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Die
Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung für die Schwerkraft-Gießtechnik,
umfassend einen Gießarm
und einen daran schwenkbar angebrachten Löffel zum Dosieren und Ausgießen des
Gießmaterials
sowie zum Transportieren desselben von einer Schmelze zu einer Gussform.
Es handelt sich hierbei um eine automatische Gießvorrichtung; daher ist der Gießarm programmgesteuert
bewegbar und es sind Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken
des Löffels
vorhanden.
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Vor
allem aufgrund der zunehmenden Verwendung von Aluminium und sonstigen
Leichtmetallen im Fahrzeugbau ist das Schwerkraftgießen eine zwar
altbekannte, jedoch wieder höchst
aktuelle Technik. Dennoch sind die wesentlichen Prozessabläufe in der
Gießereitechnik
heutzutage kaum automatisiert. Beim Schwerkraftkokillenguss beispielsweise
arbeiten viele Gießereien
noch immer mit Gießlöffeln, die
manuell geführt
werden. Beim Sandguss kommen oft Dosieröfen mit Gießrinnen zum Einsatz, über welche
das Gießmaterial
von der Schmelze in den Steiger der Form gelangt.
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Es
liegt auf der Hand, dass das erstgenannte manuelle Gießen mit
hohen Kosten verbunden ist, während
die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse oft zu wünschen übrig lässt. Bei den letztgenannten
Dosieröfen
mit Gießrinnen
kann problematisch sein, dass das Gießmaterial, in der Regel flüssiges Metall, beim
Durchlaufen der Gießrinne
relativ großflächig mit
der Umgebungsluft in Berührung
kommt, was zu unerwünschter
Oxidbildung führt.
Außerdem
kann über
die Gießrinne
lediglich ein Eingusspunkt der Gussform mit Gießmaterial versorgt werden.
Ein Variieren der Gussform oder das Vorhandensein von mehreren Eingusspunkten
an einer Gussform sind bei dieser Technik nicht einsetzbar.
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Um
das Schwerkraftgießen
effizienter zu gestalten, sind in jüngerer Zeit vereinzelt programmgesteuerte
Löffelautomaten,
also einfache Roboter, eingesetzt worden. Diese Löffelautomaten
bilden eine Gießvorrichtung
der eingangs genannten Art, wobei der Gießarm mit dem schwenkbar daran
angebrachten Löffel
zunächst
in den Ofen verbracht und dort der Löffel in die Schmelze getaucht
wird, um das flüssige
Gießmaterial
aufzunehmen. Nach dem Anheben des Löffels aus der Schmelze wird
dann durch leichtes Kippen des Löffels
Gießmaterial
in die Schmelze zurückgegeben,
um eine genaue Dosierung des im Löffel verbleibenden flüssigen Gießmaterials
zu gewährleisten.
Erst danach wird der Gießarm
mit dem Löffel
aus dem Ofen herausgefahren, über
die Gussform verbracht und mit einer definierten Schwenkbewegung
des Löffels
das Gießmaterial
in den Eingusspunkt der Form gegossen.
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Für die Kosteneffizienz
des Gießvorgangs
ist es unter anderem wichtig, das Gießmaterial im Löffel noch
im Ofen genau zu dosieren, um keinesfalls zu wenig Material in die
Gussform zu gießen,
andererseits aber auch nicht zu viel Material aus der Schmelze zu
entnehmen. Eine Dosiergenauigkeit von etwa einem Prozent der aus
der Schmelze entnommenen Materialmenge wird heutzutage angestrebt.
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Die
Schwierigkeit beim Dosiervorgang liegt bei den vorliegenden programmgesteuerten
Gießvorrichtungen
darin, dass der Löffel
in die heiße Schmelze
eintaucht und im Heißbereich
des Ofens, unmittelbar über
der Schmelze, zum Dosieren des Materials bewegt werden muss. Das
Anbringen eines Stellmotors zum Verschwenken des Löffels direkt
an der Löffelaufhängung ist
bei den Temperaturen, die bei den meisten Gießmaterialien vorherrschen,
oft nicht möglich.
