DE102013014036A1

DE102013014036A1 - Spanneinrichtung

Info

Publication number: DE102013014036A1
Application number: DE102013014036.6A
Authority: DE
Inventors: Hans Hedinger
Original assignee: Erowa AG
Current assignee: Erowa AG
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-02-26
Also published as: SK50262013A3; SK288542B6; CN104416394B; KR102081145B1; CA2827437C; NL2011468B1; CN104416394A; FI20135956A; US20150054211A1; SE538216C2; AT514431A4; ES2437266A1; CA2827437A1; GB201316947D0; FR3009801A1; NL2011468A; JP5951578B2; DK201470029A1; CZ2013666A3; FR3009801B1

Abstract

Die Spanneinrichtung umfasst ein Spannunterteil (1) und einen daran festspannbaren Werkstückträger (2). Das Spannunterteil (1) weist mehrere Spannvorrichtungen (5) auf und der Werkstückträger (2) ist mit einer zu der Anzahl der Spannvorrichtungen (5) korrespondierenden Anzahl Spannzapfen (43) zum Festspannen in der jeweiligen Spannvorrichtung (5) versehen. Am Spannunterteil (1) sind erste Zentrierelemente (4) angeordnet sind, welche mit am Werkstückträger (2) angeordneten weiteren Zentrierelementen (38) derart zusammenarbeiten, dass der Werkstückträger (2) beim Festspannen am Spannunterteil (1) in X- und Y-Richtung ausgerichtet wird. Die jeweilige Spannvorrichtung (5) weist eine Spannhülse (6) auf, deren Oberseite die Z-Auflage für den Werkstückträger (2) bildet. Die Z-Auflage des Spannunterteils (1) wird durch mehrere, auf der Oberseite der jeweiligen Spannhülse (6) angeordnete Flächenabschnitte (11) gebildet. Jeder dieser Flächenabschnitte (11) ist mit einer Austrittsöffnung zum Ausblasen von Luft versehen. Die jeweilige Spannhülse (6) weist einen durchgehend hohlen Fortsatz auf, der sich bis auf die Unterseite des Spannunterteils (1) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Spanneinrichtung.
Derartige Spanneinrichtungen werden zum positionsdefinierten Festspannen von auf Werkstückträgern montierten Werkstücken oder Werkzeugen eingesetzt. Das Spannunterteil wird üblicherweise fest auf einem Arbeitstisch einer Bearbeitungsmaschine oder einer Presse fixiert, während der Werkstückträger wiederholt positionsgenau am Spannunterteil fixierbar und auch wieder lösbar ist.
Aus der EP 0 614 725 A1 ist eine gattungsgemässe Einrichtung zum positionsdefinierten Festspannen eines Werkstücks am Arbeitsplatz einer Bearbeitungsmaschine bekannt. Die Einrichtung besteht aus einem am Arbeitsplatz der Bearbeitungsmaschine zu fixierenden Untersatz und einem auf den Untersatz aufsetzbaren und daran festspannbaren Werkstückträger. Der Werkstückträger weist vier Spannzapfen auf, mittels welchen er in vier am Untersatz korrespondierend angeordneten Spannvorrichtungen festgespannt werden kann. Zum Positionieren des Werkstückträgers am Untersatz ist letzterer mit ersten Richtelementen in Form von Zentrierlinealen versehen, während der Werkstückträger weitere Richtelemente in der Form von profilierten Platten aufweist, welche mit einer Nut versehen sind. Beim Fixieren des Werkstückträgers am Untersatz greifen die genannten Zentrierlineale in die Nuten der profilierten Platten ein und positionieren den Werkstückträger in X- und Y-Richtung wie auch bezüglich der Winkellage um die Z-Achse. Die Z-Positionierung erfolgt, indem der Werkstückträger mittels den Spannvorrichtungen gegen den Untersatz gezogen wird, bis dieser mit seiner planen Unterseite auf ringförmigen Auflageflächen des Untersatzes zur Anlage kommt. Obwohl sich eine derartige Spanneinrichtung in der Praxis bewährt hat, besteht die Gefahr, dass sich mit der Zeit auf den ringförmigen Auflageflächen Schmutz festsetzt, welcher einer genauen Positionierung des Werkstückträgers, insbesondere in Z-Richtung, im Weg steht. Zudem kann sich in den vier Spannvorrichtungen ebenfalls Schmutz ansammeln, welcher die korrekte Funktionsweise der jeweiligen Spannvorrichtung ggf. behindert.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Spanneinrichtung zu schaffen, welche unempfindlicher in Bezug auf Verschmutzung ist, so dass der Werkstückträger wiederholt genau an dem Spannunterteil festgelegt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung weist das Spannunterteil der Spanneinrichtung mehrere Spannvorrichtungen auf und der Werkstückträger ist mit einer zu der Anzahl der Spannvorrichtungen korrespondierenden Anzahl Spannzapfen zum Festspannen in der jeweiligen Spannvorrichtung versehen, wobei am Spannunterteil erste Zentrierelemente angeordnet sind, welche mit am Werkstückträger angeordneten weiteren Zentrierelementen derart zusammenarbeiten, dass der Werkstückträger beim Festspannen am Spannunterteil in X- und Y-Richtung ausgerichtet wird, und wobei die jeweilige Spannvorrichtung eine Spannhülse aufweist, deren Oberseite die Z-Auflage für den Werkstückträger bildet, und wobei die Z-Auflage des Spannunterteils durch mehrere, auf der Oberseite der jeweiligen Spannhülse angeordnete Flächenabschnitte gebildet wird, und wobei jeder Flächenabschnitt mit zumindest einer Austrittsöffnung für ein Reinigungsmedium versehen ist, und wobei die jeweilige Spannhülse mit einem hohlen Fortsatz versehen ist, der sich bis auf die Unterseite des Spannunterteils erstreckt.
