DE3440604C2 - Automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondere für Universalbearbeitungszentren - Google Patents

Automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondere für Universalbearbeitungszentren

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DE3440604C2
DE3440604C2 DE3440604A DE3440604A DE3440604C2 DE 3440604 C2 DE3440604 C2 DE 3440604C2 DE 3440604 A DE3440604 A DE 3440604A DE 3440604 A DE3440604 A DE 3440604A DE 3440604 C2 DE3440604 C2 DE 3440604C2
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Abstract

Bei einer automatischen Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondere für Universalbearbeitungszentren, mit mindestens einem in einer vertikalen Ebene (A) bewegbaren Support (27), der eine Maschinenspindel (29) trägt, ist am freien Ende eines Zubringerarmes (7) ein üblicher Werkzeugwechsler (22) angeordnet. Zur schwenkbaren Lagerung des Zubringerarmes (7) ist ein Tragkörper (5) um eine vertikale Schwenkachse (4) schwenkbar an einem Traggestell (2) gelagert. Der Zubringerarm (7) ist als dreigliedriger Knickarm-Manipulator ausgebildet, dessen Oberarmglied (9) um eine horizontale erste Gelenkachse (10) am Tragkörper (5) angelenkt ist und dessen Unterarmglied (11) über zwei weitere, zur ersten Gelenkachse (10) parallele Gelenkachsen (12, 14) mit dem Oberarmglied (9) bzw. dem den Werkzeugwechsler (22) tragenden Handglied (13) gelenkig verbunden ist. Die Werkzeugwechseleinrichtung wird durch eine 3-Achsen- oder auch 4-Achsen-Positionierungssteuerung (P) gesteuert, die so programmierbar ist, daß der Werkzeugwechsler (22) mittels des Knickarm-Manipulators (7) innerhalb von zwei zueinander senkrechten Bewegungsebenen (B1, B2) an jeweils eine von mehreren, in einem Rastersystem festgelegten, Wechselpositionen bewegbar ist, und zwar bezüglich der zweiten Bewegungsebene (B2) in eine Wechselposition, die der jeweiligen Arbeitsstellung der Maschinenspindel (29) am nächsten liegt und bezüglich der ersten Bewegungsebene (B1) in eine Wechselposition, die ...

Description

a) einem an einem Traggestell um eine vertikale Schwenkachse schwenkbaren Tragkörper,
b) einem am Tragkörper beweglich gelagerten Tragarm,
c) einem vom freien Ende des Tragarmes getragenen Werkzeugwechsler, der
d) einen an einem Lagergehäuse um eine Drehachse drehbaren und in Richtung der Drehachse verschiebbaren Werkzeugwechselarm, der an seinen beiden zur Drehachse symmetrischen Enden Spannorgane zum Erfassen je eines Werkzeuges aufweist,
e) einer die Antriebsmotoren der obengenannten beweglichen Elemente so steuernden Steuerung, daß das freie Ende des Tragarmes mit dem Werkzeugwechsler wechselweise in zwei in einem Winkel zueinander verlaufenden, vertikalen Bewegungsebenen in vorbestimmte Wechselpositionen bewegt wird, wobei die erste Bewegungsebene parallel zur Ebene eines Magazins und die zweite Bewegungsebene parallel zur Supportbewegungsebene verläuft,
dadurch gekennzeichnet, daß
f) der Tragarm als dreigliedriger Knickarm-Manipulator (7) ausgebildet ist, dessen Obcrarniglicd (9) um eine horizontale erste Gclcnkachsc (10) am Tragkörper (5) angelenkt ist und dessen Unterarmglied (11) über zwei weitere, zur ersten Gelenkachse (10) parallele Gelcnkachsen (12, 14) mit dem Oberarmglied (9) b/.w. dem den Werkzeugwechsler (22) tragenden Handglied (13) gelenkig verbunden ist,
g) daß das Handglied (13) eine parallel zu seiner Gelenkachse (14) verlaufende Schlittenführung (18) mit einem daran verschiebbaren Schlitten (24) trägt, der mit dem Lagergehäuse (23) des Werkzeugwechslers (22) verbunden ist,
h) die als 3-Achsen- oder 4-Achsen-Positioniersteuerung (P) ausgebildete Steuerung so programmierbar ist, daß der Werkzeugwechsler (22) mittels des Knickarm-Manipulators (7) innerhalb der beiden Bewegungsebenen (Bi, B 2) an jeweils eine von mehreren, in einem Rastersystem festgelegten, Wechselpositionen bewegbar ist, und zwar bezüglich der zweiten Bewegungsebene (B 2) in eine durch einen Rechner der Werkzeugmaschine berechnete und der Positioniersteuerung übergebenc Wechselposition, die der jeweiligen Arbeitsstellung der Maschinenspindel (29) am nächsten liegt und bezüglich der ersten Bewegungsebene (S 1) in eine Wechselposition, die im Bereich derjenigen Werkzeugaufnahme (30) des Magazins (8, 8') liegt, aus der ein Werkzeug (WX, W2) zu entnehmen oder einzulagern ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die· Schlittenführung (18) um eine senkrecht zu der Handgclcnkachsc (13) und senkrecht zu der Drehachse (19) des Weikzcugweehselarmes (20) verlaufende Achse (21) schwenkbar mil dem llandglicd (13) verbunden ist.
3. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von Uiigenauigkeitcn ein anstelle eines Werkzeuges (Wl, W2) in den
ίο Wechselarm (20) cinsct/.byrer Meßkopf vorgesehen ist, der in den vorbestimmten Wcchselposilionen jeweils die Ist-Stellungen ermittelt, so daß die Differenz zu den Soll-Stellungen in Form eines Transformalionswcrtcs in die Positioniersteuerung (P) cingebbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Obcrarmglicd (9) am Tragkörper (5) um 360° schwenkbar gelagert ist.
5. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gckennzeichnet, daß das Magazin als Regalmagazin (8, 8') mit mehreren horizontalen Ablagcböden (31) ausgebildet ist, wobei jeder Ablagebodcn (31) mehrere in einer dem Raster entsprechenden Reihe angeordnete Wcrk/.eugaiifnahnien (30) aufweist, deren Achsen vertikal verlaufen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Maga/.inrcgal (8, 8') beidseitig der ersten ßcwcgungscbcnc (B 1) angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondcrc für Univcrsalbeurbeilungszcnircn, mit mindestens einem in einer vertikalen Ebene bewegbaren, mindestens eine Maschinenspindel tragenden Support, im wesentlichen bestehend aus
a) einem an einem Traggestell um eine vertikale Schwenkachse schwenkbaren Tragkörper,
b) einem am Tragkörper beweglich gelagerten Tragarm,
c) einem vom freien Ende des Tragarmes getragenen Werkzeugwechsler, der
d) einen an einem Lagergehäuse um eine Drehachse drehbaren und in Richtung der Drehachse verschiebbaren Wcrk/.cugwechsckirm, der an seinen beiden zur Drehachse symmetrischen Enden Spannorgane zum Erfassen je eines Werkzeuges aufweist,
e) einer die Antriebsmotoren der obengenannten beweglichen Elemente so steuernden Steuerung, daß das freie Ende des Tragarmes mit dem Wcrkzeugwechsler wechselweise in zwei in einem Winkel zueinander verlaufenden, vertikalen Bewegungsebenen in vorbcstimmlc Wcchselpositioncn bewegt wird, wobei die erste Bewegungsebene parallel zur Ebene eines Magazins und die zweite Bewcgungs-
W) ebene parallel zur Supporlbcwegungsebcne vei-
liiuü.
Bei einer bekannten automatischen Wechseleinrichtung der oben beschriebenen Art (US-PS 41 2b 23i) isl b5 seitlieh des Maschinenständers eines Bohr- und l'räswcrkes ein Traggestell angeordnet, welches außer dem Werkzeugmagazin auch den um eine vertikale Schwenkachse schwenkbaren Tragkörper trägt. In dem
Magazin sind mehrere Aufnahmen für verschiedene Werkzeuge vorgesehen. Die Aufnahmen können in dem Magazin zu einer Übergabestation bewegt weiden. An dieser Obergabestation entnimmt der Werkzeugwechsler mil seinem einen Greifarm ein in die Maschinenspindel einzuwechselndes Werkzeug. Zu diesem Zweck isi der Zubringerarm in einer parallel zur Magazinebene verlaufenden ersten Bewegungsebene horizontal verschiebbar. Nachdem das Werkzeug aus dem Magazin entnommen wurde, wird der Tragkörper um 90" geschwenkt und der Tragarm in einer zweiten Bewegungsebene, die parallel zum Arbeitsraum der Maschinenspindel und senkrecht zur ersten Bewegungsebene verläuft, so weh verschoben, daß sich der Werkzeugwechsler in der Nähe einer Wechsel position befindet. Sobald ein Arbeitsvorgang der Maschinenspindel mit einem bestimmten Werkzeug beendet ist, muß die Maschincnspindel zum Auswechseln des Werkzeuges an eine festliegende Wcchsclstalion verfahren werden, in deren Nähe sich der Werkzeugwechsler befindet. Sobald die Maschinenspinde! ihre Wcchsclstalion erreicht hai, wird der Werkzeugwechsler mil seinem Wcchselarm mittels des Tragarmes senkrecht zur Maschincnspindel verschoben, so daß er das auszuwechselnde Werkzeug mil dem an seinem einen Ende vorgesehenen Spannorgan erfassen kann. Durch Axialverschiebung der Drehachse wird der Wechsclarm in Richtung der Maschinenspindel bewegt und dabei das auszuwechselnde Werkzeug aus der Maschinenspindel herausgezogen. Anschließend dreht sich der Wechselar.n um IW)", so daß das einzuwechselnde Werkzeug mil der Maschinenspindel fluchtet und dann durch erneute Axialverschiebung der Drehachse in entgegengesetzter Richtung in die Maschinenspindel eingesetzt weiden kann. Durch Verschiebung, Verschwenken und erneutes Verschieben des Tragarmes wird dann das ausgewechselte Werkzeug zu der Übergabestation zurückgebracht und dori in eine leere Werkzeugaufnahme des Magazins eingesetzt. Diese bekannte Werkzeugwechseleinrichtung hat vor allen Dingen den Nachteil, daß die Spindel jeweils an eine festliegende Wcchsclstalion verfahren werden muß. Selbst wenn dies in einem EiI-gang erfolgt, ist speziell bei großen Werkzeugmaschinen hierfür eine nicht unerhebliche Zeit erforderlich, die den Zeilbedarf für die gesamte Wechseloperation vergrößert. Außerdem müssen zum Verfahren der Maschinenspindel zur Wechselstation verhältnismäßig große Massen bewegt werden, wodurch eine Abnutzung der Rihrungsbahncn und der Stellglieder erfolgt, was auf die Dauer die Arbeiisgenauigkeit der Maschine bcein-Inichtigen kann.
