DE102019005790A1

DE102019005790A1 - Elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung und autarkes Werkstück-Spannverfahren

Info

Publication number: DE102019005790A1
Application number: DE102019005790.2A
Authority: DE
Inventors: Hendric Matzat
Original assignee: Dr Matzat & Co GmbH
Current assignee: Dr Matzat & Co GmbH
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: DE102019005790B4

Abstract

Um leitungsnetzunabhängig mit elektromotorisch bewegten Spannbacken linear gerichtet Werkstücke, an festen Spannbacken anliegen, zu positionieren und zu fixieren und gleichzeitig auch sensorisch festgestellte Spannzustands-Informationen als vernetzte Daten an die Steuerungen von spanenden Produktionsmaschinen und von Werkstück-Handlingsrobotern sowie an die Bedienstandcomputer zu leiten, damit über diese sofortige aktorische Handlungen dieser Arbeitsmittel verfügbar und verwertbar sind, bedarf es mindestens einer als autarkes und aktorische Energiesystem ausgebildeten Werkstück-Spanneinrichtung (1). Mit diesem sind Werkstücke autark zu positionieren und zu spannen.Ein derartiges Elektroenergiesystem (2) besteht aus mindestens• einem isolierten einrichtungsintegrierten oder anliegenden autarken Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3),• einem Niederspannungs-Gleichstrommotor für einen elektromotorischen Bewegungsantrieb (4) und für alle Mikrotaster und Sensoren sowie für Sendung und Empfang von Zustandsinformationen als Funksignale zwischen den Arbeitsmitteln, die als• eine wechselseitige Kommunikation durchführbar ist.

Description

Die Erfindung geht von der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 definierten elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtung und dem im Oberbegriff des Patentanspruches 4 definierten autarken Werkstück-Spannverfahren aus.
Der bekannte Stand der Technik ist abhängig vom Stand der Prozess- und Datenvernetzung bei Werkstück-Spanneinrichtungen mit Produktionsmaschinen, Handlingsrobotern und Bedienständen sowie der koordiniert von diesen Arbeitsmitteln gesteuerten Prozessabläufe, insbesondere bei Verfahren intelligenter Werkstückspannung, mit den nachstehend aufgeführten Patentanmeldungen, beispielhaft für weitere Veröffentlichungen, darstellbar.
So sind elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtungen bekannt, deren Spannantrieb für einen Maschinenschraubstock oder für einen Parallel-Spannbackenspanner ein mit dem elektrischen Leitungsnetz in Industrieanlagen oder mit einer Produktionsmaschine verbundener Wechsel- oder Drehstrom-Getriebemotor ist, Inhalt in

• DE 2117 550 C3 ,
• DD 34169 und in
• DE 650 097 .

Elektrohydraulische Werkstück-Spanneinrichtungen verfügen, wie unter anderem in

• DE 20 2012 010 722 U1 und in
• DE 20 2004 009 339 U1

Bei intelligenten Werkstück Spannvorrichtungen bedarf es nach

• DE 10 2012 014 617 B3 und
• DE 10 2013 015 764 A1

Bekannt ist weiterhin eine autarke Signalübertragung als kabelgeleitete und kabellose Datenvernetzung zwischen Spannvorrichtungen mit Funksignal-Übertragung unter anderen aus

• DE 10 2013 009 021 B3 und aus
• DE 10 2013 106 226 B4 .

Eine autarke Elektroenergie-Bereitstellung für Bewegungsfunktionen ist nur bei leichtgewichtigen Handwerkzeugen, wie beispielhaft in

• DE 10 2004 024 724 A1

Autarke Ausbildungen von Werkstück-Spannverfahren sind, wie in

• DE 10 2011 100 184 B3

• DE 10 2010 052 676 B4

• DE 10 2013 001 187 B3

Nachteilig ist an diesen benannten Ausbildungen

• eine uneinheitliche und in unterschiedlichen Größenordnungen genutzte Energieform oder Elektroenergie,
• eine zu große Dimensionierung von Elektroantrieben für Werkstück-Spanneinrichtungen,
• eine fehlende selbstorganisierende Kommunikation zwischen Werkstück-Spanneinrichtung, Produktionsmaschine, Handlingsroboter und BedienstandComputer und
• ein zu hoher Elektroenergieverbrauch für elektromechanische und elektrohydraulische Werkstück-Spanneinrichtungen und das Spannverfahren.

Die benannten Probleme des Standes der Technik bei der Ausbildung elektromechanischer Werkstück-Spanneinrichtungen werden durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und die Probleme der Ausbildung autarker Werkstück-Spannverfahren, die mit elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen realisierbar sind, werden durch die Merkmale des Patentanspruches 4 gelöst.
Ein dazu benötigtes Elektroenergiesystem besteht aus

• einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul,
• einem Niederspannungs-Gleichstrommotor und aus
• einer Anordnung von Mikrotastern, Sensoren und eines Steuermoduls.

