Lagebestimmung von Werkstücken in Positioniervorrichtungen

Die Automatisierung vieler Prozesse in der Industrie, Fertigung und Montage setzt genaue Kenntnis der Rahmenbedingungen und erforderlichen Bewegungsabläufe voraus. Dafür kommen häufig Positioniervorrichtungen zum Einsatz. Die Lagebestimmung eines Bauteils muss in der Vorrichtung eindeutig bestimmt sein. Die Werkstückaufnahme definiert die Position, um eine wiederholbare Prüfung durchzuführen oder Materialien so aufzunehmen, dass diese relativ zu einem Ausgangspunkt gefertigt werden können. Zum Einsatz kommen dazu verschiedene Positioniervorrichtungen aus dem Vorrichtungsbau, wie z.B. Prüfvorrichtungen oder Montagevorrichtungen.

Warum ist die Lagebestimmung von Werkstücken wichtig?

Während der Montage müssen die zu montierenden Bauelemente und Baugruppen in Teilespeichern aufbewahrt, bewegt und lagerichtig positioniert werden. Die Lage der Bauteile, Halbzeuge oder Werkstücke muss in den Positioniervorrichtungen eindeutig bestimmt und reproduzierbar sein, um in der Serienproduktion qualitätsgerecht zu fertigen und Prüfungen durchzuführen.

Zum Einsatz kommen beim Fügen und Separieren verschiedene Prüf- und Montagevorrichtungen, die möglichst viele Freiheitsgrade durch mechanische Feststellelemente oder durch Führungen einschränken.

Zur Lagebestimmung, Prüfung und Freigabe der korrekten Positionierung können zusätzlich Sensoren verwendet werden, z.B. Kameras, Lichtschranken, Endschalter oder pneumatische Stellelemente. Auch eine Bauteilkontrolle ist damit möglich.

Die Lagebestimmung ist z.B. in folgenden Prozessen der Präzisionsfertigung und Montage von entscheidender Bedeutung:

• Schweißen: Zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Schweißnähte werden Positionierstifte und Positioniervorrichtungen zur präzisen Positionierung der Werkstücke verwendet.
• CNC-Bearbeitung: Werkstücke werden präzise positioniert, um Fräs-, Bohr- und Dreharbeiten durchzuführen. Lagebestimmungssysteme, wie Werkstück-Spannsysteme und Nullpunkt-Spannsysteme, werden verwendet, um die Werkstücke in der richtigen Position zu halten.
• Prototypenbau: Beim Bau von Prototypen und bei Forschungs- und Entwicklungsaufgaben ist die Lagebestimmung von Werkzeugen wichtig, um neue Designs zu testen und zu überprüfen.
• Robotik: In der Robotik müssen Werkzeuge und Greifvorrichtungen präzise positioniert werden, um Aufgaben wie das Abholen und Platzieren von Werkstücken oder das Ausführen von Schweiß- und Montagevorgängen zu erledigen.

Prinzipien der Lagebestimmung

Die Lagebestimmung basiert auf der Ausrichtung an festen Geometrien und hat das Ziel, hinsichtlich der Koordinatenachsen reproduzierbar zu sein. Eine Lagebestimmung erfordert deshalb immer ein Bezugssystem oder einen Bezugspunkt. Mit Hilfe dieser Referenz kann dann zuverlässig die Position und Ausrichtung eines Objekts gemessen werden. Referenz kann ein Koordinatensystem, ein Referenzpunkt oder ein anderes festgelegtes Bezugssystem sein.

Ansätze für Lagepositionierung

Die Lagepositionierung erfolgt durch Positioniervorrichtungen, die in Bezug auf das Werkzeugkoordinatensystem in der Regel fest definierte Bezugsflächen und zusätzlich geeignete Einführhilfen besitzen. Dies erleichtert sowohl das automatische Montieren bzw. Separieren als auch die Handmontage.

Einsatz von Positioniervorrichtungen

Positioniervorrichtungen zählen zu den Fertigungsmitteln. Es gibt zum Beispiel:

• Montagevorrichtungen: Sie halten Werkstücke während des Montageprozesses in der richtigen Position, häufig mit Hilfe von Planscheiben. Sie gewährleisten die korrekte Zusammenstellung von Baugruppen aus Einzelteilen.
• Prüfvorrichtungen: Sie prüfen die Qualität, Toleranzen oder Leistung eines Werkstücks, z.B. Mess- und Prüfgeräte.
• Spannvorrichtungen / Klemmvorrichtungen: Sie fixieren Werkstücke während des Bearbeitungsprozesses, z.B. beim Fräsen oder Fügen. Beispiele für Spannvorrichtungen sind z.B. Magnetspannvorrichtungen bei Werkzeugmaschinen oder Spannfutter bzw. Drehfutter bei Fräsmaschinen.
• Bohrvorrichtungen: Sie werden beim Bohren, Gewindeschneiden oder der Montage eingesetzt. Beispiele für Spannvorrichtungen sind z.B. Spannfutter bei Bohrmaschinen.

