Was ist ein modulares Werkstück-Spannsystem ?

Ein modulares Spannsystem – auch Baukastenspannsystem genannt – besteht aus standardisierten Spannelementen oder Spannkomponenten, die über systeminterne eindeutige Fügenormen (Gewinde, T-Nuten, …) miteinander verbunden werden können.
Zu den Standardkomponenten gehören:

            -  Grundelemente,
            -  Aufbauelemente,
            -  Auflageelemente,
            -  Anschläge und Positionierelemente,
            -  Spannelemente,
            -  Anpassungselemente. 

Ein Werkstück wird dann auf einer auf dem TopFix-Maschinentisch/Montagebank aufliegenden Grundplatte mit in einer Baumstruktur darauf angebauten Spannelementen – Auflagen, Anschlägen und Spannelementen – eingespannt.

Die Fügenormen zwischen dabei aufeinandergesetzten Spannelementen entsprechen den genormten Standards – soweit vorhanden, z. B. Schraubverbindungen und T-Nuten einer bestimmten Größe – oder sind in vielen Fällen spannsystemherstellerspezifisch.

TopFix als Erweiterung von TopMill

Bei der Anwendung von TopFix als Erweiterung der Programmier- und Simulationssoftware TopMill erfolgt der Einstieg in TopFix im Einrichtdialog der Werkstückspannung mit der Auswahl des Modularen Spannsystems als Werkstück-Spannmittel.

Die mit TopFix erzeugte modulare Werkstück-Einspannung wird in das TopMill-Einrichtblatt als Spannelementliste eingetragen. Im TopMill-Automatikbetrieb wird beim Programmstart die Werkstück-Einspannung dann auf dem Maschinentisch der aktiven TopMill-Maschine aufgebaut. Die Spannelemente von TopFix werden bei den TopMill-Kollisionstests mit ein-bezogen.

Der Maschinentisch der aktiven TopMill-Maschine wird in dieser TopFix-Anwendung als TopFix-Maschinentisch verwendet.

Vorüberlegungen für das Produkt TopFix

Es ist allgemein bekannt, dass der Anteil des Erfahrungswissens bei der Einspannung von vorgefertigten Fräswerkstücken (z.B. Gussteilen) um ein Vielfaches höher ist als der der eigentlichen Fräsbearbeitung. 

Aber in den CAM-Systemen und in den CNC-Werkstattprogrammierverfahren wird diesem Sachverhalt kaum Rechnung getragen und in den CNC-Simulationssystemen wird die Werkstückeinspannung meist vernachlässigt oder es gibt sie gar nicht.

Wegen vieler Nachfragen unserer Kunden in den letzten Jahren nach der Einbeziehung komplexerer Werkstückeinspannungen haben wir uns zunächst durch Internetrecherchen und Nachfragen bei den Herstellern modularer Spannsysteme nach graphisch interaktiven Systemen zur Festlegung einer Werkstückeinspannung informiert:

Zwar bieten alle Spannsystemhersteller inzwischen die 3D-CAD-Daten ihrer Spannmittel zum Download oder auf einer CD kostenfrei an, um diese Komponenten mit einem 3D-CAD-System zu einer Werkstückeinspannung eines ebenfalls CAD-mäßig vorliegenden Werkstückes zusammenzusetzen. Aber dies setzt die Verfügbarkeit eines 3D-CAD-Systems und dessen Handhabung durch den Benutzer voraus. Ein speziell auf die Erstellung einer Einspannung abgestelltes und einfach zu bedienendes Softwaresystem haben wir nicht finden können.

Genau in diese Lücke zielte die Entwicklung des modularen Spannsystems TopFix, mit der wir vor zwei Jahren begonnen haben und das sich an industriellen modularen Spannsystemen orientiert.

Ausgehend von unseren Erfahrungen mit den Einspannalgorithmen unserer Standardsoftwaremodule TopMill und TopTurn und speziell mit unseren Entwicklungen der modularen Werkzeugverwaltung TopCAT, haben wir die Konzeption eines virtuellen interaktiven modularen 3D-Werkstückspannsystems mit dem Produktnamen TopFix aufgestellt und 2008 mit der Entwicklung dieses Produktes begonnen.

Für die Spannkomponenten unseres modularen Spannsystems haben wir uns an Originalspannelementen einiger führender Hersteller orientiert, diese aber nicht als CAD-Daten übernommen, sondern mit eigenen Softwaretools als entsprechende Templates nachgebildet, die über die Änderung von Parametern in ihrem Abmessungen durch den Benutzer leicht variiert werden und so auch an die konkreten Spannelemente von anderen Spannmittelherstellern angepasst werden können.

