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Dokumentenidentifikation DE3789261T2 16.06.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0260122
Titel Formen von langen Konstruktionsbestandteilen.
Anmelder British Aerospace plc, Farnborough, Hampshire, GB
Erfinder Apps, Howard Raymond c/o British Aerospace Plc., Woodford Cheshire, SK7 1QR, GB;
Lucas, Adrian David c/o British Aerospace Plc., Woodford Cheshire, SK7 1QR, GB;
Fairhall, Philip Charles, North Cheam Surrey, GB
Vertreter Koch, G., Dipl.-Ing.; Haibach, T., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Feldkamp, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 80339 München
DE-Aktenzeichen 3789261
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 09.09.1987
EP-Aktenzeichen 873079636
EP-Offenlegungsdatum 16.03.1988
EP date of grant 09.03.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.06.1994
IPC-Hauptklasse B21D 11/00
IPC-Nebenklasse B21D 11/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf das Formen von langgestreckten Bauteilen. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf Konstruktionsbauteile für Flugzeuge, beispielsweise Holme.

Bei einem Flugzeugtragflügel werden Holme an der Außenhaut des Tragflügels befestigt, und diese aus Holmen und Außenhaut bestehenden Bauteile werden ihrerseits mit Rippen und Sparren zusammengebaut, um ein Flügeltragwerk zu schaffen. Die Tragflügeloberfläche hat gewöhnlich eine komplexe doppelt gekrümmte Gestalt, und demgemäß müssen die Flügelholme und die Tragflügelhaut so geformt werden, daß sie diese Gestalt annehmen.

Die Tragflügel großer Transportflugzeuge benötigen Flügelholme beträchtlicher Abmessungen, Dicke und Komplexheit, derart daß es unzweckmäßig ist, diese in das Flügeltragwerk einzubauen und manuell zu bearbeiten, um an dieser Stelle die gewünschte Krümmung zu erhalten. Demgemäß müssen diese Flügelholme in präziser Weise genau eine gegebene Kontur erhalten, die als Funktion dreier Elemente verfügbar ist, nämlich einer Biegung in vertikaler Richtung, einer seitlichen Biegung und einer axialen Verdrillung. Gegenwärtig erfordert eine bekannte Vorrichtung zur Herstellung von Flügelholmen die Benutzung von drei Arbeitsgängen und die Anwendung einer Vier-Punkt-Biegung mittels einer hydraulischen Presse, und es ist eine Verdrillung erforderlich, die eine speziell ausgebildete hydraulische Verdrillmaschine durchführt. Diese Anordnung hat aus verschiedenen Gründen zahlreiche Nachteile. Beispielsweise können die Flügelholme, die im typischen Fall aus extrudierten Aluminiumblöcken bearbeitet sind, durch die Bearbeitung beträchtlich verzerrt werden, was die nachfolgende Vorformoperation komplizieren kann oder wenigstens eine vorherige Einstellstufe erfordert. In irgendeiner speziellen Flügelausbildung können mehr als 100 Holmarten Verwendung finden, die sich in der Länge, im Querschnitt und in den allgemeinen Dimensionen weit voneinander unterscheiden. Demgemäß erfordert die manuelle Bearbeitung bei diesen Vorformstufen sehr genaue Begrenzungen und Anweisungen, wie die Holme zu formen sind, und dies kann sich im Hinblick auf Kosten und Kapazität verbieten.

Die GB-A-1 482 271 beschreibt eine Walzenformmaschine, bei der aus Blech bestehende Konstruktionselemente hergestellt werden können, die in mehreren Ebenen befindliche Konturen aufweisen. Bei dieser Maschine wird die Kontur des herzustellenden Teils unter Benutzung eines Sensors gemessen, und dann folgt das Walzformverfahren. Die abgenommene Kontur wird mit einer vorbestimmten gewünschten Kontur verglichen, und es werden Korrektursignale der Walzformmaschine Zuge führt. Gemäß der beschriebenen Anordnung wird die Erzeugung durch Walzen bewirkt, und das Verfahren ist nicht auf langgestreckte Körper anwendbar, deren Querschnitt sich über ihre Länge ändert. Flugzeugholme sind für eine Walzerzeugung nicht geeignet. Sie können beispielsweise aus einem massiven Materialblock spanabhebend bearbeitet werden, und sie können verschiedene Ausschnitte oder Kissen aufweisen, die sich in den Flanschen des Holmes erstrecken oder daran befestigt sind. Außerdem wird bei der Anordnung gemäß GB-A-1 482 271 die Kontur nur nach dem Herstellungsverfahren gemessen, und so kann es notwendig sein, den Konstruktionsbauteil mehrmals durch die Maschine zu schicken.

Die EP-A-0 127 935 beschreibt eine Vorrichtung zum Biegen und Strecken zur Streckung einer Eisenbahnschiene. Die Schiene wird einem Drei-Punkt-Biegeverfahren unterworfen, während dem die aufgebrachte Last und die Versetzung der Schiene gemessen werden, um den Punkt zu bestimmen, bei dem die plastische Komponente der Gesamtversetzung äquivalent ist der gewünschten Deformation, und dann wird die Belastung abgenommen. Bei dieser Anordnung ist die Vorrichtung nur in der Lage, eine Drei-Punkt-Biegung durchzuführen, und die Abbiegungen befinden sich in einer einzigen Ebene. Außerdem ist die Vorrichtung so ausgelegt, daß getrennte Abschnitte einer gekrümmten Schiene gestreckt werden, und es findet sich kein Hinweis, daß die Vorrichtung benutzt werden könnte, um komplexe Biegungen in mehreren Ebenen und Verdrillbewegungen durchzuführen.

Die EP-A-0 152 224 beschreibt ein Walzformgerät und ein Verfahren zur Erzeugung von mehrfachdimensional gebogenen Gegenständen. Ein zu formendes Element besitzt einen konstanten Querschnitt und wird kontinuierlich durch eine Reihe von Walzen geführt, die bewegt werden, um eine horizontale und vertikale Biegung gemäß den in einem Speicher festgelegten Werten zu bewirken. Die Vorrichtung und das Verfahren sind auf eine kontinuierliche Walzformgebung beschränkt, und es wird nicht die aufgebrachte Ablenkung gemessen, und das Dokument erwähnt nirgends eine Rückfederung bzw. elastische Deformation.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, uni einen langgestreckten Konstruktionsbauteil, beispielsweise einen Flügelholm, zu formen, der eine vorbestimmte Kontur aufweist, wobei die Vorrichtung folgende Teile umfaßt:

- mehrere Bearbeitungsköpfe, die jeweils auf einen Teil des Bauteils einwirken;

- Antriebsvorrichtungen, um die Bearbeitungsköpfe relativ zueinander zu bewegen und den zwischen den erfaßten Abschnitten liegenden Teil im Sinne einer Verdrillung und im Sinne wenigstens einer Verbiegung zu deformieren;

- Kontursensoren zum Erhalt von Daten, die repräsentativ sind für die Kontur des langgestreckten Konstruktionsbauteils, und

- eine Steuereinrichtung mit Mitteln zum Speichern von Daten, die repräsentativ sind für die vorbestimmte Kontur, und zur Steuerung der Antriebsvorrichtung, um eine Belastung oder Verbiegung auf den Zwischenabschnitt des langgestreckten Konstruktionsbauteils gemäß der vorbestimmten Kontur auszuüben;

- wobei die Betätigungsköpfe zwei Klemmköpfe aufweisen, von denen jeder eine Klemmvorrichtung besitzt, die stationär die erfaßten Abschnitte des Bauteils relativ zum Bearbeitungskopf festklemmen, während die Verdrillbewegung oder Biegebewegung bewirkt wird;

- wobei die Kontursensoren den Bearbeitungsköpfen zugeordnet sind, um repräsentative Daten der Kontur des Zwischenabschnitts zu liefern;

