DE3813929C2 - Werkzeugmaschine mit automatischem Werkzeugwechsler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einen Hauptspindelkopf, mit einer in diesem drehbar gelagerten Hauptspindel, der axial bewegbar an einem Grundrahmen gelagert ist, und mit einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung, die drehbar ein Werkzeugmagazin sowie eine Weiterschaltvorrichtung für dieses aufweist, wobei das Werkzeugmagazin, in Umfangsrichtung beabstandet eine Mehrzahl von Werkzeughalter-Greifarmen aufweist, die jeweils um eine im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Werkzeugmagazines sich erstreckende Schwenkachse schwenkbar sind, und jeder Werkzeughalter-Greifarm lösbar einen Werkzeughalter mit in diesem aufgenommenen Werkzeug hält, zum Austausch eines Werkzeughalters an einem werkstückseitigen Ende der Hauptspindel gegen einen anderen, an dem Werkzeugmagazin gelagerten Werkzeughalter unter Weiterschaltung des Werkzeugmagazines in Umfangsrichtung desselben um eine gegen die Hauptspindel geneigte Achse.

Es ist bekannt, daß eine multifunktionale Werkzeugmaschine, die z. B. durch ein Bearbeitungszentrum (MC) repräsentiert wird, einen Aufbau aufweist, der in der Lage ist, verschiedenartigste Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. Gewindeschneid- und Bohrarbeiten an einem Werkstück unter Verwendung einer einzigen Maschine vorzunehmen. Bei einer Werkzeugmaschine dieser Art wird eine Mehrzahl von Werkzeugen, wie z. B. Gewindebohrer oder Bohrer vorläufig an bestimmten Stellen eines Werkzeugmagazines aufgenommen und ein automatischer Werkzeugwechsler (ATC) ist grundsätzlich angeordnet, um eines der gewünschten Werkzeuge, die sich in dem Werkzeugmagazin befinden, auszuwählen, wenn dies erforderlich ist, welches dann automatisch mit einem Werkzeug, das gerade im Spindelkopf benutzt wurde, gewechselt wird. Obwohl verschiedenartigste Arten von automatischen Werkzeugwechslern im Stand der Technik dieses Gebietes vorhanden sind, wird in einem praktischen Beispiel der Spindelkopf in vertikaler Richtung, nachfolgend als Richtung der Z-Achse bezeichnet, bewegt und die Werkzeuge werden durch die Betätigung einer Nockenvorrichtung zwischen dem Spindelkopf und dem Werkzeugmagazin ausgewechselt, das so angeordnet ist, daß es in bezug auf den Spindelkopf in einer vertikalen Richtung bewegbar ist.

Zum Beispiel enthält die Werkzeugmaschine, die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 60-155338 gezeigt ist, einen Spindelkopf, der in Richtung der Z-Achse bewegbar ist sowie ein in Umfangsdrehrichtung schaltbares Werkzeugmagazin, das an einem Rahmen der Werkzeugmaschine aufgenommen und an diesem entlang in vertikaler Richtung unabhängig von der Bewegung des Spindelkopfes bewegbar ist. Bei dieser Konstruktion ergreift ein Greifer, der dem Werkzeugmagazin zugeordnet ist, dann, wenn der Spindelkopf sich in eine erste Rückkehr- bzw. Rückzugsrichtung bewegt, fest ein Werkzeug, das am Vorderende der Spindel aufgenommen ist. Das ergriffene Werkzeug wird durch eine zweite Rückzugsbewegung des Spindelkopfes aus der Hauptspindel gelöst. Anschließend wird das Werkzeug vollständig vom Spindelkopf durch eine dritte Rückzugsbewegung des Spindelkopfes gelöst. Das Werkzeugmagazin wird dann in Drehrichtung für ein Werkzeug weitergeschaltet und anschließend wird der Spindelkopf dreimal in gleicher Weise umgekehrt zu dem vorerwähnten Zyklus zur Aufnahme eines neuen Werkzeuges betätigt, um somit eine Reihe von Werkzeugwechselvorgängen auszuführen.

Bei dem vorerläuterten, automatischen Werkzeugwechsler wird das Werkzeugmagazin parallel in bezug auf die Bewegung des Spindelkopfes in Richtung der Z-Achse während des Zeitraumes zwischen dem Beginn und dem Ende der Werkzeugwechselvorgänge zur Überführung des Werkzeughalters vom Spindelkopf zum Werkzeugmagazin und zur Überführung des Werkzeughalters vom Werkzeugmagazin zum Spindelkopf bewegt.

Bei dem automatischen Werkzeugwechsler, bei dem der Spindelkopf in Z-Achsenrichtung hin- und herbewegt wird und das Werkzeugmagazin parallel aber unabhängig von dieser Bewegung des Spindelkopfes zu dem Spindelkopf bewegt wird, um den Werkzeugwechsel zwischen dem sich bewegenden Spindelkopf und dem sich bewegenden Werkzeugmagazin auszuführen, wird das Werkzeugmagazin in seiner Gesamtheit während des Werkzeugwechselvorganges vertikal bewegt. Das Werkzeugmagazin ist jedoch mit einer Mehrzahl von Greifern in radialer Anordnung bestückt, von denen jeder lösbar den Werkzeughalter hält. Das gesamte Werkzeugmagazin weist somit ein beträchtliches Gewicht auf. Daher tritt infolge des Eigengewichtes des Werkzeugmagazines ein großes Trägheitsmoment auf, wenn das Werkzeugmagazin vertikal mit hoher Geschwindigkeit für einen schnellen Werkzeugwechsel bewegt wird. Entsprechend tritt eine beträchtliche Stoßbelastung auf, wenn die Spindel über den Werkzeughalter an dem Greifer anstößt. Um solche mechanischen Stöße auszugleichen wird bei herkömmlicher Technik die Bewegungsgeschwindigkeit des Spindelkopfes in Richtung der Z-Achse vermindert, um die Wirkung des massebedingten Trägheitsmomentes des Werkzeugmagazines zu unterdrücken. Die Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit des Spindelkopfes zum Zwecke des Ausgleichs mechanischer Stoßbelastungen führt jedoch zu einem nachteilig vergrößerten Zeitaufwand für den Werkzeugwechselvorgang, obwohl eigentlich dem Spindelkopf die Fähigkeit innewohnt, sich mit ausreichend hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Die vorgenannten Umstände laufen den Erfordernissen der gegenwärtigen Situation zuwider, nach denen häufige Werkzeugwechsel mit möglichst kurzen Werkzeugwechselzeiten erforderlich sind, um Serien mit geringen Stückzahlen von Teilen großer Vielgestaltigkeit herzustellen.

