DE102020108848A1

DE102020108848A1 - Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102020108848A1
Application number: DE102020108848.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Stangl
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-09-30
Also published as: WO2021197678A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung mit einem Betätigungsmittel (2) zur Betätigung eines der Spannung eines Werkstücks und/oder eines Werkzeuges (17) dienenden Spannmittels (3), mit mindestens einem ersten Bauteil, das eine erste Kontaktfläche (11) aufweist, das für die Erzeugung und/oder Übertragung der Spannkraft relativ zu mindestens einem zweiten Bauteil verstellbar ist, wobei das erste Bauteil mit seiner ersten Kontaktfläche (11) an einer zweiten Kontaktfläche (12) des zweiten Bauteils anliegt. Auf die erste Kontaktfläche (11) ist ein Schallkopf (13) zur Erzeugung eines Körperschallsignals gerichtet, wobei ein Schallsensor (14) in Kommunikationsverbindung mit einer Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist zur Erfassung und Auswertung des durch den Schallkopf (13) erzeugten Körperschallsignals.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung mit einem Betätigungsmittel zur Betätigung eines der Spannung eines Werkstücks und/oder eines Werkzeugs dienenden Spannmittels, mit mindestens einem ersten Bauteil, dass eine erste Kontaktfläche aufweist, das für die Erzeugung und/oder Übertragung der Spannkraft relativ zu einem zweiten Bauteil verstellbar ist, wobei das erste Bauteil mit seiner ersten Kontaktfläche an einer zweiten Kontaktfläche des zweiten Bauteils anliegt, wobei auf die erste Kontaktfläche ein Schallkopf zur Erzeugung eines Körperschallsignals gerichtet ist, und wobei ein Schallsensor in Kommunikationsverbindung mit einer Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist zur Erfassung und Auswertung des durch den Schallkopf erzeugten Signals.
Werkzeugmaschinen zugeordnete Spannvorrichtungen sind in der Praxis weit verbreitet, wobei die Verwendung des Begriffes Spannvorrichtung im vorliegenden Zusammenhang weiter zu verstehen ist und sämtliche Glieder der Kraftübertragungskette von der Werkzeugmaschine zu dem letztlich einzuspannenden Werkstück und/oder Werkzeug umfasst. Insbesondere kann dabei die Spannung durch ein Spannfutter jedweder konstruktiver Ausgestaltung gestaltet sein oder auch als Spannzange, als Schraubstock oder als Spannsystem für Hohlschaftkegel oder Steilkegel. Das Betätigungsmittel kann insbesondere durch einen Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder oder eine elektrische Betätigungseinheit gebildet sein. All diesen Bauteilen ist gemein, dass zum Zwecke der Kraftübertragung zur Erzeugung der benötigten Spannkraft Bauteile zueinander relativ verstellt werden, wobei die Verstellung sowohl translatorisch als auch rotatorisch erfolgen kann. Auch zum Lösen der Einspannung ist in der Regel die Umkehrung der Verstellung erforderlich. Problematisch dabei ist es, die relativ zueinander zu verfeststellenden Bauteile im Inneren des Betätigungsmittels oder des Spannmittels aufgenommen und damit nur schwer zugänglich sind. Der Verschleiß dieser innenliegenden Kontaktflächen ist damit ohne Demontage und optische Begutachtung nicht ersichtlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung bereitzustellen, bei der eine einfache Beurteilung des Zustandes der dem Verschleiß unterliegenden ersten Kontaktfläche möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die eingangs genannte Spannvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die Integration von Körperschallmesstechnik mit der Erfassung des Körperschallsignals sowohl Wartungs- als auch Bearbeitungszustände ermittelt werden können und insbesondere der Verschleißgrad oder der Schmierzustand der zueinander relativ verstellbaren Bauteile mit der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche bestimmt werden kann. Dazu wird auf die erste Kontaktfläche ein Schallkopf zur Erzeugung eines Körperschallsignals gerichtet, das sich durch das erste Bauteil ausbreitet und dadurch durch Eigenschaften des ersten Bauteils beeinflusst wird. Wird dieses Körperschallsignal, dem die Eigenschaften des ersten Bauteils aufgeprägt sind, durch den Schallsensor erfasst, können Rückschlüsse aus dem erfassten Körperschallsignal bezogen werden auf den Zustand des ersten Bauteils mit seiner ersten Kontaktfläche und mittelbar auch auf den Zustand der zweiten Kontaktfläche. Damit ist der besondere Vorteil verbunden, dass keine Demontage zur optischen Begutachtung der Kontaktflächen erforderlich ist, sondern in Echtzeit, permanent oder getaktet, der Zustand erfasst und bewertet werden kann. Zu beachten ist dabei, dass die Möglichkeit besteht, an unterschiedlichen Stellen der Spannvorrichtung, bei denen jeweils die Paarung eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils, die relativ zueinander verstellbar sind, entsprechende Körperschallmesstechnik einzusetzen. Dies kann also sowohl in dem Betätigungsmittel als auch in dem Spannmittel erfolgen.