Bei einer derart ausgebildeten Spanneinrichtung werden einerseits die Z-Auflagen durch definierte Flächenabschnitte gebildet, welche gereinigt werden können. Andererseits kann allfälliger sich im Bereich der Spannvorrichtungen ansammelnder Schmutz nach unten aus dem Spannunterteil austreten oder entfernt werden. Eine derartige Spanneinrichtung ist daher wesentlich unempfindlicher in Bezug auf Verschmutzung, so dass letztlich der Werkstückträger auch über einen langen Zeitraum wiederholt genau an dem Spannunterteil festgelegt werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.
So ist das Spannunterteil bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung mit einem Grundkörper und der Werkstückträger mit einem Hauptkörper versehen, wobei in den Grundkörper des Spannunterteils die zur Bildung der Z-Auflagen des Spannunterteils dienenden Spannhülsen eingesetzt sind und wobei in den Hauptkörper des Werkstückträgers Ringkörper zur Bildung der Z-Auflagen des Werkstückträgers eingesetzt sind. Diese Ausbildung erlaubt die jeweiligen Z-Auflagen aus einem Material herzustellen, das spezifisch an die gewünschten Anforderungen angepasst ist. Zudem können diejenigen Elemente der Spanneinrichtung, welche keine besonderen Beanspruchung ausgesetzt sind, insbesondere der Grund- und der Hauptkörper, aus einem vergleichsweise günstigen und ggf. leichten Material hergestellt werden. Diesbezüglich wird in einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, die Spannhülsen aus einem härteren Material zu fertigen als der Grundkörper des Spannunterteils und die Ringkörper des Werkstückträgers aus einem härteren Material als der Hauptkörper des Werkstückträgers.
Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Spanneinrichtung ist die jeweilige Spannhülse einstückig ausgebildet und besitzt eine ringförmig umlaufende Schulter, in welche auf der Unterseite ein Ringkanal eingelassen ist, der mittels Bohrungen mit den Austrittsöffnungen verbunden ist. Diese Ausbildung erlaubt eine vergleichsweise einfache Ausbildung der Spannhülse, da deren Austrittsöffnungen über den Ringkanal mit Luft versorgt werden können.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Spanneinrichtung sieht vor, dass der Werkstückträger derart auf das Spannunterteil abgestimmt ist, dass nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers auf das Spannunterteil zwischen den als Z-Auflagen dienenden Flächenabschnitten des Spannunterteils und den Z-Auflagen des Werkstückträgers ein Spalt in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,01 mm besteht. Dadurch wird erreicht, dass der Werkstückträger während des Spannvorgangs nur noch einen sehr kleinen Weg in Z-Richtung zurücklegen muss, bis er auf den Z-Auflagen des Spannunterteils zur Anlage kommt. Beim Festspannen des Werkstückträgers werden die Nutelemente daher in Z-Richtung nur sehr gering ausgelenkt, was eine hochpräzise Ausrichtung des Werkstückträgers gegenüber dem Spannunterteil begünstigt, da durch die sehr geringe Z-Verschiebung des Werkstückträgers nach dem Ausrichten in X- und Y-Richtung eine mögliche Fehlerquelle praktisch ausgeschaltet wird und nur vergleichsweise geringe Kräfte zum federelastischen Auslenken der Nutelemente in Z-Richtung überwunden werden müssen.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Die Figuren der zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
1 die aus einem Spannunterteil und einem Werkstückträger bestehende Spanneinrichtung in perspektivischer Darstellung;
2 einen Querschnitt durch das Spannunterteil;
2a einen vergrösserten Ausschnitt aus der 2;
3 einen Querschnitt durch den Werkstückträger;
4 den Werkstückträger während des Aufsetzens auf das Spannunterteil;
5 den Werkstückträger im festgespannten Zustand.
Die 1 zeigt die wesentlichen Elemente der Spanneinrichtung in perspektivischer Ansicht. Die Spanneinrichtung umfasst ein Spannunterteil 1, welches im Bereich einer Bearbeitungsmaschine fixiert wird, sowie einen Werkstückträger 2. Die dargestellte Spanneinrichtung dient insbesondere zum Festspannen von grossen und/oder schweren Werkstücken im Arbeitsbereich einer Bearbeitungsmaschine, beispielsweise einer Fräsmaschine, Schleifmaschine, Erodiermaschine oder einer Drehbank. Unter gross und schwer werden im vorliegenden Zusammenhang Werkstücke verstanden, die bis ca. 500 × 500 × 500 mm gross und bis zu mehreren hundert Kilogramm schwer sein können.
