DE10215195A1

DE10215195A1 - Werkzeugmaschine, insbesondere Universalfräsmaschine, sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Maschine

Info

Publication number: DE10215195A1
Application number: DE10215195A
Authority: DE
Inventors: Walter Moeri-Frey
Original assignee: AML APPBAU und METALLTECHNIK A
Current assignee: SPACEMILL AG, ETZIKEN, CH
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2003-10-16
Also published as: WO2003084712A3; WO2003084712A2; AU2003212179A1; AU2003212179A8

Abstract

Eine Werkzeugmaschine (10), insbesondere Universalfräsmaschine, umfasst einen Tisch (12) zum Aufspannen eines zu bearbeitenden Werkstückes in einer horizontalen Bearbeitungsebene sowie eine Werkzeugspindel (65), welche in einer zur Bearbeitungsebene senkrecht stehenden Verschwenkungsebene auf einer um den Tisch (12) als Zentrum herumzuführenden Kreisbahn zwischen einer vertikalen Position und einer horizontalen Position kontinuierlich verschwenkbar angeordnet ist, wobei die Werkzeugspindel (65) an einem Bogensegment (15) befestigt ist, welches auf einem Bogen verfahrbar in einer ersten Bogenführung (14) geführt ist. DOLLAR A Bei einer solchen Werkzeugmaschine (10) wird platzsparender Aufbau bei gleichzeitig verringertem Herstellungs- und Montageaufwand sowie eine verbesserte Zugänglichkeit des Arbeitsraumes dadurch erreicht, dass die erste Bogenführung (14) die Form eines Kreisbogenabschnitts aufweist, welcher den Tisch (12) nur auf einer Seite umschließt.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkzeugmaschinen. Sie betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere Universalfräsmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Werkzeugmaschine ist z. B. aus der Druckschrift US-A-1,991,285 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Es sind in der Vergangenheit verschiedentlich Universalwerkzeugmaschinen bzw. Universalfräsmaschinen vorgeschlagen worden, bei denen das zu bearbeitende Werkstück auf einem in einer Längsrichtung horizontal verfahrbaren, horizontalen Tisch gehalten wird und eine Werkzeug- oder Arbeitsspindel in einer zur Längsrichtung senkrecht stehenden Ebene auf einer kreisbogenförmigen Bahn um den Tisch mit dem Werkstück herum verschwenkt werden kann. Der Tisch mit dem Werkstück befindet sich dabei im Zentrum des Kreisbogens und die Werkzeugspindel ist so gelagert, dass die Spindelachse je nach Verschwenkungswinkel vertikal, horizontal oder mit einem dazwischenliegenden Winkel ausgerichtet ist. Damit der Bearbeitungsraum im Zentrum des Kreisbogens frei verfügbar ist, ist die Werkzeugspindel in einer entsprechenden Bogenführung gelagert.
Ein frühes Beispiel für eine solche Werkzeugmaschine ist in der eingangs genannten US-A-1,999,285 beschrieben. Die Werkzeugspindel ist dort auf einer Kreuzschlitteneinheit montiert, deren Basis ein Bogensegment bildet. Das Bogensegment ist verschiebbar auf einer senkrecht stehenden Bogenführung montiert, die den Arbeitstisch mit einem Winkel von etwa 270° fast vollständig umschliesst. Ungünstig ist bei dieser Anordnung nicht nur die einseitige Gewichtsverteilung, sondern auch das Problem, dass ein motorischer Antrieb für das Verschwenken der Werkzeugspindel nicht ortsfest am Rahmen der Maschine angeordnet werden kann.
Es ist deshalb später eine andere Lösung vorgeschlagen worden (US-A- 2,042,720), bei welcher die Werkzeugspindel einschliesslich des Kreuzschlittens an einem Führungselement in Form eines geschlossenen Kreisringes befestigt wird, der seinerseits auf der Aussenseite eines kreisförmigen Gehäuses drehbar gelagert ist. Bei dieser Konfiguration lässt sich ein stationärer Antrieb über eine Kombination aus Zahnritzel und Zahnkranz einsetzen. Des weiteren können am Führungselement auf der der Werkzeugspindel gegenüberliegenden Seite Ausgleichsgewichte vorgesehen werden.
Eine vergleichbare Lösung ist in der DE-OS-22 55 540 offenbart. Hier ist die Arbeitsspindel mit ihrer Kreuzschlitteneinheit an einem geschlossenen kreisförmigen Metallkranz befestigt, der in einer kreisförmigen Lagerausnehmung im vertikalen Rahmen der Maschine drehbar gelagert ist. Auch hier sind ein stationärer Antrieb des Kranzes über eine Kombination aus Zahnritzel und Zahnkranz sowie ein Gegengewicht auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen. Des weiteren wird vorgeschlagen, das durch die Werkzeugspindel erzeugte Unwuchtmoment durch ein zweites, von einem Motor angetriebenes Zahnritzel, das in den Zahnkranz eingreift, auszugleichen.