Bevorzugt ist es dabei, wenn der Schallkopf und der Schallsensor gemeinsam durch ein Mikrofon gebildet sind, und damit ein durch das Mikrofon pulsartig ausgesandte Körperschallsignal auch durch das Mikrofon wieder erfasst werden kann, um aus Veränderungen oder ausbleibenden Veränderungen des Pulses den Rückschluss auf den Zustand zumindest der ersten Kontaktfläche zu ziehen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass die Auswerteeinheit einen Komparator aufweist zum Vergleich in einem zeitlichen Abstand erfasster Signale, so dass die Möglichkeit besteht, über die Auswerteeinheit einen zeitlichen Verlauf des Zustandes der zumindest ersten Kontaktfläche anzugeben. Damit besteht die Möglichkeit, einen fortschreitenden Verschleiß zu beobachten und einzuschreiten, wenn ein Schwellwert hinsichtlich des Verschleißes erreicht ist.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass das erste Bauteil durch eine Spannbacke gebildet ist, die in einer Führungsaufnahme eines das zweite Bauteil bildenden Spannfutters einsetzbar ist, wobei die erste Kontaktfläche auf der zu einer Begrenzung der Führungsaufnahme weisenden Seite der Spannbacken ausgebildet ist. Eine Überwachung des Verschleißes an dieser Stelle ermöglicht insbesondere auch eine Aussage darüber, ob die gewünschte Spannkraft in dem erforderlichen Maß durch die Spannbacke auf das Werkstück und/oder Werkzeug übertragen wird. Sofern die Spannbacke aus einer Grundbacke und eine Aufsatzbacke gebildet ist, ist die erste Kontaktfläche der Grundplatte zugeordnet, da diese in der Regel für längere Zeiträume oder sogar dauerhaft in dem Spannfutter verbleibt, während die Aufsatzbacke ihrem Wesen nach häufige ausgewechselt wird und dabei optisch hinsichtlich ihres Zustandes kontrolliert werden kann.
Wie vorstehend bereits dargelegt, besteht die Möglichkeit, die Körperschallmesstechnik mehrfach in der Spannvorrichtung zwischen zwei relativ zueinander verstellbaren Bauteilen einzusetzen. Damit ist auch die Möglichkeit geschaffen, dass das erste Bauteil durch ein der Verstellung der Spannbacken dienendes Koppelglied gebildet ist, das in einer Aufnahme eines Futterkörpers, eines das zweite Bauteil bildenden Spannfutters angeordnet ist, und dass die erste Kontaktfläche auf der zu einer Begrenzung der Aufnahme weisenden Seite des Koppelgliedes gebildet ist. Das Koppelglied kann dabei durch eine Keilstange eines Keilstangenfutters gebildet sein oder auch durch einen Winkelhebel eines Winkelhebelfutters.
