DE19843416A1 - Spannvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum lösbaren Festspannen von Bauteilen (50, 51), insbesondere von zwei oder mehr miteinander unter Vakuum zu verschweißenden Bauteilen, wie beispielsweise Boostersegmente einer Rakete. Die Spannvorrichtung umfaßt mehrere Spanneinheiten (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) mit jeweils einer verschiebbar gelagerten, durch ein Vorspannmittel (5) vorgespannten Spannbacke (6) zum Festlegen des zu spannenden Bauteils (50, 51) und einem mit der Spannbacke verbundenen Zurückziehelement (7). Außerdem ist für die Spanneinheiten einer Ebene ein gemeinsames Steuerungsteil (8a, 8b) vorgesehen, das mit den jeweiligen Zurückziehelementen (7) der Spanneinheiten derart mechanisch gekoppelt ist, daß bei einer Bewegung des Steuerungsteils (8a, 8b) um einen vorbestimmten Verstellweg die Zurückziehelemente (7) und damit die hiermit verbundenen Spannbacken (6) gegen die Vorspannkraft des jeweils zugehörigen Federmittels (5) verfahren werden.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum lösbaren Festspannen von Bauteilen, insbesondere von zwei oder mehr miteinander unter Vakuum zu verschweißenden Bauteilen, wie beispielsweise Boostersegmente einer Rakete. Die Spannvorrichtung ist auch zum Spannen von Rohrsegmenten unterschiedlichster Baugröße einsetzbar, und zwar sowohl in der Atmosphäre wie auch im Vakuum.

Stand der Technik

Um größere Werkstücke bzw. Bauteile miteinander verschweißen zu können, müssen die zum Schweißen bestimmten Stoßflächen der Bauteile exakt zueinander ausgerichtet und gespannt werden. Vor allem bei zylinderförmigen Bauteilen, wie beispielsweise Boostersegmenten einer Rakete, ist das derartige Spannen der Bauteile mit einem sehr hohen Aufwand verbunden.

Insbesondere ist es dann schwierig, eine geeignete Spannvorrichtung bereitzustellen, wenn ein Strahlschweißverfahren, wie beispielsweise ein Elektronenstrahlschweißverfahren, eingesetzt wird. Es handelt sich hierbei um energiereiche gebündelte Strahlung, die bei ihrem Auftreffen auf bzw. Eindringen in das Werkstück die für den Schweißprozeß erforderliche Wärme erzeugt.

Das insbesondere für schweißempfindliche Werkstoffe sehr zweckdienliche Elektronenstrahlschweißen findet im Vakuum statt, da bei normaler Atmosphäre hohe Energieverluste durch Ionisation der Luft auftreten. Somit ist bei der Durchführung des Elektronenstrahlschweißverfahrens entweder die Schweißfuge unter Vakuum abzuschließen, oder die gesamte Spannvorrichtung mit den zu verschweißenden Bauteile in einer Vakuumkammer unterzubringen. Erstere Lösung ist hinsichtlich der Abdichtung der Bauteile äußerst aufwendig und zu unsicher. Damit kommt grundsätzlich nur letzteres in Frage. In diesem Fall sind aber an die Spannvorrichtung sehr spezielle Anforderungen gestellt. So sollte bei einer unter Vakuum arbeitenden Spannvorrichtung beispielsweise die Verwendung von Hydrauliköl möglichst vermieden werden, da dieses bei einem Austritt aus einer Hydraulikleitung in der Vakuumkammer zu Störungen und eventuell zu Beschädigungen führt. Zwar sind vakuumtaugliche Hydrauliköle erhältlich, aber diese Spezialöle sind äußerst teuer, so daß hierdurch die Gesamtkosten für die Spannvorrichtung übermäßig steigen würden. Außerdem würden gleichfalls die Betriebskosten steigen. Und es versteht sich von selbst, daß mit zunehmender Anzahl von Dichtungen in einem solchen Hydrauliksystem die Gefahr für eine Ölleckage steigt. Für sehr teuere Bauteile, die mit einer solchen Spannvorrichtung zu spannen sind, ist dieses Risiko aber aufgrund der beschriebenen Folgen nicht akzeptabel.

Unter Berücksichtigung der geschilderten Sachlage hat man für miteinander zu verschweißende Boosterbauteile daran gedacht, an sich bekannte, ihrer Größe und Form den zu spannenden Bauteilen angepaßten Spannbacken in der passenden Anzahl einzusetzen, die jeweils durch Federkraft gegen einen Festanschlag zum Spannen der Bauteile verfahrbar sind. Beim Spannen werden die Bauteile um einen definierten Betrag gedehnt. Dieser Dehnungsweg ist eben durch die Festanschläge festzulegen. Um diese Spannbacken zu entlasten bzw. zu lösen, hat man zuerst in Erwägung gezogen, ein abgeschlossenes Hydrauliksystem einzubauen, mit dem eine zum Lösen der einzelnen Spannbacken gegen die jeweilige Federkraft geeignete Gegenkraft aufgebracht werden könnte. Da aber die Spannvorrichtung sowohl in normaler Atmosphäre wie auch aus den genannten Gründen im Vakuum funktionieren soll, hat man aufgrund möglicher Leckverluste von diesem Lösungsansatz wieder Abstand genommen.

