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Die Erfindung betrifft ein Spannsystem zum Spannen von Werkstücken, eine Bearbeitungsmaschine und ein Verfahren zum Spannen eines Werkstücks.
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Spannsysteme sind grundsätzlich bekannt. Ein Spannsystem stellt das Bindeglied zwischen dem Maschinentisch einer Bearbeitungsmaschine und dem zu bearbeitenden Werkstück dar. Mit dem Spannsystem wird das Werkstück in einer definierten Position gehalten, währenddessen das Werkstück mit der Bearbeitungsmaschine bearbeitet werden kann. In der Serienfertigung von Werkstücken hat sich herausgestellt, dass einfache, mechanische und flexible Spannprinzipien, beispielsweise mittels Spannpratzen oder herkömmlicher mechanischer Spannvorrichtungsbaukästen, nicht die erforderliche Effizienz haben, da der Spann- und Rüstaufwand oftmals hoch ist. In der Serien- und Massenfertigung werden daher in der Regel speziell auf ein Werkstück angepasste Spannsysteme vorgesehen.
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Speziell angepasste Spannsysteme weisen verschiedene Vorteile auf: Üblicherweise können leistungsfähigere Prozessparameter verwendet werden, da das Werkstück schnell und sicher in eine vordefinierte Position gebracht und von angepassten Spannelementen besser gehalten wird. Der Spannprozess kann darüber hinaus gut automatisiert werden. Derartige Spannsysteme haben hingegen den Nachteil, dass diese unflexibel sind. In der Regel können diese ausschließlich für ein Werkstück mit einer definierten Werkstückgeometrie für eine Spannposition verwendet werden, für das das Spannsystem speziell entwickelt wurde.
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Darüber hinaus sind diese Spannsysteme üblicherweise auf eine vordefinierte Bearbeitungsaufgabe ausgelegt, so dass auch keine andere Bearbeitungsaufgabe mit dem entsprechenden Spannsystem erfolgen kann. Darüber hinaus sind solche Spannsysteme mit hohen Kosten für die Entwicklung und Bereitstellung verbunden. Außerdem ist die Erstellung derartiger Spannsysteme zeitaufwändig. Unternehmen halten häufig eine große Anzahl von Spannsystemen für spezifische Bearbeitungsaufgaben für spezifische Werkstücke bereit, wodurch oftmals viel Kapital in den speziellen Spannsystemen gebunden ist. Auch die Lagerkosten für die üblicherweise hohe Anzahl an Spannsystemen in Fertigungsbetrieben sind hoch. Wenn ein Werkstück bearbeitet werden soll, muss in der Regel das passende Spannsystem aus einem Lager zur Bearbeitungsmaschine verbracht und vorbereitet werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Spannsystem zum Spannen von Werkstücken, eine Bearbeitungsmaschine und ein Verfahren zum Spannen eines Werkstücks bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine effizientere Fertigung ermöglicht. Zumindest ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Spannsystem bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst durch ein Spannsystem zum Spannen von Werkstücken, umfassend eine in einer Bearbeitungsmaschine anordenbare Spannplattform mit einem Versorgungssystem zur Bereitstellung mindestens eines Versorgungsmediums, eine erste Spanneinheit für ein erstes Werkstück mit einer ersten Werkstückgeometrie, ein mit dem Versorgungsmedium ansteuerbares Universalspannelement zum Fixieren eines ersten Werkstücks auf der ersten Spanneinheit und eines zweiten Werkstücks auf einer zweiten Spanneinheit, das mit dem Versorgungssystem koppelbar ist, und wobei die erste Spanneinheit eine erste Kopplungsschnittstelle zum Befestigen des Universalspannelements umfasst, wobei das Universalspannelement an der ersten Kopplungsschnittstelle lösbar befestigt ist und eingerichtet ist, das erste Werkstück in einer ersten Spannposition zu fixieren.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Spannsystem einerseits einfache, kostengünstige Bestandteile und andererseits komplexe, kostenintensive Bauteile umfasst. Im Stand der Technik umfasst jedes einzelne Spannsystem die einfachen und die komplexen Bauteile, welche im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht voneinander getrennt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein im Vorherigen beschriebenes Spannsystem diese im Stand der Technik bestehenden Nachteile vermeidet. In geschickter Weise ermöglicht das Spannsystem die Wiederverwendung der komplexen Bauteile, nämlich der Spannplattform und der Universalspannelemente für eine Vielzahl an Werkstücken. Lediglich die einfachen, kostengünstigen Bauteile, nämlich die erste Spanneinheit mit der ersten Kopplungsschnittstelle, werden im Wesentlichen für jedes Werkstück individuell bereitgestellt.
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Die Wiederverwendung der komplexen Bauteile hat neben dem Kostenvorteil ferner den Vorteil einer einfacheren Automatisierung, da die Spannplattform und die Universalspannelemente in der Regel in der Bearbeitungsmaschine verbleiben können. Hierdurch können insbesondere letztgenannte automatisiert von der ersten Kopplungsschnittstelle entnommen werden und im Anschluss an eine Kopplungsschnittstelle einer weiteren Spanneinheit angeordnet werden.
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In der Praxis erfolgt die Anwendung des Spannsystems derart, dass beim Wechsel einer Bearbeitungsaufgabe die Universalspannelemente von der ersten Spanneinheit entkoppelt werden. Die Universalspannelemente können jedoch weiterhin mit dem Versorgungssystem und/oder der Spannplattform selber verbunden bleiben. Lediglich die erste Spanneinheit wird von der Spannplattform getrennt und aus der Bearbeitungsmaschine herausgenommen. Im Anschluss kann eine weitere, beispielsweise zweite Spanneinheit auf der Spannplattform angeordnet werden. Lediglich die Universalspannelemente müssen an den Kopplungsschnittstellen dieser weiteren Spanneinheit befestigt werden und das weitere Werkstück kann mit den Universalspannelementen wieder fixiert werden.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass die zweite Spanneinheit außerhalb der Bearbeitungsmaschine oder des Bearbeitungsraumes der Bearbeitungsmaschine mit geeigneten weiteren Universalspannelementen mit Versorgungsleitungen zur Kopplung mit dem Versorgungssystem gerüstet wird, Versorgungsleitungen für die ersten Universalspannelemente von der Spannplattform gelöst werden, die erste Spanneinheit aus der Bearbeitungsmaschine oder dem Bearbeitungsraum entfernt wird, die zweite Spanneinheit in der Bearbeitungsmaschine oder dem Bearbeitungsraum angeordnet wird und die Versorgungsleitungen der weiteren Universalspannelemente mit der Spannplattform gekoppelt werden. Das Koppeln der Versorgungsleitungen kann über den Anschluss von Schläuchen erfolgen, oder erfolgt automatisch zusammen mit dem Anordnen des Universalspannelements an einer Kopplungsstelle der Spanneinheit, wenn die Grundplatte entsprechend mit einem internen Zuleitungssystem versehen ist. Das interne Zuleitungssystem der Grundplatte wird in diesem Fall beim Anordnen der Spanneinheit auf der Spannplattform über entsprechende Kupplungen zeitgleich angekoppelt.
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Die weitere Bearbeitung kann für ein zweites Werkstück oder für das erste Werkstück in einer anderen Spannposition erfolgen. Darüber hinaus kann auch die erste Spanneinheit wiederverwendet werden, beispielsweise wenn diese eingerichtet ist, ein zweites Werkstück aufzunehmen oder auch das erste Werkstück in einer anderen Position aufzunehmen. In all diesen Anwendungsfällen wird jedoch der Austausch der kostenintensiven Bauteile vermieden, da diese wiederverwendet werden. Ferner kann auch die Spannplattform auf einer austauschbaren Palette angeordnet werden, wenn die Palette entsprechende Anschlüsse für das Versorgungssystem aufweist.
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Ein weiterer Vorteil des Spannsystems liegt darin, dass für ein neues Werkstück lediglich die Spanneinheit neugestaltet werden wird. Die Gestaltung einer weiteren Spanneinheit kann in kurzer Zeit erfolgen. Insbesondere ist diese Zeit um ein Vielfaches geringer als die Zeit für die Erstellung eines im Stand der Technik bekannten Spannsystems. Die Spannsystemkosten je neuem Werkstück werden somit reduziert. Darüber hinaus sind die Rüstzeiten geringer, da lediglich ein Teil des Spannsystems ausgetauscht werden muss. Ein weiterer Vorteil des Spannsystems ist der, dass der Rüstprozess gut automatisierbar ist.