Aus der US-PS 43 09 809 ist ebenfalls eine Werkzeugmaschine mit Werkzeugwechselmagazin bekannt, bei der das Werkzeugmagazin durch den Hauptspindelkopf getragen wird und deren Bewegungsregime im wesentlichen dem bereits oben beschriebenen Stand der Technik entspricht.

Weiterhin ist aus der DE-OS 19 04 093 eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der eine horizontale Hauptspindel vorgesehen ist, zu der konzentrisch ein Ringmagazin für Werkzeuge vorgesehen ist, wobei die entsprechenden Werkzeuge jeweils durch eine Schwenkvorrichtung um etwa 90° zum Einsatz in die horizontale Hauptspindel schwenkbar sind. Eine derartige Lösung erweist sich allerdings bereits aus Gründen des großen radialen Bauraumes, der hier rings um die Hauptspindel erforderlich ist, für Werkzeugmaschinen, deren Hauptspindel axial bewegbar ist (Vertikalständermaschinen) als ungeeignet. Zwar ist aus der DE-OS 29 26 179 eine automatische Werkzeugwechseleinrichtung für eine solche Vertikalständermaschine bekannt; allerdings führt auch hierbei die Vertikalbewegung des massereichen Werkzeugmagazins zu unerwünschten Einschränkungen in bezug auf die Werkzeugwechselpositionen und zu hohen dynamischen Beanspruchungen bei verhältnismäßig großem Zeitaufwand für den Werkzeugwechsel, der gerade bei NC-Maschinen zur Einzel- oder Kleinserienfertigung unerwünscht ist.

Schließlich ist aus der DE-PS 32 33 934 eine Werkzeugmaschine mit einer vertikalen Spindel und einem konzentrisch zu dieser angeordneten Magazin bekannt, bei dem jedes Werkzeug an einem separaten Halter aufgenommen und teilweise parallel zur Hauptspindel zum Einsatz in diese bewegt werden muß. Eine solche Anordnung weist einerseits nicht die erwünschte Kompaktheit auf, führt zu verhältnismäßig langen Wechselzeiten und bedingt ebenfalls einen nicht unbeträchtlichen Bauraum rings um die Hauptspindel, der nicht in jedem Falle zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein zugehöriger automatischer Werkzeugwechsler ein möglichst geringes Gewicht aufweist, dabei raumökonomisch zur Erzielung geringer Werkzeugwechselzeiten angeordnet werden kann und eine einfache Steuerung des Werkzeugwechselvorganges ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß die Werkzeugwechselvorrichtung stationär an dem Grundrahmen angeordnet ist, daß an den Werkzeughalter-Greifarmen zumindest jeweils ein Steuervorsprung zum Eingriff mit einer Steuerkurvenanordnung am Hauptspindelkopf vorgesehen ist und in Abhängigkeit von einer Axialbewegung des Hauptspindelkopfs eine Bewegung des Steuervorsprungs zur Schwenkbetätigung eines Werkzeughalter-Greifarms erfolgt.

Bevorzugte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Die Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung in Gestalt einer Werkzeugmaschine mit einem automatischen Werkzeugwechsler zum Wechseln der Werkzeuge und zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem ausgewählten Werkzeug werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer Werkzeugmaschine mit einem automatischen Werkzeugwechsler nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt eines wesentlichen Teiles in einem Werkzeugmagazin der Werkzeugmaschine nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht des Werkzeugmagazines in Richtung eines Pfeiles A in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht des Werkzeugmagazines in Richtung eines Pfeiles B in Fig. 2,

Fig. 5 eine perspektivische Explosionsansicht, die einen Werkzeughalter-Greifarm und dazugehörige Teile des automatischen Werkzeugwechslers gem. Fig. 1 zeigt,

Fig. 6 eine Ansicht, die eine Weiterschaltungsvorrichtung für das Werkzeugmagazin zeigt, die dem automatischen Werkzeugwechsler gem. Fig. 1 zugeordnet ist, gesehen in Richtung eines Pfeiles C in Fig. 1,

Fig. 7(a) bis 7(i) die abfolgenden Phasen eines Werkzeugwechselvorganges und die Lagebeziehung zwischen einem Spindelkopf, der in Richtung der Z-Achse bewegbar ist, einem Werkzeugmagazin, das stationär angeordnet ist und einem Greifarm, der an dem Werkzeugmagazin zur Indizierung des Werkzeughalters, der verwendet werden soll, vorgesehen ist, und

Fig. 8 ein Zeitdiagramm, das die Betätigungen der jeweiligen Teile in Verbindung mit der Bewegung des Spindelkopfes während des verflossenen Zeitraumes zeigt.

Die Werkzeugmaschine mit einem automatischen Werkzeug­ wechsler (ATC) nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf die jeweiligen Konstruktions­ teile eines bevorzugten Ausführungbeispieles in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen erläutert.

