DE102017127116A1

DE102017127116A1 - Werkzeugmaschine, Fertigungszelle sowie Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle

Info

Publication number: DE102017127116A1
Application number: DE102017127116.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Scherer; Géza Koscsák
Original assignee: SCHERER FEINBAU GmbH; SCHERER-FEINBAU GmbH
Current assignee: SCHERER FEINBAU GmbH; SCHERER-FEINBAU GmbH
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-11-18
Also published as: WO2019097000A1; DE102017127116B4

Abstract

Die Offenbarung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine (10, 210) zur spanabhebenden Werkstückbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere eine Vertikaldrehmaschine, mit einem Maschinengestell (12; 212), mit zumindest einer Werkstückspindel (30, 32) mit einem rotatorisch um eine Spindelachse antreibbaren Werkstückhalter (34, 36), und mit einem Werkzeugträger (40; 240, 340) zur Aufnahme zumindest eines Bearbeitungswerkzeugs (46), wobei die Werkstückspindel (30, 32) vertikal relativ zum Maschinengestell (12; 212) verfahrbar ist, und wobei die Werkstückspindel (30, 32) um eine zur Spindelachse parallele Schwenkachse (52) zwischen einer Bearbeitungsposition und einer Transferposition verschwenkbar ist. Die Offenbarung bezieht sich ferner auf eine mit einer solchen Werkzeugmaschine (10, 210) versehene Fertigungszelle (100), sowie auf ein Verfahren zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle (100).

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Werkstückbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere eine Vertikaldrehmaschine, mit einem Maschinengestell, mit zumindest einer Werkstückspindel mit einem rotatorisch um eine Spindelachse antreibbaren Werkstückhalter, und mit einem Werkzeugträger zur Aufnahme zumindest eines Bearbeitungswerkzeugs.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf sogenannte Vertikaldrehmaschinen bzw. Vertikalbearbeitungsmaschinen, welche zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken ausgebildet sind. Die spanabhebende Bearbeitung kann eine Drehbearbeitung, eine Fräsbearbeitung, und oder eine Bohrbearbeitung umfassen. Im Sinne der vorliegenden Offenbarung umfasst eine spanabhebende Bearbeitung einer Bearbeitung mit einem Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide.
Bei Vertikaldrehmaschinen bzw. Vertikalbearbeitungsmaschinen, die auch zur Drehbearbeitung ausgebildet sind, ist die Werkstückachse üblicherweise vertikal orientiert. Insbesondere bei kleineren und mittleren Werkstückgrößen ist hierbei die (Haupt-) Spindel vertikal hängend orientiert. Das heißt mit anderen Worten, dass das zu bearbeitende Werkstück an der Spindel hängt. Dies hat den Vorteil, dass Späne weitgehend selbstständig abgeführt werden können.
Es sind ferner Gestaltungen von Vertikaldrehmaschinen bzw. Vertikalbearbeitungsmaschinen vorstellbar, die neben einer vertikal hängend angeordneten Hauptspindel eine Gegenspindel umfassen, die unter der Hauptspindel stehend angeordnet ist.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich insbesondere auf Werkzeugmaschine zur Bearbeitung flanschartiger oder wellenförmiger Bauteile kompakter Abmessungen. Insbesondere geht es um die Serienfertigung oder Massenfertigung von Bauteilen, umfassend eine Drehbearbeitung oder eine entsprechende kombinierte Bearbeitung (Drehen, Fräsen, und/oder Bohren).
Aus der DE 199 20 323 A1 ist eine Werkzeugmaschine zur Feinbearbeitung von Zahnflanken bekannt, mit einem Maschinenbett, einem Kreuzschlitten, der auf dem Maschinenbett angeordnet ist und der einen Werkzeugkopf mit einer Werkzeugspindel trägt, einem am Maschinenbett aufgenommenen Drehtisch, der zwei Werkstückspindeln trägt, wobei die zwei Werkstückspindeln durch den Drehtisch um 180° verdrehbar sind, und mit einem Greifersystem mit zwei Werkstückgreifern, wobei das Greifersystem um 180° verdrehbar ist, um über die beiden Werkstückgreifer Werkstücke mit einem Werkstückmagazin auszutauschen. Die Werkstückspindeln können die Werkstücke nicht selbsttätig greifen, so dass zusätzlich zwei Werkstückgreifer erforderlich sind.
Aus der DE 10 2015 001 036 A1 ist eine Schleifmaschine zum Schleifen vorverzahnter bzw. vorprofilierter Werkstücke bekannt, die mindestens eine Werkzeugspindel aufweist, auf der mindestens ein Schleifwerkzeug aufgenommen werden kann, und wobei die Maschine zwei verschwenkbare Werkstückspindeln aufweist, die an einem Trägerelement verschieblich angeordnet sind und die zumindest zeitweise zum Zusammenwirken des Werkstücks mit dem Schleifwerkzeug an die Werkzeugspindel mittels mindestens eines Antriebs heranfahrbar sind. Die Werkstückspindeln sind zum Beladen oder Entladen von Werkstücken um eine vertikale Achse verschwenkbar. Die DE 10 2015 001 036 A1 bezieht sich nicht auf Drehmaschinen oder ähnliche Werkzeugmaschinen zum spanenden Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ferner zeigt die DE 10 2015 001 036 A1 einen Aufbau einer Schleifmaschine, bei der die Werkstückspindeln und die Werkzeugspindel nicht an ein und demselben Gestellbauteil vertikal verfahrbar angeordnet sind.
Aus der DE 10 2010 051 866 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, mit einem Maschinengestell, mit zwei Werkstückspindeln und mit einem Werkzeughalter mit Werkzeugen, mit einer Transporteinrichtung für Werkstücke, mit einer Arbeitsposition, in der die Werkstücke bearbeitet werden und mit einer Ladeposition, in der die Werkstückspindel fertig bearbeitete Werkstücke auf der Transporteinrichtung ablegt und unbearbeitete aufnimmt, wobei die Werkstückspindeln durch alleiniges Verfahren in vertikaler Richtung aus der Arbeitsposition in die Ladeposition verfahrbar sind. Diese Gestaltung erfordert einen hohen Aufwand und eine hohe Komplexität bei der Transporteinrichtung für die Werkstücke.
Die zuvor beschriebenen Gestaltungen erlauben einen automatischen Werkstückwechsel. Jedoch hat sich gezeigt, dass der Aufwand zur Integration des Werkstückhandling noch sehr hoch ist. Dies führt insgesamt zu einer komplexen Gestaltung der Werkzeugmaschinen. Dies erfordert einen hohen Aufwand und einen beträchtlichen Platzbedarf.
Vor diesem Hintergrund liegt der Offenbarung die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken anzugeben, bei der Nebenzeiten weiter reduziert werden können. Insbesondere soll die sogenannte Span-zu-Span Zeit reduziert werden. Vorzugsweise wird die Möglichkeit geschaffen, Werkstücke während der Hauptzeit, also während eines Bearbeitungsvorgangs, zu spannen oder freizugeben. Mit anderen Worten soll eine Gestaltung angegeben werden, bei der ein Werkstück bearbeitet wird, wobei gleichzeitig ein weiteres Werkstück von einem Werkstückhalter oder Werkstückträger aufgenommen oder abgegeben wird.
Ferner soll eine Fertigungszelle, insbesondere ein Drehzentrum, angegeben werden, die mit einer derartigen Werkzeugmaschine versehen ist, wobei ferner eine Fördervorrichtung zum Zuführen und Abführen von Werkstücken vorgesehen ist. Daneben soll ein Verfahren zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Werkstückbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere eine Vertikaldrehmaschine, mit einem Maschinengestell, mit zumindest einer Werkstückspindel mit einem rotatorisch um eine Spindelachse antreibbaren Werkstückhalter, und mit einem Werkzeugträger zur Aufnahme zumindest eines Bearbeitungswerkzeugs, wobei die Werkstückspindel vertikal relativ zum Maschinengestell verfahrbar ist, und wobei die Werkstückspindel um eine zur Spindelachse parallele Schwenkachse zwischen einer Bearbeitungsposition und einer Transferposition verschwenkbar ist.
