DE4005514A1 - Flexible pneumatische haltevorrichtung zum positionieren und fixieren von werkstuecken - Google Patents
Flexible pneumatische haltevorrichtung zum positionieren und fixieren von werkstueckenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine flexible pneumatische
Haltevorrichtung zum Positionieren und Fixieren von
Werkstücken, mit einer eine ebene Aufnahmefläche aufweisenden
Grundplatte, auf der das zu bearbeitende Werkstück mittels
mindestens einem auf der Aufnahmefläche wieder lösbar
befestigbaren Halteelement fixierbar ist.
Bei derzeit bekannten stationären oder instationären Halte-
und Spannvorrichtungen, werden die Halteelemente durch
verschiedene Befestigungsmethoden an der Grundplatte
angebracht.
Im Falle einer mechanischen Befestigungsmethode, weist die
Grundplatte bspw. ⟂-förmige Nuten auf, in welchen
Spannschrauben verschiebbar aufgenommen liegen, mittels derer
die Halteelemente die das Werkstück halten sollen, auf der
Grundplatte fixiert werden. Nachteilig aufgrund der
vorgegebenen Einspannrasterung ist, daß sich bei bestimmten
Werkstücken eine optimale Haltesituation an der Grundplatte
oftmals nicht realisieren läßt oder nur durch Vorsehen
spezieller Halteelemente in verschiedenartigsten Formen bei
verhältnismäßig großem Aufwand erreichen läßt.
Für den Einsatz einer solchen Haltevorrichtung in
automatisierten Montageprozessen, bei welchen an einem
bestimmten Werkstück verschiedene Montagearbeiten durchgeführt
werden, sind werkstückspezifische Halteelemente auf einer
Bearbeitungsgrundpalette angebracht, um mit ihren Halteflächen
ein Formnest für das Werkstück zu bilden. Demgemäß ist eine
Vielzahl von an die jeweilige Abstützsituation sowie
geometrische Form des Werkstücks angepaßten Halteelementen
notwendig. Ein entsprechend hoher konstruktiver Aufwand der
einzelnen Halteelemente ist hierdurch gegeben, die zudem durch
die vorwiegend spanende Fertigung der Halteelemente
außerordentlich aufwendig und teuer in der Herstellung sind;
zudem benötigt man bei instationärem Einsatz, bspw. in
Montagetaktstraßen eine Vielzahl an
Bearbeitungsgrundpalettenvarianten, mit an die jeweilige
Werkstück-Kontur und Halte-/Spannsituation angepaßte
Halteelemente, was mit entsprechendem Lager- und
Kapitaleinsatz für eine so gebildete unflexible
Haltevorrichtung verbunden ist. Bei stationärem oder
instationärem Einsatz ist der Zeitaufwand zur Anpassung der
Halte-/Spannvorrichtung an eine neue Werkstückkontur
erheblich, was längere Standzeiten und somit Kosten verursacht.
Es ist ferner bekannt, durch Vorsehen einer an eine
Vakuumpumpe anschließbare perforierte Vakuumspannplatte
Werkstücke mit einer großen Aufspannfläche direkt einzuspannen
und zu bearbeiten. Nachteilig bei einer solchen
Vakuumspannplatte ist, daß keine zusätzlichen Halteelemente
angebracht werden können und Werkstücke mit nicht geeigneten
Aufspannflächen (z. B. Hohlzylinder, Körper mit kleinen
Aufstandflächen) gar nicht befestigbar sind. Die gleichen
Schwierigkeiten treten auch bei Magnetspannplatten auf, welche
zu dem, ähnlich der Vakuumspannplatte, bei leichter
Verschmutzung der Spannfläche nicht mehr optimal einsetzbar
sind. Die notwendigen Leitungen und Schnittstellen für den
Anschluß an die Vakuumerzeugungsquelle schränken ferner das
Einsatzspektrum der Vakuumspannplatte erheblich ein, wodurch
diese für instationäre Spann-/Montagesysteme ungeeignet ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine flexible
pneumatische Haltevorrichtung der eingangs genannten Art so
auszugestalten, daß eine verbesserte freie Positionierbarkeit
der Halteelemente, bei geringem Realisierungsaufwand
gewährleistet wird und dabei ein schnelles Anpassen der
Haltevorrichtung an verschiedenartigste Werkstücke und
Haltesituationen mit geringem Anpaßaufwand möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Halteelement beliebig auf der Aufnahmefläche positioniert
durch Erzeugung und Aufrechterhaltung eines Vakuums
unverrückbar kraftschlüssig gehalten wird und hierzu eine
manuell, pneumatisch, elektromagnetisch oder mechanisch
betätigbare Vakuumerzeugungsvorrichtung aufweist, die zur
Erzeugung und/oder Aufrechterhaltung und Aufhebung des Vakuums
dient, welches durch Zusammenwirken der
Vakuumerzeugungsvorrichtung mit der Aufnahmefläche
aufrechterhaltbar und zur Neupositionierung oder Entfernung
des Halteelements auf/von der Grundplatte wieder aufhebbar
ist. Durch die auf der Grundplatte gegebene freie
Positionierbarkeit mit anschließender kraftschlüssiger
Fixierung durch den zwischen Aufnahmefläche und Halteelement
wirkenden Unterdruck ist eine extrem hohe Flexibilität in
Bezug auf die Anpassung an unterschiedlichste Halte- bzw.