Spindelkopf und Werkzeugmagazin

Eine Werkzeugmaschine, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einem automatischen Werkzeugwechsler enthält in ihrem allgemeinen Aufbau eine sich vertikal erstreckende Säule 10, einen Hauptspindelkopf 24 und ein Werkzeugmagazin 66. Der Hauptspindelkopf 24 ist an dem Grundrahmen 12 vorgesehen und ist in vertikaler, d. h. in Z-Achsrichtung hin- und hergehend in bezug auf den Grundrahmen 12 bewegbar. Das Werkzeugmagazin 66 ist betrieblich mit dem Grundrahmen 12 durch eine Magazinlagerstütze 58 verbunden und ist vorgesehen, um Werkzeughalter 48 weiterzuschalten und bereitzustellen, die in dem Werkzeugmagazin aufgenommen sind. Eine Führungsschiene 14 ist an dem Grundrahmen 12 befestigt und erstreckt sich vertikal entlang desselben und der Spindelkopf 24 ist an der Führungsschiene 14 entlang dieser in Richtung der Z-Achse gleitbar durch ein paar Gleitstücke 16 gelagert, die in vertikaler Ausrichtung zueinander angeordnet sind. Eine Mutter 18 ist in geeigneter Lage an dem Spindelkopf 24 befestigt und eine Kugelumlaufspindel 20 ist drehbar um ihre Achse vorgesehen und erstreckt sich parallel zu der Führungsschiene 14. Die Mutter 18 ist in Bewegungsgewindeeingriff mit der drehbaren Kugelumlaufspindel 20. Die Kugelumlaufspindel 20 ist mit einem Ende mit einem reversiblen Servomotor 22 verbunden und wird durch den reversiblen Servomotor 22, der oberhalb des Maschinenrahmens 12 angeordnet ist, angetrieben. Hierdurch ist der Spindelkopf 24 vertikal entlang der Führungsschiene 14 durch den Eingriff zwischen der Kugelumlaufspindel 20 und der Mutter 18 bewegbar.

Eine Spindel 40, die sich in vertikaler Richtung erstreckt, ist drehbar in dem Spindelkopf 24 aufgenommen und ein Werkzeughalteteil 42 ist am unteren Endabschnitt mit der Spindel 40 vorgesehen. Die Spindel 40 ist durch eine Kupplung 38 mit einem Elektromotor 36 zum Antrieb der Spindel 40 verbunden. Das Werkzeughalteteil 42 hat eine Form, die es erlaubt, daß ein Spannkegel 52 des Werkzeughalters 48 in dieses eingesetzt wird. Am Vorderende des Werkzeughalters 48 ist ein Werkzeug 50 befestigt. Wenn der Werkzeughalter 48 in das Werkzeughalteteil 42 eingesetzt ist, wird ein Zugbolzen 54 des Werkzeughalters 48 durch ein Halterklemmteil 44, angeordnet in der Spindel 40, festgeklemmt. Die Klemmspannung des Zugbolzens 44 wird durch Pressen des Halterklemmteiles 44 mit einer Zugstange 46 gelöst, die koaxial in der Mittelöffnung der Spindel 40 angeordnet ist, um hierdurch den Werkzeughalter 48 aus der Spindel 40 zu lösen.

Vorrichtung zum Klemmspannen des Werkzeughalters und Lösen des Werkzeughalters

Ein Doppelhebel und eine Nockenvorrichtung, die vorgesehen ist, um dem Doppelhebel eine Schwingbewegung zu verleihen, sind innerhalb des automatischen Werkzeugwechslers in Verbindung mit der Spindel 40 zur Klemmspannung des Werkzeughalters 48, eingesetzt in das Werkzeughalteteil 42, und zum Lösen desselben vorgesehen. Im einzelnen ist ein Doppelhebel 30 für eine Schwingbewegung schwenkbar an dem Spindelkopf 24 an einem geeigneten Teil desselben durch eine Schwenkwelle 32 gelagert. Der Doppelhebel 30 umfaßt einen kurzen Hebelarm 30a und einen langen Hebelarm 30b. Der kurze Hebelarm 30a ist an seinem freien Ende mit einem Bolzen 56 in Eingriff bringbar, der von der Zugstange 46 hervorsteht und sich senkrecht zu dieser erstreckt. Der lange Hebelarm 30b ist mit einer Kuvenplatte- oder Nockenplatte 28 versehen, deren Form in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Nockenplatte 28 ist normalerweise mit einem Nockenstößel 26, befestigt an dem Servomotor 22, während der Bewegung der Kuve 28 in Eingriff bringbar. Außerdem ist eine Zugschraubenfeder 34 zwischen dem langen Hebelarm 30b und dem Spindelkopf 24 eingesetzt, so daß der kurze Hebelarm 30a beständig in eine Richtung weg von dem Bolzen 56 vorgespannt ist, so daß der Bolzen 56 von der Druckkraft durch den Doppelhebel 30 entlastet werden kann, d. h. die Feder 34 spannt den Doppelhebel 30 im Uhrzeigersinn in Fig. 1 vor.

Bei Anregung des Servomotors 22 wird der Spindelkopf 24 angehoben und im Zuge der vertikalen Bewegung des Spindelkopfes 24 gelangt die Scheibennocke 28, die an dem Doppelhebel 30 befestigt ist, in Eingriff mit dem Nockenstößel 26, der stationär angeordnet ist. Im Ergebnis dessen wird der Doppelhebel 30 in entgegengesetzter Richtung zur Richtung der Vorspannung durch die Schraubenfeder 34 geschwenkt, so daß der kurze Hebelarm 30a sich nach unten bewegt, um auf den Bolzen 56 zu drücken. Somit wird das Klemmspannteil 44 für den Werkzeughalter durch die Zugstange 46 betätigt und belastet und anschließend kann die Klemmkraft des Werkzeughalters 48 gegen den Zugbolzen 54 gelöst werden.

