Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen,
insbesondere Fräsbearbeitungszentren, mit einem aus mehreren Teilspeichern bestehenden
Werkzeugspeicher, einem längs der Teilspeicher verfahrbaren Wechslerständer, einem am
Wechslerständer vertikal verfahrbaren Greiferschlitten und einem am Greiferschlitten
angeordneten Greiferkopf, der zwischen dem Werkzeugspeicher und einer Arbeitsspindel oder
einer der Arbeitsspindel zugeordneten Handhabungseinrichtung längs einer Horizontalen, die
eine zum Verfahrweg des Wechslerständers parallele Ebene senkrecht schneidet, bewegbar
und vorzugsweise um wenigstens eine Achse drehbar ist.
Eine bekannte Einrichtung zur Speicherung und zum automatischen Wechsel von
Werkzeugen (DD 2 87 897) besitzt mehrere in Richtung der Achse der Bohrspindel aufgestellte
Werkzeugmagazine mit jeweils einer Reihe senkrecht übereinandergeordneter
ortsunveränderlicher Werkzeugplätze und einen längs der Werkzeugmagazine
verschiebbaren Wechslerständer mit einem vertikal geführten Wechslerschlitten, wobei ein
Werkzeugschlitten vorgesehen ist, der zwischen Bohrspindel und Werkzeugmagazin längs
zweier Schienenabschnitte verfahrbar ist, deren einer am Maschinenständer oder am
Spindelstock und deren anderer am Wechslerschlitten angeordnet ist. Sie ist einfach
aufgebaut und aufgrund der ortsunveränderlichen Werkzeugplätze leicht steuerbar. Ihre
Nachteile bestehen zum einen in der aus der Schienenführung resultierenden großen
Querausdehnung Werkzeugmagazin-Werkzeugmaschine und der aus der Schienenteilung
resultierenden erhöhten Störanfälligkeit. Darüber hinaus ist eine gefahrlose manuelle
Bestückung des Werkzeugmagazins nur bei stillgesetzter Werkzeugmaschine möglich,
während eine Anbindung des Werkzeugmagazins an ein automatisches betriebliches
Werkzeugwirtschaftssystem mit Kollisionsproblemen verbunden ist, die sich nur auf Kosten der
Werkzeugwechselzeit beheben lassen.
Ein weiterer bekannter Werkzeughalter für metallschneidende Werkzeugmaschinen
(DE 30 26 945) besteht aus einer maschinennahen raumfesten Plattform mit Mitteln zum
Drehen einer auf einem fahrbaren Gestell angeordneten Säule mit übereinander
angeordneten Werkzeugträgerscheiben. Er arbeitet mit einem Doppelgreifer zusammen, der
an einer nichtverfahrbaren Säule längs vertikaler und horizontaler Führungen geführt ist. Der
Werkzeughalter wird außerhalb der Werkzeugmaschine mit Werkzeugen bestückt und
anschließend auf die maschinennahe Plattform gefahren. Da die Werkzeugmaschine immer
nur auf einen Werkzeugträger Zugriff hat, geht die bessere Zugänglichkeit vor allem zu
Lasten der Anzahl der an der Werkzeugmaschine verfügbaren Werkzeuge. Während des
Austauschs der Werkzeugträger an der Plattform ist kein Werkzeugwechsel möglich.
Es ist auch ein Werkzeugmagazin bekannt (EP 483 781), dessen senkrecht zur
Arbeitsspindelachse verfahrbarer und um eine vertikale Achse drehbarer Körper an
wenigstens zwei seiner vertikalen Längsseiten umlaufende Werkzeugträger trägt, auf die in
vorbestimmter Umlaufposition ein am Maschinengestell um eine arbeitsspindelparallele Achse
drehbarer Doppelgreifer Zugriff hat. Dieser Zugriff besteht ständig. Er ist jedoch wiederum auf
ein einziges Werkzeugmagazin begrenzt. Der Werkzeugträgerumlauf erhöht den
Steuerungsaufwand.
Schließlich ist eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen,
insbesondere für Universalbearbeitungszentren (DE 34 40 604), bekannt, deren als
dreigliedriger Knickarm-Manipulator ausgebildeter und am Maschinengestell angelenkter
Werkzeugwechselarm in zwei in einem Winkel zueinander verlaufenden vertikalen
Bewegungsebenen Zugriff auf gerasterte Wechselpositionen sowohl bzgl. der Arbeitsspindel
als auch bzgl. eines mehrere Böden aufweisenden Werkzeugregals hat.
