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Die
Erfindung betrifft ein als Werkzeugmaschine eingesetztes Handhabungsgerät, zum Beispiel
einen mehrachsigen Industrieroboter, mit wenigstens einem beweglichen
Gelenkarm, an dessen freiem Ende ein Spindelantrieb für einen
Werkzeughalter mit einem Werkzeug angeordnet ist.
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Mit
Zunahme der Automatisierung werden verstärkt Roboter zum Einsatz als
Werkzeugmaschine gebracht, wobei der wenigstens eine bewegliche Roboterarm
an seinem freien Ende mit einem Spindelantrieb ausgestattet ist,
der als Antrieb für
ein jeweiliges in einem Werkzeughalter gehaltenes Werkzeug dient.
Eine Hürde
bei dem automatisierten Einsatz der Roboter bereitet der Werkzeugwechsel,
das heißt
die Bestückung
mit dem jeweils erforderlichen Werkzeug, das üblicherweise aus einem Werkzeugspeichersystem
entnommen wird.
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Ursprünglich wurden
Werkzeugspeichersysteme im Bereich Werkzeugmaschinen für Bearbeitungszentren
verwendet. Diese werden eingesetzt, um unterschiedliche Werkzeuge,
das heißt
je nach Bauform, Fertigungsverfahren und/oder Dimension für den jeweiligen
Fertigungsschritt bereitzustellen.
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Diese
sogenannten Werkzeugspeichersysteme bieten den Vorteil, dass für einen
Werkzeugwechsel kein Anlagenbediener oder -betreuer in die Anlage
oder in den Prozess eintreten muss, um den Werkzeugwechsel durchzuführen.
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Gängige Werkzeugspeichersysteme
werden entweder gemäß einem
Standard ausgeführt
oder aber sie sind für
eine spezielle Anwendung als Sonderlösung vorgese hen. Hierin liegt
der Grund, dass ein Werkzeugspeichersystem nicht oder nur schwer erweiterbar
ist. Dies bedeutet aber auch, dass die Anordnung der Werkzeuge nicht
frei wählbar
ist.
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In
der Werkzeugmaschinentechnik und bei Handhabungsgeräten werden
Werkzeugspeichersysteme verwendet, um unterschiedliche Anwendungen
oder Fertigungsverfahren mit unterschiedlichen Werkzeugen beziehungsweise
Manipulatoren durchzuführen.
Ein Werkzeugspeichersystem besteht aus einzelnen Werkzeugablageplätzen. Die
Anordnung der Ablageplätze
resultiert aus der Tradition der Werkzeugmaschinen beziehungsweise
aus Anforderungen an die Anlage. Die differierenden Bauformen des
Werkzeugspeichersystems haben Einfluss auf die Anordnung beziehungsweise
auf die Gestaltung des Werkzeugablageplatzes.
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Die
Werkzeugablageplätze
können
einerseits so ausgeführt
sein, dass das Werkzeug nur abgelegt wird und durch das Eigengewicht,
das heißt durch
die Schwerkraft, oder durch die Bauform des Ablageplatzes auf Position
bleibt. Es kann aber auch erforderlich sein, dass das Werkzeug durch
vorzugsweise fernbetätigbare
Spannmittel in Position gehalten wird. Solche Spannmittel können pneumatisch, elektrisch
oder hydraulisch betätigt
sein.
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Darüber hinaus
werden für
die Durchführung der
bei Werkzeugablageplätzen
in Betracht kommenden Spannverfahren zu deren Betätigung üblicherweise
wenigstens eine Versorgungsleitung sowie eine Steuerung mit Programm
Logik benötigt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, für einen
als Werkzeugmaschine eingesetzten mehrachsigen Industrieroboter
der eingangs genannten Art eine Möglichkeit für einen raschen und zuverlässig arbeitenden
Werkzeugwechsel zu schaffen sowie ein Verfahren zur Handhabung der
aufgezeigten Möglichkeit
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen,
dass der bewegliche Gelenkarm den Spindelantrieb zu einem vorgesehenen
Werkzeugablageplatz bewegt, wo dieser den dort abgelegten mit dem
jeweiligen Werkzeug bestückten
Werkzeughalter aufnimmt beziehungsweise darin ablegt. Wenn im Weiteren
von Werkzeug die Rede ist, so ist stets die Einheit von Werkzeug und
Werkzeughalter gemeint.
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Der
Werkzeughalter ist einerseits zum Anschluss an den Spindelantrieb
vorbereitet, vorzugsweise zum selbsttätigen Anschluss, und andererseits zur
Aufnahme jedes Werkzeugs vorgesehen, mit welchem der Werkzeughalter
quasi eine Baueinheit bildet.