Relativ zueinander verstellbare Bauteile finden sich auch in dem Betätigungsmittel. Daher besteht die Möglichkeit, dass das erste Bauteil durch eine Zugstange des Betätigungsmittels gebildet ist, wobei die Zugstange in einer Ausführungsform mit einem Kolben eines druckmittelbetätigten Spannzylinders gekoppelt ist und die erste Kontaktfläche der Umfangsfläche der Zugstange und/oder der Begrenzungsfläche des Kolbens zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Zugstange ein Spindelgewinde zum Zusammenwirken mit der Spindelmutter einer elektrischen Betätigungseinheit als das Betätigungsmittel auf, wobei die erste Kontaktfläche an den Gewindegängen des Spindelgewindes ausgebildet ist. Des Weiteren kann die Zugstange einem HSK-Spannsystem oder einem SPK-Spannkonus zugeordnet sein.
Eine Beurteilung des Zustandes der überwachten Bauteile ist vereinfacht, wenn die Auswerteeinheit ein Rechenwerk zur Durchführung einer Modalanalyse aufweist.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, dass auch die Möglichkeit besteht, die zweite Kontaktfläche direkt zu überwachen und deren Zustand auszuwerten, indem ein zweiter Schallkopf und ein zweiter Schallsensor verwendet werden, wobei der Schallsensor in Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinrichtung steht.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Spannvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines als Spannzylinder gebildeten Betätigungsmittels,
3 eine schematische Darstellung eines Spannfutters als Spannmittel,
4 eine schematische Darstellung eines Spannbacken als Teil des Spannfutters,
5 eine schematische Darstellung eines Schraubstockes, und
6 eine schematische Darstellung eines HSK-Spannsystems.

In der 1 ist eine Spannvorrichtung 1 gezeigt, wie diese genutzt wird, das Bindeglied zwischen einer in der Zeichnung selber nicht dargestellten Werkzeugmaschine und einem Werkstück bzw. Werkzeug 17 darzustellen. Dieses Bindeglied umfasst zur Erzeugung und Übertragung unterschiedliche Teile, nämlich insbesondere ein Betätigungsmittel 2 zur Betätigung eines Spannmittels 3, das der Spannung des Werkstücks und oder/des Werkzeugs 18 dient. Das Betätigungsmittel 2 kann dabei durch einen druckmittelbetätigten Spannzylinder 4, also einem Hydraulikzylinder oder einem Pneumatikzylinder gebildet sein, worauf in der 2 verwiesen wird. Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, das Betätigungsmittel 2 durch eine elektrische Betätigungseinheit zu realisieren. Das Spannmittel 3 kann durch ein Spannfutter 5 gebildet sein (3), bei dem Spannbacken 6 (4) zur Einspannung des Werkstücks oder des Werkzeugs 17 genutzt werden.
Das Spannmittel 3 kann aber auch durch einen Schraubstock 7 (5) oder durch ein HSK-Spannsystem 8 (6) oder einen SPK-Spannkonus gebildet sein.
Allen diesen Betätigungsmitteln 2 und Spannmitteln 3 ist gemein, dass in diesen zur Erzeugung und Übertragung der erforderlichen Spannkraft Bauteile relativ zueinander verstellbar sind, wobei diese Relativverstellung durch eine translatorische und/oder eine rotatorische Bewegung gebildet sein kann, wobei diesbezüglich insbesondere auf die Zugstange 9 der elektrischen Betätigungseinheit 2 verwiesen werden kann, die sowohl translatorisch verstellt als auch gegenüber der Spindelmutter 10 verdreht werden kann.
Diese relativ zueinander verstellbaren Bauteile unterliegen einem Verschleiß, der die Erzeugung und Übertragung der Spannkraft beeinträchtigt, so dass der Fall gegeben sein kann, dass trotz einer ausreichend hohen Erzeugung der Spannkraft diese nicht in der benötigten Höhe beim Werkstück oder Werkzeug anliegt. Es ist bekannt, zur Verminderung des Verschleißes ein Schmiermittel zu verwenden, das die Relativbewegung der beiden Bauteile fördert.
Da die Bauteile in dem Betätigungsmittel 2 und dem Spannmittel 3 im Inneren positioniert sind, sind diese Bauteil nicht leicht zugänglich und eine optische Bewertung des Verschleißzustandes ist ohne eine Demontage des die Bauteile aufweisenden Betätigungsmittels 2 oder Spannmittels 3 nicht möglich.