Das Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul ist ein körperintegrierter oder körperanliegender oder körpernaher Teil eines Spannbacken-Halte- und Führungskörpers der Werkstück-Spanneinrichtung. Ein Niederspannungs-Gleichstrommotor ist der elektromotorische Bewegungsantrieb für eine schraubende Bewegungs- und Spannspindel, mit der mindestens eine bewegliche Spannbacke, linear zu einer festen Spannbacke hin und von dieser weggerichtet oder zwei bewegliche Spannbacken zentrierend bewegbar sind. Mit der Anordnung von Mikrotastern und Sensoren sind die Spannzustände jeder beweglichen Spannbacke als

• Endstellung gespannt,
• Spannhub,
• Endstellung gelöst und als
• Spannkraft am Werkstück bzw. an der festen Spannbacke in einer bestimmten Größenordnung anliegend

• elektrische Ladezustand vorhandener Elektroenergie in einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul und die
• aktuelle Spannzustandsinformation

Ein Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul ist autark, ohne Leitungs- und Kabelnetzanschlüsse zu einem Industriegebäude und zu einer Produktionsanlage hin, für eine andauernde Elektroenergiezufuhr ausgebildet.
An und in einem spannturmartig ausgebildeten und mehrseitigen Aufspannkörper sind mehrere Spannbacken-Halte- und Führungskörper angeordnet und mit einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul betreibbar
Die in den Patentansprüchen 2 und 3 ergänzend benannten Merkmale betreffen

• die Ausbildung und Anordnung eines Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodules und
• die Informationsinhalte der angeordneten Mikrotaster und Sensoren.

Kennzeichnend für ein auf elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen durchzuführendes autarkes Werkstück-Spannverfahren mit einem autark strukturierten Elektroenergiesystem ist, dass jeweils mit nur einem Niederspannungs-Gleichstrommotor gleichzeitig

• mindestens ein Werkstück mittels einem feststehenden und einem beweglichen Spannbacken oder mittels zwei, jeweils eine zentrierende Bewegung ausführenden Spannbacken fixiert und gespannt wird,
• alle Spannzustandsinformationen ermittelt und festgestellt sind und
• ein aktueller ausreichender Ladezustand eines autarken Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodules festgestellt ist

Die Erfindung ist strukturiert vereinfacht an Anordnungsbeispielen in den Figuren dargestellt und im folgenden Beschreibungsteil weitergehend erläutert.
Es zeigen als 3-D-Ansichten

1: eine Getrenntanordnung der wesentlichsten Funktionskomponenten
2: einen Zweikomponenten-Spanner auf einer gemeinsamen Grundplatte
3 und 4: einen Zweikomponenten-Spanner als spannturmartiger Aufspannkörper

Die in 1 dargestellte elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtungen 1 besteht im Wesentlichen aus je einem

• Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul 3,
• elektromotorischen Bewegungsantrieb 4, in einem
• Spannbacken-Halte- und Führungskörper 5 aufgenommen und als Niederspannungs-Gleichstrommotor ausgebildet und aus einem als
• Elektroenergiesystem 2 bezeichnete Leitungs- und Kabelverbindung zwischen einem, im Elektrospeicher- und Versorgungsmodul 3 nicht dargestellt angeordneten, Batteriestapelelement und einem ebenfalls nicht näher dargestellten Niederspannungs-Elektromotor. Dieser ist im Gehäuse der Werkstück-Spanneinrichtungen 1 angeordnet und als deren elektromechanischer Bewegungsantrieb 4, im Spannbacken-Halte-und Führungskörper 5 gelagert, aufgenommen.

