-
Die Erfindung betrifft ein Werkzeughandhabungssystem
für eine
Werkzeugmaschine, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.
-
Bei Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren
zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken werden eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeughandhabungssysteme
für die
automatische Bereitstellung und Auswechslung von Werkzeugen eingesetzt.
In der Regel weisen derartige Werkzeughandhabungssysteme ein oberhalb
oder seitlich des Arbeitsbereichs der Werkzeugmaschine angeordnetes
Werkzeugmagazin zur Bereitstellung der für die Bearbeitung erforderlichen
Werkzeuge auf. Der Werkzeugwechselvorgang zum Austausch der Werkzeuge
zwischen dem Werkzeugmagazin und der Werkzeugspindel kann auf unterschiedliche
Weise erfolgen. So sind z.B. sogenannte Pick-up-Systeme bekannt,
bei denen sämtliche
Verfahrbewegungen zur Entnahme und Übergabe der Werkzeuge von der Werkzeugspindel
durchgeführt
werden. Hierzu muß die
Werkzeugspindel zunächst
in eine Übergabestellung
am Werkzeugmagazin verfahren werden, um dort ein auszuwechselndes
Werkzeug abzulegen. Anschließend
muß dann
das Werkzeugmagazin derart positioniert werden, daß ein für den nächsten Bearbeitungsschritt
benötigtes
Werkzeug in die Übergabeposition
gelangt. Das neue Werkzeug kann dann durch entsprechende Verfahrbewegungen
der Werkzeugspindel aus dem Werkzeugmagazin entnommen werden. Um
bei derartigen Pick-up-Systemen einen schnellen Werkzeugwechsel
zu gewährleisten, muß das Werkzeugmagazin
möglichst
in der Nähe der
Werkzeugspindel angeordnet sein, damit die Verfahrwege für die Werkzeugspindel
kurz sind. Da allerdings das Platzangebot im Bereich der Werkzeugspindel
beschränkt
ist, werden üblicherweise
kleinere Tellermagazine oder Kettenmagazine verwendet, deren Speicherkapazität beschränkt ist.
-
Die Entnahme der Werkzeuge aus dem Werkzeugmagazin
und die Übergabe
an die Werkzeugspindel bzw. umgekehrt kann auch durch gesonderte
Werkzeugwechsler erfolgen. Diese sind üblicherweise oberhalb oder
seitlich des Arbeitsbereichs der Werkzeugmaschine angeordnet und
enthalten in der Regel einen verschwenk- bzw. verfahrbaren Wechselarm
mit einem Einzel- oder Doppelgreifer, durch welchen die Werkzeuge
aus dem Werkzeugmagazin entnommen, vor die Werkzeugspindel transportiert
und in diese entsprechend eingesetzt werden. Allerdings müssen von
derartigen Werkzeugwechslern relativ komplexe Verfahrbewegungen durchgeführt werden
und es sind zusätzliche
Antriebselemente zur Betätigung
der Greifer erforderlich.
-
In der
DE 197 47 995 A1 ist ein
Werkzeughandhabungssystem eines Bearbeitungszentrums beschrieben,
das zwei seitlich neben dem Maschinenständer angeordnete Regalmagazine
aufweist.
-
Jedes Regalmagazin besteht aus einer
zentralen Säule
und mehreren übereinander
angeordneten halbkreisförmigen
Kassetten, an deren Außenrand
seitlich offene Speicherzangen ausgebildet sind, die zur wechselweisen
Aufnahme von Werkzeugen, Werkstückträgern und
Werkstückwendern
dienen. An der zentralen Säule
jedes Regals verfährt
ein Schlitten mit einer doppelseitigen Greifergabel, welche ausgewählte Kassetten
aus Regalplätzen
entnimmt und in Höhe
der Arbeitsspindeln des Bearbeitungszentrums positioniert. Das Einwechseln
der jeweiligen Bauteile in die Arbeitsspindel erfolg durch eine
Vertikalbewegung der Kassette.
