DE4421624A1

DE4421624A1 - Senkrecht-Werkzeugwechseleinrichtung

Info

Publication number: DE4421624A1
Application number: DE4421624A
Authority: DE
Inventors: Jyh-Jone Lee; Lei-Yi Chen; Tsann-Huei Chang; Wu-Jung Tsai
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2014-06-22
Also published as: DE4421624C2

Description

Erfindungserklärung (1) Erfindungshintergrund

Diese Erfindung bezieht sich auf einen für Universalbearbeitungszentrum benutzten Senkrecht-Werkzeugwechsler, dessen Konstruktion einfach und dessen Werkzeugaustausch sehr schnell ist.

Die wichtige Rolle, die der automatische Werkzeugwechsler für Universalbearbeitungszentren spielt, besteht darin, die Nebenzeit einzusparen und den Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen. Die früher konstruierte Universalbearbeitungsmaschine erfüllt gewöhnlich die Werkzeugwechselbewegung durch die Verschiebung des Werkzeugmagazins oder die Verschiebung der Hauptspindel und durch die Ausrüstung mit einfachem Werkzeugwechsler. Der Bewegungsbereich dieses Werkzeugwechslers ist begrenzt und nur einfache Werkzeugwechselbewegung durchgeführt werden kann, deshalb darf der Abstand zwischen dem Werkzeugmagazin und der Bearbeitungsmaschine nicht zu weit sein.

Aber später für Bedürfnis nach solcher Bearbeitungsmaschine, die selbst vom Werkzeugmagazin getrennt wird, wird der spätere Werkzeugwechsler zum Roboter oder zum numerisch gesteuerten Servomechanismus für Werkzeugwechsel entwickelt. Das Endziel liegt dafür, die Wartezeit der Bearbeitungsmaschine für Werkzeugwechsel zu vermindern und Bearbeitungswirkungsgrad zu erhöhen. Denn die Type von Universalbearbeitungsmaschinen sind verschiedentlich, deshalb, für unterschiedliche Bearbeitungsmaschinen sind die Type von Werkzeugwechsler auch unterschiedlich. Im Allgemeinen, bei grundlegenden Entwurfsforderungen bestrebt man sich um die mindeste Werkzeugwechselzeit. Aber die Verminderung der Werkzeugwechselzeit konnte die Kompliziertheit der Konstruktion verursachen, so daß die Maschinenkosten steigen können. Deshalb muß man beim Entwurf einen Ausgleich zwischen Wirkungsgrad (Funktion) und Kosten berücksichtigen.

Zum Beispiel: das amerikanische Patent Nr. 4.831.714 [Tool changing device for Program-Controlled universal milling and drilling Machines] (der Werkzeugwechsler für NC-Universalbearteitungszentrum).

Dieses Patent bezieht sich auf zwei Werkzeugwechselarme, die mit ein paar Drehachsen und mit geradlinig verschiebbaren Achsen die Werkzeugwechselbewegung in vertikaler und horizontaler Lage durchführen kann. Dieser Werkzeugwechsler kann mit Bearbeitungswerkzeugmaschine zusammen die Werkzeugwechselfunktion in unterschiedlicher Bearbeitungslage (vertikal oder horizontal) durchführen. Aber um komplizierte Werkzeugwechselbewegung zu verwirklichen, muß ein komplizierterer Mechanismus eingeführt werden, deswegen paßt solcher Werkzeugwechsler zu manchen Maschinen nicht, die nur einfache Werkzeugwechselfunktion durchführen.

Noch zu einem Beispiel, nach dem US-Patent Nr. 48 37 919 [Tool changing assembly for universal milling and frilling Machines] (Werkzeugwechsler für das Universalbearbeitungszentrum). Dieser Entwurf bezieht sich auf einen Werkzeugwechsler, den das Bearbeitungszentrum für den nur in einer Richtung verwirklichten Werkzeugaustausch benutzt. Dieser Werkzeugwechsler umfaßt hauptsächlich einen horizontal schwenkenden Arm. Auf dessen Ende gibt es einen schwenkbaren Werkzeugwechselarm. Durch den Schwenkungsarm wird dieser Werkzeugwechselarm vom Werkzeugmagazinplatz auf dem Maschinenspindelplatz betrieben. Dieser Werkzeugwechselsatz trägt zwei Greiferzangen, die die Werkzeuge greifen können. Der Werkzeugwechselarm wird durch Sternradsteuerorgan kontrolliert, so daß der Bewegungsweg der Greiferzange auf den richtigen Platz zur Ergreifung des Werkzeugs erreicht werden kann, damit die Werkzeugwechselfunktion richtig verwirklicht werden kann.

