Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, eine Vorrichtung zur Halterung eines Werkstücks bei dessen Bearbeitung, eine Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks sowie ein Konstruktionsverfahren zur Konstruktion einer

Vorrichtung, die der Halterung eines Werkstücks bei dessen Bearbeitung dient.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken werden die Werkstücke in der Regel mittels einer Vorrichtung gehaltert, die einem Werkzeug eine Bearbeitung an den erforderlichen Positionen ermöglicht. Die entsprechenden Vorrichtungen sind dabei basierend auf Erfahrungen und insbesondere im Hinblick auf die geometrische Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Bereiche konstruiert.

Derartige Vorrichtungen sind häufig nicht optimal ausgelegt, was unter anderem zu

Qualitätsmängeln oder sogar Fehlproduktionen fuhren kann. Die Dissertation„Methodik zur Strukturierung von Vorrichtungssystemen in der Lohnfertigung“ von Michael Franzkowiak (TU München, 2014) betrifft insbesondere ein Rationalisierungspotential im Vorrichtungswesen, durch das Fertigungskosten gesenkt werden sollen.

Aus der Druckschrift EP 2 093 016 Al ist eine Mehrteile-Spannvorrichtung bekannt, die insbesondere ein oder zwei Werkstückauflage-Sensoren umfasst und ein sensorisch

kontrolliertes, selbsttätiges Einlegen und Spannen mehrerer gleicher Werkstücke ermöglichen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik bereitzustellen, die eine Verbesserung der Bearbeitung von gehalterten Werkstücken ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zur Halterung eines Werkstücks bei dessen

Bearbeitung gemäß Anspruch 6, durch eine Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 8 und durch ein Konstruktionsverfahren gemäß Anspruch 9 zur Konstruktion einer

Bestätigungskopie Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken bei deren Bearbeitung. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur offenbart.

Ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren dient der Bearbeitung eines Werkstücks, beispielsweise der Herstellung oder Modifikation eines Bauteils. Das Bearbeitungsverfahren umfasst ein Simulieren eines Bearbeitungsprozesses für das Werkstück, auf Grundlage der Simulation ein Bestimmen wenigstens einer Belastung, die beim (simulierten)

Bearbeitungsprozess am Werkstück und/oder an mindestens einem Halterungsmittel für das Werkstück auftritt (bzw. auftreten wird), ein Haltern des Werkstücks in dem mindestens einen Halterungsmittel, ein Bearbeiten des gehalterten Werkstücks sowie - während des Bearbeitens - ein Erfassen der wenigstens einen (auf Grundlage der Simulation bestimmten) Belastung (bzw. wenigstens eines die Belastung charakterisierenden zugehörigen Messwertes) mittels mindestens eines Sensors.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Halterung eines Werkstücks bei dessen

Bearbeitung, beispielsweise zur Herstellung oder Modifikation eines Bauteils. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Halterungsmittel für das Werkstück (beispielsweise eine

Einspannvorrichtung) sowie eine Rechnereinheit. Diese ist dazu eingerichtet, einen

Bearbeitungsprozess zu simulieren und damit wenigstens eine beim Bearbeitungsprozess auftretende Belastung am Werkstück und/oder an dem mindestens einen Halterungsmittel zu bestimmen. Die Rechnereinheit umfasst vorzugsweise einen Speicher. Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, während der Bearbeitung eines durch die Vorrichtung gehalterten Werkstücks die bestimmte wenigstens eine Belastung zu erfassen; insbesondere weist der Sensor also einen zum Erfassen der bestimmten Belastung geeigneten Typ auf und ist so positioniert sein, dass er die Belastung erfasst.

Eine erfindungsgemäße Anlage dient der Bearbeitung eines Werkstücks und umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen sowie ein Werkzeug zur Bearbeitung eines in der Vorrichtung gehalterten Werkstücks. Das Werkzeug kann beispielsweise ein (insbesondere rotierendes) Schneidwerkzeug, einen Bohrer, ein Schweißgerät oder eine Presse umfassen.