Die Aufgabe Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß erlaubt nämlich die Verschwenkbarkeit der Werkstückspindel in einfacher Weise ein beladen oder Entladen des Werkstückhalters. Mit anderen Worten kann die zumindest eine Werkstückspindel etwa als sogenannte Pick-up-Spindel gestaltet sein. Auf diese Weise kann auf separate Greifer und ähnliche Handhabungseinrichtungen verzichtet werden. Vorzugsweise ist die Werkzeugmaschine derart gestaltet, dass die zumindest eine Werkstückspindel die Werkstücke direkt von einer Fördervorrichtung übernehmen bzw. an diese abgeben kann. Mit anderen Worten ist es nicht erforderlich, zusätzliche Einrichtungen vorzusehen, die die Werkstücke zwischen der Werkstückspindel und der Fördervorrichtung übergeben.
Auf diese Weise lassen sich etwa Span-zu-Span Zeiten deutlich reduzieren. Insbesondere dann, wenn zwei oder mehr Werkstückspindeln vorgesehen sind, kann ein Werkstück gespannt oder freigegeben werden, während ein anderes Werkstück bearbeitet wird. Dies wird auch als hauptzeitparalleler Werkstückwechsel bezeichnet.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sind die Bearbeitungsposition und die Transferposition um etwa 180° (Grad) zueinander versetzt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn genau zwei Werkstückspindeln verwendet werden, die gemeinsam verschwenkbar sind.
Die zumindest eine Werkstückspindel ist beispielsweise an einem Drehtisch aufgenommen, der dazu ausgebildet ist, die Werkstückspindel zu Verschwenken. Das Verschwenken (Rotieren) der Werkstückspindel kann grundsätzlich eine feste Drehrichtung umfassen. Mit anderen Worten wird die Werkstückspindel gemäß dieser Ausführungsform entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt, wobei vollständige Umdrehungen erfolgen. Es ist jedoch auch vorstellbar, die Werkstückspindel intermittierend zu Verschwenken. Demgemäß würde die Bewegung aus der Bearbeitungsposition in die Transferposition eine erste Drehrichtung umfassen. Hingegen würde die Bewegung aus der Transferposition in die Bearbeitungsposition eine zweite, entgegengesetzte Drehrichtung umfassen.
Nebenzeiten lassen sich weiter reduzieren. Insgesamt können somit die Taktzeiten weiter reduziert werden. Der Durchsatz steigt. Die Werkzeugmaschine kann sehr kompakt gestaltet sein.
Die Werkzeugmaschine insbesondere als Vertikaldrehmaschine gestaltet. Dies schließt nicht aus, dass eine derartige Vertikalbearbeitungsmaschine zusätzlich auch zum Fräsen und/oder Bohren befähigt ist. In beispielhaften Ausführungsformen ist jedoch die Hauptbearbeitung eine Drehbearbeitung. Während der Bearbeitung ist das Werkstück derart orientiert, dass eine Längsachse (Rotationsachse) des Werkstücks vertikal orientiert ist. Insbesondere ist die Längsachse des Werkstücks parallel zur Schwenkachse der Werkstückspindel ausgerichtet.
Die Schwenkachse der Werkstückspindel kann auch als W-Achse bezeichnet werden. Das Maschinengestell kann auch als Maschinenbett, Rahmen, Grundkörper und oder Maschinenständer bezeichnet werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Werkzeugmaschine derart gestaltet, dass die zumindest eine Werkstückspindel in der Transferposition mit einer Fördervorrichtung zusammenwirkt, um Werkstücke direkt zwischen der Werkstückspindel, insbesondere einem Werkstückhalter (Werkstückträger) der Werkstückspindel, und der Fördervorrichtung auszutauschen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist am Maschinengestell eine drehbare Tragsäule angeordnet, die die zumindest eine Werkstückspindel trägt. Beispielsweise ist die drehbare Tragsäule an einem mit dem Maschinengestell gekoppelten Drehtisch aufgenommen. Die Tragsäule ist verdrehbar, um die Schwenkbewegung der zumindest einen Werkstückspindel zu ermöglichen.
Ferner kann die Tragsäule beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Werkstückspindeln aufnehmen, wobei eine Schwenkachse der Tragsäule und die Spindelachsen der beiden Werkstückspindeln parallel zueinander und voneinander beabstandet sind. Vorzugsweise liegen die Schwenkachse der Tragsäule und die Spindelachse der beiden Werkstückspindeln in einer Ebene. Die Schwenkachse ist zwischen den Spindelachsen angeordnet, vorzugsweise genau mittig zwischen den beiden Spindelachsen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist an der drehbaren Tragsäule zumindest eine Vertikalführung ausgebildet, an der zumindest ein Werkstückspindelschlitten vertikal verfahrbar aufgenommen ist. Vorzugsweise weist die Tragsäule zwei Vertikalführungen auf, die am Umfang der Tragsäule zueinander versetzt sind. Vorzugsweise sind die beiden Vertikalführungen in Bezug auf die Schwenkachse der Tragsäule einander gegenüberliegend angeordnet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist das Maschinengestell als Rahmengestell gestaltet, wobei das Maschinengestell eine Basis sowie eine Oberseite aufweist, zwischen denen sich zumindest eine Säule erstreckt. Die zumindest eine Säule kann auch als Stützsäule bezeichnet werden. Gemäß einer beispielhaften Gestaltung sind zwei Stützsäulen vorgesehen, so dass mit der Tragsäule insgesamt drei Säulen vorgesehen sind, die zwischen der Basis und der Oberseite angeordnet sind. Dies erhöht die Steifigkeit des Maschinengestells und insbesondere der verschwenkbaren Tragsäule.
Die Säulen (Stützsäulen) des Maschinengestells sind gestellfest und starr angeordnet. Insgesamt ähnelt das Maschinengestell somit einem C-Gestell oder Joch, wobei der freie Bereich zwischen zwei Schenkeln (Basis und Oberseite) des Gestell durch die Tragsäule überbrückt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine weist das Maschinengestell zwei Stützsäulen, vorzugsweise genau zwei Stützsäulen, auf, die von der Tragsäule beabstandet sind. Vorzugsweise bilden die beiden Stützsäulen und die Tragsäule, in Draufsicht, ein Dreieck bzw. eine 3-Punkt Struktur. Eine der drei Säulen, nämlich die Tragsäule, ist verschwenkbar.
Die Gestaltung des Maschinengestells als Rahmengestell erlaubt diverse Zugangsmöglichkeiten für die Werkzeugmaschine. Dies kann einerseits für den Werkstücktransfer genutzt werden. Ferner ergeben sich Zugangsmöglichkeiten etwa für Wartungsarbeiten, Einrichtungsarbeiten, Vorgänge, und Ähnliches. So ist es vorstellbar, dass die Werkstückspindel in ihrer Transferposition für einen Bediener/Monteur zugänglich ist. Arbeiten an der Werkstückspindel in der Transferposition werden nicht durch den Werkzeugträger gestört, welcher in dem Bereich angeordnet ist, in dem sich die Bearbeitungsposition der Werkstückspindel befindet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist die Tragsäule an einem Lagerbock aufgenommen, der auch den Werkzeugträger trägt. Der Lagerbock kann auch als Trägerbock und/oder Lagerstumpf bezeichnet werden. Der Lagerbock kann auch als Podest oder Plattform bezeichnet werden. Der Lagerbock stützt sich bodenseitig, also an der Basis des Maschinengestells, ab. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung bildet der Lagerbock einen festen Bestandteil des Maschinengestells. Der Lagerbock trägt die Tragsäule, die über ein Drehlager und/oder einen Drehtisch am Lagerbock aufgenommen ist. Der Lagerbock trägt ferner den Werkzeugträger. Es versteht sich, dass der Werkzeugträger unmittelbar oder mittelbar am Lagerbock aufgenommen sein kann. Es ist vorstellbar, dass der Werkzeugträger relativ zum Lagerbock verschieblich an diesem aufgenommen ist. Dies kann zumindest eine Führungsanordnung zur Definition zumindest einer Bewegungsachse für die Relativbewegung des Werkzeugträgers gegenüber dem Lagerbock umfassen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist der Werkzeugträger in zumindest einer Achse, vorzugsweise in zumindest zwei Achsen, relativ zum Lagerbock verfahrbar. Dies kann etwa bei einer Drehbearbeitung zumindest die Zustellbewegung des Werkzeugs umfassen. Darüber hinaus erlauben Bewegung Achsen für den Werkzeugträger am Lagerbock die Positionierung von Bohrwerkzeugen, Fräswerkzeugen und dergleichen. Dies kann etwa eine größere Gestaltungsfreiheit bzw. einen größeren Funktionsumfang bei der Stirnseitenbearbeitung mit sich bringen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist die Tragsäule zwischen dem Lagerbock und einem Gegenlager angeordnet, das mit einer Oberseite des Maschinengestells verbunden ist. Mit anderen Worten ist gemäß dieser Ausgestaltung die Tragsäule sowohl an ihrem unteren Ende als auch an ihrem oberen Ende am Maschinengestell gelagert. Dies erhöht die Steifigkeit und die Positioniergenauigkeit.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist eine erste als Pick-up Werkstückspindel gestaltete Werkstückspindel und eine zweite als Pick-up Werkstückspindel gestaltete Werkstückspindel vorgesehen, wobei die erste Werkstückspindel in der Bearbeitungsposition ist, wenn die zweite Werkstückspindel in der Transferposition ist. Vorzugsweise sind die Bearbeitungsposition und die Transferposition der Werkstückspindeln um 180° (Grad) zueinander versetzt. Wenn sich also die zweite Werkstückspindel in der Bearbeitungsposition befindet, ist die erste Werkstückspindel in der Transferposition. Eine einzige Bewegung der Tragsäule genügt, um beide Werkstückspindeln wechselseitig zwischen der Bearbeitungsposition und der Transferposition zu verlagern.
