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Die
Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zur Fixierung eines Werkstücks, insbesondere
eines Blechteils, an einer separaten Werkstückaufnahme, mit einem Grundgehäuse und
mit einem an dem Grundgehäuse
beweglich angeordneten Spannmittel zur zumindest zeitweiligen Übertragung
einer Druckkraft auf das Werkstück.
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Spanneinrichtungen
sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt.
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Blechspanneinrichtungen
dienen zum Festlegen von Blechteilen an einer Werkstückaufnahme, um
Bearbeitungs- oder Handhabungsvorgänge an dem Werkstück zu ermöglichen
und um Bearbeitungskräfte,
die auf das Werkstück
einwirken, aufnehmen zu können.
Die Spanneinrichtungen können dazu
fest an der Werkstückaufnahme
angebracht sein und üben
in einer Funktionsposition mit dem beweglich am Grundgehäuse angeordneten
Spannmittel eine Kraft auf das Blechteil aus. Dadurch entsteht ein
Kraftfluss, der ausgehend von dem Spannmittel auf das Werkstück, vom
Werkstück
auf die Werkstückaufnahme
und von dieser mittel- oder unmittelbar auf das Grundgehäuse der
Spanneinrichtung wirkt. Die Werkstückaufnahme kann insbesondere als
Transport-, Bearbeitungs- und/oder Montagevorrichtung vorgesehen
sein und eine dreidimensionale Gestaltung aufweisen. Um auch bei
einer komplexen Geometrie einer Werkstückaufnahme eine sichere Aufnahme
eines Blechteils zu gewährleisten,
können mehrere
Spanneinrichtungen an der Werkstückaufnahme
befestigt sein, die jeweils mit ihrem Spannmittel das zu spannende
Blechteil unmittelbar auf die Werkstückaufnahme pressen. Eine derartige
Spannaufgabe ist mit den vorstehend genannten Spanneinrichtungen
vorteilhaft zu bewältigen,
da im Gegensatz zu herkömmlichen
Greifvorrichtungen eine Fixierung des Werkstücks direkt an der Werkstückaufnahme
stattfindet.
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Eine
bekannte Ausführungsform
einer Blechspanneinrichtung ist eine Kniehebelspanneinrichtung,
die manuell oder automatisiert betätigtbar ist. Die Kniehebelspanneinrichtung
basiert auf einem Kurbelgetriebe, an dem das Spannmittel befestigt
ist, wobei in einer Funktionsposition eine Selbsthemmung des Kurbelgetriebes
vorgesehen ist. Durch die Selbsthemmung können hohe Haltekräfte von
der Kniehebelspanneinrichtung aufgenommen werden. Das Spannmittel
führt bedingt
durch eine Kinematik des Kurbelgetriebes eine Schwenkbewegung zwischen
einer Ruheposition und einer Funktionsposition aus. Beispiele für Kniehebelspanneinrichtung
finden sich in Prospekten der Firmen DE-STA-CO, Festo (Kniehebelspannsystem
CTLF) oder PHD.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Spanneinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine verbesserte
Anpassung an unterschiedliche Aufgabenstellungen im Bereich der
Blechspanntechnik ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass das Spannmittel einen am Gehäuse verschieblich gelagerten
Linearspannkopf aufweist, der über
ein Keilhakengetriebe von einem Linearantrieb antreibbar ist, wobei
der Linearantrieb von einem fluidisch beaufschlagbaren, in einem
gehäuseseitigen
Zylinder verschieblich gelagerten Kolben gebildet ist. Durch eine
derartige Ausführung
des Spannmittels kann in Zuge einer linearen Bewegung des Linearspannkopfs
eine lineare Spannkraft auf das Blechteil übertragen werden. Eine Schwenkbewegung
des Spannmittels, wie sie bei den Kniehebelspanneinrichtungen aus
dem Stand der Technik bekannt ist, entfällt. Dadurch kann ein für die Spanneinrichtung
zur Verfügung
zu stellender Bewegungsraum reduziert werden. Gegenüber einer
starken Abhängigkeit
der Spannkraft von einer in der Funktionsposition erreichten Winkelstellung
bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kniehebelspanneinrichtungen weist
die erfindungsgemäße Spanneinrichtung
einen linearen Kraftverlauf auf. Dadurch kann eine im wesentlich
gleichbleibende Spannkraft über
einen großen
Toleranzbereich für
Werkstückabmessungen
gewährleistet
werden. Außerdem
kann eine Überlastung
des Werkstücks
vermieden werden, wie sie bei vorbekannten Spanneinrichtungen, auftreten
können,
da bedingt durch die Schwankungen der Spannkraft in Abhängigkeit
von der Werkstücktoleranz
eine hohe Vorspannung auf das Werkstück vorgesehen werden muss,
um auch bei starken Toleranzabweichungen eine sichere Spannung zu
gewährleisten. Bei
der erfindungsgemäßen Spanneinrichtung
ist in dem Grundgehäuse
ein Linearantrieb zur Erzeugung einer Linearbewegung vorgesehen,
die über
das Keilhakengetriebe auf den Linearspannkopf übertragen wird. Der Linearspannkopf
ist zwischen einer Ruheposition und einer Funktionsposition schiebebeweglich
an den Grundgehäuse
angebracht. Die so übertragene
Stellkraft auf das Blechteil erlaubt die gewünschte Fixierung des Blechteils.