Rotations-Weiterschaltvorrichtung in dem Werkzeugmagazin

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine Lagerwelle 60 an der Lagerstütze 58 des Werkzeugmagazines befestigt, das an dem Maschinenrahmen 12 befestigt ist. Die Lagerwelle 60 ist nach unten geneigt orientiert und ist benachbart zu einer Bewegungszone des Spindelkopfes angeordnet. Ein Magazingrundkörper 64, der eine insbesondere auch aus Fig. 2 ersichtliche Konfiguration aufweist, ist auf der Lagerwelle 60 durch eine Lagereinrichtung 62 drehbar aufgenommen. Außerdem ist eine Mehrzahl von Greifarmen 82 (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10 Greifarme) schwenkbar in bezug auf den Magazingrundkörper 64 in radialen Richtungen mit bestimmten Winkelabständen angeordnet, die als Halteeinrichtungen für die Werkzeughalter dienen und die nachfolgend noch genauer erläutert werden. Eine Weiterschaltscheibe 80 ist durch Schrauben 79 an dem Magazingrundkörper 64 befestigt. Die Scheibe 80 ist mit einer Mittelöffnung versehen, mit der sie auf der Lagerungswelle 60 aufgenommen ist. Eine Mehrzahl von Nockenstößeln 78 (in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 10 Nockenstößel), jeweils in Rollenform sind an einer Seite der Weiterschaltscheibe 80 an Stellen angeordnet, die der Position der Greifarme 82, wie nachfolgend noch genauer erläutert, entsprechen.

Wie in Fig. 1 und als Ansicht in Pfeilrichtung des Pfeiles C in Fig. 6 gezeigt, ist ein Weiterschaltmotor 68 umgekehrt am oberen Teil eines Gehäuses 67 angeordnet, das sich vertikal an der Lagerstütze 58 des Werkzeugmagazines erstreckt. Eine Antriebswelle 70 erstreckt sich durch das Gehäuse 67 und weist ein Ende auf, daß mit einer Motorwelle 69 verbunden ist, während an ihrem anderen Ende ein Kegelrad befestigt ist. Das Kegelrad 72 ist in Gewindeeingriff mit einem Kegelrad 74, das an einer Drehwelle 75 befestigt ist, die sich mit Hilfe einer Lagereinrichtung 73 horizontal erstreckt, um die Drehung der Antriebswelle in bestimmter Richtung auf die Drehwelle 75 zu übertragen. Eine Mantelkuve 76, versehen mit einer gekrümmten Kuvennut 76a an ihrer äußeren Umfangsfläche, ist auf der Drehwelle 75 befestigt, so daß die radial auf der Weiterschaltscheibe 80 angeordneten Nockenstößel 78 nacheinander abfolgend in Eingriff mit der Kuvennut 76a gelangen, wenn sie betätigt werden, um hierdurch eine intermittierende Weiterschaltdrehung auf die Weiterschaltscheibe 80 um die Lagerungswelle 60 in Abhängigkeit von der Drehung der Mantelkuve 76 zu übertragen.

Werkzeughalter-Greifvorrichtung

Eine Werkzeughalter-Greifvorrichtung, die durch die rotierende Weiterschaltvorrichtung weitergeschaltet wird und eine Schwingvorrichtung zur Ausführung einer Schwingbewegung der Werkzeughalter-Greifvorrichtung zum Austausch der Werkzeughalter 48 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2-4 beschrieben.

Eine Mehrzahl von Gabelköpfen 81 (10 Gabelköpfe in dem gezeigten Ausführungsbeispiel) sind an dem Magazingrundkörper 64 in Umfangsrichtung in bezug auf die Lagerungswelle 60 in bestimmten Abständen voneinander vorgesehen, die ein Bestandteil des Werkzeugmagazines 64 bilden. Die jeweiligen Gabelköpfe 81 lagern schwenkbar durch Schwenkbolzen 84 die Greifarme 82, von denen jeder den in diesen Figuren gezeigten Aufbau aufweist, derart, daß die freien Enden der Greifarme 82 radial nach außen weisen. Jedes der freien Enden der Greifarme 82 ist, wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, mit einem gabelförmigen Abschnitt 83 versehen, der Abmessungen aufweist, die eine Halterung des jeweiligen Werkzeughalters 48 im Bereich seines maximalen Durchmesserabschnittes ermöglichen. Grundbohrungen 83a sind in den Innenabschnitten der jeweiligen gabelförmigen Abschnitte 83 ausgenommen. Die Bohrungen 83a erstrecken sich in eine Richtung senkrecht zum Grundkörper des Greifarmes 82 und in den jeweiligen Grundbohrungen 83a sind Druckschraubenfedern 99 aufgenommen. Außerdem sind Lagerstifte 98 zurückziehbar in die Grundbohrungen 83a eingesetzt, so daß die vorderen freien Enden der Lagerstifte 98 sich in den gabelförmigen Abschnitt 83 hinein erstrecken, so daß sie einander axial zueinander ausgerichtet gegenüberliegen.

Wenn der Werkzeughalter 48 mit seinem Maximaldurchmesserabschnitt in den gabelförmigen Abschnitt des Greifarmes 82 eingesetzt wird, liegen die Lagerstifte 98 gegen die V-förmige Nut 48a an, die in diesem Maximaldurchmesserabschnitt ausgebildet ist. Der Werkzeughalter 48 wird durch die Lagerstifte 98 gelagert, die gegen die Vorspannkraft der Schraubenfedern 99 in die Grundbohrungen 83a zurückgedrückt sind.

