nur die Positionen der Stützen zur stabilen Anbringung des Werkstücks an der Stützvorrichtung vorgegeben werden.
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Vorzugsweise werden die Saugnäpfe im ersten und im dritten Verfahrensschritt mit Hilfe der Mittel zum Ansaugen von Luft am Werkstück befestigt. Hierdurch wird der Vorgang beschleunigt und das Werkstück direkt stabil an der Stützvorrichtung angebracht bzw. festgespannt.
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Zweckmäßiger Weise werden in einem fünften Verfahrensschritt die Verbindungen zwischen Saugnäpfen und Werkstück mit Hilfe von Drucksensoren überprüft. Im Falle einer fehlerhaften Verbindung kann diese inspiziert und die Ursache beseitigt werden. Anschließend kann die Stütze nachjustiert werden.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: Schematisch einen Querschnitt durch eine Stütze einer Erfindungsgemäßen Stützvorrichtung
- 2: Schematisch einen Querschnitt durch die Stütze aus 1 im ausgeschwenkten Zustand
- 3: Schematisch einen Ausschnitt der Bearbeitung eines Werkstücks in Seitenansicht mit Hilfe der Stütze aus 1
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Eine erfindungsgemäße Stützvorrichtung weist eine Vielzahl von Stützen auf. Je nachdem wie groß die Werkstücke sind, die mit Hilfe der Stützvorrichtung bearbeitet werden sollen, kann die Anzahl von einigen Wenigen bis mehreren Hundert Stützen variieren.
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1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer einzelnen Stütze im Querschnitt. Eine Spannvorrichtung ist dort mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Diese ist am oberen Ende 2a einer längenverstellbaren Stützsäule 2 angeordnet und bildet gemeinsam mit der Stützsäule 2 eine Stütze. Zwischen der Stützsäule 2 und der Spannvorrichtung 1 befindet sich eine Schwenkpfanne 3. Die Schwenkpfanne 3 ist schwenkbar in einer Gelenkpfanne 4 am oberen Ende 2a der Stützsäule 2 gelagert, symbolisiert durch die Doppelpfeile 3a. Die Spannvorrichtung 1 bildet einen Gelenkkopf 5, der schwenkbar in der Schwenkpfanne 3 gelagert ist, symbolisiert durch die Doppelpfeile 5a.
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Die Gelenkpfanne 4, die Schwenkpfanne 3 und der Gelenkkopf 5 weisen einen gemeinsamen Mittelpunkt M auf, um den die Schwenkpfanne 3 und der Kugelgelenkkopf 5 in alle Richtungen verschwenkbar sind. Zudem sind die Stützsäule 2, die Schwenkpfanne 3 und der Kugelgelenkkopf 5 mit mittigen Öffnungen (2b,3b,5b) versehen durch die hier nicht dargestellte Steuer- und Signalleitungen gelegt sind. Am Mittelpunkt M befindet sich ein Referenzgeber 6, der hier als Zapfen ausgebildet ist und dessen Referenzpunkt sich in der Spitze des Zapfens befindet. Die Spitze des Zapfens liegt auf dem Mittelpunkt M.
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Der Mittelpunkt M ist gleichzeitig der Mittelpunkt eines kreisrunden Saugnapfes 7. Der Saugnapf verfügt über einen nicht dargestellten Druckluftanschluss, über den Luft sowohl eingeblasen als auch abgesaugt werden kann. Zudem sind im Saugnapf 7 ein hier nicht dargestellter Drucksensor und ein Vakuumbegrenzungsventil angeordnet.
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Um den Saugnapf 7 herum sind längliche Stützfinger 8 gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Stützfinger 8 sind entlang ihrer Längsachse verschiebbar. Im unbelasteten Zustand werden sie durch Rückstellfedern 9 in einer ausgefahrenen Grundposition 8a gehalten. Wenn die Stützfinger 8 durch ein aufliegendes Werkstück belastet werden, sodass die Rückstellkraft der Rückstellfedern 9 überwunden wird, weichen die Stützfinger 8 entlang ihrer Längsachse zurück. Gleichzeitig werden sie mittels der Rückstellfedern 9 gegen das Werkstück gedrückt und stabilisieren dieses. Der maximale Hub zwischen der Grundposition 8a und der maximalen Einfahrposition 8b der Stützfinger 8 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 12 mm.
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Über den Referenzgeber 6 lässt sich die Höhe der Stütze einstellen. Vorzugsweise ist der Referenzgeber 6 über eine Steuerungssoftware programmierbar. Bei einer erfindungsgemäßen Stützvorrichtung muss allerdings nicht bei jeder Stütze die Höhe vorgegeben werden. Es ist ausreichend, wenn zuvor festgelegte Stützen auf die Nennhöhe des Werkstückes eingestellt werden, sodass das Werkstück stabil auf der Stützvorrichtung aufliegt. Dies hat den Vorteil, dass nicht alle Stützen zur Ausrichtung der Stützvorrichtung beispielsweise über die Steuerungssoftware eingestellt werden müssen. Gerade bei einer hohen Anzahl von Stützen würde dies einen großen Aufwand für den Anwender bedeuten.