Ein erfindungsgemäßes Konstruktionsverfahren dient der Konstruktion einer Vorrichtung, die zur Halterung von Werkstücken bei deren Bearbeitung vorgesehen ist; eine derartige Bearbeitung kann insbesondere der Herstellung oder Modifikation eines Bauteils dienen. Das Konstruktionsverfahren umfasst ein Simulieren eines Bearbeitungsprozesses für das Werkstück, beispielsweise mittels mindestens einer Rechnereinheit (die vorzugsweise einen Speicher umfasst). Auf Grundlage der Simulation (also des simulierten Bearbeitungsprozesses) wird wenigstens eine beim Bearbeitungsprozess auftretende Belastung am Werkstück und/oder an wenigstens einem Halterungsmittel (wie beispielsweise einer Einspannvorrichtung) für das Werkstück bestimmt. Die Vorrichtung wird dann mit dem wenigstens einen Halterungsmittel und mindestens einem Sensor konstruiert, wobei der Sensor dazu eingerichtet ist (wird), während einer Bearbeitung des Werkstücks die bestimmte wenigstens eine Belastung (in Form mindestens eines zugehörigen Messwertes) zu erfassen. Insbesondere weist der Sensor also einen zum Erfassen der bestimmten Belastung geeigneten Typ auf und ist so positioniert, dass er die Belastung erfasst.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit vorteilhaft eine sensorische Überwachung der Bearbeitung auf Grundlage der Simulation und damit der Kenntnis eines bei der Bearbeitung auftretenden Kraftflusses. Insbesondere kann die Überwachung spezifisch geeignet für das jeweilige Werkstück und dessen Bearbeitung eingerichtet werden. Die Messwerte für die mittels der Simulation bestimmte Belastung sind besonders aussagekräftig, unmittelbar bei der

Bearbeitung gewonnen und weisen ein sehr hohes Maß an Genauigkeit auf. Sie bilden daher eine zuverlässige Grundlage für Prozessdatenmanagement und Prozess- bzw. Qualitätsüberwachung und können insbesondere (in entsprechenden Ausführungsformen, siehe unten) vorteilhaft für eine online Prozessregelung verwendet werden.

Der simulierte Bearbeitungsprozess kann eine Simulation eines Befestigungs- und/oder

Ablösevorgangs des Werkstücks in dem bzw. aus dem wenigstens einen Halterungsmittel einschließen.

Die wenigstens eine Belastung kann insbesondere aus der Bearbeitung in Kombination mit einer Haltekraft resultieren, mit der das Werkstück in dem mindestens einen Halterungsmittel gehalten wird. Sie kann eine Spannung, eine Verformung, insbesondere eine Dehnung oder Stauchung, ein lokales Schmelzen von Material, eine Beschleunigung, ein Drehmoment oder eine

Krafteinwirkung auf das Werkstück und/oder das mindestens eine Halterungsmittel umfassen.

Der mindestens eine Sensor kann beispielsweise einen Dehnungssensor, einen Kraftaufnehmer einen Beschleunigungsaufhehmer und/oder einen Körperschallsensor umfassen.

Gemäß speziellen Ausfuhrungsbeispielen ist das Werkstück ein Turbinenbauteil, z.B. ein Element eines Triebwerksgehäuses, ein Rotorelement oder ein Statorelement.

Gemäß einer vorteilhaften Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bestimmen der wenigstens einen Belastung insbesondere ein Ermitteln einer Position bzw. eines Bereichs, in dem die Belastung bei der Bearbeitung (also während des Bearbeitungsprozesses) auftritt bzw. einen vorgegebenen Toleranzwert überschreitet. Vorzugsweise erfasst der mindestens eine Sensor die Belastung an dieser Position bzw. in diesem Bereich. So kann der Sensor besonders vorteilhaft eingesetzt werden.