1-λ sind auch Werkzeugwechseleinrichtungen bekannt, bei denen das Magazin und der Werkzeugwechsler an dem bewegbaren Spindelträger angeordnet sind (US-PS4I 17 58b). ßei derartigen Werkzeugwechseleinrichtungen kann der Werkzeugwechsel zwar in jeder beliebigen Stellung der Spindel vorgenommen weiden, jedoch hat das Magazin meist nur eine sehr kleine Aufnahmekapazität. Insbesondere bei großen Werkzeugmaschinen, bei denen auch Werkzeuge größerer Abmessungen im Magazin gespeichert werden müssen, ist diese Aufnahmekapa/.itiil viel zu gering. Im übrigen wird durch das Mga/.in und den Werkzeugwechsler das (Jewieht des Spindelträger erhöht, was Versteifungen der gesamten Maschine erforderlich machen kann und außerdem zu einer vergrößerten Abnutzung der Führiingsbahnen und Stellglieder des Spindeltriigcrs führt.
Um bei derartigen Werkzeugwechseleinrichtungen.
bei denen das Magazin von dem Spindelträger mitgerührt wird, die Anzahl der bereitgestellten Werkzeuge vergrößern zu können, ist es auch bekannt, mehrere Magazine in einem stationären Gestell bereitzustellen (US-PS 42 40 194), die dann im Bedarfsfall vom Spindelträger übernommen werden. Hierzu muß jedoch der Spindelträger in Längsrichtung des Gestelles und auch in dessen Höhenrichtung an Übergabestationen für die Magazine verfahren werden. Der maschinelle Aufwand
tu hierfür und auch der Zeitaufwand sind verhältnismäßig groß.
Es ist ferner eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen bekannt (GB-PS 20 73 626), bei welcher zwar der Werkzeugwechsel in jeder beliebigen Stellung der Spindel vorgenommen werden kann, die jedoch einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau aufweist und bei rasch aufeinanderfolgenden Werkzeugwechseln zu langsam arbeitet. Bei dieser bekannten Werkzeugwechseleinrichtung ist an dem Querbalken einer Portalwerkzeugmaschine ein Hilfsquerbalken angeordnet, an welchem ein Hilfssupport verschiebbar geführt ist. Dieser Hilfssupport trägt einen vertikal verschiebbaren und um eine vertikale Achse drehbaren Wechselarm. An einem Ende des Hilfsqueibalkens ist eine Hubvorrichtung mit einem vertikal verschiebbaren Hubschlitten vorgesehen. Ein Werkzeugmagazin ist neben dem Maschinenbett und parallel zu diesem angeordnet. Dieses Werkzeugmagazin weist zwei in einer Horizontalebene angeordnete
jü Reihen von Werkzeugaufnahmen auf, von denen jede mit einer entgegen Federkraft zu öffnenden Zange ausgerüstet ist. Auf dem Magazin ist ein Transportgestell in Längsrichtung des Magazins verfahrbar geführt, welches seinerseits einen quer zum Magazin verschiebba-
j5 rcn Hcrizontalschlitten trägt. An dem Horizontalschlitlen ist ein vertikal verschiebbarer Vertikalschlitten angeordnet, der seinerseits Aufnahmen für einen vom Vertikalschlitten lösbaren Zwischenträger aufweist. Der Zwischenträger ist mit einer Spannvorrichtung versehen, die in etwa der in der Werkzeugmaschinenspindel vorgesehenen automatischen Spannvorrichtung entspricht und geeignet ist, den kegclstumpfförmigen Werkzeugschaft zu spannen. Insgesamt ist der Aufbau verhältnismäßig aufwendig, weil außer dem Hilfssupport auch noch eine Hubvorrichtung und das beschriebene Transportgestell mit Horizontalschlitten und Vertikalschlitten vorgesehen sein muß. Der eigentliche Werkzeugwechsel kann zwar mittels des an dem Hilfssupport vorgesehenen Werkzeugwechslers rasch vor-
5« genommen werden, jedoch dauert es verhältnismäßig lange, bis das ausgewechselte Werkzeug in das Magazin zurückgebracht und ein neues Werkzeug dem Werkzeugwechsler übergeben ist. Zu diesem Zweck muß nämlich der Hilfssupport nach Beendigung des Werkzeugwechsels zunächst zu dem einen Ende des Querbalkens verfahren werden. Dort entnimmt der Wechselarm des Werkzeugwechslers zunächst ein bereitgestelltes einzuwechselndes Werkzeug aus dem Zwischenträger und setzt das ausgewechselte Werkzeug in den Zwi-