Die Baukonstruktion des solchen Werkzeugwechslers ist zwar einfach, aber auf seinem Werkzeugwechselarm gibt es nur eine Greiferzange. Deshalb, beim Werkzeugwechsel muß die Greiferzange zuerst das Werkzeug von der Hauptspindel der Werkzeugmaschine abnehmen und in das Werkzeugmagazin zurückstellen. Danach greift sie wieder das gebrauchte Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin und legt es auf die Hauptspindel, dann kehrt wiederum zum ursprünglichen Bewegungspunkt zurück. Dabei wird der ganze Werkzeugwechselvorgang erst vollendet. Bei diesem Werkzeugwechselvorgang werden viele Zeiten verbraucht, und deswegen kommt des zur Verminderung des Gesamtnutzungseffekts der Werkzeugmaschine.

Um die Mängel des obengenannten Werkzeugwechslers für das Universalbearbeitungszentrum zu überwinden, hat der Erfinder durch seine fleißige Forschungsarbeit, mit den Erfahrungen bei seiner damit zusammenhängenden Produktentwicklung durch mehrmalige Versuche und Verbesserungen schließlich diese Erfindung gewonnen.

Der Hauptzweck dieser Erfindung besteht darin, einen Senkrecht- Werkzeugwechsler mit einfacher Konstruktion und niedrigen Kosten zu liefern.

Der andere Zweck dieser Erfindung liegt darin, einen Senkrecht- Werkzeugwechsler zu liefern, der den schnellen Werkzeugwechsel durchführen kann, damit die Wartezeit der Werkzeugmaschine beim Werkzeugwechsel vermindert werden kann. Um das obengesagte sowie andere Zwecke zu verwirklichen, sind bei dieser Erfindung die technischen Methoden, Elemente, die Anschlüsse zwischen den Elementen und ihre Leistungen nach dem optimalen Durchführungsbeispiel angewandt worden.

Die betreffende Zeichenerklärung:

Fig. 1 ist Stereobild der Erfindung,

Fig. 2 ist seitige Schnittansicht, die die innere Konstruktion dieses Werkzeugwechslers zeigt,

Fig. 3 ist schematische Darstellung der Bewegung für die Erfindung, die die Bewegungsart des Werkzeugwechslers zeigt,

Fig. 4 ist Vogelschau des Werkzeugwechslers beim Werkzeug-greifen/legen aus dem Werkzeugmagazin,

Fig. 5 ist Teilgrundriß des Parallelkonjugationsnockens.

Bezugszeichenliste

1 Universalbearbeitungszentrum
2 Maschinengestell
3 Spindelkopf
4 Werkzeugmagazin
5 Induktionsmotor
6 Großarm
7 Hydrozylinder
8 Traggestell
9 Kleinarm
10 Greiferzange
11 Greiferzange
12 Kurbel
13 Führungsstange
14 feststehende Stütze
15 Hydrozylinder
16 Hauptspindel
17 Antriebswelle
18 Parallelnockenpaar
19 Drehscheibe
20 Riemenscheibe
21 Nockenstößel
22 zahnförmiger Riemen
23 Abtriebswelle
24 Drehachse
28 Lager
29 Senkrechtspindel
30 Lagerbock
31 Befestigungsschraube
32A Lager
32B Lager
33 Riemenscheibe
34 Kolbenstange
35 Werkzeug
40 zu wechselnder Werkzeugplatz
41 Werkzeugplatz
42 Platz für Werkzeugaufnahme/ Werkzeugeinlegen
43 Lage für Werkzeugeinlegen
44 Lage für Werkzeugaufnahme
45 Schubstange

Ausführliche Erklärung

Sehen sie Fig. 1 und 2! Die Erfindung "Senkrecht-Werkzeugwechsler" enthält hauptsächlich: eine feststehende Stütze 14, ein Traggestell 8 und einen Großarm 6 sowie eine Senkrechtspindel 29, außerdem noch eine Kurbel.

