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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugwechselvorrichtung für mehrteilige Werkzeuge.
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Werkzeugmaschinen mit Werkzeugwechselvorrichtungen sind bekannt. Zum Beispiel offenbart die
EP 0 319 611 B1 ein NC-Bearbeitungszentrum mit einem angeschlossenen Werkzeugmagazin und entsprechenden Handlingvorrichtungen zur Übergabe von Werkzeugen aus dem Magazin an die Arbeitsspindel des Bearbeitungszentrums und umgekehrt. Die Werkzeugmaschine weist eine horizontal orientierte vertikal und in Z-Richtung horizontal bewegbare Arbeitsspindel, sowie eine Werkstückaufnahme mit einem Drehtisch auf, der horizontal quer zur Drehachse der Arbeitsspindel verfahrbar ist. Das Werkzeugmagazin ist aus Sicht des Werkstücks hinter der Arbeitsspindel angeordnet. Ein in vertikaler und horizontaler Richtung bewegbarer Greiferschlitten dient dazu, Werkzeuge zwischen Arbeitsspindel und Lagerplätzen hin und her zu transportieren.
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Die
DE 2 107 419 beschreibt eine Maschinenkonfiguration mit einem Spindelkasten, der an seinem vorderen Ende die Arbeitsspindel und an seinem rechten Ende ein Werkzeugmagazin aufweist. Der Werkzeugwechsler wird mittels einer Spindel in Z-Richtung verfahren, um den Weg von dem hinter der Spindel liegenden Magazin zur Spindel zu überbrücken. Dieser Weg ist länger als das angedeutete Werkzeug. Werkzeugverlängerungen sind jedoch nicht vorgesehen.
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Bei einigen Anwendungsfällen stellt sich die Aufgabe, mehrteilige Werkzeuge mit der Arbeitsspindel zu verbinden oder von dieser abzunehmen, wobei die Länge der mehrteiligen Werkzeuge so groß sein kann, dass sie nicht im Ganzen von einem Werkzeugmagazin aufgenommen werden können.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Werkzeugmaschine, die zum Einsatz mehrteiliger Werkzeuge eingerichtet ist. Solche mehrteiligen Werkzeuge können einen ersten und einen zweiten Werkzeugteil aufweisen, wobei der erste Werkzeugteil mindestens eine Schneide aufweist und der zweite Werkzeugteil zum Beispiel als reine Werkzeugverlängerung ausgebildet ist. Alternativ kann der zweite Werkzeugteil ebenfalls mindestens eine Schneide aufweisen, so dass ein Stufenwerkzeug gebildet ist. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend der erste Werkzeugteil stets als „Werkzeug“ und der zweite Werkzeugteil stets als „Werkzeugverlängerung“ bezeichnet und zwar unabhängig davon, ob diese Werkzeugverlängerung Strukturen aufweist, die auf irgendeine Art mit dem Werkstück in Berührung treten oder nicht.
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Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist der Werkzeugwechsler parallel zur Drehachse der Arbeitsspindel entlang des Arbeitsraumes der Werkzeugmaschine verfahrbar. Es ist eine erste Werkzeugwechselposition an einer ersten Z-Position der Arbeitsspindel und eine zweite Werkzeugwechselposition an einer davon verschiedenen zweiten Z-Position der Arbeitsspindel definiert. Die erste Werkzeugwechselposition ist vorzugsweise an einer Endposition der Arbeitsspindel festgelegt. Diese Wechselposition ist die normalerweise zum Ein- und Auswechseln von Werkzeugen und Werkzeugverlängerungen vorgesehene Position.
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In Z-Distanz dazu ist mindestens eine weitere Wechselposition festgelegt, um beispielsweise ein Werkzeug mit einer bereits in der Arbeitsspindel befindlichen Werkzeugverlängerung zu koppeln oder von dieser zu lösen. Die zweite Werkzeugwechselposition kann variabel festgelegt sein. Sie ist näher am Werkstückaufspannplatz angeordnet als die erste Werkzeugwechselposition.