- Belastungssensoren sind den Bearbeitungsköpfen zugeordnet, um Daten zu liefern, die repräsentativ sind für die auf den Zwischenabschnitt ausgeübte Belastung, wobei

- die Steuervorrichtung eine Einrichtung aufweist, die aus den Ausgängen von Kontursensor und Belastungssensor die permanente Auslenkung bestimmt, die auf den dazwischenliegenden Abschnitt aufgebracht wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, um einen langgestreckten Konstruktionsbauteil, beispielsweise einen Flügelholm, zu formen, der eine bestimmte Kontur aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

- Es greifen Bearbeitungsköpfe an in Längsrichtung beabstandeten Abschnitten des Bauteils an;

- die Bearbeitungsköpfe werden so gesteuert, daß ein Verwindungsausschlag und wenigstens ein Biegeausschlag auf den dazwischenliegenden Abschnitt des Bauteils gemäß der gewünschten Kontur ausgeübt werden;

wobei das Verfahren weiter die folgenden Schritte aufweist:

- es wird wenigstens ein Teil der Bearbeitungsköpfe stationär an dem Bauteil festgeklemmt, um einen stationären Zwischenabschnitt davon zu erfassen;

- es wird die Kontur des stationären dazwischenliegenden Abschnitts bestimmt;

- es wird auf den stationären dazwischenliegenden Abschnitt eine Belastung oder eine Verbiegungszunahme gemäß der vorbestimmten Kontur ausgeübt;

- es wird die aufgebrachte Belastung und Versetzung überwacht, um jede plastische Komponente der Verbiegung zu erfassen, die auf den stationären dazwischenliegenden Abschnitt ausgeübt wird, und

- es wird weiter eine Belastung oder Verbiegung ausgeübt, um eine plastische Verbiegungskomponente gemäß der vorbestimmten Kontur zu erzeugen.

Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein langgestreckter Konstruktionsbauteil so verformt, daß er ein vorbestimmtes Profil besitzt, indem eine Bearbeitungsvorrichtung einen gewählten Anteil der Länge des Konstruktionsbauteils erfaßt, wobei die anfängliche Kontur des Anteils gemessen und die gemessene Kontur mit der gewünschten Kontur verglichen wird, und indem auf den Anteil ein genügend hohes Biegemoment und Torsionsmoment ausgeübt wird, um eine permanente Verbiegung gemäß der gewünschten Kontur zu erreichen. Nach der Verbiegung und Verdrillung wird das Konstruktionsbauteil relativ zu den Bearbeitungsköpfen vorgeschoben, und der Meßvorgang, der Verdrillungsvorgang und der Verbiegungsvorgang werden wiederholt, bis der langgestreckte Konstruktionsbauteil die erforderliche Form besitzt.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 typische Flugzeugholme in ihrem ursprünglichen, nicht deformierten Zustand,

Fig. 2 einen Schnitt eines typischen Flugzeugholms, geschnitten in Richtung der Pfeile II gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt eines weiteren Beispiels eines Flugzeugholms, in Richtung der Pfeile III gemäß Fig. 1 geschnitten,

Fig. 4 in graphischer Darstellung den permanent eingestellten Algorithmus, der bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird,

Fig. 5 eine allgemeine Darstellung der Holmformvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 eine Stirnansicht eines Bearbeitungssystems der Holmverformungsvorrichtung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine seitliche Schnittansicht des Bearbeitungssystems, geschnitten längs der Linien VII-VII gemäß Fig. 6,

Fig. 8 eine Grundrißansicht des Bearbeitungssystems gemäß Fig. 6 und 7,

Fig. 9 eine seitliche Teilschnittansicht eines Teils der Torsions- und Bremsklemmköpfe des Bearbeitungssystems gemäß Fig. 6,

Fig. 10 eine Ansicht eines Teils des Bremsklemmkopfes gemäß Fig. 9,

Fig. 11 eine Einzelansicht einer Lastzellenanordnung, die in dem Torsionsklemmkopf gemäß Fig. 9 benutzt wird,

Fig. 12 eine Ansicht eines Teils eines der Reaktionsköpfe gemäß Fig. 9,

Fig. 13 einen Schnitt längs der Linien XIII-XIII gemäß Fig. 12,

Fig. 14(a) und (b) schematische Ansichten, welche das erste Ausführungsbeispiel der Bearbeitungssystemköpfe veranschaulicht, und zwar in gestreckter Stellung bzw. gebogener Stellung,

Fig. 15(a), (b) und (c) schematische Ansichten eines Werkstückträgerständers der Vorrichtung gemäß Fig. 5 in einer typischen Arbeitsstellung, in einer oberen Stellung und in einer Übergangsstellung,

Fig. 16 eine schematische Ansicht eines Ständers der Vorrichtung gemäß Fig. 5,

Fig. 17(a) und (b) Längsschnittansichten der Verankerungsvorrichtung für den Holm bei dem Endträger nach Fig. 18,

Fig. 18 eine perspektivische Darstellung der Holmbearbeitungsvorrichtung zur Verformung eines Holms gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 19 eine schematische Grundrißansicht der Holmbearbeitungsvorrichtung nach Fig. 18,

Fig. 20 eine schematische Grundrißansicht der Vorrichtung nach Fig. 18 in der Holmbearbeitungsphase,

Fig. 21 eine schematische Grundrißansicht der Vorrichtung nach Fig. 18 in Richtung des Pfeiles XXI gemäß Fig. 18 betrachtet,

Fig. 22 eine Ansicht einer typischen Holmbearbeitungsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 23 eine Grundrißansicht der Vorrichtung nach Fig. 22 in Richtung des Pfeiles XXIII betrachtet,

Fig. 24 eine perspektivische Darstellung der Bearbeitungskopfvorrichtung nach Fig. 18,

Fig. 25 in schematischer Darstellung eine typische Klemmfolge bei der Bearbeitungsvorrichtung nach Fig. 18,

Fig. 26 eine Ansicht des Holmträgeraufbaus der Vorrichtung nach Fig. 9,

Fig. 27 eine typische Schnittansicht des Trägeraufbaus, geschnitten in Richtung der Pfeile XXVII-XXVII gemäß Fig. 26,

Fig. 28 eine Grundrißansicht des Trägeraufbaus in der Richtung von XXVIII gemäß Fig. 27 betrachtet,

Fig. 29 eine Ansicht eines Antriebskopfes bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 18,

Fig. 30 eine Ansicht eines typischen Klemmkopfes bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 18.

Die Fig. 1 veranschaulicht zwei typische Beispiele von Flugzeugholmen, die spanabhebend aus Blöcken einer Aluminiumlegierung hergestellt sind, und in der bearbeiteten Form besitzen sie einen vorbestimmten Querschnitt gemäß den konstruktiven Erfordernissen. Typische Querschnitte sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt, jedoch können diese Querschnitte sich in Dimension und Form über die Länge des Holmes ändern, der bei großen Flügeln von Transportflugzeugen länger als 15,25 m (50 Fuß) sein kann. In dem bearbeiteten dargestellten Zustand sind die Holme im wesentlichen flach, obgleich eine beträchtliche Verzerrung als Ergebnis der spanabhebenden Bearbeitung auftreten kann, wenn die Bauteile aus der Werkzeugmaschine herauslaufen.