Die Anzahl der an der Werkzeugmaschine verfügbaren Werkzeuge wird durch die begrenzte
Reichweite des Manipulatorarms bestimmt. Der hohe Steuerungsaufwand resultiert hier aus
der Rasterung der Zugriffspositionen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugwechseleinrichtung für
Werkzeugmaschinen, insbesondere Fräsbearbeitungszentren, mit einem aus mehreren
Teilspeichern bestehenden Werkzeugspeicher, einem längs der Teilspeicher verfahrbaren
Wechslerständer, einem am Wechslerständer vertikal verfahrbaren Greiferschlitten und einem
am Greiferschlitten angeordneten Greiferkopf, der zwischen dem Werkzeugspeicher und einer
Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine oder einer der Arbeitsspindel zugeordneten
Handhabungseinrichtung längs einer Horizontalen, die eine zum Verfahrweg des
Wechslerständers parallele Ebene senkrecht schneidet, bewegbar und vorzugsweise um
wenigstens eine Achse drehbar ist, zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und leichter
Steuerbarkeit kompakter, flexibler und zuverlässiger ist und sowohl ein schnelles Wechseln
einer Vielzahl von Werkzeugen als auch ein kollisionsfreies Bestücken der Werkzeugspeicher
gestattet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Teilspeicher um vertikale
Achsen drehbar sind und um die Drehachsen verteilte Werkzeugspeicherplätze aufweisen,
von denen jeweils ein erster Teil in den Zugriffsbereich des von einem Geradführungsgetriebe
geführten Greiferkopfes und ein zweiter Teil in eine greiferkopfferne Bestückungs- und/oder
Wechselposition bringbar ist. Die Geradführung verbringt den Greiferkopf aus einer
kollisionsfreien Ruhelage innerhalb der Kontur des Wechslerständers an den
Werkzeugspeicher und die Arbeitsspindel oder die der Arbeitsspindel zugeordnete
Handhabungseinrichtung, der Greiferschlitten stellt die notwendige vertikale Lage her, der
Wechslerständer verantwortet die horizontale Lage und erzeugt den Einsetz- und
Entnahmehub an den Werkzeugspeicherplätzen und der Arbeitsspindel bzw. der der
Arbeitsspindel zugeordneten Handhabungseinrichtung. Während ein Teil der
Werkzeugspeicherplätze eines Teilspeichers in den Ablauf an der Werkzeugmaschine
eingebunden ist, kann ein anderer Teil neu bestückt und/oder gewechselt werden, so daß
nach Verbrauch der in den Ablauf der Maschine eingebundenen Werkzeuge die neu
bestückten und/oder gewechselten Werkzeugspeicherplätze in den Arbeitsbereich der
Werkzeugmaschine gedreht und die bisher eingesetzten Werkzeuge in der greiferkopffernen
Bestückungs- und oder Wechselposition ggfs. mitsamt ihren Werkzeugspeicherplätzen
gewechselt werden können.
Die Unteransprüche bilden die Erfindung weiter aus.
So sind in greiferkopffernen Positionen nicht nur die jeweiligen zweiten
Werkzeugspeicherplätze, sondern ganze Teilspeicher bestückbar und/oder wechselbar. Dies
kann z. B. im Einzelmaschinenbetrieb manuell und im Systembetrieb durch eine
Wechseleinrichtung eines betrieblichen Werkzeugwirtschaftssystems erfolgen.
In Abhängigkeit von den durch das Werkstücksortiment bestimmten Bearbeitungszeiten ist
eine unterschiedliche Einbindung der Werkzeugspeicherplätze und/oder Teilspeicher in die
Maschinensteuerung möglich. Hieran wiederum ist die manuelle oder automatische
Drehbarkeit der Teilspeicher gebunden. Die Erfindung ist u. a. an vertikalen und horizontalen
Fräsbearbeitungszentren anwendbar, wobei vorzugsweise die Werkzeugspeicher neben der
Maschine angeordnet und die in den Werkzeugspeicherplätzen vertikal oder horizontal
aufgenommenen Werkzeuge in eine arbeitsspindelparallele Lage bringbar sind, so daß diese
durch ein Geradführungsgetriebe mit ausschließlich achsparallelen Achsen ohne
Zwischenschaltung weiterer Baugruppen, wie z. B. einer arbeitsspindelgebundenen
Handhabungseinrichtung, übernommen und übergeben werden können. Die Steuerbarkeit
wird weiter vereinfacht, wenn das Geradführungsgetriebe einen Zwangslauf aufweist. Die
durch die bewegte Masse beeinflußte Wechselzeit wird verringert, wenn der Greiferkopf statt
durch knickarmgebundene Antriebe durch einen vom Greiferschlitten ausgehenden Antrieb
drehbar ist. Nicht notwendige Energieleitungen erhöhen die Zuverlässigkeit. Sofern, wie
allgemein üblich, Geradführung und Greiferkopfdrehung wechselweise stattfinden, wird beiden
Getrieben ein gemeinsamer Motor zugeordnet. Andernfalls ist ein Zweimotorenbetrieb
vorgesehen. Werkzeugspeicher und Wechslerständer bilden vorzugsweise eine bauliche
Einheit. Es ist jedoch auch möglich, den Wechslerständer der Werkzeugmaschine zuzuordnen
oder auf einem separaten Gestell zu führen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den
zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines Fräs-Bearbeitungszentrums mit
erfindungsgemäßer Werkzeugwechseleinrichtung,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Knickarms nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung der Bewegungsbahnen am Knickarm,
Fig. 4-5 einen Werkzeugwechselzyklus.