Abstützsituationen eines Werkstücks gegeben. Jeglich
Schnittstelle zu einer äußeren Vakuumerzeugungsquelle, bspw.
einer Vakuumpumpe, entfällt. Durch Betätigen der
Vakuumerzeugungsvorrichtung, welches im einfachsten Fall von
Hand erfolgen kann, wird das Vakuum zur Erzeugung der
Haltekräfte aufgebaut, das durch eine erneute Betätigung
wieder abbaubar ist, wodurch eine erneute Positionierung der
Halteelemente in Anpassung an ein anders geformtes und andere
Befestigungserfordernisse aufweisendes Werkstück mit geringem
Aufwand gegeben ist. Kurze Umrüstzeiten sind gewährleistet,
wobei das Nichtvorhandensein von Schnittstellen zu externen
Vakuumerzeugungsquellen insbesondere einen instationären
Einsatz einer so gebildeten flexiblen Haltevorrichtung in
automatisierten Montagetankstraßen ermöglicht. Das
"selbsterzeugte bzw. aufrechterhaltene Vakuum" gewährleistet
eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit des
Haltevorgangs bei geringer Störanfälligkeit.
Dadurch, daß das Halteelement einen Grundkörper aufweisen
kann, der eine mit der Aufnahmefläche in luftdichte Anlage
bringbare Kontaktfläche und eine über eine Ausnehmungsöffnung
zumindest teilweise zur Kontaktfläche hin offene kammerartige
Ausnehmung besitzt, und daß die Ausnehmung bei Anlage der
Kontaktfläche auf der Aufnahmefläche mittels der
Vakuumerzeugungsvorrichtung derart evakuierbar und der
Unterdruck aufrechterhaltbar ist, daß eine ausreichende
Haftung des Halteelements auf der Grundplatte gegeben ist, ist
es möglich, einen so gebildeten Grundkörper als Grundmodul für
unterschiedlichst geformte Halteelemente zu verwenden, so daß
das Halteelement, unabhängig seiner aufgrund der
Werkstückkontur und -haltesituation angepaßten geometrischen
Ausgestaltung, einen speziell für die Erzeugung des Vakuums
und an die Haltefunktion optimal angepaßtes Teilelement
aufweist.
Zur Steigerung der Flexibilität in Bezug auf die Anpaßbarkeit
der Haltevorrichtung an unterschiedlichste Halte- bzw.
Abstützsituationen ist es besonders vorteilhaft, daß die
Halteelemente Formelemente aufweisen können, die mit dem
Grundkörper verbindbar sind, verschiedene geometrische Formen
und Maße besitzen können und zur Anpassung der Halteelemente
an eine Werkstückkontur und/oder haltesituationsspezifische
Befestigung des Werkstücks auf der Grundplatte vorgesehen
sind. Bei Verwendung der Haltevorrichtung zu Montagezwecken,
können hierbei die auftretenden Montagekräfte optimal durch
die Formelemente an den Grundkörper weitergeleitet werden und
eine freie Zugänglichkeit von Montageflächen am Werkstück
sichergestellt werden. Die Haltelemente können somit über die
Formelemente an jegliche Außen- oder Innenkontur des zu
bearbeitenden Werkstücks angepaßt werden. Hierdurch ist es
auch möglich, in einer Art Baukastenprinzip, die zwar einfach
ausgeführten aber unabhängig einer spezifischen
Werkstückkontur und speziell an die Haltefunktion angepaßte
Grundkörper mittels Formelementen so zu bestücken, daß jede
Abstützsituation optimal erzeugt werden kann und ein
Halteelement ausgebildet ist, das an jede gewünschte
Oberflächenkontur eines zu haltenden Werkstücks angepaßt ist.
Ein so gebildetes Halteelement ist in besonders
wirtschaftlicher Weise einsetzbar. Die Grundkörper können
hierzu an mindestens einer der äußeren Oberflächen eine oder
mehrere Befestigungsschnittstellen aufweisen, über die die
Formelemente wieder lösbar an dem Grundkörper befestigbar
sind. Diese Schnittstellen können einfache Bohrungen zur
Aufnahme von Positionierstiften sein, oder Gewindebohrungen
zur Aufnahme von Schraubelementen, mittels welchen die
Formelemente an dem Grundkörper befestigbar sind, o.dgl. Die
Formelemente können ferner ein hierzu translatorisch oder
rotatorisch bewegbares Spannelement aufweisen, welches mittels
eines Zustellelements mit dem Werkstück zur Anlage bringbar
und dort arretierbar ist und eine kraft- und/oder
formschlüssige Verbindung Werkstück-Halteelemente gegeben ist.
Hierdurch kann an jeder außen- oder innenliegenden Kontur
durch nachträgliches Spannen des Spannelements eine
zusätzliche Abstützung des Werkstücks erreicht werden, wodurch
eine weitere Flexibilisierung der Haltevorrichtung gegeben
ist.
Eine besonders konstruktiv einfache Ausgestaltung des
Grundkörpers wird durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht.
Der Grundkörper kann somit kostengünstig spanabhebend oder
spanlos aus Metall oder einem geeigneten Hartkunststoff
hergestellt werden. Durch Vorsehen des Dichtungselements um
die Ausnehmungsöffnung wird ein Luftzutritt in die Ausnehmung
bei Anlage der Kontaktfläche auf der Grundplatte effektiv
verhindert. Das Dichtungselement kann im Falle eines
Kunststoffgrundkörpers integral mit diesem ausgeführt sein
(doppelt-gespritztes Kunststoffbauteil) oder als vorzugsweise
elastomerer Dichtungsring auf der Kontaktfläche aufgeklebt
sein. Durch die Anordnung der Vakuumerzeugungsvorrichtung auf
der Außenstirnseite des Grundkörpers ist zudem sichergestellt,
daß im wesentlichen das gesamte Ausnehmungsvolumen zur
Erzeugung des Vakuums eingesetzt werden kann und eine extrem
kompakte Bauweise des Halteelements gegeben ist.