-
Ferner ist aus der
EP 0 319 611 A1 ein gattungsgemäßes Werkzeughandhabungssystem
für ein
Bearbeitungszentrum bekannt, das ein seitlich neben dem Arbeitsbereich
der Werkzeugmaschine angeordnetes Regalmagazin aufweist. In einer
Rahmenkonstruktion sind eine Vielzahl von Vertikalträgern angeordnet,
in denen Reihen von seitlich offenen Ausschnitten als Werkzeughalter
zur horizontalen Aufnahme von Werkzeugen ausgebildet sind. Für den Transport
ausgewählter
Werkzeuge dient ein Transportwagen, der mit einem verschwenkbaren Werkzeughalter
zwischen den Regalplätzen
und einer Überga-
beposition verfahrbar ist. An der Stirnseite des Spindelstocks der
Werkzeugmaschine ist ein Werkzeugwechsler vorgesehen, dessen Doppelgreifer
drehbar am Spindelstock gelagert ist. Durch eine Vertikalbewegung
des Doppelgreifers wird ein gebrauchtes Werkzeug aus der Arbeitsspindel
und gleichzeitig ein neues Werkzeug aus dem zuvor positionierten
Werkzeughalter des Transportwagens herausgezogen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Werkzeughandhabungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen,
die eine Bereitstellung einer großen Anzahl an Werkzeugen und
einen schnellen automatischen Werkzeugwechsel mit geringen Span-zu-Span-Zeiten
ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Werkzeughandhabungssystem
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Werkzeughandhabungssystems
besteht darin, daß ein
einzuwechselndes Werkzeug während der
Bearbeitung eines Werkstücks
mit einem anderen Werkzeug in unmittelbare Nähe des Arbeitsbereichs der
Arbeitsmaschine transportiert und dort in einer Stand-by-Position
gehalten werden kann. Von der Werkzeugspindel müssen dann nur noch kurze Verfahrbewegungen
ausgeführt
werden, um einen Werkzeugwechsel im Pick-up Verfahren durchzuführen. Dadurch
kann die Stillstandszeit zwischen den einzelnen Bearbeitungsoperationen
erheblich reduziert werden. Das Werkzeugmagazin ist als modular aufgebautes
Regalsystem mit mehreren neben- und übereinander angeordneten Speicherplätzen ausgeführt. Dadurch
kann eine große
Anzahl unterschiedlicher Werkzeuge bereitgestellt werden. Das Regalmagazin
ist z.B. durch Vergrößerung oder
durch zusätzliche
Reihen beliebig erweiterbar, so daß die Speicherkapazi tät auf einfache
Weise erhöht
werden kann. Da die Bereitstellung neuer Werkzeuge während der
Bearbeitung erfolgen kann, ergeben sich auch dann keine größeren Stillstandszeiten
zwischen den Bearbeitungen.
-
Mittels der am Regalmagazin angeordneten Bereitstellungseinrichtung
können
die Werkzeuge aus dem Regalmagazin entnommen und an den Werkzeugwechsler übergeben
werden, der sie in die in unmittelbarer Nähe des Arbeitsraums befindliche Pick-up-Stellung
bringt. Während
der Bewegung des Werkzeugwechslers kann die Bereitstellungseinrichtung
bereits wieder das nicht mehr benötigte Werkzeug im Regalmagazin
ablegen und ein neues Werkzeug holen.
-
Mittels der zwei Werkzeughalterungen
des Werkzeugwechslers, je eine für
ein einzuwechselndes und eine für
ein auszuwechselndes Werkzeug kann in der Pick-up-Stellung sehr
schnell ein nicht mehr benötigtes
Werkzeug an die eine Werkzeughalterung übergeben und das neue Werkzeug
aus der anderen Werkzeughalterung übernommen werden. Die Bearbeitung
kann so mit sehr kurzen Still standszeiten für den Werkzeugwechselvorgang
ohne große Unterbrechungen
fortgesetzt werden.
-
In einer konstruktiv einfachen und
besonders für
vertikale Bearbeitungszentren geeigneten Ausführung weist der Werkzeugwechsler
einen in der Horizontalebene motorisch verschwenkbaren Werkzeugwechselarm
auf, an dem die beiden Werkzeughalterungen angeordnet sind. Die
Werkzeuge können
so mit aufrecht stehenden Werkzeugaufnahmen von der Übergabe-/Übernahmestellung
am Regalmagazin zur Pick-up-Stellung transportiert und dort auf
einfache Weise von der Werkzeugspindel übernommen werden. Umgekehrt
können
gebrauchte Werkzeuge ebenso schnell vom Arbeitsbereich zur Ablage
im Regalmagazin transportiert werden. Um einen Werkzeugwechsel auch
an horizontalen Werkzeugspindeln durchzuführen, kann an dem Werkzeugwechselarm
aber auch eine zusätzliche Schwenk-
bzw. Drehanordnung vorgesehen sein.
-
Das Regalmagazin enthält zweckmäßigerweise
mehrere an einer Seite des Maschinenständers beabstandet angeordnete
horizontale Halteschienen, an denen jeweils mehrere nebeneinander angeordnete
greiferförmige
Werkzeughalter befestigbar sind. Dadurch kann ein einfach aufgebautes
Regalmagazin mit über
100 Speicherplätzen
geschaffen werden. Die horizontalen Halteschienen sind in einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung zwischen zwei vertikalen Seitenstützen befestigt.