Das erste Bauteil weist eine erste Kontaktfläche 11 auf, die einer zweiten Kontaktfläche 12 des zweiten Bauteils unmittelbar oder geschützt durch ein Schmiermittel anliegt. Zur einfacheren Beurteilung des Verschleiß- und/oder Schmierzustandes ist auf die erste Kontaktfläche 11 ein Schallkopf 13 zur Erzeugung eines Körperschallsignals gerichtet. Des Weiteren ist ein Schallsensor 14 in Kommunikationsverbindung mit einer Auswerteeinrichtung vorgesehen, mit der das durch den Schallkopf 13 erzeugte Körperschallsignal erfasst und ausgewertet werden, wobei die Auswertung auch die Durchführung einer Modalanalyse umfasst, für die die Auswerteeinheit ein Rechenwerk besitzt. Die Auswerteeinheit verfügt des Weiteren über einen Komparator, mit dem Signale verglichen werden können, die in einem zeitlichen Abstand erfasst werden, so dass Veränderungen in den Körperschallsignalen ersichtlich werden und darauf auf den Zustand bzw. das Fortschreiten des Verschleißes des ersten Bauteils geschlossen werden kann. Da der Verschleiß des ersten Bauteils mit dem Verschleiß des zweiten Bauteils an der zweiten Kontaktfläche 12 korreliert, kann dadurch mittelbar auch auf den Zustand des zweiten Bauteils geschlossen werden. Dabei besteht auch die Möglichkeit, bedarfsweise den Zustand des zweiten Bauteils direkt durch Einsatz der Körperschallmesstechnik zu erfassen, also auch der zweiten Kontaktfläche 12 einen zweiten Schallkopf zuzuordnen. Die Körperschallsignale des zweiten Schallkopfes können dabei gegebenenfalls in dem schon vorliegenden Schallsensor 14 erfasst und der Auswerteeinrichtung zugeführt werden; die Verwendung eines zweiten Schallsensors in Kommunikationsverbindung mit der Auswerteeinrichtung oder eine eigene Auswerteeinrichtung ist gleichfalls möglich.
4 verweist darauf, dass die im unmittelbaren Kontakt mit dem Werkstück oder dem Werkzeug vorliegenden Spannbacken 6 das erste Bauteil bilden können, wobei die Spannbacken 6 in einer Führungsaufnahme des das zweite Bauteil bildenden Spannfutters 5 eingesetzt sind, wobei die erste Kontaktfläche 11 auf der zu einer Begrenzung der Führungsaufnahme weisenden Seite der Spannbacke 6 ausgebildet ist. Insbesondere kann die erste Kontaktfläche 11 zu einer der Seitenwandungen oder des Bodens der Führungsaufnahme weisen. Die Spannbacke 6 kann dabei aus einer Grundbacke und einer Aufsatzbacke gebildet sein, wobei dann die Verschleißkontrolle der Grundbacke zugeordnet ist, die die erste Kontaktfläche 11 aufweist.
Alternativ oder auch ergänzend kann das erste Bauteil durch ein der Verstellung der Spannbacken 6 dienendes Koppelglied gebildet sein, das in einer Aufnahme des Futterkörpers 15 des das zweite Bauteil bildenden Spannfutters 5 angeordnet ist, wobei die erste Kontaktfläche auf der zu einer Begrenzung der Aufnahme weisenden Seite des Koppelgliedes ausgebildet ist. Das Koppelglied kann dabei in einer ersten Ausführungsform durch eine Keilstange eines Keilstangenfutters gebildet sein oder bei einem Winkelhebefutter durch einen Winkelhebel.
Bei dem Betätigungsmittel, wie beispielsweise bei dem der 2 gezeigten Hydraulikzylinder liegt eine Zugstange 9 vor, die das erste Bauteil bildet, wobei gemäß 2 die Zugstange 9 mit einem Kolben gekoppelt ist und die erste Kontaktfläche 11 der Umfangsfläche der Zugstange 9 und/oder der Begrenzungsfläche des Kolbens zugeordnet ist.