Das Erfassen der Belastung kann einmal oder mehrmals oder sogar kontinuierlich erfolgen. Gemäß einer vorteilhaften Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bestimmen der Belastung ein Ermitteln wenigstens eines Zeitpunkts und/oder Zeitraums (während der Bearbeitung), zu bzw. in dem die Belastung auftritt und/oder einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der Zeitpunkt bzw. Zeitraum kann beispielsweise relativ zu einem

Bearbeitungsbeginn bestimmt werden. Der mindestens eine Sensor einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der mindestens eine Sensor, mit dem die Vorrichtung gemäß einem

erfmdungsgemäßen Konstruktionsverfahren konstruiert wird, ist dann vorzugsweise dazu eingerichtet, die wenigstens eine Belastung zu dem wenigstens einen ermittelten Zeitpunkt bzw. in dem ermittelten Zeitraum zu erfassen; analog kann das Erfassen der Belastung gemäß einem erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahren zu dem wenigstens einen ermittelten Zeitpunkt bzw. in dem ermittelten Zeitraum erfolgen. Auf diese Weise kann der Sensor optimiert bzw. der Messaufwand reduziert werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausfiihrungsform umfasst ein erfindungsgemäßes

Bearbeitungsverfahren ein Vergleichen der erfassten mindestens einen Belastung (also mindestens eines zugehörigen Messwerts) mit wenigstens einem (zugehörigen) Sollwert und/oder Sollbereich. Analog ist die Rechnereinheit einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, die mindestens eine erfasste Belastung (bzw. mindestens einen zugehörigen Messwert) mit wenigstens einem (zugehörigen) Sollwert und/oder Sollbereich zu vergleichen; die in einem erfindungsgemäßen Konstruktionsverfahren konstruierte Vorrichtung kann entsprechend mit einer Rechnereinheit konstruiert werden, die dazu eingerichtet ist, eine vom mindestens einen Sensor erfasste Belastung mit mindestens einem Sollwert und/oder Sollbereich zu vergleichen.

Auf diese Weise kann zur Laufzeit der Bearbeitung eine Diagnose und Evaluation des

Bearbeitungsprozesses erfolgen. Insbesondere kann ein bearbeitetes Werkstück automatisch hinsichtlich seiner Qualität klassifiziert werden. Eine Klassifikation (die z.B. einen

untolerierbaren Qualitätsmangel am bearbeiteten Werkstück kennzeichnen kann) kann dann beispielsweise ausgegeben bzw. kenntlich gemacht werden, z.B. visuell oder akustisch oder durch maschinelles Sortieren des Werkstücks.

Der wenigstens eine Sollwert bzw. Sollbereich kann in Form einer Eingabe vom Anwender oder in Form eines Speicherwerts (z.B. in die Rechnereinheit) eingelesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein erfmdungsgemäßes Bearbeitungsverfahren bzw. ein erfmdungsgemäßes Konstruktionsverfahren ein Bestimmen des Sollwerts bzw. Sollbereichs auf Grundlage der Simulation umfassen. Analog kann die Rechnereinheit (einer erfindungsgemäßen Vorrichtung) dazu eingerichtet sein, den wenigstens einen Sollwert bzw. Sollbereich auf Grundlage der Simulation zu bestimmen.

Gemäß vorteilhaften Ausfuhrungsformen umfasst ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren ein Übermitteln einer vom Sensor erfassten Belastung (also mindestens eines zugehörigen Messwertes) an eine Rechnereinheit, die insbesondere eine Werkzeugsteuerung des beim

Bearbeiten verwendeten Werkzeugs umfassen kann. Analog ist eine erfindungsgemäße

Vorrichtung (bzw. eine im Wege eines erfindungsgemäßen Konstruktionsverfahrens konstruierte Vorrichtung) vorzugsweise dazu eingerichtet, eine jeweils vom Sensor erfasste Belastung vom Sensor an eine Werkzeugsteuerung zu übermitteln. Die Werkzeugsteuerung kann dabei von der (zur Simulation eingerichteten) Rechnereinheit umfasst sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsvariante umfasst ein erfmdungsgemäßes

Bearbeitungsverfahren ein Steuern oder Regeln eines das Werkstück bearbeitenden Werkzeugs auf Grundlage der erfassten wenigstens einen Belastung, beispielsweise (ggf.) auf Grundlage des genannten Vergleichs der Belastung mit wenigstens einem Sollwert. Analog kann eine erfindungsgemäße (bzw. eine im Wege eines erfindungsgemäßen Konstruktionsverfahrens konstruierte) Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein das Werkstück bearbeitendes Werkzeug auf Grundlage der mindestens einen erfassten Belastung (ggf. des genannten Vergleichs) zu steuern bzw. zu regeln. Das Werkzeug einer erfindungsgemäßen Anlage kann entsprechend in dieser Weise von der umfassten Vorrichtung (insbesondere von deren Rechnereinheit) Steuer- bzw. regelbar sein.

