DE4215697A1 - Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen und Verfahren für den Werkzeugwechsel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, mit einem Werkzeugmagazin zur Aufbe­ wahrung einer Vielzahl von Werkzeugelementen, wie Werkzeugen und/oder in Werkzeugzangen angeordneten Werkzeugen, und mit einem mit wenigstens einem Greifer zum Ergreifen von Werkzeugelementen versehenen Wechslerarm, der zwischen dem Werkzeugmagazin und der Werkzeugaufnahmestelle der Werkzeugmaschine verfahrbar ausgebildet ist sowie ein Ver­ fahren zu Durchführung eines Werkzeugwechsels unter Ver­ wendung einer solchen Werkzeugwechseleinrichtung.

Bekannte Werkzeugwechseleinrichtungen weisen einen Wechsler­ arm auf, der in der Mitte drehbar gelagert ist und der an seinen entgegengesetzten Enden mit Greifern versehen ist. Einer dieser Greifer greift dann jeweils in ein Werk­ zeugmagazin ein, entnimmt ein neues Werkzeug oder ein mit einer Werkzeugzange versehenes Werkzeug, wobei dann der Wechslerarm so zum in der Werkzeugmaschine eingespannten, auszuwechselnden Werkzeug verfahren wird, daß der andere Greifer das eingespannte Werkzeug ergreift. Nach dem Lösen dieses Werkzeugs wird der Wechslerarm um 180° gedreht, so daß nun das neue Werkzeug in die Maschine eingesetzt werden kann. Danach wird der Wechslerarm zurück zum Werkzeug­ magazin verfahren, wo er das aus der Werkzeugmaschine ent­ nommene Werkzeug ablegt und das nächste ergreift. Der Nach­ teil der bekannten Einrichtung besteht vor allem darin, daß durch die 180°-Drehung des Wechslerarms ein großer freizuhaltender Schwenkbereich erforderlich ist, der vor allem bei komplizierten Werkzeugmaschinen oder kompakten Aggregaten oft schwer realisiert werden kann. Daher müssen bei Werkzeugmaschinen oft konstruktionsbedingte Kompromisse, insbesondere bei Zusatzaggregaten, gemacht werden, um einen Werkzeugwechsel zu ermöglichen. Selbst dann besteht jedoch die Gefahr, daß durch den großen Schwenkradius zufällig abgelegte Gegenstände oder das zu bearbeitende Werkstück gestreift oder beschädigt wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Werkzeugwechseleinrichtung zu schaffen, bei der der Werkzeugwechsel einen wesentlich geringeren freizuhaltenden Arbeitsraum benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wechslerarm zwei nebeneinander angeordnete Greifer aufweist, die in ihrer Grundstellung zum Halten von Werkzeug­ elementen achsparallel zu einer Spindelachse der Werkzeug­ aufnahmestelle ausgebildet sind, daß die Greifer über eine Schwenkeinrichtung zum unabhängigen Zurückschwenken von der jeweiligen Werkzeugaufnahmestelle weg und aus der Ebene der Grundstellung heraus mit dem Wechslerarm verbunden sind, und daß Mittel zur synchronen Parallelverschiebung der Greifer relativ zur Spindelachs in Richtung der Spindel­ achse sowie senkrecht dazu in Richtung einer Verbindungs­ linie zwischen den beiden Greifern vorgesehen sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Werkzeugwechseleinrichtung besteht insbesondere in dem sehr geringen Platzbedarf beim Werkzeugwechsel. Durch die Möglichkeit des Zurückschwenkens eines Greifers aus der Ebene des anderen Greifers kann der Wechslerarm mit sehr kleinen linearen Bewegungen den Werkzeugwechsel vornehmen. Das Ab- bzw. Wegschwenken des einen Greifers erfolgt aus der Ebene der Grundstellung heraus, so daß ein etwa gehaltenes Werkzeugelement nicht in Kollision mit der Spindel geraten kann. Durch die sehr kleinen Bewegungen ist ein sehr schneller Werkzeugwechsel möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 ange­ gebenen Werkzeugwechseleinrichtung möglich. Weiterhin ist ein vorteilhaftes Verfahren zur Durchführung eines Werkzeug­ wechsels unter Verwendung dieser Werkzeugwechseleinrichtung angegeben.

Zur synchronen Verschiebung der Greifer ist zweckmäßiger­ weise ein entsprechender Verschiebeantrieb für den Wechsler­ arm vorgesehen, wobei z. T. auch der Verschiebeantrieb der Spindel zur Realisierung der Relativbewegung zwischen Greifer und Spindel benutzt werden kann.