Wi schenträger ein. Da jedoch der Zwischenträger die Werkzeuge jeweils ähnlich wie die Spindel am Kegelschaft erfaßt, sind für diesen Auswechselvorgang ebenso viele Bewegungen des Werkzeugwechslers erforderlich wie beim Auswechseln eines Werkzeuges an der
br> Spindel selbst. Nachdem nun das ausgewechselte Werkzeug von dem Zwischenträger übernommen wurde, wird der Zwischenträger mittels der Hubvorrichtung in die Ebene des Wcrkzeugniagazins abgesenkt und dort
dem Vertikalschlitten des Transportgeslclls übergeben. Das Transportgestell fährt dann zu der Wcrkzeugaufnahme, an welcher das ausgewechselte Werkzeug im Magazin abgesetzt werden soll. Durch Bewegung des Querschlittens und des Vertikalschlittens wird dann das ausgewechselte Werkzeug in die federbelastet Spannzange der Aufnahme übergeben. Anschließend fährt das Transportgestell an eine andere Werkzeugaufnahme, wo ein einzuwechselndes Werkzeug von dem Zwischenträger übernommen wird. Dann muß das Transporlgestell den Zwischenträger wieder zu der Hubvorrichtung zurückfahren. Die Hubvorrichtung übernimmt den Zwischenträger mit dem einzuwechselnden Werkzeug und hebt den Zwischenträger zur Übergabestation am Querbalken an. Insgesamt sind also eine Vielzahl verschiedener Transporteinrichtungen erforderlich, die im Zusammenwirken einen Werkzeugwechsel vornehmen. Jede Übergabefunktion muß in einer CNC-Steucrung ablaufen und überwacht werden. Der zum Auswechseln erforderliche Zeitaufwand und auch der Programmierungsaufwand sind erheblich. In dem Werkzeugmagazin können die Werkzeuge nur in einer Horizontalebcne untergebracht werden, wodurch das Werkzeugmagazin eine verhältnismäßig große Stellfläche erfordert. Weiterhin muß an jeder Werkzeugaufnahme eine federbclastete Spannzange vorgesehen sein und jede Spannzange muß kräftig genug ausgebildet sein, um auch schwere Werkzeuge sicher aufzunehmen und genau zu zentrieren. Das Werkzeugmagazin wird hierdurch verhältnismäßig teuer im Aufbau. Hinzu kommt, daß die Führungen am Hilfsquerbalken und auch die Führungen für das Traggestell, den Horizontalschlitten und den Vcrtikalschlitten durch Abdeckungen gegen Verschmutzung geschützt sein müssen, was einen weiteren erheblichen Herstellungsaufwand erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondere für Universalbearbeitungszentren, der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei relativ einfachem Aufbau bei einem Werkzeugwechsel nur relativ kurze Fahrwege und damit auch kurze Fahrzeiten des Spindelträgers erfordert und die es ermöglicht, eine große Anzahl von Werkzeugen auf kleinem Raum in einem oder mehreren einfach gestalteten Magazinen unterzubringen.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß
f) der Tragarm als dreigliedriger Knickarm-Manipulator ausgebildet ist, dessen Oberarmgliedcr um eine horizontale erste Gelenkachse am Tragkörper angelenkt ist und dessen Unterarmglied über zwei weitere, zur ersten Gelenkachse parallele Gelenkachsen mit dem Oberarmglied bzw. dem den Werkzeugwechsler tragenden Handglied gelenkig verbunden ist,
g) daß das Handglied eine parallel zu seiner Gelenkachse verlaufende Schlittenführung mit einem daran verschiebbaren Schlitten trägt, der mit dem Lagergehäuse des Werkzeugwechslers verbunden ist.
h) die als 3-Achsen- oder 4-Achsen-Positionicrstcucrung ausgebildete Steuerung so programmierbar ist, daß der Werkzeugwechsler mittels des Knickarm-Manipulators innerhalb der beiden Bewegungsebenen an jeweils eine von mehreren, in einem Rastersystem festgelegten, Wechselpositionen bewegbar ist, und zwar bezüglich der zweiten Bewegungsebenc in eine durch einen Rechner der Werkzeugmaschine berechnete und der Positioniersteuerung übergebene Wcchselposilion. clic der jeweiligen Arbeitsstellung der Maschincnspiiulcl am nächsten liegl und hc/üglu h der eisten Bewegungsebene in eine Wcchsclposition,die im Bereich ■> derjenigen Weikzeugmifnahnie des Magazins liegt,
aus der ein Werkzeug zu entnehmen oder einzulagern ist.