Nach eingehenden Untersuchungen des Problems ist man dann schließlich dahin gelangt, jede Spannbacke mit Hilfe eines zugehörigen Motors (insbesondere einem Schrittmotor) und einem geeigneten Spindeltrieb auszustatten, um gegen die Federkraft eines Vorspannmittels die einzelnen Spannbacken zu lösen. Dieser Lösungsansatz ist jedoch dahingehend problematisch, daß an die Steuerung der einzelnen Motoren sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Diese Lösung wäre außerdem teuer und technisch sehr aufwendig, da bei größeren zu spannenden Bauteilen, wie den eingangs erläuterten Boostersegmenten einer Rakete, eine Vielzahl derartiger Motoren mit zugehörigen Spindeltrieben notwendig wären. Darüberhinaus ist der Elektronenstrahl der Elektronenstrahlschweißeinrichtung gegenüber elektromagnetischen Feldern sehr empfindlich. Durch in der Nähe der Schweißeinrichtungen angeordnete Motoren könnte der Strahl möglicherweise unkontrolliert abgelenkt werden, was zur Folge hätte, daß die Schweißung fehlerhaft durchgeführt würde. Derartige Schweißfehler könnten wiederum zu einem Ausschuß der Bauteile führen, was aufgrund der im Boosterbau sehr teueren Segmente aber nicht akzeptabel wäre.

Darstellung der Erfindung

Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, eine zuverlässige und auch im Vakuum einsetzbare Spannvorrichtung zum lösbaren Festspannen von Bauteilen bereitzustellen.

Dieses technische Problem wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, für mehrere Spanneinheiten, die auf dem Funktionsprinzip basieren, einen Spannbacken mittels eines geeigneten Vorspannmittels - insbesondere gegen einen inneren Festanschlag bei definierter Dehnung des zu spannenden Bauteils - vorzuspannen, ein gemeinsames mechanisches Steuerungsteil vorzusehen, das mit den in der Anzahl den zu spannenden Bauteilen angepaßten Spanneinheiten kinematisch gekoppelt ist. Die kinematische Kopplung zwischen den Spanneinheiten und dem gemeinsamen Steuerungsteil erfolgt derart, daß die Spannbacken durch Bewegen des Steuerungsteils gegen die Vorspannkraft des jeweiligen Federmittels verfahrbar sind. Damit wird erreicht, daß trotz der Vielzahl an Spannbacken, die zum Spannen größerer Bauteile notwendig sind, lediglich ein Steuerungsteil betätigt werden muß. Durch die Betätigung des Steuerungsteils kann entweder ein Lösen oder ein Spannen der Spannbacken erfolgen; dies hängt davon ab, wie die Spannbacken vorgespannt sind. Entweder ist die Ruhestellung gleich die Spannstellung, oder die Ruhestellung der Spannbacken ist gleich der Lösestellung.

Durch die mechanische Kopplung des Steuerungsteils mit den Spannbacken über mit den Spannbacken verbundene Zurückziehelemente ist auch der Einsatz von aufwendigen Motoren oder des im Vakuum äußerst gefährlichen Hydrauliköls nicht notwendig.

Durch die mechanisch-kinematische Kopplung des Steuerungsteils und der jeweiligen Zurückziehelemente der Spannbacken können beispielsweise auch die Verfahrwege einzelner Spannbacken individuell eingestellt werden, obwohl ein gemeinsames Steuerungsteil für mehrere Spanneinheiten ausreichend ist.

Vorteilhafterweise erfolgt die mechanische Kopplung des Steuerungsteils und der jeweiligen Zurückziehelemente über eine Kurvensteuerung. Unter Kurvensteuerung sind hier alle zur Erzielung von Weg- und Geschwindigkeitsverläufen dienenden Kurvengetriebe zu subsumieren. So kann beispielsweise das Schieben mit Hilfe einer Trommelkurve geeignet sein, d. h. es würde in der vorliegenden Erfindung ein Formschluß zwischen dem Steuerungsteil, das als Trommelkurve ausgebildet ist, und den jeweiligen Zurückziehelementen vorhanden sein. Auch ein Schieben mit einer Scheibenkurve, die auf dem Steuerungsteil ausgebildet ist, wäre denkbar. Ferner ist ein Schwenken mittels einer Trommelkurve oder einem Außenprofil wie auch ein Schwenken mit einer Scheibenkurve auf dem Steuerungsteil zweckdienlich.

Es hat sich herausgestellt, daß insbesondere ein Steuerungsteil sehr einfach und genau arbeitet, das eine Außenseite mit einem Kurvenprofil aufweist, durch das der mögliche Verfahrweg der einzelnen Zurückziehelemente der Spanneinheiten festlegbar ist. Das heißt, die Außenseite ist so gestaltet, daß bei Verdrehen oder Verschieben des Steuerungsteils die unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Kipphebels hiermit mechanisch gekoppelten Zurückziehelemente der einzelnen Spanneinheiten entsprechend verschoben werden. Damit sind bei entsprechender Gestaltung der Außenkontur des Steuerungsteils die einzelnen Spanneinheiten individuell verfahrbar.