Pick-up Spindeln haben den Vorteil, dass auf zusätzliche Handhabungsgeräte (Roboter, Greifer, etc.) zumindest weitgehend verzichtet werden kann, da die Spindeln selbst die Werkstücke greifen und freigeben können. Mit anderen Worten kann eine solche Pick-up-Spindel die Werkstücke selbsttätig von einer Fördervorrichtung übernehmen bzw. an die Fördervorrichtung abgeben. Es versteht sich, dass zu diesem Zweck die Werkstückspindel entsprechend verfahrbar bzw. verschwenkbar gestaltet sein muss.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist bei der in der Transferposition angeordneten Werkstückspindel ein Werkstückwechsel ermöglicht, während bei der in der Bearbeitungsposition angeordneten Werkstückspindel eine Bearbeitung des Werkstücks stattfindet. Es kann also ein erstes Werkstück bearbeitet werden, und die Bearbeitungszeit (Hauptzeit) kann genutzt werden, um ein weiteres Werkstück zu transferieren.
Der Werkstückwechsel kann ein Beladen und/oder Entladen des Werkstücks umfassen. Der Werkstückwechsel kann ferner ein Greifen bzw. Spannen des Werkstücks und umgekehrt eine Freigabe bzw. ein Lösen des Werkstücks umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Werkzeugmaschine sind die erste Werkstückspindel und die zweite Werkstückspindel unabhängig voneinander vertikal verfahrbar. Gemäß dieser Maßgabe sind die Werkstückspindeln insbesondere als Pick-up Werkstückspindeln gestaltet. Gemäß dieser Ausführungsform sind für die Werkstückspindeln jeweils entsprechende Vertikalführungen am Lagerbock aufgenommen bzw. ausgebildet. Die vertikale Verfahrbarkeit ermöglicht einerseits in der Bearbeitungsposition der Werkstückspindel eine Vorschubbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug. In der Transferposition können Werkstücke unter Nutzung der vertikalen Verfahrbarkeit von der Fördervorrichtung entnommen bzw. an diese abgegeben werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist der Werkzeugträger als Werkzeugrevolver zur Aufnahme mehrerer Bearbeitungswerkzeuge ausgebildet. Beispielsweise ist der Werkzeugträger um eine Achse verschwenkbar, die senkrecht zur Spindelachse der zumindest einen Werkstückspindel orientiert ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, den Werkzeugträger derart anzuordnen, dass die Schwenkachse des Werkzeugträgers parallel zur Spindelachse der zumindest einen Werkstückspindel orientiert ist.
Auf diese Weise ist ein automatischer Werkzeugwechsel ermöglicht. Dies erlaubt verschiedene Arbeitsgänge in einer Aufspannung. Darüber hinaus kann etwa im Verschleißfall automatisch ein anderes Werkzeug in Eingriff gebracht werden.
Der Werkzeugträger kann grundsätzlich dazu ausgestaltet sein, spanabhebende Werkzeuge aufzunehmen. Dies kann etwa Drehwerkzeuge, Fräswerkzeuge, Bohrwerkzeuge und Ähnliches umfassen. Der Werkzeugträger kann auch Messwerkzeuge aufnehmen. Allgemein kann der Werkzeugträger antreibbare Werkzeuge (Bohrwerkzeuge und/oder Fräswerkzeuge) sowie nicht aktiv angetriebene Werkzeuge aufnehmen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine sind zwei Werkzeugträger vorgesehen, insbesondere zwei Werkzeugrevolver, wobei das aufgespannte Werkstück in der Bearbeitungsposition der zumindest einen Werkstückspindel zwischen dem ersten Werkzeugträger und dem zweiten Werkzeugträger angeordnet ist. Dies erhöht den Funktionsumfang und die Flexibilität der Werkzeugmaschine weiter. Vorzugsweise sind die beiden Werkzeugträger voneinander beabstandet und unabhängig voneinander verfahrbar.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist ferner eine Gegenspindel vorgesehen, die am Lagerbock aufgenommen ist. In der Bearbeitungsposition der zumindest einen Werkstückspindel sind die Gegenspindel und die Werkstückspindel einander gegenüberliegend und zueinander ausgerichtet angeordnet. Üblicherweise ist die Gegenspindel unterhalb der Werkstückspindel angeordnet. Demgemäß kann die Werkstückspindel auch als obere Spindel bezeichnet werden. Üblicherweise hängt das Werkstück an der Werkstückspindel. Demgemäß ist die Werkstückspindel regelmäßig dazu ausgebildet, das Werkstück an seinem „oberen“ Ende zugreifen.
Die Gegenspindel kann hingegen das Werkstück an seinem der Werkstückspindel abgewandten Ende greifen und halten. Dies vereinfacht die Bearbeitung langer oder überlanger Werkstücke. Daneben ist die Bearbeitung des Werkstücks an seinem der Werkstückspindel zugewandten Ende ermöglicht. Zu diesem Zweck kann die Gegenspindel das Werkstück greifen und die Werkstückspindel das Werkstück freigegeben.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Werkzeugmaschine ist die Transferposition der zumindest einen Werkstückspindel in einem Transferbereich der Werkzeugmaschine angeordnet, der, bezogen auf die Schwenkachse, vom Werkzeugträger abgewandt ist. Mit anderen Worten ist der Transferbereich von einem Prozessraum oder Bearbeitungsraum, in dem die Bearbeitung stattfindet, separiert. Dies erlaubt eine gute Trennung oder Isolation zwischen dem Transferbereich und dem Prozessraum. Ferner ist der Transferbereich auf diese Weise für einen Bediener/Monteur zugänglich, wobei ein hinreichender Abstand zum Werkzeugträger gegeben ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Fertigungszelle, insbesondere eine Drehzelle, gelöst, die eine Werkzeugmaschine gemäß zumindest einer der hierin beschriebenen Ausgestaltungen aufweist, sowie eine Fördervorrichtung, die zumindest zu bearbeitende Werkstücke bereitstellt oder bearbeitete Werkstücke abführt, wobei die zumindest eine Werkstückspindel in der Transferposition Werkstücke von der Fördervorrichtung übernimmt und/oder an die Fördervorrichtung abgibt. Vorzugsweise ist ein und dieselbe Fördervorrichtung dazu ausgebildet, sowohl zu bearbeitende Werkstücke bereitzustellen als auch bearbeitete Werkstücke abzuführen. Die unmittelbare Übergabe zwischen der Fördervorrichtung und der Werkstückspindel umfasst vorzugsweise eine Vertikalbewegung der Werkstückspindel.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der Fertigungszelle ist die Fördervorrichtung als Horizontalfördervorrichtung ausgebildet, die Werkstücke in einer Horizontalebene durch die Fertigungszelle hindurch fördert. Vorzugsweise weist die Fördervorrichtung ein einziges Fördermittel auf, das sowohl die Zufuhr als auch die Abfuhr der Werkstücke bewerkstelligt.