Im Falle einer elektrischen Betätigungseinheit weist die Zugstange 9 ein Spindelgewinde zum Zusammenwirken mit der Spindelmutter 10 auf, wobei die erste Kontaktfläche 11 an den Gewindegängen des Spindelgewindes ausgebildet ist.
5 zeigt einen Schraubstock 7 als Spannmittel 3, bei dem die Spannbacken 6 mittels eines Spindeltriebes verstellbar sind. Der Spindelstange 16 ist dabei die erste Kontaktfläche 11 zugeordnet.
6 schließlich zeigt als ein Ausführungsbeispiel ein Hohlschaftkegel-Spannsystem 8 mit einer die erste Kontaktfläche 11 für das erste Bauteil aufweisenden Zugstange 9.
Bezugszeichenliste

1: Spannvorrichtung
2: Betätigungsmittel
3: Spannmittel
4: Spannzylinder
5: Spannfutter
6: Spannbacken
7: Schraubstock
8: HSK-Spannsystem
9: Zugstange
10: Spindelmutter
11: erste Kontaktfläche
12: zweite Kontaktfläche
13: Schallkopf
14: Schallsensor
15: Futterkörper
16: Spindelstange
17: Werkzeug

Claims

Spannvorrichtung mit einem Betätigungsmittel (2) zur Betätigung eines der Spannung eines Werkstücks und/oder eines Werkzeuges (17) dienenden Spannmittels (3), mit mindestens einem ersten Bauteil, das eine erste Kontaktfläche (11) aufweist, das für die Erzeugung und/oder Übertragung der Spannkraft relativ zu mindestens einem zweiten Bauteil verstellbar ist, wobei das erste Bauteil mit seiner ersten Kontaktfläche (11) an einer zweiten Kontaktfläche (12) des zweiten Bauteils anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Kontaktfläche (11) ein Schallkopf (13) zur Erzeugung eines Körperschallsignals gerichtet ist, und dass ein Schallsensor (14) in Kommunikationsverbindung mit einer Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist zur Erfassung und Auswertung des durch den Schallkopf (13) erzeugten Körperschallsignals.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallkopf (13) und der Schallsensor (14) gemeinsam durch ein Mikrofon gebildet sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Komparator aufweist zum Vergleich in einem zeitlichen Abstand erfasster Signale.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil durch eine Spannbacke (6) gebildet ist, die in einer Führungsaufnahme eines das zweite Bauteil bildenden Spannfutters (5) einsetzbar ist, und dass die erste Kontaktfläche (11) auf der zu einer Begrenzung der Führungsaufnahme weisenden Seite der Spannbacke (6) ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbacke (6) aus einer Grundbacke und einer Aufsatzbacke gebildet ist, und dass die erste Kontaktfläche (11) der Grundbacke zugeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil durch ein der Verstellung der Spannbacken (6) dienendes Koppelglied gebildet ist, das in einer Aufnahme eines Futterkörpers (15) eines das zweite Bauteil bildenden Spannfutters (5) angeordnet ist, und dass die erste Kontaktfläche (11) auf der zu einer Begrenzung der Aufnahme weisenden Seite des Koppelgliedes ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied durch eine Keilstange eines Keilstangenfutters gebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied durch einen Winkelhebel eines Winkelhebelfutters gebildet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil durch eine Zugstange (9) des Betätigungsmittels (2) gebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (9) mit einem Kolben eines druckmittelbetätigen Spannzylinders (4) gekoppelt ist, und dass die erste Kontaktfläche (11) der Umfangsfläche der Zugstange (9) und/oder der Begrenzungsfläche des Kolbens zugeordnet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (9) ein Spindelgewinde zum Zusammenwirken mit der Spindelmutter (10) einer elektrischen Betätigungseinheit als das Betätigungsmittel (2) aufweist, und dass die erste Kontaktfläche (11) an den Gewindegängen des Spindelgewindes ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (9) einem HSK-Spannsystem (8) oder einem SPK-Spannkonus zugeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit ein Rechenwerk zur Durchführung einer Modalanalyse aufweist.