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Nachdem die Stützen auf die vorgegebene Höhe gefahren worden sind, kann das Werkstück stabil an der Stützvorrichtung angebracht werden. Die Spannvorrichtungen 1 richten sich durch ihre Schwenkbarkeit an der Kontur der Oberfläche des Werkstückes aus. Der Referenzgeber 6 verändert seine Position durch die Verschwenkung nicht, da er sich im Mittelpunkt M befindet. Durch die doppelte Schwenkbarkeit in Gelenkpfanne 5 und Schwenkpfanne 3 können in diesem Ausführungsbeispiel Schwenkwinkel von bis zu 45° erreicht werden, wie in 2 dargestellt. Trotzdem können die hier nicht dargestellten Steuer- und Signalleitungen durch die Öffnungen 3b, 5b, in Schwenkpfanne 3 und Kugelgelenkkopf 5 zum Referenzgeber 6 und zum Saugnapf 7 geführt werden, was ohne die die zusätzliche Schwenkbarkeit mittels der Schwenkpfanne 3 nicht möglich wäre. Die Saugnäpfe 7 saugen sich mit Hilfe des Druckluftanschlusses am Werkstück fest.
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Zeitgleich passen sich auch die Stützfinger 8 der einzelnen Spannvorrichtungen 1 der Kontur des Werkstückes an und werden mittels der Rückstellfedern 9 gegen das Werkstück gedrückt. In dieser Position werden die Stützfinger 8 anschließend mittels einer Klemmvorrichtung festgeklemmt. Nachdem das Werkstück auf diese Weise stabil an der Stützvorrichtung angebracht worden ist, werden die übrigen Stützen hoch in Richtung auf das Werkstück gefahren.
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Auch die Spannvorrichtungen 1 dieser Stützen richten sich durch ihre Schwenkbarkeit an der Kontur der Oberfläche des Werkstückes aus. Sobald der Referenzgeber 6 meldet, dass die Stütze das Werkstück erreicht hat, kann das Werkstück mittels der Saugnäpfe an den einzelnen Stützen befestigt werden. Auch während dieses Vorgangs richten sich die einzelnen Stützfinger 8 an der Oberfläche des Werkstückes aus und werden mit Hilfe der Rückstellfedern 9 gegen das Werkstück angedrückt und anschließend festgeklemmt.
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Mittels des hier nicht dargestellten Drucksensors kann überprüft werden, ob im Raum zwischen Saugnapf 7 und Werkstück der korrekte Druck herrscht. Sollte dieser an einer oder mehrerer Stützen aufgrund einer Fehleinstellung oder Leckage nicht korrekt sein, können die betroffenen Stützen durch den Anwender nachjustiert werden. Das hier nicht dargestellte Vakuumbegrenzungsventil dient dazu, sicherzustellen, dass das Werkstück nicht durch eine zu hohe Druckdifferenz zwischen Umgebung und Saugnapfinneren beschädigt wird.
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Das Werkstück ist nun an der Stützvorrichtung festgespannt und kann bearbeitet werden. 3 zeigt schematisch einen solchen Bearbeitungsprozess eines Werkstückes 10 mit geringer Wandstärke. Unterschiedliche Werkzeuge können durch den Einsatz eines Werkzeugwechselers 11 zur Bearbeitung des Werkstückes 10 verwendet werden. In 3 wird ein Fräser 12 als Werkzeug eingesetzt. Durch die genaue Positionierung des Werkstückes 10 an der Stützvorrichtung und die genaue Kenntnis der Position der einzelnen Stützen durch die Referenzgeber 6 kann der Fräser 12 in unmittelbarer Nähe der Stütze arbeiten, ohne deren Spannvorrichtung 1 zu beschädigen. Durch die Stützfinger 8 ist zudem ein Vibrieren des Werkstückes 10 nahezu ausgeschlossen, sodass eine präzise und saubere Bearbeitung des Werkstückes 10 möglich ist.
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Nach der Bearbeitung kann das Werkstück mit Hilfe der Blasfunktion von den Spannvorrichtungen 1 und deren Saugnäpfen 7 gelöst werden und einem nächsten Prozessschritt zugeführt werden.
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Ein besonderer Vorteil einer solchen erfindungsgemäßen Stützvorrichtung ergibt sich dadurch, dass jede einzelne Stütze entweder als Ausrichtungsstütze, gemäß dem oben beschriebenen ersten Verfahrensschritt oder als Fixierstütze gemäß dem oben beschriebenen dritten Verfahrensschritt eingesetzt werden kann, je nachdem wie sie für das jeweilige Werkstück eingestellt bzw. programmiert ist.
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Hierdurch ist die Stützvorrichtung äußerst flexibel für unterschiedlichste Werkstücke einsetzbar. Der Einstell- bzw. Programmieraufwand wird durch die Referenzgeber 6 an den Stützen minimiert und macht eine schnelle Anpassung und Ausrichtung der Stützvorrichtung möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannvorrichtung
- 2
- Stützsäule
- 2a
- Oberes Ende der Stützsäule
- 2b
- Öffnung durch Stützsäule
- 3
- Schwenkpfanne
- 3a
- Schwenkbarkeit der Schwenkpfanne
- 3b
- Öffnung in Schwenkpfanne
- 4
- Gelenkpfanne
- 5
- Gelenkkopf
- 5b
- Öffnung in Gelenkkopf
- 6
- Referenzgeber
- 7
- Saugnapf
- 8
- Stützfinger
- 8a
- Stützfinger in Grundposition
- 8b
- Stützfinger in Einfahrposition
- 9
- Rückstellfeder
- 10
- Werkstück
- 11
- Werkzeugwechsler
- 12
- Fräser
- M
- Mittelpunkt
- A
- zentrale Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014215003 A1 [0003]