Der Greifarm 82 hat einen weiteren Endabschnitt, in dem eine weitere Grundbohrung 82a ausgenommen ist, in der eine Druckschraubenfeder 92 und eine Stahlkugel 90 elastisch in einem Zustand aufgenommen sind, derart, daß ein Teil der Stahlkugel nach außen von einem offenen Ende der Grundbohrung 82a hervorsteht. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Magazingrundkörper 64 mit einer Nabe 64a versehen auf dem eine Greiflagerhülse 88 befestigt ist. Die Greiflagerhülse 88 hat eine äußere Umfangsfläche, an der eine Führungsfläche 88a von muldenförmiger Gestalt ausgebildet ist. Die Stahlkugel 90, die in der Grundbohrung 82a des Greifarmes 82 angeordnet ist, liegt elastisch gegen die muldenförmige Führungsfläche 88a an. Eine Rastnut 88b ist in der Führungsfläche 88a an der dem Magazingrundkörper 64 nahen Seite ausgebildet. Der Greifarm 82 ist in seiner Bereitschaftsstellung für den Werkzeugweiterschaltvorgang so angeordnet, daß die Stahlkugel 90 in die Rastnut 88b eingreift.

Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, sind ein erster und ein zweiter Nockenstößel 94 und 96 jeweils in Rollenform so gelagert, daß sie an seitlichen Stellen in bezug auf die Mittelachse des Greifarmes 82 drehbar sind und in bezug auf den Schwenkbolzen 84 in Längsrichtung versetzt an einem vorderen und einem hinteren Teil des Greifarmes 82 angeordnet. Der erste und zweite Nockenstößel 94 und 96 sind so ausgebildet, daß sie gleitbar gegen die erste und zweite Nockensteuerfläche 86a und 86b anliegen bzw. sich von diesen wegbewegen, die an einem zusammengesetzten Steuerkurventeil 86, gezeigt in den Fig. 1 und 5, ausgebildet sind. Im einzelnen ist, wie in Fig. 1 gezeigt, das zusammengesetzte Steuerkurventeil 86 durch Schrauben an der vertikalen Fläche des Spindelkopfes 24 befestigt und liegt dem Werkzeugmagazin 66 gegenüber, so daß die erste und zweite Nockensteuerfläche 86a und 86b der Weiterschaltposition des gewünschten Werkzeughalters 48 in dem Werkzeugmagazin 66 gegenüberliegen, d. h. diese Nockensteuerflächen sind nahe dem Greifarm 82 angeordnet, der entsprechend zu dem Werkzeughalteteil 42 der Spindel 40 weitergeschaltet wird.

Der erste und zweite Nockenstößel 94 und 96, die an dem Greifarm 82 vorgesehen sind, sind so angeordnet, daß sie in Gleitkontakt mit der ersten und zweiten Nockensteuerkurve 86a und 86b der zusammengesetzten Steuerkurvenplatte 86 gelangen, jeweils entsprechend im vertikal beweglichen Bereich des Spindelkopfes 24, wobei dieser Bereich einen vertikalen Ursprungspunkt Z enthält, wie nachfolgend nach unter Bezugnahme auf die Fig. 7(a) bis 7(d), 7(g) bis 7(i) und Fig. 8 erläutert wird. Wenn der Spindelkopf 24 vertikal in Richtung der Z-Achse bewegt wird, gelangen der erste und zweite Nockenstößel 94 und 96 jeweils in Anlage an die erste und zweite Nockensteuerkurve 86a und 86b, unter der nachfolgend noch erläuterten Bedingung, wodurch der Greifarm 82 in vorgegebener Weise um den Schwenkpunkt 84 entsprechend der Krümmung der Nockensteuerflächen 86a und 86b schwingend bzw. schwenkbar bewegt wird. In diesem Zustand tritt die Stahlkugel 90, die am anderen Ende des Greifarmes 82 angeordnet ist, aus der Rastnut 88b, die in Umfangsrichtung auf der Greiflagerhülse 88 ausgebildet ist, heraus und wird entlang der bogenförmigen Führungsfläche 88a bewegt.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Werkzeugmaschine mit einem automatischen Werkzeugwechsler, der den vorerwähnten Aufbau aufweist, wird nachfolgend im Zusammenhang mit einem Ablauf, wie er in den Fig. 7(a) bis 7(i) gezeigt ist, in seiner Arbeitsweise erläutert.

Der Spindelkopf 24 und das zusammengesetzte Steuerteil 86, das an diesem befestigt ist, werden vertikal in Richtung der Z-Achse aufgrund des Gewindeeingriffs zwischen der Mutter 18, befestigt an dem Spindelkopf 24 und der Kugelumlaufspindel 20 durch die Drehung des Servomotors 22 bewegt. Die vertikale Position des Werkzeugmagazines 66 bleibt jedoch unverändert und das Werkzeugmagazin 66 ist an einem bestimmten Abschnitt des Grundrahmens 12 angeordnet, während der Magazingrundkörper 64 in dem Werkzeugmagazin 66 durch die Drehung des Weiterschaltmotors 68 gedreht wird, um die Werkzeughalter 48, gehalten durch die jeweiligen Greifarme 82, weiterzuschalten.

Entsprechend ist in den Betriebsphasen des automatischen Werkzeugwechslers, die in den Fig. 7(a) bis 7(i) gezeigt ist, ein Z-Punkt als Betriebsbezugsniveau des Spindelkopfes 24 definiert. Fig. 8 verdeutlicht ein Zeitdiagramm, das die Arbeitsvorgänge der jeweiligen Teile des automatischen Werkzeugwechslers in Verbindung mit den gezeigten Betriebsphasen in den Fig. 7(a) bis 7(i) angibt.