Im Falle eines Flugzeugflügels besitzt die Tragflügeloberfläche eine komplexe doppelt gekrümmte Form, und demgemäß muß jeder Holm so geformt werden, daß er die gewünschte Kontur an der vorgesehenen Stelle besitzt. Diese Kontur kann aus drei Formelementen bestehen, wie dies aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, nämlich einer vertikalen Verbiegung, einer seitlichen Verbiegung und einer axialen Verdrillung. Um die gewünschte Endgestalt zu erhalten, muß jeder Holm einer gesteuerten abschnittsweisen Belastung gemäß diesen Formelementen ausgesetzt werden. Wie bekannt, wird ein Bauteil, beispielsweise ein Holm, der einer Belastung unterhalb der Elastizitätsgrenze des Materials ausgesetzt wird, bei Wegnahme der Belastung keine permanente Verformung zeigen. Wenn die Belastung über die Elastizitätsgrenze hinausgeht, dann erfolgt die Rückstellung längs einer Linie parallel zur Belastungslinie. Die Trennung der Linien ist das Ausmaß der erreichten permanenten Deformation. Der Algorithmus der permanenten Deformation wird in Verbindung mit dem vorliegenden System in Verbindung mit Fig. 4 diskutiert. Die Fig. 4 zeigt eine typische Last/Deformations-Kurve. Dies kann entweder eine Biegemoment/Krümmungsradius-Kurve oder eine Drehmoment/Verdrillungswinkel-Kurve sein. Die Kurve umfaßt einen linearen oder elastischen Teil und einen plastischen Teil, wo die Deformation eine Folge einer weiteren elastischen Deformation und einer bleibenden oder plastischen Deformation ist. Der Punkt, der diese beiden Teile der Kurve trennt, ist die Fließgrenze.

Um den Holm in die erforderliche Form zu bringen, werden gemäß dem Ausführungsbeispiel folgende Schritte durchgeführt:

1. Der Holm wird bis zur Fließgrenze mit jeweils kleiner Lastzunahme belastet.

2. Der Anstiegswinkel der elastischen Verformung wird unter Benutzung des Prinzips der kleinsten Quadrate bestimmt, wobei die Last und die Deformation benutzt werden, die bei jeder Lastzunahme erhalten werden.

3. Der Holm wird weiter belastet, und das Ausmaß der plastischen Deformation bzw. der permanenten Deformation wird für jede Lastzunahme bestimmt.

4. Der Schritt 3 wird wiederholt, wobei sukzessive die plastische Deformation erhöht wird, bis das erforderliche Ausmaß der plastischen Deformation erreicht ist.

5. Der Holm wird entlastet, und das Ausmaß der permanenten Deformation wird überprüft.

6. Die Stufen 1 bis 5 werden bei einer Anzahl von Punkten längs des Holmes wiederholt, bis der Holm als Ganzes die erforderliche Kontur aufweist.

Gemäß Fig. 5 weist ein erstes Ausführungsbeispiel einer automatischen Holmformanlage ein Bearbeitungssystem 10, ein Trägersystem 12 und ein Positionierungssystem 14 auf, die sämtlich unter der Steuerung eines Steuersystems 16 arbeiten. Diese Teile werden im folgenden getrennt beschrieben.

Bearbeitungssystem (Fig. 6 bis 14)

Das Bearbeitungssystem 10 umfaßt eine mit mehreren Köpfen ausgestattete Bearbeitungsvorrichtung, durch die gesteuerte permanente Deformationen in bezug auf eine axiale Verdrillung, eine vertikale Biegung und eine seitliche Biegung auf ein langgestrecktes Werkstück aufgebracht werden können.

Das Bearbeitungssystem weist einen Basisrahmen 18 auf, der längs zweier Schienen 20 verläuft, die im Boden eingelassen sind und ein Antriebssystem 22 (beispielsweise eine Kette und Kettenräder) tragen, um die Bearbeitungsvorrichtung längs der Anlage nach vorn und zurück zu bewegen. Der Basisrahmen 18 weist eine Konsole 24 für die Bedienungsperson auf, die das Steuersystem 16 beherbergt und einen Drehtisch 26 lagert, der einen Hauptrahmen trägt, der allgemein die Form zweier im Abstand zueinander angeordneter Portalrahmen 28, 28' aufweist. Eine Positionsdecodiereinrichtung 29 liefert Daten, die die Drehstellung des Drehtisches identifizieren. Die Portalrahmen 28, 28' weisen einen unteren horizontalen Basisträger 30, 30', obere horizontale Träger 32, 32' und vertikale Seitenträger 34, 34' auf.

Gemäß Fig. 6, 7 und 8 trägt einer der Seitenträger 34 des rechten Portalrahmens 28 (gemäß Fig. 7 betrachtet) schwenkbar obere und untere Seitentragglieder 36 bzw. 38 zur Bewegung um eine vertikale Achse. An ihren der Befestigung mit den Seitenträgern 34 entgegengesetzten Enden tragen die oberen und unteren Tragglieder 36, 38 mittels Gelenkbolzenanordnungen 40 einen Schwenkrahmen 42 schwenkbar um eine Vertikalachse. Die Gelenkzapfenanordnung trägt außerdem innerhalb des Schwenkrahmens 42 einen inneren Klemmkopf 44, dessen Konstruktion und Arbeitsweise im einzelnen weiter unten beschrieben werden. Der Schwenkrahmen 42 ist um die Gelenkanordnung gekröpft, wie dies aus der Grundrißansicht ersichtlich ist, und er besteht aus zwei Seitenrahmenteilen 46, die zusammen einen sechseckigen Rahmen definieren.

Der linke Seitenrahmen 46 (gemäß Fig. 8 betrachtet) des Schwenkrahmens 42 trägt schwenkbar obere und untere Seitenlenker 48, 50, die an ihren Enden, die den Seitenrahmen entfernt sind, einen äußeren Reaktionskopf 52 tragen. Die Schwenkverbindung weist eine Federzentriereinrichtung auf, um eine gewisse Schwimmbewegung im Sinne parallel zur Werkstückachse durchführen zu können.

Der gemäß Fig. 7 links angeordnete Portalrahmen 28' lagert mittels einer unteren und einer oberen Gelenkzapfenanordnung 53, 54 am horizontalen Basisträger 30 bzw. am oberen horizontalen Träger 32 einen Schwingrahmen 42', der um eine vertikale Achse schwingbar ist. Die Gelenkzapfenanordnungen dienen auch zur Abstützung eines inneren Klemmkopfes 56, um diesen um eine Vertikalachse zu lagern. Die Konstruktion und die Arbeitsweise des Klemmkopfes werden weiter unten im einzelnen beschrieben. Der Schwingrahmen 42' hat eine ähnliche Ausbildung und Konstruktion wie der Schwingrahmen 42. In gleicher Weise sind obere und untere Seitenlenker 48', 50' schwenkbar an einem seitlichen Rahmenträger 46' des Schwingrahmens 42' angelenkt und tragen schwenkbar einen äußeren Reaktionskopf 58.

Die Schwingrahmen 42 und 42' stehen miteinander über zwei elektrisch angetriebene Schraubspindelanordnungen 60, 62 in Verbindung, von denen eine jede eine Belastungszelle aufweist und die Schwingrahmen entweder zusammenzieht oder auseinanderspreizt, wodurch ein Biegemoment auf ein Werkstück ausgeübt wird, das durch die Betätigungseinrichtung gehalten wird. Jede Schraubspindelanordnung 60, 62 verbindet den mittleren Teil eines der Seitenrahmen 46 mit dem Mittelabschnitt der entsprechenden Seitenrahmenträger 46' des anderen Schwingrahmens. Die Trennung und relative Orientierung der inneren Klemmköpfe 44 und 56 werden durch einen linearen (LVDT) Wandler 64 abgenommen, der gegenüberliegende Abschnitte der Klemmköpfe miteinander verbindet, wie dies im einzelnen in Fig. 8 dargestellt ist.

Im folgenden wird insbesondere auf die Fig. 9 und 10 Bezug genommen. Die Klemmköpfe 44 und 56 sind in ihrer Konstruktion allgemein gleich, und sie dienen jeweils zum Erfassen eines Abschnitts eines langgestreckten Konstruktionswerkstücks, und sie üben auf das Werkstück eine Reaktionsbewegung, und zwar entweder ein Biegemoment oder ein Torsionsmoment aus. Ein Hauptunterschied zwischen den Klemmköpfen besteht darin, daß der Klemmkopf 56 einen Drehmomentmotor 94 aufweist, um auf ein Werkstück eine Torsionskraft zu übertragen, während der Klemmkopf 44 eine hydraulische Bremse 100 aufweist, um die auf den Klemmkopf über das Werkstück übertragene Torsionskraft abzustützen. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird deshalb der Klemmkopf 56 im folgenden als Torsionsklemmkopf und der Klemmkopf 44 als Bremsklemmkopf bezeichnet.