Obgleich die beiden letztgenannten Lösungen gegenüber der Konfiguration aus der US-A-1,991,285 hinsichtlich des Antriebs und der Gewichtsverteilung Vorteile haben, hat die als geschlossener Kreis ausgebildete Bogenführung nicht nur einen erheblichen Aufwand an Material und Bearbeitungs- und Montagezeit zur Folge, sondern vergrössert auch die Aussenabmessungen der Maschine und beschränkt den Platz, der Zusatzeinrichtungen wie z. B. einem automatischen Werkzeugwechsler zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird allgemein die Zugänglichkeit zum Bearbeitungsraum der Maschine im Bereich des Tisches beschränkt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine flexible und universell einsetzbare Werkzeugmaschine mit kontinuierlich verschwenkbarer Werkzeugspindel zu schaffen, welche die Nachteile bekannter Maschinen vermeidet und sich insbesondere durch einen platzsparenden Aufbau und einen deutlich reduzierten Material- und Herstellungsaufwand auszeichnet, von aussen gut zugänglich ist und viel Raum für Zusatzeinrichtungen wie z. B. einen automatischen Werkzeugwechsler zur Verfügung stellt, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 20 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die erste Bogenführung auf einen zur einen Seite hin offenen Kreisbogenabschnitt beschränkt wird. Hierdurch wird ohne wesentliche Beschränkung der Bearbeitungsmöglichkeiten der Aufwand an Material und Herstellungs- und Montagekosten erheblich verringert, der Platzbedarf der Maschine reduziert und gleichzeitig Raum für zusätzliche Einrichtungen an der Maschine wie z. B. einen automatischen Werkzeugwechsler geschaffen. Bevorzugt weist die erste Bogenführung in etwa die Form eines Halbkreises auf, und das Bogensegment hat einen Segmentwinkel von etwa 90°.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Werkzeugmaschine nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an der ersten Bogenführung ein Antrieb zum Verfahren der Werkzeugspindel angeordnet ist, welcher über ein erstes Zahnritzel mit einer am Bogensegment angebrachten Rundzahnstange kämmt. Hierdurch kann eine zusätzliche Gewichtsbelastung der verfahrbaren Einheit aus Werkzeugspindel und Bogensegment durch die Antriebseinheit vermieden werden.
Zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit ist es von Vorteil, wenn gemäss einer anderen Ausgestaltung der Antrieb einen ersten Motor umfasst, welcher über ein Schneckengetriebe eine Antriebswelle antreibt, wenn die Antriebswelle mit dem ersten Zahnritzel verzahnt ist, wenn die Antriebswelle mit dem ersten Zahnritzel schrägverzahnt ist, und die Schrägverzahnung zur Spielaufhebung axial verstellbar ist, und wenn neben dem ersten Zahnritzel ein zur Eliminierung des Zahnspiels zweites mechanisch gekoppeltes und verspanntes Zahnritzel angeordnet ist, welches mit der Rundzahnstange kämmt.
Weiterhin ist es für die Genauigkeit von Vorteil, wenn an der ersten Bogenführung ein zweiter Motor ortsfest angeordnet ist, welcher über ein Getriebe ein drittes Zahnritzel antreibt, welches dritte Zahnritzel mit der Rundzahnstange kämmt und die Rundzahnstange mit einem Drehmoment zum Ausgleich des Gewichtes des Bogensegments und der Werkzeugspindel beaufschlagt. Anstelle des Motors kann die Gewichtsentlastung auch durch auf das Zahnritzel wirkendes Spiralfedersystem erfolgen.
Um bei der Bearbeitung der dem Tisch aufgespannten Werkstücke zusätzliche Freiheitsgrade zu gewinnen, ist es von Vorteil, wenn zwischen der Werkzeugspindel und dem Bogensegment eine Kreuzschlitteneinheit angeordnet ist, und zur Verstellung der Kreuzschlitteneinheit in den beiden orthogonalen Achsen zwei jeweils mit einem Motor und einer Spindel ausgestattete Linearantriebe vorgesehen sind.
Ein besonders einfacher und hinsichtlich der Funktionalität günstiger Aufbau der Maschine ergibt sich, wenn die Werkzeugmaschine ein längliches Maschinenbett aufweist, auf welchem der Tisch angeordnet ist, wenn an dem Maschinenbett an einer Längsseite eine Ständereinheit angebracht, insbesondere angeschraubt ist, welche nach oben über die Bearbeitungsebene hinausragt, und wenn die erste Bogenführung an einer quer zur Längsrichtung des Maschinenbettes liegenden Seite der Ständereinheit angeordnet ist. Der Tisch kann dabei vorzugsweise als in Längsrichtung auf dem Maschinenbett verfahrbarer Längstisch ausgebildet sein.
Gemäss einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Werkzeugspindel eine Frässpindel, und ist die Frässpindel in einem Fräsbalken integriert und wird zusammen mit dem Fräsbalken bewegt.
Die Vorteile des erfindungsgemässen kompakten Aufbaus der Werkzeugmaschine werden besonders augenscheinlich, wenn an der Werkzeugmaschine ein automatischer Werkzeugwechsler vorgesehen ist. Durch die halbkreisförmige Ausbildung der Bogenführung steht die offene Seite des Halbkreises uneingeschränkt als Bewegungsraum für den Werkzeugwechsler zur Verfügung. Der Werkzeugwechsler umfasst dabei vorzugsweise ein Werkzeugmagazin und eine Wechseleinheit umfasst, welche Wechseleinheit Werkzeuge zwischen dem Werkzeugmagazin und der Werkzeugspindel hin- und hertransportiert. Insbesondere werden die Werkzeuge im Werkzeugmagazin mit einer ersten, fest vorgegebenen Ausrichtung gehalten werden, und die Wechseleinheit weist Mittel auf, mit welchen die Werkzeuge beim Transport vom Werkzeugmagazin zur Werkzeugspindel von der ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung verschwenkt werden können, welche der jeweiligen Ausrichtung der Werkzeugspindel beim Werkzeugwechsel entspricht, bzw. beim Transport von der Werkzeugspindel zum Werkzeugmagazin von der zweiten in die erste Ausrichtung verschwenkt werden können.