Fig. 7(a) zeigt einen Zustand der Werkzeugmaschine nach der vorliegenden Erfindung, in dem das Werkstück 91 der Bearbeitung ausgesetzt ist. In diesem Zustand ist das untere offene Ende der Spindel 40 des Spindelkopfes 24 in einer Position angeordnet, die niedriger ist als der Z-Punkt. In diesem Zustand ist der erste Nockenstößel 94, der an dem Greifarm 82 vorgesehen ist, im obersten Bereich der zugehörigen ersten Nockensteuerfläche 86a des zusammengesetzten Steuerkurventeiles 86 angeordnet, während der zweite Nockenstößel 96 im untersten Bereich der zugehörigen zweiten Nockensteuerfläche 86b angeordnet ist, so daß der gabelförmige Abschnitt 83 des Greifarmes 82 in seiner äußersten linken Lage gehalten wird, in der der gabelförmige Abschnitt 83 weit entfernt von dem speziellen Werkzeughalter 48 ist, der in dem Werkzeughalteteil 42 der Spindel 40 festgehalten ist. Aufgrund dieser Lagezuordnung ist der Spindelkopf 24 allein in seine abgesenkte Lage in Richtung des Werkstückes 91 bewegbar, um die jeweiligen Schneidvorgänge auszuführen.

Fig. 7(b) zeigt den Zustand, in dem der Spindelkopf 24 in eine Lage nach oben bewegt wird, in dem das untere offenen Ende der Spindel 40 im wesentlichen auf dem gleichen Niveau wie das Niveau des Z-Punktes positioniert ist. In diesem Zustand ist die Lageorientierung, d. h. die Positionierung in Umfangsdrehrichtung der Spindel 40 beendet und der erste Nockenstößel 94 des Greifarmes 82 befindet sich in einem Zwischenbereich der ersten Steuerfläche 86a, während der zweite Nockenstößel 96 sich in einer Zwischenstellung auf der zweiten Nockensteuerfläche 86b befindet, um den längeren Arm 82 in Richtung des Werkzeughalters 48 zu bewegen und hierdurch den Greifarm 82 leicht um den Schwenkbolzen 84 im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 7 zu schwenken. Daher gelangen die paarig angeordneten Lagerstifte 98, gezeigt in Fig. 3, die in dem gabelförmigen Abschnitt des Greifarmes 82 angeordnet sind, in unmittelbarer engen Nachbarschaft zu der V-förmigen Nut 48a, die eine horizontal orientierte Umfangsnut, ausgebildet im Maximaldurchmesserabschnitt des Werkzeughalters 48 ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die Lagerstifte 98 noch nicht in Eingriff mit der V-förmigen Nut 48a gelangt, so daß das Werkzeug 50 den Schneidvorgang am Werkstück 91 ausführen kann. Die erste und zweite Nockensteuerfläche 86a und 86b sind so gestaltet, daß die Lagerstifte 98 der vertikalen Verlagerung der V-förmigen Nut 48 des Werkzeughalters 48 nach oben bis zu dem Zeitpunkt folgen können, zu dem der Werkzeuggreifvorgang abgeschlossen ist, wie dies im Zustand gemäß Fig. 7(d) gezeigt ist.

Fig. 7(c) zeigt den nächsten Schritt, in dem der Spindelkopf 24 um ein bestimmtes Maß, z. B. wie durch das Bezugszeichen Z30 bezeichnet nach oben über den Bezugspunkt Z0 angehoben wird, um den Werkzeughalter 48 auszuwechseln. Während der Hubbewegung des Spindelkopfes 24 bis auf dieses Niveau, kommt die Steuerplatte 28 des Doppelhebels 30 in Berührung und in Eingriff mit dem Nockenstößel 26 und der Doppelhebel 30 beginnt im Gegenuhrzeigersinn in Fig. 1 entgegen der Vorspannkraft der Zugschraubenfeder 34 gedreht zu werden. Außerdem drücken die erste und zweite Nockensteuerfläche 86a und 86b des zusammengesetzten Steuerteiles 86 den entsprechenden ersten und zweiten Nockenstößel 94 und 96 jeweils in Übereinstimmung mit der Hubbewegung des Spindelkopfes 24 über das Niveau des Bezugspunktes Z hinaus, so daß der Greifarm 82 weiter im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt wird. In diesem Zustand sind die Lagerstifte 98 des gabelförmigen Abschnittes 83 des Greifarmes 82 in Ausrichtung mit der V-förmigen Nut 48a des Werkzeughalters 48 und werden in einer Nachführbewegung bewegt und die Lagerstifte 98 werden dann entgegen der Vorspannkraft der Feder 99 zurückgedrückt und sind in der Mittelachse C der Spindel 40 positioniert. Zu diesem Zeitpunkt beginnt der kurze Hebelarm 30a des Doppelhebel 30 damit, den Bolzen 56 der Zugstange 46 nach unten zu drücken und die Einspannung des Spannteiles 44 für den Werkzeughalter 48 in bezug auf den Zugbolzen 54 des Werkzeughalters 48 zu lösen.

Im nächsten Schritt zeigt Fig. 7(d) den Zustand, in dem der Spindelkopf 24 um ein Maß angehoben ist, das durch das Bezugszeichen Z50 bezeichnet ist. Wie von dem Zeitablaufdiagramm gemäß Fig. 8 deutlich ist, ist unmittelbar vor Erreichen dieses angehobenen Zustandes der Doppelhebel 30 vollständig verschwenkt und das Einspannteil 44 gibt den Zugbolzen 54 frei, so daß der eingespannte Zustand des Werkzeughalters 48 aufgehoben ist. Der Greifarm 82 wird unter Eingriff zwischen der ersten und zweiten Nockensteuerfläche 86a und 86b und dem zugehörigen ersten und zweiten Nockenstößel 94 und 96 weiter im Gegenuhrzeigersinn (Fig. 7) geschwenkt, wodurch die Stahlkugel 90 im Greifarm 82 stabil in der Rastnut 88b der Greiflagerhülse 88 verrastet. In diesem Zustand sind die Lagerstifte 98 vollständig in der V-förmigen Nut 48a des Werkzeughalters 48 gehalten, sodaß der Werkzeughalter 48 durch den Greifarm 82 eingespannt bzw. gehalten ist.