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Die Spannplattform weist das Versorgungssystem zur Bereitstellung mindestens eines Versorgungsmediums auf. Wie im weiteren Verlauf noch näher erläutert wird, kann das Versorgungsmedium beispielsweise ein Hydraulikfluid sein. Das Versorgungssystem ist insbesondere derart ausgebildet, dass dieses das mindestens eine Versorgungsmedium dem Universalspannelement der ersten Spanneinheit bereitstellt. Die Spannplattform ist insbesondere derart ausgebildet, dass diese mit dem mindestens einen Versorgungsmedium versorgt werden kann, beispielsweise durch Zuleitungen von der Bearbeitungsmaschine aus. Das Versorgungssystem kann darüber hinaus modular ausgebildet sein. Es kann vorteilhaft sein, eine mit entsprechend benötigter Ventiltechnik versehene Kupplungsbatterie mit der Spannplattform zu verbinden, wobei die Kupplungsbatterie als modulares Teilversorgungssystem wirkt.
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Das Universalspannelement ist eingerichtet, an der ersten Spanneinheit lösbar befestigt zu werden. Das Universalspannelement umfasst vorzugsweise Mittel zum Koppeln des Universalspannelements mit der ersten Kopplungsschnittstelle. Es ist bevorzugt, dass das Universalspannelement auf einer der ersten Spanneinheit zugewandten Seite eine zur ersten Kopplungsschnittstelle korrespondierende Ausnehmung aufweist. Die Ausnehmung weist vorzugsweise einen U- und/oder V-förmigen Querschnitt auf. Innerhalb der Ausnehmung können erste Führungsnuten ausgebildet sein, die mit zweiten Führungsnuten oder Auskragungen der Kopplungsschnittstelle korrespondieren. Es ist insbesondere bevorzugt, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Universalspannelement und der ersten Kopplungsschnittstelle in mindestens einer ersten Richtung ausgebildet wird. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die erste Richtung orthogonal zu der flächigen Erstreckung der ersten Spanneinheit und/oder der ersten Grundplatte ausgerichtet ist.
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Es ist bevorzugt, dass das Universalspannelement mindestens zwei Bolzenelemente und die erste Kopplungsschnittstelle zwei korrespondierende Ausnehmungen aufweist, wobei vorzugsweise die Bolzenelemente und/oder die Ausnehmungen zur Ausbildung einer Passung konisch ausgebildet sind, und ferner vorzugsweise die erste Spanneinheit Mittel zum Koppeln des Universalspannelements mit der ersten Kopplungsschnittstelle aufweist.
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Es ist ferner bevorzugt, dass das Universalspannelement auf die erste Kopplungsschnittstelle in einer Kopplungsrichtung aufgeschoben werden kann. Die Kopplungsrichtung ist vorzugsweise parallel zu einer flächigen Erstreckung der ersten Spanneinheit und/oder der ersten Grundplatte ausgerichtet. Die Befestigung des Universalspannelements an der ersten Kopplungsschnittstelle erfolgt vorzugsweise mit dem Versorgungsmedium, sodass eine mechanische Verbindung ausgebildet wird. Insbesondere kann dies mittels hydraulisch oder pneumatisch angesteuerten Spanntöpfen und/oder Spannringen und/oder Spannbolzen an dem Universalspannelement erfolgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Universalspannelement und/oder die erste Kopplungsschnittstelle eine Kniehebel- und/oder Exzentereinheit aufweist bzw. aufweisen, die eingerichtet ist, das Universalspannelement prozesssicher an der ersten Kopplungsschnittstelle zu befestigen. Darüber hinaus kann das Universalspannelement mittels Schrauben befestigt werden, wobei beispielsweise T-Nuten oder Löcher verwendet werden. Darüber hinaus kann das Universalspannelement mittels einer Rastbolzeneinheit befestigt werden.
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Darüber hinaus kann bzw. können das Universalspannelement und/oder die erste Kopplungsschnittstelle ausgebildet sein, eine vakuumtechnische und/oder magnettechnische Verbindung auszubilden.
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Das Ansteuern des Universalspannelements mit dem Versorgungsmedium bedeutet insbesondere, dass das Versorgungsmedium eine Klemmwirkung des Universalspannelements zur Fixierung des ersten Werkstücks bewirkt und/oder aufhebt. Es ist ferner bevorzugt, dass das Spannsystem zwei oder mehr Universalspannelemente aufweist.
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Die erste Spanneinheit ist vorzugsweise eingerichtet, um das erste Werkstück mit der ersten Werkstückgeometrie zu positionieren. Das Positionieren eines Werkstückes beinhaltet in der Regel die geometrisch bestimmte Positionierung an der ersten Spanneinheit. Das Positionieren kann auch durch eine definierte Spannreihenfolge von zwei oder mehr Universalspannelementen erfolgen. Ferner kann das Positionieren durch linear verschiebbare Positionierelemente erfolgen. Das Positionieren umfasst hingegen im Wesentlichen nicht das Fixieren, dieses erfolgt mit dem Universalspannelement. Die erste Spanneinheit ist vorzugsweise eingerichtet, dass auf dieser das erste Werkstück außerhalb der Bearbeitungsmaschine positioniert werden kann. Hierfür kann die erste Spanneinheit ferner Positionierkraftelemente aufweisen, die das erste Werkstück mit einer Positionierkraft in der ersten Spannposition halten.
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Um ein hauptzeitparalleles Rüsten zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass die Spannplattform auf einer Palette angeordnet ist und das Werkstück außerhalb einer Maschine gespannt werden kann. Zur Bereitstellung des Versorgungsmediums bestehen verschiedene Möglichkeiten. Die Palette wird mit der Spannplattform aus der Maschine genommen und auf einer speziell gestalteten Befüllstation angeordnet, die über eine ähnliche Medienversorgung wie die Bearbeitungsmaschine verfügt. Ein an einer Befüllstation befindlicher Füllrüssel fährt sich an eine hierfür vorgesehene Kupplung an der Spannplattform an und versorgt diese mit dem benötigten Versorgungsmedium. Dies kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Bearbeitungsmaschine stattfinden. Die Medienversorgung wird manuell oder automatisiert über Schläuche, Kabel, Kopplungsstellen oder Ähnliches durch einfache Kupplungsverbindungen mit den entsprechend benötigten Versorgungsmedien realisiert.
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Die Kupplungen in oder neben den Nullpunktverbindungen sind prinzipiell geeignet, den Druck aufrecht zu erhalten, wenn die Palette abgekoppelt wird. Vorteilhaft ist es, einen Druckspeicher und/oder Rückschlagventiltechnik in dem Hydrauliksystem der Platte zu integrieren.
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Die erste Spanneinheit umfasst ferner die erste Kopplungsschnittstelle. Die Kopplungsschnittstelle ist eingerichtet, um das Universalspannelement zu befestigen. Das Universalspannelement kann an der ersten Kopplungsschnittstelle lösbar befestigt werden. Ferner ist das Universalspannelement in seiner durch die erste Kopplungsschnittstelle definierten Position derart eingerichtet, um das erste Werkstück in der ersten Spannposition zu fixieren. Der Positionierungsschritt erfolgt vorzugsweise durch die erste Spanneinheit und das Fixieren erfolgt durch das Universalspannelement. Es ist darüber hinaus auch denkbar, dass das Universalspannelement das Werkstück positioniert.
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Die Kopplungsschnittstelle weist vorzugsweise Leitungen zum Hindurchführen des Versorgungsmediums auf. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn das Versorgungsmedium durch die erste Spanneinheit und/oder die erste Grundplatte hindurchgeführt ist. Die erste Kopplungsschnittstelle kann auch einen Abstandhalter umfassen, sodass ein Kopplungsbereich zwischen erster Kopplungsschnittstelle und Universalspannelement von der Oberfläche der ersten Grundplatte beabstandet ist. Mit dem Abstandhalter kann modular realisiert werden, dass die Universalspannelemente das Werkstück auf unterschiedlichen Höhen spannen, wenn dies die Geometrie des Werkstücks erfordert, ohne dass die Universalspannelemente spezifisch angepasst werden müssen.