Jeder Kopf weist einen äußeren achteckigen Rahmen 66 auf, wie dies aus Fig. 10 ersichtlich ist, der ein oberes und ein unteres Paar von im Abstand zueinander angeordneten parallelen Ansätzen 67 aufweist, die an den jeweiligen Gelenkzapfenlagerungen der Schwingrahmen 42, 42' über eine Belastungszellenlagerung angreifen, wie dies später beschrieben wird. Jeder Rahmen 66 ist an einem Zahnkranz 68 (Fig. 9) befestigt, dessen innere Oberfläche mit Zähnen versehen ist und dessen äußere Oberfläche einen inneren Laufring eines Lageraufbaus 70 bildet, der eine Klemmplatte 72 drehbar um eine Zentralachse T lagert. Der Lageraufbau weist außerdem eine nach außen gerichtete gezahnte Antriebsoberfläche 74 auf, die mit einem Positionsdecodierer 75 zusammenwirkt, um Daten zu liefern, die die Drehstellung der Klemmplatte 72 repräsentieren.

Jede Klemmplatte 72 weist eine Mittelöffnung 78 auf, die groß genug ist, um den größten Querschnitt des langgestreckten Bauteils aufzunehmen, der unter Benutzung der Bearbeitungsvorrichtung verformt werden soll. Die Klemmplatte weist eine feste Bezugsklemme 80 und zwei bewegliche Winkelklemmen 82 und 84 auf, die jeweils unabhängig in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen durch elektrische Antriebe 86, 88 bzw. 90, 92 beweglich sind. Die Oberflächen der Klemmen, die das Werkstück im Betrieb benutzen, sind mit einem geeigneten Plastikmaterial oder einem anderen Schutzmaterial überzogen, beispielsweise mit Tufnol (Warenzeichen), um eine Beschädigung des Werkstücks zu vermeiden.

Der Torsionsklemmkopf 56 weist einen Drehmomentmotor 94 mit Getriebe auf und ist an der Klemmplatte 72 befestigt, und er treibt ein Zahnrad 95, das mit der gezahnten Oberfläche des Zahnkranzes 68 in Eingriff steht, damit der Drehmomentmotor 94 auf ein im Torsionsklemmkopf festgeklemmtes Werkstück ein Drehmoment ausüben kann.

Der Bremsklemmkopf 44 weist einen Motor 96 auf, der an der Klemmplatte 72 befestigt ist und ein Zahnrad 97 aufweist, das mit dem Zahnabschnitt 68 in Eingriff steht. Im Falle des Bremsklemmkopfes jedoch dient der Motor 96 nur dazu, den Kopf zu überwachen, um seine Drehstellung einzustellen, und er dient nicht dazu, ein Drehmoment auszuüben. Die Ausbildung und Konstruktion des Motors 96 ist demgemäß unterschiedlich vom Torsionsmotor 94. Der Bremsklemmkopf 44 unterscheidet sich außerdem in seiner Konstruktion von dem Torsionsklemmkopf 56 insofern, als er eine ringförmige Bremsscheibe 98 aufweist, die an dem achteckigen Rahmen 66 festgelegt ist und mit hydraulischen Bremsbacken 100 zusammenwirkt, die an der Klemmplatte 72 angeordnet sind. Die Bremsbacken wirken auf die Bremsscheibe ein bremsen diese gegen eine Bewegung ab und übertragen die aufgebrachte Torsionskraft auf den achteckigen Rahmen.

Nunmehr wird auf Fig. 11 Bezug genommen, die die Belastungszellenanordnung veranschaulicht, die im Torsionsklemmkopf 56 benutzt wird. Die im Bremsklemmkopf 44 benutzte Anordnung ist im wesentlichen gleich, unterscheidet sich jedoch in gewissen Materialausbildungen. Der Zweck der Belastungszellen besteht darin, sowohl das aufgebrachte Biegemoment als auch das aufgebrachte Drehmoment zu messen, die auf das zu verformende Werkstück aufgebracht werden. Es ist klar, daß die erforderlichen und zur Biegung erzeugten Kräfte im typischen Fall sehr viel größer sind als die für die Torsion erforderlichen Kräfte. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die auf das Werkstück aufgebrachte Torsion durch Messung des Drehmoments zwischen dem Bremsklemmkopf 44 und dem Schwingrahmen gemessen. Infolgedessen muß die Belastungszellenanordnung am Bremsklemmkopf Belastungen messen, die durch Biegung und durch Torsion erzeugt wurden. Um den erforderlichen Bereich und die erforderliche Auflösung anzugeben, umfaßt die Lastzellenanordnung am Bremsklemmkopf 44 zwei Gruppen von Zellen, nämlich Zellen für den unteren Bereich (0 bis etwa 500 lbs; 0 bis etwa 2,2 kN), die primär dazu dienen, Drehmomentbelastungen zu messen, während Zellen für einen hohen Bereich (etwa 0 bis 7000 lbs; 0 bis etwa 31 kN) die Biegebelastungen messen. Die dargestellte Anordnung ermöglicht, daß die Zellen des unteren Bereiches gegen eine Schulter ausgeschaltet werden können, so daß der Belastungspfad die Zellen des unteren Bereiches nebenschließt, wenn die Belastungen einen gegebenen Pegel überschreiten.

Wie oben beschrieben, weist jeder der Klemmköpfe 44, 56 ein oberes und ein unteres Paar von Ansätzen 67 auf. In Fig. 11 ist nur ein unterer Ansatz dargestellt, es ist jedoch leicht verständlich, daß die Anordnung gemäß Fig. 11 symmetrisch um die vertikale Mittellinie C verläuft. Die Anordnung für das obere Paar von Ansätzen ist die gleiche. In Fig. 11 liegt die Gelenkzapfenachse 102 (durch die der Klemmkopf schwenkbar am Schwingrahmen 42 oder 42' befestigt ist) in der Mitte zwischen den unteren Ansätzen 67 (von denen nur einer dargestellt ist). Die Belastungen in einer Ebene normal zur Klemmplatte 72 werden von den Ansätzen des Klemmkopfes auf die Gelenkachse durch eine dünne Membran 104 aus rostfreiem Stahl übertragen. Eine scheibenförmige Belastungszelle 106 ist an jedem Ansatz 67 befestigt und greift an einer kleinen Knopfbelastungszelle 108 an der Gelenkachse an. Der Spalt a zwischen dem Ende der scheibenförmigen Belastungszelle und dem Gehäuse der kleinen Knopfbelastungszelle ist derart eingestellt, daß sich der Spalt schließt, wenn die Knopfbelastungszelle voll belastet ist, so daß der Belastungspfad abgeleitet wird.

Es ist erkennbar, daß die Membran 104 aus rostfreiem Stahl das Gewicht des Kopfes und jede resultierende Belastung auf die Gelenkachsen überträgt. Die Membran beeinträchtigt die Messung der seitlichen Belastung nicht wesentlich. Die Gelenkachse 102 rotiert mit dem Klemmkopf, so daß die Belastungen immer in der Ebene des Klemmkopfes gemessen werden.

Die oben beschriebene Anordnung bezieht sich auf die obere und die untere Lastzellen/Gelenk-Anordnungen für den Bremsklemmkopf 44.

Der Torsionsklemmkopf 56 weist eine einfachere Anordnung auf. Da es nicht notwendig ist, Drehmomentbelastungen in diesem Kopf zu messen, sind keine Knopflastzellen vorgesehen und keine Membranen, und die scheibenförmige Belastungszelle 106 ist direkt auf der Gelenkachse verbolzt und überträgt die Belastungen, die vorher durch die Membranen übertragen wurden, und führt ihre Biegelastmessungsfunktion durch.