Gemäß Fig. 1 ist auf einem Gestell 1 längs einer horizontalen Führung 2 (x-Achse) ein Ständer
3 verfahrbar, der einen längs einer vertikalen Führung 4 (y-Achse) verfahrbaren Spindelkopf 5
aufnimmt, in dem eine horizontale Arbeitsspindel 6, deren Längsachse die x-y-Ebene
senkrecht schneidet, drehbar lagert. Die Arbeitsspindel 6 verfügt über eine nicht dargestellte
Spanneinrichtung, mit der sich ein eingewechseltes Werkzeug 7 spannen läßt.
Das Werkstück 8 wird auf einem Tisch 9 aufgenommen, der längs einer auf dem Gestell 1
arbeitsspindelparallel angeordneten Führung 10 (z-Achse) verfahrbar ist. Seitlich dieser ohne
Verfahr-, Dreh- und Spannantriebe dargestellten Fräsmaschinenanordnung befindet sich eine
Werkzeugwechseleinrichtung, deren Wechslerständer 11 längs einer arbeitsspindelparallelen
Führung 12 verfahrbar ist und eine vertikale Führung 13 für einen Greiferschlitten 14 trägt. Am
Greiferschlitten 14 ist ein Knickarm 15 angeordnet, der einen um eine arbeitsspindelparallele
Achse drehbaren Doppelgreifer 16 längs einer x-parallelen Geraden führt. Seitlich des Gestells
1 erstreckt sich ein arbeitsspindelparalleles Gestell 17. Es trägt Werkzeugspeicher 18, die
manuell um vertikale Achsen drehbar sind. Die Werkzeugspeicherplätze 19 verteilen sich
jeweils auf zwei zur Drehachse symmetrische Reihen. Sie nehmen die Werkzeuge 7 in z-
Richtung auf und verriegeln diese unter dem nicht dargestellten Einfluß einer Feder. Die
Führung 12 kann auf einem separaten Gestell oder einem der Gestelle 1 und 17 angeordnet
sein.
Gemäß der Fig. 2 und 3 besteht der Knickarm 15 aus zwei aneinandergelenkten
Schenkeln, deren einer 20 am Greiferschlitten 14 angelenkt ist und deren anderer 21 den
Doppelgreifer 16 drehbar aufnimmt. Koaxial zur greiferschlittengebundenen Gelenkachse 22
ist ein Motor 23 und eine mit dem Greiferschlitten 14 fest verbundene Zahnscheibe 24
angeordnet. Am Schenkel 21 ist koaxial zu seiner Gelenkachse 25 eine Zahnscheibe 26
drehfest aufgenommen. Ihr Durchmesser ist halb so groß wie der der Zahnscheibe 24. Um die
Zahnscheiben 24, 26 führt ein Zahnriemen 27. Eine weitere Zahnscheibe 28 ist am
Doppelgreifer 16 koaxial zu dessen Drehachse 29 befestigt, deren Abstand zur Gelenkachse
25 ebenso groß ist wie der Abstand zwischen beiden Gelenkachsen 22, 25. Der Schenkel 20
nimmt koaxial zur Gelenkachse 25 eine Welle 30 auf, deren beide Enden Zahnscheiben 31,
32 tragen. Schließlich ist am Greiferschlitten 14 koaxial zur Gelenkachse 21 eine mit einem
Motor 33 kuppelbare Zahnscheibe 34 befestigt. Um die Zahnscheiben 28, 31 führt ein
Zahnriemen 35, um die Zahnscheiben 32, 34 ein Zahnriemen 35. Die Durchmesser der
Zahnscheiben 28, 31, 32, 34 sind gleich. Der Doppelgreifer 16 besitzt zwei symmetrisch zur
Drehachse angeordnete federbelastete Greifzangen 37 zur achsparallelen Aufnahme von
Werkzeugen 7.