In den Seitenstützen
sind zur einfachen Montage des Regalmagazins seitliche Profilnuten
vorgesehen, über
die eine einfache Befestigung und auch eine Einstellung der Halteschienen
zur Anpassung an unterschiedliche Maschinenkonzepte und verschiedene
Werkzeuge ermöglicht
wird.
-
Die Bereitstellungseinrichtung für den Werkzeugtransport
zwischen den Werkzeughaltern im Regalmagazin und einer Übergabe-/Übernahmestellung
am Werkzeugwechsler enthält
in einer vorteilhaften Ausführung
einen in Längsrichtung
des Regalmagazins und in Vertikalrichtung motorisch verfahrbaren
Zubringerschlitten, an dem ein quer zum Regalmagazin motorisch verfahrbarer
Werkzeuggreifer angeordnet ist. Der Werkzeuggreifer ist zweckmäßigerweise
als automatisch betätigbarer
Einfachgreifer ausgebildet. Der Werkzeuggreifer könnte aber
auch als Doppelgreifer zur gleichzeitigen Entnahme des alten Werkzeugs
und Übergabe
des neuen Werkzeugs am Werkzeugwechsler ausgeführt sein.
-
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeughandhabungssystems
an einem Maschinenständer
eines Bearbeitungszentrums;
-
2 das
in 1 dargestellte Werkzeughandhabungssystem
mit dem Maschinenständer
in einer Vorderansicht und
-
3 das
in 1 dargestellte Werkzeughandhabungssystem
in einer Seitenansicht.
-
Der in 1 in
einer Perspektive schematisch dargestellte Maschinenständer 1 eines
in Gantry-Bauweise ausgeführten
Bearbeitungszentrums enthält
zwei gegenüberliegende
Seitenwände 2 und 3,
die in ihrem vorderen Bereich einen den Arbeitsbereich des Bearbeitungszentrums
bildenden Arbeitsraum 4 zur Seite begrenzen. Im unteren
Teil des Arbeitsraums 4 weist der Maschinenständer 1 zwei
seitliche Führungsstege 5 und 6 sowie
einen Mittelsteg 7 für
die Abstützung
eines nicht dargestellten Bearbeitungstischs auf. Der Bearbeitungstisch
kann als starrer Tisch oder als auswechselbare Palette ausgeführt sein.
Die Seitenwände 2 und 3 sind
an ihren oberen Enden abgestuft und weisen dort jeweils eine Auflagefläche 8 bzw.
9 für horizontale
Führungsschienen auf, über die
ein nicht dargestellter Querträger
mit einer in mehreren Achsen verfahrbaren Werkzeugspindel motorisch
verschiebbar geführt
ist. Hinter dem Arbeitsraum 4 ist im Maschinenständer 1 ein
zum Arbeitsraum 4 offener Werkzeugwechselbereich 10 für einen
im weiteren näher
erläuterten
Werkzeugwechsler 11 vorgesehen. Über einen in 3 erkennbaren rechteckigen Durchbruch 12 in
der Seitenwand 2 wird ein seitlicher Zugang zu dem Werkzeugwechselbereich 10 ermöglicht.
-
An der Außenseite der Seitenwand 2 ist
am Maschinenständer 1 ein
als Werkzeugregal 13 ausgeführtes Werkzeugmagazin befestigt,
das ein aus Aluminiumprofilen zusammengesetztes Gestell mit zwei
vertikalen Seitenstützen 14 und 15 sowie
mehreren dazwischen angeordneten horizontalen Halteschienen 16 enthält. Die
Halteschienen 16 sind gemäß 3 derart angeordnet, daß der Durchbruch 12 in
der Seitenwand 2 frei bleibt. An den voneinander beabstandeten
horizontalen Halteschienen 16 sind mehrere Werkzeughalter 17 nebeneinanderliegend
befestigt. Die Werkzeughalter 17 können z.B. in Form vom greiferförmigen Halteklammern
mit jeweils zwei zur Seite federnden Greiferarmen ausgebildet sein.
-
In den 1 und 3 sind zur Vereinfachung nur
einige der an den Halteschienen 16 angeordneten Werkzeughalter 17 für die Halterung
der Werkzeuge 18 mit nach oben ragenden Spannkegeln dargestellt.
