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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugwechseleinrichtung, die insbesondere
für Bearbeitungszentren
oder sonstige Werkzeugmaschinen vorgesehen ist. Des Weiteren betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Werkzeugwechsel zwischen einer Arbeitsspindel
und einem Werkzeugmagazin.
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Bei
modernen Bearbeitungszentren und gegebenenfalls auch sonstigen Werkzeugmaschinen müssen zur
Bewältigung
der Zerspanungsaufgaben eine relativ große Anzahl von Werkzeu gen bereit
gestellt sowie von einem Magazin in eine Arbeitsspindel und zurück überführt werden.
Der Werkzeugwechsel soll möglichst
schnell erfolgen. Ein wesentliches Kriterium für die Schnelligkeit des Werkzeugwechselvorgangs
ist die Zeit, die von dem Ende eines Zerspanungsvorgangs mit einem
Werkzeug bis zum Beginn eines nachfolgenden Zerspanungsvorgangs
mit einem anderen Werkzeug vergeht. Diese Zeit wird „Span-zu-Span-Zeit" genannt und soll
minimal sein. Andererseits soll aber auch ein möglichst großer Werkzeugvorrat vorhaltbar
sein. Bei bisherigen Berechnungen der Span-zu-Span-Zeit wurde meist
davon ausgegangen, dass die Werkzeugeinsatzzeit relativ lang ist.
Unter der Werkzeugeinsatzzeit versteht man die Zeit, während der
das Werkzeug am Werkstück
in Eingriff ist. Die VDI-Richtlinie 2852 sieht z.B. in der Berechnungsformel
zur Span-zu-Span-Zeit eine
Werkzeugeinsatzzeit von 10 s vor. Durch immer leistungsfähigere Schneidstoffe – Stichwort
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung – sowie durch zunehmenden Einsatz
von Leichtmetallwerkstoffen werden die Werkzeugeinsatzzeiten immer
kürzer,
häufig
liegen diese deutlich unter 10s, z.B. bei 1 Sekunde. Diese Werkzeugeinsatzzeiten
sind dann kürzer
als die im Stand der Technik bekannten Werkzeugbereitstellungszeiten.
Unter Werkzeugbereitstellungszeit versteht man die Zeit, die zum
Ablegen des zuvor benutzten Werkzeugs in das Werkzeugmagazin bis
zur Bereitstellung des nächsten
Werkzeuges benötigt wird.
Die Span-zu-Span-Zeit verlängert
sich dann um den Betrag Bereitstellungszeit minus Werkzeugeinsatzzeit.
Bei kurzen Werkzeugeinsatzzeiten verlängern sich die Taktzeiten somit
durch lange Werkzeugbereitstellungszeiten, die Produktivität der Maschine sinkt
also.
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Die
WO 03/039809 A1 offenbart ein Werkzeugwechselsystem für Bearbeitungszentren.
Die Werkzeuge werden in einem Regal bereit gehalten. Zu dem Regal
gehört
ein Regalbediengerät,
das die Werkzeuge zwischen den jeweiligen Regalplätzen und
einer Übergabestelle
hin und her transportiert. Ein Doppelgreifer mit zwei in einem 90° Winkel zueinander
stehenden Greifarmen dient dazu, die Werkzeuge aus dem Regalbediengerät in die
Werkzeugspindel und von der Werkzeugspindel in das Regalbediengerät zu überführen.
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Die
Greifarme sind mit Greiferöffnungen
versehen, die bezüglich
der Drehachse des Doppelgreifers in Radialrichtung orientiert sind.
In Folge dessen ist zur Übergabe
von Werkzeugen zwischen dem Regalbediengerät und dem Doppelgreifer bzw.
zwischen dem Doppelgreifer und der Arbeitsspindel jeweils eine lineare
Relativbewegung zwischen dem Greifer und der Arbeitsspindel bzw.
dem Regalbediengerät
erforderlich. Diese Bewegungen verursachen eine hohe Werkzeugbereitstellungszeit.
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Aus
der
DE 199 20 224
A1 ist hingegen eine Werkzeugmaschine bekannt, die ohne
Regalbediengerät
und Doppelgreifer auskommt. Das Werkzeugmagazin ist als Scheibenmagazin
ausgebildet. Die einzelnen Werkzeugaufnahmen werden von den Arbeitsspindeln
direkt angefahren, um Werkzeuge abzulegen oder abzuholen (Pick-up-Werkzeugwechselverfahren).
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Bei
diesem System muss die Arbeitsspindel zum Werkzeugwechsel nach einander
zwei Werkzeugaufnahmen anfahren, was zu einer entsprechenden Werkzeugwechselzeit
und somit zu einer relativ hohen Span-zu-Span-Zeit führt. Die
Werkzeugreihenfolge bleibt in dem Werkzeugmagazin unverändert. Die
entsprechende Werkzeugwechselzeit wird aber umso länger, je
weiter die zwei anzufahrenden Werkzeugaufnahmen voneinander entfernt
sind.
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Aus
der
DE 32 36 356 C2 ist
eine Werkzeugwechseleinrichtung mit einem Doppelgreifer bekannt, der
zwei Greifarme aufweist. Der Doppelgreifer ist um eine Drehachse
drehbar gelagert und mit einer entsprechenden Antriebseinrichtung
verbunden. An den Enden der Greifarme sind Greiferöffnungen
ausgebildet, die, bezogen auf einen Umlaufsinn um die Drehachse,
gleich gerichtete Orientierungen aufweisen. Solche Werkzeugwechseleinrichtungen
vermitteln den Werkzeugtransport zwischen einem Werkzeugmagazin
und einer Arbeitsspindel. Mit den Greiferöffnungen des Doppelgreifers
werden zugleich ein Werkzeug in dem Magazin und das in der Arbeitsspindel
befindliche Werkzeug gefasst. Sodann wechseln sie durch die Betätigung des
Doppelgreifers ihre Plätze.