Der Schwenkwinkel der Schwenkeinrichtung ist in vorteil­ hafter Weise so dimensioniert, daß das im weggeschwenkten Greifer gehaltene Werkzeugelement nicht die Ebene des ande­ ren, nicht weggeschwenkten Greifers schneidet. Dadurch kann dieser ohne Beeinträchtigung an das auszuwechselnde Werkzeugelement herangefahren werden. Der Schwenkwinkel beträgt dabei im wesentlichen zwischen 35 und 55°.

Jedem Greifer ist ein steuerbarer, ihn gegen die Kraft einer Feder öffnender Öffnungsmechanismus zugeordnet, so daß das Werkzeug auch noch bei Abschaltung oder einer Störung der Anordnung sicher gehalten wird.

Weist eine Werkzeugmaschine mehrere Spindeln auf, deren Achsen nicht parallel zueinander verlaufen, so wird der Wechslerarm mit einer Schwenk- oder Dreheinrichtung zur Veränderung und Einstellung einer Lage der Ebene der Greifer in ihrer Grundstellung senkrecht zu wenigstens zwei solcher Spindelachsen versehen. Der Werkzeugwechsel kann nach dem Schwenken des gesamten Wechslerarms dann wieder in der jeweils gleichen Weise erfolgen.

Zur Durchführung eines Werkzeugwechsels unter Verwendung einer solchen Werkzeugwechseleinrichtung eignet sich vor allem ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist:

• a) Der Wechslerarm wird an das auszuwechselnde, in der Maschinenspindelaufnahme eingespannte Werkzeugelement herangefahren, wobei sich der erste Greifer in der Grundstellung befindet und der zweite Greifer ein einzuwechselndes Werkzeugelement trägt,
• b) der erste Greifer ergreift das auszuwechselnde Werk­ zeugelement, und dieses wird dann von der Spindel der Werkzeugmaschine gelöst,
• c) der erste Greifer wird dann in der Richtung der Spindel­ achse von der Maschinenspindel weg bewegt, bis er weggeschwenkt werden kann und dann weggeschwenkt wird,
• d) der Wechslerarm oder die Spindel wird dann verschoben, bis der zweite Greifer eine Wechselstellung zur Spin­ del einnimmt,
• e) der zweite Greifer wird in seine Grundposition ge­ schwenkt, und dann wird das einzuwechselnde Werkzeug­ element in die Maschinenspindelaufnahme eingesetzt, und
• f) der zweite Greifer wird gelöst und der Wechslerarm zum Werkzeugmagazin zurückbewegt.

Durch dieses Verfahren wird ein besonders schneller Werkzeug­ wechselvorgang bei kleinen Verfahrwegen und geringem Platz­ bedarf erzielt.

Beim Heranfahren des Wechslerarms vom Werkzeugmagazin aus zur Werkzeugspindel wird der zweite, mit einem einzuwechseln­ den Werkzeug versehene Greifer in die zurückgeschwenkte Stellung gebracht. Hierdurch kann der erste Greifer un­ behelligt direkt das in der Werkzeugspindel eingespannte Werkzeug anfahren. Der Wechslerarm wird dabei seitlich in einer Ebene senkrecht zur Spindelachse an das auszu­ wechselnde Werkzeugelement herangefahren.

Die Bewegung des ersten Greifers von der Werkzeugspindel weg vor dem Wegschwenkvorgang oder die Bewegung des zweiten Greifers zur Werkzeugspindel hin nach dem Schwenkvorgang in die Grundstellung erfolgt zweckmäßigerweise durch Ver­ fahren des Wechslerarms in der Richtung der Spindelachse. Infolge der unterstützenden Schwenkvorgänge kann diese Linearbewegung sehr klein ausgebildet werden.

Die Verschiebung des Wechslerarms oder der Spindel zur Überführung des zweiten Greifers in die Wechselstellung zur Spindel ist insbesondere eine seitliche Verschiebung in der Ebene der Greifer in ihrer Grundstellung. Auch diese Bewegung ist infolge der nebeneinander angeordneten Greifer sehr klein.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Werkzeugwechsel­ einrichtung besteht noch darin, daß beim Ablegen eines ausge­ wechselten Werkzeugelements im Werkzeugmagazin gleichzeitig der andere Greifer das nächste Werkzeug ergreifen kann, sofern die Werkzeugelemente in der entsprechenden Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Werkzeugwechseleinrichtung beim Auswechseln einer in einer Werkzeugspindel eingespannten Werkzeugzange, wobei ein Greifer zurückgeschwenkt ist, und

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte Werkzeugwechseleinrich­ tung in einer Ansicht von oben, wobei beide Grei­ fer in der Grundstellung sind.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbei­ spiel ist von einer Werkzeugmaschine zur Vereinfachung lediglich eine Vertikalspindel 10 dargestellt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Vertikalspindel einer Fräs­ maschine handeln. In dieser Vertikalspindel 10 ist der konische Schaft 11 einer ersten Werkzeugzange 12 einge­ spannt, die als Werkzeug einen Bohrer 13 trägt.