Das Spannunterteil 1 ist mit einem Grundkörper 22 versehen, in dem vier Spannvorrichtungen 5 aufgenommen sind, während der Werkstückträger 2 einen Hauptkörper 36 aufweist, an dem vier korrespondierend zu den Spannvorrichtungen angeordnete Spannzapfen 43 angebracht sind, welche in den Spannvorrichtungen 5 festgespannt werden können. Um eine genaue Positionierung des Werkstückträgers 2 an dem Spannunterteil 1 zu ermöglichen, sind an dem Grundkörper des Spannunterteils 1 erste Zentrierelemente in der Form vom vier Zentrierleisten 4 und an dem Hauptkörper des Werkstückträgers 2 weitere Zentrierelemente in der Form von vier Nutelementen 38 angeordnet. Die Nutelemente 38 sind derart ausgebildet, dass deren zentraler Bereich, welcher mit einer Zentriernut versehen ist, in Z-Richtung, d. h. in Richtung der Unterseite 37 des Werkstückträgers 2 federelastisch um einen bestimmten Betrag, vorzugsweise einige Hunderstelmillimeter, ausgelenkt werden kann. Der Werkstückträger 2 ist mit einer planen Unterseite 37 versehen, an welcher die Nutelemente 38 mittels Schrauben befestigt sind. Da die grundsätzliche Ausbildung einer derartigen Spanneinrichtung aus der EP 0 614 725 A1 bekannt ist, wird nachfolgend insbesondere auf die erfindungsgemäss wesentlichen Merkmale der Spanneinrichtung eingegangen.
Die jeweilige Spannvorrichtung 5 des Spannunterteils 1 umfasst in den Grundkörper 22 eingesetzte Spannhülsen 6, deren kreisringförmige Oberseite teilweise die Z-Auflage für den Werkstückträger 2 bildet. Dazu ist die jeweilige Oberseite mit vier erhöhten Flächenabschnitten 11 versehen, auf welchen der Werkstückträger beim Festspannen mit planen Auflageflächen zur Anlage kommt. Jeder der genannten Flächenabschnitte 11 ist mit einer Austrittsöffnung versehen, über welche eine Reinigungsmedium, vorzugsweise Luft, ausgeblasen werden kann. Die erhöhten Flächenabschnitte 11 sind hochpräzise plan geschliffen. Es versteht sich, dass anstelle von vier erhöhten Flächenabschnitten 11 auch eine andere Anzahl und Form solcher erhöhter Flächenabschnitte vorgesehen werden kann.
Das Spannunterteil 1 ist zudem mit einer Indexieröffnung 15 versehen, die der Aufnahme eines am Werkstückträger 2 angeordneten Indexierstifts 3 dient. Das Zusammenwirken dieser Indexiermittel soll sicherstellen, dass der Werkstückträger 2 immer in derselben Winkellage am Spannunterteil 1 fixiert wird.
In den Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 sind auf seiner dem Spannunterteil 1 zuzuwendenden Unterseite zur Bildung von Z-Auflagen Ringkörper 46 eingesetzt, welche den rückwärtigen, zur Unterseite 37 des Werkstückträgers 2 gerichteten Fussteil des jeweiligen Spannzapfens 43 umgeben. Die genannten Ringkörper 46 bestehen aus einem hochfesten Material, vorzugsweise gehärtetem Stahl. Die Befestigung und Bearbeitung dieser Ringkörper 46 wird anschliessend noch näher erläutert.
Der Grundkörper 22 des Spannunterteils 1 ist mit mehreren seitlichen Anschlusskanälen 35 versehen. Über diese Anschlusskanäle 35 können Medien zum Betrieb der Spannvorrichtungen 5 wie beispielsweise Druckluft etc. zugeführt werden. Zumindest über den einen dieser Anschlusskanäle 35 kann den in die erhöhten Flächenabschnitte 11 eingelassenen Austrittsöffnungen ein Reinigungsmedium – Luft – zugeführt werden.
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch das Spannunterteil 1 entlang der Linie A-A in 1. Der Grundkörper 22 ist mit vier Ausnehmungen 23 zur Aufnahme je einer Spannvorrichtung 5 versehen, wobei aus dieser Darstellung nur zwei der vier Ausnehmungen ersichtlich sind. Anhand der einen von vier Spannvorrichtungen, in der vorliegenden Zeichnung der linken Spannvorrichtung 5, wird der Aufbau einer solchen Spannvorrichtung 5 nachfolgend näher erläutert.
