DE202004008961U1

DE202004008961U1 - Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE202004008961U1
Application number: DE200420008961
Authority: DE
Original assignee: Hohenstein Vorrichtungsbau und Spannsysteme GmbH
Current assignee: Hohenstein Vorrichtungsbau und Spannsysteme GmbH
Priority date: 2004-06-05
Filing date: 2004-06-05
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2014-06-06

Abstract

Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung mit Sensoren für die Ermittlung und Übertragung von Signalen über Zustandsinformationen und -Änderungen, während einer spanenden industriellen Fertigung, insbesondere Trockenbearbeitung, von im wesentlichen mittels Fluid-Druckmedium gespannten gehäuseförmigen Werkstücken auf Werkzeugmaschinen zum Bohren und Fräsen für eine aktorische Kompensation der Einstell- und Bearbeitungsfunktionen durch die Steuerung der Bearbeitungszentren
dadurch gekennzeichnet,
dass an einer Spannwand (1) eines Aufspannkörpers oder eines Spannwinkels (2) in den Raumsegmenten
– an bzw. in unmittelbarer Nähe oder
– an den Kontaktstellen (6) von Werkzeugschneiden und Bearbeitungsflächen des Werkstückes (5) und
– an bzw. in Winkel- und Gelenkstellen (3) der Spannwand (1) mit der Grund- oder Adapterplatte (4) und/oder
– in einem definiert weiten Abstand von den Kontaktstellen (6) entfernt
jeweils mindestens zwei Sensoren für Temperaturmessung (14) und für spannkraftsowie temperaturbedingte Verformungen (15) an der Spannwand (1) und am Werkstück (5) angeordnet sind und
jeweils ein Sensor...

Description

Die Erfindung geht auf dem im Oberbegriff des Schutzanspruches 1 definierten Gegenstand aus.
Die spanende industrielle Fertigung von gehäuseförmigen Werkstücken auf Werkzeugmaschinen zum Bohren und Fräsen, als hochtemperierte Trockenbearbeitung realisiert, bedingt vielfach qualitätsmindernde und sicherheitsrelevante Zustandsänderungen an der Spannvorrichtung und am positionierten und gespannten Werkstück. Daneben bedingen die Elemente der Werkstückspannung mit Fluid-Druckmedien, wie Drucköl- oder Druckluftspannelemente, eine Überwachung des Spannzustandes.
Kennzeichnend für eine intelligente Werkstück-Spannvorrichtung sind dabei die sensorische Feststellung der durch die hohen Bearbeitungskräfte, durch die Temperaturentwicklung bei der Trockenbearbeitung und die durch die Auswirkungen der Spannfunktion bedingten Zustandsänderungen und, nach entsprechender Informationsübertragung an die Steuerung der Werkzeugmaschine, eine aktorische Kompensation durch diese.
Damit sind Fehlfunktionen, Qualitätsmängel und sicherheitsrelevante Negativauswirkungen auf den Bediener vermeidbar. Die so mit Intelligenz ausgestattete Werkstück-Spannvorrichtung ist damit die wesentlichste Komponente im technologischen Prozess zur Realisierung einer bedienarmen spanenden Trockenbearbeitung.
Unmittelbar auf der Werkstück-Spannvorrichtung und am gespannten Werkstück wird eine große Anzahl an technischen, technologischen und funktionellen Daten sensorisch erfasst und für die aktorische Kompensation an die Steuerung der Werkzeugmaschine übertragen. Dies erfolgt zusätzlich zu den eigentlichen Vorrichtungsfunktionen: Lagebestimmung und Spannung mittels spezifischer Funktionselemente und Anordnung der Armaturen für die funktionell benötigten Leistungsarmaturen.
Aus DE 100 59 153 C1 ist eine Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung bekannt, die als ein Bearbeitungssystem mit beweglichen Werkstückträger- und Werkstückspann-Modulen ausgebildet ist. Diese beweglichen Module sind am einem Grund- oder Aufspannkörper beispielsweise schwenkbeweglich gelagert angeordnet und damit in vorbestimmten Schwenkpositionen hochgenau zentrisch positioniert.