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In einer bevorzugten Fortbildung des Spannsystems ist vorgesehen, dass die erste Spanneinheit eine erste Grundplatte umfasst, auf der die erste Kopplungsschnittstelle angeordnet ist. Die erste Grundplatte kann als durchgehende Platte ausgebildet sein. Alternativ kann die erste Grundplatte auch als ein Gitter ausgebildet sein. Darüber hinaus kann die Grundplatte würfelförmig, pyramidenförmig, turmartig oder mit einer anderen geeigneten Geometrie ausgebildet sein. Insbesondere ist die erste Grundplatte eingerichtet, um auf dieser die erste Kopplungsschnittstelle anzuordnen. Wie im weiteren Verlauf erläutert, kann die erste Grundplatte auch Nuten oder Löcher aufweisen.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Spannsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Spanneinheit zur lösbaren Befestigung an der Spannplattform eingerichtet ist. In dieser bevorzugten Ausführungsvariante sind die Spannplattform und die erste Spanneinheit zwei separate Einheiten. Die Spannplattform ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass auf dieser die erste Spanneinheit lösbar befestigt werden kann. Die Spannplattform weist hierfür vorzugsweise eine horizontale Auflagefläche auf. Ferner weist die Spannplattform vorzugsweise Mittel zum Befestigen der Spanneinheit auf. Die erste Spanneinheit ist angeordnet und ausgebildet, um lösbar an der Spannplattform befestigt zu werden. Beispielsweise kann die Spannplattform Nullpunktspanntöpfe und die Spanneinheit zu diesen Spanntöpfen korrespondierende Spannbolzen aufweisen, so dass die erste Spanneinheit mit den Spannbolzen innerhalb der Spanntöpfe der Spannplattform befestigt wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Spannsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Spanneinheit integral mit der Spannplattform ausgebildet ist. Die erste Spanneinheit und die Spannplattform sind in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen eine einzelne Einheit, die vorzugsweise nicht zerstörungsfrei voneinander getrennt werden können. Integral kann auch bedeuten, dass die erste Spanneinheit und die Spannplattform im Betrieb des Spannsystems im Wesentlichen nicht trennbar ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Fortbildung des Spannsystems ist vorgesehen, dass dieses eine zweite Spanneinheit für ein zweites Werkstück mit einer zweiten Werkstückgeometrie umfasst, wobei die zweite Spanneinheit zur lösbaren Befestigung an der Spannplattform eingerichtet ist, umfassend eine zweite Kopplungsschnittstelle zum Befestigen des Universalspannelements, wobei das Universalspannelement an der zweiten Kopplungsschnittstelle lösbar befestigt ist und eingerichtet ist, das zweite Werkstück in einer zweiten Spannposition zu fixieren, wobei vorzugsweise die zweite Kopplungsschnittstelle auf einer zweiten Grundplatte angeordnet ist.
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Durch die zweite Spanneinheit für ein zweites Werkstück mit einer zweiten Werkstückgeometrie wird ein modulares Spannsystem ausgebildet. Die zweite Spanneinheit kann alternativ oder ergänzend auch für das erste Werkstück in einer zweiten Spannposition ausgebildet sein. Die zweite Spanneinheit ist derart eingerichtet, dass an dieser das Universalspannelement anordenbar ist und mit diesem das zweite Werkstück in der zweiten Spannposition fixierbar ist. Das Spannsystem umfasst somit die festen Bestandteile, nämlich die Spannplattform und das Universalspannelement, und die austauschbaren Bestandteile, nämlich die erste Spanneinheit und die zweite Spanneinheit. Hierdurch wird in vorteilhafterweise eine Modularisierung geschaffen, die gegenüber dem Stand der Technik eine schnelle Umrüstung ermöglicht, geringere Spannsystemkosten erzeugt und darüber hinaus in vorteilhafterweise automatisierbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Spannsystems zeichnet sich dadurch aus, dass das Versorgungssystem ein hydraulisches Versorgungssystem ist oder umfasst und das Versorgungsmedium ein Hydraulikfluid ist, und insbesondere das Universalspannelement mit dem Hydraulikfluid ansteuerbar ist.
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Ein hydraulisches Versorgungssystem und ein als Hydraulikfluid ausgebildetes Versorgungsmedium haben den Vorteil, dass eine Hydraulikversorgung in einer Vielzahl von handelsüblichen Bearbeitungsmaschinen vorhanden ist. Somit können vorhandene Anschlüsse von Bearbeitungsmaschinen für die Versorgung des Spannsystems genutzt werden und es sind keine zusätzlichen Installationen in der Bearbeitungsmaschine erforderlich. Darüber hinaus bietet Hydraulikfluid vorteilhafte Eigenschaften beim Ansteuern von Universalspannelementen, beispielsweise können aufgrund der annähernden Inkompressibilität des Hydraulikfluids die für eine leistungsfähige Bearbeitung notwendigen hohen Spannkräfte erzeugt und übertragen werden. Bei der Hydraulik ist beispielsweise im Vergleich zu elektrischen Systemen kein aufwendiger mechanischer Wandler, insbesondere ein Getriebe, erforderlich, um aus den geringen elektromagnetischen Kräften über signifikante Wege die erforderlichen Kräfte zu erzeugen. Die Universalspannelemente werden somit kompakter und robuster, was vorteilhaft bei der modularen wiederverwendbaren Lösung ist, bei der begrenzte Raumverhältnisse die Regel sind.
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Ferner können Rückkopplungen des Hydraulikfluids von der Spannstelle in vorteilhafterweise zur Prozessanalyse und -überwachung genutzt werden. Das Hydraulikfluid liegt bei Raumtemperatur vorzugsweise in flüssiger Form vor. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Hydraulikfluid Öl ist.
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Ferner kann es bevorzugt sein, dass das Versorgungssystem ein pneumatisches Versorgungssystem ist oder umfasst und das Versorgungsmedium ein Pneumatikfluid ist, und insbesondere das Universalspannelement mit dem Pneumatikfluid ansteuerbar ist. Ein pneumatisches Versorgungssystem und ein als Pneumatikfluid ausgebildetes Versorgungsmedium hat ebenfalls den Vorteil, dass bei vielen bestehenden Bearbeitungsmaschinen bereits Pneumatikversorgungen vorhanden sind. Darüber hinaus kann ein Pneumatikfluid für bestimmte Spannaufgaben vorteilhaft sein, insbesondere wenn geringe Spannkräfte erforderlich sind. Das Pneumatikfluid kann beispielsweise Luft sein.
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Das Pneumatikfluid hat den Vorteil, dass es auch für weitere Funktionen beispielsweise zur Abfuhr von Spänen oder zur Reinigung, insbesondere von Positionierungselementen, verwendet werden kann. Ferner kann das Pneumatikfluid zur Positionsabfrage von Werkstücken und/oder zur Prüfung einer Spannung von Nullpunktspanntöpfen verwendet werden. Darüber hinaus kann das Pneumatikfluid in vorteilhafterweise als Sperrluft verwendet werden, um beispielsweise ein sicheres Anliegen von Werkstücken an Anschlägen zu gewährleisten. Insbesondere ist dies bei Bearbeitungsaufgaben bevorzugt, bei denen vergleichsweise kleine Späne anfallen, beispielsweise bei der Bearbeitung bestimmter Nickelbasislegierungen.
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Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Spannsystems zeichnet sich dadurch aus, dass das Versorgungssystem ein elektrisches Versorgungssystem ist oder umfasst und das Versorgungsmedium elektrischer Strom und/oder elektrische Signale ist bzw. sind, und insbesondere das Universalspannelement mit dem elektrischen Strom und/oder den elektrischen Signalen ansteuerbar ist und/oder mit informationstragenden Daten versorgt und/oder die informationstragenden Daten bereitstellt.
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Auch elektrische Versorgungssysteme und als elektrischer Strom ausgebildete Versorgungsmedien und/oder als elektrische Signale ausgebildete Versorgungsmedien können in vorteilhafterweise genutzt werden. Das Universalspannelement kann beispielsweise elektrisch betrieben werden. Darüber hinaus können mittels der elektrischen Signale Informationen weitergegeben und/oder empfangen werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Versorgungssystem eine Kombination aus einem hydraulischen Versorgungssystem, einem pneumatischen Versorgungssystem und/oder einem elektrischen Versorgungssystem ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass das Versorgungssystem das elektrische Versorgungssystem neben dem pneumatischen oder dem hydraulischen Versorgungssystem umfasst, damit neben der Versorgung des Universalspannelements mit einem Versorgungsmedium zur Erzeugung von Spannkräften zusätzlich Informationen, insbesondere datenbasierte Informationen, vorzugsweise in Form von elektrischen Signalen, empfangen und/oder verwendet werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Fortbildung des Spannsystems ist vorgesehen, dass die erste Spanneinheit ein erstes Positionierungselement, insbesondere ein erster Anschlag und/oder eine erste Führung, zum Positionieren des ersten Werkstücks in der ersten Spannposition umfasst, und vorzugsweise das erste Positionierungselement auf der ersten Grundplatte angeordnet ist, und/oder die zweite Spanneinheit ein zweites Positionierungselement, insbesondere ein zweiter Anschlag und/oder eine zweite Führung, zum Positionieren des zweiten Werkstücks in der zweiten Spannposition umfasst, und vorzugsweise das zweite Positionierungselement auf der zweiten Grundplatte angeordnet ist.
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Mit dem ersten Positionierungselement kann das erste Werkstück in der ersten Spannposition positioniert werden, insbesondere vorpositioniert werden. Dies hat den Vorteil, dass das erste Werkstück beispielsweise auf der ersten Spanneinheit unabhängig von der Spannplattform und/oder der Bearbeitungsmaschine in vorteilhafterweise positioniert werden kann. D.h. ein Bearbeiter oder eine automatisierte Lösung kann das erste Werkstück an der ersten Spanneinheit mittels des ersten Positionierungselements positionieren.