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Die Werkzeugwechselvorrichtung weist vorzugsweise lediglich eine einzige zur Drehachse der Arbeitsspindel parallele lineare Bewegungsachse und eine einzige Schwenkachse bzw. Drehachse auf. Die Bewegung von Werkzeugen zu dem Werkzeugwechsler hin und von diesem weg, um Werkzeuge mit dem Greiferarm des Werkzeugwechslers in oder außer Eingriff zu bringen, werden von der Arbeitsspindel bzw. dem Werkzeugmagazin (oder einer Transportvorrichtung desselben) selbst ausgeführt. Dabei ist vorzugsweise die von dem Werkzeugwechsler maximal zurücklegbare lineare Distanz größer als die Länge jeder Werkzeugverlängerung. Vorzugsweise ist die Distanz, die der Werkzeugwechsler zurücklegen kann, mindestens so groß wie die Summe aus der Länge des Aufnahmeraums oder der von dem Aufnahmeraum aufnehmbaren Werkzeugverlängerung und einem von dem Futter der Arbeitsspindel festgelegen Hub zum Ein- und Ausführen des Werkzeugs oder der Werkzeugverlängerung in das Futter.
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Nach einem anderen Aspekt ist die von dem Werkzeugwechsler linear zurücklegbare Distanz größer als der maximale Bewegungshub der Arbeitsspindel in gleicher Richtung, d.h. Z-Richtung. Mit jeder dieser Maßnahmen wird die Möglichkeit geschaffen, unter Zuhilfenahme des Werkzeugwechslers in dem Arbeitsraum Werkzeug und Werkzeugverlängerung zusammenzubauen. Das Handling außergewöhnlicher Werkzeugkonfigurationen wird damit wesentlich erleichtert und automatisierbar.
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Die neue Maschinenkonfiguration ermöglicht auch ein besonders flexibles Verfahren zur automatischen Bestückung einer Werkzeugmaschine mit mehrteiligen Werkzeuganordnungen, insbesondere bestehend aus einem Werkzeug und einer Werkzeugverlängerung, wobei Werkzeug und Werkzeugverlängerung in dem Werkzeugmagazin getrennt gelagert sind. Beim Einwechseln wird zunächst an einer ersten Wechselposition die Werkzeugverlängerung mit der Arbeitsspindel und dann an einer zweiten Wechselposition das Werkzeug mit der Werkzeugverlängerung verbunden. Die Linearführungseinrichtung und der zugehörige Antrieb des Werkzeugwechslers überbrücken die Distanz zwischen den beiden Wechselpositionen. Die Bewegungen zum Übergeben von Werkzeugverlängerung und Werkzeug an den Greifer des Werkzeugwechslers werden von dem Werkzeugmagazin bzw. der Arbeitsspindel vollführt.
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Weitere Details vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung sind Gegenstand von Ansprüchen, der Zeichnung sowie der nachfolgenden Beschreibung. Es zeigen:
- 1 Die Werkzeugmaschine, in vereinfachter Perspektivdarstellung.
- 2 Die Beziehung von Werkzeugspindel und Werkzeugwechsler sowie die zugehörigen Bewegungsachsen als Diagramm und
- 3 bis 10 verschiedene Stadien eines Werkzeugwechselvorgangs jeweils als Diagramm.
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In 1 ist eine Werkzeugmaschine 11 veranschaulicht, die insbesondere zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken dient. Zur Lagerung, Abstützung und Positionierung von Werkstücken ist eine Werkstückaufnahmevorrichtung 12 vorgesehen. Diese kann zur direkten Werkstückaufnahme oder zur Aufnahme von Werkstückpaletten oder dergleichen eingerichtet sein. Die Werkstückaufnahmevorrichtung 12 kann ortsfest oder auch bewegbar angeordnet sein. Zum Beispiel kann die Werkstückaufnahmevorrichtung 12 um eine vertikale Achse (parallel zu der Y-Achse eines entsprechenden Koordinatensystems 13) drehbar angeordnet sein. Eine entsprechende Drehantriebsvorrichtung ist nicht weiter veranschaulicht.
