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Die beschriebene Erfindung findet überall dort Verwendung wo es notwendig ist, Werkzeuge oder Werkstücke voll- oder teilautomatisiert in möglichst kurzer Zeit zu wechseln und möglichst geringe Rundlauffehler durch die Schnittstelle von Spannmittel und Antrieb zu erzeugen. Diese Anforderungen werden überwiegend in der spanenden Fertigungstechnik gestellt. Beispiele hierfür sind insbesondere CNC-Fräsmaschinen, aber auch CNC-Drehmaschinen oder Industrieroboter.
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Im bekannten Stand der Technik sind Werkzeugwechsler bekannt, die diese Funktionen erfüllen können:
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(1) Automatische Werkzeugwechsler mit im Hauptspindelantrieb integriertem Wechselmechanismus:
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Bei derartigen Systemen stellt ein Werkzeugmagazin die entsprechenden Werkzeugträger (z. B. HSK oder SK) mit daran montierten Werkzeugen bereit und die Hauptspindel verfügt über einen Mechanismus welcher das lösen und Spannen des Werkzeugträgers ermöglicht. Nachteilig bei derartigen Systemen sind die relativ hohen Anschaffungskosten sowie die Schwierigkeit, bestehende Hauptspindelantriebe mit manuellem Wechselmechanismus nachträglich umzurüsten, ohne dass die Funktionalität negativ beeinträchtigt wird oder aber die Kosten hierfür als unwirtschaftlich zu bewerten wären.
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(2) Automatische Werkzeugwechsler mit schwenkbarem Hauptspindelkopf:
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Bei derartigen Systemen verfügt die Hauptspindel über mehrere Spindelköpfe die jeweils mit einem bestimmten Werkzeug bestückt sind. Zum Wechsel des Werkzeugs wird hier der Spindelkopf geschwenkt, so dass ein anderes Werkzeug an der Stelle des vorhergehenden Werkzeuges positioniert wird. I. d. R. ist der Wechselvorgang einhergehend mit einer Umlenkung des Kraftflusses, so dass nur das aktuell verwendete Werkzeug von der Hauptspindel angetrieben wird.
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Nachteilig bei derartigen Systemen ist, dass um den Hauptspindelantrieb ein relativ hohes Bauvolumen benötigt wird. Dies verringert die nutzbaren Verfahrwege der Maschine und begrenzt die maximale Anzahle an Werkzeugwechselplätzen. Auch eine Nachträgliche Umrüstung bestehender Spindelantriebe ist nur aufwändig realisierbar.
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Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Werkzeugwechselsystem zu konstruieren, welches problemlos an vorhandenen Hauptspindeln mit manuellem Werkzeugwechselmechanismus nachgerüstet werden kann, hierbei aber keine funktionellen Nachteile entstehen, da die Konstruktion die vorher manuell durchgeführten Schritte automatisch ausführt, ohne dass weitere Eingriffe in die Konstruktion des Hauptspindelantriebs oder der Spannmittelschnittstelle vorgenommen werden müssen.
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Dieses Problem wird mit den in Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden und anhand der 1 und 2 erläutert. Es zeigen:
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1: Der Werkzeugwechsler im Zusammenwirken mit der Hauptspindel
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2: Die Hauptspindel zur Verdeutlichung der Funktionszusammenhänge
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Die mechanische Komponente des Werkzeugwechslers besteht im Wesentlichen aus einer Grundplatte (1) sowie den darauf montierten Elementen Antriebseinheit (2), Spannmutteraufnahme (3) und Arretiermechanismus (4).
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Die Antriebseinheit (2) stellt die erforderliche mechanische Energie zur Verfügung, welche aufzubringen ist, um das Lösen sowie Festziehen der Spannmutter (5) zu realisieren. Im einfachsten Ausführungsbeispiel findet hier ein Elektromotor (2) Verwendung, welcher elektrische Energie direkt in mechanische Energie in Form von Drehmoment und Drehbewegung wandelt.
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Denkbar für diese Anwendung sind jedoch durchaus auch andere Energieformen, z. B. pneumatische Energie und andere Aktoren, z. B. Pneumatikzylinder, welche nicht zwangsläufig direkt eine rotatorische Bewegung ausführen müssen.
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Falls erforderlich kann dem Aktor ein beliebiger Wandler nachgeschaltet werden, um Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit den Bedürfnissen anzupassen bzw., falls unmittelbar eine lineare Bewegung zur Verfügung gestellt wird, eine Wandlung in eine rotatorische Bewegung vorzunehmen. Im Anwendungsbeispiel geschieht dies über einen Kettentrieb (nicht abgebildet), der auf der Unterseite der Grundplatte (1) die Drehbewegung des Elektromotors (2) auf die Spannmutteraufnahmen (3) überträgt.