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Es ist insbesondere bevorzugt, dass zwei oder mehr erste Positionierungselemente von der ersten Spanneinheit umfasst werden. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die ersten Positionierungselemente derart angeordnet und ausgebildet sind, dass das erste Werkstück in der ersten Spannposition geometrisch bestimmt positioniert ist. Die erste Spanneinheit umfasst ferner vorzugsweise ein erstes Halteelement, dass das erste Werkstück in der ersten Spannposition nach Positionierung in der ersten Spannposition hält. Dies kann beispielsweise eine Feder oder eine federkraftbeaufschlagte Kugel sein.
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In analoger Weise weist die zweite Spanneinheit vorzugsweise das zweite Positionierungselement zum Positionieren des zweiten Werkstücks in der zweiten Spannposition auf. Vorzugsweise umfasst auch die zweite Spanneinheit zwei oder mehr zweite Positionierungselemente und ferner vorzugsweise ein zweites Halteelement.
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Ferner kann auch die erste Spanneinheit ein zweites Positionierungselement und/oder weitere Positionierungselemente, insbesondere mehrere Positionierungselemente, aufweisen, um das erste Werkstück und/oder das zweite Werkstück in einer von der ersten Spannposition und/oder von der zweiten Spannposition verschiedenen Spannposition zu positionieren. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, die erste Spanneinheit mit geringem Aufwand derart zu rekonfigurieren, dass die Universalspannelemente an einer zweiten Position für eine zweite Spannposition versetzt werden, kann gegenüber dem Stand der Technik bereits eine einzelne erste Spanneinheit für ein größeres Bearbeitungsspektrum genutzt werden, als es Spezialvorrichtungen in der Regel erlauben.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems ist vorgesehen, dass die erste Spanneinheit mehrere erste Positionierungselemente aufweist, die angeordnet und ausgebildet sind, das erste Werkstück statisch bestimmt zu positionieren, insbesondere durch ein erstes Sechspunktnest, und vorzugsweise ein erstes Federelement zum Positionieren und/oder Halten des ersten Werkstücks in der ersten Spannposition umfasst, und/oder die zweite Spanneinheit mehrere zweite Positionierungselemente aufweist, die angeordnet und ausgebildet sind, das zweite Werkstück statisch bestimmt zu positionieren, insbesondere durch ein zweites Sechspunktnest, und vorzugsweise ein zweites Federelement zum Positionieren und/oder Halten des zweiten Werkstücks in der zweiten Spannposition umfasst.
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Ein Sechspunktnest zeichnet sich durch eine Positionierung eines Werkstücks an drei Punkten in einer ersten Richtung, eine Positionierung an zwei Punkten in einer zweiten Richtung und eine Positionierung an einem Punkt in einer dritten Richtung auf, wobei die erste, zweite und dritte Richtung jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Durch eine derartige Positionierung ist das erste Werkstück in der Regel statisch bestimmt positioniert, da dem ersten Werkstück auf diese Art und Weise seine drei translatorischen und drei rotatorischen geometrischen Freiheitsgrade auf eine eindeutige Weise entzogen werden. Das erste Federelement wirkt auf das erste Werkstück vorzugsweise derart ein, dass dieses das erste Werkstück in der ersten Spannposition hält. Eine derartige Ausbildung unterstützt die Möglichkeit einer externen Positionierung des Werkstückes auf der ersten Spanneinheit.
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In analoger Weise kann die zweite Spanneinheit mehrere zweite Positionierungselemente aufweisen, die ebenfalls als ein Sechspunktnest angeordnet sind. In analoger Weise gelten die weiteren Merkmale und die im Vorherigen genannten Vorteile zum ersten Sechspunktnest an der ersten Spanneinheit.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems ist vorgesehen, dass die Spannplattform, insbesondere das Versorgungssystem, mindestens eine Kupplung aufweist, wobei die Kupplung mit dem Universalspannelement mittels mindestens einem Leitungselement zur Übertragung des Versorgungsmediums verbindbar ist, und vorzugsweise das mindestens eine Leitungselement ein Hydraulikschlauch, ein Pneumatikschlauch und/oder eine elektrische Leitung ist oder umfasst.
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Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Kupplung dauerhaft und vorzugsweise lösbar mit dem Universalspannelement mittels dem mindestens einen Leitungselement verbunden ist. Das Universalspannelement kann somit von der ersten und zweiten Spanneinheit demontiert werden, obwohl die Verbindung zu der Kupplung bestehen bleibt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Kupplung zwei Anschlüsse aufweist und das Universalspannelement ebenfalls zwei Anschlüsse aufweist, und jeweils ein Anschluss mit einem Leitungselement verbunden ist, so dass insgesamt zwei Leitungselemente vorgesehen sind. Auf diese Weise können vorteilhaft auch doppeltwirkende hydraulische Universalspannelemente verwendet werden, die eine kompaktere Bauform und eine höhere Lebensdauer als einfach wirkende hydraulische Universalspannelemente aufweisen, die auf einem Federrückzug basieren. Daher ist bei dieser bevorzugten Ausführungsvariante ferner bevorzugt, dass die Universalspannelemente doppeltwirkend, insbesondere hydraulisch doppelwirkend, ausgebildet sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems ist vorgesehen, dass die Spannplattform eine Versorgungsschnittstelle zur Verbindung mit einer korrespondierenden Empfangsschnittstelle der ersten Spanneinheit und/oder der zweiten Spanneinheit aufweist, wobei die Verbindung durch bestimmungsgemäßes Befestigen der ersten Spanneinheit und/oder der zweiten Spanneinheit an der Spannplattform ausgebildet wird, und die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit jeweils ein mit der Empfangsschnittstelle gekoppeltes Leitungssystem aufweist, wobei das Leitungssystem angeordnet und ausgebildet ist, das Universalspannelement mit dem Versorgungsmedium zu versorgen, wenn dieses an der ersten Kopplungsschnittstelle oder an der zweiten Kopplungsschnittstelle befestigt ist, sodass das Universalspannelement mit dem Versorgungsmedium ansteuerbar ist.
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Diese Ausführungsvariante ist eine Ergänzung oder Alternative zu der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvariante mit einem Leitungselement. In dieser Ausführungsvariante wird das Versorgungsmedium durch die Spannplattform und die erste Spanneinheit hin zu dem Universalspannelement verbracht, wofür vorzugsweise keine externen Leitungselemente erforderlich sind. Hierfür weist die Spannplattform eine Versorgungsschnittstelle auf. Die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit weist bzw. weisen eine zu der Versorgungsschnittstelle korrespondierende Empfangsschnittstelle auf. Das bedeutet insbesondere, dass das an der Versorgungsschnittstelle anliegende Versorgungsmedium mittels der Empfangsschnittstelle zur ersten Spanneinheit bzw. zweiten Spanneinheit geleitet werden kann. In einer bevorzugten Fortbildung weist die erste Spanneinheit eine erste Empfangsschnittstelle und die zweite Spanneinheit eine zweite Empfangsschnittstelle auf.
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Eine Verbindung zwischen der Versorgungsschnittstelle und der Empfangsschnittstelle wird durch bestimmungsgemäßes Befestigen der ersten Spanneinheit bzw. der zweiten Spanneinheit an der Spannplattform ausgebildet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Spanneinheit bzw. die zweite Spanneinheit auf die Spannplattform gesetzt wird und somit die Verbindung zwischen Versorgungsschnittstelle und Empfangsschnittstelle ausgebildet wird.
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Die erste Spanneinheit bzw. die zweite Spanneinheit weisen jeweils ein mit der Empfangsschnittstelle gekoppeltes Leitungssystem auf. Das Leitungssystem umfasst vorzugsweise Leitungen, die insbesondere im Inneren der ersten Spanneinheit bzw. der zweiten Spanneinheit angeordnet sind und von der Empfangsschnittstelle hin zu der ersten bzw. zweiten Kopplungsschnittstelle führen. Die Kopplungsschnittstelle weist vorzugsweise Mittel zum Übertragen des Versorgungsmediums an das Universalspannelement auf, die vorzugsweise als Leitungen ausgebildet sind. Durch dieses Leitungssystem kann das Universalspannelement mit dem Versorgungsmedium versorgt werden. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass das Versorgungsmedium mittels des Leitungssystems zu der ersten Kopplungsschnittstelle der ersten Spanneinheit bzw. zu der zweiten Kopplungsschnittstelle der zweiten Spanneinheit geleitet wird. Die Spannplattform weist darüber hinaus vorzugsweise eine Maschinenschnittstelle für das Versorgungsmedium auf. An der Maschinenschnittstelle erfolgt die Zuleitung von dem Versorgungsmedium zu der Spannplattform.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems ist vorgesehen, dass diese eine Ventileinheit mit einem Anschluss umfasst, vorzugsweise mindestens zwei Anschlüsse, zur individuellen Ansteuerung von zwei oder mehr Universalspannelementen zum Einstellen individueller Zeit- und/oder Druckverläufen des Versorgungsmediums.
