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I. Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Spannsystem zum Einspannen von Werkstücken und Bauteilen, insbesondere zum Einsatz bei einer Koordinatenmessmaschine.
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II. Stand der Technik
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Im Messlabor, vor allem bei Koordinatenmessmaschinen (CMM) müssen in kurzer Zeit diverse und vor allem asymmetrische Bauteile eingespannt und vermessen werden.
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Eine CMM umfasst üblicherweise eine Granitplatte, auf der das zu messende Bauteil möglichst gut zugänglich aufgespannt werden muss, damit der Messtaster an alle Seiten des Bauteils herankommt. Ziel ist es, das Bauteil in EINEM Durchgang zu vermessen, denn der Vorgang dauert oft Minuten bis ganze Tage – je nach Komplexität des Bauteils. Ein Messpunkt, der nicht zugänglich ist am Bauteil bedeutet, dass die Messung unter- bzw. abgebrochen wird. Ein zu vermessendes Bauteil ist dann ideal gespannt, wenn es möglichst frei zugänglich ist für den Messtaster, und zwar von ALLEN Seiten, in nur EINEM Durchgang, OHNE Umbau. Dieses Ziel ist zwar im Allgemeinen nur näherungsweise zu erreichen, definiert aber prägnant die bestehenden Anforderungen.
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Daher ist das korrekte Fixieren des zu vermessenden Bauteils von zentraler Bedeutung für den Messvorgang.
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Im Beispiel gemäß 1 ist eine CMM zu sehen, die einen vertikalen Arm mit kreuzartig angeordneten Messtastern aufweist. Im Bild gut erkennbar ist eine Hilfs-Lochplatte, die als Basis verwendet wird für die Stützen, die wiederum die Bauteile aufnehmen zum Vermessen.
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In 2 ist der Abtastvorgang beispielhaft aus der Nähe dargestellt für eine Turbinenschaufel. Auch hier sieht man eine Basis-Lochplatte, auf der Stützen montiert werden müssen, um das Bauteil zu fixieren. Der Messtaster muss die ganze Schaufel abfahren zur Vermessung, so dass die Fixierung nur an „unwichtigen“ Kanten des Bauteils vorgenommen werden kann – und die Fixierelemente dürfen dabei nicht im Weg sein.
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III. Nachteile des Standes der Technik
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Messprofis haben meist ganze Schränke von Fixiermaterial vorrätig und müssen oft stunden- oder gar tagelang auf fehlende Fixierungen warten, da sie in einer Werkstatt erst angefertigt werden müssen. Sie behelfen sich daher oft mit Bastel-Lösungen.
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Seit einiger Zeit ist ein klarer Trend zur Verlagerung der Messanlage in die Fertigung zu erkennen. Das heißt, die hochempfindliche CMM wird aus dem klimatisierten Messraum in die Maschinenhalle verbannt. Die Bedienung erfolgt nun nicht mehr durch den geschulten Messprofi, sondern durch den Poly-Mechaniker. Der hat beispielsweise soeben ein Teil gedreht und muss es nun nach dessen Fertigung nebenan auf der Messmaschine vermessen. Er hat die Ausbildung dazu nicht, es muss schnell gehen und alles sollte eher robust sein (ölige Luft, gröberes Vorgehen, Dreck, Temperaturschwankungen etc.). Die bestehenden Lösungen sind dafür in der Regel nur bedingt geeignet.
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IV. Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst universelles Spannsystem zu entwickeln, welches viele verschiedene Bedürfnisse beim Vermessen von asymmetrischen Bauteilen befriedigt, unter anderem Schnelligkeit, Flexibilität und Robustheit. Präzision ist zwar auch erwünscht, aber im Vergleich zu den genannten anderen Eigenschaften nicht ganz so wichtig.
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V. Lösung der Aufgabe
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Spannsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Demnach ist ein Spannsystem zum Einspannen von Werkstücken oder Bauteilen vorgesehen, insbesondere zum Einsatz bei einer Koordinatenmessmaschine, mit einer Basis-Einheit, die an ihrer Oberseite eine Lochplatte mit einem regelmäßigen Lochmuster aufweist, und mit einem integrierten Vier-Backen-Spannfutter, welches vier bewegliche, in Nuten in der Lochplatte geführte Grundbacken aufweist, wobei die jeweilige Grundbacke an ihrer Oberseite bündig mit der Oberseite der Lochplatte abschließt und mit Löchern versehen ist, die auf das Lochmuster der Lochplatte abgestimmt sind.