Wie bereits erwähnt, kann das Steuerungsteil sowohl verschiebbar wie auch verdrehbar vorgesehen sein. Die verdrehbare Anordnung des Steuerungsteils ist für sehr kompakte Baueinheiten zweckdienlich. Eine verschiebbare Lösung bietet aber längere Verstellwege für die einzelnen Spanneinheiten bzw. die jeweiligen Spannbacken, insbesondere bei rund zu spannenden Bauteilen wie Boostersegmenten.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Steuerungsteil senkrecht zu den Zurückziehelementen verschiebbar ist. Es ist dann - wie bei der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Ausgestaltung - zweckdienlich, das Steuerungsteil in dem Mittelbereich aller auf einem Kreis angeordneten Spanneinheiten anzuordnen.

Durch die Zwischenschaltung eines Kipphebels zwischen den Zurückziehelementen und dem gemeinsamen Steuerungsteil sind je nach Ausgestaltung und der Länge der Hebel entsprechende Kraftübersetzungen zu erreichen. Da bei größeren Bauteilen durch die Federmittel größere Spannkräfte aufzubringen sind und diese größeren Vorspannkräfte (je Spanneinheit ungefähr 1600 daN) zum Lösen der Spannbacken überwunden werden müssen, müssen durch das Steuerungsteil und die Kipphebel auf die Zurückziehelemente entsprechend große Rückstellkräfte ausgeübt werden. Damit ist das Einsetzen von Kipphebeln sehr zweckdienlich. Ein Kipphebel ist dabei drehbar gelagert und an seinem einen Ende ist eine als Zurückziehelement wirkende Zug- oder Druckstange gelenkig gelagert, das andere Hebelende liegt an der profilierten Außenseite des Steuerungsteils an.

Eine technisch relativ einfache und robuste wie auch zuverlässige Kostruktion sieht vor, daß jede Spanneinheit einen verschiebbar gelagerten Kolben mit einer daran angebrachten Spannbacke umfaßt, in dem sich an einem feststehenden Abstützelement abstützend, ein Federmittel als Vorspannmittel befindet. Bei einer im Vakuum einzusetzenden Spannvorrichtung sind Federn jeglicher Bauart als Vorspannmittel geeignet. Zum Aufbringen hoher Federkräfte bei relativ kleinem Bauraum sind insbesondere als Vorspannmittel Tellerfederpakete für die einzelnen Spanneinheiten geeignet. Ist die Spannvorrichtung lediglich unter Normalatmosphäre zu betreiben, so können aber auch Hydraulikeinheiten zum Vorspannen der Spannbacken eingesetzt werden. Beispielsweise könnte dann über ein Steuerteil und die jeweiligen Zurückziehelemente der Spanneinheiten der jeweilige Spannbacken gegen die auf einen Kolben mittels eines Hydrauliköls ausgeübte Kraft in die Lösestellung verfahren werden. Diese bei normalen Umgebungsbedingungen denkbare Lösung hätte den Vorteil, daß auf die Spannbacken große Vorspannkräfte ausgeübt werden könnten; bei rohrförmigen Bauteilen damit aber auch eine große Dehnkraft.

Bei rund zu spannenden Bauteilen ist es sehr vorteilhaft, daß die Spanneinheiten gleichmäßig auf einem Kreis verteilt und koaxial zu einer Mittelsäule angeordnet sind. Die Steuereinrichtung wird in Form einer Schiebehülse an der Außenseite der Mittelsäule motorisch verschiebbar gelagert. Die Schiebehülse ist hierbei mit dem für jede Spanneinheit geeigneten Außenprofil zum Erzielen des notwendigen Rückstellweges gestaltet. Bei großen Durchmessern der zu spannenden Bauteile, beispielsweise 3 bis 4 Meter, ist damit eine gleichmäßige Verstellung der Schiebehülse um einen Verschiebeweg bei relativ geringem motorischem Aufwand erzielbar, wenn mehrere, in gleicher Teilung auf dem Kreisumfang angeordnete NC-Servomotoren, die im Gantry- Prinzip arbeiten, mittels Rollengewindetrieb die Schiebehülse verfahren. Mit Gantry-Prinzip ist gemeint, daß zur absolut synchronen Ansteuerung ein Motor als sogenannter Kopfmotor agiert und die anderen Motoren diesem Motor beim Verfahren "folgen". Damit wird zuverlässig verhindert, daß die Schiebehülse sich verkantet. Das Gantry-Prinzip an sich ist hinlänglich bekannt. Demzufolge erübrigen sich nähere Ausführungen hierzu.

Die Antriebsmotoren sind insbesondere mit Absolutgebern zur Hublagenrückmeldung und mit einer Haltebremse ausgeführt. Somit ist auch nach einem absoluten Stromausfall beim Wiedereinschalten die genaue Position bekannt. Als Antriebsmotoren können vorteilhafterweise Motoren jeglicher Bauart eingesetzt werden, da die Motoren nicht in der Vakuumkammer angeordnet sind, sondern im Innern der Mittelsäule, in der Atmosphärendruck herrscht. Es sind also keine teueren Spezialmotoren erforderlich.

Sind mehrere zylinderförmige Segmente miteinander zu verschweißen, so ist es sehr vorteilhaft, daß die Spanneinheiten gleichmäßig auf einem Kreis verteilt an der Mittelsäule angeordnet sind und jeweils an der Mittelsäule mehrere Ebenen mit kreisförmig angeordneten Spanneinheiten gebildet sind. Jeweils eine motorisch verschiebbare Verschiebehülse ist dabei den Spanneinheiten wenigstens einer Ebene zugeordnet. Somit ist es möglich, beispielsweise zwei Ebenen aus Spanneinheiten einer Schiebehülse zuzuordnen, so daß, wie beim Ausführungsbeispiel, zuerst eine obere Ebene aus Spanneinheiten ent- oder gespannt wird und dann nach weiterem Verschieben der Schiebehülse die untere Ebene aus Spanneinheiten.