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Die Ventileinheit kann auch als eine Einheit mit der im Vorherigen genannten Kupplung ausgebildet sein und/oder mit dem Leitungssystem gekoppelt sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Ventileinheit mindestens zwei Anschlüsse aufweist. Mittels zwei Anschlüssen können zwei Universalspannelemente individuell angesteuert werden. Somit können insbesondere Zeit- und/oder Druckverläufe des Versorgungsmediums realisiert werden. Darüber hinaus können spezielle Bearbeitungsstrategien abgebildet werden. Beispielsweise kann an einer Klemmstelle des Universalspannelements bei Fixierung mittels des Universalspannelements keine Bearbeitung erfolgen. Für den Moment der Bearbeitung an dieser Stelle kann das Universalspannelement beispielsweise für einen Moment öffnen, so dass ein Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Fräser, hier zum Einsatz kommen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Spannplattform, die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit, vorzugsweise jeweils, ein antastbares Referenznullpunktelement aufweist bzw. aufweisen, das als Nullpunktreferenz für einen Bearbeitungsvorgang verwendbar ist, wobei vorzugsweise die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit an der Spannplattform mit einer Positionsgenauigkeit von weniger als 15 µm, insbesondere weniger als 10 µm, anordenbar ist.
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Bei geringen Genauigkeitsanforderungen bei der Bearbeitung des ersten Werkstückes bzw. des zweiten Werkstückes kann durch die bekannte Position der ersten Spanneinheit bzw. der zweiten Spanneinheit relativ zur Spannplattform und somit relativ zum Bearbeitungswerkzeug eine ausreichende Genauigkeit der Werkstückpositionierung relativ zu einem einzusetzenden Bearbeitungswerkzeug gewährleistet sein. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen der Bearbeitung ist es darüber hinaus erforderlich, dass ein Nullpunkt von der Bearbeitungsmaschine angetastet wird. Auf Basis der genauen Position des Referenznullpunktelements kann im Folgenden auf die exakte Position des Werkstückes im Bearbeitungsraum der Bearbeitungsmaschine geschlossen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems ist vorgesehen, dass die Spannplattform, die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit mittels einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindungsschnittstelle, insbesondere eines Nullpunktspannsystems, miteinander lösbar befestigbar sind, vorzugsweise die Spannplattform mindestens eine erste Verbindungseinheit der Verbindungsschnittstelle aufweist, insbesondere einen Spanntopf und/oder einen Spannring, und/oder vorzugsweise die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit jeweils auf einer nicht für die Bearbeitung zu verwendenden Seite eine zur ersten Verbindungseinheit korrespondierende, zweite Verbindungseinheit der Verbindungschnittstelle aufweist bzw. aufweisen, insbesondere einen Spannbolzen.
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Durch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindungsschnittstelle zwischen der Spannplattform und den auf der Spannplattform anzuordnenden Spanneinheiten kann eine definierte und schnelle Positionierung der Spanneinheiten relativ zu der Spannplattform gewährleistet werden. Insbesondere kann die Position des auf der Spanneinheit positionierten Werkstückes relativ zur Spannplattform und somit relativ zu der Bearbeitungsmaschine festgelegt werden. Insbesondere die Nutzung eines Nullpunktspannsystems kann zeitaufwändige Messvorgänge vermeiden oder reduzieren.
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Es ist bevorzugt, dass die Spannplattform einen Spanntopf, vorzugsweise zwei oder mehr, insbesondere vier, Spanntöpfe aufweist und die Spanneinheiten zu dem Spanntopf korrespondierende Spannbolzen aufweisen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Spannplattform vier Spanntöpfe aufweist und die Spanneinheiten jeweils vier Spannbolzen. Es ist alternativ jedoch auch möglich, dass die Spanneinheiten die Spanntöpfe aufweisen und die Spannplattform die Spannbolzen. Da die Spannbolzen jedoch in der Regel kostengünstig sind und die Spanntöpfe eher kostenintensiv, ist es sinnvoll, die kostenintensiven Spanntöpfe in der lediglich einmal zur Verfügung zu stellenden Spannplattform vorzusehen.
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Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Spannsystems zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine Steuerungseinheit umfasst, insbesondere eine speicherprogrammierbare Steuerung, die eingerichtet ist, eine Medienversorgung des Universalspannelements mit dem Versorgungsmedium zu steuern, insbesondere derart, dass in einem oder mehreren vorbestimmten oder durch die Steuerungseinheit ermittelten Zeitpunkten ein vorbestimmter Spanndruck einstellbar ist, wobei ferner vorzugsweise der Spanndruck zeitvariabel einstellbar ist, und/oder bei zwei oder mehr Universalspannelementen eine Spannreihenfolge einstellbar ist.
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Das Versehen von Spannsystemen mit Steuerungseinheiten ist üblicherweise keine wirtschaftliche Lösung, da die Steuerungseinheit für jedes einzelne Spannsystem, also zumindest für jedes einzelne Werkstück, separat und somit vielfach bereitgestellt werden müsste. Durch das im Vorherigen beschriebene Spannsystem mit einer Spannplattform, die für eine Vielzahl von Werkstücken einsetzbar ist, kann der Einsatz einer Steuerungseinheit in vorteilhafterweise genutzt werden, indem auch die Steuerungseinheit für eine Vielzahl von Werkstücken verwendet wird.
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Die Steuerungseinheit kann ferner zur Ansteuerung von komplexen Ventilsteuerungen und Sensoren sowie als Schnittstelle zum Anschluss weiterer Sensoren genutzt werden. Die Steuerungseinheit kann ferner zur Prozessüberwachung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass über eine drahtlos ausgebildete Kommunikation Informationen mit der Steuerungseinheit des Spannsystems ausgetauscht werden. Beispielsweise kann eine derartige Kommunikation mit dem Spannsystem über mobile Endgeräte, insbesondere Smartphones, erfolgen. Hiermit können beispielsweise Sensoren, wie sie im weiteren Verlauf noch näher erläutert werden, des Spannsystems ausgelesen werden.
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Darüber hinaus können spezielle Drücke eingestellt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Service- und Wartungsfunktionen softwareseitig abzubilden. In vorteilhafterweise können auch Anwendungen, insbesondere mobile Anwendungen, zur Prozessüberwachung mit einer derartigen Steuerungseinheit vorgesehen werden. Beispielsweise können mittels derartiger Auswertungen auch Werkzeugverschleiße analysiert werden, da das Spannsystem über das Versorgungsmedium präzise auszuwerten ist.
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In einer weiteren bevorzugten Fortbildung des Spannsystems ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, Eigenschaften des Versorgungsmediums, insbesondere in Form von Sensordaten, mittels Steuerungs- und/oder Regelungsalgorithmen auszuwerten und vorzugsweise die ausgewerteten Sensordaten zur Prozessüberwachung und/oder Prozessteuerung bereitzustellen. Beispielsweise können mittels eines im Folgenden beschriebenen Drucksensors und/oder anderen Sensoren Eigenfrequenzen während der Bearbeitung eines Werkstücks ausgewertet werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Spannsystems umfasst mindestens einen Spanndrucksensor, der eingerichtet ist, einen Spanndruck des Universalspannelements zu ermitteln, wobei vorzugsweise die Spannplattform, insbesondere das Versorgungssystem, den Spanndrucksensor aufweist. Der Spanndrucksensor ist ferner vorzugsweise in der Kupplung angeordnet. Darüber hinaus kann der Spanndrucksensor auch an Schnittstellen für das Versorgungsmedium angeordnet sein.
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Darüber hinaus kann das Spannsystem mindestens einen Kraftsensor und/oder mindestens einen Schwingungssensor umfassen, wobei vorzugsweise die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit den mindestens einen Kraftsensor und/oder den mindestens einen Schwingungssensor aufweist, wobei ferner vorzugsweise das Universalspannelement den Kraftsensor und/oder den mindestens einen Schwingungssensor aufweist. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Spanndrucksensor, der Kraftsensor und/oder der Schwingungssensor mit der Steuerungseinheit signaltechnisch gekoppelt ist bzw. sind.
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Ferner kann ein Beschleunigungssensor in und/oder an der Spannplattform angeordnet sein. Mit dem Beschleunigungssensor kann der dynamische Zustand der Bearbeitung erfasst werden. Beispielsweise können mit dem Beschleunigungssensor Ratterschwingungen, Instabilitäten und/oder weitere Störgrößen ausgewertet werden, sodass beispielsweise ein zu wechselndes Werkzeug identifiziert werden kann. Darüber hinaus kann auch das Universalspannelement einen Beschleunigungssensor, insbesondere einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer, oder einen Dehnmessstreifen aufweisen.