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Das
Keilhakengetriebe weist vorzugsweise eine Kulissenführung mit
bidirektional wirkendem Formschluss auf. Dadurch können sowohl
Zug- als auch Druckkräfte übertragen
werden, was einen universellen Einsatz der Spanneinrichtung ermöglicht. Durch
korrespondierende antriebsseitige und spannkopfseitige Schrägflächen werden
Gleitflächen
gebildet werden, die für
die Übertragung
von Zugkräften mit
Hinterschnitten versehen sein können.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist das Keilhakengetriebe als Über- oder
Untersetzungsgetriebe ausgebildet ist. Der maximale Stellhub und
eine maximale Stellkraft sind von der konstruktiven Ausführung und
der Dimensionierung des Linearantriebs abhängig. Durch ein Übersetzungsgetriebe
kann eine Vergrößerung des
Stellhubs bei gleichzeitiger Verringerung der Stellkraft erzielt
werden, was beispielsweise bei komplex geformten Werkstücken ein Einlegen
oder Herausnehmen aus einer Vorrichtung erleichtert. Durch ein Untersetzungsgetriebe,
bei dem eine Vergrößerung der
Stellkraft mit einer Reduzierung des Stellhubs einhergeht, können insbesondere
Werkstücke
sicher gespannt werden, die mit hohen Bearbeitungskräften beaufschlagt
werden sollen. Dadurch ermöglicht
eine Ausführung
des Lineargetriebes als Über-
oder Untersetzungsgetriebe eine ideale Anpassung der Spanneinrichtung
an die zu bewältigende
Spannaufgabe.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist für einen Keilwinkel des Keilhakengetriebes
ein Winkelbereich von 15 bis 65 Grad relativ zu einer Bewegungsachse des
Linearantriebs vorgesehen. Innerhalb dieses Winkelbereichs können sowohl Übersetzungen
als auch Untersetzungen des Lineargetriebes verwirklicht werden,
wobei bei geeigneter Auswahl einer Materialpaarung der korrespondierenden
Schrägflächen ein
Reibungswinkel so angesiedelt ist, daß keine Selbsthemmung bei einer Kraftübertragung
von dem Stellglied auf den Linearspannkopf auftritt, während Kräfte auf
den Linearspannkopf, die insbesondere von dem gespannten Werkstück ausgehen
können, zu
einer Selbsthemmung führen
können,
wodurch ein unerwünschtes
Verstellen des Linearspannkopfs und eine unerwünschte Reduzierung der Spannkraft verhindert
werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Lineargetriebe einen
Keilwinkel von 20 bis 45 Grad für
eine Untersetzung der Linearbewegung des Linearantriebs auf. Bei
einem derartigen Keilwinkel kann eine deutliche Erhöhung der
Stellkraft erzielt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
beträgt
der Keilwinkel 30 bis 35 Grad, so daß die Stellkraft um bis zu
70 Prozent erhöht
wird.