Ein Wechslerarm 14 einer Werkzeugwechseleinrichtung trägt an seinem zur Vertikalspindel 10 hinweisenden Ende zwei Greifer 15, 16 zum Greifen und Halten von Werkzeugzangen, die hierfür mit ringförmigen, gerillten Aufnahmeelementen 17, 18 versehen sind. So greift der gemäß Fig. 1 dem Be­ trachter nähere Greifer 15 die erste Werkzeugzange 12 an ihrem Aufnahmeelement 17 und der andere Greifer 16 eine zweite Werkzeugzange 19 an deren Aufnahmeelement 18. Die zweite Werkzeugzange 19 trägt als Werkzeug einen Fräser 20.

Die beiden Greifer 15, 16 sind schwenkbar am Wechslerarm 14 angeordnet. Hierzu sind die beiden Greifer 15, 16 über eine Schwenkachse 21 am Wechslerarm 14 unmittelbar nebenein­ ander gehalten. Basiselemente 22, 23 der Greifer 15, 16 grei­ fen hierzu in entsprechende Ausnehmungen des Wechslerarms 14 ein, durch die die gemeinsame Schwenkachse 21 verläuft. Vertikal zur Schwenkachse 21 nach unten versetzt greifen Kolbenstangen 24, 25 zweier Hydraulikzylinder 26, 27 an den Basiselementen 22, 23 an, um diese von der horizontalen Grundposition aus nach unten schwenken zu können. An den Basiselementen 22, 23 der Greifer 15, 16 ist jeweils ein kürzerer, feststehender Greiferarm 28, 29 sowie ein schwenk­ barer, längerer Greiferarm 30, 31 befestigt.

In Fig. 2 ist zur Vereinfachung der Darstellung lediglich beim Greifer 16 der Bewegungsmechanismus des längeren Greifer­ arms 31 dargestellt. Dieser Greiferarm 31 weist innerhalb des Basiselements 23 eine schräg abgewinkelte hintere Ver­ längerung 34 auf, wobei der gesamte Greiferarm 31 um eine Achse 35 schwenkbar gelagert ist. Die Verlängerung 34 ist über eine Schraubenfeder 36 so am Basiselement 23 abge­ stutzt, daß diese Schraubenfeder 36 den langen Greiferarm 31 federnd am Aufnahmeelement 18, also in der Schließposi­ tion, hält. Gegenüber dem Ansatzpunkt der Schraubenfeder 36 greift ein Druckzylinder 37 an der Verlängerung 34 an, bei dessen Betätigung diese Verlängerung 34 gegen die Schrau­ benfeder 36 gedrückt wird, so daß sich der Greifer 16 öffnet.

Das Zurückschwenken der Greifer 15 bzw. 16 durch Betätigung der Hydraulikzylinder 26, 27 erfolgt um den Winkel. Dieser Winkel ist so bemessen, daß die im zurückgeschwenkten Grei­ fer gehaltene Werkzeugzange höchstens bis an die Horizontal­ ebene des anderen Greifers heranreicht, so daß der andere Greifer beliebig verfahrbar ist, ohne daß die zurückge­ schwenkte Werkzeugzange in Kollision mit der Vertikalspindel 10 gelangen kann.

Der Wechslerarm 14 weist als Bewegungsantrieb eine nur schematisch dargestellte Antriebsanordnung 38 auf. Durch diese Antriebsanordnung 38 kann der Wechslerarm zum einen in der Horizontalrichtung A seitlich an die jeweils einge­ spannte Werkzeugzange herangefahren werden. Weiterhin ist eine Bewegung in der Vertikalrichtung B möglich. Schließlich ist noch eine Bewegung in der seitlichen Horizontalrichtung C senkrecht zur Horizontalrichtung A möglich, die jedoch entfallen kann, wenn der Spindelschlitten die Bewegung in dieser Horizontalrichtung C ausführt.