Da auch hier Elektroenergie als Erzeugerenergie für zu übertragende Spann- und Schwenk-Zustandsinformationen benötigt wird, bedurfte es zur Vermeidung von flexiblen Kabelverbindungen, die zu Verschlingungen neigen, und zur Vermeidung von Steckerkupplungen drahtloser Informationsübertragungen an entsprechend gestalteten Kontakt- und Schnittstellen zwischen den beweglichen Modulen und dem unbeweglichen Grund- oder Aufspannkörper.
In der erwähnten Erfindung wird zu diesem Zweck Druckluft als Energieträger für eine drahtlose Realisierung der Zu- und Abführung sowie Wandlung der Elektroenergie, ergänzt durch Energie aus einem nachladbaren Batteriesystem, als ein Schwachstrom-Energieversorgungssystem strukturiert, genutzt. Die sensorischen Daten über Spann- und Schwenkzustände und deren Veränderungen werden als Signale drahtlos auf der Grundlage von Infrarot entlang der Schwenkachse beweglicher Module am unbeweglichen Grund- und Aufspannkörper gerichtet übertragen. Die geschlossene abgeschirmte Anordnung dieser drahtlosen Informationsübertragung in einer rohrförmig hohl ausgebildeten Drehdurchführung hält prozessbedingt entstehende heiße Späne fern und vermeidet Informationsfehler. Die entsprechend gestaltete Informationsschnittstelle ist auch an der Kontaktstelle zwischen der Grundfläche des Grund- oder Aufspannkörpers der Werkstück-Spannvorrichtung und der Oberfläche der Maschinenpalette oder des Maschinentisches der Werkzeugmaschine angeordnet.
Daneben ist aus DE 102 18 188 C1 eine Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung bekannt, wobei ebenfalls ein beweglicher Werkstückträger und ein Werkstückspann-Modul an einem Grund- oder Aufspannkörper, schwenkbeweglich gelagert, angeordnet und in vorbestimmten Schwenkpositionen hochgenau zentrisch positioniert sind. Ergänzend werden hier die Zustandsänderungen der mit Druckflüssigkeit betätigten Arretier-Komponenten für die Module und die Zustandsänderungen der Spannbaugruppen für die Werkstückpositionierung und -spannung sensorisch ermittelt. Dazu ist in mindestens einer der Druckflüssigkeitsleitungen an der Schnittstelle der Werkstück-Spannvorrichtung zur Werkzeugmaschine ein Volumensensor angeordnet und über eine separate, in der Werkzeugmaschine verlaufende, Signalübertragungsleitung mit der Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden. Über die Werkzeugmaschinensteuerung sind aktorisch die sensorisch festgestellten, im wesentlichen funktionsstörenden, Änderungen der Druckflüssigkeitsmenge und -bewegung kompensierbar oder nach dem Signal „Maschine Aus" Instandsetzungsmaßnahmen durchführbar. Die Informationsschnittstelle ist auch hierbei abgeschirmt ausgebildet und an der Kontaktstelle zwischen Grundfläche der Werkstück-Spannvorrichtung und Oberfläche der Maschinenpalette oder des Werkzeugmaschinentisches angeordnet.
Die durch hohe Bearbeitungskräfte, hohe Temperaturen sowie aufliegende hochtemperierte Späne gekennzeichnete spanende industrielle Fertigung von Stahl-, Grauguss- und Aluminiumguss-Werkstücken (insbesondere Trockenbearbeitung), die damit bedingten Veränderungen der Spannzustände, hoher Wärmeeintrag und wärmeeintragsbedingte Verformungen an der Werkstück-Spannvorrichtung und am Werkstück sind nicht Gegenstand der sensorischen Feststellung und intelligenten Datenübertragung für eine aktorische Kompensation der in beiden genannten Schriften vorgeschlagenen Lösungen.
Aus DE 102 37 63 C1 ist eine Werkstück-Spannvorrichtung mit Späneableit-Komponenten bekannt, wobei unter den Bedingungen der Trocken- und der Minimalmengenschmierungs-Bearbeitung Komponentenlösungen vorgeschlagen werden, die hochtemperierte Späne von beweglichen und festen Werkstück-Spannmodulen sowie von Raumsegmenten der Werkzeugmaschinen zügig ableiten und von den eigentlichen Bestimm- und Spannflächen der Werkstück fern halten.