Bei der Lagebestimmung sind vor allem mechanische Positioniervorrichtungen von Bedeutung. Sie dienen der Positionierung oder Befestigung von Werkstücken zum Zweck der Bearbeitung und sind vor allem bei wiederkehrenden industriellen Prozessen sinnvoll. Ziel ist es, eine Bewegung des Werkstücks in allen Freiheitsgraden zu verhindern oder definiert einstellbar (Justierfreiheitsgrade) zu machen:

• Translatorische Freiheitsgrade (Achsen: X, Y, Z)
• Rotatorische Freiheitsgrade (Drehung um Achsen: X, Y, Z)

Positioniervorrichtungen haben häufig dieselben Grundkomponenten:

• Grundplatte mit Anschlägen: Sie verhindert die Abwärts-, Neig- oder Rollbewegung.
• Positionierstifte: Sie beschränken die Linearbewegung und Verdrehung.
• Kniehebelspanner: Sie beschränken die Aufwärtsbewegung.

Zentrierung von Werkstücken

Die Zentrierung ist der Prozess oder die Technik, bei der ein Werkstück so positioniert wird, dass es exakt zu einer Achse oder einer Ebene ausgerichtet ist. Eine Zentrierung erfolgt mittels spezieller Vorrichtungselemente und Vorrichtungsmechanismen.

Die Werkstücke, die in der Vorrichtung platziert werden sollen, werden mit passgenauen Bohrungen oder Aussparungen versehen, die genau zu den Zentrierungselementen der Vorrichtung passen. Im Anschluss werden die Werkstücke auf die Zentrierungselemente platziert, was aufgrund der passgenauen Bohrungen meist automatisch geschieht. Nachdem die Werkstücke zentriert sind, werden sie in dieser Position fixiert, um sicherzustellen, dass sie während des Fertigungsprozesses nicht verrutschen oder sich bewegen. Dies kann durch Klemmen, Schrauben, Spannen oder andere Fixierungsmethoden erfolgen.

Beim Zentrierungsvorgang spielen auch Positionierstifte eine große Rolle.

Verwendung von Positionierstiften

Positioniervorrichtungen enthalten oft spezielle Zentrierungselemente, wie beispielsweise Positionierstifte. Sie sind in der Regel aus hartem Material wie Stahl gefertigt. Positionierstifte werden in Prüfvorrichtungen eingesetzt, um sicherzustellen, dass hergestellte Teile oder Baugruppen den vorgegebenen Toleranzen und Spezifikationen entsprechen. Wenn ein Werkstück nicht korrekt positioniert ist, passt es nicht zu den Positionierstiften, was auf einen Fehler hinweist.

Je nach Einsatz kann es sinnvoll sein, Positionierstifte mit unterschiedlichen Köpfen zu verwenden:

• Konisch: Positionierstifte mit konischem Kopf empfehlen sich bei radialer Positionierung. Sie können ein Festklemmen minimieren.
• Rautenförmig: Im Vergleich zum runden Kopf bietet der rautenförmige Kopf zusätzlichen Spielraum zur Seite. Das kann Toleranzen minimieren.
• Kugelförmig: Positionierstifte mit kugelförmigem Kopf minimieren die Wahrscheinlichkeit, das Werkstück zu beschädigen.
• Flach: Ein flacher Kopf empfiehlt sich bei seitlicher Führung oder bei der Verwendung gerader Kanten an der Seite des Stifts, um eine Oberfläche in einer bestimmten Höhe zu positionieren. Eine Positionierung nach unten wird hier allerdings nicht empfohlen, da so das Werkstück beschädigt werden kann.

Werkstücke in der Werkstückaufnahme fixieren

Während dem Werkstücktransport und während der Prüfung ist es notwendig, dass die Werkstücke in der Werkstückaufnahme in ihrer definierten Position fixiert sind. Die Auflagefläche und die Anlagefläche der Befestigungselemente können je Einsatzbereich und Material eine ebene oder strukturierte Oberfläche besitzen. Die Materialauswahl ist ebenfalls von der Einsatzumgebung und zu erwarteten Belastung der Komponenten abhängig. Hier können verschiedene Metalle und Kunststoffe oder auch Keramik sowie Holz zum Einsatz kommen.

Die Flächen können bereits Bohrungen oder Befestigungselemente besitzen, um eine sichere Platzierung während des Werkstücktransports, dem Bearbeitungsprozess sowie der Prüfung zu ermöglichen. Positionierstifte dienen dazu, die Werkstücke in der richtigen Position zu halten, indem sie in entsprechende Bohrungen oder Aufnahmen im Werkstück eingreifen. Das stellt sicher, dass das Werkstück nach der Bearbeitung die erforderlichen Toleranzen und Spezifikationen erfüllt. Je nach Werkstücktransportkonzept können auf dem Werkstückträger mehrere Werkstückaufnahmen vorgesehen sein, die dann auch über mehrere Bahnen die einzelnen Prozess- und Prüfstationen durchlaufen.

Prüfen von Komponenten und Werkstücken

Um sicherzustellen, dass die Werkstücke im Werkstückträger den geforderten Prüfkriterien sowie vorgegebenen Spezifikationen entsprechen, ist es notwendig, diese über Prüfeinrichtungen zu erfassen und auszuwerten. Damit die Wiederholgenauigkeit und Prozesssicherheit aufrechterhalten werden können, ist es notwendig, für den Mess- und Prüfprozess eine Messsystemanalyse durchzuführen. Eine Messsystemanalyse prüft, ob die Messergebnisse korrekt und reproduzierbar sind und wie andere Prozessparameter Einfluss auf das Ergebnis nehmen.