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Hierbei
erweist es sich als vorteilhaft, dass der an sich bereits bekannte
Werkzeugablageplatz in weiterer Verbesserung der Erfindung modular
gestaltet ist. Das heißt,
er kann mit einem oder mehr gleichartigen Werkzeugablageplätzen zu
einem Werkzeugspeichersystem ausgebaut werden, das von einem oder
mehreren als Werkzeugmaschine eingesetzten Handhabungsgeräten angefahren
und genutzt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren Verbesserung der Erfindung sind die Werkzeugaufnahmen des
jeweiligen modularen Werkzeugablageplatzes an das jeweils zur Ablage
vorgesehene Werkzeug anpassbar.
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In
erfindungsgemäßer Weiterbildung
kann die Anpassung auch dadurch gewährleistet sein, dass die Werkzeugaufnahme
des modularen Werkzeugablageplatzes zwecks Anpassung an das jeweils
zur Ablage vorgesehene Werkzeug auswechselbar ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist jeder modulare Werkzeugablageplatz mit einer Werkzeugpräsenzsensorik
ausgestattet, welche jeweils den Ladezustand des betreffenden Werkzeugablageplatzes
erfasst und zur Anzeige bringt.
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Damit
ist gewährleistet,
insbesondere wenn der gesamte Werkzeugwechsel programmgesteuert durchgeführt wird,
dass das betreffende Handhabungsgerät den Spindelantrieb an seinem
Gelenkarm nicht zwecks Aufnahme eines Werkzeugs zu einem leeren
Werkzeugablageplatz bewegt beziehungsweise dass der Handha bungsgerät nicht
versucht, den mit einem Werkzeughalter bestückten Spindelantrieb an einem
bereits besetzten Werkzeugablageplatz abzulegen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jeder modulare Werkzeugablageplatz
einen zweiteiligen Grundkörper,
zwei Greifbacken und eine aus einer oder mehreren Federn bestehende
Federeinrichtung zur Beaufschlagung der Greifbacken auf. Hierbei
bietet der zweiteilige Grundkörper
gleichzeitig auch die Führung
für die
schwenkbeweglichen Greifbacken, die mittels der ebenfalls vorgesehenen
Feder in Schließrichtung
aufeinander zu beaufschlagt sind.
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Die
Federeinrichtung kann dabei sowohl gleichzeitig beide Greifbacken
beaufschlagen als auch so angeordnet sein, dass jede der Greifbacken unabhängig von
der anderen beaufschlagt ist, das heißt, jeder Greifbacke ist wenigstens
eine Feder zugeordnet. Dabei können
die Federn als Schraubenfedern, als Blattfedern, als Spiralfedern
oder auch gegebenenfalls als Druckfedern beziehungsweise als Zugfedern
ausgebildet sein
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Vorzugsweise
ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das
Handhabungsgerät
zum Werkzeugwechsel, nämlich
zur Werkzeugaufnahme beziehungsweise zur Werkzeugablage, den vorgesehenen
Werkzeugablageplatz Bahn- oder kraftgesteuert
anfährt.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass das Handhabungsgerät zum Werkzeugwechsel
die Entnahmeposition beziehungsweise Übergabeposition an dem vorgesehenen
Werkzeugablageplatz erreicht, wobei aufgrund der inhärenten Toleranz
eine sehr gute Ausgleichsmöglichkeit
für geringe örtliche
Abweichungen gegeben ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Handhabungsgerät in der
Entnahmeposition mit dem Spindelantrieb die in der Werkzeugablage
abgelegte Werkzeughalterung arretiert und entnimmt. Dies bedeutet,
dass das Handhabungsgerät und
das aufgenommene Werkzeug, das quasi einstückig mit dem Werkzeughalter
verbunden ist, eine Einheit bilden.
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Entsprechend
ist für
einen Werkzeugwechsel vorgesehen, dass das Handhabungsgerät zum Ablegen
eines Werkzeuges die vorgesehene Werkzeugablage anfährt, die
mit dem Spindelantrieb verbundene Werkzeughalterung darin ablegt,
dann die Arretierung löst
und sich von dem Werkzeugablageplatz entfernt, das heißt ohne
Werkzeughalterung.
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Entsprechend
der Erfindung kann grundsätzlich
jeder Werkzeughalter zum Einsatz kommen, wobei der Werkzeughalter
an die jeweils vorgesehenen Spindelantriebs-Werkzeughalter-Standards, zum Beispiel
ISO oder HSK, angepasst ist.