Die Ermittlung oder Feststellung von äußeren wärmeeintrags- und spänebedingten Auswirkungen und Veränderungen an der Werkstück-Spannvorrichtung und an den gespannten, beispielsweise trockenspanend gefertigten, Werkstücken sind nicht Gegenstand der technischen Aufgabenstellung dieser Lösung.
Die Größenordnung der Auswirkungen der Trockenbearbeitung auf die Werkstück-Spann-vorrichtung und auf das Werkstück unter den Bedingungen hoher Produktivität erfordert die sensorische Erfassung einer großen Anzahl von Daten an den räumlich unmittelbar betroffenen Wirkungsstellen und Raumsegmenten sowie, nach Zusammenfassung dieser Daten als Signale an einer Empfangseinheit an der Werkstück-Spannvorrichtung, eine offene Signalübertragung für eine aktorische Kompensation an die Werkzeugma-schinensteuerung.
Die unter anderen durch EP 0108521 B1 bekannte offene Signalübertragung unter Nutzung von Funkwellen an Werkzeugmaschinen ist technologisch auf Mess- und Einstellprozesse von Werkzeugen und Tischkomponenten beschränkt. Die komplexe offene Übertragung einer größeren Anzahl funktions- und technologiebedingter unterschiedlicher Daten als Signale, von einer Werkstück-Spannvorrichtung ausgehend, ist bisher nicht unter Nutzung von Funkwellen in der Praxis realisiert worden.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, in der spanenden industriellen Fertigung, insbesondere in der Trockenbearbeitung, zu bestimmen, welche technologischen und funktionellen Informationen über Zustandsänderungen an festzulegenden Stellen der Werkstück-Spannvorrichtung sensorisch ermittelt und als Signale offen der Werkzeugmaschinensteuerung für eine aktorische Kompensation übermittelt werden.
Das Problem wird durch den Schutzanspruch 1 gelöst.
Es werden vier Raumsegmente und deren Anordnung an der Spannwand eines Aufspannkörpers oder Spannwinkels der Werkstück-Spannvorrichtung vorgeschlagen. Die Sensoren werden für die Temperaturmessung, die Ermittlung von spannkraft- sowie temperaturbedingten Verformungen an der Spannwand und am Werkstück genutzt.
Das an einem Zapfen an der Spannwand vorpositioniert gehängte Werkstück wird in einer mittels Sensoren festgestellten Mittenlage wiederholbar positioniert. Alle Sensoren sind über eine an der Spannwand angeordneten Signalverarbeitungseinheit leitungsverbunden, eine Sendeeinheit für Funkwellensignale auf der Werkstück-Spannvorrichtung ist mit der Empfangseinheit für Funkwellensignale auf der Werkzeugmaschine und der Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 und 3 angegeben. Der an den Spannstellen festgestellte Zustand der mit Fluid-Druckmedien betätigten Spannbaugruppen wird zusätzlich über mindestens einen, abgeschirmt angeordneten, Volumenmesssensor, der mit der Werkzeugmaschinensteuerung informationsverbunden ist, festgestellt.
Zwischen den Edelstahl-Späneableitblechen und der Spannwand sind wärmeeintragvermindernde Luftpolster ausgebildet. Die werkstück- und trockenbearbeitungsspezifische Auswahl und Anordnung bekannter Sensoren zur ständig andauernden oder periodischen Ermittlung aller Zustandsänderungen an der Werkstück-Spannvorrichtung, ohne die Lagebestimm- und Spannfunktion zu behindern, sichert über die Vorrichtungsintelligenz eine hohe Prozessgenauigkeit, Qualität und technische Sicherheit in der Werkstückfertigung.
Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel in den Figuren vereinfacht dargestellt und wird im folgenden Teil der Beschreibung näher erläutert:
1 eine Ansicht der Spannseite der Intelligenten Werkstück-Spannvorrichtung
2 eine Seitenansicht als Schnittdarstellung in Richtung A nach 1
3 eine Draufsicht auf die Maschinenpalette der Werkzeugmaschine
4 eine 3D-Darstellung der Spannseite mit Edelstahl-Ableitblechen
5 eine Rückseiten-Darstellung nach 4
Die in 1 und in 2 vereinfacht dargestellte Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Aufspannkörper in der Form eines Spannwinkels 2 mit einer Spannwand 1 und einer Grundplatte 4. An der Vorderseite der Spannseite der senkrechten Spannwand 1 ist das gehäuseförmige Werkstück 5, hier eine Zylinderkopfhaube, auf Stützelementen 10 aufliegend, positioniert und mittels Spannstellen 9 von drei schwenkbaren, mit Fluid-Druckmedium – hier mit Drucköl – betätigten, Spannbaugruppen gespannt. An der Spannwand 1 sind in den bestimmten Raumsektoren Sensoren 14, 15 und 16 angeordnet, mit denen eine sensorische Ermittlung von Zustandsinformationen und Zustandsänderungen erfolgen kann.