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Zu der Werkzeugmaschine 11 gehört außerdem mindestens eine Arbeitsspindel 14, die mit einer Drehantriebseinrichtung verbunden und um eine Drehachse 15 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 15 stimmt vorzugsweise mit der Z-Richtung des Koordinatensystems 13 überein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Z-Richtung horizontal orientiert.
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Die Arbeitsspindel 14 ist vorzugsweise in X und in Y-Richtung bewegbar, um bei der Bearbeitung eines Werkstücks eine Zustellbewegung ausführen zu können. Ergänzend ist die Werkstückaufnahmevorrichtung 12 in Z-Richtung bewegbar. Zusätzlich ist die Arbeitsspindel 14 quer zu ihrer Drehachse 15 auf eine Werkzeugwechselvorrichtung 16 hin und von dieser weg im vorliegenden Ausführungsbeispiel horizontal in X-Richtung bewegbar. Die Werkzeugwechselvorrichtung 16 ist neben einem Arbeitsraum 17 angeordnet, der sich im Wesentlichen oberhalb der Werkstückaufnahmevorrichtung 12 befindet und in dem das Werkstück von einem von der Arbeitsspindel 14 getragenen Werkzeug bearbeitet wird. Die Werkzeugwechselvorrichtung 16 dient dabei der Verkettung eines Werkzeugmagazins 18 mit der Arbeitsspindel 14.
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Die Werkzeugwechselvorrichtung 16 weist einen Greiferarm 19 auf, der um eine Achse 20, zumindest um 180° schwenkbar oder alternativ drehbar gelagert ist. Die Achse 20 ist dabei parallel zu der Drehachse 15 orientiert. Der Greiferarm 19 trägt an seinen beiden Enden Werkzeugaufnahmegreifer 22, 23, die dazu geeignet sind, mit den üblichen Koppelmitteln wie beispielsweise einer Greifscheibe eines Werkzeugs oder einer Werkzeugaufnahme zu koppeln.
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Die Werkzeugwechselvorrichtung 16 beinhaltet außerdem eine lineare Antriebs- und Führungseinrichtung 24, die insbesondere aus dem kinematischen Modell nach 2 ersichtlich ist. Die Antriebs- und Führungseinrichtung 24 weist einen in Richtung der Achse 20 und somit in Z-Richtung beweglichen Schlitten auf, der einen Drehapparat 25 trägt. Der Drehapparat 25 hält den Greiferarm 19 axial in einer Position fest und dreht ihn nach Bedarf um die Achse 20. Der Drehapparat 25 wird von dem Schlitten der linearen Antriebs- und Führungseinrichtung 24 entlang der Achse 20 kontrolliert bewegt. Eine entsprechende Führungsbahn 26 ist in 2 links durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Ähnlich ist die Arbeitsspindel 14 von einer Positioniereinrichtung 27 getragen, die zumindest eine Positionierbewegung in einer Richtung auf den Werkzeugwechsler 16 hin und von diesem weg, d.h. in X-Richtung gestattet. 2 veranschaulicht eine entsprechende Führungseinrichtung 28 für die X-Richtung.
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Die Verhältnisse hinsichtlich der Länge des von dem Greifarm 19 in Z-Richtung zu durchlaufenden Wegs und die Abmessungen einer von ihm zu handhabenden Werkzeugverlängerung 30 sowie sonstige Gegebenheiten sind aus 3 ersichtlich. In dem Werkzeugmagazin 18 sind mindestens ein Werkzeug 31 und mindestens die vorgenannte Werkzeugverlängerung 30 bevorratbar. Beide sind in entsprechenden nicht weiter veranschaulichten Aufnahmen gelagert. Im Werkzeugmagazin 18 ist eine Transporteinrichtung 32 zugeordnet, die dazu eingerichtet ist, das Werkzeug 31 oder die Werkzeugverlängerung 30 an einem Ende aufzunehmen und zu der Werkzeugwechselvorrichtung 16 zu transportieren. Vorzugsweise ist die Transporteinrichtung 32 in X-Richtung beweglich. Sie kann zusätzlich in anderen Richtungen, insbesondere in y-Richtung beweglich sein.
