DE4005514C2 - Flexible pneumatische Haltevorrichtung zum Positionieren und Fixieren von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible Haltevorrichtung zum Positionieren und Fixieren von Werkstücken, mit einer eine ebene Aufnahmefläche aufweisenden Grundplatte, auf der das Werkstück mittels mindestens einem auf der Aufnahmefläche lösbar befestigbaren Halteelements fixierbar ist, welches beliebig positioniert unverrückbar aber lösbar kraftschlüssig gehalten wird.

Eine solche Haltevorrichtung ist durch das DE-GM 81 06 833 bekannt geworden. Die Grundplatte ist eine ferromagnetische Platte und das Halteelement besteht aus einem Dauermagneten mit seitlich angesetzten Eisenpolstücken. Letztere sind mit einem Anlageansatz bzw. Klemmansatz ausgestattet. Der Klemmansatz kann ein festzuhaltendes Werkstück oder einen Gegenstand von oben her übergreifen. Zur Höhenanpassung ist eine höhenverstellbare Lagerung des Klemmelements am zugeordneten Eisenpolstück möglich.

Der Klemmansatz ist ein auch bei herkömmlichen mechanischen Haltevorrichtungen bekannter stegförmiger Niederhalter, der oben auf dem Gegenstand oder Werkstück aufliegt. Andere Halteelemente sind nicht offenbart. Insofern ist das Anwendungsgebiet dieser Haltevorrichtung recht begrenzt. Es kommt noch hinzu, daß durch die Verwendung von Dauermagneten diese Haltevorrichtung zum Versetzen von der ferromagnetischen Unterlage regelrecht weggerissen werden muß. Infolgedessen darf die magnetische Haltekraft nicht zu groß sein, weil sonst das Versetzen, welches ganz offensichtlich von Hand erfolgt, nicht mehr möglich ist. Magnetisch arbeitende Haltevorrichtungen haben somit auch aus dieser Sicht nur einen begrenzten Anwendungsbereich.

Durch die US-PS 31 59 370 ist eine Haltevorrichtung bekannt geworden, die auf pneumatischem Prinzip beruht. Das zum Fixieren auf einer Unterlage notwendige Vakuum kann über eine Exzenterverstellung und eine flexible Membrane auf einfache Art und Weise erzeugt und ebenso leicht gebrochen werden, weswegen nicht nur das Anbringen, sondern auch das Versetzen an eine andere Stelle der Grundfläche keine Probleme bereitet. Nachteilig ist hierbei allerdings, daß die schraubstockartige Klemmvorrichtung dieser Haltevorrichtung integral mit der Haltevorrichtung selbst gefertigt ist, weswegen nur solche Werkstücke gehalten werden können, die man üblicherweise in einem Schraubstock festspannt. Eine paarweise oder gleichzeitige Verwendung mehrerer solcher Haltevorrichtungen zum gemeinsamen Positionieren und Fixieren eines Werkstücks ist praktisch nicht möglich.

Der Druckschrift "Kleines Lexikon der Industrieroboter- Technik" Heidelberg 1986 von Stefan Hessel, S. 35 kann man unter dem Stichwort "Lagesicherungselemente" entnehmen, daß das Lagesichern häufig "formpaarig durchgeführt wird, indem der Innen- oder Außenkontur des Werkstücks ähnliche Gegenprofile auf der Speicherfläche nachgebildet werden". Das Lagesichern selbst erfolgt durch Kraft-, Form- und Stoffpaarung (Haftkleben). Irgend ein Hinweis auf eine Kombination mit einer flexiblen Haltevorrichtung insbesondere der gattungsgemäßen Art, kann man dieser Vorveröffentlichung nicht entnehmen.

Eine vergleichsweise einfache Haltevorrichtung für eine kleine Vorrichtung, vorzugsweise einen Glasbruchmelder an einer Glasscheibe, die aus einem einfachen Sauger sowie einem damit fest verbundenen, durch eine Blattfeder gebildeten Haltearm besteht, ergibt sich aus dem DE-GM 77 06 845. Sie ist weder zum genauen Positionieren noch zum Fixieren eines Werkstücks geeignet, welches in fixierter Stellung bearbeitet werden soll.

Die DE-PS 809 338 beschreibt eine vom Prinzip her der US-PS 31 59 370 verwandte Vorrichtung. Auch dort finden über eine Exzenterbewegung betätigbare Vakuumsauger Anwendung. Es handelt sich dabei aber im Speziellen um eine Transportvorrichtung und nicht um eine Haltevorrichtung für ein auf einer ebenen Aufnahmefläche zu positionierendes und zu fixierendes Werkstück.

Außer den vorstehend erwähnten Haltevorrichtungen gibt es auch noch stationäre oder instationäre Halte- und Spannvorrichtungen, bei denen die Halteelemente durch verschiedene Befestigungsmethoden an der Grundplatte angebracht werden.

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 angepaßten Halteelementen, 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 zudem, 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.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine flexible Haltevorrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, 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.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen flexiblen Haltevorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ausgebildet ist.