Die jeweilige Spannvorrichtung 5 umfasst eine Spannhülse 6 sowie einen Verriegelungskolben 28, welche beide in die genannte Ausnehmung 23 eingesetzt sind. Der Verriegelungskolben 28 ist in der Form eines Ringkolbens ausgebildet, welcher die Spannhülse 6 bzw. deren rückwärtigen Fortsatz 10 umschliesst. Nach unten hin ist die jeweilige Ausnehmung 23 mittels einer runden Abdeckplatte 30 abgedeckt, wobei die jeweilige Abdeckplatte 30 mit einer zentralen Öffnung 31 versehen ist, deren Funktion anschliessend noch näher erläutert wird. Aus dieser Darstellung ist insbesondere ersichtlich, dass die jeweilige Spannhülse 6 als eine Art Büchse ausgebildet ist und eine durchgehende Öffnung 14 aufweist, welche sich durch das gesamte Spannunterteil 1 hindurch erstreckt. Die Spannhülse 6 besteht im Wesentlichen aus einem Oberteil 8, einem sich nach unten daran anschliessenden ringförmig umlaufenden Schulterteil 9 und einem hohlzylindrischen Fortsatz 10, dessen rückwärtiges Ende sich bis an die Rückseite des Spannunterteils 1 erstreckt. Der Oberteil 8 der Spannhülse 6 ist auf der Innenseite mit einem konischen Einführbereich 13 versehen. Die jeweilige Spannhülse 6 ist mittels des ringförmig umlaufenden Schulterteils 9 an einer ersten bzw. obersten Stufe 24 der jeweiligen Ausnehmung 23 abgestützt. Im vorliegenden Beispiel ist der Verriegelungskolben 28 in der unteren Verriegelungsstellung dargestellt, in welcher er die dem Verriegeln eines Spannzapfens dienenden Spannkugeln 53 radial nach innen drückt.
Der Verriegelungskolben 28 wird durch am Grundkörper 22 abgestützte Druckfedern 29 in die dargestellte Verriegelungsposition gedrückt.
Um den Verriegelungskolben 28 entgegen der Kraft der Federn 29 nach oben zu drücken, wird ein Druckmedium in einen Ringraum 32 zwischen der Unterseite des Verriegelungskolbens 28 und der Abdeckplatte 30 eingeleitet, wobei die dazu notwendigen Mittel nicht dargestellt sind. Es ist lediglich jeweils ein in den genannten Ringraum 32 führender Kanal 33 ersichtlich, über den das entsprechende Druckmedium eingeleitet werden kann. Die jeweilige Abdeckplatte 30 ist mittels Schrauben (nicht dargestellt) an einer rückseitigen Stufe 27 der jeweiligen Ausnehmung 23 auf der Rückseite/Unterseite des Spannunterteils 1 befestigt. Der Ringraum 32 ist mittels Dichtungen, auf welche nicht im Einzelnen eingegangen wird, abgedichtet.
Der hohlzylindrische Fortsatz 10 der Spannhülse 6 erstreckt sich durch die zentrale Öffnung 31 in der Abdeckplatte 30 hindurch bis auf die Rück- bzw. Unterseite des Spannunterteils 1, so dass ein Durchgang entsteht, über welchen sich allenfalls ansammelnder Schmutz austreten oder entfernt werden kann. Aber beispielsweise auch Kühlwasser kann durch die Spannhülse 6 hindurch nach unten abfliessen.
Die jeweilige Spannhülse 6 ist einstückig ausgebildet, wobei in die Rückseite bzw. Unterseite der ringförmig umlaufenden Schulter 9 ein Ringkanal 19 eingelassen ist, der mittels axialen Bohrungen 20 mit den in de erhöhten Flächenabschnitte 11 mündenden Austrittsöffnungen 12 verbunden ist. Die Ringkanäle sämtlicher Spannhülsen sind mit einem aus dem Grundkörper 22 mündenden Anschlusskanal verbunden. Die aus Stahl gefertigte Spannhülse 6 ist zumindest im Bereich der als Z-Auflage dienenden Flächenabschnitte 11 gehärtet, wobei vorzugsweise die gesamte Spannhülse 6 aus gehärtetem Stahl besteht.
Indem als Z-Auflagen erhöhte Flächenabschnitte 11 vorgesehen werden, verbleibt zwischen den Flächenabschnitten 11 ein Freiraum, zumal die Oberfläche der jeweiligen Spannhülse 6 in den Bereichen zwischen den Flächenabschnitten 11 etwas zurückversetzt ist. Im Gegensatz zu den nach dem Stand der Technik ausgebildeten Z-Auflagen, welche durchgehend ringförmig ausgebildet sind und keine Reinigungsöffnungen aufweisen, sind die erfindungsgemäss gestalteten Z-Auflagen wesentlich unempfindlicher in Bezug auf Verschmutzung, zumal durch die verkleinerten Z-Auflageflächen auch noch eine höhere Flächenpressung erreicht wird. Dies bedingt allerdings, dass die entsprechenden Auflageflächen entsprechend belastbar gestaltet werden, vorzugsweise sehr hart sind.
Die Spannhülse 6 ist mit einer Vielzahl von radialen Bohrungen 52 versehen, welche der Aufnahme der Spannkugeln 53 dienen. Im weiteren ist erkennbar, dass die jeweilige Zentrierleiste 4 in eine in die Oberseite des Grundkörpers 22 eingelassene Nut eingesetzt ist. Die Zentrierleisten 4 sind mittels Schrauben (nicht dargestellt) an dem Grundkörper 22 befestigt. Vorzugsweise sind die Zentrierleisten 4 zudem mit der jeweiligen Nut verklebt. Jede Zentrierleiste 4 ist mit zwei schrägen, der Zentrierung dienenden Seitenflächen 49 versehen.