In die Werkzeughalter 17 können die Werkzeuge einfach
eingesetzt und aus diesen auch wieder leicht entnommen werden. Die
Halteschienen 16 sind derart mit den Seitenstützen 14 und 15 verbunden,
daß der
Abstand der Halteschienen 16 auf einfache Weise veränderbar
ist. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß in den Seitenstützen in
deren Längsrichtung
verlaufende Profilnuten zur Fixierung der Halteschienen 16 vorgesehen
sind. Auch die Werkzeughalter 17 können z.B. über entsprechende Längsnuten
in den Halteschienen 16 je nach Bedarf an beliebigen Stellen
der Halteschienen 16 positioniert werden, so daß das Regalmagazin 13 an
unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden kann. Zum Schutz
der Werkzeughalter 17 gegen Verschmutzung sind zwischen
den einzelnen Werkzeughalterreihen entsprechende Auffangbleche 19 vorgesehen.
-
Für
den automatischen Werkzeugtransport zwischen den Werkzeughaltern 17 und
dem Werkzeugwechsler 11 ist an dem Regalmagazin 13 eine Bereitstellungseinrichtung 20 angeordnet.
Wie besonders aus den 1 und 3 hervorgeht, enthält die Bereitstellungseinrichtung 20 einen
Werkzeuggreifer 21, der durch einen kolbenstangenlosen
pneumatischen Antrieb 22 in einer zu den Halteschienen 16 rechtwinkligen
ersten Horizontalachse (Z-Achse) verschiebbar an einem Zubringerschlitten 23 angeordnet
ist. Der Zubringerschlitten 23 ist über eine Führungsschiene 24 und
eine entsprechende Kugelschienenführung durch einen ersten Servoantrieb 25 in
einer Vertikalachse (Y-Achse) verfahrbar an einem Vertikalträger 26 geführt. Der
Vertikalträger 26 ist
seinerseits durch einen zweiten Servoantrieb 27 über spielfreie
Laufrollenführungen
in einer zu der ersten Horizontalachse rechtwinkligen zweiten Horizontalachse
(X-Achse) in Längsrichtung
der Halteschienen 16 verschiebbar an einem unteren und
oberen Horizontalträger 28 bzw. 29 geführt. Die
beiden Horizontalträger 28 und 29 sind
an den beiden Vertikalstützen 14 und 15 befestigt.
Durch entsprechende Ansteuerung der beiden Servoantriebe 25 und 27 und
des pneumatischen Antriebs 22 kann somit eine gesteuerte
Verfahrbewegung des Werkzeuggreifers 21 in drei Linearachsen
zum Transport der Werkzeuge zwischen den Werkzeughaltern 17 und
dem Werkzeugwechsler 11 realisiert werden. Dadurch kann
das für
den nächsten
Be arbeitungsschritt benötigte
Werkzeug aus dem Regalmagazin 13 entnommen und an den Werkzeugwechsler 11 übergeben bzw.
ein nicht mehr benötigtes
Werkzeug vom Werkzeugwechsler 11 übernommen und wieder im Regalmagazin 13 abgelegt
werden.
-
Der Werkzeugwechsler 11 enthält gemäß 1 und 2 einen aus Rechteckprofilen bestehenden
Werkzeugwechselarm 30, der um eine Vertikalachse verschwenkbar
in einer durch zwei dreiecksförmig
abgewinkelte Seitenstützen 31 und 32 an
einer inneren Seitenwand 33 des Maschinenständers 1 abgestützten Lagerbuchse 34 drehgelagert
angeordnet ist. Der Werkzeugwechselarm 30 hat ein hinteres Querstück 35 und
ein entgegengesetztes vorderes Querstück 36, das in der
gemäß 1 und 2 dargestellten Übergabeposition des Werkzeugwechslers 30 zum
Durchbruch 12 weist. An dem hinteren Querstück 35 ist
das eine Ende eines Linearantriebs 37 angelenkt, dessen
anderes Ende an der Seitenwand 33 angelenkt ist. Der Werkzeugwechselarm 30 ist durch
entsprechende Ansteuerung des Linearantriebs 37 um 90° zwischen
der in 1 und 2 gezeigten Übergabeposition
und einer Bereitschaftsstellung verschwenkbar, in der das vordere
Querstück
36 zum Arbeitsraum 4 gerichtet ist.
-
Wie aus 3 hervorgeht, sind an dem freien Ende
des vorderen Querstücks 36 zwei
nebeneinander angeordnete Werkzeughalterungen 38 und 39 für jeweils
ein einzuwechselndes und ein auszuwechselndes Werkzeug befestigt.
Diese beiden Werkzeughalterungen 38 und 39 können entsprechend
der im Regalmagazin 13 angeordneten Werkzeughalter 17 ausgeführt sein.