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Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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VI. Vorteilhafte Ausführungen
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Bevorzugt stehen die Grundbacken des Vier-Backen-Spannfutters in einer kreuzförmigen Anordnung zueinander, wobei die schienenartigen Nuten in der Lochplatte entsprechend kreuzartig, also senkrecht zueinander ausgerichtet sind. In einer unter Spannung stehenden Endlage berühren sich die Grundbacken im Zentrum des Kreuzes.
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Zweckmäßigerweise sind die Grundbacken des Vier-Backen-Spannfutters durch einen in die Basis-Einheit integrierten Verstellmechanismus simultan aufeinander zu oder voneinander weg bewegbar. Zu diesem Zweck weist der Verstellmechanismus vorteilhafterweise ein Handrad zur Betätigung auf, welches bevorzugt seitlich an der Basis-Einheit angeordnet ist.
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Des Weiteren ist vorteilhafterweise ein mit Hilfe eines Drehmomentenschlüssels zu verstellendes Einstellelement mit dem Verstellmechanismus gekoppelt. In einer bevorzugten Ausführung ist das Einstellelement in Gestalt einer Inbusschraube in der Lochplatte angeordnet und von oben zugänglich. Mit dem Handrad kann zunächst eine Grobeinstellung der Spannbacken des Vier-Backen-Spannfutters erfolgen. Anschließend kann mit Hilfe eines an dem Einstellelement angreifenden Drehmomentenschlüssels eine Drehmoment-überwachte Feineinstellung des Anpressdrucks der Spannbacken erfolgen. Das aufzuwendende Drehmoment entspricht dabei einer definierten Anpresskraft. Im Gegensatz zu einem Spannen „nach Gefühl“ können dadurch empfindliche Bauteile geschont und dennoch sicher eingespannt werden.
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Vorteilhafterweise weisen die Löcher in der Lochplatte und in den Grundbacken jeweils ein Gewinde zur Herstellung einer Schraub-Steck-Verbindung mit zugehörigen Aufsätzen auf. Durch Einsetzen einer Steckhülse kann das jeweilige Loch auch für die Herstellung einer reinen Steckverbindung konfiguriert werden.
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Zum Spannsystem gehört vorteilhafterweise eine Anzahl von auf den Grundbacken montierbaren, im Montageendzustand nach oben abstehenden Aufsatzbacken. Die Aufsatzbacken können an ihrer Unterseite mit Steckstiften zum Einstecken in die Löcher der Grundbacken (oder der Lochplatte) versehen sein. Alternativ oder zusätzlich können Bohrungen oder Löcher in den Aufsatzbacken vorhanden sein, durch die Verbindungsstifte oder -schrauben zur Verbindung mit den Grundbacken hindurch geführt werden können.
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Schließlich gehört zu dem Spannsystem vorteilhafterweise auch eine Anzahl von auf der Lochplatte montierbaren Blockbacken und/oder Haltestiften.
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In einer Abwandlung des bislang beschriebenen Grundkonzeptes kann anstelle eines Vier-Backen-Spannfutters auch ein Zwei-Backen-Spannfutter vorhanden sein.
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VII. Mit der Erfindung erzielte Vorteile
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In erster Linie spart der Nutzer viel Zeit, die er bei anderen Spannlösungen durch ständig notwendiges Umbauen auf der Koordinatenmessmaschine verbringt, oder mit Warten auf neu bestellte Spannsysteme und Hilfsmittel, weil die vorhandenen Geräte das Werkstück nicht richtig spannen können.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Spannsystems gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren hervorvor.
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VIII. Kurze Übersicht zu den Figuren
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1 zeigt eine Koordinatenmessmaschine (CMM) gemäß dem Stand der Technik, mit einem mit Hilfe einer Lochplatte auf einem Messtisch fixierten, zu vermessenden Objekt.
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2 zeigt ein weiteres zu vermessendes Objekt (hier: eine Turbinenschaufel), welches mit Hilfe von Stützen auf einer Lochplatte fixiert ist.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung in einer ersten Konfiguration.
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4 zeigt die Spannvorrichtung gemäß 3 in einer zweiten Konfiguration.
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5 zeigt die Spannvorrichtung gemäß 3 in einer dritten Konfiguration.
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Gleiche oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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IX. Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Gemäß der Erfindung wurde ein neues universelles Spannsystem entwickelt, welches viele verschiedene Bedürfnisse beim Vermessen von asymmetrischen Bauteilen befriedigt, unter anderem Schnelligkeit, Flexibilität und Robustheit. Diese Eigenschaften vereint das neue Spannsystem in sich. Durch einen modularen Aufbau nach Art eines Baukasten-Systems sind verschiedene Erweiterungsmöglichkeiten vorhanden.