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Das Werkzeug 31 weist an seinem spindelseitigen Ende eine Standardkupplung, beispielsweise in Gestalt eines Hohlschaftkegel 33 auf, an den sich eine Greifscheibe 34 anschließt. Ein entsprechender Hohlschaftkegel (HSK) 35 und eine Greifscheibe 36 sind an dem spindelseitigen Ende der Werkzeugverlängerung 30 vorgesehen. Die Hohlschaftkegel 33, 35 passen in eine entsprechende Aufnahme der Arbeitsspindel 14. Die Schaftverlängerung 30 weist an ihrem distalen Ende eine Aufnahme 37 für entsprechende Hohlkegelschäfte auf.
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Die Länge A der Werkzeugverlängerung 30 bemisst sich von der Greifscheibe 36 bis zu dem äußeren Ende an der Aufnahme 37. Diese Länge A ist vorzugsweise geringer als die Distanz B, die von der linearen Antriebs- und Führungseinrichtung 24 festgelegt ist und über die der Greifarm 19 entlang der Achse 15 bewegt werden kann. Die Distanz B übersteigt die Länge A vorzugsweise zusätzlich um den Hub H, der nötig ist, um den Hohlschaftkegel 33 in zugeordneter Aufnahme 37 zu überführen.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise der Werkzeugmaschine wird nachfolgend erläutert, wie die Arbeitsspindel 14 mit einer Kombination aus dem Werkzeug 31 und der Werkzeugverlängerung 30 bestückt wird:
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In einem ersten Stadium befindet sich der Werkzeugwechsler 16 in der Nähe einer Endlage seines linearen Bewegungswegs. Diese erste Wechselposition ist so festgelegt, dass die Greifscheibe 36 mit dem Greifer 22 fluchtet.
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Die Transporteinrichtung 32 führt nun eine X-Zustellbewegung gemäß dem Pfeil in 4 aus, um die Greifscheibe 36 mit dem Greiferarm 19 in Eingriff zu bringen. Der Greifer 19 führt nun, wie 5 zeigt, den Hub H aus, indem die Antriebs- und Führungseinrichtung 24 den gesamten Drehapparat 25 in Richtung der Achse 15 bewegt (5). Sobald der Hohlschaftkegel 35 seine Aufnahme in der Transporteinrichtung 32 verlassen hat kann der Drehapparat 25 aktiviert werden und den Greiferarm 19 um 180° drehen. Der Hohlschaftkegel 35 wird so fluchtend vor der zwischenzeitlich in X-Richtung herangefahrenen Arbeitsspindel 14 positioniert (6) und gemäß 7 mit einem Rückwärtshub H in die Arbeitsspindel 14 eingeführt.
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Ist der Hohlschaftkegel 35 der Werkzeugverlängerung 30 in der Arbeitsspindel 14 verriegelt, wird diese in X-Richtung etwas von dem Werkzeugwechsler weg bewegt, um die Greifscheibe 36 von dem Greifer 22 weg und diese somit außer Eingriff zu bringen.
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Im nächsten Schritt führt die Transporteinrichtung 32 das Werkzeug 31 so an den Greiferarm 19 heran, dass die Greifscheibe 34 von dem Greifer 23 des Greiferarms 19 aufgenommen wird.
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Im Folgenden durchläuft die Transporteinrichtung 32 in Richtung der Achse 15 einen Weg der Distanz B, wie es 9 andeutet. Die Distanz ist vorzugsweise etwas größer als die Summe aus der Länge A und dem Hub H. Spätestens am Ende dieses Wegs ist die Wechselposition II erreicht. Es wird nun gemäß 9 der Drehapparat 25 aktiviert, so dass der Greiferarm 19 eine 180°-Schwenkbewegung ausführt. Der Greifer 23 mit dem Werkzeug 31 steht nun fluchtend vor der Werkzeugverlängerung 30. Mit einem kurzen Rückhub der Antriebs- und Führungseinrichtung 24 wird der Hohlschaftkegel 33 in die Aufnahme 37 eingesetzt und dort verriegelt. Gemäß 10 kann die Arbeitsspindel 14 mitsamt Werkzeug 31 und Werkzeugverlängerung 30 von der Wechselposition in X-Richtung weg bewegt und in Betrieb genommen werden.
