DE9108068U1 - Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken auf einem Maschinentisch - Google Patents

Claims (17)

Dr.-Ing. Wilhelm Hoffmann Lohgerberstr. 6 484 Rheda-Wiedenbrück 26.6.1991 Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken auf einem Maschinentisch Beschreibung

1. Zweck

Bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Holz und Kunststoff auf CNC-Fräsmaschinen bzw. -Bearbeitungszentren (Figur 3) werden diese häufig durch Vakuumvorrichtungen gespannt. Das ermöglicht die Bearbeitung von 5 Flächen eines Quaders in einer Aufspannung, in vielen praktischen Fällen sogar eine Komplettbearbeitung in einer Aufspannung. Bei kleinen, schmalen oder porösen Werkstücken ist diese Spanntechnik häufig allein nicht anwendbar, weil dann die Gesetze der Physik, wirksam durch Reibung, Unterdruck und Eigenschaften der Vakuumdichtung, nur eine geringe Haltekraft zulassen. Dann könnte das Werkstück durch die Bearbeitungskräfte verschoben werden, dies ist aus Sicherheitsgründen unzulässig. Deshalb werden dann zusätzliche Spannsysteme eingesetzt.

Zweck der Erfindung ist es, eine zusätzliche Spannkraft auf das Werkstück aufzubringen, um damit auch kleine, schmale oder poröse Werkstücke auf den genannten Maschinen bearbeiten zu können.

2. Stand der Technik der zusätzlichen Spannsysteme 2.1 In den Maschinentisch eingebaute Spannsysteme -- Kniehebelspanner

Handelsübliche Kniehebelspanner, hand- oder pneumatisch betätigt, können zusätzlich auf dem Maschinentisch aufgebaut werden und das Werkstück spannen.

-- Schwenkspanner

Ein Schwenkspanner besteht im Wesentlichen aus einem senkrecht in den Maschinentisch eingelassenen Pneumatikzylinder, dessen Kolbenstange drehbar ist. Im Ruhezustand ist der Schwenkspanner im Maschinentisch versenkt. Zum Spannen fährt die Kolbenstange aus, dreht sich um 90 Grad und zieht mit einem an ihrem Ende angebrachten Haken das Werkstück auf der Unterlage fest.

-- vakuumbetätigte Spannpratze (Deckelschablone) Neben dem Werkstück befindet sich eine zusätzliche Vakuumvorrichtung, deren Auflagefläche auf der gleichen Ebene wie die Werkstückoberseite liegt. Ein separater Deckel mit einer Auskragung wird auf dieser Vorrichtung durch Vakuum festgespannt, wobei die Auskragung als Spannpratze das Werkstück festspannt.

Diese Lösungen haben folgende Nachteile:

-- Die Spannsysteme müssen für jedes Werkstück speziell von Hand positioniert und montiert werden.

-- Für die Komplettbearbeitung auf 5 Seiten sind mehrere Spanner erforderlich, die nacheinander mit bestimmter zeitlicher überdeckung aktiviert werden. Dies erfordert eine spezielle Steuerung. Bei Programmierfehlern zerstört eine Kollision zwischen Werkzeug und Spannelement beide.

— Mit der Deckelschablone ist eine 5-Seiten-Komplettbearbeitung nicht möglich. 2 Flächen des Quaders sind durch Deckel und Abstützung blockiert, so daß nur eine 3-Seiten Bearbeitung möglich ist. Der Deckel muß für jedes Werkstück von Hand positioniert werden. Da Deckel und Vorrichtung i.A. aus Holz gebaut werden, zerstört eine Kollision meist nur die Vorrichtung.

2.2 Spanner am Bearbeitungsaggregat

-- Rollenspanner.

An der Unterseite des Bearbeitungsaggregates sind mindestens 2 waagerechte Rollen angebracht, zwischen denen das Werkzeug herausragt und sich in Achsrichtung der Rollen bewegt. Bei der Bearbeitung werden zuerst die Rollen auf das darunterliegende Werkstück abgesenkt, dann bewegen sich gleichzeitig das Werkzeug und der Maschinentisch in zueinander senkrechten Achsrichtungen. Während der Bearbeitung rollt das Bearbeitungsaggregat quasi auf dem Werkstück ab.