8

6

7

Es ist auch möglich, den elektromagnetischen Bewegungsantrieb für einen Zentrierspanner einzusetzen, bei dem zwei bewegliche Spannbacken angeordnet sind, welche zueinander oder voneinander weg synchronisierte Bewegungen realisieren, um ein Werkstück einzuspannen.
Am Körper der elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen 1 ist, zum Standort einer nicht dargestellten Produktionsmaschine und deren Maschinensteuerung hin gerichtet, ein Sender 9 für Funksignale angeordnet, der mit einem Empfänger 10 dieser Funksignale an der Maschinensteuerung angeordnet kommuniziert. Bei wechselseitig gerichteter Kommunikation ist der jeweilige Sender auch Empfänger der Funksignale. Inhalte dieser Funksignale sind die Zustandsinformationen „Endstellung gelöst“ der beweglichen Spannbacke 6, „Endstellung gespannt“ und „Spannkraft = X KN“ an der festen Spannbacke 7 und beispielsweise „Niederspannungs-Gleichstrom vorhanden“ im Energiespeicher- und Versorgungsmodul 3. Dessen Bestandteil ist mindestens ein Batteriestapelelement, welches durch eine verschließbare Kapselung der Aufnahmebox elektrisch isoliert eingelagert ist.
Jeweils zwei Spannkomponenten und ein Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul 3, die über ein Elektroenergiesystem 2 miteinander leitungsverbunden sind, bilden gemeinsam mit einem Aufspannkörper 11 die in den 2 bis 4 dargestellten Anordnungsvarianten der elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen 1.
In 2 sind die zwei Spannkomponenten mit jeweils horizontaler Spannrichtung niveaugleich auf einer Grundplatte als Aufspannkörper 11 angeordnet.
Die je zwei Spannkomponenten sind in einer vertikalen Anordnung mit vertikaler, von oben nach unten gerichteter Spannrichtung der beweglichen Spannbacken 6 in den 3 und 4 dargestellt, angeordnet
In 3 ist der Aufspannkörper 11 als vierseitiger Körper mit Grundplatte dargestellt. Das Energiespeicher- und Versorgungsmodul 3, welches mit den zwei Spannkomponenten als Elektroenergiesystem 2 leitungsverbunden ist, ist als Kopfteil auf dem vierseitigen Körper angeordnet.
In 4 ist der Aufspannkörper 11 als dreiseitiger Hohlkörper, mit einer diesem angepassten Grundplatte ausgebildet, dargestellt. Das Energiespeicher- und Versorgungsmodul 3, welches mit den zwei Spannkomponenten als Elektroenergiesystem 2 leitungsverbunden ist, ist hier, in dem Hohlraum des Hohlkörpers integriert, angeordnet.
Die festen Spannbacken 7 und die Bewegungs- und Spannspindeln 8 in den Spannbacken-Halte und Führungskörpern 5 sind ebenfalls, einer vertikalen Spann- und Entspannrichtung folgend, angeordnet.
Bezugszeichenliste

1: elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung
2: Elektroenergiesystem von 1
3: Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul von 2
4: elektromotorischer Bewegungsantrieb
5: Spannbacken-Halte- und Führungskörper
6: bewegliche Spannbacke(n)
7: feste Spannbacke(n)
8: (schraubende) Bewegungs- und Spannspindel für 6
9: Sender (von Funksignalen)
10: Empfänger (von Funksignalen)
11: Aufspannkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2117550 C3 [0003]
DE 650097 [0003]
DE 202012010722 U1 [0004]
DE 202004009339 U1 [0004]
DE 102012014617 B3 [0005]
DE 102013015764 A1 [0005]
DE 102013009021 B3 [0006]
DE 102013106226 B4 [0006]
DE 102004024724 A1 [0007]
DE 102011100184 B3 [0008]
DE 102010052676 B4 [0008]
DE 102013001187 B3 [0008]