Eine für bestimmte Einsatzzwecke sehr vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß die Spannbacken der Spanneinheiten wenigstens einer Ebene - vorteilhafterweise der obersten Spannebene - um eine gewisse Weglänge in Axialrichtung der Mittelsäule verschiebbar sind. Damit ist, es möglich, auch bei mit diesen Spanneinheiten gespanntem Bauteil dieses Bauteil anzuheben und, wenn es notwendig ist, um einen Winkelversatz zu korrigieren, zusätzlich zu drehen. Alternativ kann auch das darunterliegende Bauteil gedreht werden, um die beiden Bauteile zueinander auszurichten.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Spanneinheiten mit axial verschieblich gelagerten Spannbacken über eine steuerbare und lösbare Reib- oder Formschlußverbindung mit der Schiebehülse koppelbar sind. Damit wird dann vermieden, daß sich das Bauteil während eines Anhebe- und Absenkvorgangs um einen Winkelbetrag verdrehen kann. Dies wäre ja bei den Spanneinheiten der obersten Spannebene grundsätzlich möglich, da diese mit der Mittelsäule über eine Wälzlagerung verbunden sind. Eine technisch einfache und zuverlässige Reibschlußverbindung umfasst vorteilhafterweise mehrere von der Schiebehülse radial nach aussen vorstehende Platten, die mit einem Ringflansch an den Spanneinheiten der obersten Spannebene in Anlage verfahrbar sind. D. h., durch eine geringe Veschiebung der Spannhülse gelangen die Platten und der Ringflansch in Reibschluss, dabei stehen aber die Kipphebel der einzelnen Spanneinheiten der obersten Spannebene noch nicht mit der Schiebehülse in Kontakt. Damit ist bei jeder Winkelstellung ein gegen radiales Verdrehen gesichertes An- und Absenken von gespannten Bauteilen möglich. Aber auch das Drehen der gespannten Bauteile zur Durchführung des Schweißvorgangs ist damit durchführbar. Bei gespannten Bauteilen ist dabei über die Kontur der Schiebehülse sichergestellt, daß zwischen den Kipphebeln der einzelnen Spanneinheiten und der zugehörigen Schiebehülse keine Berührung erfolgt. Damit ist das Drehen bei feststehender Mittelsäule und Schiebehülse nicht behindert.

Der Aufbau mit einer Mittelsäule und daran angeordneten Spanneinheiten ist für rund zu spannende Bauteile sehr vorteilhaft. Insbesondere ist er für die Unterbringung in einer geschlossenen Vakuumkammer sehr zweckmäßig. Hierbei ist es auch möglich, die Mittelsäule innen hohl auszubilden, so daß diese von innen trotz des außenseitigen Vakuums begehbar ist.

Wenn die Spanneinheiten auf einem Rahmen angeordnet sind, der wiederum auf einem Drehtisch lagert, können trotz feststehender Mittelsäule und nicht drehbaren Schiebehülsen die Spanneinheiten mit gespanntem Bauteil gegeneinander verdreht werden. Das ist sehr zweckdienlich, wenn bereits verschweißte Bauteile mit einem neu anzusetzenden Bauteil genau auszurichten sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden ist zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Vakuumkammer mit darin untergebrachter Spannvorrichtung zum Verschweißen von Boostersegmenten der Ariane-5- Rakete mittels eines Elektronenstrahlschweißverfahrens,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes der Spanneinheiten der Ebene E3 und E4 aus der Fig. 1 in entspanntem Zustand,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Spanneinheiten der Ebenen E1 und E2 in gespannten Zustand,

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes der Spanneinheiten der Ebene E3 und E4, ähnlich der Fig. 2 in gespanntem Zustand, wobei aber gegenüber der Darstellung in Fig. 2 eine Winkelverdrehsicherung an den Spanneinheiten der obersten Spannebene hinzugefügt ist,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Teil der Spanneinheiten der Spannebene E1 gemäß der Fig. 1 und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Verankerung einer Vakuumkammer und der Mittelsäule im Boden.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung

Wie aus der schematischen Längsschnittansicht gemäß der Fig. 1 ersichtlich, ist in einer Vakuumkammer 70 eine hohle, begehbare Mittelsäule 60 angeordnet. Diese Mittelsäule 60 ist mit einem Boden 61 ausgestattet, der als Stand für eine Bedienperson dient. Der begehbare Hohlraum in der Mittelsäule 60 wird über einen Lüftungskanal 62 be- und entlüftet.

An einem den Hohlraum abschließenden Deckenteil 63 der feststehenden Mittelsäule 60 sind insgesamt 12 Spanneinheiten 4a, 4b einer Spannebene E4 um die Symmetrieachse der Mittelsäule herum drehbar gelagert. Insgesamt sind in der vorliegenden Spannvorrichtung vier Spannebenen E1-E4 vorhanden, die jeweils durch 12 gleichmäßig auf einem Kreis angeordnete Spanneinheiten 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b und 4a, 4b gebildet sind. Jeder Ebene E1 bis E4 sind obere und untere Randbereiche von miteinander zu verschweißenden Bauteilen 50, 51 zugeordnet. Der Aufbau der jeweiligen Spanneinheiten wird später noch genauer erläutert.

Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung umfaßt also durch jeweils 12 Spanneinheiten gebildete Spannebenen E1-E4, die bis auf die Spanneinheiten 4a, 4b der Spannebene 4 an einem Rahmen 71 befestigt sind, der wiederum auf einem Drehtisch 72 um die Symmetrieachse der Mittelsäule 60 drehbar gelagert ist. Die Drehung des Drehtisches erfolgt über einen hier nicht dargestellten Motor und wird durch Wälzlager 73 ermöglicht.

Den Spannebenen E1 und E2 ist eine Schiebehülse 8b als Steuerungsteil für die jeweiligen Spanneinheiten 1a, 1b und 2a, 2b zugeordnet. Den Spannebenen E3 und E4 ist die Schiebehülse 8a zugeordnet. Beide Schiebehülsen 8a und 8b sind über NC-Servomotoren mittels Rollengewindetrieb und mit den jeweiligen Schiebehülsen 8a, 8b verbundenen Spindeltrieben axial verfahrbar. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung sind jeweils 3 NC-Servomotoren für die Spannhülse 8a und auch 3 NC-Servomotoren für die Spannhülse 8b in einem jeweiligen Abstand von 120° zueinander angeordnet. Damit sind die Schiebehülsen 8a und 8b gleichmäßig axial um den erforderlichen Stell- oder Verschiebeweg verfahrbar.

Wie insbesondere aus den Detaildarstellungen der Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind die Schiebehülsen 8a und 8b mit einer profilierten Außenseite 9, 10 versehen. Die profilierten Außenseiten 9, 10 besitzen somit im gezeigten Querschnitt verschiedene Außendurchmesser. An diesen Außenseiten 9, 10 liegen abrollend oder gleitend Außenenden von drehbar gelagerten Kipphebeln 11, 12, 13, 14 an. Die Kipphebel 11, 12, 13, 14 sind an ihren jeweiligen anderen Enden gelenkig mit Zugstangen 7 jeweiliger Spanneinheiten 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b verbunden.

Im weiteren wird nun lediglich der Aufbau der Spanneinrichtung 4b gemäß der Fig. 2 erläutert. Der beschriebene Aufbau ist aber im wesentlichen für alle anderen Spanneinrichtungen 1a bis 4a zutreffend. Lediglich die Ausbildung der Spannbacken 6 der verschiedenen Spanneinheiten verschiedener Ebenen E1-E4 unterscheidet sich in der zur Auflage des Werkstückes oder des Bauteils dienenden Außenkontur. Darüber hinaus sind die Spanneinheiten 4a und 4b der Spannebene E4 mit axial verschiebbaren Spannbacken 6 ausgestattet. Damit ist es möglich, auch bei gespanntem Bauteil das Bauteil um einen gewissen Betrag anzuheben bzw. abzusenken.

Die Spanneinheit 4b umfaßt einen radial in der Spannebene E4 verschiebbaren Kolben 20. Der Kolben 20 ist an seiner Außenseite mit der Spannbacke 6 verbunden. Das Innere des Kolbens 20 ist hohl und in diesem Hohlraum ist ein Tellerfederpaket 5 untergebracht, in dessen Mittelloch die Zugstange 7 angeordnet ist. Das Tellerfederpaket 5 stützt sich an einem Abstützelement, hier eine Abstützplatte 21, ab, die in einem Haltezylinder 22 befestigt ist. Somit wird durch das Tellerfederpaket 5 der Kolben 20 in der in Fig. 2 dargestellten Ansicht nach rechts gedrückt, und zwar gegen einen Festanschlag 23, der im Haltezylinder 22 als Absatz geformt ist.

Es ist selbstverständlich möglich, den Anschlag 23 auch als in Axialrichtung des Kolbens 20 einstellbaren Verstellanschlag vorzusehen, so daß eine Anpassung an verschiedene Durchmesser der zu spannenden Bauteile möglich ist. Beide Ausbildungen sind für die vorliegende Anmeldung unter dem Begriff "Festanschlag" zusammengefaßt.

Die Zugstange 7 ist über ein Kugelpfannengelenk 24 im Kolben 20 gelagert. Damit sind kleine Zugstangenauslenkungen aus der Symmetrieachse des Kolbens 20 ausgleichbar und es werden beim Verschieben des Kolbens 20 im Haltezylinder 22 keine Momente auf den Haltezylinder 22 übertragen. Die Zugstangen 7 sind, wie bereits eingangs erläutert, über ein Gelenk 25 mit den jeweiligen Kipphebeln 11 bis 14 drehbar verbunden. Wie aus der schematischen Querschnittsansicht gemäß der Fig. 4 ersichtlich ist, sind in mehreren Fenstern der Schiebehülse 8a radial nach außen vorstehende Platten 90 eingeschraubt. Ein Ringflansch 91 ist an den Haltezylindern 22 der Spanneinheiten 4a und 4b der Spannebene E4 angeschraubt. Der Ringflansch 91 besitzt eine Ringvorkragung 92, die zu den Plattenelementen 90 hin federnd vorsteht. Bei ganz nach unten verschobener Schiebehülse 8a gelangen die Plattenelemente 90 mit der federnden Ringvorkragung 92 in Reibschluß, so daß bei Anheben des Forward-Domes 50 in gespanntem Zustand durch die axial verschiebbaren Spannbacken 6 der Spanneinheiten 4a, 4b, der Spannebene E4 ein radiales Verdrehen des Forward-Domes 50 nicht möglich ist. Die weitere Ausgestaltung entspricht der Darstellung der Fig. 2. In der Darstellung gemäß der Fig. 4 sind lediglich die Spannbacken 3b und 4b in gespanntem Zustand gezeigt, und die Schiebehülse 8a ist derart verfahren, daß kein Kontakt zwischen den Kipphebeln 11 und 12 und der Außenkontur 9 der Schiebehülse 8a vorliegt.