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Ebenso
kann auch vorgesehen sein, dass die vom Handhabungsgerät angesteuerten
Werkzeugaufnahmen durch jeweiligen Austausch ihres Führungsteils
sowie ihrer Greifbacken an andere Spindelantriebs-Werkzeughalter-Standards,
zum Beispiel ISO oder HSK, anpassbar sind. Dabei können die
betreffenden Teile, nämlich
das jeweilige Führungsteil
und die beiden Greifbacken, die vorzugsweise einfach mit der Werkzeugaufnahme
verbunden sind, leicht gelöst
werden.
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Ferner
ist auch ein Verfahren anzugeben, nach welchem das erfindungsgemäße Zusammenwirken
des mit Spindelantrieb und daran gekoppelten Werkzeughalter ausgestatteten
Handhabungsgerätes
mit einem modular gestalteten Werkzeugablageplatz erfolgt.
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Demgemäß ist ein
Verfahren zur automatisierten Handhabung einer von einem am freien
Ende eines Gelenkarms eines Handhabungsgerätes angeordneten Spindelantrieb
gehaltenen Werkzeughalterung, welche bei einem Werkzeugwechsel zur
Ablage in einem modularen Werkzeugablageplatz vorgesehen ist, erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass die Werkzeughalterung vom Handhabungsgerät Bahn- oder kraftgesteuert
zum vorgesehenen Werkzeugablageplatz gefördert und mit dieser in Eingriff
gebracht wird, dass zum Werkzeugwechsel, nämlich zur Werkzeugablage, die
Arretierung des Spindelantriebs in der Werkzeughalterung gelöst wird
und dass der Spindelantrieb vom Handhabungsgerät von dem betreffenden Werkzeugablageplatz entfernt
wird.
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In
gleicher Weise läuft
auch das Verfahren ab, das zur automatisierten Handhabung eines
am freien Ende eines Gelenkarms eines Handhabungsgerätes angeordneten
Spindelantriebs, welcher bei einem Werkzeugwechsel zur Aufnahme
einer Werkzeughalterung an einem modularen Werkzeugablageplatz vorgesehen
ist.
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Entsprechend
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
wird der Spindelantrieb vom Handhabungsgerät bahn- oder kraftgesteuert
zum vorgesehenen modularen Werkzeugablageplatz gefördert, in die
darin befindliche Werkzeughalterung eingeführt und angehoben und mit dieser
in Eingriff gebracht wird, woraufhin zwecks Werkzeugaufnahme der Spindelantrieb
in der Werkzeughalterung arretiert wird und der Spindelantrieb mitsamt
der daran kraft- und formschlüssig
verbundenen Werkzeughalterung vom Handhabungsgerät von dem betreffenden Werkzeugablageplatz
wegbewegt wird.
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In
Ergänzung
zu den vorstehend erläuterten Verfahrensabläufen gemäß der Erfindung
ist in Weiterbildung der Erfindung das Verfahren zur automatisierten
Handhabung des Wechsels eines von einem Handhabungsgerät betätigten Werkzeughalters
dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung der Bewegungsabläufe des
Handhabungsgerätes
manuell oder mittels programmierter Steuerung erfolgt.
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Hierbei
erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass ein jeglicher manueller
Eingriff unterbleiben kann, da das aus dem mit Werkzeug bestückten Handhabungsgerät einerseits
und der Werkzeugablage andererseits gebildete System aufgrund seiner erfindungsgemäßen Gestaltung
selbsttätig
miteinander funktioniert.
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Zusammenfassend
werden die wesentlichen Aspekte über
der Erfindung nochmals kurz aufgezeigt.
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Als
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Handhabungsgerät, beispielhaft
ein Industrieroboter, mit einem Spindelantrieb anzusehen. Der Spindelantrieb
ist mit einem manuellen oder automatischen Werkzeugwechsler ausgestattet.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein System aus dem vorgenannten Handhabungsgerät und einem
modularen Werkzeugablageplatz mit einer standardisierten mechanischen
Schnittstelle, welcher ohne zusätzliche
Energieversorgung auskommt.
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Auf
Grundlage des modularen Werkzeugablageplatzes kann ein Werkzeugspeichersystem
individuell durch eine standardisierte mechanische Schnittestelle
zusammengestellt und erweitert werden. Die mechanische Schnittstelle
ist dabei so ausgeführt,
dass die einzelnen Werkzeugablageplätze miteinander verbunden werden können und
dadurch der Werkzeugspeicher beliebig erweiterbar ist. Durch die
Modularität
ist die Anzahl der Werkzeugablageplätze freiwählbar.