Sensoren 14 sind in dem Raumsegment 6 an bzw. in unmittelbarer Nähe der Kontaktstelle von Werkzeugschneiden des Bohrwerkzeuges und der Bearbeitungsflächen des Werkzeuges 5 angeordnet.
Weiterhin sind Sensoren 14 an der Winkel- und Gelenkstelle 3 von Spannwand 1 sowie Grund- und Adapterplatte 4 in einem definierten weiten Abstand von der Kontaktstelle des Raumsegmentes 6 entfernt angeordnet.
Zwei Sensoren 14 sind für die Temperaturmessung und zwei Sensoren 15 für die Feststellung von spannkraft- sowie temperaturbedingten Verformungen an der Spannwand 1 und am Werkstück 5 angeordnet. Das Werkstück 5 ist mittels einer in oberer Zentrumslage befindlichen Bohrung 7 hakenförmig, auf einem an der Spannwand 1 angeordneten vorstehenden kugelförmigen Zapfen 8 gehängt, vorpositioniert. Die Außenkonturen der Zylinderkopfhaube sind in dieser Lage mittels der Sensoren 15 festgestellt und werden für eine Kompensation der Achskomponenten auf die Werkzeugmaschinensteuerung 13 übertragen.
Alle Sensoren sind über die Signalverarbeitungseinheit 23, die auf der Spannwand 1 angeordnete Sendeeinheit für Funkwellensignale 18 und die auf der Werkzeugmaschine in Reichweite befindliche Empfangseinheit für Funkwellensignale 19 mit der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden.
In 3 ist dargestellt, dass die Zu- und Abführleitungen der Spannbaugruppe, die die Spannstelle 9 bilden, in der Schwenkachse 12 im engen Abstand um diese auf der Maschinenpalette 11 angeordnet sind. Mindestens eine der Drucköl-Zu- und Abführleitungen ist mit einem Volumenmesssensor 17 ausgestattet. Dieser Sensor ist unter der Maschinenpalette 11 angeordnet und über die Signalübertragungsleitung 20 mit der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden. Nicht dargestellt sind die Elemente für die Wandlung von, über eine Leitung in der Schwenkachse 12 zugeführten, Druckluft in Schwachstromenergie mittels eines Energiewandlers an der Spannwand 1, um die Versorgung der Sensoren mit Erzeugerenergie zu realisieren.
In 4 und 5 ist die Einhausung des Spannwinkels 2 für eine erleichterte Ableitung der hochtemperierten Späne aus der Maschinenpalette 11 angeordnet und über die Signalübertragungsleitung 20 mit der Steuerung 13 der Werkzeugmaschine informationsverbunden. Nichtdargestellt sind die Elemente für die Wandlung von, über eine Leitung in der Schwenkachse 12 zugeführte, Druckluft in Schwachstromenergie mittels eines Energiewandlers an der Spannwand 1, um die Versorgung der Sensoren mit Erzeugerenergie zu realisieren.
In 4 und 5 ist die Einhausung des Spannwinkels 2 für eine erleichterte Ableitung der hochtemperierten Späne aus der Trockenbearbeitung dargestellt.
Die senkrecht und schräg nach unten gerichteten Edelstahl-Späneableitbleche 21 bilden, in einem Abstand zur Spannwand 1 verlaufend, spanfreien Hohlraum 22, in dem die Halterung von Sensoren angeordnet und ein wärmeeintragsfreies Luftpolster beidseitig ausgebildet ist.