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Das Spannsystem kann als Schraubstock, Zwei- oder Vier-Backenfutter, sowie als Zentrumsspanner oder in Kombination mit einer Rasterplatten-Stifte-Fixierung verwendet werden. Das Einspannen der Bauteile oder Werkstücke kann vorteilhafterweise durch Drehmoment-Überwachung eines Handrades mit definierter Einspannkraft erfolgen. Auch das Spannen und Messen mehrerer gleicher oder unterschiedlicher Teile ist problemlos möglich.
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Vorteil 1 – Grundlegender Aufbau und Gewicht
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Das Spannsystem 2 hat eine quaderförmige Gestalt und in etwa die Abmessungen eines Schuhkartons und wiegt etwa 15 kg, ist also eher schwer. Damit können auch leichte Bauteile verrutsch-sicher fixiert werden.
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Es besteht aus einer Basis-Einheit 4 und verschiedenen Aufsatz-Optionen.
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Vorteil 2 – Lochplatten-Oberfläche
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Die Basis-Einheit 2 weist auf der Oberseite eine Lochplatte 6 auf. Das heißt, man kann die Basis-Einheit 2 direkt auf die Granitplatte der CMM stellen und braucht KEINE Hilfs-Lochplatte mehr zum Fixieren von Spannhilfen. Denn diese können nun auf dem Spannsystem 2 selbst angebracht werden.
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Vorteil 3 – Höhe
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Die Basis-Einheit 4 ist ca. 10 cm hoch. Darauf angeordnete Aufsätze oder Aufbauten sind ca. 5 bis 10 cm hoch. Je nach Aufbau wird das zu haltende Bauteil also ca. 15 bis 20 cm über der Oberfläche der Granitplatte der zugehörigen CMM fixiert. Damit ist es hoch genug angeordnet, so dass der Messtaster auch unter das Bauteil gelangen kann, ohne mit dem Boden (Granitplatte) zu kollidieren.
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Vorteil 4 – Vier-Backen-Spannfutter
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Das in die Basis-Einheit integrierte Vier-Backen-Spannfutter 8 besitzt vier Grundbacken 10, die in schienenartigen Nuten 12 laufen und über ein zugeordnetes Handrad 14 betätigt werden. Die Grundbacken 10 sind an ihrer Oberseite bündig abschließend zur Oberfläche der Lochplatte 6 angeordnet und selber mit Löchern 16 versehen, die sich in das Lochmuster der Lochplatte 6 einfügen. Das heißt, zumindest in ausgewählten Stellungen des Vier-Backen-Spannfutters 8 bilden die Löcher 16 in den Grundbacken 10 mit den umliegenden Löchern 16 der Lochplatte 6 vorteilhafterweise ein regelmäßiges Lochmuster. Mit Hilfe dieser Löcher 16 lassen sich Aufsatzbacken 18 auf die Grundbacken 10 aufsetzen. So kann das System als klassisches Vier-Backen-Spannfutter verwendet werden. In der Konfiguration gemäß 3 sind auf drei der Grundbacken 10 Aufsatzbacken 18 montiert. In 4 hingegen sieht man die Grundbacken 10 gut, da hier nur eine einzige Aufsatzbacke 18 montiert ist. In 5 sind vier Aufsatzbacken 18 montiert, die das zu haltende Werkstück 20 von allen vier Seiten einspannen.
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Vorteil 5 – Steck-Schraub-System
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In der Konfiguration gemäß 5 wurden die Aufsatzbacken 18 geeignet gedreht, um das dort beispielhaft zur Vermessung vorgesehene Turbinenrad zu fixieren. Das dauert ca. eine Minute mit Umstecken (Stecksystem). Werden die Aufsatzbacken 18 nicht nur umgesteckt, sondern auch noch mit den Grundbacken 10 verschraubt, dauert der Umbau etwa zwei Minuten.
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Zu diesem Zweck haben die Grundbacken 10 vorteilhafterweise die gleichen Bohrungen und Abstände wie die Oberfläche der Lochplatte 6 des Systems. So können beispielsweise die Aufsatzbacken 18 auch direkt auf die Oberfläche gesteckt oder geschraubt werden – alles kompatibel.