Es versteht sich, dass alternativ auch die Verwendung mehrerer Fördermittel vorstellbar ist. Beispielsweise dient ein erstes Fördermittel der Zufuhr von zu bearbeitenden Werkstücken. Demgemäß dient beispielhaft ein zweites Fördermittel der Abfuhr von bearbeiteten Werkstücken.
Die Fördervorrichtung kann Fördertechnik wie etwa Stetigförderer, Unstetigförderer und Mischformen aufweisen, etwa mit vereinzelten Werkstücken bestückte Stetigförderer, die unstetig betrieben werden. Insbesondere kann die Fördervorrichtung einen Bandförderer umfassen. Vorzugsweise weist die Fördervorrichtung keine separaten Greifmittel, Handhabungsmittel und dergleichen auf. Stattdessen soll die Übergabe zwischen der Werkzeugspindel und der Fördervorrichtung möglichst direkt erfolgen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Fertigungszelle ist die Bearbeitungsposition der zumindest einen Werkstückspindel in einem Prozessraum (Prozessbereich), wobei die Transferposition der Werkstückspindel in einem Transferbereich ist, wobei der Prozessraum und der Transferbereich auf voneinander abgewandten Seiten der Schwenkachse angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Werkstückspindel etwa durch ein Verschwenken um 180° um die Schwenkachse zwischen dem Transferbereich und dem Prozessraum hin und her bewegt werden.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Fertigungszelle sowohl eine Werkzeugmaschine als auch eine Fördervorrichtung für Werkstücke. Die Übergabe der Werkstücke zwischen der Fördervorrichtung und der Werkzeugmaschine erfolgt vorzugsweise automatisch. Demgemäß kann ein Werkstückwechsel automatisch erfolgen. Ferner ist die Werkzeugmaschine vorzugsweise dazu ausgebildet, Werkzeuge bedarfsweise automatisch zu wechseln. Dies erlaubt eine Komplettbearbeitung ohne manuellen Eingriff. Nebenzeiten lassen sich minimieren. Die Fertigungszelle kann allgemein auch als Drehzelle beschrieben werden, zumindest insoweit als das wesentliche Bearbeitungsschritte eine Drehbearbeitung der Werkstücke umfassen.
Die zumindest eine verschwenkbare Werkstückspindel, die zwischen der Bearbeitungsposition und der Transferposition verlagerbar ist, erlaubt in der Transferposition einen relativ gefahrlosen Zugang zur Werkstückspindel. Zumindest kann in der Transferposition der Werkstückspindel vom Werkzeugträger sowie von gegebenenfalls am Werkzeugträger aufgenommenen Werkzeugen keine wesentliche Gefahr ausgehen.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Maschinengestell als Rahmengestell oder Säulengestell ausgeführt ist, wobei insbesondere eine gute Zugänglichkeit des Transferbereichs gegeben ist. Dies ist auch dann von Vorteil, wenn eine manuelle Bestückung der Werkstückspindel gewünscht ist. Dies kann nämlich im Transferbereich erfolgen, wobei ein hinreichender Abstand zum Prozessraum gegeben ist. Dies kann ferner dazu beitragen, einen unerwünschten Medienübertritt zwischen dem Prozessraum und dem Transferbereich zu vermeiden.
Vorzugsweise ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die den Schwenkantrieb der zumindest einen Werkstückspindel, einen Verfahrantrieb der zumindest einen Werkstückspindel, und einen Antrieb der Fördervorrichtung ansteuert, sodass die Schwenkbewegung, die vertikale Bewegung und der Vorschub der Fördervorrichtung derart aufeinander abgestimmt sind, das zur Bearbeitung vorgesehene Werkstücke oder Plätze für bearbeitete Werkstücke in der Transferposition der Werkstückspindel bereitstehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle gelöst, die gemäß zumindest einer hierin beschriebenen Ausführungsform gestaltet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Bearbeiten eines ersten Werkstücks, das an einer ersten Werkstückspindel aufgenommen ist, die sich in einer Bearbeitungsposition befindet,
- während der Bearbeitung des ersten Werkstücks, Übergabe eines zweiten Werkstücks zwischen einer Fördervorrichtung und einer zweiten Werkstückspindel, die sich in einer Transferposition befindet, und
- gemeinsames Verschwenken der ersten Werkstückspindel und der zweiten Werkstückspindel, um die erste Werkstückspindel und die zweite Werkstückspindel in die Bearbeitungsposition zu bringen.

Auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst.
Die Bearbeitung des ersten Werkstücks und die Übergabe des zweiten Werkstücks erfolgt zumindest teilweise zeitparallel.
Die Übergabe des zweiten Werkstücks kann verschiedene Teilschritte umfassen, die grundsätzlich zeitlich aufeinander folgen. Beispielsweise umfasst die Übergabe des zweiten Werkstücks in einem ersten Teilschritt eine Abgabe eines (zuvor) bearbeiteten Werkstücks an die Fördervorrichtung, wobei in einem zweiten Teilschritt die Fördervorrichtung getaktet wird, also um einen definierten Schritt weiterbewegt wird, sodass in einem dritten Teilschritt ein unbearbeiteter Rohling aufgenommen wird, welcher das zweite Werkstück darstellt.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine perspektivische vereinfachte Ansicht einer Fertigungszelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 eine frontale Ansicht der Anordnung gemäß 1;
3 eine seitliche Ansicht der Anordnung gemäß 2;
4, 5 und 6 vereinfachte Draufsichten auf eine Werkzeugmaschine sowie eine dieser zugeordneten Fördervorrichtung (jeweils in Teilansicht), zur Veranschaulichung einer Werkstückübergabe zwischen der Werkzeugmaschine und der Fördervorrichtung;
7 eine perspektivische vereinfachte Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Fertigungszelle gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
8 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle.

Mit Bezugnahme auf 1, 2 und 3 werden anhand einer beispielhaften Ausführungsform verschiedene Aspekte und Gestaltungen einer insgesamt mit 100 bezeichneten Fertigungszelle veranschaulicht. Die Fertigungszelle 100 umfasst eine Werkzeugmaschine 10, welche mit einer Fördervorrichtung (Bezugszeichen 80) gekoppelt ist. Die Werkzeugmaschine 10 und die Fördervorrichtung 80 bilden Bestandteile der Fertigungszelle 100. Die Fertigungszelle 100 kann zumindest gemäß dem in den 1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel auch als Drehzelle bezeichnet werden. Insbesondere ist die Werkzeugmaschine 10 als Drehmaschine gestaltet, insbesondere als sogenannte Vertikaldrehmaschine. Demgemäß kann die Werkzeugmaschine 10 auch als Vertikalwerkzeugmaschine bezeichnet werden. Die Bezeichnung Drehmaschine schließt gleichwohl nicht aus, dass mit der Werkzeugmaschine 10 auch Fräsbearbeitungen, Bohrbearbeitungen oder dergleichen durchgeführt werden.
In zumindest einigen der gezeigten Figuren veranschaulicht ein mit X-Y-Z bezeichnetes Koordinatensystem Hauptachsen bzw. Hauptrichtungen der Werkzeugmaschine 10. Eine mit Z bezeichnete Achse kennzeichnet eine Vertikalrichtung. Eine mit X bezeichnete Achse kennzeichnet eine Zustellrichtung. Eine mit Y bezeichnete Achse kennzeichnet eine Richtung/Achse, die sowohl zur X-Achse als auch zur Z-Achse senkrecht ist. Die Z-Achse ist bei einer Werkzeugmaschine 10 in vertikaler Anordnung regelmäßig parallel zu einer Längsachse der zu bearbeitenden Werkstücke, wenn diese in einer Bearbeitungsposition eingespannt sind.
Die Werkzeugmaschine 10 ist zur spanabhebenden Bearbeitung von Werkstücken vorgesehen. Dies umfasst jedenfalls bei der Drehbearbeitung, der Fräsbearbeitung sowie der Bohrbearbeitung ein Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ein Gestell 12. Das Gestell 12 kann allgemein auch als Maschinenbett oder Ständer bezeichnet werden. Das Gestell 12 umfasst oder bildet einen Rahmen 14. Der Rahmen 14 kann auch als Rahmengestell oder Säulengestell bezeichnet werden. Das Gestell 12 umfasst beispielsweise eine erste Säule 16 und eine zweite Säule 18, die sich zwischen einer Basis 22 und einer Oberseite 20 erstrecken. Die Oberseite 20 kann auch als „Dach“ oder oberer Querträger bezeichnet oder ausgeführt sein.