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Die Überführung des Werkzeugs 31 und der Werkzeugverlängerung 30 in das Werkzeugmagazin 18 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
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Für das Ein- und Auswechseln von Werkzeugen ohne Werkzeugverlängerung arbeitet die vorgestellte Werkzeugwechselvorrichtung 16 vorzugsweise ausschließlich an der ersten Wechselposition I. sind Werkzeugverlängerungen 30 unterschiedlicher Länge im Werkzeugmagazin 18 vorhanden, sind dadurch verschiedene zweite Werkzeugwechselpositionen II definiert. Das vorgestellte System weist somit eine Wechselgrundposition I und mindestens eine weitere Werkzeugwechselposition auf. Diese Wechselpositionen können über die gesamte Länge des Arbeitsraums 17 verteilt gewählt werden, je nach Länge der vorhandenen Werkzeugverlängerungen. Die lineare Antriebs- und Führungseinrichtung 24 des Werkzeugwechslers 16 gestattet eine Positionierung des Drehapparats 25 und mit diesem des Greiferarms 19 entlang des gesamten Arbeitsraums 17.
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Die vorliegende Beschreibung gilt für erfindungsgemäße Werkzeugmaschinen unabhängig von der räumlichen Orientierung der x-, y-, und z-Achse. Die Z-Achse kann horizontal, vertikal oder schräg orientiert sein. Gleiches gilt für die x-, und die z-Achse. die x-, y- und z-Achse schließen paarweise miteinander einen Rechten Winkel ein.
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Eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine 11 weist einen Werkzeugwechsler 16 auf, der eine einzige Linearachse und eine einzige Drehachse aufweist. Das Werkzeugmagazin 18 ist seitlich neben dem Arbeitsraum 17 angeordnet. Die Greifer 22, 23 des Werkzeugwechslers 16 können somit entlang der Drehachse 15 der Arbeitsspindel 14 positioniert werden und dort mehrere Werkezugwechselpositionen I, II bedienen. Die erste Werkzeugwechselposition ist vorzugsweise fest vorgegeben. Die weitere(n) Werkzeugwechselposition(en) ist (sind) im Abstand dazu vor der Arbeitsspindel 14 angeordnet. Dadurch können mehrteilige Werkzeuge im Arbeitsraum automatisch zusammengesetzt und auseinandergenommen werden. Die einzelnen Werkzeuge, Teilwerkzeuge und Werkzeugverlängerungen können auf diese Weise zwischen dem Werkzeugmagazin 18 und der Arbeitsspindel 14 hin und her bewegt werden. Manuelle Unterstützung wie sie bislang bei besonders langen, großen oder schweren mehrteiligen Werkzeugen erforderlich war, kann entfallen.
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Bezugszeichenliste:
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- 11
- Werkzeugmaschine
- 12
- Werkstückaufnahmevorrichtung
- 13
- Koordinatensystem
- x, y, z
- Koordinatenrichtungen / Achsen
- 14
- Arbeitsspindel
- 15
- Drehachse
- 16
- Werkzeugwechselvorrichtung
- 17
- Arbeitsraum
- 18
- Werkzeugmagazin
- 19
- Greiferarm
- 20
- Achse
- 21 22, 23
- Greifer
- 24
- lineare Antriebs- und Führungseinrichtung
- 25
- Drehapparat
- 26
- Führungsbahn des Werkzeugwechslers
- 27
- Positioniereinrichtung
- 28
- x-Führungseinrichtung der Arbeitsspindel 14
- 29
- y-Führungseinrichtung der Arbeitsspindel 14
- 30
- Werkzeugverlängerung
- 31
- Werkzeug
- 32
- Transporteinrichtung
- 33
- Hohlschaftkegel
- 34
- Greifscheibe
- 35
- Hohlschaftkegel
- 36
- Greifscheibe
- 37
- Aufnahme