So kann die Bearbeitung und damit die Belastung basierend auf einem oder mehreren Werten, die von dem mindestens einen Sensor erfasst wurden, in Echtzeit beeinflusst werden. Die Tatsache, dass der Erfassung die Simulation zugrunde liegt, bietet dabei die Möglichkeit einer rechtzeitigen Erkennung relevanter und möglicherweise kritischer Beanspruchungen.

Insbesondere kann so günstigenfalls die Belastung reduziert und ggf. eine Schädigung des Werkstücks vermieden werden, oder die Bearbeitung kann (z.B. bei einer Belastung jenseits eines vorgegebenen Sollwerts) abgebrochen werden, so dass ggf. ein nutzloser weiterer Bearbeitungsaufwand eingespart werden kann.

Das Steuern bzw. Regeln kann beispielsweise ein Einstellen bzw. Ändern eines oder mehrerer Werkzeugparameter/s umfassen.

Ein erfindungsgemäßes Bearbeitungsverfahren kann insbesondere mittels einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung (gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten

Ausführungsformen) durchgeführt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausfiihrungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens ist das gehalterte Werkstück ein erstes Werkstückexemplar und umfasst das

Bearbeitungsverfahren ein Haltern und Bearbeiten mindestens eines zweiten

Werkstückexemplars (das also vom selben Typ ist wie das erste). Das Bearbeitungsverfahren umfasst dann vorzugsweise ein Erfassen der wenigstens einen Belastung mittels des mindestens einen Sensors auch während der Bearbeitung des zweiten Werkstückexemplars (sowie ggf. weiterer Werkstückexemplare). Die Simulation kann somit für die Bearbeitung mehrerer Werkstückexemplare verwendet werden, bei denen die wenigstens eine Belastung dann jeweils erfasst wird.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Es zeigt schematisch:

Figur 1 : eine exemplarische Ausführungsform einer erfmdungsgemäßen Anlage.

In Figur 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Anlage 1 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 und einem Werkzeug 20 in einer Situation dargestellt, in der ein Werkstück 100 in einem Halterungsmittel 11 der Vorrichtung 10 gehaltert wird. Das

Halterungsmittel 11 kann beispielsweise eine Einspannvorrichtung sein.

Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Rechnereinheit 12, die dazu eingerichtet ist, mittels einer Simulation eines Bearbeitungsprozesses wenigstens eine beim Bearbeitungsprozess auftretende Belastung am Werkstück 100 und/oder an dem Halterungsmittel 11 zu bestimmen. Eine derartige Simulation kann insbesondere erfolgt sein, bevor das Werkstück 100 in das Halterungsmittel 11 eingelegt bzw. darin eingespannt wurde.

Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel zwei Sensoren 13, 14, die dazu eingerichtet sind, die wenigstens eine Belastung zu erfassen, also einen oder mehrere zugehörige Messwerte für die wenigstens eine Belastung zu liefern. Die Sensoren können dabei kontinuierlich aktiv sein oder zu einem oder mehreren Zeitpunkten; diese können auf Grundlage der Simulation von der Rechnereinheit bestimmt worden sein (beispielsweise mit Bezug zu einem Beginn einer Bearbeitung durch das Werkzeug 20). Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel sind die Sensoren 13, 14 an den Kontaktbereichen des Halterungsmittels 11 mit dem Werkstück angeordnet; insbesondere kann die Simulation diese Positionen als besonders relevant für die Belastung ergeben haben.