Die Wirkungsweise ist folgende:
In der in Fig. 4 gezeigten Ausgangsstellung befinden sich der Spindelkopf 6 (bzw. eine diesem
zugeordnete nichtdargestellte Handhabungseinrichtung), der Wechslerständer 11, der
Greiferschlitten 14 und die Werkzeugspeicher 18 in einer durch achsparallele
Werkzeugaufnahmen gekennzeichneten Wechselposition. Die Schenkel 20, 21 des
Knickarms 15 befinden sich in senkrechter Lage. Die werkzeugspeicherzugewandte
Greiferzange 37 des Doppelgreifers 16 trägt ein neues Werkzeug 7. Die
arbeitsspindelzugewandte Greiferzange 37 ist leer.
Wird nun der Schenkel 20 des Knickarmes 15 mittels des angekuppelten Motors 23 in
Uhrzeigerrichtung gedreht, dreht sich der Schenkel 21 mit doppelter Geschwindigkeit in
entgegengesetzte Richtung, so daß sich die Drehachse 29 des Doppelgreifers 16 in Richtung
Arbeitsspindel 6 längs einer Geraden zu bewegen beginnt. Die Zahnscheibe 26 rollt dabei auf
dem um die feststehende Zahnscheibe 24 geführten Zahnriemen 27 ab. Die waagerechte
Lage des Doppelgreifers bleibt aufgrund der gemeinsamen Gelenkachsen des
Geradführungsgetriebes und des Greiferantriebs sowie dessen Übersetzungsverhältnisses
erhalten. Kurz bevor die Schenkel 20 und 21 Drehwinkel von 90 bzw. 180 Grad zurückgelegt
haben, spreizt sich der arbeitsspindelzugewandte federbelastete Greifer 37 über dem in der
Arbeitsspindel 6 aufgenommenen Werkzeug 7 und hält dieses fest (Fig. 5). Nach der
Entriegelung des Werkzeuges in der Arbeitsspindel 6 fährt der Wechslerständer 11 nach vorn,
so daß der Motor 33 den Doppelgreifer 16 um 180 Grad drehen kann. Jetzt steht der
Arbeitsspindel 6 das neue Werkzeug 7 gegenüber. Es läßt sich durch Zurückfahren des
Wechslerständers 11 in die Arbeitsspindel 6 einsetzen. Nach der Verriegelung des Werkzeugs
7 in der Arbeitsspindel 6 dreht der Motor den Schenkel 20 entgegengesetzt zur
Uhrzeigerrichtung, bis der Doppelgreifer 16 über die Mittelstellung, bei deren Erreichen die
Bearbeitung am Werkstück wieder einsetzt, an den leeren
Werkzeugspeicherplatz 19 gelangt und dort das alte Werkzeug 7 durch Verfahren des
Wechslerständers 11 ablegt (Fig. 6). (Dieses Umpolen kann entfallen, wenn der Greifer aus
seiner Mittelstellung heraus zum Greifen des in der Arbeitsspindel 6 aufgenommenen alten
Werkzeugs auf die maximale Länge von 2×L1 verfahren wird. Die anschließende Mittelstellung
des Doppelgreifers 16 ist dann lediglich durch nach unten ausgelenkte Schenkel 20, 21
gekennzeichnet.) Die nach der Ablage des alten Werkzeugs 7 freie Greiferzange 37 ist nun in
der Lage, ein neues Werkzeug aufzunehmen, sofern der Wechslerständer 11, der
Greiferschlitten 14 und der Knickarm 15 die entsprechenden Positionen anfahren. Ein Drehen
des Doppelgreifers erfolgt nur an der Arbeitsspindel. Während all dieser Vorgänge, die zum
Teil bearbeitungsparallel ablaufen, werden in den greiferkopffernen Positionen die jeweiligen
zweiten Werkzeugspeicherplätze 19 neu bestückt und nach quittierter Fertigmeldung an die
nicht dargestellte Steuerung manuell in den Zugriffsbereich des Doppelgreifers 16 gedreht und
als maschineninterne Werkzeugspeicherplätze 19 aktiviert, wobei die bisher aktiven zu
manuell bestückbaren passiven Werkzeugspeicherplätzen 19 werden. Es ist aber auch
vorgesehen, in den greiferkopffernen Positionen jeweilige zweite Teile der
Werkzeugspeicherplätze 19 selbst oder ganze Teilspeicher 18 auszuwechseln, was ebenso
manuell als auch mittels nicht dargestellter Wechseleinrichtungen betrieblicher
Werkzeugwirtschaftssysteme möglich ist.