Die Erfindung geht also von dem Gedanken aus. den
to das einzuwechselnde Werkzeug tragenden Werkzeugwechsler mittels eines besonders ausgestalteten Tragarmes an eine in der Nähe der jeweiligen Arbeitsstelle der Maschincnspindel befindliche, in einem Raslersystem festgelegte Wechselposition zu bringen. Um den Auf-
ir> bau der Wcchscleinrichtung möglichst einfach und kostengünstig zu halten, wird bewußt auf eine Bahnsteuerung des Knickarm-Manipulators verzichtet und statt dessen eine kostengünstige Positioniersteuerung verwendet, mit welcher es jedoch nur möglich ist, den
2n Werkzeugwechsler an eine von mehreren in dem Rastersystem festgelegte Wcchsclposition zu bringen. Da diese Wechselposition jedoch entsprechend der jeweiligen Arbeitsstellung der Werkzeugmaschinenspindel frei ausgewählt werden kann, ist es möglich, den Werkzeugwcchsler mittels des Knickarm-Manipulators in eine durch den Rechner der Werkzeugmaschine berechnete und der Positioniersteuerung übergcbenc, in der Nähe der jeweiligen Arbeitsstellung befindliche Wechsclposition zu bringen und die Werkzcugmasehincn-
«) spindel kann dann mit kürzestem Fahrweg und kürzester Fahrzeit zu dem bereitgestellten Werkzeugwechsler verfahren werden. Dank des Knickarm-Manipulators und der Positioniersteuerung ist es aber auch möglich, sehr viele vorbestimmte Wcchsclpositioncn vor dem Magazin anzufahren, wobei dann diese Wechselstalionen jeweils im Bereich der Werk/.cugaufnahmen des Magazins liegen. Das Magazin kann infolgedessen mit einer großen Anzahl von dicht benachbart nebeneinander und auch in Reihen übereinander angeorclnc-
4« lcn, stationären Werkzeugaufnahmen versehen sein. Hierdurch wird das Magazin sehr einfach im Aufbau und es kann auf verhältnismäßig kleinem Raum eine große Anzahl von Werkzeugen bereitgestellt werden. Die Anordnung des oder der Magazine kann dabei dank der verhältnismäßig großen Reichweite des Knickarm-Manipulators in einem toten Winkel der Werkzeugmaschine erfolgen. Außerdem ist es möglich, das oder die Magazine als Regalmagazine mit mehreren horizontalen Anlagebödcn auszubilden, wobei jeder Ablageboden mehrere in einer Reihe angeordnete Werkzcugaufnahmcn aufweist, deren Achsen vertikal verlaufen. Das Magazin selbst, aber auch insbesondere die Werkzeugaufnahmen, werden besonders einfach im Aufbau, denn die Schäfte der im Magazin gespeicherten Werkzeuge brauchen lediglich von oben her in die WcrkzcugauC-nahmen eingesteckt zu werden und werden dann durch Schwerkraft in den Wcrkzeugaufnahmcn gehalten, ohne daß weitere Haltcrcinrichiungcn erforderlich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in
M) den Untcransprüchcn gekennzeichnet.
Die F.rfindung isl im Folgenden, anhand eines in der Zeichnung dargestellten Alisführungsbeispieles näher erläutert. Kszeigt
I" ig. I eine schaiibildliche Darstellung der Werk/eug-
hri wechsclcinrichtung an einem Porial-Universalbearbeilimgs/eiitriim,
F ig. 2 eine Draufsicht in Richtung des Pfeiles Il der Fig. 1.
Λη clem Slander 1 eines Portal-UniversalbearbeitiiMgs/.entrums ist ein Traggestell 2 befestigt. Gegebenenfalls könnte das Traggestell auch an einem von der Werkzeugmaschine unabhängigen Ständer angeordnet sein. Λη dem Traggestell ist eine Schwinge 3 um eine vertikale Achse 4 schwenkbar gelagert. Am freien Ende tier Schwinge ist der Tragkörper 5 um eine vertikale Schwenkachse 6 schwenkbar angeordnet. Mittels einer (nicht dargestellten) Antriebsvorrichtung kann die Schwinge 3 aus der in F i g. I und 2 voll ausgezeichneten Lage um 180" in die strichpunktierte Lage um die Achse 4 geschwenkt werden. Hierbei wird gleichzeitig der Tragkörper 5 um 90" gegenüber der Schwinge um die Schwenkachse 6 geschwenkt. Die Schwinge 3 könnte gegebenenfalls auch entfallen und der Tragkörper 5 direkt am Traggestell 2 um eine vertikale Achse schwenkbar gelagert sein. Durch die Schwinge 3 wird jedoch die Reichweite des nachfolgend näher beschriebenen Knickarm-Manipulators 7 in Richtung der Bewegungsebene B I vergrößert, so daß es möglich ist, die Regalmagazine 8, 8' platzsparend in einem toten Winkel der Werkzeugmaschine anzuordnen und außerdem auch in Richtung der Bewegungsebene B1 verhältnismäßig lang auszubilden.
An dem Tragkörper 5 ist das Obcrarmglicd 9 eines dreigliedrigen Knickarm-Manipulators 7 um eine horizontale erste Gelenkachse 10 schwenkbar angeordnet. Das überarmglied 9 ist mit dem Unlerarmglicd 11 über die Gelenkachsc 12 verbunden und das Unterarmglied 11 mit dem 1 landglied 13 über die weitere Gelenkachse 14. Die Gelenkaehsen 12 und 14 sind zu der Gelenkachsc IO parallel. Die Antriebsmoloren und Getriebe 15,16 für die Schwenkbewegung des Oberarmgliedes 9 um die Schullcrgclenkach.se 10 und des Unierarmglicdes 11 um die Kllenbogcngelcnkaehse 12 sind zweckmäßig platzsparend innerhalb der Oberarm- bzw. Unterarmglicdcr 9 bzw. 11 angeordnet. Zum Antrieb des Handgliedcs 13 dient der Antriebsmotor 17.