-- Luftkissen

An der Unterseite des Bearbeitungsaggregates, nahe dem Werkzeug, ist eine ebene Fläche mit Luftaustrittsdüsen angebracht. Diese wird auf das Werkstück abgesenkt und gleitet während der Bearbeitung auf der Werkstückoberseite.

Diese Lösungen haben folgende Nachteile:

-- Sie sind nur für ebene Werkstücke geeignet.

-- Rollenspanner sind nur für bestimmte Maschinenbauformen einsetzbar, weil der Rollenspanner und das Werkzeug nicht am gleichen Führungsschlitten befestigt sein dürfen.

-- Die Spannkraft eines Luftkissens hängt wie beim Vakuum von der Größe des Werkstücks ab, außerdem verbraucht es viel Platz am Bearbeitungsaggregat eines Bearbeitungszentrums.

3. Aufgabenstellung

Das Spannelement soll folgende Eigenschaften haben:

1. Kein Einfluß auf die Rüstzeiten bei der Montage der Vorrichtungen.

2. Kein Einfluß auf die Nebenzeiten beim Werkstückwechsel

3. keine Festlegung der Werkstückpositionierung durch im Maschinentisch fest eingebaute Bauelemente.

4. keine oder nur geringe Kollisionsgefahr.

5. Für alle Werkstückarten und -formen geeignet.

6. Rundumbearbeitung möglich

7. Für alle Bauformen der Maschinen geeignet.

8. Geringe Baugröße; geringer Platzbedarf am Bearbeitungsaggregat eines Bearbeitungszentrums.

4. Lösung

4.1 Prinzip (Figur 1)

Ein Führungsschlitten 1 ist mit zum Werkzeug 2 paralleler Achse am Bearbeitungsaggregat 3 befestigt, entweder direkt an diesem oder am Vorlegeschlitten 4 des Werkzeugs, der wiederum am Bearbeitungsaggregat 3 geführt ist. Der Schlitten 1 wird durch einen Zylinder mit Regelventil 5 (pneumatisch oder hydraulisch) angetrieben. Fest verbunden mit dem Schlitten 1 ist das Lager An diesem drehbar gelagert ist der Schwenkarm 7. In das Lager 6 eingebaut ist eine Zentriervorrichtung 8 bestehend aus einer Spiralfeder und einem Schnäpper. Die Zentriervorrichtung 8 hält den Schwenkarm 7 im Ruhezustand in einer vorgegebenen Startwinkelstellung . Am anderen Ende des Schwenkarms ist mit Hilfe des Lagers 9 der Schwenkarm 10 angelenkt. Das Lager 9 ist mit Lager 6 identisch. Es ist ebenfalls mit der Zentriervorrichtung 8 ausgerüstet. Am anderen Ende des Schwenkarms 10 ist das Druckstück mit Lager 11 drehbar gelagert. Das Lager enthält keine Zentriervorrichtung. Beide Schwenkarme 7 und 10 sind unabhängig voneinander um mindestens 360 Grad drehbar. Der Kollisionsschutz 12 ist als fest montierte, zylindrische Hülse ausgeführt und verhindert den Kontakt zwischen Werkzeug 2 und dem Druckstück 11 bzw. den Schwenkarmen 7 und 10, falls durch einen Programmierfehler das Werkzeug 2 zu nahe an diese Bauelemente heranfährt. Der Kollisionsschutz wird so dimensioniert, daß seine Unterkante während der Bearbeitung zwischen der Oberkante des Lagers 11 und der Oberkante des Werkstücks 13 liegt.

4.2 Arbeitsablauf (Figuren 1 u. 2)

1. Bearbeitungsaggregat 3 in x-y-z-Warteposition außerhalb des Arbeitsbereichs 15; beide Schwenkarme 7 und 10 in vorgegebener Startwinkelstellung 16 zentriert, Schlitten 1 in oberer Endstellung.

2. Rüsten und Positionieren des Werkstücks 13 auf Maschinentisch 14

3. Eilgang des Bearbeitungsaggregates 3 in x-y-Richtung, bis das Druckstück 11 senkrecht über dem zu spannenden Punkt des Werkstücks 13 steht; Schwenkarme 7 und 10 bleiben in Startwinkelstellung 16.