In diesem Zustand beginnt das Herausziehen des Werkzeughalters 48 aus dem Spindelkopf 24. Das heißt der Spindelkopf wird weiter über die Lage, die in Fig. 7(d) gezeigt ist, angehoben und, z. B., in eine Position angehoben, die vom Bezugspunkt Z eine Entfernung aufweist, die in Fig. 7(e) durch das Bezugszeichen Z138 bezeichnet ist. In diesem Zustand sind die Nockenstößel 94 und 96 von den Nockensteuerflächen 86a und 86b abgehoben. Der Werkzeughalter 48, der zum Schneidbearbeiten des Werkstückes 91 verwendet wurde, verbleibt ganz in eingespanntem Zustand in dem Greifarm 82 und der Vorgang des Herausziehens des Werkzeughalters 48 wird abgeschlossen, d. h. der Werkzeughalter 48 wird vollständig vom Spindelkopf 24 zu dem Werkzeugmagazin 66 übergeführt. In diesem Zustand wird der Weiterschaltmotor 68, der im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 6 erwähnt wurde, angetrieben, um rotierend die Weiterschaltscheibe 80 unter dem betrieblichen Eingriff zwischen der Mantelkuve 76 und dem Nockenstößel 78 weiterzuschalten. Entsprechend wird ein anderer Greifarm 82, der einen anderen Werkzeughalter 48A, der für den nächsten Schneidbearbeitungsvorgang verwendet werden soll, hält, direkt unter dem Werkzeughalteteil 42 des Spindelkopfes 24 positioniert, wo der neue Werkzeughalter 48A in Ausrichtung mit der Mittelachse C gebracht wird, wie dies in Fig. 7(f) gezeigt ist.

Es wird nunmehr erläutert, wie der neue zugeordnete Werkzeughalter 48A mit dem Werkzeughalteteil 42 des Spindelkopfes 24 in Eingriff bringbar ist. Der Spindelkopf 24 wird von der Position, die mit Z138 in Fig. 7(f) bezeichnet ist, in die Position abgesenkt, die durch Z50 in Fig. 7(g) bezeichnet ist, und zwar wegen des Eingriffs der Kugelumlaufspindel 20 mit der Mutter 18, die am Spindelkopf 24 befestigt ist, wobei der Servomotor 22 in umgekehrter Drehrichtung angetrieben wird.

Entsprechend der Absenkung des Spindelkopfes 24 wird der Spannkegel 52 des neu vorbereiteten Werkzeughalters 48A in das Werkzeughalte-Halterteil 42 eingesetzt. Die ersten und zweiten Nockenstößel 94 und 96 sind von der zugehörigen ersten und zweiten Nockensteuerfläche 86a und 86b des zusammengesetzten Steuerteiles 86 in den Zuständen abgehoben, wie sie in den Fig. 7(e) und 7(f) gezeigt sind. Diese Nockenstößel 94 und 96 kommen jedoch jeweils wieder in Kontakt mit der entsprechenden Nockensteuerfläche 86a bzw. 86b, um eine Entfernungsbewegung des Greifarmes 82 im Verhältnis zu dem Werkzeughalter 48A zu steuern. Das heißt der Greifarm 82 beginnt eine Schwenkbewegung um den Schwenkbolzen 84 im Uhrzeigersinn (Fig. 7) und die Stifte 98 im gabelförmigen Abschnitt 83 des Greifarmes 82 folgen der Bewegung der V-förmigen Nut 48a, die in Umfangsrichtung in dem Werkzeughalter 48A ausgebildet ist.

Wenn der Spindelkopf 24 um ein Maß abgesenkt ist, das in Fig. 8 durch das Bezugszeichen Z47 bezeichnet ist, beginnt sich die Nocken- bzw. Steuerplatte 28, die im Eingriff mit dem Nockenstößel 26 zur Schwenkung des Doppelhebels 30 im Gegenuhrzeigersinn (Fig. 1) ist, von dem Nockenstößel 26 wegzubewegen, um den Zugbolzen 54 des Werkzeughalters 48A durch das Halter-Klemmteil 44 einzuspannen.

Wenn der Spindelkopf 24 weiter abgesenkt wird bis nahe an die Position, die durch Z30 bezeichnet ist, ist, wie in Fig. 7(h) gezeigt, die Nocken- bzw. Steuerplatte 28 des Doppelhebels 30 vollständig von dem Nockenstößel 26 getrennt, so daß der Spannvorgang des Werkzeughalter-Spannteiles 44 in bezug auf den Zugbolzen 54 abgeschlossen ist. Außerdem kommt die Stahlkugel 90, die im spitzen Endabschnitt des Greifarmes 82 angeordnet ist, aus der Rastnut 88b der Greiflagerhülse 88 heraus und der Greifarm 82 wird im Uhrzeigersinn (Fig. 7) wegen des zugehörigen Eingriffs zwischen den Nockenstößeln 94 und 96 und den zugehörigen Nockensteuerkurven 86a und 86b geschwenkt. Wenn der Spindelkopf 24 im nächsten Schritt, wie in Fig. 7(i) gezeigt, weiter abgesenkt wird, bis das untere offene Ende der Spindel 40 den ursprünglichen Punkt Z erreicht, hat sich der Greifarm 82 vom Werkzeughalter 48A, der in das Werkzeughalteteil 42 eingesetzt wurde und nun durch dieses gehalten wird, vollständig gelöst, so daß es möglich ist, die Spindel 40 wieder um ihre Drehachse rotierend anzutreiben und die Bearbeitung des Werkstückes 91 aufzunehmen. Wenn der Spindelkopf 24 in bezug auf den ursprünglichen Punkt Z0 weiter abgesenkt wird, wird der Greifarm 82 weiter vom Werkzeughalter 48A wegbewegt, wie dies in Fig. 7(a) gezeigt ist, sodaß das eigentliche Absenken des Spindelkopfes 24 in bezug auf das Werkstück 91 erfolgen kann. Wie oben beschrieben, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die zweite Nockensteuerfläche 86b auf dem Nocken- bzw. Steuerteil 86 und der zweite Nockenstößel 96 an dem Greifarm 82 ausgebildet, so daß übermäßige Schwing- bzw. Schwenkbewegungen des Greifarmes 82 im Uhrzeigersinn in Fig. 7 infolge der Bewegung des Spindelkopfes 24 wirksam vermieden werden können.