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Die
Modulbauform des Werkzeugablageplatzes ist adaptierbar auf die verschiedenen
Spindelantriebs-Werkzeughalter-Standards, zum Beispiel HSK oder
ISO. Dabei müssen
nur die Aufnahmen des modularen Werkzeugablageplatzes gewechselt
werden. Der Werkzeugablageplatz benötigt keine zusätzliche Energieversorgung
um das Werkzeug in Position zu halten.
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Das
Signal der integrierten Werkzeugpräsenzsensorik wird programmtechnisch
verarbeitet und gibt dem Bediener über die grafische Oberfläche (HMI – Human
Machine Interface) des Programmier-Handgerätes den aktuellen Status über den Werkzeugablageplatz
wie auch über
den Zustand des betreffenden Werkzeugs, zum Beispiel hinsichtlich
Verschleiß oder
seiner Abmessung bekannt.
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Ferner
ist auch vorgesehen, dass der jeweilige Status beim Werkzeugwechsel
eines Handhabungsgerätes
auf einer grafischen Bedieneroberfläche zur Anzeige gebracht wird.
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Insbesondere
ist dabei vorgesehen, die Daten des Lagerortes eines Werkzeuges,
dessen jeweilige Größe oder
Abmessung, dessen Gebrauchsdauer beziehungsweise dessen Auswechslungszeitpunkt
wegen Verschleiß zu
erfassen, so dass sie jederzeit von der Bedienperson abrufbar sind.
Ergänzend
kann ferner bei Erreichen der Verschleißgrenze eines Werkzeuges ein
Alarm ausgelöst
werden, der die Einleitung entsprechender Maßnahmen herbeiführt.
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Diese
und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Anhand
eines in der beigefügten
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
der Erfindung sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und
Verbesserungen der Erfindung sowie besondere Vorteile der Erfindung
näher erläutert und
beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Werkzeugablageplatz
in Schrägansicht
von oben;
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2 den
Werkzeugablageplatz gemäß 1 in
drei verschiedenen Stellungen beim Ablegen eines Werkzeuges und
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3 den
Werkzeugablageplatz gemäß 1 in
drei verschiedenen Stellungen beim Aufnehmen eines Werkzeugs.
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In 1 ist
ein Werkzeugablageplatz 10 gemäß der Erfindung in Schrägansicht
von oben dargestellt. Er besitzt einen Grundkörper 12, der aus zwei Teilen 14, 16 besteht,
in welchem zwei spiegelsymmetrische Greifbacken 18 schwenkbeweglich
angeordnet sind.
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Der
Grundkörper 10 hat
eine rechteckige Grundstruktur mit abgeschrägten Ecken, welche beste Voraussetzungen
für einen
modularen Aufbau eines aus einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Werkzeugablageplätzen 10 gebildeten
Werkzeugspeichers bietet.
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Der
untere Teil 14 des Grundkörpers 12 bildet die
Schwenkbasis für
die beiden Greifbacken 18, die von dem oberen Teil 16 des
Grundkörpers 12 abgedeckt
sind.
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Ferner
ist in dem Grundkörper 12 eine
nicht näher
gezeigte Federeinrichtung angeordnet, welche beide Greifbacken 18 in
Schließstellung
beaufschlagt. Hierbei verlaufen die Schenkel der Greifbacken 18 parallel
zu den Seitenkanten des Grundkörpers 12.
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An
den oberen Teil 16 des Grundkörpers 12 ist an dessen
vorderer Zugangsseite ein Führungsteil 20 angeordnet,
das mit einem halbkreisförmigen Tragkranz 22 versehen
ist, der als Stützkragen
und als Führung
für ein
Werkzeug dient, das in dem Werkzeugablageplatz 10 abgelegt
ist.
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Dieser
halbkreisförmigen
Tragkranz 22 findet seine Fortsetzung jeweils in entsprechenden
Anformungen 24 an den Innenseiten der beiden Greifbacken 18.
An ihren freien Enden sind die Greifbacken 18 mit als Einführfase 28 bezeichneten
Anschrägungen
versehen, die für
einen druckgesteuertes Öffnen der
Greifbacken 18 und damit den Zugang zum Werkzeugablageplatz 10 und
die sichere Aufnahme eines Werkzeuges sorgen, das zur Ablage in
dem Werkzeugablageplatz 10 vorgesehen ist.
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Schließlich ist
am oberen Teil 16 des Grundkörpers 10 mittig ein
Lade- oder Präsenzsensor 26 angeordnet,
der bei Ablage eines Werkzeugs in den Werkzeugablageplatz 10 vom
Werkzeug aktiviert wird und so den Ladezustand des Werkzeugablageplatzes 10 anzeigt.