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Jede Bohrung / jedes Loch 16 besteht vorteilhafterweise aus einem Gewinde und einer Zentrierbohrung. Zur Montage einer Aufsatzbacke 18 wird eine übliche Steckhülse in die Bohrung gesteckt, darauf dann die Aufsatzbacke 18 gesteckt und wenn gewünscht noch eine Schraube durch alles hindurch geschraubt. Umstecken allein reicht schon für viele Anwendungen und geht vor allem schnell und einfach. Die gewünschte Präzision wird durch die Steckhülsen erreicht.
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Vorteil 6 – Schraubstock-Funktion (Wiederholgenauigkeit)
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Im 4 sieht man nur eine einzige montierte Aufsatzbacke 18, die anderen drei Grundbacken 10 sind „leer.“ Dafür sind aber zwei Blockbacken 22 auf die Lochplatte 6 montiert, sie bewegen sich also nicht. Das zu klemmende Bauteil wird nun mit der beweglichen Aufsatzbacke 18, unter Betätigung des Handrades 14, gegen die fixen Blockbacken 22 gedrückt.
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Vorteil: Die Position ist immer die gleiche, da sich nur die eine Aufsatzbacke 18 bewegt. Das ist wichtig, sobald mehrere gleiche Teile hintereinander vermessen werden sollen. Dann startet der Messtaster immer an der gleichen Position und muss das Bauteil nicht erst „suchen“.
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Vorteil 7 – Drehmoment-Steuerung
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Vorteilhafterweise ist eine Drehmoment-Verstellung mit einem Einstellelement 24 vorhanden, um den Anpressdruck der – in der Regel aus Grundbacken 10 und aufgesetzten Aufsatzbacken 18 gebildeten – Spannbacken gezielt einzustellen. Oft gilt es nämlich, druckempfindliche Teile zu spannen. Die Spannbacken können hier mit einem Drehmoment-Schlüssel kontrolliert geschlossen werden. Die mittels des Einstellelements 24 verwirklichte Drehmoment-Inbus-Verstellung ist mit dem Handrad 14 über einen Zahnriemen verbunden. Die Grobeinstellung macht man zweckmäßigerweise mit dem Handrad 14, die Feineinstellung anschließend mit dem Drehmomentschlüssel.
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Vorteil 8 – Mannigfache Kombinationen
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Wie bereits erwähnt, können Aufsatzbacken 18 auf den Grundbacken 10 montiert werden. Je nach konkreter Anwendung können somit entweder keine, eine, zwei, drei oder vier Aufsatzbacken 18 vorhanden sein, die zusammen mit den Grundbacken 10 mit Hilfe des Handrads 14 bewegt werden. Des Weiteren können Blockbacken 22 und andere Objekte fest auf der Lochplatte 6 verankert sein. Beispielsweise kann man als Halteelemente Stifte verwenden, die noch mehr Zugänglichkeit zum eingespannten Objekt bieten, oder alle mögliche Kombinationen. Auch hohe Backen mit „Giraffenhälsen“ bieten sich an, wenn es um mehr Freiheit geht. Je nach Aufbau können mehrere Teile nebeneinander fixiert werden.
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Vorteil 9 – Robustheit
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Das System ist vorteilhafterweise aus Aluminium hergestellt und mit einer speziellen Beschichtung (Coating) versehen, die auch schmierende Eigenschaften hat und härter als Stahl ist. So ist das System fast fettfrei betreibbar und hält bei guter Pflege bis zu 100 Jahre. Auch eine gröbere Bedienung durch nichtgeschultes Personal kann ihm nichts anhaben.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Spannsystem
- 4
- Basis-Einheit
- 6
- Lochplatte
- 8
- Vier-Backen-Spannfutter
- 10
- Grundbacke
- 12
- Nut
- 14
- Handrad
- 16
- Loch
- 18
- Aufsatzbacke
- 20
- Werkstück
- 22
- Blockbacke
- 24
- Einstellelement
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Zusammenfassung
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Hauptanspruch: Spannsystem (2) zum Einspannen von Werkstücken (20) oder Bauteilen, insbesondere zum Einsatz bei einer Koordinatenmessmaschine, mit einer Basis-Einheit (4), die an ihrer Oberseite eine Lochplatte (6) mit einem regelmäßigen Lochmuster aufweist, und mit einem integrierten Vier-Backen-Spannfutter (8), welches vier bewegliche, in Nuten (12) in der Lochplatte geführte Grundbacken (10) aufweist, wobei die jeweilige Grundbacke (10) an ihrer Oberseite bündig mit der Oberseite der Lochplatte (6) abschließt und mit Löchern (16) versehen ist, die auf das Lochmuster der Lochplatte (6) abgestimmt sind.
