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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Handhabung von Gegenständen mit einer Werkzeugmaschine zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Werkzeug, insbesondere ein Fräswerkzeug, mit einer eine Arbeitsspindel aufweisende Werkzeugschnittstelle, wobei die Werkzeugschnittstelle eine Zuführung für Druckluft zu einem in der Werkzeugschnittstelle angeordneten Werkzeug aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Handhabung von Gegenständen.
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Im Stand der Technik bekannt sind Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken wie beispielsweise Fräsmaschinen zur Bearbeitung von Metall. Üblicherweise weisen derartige Werkzeugmaschinen eine zusätzliche Handhabungsvorrichtung auf, welche die zu bearbeitenden Werkstücke in die Werkzeugmaschine einbringt oder diese nach der Bearbeitung aus der Werkzeugmaschine entfernt.
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Beispielsweise ist ein Verfahren zum Bearbeiten einer Glasscheibe aus der Druckschrift
DE 2015 207 933 A1 bekannt.
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Ferner ist eine Werkzeugmaschine und eine Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks aus der Druckschrift
DE 10 2010 002 019 A1 bekannt.
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Nachteilig im Stand der Technik ist, dass bekannte Werkzeugmaschinen zum automatisierten Bearbeiten von Werkstücken eine zusätzliche Handhabungsvorrichtung umfassen, welche zum Bewegen der Werkstücke benötigt wird. Derartige Handhabungsvorrichtungen weisen einen von der Werkzeugmaschine unabhängigen Antrieb auf und sind daher kostenintensiv. Ferner benötigen sie zusätzlich räumliche Kapazitäten, welche bei der Planung und der Auslegung der Werkzeugmaschinen berücksichtigt werden müssen.
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Um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden wird eine Handhabungsvorrichtung auf Basis einer Werkzeugmaschine vorgeschlagen, welche die Aufgaben einer Handhabungsvorrichtung möglichst effizient übernehmen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf das System zur Handhabung von Gegenständen durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren zum Betreiben eines Systems zur Handhabung von Gegenständen durch den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass an der Werkzeugschnittstelle eine mit Druckluft betreibbare Unterdruck-Haltevorrichtung angeordnet ist und Druckluft über die Zuführung für Druckluft an die Unterdruck-Haltevorrichtung zuführbar ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass die Werkzeugschnittstelle, welche im Betrieb der Werkzeugmaschine zur Anbindung eines Werkzeugs genutzt wird, zur Anbindung für eine Unterdruck-Haltevorrichtung eingesetzt wird. Hierbei wird die Zuführung für Druckluft unmittelbar an die Unterdruck-Haltevorrichtung angeschlossen und zu deren Betätigung als Arbeitsmedium eingesetzt.
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Unter einer Werkzeugmaschine ist im Stand der Technik eine Maschine zu verstehen, welche mittels Werkzeugen Werkstücke fertigt, wobei die Maschine die relative Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug vorgibt oder steuert. Beispiele einer derartigen Werkzeugmaschine sind Fräsmaschinen oder Drehmaschinen.
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Eine Arbeitsspindel beschreibt ein wichtiges ein Kernelement der Werkzeugschnittstelle. Sie umfasst eine Welle, welche steif genug sein muss, um sich durch auftretende Radialkräfte möglichst wenig zu verbiegen. Üblicher Weise hängt die Steifigkeit von Durchmesser, Material und Länge der Welle ab. Ein größerer Durchmesser führt zu einem höheren Massenträgheitsmoment, was den Energieaufwand für die Beschleunigung erhöht. Das dynamische Verhalten der Welle hat eine große Bedeutung. Zusätzlich stellt die rotierende Welle mit Antrieb und Lagerung ein schwingungsfähiges System dar, welches bei Erreichen seiner kritischen Drehzahl instabil werden kann. Im Betrieb auftretende Temperaturen werden üblicher Weise durch Kühlmittel oder durch Kühlschmiermittel reduziert, indem die Mittel durch eine Drehdurchführung oder eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werkzeug zugeleitet werden. Das Werkzeug selbst weist hierbei ebenfalls kleine Bohrungen auf, durch welche das Kühlmittel austreten und dadurch das Werkzeug und das Werkstück kühlen kann. Zusätzlich wird auch das Einbringen von Druckluft notwendig um beispielsweise Späne, Kühlmittel oder Schmiermittelrückstände zu entfernen. Die Zuführung für Druckluft zum Betreiben der Unterdruck-Haltevorrichtung kann hierbei entweder durch eine separate Leitung, durch eine bestehende Bohrung in der Welle oder durch eine Drehdurchführung erfolgen. Beispielsweise können bekannte Hohlschaftkegel (HSK) oder Capto-Halter in die Werkzeugschnittstelle eingefutter werden. Derartige Halterungen weisen, wie auch die Arbeitsspindel selbst, Drehdurchführungen für Druckluft oder Kühlschmierstoff auf, welche zur Versorgung und zum Betreiben der Unterdruck-Haltevorrichtung mit Druckluft genutzt werden können.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Unterdruck-Haltevorrichtung dazu ausgebildet ist, eine nach dem Bernoulli-Prinzip wirkende Haltekraft zum Festhalten eines Gegenstands zu erzeugen. Aufgrund der konkreten Arbeitsumgebung in Werkzeugmaschinen, welche sich insbesondere durch Kühlmittelrückstände und Spanbildung kennzeichnen, kommen Venturidüsen und Saugvorrichtungen nicht in Frage da diese sämtliche Rückstände ansaugen würden. Zusätzlich weisen sie den Nachteil auf, dass lediglich geschlossene Oberflächen gegriffen oder gehalten werden können. Eine nach dem Bernoulli-Prinzip arbeitende Unterdruck-Haltevorrichtung, auch als Bernoulli-Greifer bezeichnet, bietet sich in der bezeichneten Arbeitsumgebung einer Werkzeugmaschine in besonderem Maße an, da mit Überdruck gearbeitet wird. Der Überdruck kann auch zum Wegblasen von Kühl- oder Schmiermittel-Rückständen sowie von Spänen eingesetzt werden. Der Bernoulli-Greifer wird an der Werkzeugschnittstelle angeordnet. Dadurch kann die Spindel zwar nicht mehr verdreht werden, jedoch kann die Werkzeugschnittstelle im Arbeitsraum verfahren werden. Hierbei kann ein Werkstück beliebig aufgenommen und abgelegt werden. Beispielsweise kann das Werkstück in einer Spannvorrichtung, auf einem Förderband oder an einer Ausschleus-Position abgelegt werden.
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Um auch Gegenstände mit porösen oder unregelmäßigen Oberflächen zu halten, weist die Unterdruck-Haltevorrichtung zumindest zwei parallel angeordnete Halteköpfe zum Festhalten eines Gegenstands nach dem Bernoulli-Prinzip auf. Hierbei wird zusätzlich der Vorteil erreicht, dass ein Festhalten eines Gegenstands ohne Verformung des Gegenstands selbst möglich ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, weist die Unterdruck-Haltevorrichtung eine nachgiebig ausgebildete Kontaktschicht auf, welche einem festzuhaltenden Gegenstand entgegengerichtet ist. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass unregelmäßige Oberflächen eines zu haltenden Gegenstands besser ausgeglichen werden können und somit eine Haltekraft zuverlässiger ausgebildet werden kann. Beispielsweise ist die Kontaktschicht reversibel elastisch ausgebildet. Dies kann beispielsweise mit einem schaumstoffartigen Material erreicht werden.
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Um das Anhaften eines Gegenstands zu verbessern, ist die Kontaktschicht aus einem rutschfesten Kunststoffmaterial ausgebildet. Beispielsweise eignet sich ein gummiartiges Material, da ein Verrutschen eines Gegenstands durch die gummiartige Oberfläche erschwert wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, weisen die parallel angeordneten Halteköpfe der Unterdruck-Haltevorrichtung jeweils eine Schnittstelle zum Zuführen von Druckluft auf. Dadurch wird beispielsweise der Vorteil erreicht, dass die Saugkraft der beiden Halteköpfe getrennt voneinander gesteuert werden kann. Dies kann die Handhabung eines Gegenstands erleichtern, indem beispielsweise das Aufnehmen und das Ablegen präzise gesteuert werden kann.
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Um das Steuern der Handhabung zusätzlich zu verbessern, weist das System ferner ein Druckluftventil zum Steuern der Unterdruck-Haltevorrichtung auf. Beispielsweise kann zumindest ein 3/2-Wegeventil zur Steuerung des Systems eingesetzt werden.