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Die
beiden Greifbacken 18 begrenzen in Schließstellung
jeweils etwa einen Achtelkreis, wobei zwischen den sich einander
zugewandten freien Enden der Greifbacken 18 eine Lücke vorgesehen
ist, welche der Ablage beziehungsweise der Aufnahme eines im Werkzeugablageplatz 10 befindlichen
Werkzeuges dient.
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Wenn
ein anderer Werkzeughaltertyp zum Einsatz kommt, bereitet es mit
der Erfindung keinerlei Schwierigkeiten, das Führungsteil 20 sowie
die beiden Greifbacken 18 komplett gegen solche auszutauschen,
die an den neuen Werkzeughaltertyp angepasst sind.
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Im
Folgenden soll anhand der 2 der Werkzeugwechsel,
und zwar der Ablagevorgang erläutert
werden.
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Bei
der Initialisierung für
einen Werkzeugwechsel fährt
der Industrieroboter in die Position beim Werkzeugspeicher zu dem
gewählten
Werkzeugablageplatz 10, entweder aufgrund programmtechnischer
oder manueller Auswahl. Der Industrieroboter fährt linear bahngesteuert oder
kraftgesteuert mit dem mit Werkzeug bestückten Werkzeughalter am Spindelantrieb
zu dem Werkzeugablageplatz 10. Die Greifbacken 18 sind
mit einer Führungshilfe
für den
jeweiligen Werkzeughaltertypen ausgestattet.
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Der
mit dem Werkzeughalter 30 am freien Ende versehene Roboterarm
wird gegen die Einführfase 24 an
den Greifbacken 18 gedrückt
und aufgrund der Krafteinwirkung des Industrieroboters öffnen sich
die Backen 18. Die Anordnung der Greifba cken 18 und
der Feder ist so vorgesehen, dass die Werkzeugablage 10 eine
gewisse Toleranz im seitlichen Versatz beim Einführvorgang ermöglicht.
Der Werkzeughalter 30 gleitet auf den Führungen 22, 24 in
die Werkzeugablage. Infolge der Federkraft schließen sich
die Greifbacken 18 und fixieren hierdurch den Werkzeughalter 30 in
seiner Position. Die Werkzeugpräsenzsensorik 26 meldet „Werkzeug
vorhanden” und
die Meldung wird weiterverarbeitet in der Programmroutine und wird
für den
Bediener sichtbar dargestellt. Der Spindelantrieb gibt nach Lösen der integrierten
Arretierung den Werkzeughalter 30 frei und der Industrieroboter
fährt auf
eine sichere Position. Durch die Federkraft werden die Greifbacken
bis Endlage geschlossen und gewährleisten
dadurch eine wiederholbare und gesicherte Ab- und Aufnahmeposition
des Werkzeughalters 30 für den Werkzeugwechsel.
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Nun
soll der Vorgang des Werkzeugwechsels beim Aufnahmevorgang eines
Werkzeugs erläutert
werden.
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Bei
der Initialisierung der Werkzeugaufnahme fährt der Industrieroboter mit
leerem Spindelantrieb zur Entnahmeposition im Werkzeugspeicher. Die
Auswahl des zu holenden Werkzeuges kann programmtechnisch oder durch
Auswahl durch den Bediener erfolgen. Der Industrieroboter fährt linear bahngesteuert
oder kraftgesteuert auf die Entnahmeposition. Der Spindelantrieb
arretiert den Werkzeughalter und fährt aus der Werkzeugablage 10 heraus. Der
Werkzeughalter 30 drückt
dabei die Greifbacken 18 auf und überwindet die Schließkraft der
Feder. Die Anordnung der Feder und der Greifbacken 18 gestattet
eine seitliche Toleranz. Wenn der größte Durchmesser des Werkzeughalters 30 die
Greifbacken 18 überwunden
hat, schließen
sich diese durch die Federkraft wieder. Die Werkzeugpräsenzsensorik 26 meldet „Kein Werkzeug
vorhanden”,
diese Meldung wird weiterverarbeitet in der Programmroutine für den Bediener
sichtbar dargestellt. Der Industrieroboter fährt mit dem Werkzeughalter
im Spindelantrieb auf eine sichere Position und wartet auf weitere
Eingaben seitens des Bedieners oder fährt im Programmablauf fort.
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- 10
- Werkzeugablageplatz
- 12
- Grundkörper
- 14
- unterer
Teil
- 16
- oberer
Teil
- 18
- Greifbacken
- 20
- Führungsteil
- 22
- halbkreisförmiger Tragkranz
- 24
- Anformung
an den Greifbacken
- 26
- Präsenzsensor
- 28
- Einführfase