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Im Stand der Technik wird die Prozessüberwachung bei einem Bearbeitungsprozess, beispielsweise einem Fräsprozess, über die Erfassung einer Vielzahl von Daten durchgeführt. Eine Vielzahl dieser Daten wird beispielsweise an der Spindel, insbesondere einer Frässpindel, erfasst. Die Erfassung von Daten am Spannsystem ist jedoch vorteilhaft. Die Spindel weist eine Vielzahl an Störgrößen auf, beispielsweise solche, die vom Spindelantrieb emittiert werden.
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Das Spannsystem ist hingegen ein im Wesentlichen statisches System, ohne nennenswerte Störgrößen. Ferner befindet sich das Spannsystem in einem direkten Kontakt mit der zu messenden Messteile, nämlich dem Werkstück. Beispielsweise kann über Schwingungen im Spannsystem auf die Qualität des Bearbeitungsprozesses rückgeschlossen werden. Darüber hinaus können am Spannsystem beispielsweise spezifische Geräusche festgestellt werden, die auf einen gebrochenen Fräszahn schließen lassen. Insbesondere durch die Bereitstellung der Daten, die einen Spanndruck, eine Spannkraft und/oder eine Schwingung charakterisieren, kann eine Prozessüberwachung in vorteilhafterweise erfolgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit eine Kommunikationsschnittstelle aufweist, wobei die Kommunikationsschnittstelle eingerichtet ist, um Daten zu empfangen und/oder zu senden, die einen Spanndruck, eine Spannreihenfolge, einen Sensorwert des Spanndrucksensors, einen Sensorwert des Kraftsensors, und/oder einen Sensorwert des Schwingungssensors repräsentieren. Die Kommunikationsschnittstelle kann drahtgebunden und/oder drahtlos ausgebildet sein. Eine drahtlos ausgebildete Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise eine W-LAN, eine Bluetooth oder eine NFC Schnittstelle sein.
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Darüber hinaus kann in einer bevorzugten Ausführungsvariante des Spannsystems vorgesehen sein, dass die erste Spanneinheit und/oder die zweite Spanneinheit, insbesondere die erste Grundplatte und/oder die zweite Grundplatte, ein Befestigungsraster aufweist bzw. aufweisen, wobei das Befestigungsraster eine im Wesentlichen ortsflexible Befestigung der Kopplungsschnittstelle, des ersten Positionierungselements und/oder des zweiten Positionierungselements ermöglicht, wobei vorzugsweise das Befestigungsraster durch T-Nuten und/oder durch eine Lochanordnung ausgebildet wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Bearbeitungsmaschine, umfassend ein Spannsystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten. Die Bearbeitungsmaschine kann eine Bearbeitungsmaschine zur Durchführung von ein, zwei oder mehreren Fertigungsverfahren sein. Die Anwendung ist grundsätzlich für jedes Fertigungsverfahren möglich, insbesondere auch für generative Fertigungsverfahren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Spannen eines Werkstücks, umfassend die Schritte: Anordnen einer ersten Spanneinheit an einer Spannplattform mit einem Versorgungssystem zur Bereitstellung mindestens eines Versorgungsmediums, lösbares Befestigen eines Universalspannelements an einer ersten Kopplungsschnittstelle der ersten Spanneinheit und Koppeln des Universalspannelements mit dem Versorgungssystem, Positionieren eines ersten Werkstücks in einer ersten Spannposition an der ersten Spanneinheit, insbesondere auf einer ersten Grundplatte, und Fixieren des ersten Werkstückes in der ersten Spannposition mit dem Universalspannelement, insbesondere durch Ansteuern des Universalspannelements mit dem Versorgungsmedium.
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Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst die Schritte: Lösen des Universalspannelements von der ersten Spanneinheit, Lösen der ersten Spanneinheit von und Anordnen der zweiten Spanneinheit an der Spannplattform, Lösbares Befestigen des Universalspannelements an einer zweiten Kopplungsschnittstelle der zweiten Spanneinheit und Koppeln des Universalspannelements mit dem Versorgungsystem, Positionieren eines zweiten Werkstücks in einer zweiten Spannposition an einer zweiten Spanneinheit, insbesondere auf einer zweiten Grundplatte, und Fixieren des zweiten Werkstücks in der zweiten Spannposition mit dem Universalspannelement, insbesondere durch Ansteuern des Universalspannelements mit dem Versorgungsmedium.
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Die im Vorherigen beschriebenen Verfahrensschritte des Verfahrens sind, soweit technisch möglich und sinnvoll, in beliebiger Reihenfolge durchzuführen. In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Verfahrensschritte in der beschriebenen Reihenfolge durchgeführt werden.
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Das Verfahren und seine möglichen Fortbildungen weisen Merkmale bzw. Verfahrensschritte auf, die sie insbesondere dafür geeignet machen, für ein Spannsystem und seine Fortbildungen verwendet zu werden. Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Spannsystems verwiesen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Spannsystems innerhalb einer Bearbeitungsmaschine mit einem Werkstück;
- 2: eine schematische, dreidimensionale Detailansicht des in 1 gezeigten Spannsystems ohne Werkstück und ohne Universalspannelemente;
- 3: eine weitere schematische, dreidimensionale Detailansicht des in 1 gezeigten Spannsystems ohne Werkstück, ohne Universalspannelemente und ohne Spanneinheit;
- 4: eine schematische, dreidimensionale Ansicht des in 1 gezeigten Spannsystems mit einer zweiten Spanneinheit;
- 5: eine schematische, dreidimensionale Detailansicht des in 4 gezeigten Spannsystems ohne Werkstück und ohne Universalspannelemente;
- 6: eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsvariante der zweiten Spanneinheit;
- 7: eine weitere schematische, dreidimensionale Ansicht der in 6 gezeigten zweiten Spanneinheit;
- 8: eine weitere schematische, dreidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Spannsystems;
- 9: eine Explosionszeichnung des in 8 gezeigten Spannsystems;
- 10: schematische, dreidimensionale Ansichten von beispielhaften Ausführungsformen von Universalspannelementen;
- 11: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrens zum Spannen von Werkstücken; und
- 12: eine schematische, beispielhafte Ausführungsform des in 11 gezeigten Verfahrens.
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In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Das in einer Bearbeitungsmaschine 2 angeordnete Spannsystem 1 umfasst eine Spannplattform 100, Universalspannelemente 200, 202, 204 und eine erste Spanneinheit 300. Die Spannplattform 100 umfasst ein Versorgungssystem 102 zur Bereitstellung mindestens eines Versorgungsmediums, beispielsweise Hydrauliköl, um mittels des Versorgungsmediums die Universalspannelemente 200, 202, 204 anzusteuern, sodass diese eine Spannwirkung bzw. eine Klemmwirkung entfalten und das Werkstück 500 spannen. Das Versorgungssystem 102 ist lediglich teilweise dargestellt und kann eine Vielzahl an Leitungen, Schnittstellen, Anschlüssen, Kupplungen und/oder Ventilen umfassen. Das Versorgungssystem 102 umfasst eine erste Kupplung 104, eine zweite Kupplung 106 und eine dritte Kupplung 108. Die Kupplungen 104, 106, 108 umfassen Anschlüsse 110. An den Anschlüssen 110 können Leitungen 112, 114 angeschlossen werden.
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Die Leitungen 112, 114 verbinden die Kupplungen 104, 106 mit den Universalspannelementen 200, 202, 204. Ein im Versorgungssystem 102 befindliches Versorgungsmedium kann somit zu den Universalspannelementen 200, 202, 204 gelangen.
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2 zeigt eine schematische, dreidimensionale Detailansicht des in 1 gezeigten Spannsystems ohne Werkstück und ohne Universalspannelemente. Das erste Universalspannelement 200 ist an einer ersten Kopplungsschnittstelle 302 der ersten Spanneinheit 300 befestigt. In analoger Weise ist das zweite Universalspannelement 202 an der ersten Spanneinheit 300 mittels der ersten Kopplungsschnittstelle 304 und das dritte Universalspannelement 204 ist mit der ersten Spanneinheit 300 mittels der ersten Kopplungsschnittstelle 306 gekoppelt.
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Die erste Spanneinheit 300 umfasst eine erste Grundplatte 301. Die erste Grundplatte 301 umfasst die im Vorherigen genannten ersten Kopplungsschnittstellen 302, 304, 306. Darüber hinaus sind auf der ersten Grundplatte 301 eine Mehrzahl an ersten Positionierungselementen 310 zu einem ersten Sechspunktnest 308 zusammengefasst.
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In der 3 ist die Spannplattform 100 ohne eine Spanneinheit gezeigt. Die Spannplattform 100 weist die erste Verbindungseinheit 120 auf. Die erste Verbindungseinheit 120 ist Teil einer Verbindungsschnittstelle, mit der die Spannplattform 100 und die erste Spanneinheit 300 und/oder die im Folgenden noch näher erläuterte zweite Spanneinheit 340 kraft- und/oder formschlüssig lösbar miteinander befestigt sind.