Wie später erörtert, kann die Bearbeitungsvorrichtung benutzt werden, um eine Drei-Punkt-Biegung statt einer Vier-Punkt-Biegung durchzuführen, und aus diesem Grunde sind die Raten der Belastungszellen am Torsionsklemmkopf 56 doppelt so groß wie die am Bremsklemmkopf 44.

Im folgenden wird auf die Fig. 12 und 13 Bezug genommen. Jeder der Reaktionsköpfe 52 und 58 weist eine äußere Scheibe 110 mit einer oberen und einer unteren Kardanlagerung 112, 114 auf, um eine Schwenkverbindung mit den oberen und unteren Seitenträgergliedern 36 bzw. 38 herzustellen. Die Scheibe 110 weist einen Hohlraum auf, der eine schwimmende Platte 113 mit genügendem Spiel aufnimmt, damit eine beträchtliche Schwimmbewegung in der Ebene quer zur Werkstückachse erfolgen kann. Die Schwimmplatte 113 weist eine zentrale kreisförmige Öffnung auf, die drehbar eine Scheibe 115 mit einer Öffnung 116 aufweist, die dem Querschnitt des Werkstücks angepaßt ist. Die Scheibe 115 besteht aus zähem Nylon oder zähem Plastikmaterial, beispielsweise Tufnol (Warenzeichen), und sie wird in der Ebene der Schwimmplatte durch drei Indexstifte 118 gehalten. Die äußere Scheibe weist eine hydraulisch betätigte ringförmige Kolben/Zylinder-Anordnung auf, die einen ringförmigen Kolben 120 eines Pneumatik/Öl-Systems aufweist, der ein Scheibenkissen 122 besitzt, um die Schwimmplatte zu berühren und an dieser anzugreifen. Im Gebrauch kann der Kolben 120 freigegeben werden, damit die Schwimmplatte in der Querebene schwimmen kann, und es kann die Platte in einer speziellen Querstellung verriegelt werden. Nachdem die Schwimmplatte verriegelt ist, kann sich die Scheibe 115 noch drehen. Dadurch wird es möglich, daß Biegebelastungen auf die Reaktionsköpfe übertragen werden, aber es kann sich auch das Werkstück relativ zum Reaktionskopf drehen.

Wenn ein Werkstück gebogen wird, dann nimmt der wirksame Abstand zwischen den Enden ab, wodurch sich ein scheinbarer Einzieh-Effekt ergibt. Dies wird dadurch überwunden, daß eine gewisse Schwimmbewegung mittels einer Federzentrieranordnung vorgesehen wird (nicht dargestellt).

Nunmehr wird auf Fig. 14 Bezug genommen, und es wird die Art und Weise beschrieben, mit der die Vorrichtung benutzt werden kann, um eine Drei-Punkt-Biegung und eine Vier-Punkt- Biegung durchzuführen. Um eine Vier-Punkt-Biegung zu veranlassen, üben die Schraubspindeln 60 und 62 gleiche und entgegengesetzte Belastungen aus, so daß beide Schwingrahmen 42, 42' relativ zu der festen Basis ausschwingen. In dieser Betriebsart messen die beiden Linearwandler 64 die Änderung im Radius, wenn das Werkstück gebogen wird (Fig. 14b).

Die Drei-Punkt-Biegung wird erreicht, indem der Schwingrahmen 42' in der in Fig. 14a dargestellten Stellung durch geeignete (nicht dargestellte) Mittel verriegelt wird, und indem Biegebelastungen durch Betätigung des Schwingrahmens 42 unter Benutzung der Schraubspindeln 60 und 62 ausgeübt werden. In dieser Betriebsart wird die Radiusänderung des Holmes bei seiner Biegung durch eine Decodiereinrichtung gemessen, um die Änderung des Winkels des Schwingrahmens anzuzeigen.

Trägersystem (Fig. 15 bis 17)

Das Trägersystem ist so ausgebildet, daß ein Werkstück während des Formvorganges im wesentlichen ohne Beanspruchung abgestützt wird. Das Trägersystem weist mehrere Trägerständer 130 und einen Endträgerständer 131 auf, die längs der Schienen der Bearbeitungsvorrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind (vgl. Fig. 5). Jeder Ständer umfaßt eine vertikale Hauptsäule 132, an der auslegerartig ein Trägerarm 134 vertikal beweglich zwischen einer oberen Stellung gemäß Fig. 15(b) und einer abgesenkten Stellung gemäß Fig. 15(c) angeordnet ist.

In der abgesenkten Stellung liegt der Trägerarm so, daß sich die Bearbeitungsvorrichtung über den Trägerarm und an diesem vorbei bewegen kann, wenn sich die Bearbeitungsvorrichtung von der einen Stellung in die andere bewegt.

Der Trägerarm weist einen seitlichen Querschlitten 136 auf, der eine Werkstück-Lokalisierungseinrichtung 138 trägt. Diese Einrichtung kann einfach als V-förmig gestalteter Bügel ausgebildet sein, in dem das Werkstück ruht. Jeder seitliche Schlitten 136 ist über einen Riemenantrieb mit einem seitlichen Dämpfer 140 verbunden. Im Vertikalsinn ist ebenfalls eine Dämpfung vorgesehen, und eine Scheibenbremse 142 bewirkt eine Verriegelung des Trägerarms in der gewünschten Stellung. Ein Ausgleichssystem umfaßt ein festes Gegengewicht 144, um den Trägeraufbau auszugleichen, und ein variables Gewicht 146, welches in der Lage ist, sich Änderungen im Werkstückgewicht anzupassen. Diese letztere Anordnung kann ein Flüssigkeitsreservoir aufweisen, von welchem und nach welchem Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefördert werden kann, um das Gegengewicht zu verändern.

Wie aus Fig. 16 und 17 ersichtlich, ist der Endträger 131 von ähnlicher Konstruktion wie der Träger 130, lediglich mit dem Unterschied, daß er eine zweite Säule 150 aufweist, die den Tragarm 134 am äußeren Ende abstützt, und daß der seitliche Schlitten 136 eine Werkstückverankerung 152 mit einer einzigen Stiftbefestigung mit dem Holmende aufweist. Die Verankerung 152 ist in einem Einweg-Luftventilzylinder 154 untergebracht und weist ein Kardangelenk und ein Schwenkgelenk 156 auf, um den Deformationsänderungen im Werkstück während der Bearbeitung zu folgen. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, eine wirksame Kontraktion des Werkstücks infolge der Bearbeitung zuzulassen, während dennoch das Werkstückende abgestützt bleibt. Der Luftzylinder ist ein Einweg-Zylinder, damit er während des Werkstückformverfahrens frei laufen kann, so daß keine störenden Biegemomente in das Werkstück eingeführt werden. Bei Vollendung des Formzyklus wird der Luftzylinder bei freigegebenem Werkstück in der Bearbeitungsvorrichtung freigegeben, um das Holmende in die Bezugsstellung zurückzuführen.

Positionierungssystem

Wie oben erwähnt, ist die Bearbeitungsvorrichtung mit Schienen und einem Antrieb versehen, durch den die Vorrichtung über die Länge der Formgebungsanlage laufen kann. Die Schienen weisen Ausschnitte benachbart zu jedem Träger 130 auf, damit sich die Bearbeitungsvorrichtung während des Formgebungsprozesses über den Trägerarm hinwegbewegen kann. Außerdem ermöglicht es der Drehtisch, daß sich die Bearbeitungsvorrichtung um eine vertikale Achse gegenüber den Schienen bewegt.