Dadurch, daß die Vakuumerzeugungsvorrichtung einen
Abdichtkörper aufweisen kann, der die Ausnehmung des
Grundkörpers in eine zur Kontaktfläche hin offene Vakuumkammer
und in eine von dieser luftdicht getrennten Bodenkammer
unterteilt, deren Volumina reziprok zueinander durch
Verschiebung des Abdichtkörpers veränderbar ist, ist eine
einfache aber effektive "Selbsterzeugung" von Vakuum bei
Anlage des Grundkörpers mit seiner Kontaktfläche auf der
Aufnahmefläche durch Volumenvergrößerung der Vakuumkammer
möglich. Die Vakuumerzeugungsvorrichtung kann ferner eine
mechanisch, pneumatisch oder manuell betätigbare
Verstellarretiereinheit besitzen, mittels welcher der
Abdichtkörper aus einer Ausgangsstellung, in der sich der
Abdichtkörper im Bereich der Ausnehmungsöffnung befindet, in
eine das Haltevakuum aufrechterhaltende Haltestellung
verschiebbar und in dieser Haltestellung, in der sich der
Abdichtkörper innerhalb der Ausnehmung befindet, festlegbar
ist. Die Haltestellung ist dann gegeben, wenn das maximale
Volumen der Vakuumkammer oder ein Vakuumkammervolumen gegeben
ist, das eine ausreichende Haftung des Halteelements auf der
Aufnahmefläche bewirkt und gleichzeitig eine sichere Fixierung
des Werkstücks mittels der Halteelemente auf der
Aufnahmefläche gewährleistet. Die Unterdruckwirkung in
Haltestellung ist somit im Rahmen der Verschiebbarkeit des
Abdichtkörpers innerhalb der Ausnehmung variabel einstellbar.
Eine mögliche mechanische Ausbildung der
Verstellarretierbarkeit sieht vor, daß diese ein senkrecht zur
Bodenwandung verschiebbares Koppelelement aufweisen kann, das
mit einem Ende am Grundkörper außenseitig angeordnet ist und
mit einem anderen Ende den Durchbruch durchragt und mit dem
Abdichtkörper verbunden ist, und daß die
Verstellarretiereinheit eine getrennt an der Bodenwandung
angebrachte oder in diese integrierte Feststelleinrichtung
besitzt, in der das Koppelelement axial verschiebbar geführt
innerhalb der Ausnehmung in vorzugsweise unterschiedlichen
Ausnehmungs-Eindringtiefen in der Haltestellung des
Abdichtkörpers festlegbar ist.
Durch Vorsehen der Merkmale des Anspruchs 8 ist eine einfache
und sehr effektive Zylinder-Kolbenanordnung zur
"Selbsterzeugung" des Vakuums durch Volumenvergrößerung der
Vakuumkammer ausgebildet, bei der zur Erzeugung der Dichtheit
zwischen Vakuumkammer und Bodenkammer keine aufwendigen
Abdichtmaßnahmen vorgenommen werden brauchen. Im einfachsten
Fall kann eine effektive Abdichtung bereits durch Vorsehen
eines O-Rings umfangsseitig der Kolbenscheibe erreicht werden.
Eine andere einfache und ebenfalls effektive
"Vakuumselbsterzeugung" durch Volumenvergrößerung kann durch
die Merkmale des Anspruchs 9 erreicht werden. Bei maximaler
Eindringtiefe des Koppelelements in der Ausnehmung befindet
sich die Vakuummembran in einem ungedehnten Zustand im Bereich
der Kontaktfläche des Halteelements; wird das Koppelelement bis
zum Anschlag der Vakuummembran an der Bodenwandung
zurückbewegt, wird die Vakuummembran gedehnt und die
Vakuumkammer weist ihren maximalen Volumeninhalt auf, wobei das
erzeugte Vakuum am stärksten ist.
Ist die Vakuummembran auf der ringförmigen Kontaktfläche
befestigt, bspw. durch Verkleben mittels eines geeigneten
Klebstoffes, kann auf ein extra vorzusehendes Dichtungselement
zwischen Kontaktfläche und Grundplatte verzichtet werden, da
die Membran diese Funktion ebenfalls erfüllt.
Mittels den Merkmalen der Ansprüche 11 oder 12 ist eine
konstruktiv einfache und leicht betätigbare Ausbildung der
Koppelelemente und der damit zusammenwirkenden
Feststelleinrichtung gegeben. Die Koppelelemente können hierbei
von Hand oder mittels eines externen Verstellantriebs wie eine
mechanische Zustelleinheit, ein pneumatisch angetriebener
Schrauber o. dgl. betätigt und ebenfalls hierdurch in der
Haltestellung unverschiebbar festgelegt werden.
Eine andere einfache und ebenfalls effektive
"Vakuumselbsterzeugung" kann, statt durch Volumenvergrößerung
der Vakuumkammer durch Druckerniedrigung bewirkt werden. Hierzu
sind die Merkmale des Anspruchs 14 vorgesehen. Das
Unterdruckventil wird hierbei nach erfolgter Positionierung des
Halteelements auf der Aufnahmefläche kurzfristig an eine
externe Vakuumerzeugungsquelle angeschlossen, bis eine
ausreichende Haftung zwischen Halteelement und Grundplatte
gegeben ist und anschließend von dieser getrennt. Der erzielte
Unterdruck wird durch das Unterdruckventil aufrechterhalten.
Zur Aufhebung des Vakuums kann das Unterdruckventil manuell
oder mittels eines hierzu geeigneten Betätigungselements einer
externen Verstelleinheit ausgelöst werden. Die Haltekraft kann
hierbei durch zeitlich längeres oder kürzeres Anschließen an
die Vakuumerzeugungsquelle verändert werden.
Weitere erfindungsgemäße Ausbildungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen und werden mit ihren Vorteilen in der
nachstehenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung in Draufsicht einer
Ausführungsform der flexiblen Haltevorrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt entlang der Linie II-II der in
Fig. 1 gezeigten flexiblen Haltevorrichtung, in der
eine Anordnung der Halteelemente und eines damit
formschlüssig gehaltenen Werkstücks auf der Grundplatte
gezeigt wird,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Halteelement der
in Fig. 1 und 2 dargestellten
Haltevorrichtung in einer ersten
Ausführungsvariante,
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Halteelement
gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Grundkörper eines
Halteelements gemäß eines dritten
Ausführungsbeispiels.