4. Vorschieben des Zylinders 5, so daß das Druckstück 11 auf das Werkstück 13 mit der durch das Regelventil 5 vorgegebenen Kraft drückt.

5. Verfahren des Bearbeitungaggregates 3 in x-y-Richtung, so daß das Werkzeug 2 in der x-y-Ebene am Start des Bearbeitungszyklus steht.

6. Vorlegen des Werkzeugs 2

7. Bearbeiten des Werkstücks 13: Verfahren zuerst in z-Richtung, danach auch in x-y-Richtung, die Spannkraft wird durch das Regelventil 5 konstant gehalten, als letzte Operation Verfahren in z-Richtung in z-Warteposition.

8. Zurücklegen des Werkzeugs 2.

9. Per Eilgang Bearbeitungsaggregat Werkzeugträger 3 in die gleiche Position wie Schritt Nr 3.

10. Zurückziehen des Zylinders 5 in obere Endstellung.

11. Eilgang des Bearbeitungsaggregates 3 in x-y-Warteposition.

12. Ende des Zyklus.

4.3 Arbeitsbereich (Figur 2)

Der Arbeitsbereich 15 des Spanners ist durch die Abmessungen folgender Bauelemente bestimmt:

-- Abstand des Lagers 6 von der Werkzeugachse 2 -- Länge der Schwenkarme 7 und 10

-- Breite der Schwenkarme 7 und 10

-- Durchmesser des Druckstückes 11

— Durchmesser des Kollisionsschutzes 12

Figur 2 zeigt den Arbeitsbereich 15 des Spanners, wenn Schritt Nr, 5 des Arbeitsablaufs in die positive y-Richtung führt. Soll auch der nicht zugängliche Teil der gegenüberliegenden Werkstückkante bearbeitet werden, so folgt auf Schritt Nr. 9 ein weiterer Zyklus am gleichen Werkstück, nur daß das Bearbeitungsaggregat zuerst in die negative y-Richtung fährt. Der Arbeitsbereich ist dann an der x-Achse zu spiegeln.

4.4 Erweiterung des Arbeitsbereichs (Figur 4)

Das beschriebene Spannelement gestattet die Rundumbearbeitung eines Werkstücks mit folgenden Einschränkungen:

-- eine Rundumbearbeitung in einem Zug, ohne Unterbrechung,, ist

nicht möglich,
-- je nach Geometrie des Werkstücks kann es vorkommen, daß auch einzelne Kanten begrenzter Länge z. B. eines rechteckigen Werkstücks nur mit einer Unterbrechung und neuem Einsetzen des Werkzeugs bearbeitet werden können.

Für bestimmte Anwendungen ist der Spanner deshalb entweder:

ungünstig, z.B. kann sich beim Feinfräsen der Neuansatz des Werkzeugs auf einer Kante markieren, oder

ungeeignet, z.B. kann das Kantenanleimen nur an 2 fest durch die Werkstückgeometrie vorgegebenen Punkten begonnen und unterbrochen werden. Liegt der Startpunkt nur im rechten, der Endpunkt nur im linken (an der x-Achse gespiegelten) Arbeitsbereich, so ist eine Bearbeitung durch Kantenanleimen nicht möglich.

Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß das Lager 6 nicht relativ zum Bearbeitungsaggregat fest angeordnet wird, sondern in der x-y-Ebene beweglich. Die Bewegung kann erfolgen:

— auf einer linearen, geraden Bahn oder -- auf einer gekrümmten Bahn

Fig. 4 zeigt den rechten Arbeitsbereich 15 bei fixer Position der Achse 6. (s. Fig. 2)

Verschiebt man die Achse 6 auf der Geraden 17 in die Position 18, so verändert sich der Arbeitsbereich in die gestrichelt gezeichnete Form 19. Bei einer Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung und/oder Spiegelung des Arbeitsbereiches an der x-Achse ergeben sich jeweils andere, neue Formen des Arbeitsbereichs. Damit können rechteckige Werkstücke ohne Unterbrechung von einer Ecke zur anderen bearbeitet werden.