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wechseleinheit senkrecht zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel zwischen dem Werkzeugmagazin und der Werkzeugspindel verfahrbar, und sind die Verschwenkungsmittel derart ausgebildet, dass das Werkzeug in einer zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel parallelen Ebene verschwenkt werden kann. Die Verschwenkungsmittel umfassen dabei vorzugsweise eine zweite Bogenführung, in welcher eine Dreheinheit mit Greifern für die Werkzeuge auf einem Bogen verfahrbar geführt ist. Auch hier kann zum Verfahren der Dreheinheit ein mit einem Motor versehener Antrieb vorgesehen ist, bei welchem ein Zahnritzel mit einer Rundzahnstange kämmt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Werkzeugwechsler ein Werkzeugmagazin umfasst, in welchem die Werkzeuge mit einer ersten, fest vorgegebenen Ausrichtung gehalten werden, und dass der Werkzeugwechsler die Werkzeuge beim Transport vom Werkzeugmagazin zur Werkzeugspindel von der ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung verschwenkt, welche der jeweiligen Ausrichtung der Werkzeugspindel beim Werkzeugwechsel entspricht, bzw. beim Transport von der Werkzeugspindel zum Werkzeugmagazin von der zweiten in die erste Ausrichtung zurückverschwenkt.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Ansichten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung, wobei Fig. 1A die Draufsicht in Richtung der Maschinenlängsachse aus Richtung des Werkzeugmagazins, Fig. 1C die Draufsicht in Richtung der Maschinenlängsachse aus der entgegengesetzten Richtung, und Fig. 1B und 1D zwei unterschiedliche perspektivische Seitenansichten wiedergeben;
Fig. 2 in einer vergrösserten Darstellung einen Ausschnitt der Maschine nach Fig. 1 mit dem Antrieb für das Verfahren der Werkzeugspindel sowie die Werkzeugspindel mit der Kreuzschlitteneinheit;
Fig. 3 in einer vereinfachten Darstellung den internen Aufbau des Antriebs für das Verfahren der Werkzeugspindel;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Antrieb für das Verfahren der Werkzeugspindel;
Fig. 5 für sich genommen die Wechseleinheit des Werkzeugwechslers der Werkzeugmaschine nach Fig. 1 in der Draufsicht in Richtung der Maschinenlängsachse;
Fig. 6 eine perspektivische Seitenansicht der Wechseleinheit nach Fig. 5;
Fig. 7 in einer perspektivischen Seitenansicht die Anordnung der Wechseleinheit an der Maschine, wobei wesentliche Teile der Maschine weggelassen sind;
Fig. 8 eine Momentaufnahme eines Werkzeugwechselvorgangs bei vertikal stehender Werkzeugspindel;
Fig. 9 eine Momentaufnahme eines Werkzeugwechselvorgangs bei schräg stehender Werkzeugspindel; und
Fig. 10 eine Momentaufnahme eines Werkzeugwechselvorgangs bei horizontal liegender Werkzeugspindel.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 sind in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Ansichten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine nach der Erfindung wiedergegeben. Fig. 1A zeigt dabei die Draufsicht in Richtung der Maschinenlängsachse aus Richtung des Werkzeugmagazins, Fig. 1C die Draufsicht in Richtung der Maschinenlängsachse aus der entgegengesetzten Richtung. Fig. 1B und 1D geben zwei unterschiedliche perspektivische Seitenansichten wieder. Die Werkzeugmaschine 10, die vorzugsweise als Universalfräsmaschine ausgebildet ist, umfasst ein stabiles, längliches Maschinenbett 11, auf dem in Längsrichtung verfahrbar ein Längstisch 12 angeordnet ist. Der Längstisch 12 kann ein starrer Tisch sein. Es ist aber auch denkbar, einen (drehbaren) Rundtisch 67 vorzusehen, wie er in Fig. 1B und 1D angedeutet ist.
Der Längstisch 12 ist gemäss Fig. 9 auf einem Schlitten 63 montiert, der mittels Rollenschuhen 64 auf zwei parallelen Führungen 54, 55 in Richtung der Maschinenlängsachse verfahrbar ist. Für den Antrieb des Schlittens 63 ist ein Linearantrieb mit einer Spindel 61 vorgesehen. Der Längstisch 12 ist in der üblichen Weise zum Aufspannen von zu bearbeitenden Werkstücken ausgebildet. Am Maschinenbett 11 ist auf der einen Längsseite ein vertikaler rechteckiger Flansch (62 in Fig. 7) vorgesehen, an dem eine sich seitlich nach aussen und nach oben über die Bearbeitungsebene des Längstisches 12 hinaus sich erstreckende Ständereinheit 13 angeschraubt ist. Die Ständereinheit 13 trägt (bei der Universalfräsmaschine) einen verfahrbaren Fräsbalken 17, in dem die eigentliche Werkzeugspindel 65 (Fig. 1D) untergebracht ist. Der Fräsbalken 17 ist auf einer Kreuzschlitteneinheit 16 montiert und mittels zwei Linearantrieben, die gemäss Fig. 2 jeweils einen Motor 27, 30 (mit Getriebe) und eine Spindel 29, 31 umfassen, in zwei orthogonalen Achsen verfahrbar. Die Kreuzschlitteneinheit 16 ist ihrerseits auf einem Bogensegment 15 montiert, das einen Segmentwinkel von etwa 90° hat. Das Bogensegment 15 ist in einer Bogenführung 14 auf einem Kreisbogen verfahrbar gelagert, der in einer senkrecht zur Maschinenlängsachse orientierten Verschwenkungsebene liegt und den Längstisch 12 als Zentrum hat. Die Bogenführung 14, die auf einer senkrecht zur Maschinenlängsachse orientierten Seite der Ständereinheit 13 angeordnet ist, hat die Form eines Halbkreises von etwa 180° und ist zur der Ständereinheit 13 gegenüberliegenden Seite des Maschinenbettes 11 hin offen.