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Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform, umfasst das System ein Werkzeugmagazin, wobei die Unterdruck-Haltevorrichtung in dem Werkzeugmagazin angeordnet werden kann. Dadurch ist es möglich, die Unterdruck-Haltevorrichtung wie ein gewöhnliches Werkzeug in einem Werkzeugmagazin anzuordnen. Wenn beispielsweise ein Werkstück mittels eines Fräswerkzeugs in der Werkzeugmaschine bearbeitet worden ist, dann kann die Werkzeugmaschine im Anschluss selbstständig das Fräswerkzeug von der Werkzeugschnittstelle entfernen. Anschließend kann die Unterdruck-Haltevorrichtung aus dem Werkzeugmagazin entnommen und an der Werkzeugschnittstelle angeordnet werden. Damit wird die Werkzeugmaschine zu einer Handhabungsvorrichtung und kann das Werkstück mittels Druckluft reinigen und abtransportieren. Eine gesonderte Handhabungsvorrichtung ist nicht länger notwendig. Zur vollständigen Automatisierung des Prozesses, weist das System eine Werkzeugwechselvorrichtung auf.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Betreiben eines Systems zur Handhabung von Gegenständen, wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst. Ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren umfasst ein System gemäß einer der vorausgehenden Ausführungsformen. Ferner umfasst das Verfahren die Schritte Bereitstellen einer Werkzeugmaschine mit einer eine Arbeitsspindel aufweisenden Werkzeugschnittstelle, Anordnen einer mit Druckluft betreibbaren Unterdruck-Haltevorrichtung an die Werkzeugschnittstelle und Betreiben der Unterdruck-Haltevorrichtung durch Zuführen von Druckluft über die Zuführung. Es ergeben sich dadurch ähnliche Vorteile, wie diese bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System erläutert wurden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wird vor dem Anordnen der mit Druckluft betreibbaren Unterdruck-Haltevorrichtung die Werkzeugmaschine mittels Druckluft durch die Zuführung von Verunreinigungen und Spänen gereinigt.
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Beispielsweise wird die Unterdruck-Haltevorrichtung mittels eines Druckluftventils, insbesondere mit einem 3/2-Wegeventil gesteuert.
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Um die Bearbeitung eines Werkstücks zu optimieren, wird die Arbeitsspindel der Werkzeugschnittstelle zum Aufnehmen und zum Ablegen eines Werkstücks in einem Arbeitsraum verfahren. Wenn ein Werkstück mittels eines Fräswerkzeugs in der Werkzeugmaschine bearbeitet worden ist, dann kann die Werkzeugmaschine im Anschluss mittels der Werkzeugwechselvorrichtung das Fräswerkzeug von der Werkzeugschnittstelle entfernen und in dem Werkzeugmagazin anordnen. Danach entnimmt die Werkzeugmaschine die Unterdruck-Haltevorrichtung aus dem Werkzeugmagazin und ordnet diese an der Werkzeugschnittstelle an. Damit wird die Werkzeugmaschine zu einer Handhabungsvorrichtung und kann das Werkstück bei Bedarf mittels Druckluft reinigen und anschließend abtransportieren. Das Werkstück kann beliebig aufgenommen und abgelegt werden. Beispielsweise kann das Werkstück in eine Spannvorrichtung, auf ein Förderband oder an eine Ausschleus-Position gelegt werden. Eine gesonderte Handhabungsvorrichtung ist nicht länger notwendig weil die Werkzeugmaschine den Gesamtprozess in Verbindung mit der Unterdruck-Haltevorrichtung selbstständig durchführen kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine aus dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit Unterdruck-Haltevorrichtung;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Unterdruck-Haltevorrichtung, und
- 4 eine weitere perspektivische Darstellung einer Unterdruck-Haltevorrichtung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine 200 aus dem Stand der Technik. Die Werkzeugmaschine 200 umfasst einen verschließbaren Arbeitsraum 202, in welchem sich die Werkzeugschnittstelle 220 mit einem Werkzeug 210 befindet. Das Werkzeug 210 ist in eine Arbeitsspindel 230 eingefuttert und kann im Arbeitsraum 202 beliebig verfahren werden.
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Das Werkzeug 210 fertigt oder bearbeitet Werkstücke 260, welche innerhalb des Arbeitsraums 202 angeordnet werden. Ein Werkstück 260, welches fertig bearbeitet ist, muss anschließend wieder aus dem Arbeitsraum 202 entfernt werden. Dies erfolgt entweder manuell oder mittels einer Handhabungsvorrichtung (nicht gezeigt). In kostenintensiven Werkzeugmaschinen werden zum Entfernen der bearbeiteten Werkstücke beispielsweise auch Roboter und Förderbänder eingesetzt. Sowohl Roboter als auch Förderbänder nehmen regelmäßig viel Platz ein, was zusätzliche Kosten verursacht.
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Die Arbeitsspindel 230 beschreibt ein wichtiges Element der Werkzeugschnittstelle 220. Im Betrieb der Werkzeugmaschine 200 entstehen hohe Temperaturen, welche üblicher Weise durch Kühlmittel oder durch Kühlschmiermittel reduziert werden, indem die Mittel durch eine Drehdurchführung oder eine axiale Bohrung in der Arbeitsspindel 230 bis zum Werkzeug 210 geleitet werden. Das Werkzeug 210 selbst weist beispielsweise kleine Bohrungen (nicht gezeigt) auf, durch welche das Kühlmittel austreten und dadurch das Werkzeug 210 und das Werkstück 260 kühlen kann. Zusätzlich wird auch das Einbringen von Druckluft notwendig, um beispielsweise Späne, Kühlmittel oder Schmiermittelrückstände zu entfernen.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine 200 mit Unterdruck-Haltevorrichtung 250. Zum Betreiben der Unterdruck-Haltevorrichtung 250, wird entweder durch eine für Kühlflüssigkeit vorgesehene Bohrung in der Arbeitsspindel 230 oder durch eine zur Kühlung eingesetzte Drehdurchführung Druckluft an die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 angelegt. Hier müssen zuvor Kühlmittelrückstände aus den Zuführungen ausgeblasen werden. Alternativ oder zusätzlich, kann die Zuführung von Druckluft an die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 durch eine separate Leitung erfolgen. Hierbei kann das Ausblasen von Kühlmittelrückständen ausbleiben.