Bei der in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Erfindung
handelt es sich um eine flexible Haltevorrichtung, die ein
nahezu unbeschränktes Positionieren und Fixieren von
Werkstücken 2 auf einer Grundplatte 1 ermöglicht. Die
Grundplatte 1 kann hierbei ein handelsüblicher instationärer
Werkstückträger, wie bspw. eine Leichtmetallmontagepalette
oder dgl. sein, oder eine stationäre Einrichtung, wie bspw.
eine herkömmliche plane Arbeitstischplatte aus Stahl oder
dgl., auf welcher eine ebene Aufnahmefläche 1′ ausgebildet
ist. Zur Aufnahme, Positionierung und Fixierung des Werkstücks
2 auf der Aufnahmefläche 1′ sind Halteelmente 3 vorgesehen,
die durch Vakuum, aber ohne externe, ständig mit den
Halteelementen 3 oder der Grundplatte 1 verbundenen
pneumatischen Vakuumerzeugungsquellen auf der Grundplatte 1
gehalten sind. Durch Positionierung mehrerer Halteelemente 3
werden die kennzeichnenden Flächen herkömmlicher spanend
gefertigter oder aus Kunststoff hergestellter Formnester einer
Montagepalette nachgebildet.
Die Halteelemente 3 weisen einen hohlzylindrischen Grundkörper
4 auf, dessen eine Stirnseite durch eine integral ausgebildete
Bodenwandung 7 verschlossen ist, so daß die Mantelwandung eine
zylindrische Ausnehmung 6 umschließt, die zur anderen
Stirnseite hin über eine querschnittsgleiche
Ausnehmungsöffnung 8 offen ist. Die ringförmig ausgebildete
Stirnfläche bildet eine Kontaktfläche 5 für die Anlage mit der
Aufnahmefläche 1′. In der Ausnehmung 6 ist ein später näher
beschriebener Abdichtkörper 9 axial verschiebbar geführt
derart aufgenommen, daß zwischen Abdichtkörper 9 und
Bodenwandung 7 eine geschlossene Bodenkammer 6′′ und zwischen
Abdichtkörper 9 und der Ausnehmungsöffnung 8 eine offene
Vakuumkammer 6′ ausgebildet ist, die luftdicht voneinander
getrennt sind und ein durch Verschiebung des Abdichtkörpers 9
reziprok zueinander veränderbares Volumen aufweisen. Die
Kontaktfläche 5 weist ein geeignetes, vorzugsweise elastisches
Dichtungselment auf, um eine luftdichte Ausbildung der
Vakuumkammer 6′ bei Anlage des Grundkörpers 4 mit seiner
Kontaktfläche 5 auf der luftundurchlässigen Aufnahmefläche 1′
zu gewährleisten.
Durch einen Durchbruch 16 der Bodenwandung 7 ist ein
Koppelelement 17 einer Verstellarretiereinheit 19 mit dem
Abdichtkörper 9 so verbunden, daß dieses in seiner Lage axial
gemäß Pfeil a verschoben werden kann. Hierdurch ist eine
Volumenvergrößerung oder -verkleinerung der Vakuumkammer 6′
möglich, wodurch bei Anlage des Grundkörpers 4 auf der
Aufnahmefläche 1′ der notwendige Unterdruck (Vakuum) erzeugbar
ist, mittels dem das Halteelement 3 auf der Grundplatte 1
kraftschlüssig gehalten wird. Das Koppelelement 17 ist hierbei
in einer das Vakuum aufrechterhaltenden Haltestellung B
mittels einer Feststelleinrichtung 18 der
Verstellarretiereinheit 19 in unterschiedlichen
Ausnehmungs-Eindringtiefen festlegbar, so daß eine
unterschiedlich starke Haftung zwischen Halteelement 3 und
Grundplatte 1 bewirkbar ist.
Durch das Zusammenwirken des Abdichtkörpers 9 mit der
Ausnehmung 6, der Aufnahmefläche 1′ sowie der
Verstellarretiereinheit 19 mit dessen Feststelleinrichtung 18
für das Koppelelement 17, ist eine einfache aber wirkungsvolle
Vakuumerzeugungsvorrichtung 10 ausgebildet. Hierdurch ist eine
hohe Flexibilität bei verhältnismäßig geringem
Realisierungsaufwand der so gebildeten frei positionierbaren
Halteelemente 3 gegeben.
In Fig. 3 und 4 sind anhand zweier Ausführungsbeispiele
zwei unterschiedliche Formen einer Ausbildung der
Vakuumerzeugungsvorrichtung 10 mit Abdichtkörper 9, sowie zwei
unterschiedliche Ausbildungsformen einer
Verstellarretiereinheit 19 mit zugehörigem Koppelelement 17
und Feststelleinrichtung 18 gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird der Abdichtkörper 9
durch eine elastomere Vakuummembran 20 gebildet, die bspw.
mittels eines geeigneten Zweikomponentenklebstoffs auf der
ringförmigen Kontaktfläche 5 luftdicht befestigt ist, wodurch
das Vorsehen eines zusätzlichen Dichtungselements zur
Ausbildung der mittels der Aufnahmefläche 1′ luftdicht
abschließbaren Vakuumkammer 6′ entfällt. In die Vakuummembran
20 greift ein Verbindungszapfen 21 des als Koppelbolzen 17′
ausgebildeten Koppelelements 17 ein und ist mit diesem mittels
einer Haltescheibe 22 formschlüssig und abgedichtet verbunden.