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Die Spannmutteraufnahme (3) hat die Aufgabe, die von der Antriebseinheit zur Verfügung gestellte mechanische Energie auf die Spannmutter (5) bzw. den Mechanismus zu übertragen, welcher das Spannmittel fixiert und löst. Im Anwendungsbeispiel erfolgt dies über einen sogenannten Steckschlüssel (3), welcher das von der Antriebseinheit (2) kommende Drehmoment sowie die Drehbewegung auf die Mutter (5) überträgt. Hierfür hat der Steckschlüssel (3), welcher ein in verschiedensten Größen hergestelltes und günstig verfügbares Normteil ist, einen Innensechskant, welcher das Drehmoment durch Formschluss auf die Sechskantförmige Spannmutter (5) überträgt. Denkbar sind jedoch auch alle erdenklichen anderen Formen wie z. B. Torx-Antrieb aber auch alle erdenklichen weiteren Drehmomentübertragungsformen wie z. B. durch Kraftschluss, Reibschluss oder gar magnetisch.
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Der Arretiermechanismus (4) hat letztlich die Aufgabe, das Drehmoment, welches beim Anziehen und Lösen der Spannmutter (5) in die Welle (6) der Hauptspindel (7) eingeleitet wird, aufzunehmen, und auf die Grundplatte (1) des Werkzeugwechslers zu übertragen. Hierdurch wird erreicht, dass beim Anziehen oder Lösen der Spannmutter (5) eine Drehbewegung der Welle (6) der Hauptspindel (7) verhindert wird, und somit die Spannmutter (5) gelöst bzw. fixiert werden kann.
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Im Ausführungsbeispiel findet auch hier eine formschlüssige Kraftübertragung statt. Zu diesem Zweck sind in die ansonsten kreisrunde Welle (6) der Hauptspindel (7) zwei gegenüberliegende parallele Flächen (8) eingeschliffen, die einen definierten Abstand (Schlüsselweite) zueinander haben. Diese gängige Ausführung ist in vielen handelsüblichen Hauptspindelantrieben mit manuellem Werkzeugwechsel zu finden.
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Der Arretiermechanismus (4) verfügt, ähnlich eines handelsüblichen Maulschlüssels, über eine passende Innenkontur (9), die die Flächen (8) der Welle formschlüssig umschließt, sodass das Drehmoment beim Lösen bzw. Fixieren der Spannmutter (5) in den Arretiermechanismus (4) übertragen wird, welcher sämtliche Kräfte in die Grundplatte (1) einleitet.
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Auch hier ist jede erdenkliche Form der Drehmomentübertragung möglich, beispielsweise könnte auch eine Übertragung mittels Kraftschluss von der Welle (6) auf den Arretiermechanismus (4) erfolgen.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel genannte Werkzeugwechsler verfügt weiterhin über eine elektrische Komponente (kurz: Elektronik), welche einerseits eine Leistungselektronik zum Betrieb der Antriebseinheit enthält, andererseits verschiedene Steuersignale sendet und empfängt.
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Auch eine Umsetzung ohne elektrische Komponente wäre denkbar, jedoch aufwändiger umzusetzen.
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Der Funktionsablauf des Werkzeugwechsels sieht in diesem konkreten Ausführungsbeispiel folgendermaßen aus:
Die Werkzeugmaschine gibt bei einem anstehenden Werkzeugwechsel die Information über Ist-Nummer des aktuell montierten Werzkeugs (beispielsweise Nr. 1) sowie des zu montierenden Werkzeugs (beispielsweise Nr. 2) an die Elektronik des Werkzeugwechslers weiter, und fährt über ein in der Maschinensteuerung zu programmierendes Makro zur definierten Position des leeren Werkzeugplatzes Nr. 1, welcher konzentrisch zu Spannmutter (5) und Spannmutteraufnahme (3) liegt. Die Hauptspindel (7) wird nun abgesenkt, bis die Spannmutter (5) in der Spannmutteraufnahme (3) positioniert ist. Nun wird der Arretiermechanismus (4) positioniert, sodass ein Lösen der Spindelmutter (5) durch die o. g. Mechanismen erfolgen kann. Die Steuerung kann beispielsweise als Zeitsteuerung oder mittels Positionssensoren erfolgen, welche die einzelnen Ablaufschritte überwachen und an die Elektronik übergeben. Nach erfolgtem vollständigem Lösen der Spannmutter (5) wird der Arretiermechanismus (4) wieder eingerückt und die Elektronik sendet ein entsprechendes Signal an die Werkzeugmaschine. Nun wird die Hauptspindel (7) angehoben, über dem Werkzeugplatz Nr. 2 positioniert und wieder abgesenkt. Der Arretiermechanismus (4) wird wieder positioniert und die Spannmutter von Werkzeug Nr. 2 angezogen. Nach Beendigung des Anziehens der Spannmutter wird der Arretiermechanismus (4) wieder eingerückt und eine Freigabe an die Werkzeugmaschine gesendet. Der Werkzeugwechsel ist abgeschlossen und die Hauptspindel kann ausgehoben werden um die Bearbeitung fortzusetzen.
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Mit der Erfindung wird erreicht, dass Maschinen mit vorhandener Hauptspindel mit manuellem Werkzeugwechsel, welche massenweise auf dem Markt sind, mit einfachsten Mitteln und ohne funktionelle Nachteile auf einen automatischen Werkzeugwechsel umgerüstet werden können.