Ein Werkzeugwechsel geht wie folgt vonstatten: Der Wechsler­ arm 14 wird zu einem nicht dargestellten Werkzeugmagazin bewegt - durch lineare und/oder Schwenkbewegungen -, wobei sich beide Greifer 15, 16 in der in Fig. 2 dargestellten Grundposition befinden. Dabei ist der eine Greifer leer, und der andere Greifer trägt die zuletzt ausgewechselte Werkzeugzange. Nun wird gleichzeitig die ausgewechselte Werkzeugzange durch Öffnen des entsprechenden Greifers abgelegt, während der Greifer daneben eine neue Werkzeug­ zange ergreift, im dargestellten Ausführungsbeispiel die Werkzeugzange 19. Nun wird der Wechslerarm 14 in der Hori­ zontalrichtung A an die Vertikalspindel 10 herangefahren, bis die in Fig. 1 dargestellte Stellung erreicht ist, in der der Greifer 15 die eingespannte Werkzeugzange 12 er­ greifen kann. Während der Bewegung in diese Position wird der die Werkzeugzange 19 haltende Greifer 16 in die in Fig. 1 dargestellte Position zurückgeschwenkt.

Nach Ergreifen des Aufnahmeelements 17 durch den Greifer 15 wird der Schaft 11 in der Vertikalspindel 10 gelöst, und danach wird der Wechslerarm 14 in der Vertikalrichtung B so lange nach unten bewegt, bis auch der nunmehr die Werkzeugzange 12 haltende Greifer 15 durch Betätigung des Hydraulikzylinders 26 zurückgeschwenkt werden kann. Nun erfolgt eine seitliche Verschiebung des Spindelschlittens bzw. der Spindel 10 in der seitlichen Horizontalrichtung C (gemäß Fig. 1 in die Bildebene hinein), bis die Spindel 10 die Position des Greifers 16 erreicht hat. Nun wird der Greifer 16 in seine Grundstellung geschwenkt, von wo aus die zweite Werkzeugzange 19 durch eine Bewegung des Wechslerarms 14 in der Vertikalrichtung B zur Werkzeug­ spindel 10 hin in diese eingesetzt werden kann. Nach dem Festspannen wird der Greifer 16 gelöst, und der Wechslerarm 14 wird zum nicht dargestellten Werkzeugmagazin zurückbe­ wegt. Selbstverständlich sind die Funktionen der beiden Greifer auch umgekehrbar, d. h. der Greifer 16 entnimmt die eingespannte Werkzeugzange 12, und der Greifer 15 führt die neue Werkzeugzange 19 heran.

Anstelle von Werkzeugzangen können selbstverständlich alter­ nativ oder in gemischter Reihenfolge auch Schaftwerkzeuge mittels des Wechslerarms 14 in die Vertikalspindel 10 einge­ setzt oder entnommen werden.

Zum Öffnen und Schließen sowie zum Zurückschwenken der Greifer 15, 16 können anstelle von Hydraulikzylindern auch andere Antriebsmechanismen treten, wie beispielsweise Pneumatikzylinder, elektrische Stellglieder oder Stell­ motoren u. dgl. Für die Bewegung des Wechslerarms 14 können ebenfalls bekannte Antriebsmotoren oder Antriebssysteme eingesetzt werden.

Soll ein Werkzeugwechsel an einer Horizontalspindel vorge­ nommen werden, so muß der Wechslerarm 14 um 90° gegenüber Fig. 1 geschwenkt sein, so daß die beiden Greifer 15, 16 vertikal übereinander angeordnet sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wenn man diese Fig. 2 nunmehr als Seiten­ ansicht interpretiert. Sind an einer einzigen Werkzeug­ maschine sowohl Vertikal- als auch Horizontalspindeln vor­ handen, so wird der Wechslerarm 14 mit einer zusätzlichen Schwenkeinrichtung um 90° versehen, um an beiden Spindeln Werkzeuge bzw. Werkzeugzangen auswechseln zu können. Selbst wenn für Spezialanwendungen Spindeln mit einer nochmals abweichenden Achsenausrichtung vorhanden sind, so wird der Wechslerarm 14 mit einer entsprechenden Schwenkeinrich­ tung versehen, um die Ebene der Greifer 15, 16 in ihrer Grundstellung senkrecht zur jeweiligen Spindelachse aus­ richten zu können.