Daher wird der programmgesteuerte motorische Antrieb der Schwenkbewegung
des Löffels
manchmal am Gießarm
vom Löffel
beabstandet angebracht, wobei das Drehmoment vom Motor über einen
Kettenantrieb an den Löffel
gelangt. Kettenantriebe sind allerdings immer spielbehaftet, was
durch die in der Umgebung des Löffels
während
des Gießzyklus
auftretenden Temperaturunterschiede noch erheblich verstärkt wird.
Da das Dosieren des Gießmaterials
im Löffel,
wie oben erwähnt,
durch die Winkelstellung des Löffels über der
Schmelze erfolgt, ist mit einem solchen Kettenantrieb die angestrebte
Dosiergenauigkeit von etwa einem Prozent daher nicht zu erreichen.
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Bereits
bekannte Vorrichtungen finden sich beispielsweise in der
DE 30 24 311 A1 und
in der
DE 30 24 913
A1 . Erstere Schrift offenbart eine Einrichtung zum Beschicken
einer Kokillengussmaschine mit geschmolzenem Metall, die ein Verschwenken
eines zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls bestimmten Löffels ermöglicht,
um ein rasches Eingießen
zu erreichen und gleichzeitig zu vermeiden, dass das Metall zur
Stauung kommt, überfließt, etc.
Hierbei erfolgt die Absenkung und Bewegung des Löffels über eine in einem Tragrohr
geführte
Stange, welche mit einer Zahnung versehen ist, in welche ein angetriebenes
Zahnrad eingreift und die Vertikalbewegung der Stange steuert.
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In
der zweitgenannten Schrift wird eine Metallgießmaschine mit einem eine Gießschnauze
aufweisenden Löffel,
der zusätzlich
in eine Reinigungsstation bewegbar ist, und eine Kurvenscheibe zur mittelbaren
Steuerung des Löffels
offenbart. Die Kurvenscheibe steuert eine Vertikalbewegung einer
in einem Tragrohr angeordneten Stange, welche in ihrem dem Löffel nächstkommenden
Bereich eine Zahnung zur Steuerung eines Kettenantriebs aufweist. Die
Kippbewegung des Löffels
erfolgt in herkömmlicher
Weise durch diesen Kettenantrieb.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießvorrichtung
der eingangs genannten Art für
das automatische Schwerkraftgießen hinsichtlich
ihrer Arbeitsgenauigkeit und Effizienz zu verbessern.
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Gelöst ist diese
Aufgabe durch eine Gießvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis
6 niedergelegt.
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Die
Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels der
erfindungsgemäßen Gießvorrichtung
umfassen also unter anderem einen vom Löffel beabstandet angeordneten
Servomotor sowie mindestens eine Pleuelstange zur Drehmomentübertragung
vom Servomotor zum Löffel.
Diese Ausbildung der Drehmomentübertragung
vom Servomotor zum Löffel
ist insbesondere in beide Richtungen spielfrei, so dass sich keinerlei
Hystereseeffekt ergibt. Die Drehmoment übertragende Pleuelstange ist
unempfindlich gegen hohe Temperaturen und große Temperaturunterschiede sowie
robust und wartungsfreundlich. Auch ihr Gewicht ist vorteilhaft
niedrig.
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Für das Reinigen
und Aufheizen des Löffels ist
es vorteilhaft, wenn der Löffel über einen
Winkelbereich von mehr als 180 Grad verschwenkt werden kann. Die
Erfindung ist daher derart ausgestaltet, dass die erfindungsgemäße Pleuelstangenmechanik so
ausgestaltet ist, dass eine erste Kurbelscheibe oder Kurbelwelle
am Servomotor und eine zweite Kurbelscheibe oder Kurbelwelle am
Löffel
angebracht sind, wobei nicht nur eine, sondern zwei diese Kurbelscheiben
bzw. Kurbelwellen verbindende Pleuelstangen eingesetzt werden, die
an den Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen jeweils um einen von null Grad
und von 180 Grad verschiedenen Winkel gegeneinander versetzt angelenkt
sind, um den bei Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen unvermeidlich
vorhandenen Totpunkt überbrücken zu
können.