Koaxial zum Koppelbolzen 17′ und um den Durchbruch 16
angeordnet, ist die Verstellarretiereinheit 19 auf der
außenliegenden Oberfläche der Bodenwandung 7 in Form einer
Führungsbuchse 23 mit Kulissenführung 24 angeflanscht,
innerhalb welcher der Koppelbolzen 17′ axial geführt
aufgenommen liegt und in einer als Feststelleinrichtung 18
dienenden Einrasthinterschneidung 25 der Kulissenführung 24
gegen Axialverschiebung festlegbar ist. Hierzu weist das
hintere Ende des Koppelbolzens 17′ zwei radial abstehende
Führungszapfen 26 auf, die in der Kulissenführung 24 führbar
sind und mittels eines Verstellrings 27 umfangsseitig der
Führungsbuchse 23 miteinander verbunden sind. In einer
Ausgangslage A befindet sich die Vakuummembran 20 ungespannt
im Bereich der Ausnehmungsöffnung 8, wobei eine maximale
Eindringtiefe des Koppelbolzens 17′ in der Ausnehmung 6
gegeben ist. Mittels des Verstellrings 27 kann die Membran 20
in die Ausnehmung 6 hereingezogen werden, wobei das Volumen
der Vakuumkammer 6′ vergrößert wird und ein Unterdruck
zwischen Grundkörper 4 und Aufnahmefläche 1′ ein Haften des
Halteelements 3 auf der Grundplatte 1 bewirkt. Bei Anschlag
der Membran 20 an der Bodenwandung 7 und herausgezogenem
Koppelbolzen 17′ wird durch Verdrehen des Verstellrings 24
eine Arretierung der Vakuummembran 20 in gedehnter Stellung
bei maximalem Vakuumkammervolumen bewirkt. Die Führungszapfen
26 kommen hierbei in der Einrasthinterschneidung 25 zu liegen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das
Koppelelement 17 der Verstellarretiereinheit 19 in Form eines
Gewindebolzens 17′ ausgebildet, der sich in Gewindeverbindung
mit einem entsprechenden Eingriffsgegengewinde 31 des
Durchbruchs 16 befindet, welches die Feststelleinrichtung 18
bildet. Durch Rotation des Gewindebolzens 17′ kann somit
dessen Ausnehmungs-Eindringtiefe gemäß Pfeil a verändert
werden. Die Ausbildung der in Eingriff befindlichen Gewinden
ist so gewählt, daß ein selbsttätiges Veschieben des
Gewindebolzens 17′ im Eingriffsgegengewinde 31 verhindert ist.
Das obere Ende des Gewindebolzens 17′ ist so ausgeformt, daß
dessen Verstellbarkeit gewährleistet ist und weist hierzu
einen Sechskant-Schraubenkopf auf, um die Tiefenverstellung
bspw. mittels eines pneumatisch betriebenen Schraubers
vornehmen zu können. Dieses kann aber auch anders ausgebildet
sein, abhängig davon, ob eine Verstellung manuell oder
maschinell vorgenommen werden soll. Am unteren Ende des
Gewindebolzens 17′′ ist als Abdichtkörper 9 eine Kolbenscheibe
30 vorzugsweise mittels einer Schraube wieder lösbar
angebracht. Die Kolbenscheibe 30 weist einen umfangsseitig
angeordneten Kolbenscheibendichtring 33 geeigneter Art auf,
wodurch die Vakuumkammer 6′ luftdicht von der Bodenkammer 6′′
getrennt ist. Die Kontaktfläche 5 weist ein ringförmig um die
Ausnehmungsöffnung 8 laufendes Dichtungselement 34 aus einem
geeigneten vorzugsweise elastomeren Material auf. Durch
Verdrehen des Gewindebolzens 17′′ wird somit die Kolbenscheibe
30 in ihrer Axiallage in der Ausnehmung 6 verändert, wodurch
bei einer Volumenvergrößerung der Vakuumkammer 6′ und Anlage
der Kontaktfläche 5 auf der Aufnahmefläche 1′ das Haltevakuum
aufbaubar ist.
Zur Entlüftung der Bodenkammer 6′′ während der
Volumenverkleinerung oder -vergrößerung bei Erzeugung des
Vakuums in der Vakuumkammer 6′ weisen die Grundkörper 4 der
Ausführungsbeispiele nach Fig. 3 und 4 in der Bodenwandung 7
einen Entlüftungskanal 28 auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungbeispiel nach Fig. 5 weist das
Halteelement 3 einen zuvor schon beschriebenen
hohlzylindrischen Grundkörper 4 auf, dessen eine Stirnseite
durch die intergral ausgebildete Bodenwandung 7 mit Durchbruch
16 gebildet ist, so daß die Mantelwandung eine zylindrische
Ausnehmung 6 umschließt, die zur anderen Stirnseite hin über
eine querschnittsgleiche Ausnehmungsöffnung 8 offen ist. Die
ringförmig ausgebildete Stirnfläche bildet die mit dem
Dichtungselement 34 versehene Kontaktfläche 5 für die
Ausbildung einer luftdichten Vakuumkammer 6′ zwischen
Grundkörper 4 und Aufnahmefläche 1′. Als
Vakuumerzeugungsvorrichtung dient ein selbstregulierendes
und/oder einstellbares Unterdruckventil 40, welches in Form
einer pneumatischen Schnellverschlußkupplung ausgebildet ist
und in dem Durchbruch 16 formschlüssig und abgedichtet in der
Bodenwandung 7 befestigt ist. Durch kurzfristigen Anschluß an
eine externe Vakuumerzeugungsquelle, bspw. eine Vakuumpumpe,
läßt sich somit die durch die gesamte Ausnehmung 6 gebildete
Vakuumkammer 6′ evakuieren, wodurch die Haftung zwischen
Halteelement 3 und Aufnahmefläche 1′ bewirkbar ist. Die
Vakuumerzeugung erfolgt somit durch Druckverminderung ohne
Volumenvergrößerung der Ansaugkammer 6′, was den Vorteil einer
großen konstruktiven Vereinfachung des so gebildeten
Halteelements 3 mit sich bringt, da keinerlei bewegliche Teile
wie Abdichtkörper und die mit diesen zusammenwirkende
Verstellarretiereinheit benötigt werden. Zur Erzeugung des
Vakuums wird kurzfristig eine externe Vakuumerzeugungsquelle
benötigt, die aber nicht konstant angeschlossen ist, da das
Vakuum durch das Unterdruckventil 40 selbsttätig
aufrechterhaltbar ist. Ein instationärer Einsatz einer
Haltevorrichtung mit solcherart beschriebenen Halteelementen 3
ist hierdurch ebenfalls gegeben.