Steuersystem

Das Steuersystem speichert Daten, die für einen gesamten Bereich des Werkstücks mathematisch die erforderliche Kontur des Werkstücks an Punkten definieren, die beispielsweise um 12 mm (S Zoll) über die Länge des Werkstücks auseinanderliegen. Das System kann diese Daten für gewählte Punkte speichern und kann sie außerdem von den gespeicherten Daten interpolieren, um für jeden Punkt am Werkstück Daten abzuleiten. Das Steuersystem weist Algorithmen auf, um Kontur- oder Formkorrekturen zu berechnen, denen das Werkstück unterworfen werden muß. Diese Formgebungsalgorithmen benutzen grobe Werkstückdaten zusammen mit Formdaten, die von den verschiedenen Sensoren abgezogen werden, die der Gesamtanlage zugeordnet sind. Das Steuersystem steuert die Bearbeitungsvorrichtung und das Positionierungssystem, um schrittweise Biegebelastungen und Verdrillungsbelastungen einzuführen, damit das Werkstück die geforderte Kontur erhält.

Arbeitsweise des Systems gemäß Fig. 5 bis 15

Nunmehr wird die Formgebung eines Konstruktionsholmes unter Benutzung der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

Weil der Holm bei der ersten Beschickung in die Anlage eine unbekannte Kontur besitzt, muß er durch das Steuersystem der Bearbeitungsvorrichtung gemessen werden (die Maschine ergreift und mißt das von ihr gehaltene Werkstück), so daß das Steuersystem in der Lage ist, die Kontor- oder Formfehler zu berechnen, damit der Holm von der ursprünglichen Kontur in die gewünschte Kontur überführt werden kann. Wie oben erwähnt, kann die ursprüngliche Kontur durch eine Zahl von Faktoren bestimmt werden, von denen der Verzerrungsfaktor nicht der geringste ist, der von der spanabhebenden Bearbeitung herrührt, und diese Verzerrung kann über den Produktionsbereich identischer Holmformen nicht gleich sein. Die Sensoren 64, 75, die auf den inneren Klemmköpfen 44 und 56 montiert sind, messen die Kontur des installierten Holmes zwischen diesen Köpfen. Durch Festklemmen auf den inneren Köpfen kann die ursprüngliche Gestalt gemessen werden, und die gemessenen Werte können in das Steuersystem eingegeben werden.

Weil die Steuersysteme die ursprüngliche Kontur und die erforderliche Kontur kennen, bestimmen diese die Vorschubschritte für den Holm, wobei die resultierenden Belastungen gemessen werden und die gewünschte Kontur hergestellt wird.

Die Lastzellen an den inneren Klemmköpfen messen die aufgebrachte Belastung (sowohl Biegebelastung als auch Verdrillbelastung), um die Formgebung zu steuern.

Jeder Klemmkopf kann durch die Vorrichtung 70 gedreht werden, und der Holm kann über 90º indiziert werden. So kann sowohl eine seitliche als auch eine vertikale Biegekraft auf den Holm durch das Bearbeitungssystem aufgebracht werden, welches nur in der seitlichen Ebene deformieren kann. Außerdem wird eine Verdrillung des Holmabschnitts dadurch erreicht, daß der Bremsklemmkopf 44 blockiert und der Torsionsklemmkopf 56 durch den Drehmomentmotor 94 in Antriebsverbindung mit dem Zahnkranz 68 gedreht wird. Die äußeren Reaktionsköpfe 52 und 58 können sich frei drehen, so daß die auf den Holm aufgebrachte Torsionsbelastung auf die Länge zwischen den inneren Köpfen beschränkt bleibt.

Wenn ein gerader Holm auf einen bestimmten Radius gebogen wird, dann nimmt die wirksame Distanz zwischen den Enden des Holmes ab, wodurch sich ein scheinbarer "Einzieh"-Effekt ergibt. Wenn man dies nicht zuläßt, kann dies zu hohen Axialbelastungen innerhalb des Holmes führen. Dies wird durch eine federbelastete Schwimmanordnung verhindert.

Ein typischer Bearbeitungszyklus wird im folgenden beschrieben:

1. Das nächste Werkstück wird dem Steuersystem durch die Bedienungsperson dadurch eingegeben, daß die Teilenummer über eine Tastatur im Bedienungsfeld eingegeben wird;

2. das nächste Werkstück wird auf dem Trägersystem abgelegt, wobei die Basis des Holmes horizontal liegt;

3. das Ende des Holmes wird axial verankert, um zu verhindern, daß es mit dem Bearbeitungssystem entlanggezogen wird, wenn das Bearbeitungssystem sich in die nächste Stellung bewegt;

4. das Bearbeitungssystem wird am Ende des Holmes angeordnet;

5. der Holm wird durch die inneren Klemmköpfe 44, 56 erfaßt;

6. die Sensoren messen die anfängliche seitliche Biegung und die axiale Verdrillung;

7. es werden seitliche Biegebelastungen aufgebracht;

8. es wird die Verdrillungsbelastung aufgebracht;

9. die äußeren Köpfe werden freigegeben;

10. die Sensoren überprüfen, ob die resultierende seitliche Biegung und die axiale Verdrillung annehmbar sind (wenn dies nicht der Fall ist, wird das Verfahren von Ziffer 7 an wiederholt).

Zur Fortsetzung der Bearbeitung sind zwei alternative Strategien denkbar: Strategie 1 bewirkt eine Vervollständigung der vertikalen Biegung an dem jeweiligen Abschnitt des Holmes, bevor dieser zur Bearbeitung des nächsten Abschnitts weiterbewegt wird. Dies erfordert eine Drehung des Holmes um 90º und eine Messung des Trägersystems zur Kompensation.

Strategie 2 bewirkt eine Bewegung des Holmes nach dem nächstfolgenden Abschnitt, um eine seitliche Biegung und eine axiale Verdrillung an diesem nächsten Abschnitt vorzunehmen, so daß eine Drehung des Holmes und eine Bewegung des Trägersystems vermieden werden. Der Nachteil besteht jedoch darin, daß der Holm einen zweiten Durchlauf durch das Bearbeitungssystem erfordert, um die Vertikalbiegung durchzuführen. Der Vorteil besteht darin, daß die Zykluszeit nicht durch die Einstellzeit beeinträchtigt wird, die das Trägersystem benötigt, um die Bewegung des Holmes zu kompensieren.

Das Verfahren der Formgebung umfaßt demgemäß eine Kombination von vier grundsätzlichen Schritten, nämlich:

1) eine Bewegung auf den Schienen von einer Stellung nach der nächsten;

2) eine Verdrillung;

3) eine 4-Punkt- und/oder 3-Punkt-Bearbeitung;

4) eine Formgebung in irgendeiner Achse vertikal oder seitlich oder in einer dazwischenliegenden Achse auf bestimmten Abschnitten, um eine seitliche Verzerrung zu vermeiden.

Das beschriebene System verformt ein Werkstück auf eine gewünschte Kontur, ohne eine übermäßige Belastung aufzubringen und ohne daß es erforderlich wäre, Einzelheiten über die ursprüngliche Kontur des Werkstückes oder seines Materials und die Steifheitseigenschaften zu kennen.

Nunmehr wird auf die zweite Ausführungsform der Vorrichtung Bezug genommen, die in den Fig. 18 bis 30 beschrieben ist. Die Vorrichtung umfaßt grundsätzlich eine Vier-Punkt-Biege-Bearbeitungsvorrichtung 201, durch die gesteuerte Deformationen auf einen Holm 202 über vier Klemmköpfe 203, 204, 205 und 206 aufgebracht werden, welch letztere den Kern des Bearbeitungssystems bilden. Der Übersichtlichkeit wegen ist der Holm allgemein nur als Mittellinie dargestellt; denn typische Formen des Holmes wurden bereits oben eingehend diskutiert.