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Beispielsweise kann sich im Arbeitsraum 202 eine Werkzeugwechselvorrichtung (nicht gezeigt) befinden. Die Werkzeugwechselvorrichtung ist dazu vorgesehen ein Werkzeug 210 aus der Werkzeugschnittstelle 220 zu entfernen und durch ein anderes Werkzeug 210 zu ersetzten. Hierbei befindet sich beispielsweise ein Werkzeugmagazin in dem Arbeitsraum 202, welches zur Aufnahme und zur Abgabe mehrerer Werkzeuge geeignet ist. Die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 kann wie ein gewöhnliches Werkzeug in dem Werkzeugmagazin angeordnet und somit von der Werkzeugwechselvorrichtung an der Werkzeugschnittstelle 220 eingefuttert werden. Damit wird die Werkzeugmaschine 200 zu einer Handhabungsvorrichtung 100 und kann das Werkstück 260 bei Bedarf mittels Druckluft reinigen und anschließend abtransportieren. Das Werkstück 260 kann beliebig aufgenommen und abgelegt werden. Beispielsweise kann das Werkstück 260 in eine Spannvorrichtung, auf ein Förderband oder an einer Ausschleus-Position abgelegt werden.
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Die 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Unterdruck-Haltevorrichtung 250. Die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 erzeugt eine nach dem Bernoulli-Prinzip wirkende Haltekraft zum Festhalten eines Gegenstands (Bernoulli-Greifer). Der Bernoulli-Greifer arbeitet mit Überdruck und kann deshalb neben der Greiffunktion auch zum Wegblasen von Kühl- oder Schmiermittel-Rückständen sowie von Spänen eingesetzt werden. Die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 hat zwei parallel angeordnete Halteköpfe 252, wodurch auch Gegenstände mit porösen oder unregelmäßigen Oberflächen festgehalten werden können. Durch die beiden parallelen Halteköpfe 252 entstehen beim Festhalten zwei beabstandete Kräfte, welche ein verformungsfreies Anheben und Transportieren des Gegenstands ermöglichen.
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Jeder der parallel angeordneten Halteköpfe 252 der Unterdruck-Haltevorrichtung 250 hat eine eigene Schnittstelle zum Zuführen von Druckluft 256. Dadurch lässt sich die Saugkraft der beiden Halteköpfe 252 getrennt voneinander steuern. Dies kann die Handhabung eines Gegenstands erleichtern, indem beispielsweise das Aufnehmen und das Ablegen präzise durch unterschiedliche Haltekräfte der Halteköpfe 252 gesteuert werden kann. Beispielsweise kann die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 ein Druckluftventil, beispielsweise ein 3/2-Wegeventil, zur Steuerung der Unterdruck-Haltevorrichtung 250 aufweisen.
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Die Unterdruck-Haltevorrichtung 250 hat eine nachgiebig ausgebildete Kontaktschicht 254. Die Kontaktschicht 254 ist einem festzuhaltenden Gegenstand entgegengerichtet und verbessert das Festhalten von unregelmäßigen Oberflächen. Durch die nachgiebige Kontaktschicht 254 werden unregelmäßige Oberflächen besser ausgeglichen, wodurch eine Haltekraft zuverlässiger ausgebildet wird. Beispielsweise kann das Festhalten eines Gegenstands verbessert werden, indem die Kontaktschicht 254 zusätzlich aus einem rutschfesten Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Dadurch wird die Reibung eines anhaftenden Gegenstands relativ zu der Kontaktschickt 254 erhöht und ein Verrutschen wird erschwert.
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Die 4 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung einer Unterdruck-Haltevorrichtung 250. Auf eine wiederholte Beschreibung identischer Merkmale der vorausgehenden Figur wird verzichtet.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- System zur Handhabung von Gegenständen
- 200
- Werkzeugmaschine
- 202
- Arbeitsraum
- 210
- Werkzeug
- 220
- Werkzeugschnittstelle
- 230
- Arbeitsspindel
- 250
- Unterdruck-Haltevorrichtung
- 252
- Halteköpfe
- 254
- Kontaktschicht
- 256
- Schnittstelle zum Zuführen von Druckluft
- 260
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2015207933 A1 [0003]
- DE 102010002019 A1 [0004]