Entsprechend der Beschreibung des vorerwähnten Ausführungsbeispieles können bei einer Werkzeugmaschine mit einem automatischen Werkzeugwechsler nach der vorliegenden Erfindung die Relativbewegungen der jeweiligen Teile oder Elemente, die für den Werkzeugwechsel erforderlich sind, auf ein Minimum begrenzt werden. Die Unterteilung dieser Bewegungen ermöglicht es, das Gewicht der jeweiligen Teile zu verringern und gestattet somit eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine. Entsprechend kann auch dann, wenn der Spindelkopf mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, das Werkzeug leicht gewechselt werden, so daß die Werkzeugwechselzeiten verkürzt werden.

Claims (11)

1. Werkzeugmaschine mit einem Hauptspindelkopf, mit einer in diesem drehbar gelagerten Hauptspindel, der axial bewegbar an einem Grundrahmen gelagert ist, und mit einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung, die drehbar ein Werkzeugmagazin sowie eine Weiterschaltvorrichtung für dieses aufweist, wobei das Werkzeugmagazin, in Umfangsrichtung beabstandet, eine Mehrzahl von Werkzeughalter-Greifarm aufweist, die jeweils um eine im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Werkzeugmagazines sich erstreckende Schwenkachse schwenkbar sind, und jeder Werkzeughalter-Greifarm lösbar einen Werkzeughalter mit in diesem aufgenommenen Werkzeug hält, zum Austausch eines Werkzeughalters an einem werkstückseitigen Ende der Hauptspindel gegen einen anderen, an dem Werkzeugmagazin gelagerten Werkzeughalter unter Weiterschaltung des Werkzeugmagazines in Umfangsrichtung desselben um eine gegen die Hauptspindel geneigte Achse, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugwechselvorrichtung (66, 68) stationär an dem Grundrahmen (12) angeordnet ist, daß an den Werkzeughalter-Greifarmen (82) zumindest jeweils ein Steuervorsprung (94) zum Eingriff mit einer Steuerkurvenanordnung (86b) am Hauptspindelkopf (24) vorgesehen ist und in Abhängigkeit von einer Axialbewegung des Hauptspindelkopfs (24) eine Bewegung des Steuervorsprungs (94) zur Schwenkbetätigung eines Werkzeughalter-Greifarms (82) erfolgt.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Werkzeughalter-Greifarm (82) einen Doppel-Steuervorsprung (96, 94) mit einer Rolle zum Eingriff mit einer konvexen/konkaven Doppelsteuerkurve (86b, 86a) der Steuerkurvenanordnung, die in Verbindung mit dem Hauptspindelkopf (24) vorgesehen ist, aufweist.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Werkzeughalter-Greifarm (82) einen zweiarmigen Hebel mit einem Stützhebelarm (82a), der entlang einer konkaven Mantelfläche (88a) eines Grundkörpers (88) des Werkzeugmagazines (66) in Verbindung mit einer Steuerungsbewegung des Werkzeughalter-Greifarmes (82) bewegbar ist und eine elastische Arretierungsvorrichtung (90, 92) für den Werkzeughalter-Greifarm (82) aufweist.

4. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Werkzeughalter-Greifarm (82) durch den Stützhebelarm in einer Ruhelage verrastbar angeordnet ist, in der der Werkzeughalter-Greifarm (82) mit einem gabelförmigen Werkzeughalter-Aufnahmeende (83) zu der Hauptspindel (40) hin vorgespannt ist.

5. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützhebelarm eine Vorspanneinrichtung (90, 92) aufweist.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine in einer Grundbohrung (82a) des Stützhebelarmes gegen die konkave Mantelfläche (88a) einer Lagerhülse (88) des Grundkörpers (64) des Werkzeugmagazines (66) durch eine Druckfeder (92) vorgespannte Rastkugel (90) ist, die in Ruhestellung des Werkzeughalter-Greifarmes (82) in eine Rastausnehmung (82b) der Mantelfläche (88a) eingreift.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorsprünge (96, 94) jedes Werkzeughalter-Greifarmes (82) beiderseits einer Längsachse jedes Greifarmes (82) angeordnet sind.

8. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gabelförmige Werkzeughalter-Aufnahmeende (83) jedes Werkzeughalter-Greifarmes (82) eine opponierend ausgebildete, elastische Stifteinrichtung (98, 99) zum Eingriff in eine V-Aufnahmenut (48a) eines Zylinderabschnittes einer in das gabelförmige Werkzeughalter-Aufnahmeende (83) einsetzbaren Werkzeugaufnahme (42) aufweist.

9. Werkzeugmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifteinrichtung opponierende Stifte (98) aufweist, die jeweils durch eine Druckfeder (99) in Eingriffsrichtung vorgespannt sind.

10. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Verbindung mit einer Axialbewegung des Hauptspindelkopfes (24) wirksame Spannvorrichtung (44, 46) für eine Aufnahme des Werkzeughalters (48) an der Hauptspindel (40) vorgesehen ist.

11. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterschaltvorrichtung (68) ein motorisch antreibbares Kegelradgetriebe (70, 72, 74) zum Antrieb einer Steuerwelle (75) aufweist, die eine in Umfangsrichtung derselben verlaufende Steuerwalze (76a) aufweist, die mit Steuervorsprüngen (78) des Grundkörpers (64) des Werkzeugmagazines (66) in Eingriff ist.