Die Grundkörper 4 weisen ferner mindestens eine
Befestigungsstelle 15 auf der Außenoberfläche des Grundkörpers
4 auf, über die Formelemente 11, 12 mit verschiedenen
geometrischen Abmessungen und Formen anbringbar sind, wie dies
in Fig. 1, 2 und 4 zu sehen ist. Diese Formelemente 11, 12
dienen dazu, das Halteelement 3 an das zu bearbeitende
Werkstück 2 anzupassen. Sie sind dabei weitestgehend an die
Form und die montagespezifischen Gegebenheiten des Werkstücks
2 angepaßt, so daß ein optimales Halten an einer beliebigen
Außenkontur oder Innenkontur, wie z. B. einer Bohrung des
Werkstücks, gewährleistet ist. Die Grundkörper 4 sind daher
werkstückunspezifisch an ihre Halte-/Befestigungsfunktion
speziell angepaßt ausgelegt, um im Baukastenprinzip durch
Anbringung der werkstückspezifischen Formelemente 11, 12 an
jede gewünschte Abstützsituation angepaßt zu werden.
Die Befestigungsstelle 15 zwischen Grundkörper 4 und
Formelement 11, 12 ist vorteilhafterweise als form- und/oder
kraftschlüssige Verbindung ausgebildet. Verschiedene
Ausgestaltungsformen sind hierbei denkbar, wobei das linke
Halteelement 3 in Fig. 2 eine besonders einfache Ausführung
zeigt. Dort sind auf der außenliegenden Oberfläche der
Bodenwandung 7 des Grundkörpers 4 vier Aufnahmestifte
vorgesehen, die in hierzu passende Paßbohrungen des
Formelements 11 eingreifen; hierdurch ist ein leichtes
Einsetzen oder Entnehmen des Formelements 11 bei gesicherter
Aufnahme bewerkstelligt. Andere Anbringungs- bzw.
Befestigungsarten sind möglich, wie bspw. beim rechten
Halteelement 3 aus Fig. 2 anhand der angedeuteten
Verschraubung des Formelements 12 mit dem Grundkörper 4 sowie
auch in Fig. 4 gezeigt ist. Vorzugsweise sind alle
Befestigungsstellen 15 in gleicher Art und Weise, d. h.
einheitlich, ausgeführt.
Eine weitergehende Flexibilität in Anpassung an die
auftretenden Abstützsituationen und Montagegegebenheiten wird
dadurch erreicht, daß das Formelement 12 und/oder der
Grundkörper 4 ein Spannelement 13 aufweisen kann, das mittels
eines Zustellelements 14 in seiner Lage in Bezug zum
Grundkörper 4 /Formelement 12 rotatorisch oder translatorisch
veränderbar und nachträglich arretierbar ist. Beim rechten
Halteelement 3 in Fig. 2 ist eine solche Ausgestaltung
gezeigt. Dort ist das Zustellelement 14 in Form eines drehbar
gelagerten Gewindestifts ausgelegt, das in einer
entsprechenden Gewindebohrung des Formelements 12 aufgenommen
ist. Hierdurch ist eine translatorische Auf- und Abbewegung
des als Druckstempel ausgelegten Spannelements 13 gemäß Pfeil
b entlang des Halteelements 3 gegeben, so daß eine senkrecht
zur Aufnahmefläche 1′ wirkende Anpressung des Werkstücks 2
durch Aufliegen des Spannelements 13 auf einer
Werkstückoberfläche und Verspannen mittels des Zustellelements
14 erfolgt. Bei ausreichender Ansaugung und Arretierung des
Grundkörpers 4 auf der Grundplatte 1 sind die Halteelemente 3
auch als Basisteil für Formelemente einsetzbar, die als
Einspannelemente ausgelegt sind, so daß ein Einsatz der
Haltevorrichtung als Spannvorrichtung für die Bearbeitung von
Werkstücken 2 mittels spanabhebenden Verfahren ermöglicht ist.
Die Formelemente 11, 12 der Halteelemente 3 können je nach
Einsatzgebiet einer mit ihnen zu bildenden Haltevorrichtung
aus einem geeigneten Hartkunststoff oder aus Metall bestehen,
und mittels spanabhebenden Verfahren oder durch spanlose
Herstellungsverfahren geformt werden. Ferner ist die gezeigte
geometrische Form des Grundkörpers 4 nicht zwingend. Andere
Ausbildungsarten einer geeigneten Vakuumerzeugungsvorrichtung
10 oder deren Bestandteile sind ebenfalls denkbar; erwähnt sei
nur die Ausbildung einer Verstellarretiereinheit 19 unter
Zugrundelegung des Bajonett-Verschlußprinzips.
Der Einsatz einer so gebildeten flexiblen Haltevorrichtung in
einer automatischen Montagezelle kann wie folgt aussehen:
Ein Industrieroboter fährt zu einer Grundkörperpalette und
entnimmt dort einen Grundkörper 4, dessen Abdichtkörper 9 sich
in der Ausgangsstellung A befindet. Nach Absetzen auf einer
auf der Aufnahmefläche 1′ definierten Position wird durch
Verschieben des Abdichtkörpers 9 in die Haltestellung B und
damit erreichter Volumenvergrößerung der Vakuumkammer 6′ ein
Unterdruck (Vakuum) zwischen dem Grundkörper 4 und der
Aufnahmefläche 1′ erzeugt, die eine zuverlässige Haftung
gewährleistet. Die hierfür erforderliche lineare Bewegung a
des Abdichtkörpers 9 kann je nach Ausbildung der
Verstellarretiereinheit 19 durch eine rotatorische,
translatorische oder durch eine Kombination dieser Bewegungen
erfolgen (siehe Ausführungsbeispiele des Halteelements 3 gemäß
Fig. 3 und 4). Dies kann, wie in Fig. 2 gezeigt, durch den
ohnehin vorhandenen Industrieroboter mittels einer geeigneten
Verstellvorrichtung 35 erfolgen.