Die Sensoren 13, 14 sind vorzugsweise dazu eingerichtet, ihre jeweiligen Messwerte (direkt oder über mindestens eine weitere Einheit) an die Rechnereinheit 12 zu übermitteln (kabellos oder mittels einer Leitung; in der Figur nicht dargestellt). Die Rechnereinheit 12 kann dazu eingerichtet sein (in der Figur nicht sichtbar), auf Grundlage der von den Sensoren erfassten Belastung (bzw. der erhaltenen Messwerte) das Bearbeitungswerkzeug 20 zu steuern oder zu regeln, insbesondere Parameterwerte für das Werkzeug zu ändern (beispielsweise um eine erfasste Belastung zu mindern) oder die Bearbeitung abzubrechen (beispielsweise um das Werkstück 100 als Ausschuss zu klassifizieren). Alternativ oder zusätzlich kann eine

erfindungsgemäße Vorrichtung eine (in der Figur nicht dargestellte) Werkzeugsteuerung zur Steuerung bzw. Regelung des Werkzeugs 20 als weitere Einheit (zusätzlich zur Rechnereinheit 12) umfassen, wobei einer oder beide Sensoren dazu eingerichtet sein können, ihre jeweils erfassten Messwerte der Werkzeugsteuerung direkt oder über mindestens eine weitere Einheit zu übermitteln.

Die Rechnereinheit bzw. die Werkzeugsteuerung kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein (in der Figur ebenfalls nicht sichtbar), die erhaltenen Messwerte mit mindestens einem Sollwert zu vergleichen. Auf diese Weise kann ein geschlossener Regelungskreis gewährleistet werden, bei dem die Rechnereinheit bzw. die Werkzeugsteuerung die erhaltenen Messwerte als Ist-Werte mit dem Sollwert vergleicht und in Echtzeit auf Prozessabweichungen reagieren kann. Alternativ oder zusätzlich zu einer Steuerung bzw. Regelung des Werkzeugs kann auf Grundlage des Vergleichs beispielsweise während der Bearbeitung eine Klassifikation bzw. Kategorisierung des Werkstücks erfolgen und kenntlich gemacht werden, z.B. durch eine entsprechende Anzeige oder einen akustischen Alarm, oder das Werkzeug kann automatisch abmontiert werden.

Der mindestens eine Sollwert kann in einem Speicher der Vorrichtung (beispielsweise der Rechnereinheit 12 oder - in entsprechenden Ausführungsformen - der Werkzeugsteuerung) gespeichert, mit Hilfe eines Eingabemittels der Rechnereinheit von einem Anwender einzugeben oder im Rahmen der Simulation von der Rechnereinheit bestimmt worden sein.

Durch die erfmdungsgemäß auf der Simulation beruhende und damit eine Kenntnis des

Kraftflusses während der Bearbeitung einbeziehende Integration der Sensoren 13, 14 in die Vorrichtung 10 gelingt es, die Vorrichtung zu einem aktiven System zu machen. Mit Hilfe der zur Laufzeit (während der Bearbeitung) gewonnenen Messwerte der Sensoren kann bereits während der Bearbeitung bzw. unmittelbar danach eine Aussage über den Zustand des

Werkstücks bzw. seine Qualität getroffen werden.

Offenbart ist ein Bearbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks. Das

Bearbeitungsverfahren umfasst ein Simulieren eines Bearbeitungsprozesses für das Werkstück, ein Bestimmen wenigstens einer beim Bearbeitungsprozess am Werkstück und/oder an der Vorrichtung auftretenden Belastung auf Grundlage der Simulation, ein Haltern des Werkstücks 100 in mindestens einem Halterungsmittel 11, ein Bearbeiten des gehalterten Werkstücks sowie - während des Bearbeitens - ein Erfassen der wenigstens einen Belastung mittels mindestens eines Sensors 13, 14. Offenbart sind ferner eine Vorrichtung 10 zur Halterung eines Werkstücks bei dessen

Bearbeitung, eine Anlage 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks sowie ein Konstruktionsverfahren zur Konstruktion einer Vorrichtung zur Halterung von Werkstücken bei deren Bearbeitung.

Bezugszeichen

I Anlage zur Bearbeitung eines Werkstücks 10 Vorrichtung zur Halterung eines Werkstücks bei dessen Bearbeitung

I I Halterungsmittel

12 Rechnereinheit

13 Sensor

14 Sensor

20 Werkzeug

100 Werkstück