1: Spannwand
2: Spannwinkel/Aufspannkörper
3: Winkel- und Gelenkstellen (der Spannwand 1)
4: Grundplatte/Adapterplatte
5: Werkstück
6: Kontaktstellen Werkzeugschneiden/Bearbeitungsfläche
7: Bohrung (in Werkstück 5)
8: Zapfen
9: Spannstellen
10: Stützelement
11: Maschinenpalette
12: Schwenkachse (der Maschinenpalette 11)
13: Steuerung der Werkzeugmaschine
14: Sensoren für Temperaturmessung
15: Sensoren für spannkraft-/temperaturbedingte Verformungen
16: Sensoren für Werkstückspann-Zustandsabfrage
17: Volumenmesssensor
18: Sendeeinheit für Funkwellensignale
19: Empfangseinheit für Funkwellensignale
20: Signalübertragungsleitung
21: Edelstahl-Späneableitbleche
22: spanfreier Hohlraum
23: Signalverarbeitungseinheit

Claims

Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung mit Sensoren für die Ermittlung und Übertragung von Signalen über Zustandsinformationen und -Änderungen, während einer spanenden industriellen Fertigung, insbesondere Trockenbearbeitung, von im wesentlichen mittels Fluid-Druckmedium gespannten gehäuseförmigen Werkstücken auf Werkzeugmaschinen zum Bohren und Fräsen für eine aktorische Kompensation der Einstell- und Bearbeitungsfunktionen durch die Steuerung der Bearbeitungszentren dadurch gekennzeichnet, dass an einer Spannwand (1) eines Aufspannkörpers oder eines Spannwinkels (2) in den Raumsegmenten – an bzw. in unmittelbarer Nähe oder – an den Kontaktstellen (6) von Werkzeugschneiden und Bearbeitungsflächen des Werkstückes (5) und – an bzw. in Winkel- und Gelenkstellen (3) der Spannwand (1) mit der Grund- oder Adapterplatte (4) und/oder – in einem definiert weiten Abstand von den Kontaktstellen (6) entfernt jeweils mindestens zwei Sensoren für Temperaturmessung (14) und für spannkraftsowie temperaturbedingte Verformungen (15) an der Spannwand (1) und am Werkstück (5) angeordnet sind und jeweils ein Sensor für Werkstück- und Spannzustandsabfrage (16) an jeder Spannstelle (9) und an jedem Stützelement (10) angeordnet ist und dass das Werkstück (5) mittels einer, in oberer Zentrumslage befindlichen Bohrung (7) hakenförmig auf einem an der Spannwand (1) angeordneten vorstehenden zylindrischen oder kugelförmigen Zapfen (8) gehängt, vorpositioniert ist und die Konturen dieser vorpositionierten Lage mittels Sensoren festgestellt und für eine Kompensation der Positionsdaten der Achskomponenten übertragbar sind und dass alle Sensoren über eine Signalverarbeitungseinheit (23), eine Sendeeinheit für Funkwellensignale (18), die auf der Spannwand (1) angeordnet ist, und über eine in Reichweite befindliche Empfangseinheit für Funkwellensignale (19), auf der Werkzeugmaschine angeordnet, mit der Steuerung (13) der Werkzeugmaschine informationsverbunden sind.
Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannstellen (9) als schwenkbare, mit Fluid-Druckmedien betätigte, Spannbaugruppen ausgebildet sind, wobei mindestens eine der Zu- und Abführleitungen des Fluid-Druckmediums für diese in der Schwenkachse (12) der Maschinenpalette (11), in einer kontaktierten Schnittstellenposition mit der Grund- oder Adapterplatte (4) angeordnet, auch für die Wandlung des Fluid in Schwachstromenergie in einem leitungsverbundenen Energiewandler, der an der Spannwand (1) oder auf der Grund- oder Adapterplatte (4) angeordnet ist, nutzbar sind und dass eine weitere Zu- und Abführleitung mit einem Volumenmesssensor (17), der an der Maschinenpalette (11) angeordnet ist, leitungsverbunden und über ein Signalübertragungsleitung (20) sensorisch mit der Steuerung (13) der Werkzeugmaschine informationsverbunden ist.
Intelligente Werkstück-Spannvorrichtung nach Schutzanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die, die Spannwand (1) einhausenden senkrechten oder schräg nach unten gerichteten Edelstahl-Späneableitbleche (21) in einem Abstand zur Spannwand (1) verlaufend, einen spanfreien Hohlraum (22) bilden, in dem die Halterungen von Sensoren angeordnet sind und in dem ein wärmeeintragverminderndes Luftpolster beidseitig ausgebildet ist.