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Bei
diesem Wechselverfahren gelangt das Werkzeug der vorigen Bearbeitung
in den Magazinplatz des jeweils aktuellen Werkzeugs. Ist die Anzahl der
für eine
Bearbeitungsfolge erforderlichen Werkzeuge geringer als die Gesamtzahl
der in dem Werkzeugmagazin vorhandenen Werkzeugaufnahmen gerät die Reihenfolge
der Werkzeuge durch die fortgesetzten Wechselvorgänge mit
der Zeit durcheinander. Es kommt deshalb vereinzelt zu langen Werkzeugbereitstellungszeiten,
d.h. Positionierzeiten für einen
Werkzeugwechsel, was die Span-zu-Span-Zeit nachhaltig verschlechtern
kann.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugwechseleinrichtung
zu schaffen, die die Erzielung einer geringen Span-zu-Span-Zeit
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird mit der Werkzeugwechseleinrichtung nach Anspruch 1
wie mit dem Verfahren zum Werkzeugwechsel gemäß Anspruch 17 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Werkzeugwechseleinrichtung weist
einen Doppelgreifer auf, dessen Greiferöffnungen bezüglich eines
festgelegten Umlaufsinns entgegengesetzt orientiert sind. Somit
weisen unabhängig von
der Drehposition des Doppelgreifers beide Greiferöffnungen
z.B. zu dem Werkzeugmagazin hin. Die Drehachse des Doppelgreifers
und die Werkzeugaufnahmen sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass
zugleich zwei Werkzeugaufnahmen des Werkzeugmagazins in dem Schwenkbereich
des Doppelgreifers liegen. Genau genommen, liegen die Zentren der
beiden Werkzeugaufnahmen dann jeweils auf einem gedachten Kreis,
der von den Zentren der beiden Greiferöffnungen beim Drehen des Doppelgreifers
um die Drehachse beschrieben wird. Vorzugsweise sind dabei beide
Greifarme des Doppelgreifers gleich lang, d.h. die Zentren beider
Greiferöffnungen
bewegen sich auf einem gemeinsamen Kreis.
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In
Verbindung mit der dem Doppelgreifer zugeordneten Antriebs- und
Positioniereinrichtung ergibt sich mit dieser Konfiguration ein
besonders einfacher und schneller Werkzeugwechsel, an dem zwei Werkzeugaufnahmen
des Werkzeugmagazins und die Arbeitsspindel beteiligt sind. In einem
ersten Schritt übernimmt
der Doppelgreifer die Werkzeuge aus der Werkzeugaufnahme und der
Arbeitsspindel, wonach er schwenkt und das aus der Werkzeugaufnahme
geholte Werkzeug in die Arbeitsspindel einsetzt. Danach setzt er
das aus der Arbeitsspindel entnommene Werkzeug in eine nachfolgende
Werkzeugaufnahme ein. Somit werden von dem Doppelgreifer einander
benachbarte Werkzeugaufnahmen bedient, ohne dass das Werkzeugmagazin
verfahren werden muss. Es ergibt sich ein schneller und einfacher
Werkzeugwechselvorgang. Dies ist die Grundlage für geringe Span-zu-Span-Zeiten.
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Des
Weiteren wird es mit der erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung
möglich,
gemäß Anspruch
17 die aus der Arbeitsspindel geholten Werkzeuge immer wieder in
diejenigen Werkzeugaufnahmen einzusetzen, die dem betreffenden Werkzeug
zugeordnet sind. In dem Werkzeugmagazin findet kein Platzwechsel
zwischen den Werkzeugen statt. Vorzugsweise werden in der Bearbeitungsfolge
aufeinander folgende Werkzeuge in benachbarten Werkzeugaufnahmen
eingesetzt. Bei Durchführung
von Werkzeugwechseln bleibt die Werkzeugreihenfolge erhalten – die Werkzeuge
wechseln ihre Plätze
in dem Werkzeugmagazin nicht. Dadurch werden durchweg kurze Werkzeugbereitstellungszeiten erreicht
und auf Dauer sichergestellt. Die einzelnen Werkzeuge des Werkzeugmagazins
bleiben in einer der Bearbeitungsreihenfolge entsprechenden Reihenfolge
geordnet. Sporadisch auftretende große Werkzeugbereitstellungszeiten,
die sich bei einem ungeordneten oder in Unordnung geratenen Werkzeugmagazin
aufgrund langer Positionierzeiten ergeben können, werden konsequent vermieden.
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Es
ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau, wenn die Greifarme bezüglich der
Drehachse radial orientiert und miteinander starr verbunden sind.
Der von den Greifarmen eingeschlossene Winkel liegt vorzugsweise
zwischen 90° und
180°. Dabei ist
er weiter vorzugsweise kleiner als 180°-β/2,
wobei β der
Winkel ist, den benachbarte in Wechselposition stehende Werkzeugaufnahmen
des Werkzeugmagazins mit der Drehachse einschließen. Auf diese Weise wird es
möglich,
eine zusätzliche
Messposition in dem Schwenkbereich des Doppelgreifers vorzusehen.