Claims (11)

1. Werkzeugwechseleinrichtung für Werkzeugmaschinen, mit einem Werkzeugmagazin zur Aufbewahrung einer Vielzahl von Werkzeugelementen, wie Werkzeugen und/oder in Werkzeugzangen angeordneten Werkzeugen, und mit einem mit wenigstens einem Greifer zum Ergreifen von Werkzeugelementen versehenen Wechslerarm, der zwischen dem Werkzeugmagazin und der Werk­ zeugaufnahmestelle der Werkzeugmaschine verfahrbar ausge­ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechslerarm (14) zwei nebeneinander angeordnete Greifer (15, 16) auf­ weist, die in ihrer Grundstellung zum Halten von Werkzeug­ elementen (12, 19) achsparallel zu einer Spindelachse der Werkzeugaufnahmestelle ausgebildet sind, daß die Greifer (15, 16) über eine Schwenkeinrichtung (21) zum unabhängigen Zurückschwenken von der jeweiligen Werkzeugaufnahmestelle weg und aus der Ebene der Grundstellung heraus mit dem Wechslerarm (14) verbunden sind und daß Mittel (38) zur synchronen Parallelverschiebung der Greifer relativ zur Spindelachse in Richtung der Spindelachse sowie senkrecht dazu in Richtung einer Verbindungslinie zwischen den beiden Greifern (15, 16) vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur synchronen Verschiebung der Greifer (15, 16) ein entsprechender Verschiebeantrieb (38) für den Wechslerarm (14) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schwenkwinkel (α) der Schwenkeinrichtung (21) so dimensioniert ist, daß das im weggeschwenkten Greifer (16) gehaltene Werkzeugelement (19) nicht die Ebene des anderen, nicht weggeschwenkten Greifers (15) schneidet.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkwinkel im wesentlichen 35-55° beträgt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Greifer (15, 16) ein steuer­ barer, ihn gegen die Kraft einer Feder (36) öffnender Öff­ nungsmechanismus (37) zugeordnet ist.

6. Werkzeugwechseleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechslerarm (14) mit einer Schwenk- oder Dreheinrichtung zur Verände­ rung und Einstellung einer Lage der Ebene der Greifer (15, 16) in ihrer Grundstellung senkrecht zu wenigstens zwei Spindel­ achsen versehen ist.

7. Verfahren zur Durchführung eines Werkzeugwechsels bei Werkzeugmaschinen unter Verwendung einer Werkzeugwechsel­ einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Schritte:

• a) der Wechslerarm (14) wird an das auszuwechselnde, in der Maschinenspindelaufnahme eingespannte Werkzeug­ element (12) herangefahren, wobei sich der erste Greifer (15) in der Grundstellung befindet und der zweite Greifer (16) ein einzuwechselndes Werkzeug­ element (19) trägt,
• b) der erste Greifer (15) ergreift das auszuwechselnde Werkzeugelement (12), und dieses wird dann von der Spindel (10) der Werkzeugmaschine gelöst,
• c) der erste Greifer (15) wird dann in der Richtung (B) der Spindelachse von der Maschinenspindel weg­ bewegt, bis er weggeschwenkt werden kann und dann weggeschwenkt wird,
• d) der Wechslerarm oder die Spindel (10) wird dann ver­ schoben, bis der zweite Greifer (16) eine Wechsel­ stellung zur Spindel (10) einnimmt,
• e) der zweite Greifer (16) wird in seine Grundposition geschwenkt, und dann wird das einzuwechselnde Werkzeug­ element (19) in die Maschinenspindelaufnahme einge­ setzt, und
• f) der zweite Greifer (16) wird gelöst und der Wechsler­ arm (14) zum Werkzeugmagazin zurückbewegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Heranfahren des Wechslerarms (14) vom Werkzeug­ magazin aus zur Werkzeugspindel hin der zweite, mit dem einzuwechselnden Werkzeugelement (19) versehene Greifer (16) in die zurückgeschwenkte Stellung gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wechslerarm (14) seitlich (Richtung A) in einer Ebene senkrecht zur Spindelachse an das auszuwechseln­ de Werkzeugelement (12) herangefahren wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des ersten Greifers (15) von der Werkzeugspindel weg vor dem Wegschwenkvorgang oder die Bewegung des zweiten Greifers (16) zur Werkzeugspindel hin nach dem Schwenkvorgang in die Grundstellung durch Verfahren des Wechslerarms (14) in der Richtung (B) der Spindelachse erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des Wechslerarms (14) oder der Spindel (10) zur Überführung des zweiten Greifers (16) in die Wechselstellung zur Spindel (10) eine seitliche Verschiebung (Richtung C) in der Ebene der Greifer (15, 16) in ihrer Grundstellung ist.