Die Bearbeitungsvorrichtung weist außerdem einen konstruktiven Aufbau 207 mit einem Hauptrahmen 208 auf, an dem die Klemmköpfe 203 und 204 schwenkbar gelagert sind, und es ist ein Schwingrahmen 209 vorgesehen, an dem die Klemmköpfe 205 und 206 schwenkbar gelagert sind. Der Schwingrahmen 209 bewirkt eine schwenkbare Lagerung um eine Vertikalachse 210 gegenüber dem Trägeraufbau 211, der seinerseits schwenkbar um eine vertikale Achse 212 gegenüber dem Hauptrahmen 208 gelagert ist. Die Schwenklagerung der Klemmköpfe 203 und 206 gegenüber ihren Rahmen 208 und 209 erfolgt über Verbindungslenker 213, was deutlicher in Verbindung mit Fig. 30 ersichtlich ist. Jeder Traglenker weist eine obere und eine untere Schwenkbefestigung 214 an den entsprechenden Rahmenteilen auf, die oberen und die unteren Arme 215 erstrecken sich nach innen und enden in Gelenkzapfenlagern 216 für die jeweiligen Klemmköpfe 203 und 206. In der Gelenkzapfenlagerung befindet sich eine Federzentrieranordnung 217. Die Schwenklagerung der Klemmköpfe 204 und 205 ist deutlicher aus Fig. 29 ersichtlich, die, obgleich sie speziell den Klemmkopf 204 zeigt, eine Ähnlichkeit mit den Mitteln der Schwenkbefestigung aufweist, durch die obere und untere Arme 218 mit Schwenkbefestigungen 219 für die Lager 220 vom Klemmkopfgehäuse vorstehen. Die Lagerarme 221 und 222 an den entsprechenden Rahmen 208 und 209 bilden eine Schwenkbefestigung für zwei Linearantriebe 223. Die inneren Klemmköpfe 204 und 205 sind durch zwei lineare Versetzungswandler miteinander verbunden, deren Funktion später definiert wird.

Jeder der Klemmköpfe weist ein äußeres ringförmiges Klemmkopfgehäuse 224 mit einer inneren Ringlagerfläche 225 auf, die mit einem inneren Klemmkopfteil 226 zusammenwirkt, der in einem Winkel von 200º verdrehbar ist. Eine nicht dargestellte Scheibenbremsverriegelung schafft die Möglichkeit, daß jeder Klemmkopf gegen Drehung in jeder Winkelstellung blockiert werden kann. Der Klemmkopf 204 wird durch einen Kraftantrieb mittels eines Zahnkranzes 227 verdreht, der am inneren Klemmkopfteil angeordnet ist und mit einem Torsionsgetriebe 228 in Verbindung steht, das durch einen Torsionsmotor 229 angetrieben wird. Dies ist in Fig. 29 dargestellt, wo auch eine typische Anordnung einer Holmklemmvorrichtung dargestellt ist, die bei jedem Klemmkopf anwendbar ist und Klemmblöcke 230 bzw. 231 aufweist, die an Klemmkeilen 232 und 233 angreifen, die jeweils von Klemm- Kolbenantrieben 234 und 235 betätigt werden. In dieser Figur sind abgewandelte Holmquerschnitte dargestellt, und ein I-Querschnitt 36 und 37 ist nur dargestellt, um die Stelle anzuzeigen, die der Holm relativ zu den Klemmen einnehmen würde. Fig. 25 zeigt typische Anordnungen der Klemmblöcke relativ zu einem im Querschnitt I-förmigen Holm, bevor das Einklemmen erfolgt.

Das Bearbeitungssystem verformt jeweils nur ein kurzes Stück des Holmes. Da die Gesamtlänge eines Holmes mehr als 15,25 m (50 Fuß) betragen kann, muß das Bearbeitungssystem in der Lage sein, sich relativ zu dem Holm so zu bewegen, daß die endgültige Form des Holmes in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Schritten erhalten wird. Nunmehr wird eine typische Holmbearbeitungsanlage unter Bezugnahme auf die Fig. 22 und 23 beschrieben, wobei die Vier-Punkt- Bearbeitungsvorrichtung 201 auf einem angetriebenen Drehtisch 239 montiert ist, der in einem Basisteil 240 untergebracht ist, welcher auf den am Boden montierten Schienen 241 läuft, die querverlaufende Rahmen aufweisen. So wird die Bearbeitungsvorrichtung relativ zu dem installierten Holm 202 bewegt, wie dies in Fig. 23 in zwei Stellungen beispielsweise dargestellt ist. Weil die Bearbeitungsvorrichtung einen kleinen Abschnitt des Holmes ergreift (im typischen Fall 1,2 m (50 Zoll)), muß ein Holmträgersystem eine Anzahl von im Abstand zueinander liegenden Tragständern 242 aufweisen. Ein typischer Ständer ist in Fig. 26 dargestellt. Er weist eine vertikale Säule 243 und einen Auslegerarm 244 auf, der, wie aus Fig. 27 und 28 ersichtlich, eine konvexe Oberfläche 245 mit gegenüberliegenden Führungsrollen 246 aufweist, damit der Holm sich seitlich mit minimaler Reibung bewegen kann. Um die Bewegung des Holmes zu kompensieren, wenn dieser bearbeitet wird, muß der Arm sich anheben und absenken können, und dies geschieht durch einen Antrieb 247, der benachbart zur vertikalen Säule 243 angeordnet ist. Außerdem weist der Arm Gelenke 248 auf, die den Ständer beim Durchlaufen der Bearbeitungsvorrichtung seitlich nach einer Seite schwenken lassen. Schließlich ist ein Verankerungsarm 249 (Fig. 22 und 23) vorgesehen, der eine axiale Festlegung des Endes des bearbeiteten Holmes bewirkt, um eine Längsversetzung zu verhindern, wenn die Bearbeitungsvorrichtung verschoben wird. Dieser Arm ist gelenkig und faltbar, um Änderungen der Holmposition folgen zu können, die von der Bearbeitung herrühren. Nunmehr wird das Verfahren zur Bearbeitung des Holmes beschrieben, um diesen auf die gewünschte Gestalt zu verformen.

Die Steuerung der Anlage erfolgt durch einen Computer, dessen Hauptaufgabe die Steuerung des Bearbeitungssystems ist. Der Computer hat einen Zugriff zu einem Daten-File, das Holmkonturdaten enthält, die die erforderliche Gestalt über den vollen Bereich des Holmes beschreiben.

Weil der Holm eine unbekannte Kontur aufweist, wenn er anfänglich in die Anlage eingeführt wird, muß er gemessen werden, so daß das Steuersystem in der Lage ist, die Verformungen zu berechnen, denen der Holm unterworfen werden muß, um von seiner anfänglichen Gestalt in die erforderliche Kontur überführt zu werden. Wie oben erwähnt, kann die Ausgangskontur durch eine Zahl von Faktoren bestimmt werden, wobei einer der wichtigsten der Verzerrungsfaktor ist, der von der spanabhebenden Bearbeitung herrührt, und dieser Faktor ist nicht gleich, selbst bei einer Reihe von identischen Holmformen. Um dies zu berücksichtigen, sind Sensoren an den inneren Klemmköpfen 204 und 205 angeordnet, um die Kontur des installierten Holmes zwischen diesen Köpfen zu messen. Demgemäß kann durch Festklemmen auf den inneren Köpfen die ursprüngliche Gestalt gemessen und dem Steuersystem zugeführt werden.

Durch Kenntnis der Ausgangskontur und der erforderlichen Kontur bestimmt das Steuersystem den Konturfehler und übt Biegebelastungen oder Verdrillbelastungen auf den Holm aus, damit die erforderliche Kontur zustande kommt.

Weitere Sensoren sind auf jedem der vier Klemmköpfe montiert, um die aufgebrachte Last (sowohl was die Biegung anbetrifft, als auch was die Verdrillung anbetrifft) zu messen und die Verformung zu steuern.

Das Steuersystem steuert auch das Trägersystem und das Positionierungssystem.