In der Messposition kann beispielsweise eine optische Messeinrichtung,
wie z.B. Lichtschranke, Videokamera oder Laser, vorgesehen sein,
um eine Bohrerbruchkontrolle zu ermöglichen. Damit kann eine permanente
Werkzeugüberwachung
eingerichtet werden, bei der die Werkzeuge jeweils nach Durchführung eines
Bearbeitungsvorgangs kontrolliert werden.
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Die
zur Positionierung des Doppelgreifers dienende Antriebs- und Positioniereinrichtung
weist vorzugsweise einen Drehantrieb zur kontrollierten Positionierung
des Doppelgreifers um die Drehachse sowie einen Axialstellantrieb
zur Axialverstellung des Doppelgreifers auf. Der Drehantrieb sowie
der Axialstellantrieb sind vorzugsweise positionsgeregelte Antriebe,
die auch als NC-Achsen bezeichnet werden. Entsprechende Positionssensoren
melden permanent, periodisch oder auf Abruf die Position des Drehantriebs
bzw. des Axialstellantriebs an eine übergeordnete Steuereinrichtung
und gestatten somit eine kontrollierte Bewegung des Doppelgreifers
in Drehrichtung und in Axialrichtung. In Verbindung mit einer Lichtschranke,
die beispielsweise zur Bohrerbruchkontrolle eingesetzt wird, kann
der Positionssensor des Axialstellantriebs zur Bestimmung der Bohrerlänge eingesetzt
werden.
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In
dem Werkzeugmagazin bilden die Werkzeugaufnahmen vorzugsweise einen
geschlossenen Ring, beispielsweise in Form einer Kette, deren Glieder
durch geeignete Mittel auf einem vorgegebenen Weg geführt sind.
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Wenn
die Reihe der Werkzeugaufnahmen an einer Werkzeugübergabestelle
auf einem nichtgeraden Weg geführt
ist, können
benachbarte Werkzeugaufnahmen in eine dem Greifer nahe Wechselposition überführt werden.
Dadurch wird eine besonders einfache Übergabe von Werkzeugen zwischen
dem Werkzeugmagazin und dem Greifer möglich. Insbesondere können die
Werkzeugaufnahmen an den einzelnen Gliedern der Kette starr gelagert
werden. Eine Verstellbewegung der Werkzeugaufnahmen zur Übergabe
der Werkzeuge von dem Werkzeugmagazin an den Greifer ist überflüssig.
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Die
Werkzeugwechseleinrichtung kann auch zum Umsortieren der Werkzeuge
in dem Magazin genutzt werden. Z.B. kann das Magazin einen vollständigen,
zur Bearbeitung eines Werkstücks
erforderlichen Werkzeugsatz und Ersatzwerkzeuge enthalten. Mit dem
Doppelgreifer können
in dem Werkzeugmagazin verschlissene Werkzeuge aus der Bearbeitungsfolge
entfernt und durch Ersatzwerkzeuge ersetzt werden. Dies kann durchgeführt werden,
wenn gerade kein Werkzeugwechsel an der Arbeitsspindel stattfindet,
d.h. wenn diese arbeitet.
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In
dem Schwenkbereich des Doppelgreifers können außer der genannten Werkzeugmess-
oder -inspektionseinrichtung auch weitere Stationen, wie beispielsweise
eine Reinigungsstation, vorgesehen sein, mit der beispielsweise
an den Werkzeugen oder Werkzeughaltern vorgesehene Steilkegelschäfte oder
Hohlschaftkegel (HSK) zu reinigen sind, bevor diese in die Arbeitsspindel
eingesetzt werden.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
Ansprüchen.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 ein
Bearbeitungszentrum mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung
in schematisierter Vorderansicht,
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2 das
Bearbeitungszentrum nach 1 in einer schematisierten,
teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Bearbeitungszentrums mit der erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung,
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4 die
Wechseleinrichtung nach 3 in einer schematisierten Detailansicht,
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5 den
Doppelgreifer der Werkzeugwechseleinrichtung nach 4 in
einer schematisierten Seitenansicht,
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6 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Doppelgreifers gemäß 4 in
einer schematisierten Schnittansicht,
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7a bis 7i die
Werkzeugwechseleinrichtung und die zugehörige Arbeitsspindel in unterschiedlichen
Phasen des Werkzeugwechsels in schematisierter Darstellung,
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8a bis 8d die
Positionen der einzelnen Werkzeuge einer Bearbeitungsfolge in verschiedenen
Wechselstadien in schematisierter Darstellung,
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9 ein
Werkzeugmagazin 8 in aufs Äußerste schematisierter Darstellung
mit einem Ersatzwerkzeugsatz,
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10 die
Werkzeugwechseleinrichtung in einer abgewandelten Ausführungsform
mit Werkzeugmesseinrichtung in schematisierter Draufsicht und
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11 die
Werkzeugwechseleinrichtung nach 9 in einer
schematisierten Seitenansicht.
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In 1 und 2 ist
ein Bearbeitungszentrum 1 veranschaulicht, das einen Werkstückaufspannplatz 2 und
eine an dem Maschinengestell 3 verfahrbar gelagerte Arbeitsspindel 4 aufweist.
Die Arbeitsspindel 4 ist mit einer geeigneten Spanneinrichtung,
beispielsweise zur Aufnahme eines Steilkegelschafts eines Werkzeugs 5 oder
eines dem Werkzeug 5 zugeordneten Werkzeughalters versehen. Das
Werkzeug 5 dient der Durchführung eines spanenden Bearbeitungsvorgangs
an einem auf dem Werkstückaufspannplatz 2 gehaltenen
Werkstück 6.