Die 2a zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus der 2. Aus dieser Darstellung ist insbesondere eine der vertikal verlaufenden Bohrungen 20 ersichtlich, welche zu einer Austrittsöffnung 12 in einem der erhöhten Flächenabschnitte 11 der Spannhülse 6 führt. Die Austrittsöffnung 12 selber weist gegenüber der vertikalen Bohrung 20 einen vergleichsweise kleinen Querschnitt auf, was sich in einer hohen Geschwindigkeit der aus der Austrittsöffnung 12 austretenden Luft bemerkbar macht. Im weiteren ist der Ringkanal 19 erkennbar, der über die Bohrung 20 mit der jeweiligen Austrittsöffnung 12 verbunden ist. Zudem ist der in Bezug auf den Ringkanal 19 radial verlaufende Kanal 18 erkennbar, der die Bohrung 17 mit dem Ringkanal 19 verbindet. Wenn, wie im vorliegenden Beispiel, vier mit Austrittsöffnungen 12 versehene Flächenabschnitte 11 vorgesehen sind, so ist der jeweilige Ringkanal 19 über vier vertikal verlaufende Bohrungen 20 mit den vier Austrittsöffnungen 12 verbunden.
Die 3 zeigt einen Querschnitt durch den Werkstückträger 2 entlang der Linie B-B in 1. An der Unterseite 37 des Hauptkörpers 36 sind sowohl die Spannzapfen 43 wie auch die Nutelemente 38 befestigt. Aus dieser Schnittdarstellung sind des weiteren die Z-Auflageflächen 47 erkennbar, welche durch in die Unterseite des Hauptkörpers 36 eingesetzte, ringförmige Scheiben – Ringkörper 46 – gebildet werden. Die Ringkörper 46 bestehen aus gehärtetem Stahl, während der Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 selber aus einem weicheren und leichteren Material, beispielsweise Aluminium, hergestellt ist. Dies ist auch deshalb wichtig, da die Z-Auflageflächen 47 vergleichsweise klein sind und bei einem nicht gehärteten Material durch die hohen Spannkräfte die Gefahr bestehen würde, dass sich die Z-Auflagen elastisch und/oder plastisch verformen würden. Der mit der Zentriernut 39 versehene Mittelteil des jeweiligen Nutelements 38 ist über zwei radial verlaufende Stege 41 an dem Hauptkörper 36 abgestützt. Wie bereits erwähnt, ist der Mittelteil des Nutelements 38 in Z-Richtung um einige Hunderstelmillimeter in Z-Richtung elastisch auslenkbar. Durch die Ausbildung dieser Stege 41, insbesondere deren Dicke, Länge, Breite und deren Material, kann die Kraft zum Auslenken des Mittelteils – Nut 39 – in Z-Richtung bestimmt werden.
Um den Ringkörper 46 an dem Hauptkörper 36 zu befestigen, wird dieser in einem ersten Schritt in eine zur Aufnahme des Ringkörpers 46 vorgesehene Vertiefung auf der Unterseite 37 des Werkstückträgers 2 eingesetzt. Vorzugsweise wird der Ringkörper 46 in die genannte Vertiefung eingeklebt. Danach wird der Ringkörper 46 und ggf. auch die Unterseite 37 des Werkstückträgers 2 plan geschliffen. Anschliessend werden die Spannzapfen 43 an dem Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 mittels Schrauben befestigt. Die Ringkörper 46 besitzen eine zentrale Ausnehmung, deren Durchmesser geringfügig grösser ist, als ein auf der Hinterseite des Spannzapfens 43 angeordneter Zentrierbund. Beim Befestigen des jeweiligen Spannzapfens 43 wird der jeweilige Ringkörper 46 durch einen im Durchmesser vergrösserten Fussteil 48 des Spannzapfens 43 zusätzlich fixiert. Indem die Ringkörper 46 fest mit dem Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 verklebt sind, wird sichergestellt, dass sich deren Lage und Form beim Festschrauben der Spannzapfen 43 nicht mehr verändert. Dies ist daher wichtig, da die jeweilige Unterseite des Ringkörpers 46 nach dem Schleifvorgang eine definierte, hochpräzise Z-Auflage bildet.
Die für die Zentrierung in X- und Y-Richtung massgebenden Zentrierelemente, namentlich die Zentrierleisten 4 und die Nutelemente 38, sind derart aufeinander abgestimmt, dass nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 ein Spalt von 0,1 bis 0,01 mm, vorzugsweise ein Spalt zwischen 0,02 und 0,04 mm, zwischen den Z-Auflagen des Spannunterteils 1 – erhöhte Flächenabschnitte 11 – und den Z-Auflageflächen des Werkstückträgers 2 – ringförmige Auflageflächen 47 – besteht. Unter losem Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 wird verstanden, dass der Werkstückträger 2 durch sein Eigengewicht, allenfalls mit einem daran befestigten Werkstück, auf dem Spannunterteil 1 platziert wird. In diesem Zusammenhang wird auch von spannkraftfreiem Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 gesprochen. Die Nutelemente 38 sind jedenfalls derart auf ein Maximalgewicht des an dem Werkstückträger 2 zu befestigenden Werkstücks, beispielsweise auf Werkstücke bis zu mehreren hundert Kilogramm, abgestimmt, dass nach dem Aufsetzen des Werkstückträgers 2 zusammen mit einem daran befestigten Werkstück noch immer ein Spalt zwischen den Z-Auflagen des Spannunterteils 1 und den Z-Auflageflächen des Werkstückträgers 2 besteht.