In der Fig. 5 ist die kreisförmige Anordnung der Spanneinheiten 1b der Spannebene 1 gut erkennbar. Die in der Fig. 5 links dargestellten Spanneinheiten 1b sind in gespanntem Zustand gezeigt, d. h. die Spannbacken 6 sind nach außen verfahren, die Spanneinheiten auf der rechten Seite sind in zurückgefahrenem Zustand gezeigt, d. h. die Zugstangen 7 sind über hier nicht dargestellte Kipphebel radial einwärts gezogen. Wie aus dieser Darstellung gut ersichtlich ist, sind die Spannbacken 6 in verschweißten Rahmenteilen radial verschiebbar über Spannbackenführungszapfen 15 gehalten. Durch die jeweils zwei Spannbackenführungszapfen 15 einer Spannbacke 6 ist ein Verdrehen der Spannbacken 6 um die Achse der jeweiligen Zugstange 7 verhindert. Die einzelnen Spanneinheiten 1b sind in den verschweißten Rahmenteilen 15 eingesetzt. Ansonsten stimmt der Aufbau mit dem gemäß der Fig. 2 und der Fig. 4 überein.

Aus der Fig. 6 ist schließlich das spezielle Fundament für eine Vakuumkammer mit einer Spannvorrichtung der zuvor erläuterten Art ersichtlich. Um zu vermeiden, daß die Mittelsäule 71 mit dem Drehtisch 72 sich beim Fluten der Vakuumkammer verwindet oder in Schwingungen gerät, ist der gesamte Innenaufbau, d. h. die Mittelsäule 71 mit den daran angebrachten Spannvorrichtungen und dem Drehtisch 72 separat von der Grundplatte 30 der Vakuumkammer gelagert. Über mehrere Stützsäulen 31 ist die Mittelsäule im Boden 40 gehalten. Hierfür lagert jede Stützsäule 31 über einer Ankerschraube 42 im Boden. Die einzelnen Ankerschrauben 32 sind über einem Betonfundament 33 im Boden 40 eingebettet. Die Stützsäulen 31 sind gegenüber der Grundplatte 30 der Vakuumkammer 70 mittels Dichtungen abgedichtet.

Die Grundplatte 30 der Vakuumkammer ist in massiver Sandwich- Bauweise aufgebaut. Sie ist hier über 30 Ankerschrauben 32 im Boden 40 über jeweilige Betonfundamente 33 befestigt. Die Grundplatte 30 ist über eine umlaufende Profildichtung 34 gegenüber dem Vakuumkammermantel 74 abgedichtet.

Entgegen der Darstellung in der Fig. 1 ist der Zuluftkanal 62' für das Innere der Mittelsäule 71 koaxial zu deren Mittelachse angeordnet und durch die Grundplatte 30 geführt.

Im folgenden wird nun das Einbringen und Spannen eines ersten Boostersegmentes 51 und dann das Aufsetzen und Spannen eines zweiten Boostersegmentes erläutert. Besitzt das Boostersegment 51 eine Bauhöhe, die von der Spannebene E1 bis zur Spannebene E3 reicht, so werden zum Spannen dieses Boostersegmentes 51 die Spanneinheiten der Spannebene E1 und E3 verwendet. Die Spanneinheiten der Ebene E2 sind zwar auch gespannt, gelangen jedoch nicht mit der Innenwandung des Boostersegmentes 51 in Anlage. Ist das Boostersegment 51 nur so hoch, daß es mit den Spanneinheiten der Ebene E2 und E3 gehalten werden kann, so werden zum Spannen nur diese Spanneinheiten eingesetzt.

Durch Verfahren der Schiebehülse 8a und 8b mit Hilfe der zugeordneten Motoren 80 werden über die Kipphebel 11-14 die ganz nach außen verfahrenen Spannbacken 6 der Spanneinheiten 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b der Spannebene E1-E4 radial. nach innen verfahren. D. h., alle Spanneinheiten werden gelöst. Ein erstes Boostersegment 51 wird dann von oben her mittels eines hier nicht dargestellten Hebegeschirrs über die Mittelsäule 60 verfahren und abgelassen.

Daraufhin werden die Spanneinheiten 1a, 1b und 2a, 2b der Spannebenen E1 und E2 über die untere Schiebehülse 8b gespannt. Durch den axialen Verstellweg kann die Zurückstellung der an sich vorgespannten Spanneinheiten entsprechend eingestellt werden.

Nun wird die obere Schiebehülse 8a verschoben, wodurch die Spanneinheiten der Ebene E3 gespannt werden. Jetzt wird das zweite zylindrische Bauteil aufgesetzt. Sobald das Bauteil auf dem darunter befindlichen Bauteil aufsitzt, wird die Schiebehülse 8a weiter verfahren, so daß nun auch die Spanneinheiten der Ebene E4 sich spannen.