Das 1 landglied 13 trägt eine Schlittenführung 18, die parallel zu einer durch die Gelcnkachse 14 hindurchgehenden I'bene verläuft. Wenn nicht nur Werkzeuge aus einer vertikal angeordneten Maschincnspindcl, sondern auch aus einer horizontal angeordneten Maschincnspinclel, beispielsweise der eines Winkclfräskopfcs, ausgewechselt werden sollen, dann wird das Handglied 13 lediglich um die 1 landgclenkachse 14 so gedreht, daß es senkrecht nach unten zeigt und die Werkzeugachse horizontal liegt. Fs macht somit gegenüber der in Fig. 1 gezeichneten Stellung eine Schwenkung nach unten um W. De4 Winkelfräskopf wird zuvor so geschwenkt, daß .seine horizontale Frässpindelachsc in der Bewegungsebene B 1 zu liegen kommt und daß die das Werkzeug aufnehmende Stirnfläche der Frässpindel dem Knickarm-Manipulator zugewandt ist. Der Werkzeugwechselarm 20 ist Bestandteil eines insgesamt mit 22 bezeichneten Werkzeugwechslers. Der Wechselarm 20 ist um die Drehachse 19 schwenkbar, wobei die Drehachse 19 in dem Lagergehäuse 23 in Achsrichtung verschiebbar angeordnet ist. Das Lagergehäuse 23 ist mit dem an der Schlittenführung 18 verschiebbar gelagerten Schlitten 24 verbunden. Der Wechselarm 20 ist symmetrisch zu seiner Drehachse 19 ausgebildet und trägt an jedem F.nde eine Greifzange 25 bzw. 25'. Die Greifzangen sind in bekannter Weise ausgeführt und geeignet, ein an seinem Schaft mit einer sogenannten Grcifcrrillc versehenes Werkzeug IVl, IV'2 zu erfassen. Zum Verschwenken der Schlittenführung 18 um die Achse 21, zur Verschiebung des Schlittens 24 an der Schlittenführung 18, sowie zum Drehen der Drehachse 19 und zum Verschieben derselben, sind mehrere Antriebsmotoren vorgesehen, die der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Das Portal-Universalbearbeitungszentrum weist ferner einen horizontalen Querbalken 26 auf, an welchem ein Support 27 horizontal verschiebbar ist. Der Support ist somit in einer vertikalen Ebene (Supportbewegungsebene) A bewegbar. Der Support 27 trägt einen vertikal verstellbaren Spindelstock 28, in welchem die vertikal angeordnete Maschinenspindel 29 gelagert ist. Hierdurch ist die Maschinenspindel 29 in einer Arbeitsebene bewegbar, die parallel zur Supportbewegungsebene A verläuft. Das freie Ende, d. h. das Handglied (13) des Knickarm-Manipulators 7, ist zusammen mit dem von ihm getragenen Werkzeugwechsler 22 in einer Ebene ß2 beweglich, die parallel zu der Supportbewegungsebene A verläuft. Wird die Schwinge 3 mit dem Tragkörper 5 in die strichpunktiert dargestellte zweite Stellung verschwenkt, so ist das Handglied 13 zusammen mit dem von ihm getragenen Werkzeugwechsler 22 in der im Winkel von 90° zu der Ebene B 2 verlaufenden ersten Bewegungsebene B 1 bewegbar, die parallel zur Magazinebene M1 des Regalmagazins 8 verläuft. Gegcbenenfalls kann auf der anderen Seite der Bewegungsebene B 1 ein weiteres Regalmagazin 8' angeordnet sein, dessen Magazinebene M 2 ebenfalls parallel zur Bewegungsebene Bi verläuft. Mittels des Werkzeugwechslers 22 können dann wahlweise Werkzeuge aus den Regalmagazinen 8 oder 8' entnommen oder in diesen abgelegt werden.
Zur Steuerung der Werkzeugwechseleinrichtung ist ferner eine S-Achsen-Pcsitioniersteuerung P vorgesehen, durch welche die Bewegung der Armglieder 9, 11
j5 und des Handgliedes 13 um die Achsen 10,12,14 gesteuert werden. Diese Positioniersteuerung P kann so programmiert werden, daß der Werkzeugwechsler 22 mittels des Knickarm-Manipulators 7 innerhalb der beiden Bewegungsebenen an jeweils eine von mehreren, in einem Rastersystem festgelegten Wechselpositionen bewegbar ist. In der ersten Bewegungsebene B1 sind diese Wechsclpositionen durch die einzelnen Werkzeugaufnahmen 30 bestimmt. Die Werkzeugaufriahmen 30 sind in mehreren übereinander angeordneten, horizontalen Ablageböden 31 in Reihen angeordnet, wobei ihre Achsen vertikal in der Magazinebene M1 verlaufen. Das Rastersystem in der Bewegungsebene B1 wird also bestimmt durch den vertikalen Abstand der Ablageböden 21 und den horizontalen Abstand der Werkzeugaufnahmen 30 voneinander.
Innerhalb der Bewegungsebene B2 können die Wcchselposilionen zunächst in einem Rastersystem beliebig festgelegt werden. So ist beispielsweise ein Rastersystem R denkbar, bei dem die einzelnen Wechsel-Positionen einen horizontalen und vertikalen Abstand von jeweils 500 mm aufweisen. Die Positionierungssteueruiig P ist so programmiert, daß mit dem Werkzeugwechsler innerhalb der Bewegungsebene B 2 jeweils eine der vorbestimmten Wechselpositionen ange-
bo fahren werden kann. Es wird hierzu jeweils diejenige ausgewählt, die der jeweiligen Arbeitsstellung der Maschinenspindel nach Beendigung eines Arbeitsganges, der anschließend einen Werkzeugwechsel erfordert, am nächsten liegt. Mit diesem Prinzip des Positionierrasters
b5 wird vermieden, daß in einem aufwendigen Programmierverfahren die Istposition der Frässpindel unmittelbar auch von der Steuerung des Manipulators verarbeitet werden muß.