Gemeinsam bilden die Basis 22, die Oberseite 20 sowie die beiden Säulen 16 und 18 eine Gestellgestaltung, die einem C-Gestell nicht unähnlich ist. Jedoch weist das Gestell 12 auch Elemente einer Ständerbauweise auf.
An der Basis 22 des Gestells 12 ist ein Lagerbock 24 aufgenommen. Der Lagerbock 24 ist in das Gestell 12 integriert bzw. fest mit dem Gestell 12 verbunden. Der Lagerbock 24 kann auch als Podest bezeichnet werden. Dem Lagerbock 24 ist ein mit 26 bezeichnetes Gegenlager zugeordnet. Das Gegenlager 26 ist an der Oberseite 20 des Gestells 12 aufgenommen bzw. ausgebildet. Der Lagerbock 24 und das Gegenlager 26 sind einander zugewandt.
Die Werkzeugmaschine 10 ist zur Bearbeitung von wellenartig oder flanschartig gestalteten Werkstücken 28 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist bei der anhand der 1-3 veranschaulichen Ausführungsform eine erste Werkstückspindel 30 sowie eine zweite Werkstückspindel 32 vorgesehen. Die Werkstückspindel 30 ist mit einem Werkstückhalter 34 versehen. Die Werkstückspindel 32 ist mit einem Werkstückhalter 36 versehen. Die Werkstückhalter 34, 36 weisen entsprechende Spanneinrichtungen für Werkstücke 28 auf. An einem Ende des Lagerbocks 24, dass dem Gegenlager 26 zugewandt ist, ist ein unteres Lager 38 ausgebildet.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ferner einen Werkzeugträger 40, der auch als Werkzeughalter bezeichnet werden kann. Der Werkzeugträger 40 ist als Revolver ausgebildet. Der Werkzeugträger 40 weist eine Mehrzahl von Werkzeugaufnahmen 44 auf. In den Werkzeugaufnahme 44 können Werkzeuge 46 aufgenommen sein. Die Werkzeuge 46 können in einen Eingriff mit dem Werkstück 28 gebracht werden, um dieses zu bearbeiten.
In 1 veranschaulicht eine mit 48 bezeichnete strichpunktierte Linie eine Schwenkachse des Werkzeugträgers 40. Der Werkzeugträger 40 kann um die Schwenkachse 48 verdreht bzw. verschwenkt werden, um bedarfsweise verschiedene Werkzeuge 46 in Eingriff oder außer Eingriff zu bringen. Bei den Werkzeugen 46 kann es sich um Drehwerkzeuge, Fräswerkzeuge und/oder Bohrwerkzeuge handeln. Insbesondere Fräswerkzeuge und Bohrwerkzeuge können mit eigenen Antrieben gekoppelt sein.
Die Werkzeugmaschine 10 umfasst ferner eine mit 50 bezeichnete Tragsäule. Die Tragsäule 50 ist um eine mit 52 bezeichnete Schwenkachse verdrehbar. Die Tragsäule 50 erstreckt sich zwischen dem Lagerbock 24 und der Oberseite 20 des Gestells 12. Beispielsweise ist die Tragsäule 50 am unteren Lager 38 sowie am Gegenlager 26 aufgenommen. Da auf diese Weise die Tragsäule 50 beidseitig schwenkbar gehalten ist, ergibt sich insgesamt eine hohe Positioniergenauigkeit und Steifigkeit. Umgekehrt verleiht die Tragsäule 50 insgesamt dem Gestell 12 eine erhöhte Steifigkeit, da das Gestell 12 ohne die Tragsäule 50 ein „offenes“ C-Gestell bilden würde.
Bei einer Rotation der Tragsäule 50 um die Schwenkachse 52 werden die Werkstückspindeln 30, 32 ebenso um die Schwenkachse 52 verschwenkt. Zur Bewegung der Tragsäule 50 ist ein mit 60 bezeichneter Schwenkantrieb vorgesehen, der etwa als Rundtisch oder Drehtisch gestaltet ist.
Die Werkstückspindeln 30, 32 sind jeweils vertikal relativ zur Tragsäule 50 verfahrbar, vergleiche die Doppelpfeile 54, 56 in 1 und 3. Die Werkstückspindel 30 ist über eine Vertikalführung 62 und einen Vertikalschlitten 64 verfahrbar an der Tragsäule aufgenommen, wobei ein mit 66 bezeichneter Verfahrantrieb vorgesehen ist. Die Werkstückspindel 32 ist über eine Vertikalführung 68 und einen Vertikalschlitten 70 verfahrbar an der Tragsäule aufgenommen, wobei ein mit 72 bezeichneter Verfahrantrieb vorgesehen ist. Die Werkstückspindeln 30, 32 sind unabhängig voneinander vertikal verfahrbar.
Vorzugsweise sind die Werkstückspindeln 30, 32 als sogenannte Pick-up Spindeln gestaltet. Demgemäß sind die Werkstückspindeln 30, 32 dazu ausgebildet, Werkstücke 28 selbsttätig zu greifen und zu spannen. Gleichermaßen sind die Werkstückspindeln 30, 32 dazu ausgebildet, Werkstücke 28 selbstständig freizugeben bzw. abzugeben. Dies kann einen direkten Werkstücktransfer erlauben bzw. einen automatischen Werkstückwechsel vereinfachen.
Die Werkstückspindeln 30, 32 sind ferner mit geeigneten Spindelantrieben versehen, um eingespannte/aufgespannte Werkstücke 28 um die jeweilige Längsachse 130, 132 (vergleiche 3) rotatorisch anzutreiben, etwa für Drehbearbeitungen oder zum Zwecke der Positionierung.
Bei der anhand der 1-3 veranschaulichten Ausführungsform der Werkzeugmaschine 10 sind sowohl die Tragsäule 50 mit den Werkstückspindeln 30, 32 als auch der Werkzeugträger 40 am Lagerbock 24 aufgenommen. Somit dient der Lagerbock 24 als zentrales Element zur Abstützung beweglicher Komponenten der Werkzeugmaschine 10.
Beispielhaft ist am Lagerbock 24 eine Ausnehmung oder Aussparung 74 vorgesehen. In der Aussparung 74 ist eine Führung 76 angeordnet oder ausgebildet. An der Führung 76 ist ein Schlitten 78 aufgenommen, der den Werkzeugträger 40 trägt. Der Werkzeugträger 40 ist über den Schlitten 78 entlang der Führung 76 in X-Richtung (Zustellrichtung) verfahrbar. Auf diese Weise kann etwa ein am Werkzeugträger 40 aufgenommenes Werkzeug 46 radial auf das Werkstück 28 zugestellt werden. Es versteht sich, dass ein geeigneter Antrieb vorgesehen ist, um den Schlitten 78 in gewünschter Weise an der Führung 76.
Die Fertigungszelle 100 weist neben der Werkzeugmaschine 10 auch eine Fördervorrichtung 80 zum automatischen zuführen und abführen von Werkstücken 28 auf. In den 1-3 ist die Fördervorrichtung 80 lediglich schematisch in stark vereinfachter Form dargestellt. Die Fördervorrichtung 80 umfasst eine Fördertechnik, etwa ein Fördermittel in Form eines Förderbandes 82. Insbesondere in 2 sind ferner exemplarisch Umlenkungen 84, 86 für das Förderband 82 dargestellt. Es versteht sich, dass die Fördervorrichtung 80 auch andersartig gestaltete Fördermittel umfassen kann. Wesentlich ist, dass die Werkstückspindeln 30, 32 derart gestaltet sind, dass ein direkter Transfer der Werkstücke zwischen der Fördervorrichtung 80 und den Werkstückspindeln 30, 32 ermöglicht ist. Auf diese Weise wird ein automatischer Werkstückwechsel für die Werkzeugmaschine 10 bewerkstelligt.
In diesem Zusammenhang wird auf 3 sowie ergänzend auf 4, 5 sowie 6 verwiesen, welche einen Werkstückwechselvorgang veranschaulichen. 3 zeigt anschaulich, dass die Werkstückspindeln 30, 32 wechselseitig in einer Bearbeitungsposition sowie einer Transferposition angeordnet sein können.