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Die erste Verbindungseinheit 120 umfasst die vier Spanntöpfe 122 - 128. Der Aufbau der Spanntöpfe 122 - 128 ist exemplarisch anhand des Spanntopfs 122 im Folgenden erläutert. Der Spanntopf 122 weist zwei Versorgungsschnittstellen 130, 132 auf. Die Versorgungsschnittstellen 130, 132 sind derart ausgebildet, dass diese mit einer im Folgenden noch näher erläuterten Empfangsschnittstelle der Spanneinheit 300, 340 gekoppelt werden können, so dass das Versorgungsmedium über die Versorgungsschnittstelle 130, 132 zur Spanneinheit 300, 340 und ausgehend von dieser hin zu den Universalspannelementen 200 - 204 gelangen kann. Darüber hinaus weist die Verbindungseinheit 120 einen Drucksensor 134 auf, mit dem ein Druck im Versorgungsmedium ermittelt werden kann. Ferner kann auch eine, zwei oder mehrere der Kupplungen 104, 106, 108 einen oder mehrere Drucksensoren 134 aufweisen.
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Das Spannsystem 1 umfasst Bauteile, die werkstückunabhängig verwendet werden. Zu diesen werkstückunabhängigen Bauteilen gehören die Spannplattform 100 sowie die Universalspannelemente 200 - 204. Darüber hinaus umfasst das Spannsystem werkstückspezifische Bauteile, in diesem Fall die Spanneinheit 300. Der Ablauf eines Werkstückwechsels innerhalb einer Maschine wird im Folgenden anhand der 1 zunächst für einen Wechsel eines Werkstücks mit gleicher Werkstückgeometrie und anschließend für den Wechsel eines Werkstücks mit einer anderen, zweiten Werkstückgeometrie näher erläutert. Das Werkstück 500 wird wie in der 1 gezeigt angeordnet und bearbeitet. Nach dem Abschluss der Bearbeitung des Werkstückes 500 werden die Universalspannelemente 200, 202, 204 drucklos geschaltet, so dass diese das Werkstück 500 im Wesentlichen nicht mehr fixieren, sich also öffnen und das Werkstück 500 nicht mehr gespannt ist. Das Werkstück 500 kann anschließend entnommen werden und ein weiteres Werkstück mit der gleichen Werkstückgeometrie kann eingelegt werden. Das weitere Werkstück unterscheidet sich von dem Werkstück 500 in diesem Zeitpunkt dadurch, dass dieses noch nicht bearbeitet wurde und somit eine andere Gestalt aufweist. Zur Vereinfachung wird dennoch beiden Werkstücken die gleiche Werkstückgeometrie zugeordnet, die beispielsweise eine Eingangsgeometrie vor der Bearbeitung oder eine Ausgangsgeometrie nach der Bearbeitung sein kann. Das weitere Werkstück kann nach dem Einlegen gespannt werden, indem die Universallspannelemente 200, 202, 204 mit Druck beaufschlagt werden. Im Anschluss kann das weitere Werkstück bearbeitet werden.
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Beim Umrüsten von einer Werkstückgeometrie auf eine andere Werkstückgeometrie, wird das Werkstück ebenfalls zunächst bearbeitet. Im Anschluss werden die Universalspannelemente 200 - 204 drucklos geschaltet, die Versorgung des Universalspannelements von dem Versorgungssystem der Spannplattform abgekoppelt und die Universalspannelemente 200 - 204 werden von den Kopplungsschnittstellen 302 - 306 gegebenenfalls entfernt.
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Danach kann die Spanneinheit 300 von der Spannplattform 100 gelöst werden. Im Anschluss wird eine weitere Spanneinheit, beispielsweise die im Folgenden noch näher erläuterte zweite Spanneinheit 340, auf der Spannplattform 100 angeordnet. Die Universalspannelemente 200 - 204 werden wieder an Kopplungsschnittstellen der weiteren Spanneinheit, beispielsweise den im Folgenden noch näher erläuterten zweiten Kopplungsschnittstellen 342 - 346, angeordnet. An der weiteren Spanneinheit kann anschließend ein weiteres Werkstück mit einer weiteren Geometrie positioniert werden. Im Anschluss werden die Universalspannelemente 200 - 204 wieder mit dem Versorgungsmedium angesteuert und das Werkstück wird mittels der Universalspannelemente 200 - 204 in seiner Spannposition fixiert. Nach der Fixierung des Werkstückes kann das Werkstück bearbeitet werden.
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Es wird ersichtlich, dass die kostenintensiven Bauteile des Spannsystems 1 bei dem Wechsel eines Werkstückes oder einer Werkstückgeometrie oder der Anordnung eines Werkstückes gleichbleiben. Dies betrifft insbesondere die Spannplattform 100 mit dem Versorgungsmedium und die Universalspannelemente 200 - 204. Lediglich die Spanneinheit 300 mit den ersten Kopplungsschnittstellen 302 - 306 und dem ersten Sechspunktnest 308, bestehend aus ersten Positionierungselementen 310, werden ausgetauscht. Die erste Spanneinheit 300 mit den entsprechenden weiteren Bauteilen ist jedoch eine kostengünstige Bauteilgruppe.
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Ferner umfasst die Spannplattform 100 eine Steuerungseinheit 400. Die Steuerungseinheit 400 ist insbesondere als eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet. Die Steuerungseinheit 400 ist eingerichtet, eine Medienversorgung der Universalspannelemente 200 - 204 mit dem Versorgungsmedium zu steuern. Insbesondere kann die Steuerungseinheit 400 derart eingerichtet sein, dass in einem oder mehreren vorbestimmten oder durch die Steuerungseinheit 400 ermittelten Zeitpunkten ein vorbestimmter Spanndruck einstellbar ist, wobei ferner vorzugsweise der Spanndruck zeitvariabel einstellbar ist.
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Unter dem Spanndruck ist insbesondere der an den Universalspannelementen 200 - 204 anliegende Druck des Versorgungsmediums, insbesondere ein hydraulischer Druck zu verstehen. Ein Spanndruck wird derart gewählt, dass an dem zu spannenden Werkstück eine erforderliche Spannkraft anliegt, die sich bauartabhängig aus dem hydraulischen Druck berechnen oder über einen Sensor abfragen lässt.
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Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 400 den Spanndruck derart steuern, dass das erste Universalspannelement 200 einen ersten Spanndruck aufweist und das zweite Universalspannelement 202 einen zweiten Spanndruck, wobei der erste Spanndruck oder zweite Spanndruck unterschiedlich sein können.
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Darüber hinaus kann die Steuerungseinheit 400 den ersten Spanndruck und den zweiten Spanndruck zeitvariabel steuern, insbesondere über die Zeit verändern.
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Somit kann sich der Spanndruck an eine spezifische Bearbeitungssituation, beispielsweise mit einem Fräswerkzeug, anpassen. In dem Moment, in dem ein hoher Spanndruck erforderlich ist, kann dieser hoch eingestellt werden. In einem Bearbeitungszeitpunkt, in dem ein niedriger Spanndruck erforderlich ist, kann dieser niedrig eingestellt werden. Darüber hinaus kann auch ein Universalspannelement passiv geschaltet werden, beispielsweise wenn an der Spannstelle des ersten Universalspannelements 200 eine Bearbeitung erforderlich ist, die ohne passiv geschaltetes Universalspannelement verdeckt werden würde. Somit werden Umspannvorgänge reduziert.
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In einer alternativen Ausführungsvariante des Spannsystems 1 können die Spannplattform 100 und die erste Spanneinheit 300 auch integral ausgebildet sein. Hierfür kann die in 3 gezeigte Platte der Spannplattform beispielsweise anstatt der Spanntöpfe 122-128 Mittel zur Anordnung der Kopplungsschnittstellen 302-306 aufweisen, wie beispielsweise ein T-Raster.
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Die Modularität des Spannsystems 1 wird unter Beachtung der 4 - 5 deutlich. Es ist ersichtlich, dass hier ein zweites Werkstück 502 zur Bearbeitung eingelegt ist. Da das zweite Werkstück 502 eine andere Werkstückgeometrie als das erste Werkstück 500 aufweist, kann dieses aufgrund der verschiedenen Werkstückgeometrien im Wesentlichen nicht bestimmungsgemäß in dem ersten Sechspunktnest 308 der ersten Spanneinheit positioniert und fixiert werden.