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Das
Bearbeitungszentrum 1 weist eine Werkzeugwechseleinrichtung 7 auf,
die verschiedene Werkzeuge 5a bis 5n bereithält. Zu der
Werkzeugwechseleinrichtung 7 gehören ein Werkzeugmagazin 8 und
ein Doppelgreifer 9. Das Werkzeugmagazin 8 ist
vorzugsweise als Kettenmagazin ausgebildet. Es weist eine Anzahl
von Werkzeugaufnahmen 10 (10a bis 10n)
auf, die Kettenglieder einer Kette bilden und somit in einer Reihe
angeordnet sind. Diese Reihe kann, wie in dem Ausführungsbeispiel
nach 1, nahezu vollständig aus nichtgeradlinigen
Abschnitten oder, wie aus 3 ersichtlich,
aus geradlinigen und bogenförmigen
Abschnitten zusammengesetzt sein. Der Doppelgreifer 9 ist,
unabhängig
von der Art und Weise, wie die von den Werkzeugaufnahmen 10 gebildete
Kette im Ganzen geführt
ist, an einer Werkzeugübergabestelle 11 angeordnet.
Der Doppelgreifer 9 und die zugehörigen Werkzeugaufnahmen 10 sind
in 4 zur weiteren Veranschaulichung der Werkzeugübergabestelle 11 gesondert
veranschaulicht. An der Werkzeugübergabestelle 11 sind
für die Werkzeugaufnahmen 10 zwei
Wechselpositionen I und II definiert, in denen sie jeweils im Greifbereich des
Doppelgreifers 9 positioniert sind.
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Wie
ersichtlich, weist der Doppelgreifer 9 zwei Greifarme 12, 13 auf,
die starr miteinander verbunden sind und sich radial von einer Drehachse 14 weg
erstrecken. Der um die Drehachse 14 dreh- bzw. schwenkbare
und entlang der Drehachse 14 verstellbare Doppelgreifer 9 ist
ansonsten ortsfest gelagert und hinter einer Schutzwand 15 angeordnet,
die das Werkzeugmagazin 8 von dem Arbeitsraum der Arbeitsspindel 4 trennt.
Eine Tür 16 gewährt der
Arbeitsspindel 4 Zugang zu dem Werkzeugmagazin 8. Die
Tür 16 ist
vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Doppelgreifer 9 angeordnet.
Der Greifarm 12 dient beim Werkzeugwechsel immer dazu,
das Werkzeug aus der Werkzeugaufnahme zu der Arbeitsspindel zu schaffen.
Der Greifarm 13 dient beim Werkzeugwechsel immer dazu,
das Werkzeug aus der Arbeitsspindel in die Werkzeugaufnahme zu schaffen.
D.h. einem Greifarm (12) ist der Werkzeugtransport von
dem Werkzeugmagazin zu der Arbeitsspindel 4 fest zugeordnet,
während
dem anderen Greifarm (13) der Werkzeugtransport von der
Arbeitsspindel zu dem Werkzeugmagazin 8 fest zugeordnet
ist.
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Die
Greifarme 12, 13 sind an ihren Enden mit in Draufsicht
u-förmigen
Greifern versehen, die Greiferöffnungen 17, 18 aufweisen.
Deren Zentren 19, 20 liegen vorzugsweise auf einem
gemeinsamen, zu der Drehachse 14 konzentrischen Kreis,
d.h. sie weisen den gleichen Radius auf. Die Greiferöffnungen 17, 18 sind
vorzugsweise etwa halbkreisförmig
und dienen zur Aufnahme einer entsprechenden Greifscheibe, die an
einem Werkzeug oder an einem Werkzeughalter ausgebildet ist und
sich an den benachbarten Steilkegelschaft anschließt. Die
Greifer sind in einer gemeinsamen Ebene, d.h. bezüglich der
Drehachse 14 auf gleicher Höhe angeordnet. Bezüglich einer Umlaufrichtung
um die Drehachse 14 sind sie unterschiedlich orientiert.
Z.B. öffnet
sich die Greiferöffnung 17 in
Uhrzeigerrichtung während
sich die Greiferöffnung 18 gegen
die Uhrzeigerrichtung öffnet.
Somit weisen beide Greiferöffnungen 17, 18 voneinander
weg und zu den Werkzeugaufnahmen 10 des Werkzeugmagazins 8.
Vor den Greiferöffnungen 17, 18 sind
Arretierfinger 21, 22 angeordnet, die durch ein
Federmittel oder ein kraftbetätigbares
Mittel in Sperrposition gehalten sind. Die Arretierfinger 21, 22 umgreifen
die in den Greiferöffnungen 17, 18 gehaltenen
Greifscheiben der Werkzeuge oder Werkzeughalter.
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Die
Greifarme 12, 13 stehen in einem Winkel α zueinander,
der vorzugsweise kleiner als 180° ist. Die
Greiferöffnungen
sind dabei jeweils in einer von dem Winkel α weg weisenden Richtung geöffnet. Mit anderen
Worten, die Greifarme 12, 13 weisen einander ihre
geschlossene Seite zu. Der Winkel α ist vorzugsweise größer als
90°; dabei
aber kleiner als 180°-β/2. Der Winkel β wird dabei
durch zwei Werkzeugaufnahmen 10g, 10h bzw. die
Achsen der darin gehaltenen Werkzeuge definiert. Befinden sich die Werkzeugaufnahmen 10g, 10h in
den Wechselpositionen I und II, legen sie mit der Drehachse 14 den Winkel β fest.