Noch bevor ein Werkzeugwechsel unmittelbar bevorsteht, erteilt die Programmsteuerung des Bearbeitungszentrums der Positionssteuerung Pdcn Befehl, aus dem Magazin 8 das für die nächste Bearbeitung erforderliche Werkzeug zu entnehmen. Es sei angenommen, daß sich dieses im Regalboden 31 »c« in der I. Werkzeugaufnahme 30 befindet. Der Knickarm-Manipulator 7 ist von einer vorhergehenden Einlagerung eines Werkzeuges noch so angeordnet, daß er eine Bewegung des Werkzeugwechslers 22 in der Bewegungsebene B I ermöglicht. Gesteuert durch die Positionssteuerung f wird der Knickarm 7 so bewegt, daß sich der Werkzeugwechsler 22 mit seinem Wechselarm 20 im Bereich einer der Werkzeugaufnahmen »30« befindet. Durch Verschiebung des Schlittens 24 an der Schlittenführung 18 wird der Wechselarm 20 in das Regalmagazin 8 verfahren, so daß seine freie Greifzange 25' das für die nächste Bearbeitung erforderliche Werkzeug Wl erfassen kann. Durch Verschiebung des Wechselarmes 20 in Richtung der Drehachse 19 wird der Wechselarm 20 nach oben angehoben und hebt dabei das Werkzeug IVl aus der Werkzeugaufnahme 30 heraus. Diese Stellung ist in F i g. 1 dargestellt. Der Schlitten 24 wird dann an der Schlittenführung 18 senkrecht zu Bewegungsebene B1 in seine Ausgangsstellung zurückbewegt, wobei gleichzeitig oder anschließend der Wechselarm 20 um 180° um seine Drehachse 19 geschwenkt wird. Außerdem wird auch der Wechselarm 20 in Richtung der Drehachse nach unten in Richtung zum Lagergehäuse 23 bewegt Der Knickarm 7 schwenkt dann nach oben. Anschließend wird die Schwinge um 180" aus der strichpunktierten Stellung in die in F i g. 2 ausgezogen dargestellte Stellung geschwenkt, wobei gleichzeitig auch der Tragkörper 5 um 90° gegenüber der Schwinge 3 geschwenkt wird. Der Knickarm-Manipulator 7 wird dann in einer Ruhelage außerhalb des Arbeitsraumes des Bearbeitungszentrums stillgesetzt.
Wenn der Werkzeugwechsel erforderlich ist, ermittelt ein Rechner die Koordinaten der Wechselposition, die der letzten Bearbeitungsposition der Masehinenspindel bei der gerade laufenden Bearbeitung am nächsten liegt. Der Rechner programmiert dann mit den ermittelten Werten sowohl die Positionssteuerung P als auch die Steuerung für den Spindelträger. Die Posilionssteuerung steuert dann den Knickarm-Manipulator 7 mit dem Werkzeugwechsler 22 in die errechnete, vorbestimmte Wechselstation. Um die Kollisionsgcfahr mit anderen Bauteilen, Vorrichtungen und Werkstücken zu verhindern, erfolgt die Bewegung des Knickarm-Manipulators 7 in der Bewegungsebene B 2 stets so, daß die Armglieder 9,10 von oben nach unten bewegt werden. Der Werkzeugträger mit der Maschinenspindel fährt aus seiner letzten Bearbeitungsposition zu der errechneten nächstgelegenen Wechselposition, wobei er nur einen kurzen Weg zurückzulegen hat. Hierdurch werden die Führungen des Spindelträgers und seine Stellelemente geschont Der Knickarm-Manipulator 7 legt immer den größeren Weg zurück. Der Werkzeugwechsler 22 und die Masehinenspindel 29 befinden sich dann in der in F i g. 1 und 2 voll ausgezeichneten Lage. Anschließend kann der eigentliche Wechselvorgang beginnen, indem der Schlitten 24 zur Masehinenspindel 29 hin verschoben wird und die freie Greifzange 25 das auszuwechselnde Werkzeug W 2 erfaßt. Durch Verschiebung des Wechselarmes 20 in Richtung seiner Drehachse 19 nach unten wird das auszuwechselnde Werkzeug W2 aus der Masehinenspindel 29 herausgezogen, worauf der Wechselarm 20 um 180° um seine Drehachse 19 geschwenkt wird. Das einzuwechselnde Werkzeug W 1 ist nunmehr koaxial zur Spindelachsc angeordnet und wird durch Abwärtsbewegung des Weehwliirmcs 20 in Richtung seiner Drehachse 19 in die Maschinenspiiulel
"i 29 eingeschoben und dort aulonialisch fixiert. Die /.auge 25' öffnet sich und tier Schlitten 24 bewegt den Wcchsclarm 20 wieder von der Masehinenspindel 29 weg. Der Knickarm-Manipulator 7 schwenkt nunmehr nach oben und die Schwinge 3 sowie der Tragkörper 5
id werden wieder in die in I'ig. I und 2 strichpunktiert dargestellte Lage zurückgcschwcnki. Anschließend bewegt die Positioniersteuerung /'den Knickarm-Manipulator 7 zusammen mit dem Werkzeugwechsler in eine Wechselposition, die im Bereich derjenigen Werk/eug-
ir> aufnahme 30 liegt, in welche das ausgewechselte Werkzeug W2 eingelagert werden soll. Durch Verschiebung des Wcchselarmes 20 senkrecht zur Bewegungsebene BX wird dann das ausgewechselte und in das Regal 8 einzulagernde Werkzeug IV2 in die Regalebene gebracht und dort mit seinem Schaft von oben her in die vorbestimmtc Werkzcugaufnahmc 30 eingesetzt. Dort wird das Werkzeug allein durch Schwerkraft gehalten. Wie man erkennen kann, wird speziell bei einer vertikal angeordneten Masehinenspindel der unmittelbar nach dem Auswechseln nach oben gerichtete Schaft des Werkzeuges durch die Schwenkbewegung des Knikkarm-Manipulalors im Bereich des Regalinagazins 8 nach unten gekehrt, so daß er vertikal von oben her in die Wcrkzeiigaufnahme eingesetzt werden kann und keine weiteren I lalteeinrichtungcn für den Werkzeugschaft innerhalb des Regalmagazins erforderlich sind.