In 3 (vergleiche hierzu auch die perspektivische Darstellung in 1) befindet sich die Werkstückspindel 30 in der Bearbeitungsposition. Die Werkstückspindel 32 befindet sich in der Transferposition. In der Transferposition ist die Werkstückspindel 32 in einem Transferfenster oder Transferbereich angeordnet. Insbesondere ist die Werkstückspindel 32 oberhalb der Fördervorrichtung 80 angeordnet und in X-Richtung in Bezug auf Werkstücke 28 bzw. Plätze für Werkstücke 28 in der Fördervorrichtung 80 ausgerichtet.
In der Bearbeitungsposition (Werkstückspindel 30 in 1 und 3) ist hingegen die Werkstückspindel 30 von der Fördervorrichtung 80 beabstandet und dem Werkzeugträger 40 bzw. dem aktuell zur Bearbeitung ausgewerteten Werkzeug 46 benachbart angeordnet. Beispielsweise bei einer Drehbearbeitung erlaubt die vertikale Verfahrbarkeit (in Z-Richtung, vergleiche den Doppelpfeil 54) eine Vorschubbewegung zwischen dem Werkstück 28 und dem Werkzeug 46.
Mit anderen Worten erfolgt die Vorschubbewegung bei der Drehbearbeitung nicht durch eine aktive Bewegung des Werkzeugs 46 in Z-Richtung entlang des Werkstücks 28, sondern umgekehrt durch eine aktive Bewegung des Werkstücks 28 in Z-Richtung relativ zum Werkzeug 46. Die Zustellbewegung erfolgt durch Bewegung des Werkzeugträgers 40 mit dem daran aufgenommenen Werkzeug 46 in X-Richtung. Die vertikale Verfahrbarkeit der Werkstückspindel 30 kann auch für Fräsbearbeitungen, Bohrbearbeitungen und ähnliche Bearbeitungsgänge genutzt werden.
Die Fördervorrichtung 80 erstreckt sich durch ein Transferfenster bzw. einen Transferbereich 90. Der Transferbereich 90 ist derart gestaltet, dass die Fördervorrichtung 80 die Werkzeugmaschine 10 seitlich durchragen kann.
In der Transferposition der Werkstückspindel 32 ermöglicht die vertikale Verfahrbarkeit (vergleiche den Doppelpfeil 56) ein Abheben oder Absetzen von Werkstücken 28. Mit anderen Worten sind die Werkstückspindeln 30, 32 vorzugsweise als sogenannte Pick-up Spindeln gestaltet. Dies umfasst regelmäßig einen Antrieb für die Werkstückhalter 34, 36, um Werkstücke 28 greifen (spannen) oder freigeben zu können. Werkstücke 28, die am jeweiligen Werkstückhalter 34, 36 aufgenommen und eingespannt sind, können durch die Vertikalbewegung der Werkstückspindeln 30, 32 in Z-Richtung verfahren werden. Demgemäß kann die Werkstückspindel 32 direkt Werkstücke 28 mit der Fördervorrichtung 80 austauschen. Es sind keine zusätzlichen Greifer, Roboter und sonstige Handlingeinheiten für den Werkstückwechsel zwischen Fördervorrichtung 80 und Werkzeugmaschine 10 erforderlich.
Mit anderen Worten kann der Vertikalantrieb jeder Werkstückspindel 30, 32 sowohl als Vorschubantrieb als auch zum Heben oder Senken der Werkstücke 28 im Zuge des Werkstücktransfers genutzt werden.
Ferner zeigt 3 anschaulich, dass sich durch die Tragsäule 50, die zwischen dem Lagerbock 24 und dem Gegenlager 26 angeordnet ist, insgesamt ein geschlossenes Führungsprofil ergibt. Dies erlaubt eine hohe Steifigkeit und Positioniergenauigkeit für die Tragsäule 50 und schlussendlich für die daran aufgenommenen Werkstückspindeln 30, 32. Auf diese Weise können beispielsweise auch relativ lange Werkstücke 28 mit großem Länge-Durchmesser Verhältnis bearbeitet werden, ohne dass sich etwa ein seitliches Auslenken der Tragsäule 50 nachteilig auf die erzielbare Genauigkeit auswirken würde.
In den 1, 2 und 3 ist ferner mit 92 eine Zugangsöffnung angedeutet, die sich zwischen den beiden Säulen 16, 18 befindet. Unter der Maßgabe, dass derjenige Bereich der Werkzeugmaschine 10, in dem die Bearbeitung stattfindet, wo also der Bearbeitungsraum/Prozessraum definiert ist, an einer Vorderseite der Werkzeugmaschine ausgebildet ist (vgl. das Bezugszeichen 88 in 3), erlaubt die Zugangsöffnung 92 einen Zugang zum Transferbereich 90 ausgehend von einer rückwärtigen Seite der Werkzeugmaschine 10. Ein Bediener/Monteur hat einen Zugriff auf den Transferbereich 90, ohne dass der Werkzeugträger 40 mit den daran aufgenommenen Werkzeugen 46 bei den zu verrichtenden Tätigkeiten stört.
Die 4,5 und 6 zeigen eine vereinfachte Sequenz, die einen Werkstückwechsel zwischen dem Transferbereich und dem Bearbeitungsbereich veranschaulicht. Die 4, 5 und 6 zeigen jeweils eine Draufsicht auf die Fertigungszelle 100, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit beispielsweise auf Darstellung des Gestells 12 verzichtet wurde.
Der Tragsäule 50 ist ein Schwenkantrieb 60 zugeordnet, beispielsweise ein Rundtisch, auf dem die Tragsäule 50 angeordnet ist. Eine Schwenkbewegung der Tragsäule 50 ist in den 4, 5 und 6 durch einen gekrümmten Pfeil 94 angedeutet. Ferner zeigt ein mit 96 bezeichneter Pfeil in den 4, 5 und 6 eine Vorschubrichtung der Fördervorrichtung 80.
4 veranschaulicht ein Zustand, der dem Zustand der Fertigungszelle 10 in den 1, 2 und 3 entspricht. Die Werkstückspindel 30 befindet sich in der Bearbeitungsposition. Die Werkstückspindel 32 befindet sich in der Transferposition. Die Werkstückspindel 32 und das Förderband 82 der Fördervorrichtung 80 sind derart positioniert, dass die Werkstückspindel 32 ein Werkstück 28 aufnehmen oder abgeben kann. Dies erfordert regelmäßig eine Vertikalbewegung der Werkstückspindel 32 (vergleiche den Doppelpfeil 56 in 3) sowie eine Betätigung des Werkstückhalters 36. Während sich die Werkstückspindel 32 in der Transferposition befindet, kann bei der Werkstückspindel 30, die sich in der Bearbeitungsposition befindet, eine Bearbeitung des Werkstücks 28 erfolgen, welches am Werkstückhalter 34 der Werkstückspindel 30 aufgenommen ist, vergleiche hierzu auch 3.
Jedenfalls dann, wenn die Werkstückspindel 32 ein zu bearbeitendes Werkstück 28 ergriffen und angehoben hat, kann der Schwenkantrieb 60 die Tragsäule 50 um ihre Schwenkachse 52 verdrehen und somit die Werkstückspindeln 30, 32 verschwenken. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Bearbeitung des Werkstücks 28 der Werkstückspindel 30 im Bearbeitungsraum beendet ist. Jedoch kann die Zeitdauer der Bearbeitung im Bearbeitungsraum 88 genutzt werden, um im Transferbereich 90 ein bearbeitetes Werkstück 28 abzugeben und/oder ein zu bearbeitendes Werkstück 28 aufzunehmen.
Ausgehend von der in 4 gezeigten Ausgangsstellung zeigt 5 einen Zustand, in dem die Tragsäule 50 um etwa 60° (Grad) relativ zur Ausgangslage verschwenkt wurde. 6 zeigt einen Zustand, in dem die Tragsäule 50 insgesamt um etwa 120° (Grad) relativ zur Ausgangslage gemäß 4 verschwenkt wurde. Sofern die Schwenkbewegung insgesamt 180° (Grad) beträgt, tauschen die Werkstückspindel 30 und die Werkstückspindel 32 gewissermaßen ihre Plätze.