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Vorteilhafterweise
ist eine Bewegungsachse des Linearantriebs in einem Winkelbereich
von 60 bis 120 Grad zu einer Bewegungsachse des Linearspannkopfs
vorgesehen. Dadurch wird neben dem orthogonalen Spannen relativ
zur Bewegungsachse des Linearantriebs auch ein schräges Spannen
von Werkstücken
ermöglicht,
was insbesondere für Spannenaufgaben
mit kritischen Raumanforderungen von Interesse ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist für den Linearspannkopf und/oder
ein bewegbares Stellelement des Linearantriebs eine Führungseinrichtung
am Grundgehäuse
vorgesehen. Durch eine Führungseinrichtung
kann die lineare Bewegung des Linearspannkopfs und/oder des Stellelements vorteilhaft
abgestürzt
werden, so daß auftretende
Kräfte nicht
zu Beschädigungen
des Linearantriebs oder des Linearspannkopfs führen. Die Führungseinrichtung kann dabei
insbesondere als formschlüssig
wirkende Flach- oder Schwalbenschwanzführung beidseitig des Linearantriebs
und/oder des Stellelements im Grundgehäuse der Spanneinrichtung vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise
ist als Linearantrieb ein fluidischer Antrieb mit einem Kolben vorgesehen,
wobei der Kolben in einem im Grundgehäuse vorgesehenen Zylinder bewegbar
ist und der Kolben und der Zylinder einen aufeinander abgestimmten,
länglichen oder
ovalen Querschnitt aufweisen. Dadurch kann in besonders einfacher
Weise ein kompakter und mit einer hohen Leistungsdichte arbeitender
Linearantrieb verwirklicht werden. Ein ovaler Querschnitt des Kolbens
und des Zylinders ermöglicht
auch auf einer schmalen Grundfläche
für die
Spanneinrichtungen eine für
hohe Stellkräfte
günstige
Oberfläche
des Kolbens.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearspannkopf mit
einer schwenkbeweglich angebrachten Pendelbacke versehen, wobei
eine Schwenkachse der Pendelbacke insbesondere orthogonal zu einer
Bewegungsrichtung des Linearspannkopfs angeordnet ist. Durch eine
Pendelbacke läßt sich
ein Toleranzausgleich zwischen der Spanneinrichtung und dem zu spannenden
Werkstück
erreichen, da die Pendelbacke, die zumindest zwei für eine Auflage
auf dem Werkstück
vorgesehene Druckfinger aufweist, sich selbsttätig in vorderster Weise an das
Werkstück
anpasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Schwenkachse
orthogonal zu einer Bewegungsrichtung des Linearspannkopfs angeordnet,
so daß eine
Anpassung der Position der Pendelbacke mit minimalen Belastungen
für die
Aufnahmen der Pendelbacke an dem Linearspannkopf verwirklicht werden
kann.
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Vorteilhafterweise
sind Einstellmittel für
die Begrenzung der Ruheposition und/oder der Funktionsposition des
Linearantriebs an den Grundgehäuse
vorgesehen. Durch die Einstellmittel kann eine individuelle Anpassung
des Stellhubs des Linearantriebs und damit auch des Linearspannkopfs
erzielt werden. Dies ist insbesondere bei Spanneinrichtungen, die
in der Massenproduktion eingesetzt werden, von Interesse, um unerwünschte Leerbewegungen des
Linearantriebs zu vermeiden, die negative Auswirkungen auf eine
Tatktzeit und einen Mediumverbrauch haben.
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In
weiter Ausgestaltung der Erfindung ist der Linearantrieb modular
erweiterbar ausgeführt.