Wird nun ein Winkelversatz der miteinander zu verschweißenden Bauteile festgestellt, so werden die Spanneinheiten 4a, 4b der Spannebene E4 "abgeklemmt", so daß sich diese nicht verdrehen lassen und damit auch nicht das obere Bauteil. Das "Abklemmen" der Spanneinheiten 4a, 4b der Spannebene 4 erfolgt, wie bereits zuvor erläutert, dadurch, daß die Schiebehülse 8a ganz nach unten verfahren wird, so daß die Platten 90 an der Schiebehülse 8a mit der Ringvorkragung 92 des Ringflansches 91 in Anlage gelangen, wodurch ein Verdrehen der an sich verdrehbar gelagerten Spanneinheiten 4a, 4b der Spannebene E4 nicht mehr möglich ist. Das obere Bauteil wird nun um etwa 20 mm angehoben. Dabei können die Spannbacken 6 durch ihre axial verschiebbare Lagerung diesen Anhebevorgang mitmachen. Trotz des Hebevorgangs bleibt das obere Bauteil gespannt und in der gleichen Winkelstellung.

Zum Ausrichten wird nun der NC-Drehtisch 72 um den erforderlichen Winkelbetrag gedreht. Dann wird das obere Bauteil wieder abgesenkt. Nun sind die zwei Bauteile exakt winklig zueinander ausgerichtet. Um den Reibschluß zwischen den Platten 90 und der Ringvorkragung 92 des Ringflansches 91 zu lösen, wird die Spannhülse 8a um einen geringen Betrag nach oben verschoben. Dieser Verschiebebetrag reicht aus, um den Reibschluß zwischen den Plattenelementen 90 und der Ringvorkragung 92 zu lösen, jedoch ist er gering genug, um zu verhindern, daß der Kipphebel 11 mit der Außenkontur 9 der Schiebehülse 8a in Anlage gelangt. Somit ist in dieser Stellung das obere Bauteil exakt zum unteren Boostersegment 51 ausgerichtet. Diese werden dann unter Drehung des Drehtisches 70 mit den Schweißvorrichtungen 81 miteinander verschweißt.

Die miteinander verschweißten Boostersegmente werden über das hier nicht dargestellte Hebegeschirr abgesenkt und über die Spanneinheiten der Spannebenen E1 bis E3 gespannt. Dann wird der Forward-Dome 50 von oben her auf die entsprechend bearbeitete Stoßfläche des Boostersegmentes 51 aufgesetzt und zentriert.

Durch das Verfahren der Schiebehülse 8a in Axialrichtung nach unten können über die Kipphebel 11, 12 die Spanneinheiten 3a, 3b und 4a, 4b der Spannebene E3 und E4 radial nach außen verfahren werden, so daß die jeweiligen Spannbacken 6 sowohl das Boostersegment 51 wie auch den Dome 50 fest spannen. Das heißt, über die Spannbacken 6 erfolgt entsprechend der Stellung der zugehörigen Schiebehülsen 8a und 8b ein Zentrieren der aufgesetzten Bauteile und dann bei entsprechendem Verfahren der Spannhülsen 8a, 8b ein Spannen der zentrierten Bauteile.

Sobald das Boostersegment 51 und der Forward-Dome 50 zentriert und gespannt sind, erfolgt mittels elektronischer Schweißvorrichtungen 81 ein Verschweißen dieser Bauteile. Wie in der Fig. 1 gezeigt, erfolgt ein Schweißen sowohl von Außen wie auch von Innen. Dabei liegen die einzelnen Kipphebel 11-14 nicht an den Schiebehülsen 8a und 8b an.

Die hier gezeigte Spannvorrichtung ist zum Spannen und Verschweißen von mehr als zwei Bauteilen ausgebildet. Das heißt, zwei Boostersegmente 51 können verschweißt werden und dann hierauf ein Forward oder Aft-Dome oder ein weiteres Bauteil angeschweißt werden. Es wird hierzu mittels der Spanneinheiten der Ebenen E2 und E3 und E4 zwei Boostersegmente gespannt und verschweißt. Dann wird mittels eines nicht gezeigten Hebegeschirrs nach Entspannen der Spanneinheiten der Ebenen E2, E3 und E4 die verschweißten Bauteile auf die Spanneinheiten der Ebene E1 abgesenkt und wieder gespannt.

Dadurch, daß die Spannvorrichtung über die Spannebenen E1-E4 in mehrere Baugruppen unterteilbar ist, ist die Herstellung, der Transport und die Wartung wie auch Reparatur erleichtert. In betriebsfertigem Zustand sind die einzelnen Baugruppen miteinander zentriert und verschraubt.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform erfolgt das Lösen der Spanneinheiten 1a, 1b-4a, 4b über die zugehörigen Schiebehülsen 8a, 8b, deren Führungen bzw. Antriebe 80 an der Mittelsäule 60 ausgerichtet und befestigt sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, daß die Vorspannung über die Tellerpakete 5 so ausgestaltet ist, daß die Spannbacken in ihrer Lösestellung vorgespannt sind und über die Hebel 11-14 in ihre Festspannstellung verschoben werden können.

Es ist schließlich noch hervorzuheben, daß die Spannbacken 6 der Spannebenen E3 und E4 aus nicht magnetisierbarem Stahl, insbesondere der Werkstoffnummern 1.3941 oder 1.3964, ausgeführt sind, um ein Ablenken des Elektronenstrahls der Elektronenstrahlschweißvorrichtungen 81 zu verhindern.