Die 4 zeigt den Werkstückträger 2 während des Aufsetzens auf das Spannunterteil 1. Das Spannunterteil 1 ist dabei in einem Schnitt entlang der Linie C-C in 1 gezeigt. Damit der jeweilige Spannzapfen 43 in die zugehörige Spannhülse 6 der Spannvorrichtung eingeführt und darin festgespannt werden kann, muss sich der jeweilige Verriegelungskolben 28 in der dargestellten Entriegelungsstellung befinden, in welcher sich die Spannkugeln 53 in der zurückgezogenen Position befinden oder zumindest von dem jeweiligen Spannzapfen 43 beim Einführen radial nach aussen gedrückt werden können. In der Entriegelungsstellung des Verriegelungskolbens 28, welche dessen oberer Endstellung entspricht, können die Spannkugeln 53 in eine Ringnut des Verriegelungskolbens 28 eintauchen. Die Verriegelungskolben 28 werden durch Einleiten eines Druckmediums – Luft – in den Ringraum 32 entgegen der Vorspannkraft der Federn 29 pneumatisch nach oben in die dargestellte Position gedrückt. In der oberen Endstellung stützt sich der jeweilige Verriegelungskolben 28 mit seiner Oberseite an einer als Anschlag dienenden weiteren Stufe der jeweiligen Ausnehmung 23 ab.
Der Werkstückträger 2 wird nun in Z-Richtung soweit abgesenkt, bis die Zentrierleisten 4 in die Nutelemente 38 eingreifen. Konkret kommen die schrägen Seitenwände 40 der Nutelemente 38 an den schrägen Seitenflächen 49 der Zentrierleisten 4 zur Anlage. Nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 ist der Werkstückträger 2 gegenüber dem Spannunterteil in X- und Y-Richtung wie auch bezüglich der Winkellage um die senkrecht zu den Z-Auflageflächen verlaufende Z-Achse ausgerichtet. Lediglich die Z-Positionierung ist noch nicht abgeschlossen, da zwischen den erhöhten Flächenabschnitten 11 der jeweiligen Spannhülse und der Unterseite der zugehörigen, als Z-Auflagefläche 47 dienenden Ringkörpern 46 des Werkstückträgers 2 ein Spalt in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,01 mm besteht. Die Z-Richtung ist durch einen Pfeil 54 angedeutet.
Vorzugsweise wird nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 über die Austrittsöffnungen in den erhöhten Flächenabschnitten 11 Luft ausgeblasen. Die mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit austretende Luft reinigt dabei sowohl die ringförmigen Z-Auflageflächen 47 des Werkstückträgers 2 wie auch die erhöhten Flächenabschnitte 11 des Spannunterteils 1. Vorzugsweise wird in der Luftzufuhrleitung ein Druck- oder Strömungssensor (nicht dargestellt) angeordnet. Mittels eines solchen Sensors kann erkannt werden, ob der Werkstückträger 2 an dem Spannunterteil 1 festgespannt bzw. korrekt festgespannt ist, da die Luft-Austrittsöffnungen nach dem Festspannen des Werkstückträgers 2 durch die jeweils dicht aufliegenden Z-Auflageflächen 47 des Werkstückträgers 2 verschlossen sind, was mittels des Sensors erkannt werden kann.
Der genannte Spalt zwischen den Z-Auflagen wird beim Festspannen des Werkstückträgers 2 aufgehoben, indem letzterer durch die vier am Spannunterteil 1 angeordneten Spannvorrichtungen 5 in Richtung des Spannunterteils 1 gezogen wird. Dazu wird der pneumatische Überdruck in dem jeweiligen Ringraum 32 durch Öffnen eines Ventils (nicht dargestellt) soweit reduziert, bis sich dieser an den Umgebungsdruck angepasst hat. Durch die Kraft der Druckfedern 29 wird der jeweilige Ringkolben 28 nach unten gedrückt, wodurch die Spannkugeln 53 radial nach innen verschoben werden. Dabei legen sich die Spannkugeln 53 an der schrägen Fläche 45 am Kopfteil 44 des jeweiligen Spannzapfens 43 an (siehe 3) und ziehen diesen soweit nach unten, bis der genannte Spalt zwischen den Z-Auflagen 11, 47 aufgehoben ist. Mit dem Herunterziehen des Werkstückträgers 2 werden auch die Nutelemente 38 federelastisch ausgelenkt.
Sofern der jeweilige Ringraum 32 drucklos ist, werden die Ringkolben 28 durch die Vorspannkraft der Druckfedern 29 nach unten in die Verriegelungsstellung gedrückt, so dass der Werkstückträger 2 an dem Spannunterteil 1 festgespannt und verriegelt ist, da die Spannkugeln 53 den jeweiligen Spannzapfen 43 festhalten. Dieser festgespannte Zustand ist in der 5 dargestellt.