Die Verformung der Holme wird dadurch bewirkt, daß gesteuerte Deformationen des Holmes über die vier Klemmköpfe 203, 204, 205 und 206 bewirkt werden. Die Vier-Punkt- Biegung wird dadurch erreicht, daß die beiden Linearantriebe 223 betätigt werden, was bewirkt, daß ein Kopfpaar 205 und 206 eine seitliche Deformation gegenüber dem anderen Paar 203 und 204 bewirkt. Die Vier-Punkt-Biegung repräsentiert die ideale Anordnung, und eine Drei-Punkt-Biegung kann nur an den Holmenden erreicht werden, indem einer der äußeren Köpfe 203 oder 206 freigegeben wird, wodurch Biegebelastungen über nur drei Klemmköpfe zugeführt werden. Die beiden Versetzungswandler 238 messen die Änderung im Radius des Holmes, wenn dieser gebogen wird.

Jeder Klemmkopf kann sich in seinem Ringlager 225 drehen, so daß der Holm über 90º indiziert werden kann. So kann sowohl eine seitliche als auch eine vertikale Biegung auf den Holm durch das Bearbeitungssystem aufgebracht werden, obgleich dieses eine Deformation nur in der seitlichen Ebene ermöglicht. Weiter wird eine Verdrillung des Holmabschnitts dadurch erreicht, daß der innere Klemmkopf 205 verriegelt und der andere innere Kopf 204 mittels des Drehmomentmotors verdreht wird, der in Antriebsverbindung mit dem Zahnkranz 227 steht. Die äußeren Köpfe 203 und 205 können sich frei drehen, so daß die auf den Holmabschnitt ausgeübte Torsionsbelastung auf die Länge zwischen den inneren Köpfen begrenzt ist.

Wenn ein gerader Holm auf einen bestimmten Radius gebogen wird, dann vermindert sich der wirksame Abstand zwischen den Enden des Holmes, wodurch sich ein scheinbarer "Einzieh"- Effekt ergibt. Wenn man dies nicht berücksichtigt, kann dies zu hohen axialen Belastungen innerhalb des Holmes führen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß eine gewisse Schwimmbewegung in den jeweiligen Gelenklagern 216 an den äußeren Köpfen 203 und 206 zugelassen wird, wobei diese Bewegung unter Federbelastung mittels einer Zentrierfederanordnung 217 erfolgt.

Die Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der Holmdeformationsanlage ist im Prinzip die gleiche wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel und wird daher nicht im einzelnen wiederholt.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Formen von langgestreckten Konstruktionsbauteilen, beispielsweise zum Formen eines Holmes, auf eine vorbestimmte Kontur, wobei die Vorrichtung die folgenden Teile umfaßt:

- mehrere Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58), die an einem Abschnitt des Bauteils angreifen;

- Antriebsvorrichtungen (60, 62; 94), um die Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) relativ zueinander zu bewegen und den zwischen den Einspannstellen befindlichen Abschnitt im Sinne einer Verdrillung und wenigstens einer Biegung zu deformieren;

- Kontursensoren (64, 75) zur Aufnahme von Daten, die die Kontur des langgestreckten Konstruktionsbauteils repräsentieren, und

- eine Steuereinrichtung (16) mit Mitteln zum Speichern von Daten, die repräsentativ sind für die vorbestimmte Kontur und zur Steuerung der Antriebsvorrichtungen (60, 62; 94), um eine Last- oder Versetzungszunahme dem Abschnitt des langgestreckten Konstruktionsbauteils gemäß der vorbestimmten Kontur aufzuprägen, dadurch gekennzeichnet, - daß die Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) zwei Klemmköpfe (44, 56) aufweisen, von denen jeder Klemmmittel (80, 82, 84, 86, 88, 90, 92) besitzt, die eine stationäre Klemmung des erfaßten Abschnitts des Bauteils relativ zu den Bearbeitungsköpfen (44, 52; 56, 58) während der Verdrillungs- oder Biegedeformation bewirken;

- daß die Kontursensoren (64, 75) den Bearbeitungsköpfen (44, 52; 56, 58) zugeordnet sind, um Daten zu liefern, die der Kontur dieses Zwischenabschnitts entsprechen;

- daß Lastsensoren (106, 108) den Bearbeitungsköpfen (44, 52; 56, 58) zugeordnet sind, um Daten zu liefern, die der Belastung entsprechen, die auf den Zwischenabschnitt ausgeübt wird, und

- daß die Steuereinrichtung (16) Mittel aufweist, um aus den Ausgängen der Kontursensoren (64, 75) und der Lastsensoren (106, 108) die permanente Deformation zu bestimmen, die der Zwischenabschnitt erfahren hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Klemmköpfe (44 und 56) jeweils aufschwenkbaren Rahmen (42, 42') gelagert sind und die Antriebsvorrichtung (60, 62) eine relative Schwenkbewegung der Rahmen (42, 42') bewirkt und eine Biegedeformation auf den erfaßten Abschnitt des Bauteils ausübt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welcher die Antriebsvorrichtung (94) eine relative Drehung der Klemmköpfe (44, 56) bewirkt und dem Bauteil eine Verdrillungsdeformation aufprägt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Lastsensor Belastungswandler (106) aufweist, die jeweils einem Klemmkopf (44, 56) zugeordnet sind, um die Last zu bestimmen, die auf die Köpfe übertragen bzw. von diesen abgestützt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zwei äußere Reaktionsköpfe (58, 52) in Längsrichtung im Abstand auf beiden Seiten der Klemmköpfe (44, 56) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, in Abhängigkeit von Anspruch 2, bei welcher jeder Reaktionskopf (58, 52) von einem Seitenteil (48, 50, 48' 50') getragen wird, der jeweils an einem der Schwenkrahmen (42, 42') angelenkt ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6, bei welcher jeder Reaktionskopf (58, 52) eine Schwimmplatte (113) mit einer Öffnung (116) aufweist, die allgemein dem Querschnitt des zu deformierenden Bauteils entspricht, wobei die Platte (113) in einer Ebene allgemein quer zur Längsachse des zu deformierenden Bauteils beweglich ist, und eine Klemmvorrichtung (110, 120, 122) vorgesehen ist, um die Platte (113) an einer gegebenen Stelle festzuklemmen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Platte (113) eine drehbare Scheibe (115) aufweist, die die Öffnung (116) definiert, wodurch der Bauteil relativ zu dem Reaktionskopf (58, 52) gedreht werden kann.

9. Verfahren zum Formen eines langgestreckten Konstruktionsbauteils, beispielsweise eines Holmes, auf eine vorbestimmte Kontur, mit den folgenden Schritten:

- Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) wirken auf im Abstand zueinander liegende Abschnitte des Bauteils ein;

- die Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) werden derart betätigt, daß eine Verdrillungsdeformation und wenigstens eine Biegungsdeformation des Zwischenabschnitts des Bauteils gemäß der gewünschten Kontur erfolgt;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren außerdem die folgenden Schritte aufweist:

- es wird wenigstens ein Teil der Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) stationär an dem Bauteil festgeklemmt, um an einem stationären Zwischenabschnitt anzugreifen;

- es wird die Kontur des stationären Zwischenabschnitts bestimmt;

- es wird der stationäre Zwischenabschnitt einer Belastungszunahme oder einer Versetzungszunahme gemäß der vorbestimmten Kontur unterworfen;

- es wird die Belastung und Deformation überwacht, um plastische Komponenten der auf den Zwischenabschnitt aufgebrachten Deformation auszuschalten, und

- es wird weiter eine Belastung oder Versetzung eingeführt, um eine plastische Deformation gemäß der vorbestimmten Kontur zu bewirken.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem nach jeder Aufbringung einer Last oder Versetzung die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- es werden die Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) freigesetzt, und einer der Bearbeitungsköpfe (44, 52; 56, 58) wird mit dem Bauteil relativ zu dem anderen Kopf verschoben;

- und es wird die Verklemmung, Konturbestimmung, Deformation, Überwachung, weitere Deformation, Freigabe und Vorschub wiederholt, bis das Bauteil die vorbestimmte Kontur aufweist.







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