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Wie 4 erkennen
lässt,
ist die von den Werkzeugaufnahmen 10 gebildete Kette im
Bereich der Werkzeugübergabestelle
aus ihrem sonstigen geraden (3) oder
kreisbogenförmigen
(1) Laufweg heraus geführt, um dabei näher an die
Drehachse 14 heran und somit in den Schwenkbereich der
Greifarme 12, 13 hinein positioniert zu werden. Die
Zentren beider Werkzeugaufnahmen 10g, 10h werden
dadurch in einem Abstand zu der Drehachse 14 positioniert,
der mit dem Radius der Zentren 19, 20 übereinstimmt.
Wie noch ersichtlich werden wird, ist deshalb das Herausführen des
Werkzeugs 5g aus der Werkzeugaufnahme 10g und
das Ein führen
des Werkzeugs 5h in die Werkzeugaufnahme 10h durch Bewegung
des Doppelgreifers 19 möglich,
ohne dass die Kette des Werkzeugmagazins 8 oder eine Werkzeugaufnahme
bewegt oder der Doppelgreifer 9 quer zu seiner Drehachse 14 verstellt
werden müsste.
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Der
Doppelgreifer 9 führt
lediglich eine Schwenkbewegung um die Drehachse 14 und
eine axiale Bewegung entlang dieser Achse 14 aus. Dies kann,
wie in 5 schematisch veranschaulicht ist, z.B. mittels
einer Antriebs- und Positioniereinrichtung 23 erfolgen,
zu der ein Drehantrieb 24 und ein Axialstellantrieb 25 gehören. Der
Drehantrieb 24 wird beispielsweise durch einen Servomotor 26 mit
angeflanschtem Getriebe 27 gebildet, dessen Abtriebswelle 28 die
Greifarme 12, 13 trägt. Dem Servomotor 26 ist
ein Winkelgeber 29 zugeordnet, um eine kontrollierte Dreh-
und Schwenkbewegung des Doppelgreifers 9 zu ermöglichen.
Der Drehantrieb 24 kann von einem Schlitten 30 getragen
sein, der an einem zu der Drehachse 14 parallelen Führungskörper 31 in Richtung
der Drehachse 14 verschiebbar geführt ist. Der Schlitten 30 wird
mittels des Axialstellantriebs 25 beispielsweise über ein
Spindelhubgetriebe bewegt, das von einem Servomotor 32 betätigt wird.
Diesem kann wiederum ein Positionssensor 33 zugeordnet sein.
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Während der
Drehantrieb 24 und der Axialstellantrieb 25, wie
dargestellt, getrennt realisiert sein können ist es auch möglich, diese
zu vereinigen. Ein Funktionsbeispiel veranschaulicht 6.
Die Greifarme 12, 13 sind hier mit einer Welle 34 drehfest
verbunden, die in einem Gehäuse 35 drehbar
dabei aber axial verschiebbar gelagert ist. Auf der Welle 34 sitzt ein
sich über
die gesamte Länge
des maximalen Axialhubs erstreckendes Ritzel 36, das mit
einer Schne cke 37 kämmt,
die von dem Servomotor 26 angetrieben ist. In axialem Abstand
zu dem Ritzel 36 ist eine rotationssymmetrische Zahnstange 38 vorgesehen, die
mit einem Ritzel 39 kämmt.
Dieses ist von dem Servomotor 32 angetrieben und dient
der Axialverstellung der Welle 34.
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Die
insoweit beschriebene Werkzeugwechseleinrichtung 7 arbeitet
wie folgt:
Zur Veranschaulichung der Funktion wird auf die 7a bis 7i verwiesen. 7a veranschaulicht
das Werkzeugmagazin 8 mit einer leeren Werkzeugaufnahme 10h und
ansonsten mit Werkzeugen besetzten Werkzeugaufnahmen 10e, 10f, 10g, 10i, 10j,
die die bereits benutzten Werkzeuge 5i, 5j sowie die
noch zu benutzenden Werkzeuge 5e, 5f, 5g tragen.
Die weiteren Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen des Werkzeugmagazins 8 sind
der Übersichtlichkeit
halber weg gelassen.
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In
der Arbeitsspindel 4 befindet sich das Werkzeug 5h.
Dieses soll nun durch das Werkzeug 5g ersetzt werden. Es
wird dazu zunächst
die Tür 16 geöffnet, wie 7b veranschaulicht.
Außerdem wird
der Doppelgreifer 9 um seine Drehachse 14 so geschwenkt,
dass sein Greiferarm 12 in die Wechselposition I schwenkt
und die Greifscheibe des Werkzeugs 5g erfasst. Die Greiferöffnung 18 des
Greiferarms 13 ist somit der Werkzeugspindel 4 zugewandt. Diese
fährt nun
durch die von der Tür 16 frei
gegebene Öffnung
auf den Greiferarm 13 zu bis die Greifscheibe ihres Werkzeugs 5h in
der Greiferöffnung des
Greiferarms 13 liegt. Diesen Zustand veranschaulicht 7c.
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Sind
nun beide Greifscheiben in den Greiferarmen 12, 13 arretiert,
wird der Doppelgreifer 9 in Axialrichtung, d.h. in 7c senkrecht
zu der Zeichenebene bewegt, womit der Schaft des Werkzeugs 5h aus
der Arbeitsspindel 4 heraus geführt wird. Danach erfolgt eine
Schwenkbewegung des Doppelgreifers 9 um die Drehachse 14,
wie der Übergang
von 7c zu 7d zeigt.
Damit verlässt
der Greiferarm 13 die Arbeitsspindel 4.