 Dem Anwender bietet dies die Möglichkeit, eine individuelle Spannmittelverwaltung zu erstellen, die nur die zur Verfügung stehenden Spannmittel enthält. 

Ziel von TopFix

TopFix ermöglicht es, zu einem vorgegebenen vorgefertigten Ausgangswerk­stück/Formrohteil in graphisch-interaktiver Vorgehensweise einfach und schnell eine Werkstückeinspannung aufzubauen, die keine Montagefehler und keine Montagekollision der Spannkomponenten aufweist. Selbst komplexe Spannsituationen lassen sich so leicht planen und realisieren.

Mit der weiteren graphischen Vorgabe der Einspannpositionen am Werkstück kann durch den interaktiven Aufbau leicht die Machbarkeit einer zugehörigen Werkstückeinspannung überprüft werden. Gleichzeitig vermittelt diese Vorgehensweise die Fähigkeit, komplexe Spannsituationen mit Standardspannelementen zu planen und zu realisieren.

Nicht zu vergessen ist der Test auf eine einfache Entnahme des Werkstücks aus dem Spannsystem nach dem Lösen der Spannpratzen und Spanner, ohne die Einspannung zu demontieren. 

Damit lernt der Auszubildende die Möglichkeiten und den Umgang mit modularen Spannsystemen handlungsorientiert kennen.

Worin liegt die Komplexität einer Werkstückeinspannung?

Ausgehend von den 3D-Datenmodellen des vorgefertigten Werkstücks bzw. des Werkstückes einer vorhergehenden Bearbeitung und des optionalen Fertigteils legt der Benutzer zunächst fest, welche Bearbeitungen in der zu erstellenden Aufspannung und welche gegebenenfalls erst in einer weiteren Aufspannung durchgeführt werden sollen.

 Ist eine Mehrseitenbearbeitung bei der Einspannung mit zu berücksichtigen, so muss das Werkstück in einem Mindestabstand von dem Maschinentisch eingespannt werden, um ein kollisionsfreies Heranfahren der Werkzeugspindel bei der Seitenbearbeitung überhaupt erst zu ermöglichen. 

Bild: CNC-Simulation in TopMill mit einer in TopFix erstellten Werkstückeinspannung

Nach diesen Vorüberlegungen werden die Auflage-, Anlage- und Spannpunkte oder -flächen durch graphische Begutachtung am Werkstück festgelegt oder diese sind bereits durch eine Vorbearbeitung vorgegeben. Dabei kann die Fertigteilgeometrie mit berücksichtigt werden, sofern deren 3D-Datei als Referenzwerkstück bei der Werkstückauswahl eingetragen wurde, Damit kann man leicht überprüfen, dass die Spannpositionen nicht mit Bearbeitungsflächen zusammenfallen. Werkstück und Fertigteil können unabhängig voneinander ein- und ausgeblendet werden und insbesondere auch beide übereinander gelegt werden. Ist das Werkstück entsprechend vorbearbeitet, können auch Anschlagkanten oder Auflageflächen ausgesucht werden.

 Die üblichen Einspannkriterien

-  drei Auflagepunkte,
            -  drei Anschlagpunkte,
            -  Spannpunkte (idealerweise aber nicht notwendigerweise über den Auflagepunkten), 

sind keine Garantie für eine bearbeitungsgerechte Werkstückeinspannung.

Eine Vielzahl weiterer Gesichtspunkte ist mit einzubeziehen, für die es keine bestimmte oder gar eindeutige Lösung gibt, sondern die maßgeblich auf dem Erfahrungswissen des Einrichters und/oder Programmierers beruhen:

            -  Formstabilität des Werkstückes
            -  Schwingungsverhalten des gespannten Werkstücks (Eigenfrequenzen)
            -  Haltekräfte der Einspannung
            -  Verspannungen des Werkstücks bis hin zum Verformen des Werkstücks
            -  Auswirkungen der Bearbeitungskräfte an unterschiedlichen Werkstückstellen

Auf diese allgemeinen und sehr schwierigen Fragestellungen gibt es bis heute noch keine befriedigenden universellen Antworten und auch TopFix kann diese Antworten nicht geben. TopFix gestattet aber, in einfacher Weise zu geforderten Einspannpunkten die Machbarkeit einer Einspannung zu überprüfen und diese ohne Montagefehler durch Überprüfung der Fügenormen und Feststellung von Montagekollisionen (Überlappungen) aufzubauen.