Um nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 den genannten Spalt in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,01 mm zwischen den Z-Auflageflächen 11 des Spannunterteils 1 und den Z-Auflageflächen 47 des Werkstückträgers 2 sicherzustellen, müssen einerseits die genannten Z-Auflagen, namentlich die erhöhten Flächenabschnitte 11 auf der Oberseite der jeweiligen Spannhülse 6 und die Unterseite der eine ringförmige Auflagefläche 47 bildenden Ringkörper 46, hochpräzise bearbeitet und plan geschliffen werden. Andererseits müssen auch die Nutelemente 38, namentlich die Seitenwände 40 der Nutelemente 38 und die Seitenflächen 49 der Zentierelemente hochpräzise bearbeitet und aufeinander abgestimmt sein, so dass die Lage und die Masse der Nuten 39 einem vorbestimmten Wert entspricht und genau auf die am Spannunterteil 1 angeordneten Zentrierleisten 4 abgestimmt ist.
Durch den geringen Spalt zwischen den Z-Auflagen nach dem losen Aufsetzen des Werkstückträgers 2 auf das Spannunterteil 1 wird erreicht, dass der Werkstückträger 2 während des Spannvorgangs nur noch einen sehr kleinen Weg in Z-Richtung zurücklegen muss, bis er auf den Z-Auflagen 11 des Spannunterteils 1 zur Anlage kommt. Dies wiederum hat den Vorteil, dass auch die Nutelemente 38 nur sehr gering in Z-Richtung, namentlich um den Betrag des Spalts zwischen den Z-Auflagen, federelastisch ausgelenkt werden müssen. Dadurch wird eine hochpräzise Ausrichtung des Werkstückträgers 2 gegenüber dem Spannunterteil 1 begünstigt, da durch die sehr geringe Z-Verschiebung des Werkstückträgers 2 nach dem Ausrichten in X- und Y-Richtung, eine mögliche Fehlerquelle praktisch ausgeschaltet wird.
Das Vorsehen von separaten Zentrierelementen in der Form der dargestellten Zentrierleisten 4 und Nutelemente 38 hat den Vorteil, dass diese aus einem Werkstoff gefertigt werden können, der an die gewünschten/geforderten Anforderungen spezifisch angepasst ist. Dies hat den weiteren Vorteil, dass zudem auch der jeweilige Grundköper 22 des Spannunterteils 1 bzw. Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 aus einem Werkstoff mit den gewünschten Eigenschaften, vorzugsweise kostengünstig und ggf. leicht, gefertigt werden kann. Während die Zentrierelemente vorzugsweise aus einem harten und strapazierfähigen Material wie gehärtetem Stahl gefertigt werden, kommt als Grundmaterial für den Grundköper 22 des Spannunterteils 1 vorzugsweise ungehärteter Stahl zum Einsatz, während der Hauptkörper 36 des Werkstückträgers 2 vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Somit lässt sich zusammenfassend festhalten, dass mit der erfindungsgemäss ausgebildeten Spanneinrichtung eine absolute und insbesondere auch wiederholbar hochpräzise Positionierung des Werkstückträgers 2 am Spannunterteil 1 sichergestellt wird. Dies wird zum einen dadurch erreicht, dass die Z-Auflagen während des Spannvorgangs gereinigt werden. Andererseits werden die Zentrierelemente nach deren Befestigung hochpräzise bearbeitet bzw. derart aufeinander abgestimmt, dass der Werkstückträger nach dem losen Aufsetzen auf das Spannunterteil in X- und Y-Richtung wie auch bezüglich der Winkellage um die Z-Achse positioniert ist, wobei zwischen den Z-Auflagen, namentlich zwischen den erhöhten Flächenabschnitten 11 des Spannunterteils 1 und den ringförmigen Auflageflächen 47 des Werkstückträgers 2 ein Spalt von 0,1 bis 0,01 mm, vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,04 mm, besteht. Bei dem nachfolgenden Spannvorgang, der nur noch dazu dient, den Werkstückträger in Z-Richtung zu positionieren und unverrückbar am Spannunterteil festzulegen, muss der Werkstückträger nur noch einen Weg in der Grössenordnung des genannten Spalts zurücklegen. Durch die nur noch minimale Verschiebung des Werkstückträgers in Z-Richtung nach dem Positioniervorgang in X- und oder Y-Richtung wird eine mögliche Fehlerquelle praktisch ausgeschaltet. Durch die geringe Verschiebung müssen auch die elastisch nachgiebigen Nutelemente am Werkstückträger nur geringfügig ausgelenkt werden, was sich beim Festspannen in einem vergleichsweise geringen Widerstand in Z-Richtung, verbunden mit einer hohen Präzision und einer langen Lebensdauer bemerkbar macht.