Wie bereits zuvor erläutert, sind die Spanneinheiten 4a, 4b der Spannebene E4 an der Mittelsäule drehbar gelagert. Es ist somit möglich, ein durch die Spanneinheiten 4a, 4b festgespanntes Werkstück anzuheben, da die jeweiligen Spannbacken der Spanneinheiten der Ebene E4 in Axialrichtung der Mittelsäule 60 um einen Verfahrweg axial verschiebbar sind und hierbei das Werkstück festzuhalten. Es kann dann das untere Werkstück über den Drehtisch radial ausgerichtet werden und dann das obere Werkstück in festgespannter Position wieder abgesenkt werden. Damit ist die genaue Fixierung von oberem und unterem Werkstück möglich.

Claims (17)

1. Spannvorrichtung zum lösbaren Festspannen von Bauteilen (50, 51), insbesondere von zwei oder mehr miteinander unter Vakuum zu verschweißenden Bauteilen, wie beispielsweise Boostersegmente einer Rakete, mit

• 1. mehreren Spanneinheiten (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b), mit jeweils
  • 1. einer verschiebbar gelagerten, durch ein Vorspannmittel (5) vorgespannten Spannbacke (6) zum Festlegen des zu spannenden Bauteils (50, 51),
  • 2. einem mit der Spannbacke (6) verbundenen Zurückziehelement (7),
• 2. einem für die Spanneinheiten gemeinsamen Steuerungsteil (8a, 8b), das mit den jeweiligen Zurückziehelementen (7) derart mechanisch gekoppelt ist, daß bei einer Bewegung des Steuerungsteils (8a, 8b) um einen vorbestimmten Verstellweg die Zurückziehelemente (7) und damit die hiermit verbundenen Spannbacken (6) gegen die Vorspannkraft des jeweils zugehörigen Federmittels (5) verfahren werden.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsteil (8a, 8b) und die jeweiligen Zurückziehelemente (7) über eine Kurvensteuerung (9, 11, 12; 10, 13, 14) miteinander gekoppelt sind.

3. Spannvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückziehelemente (7) jeweils direkt oder unter Zwischenschaltung eines Kipphebels (11, 12, 13, 14) mit dem Steuerungsteil (8a, 8b) gekoppelt sind.

4. Spannvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsteil (8a, 8b) senkrecht zu den Zurückziehelementen (7) verschiebbar ist.

5. Spannvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsteil gegenüber den zugehörigen Zurückziehelementen verdrehbar ist.

6. Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsteil (8a, 8b) an seiner den Zurückziehelementen (7) zugewandten Außenseite (9) mit einem Kurvenprofil versehen ist, durch das der mögliche Verfahrweg der einzelnen Zurückziehelemente (7) der Spanneinheiten (8a, 8b) festlegbar ist.

7. Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zurückziehelemente Zug- oder Druckstangen (7) sind, die direkt oder jeweils unter Zwischenschaltung eines Kipphebels (11, 12, 13, 14) mit der Außenseite (9) des Steuerungsteils (8a, 8b) jeweils hinsichtlich ihres Verfahrwegs steuerbar sind.

8. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spanneinheit (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) ein verschiebbar gelagerten Kolben (20) mit einer daran angebrachten Spannbacke (6) umfaßt, in dem sich, an einem feststehenden Abstützelement (21) abstützend, ein Federmittel (5) als Vorspannmittel befindet.

9. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorspannmittel jeweils ein Tellerfederpaket (5) vorgesehen ist.

10. Spannvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinheiten (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) gleichmäßig auf einem Kreis verteilt an einer Mittelsäule (60) angeordnet sind und die Steuereinrichtung in Form einer Schiebehülse (8a, 8b) an der Außenseite der Mittelsäule (60) motorisch verschiebbar gelagert ist.

11. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mittelsäule (60) mehrere Ebenen (E1, E2, E3, E4) mit kreisförmig angeordneten Spanneinheiten gebildet sind und eine motorisch verschiebbare Schiebehülse (8a, 8b) den Spanneinheiten (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) wenigstens einer Ebene (E1, E2, E3, E4) zugeordnet ist.

12. Spannvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (6) wenigstens einer Ebene (E1, E2, E3, E4) um eine gewisse Weglänge in Axialrichtung der Mittelsäule (60) verschiebbar sind.

13. Spannvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spanneinheiten (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) wenigstens einer Ebene (E1, E2, E3, E4) gemeinsam um die Mittelachse der Mittelsäule (60) verdrehbar sind.

14. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusammen mit der Mittelsäule (60) in einer geschlossene Vakuumkammer (70) plaziert ist.

15. Spannvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelsäule (60) innen hohl und begehbar ist.

16. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Steuerungsteil (8a) mehrere Platten (90) verteilt befestigt sind, die durch Verfahren des Steuerungsteils (8a) mit den Spanneinheiten (4a, 4b) in Reibschluß bringbar sind.

17. Spannvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß an den jeweiligen Spanneinheiten (4a, 4b), die an einer Mittelsäule um deren Mittelachse drehbar gelagert sind, ein Ringflansch (91) befestigt ist, der mit den Platten (90) an dem Steuerungsteil (8a) in Reibschlußverbindung bringbar ist.