Es befindet sich dann jeweils höchstens
eine Pleuelstange im jeweiligen Totpunkt der Kurbelscheibe bzw.
Kurbel welle, während
die andere Pleuelstange weiterhin ein Drehmoment übertragen
kann. Bevorzugterweise liegt dieser Winkel etwa bei 90 Grad.
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Besonders
bevorzugt wird die erfindungsgemäße Gießvorrichtung
zusammen mit einem handelsüblichen
Industrieroboter eingesetzt. Der Gießarm ist dann an diesem Industrieroboter
angebracht, wobei die Steuerung des Servomotors als zusätzliche
Bewegungsachse des Industrieroboters in dessen Steuerung integriert
wird. Der Industrieroboter hat also dann nicht nur die üblichen
sechs Bewegungsachsen (drei Translationsachsen und drei Rotationsachsen),
sondern auch einen siebten Freiheitsgrad, nämlich die Gießachse,
die das Verschwenken des Löffels
sowohl zum Dosieren als auch zum Ausgießen steuert.
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Solche
Industrieroboter stehen in standardisierter Form zur Verfügung und
bieten im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung viele Vorteile
beim Automatisieren des Gießvorgangs.
So können
in schnellen und reproduzierbaren Bewegungsabläufen hochgenaue Dosierungen
erzielt und hochgenaue Gießkurven
gefahren werden, während
auch ein Eingießen
des Gießmaterials
in mehrere Eingießpunkte
einer Form hintereinander sowie das Mitfahren des Gießlöffels mit
einer auf einem kontinuierlich laufenden Förderband oder Karussell befindlichen
Gussform in hochgenauen Bewegungen möglich ist.
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Darüber hinaus
kann der Industrieroboter bei Bedarf weitere Stationen anfahren,
beispielsweise zur Löffelreinigung.
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Zur
Verwendung der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung
für unterschiedliche
Gussformen ist es zweckmäßig, außerdem einen
der Steuerung des Industrieroboters zugeordneten Datenspeicher für Steuerungsdatensätze vorzusehen,
aus dem dann jeweils der zu einer Gussform passende Steuerungsdatensatz
ausgelesen werden kann.
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Um
ein Auskühlen
des Löffels
während
Produktionspausen oder längeren
Gießzyklen
zu verhindern, kann zusätzlich
ein Aufheizbrenner zum Erhitzen des Löffels vorgesehen sein. Dieser
wird zweckmäßigerweise
nach einer gewissen Stillstandszeit automatisch aktiviert.
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Zum
leichteren Auswechseln des Löffels, insbesondere
bei stark verschmutzten Löffeln,
die einem speziellen Reinigungsvorgang unterworfen werden müssen, ist
es vorteilhaft, wenn der Löffel über eine
Schnellspannkupplung am Gießarm
befestigt ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1 bis 4 den
Bewegungsablauf einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung beim Dosieren;
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5 eine
Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung;
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6 eine
Anlage, in welcher die erfindungsgemäße Gießvorrichtung verwendet werden kann.
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Die 1 bis 4 zeigen
den Bewegungsablauf beim Dosieren des Gießmaterials:
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In 1 taucht
ein Löffel 1 in
eine Schmelze 2 in einem Ofen 3 ein, um den Löffel 1 mit
Gießmaterial
zu füllen.
Der Löffel 1 ist
schwenkbar an einem Gießarm 4 befestigt
und um eine Schwenkachse 5 verschwenkt, so dass Gießmaterial
aus der Schmelze 2 in den Löffel 1 fließen kann.
Beim Gießmaterial handelt
es sich vorliegend um Aluminium.
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An
einem Montagepunkt 6 ist der Gießarm 4 an einem (hier
nicht dargestellten) Industrieroboter befestigt, wobei er in der
Nähe des
Montagepunktes 6 mit einem hier nur angedeuteten Servomotor 7 ausgestattet
ist. Die den Servomotor 7 und den Löffel 1 verbindende
Mechanik ist später
an Hand 5 genauer beschrieben.
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In 2 ist
der Gießarm 4 angehoben
worden, um den Löffel 1 aus
der Schmelze 2 herauszuheben.