Die Bogenführung 14 hat zwei durch einen Zwischenraum getrennte, bogenförmige Führungen 35, 36 (Fig. 4) auf welchen das Bogensegment 15 läuft. Das Bogensegment 15 ist an der Bogenführung 14 durch eine hinter die untere Führung 36 greifende Halteleiste 37 gesichert (Fig. 4). Hinter die obere Führung 35 greift eine am Bogensegment 15 angeschraubte Rundzahnstange 21 (siehe auch Fig. 2), die gleichzeitig dem Antrieb des Bogensegments 15 dient. Der Antrieb des Bogensegments 15 erfolgt gemäss Fig. 2 bis 4 über eine an der Bogenführung 14 ortsfest angeordnete Antriebseinheit 22, die einen Motor 24 umfasst, der über ein Schneckengetriebe 25 ein erstes Zahnritzel (Hauptritzel) 32 antreibt, welches mit der Rundzahnstange 21 kämmt. Eine aus dem Schneckengetriebe 25 kommende Antriebswelle 66 ist dabei in einem Getriebe 23 mit dem ersten Zahnritzel 32 schrägverzahnt, wobei die Schrägverzahnung zur Spielaufhebung axial verstellbar ist.
Zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit ist gemäss Fig. 3 in dem Getriebe 23 ein zweites Zahnritzel 33 angeordnet, welches zur Eliminierung des Zahnspiels mechanisch gekoppelt und verspannt und ebenfalls mit der Rundzahnstange 21 kämmt. Weiterhin ist an der ersten Bogenführung 14 gemäss Fig. 2 und 3 ein zweiter Motor 26 ortsfest angeordnet, welcher über ein Getriebe 38 ein drittes Zahnritzel 34 antreibt. Das dritte Zahnritzel 34 kämmt ebenfalls mit der Rundzahnstange 21 und beaufschlagt die Rundzahnstange 21 mit einem Drehmoment, mit dem das Gewicht des Bogensegments 15 und der Werkzeugspindel 65kompensiert werden kann. Anstelle des Motors 26 kann auch eine andere Kraftquelle wie z. B. ein Spiralfedersystem als Kraftquelle eingesetzt werden.
Die Werkzeugmaschine gemäss Fig. 1 weist zusätzlich einen automatischen Werkzeugwechsler 18 auf, der am einen Ende des Maschinenbetts 11 angeordnet ist. Der Werkzeugwechsler 18 umfasst ein oberhalb der Bearbeitungsebene horizontal liegendes Werkzeugmagazin 19, in welchen eine Mehrzahl von Werkzeugen 59 vertikal nach unten hängend gehalten werden und auf einer geschlossenen ovalen Bahn an einem Entnahmepunkt vorbeitransportiert werden können, an dem eine Hubeinrichtung 60 vorgesehen ist. Zum Transport der Werkzeuge 59 zwischen dem Werkzeugmagazin 19 und der im Fräsbalken 17 untergebrachten Werkzeugspindel 65 ist eine Wechseleinheit 20 vorgesehen, die in Fig. 5 und 6 genauer dargestellt ist. Die Wechseleinheit 20 ist auf einem Schlitten 39 aufgebaut, der mittels Rollenschuhen 57, 58 auf denselben Führungen 54, 55 wie auch der Längstisch 12 in Maschinenlängsrichtung verfahrbar ist. Für die Bewegung des Schlittens 39 ist ein Linearantrieb vorhanden, der einen an einer Halteplatte 40 befestigten Motor 41 mit angeflanschtem Getriebe und eine Spindel 42 umfasst.
Auf dem Schlitten 39 ist in einer zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel 65 parallelen Ebene liegend ein sich nach oben erstreckender Bogen 51 befestigt. Der Bogen trägt auf der einen Seite nebeneinander eine Bogenführung 53 und eine Rundzahnstange 52. In der Bogenführung 53 ist mittels einer Lagerplatte 50 und Rollenschuhen 56 eine Dreheinheit 43 auf einem Kreisbogen verfahrbar gelagert. Zum Antrieb ist ein Motor 49 vorgesehen, der ein mit der Rundzahnstange 52 kämmendes Zahnritzel antreibt. Die Dreheinheit 43 hat einen in der in Fig. 5, 6 gezeigten Grundstellung senkrecht stehenden Tragarm 44, an dessen oberem Ende zwei gegenüberliegende, horizontale Greifer 45, 46 um eine vertikale Achse drehbar angeordnet sind. Die Greifer 45, 46 können um die vertikale Achse mittels zweier am Fusse des Tragarms 44 angeordneter Hydraulikzylinder 47, 48 um 180° gedreht werden. Die Hydraulikzylinder 47, 48 betätigen dabei Zahnstangen, die mit einem am Tragarm 44 angeordneten Zahnkranz kämmen.
Die durch die Bogenführung 53 erreichte Verschwenkbarkeit der Dreheinheit 43 gewährleistet, dass die Wechseleinheit 20 die Werkzeuge 59 immer in derselben vertikalen Ausrichtung aus dem Werkzeugmagazin 19 herausholen bzw. in das Werkzeugmagazin 19 hineinhängen kann, aber während des Wechselvorgangs das Werkzeug in eine andere (horizontale oder schräge) Ausrichtung bringen kann, die mit der jeweiligen Ausrichtung der Werkzeugspindel 65 übereinstimmt. Auf diese Weise ist es möglich, das in der Werkzeugspindel 65 befindliche Werkzeug auszuwechseln, ohne dass die Werkzeugspindel in eine vorgegebene Position zurückgefahren werden muss. In den Fig. 8 bis 10 sind mehrere beispielhafte Werkzeugwechselvorgänge in einer Momentaufnahme dargestellt. In Fig. 8 steht die Werkzeugspindel im Fräsbalken 17 vertikal. In diesem Fall kann das Werkzeug 59 gewechselt werden, ohne dass die Wechseleinheit 20 bzw. die Dreheinheit 43 beim Transferprozess eine Schwenkbewegung ausführen muss. In Fig. 9 steht er Fräsbalken 17 im Moment des Werkzeugwechsels schräg. Hier muss die Wechseleinheit 20 auf ihrem Weg vom Werkzeugmagazin 19 zum Fräsbalken 17 eine Schwenkbewegung ausführen, damit die Werkzeuge 59 ungehindert ausgewechselt werden können. Im Beispiel der Fig. 10 liegt der Fräsbalken 17 horizontal. Hier muss die Wechseleinheit 20 zwischen Werkzeugmagazin 19 und Fräsbalken 17 die maximale Schwenkbewegung um 90° durchführen.
Der gesamte Ablauf eines Werkzeugwechsels umfasst die folgenden Schritte:

1. Die Wechseleinheit 20, die sich zunächst in einer Parkposition befindet, fährt in Maschinenlängsrichtung auf das Werkzeugmagazin 19 zu (Fig. 7).
2. Der dem Werkzeugmagazin 19 zugewandte Greifer 45 klickt in ein im Magazin unter der Hubeinrichtung 60 hängendes Werkzeug 59 ein.
3. Die das Werkzeug 59 haltende Haltebox (68 in Fig. 7) löst und wird durch die Hubeinrichtung 60 nach oben gefahren.
4. Die Wechseleinheit 20 fährt mit dem "neuen" Werkzeug zur Position der Werkzeugspindel 65, wobei gleichzeitig eine Verschwenkung stattfindet, wenn die Werkzeugspindel schräg oder horizontal steht.
5. Der andere Greifer 46 klickt bei in der Werkzeugspindel 65 befindlichen "alten" Werkzeug ein.
6. Die Spannvorrichtung an der Werkzeugspindel 65 löst und der Fräsbalken 17 fährt zurück.
7. Die Dreheinheit 43 dreht um 180° und tauscht die Werkzeuge aus.
8. Der Fräsbalken 17 fährt vor und die Spannvorrichtung an der Werkzeugspindel 65 spannt das neue Werkzeug.
9. Die Wechseleinheit 20 fährt zurück zum Werkzeugmagazin 19, wobei gleichzeitig die Dreheinheit 43 zurück in die vertikale Grundstellung geschwenkt wird.
10. Die Haltebox 68 wird durch die Hubeinrichtung 60 nach unten gefahren und das alte Werkzeug wird gespannt.
11. Die Wechseleinheit 20 fährt zurück in ihre Parkposition.
12. Das Werkzeugmagazin 19 positioniert ein neues Werkzeug am Abnahmepunkt unterhalb der Hubeinrichtung 60.