Wenn vorgängig von hochpräziser Positionierung des Werkstückträgers am Spannunterteil die Rede ist, so wird mit der erfindungsgemäss ausgebildeten Spanneinrichtung eine Repetiergenauigkeit im Bereich von weniger als 2 Mikrometern angestrebt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0614725 A1 [0003, 0020]

Claims

Spanneinrichtung mit einem Spannunterteil (1) zum Festspannen eines Werkstückträgers (2), wobei das Spannunterteil (1) mehrere Spannvorrichtungen (5) aufweist und der Werkstückträger (2) mit einer zu der Anzahl der Spannvorrichtungen (5) korrespondierenden Anzahl Spannzapfen (43) zum Festspannen in der jeweiligen Spannvorrichtung (5) versehen ist, und wobei am Spannunterteil (1) erste Zentrierelemente (4) angeordnet sind, welche mit am Werkstückträger (2) angeordneten weiteren Zentrierelementen (38) derart zusammenarbeiten, dass der Werkstückträger (2) beim Festspannen am Spannunterteil (1) in X- und Y-Richtung ausgerichtet wird, und wobei die jeweilige Spannvorrichtung (5) eine Spannhülse (6) aufweist, deren Oberseite die Z-Auflage für den Werkstückträger (2) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Z-Auflage des Spannunterteils (1) durch mehrere, auf der Oberseite der jeweiligen Spannhülse (6) angeordnete Flächenabschnitte (11) gebildet wird, wobei jeder Flächenabschnitt (11) mit zumindest einer Austrittsöffnung (12) für ein Reinigungsmedium versehen ist, und wobei die jeweilige Spannhülse (6) mit einem hohlen Fortsatz (10) versehen ist, der sich bis auf die Unterseite des Spannunterteils (1) erstreckt.
Spanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannunterteil (1) mit einem Grundkörper (22) und der Werkstückträger (2) mit einem Hauptkörper (36) versehen ist, wobei in den Grundkörper (22) des Spannunterteils (1) die zur Bildung der Z-Auflagen des Spannunterteils (1) dienenden Spannhülsen (6) eingesetzt sind und wobei in den Hauptkörper (36) des Werkstückträgers (2) Ringkörper (46) zur Bildung der Z-Auflagen des Werkstückträgers (2) eingesetzt sind.
Spanneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülsen (6) aus einem härteren Material gefertigt sind als der Grundkörper (22) des Spannunterteils (1) und dass die Ringkörper (46) des Werkstückträgers (2) aus einem härteren Material gefertigt sind als der Hauptkörper (36) des Werkstückträgers (2).
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Spannhülse (6) einstückig ausgebildet ist und eine ringförmig umlaufende Schulter (9) besitzt, in welche auf der Unterseite ein Ringkanal (19) eingelassen ist, der mittels Bohrungen (20) mit den Austrittsöffnungen (12) verbunden ist.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannunterteil (1) vier Spannvorrichtungen (5) und der Werkstückträger (2) vier Spannzapfen (43) aufweist.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (22) des Spannunterteils (1) mit zumindest einem nach aussen mündenden Anschlusskanal (35a) versehen ist, welcher mit den Ringkanälen (19) sämtlicher Spannhülsen (6) verbunden ist.
Spanneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskanal (35a) seitlich und/oder auf der Unterseite des Grundkörpers (22) nach aussen mündet.
Spanneinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (22) des Spannunterteils (1) mit Ausnehmungen (23) zur Aufnahme der Spannhülsen (6) versehen ist, wobei die jeweilige Ausnehmung (23) eine erste Stufe (24) besitzt, welche eine Abstützfläche für die Schulter (9) der jeweiligen Spannhülse (6) bildet.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am Spannunterteil (1) angeordneten ersten Zentrierelemente in der Form von Zentrierleisten (4) und die am Werkstückträger (2) angeordneten weiteren Zentrierelemente in der Form von Nutelementen (38) ausgebildet sind, welche in Z-Richtung federelastisch nachgiebig gestaltet sind.
Spanneinrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass beim losen Auflegen des Werkstückträgers (2) auf das Spannunterteil (1) die am Werkstückträger angeordneten Nutelemente (38) an den am Spannunterteil (1) angeordneten Zentrierleisten (4) zur Anlage kommen.
Spanneinrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Nutelemente (38) schräge, als Zentrierflächen dienende Seitenwände (40) und die Zentrierleisten (4) korrespondierend zu den Seitenwänden (40) ausgebildete, als Zentrierflächen dienende Seitenflächen (49) aufweisen.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (2) derart auf das Spannunterteil (1) abgestimmt ist, dass nach dem losen Auflegen des Werkstückträgers (2) auf das Spannunterteil (1) zwischen den als Z-Auflagen dienenden Flächenabschnitten (11) des Spannunterteils (1) und den Z-Auflagen (47) des Werkstückträgers (2) ein Spalt in der Grössenordnung von 0,1 bis 0,01 mm besteht.
Spanneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Spannvorrichtung (5) des Spannunterteils (1) einen Verriegelungskolben (28) zum Betätigen von Spannkugeln (53) zum Festspannen eines Spannzapfens (43) umfasst, wobei der jeweilige Verriegelungskolben (28) als Ringkolben ausgebildet ist, welcher den jeweiligen Fortsatz (10) einer Spannhülse (6) umfasst und mittels am Grundkörper (22) abgestützten Druckfedern (29) in Richtung der Unterseite des Spannunterteils (1) vorgespannt ist.