Da der Wechselaim 20 mittels der Schlittenführung 18 und dem Schlitten 24 senkrecht zur Bewegungsebene B 1 bewegt werden kann, ist es ohne weiteres und ohne großen Mehraufwand auch möglich, an der anderen Seile der Bewegungsebene B 1 ein zweites Regalmagazin 8' anzuordnen, dessen Werkzeuge in der gleichen Weise aus dem Magazin entnommen und eingelagert werden können, wie es vorher bezüglich des Regalinagazins 8 beschrieben worden ist. Auf diese Weise kann die Anzahl der bereitgestellten Werkzeuge leicht verdoppelt werden. Werden noch mehr Werkzeuge, beispielsweise für andere Bearbeilungsaiifgaben. benötigt, so kann man die Regalmagazine auch transportabel oder verfahrbar ausgestalten und damit gegenseitig leicht auswechseln.
Aus Kosten- und aus baulichen Gründen sind Positionsabweichungen des Wechslers, verursacht beispielsweise durch elastische Verformungen des Knickarm-Manipulators 7 und Ungenauigkeiten der Getriebe des Manipulators, nicht zu vermeiden. Diese Ungenauigkeiten können jedoch in einfacher Weise kompensiert werden. Zu diesem Zweck ist ein anstelle eines Werkzeuges in einen der Greifer 25, 25' des Wechsclarmes 20 einsetzbarer, in der Zeichnung nicht dargestellter. Meßkopf vorgesehen, der an eine Meßleitung angeschlossen ist. Dieser Meßkopf wird dann nacheinander mittels der Positionssteucrung in die verschiedenen, im Rastersystem festgelegten, Wechselpositionen verfahren und
bo dort jeweils in die Masehinenspindel bzw. auch die Aufnahmen eingeführt. Die in dem Meßkopf eingebauten Wcggebcr ermitteln die Differenzen zwischen der jeweiligen Ist-Stellung des Meßkopfes und der theoretischen Soll-Stellung. Die Differenzwerte können in ei-
h1) nein automatischen Mcßlatif aufgezeichnet und anschließend in einem Rechncrlauf zu den theoretisch errechneten Koordinalenwcricn für die einzelnen Wcchsclpositioncn addiert bzw. subtrahiert und in Form eines
11
Traiisformationswertcs in die Positioniersteuerung eingegeben werden.
Sofern an dem Friisspindelstoek 28 ein Winkelfräskopf mit einer horizontalen Spindel angebracht wird, so sind zwei Betriebsweisen der Werk/eugwechselciniicli s lung denkbar. Wird der Winkelfräskopf so angebracht. claU seine Spindel parallel zur .Supportbewegungsebene A verläuft, dann wird das Handglied 13 des Knickarm-Manipulators 7 um die Handgelenkachsc 14 um 90" nach unten verschwenkl. Die Drehachse 19 des Werk-Zeugwechslers verläuft dann horizontal, ebenso wie die Achsen der von den Greifzangen 25,25' erfaßten Werkzeuge. Wenn alternativ der Winkelfräskopl" am Spindelstock 28 so montiert ist, daß sich die Spindelachse des Winkelfräskopfcs senkrecht zur Supportbewegungsebene A erstreckt, dann wird die Schlittenführung durch 90" -Schwenkung um die Achse 21 in eine vertikale Stellung gebracht. Die Drehachse 19 des Werkzeugwechslers 22 erstreckt sich dann horizontal und senkrecht zu der Supporlbewegungsebcne A. Ebenso kommen die Achsen der von den Greifzangen 25,25' erfaßten Werkzeuge horizontal und senkrecht zur Supporlbewegungsebcne A zu liegen.
Sollte es sich als notwendig erweisen, daß auch in der Richtung senkrecht zur Magazinebenc M 1 und/oder zur Supportbewegungsebene A Korrekturen dieser Art notwendig sind, so wird statt einer 3-Achsen-Positionierstcuerung eine 4-Achsen-Positionicrsteuerung gewählt. Die Endpositionen des Schlittens 24 auf der Schlittenführung 18 sind dann beliebig programmierbar jo bzw. korrigierbar.
Aufgrund örtlicher Gegebenheiten am Aufstellungsort, ■/.. B. durch vorhandene Kranbahnstützen oder Hallensäulen, kann es erforderlich werden, daß auch ein von der 90"-Anordnung abweichender Winkel zwischen ir, Magazinebene M 1 und Supporibcwegungsebene A gewählt weiden muß.
I licrzu 2 Blatt Zeichnungen
40
Wl

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    !.Automatische Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, insbesondere für Universalbearbeitungszentren, mit mindestens einem in einer vertikalen Ebene bewegbaren, mindestens eine Maschinenspindel tragenden Support, im wesentlichen bestehend aus
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