-
Ein Werkzeugwechselvorgang mit dem
erfindungsgemäßen Werkzeughandhabungssystem
wird in folgenden anhand der 1 erläutert. Zunächst werden
der Vertikalträger 26 und
der Zubringerschlitten 23 durch gesteuerten Antrieb der
Servo antriebe 25 bzw. 27 derart verfahren, daß der Werkzeuggreifer 21 zu
einem im Werkzeugregal 13 abgelegten Werkzeug für den nächsten Bearbeitungsschritt
gelangt. Dann wird der Werkzeuggreifer 21 durch den pneumatischen
Antrieb 22 so in Richtung des entsprechenden Werkzeughalters 17 verfahren,
daß er das
gewünschte
Werkzeug ergreifen kann. Anschließend wird der Werkzeuggreifer 21 durch
den pneumatischen Antrieb 22 wieder zurückgezogen und durch entsprechende
Ansteuerung der beiden Servoantriebe 25 und 27 so
zu dem Durchbruch 12 im Maschinenständer 1 verfahren,
daß er
das einzuwechselnde Werkzeug durch eine erneute Vorwärtsbewegung
des Werkzeuggreifers 21 in der Z-Achse durch den Durchbruch 12 hindurchführen in
einen der beiden in 3 gezeigten
Werkzeughalterungen 38 am Werkzeugwechsler 11 übergeben
kann. Daraufhin kann der Werkzeuggreifer 21 durch entsprechende Verfahrbewegungen
in den drei Linearachsen ein in dem anderen Werkzeughalter 39 angeordnetes
auszuwechselndes Werkzeug aus diesem entnehmen und wieder in einen
freien Werkzeughalter 17 im Regalmagazin 13 ablegen.
Gleichzeitig kann der Werkzeugwechselarm 30 aus der in 1 und 2 gezeigten Übergabe-/Übernahmeposition durch den
Linearantrieb 37 um 90° verschwenkt
werden, so daß das in
dem einem Werkzeughalter 38 angeordnete neue Werkzeug in
eine unmittelbar hinter dem Arbeitsraum 4 gelegene Pick-up-Stellung
gelangt. Sämtliche
vorgenannten Abläufe
können
während
der laufenden Bearbeitung durchgeführt werden. Für den eigentlichen
Austausch der Werkzeuge muß dann
nur noch die Werkzeugspindel mit relativ kurzen Verfahrwegen über den
leeren Werkzeughalter verfahren und kann dann durch kurze Verfahrbewegungen
und entsprechendes Lösen
einer in Werkzeugspindel integrierten Klemmung das auszutauschende
Werkzeug in dem freien Werkzeughalter 39 ablegen. Das unmittelbar daneben
gehalterte neue Werkzeug kann dann in entsprechender Weise schnell
durch die Werkzeugspindel entnommen werden. Darauf kann sehr schnell
wieder die Bearbeitung mit dem neuen Werkzeug fortgesetzt werden.
Die Ablage des nicht mehr benötigten
Werkzeugs in Regalmagazin und die erneute Bereitstellung eines neuen
Werkzeuges kann wieder während
der Bearbeitung erfolgen.
-
Zweckmäßigerweise ist der Werkzeugwechselbereich 10 vom
Arbeitsbereich 4 durch eine – nicht dargestellte – verschieb- oder verschwenkbare Trennwand
abgetrennt, die für
einen Werkzeugwechselvorgang automatisch geöffnet werden kann. Dadurch
ein Eintritt der während
der Bearbeitung anfallenden Späne
oder des Kühlschmiermittels
in den Werkzeugwechselbereich 10 verhindert werden.
-
Durch das erfindungsgemäße Werkzeughandhabungssystem
kann einer Werkzeugmaschine ein großer Vorrat an einsatzbereiten
Werkzeugen zur Verfügung
gestellt und in kürzester
Zeit dem Bearbeitungsprozeß zugeführt werden.
Umgekehrt können gebrauchte
Werkzeuge schnell aus dem Bearbeitungsprozeß entnommen und wieder im Regalmagazin
abgelegt werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf das im
einzelnen beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
So kann der Werkzeugtransport zwischen dem Regalmagazin und der Pick-up-Stellung
in unmittelbarer Nähe
des Arbeitsbereichs bei anderen Maschinenkonzepten auch allein durch
die Bereitstellungseinrichtung mit dem in den drei Linearachsen
verfahrbaren Werkzeuggreifer erfolgen. Bei entsprechender Zugänglichkeit
zum Arbeitsraum ist der zusätzliche
Werkzeugwechsler unter Umständen
nicht erforderlich.