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Für das Positionieren des zweiten Werkstücks 502 ist die in der 4 gezeigte zweite Spanneinheit 340 vorgesehen. Die zweite Spanneinheit 340 weist die in 5 gezeigten zweiten Kopplungsschnittstellen 342 - 346 auf. Darüber hinaus weist die zweite Spanneinheit ein zweites Sechspunktnest 348, bestehend aus zweiten Positionierungselementen 350 auf. Die zweiten Kopplungsschnittstellen 342 - 346 sowie das zweite Sechspunktnest 348 sind auf einer zweiten Grundplatte 341 der zweiten Spanneinheit 340 angeordnet. Die zweiten Kopplungsschnittstellen 342 - 346 sowie die zweiten Positionierungselemente 350 sind werkstückindividuell auf der zweiten Grundplatte 341 angeordnet. Der tatsächliche Spannprozess für das Werkstück 502 mittels der Universalspannelemente 200 - 204 erfolgt jedoch in analoger Weise wie das Spannen des ersten Werkstückes 500. Die Universalspannelemente 200 - 204 sind somit werkstückunabhängig einsetzbar.
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In den 6 und 7 ist die Unterseite einer weiteren Ausführungsvariante der zweiten Spanneinheit 340' gezeigt. Die erste Spanneinheit 300 kann auf der Unterseite eine im Wesentlichen gleiche Struktur bzw. einen im Wesentlichen gleichen Aufbau aufweisen. Auf der Unterseite der zweiten Spanneinheit 340' ist die zweite Verbindungseinheit 352 der im Vorherigen genannten Verbindungsschnittstelle angeordnet. Die zweite Verbindungseinheit 352 umfasst die Spannbolzen 354 - 360. Die Spannbolzen 354 - 360 sind korrespondierend zu den Spanntöpfen 122 - 128 ausgebildet. Die Spannbolzen 354 - 360 können somit in den Öffnungen der Spanntöpfe 122 - 128 angeordnet und dort fixiert werden.
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Darüber hinaus sind auf der Unterseite der zweiten Grundplatte 341 der zweiten Spanneinheit 340' Empfangsschnittstellen angeordnet. Exemplarisch für die weiteren Empfangsschnittstellen sind die Empfangsschnittstellen 362, 364 gekennzeichnet. Die Empfangsschnittstellen 362, 364 sind korrespondierend zu den Versorgungsschnittstellen 130, 132 ausgebildet. Somit kann ein Versorgungsmedium von der Spannplattform 100 über die Versorgungsschnittstellen 130, 132 zu der Empfangsschnittstelle 362, 364 gelangen.
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Insbesondere in der 7 ist das Leitungssystem 366 gezeigt. Das Leitungssystem umfasst Leitungen innerhalb der zweiten Grundplatte 341. Mittels dieser Leistungen kann ein Versorgungsmedium von den Empfangsschnittstellen 362, 364 hin zu den zweiten Kopplungsschnittstellen 342 - 346 gelangen und von dort aus an die Universalspannelemente 200 - 204 weitergeleitet werden. Somit können mittels des Versorgungsmediums die Universalspannelemente 200 - 204 angesteuert werden.
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In den 8 und 9 ist eine dritte Spanneinheit 380 mit einer dritten Grundplatte 381 gezeigt. Die dritte Grundplatte 381 weist dritte Kopplungsschnittstellen 382 - 388 auf. Ferner weist die dritte Spanneinheit 380 auf der dritten Grundplatte 381 ein drittes Sechspunktnest 390 auf, das aus dritten Positionierungselementen 392 besteht. Darüber hinaus weist die dritte Grundplatte 381 ein Referenzennullpunktelement 398 auf, mit dem ein Nullpunkt angetastet werden kann. Die Grundplatte 381 umfasst darüber hinaus ein Befestigungsraster 394 mit T-Nuten 396. Mittels dieses Befestigungsrasters 394 können die Kopplungsschnittstellen 382 - 388 in nahezu beliebiger Weise angeordnet werden. Somit ist die dritte Grundplatte 388 individuell einsetzbar.
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In 10 sind weitere mögliche Ausführungsvarianten von Universalspannelementen 208-218 gezeigt. Die Universalspannelemente 208-218 können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Funktionalität, Größe und Anschlüsse unterscheiden.
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11 zeigt ein schematisches Verfahren zum Spannen von Werkstücken. In Schritt 600 wird ein erstes Werkstück 500 in einer ersten Spannposition an einer ersten Spanneinheit 300 eingelegt und positioniert, insbesondere auf der ersten Grundplatte 301. In Schritt 602 wird das erste Werkstück 500 in der ersten Spannposition mit dem bereits an der ersten Spanneinheit 300 befestigten Universalspannelement 200 - 204 fixiert, insbesondere durch Ansteuern des Universalspannelements 200 - 204 mit dem Versorgungsmedium. Das dadurch fixierte und somit gespannte Werkstück 500 kann im Anschluss in Schritt 604 bearbeitet werden, beispielsweise mit einem Fräswerkzeug. Nach der Bearbeitung wird das Werkstück in Schritt 606 entspannt und das Werkstück kann entnommen werden. Im Anschluss kann entweder ein gleiches Werkstück mit den im Vorherigen genannten Schritten bearbeitet und gespannt werden oder das Spannsystem wird umgerüstet für ein anderes Werkstück. Das Umrüsten kann durch Austausch der ersten Spanneinheit 300 oder durch Umsetzen der Universalspannelemente 200-204 erfolgen.
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In 12 ist ein Verfahren zum Rüsten des Spannsystems 1 für den im Vorherigen beschriebenen Spannvorgang gezeigt. In Schritt 700 wird die erste Spanneinheit 300 auf der Spannplattform 100 angeordnet. In Schritt 702 werden die Universalspannelemente 200-204 an den Kopplungsschnittstellen 302-306 der ersten Spanneinheit 300 aufgesteckt und mit dem Versorgungssystem 102 verbunden. Anschließend kann ein Werkstück mit den Schritten 600-606 gespannt, bearbeitet und wieder entnommen werden.
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Anschließend können in Schritt 800 die Universalspannelemente 200-204 von den Kopplungsschnittstellen 302-306 der ersten Spanneinheit 300 entfernt werden. In Schritt 802 wird die erste Spanneinheit 300 von der Spannplattform 100 gelöst und entnommen.
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Im Anschluss können die Schritte 700 und 702 mit einer zweiten Spanneinheit 340, 340` durchgeführt werden, in dem die zweite Spanneinheit 340, 340' an der Spannplattform 100 angeordnet wird und die Universalspannelemente 200-204 auf zweite Kopplungsschnittstellen 342-346 der zweiten Spanneinheit 340, 340' gesteckt werden. Im Anschluss kann ein zweites Werkstück entsprechend der Schritte 600-606 gespannt, bearbeitet und entnommen werden.
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Die im Vorherigen beschriebenen Verfahrensschritte können grundsätzlich in einer beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden. Die beschriebene Reihenfolge ist eine bevorzugte Ausführungsvariante.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannsystem
- 2
- Bearbeitungsmaschine
- 100
- Spannplattform
- 102
- Versorgungssystem
- 104
- erste Kupplung
- 106
- zweite Kupplung
- 108
- dritte Kupplung
- 110
- Anschlüsse
- 112, 114
- Leitungen
- 120
- erste Verbindungseinheit
- 122, 124, 126, 128
- Spanntöpfe
- 130, 132
- Versorgungsschnittstelle
- 134
- Drucksensor
- 200
- erstes Universalspannelement
- 202
- zweites Universalspannelement
- 204
- drittes Universalspannelement
- 206
- viertes Universalspannelement
- 208-218
- weitere Universalspannelemente
- 300
- erste Spanneinheit
- 301
- erste Grundplatte
- 302
- erste Kopplungsschnittstelle
- 304
- erste Kopplungsschnittstelle
- 306
- erste Kopplungsschnittstelle
- 308
- erstes Sechspunktnest
- 310
- erste Positionierungselemente
- 312
- Referenznullpunktelement
- 340
- zweite Spanneinheit
- 341
- zweite Grundplatte
- 342
- zweite Kopplungsschnittstelle
- 344
- zweite Kopplungsschnittstelle
- 346
- zweite Kopplungsschnittstelle
- 348
- zweites Sechspunktnest
- 350
- zweite Positionierungselemente
- 352
- zweite Verbindungseinheit
- 354, 356, 358, 360
- Spannbolzen
- 362, 364
- Empfangsschnittstelle
- 366
- Leitungssystem
- 380
- dritte Spanneinheit
- 381
- dritte Grundplatte
- 382
- dritte Kopplungsschnittstelle
- 384
- dritte Kopplungsschnittstelle
- 386
- dritte Kopplungsschnittstelle
- 388
- dritte Kopplungsschnittstelle
- 390
- zweites Sechspunktnest
- 392
- zweite Positionierungselemente
- 394
- Befestigungsraster
- 396
- T-Nut
- 398
- Referenznullpunktelement
- 400
- Steuerungseinheit
- 402
- Kommunikationsschnittstelle
- 500
- erstes Werkstück
- 502
- zweites Werkstück