Es versteht sich dabei von selbst, dass die Information über die jeweilige Ausrichtung der Werkzeugspindel 65 beim Werkzeugwechsel an die Steuerung der Wechseleinheit 20 abgegeben wird, damit diese einen entsprechenden Schwenkvorgang einleiten und durchführen kann.
Insgesamt ergibt sich mit der erfindungsgemässen Lösung - bezogen auf Universalfräsmaschinen - die folgende Situation:
Bekannte Universalfräsmaschinen werden in den meisten Fällen mit einer reinen Horizontal- oder Vertikalfrässpindel ausgerüstet. Wird eine Kombination verlangt, kommen entweder aufgesetzte Vertikalfräsköpfe oder manuell/automatisch verstellbare Horizontal/Vertikal(H/V)-Fräsköpfe zum Einsatz. Die aufgesetzten Fräsköpfe haben den Nachteil des grossen Zeitbedarfs für die Umrüstung. Die automatischen H/V-Fräsköpfe sind nur entweder in reiner Horizontal- oder Vertikalstellung zu positionieren. Zwischenstellungen sind im Ausnahmefall nur in diskontinuierlichen Schritten von 1° oder 2,5° zu positionieren, wobei der grosse Nachteil der im Raum schiefen Spindellage in Kauf genommen werden muss. Die Verfahrachsen müssen dazu entsprechende Korrekturen ausführen.
Wird zu diesen Fräskopfsystemen ein Werkzeugwechsler kombiniert, muss normalerweise der Fräskopf immer wieder in eine bevorzugte Spindelposition zurückverstellt werden. Sind beide Spindelpositionen zu speisen, muss die Werkzeugwechseleinsrichtung entsprechend aufwendig konzipiert werden. Bei Zwischenstellungen des Fräskopfes sind bei diesen Systemen die Verfahrachsen nicht parallel zur Spindelachse. Für eine Zustellung axial zur Spindel müssen jeweils immer 2 bzw. 3 Achsen verstellt werden. Dies ist bei manueller Betätigung praktisch unmöglich.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dagegen ein Kreuzschlittensystem für die Vertikal- und Querachse mit einem Fräsbalken mit integrierter Frässpindel auf einem bogenförmigen Segment befestigt und mittels einer bogenförmigen Bewegung in einer Bogenführung um 90° in die Horizontalstellung gebracht (Fig. 10). Dabei werden die Vertikalachse und die Querachse in ihrer Funktion vertauscht. Wird irgendeine beliebige Zwischenstellung auf der Bogenführung angefahren, bewegt sich die axiale Verstellung der Spindelachse immer senkrecht zu diesen Achsen. Ausgleichsbewegungen sind nicht auszuführen.
Durch die Bogenführung ohne eigentliches Zapfenlager bleibt der Arbeitsraum im Werkstückbereich kollisionsfrei.
Auf dem Maschinenbett wird der Längstisch horizontal verstellt. Dabei ändert sich die Höhe des Tisches nicht. Gegenüber Schwenktischen kann bei diesem Prinzip ein hohes Werkstückgewicht aufgenommen werden. Selbst sperrige Werkstücke können aufgespannt werden.
Eine hinten am Maschinenbett angeschraubte Ständereinheit ist seitlich mit der Bogenführung versehen. Die auf dem Bogensegment platzierte Kreuzschlitteneinheit mit dem Fräsbalken wird in dieser Bogenführung quer zur Längstischachse von Vertikal- in Horizontalstellung verstellt. Der Antrieb der Bogenführung erfolgt durch einen Hand- oder Motorantrieb über Zahnritzel und Rundzahnstange. Über ein zweites mechanisch gekoppeltes und verspanntes Zahnritzel kann das Zahnspiel eliminiert werden. Über ein weiteres Zahnritzel kann durch ein Spiralfedersystem oder einen elektrischen Motor eine Gewichtsentlastung ereugt werden.
Die Maschine kann mit und ohne automatischen Werkzeugwechsler eingesetzt werden. Wird ein Werkzeugwechsler eingesetzt, wird das Werkzeugmagazin mit dem Werkzeugzubringersystem ausserhalb des Arbeitsraumes am Ende des Maschinenbettes platziert. Das neue Werkzeug wird während der Bearbeitungszeit schon aus dem Magazin in eine Warteposition radial ausgefahren. Beim eigentlichen Zubringen des neuen Werkzeuges zur je nach Winkelverstellung unterschiedlich ausgerichteten Frässpindel wird auf einer (zweiten) bogenförmigen Führung das Werkzeug auch zugleich in die entsprechende Winkellage gebracht (Fig. 8 bis 10). BEZUGSZEICHENLISTE 10 Werkzeugmaschine (Universalfräsmaschine)
11 Maschinenbett
12 Längstisch
13 Ständereinheit
14 Bogenführung
15 Bogensegment
16 Kreuzschlitteneinheit
17 Fräsbalken
18 Werkzeugwechsler (automatisch)
19 Werkzeugmagazin
20 Wechseleinheit
21 Rundzahnstange
22 Antriebseinheit (Bogensegment)
23 Getriebe
24 Motor
25 Schneckengetriebe
26 Motor
27 Motor
28 Getriebe
29 Spindel
30 Motor
31 Spindel
32, 33, 34 Zahnritzel
35, 36 Führung
37 Halteleiste
38 Getriebe
39 Schlitten
40 Halteplatte
41 Motor (mit Getriebe)
42 Spindel
43 Dreheinheit
44 Tragarm
45, 45 Greifer
47, 48 Hydraulikzylinder
49 Motor
50 Lagerplatte
51 Bogen
52 Rundzahnstange
53 Bogenführung
54, 55 Führung (Schiene)
50, 57, 58 Rollenschuh
59 Werkzeug
60 Hubeinrichtung
61 Spindel
62 Flansch (Ständereinheit)
63 Schlitten
64 Rollenschuh
65 Werkzeugspindel
66 Antriebswelle
67 Rundtisch
68 Haltebox