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Nunmehr
steht der Greiferarm 12 vor der Arbeitsspindel 4 und
hält dort
das Werkzeug 5g während
das Werkzeug 5h von der Arbeitsspindel 4 fortgeführt worden
ist. In dem Werkzeugmagazin 8 sind beide Werkzeugaufnahmen 10g, 10h in
diesem Zustand leer. Durch eine axiale Rückzugsbewegung des Doppelgreifers 9 wird
nun der Schaft des Werkzeugs 5g in die Arbeitsspindel 4 eingeführt und
dort arretiert.
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Ist
dies erfolgt, kann, wie 7e veranschaulicht,
eine fortgesetzte Drehung des Greiferarms 9 dazu genutzt
werden, den Greiferarm 12 außer Eingriff mit der Greifscheibe
des Werkzeugs 5g zu bringen, das nunmehr allein von der
Arbeitsspindel 4 gehalten wird. Diese kann das Werkzeugmagazin
gemäß 7f verlassen
und den nächsten
Arbeitsgang ausführen.
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Wie 7g zeigt,
schließt
nun die Tür 16 und
der Doppelgreifer 9 schwenkt weiter bis sein Greiferarm 13 das
aus der Arbeitsspindel 4 entnommene Werkstück 5h in
die Wechselposition II schwenkt und in die Werkzeugaufnahme 10h einsetzt.
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7h veranschaulicht
nun die umgekehrte Rückschwenkbewegung
des Doppelgreifers 9, so dass er in die Position gemäß 7a zurückkehrt. Zugleich
oder zeitversetzt kann die von den Werkzeugaufnahmen 10 des
Werkzeugmagazins 8 gebildete Kette um z.B. eine Position
weiter rücken,
um das in der Bearbeitungsfolge nächstkommende Werkzeug 5f in
der Werkzeugaufnahme 10f an den vormaligen Platz der Werkzeugaufnahme 10g zu
verfahren. Die Werkzeugaufnahme 10g nimmt hingegen nunmehr
den Platz ein, den zuvor die Werkzeugaufnahme 10h eingenommen
hatte.
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Wie
aus dem vorstehenden ersichtlich wird, sind an dem Werkzeugwechsel
zwei in den unterschiedlichen Wechselpositionen I, II stehende Werkzeugaufnahmen
des Werkzeugmagazins 8, z.B. die Werkzeugaufnahmen 10g, 10h,
sowie die Arbeitsspindel 4 beteiligt. Zwei Werkzeugaufnahmen,
z.B. die Werkzeugaufnahmen 10g, 10h des Werkzeugmagazins 8,
stehen zeitgleich zur Werkzeugabholung und Werkzeugablieferung bereit.
Der stumpfwinklig abgewinkelte Doppelgreifer 9 bedient
beide Werkzeugaufnahmen 10g, 10h, ohne Relativverstellung
zwischen der Drehachse 14 und dem Werkzeugmagazin 8.
Die Drehachse 14 ist während
des Werkzeugwechselvorgangs und vorzugsweise auch ansonsten ortsfest.
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Die 8a bis 8d veranschaulichen den
Werkzeugwechselvorgang nochmals in aufs Äußerste abstrahierter Weise.
Das Werkzeugmagazin 8 ist in den Figuren durch eine Folge
nicht weiter nummerierter Werkzeugaufnahmen symbolisiert, die als Kreise
dargestellt sind. In diesem Werkzeugmagazin sind die von 1 bis 15
durchnummerierten Werkzeuge in einer Reihe angeordnet, wobei die
Reihenfolge der Bearbeitungsreihenfolge, d.h. der Reihenfolge in
der sie benötigt
werden, entspricht. Die Arbeitsspindel 4 ist ebenfalls
durch einen Kreis symbolisiert, wobei die Ziffer in dem jeweiligen
Kreis die Nummer des dort gehaltenen Werk zeugs anzeigt. In 8a wird,
wie durch einen Pfeil angedeutet, das Werkzeug Nr. 1 in die Arbeitsspindel 4 überführt. Wird
dieses später nicht
mehr benötigt,
gelangt es an seinen angestammten Platz in dem Werkzeugmagazin 8 zurück. Wie
dies erfolgt ist in 8b beispielhaft an dem Werkzeug
Nr. 3 veranschaulicht. Sein Magazinplatz ist frei gelassen worden,
als es gegen das Werkzeug 2 ausgetauscht worden ist. Nunmehr
wird gemäß 8b das
Werkzeug Nr. 3 an seinen Platz zurück geführt, wonach das Werkzeug Nr.
4 von seinem Platz in die Arbeitsspindel 4 eingesetzt wird.
Ebenso wird gemäß den 8c und 8d mit
den Werkzeugen 5 und 10 wie auch mit allen anderen
Werkzeugen verfahren. Es bleibt dadurch die Werkzeugreihenfolge
in dem Werkzeugmagazin 8 in jedem Fall erhalten und zwar
auch dann, wenn das ringförmige
Werkzeugmagazin 8 wesentlich mehr Werkzeugaufnahmen aufweist
als durch Werkzeuge besetzt sind. Die Überführung der Werkzeuge aus dem Werkzeugmagazin 8 in
die Arbeitsspindel 4 und zurück erfolgt vorzugsweise mit
der Werkzeugwechseleinrichtung 7 gemäß der vorstehenden Beschreibung.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass dieser Werkzeugwechsel auch
mit anderen Werkzeugwechseleinrichtungen durchgeführt werden
kann, die beispielsweise zwei unabhängig voneinander wahlfrei bewegbare
Einzelgreifer aufweisen.
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In 9 ist
ein weiterer Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung 7 veranschaulicht.