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3 zeigt
den Dosiervorgang. Durch gezieltes Verschwenken des Löffels 1 um
seine Schwenkachse 5 wird überschüssiges Aluminium wieder in
die Schmelze 2 zurück
gegeben, so dass exakt die Aluminiummenge im Löffel 1 verbleibt,
die für
den Gießvorgang
benötigt
wird.
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Wie
in 4 gezeigt, wird der Löffel 1 danach zurück in seine
Neutralstellung gebracht und mit samt dem Gießarm 4 aus dem Ofen 3 herausgehoben,
um ihn zur Gussform verfahren zu können.
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5 zeigt
in einer Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Gießvorrichtung.
Der Gießarm 4 verfügt über ein
Gehäuse 8,
welches am Ort der Schwenkachse 5 des Löffels 1 und am Ort
der Motorachse 9 des Servomotors 7 mit entsprechenden
Ausnehmungen versehen ist. Der Servomotor 7 ist in der
Nähe des
Montagepunktes 6 des Gießarms 4 angebracht
und über
ein Getriebe 10 mit einer ersten Kurbelwelle 11 in
der Motorachse 9 verbunden. Am anderen Ende des Gießarms 4,
an der Schwenkachse 5 des Löffels 1, ist eine
zweite Kurbelwelle 12 angebracht. Die beiden Kurbelwellen 11, 12 sind
jeweils in zwei Lagerschalen 13 gelagert. Die Drehmomentübertragung
von der Motorachse 9 zur Schwenkachse 5, also
von der ersten Kurbelwelle 11 zur zweiten Kurbelwelle 12,
erfolgt über
zwei um jeweils etwa 90 Grad versetzt angeordnete Pleuelstangen 14,
welche mit Lagerschalen 15 auf den Kurbelwellen 11, 12 sitzen.
Der Löffel 1 ist mittels
einer Schnellspannvorrichtung 16 an einem Schwenkarm 17 befestigt,
welcher seinerseits mit der zweiten Kurbelwelle 12 fest
verbunden ist, um ein Verschwenken des Löffels 1 zu bewirken,
sobald vom Servomotor 7 ein Drehmoment auf die erste Kurbelwelle 11 und
somit über
die beiden Pleuelstangen 14 auf die zweite Kurbelwelle 12 abgegeben
wird.
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6 schließlich zeigt
schematisch eine Gesamtanlage zum automatischen Gießen, umfassend einen
Industrieroboter 18 mit sechs Freiheitsgraden, wobei die
erfindungsgemäße Erweiterung
einen siebten Freiheitsgrad bildet, einer Robotersteuerung 19,
einem Bediencomputer 20 und einer Datenbank 21.
Die Robotersteuerung 19 steuert den Industrieroboter 18,
wobei der Antrieb des Löffels 1 mit
in die Robotersteuerung 19 integriert ist. Die wichtigsten Parameter
beim Gießen
sind die Dosiermenge, die Gießkurve
und die Gießgeschwindigkeiten.
Diese Daten sind von der Gussform abhängig und werden der Robotersteuerung 19 vom
Bediencomputer 20 aufgegeben. Die Wechselwirkung mit der
Datenbank 21 gewährleistet
hierbei eine leichte Bedienbarkeit, da dort alle Steuerungsablaufdaten
für die
unterschiedlichen Gussformen als Datensätze abgelegt und unter Eingabe
einer Teilenummer jederzeit abrufbar sind.
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- 1
- Löffel
- 2
- Schmelze
- 3
- Ofen
- 4
- Gießarm
- 5
- Schwenkachse
- 6
- Montagepunkt
- 7
- Servomotor
- 8
- Gehäuse
- 9
- Motorachse
- 10
- Getriebe
- 11
- Kurbelwelle
(erste)
- 12
- Kurbelwelle
(zweite)
- 13
- Lagerschalen
- 14
- Pleuelstangen
- 15
- Lagerschalen
- 16
- Schnellspannvorrichtung
- 17
- Schwenkarm
- 18
- Industrieroboter
- 19
- Robotersteuerung
- 20
- Bediencomputer
- 21
- Datenbank