Nach Positionierung und Befestigung weiterer
Halteelementgrundkörper nach dem oben beschriebenen Prinzip
können, falls erforderlich, Formelemente 11, 12 vom
Industrieroboter aus einer Formelementpalette entnommen und
auf die jeweiligen Grundkörper 4 aufgesteckt werden, wodurch
die werkstückspezifischen Halteelemente 3 gebildet sind. Eine
Verbindung des Grundkörpers 4 mit einem geeigneten Formelement
11 kann auch vor der Positionierung und Befestigung der
Grundkörper 4 auf der Grundplatte 1 vorgenommen werden.
Nachdem so die kennzeichnenden Flächen des Formnests zur
Aufnahme des Werkstücks 2 gebildet worden sind, kann das
Werkstück 2 eingelegt und nach erfolgtem Montageprozeß wieder
entnommen werden; hiernach kann ein neues gleiches Teil wieder
eingelegt werden oder nach einem ggf. vorgenommenen
Formelementwechsel und/oder Neupositionierung der
Halteelemente 3 ein neues Werkstück 2 mit anderer Geometrie
und anderen Montagegegebenheiten eingesetzt und befestigt
werden. Das Werkstück 2 kann hierbei vor oder nach
Verstellung, Positionierung und Arretierung der Halteelemente
3 auf der Grundplatte 1 eingesetzt bzw. aufgesetzt werden.
Durch die Selbsterzeugung des Vakuums, ist eine freie
Positionierung der Halteelemente 3 auf der Grundplatte
möglich, ohne auf eine ständig benötigte externe
Vakuumerzeugungsquelle angewiesen zu sein. Durch diese
Eigenschaft kann mit den oben beschriebenen Halteelementen 3
eine Haltevorrichtung gebildet werden, die für den
instationären Einsatz geeignet ist, da keine Schnittstellen
(z. B. pneumatische Schnellkupplung) zu Vakuumerzeugungsquellen
(z. B. Vakuumpumpe) benötigt werden und die Halteelemente 3,
ggf. nur kurzfristig zur Erzeugung des Haltevakuums an eine
solche angeschlossen werden müssen.
Claims (17)
1. Flexible pneumatische Haltevorrichtung zum Positionieren
und Fixieren von Werkstücken, mit einer eine ebene
Aufnahmefläche (1′) aufweisenden Grundplatte (1), auf der
das zu bearbeitende Werkstück (2) mittels mindestens einem
auf der Aufnahmefläche (1′) wieder lösbar befestigbaren
Halteelement (3) fixierbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Halteelement (3) beliebig auf der Aufnahmefläche
(1′) positioniert durch Erzeugung und Aufrechterhaltung
eines Vakuums unverrückbar kraftschlüssig gehalten wird
und hierzu eine manuell, pneumatisch, elektromagnetisch
oder mechanisch betätigbare Vakuumerzeugungsvorrichtung
(10) aufweist, die zur Erzeugung und/oder
Aufrechterhaltung und Aufhebung des Vakuums dient, welches
durch Zusammenwirken der Vakuumerzeugungsvorrichtung (10)
mit der Aufnahmefläche (1′) aufrechterhaltbar und zur
Neupositionierung oder Entfernung des Halteelements (3)
von der Grundplatte (1) wieder aufhebbar ist.
2. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halteelement (3) einen Grundkörper
(4) aufweist, der eine mit der Aufnahmefläche (1′) in
luftdichte Anlage bringbare Kontaktfläche (5) und eine
über eine Ausnehmungsöffnung (8) zumindest teilweise zur
Kontaktfläche (5) hin offene kammerartige Ausnehmung (6)
besitzt, und daß die Ausnehmung (6) bei Anlage der
Kontaktfläche (5) auf der Aufnahmefläche (1′) mittels der
Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) derart evakuierbar und
der Unterdruck aufrechterhaltbar ist, daß eine
ausreichende Haftung des Halteelements (3) auf der
Grundplatte (1) gegeben ist.
3. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder
2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (4) ein
einseitig verschlossener hohlzylindrischer Körper ist,
dessen ringförmig ausgebildete Stirnseite die
Kontaktfläche (5) mit der Ausnehmungsöffnung (8) bildet,
und daß die Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) vorzugsweise
über einen Durchbruch (16) in der eine Bodenwandung (7)
bildenden anderen Stirnseite in Wirkverbindung mit der von
der Zylindermantelwand umschlossenen Ausnehmung (6) ist.
4. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (5) ein von dieser
hervorstehendes, die Aufnahmeöffnung (8) umrandendes,
vorzugsweise elastisches Dichtungselement (34) aufweist.
5. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vakuumerzeugungsvorrichtung (10)
einen Abdichtkörper (9) aufweist, der die Ausnehmung (6)
des Grundkörpers (4) in eine zur Kontaktfläche (5) hin
offene Vakuumkammer (6′′) und in eine von dieser luftdicht
getrennten Bodenkammer (6′) unterteilt, deren Volumina
reziprok zueinander durch Verschiebung des Abdichtkörpers
(9) veränderbar ist, und daß die
Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) eine mechanisch,
pneumatisch oder manuell betätigbare
Verstellarretiereinheit (19) besitzt, mittels welcher der
Abdichtkörper (9) aus einer Ausgangsstellung (A), in der
sich der Abdichtkörper (9) im Bereich der
Ausnehmungsöffnung (8) befindet in eine das Haltevakuum
aufrechterhaltenden Haltestellung (B) verschiebbar und in
dieser Haltestellung (B), in der sich der Abdichtkörper
(9) innerhalb der Ausnehmung (6) befindet, festlegbar ist.
6. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Haltestellung (B) beim maximalem
Volumen der Vakuumkammer (6′′) oder einem
Vakuumkammervolumen gegeben ist, das eine ausreichende
Haftung des Halteelements (3) auf der Aufnahmefläche (1)
und gleichzeitig eine sichere Fixierung des Werkstücks (2)
gewährleistet.
7. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstellarretiereinheit (19) ein
senkrecht zur Bodenwandung (7) verschiebbares
Koppelelement (17) aufweist, das mit einem Ende am
Grundkörper (4) außenseitig angeordnet ist und mit einem
anderen Ende den Durchbruch (16) durchragt und mit dem
Abdichtkörper (9) verbunden ist, und daß die
Verstellarretiereinheit (19) eine getrennt an der
Bodenwandung (7) angebrachte oder in diese integrierte
Feststelleinrichtung (18) besitzt, in der das
Koppelelement (17) axial verschiebbar geführt innerhalb
der Ausnehmung (6) in vorzugsweise unterschiedlichen
Ausnehmungs-Eindringtiefen in der Haltestellung (B) des
Abdichtkörpers (9) festlegbar ist.
8. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß als Abdichtkörper (9) ein Kolben,
insbesondere eine Kolbenscheibe (30) vorgesehen ist, die
querschnittsentsprechend der Ausnehmung (6) in
abdichtender Anlage an der Innenmantelwandung des
Grundkörpers (4) verschiebbar geführt und
ausnehmungsbodenseitig mit dem Koppelelement (17)
verbunden ist.
9. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß als Abdichtkörper (9) eine elastische
Vakuummembran (20) vorgesehen ist, die die
Ausnehmungsöffnung (8) luftdicht verschließt, an dem
Grundkörper (4) vorzugsweise leicht vorgespannt befestigt
ist und mit dem Koppelelement (17) derart verbunden ist,
daß durch dessen Verschiebung innerhalb der Ausnehmung (6)
die Vakuummembran (20) gedehnt wird und eine Vergrößerung/
Verkleinerung des Vakuumkammervolumens bewirkbar ist.
10. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vakuummembran (20) auf der
ringförmigen Kontaktfläche (5) befestigt, insbesondere
aufgeklebt ist.
11. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (17) in
Form eines Gewindebolzens (17′′) ausgebildet ist, mit einem
unteren Bolzenbereich, der formschlüssig mit dem
Abdichtkörper (9) verbunden oder mit diesem integral
ausgebildet ist, und daß die Feststelleinrichtung (18)
durch den mit einem entsprechenden Gegengewinde (31)
versehenen Durchbruch (16) gebildet wird, in dem der
Gewindebolzen (17′′) axial verschiebbar und festlegbar
aufgenommen liegt.
12. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (17) in
Form eines Schaftbolzens (17′) ausgebildet ist, mit einem
unteren Bolzenbereich, der formschlüssig mit dem
Abdichtkörper (9) verbunden oder mit diesem integral
ausgebildet ist und mit einem oberen Bolzenbereich, der
einen über radial zur Bolzenachse verlaufenden
Führungszapfen (26) mit diesem verbundenen Verstellring
(27) aufweist, und daß die Verstellarretiereinheit (19)
eine Führungsbuchse (23) mit Kulissenführung (24)
aufweist, die an der äußeren Oberfläche der Bodenwandung
(7) koaxial zum Durchbruch (16) angeordnet und befestigt
ist, in der der Koppelbolzen (17′) axial geführt und
mittels den Führungszapfen (26) in einer Einrastung (25)
der Kulissenführung (24) arretierbar ist.
13. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (17)
mittels eines hierzu geeigneten Greifers oder einer
Verstellvorrichtung eines Industrieroboters verschiebbar
und in einer vorgegebenen Ausnehmungs-Eindringtiefe wieder
festlegbar ist.
14. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 3
oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) durch ein
selbstregulierendes und/oder einstellbares
Unterdruckventil (40) insbesondere in Form einer
pneumatischen Schnellverschlußkupplung gebildet wird, das
in dem Durchbruch (16) oder mit diesem in Verbindung
stehend auf der Bodenwandung (7) angebracht ist und
mittels dem durch kurzfristigen Anschluß an eine externe
Vakuumerzeugungsquelle die Ausnehmung (6) evakuierbar, das
Vakuum selbsttätig aufrechterhaltbar und wieder aufhebbar
ist.
15. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Halteelemente (3) Formelemente
(11, 12) aufweisen, die mit dem Grundkörper (4) verbindbar
sind, verschiedene geometrische Formen und Maße besitzen
und zur Anpassung der Halteelemente (3) an eine
Werkstückkontur und/oder haltesituationsspezifische
Befestigung des Werkstücks (2) auf der Grundplatte (1)
vorgesehen sind.
16. Haltevorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grundkörper (4) an mindestens einer seiner äußeren
Oberflächen eine oder mehrere Befestigungsstellen (15)
aufweist, über die die Formelemente (11, 12) wieder lösbar
am Grundkörper (4) befestigbar sind.
17. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, daß das Formelement (12) oder der
Grundkörper (4) ein hierzu translatorisch oder rotatorisch
bewegbares Spannelement (13) aufweist, welches mittels
eines Zustellelements (14) mit dem Werkstück (2) zur
Anlage bringbar und dort arretierbar ist und eine kraft-
und/oder formschlüssige Verbindung Werkstück (2)/
Halteelement (3) gegeben ist.
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DE19904005514 DE4005514C2 (de) | 1990-02-22 | 1990-02-22 | Flexible pneumatische Haltevorrichtung zum Positionieren und Fixieren von Werkstücken |
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- 1990-02-22 DE DE19904005514 patent/DE4005514C2/de not_active Expired - Fee Related
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