Es versteht sich, dass Vertikalbewegungen der Werkstückspindeln 30, 32 während der Schwenkbewegung vorstellbar sind, etwa um Kollisionen zu vermeiden. Sodann ist die Werkstückspindel 32 in der Bearbeitungsposition und die Werkstückspindel 30 in der Transferposition angeordnet. Demgemäß kann das an der Werkstückspindel 32 aufgenommene Werkstück 28 bearbeitet werden. Das an der Werkstückspindel 30 aufgenommene Werkstück 28 kann an die Fördervorrichtung 80 übergeben werden und durch ein neues zu bearbeitendes Werkstück 28 ersetzt werden.
Es versteht sich, dass ein Austausch von Werkstücken 28 in der Transferposition auch eine entsprechende Vorschubbewegung der Fördervorrichtung 80 umfasst, vergleiche den Pfeil 96. Mit anderen Worten muss das bearbeitete Werkstück 28 an einen freien Platz der Fördervorrichtung 80 abgegeben werden. Sodann kann die Fördervorrichtung 80 vorrücken, wodurch ein neues, zu bearbeitendes Werkstück 28 in eine Position verbracht wird, in der die Werkstückspindel 30 dieses durch eine kombinierte Vertikalbewegung und Greifbewegung aufnehmen kann.
Die Schwenkbewegung 94 kann gleichgerichtet (entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn) oder alternativ hin und her gehend gestaltet sein kann. Mit anderen Worten kann die Tragsäule 50 auch wechselseitig im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn zwischen der Bearbeitungsposition und der Transferposition verschwenkt werden (etwa plus/minus 180°).
Zur Steuerung und Überwachung der diversen Bewegungen, die während des Werkstückwechsels ausgeführt werden, ist eine Steuereinrichtung 98 vorgesehen, die in 3 lediglich beispielhaft schematisch angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung 98 auch dazu ausgestaltet sein kann, die eigentliche Bearbeitung des Werkstücks 28 zu steuern.
Mit Bezugnahme auf 7 wird eine alternative Ausgestaltung einer Werkzeugmaschine veranschaulicht, die insgesamt mit 210 bezeichnet ist. Ähnlich wie die Werkzeugmaschine 10 kann auch die Werkzeugmaschine 210 in eine Fertigungszelle 100 integriert sein, wobei die Werkzeugmaschine 210 als Drehmaschine und die Fertigungszelle 100 als Drehzentrum gestaltet sein können.
Zur allgemeinen strukturellen Gestaltung der Werkzeugmaschine 210 wird auf die zuvor erläuterten 1-6 verwiesen. Nachfolgend wird insbesondere auf Unterscheidungsmerkmale und Abwandlungen eingegangen. Die Werkzeugmaschine 210 umfasst ein Gestell 212, welches beispielhaft als Rahmengestell oder Ständer gestaltet ist. Das Gestell 212 trägt einen Lagerbock 224 an dem in grundsätzlich bereits zuvor beschriebener Weise eine verschwenkbare Tragsäule 250 zur Aufnahme zweier Werkstückspindeln angeordnet ist.
Ferner trägt jedoch der Lagerbock 224 einen ersten Werkzeugträger 240 und einen zweiten Werkzeugträger 340. Die Werkzeugträger 240, 340 sind derart angeordnet, dass eine Werkstückspindel, die in der Bearbeitungsposition angeordnet ist (vergleiche die Werkstückspindel 30 in 1), zwischen den beiden Werkzeugträger 240, 340 angeordnet ist.
Der Werkzeugträger 240 umfasst einen Revolver 242, welcher eine Mehrzahl von Werkzeugen aufnehmen kann. Der Werkzeugträger 340 umfasst einen Revolver 342, welche eine Mehrzahl von Werkzeugen aufnehmen kann. Der Werkzeugträger 240 ist um eine Schwenkachse 248 verdrehbar. Der Werkzeugträger 340 ist um eine Schwenkachse 348 verdrehbar. Auf diese Weise können verschiedene Werkzeuge in einen Eingriff mit einem zu bearbeitenden Werkstück bzw. außer Eingriff gebracht werden. Die Schwenkachsen 248, 348 im Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind jeweils parallel zur Z-Achse (vertikale Richtung) orientiert.
In Bezug auf ein zu bearbeitendes Werkstück sind die Werkzeugträger 240, 340 einander gegenüberliegend angeordnet. Zustellbewegungen der Werkzeugträger 240, 340 sind parallel zur X-Achse (Zustellachse) orientiert. Demgemäß ist das Koordinatensystem X-Y-Z der Gestaltung in 7 jedenfalls in Bezug auf das Maschinengestell 212 etwas anders ausgerichtet als das Koordinatensystem X-Y-Z der Gestaltung in den 1-3 in Bezug auf das dortige Maschinengestell 12. Dies verdeutlicht, dass die Koordinatensysteme X-Y-Z vorrangig zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen sind. Es versteht sich, dass andere Zuordnungen und andere Koordinatensystem zur Beschreibung von Gestaltungen und Abwandlungen der Werkzeugmaschinen 10, 210 vorstellbar sind. Der Fachmann kann entsprechende Zuordnungen und Transformationen ohne weiteres vornehmen und auf entsprechend abgewandelte Ausführungsformen ohne weiteres übertragen.
Jeder der Werkzeugträger 240, 340 ist in drei linearen Achsen relativ zum Lagerbock 224 und folglich relativ zur Werkstückspindel verfahrbar. Für den Werkzeugträger 240 ist am Lagerbock 224 eine Führung 276 (Y-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 278 aufgenommen ist. Am Schlitten 278 ist eine Führung 280 (Vertikalführung oder Z-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 282 aufgenommen ist. Am Schlitten 282 ist eine Führung 284 (Zustellführung oder X-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 286 aufgenommen ist. Der Schlitten 286 trägt den Werkzeugträger 240, welcher um die Achse 248 verdrehbar ist.
Für den Werkzeugträger 340 ist am Lagerbock 324 eine Führung 376 (Y-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 378 aufgenommen ist. Am Schlitten 378 ist eine Führung 380 (Vertikalführung oder Z-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 382 aufgenommen ist. Am Schlitten 382 ist eine Führung 384 (Zustellführung oder X-Führung) angeordnet oder ausgebildet, an der ein Schlitten 386 aufgenommen ist. Der Schlitten 386 trägt den Werkzeugträger 340, welcher um die Achse 348 verdrehbar ist.
Insgesamt trägt also der Lagerbock 224 neben den beiden Werkstückspindeln auch die beiden Werkzeugträger 240, 340, welche über diverse Führungen verschieblich am Lagerbock 224 aufgenommen sind. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise eine äußerst kompakte Gestaltung, obwohl eine Vielzahl an Bearbeitungsoperationen mit verschiedensten Werkzeugen möglich ist.
Insbesondere bei der Gestaltung gemäß 7 ist es vorstellbar, neben den Werkstückspindeln, die gewissermaßen „hängend“ am Maschinengestell 212 aufgenommen sind, eine Gegenspindel vorzusehen, die wiederum auch vom jeweiligen Lagerbock 224 getragen werden. Bei der Gestaltung gemäß den 1-3 wäre dies auch vorstellbar, wenn der Werkzeugträger 40 nicht unterhalb, sondern seitlich versetzt zur Bearbeitungsposition der Werkzeugspindel 30,32 angeordnet wäre.
Mit Bezugnahme auf 8 wird anhand eines schematisch stark vereinfachten Blockschaltbildes eine Ausführungsform eines Verfahrens zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle veranschaulicht. Vorzugsweise wird das Verfahren bei einer Fertigungszelle genutzt, die gemäß zumindest einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen gestaltet ist.
Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der die Bereitstellung einer Fertigungszelle betrifft, die eine Werkzeugmaschine sowie eine Fördervorrichtung aufweist. Die Werkzeugmaschine weist Werkstückspindeln auf, die an einer Tragsäule aufgenommen und um eine Schwenkachse verschwenkbar sind. Auf diese Weise können die Werkstückspindeln wechselseitig zwischen einer Transferposition und einer Bearbeitungsposition bewegt werden.