In dem Werkzeugmagazin 8 ist ein erster Werkzeugsatz 40 angeordnet,
der z.B. fünfzehn
zur Bearbeitung eines Werkstücks
erforderliche Werkzeuge umfasst. Diese sind in den durch Kreise symbolisierten
Werkzeugaufspannplätzen
wiederum lediglich durch die Ordnungsziffern symbolisiert. Das Werkzeugmagazin 8 enthält darüber hinaus
einen Satz von Ersatzwerkzeugen, wobei besonders verschleißträchtige Werkzeuge,
im Beispiel die Werkzeuge Nr. 2 und Nr. 13, auch mehrfach vorhanden sein
können.
Die Ersatzwerkzeuge sind jeweils durch ein Apostroph kenntlich gemacht.
Zur Durchführung eines
Tausches eines verschlissenen Werkzeugs gegen ein Ersatzwerkzeug,
dient die Werkzeugwechseleinrichtung 7.
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Beispielsweise
wird zur Veranschaulichung angenommen, dass das Werkzeug Nr. 13
verschlissen ist. Zum Austausch wird dann die Werkzeugaufnahme mit
dem Werkzeug Nr. 13 in die in 4 veranschaulichte
Wechselposition I der Werkzeugaufnahme 10g verfahren und
das verschlissene Werkzeug Nr. 13 wird von dem Greiferarm 12 übernommen.
Sodann wird der Doppelgreifer 9 in eine Neutralstellung
geschwenkt, in der seine beiden Greiferarme 12, 13 von
der Kette weg weisen. Diese wird dann verfahren bis eine Werkzeugaufnahme
mit einem Ersatzwerkzeug Nr. 13' in
der Wechselposition II der Werkzeugaufnahme 10h gemäß 4 steht.
Der Greiferarm 13 holt nun das entsprechende Werkzeug Nr.
13' aus der Position 10h ab
und schwenkt in Neutralposition zurück. Die Kette verfährt dann
um 1, so dass der leere Platz des Werkzeugs Nr. 13' auf die Wechselposition
I gefahren wird. In dieser übergibt der
Greifarm 12 das verschlissene Werkzeug Nr. 13 an die Kette.
Der Doppelgreifer 9 wird wiederum in Neutralstellung gefahren
und das Werkzeugmagazin 8 so lange betätigt bis die nun durch das
Ersatzwerkzeug 13' zu
besetzende leere Stelle des Magazins an der Wechselposition II ankommt,
die dem Greiferarm 13 zugeordnet ist. Dieser übergibt
das Werkzeug 13' dann
an das Werkzeugmagazin.
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Beim
Werkzeugwechsel an der Arbeitsspindel 4 bildet die Wechselposition
I die Werkzeugabholposition, in der der Doppelgreifer 9 Werkzeuge
aus dem Magazin 8 entnimmt. Die Wechselposition II bildet
die Werkzeugablageposition, in der der Doppelgreifer 9 die
Werkzeuge an das Magazin 8 übergibt. Beim oben beschriebenen
Umsortierungsvorgang hingegen werden beide Wechselpositionen I,
II gleichwertig genutzt.
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Die 10 und 11 veranschaulichen
ein weiter entwickeltes Ausführungsbeispiel
der Werkzeugwechseleinrichtung 7. Die vorstehende Beschreibung
gilt unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen entsprechend. Ergänzend gilt
bei dieser Ausführungsform,
dass zur Werkzeugkontrolle und/oder zur Werkzeugvermessung eine
Werkzeugmesseinrichtung 42 vorgesehen ist, die beispielsweise
durch ein oder mehrere Lichtschranken 43, 44, 45, 46 gebildet
ist. Die Lichtschranken 43 bis 46 definieren jeweils
Lichtwege, die quer zu den Werkzeugachsen und somit auch quer zu
der Drehachse 14 orientiert sind und vorzugsweise in einer
gemeinsamen Ebene liegen. Sie verlaufen vorzugsweise rechtwinklig
durch eine durch das Zentrum 19, 20 gehende Gerade,
wenn sich die Greiferarme 12, 13 in entsprechenden
Drehstellungen befinden.
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Zum
Prüfen
wird im einfachsten Fall beispielsweise der aus 11 ersichtliche
Bohrer 47 oder ein anderes zu prüfendes Werkzeug in den von den
Lichtschranken 43 bis 46 gebildeten Lichtvorhang
gefahren. Der Bohrer 47 unterbricht nun die Lichtwege der
Lichtschranken 43, 44 und lässt die übrigen Lichtwege frei. Somit
ist seine Länge
in Stufen überprüfbar. Ist
der Bohrer abgebrochen fällt
dies unmittelbar auf. Es ist somit eine Bohrerbruchkontrolle durchführbar. Hierzu
genügt
im einfachsten Falle auch eine einzelne Lichtschranke. z.B. die
Lichtschranke 43.
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Soll
die Bohrerlänge
genauer bestimmt werden, kann die Antriebs- und Positioniereinrichtung 23 dazu
genutzt werden, indem eine Axialverstellung des Doppelgreifers 9 durchgeführt wird.
Die Positionssignale des Axialstellantriebs 25 bzw. des
Positionssensors 33 können
dabei in Verbindung mit den Lichtschrankensignalen zur Längenmessung
benutzt werden.