Claims

1. Werkzeugmaschine (10), insbesondere Universalfräsmaschine, mit einem Tisch (12) zum Aufspannen eines zu bearbeitenden Werkstückes in einer horizontalen Bearbeitungsebene, sowie einer Werkzeugspindel (65), welche in einer zur Bearbeitungsebene senkrecht stehenden Verschwenkungsebene auf einer um den Tisch (12) als Zentrum herumführenden Kreisbahn zwischen einer vertikalen Position und einer horizontalen Position kontinuierlich verschwenkbar angeordnet ist, wobei die Werkzeugspindel (65) an einem Bogensegment (15) befestigt ist, welches auf einem Bogen verfahrbar in einer ersten Bogenführung (14) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bogenführung (14) die Form eines Kreisbogenabschnitts aufweist, welcher den Tisch (12) nur auf einer Seite umschliesst.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bogenführung (14) in etwa die Form eines Halbkreises aufweist, und dass das Bogensegment (15) einen Segmentwinkel von etwa 90° hat.

3. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Bogenführung (14) ein Antrieb (24, 25, 66) zum Verfahren der Werkzeugspindel (65) angeordnet ist, welcher über ein erstes Zahnritzel (32) mit einer am Bogensegment (15) angebrachten Rundzahnstange (21) kämmt.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb einen ersten Motor (24) umfasst, welcher über ein Schneckengetriebe (25) eine Antriebswelle (66) antreibt, und dass die Antriebswelle (66) mit dem ersten Zahnritzel (32) verzahnt ist.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (66) mit dem ersten Zahnritzel (32) schrägverzahnt ist, und dass die Schrägverzahnung zur Spielaufhebung axial verstellbar ist.

6. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem ersten Zahnritzel (32) ein zur Eliminierung des Zahnspiels zweites mechanisch gekoppeltes und verspanntes Zahnritzel (33) angeordnet ist, welches mit der Rundzahnstange (21) kämmt.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Bogenführung (14) ein zweiter Motor (26) ortsfest angeordnet ist, welcher über ein Getriebe (38) ein drittes Zahnritzel (34) antreibt, welches dritte Zahnritzel (34) mit der Rundzahnstange (21) kämmt und die Rundzahnstange (21) mit einem Drehmoment zum Ausgleich des Gewichtes des Bogensegments (15) und der Werkzeugspindel (65) beaufschlagt.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Werkzeugspindel (65) und dem Bogensegment (15) eine Kreuzschlitteneinheit (16) angeordnet ist, und dass zur Verstellung der Kreuzschlitteneinheit in den beiden orthogonalen Achsen zwei jeweils mit einem Motor (27, 30) und einer Spindel (29, 31) ausgestattete Linearantriebe vorgesehen sind.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine (10) ein längliches Maschinenbett (11) aufweist, auf welchem der Tisch (12) angeordnet ist, dass an dem Maschinenbett (11) an einer Längsseite eine Ständereinheit (13) angebracht, insbesondere angeschraubt ist, welche nach oben über die Bearbeitungsebene hinausragt, und dass die erste Bogenführung (14) an einer quer zur Längsrichtung des Maschinenbettes (11) liegenden Seite der Ständereinheit (13) angeordnet ist.

10. Werkzeugmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tisch als in Längsrichtung auf dem Maschinenbett (11) verfahrbarer Längstisch (12) ausgebildet ist.

11. Werkzeugmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel (65) eine Frässpindel ist, und dass die Frässpindel in einem Fräsbalken (17) integriert ist und zusammen mit dem Fräsbalken (17) bewegt wird.

12. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Werkzeugmaschine (10) ein automatischer Werkzeugwechsler (18) vorgesehen ist.

13. Werkzeugmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugwechsler (18) ein Werkzeugmagazin (19) und eine Wechseleinheit (20) umfasst, welche Wechseleinheit (20) Werkzeuge (59) zwischen dem Werkzeugmagazin (19) und der Werkzeugspindel (65) hin- und hertransportiert.

14. Werkzeugmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge (59) im Werkzeugmagazin (19) mit einer ersten, fest vorgegebenen Ausrichtung gehalten werden, und dass die Wechseleinheit (20) Mittel (49, . . ., 53) aufweist, mit welchen die Werkzeuge (59) beim Transport vom Werkzeugmagazin (19) zur Werkzeugspindel (65) von der ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung verschwenkt werden können, welche der jeweiligen Ausrichtung der Werkzeugspindel (65) beim Werkzeugwechsel entspricht, bzw. beim Transport von der Werkzeugspindel (65) zum Werkzeugmagazin (19) von der zweiten in die erste Ausrichtung verschwenkt werden können.

15. Werkzeugmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechseleinheit (20) senkrecht zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel (65) zwischen dem Werkzeugmagazin (19) und der Werkzeugspindel (65) verfahrbar ist, und dass die Verschwenkungsmittel (49, . . ., 53) derart ausgebildet sind, dass das Werkzeug (59) in einer zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel (65) parallelen Ebene verschwenkt werden kann.

16. Werkzeugmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkungsmittel eine zweite Bogenführung (53) umfassen, in welcher eine Dreheinheit (43) mit Greifern (45, 46) für die Werkzeuge (59) auf einem Bogen verfahrbar geführt ist.

17. Werkzeugmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verfahren der Dreheinheit (43) ein mit einem Motor versehener Antrieb vorgesehen ist, bei welchem ein Zahnritzel mit einer Rundzahnstange (52) kämmt.

18. Werkzeugmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkungsmittel (49, . . ., 53) und die Dreheinheit (43) auf einem Schlitten (39) angeordnet sind, welcher senkrecht zur Verschwenkungsebene der Werkzeugspindel (65) verfahrbar ist.

19. Werkzeugmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verfahren des Schlittens (39) ein Linearantrieb mit einem Motor (41) und einer Spindel (42) vorgesehen ist.

20. Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, bei welcher an der Werkzeugmaschine (10) ein automatischer Werkzeugwechsler (18) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Werkzeugwechsel die Werkzeugspindel (65) der Werkzeugmaschine (10) in ihrer jeweiligen Stellung in der Verschwenkungsebene belassen wird, und dass der Werkzeugwechsler (18) das auszuwechselnde Werkzeug (59) in dieser Stellung auswechselt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugwechsler (18) ein Werkzeugmagazin (19) umfasst, in welchem die Werkzeuge (59) mit einer ersten, fest vorgegebenen Ausrichtung gehalten werden, und dass der Werkzeugwechsler (18) die Werkzeuge (59) beim Transport vom Werkzeugmagazin (19) zur Werkzeugspindel (65) von der ersten Ausrichtung in eine zweite Ausrichtung verschwenkt, welche der jeweiligen Ausrichtung der Werkzeugspindel (65) beim Werkzeugwechsel entspricht, bzw. beim Transport von der Werkzeugspindel (65) zum Werkzeugmagazin (19) von der zweiten in die erste Ausrichtung zurückverschwenkt.