An den Bereitstellungsschritt S10 schließen sich ein Bearbeitungsschritt S12 sowie ein Transferschritt S14 an. Die Schritte S12, S14 laufen zumindest zeitweise zeitparallel ab. Der Schritt S12 betrifft eine Bearbeitung, insbesondere eine spanabhebenden Bearbeitung, eines Werkstücks, das an der Werkstückspindel aufgenommen ist, die sich während des Schritts S12 in der Bearbeitungsposition befindet.
Der Schritt S14 betrifft zumindest die Abgabe eines bearbeiteten Werkstücks oder die Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks bei derjenigen Werkstückspindel, die sich während des Schritts S14 in der Transferposition befindet. Wenn in entsprechender Weise ein automatisierter Werkstückwechsel angelaufen ist, umfasst der Schritt S14 zunächst die Abgabe des bearbeiteten Werkstücks und danach (noch im selben Schritt S14) die Aufnahme eines neuen, zu bearbeitenden Werkstücks.
Der Schritt S14 kann demgemäß verschiedene Teilschritte umfassen, die grundsätzlich zeitlich aufeinander folgen, ggfs. mit zeitlicher Überlappung. Beispielsweise umfasst die Übergabe des zweiten Werkstücks in einem ersten Teilschritt eine Abgabe eines (zuvor) bearbeiteten Werkstücks an die Fördervorrichtung, wobei in einem zweiten Teilschritt die Fördervorrichtung getaktet wird, also um einen definierten Schritt weiterbewegt wird, sodass in einem dritten Teilschritt ein unbearbeiteter Rohling aufgenommen wird, welcher das zu bearbeitende Werkstück darstellt. Die Übergabe der Werkstücke zwischen der Fördervorrichtung und der Werkstückspindel erfordert keine zusätzlichen Greifer, Aktuatoren, und dergleichen, wenn die Werkstückspindel(n) als sogenannte Pick-up Spindel(n) gestaltet ist/sind.
An die Schritte S12 und S14 schließt sich ein Schritt S16 an, der ein Verschwenken der beiden Werkstückspindeln um eine vertikal orientierte Schwenkachse umfasst. Mit anderen Worten wechselt diejenige Werkstückspindel, die sich zuvor in der Bearbeitungsposition befunden hat, in die Transferposition. Diejenige Werkstückspindel, die sich zuvor in der Transferposition befunden hat, wechselt in die Bearbeitungsposition. Das Verschwenken umfasst eine Mitnahme der jeweils aufgenommenen Werkstücke. Somit steht nach dem Schritt S16 in der Bearbeitungsposition ein neues, zu bearbeitendes Werkstück zur Verfügung. Das zwischenzeitlich (im Schritt S12) bearbeitete Werkstück steht hingegen in der Transferposition für eine Übergabe bereit.
An den Schritt S 16 schließen sich Schritte S18 und S20 an. Bei dem Schritt S18 handelt es sich um einen Bearbeitungsschritt, der dem Schritt S12 entspricht. Bei dem Schritt S20 handelt es sich um einen Transferschritt, der dem Schritt S14 entspricht. An die Schritte S18, S20 schließt sich ein erneuter Verschwenkschritt S22 an. Die Verschwenkschritte S16, S22 können grundsätzlich gleichsinnig oder gegensinnig orientierte Schwenkbewegungen umfassen.
Das Verfahren kann entsprechend fortgeführt werden, um weitere Werkstücke zu bearbeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19920323 A1 [0006]
DE 102015001036 A1 [0007]
DE 102010051866 A1 [0008]

Claims

Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Werkstückbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide, insbesondere Vertikaldrehmaschine, mit einem Maschinengestell (12; 212), mit zumindest einer Werkstückspindel (30, 32) mit einem rotatorisch um eine Spindelachse antreibbaren Werkstückhalter (34, 36), und mit einem Werkzeugträger (40; 240, 340) zur Aufnahme zumindest eines Bearbeitungswerkzeugs (46), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückspindel (30, 32) vertikal relativ zum Maschinengestell (12; 212) verfahrbar ist, und dass die Werkstückspindel (30, 32) um eine zur Spindelachse parallele Schwenkachse (52) zwischen einer Bearbeitungsposition und einer Transferposition verschwenkbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass am Maschinengestell (12) eine drehbare Tragsäule (50, 250) angeordnet ist, die die zumindest eine Werkstückspindel (30, 32) trägt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der drehbaren Tragsäule (50, 250) zumindest eine Vertikalführung (62, 68) angeordnet ist, an der zumindest ein Werkstückspindelschlitten (64, 70) vertikal verfahrbar aufgenommen ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengestell (12) als Rahmengestell (14) gestaltet ist und eine Basis (22) sowie eine Oberseite (20) aufweist, zwischen denen sich zumindest eine Säule (16, 18) erstreckt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengestell (12) zwei Stützsäulen (16, 18) aufweist, die von der Tragsäule (50, 250) beabstandet sind.
Werkzeugmaschine nach einem der der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragsäule (50, 250) an einem Lagerbock (24, 224) aufgenommen ist, der auch den Werkzeugträger (40; 240, 340) trägt.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger (40; 240, 340) in zumindest einer Achse (X), vorzugsweise in zumindest zwei Achsen, relativ zum Lagerbock (24, 224) verfahrbar ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragsäule (50, 250) zwischen dem Lagerbock (24, 224) und einem Gegenlager (26) angeordnet ist, das mit einer Oberseite (20) des Maschinengestells (12) verbunden ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste als Pick-Up Werkstückspindel gestaltete Werkstückspindel (30) und eine zweite als Pick-Up Werkstückspindel gestaltete Werkstückspindel (32) vorgesehen ist, wobei die erste Werkstückspindel (30) in der Bearbeitungsposition ist, wenn die zweite Werkstückspindel (32) in der Transferposition ist, und dass die Bearbeitungsposition und die Transferposition der Werkstückspindeln (30, 32) vorzugsweise um etwa 180° um die Schwenkachse (52) zueinander versetzt sind.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der in der Transferposition angeordneten Werkstückspindel (30, 32) ein Werkstückwechsel ermöglicht ist, während bei der in der Bearbeitungsposition angeordneten Werkstückspindel (30, 32) eine Bearbeitung des Werkstücks (28) stattfindet.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger (40; 240, 340) als Werkzeugrevolver (42; 242, 342) zur Aufnahme mehrerer Bearbeitungswerkzeuge (46) ausgebildet ist, und dass der Werkzeugträger (40; 240, 340) vorzugsweise um eine Achse verschwenkbar ist, die senkrecht oder parallel zur Spindelachse der zumindest einen Werkstückspindel (30, 32) orientiert ist.
Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transferposition der zumindest einen Werkstückspindel (30, 32) in einem Transferbereich (90) der Werkzeugmaschine (10, 210) angeordnet ist, der, bezogen auf die Schwenkachse (52), vom Werkzeugträger (40; 240, 340) abgewandt ist.
Fertigungszelle, insbesondere Drehzelle, mit einer Werkzeugmaschine (10, 210) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und mit einer Fördervorrichtung (80), die zumindest zu bearbeitende Werkstücke (28) bereitstellt oder bearbeitete Werkstücke (28) abführt, wobei die zumindest eine Werkstückspindel (30, 32) in der Transferposition Werkstücke (28) von der Fördervorrichtung (80) übernimmt oder an die Fördervorrichtung (80) abgibt.
Fertigungszelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsposition der zumindest einen Werkstückspindel (30, 32) in einem Prozessbereich ist, und dass die Transferposition der Werkstückspindel in einem Transferbereich (90) ist, wobei der Prozessbereich und der Transferbereich (90) auf voneinander abgewandten Seiten der Schwenkachse (52) angeordnet sind.
Verfahren zum nebenzeitminimierten Betreiben einer Fertigungszelle (100) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, mit den Schritten: - Bearbeiten eines ersten Werkstücks (28), das an einer ersten Werkstückspindel (30) aufgenommen ist, die sich in einer Bearbeitungsposition befindet, - während der Bearbeitung des ersten Werkstücks (28), Übergabe eines zweiten Werkstücks (28) zwischen einer Fördervorrichtung (80) und einer zweiten Werkstückspindel (32), die sich in einer Transferposition befindet, und - Verschwenken der ersten Werkstückspindel (30)und der zweiten Werkstückspindel (32), um die erste Werkstückspindel (30) in die Transferposition und die zweite Werkstückspindel (32) in die Bearbeitungsposition zu bewegen.