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Ähnlich ist
es möglich,
Durchmesserbestimmungen vorzunehmen, indem durch langsame Betätigung des
Drehantriebs 24 das zu prüfende oder zu vermessende Werkzeug
durch den entsprechenden Lichtstrahl der Lichtschranken 43 bis 46 gedreht
wird. Die Positionssignale des Drehantriebs 24 bzw. Winkelgebers 29 können in
Verbindung mit den von den Lichtschranken gelieferten Signalen dann
zur Durchmesserbestimmung ausgewertet werden. Der Werkzeugdurchmesser
lässt sich
bei dieser Anordnung besonders vorteilhaft mit einer Videokamera
und entsprechender Bildauswertung vermessen.
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Zum
Vermessen der Werkzeuglänge
wird der Greiferarm 13 zunächst in die entsprechende Drehstellung
bewegt. Zur Vermessung führt
der Werkzeugwechsler eine Axialbewegung aus, und zwar solange, bis
der zur jeweiligen Werkzeuglängen-Sollmaß gehörende Lichtstrahl
unterbrochen wird. Mit Hilfe des Positionssensors 33 und
dem Signal der entsprechenden Lichtschranke 43 bis 46 lässt sich
die Werkzeuglänge
berechnen. Weil der Axialhub des Werkzeugwechslers begrenzt ist,
sind mehrere Lichtschranken 43 bis 46 hintereinander
angeordnet. Der Abstand der Lichtschranken zueinander ist geringfügig kleiner
als der maximale Axialhub der Werkzeugwechseleinrichtung. Würde nur
eine einzelne Lichtschranke eingesetzt werden, so müsste der
Axialhub vergrößert werden,
was aus technischen Gründen
nicht gewünscht
wird.
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Ergänzend ist
es möglich,
z.B. zwischen dem Greiferarm 12 und der ihm zugeordneten
Position I des Werkzeugmagazins 8 eine Reinigungsstation 48 vorzusehen.
Diese dient beispielsweise generell oder auch lediglich bedarfsweise
der Reinigung der Werkzeugschäfte,
die beispielsweise als Steilkegelschäfte ausgebildet sind. Dies
vermeidet Spannfehler.
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Als
alternative Betriebsart kann die Werkzeugwechseleinrichtung 7 auch
nach einem abgewandelten Schema betrieben werden. Bei diesem Schema
wird das benutzte Werkzeug jeweils in die frei gewordene Werkzeugaufnahme
des soeben eingewechselten Werkzeugs abgelegt. Das Werkzeugmagazin 8 wird
bei diesem Werkzeugwechselvorgang jeweils um eine Position verfahren.
Die Gruppe der in dem Werkzeugmagazin 8 vorhandenen Werkzeuge 5a bis 5n bewegt
sich bei diesem Schema nach Durchführung einer vollständigen Werkstückbearbeitung
unter Benutzung aller Werkzeuge 5a bis 5n jeweils
um einen Schritt. Die Beibehaltung der Reihenfolge der Werkzeuge
in dem Werkzeugmagazin 8 kann jedoch sichergestellt werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung 7 dient
ein Doppelgreifer 9 zur Vermittlung des Werkzeugaustauschs
zwischen einem Werkzeugmagazin 8 und einer Arbeitsspindel 4.
Die Greiferarme 12, 13 schließen miteinander einen stumpfen
Winkel ein. Ihre Greiferöffnungen 17, 18 sind
beide auf das Werkzeugmagazin 8 hin gerichtet. In dem Schwenkbereich
des Doppelgreifers 9 sind zwei Werkzeugübergabepositionen, nämlich eine Wechselposition
I zum Abholen von Werkzeugen und eine Wechselposition II zum Abliefern
bzw. Ablegen von Werkzeugen vorgesehen. Der Greiferarm 12 ist der
Wechselposition I fest zugeordnet. Der Greiferarm 13 ist
der Wechselposition II fest zugeordnet. Die Greifereinrichtung 7 gestattet
einen schnellen und einfachen Werkzeugwechsel und ermöglicht die
Einhaltung einer vorgegebenen Werkzeugsequenz. Außerdem gestattet
sie bedarfsweise die Umsortierung von Werkzeugen innerhalb des Werkzeugmagazins ohne
Zuhilfenahme der Arbeitsspindel 4.
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- 1
- Bearbeitungszentrum
- 2
- Werkstückaufspannplatz
- 3
- Maschinengestell
- 4
- Arbeitsspindel
- 5
- Werkzeug
- 5a
bis 5n
- Werkzeuge
- 6
- Werkstück
- 7
- Werkzeugwechseleinrichtung
- 8
- Werkzeugmagazin
- 9
- Doppelgreifer
- 10
- Werkzeugaufnahmen
- 11
- Werkzeugübergabestelle
- 12,
13
- Greifarme
- 14
- Drehachse
- 15
- Schutzwand
- 16
- Tür
- 17,
18
- Greiferöffnungen
- 19,
20
- Zentren
-
-
- 21,
22
- Arretierfinger
- 23
- Antriebs-
und Positioniereinrichtung
- 24
- Drehantrieb
- 25
- Axialstellantrieb
- 26
- Servomotor
- 27
- Getriebe
- 28
- Abtriebswelle
- 29
- Winkelgeber
- 30
- Schlitten
- 31
- Führungskörper
- 32
- Servomotor
- 33
- Positionssensor
- 34
- Welle
- 35
- Welle
- 36
- Ritzel
- 37
- Schnecke
- 38
- Zahnstange
- 39
- Ritzel
- 40
-
- 41
- Pfad
- 42
- Werkzeugmesseinrichtung
- 43,
44, 45, 46
- Lichtschranken
- 47
- Bohrer
- 48
- Reinigungsstation
- I,
II
- Wechselposition
- U
- Umlaufsinn