Damit kann je nach den Erfordernissen der Spannaufgabe eine Kraftverstärkung durch
paralleles oder serielles Anbringen weiterer Linearantriebe verwirklicht
werden, wobei insbesondere aus räumlichen Überlegungen
eine Serienschaltungen der Linearantriebe besonders vorteilhaft
ist. Derartige zusätzliche
Linearantriebe können
entweder permanent oder nur temporär zu dem Linearantrieb der
Spanneinrichtung zugeschaltet werden, so daß in Abhängigkeit der Spannaufgabe die
die notwendige Spannkraft zur Verfügung gestellt werden kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Schutzeinrichtung
für die
Linearführung
an dem Grundgehäuse
und/oder dem Linearspannkopf vorgesehen. Eine derartige Schutzeinrichtung,
die insbesondere als Schutzblech ausgeführt sein kann, verhindert ein
direktes Eindringen von Schmutz oder Bearbeitungsmedien in die Spanneinrichtung,
indem kritische Bereiche wie die Linearführungen abgeschirmt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind
der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben
und erläutert
ist.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Spanneinrichtung,
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2 eine
Schnittansicht der Spanneinrichtung gemäß 1,
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3 eine
perspektivische Teilschnittansicht gemäß den 1 und 2,
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4 eine
perspektivische, schematische Darstellung einer Werkstückaufnahme
mit einer Spanneinrichtung.
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Eine
Spanneinrichtung 1 ist, wie in 4 als Spanneinrichtungsanordnung
dargestellt, zur Fixierung eines als Blechteil ausgeführten Werkstücks 2 an
einer separaten Werkstückaufnahme 3 vorgesehen.
Das Werkstück 2 liegt
in 4 als bereits vorgeformtes Blechteil bündig auf
der Werkstückaufnahme auf
und wird von den Spanneinrichtungen für einen nicht dargestellten
Bearbeitungsvorgang an der Werkstückaufnahme 3 fixiert.
Die Spanneinrichtung 1 weist ein Grundgehäuse 4 auf,
an dem ein beweglich angeordnetes Spannmittel 5 zur zumindest
zeitweiligen Übertragung
einer Druckkraft auf das Werkstück 2 angebracht
ist. Das Spannmittel 5 weist einen am Grundgehäuse 4 verschieblich
gelagerten Linearspannkopf 6 auf, der über ein Keilhakengetriebe 7 von
einem Linearantrieb 8 antreibbar ist, wobei der Linearantrieb 8 von
einem fluidisch beaufschlagbaren, in einem gehäuseseitigen Zylinder 9 verschieblich
gelagerten Kolben 10 gebildet ist.
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Der
Kolben 10 weist, wie aus 3 ersichtlich,
in einer Querschnittsebene orthogonal zur in 2 dargestellten
Schnittebene einen ovalen Querschnitt auf. Damit kann eine schmale
Bauform der Spanneinrichtung 1 in Verbindung mit einer
für die Spannkraft
wesentlichen, großen
Kolbenstirnfläche verwirklicht
werden. An nicht dargestellten Öffnungen kann
ein druckbeaufschlagtes Medium in den Zylinder 9 einströmen und
somit eine Druckkraft auf den Kolben 10 ausüben. Der
Kolben 10 überträgt die Druckkraft
auf ein Stellglied 11, das mit dem Keilhakengetriebe 7 verbunden
ist. Das Keilhakengetriebe 7 stellt eine kinematische Kopplung
des Stellglieds 11 mit dem Linearspannkopf 6 her.
Der Linearspannkopf 6 ist mit seiner Bewegungsachse 12 orthogonal
zu einer Bewegungsachse 13 des Linearantriebs 8 beweglich
in dem Grundgehäuse 4 gelagert,
wozu nicht dargestellte Führungseinrichtungen
vorgesehen sind.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist ein Winkel β von
90 Grad zwischen der Bewegungsachse 13 des Linearantriebs
und der Bewegungsachse 12 des Linearspannkopfs vorgesehen.
In anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung
können
auch Winkel zwischen den Bewegungsachsen 12 und 13 von 60 bis 120 Grad
vorgesehen sein, wodurch sich eine besonders bevorzugte Anpassung
an spezielle Spannaufgaben verwirklichen läßt.
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In
einem Deckel 14 des Grundgehäuses 4 ist in Verlängerung
der Bewegungsachse 13 des Linearantriebs 8 eine
Gewindebohrung 15 eingebracht, in die eine als Wegbegrenzung
dienende, in nicht dargestellte Justageschraube eingeschraubt werden kann.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich,
kann eine Stirnfläche 17 des
Stellglieds 11 in der Funktionsposition in Anlage mit dieser
Justageschraube kommen, so dass eine Wegbegrenzung für das Stellglied 11 erzielt
werden kann. Dadurch kann eine Anpassung des Stellweges des Linearspannkopfs 6 vorgenommen
werden.