Weil nunmehr jedes Halteelement aus einem Grundkörper und mindestens einem damit verbindbaren Formelement besteht, welches dem jeweiligen Werkstück bzw. der Haltesituation gemäß gestaltet werden kann, ist forderungsgemäß eine schnelle Anpassung dieser Haltevorrichtung an das jeweils festzuhaltende Werkstück möglich. Andererseits kann an aber den formfesten Grundkörper für alle Aufgaben gleich ausbilden, was eine hohe Serie mit geringen Herstellungskosten möglich macht. Je nach Bedarf wird dann dieser Grundkörper, der selbstverständlich in Nuancen variiert werden kann, ohne daß dies zu nennenswerten Mehrkosten führt, mit dem jeweils passenden, dem Zweck am besten dienenden Formelement bestückt.

Weil jeder Grundkörper mittels einer Vakuumerzeugungsvorrichtung pneumatisch fixierbar ist, können hohe Haftkräfte erzeugt werden. Andererseits kann man nach Brechen des Vakuums die flexible Haltevorrichtung leicht abnehmen bzw. versetzen.

Die Vakuumerzeugungsvorrichtung ist durch einen Greifer oder eine Verstellvorrichtung eines Industrieroboters betätigbar, was den Einsatz dieser Haltevorrichtung in einer automatisierten Montagestraße ermöglicht. Das selbsterzeugte bzw. aufrecht erhaltene Vakuum gewährleistet eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit des Haltevorgangs bei geringer Störanfälligkeit. Durch das schnelle Bilden und Aufheben des Vakuums ist eine hohe Flexibilität in bezug auf die Anpassung an unterschiedlichste Halte- bzw. Abstützsituationen eines Werkstücks gegeben. Eine Schnittstelle zu einer äußeren Vakuumerzeugungsquelle, bzw. einer Vakuumpumpe entfällt. Die einfachste Erzeugung einer Vakuumerzeugungsvorrichtung ist die Betätigung von Hand.

Es sind kurze Umrüstzeiten gewährleistet, wobei es sich vorteilhaft auswirkt, daß Schnittstellen zu externen Vakuumerzeugungsquellen entfallen. Das Vakuum kann unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Formelemente auf immer die gleiche Weise und in jeweils gleicher Stärke erzeugt und gebrochen werden.

Die Formelemente können die verschiedensten geometrischen Formen und Maße besitzen, wodurch eine Anpassung an eine Werkstückkontur und/oder haltesituationsspezifische Befestigung des Werkstücks auf der Grundplatte leicht möglich ist. Bei Verwendung der Haltevorrichtung zu Montagezwecken können die auftretenden Montagekräfte optimal durch die Formelemente an den Grundkörper weitergeleitet werden. Eine freie Zugänglichkeit von Montageflächen am Werkstück kann leicht sichergestellt werden. Die flexible Haltevorrichtung kann 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 von einer spezifischen Werkstückkontur und speziell an die Haltefunktion angepaßten 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 2 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 7 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 8 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 10 oder 11 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.

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.

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 Halteelemente 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 Dichtungselement 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 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 Gewinde 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 32 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.

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 15 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 1 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.

Claims (14)

1. Flexible Haltevorrichtung zum Positionieren und Fixieren von Werkstücken, mit einer eine ebene Aufnahmefläche (1′) aufweisenden Grundplatte (1), auf der das Werkstück (2) mittels mindestens einem auf der Aufnahmefläche lösbar befestigbaren Halteelement (3) fixierbar ist, welches beliebig positioniert unverrückbar aber lösbar kraftschlüssig gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Halteelement (3) aus einem Grundkörper (4) und mindestens einem damit verbindbaren Formelement (11, 12) besteht, wobei der Grundkörper (4) mittels einer Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) pneumatisch fixierbar ist und er eine mit der Aufnahmefläche (1′) in luftdichte Anlage bringbare Kontaktfläche (5) aufweist, die eine zur Aufnahmefläche (1′) hin offener kammerartige Ausnehmung (6) umschließt, welche mittels eines Abdichtkörpers (9) der Vakuumerzeugungsvorrichtung (10) in eine der Aufnahmefläche zugekehrte offene Vakuumkammer (6′) und eine darüber befindliche geschlossene Bodenkammer (6″) unterteilt und mit einem Koppelelement (17) versehen ist, das zur reziproken Volumenänderung der beiden Kammern (6′, 6″) quer zur Aufnahmefläche (1′) verschieb- und haltbar ist, wobei das Koppelelement (17) mittels eines Greifers oder einer Verstellvorrichtung eines Industrieroboters betätigbar ist.

2. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 1, 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.

3. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (5) ein von dieser hervorstehendes, die Aufnahmeöffnung (8) umrandendes, vorzugsweise elastisches Dichtungselement (34) aufweist.

4. Haltevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement (17) Teil einer Verstellarretiereinheit (19) ist, 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.

5. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestellung (B) beim maximalen 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.

6. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das senkrecht zur Bodenwandung (7) verschiebbare Koppelelement (17) 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.

7. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 6, 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 mit dem Koppelelement (17) verbunden ist.

8. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 6, 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 und dadurch eine Vergrößerung des Vakuumkammervolumens bewirkt wird.

9. Flexible Haltevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuummembran (20) auf der ringförmigen Kontaktfläche (5) befestigt, insbesondere aufgeklebt ist.

10. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, 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″) verschraubbar und festlegbar aufgenommen wird.

11. Flexible Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, 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.

12. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.

13. Haltevorrichtung nach Anspruch 12, 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.

14. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, 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 Werstück (2)/ Halteelement (3) gegeben ist.