Verschiebt man die Achse 6 auf einem Kreis 20 mit der Achse 2 als Mittelpunkt, so dreht sich der Arbeitsbereich um diesen Mittelpunkt, ohne daß sich seine Form ändert. Damit kann eine Rundumbearbeitung von Werkstücken ohne Unterbrechung durchgeführt werden.

4.5 Kollisionsschutz

Während der Bearbeitung wird eine Kollision zwischen Werkzeug und Spanner durch den Kollisionsschutz 12 verhindert. Bei Programmierfehlern wird lediglich das Druckstück 11 auf der Oberseite des Werkstückes 13 verschoben, wenn die Schwenkarme 7 bzw. 10 oder das Druckstück 11 des Spanners am Kollisionsschutz anlaufen. Bei Bedarf könnte ein Sensor diesen Fall kontrollieren und ggfls. die Maschine abschalten. Lediglich bei Schritt 6 des Arbeitsablaufs ist eine Kollision möglich, diese könnte bei geeigneten Programmiersystemen über eine logische Verriegelung ausgeschlossen werden.

5. Vorteile

Alle Forderungen It. Pkt. "3. Aufgabenstellung" der Beschreibung werden erfüllt. Dabei ist besonders wichtig, daß für eine flexible Beschickung mit unterschiedlichen Werkstücken in beliebiger Reihenfolge durch die Anwendung des Spanners keinerlei

Restriktionen für eine Automatisierung der Beschickung verbleiben. Eine automatische Beschickung unterschiedlicher Werkstücke in beliebiger Reihenfolge ist bei den im Maschinentisch eingebauten Spannsystemen It. Pkt. 2.1 praktisch nicht möglich. Diese Tatsache wird durch die Forderungen 1-3 ausgedrückt. Die Erweiterung des Arbeitsbereichs nach Punkt 4.4 ermöglicht die Bearbeitung langer Werkstückkanten in einem Zug, sogar die Rundumbearbeitung in einem Zug.

Damit eröffnet dieser Spanner Automatisierungsmöglichkeiten, die bei der bisherigen Spanntechnik nicht gegeben sind.

Schutzansprüche

Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken auf einem Maschinentisch

1. Vorrichtung zum Spannen von Werkstücken auf einem Maschinentisch, z.B einer CNC-Oberfräsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanner sich am Bearbeitungsaggregat (3) abstützt und Maschinentisch (14) und Bearbeitungsaggregat (3) relativ zueinander in 3 translatorischen Koordinaten x-y-z beweglich sind.

2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlitten (1) mit geregeltem Antrieb (pneumatisch oder hydraulisch) (5) am Bearbeitungsaggregat (3) geführt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Führung (1) vertikal zum Maschinentisch (14) (in z-Richtung) verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Führungsschlitten (1) ein Schwenkarm (7) mit senkrechter Achse (6) angelenkt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlenkachse (6) einen bestimmten Abstand von der Werkzeugachse (2) hat.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende des Schwenkarms (7) ein zweiter Schwenkarm (10) mit ebenfalls senkrechter Achse (9) angelenkt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am anderen Ende des Schwenkarms (10) ein drehbares Druckstück (11) angelenkt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwenkarme (7) und (10) sich unabhängig voneinander um mindestens 360 Grad drehen können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentriervorrichtung bestehend aus Spiralfeder und Schnäpper beide Schwenkarme (7) und (10) im Ruhezustand in vorgegebenen Startwinkelstellungen (16) zentriert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollisionsschutz (12) das sich drehende Werkzeug (2) teilweise abdeckt und den Kontakt zwischen dem Werkzeug (2) und den Bauelementen des Spanners verhindert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Größe und Lage des Arbeitsbereichs (15) von den Abständen und den Abmessungen der Bauelemente abhängen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umkehr der Bewegungsrichtung beim Start der Arbeitsbereich (15) an der x-Achse gespiegelt werden kann.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannkraft durch das Regelventil (5) unabhängig von der Bewegung des Bearbeitungsaggregates konstant gehalten wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (6) unter Beibehaltung ihrer Richtung in der x-y-Ebene beweglich ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (6) auf einer Geraden in y-Richtung beweglich ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (6) auf einem Kreisbogen um eine zur z-Achse parallele Achse beweglich ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (6) auf einer anderen definierten Bahn in der x-y-Ebene beweglich ist.