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An
einer dem Stellglied 11 abgewandten Seite des Linearantriebs 8 ist
ein weiterer Linearantrieb 18 in Serienschaltung zur Kraftverstärkung vorgesehen.
Dieser weitere Linearantrieb 18 ist in seinem Aufbau dem
bereits beschriebenen Linearantrieb 8 weitgehend identisch,
wobei in einem Bodenbereich des zusätzlichen Linearantriebs 18 eine
Stellschraube 19 vorgesehen ist, die die Ruheposition der
beiden Linearantriebe 8, 18 begrenzt. Der zusätzliche Linearantrieb 18 ist
mittels Schrauben mit dem Grundgehäuse 4 verbunden. Der
Kolben 10 des zusätzlichen
Linearantriebs 18 ist über
einen Druckbolzen 29 mit dem Kolben des Linearantriebs 8 wirkverbunden,
wobei eine Muffe 30 als Dichtelement für den Druckbolzen 29 gegenüber dem
Zylinder 9 des Linearantriebsa 8 vorgesehen ist.
Der Druckbolzen 30 ist an dem Kolben 10 mit einer
Halteschraube 31 befestigt.
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Das
als Keilhakengetriebe 7 ausgeführte Lineargetriebe basiert
auf einer Anordnung von Schrägflächen 21,
die teilweise in Form von schräg
in dem Linearspannkopf 6 verlaufenden Schiebenuten 20 verwirklicht
sind. Die Schiebenuten 20 und korrespondierende Nutensteine 22 des
Stellglieds 11 und des Linearspannkopfs 6 bilden
eine formschlüssige, kinematische
Verbindung zur Übertragung
von Zug- und Druckkräften.
Dabei bildet die Schiebenut 20 einen Keilwinkel α mit der
Bewegungsachse 13 des Linearantriebs 8. Eine von
dem Kolben 10 auf das Stellglied 11 übertragene
Druckkraft führt
in an den Schrägflächen 21 des
Keilhakengetriebes 7 zu einer Reibkraftkomponente in Richtung
der Schiebenut 20 und zu einer Klemmkraftkomponente in
Richtung der Bewegungsachse 12 des Linearspannkopfs 6.
Die Klemmkraftkomponente ist dabei unmittelbar mit dem Keilwinkel α gekoppelt,
bei Verringerung des Keilwinkels α vergrößert sich
die Klemmkraftkomponente, während
sich die Reibkraftkomponente reduziert. Allerdings wird bei Verkleinerung
des Keilwinkels α auch
der Stellweg des Linearspannkopfs 6 reduziert, so dass
hier jeweils in Anbetracht der zu lösenden Spannaufgabe ein Kompromiss
zu suchen ist.
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An
dem Linearspannkopf 6 ist eine Pendelbacke 23 über einen
Schaubbolzen 24 schwenkbeweglich befestigt, dabei weist
die Pendelbacke 23 zwei abgekröpfte Druckfinger 25 auf,
die symmetrisch zu einer von dem Schaubbolzen 24 gebildeten Schwenkachse
angeordnet sind. Unterhalb der Pendelbacke 23 ist ein ebenfalls
am Linearspannkopf 6 angebrachtes Schutzblech 26 vorgesehen,
das als Schutzeinrichtung für
die nicht näher
dargestellte, als Nutenanordnung ausgeführte Linearführung des
Linearspannkopfs 6 vorgesehen ist und ein Eindringen von
Schmutz oder Kühlschmiermittel
in die Spanneinrichtung 1 verhindert.
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Wie
in 4 dargestellt, können an einer Werkzeugaufnahme 3 mehrere
Spanneinrichtungen 1 vorgesehen sein, die unabhängig oder
synchron angesteuert werden und ein Werkstück 2 fixieren. Dabei
pressen die Linearspannköpfe 6 das
Werkstück 2 unmittelbar
und ohne ein weiteres, der Spanneinrichtung zuzuordnendes Element
auf die Oberfläche
der Werkstückaufnahme,
wodurch sich eine sichere Übertragung
der Spannkraft von den Spanneinrichtungen 1 auf das Werkstück 2 gewährleisten lässt.