Claims

Elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung, wobei bewegliche Spannbacken elektromotorisch angetrieben sowie linear gerichtet mittels einer Schraubspindel gegen zu bearbeitende Werkstücke bewegt werden, diese positionieren und fixieren und gleichzeitig sensorisch festgestellte Spannzustands-Informationen als vernetzbare Daten an Maschinensteuerungen, Robotersteuerung und an Bedienstandcomputer zugeleitet, dort ausgewertet und von diesen für aktorische Handlungen verwertet werden und die elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung als ein autarkes Elektroenergiesystem einer industriellen Produktionsanlage strukturiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroenergiesystem (2) aus • einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3), welches ein körperintegrierter oder anliegender Teil eines Spannbacken-Halte- und Führungskörpers (5) ist, • einem Niederspannungs-Gleichstrommotor als elektromotorischen Bewegungsantrieb (4) für eine schraubende Bewegungs- und Spannspindel (8), mit der mindestens eine bewegliche Spannbacke (6), linear zu einer festen Spannbacke (7) hin und von dieser weg gerichtet, beweglich angeordnet ist und aus einem Steuermodul mit • einer Anordnung von Mikrotastern und Sensoren für die Ermittlung und Feststellung der Spannzustände jeder beweglichen Spannbacke (6) als • Endstellung gespannt, • Endstellung gelöst, • Spannhub • Spannkraft am Werkstück und an der jeweiligen Spannbacke (7) in einer bestimmten Größenordnung anliegend sowie zur • Feststellung des elektrischen Ladezustandes vorhandener Elektroenergie in einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3), wobei diese als aktuelle Spannzustandsinformation mittels Funksignalen kabellos an Signalempfänger an Maschinensteuerungen, Robotersteuerung und an Bedienstandcomputer übertragbar sind, besteht, dass ein Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3) autark, ohne Leitungs- und Kabel-Netzanschlüsse zu einem Industriegebäude und zu einer Produktionsanlage hin, für eine andauernde Elektroenergiezufuhr ausgebildet ist und dass an und in einem spannturmartig ausgebildeten und mehrseitigen Aufspannkörper (11) einer oder mehrere Spannbacken-Halte- und Führungskörper (5) angeordnet und mit einem Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3) betreibbar sind.
Elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektroenergiesystem (2) aus einem Niederspannungs-Gleichstrommotor als elektromotorischen Bewegungsantrieb (4) für eine schraubende Bewegungs- und Spannspindel (8), mit der zwei, jeweils zueinander eine lineare zentrierende Bewegung ausführende Spannbacken beweglich angeordnet sind.
Elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodul (3) • ein Akku, ein anderes strukturiertes Batteriestapelelement oder ein Einzelelement mit energetischer Sicherheitsreserve ist, welches in einer Box sicher gekapselt aufgenommen und gehalten, • in einem Spannbacken-Halte- und Führungskörper (5) integriert oder eingehaust, • an stirnseitigen Außenflächen oder in einem mittigen Hohlraum eines Aufspannkörpers (11), der eine Grundplatte oder ein Körper mit Mehrseitenausbildung, ist und fremdenergieunabhängig • mindestens über jeweils einen Niederspannungs-Gleichstrommotor, eine schraubende Bewegungs- und Spannspindel (8) für den Antrieb mindestens einer beweglichen Spannbacke (6) sowie die Spannkrafterzeugung und • ein Steuermodul mit Mikrotaster und Sensoren, Auswerteeinheit sowie geeigneten Signalübertragungswegen für die Steuersignale verfügt und • die Sendung sowie den Empfang von Auswerte- und Steuerfunksignalen durch jeweils angeordnete Sender (9) und Empfänger (10) elektroenergetisch ermöglicht.
Elektromechanische Werkstück-Spanneinrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig • mit zwei Mikrotastern und/oder elektronischen Sensoren die beiden Endstellungen „Hubendlage gelöst“ und „Hubendlage gespannt“ der beweglichen Spannbacke (6) als zutreffend oder als nicht zutreffend anzeigbar, • mit einem Sensor, vorzugsweise einem Hallsensor die Spindeldrehung der Bewegungs- und Spannspindel (8) in stufenlos einstellbaren Schwenkstellungen feststellbar sind, und • mit dem Steuermodul und einem zugehörigen Sensor die an der Spannfläche der beweglichen Spannbacke (6) wirksame Spannkraft eines Niederspannungs-Gleichstrommotors feststellbar und koordiniert steuerbar ist.
Autarkes Werkstück-Spannverfahren für in elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen nach Patentanspruch 1 bis 4 aufgenommene und zu bearbeitende Werkstücke, als Teil eines Verfahrensablaufes einer dezentral gesteuerten selbstorganisiert spanenden Teile-Fertigung auf einer industriellen Produktionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeweils nur einem Niederspannungs-Gleichstrommotor gleichzeitig in einer elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtung (1) sowohl mindestens • ein Werkstück, an einer festen Spannbacke (7) positioniert anliegend, von einer beweglichen Spannbacke (6) mit einer festgelegten Spannkraft fixiert und gespannt ist, • alle Spannzustandsinformationen der beweglichen Spannbacke(n) (6) als „Endstellung gespannt“, „Endstellung gelöst“, Spannkraft am Werkstück und an der festen Spannbacke (7) in einer zuvor bestimmten Größenordnung, vorhanden und anliegend festgestellt sind und • ein aktueller elektrischer Ladezustand eines autarken Elektroenergiespeicher- und Versorgungsmodules (3) in ausreichender Größe vorhanden ist, sensorisch erfasst ist und alle Zustandsinformationen als vernetzte Daten andauernd, getaktet oder auf Anforderung den Steuerungen mindestens einer Produktionsmaschine, eines Werkstück-Handlingsroboters sowie einem Bedienstandcomputer als aktive und wechselseitig gerichtete Kommunikation mit diesen, als Funksignale gesendet und aktorische Handlunginformationen von diesen als Funksignale empfangen werden und dass mit einem autark strukturierten Elektroenergiesystem (2) einer elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtung, die für einen dezentralen kommunizierenden, intelligent kontrollierenden sowie selbstorganisiert steuerbaren Verfahrensablauf benötigte Elektroenergie als Niedrigspannung autark und fremdenergieunabhängig bereitstellt, ist.
Autarkes Werkstück-Spannverfahren für in elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtungen nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeweils nur einem Niederspannungs-Gleichstrommotor gleichzeitig in einer elektromechanischen Werkstück-Spanneinrichtung (1) sowohl mindestens ein Werkstück, an einer beweglichen Spannbacke (7) positioniert anliegend, von einer weiteren beweglichen Spannbacke (6) mit einer zuvor festgelegten Spannkraft fixiert und gespannt ist, wobei von beiden Spannbacken eine zentrierende lineare Bewegung ausgeführt zueinander wird.