Die feststehende Stütze 14 wird am Maschinengestell 2 der Universalbearbeitungsmaschine 1 befestigt oder von der Universalbearbeitungsmaschine 1 getrennt gelegt. Das Traggestell 8 liegt auf der feststehenden Stütze 14 und kann sich nach oben und nach unten wiederholt verschieben. Das Traggestell 8, dessen Unterseite an der Oberseite der Führungsstange 13 befestigt wird und mit einer Schubstange 45 des Ölzylinders 15 auf der feststehenden Stütze 14 verbunden wird, wird vom Ölzylinder 15 angetrieben und von der Führungsstange 13 eingeleitet, sowie kann sich stabil nach oben und nach unten wiederholt verschieben. Ein Großarm 6, der sich auf dem Traggestell 8 befindet, kann horizontal schwenken. Der Großarm 6 sieht wie Form "L" aus, und er besteht aus einer senkrechten Säule und einer waagrechten Auskragung. An der Unterseite der senkrechten Säule des Großarms gibt es eine Lagerbohrung, in der ein Lager 28 liegt. Auf dem Traggestell 8 wird eine Senkrechtspindel 29 aufgestellt. Die Senkrechtspindel 29 kooperiert mit dem obengenannten Lager 28 aufeinander, damit der Großarm mit dieser Spindel als Zentrum geschwenkt werden kann. Außerdem, an der Sohle der Senkrechtsäule vom Großarm erstreckt sich eine Kurbel 12. Diese Kurbel 12 wird von einem Hydrozylinder 15 angetrieben. Dadurch wird der Großarm zur Schwenkung bewogen.

Ein Kleinarm 9 wird mit waagrechtem Auskragungsend des Großarms verknüpft. Der Kleinarm 9 befindet sich unter der Drehachse 24. Der Kleinarm 9 und die Drehachse 24 sind miteinander senkrecht. Die durch Lager 32A, 32B betriebene Drehachse 24 wird am Großarm 6 montiert, so daß sich der Kleinarm 9 und Großarm 6 gegenbewegen können.

Der Kleinarm 9 trägt zwei Greiferzangen 10, 11. Der Kreuzungswinkel zwischen zwei Greiferzangen 10, 11 und der Drehachse 24 ist 90 Grad. Der Kleinarm 9 kann mit dieser Drehachse 24 als Zentrum und mit geteiltem Gleichwinkel von 90 Grad schwenken, damit die Positionen für zwei Greiferzangen 10, 11 verändert werden können. Zwei Greiferzangen 10, 11 können dadurch mit Bewegungsvorgängen des Großarms 6 und den Werkzeugplätzen sowie der Position der Hauptspindel 16 koordiniert werden und zwei Greiferzangen 10, 11 können richtige Werkzeugwechselbewegungen durchführen.

Wie Abb. 2 zeigt, daß der Kleinarm 9 durch einen Induktionsmotor 5 angetrieben wird. Der Induktionsmotor 5, der eine Antriebswelle 17 zur Drehung antreibt, wird durch einen Lagerbock 30 auf dem Großarm 6 montiert. Auf der Antriebswelle 17 befindet sich ein Satz Parallelnockenpaare 18. Das parallele Nockenpaar 18 treibt noch eine Drehscheibe 19, die die Abtriebswelle 23 dreht. An der Antriebswelle 23 befindet sich eine Riemenscheibe 20, und an der Drehachse 24 auch eine Abtriebsriemenscheibe 33, deren Durchmesser so groß wie bei Riemenscheibe 20 ist, die Riemenscheibe 20 und die Abtriebsriemenscheibe 33 werden dann durch den Zahnförderriemen 22 verbunden, der die Drehachse 24 über die Abtriebswelle 23 auf gleiches Geschwindigkeitsverhältnis dreht.

Die Konstruktion und Passung des parallelen Nockenpaars 18 und der Drehscheibe 19 sind wie im Bild 5 dargestellt. Der wesentliche Zweck dieses parallelen Nockenpaares 18 liegt darin, daß das den kleinen Arm zur Drehung auf den isogonalen Index antreibt. Das parallele Nockenpaar 18 ist ein Satz flachen Nocken, der aufeinander und parallel an der Antriebswelle 17 befestigt wird, auf den Ober- und Rückseiten der Drehscheibe 19 liegen je 4 Nockenstößel 21 in der isogonalen 90° Anordnung, und die Anordnungswinkel der 2 Sätze Nockenstößel 21 auf der Ober- und Rückseiten der Drehscheibe 19 sind nacheinander in Versetzungsabstände. Das parallele Nockenpaar 18 versieht sich mit besonderer Nockenkurve und kann einige Nockenstößel 21 treiben, daraus ergibt sich die intermittierende einmal isogonale 90° Drehungsbewegung um die Abtriebswelle 23, damit kann die Abtriebswelle 23 den kleinen Arm 9 zur Drehungsbewegung auf isogonalen Index antreiben.

Da das parallele Nockenpaar 18 ein allgemeines mechanisches intermittierendes Getriebe ist, deshalb ist das andere betreffende technische Detail hier nicht mehr beschrieben. Außerdem zwischen der Antriebswelle 17 und der Abtriebswelle 23 können auch andere intermittierende Getriebe benutzen, wie Malteserkreuzgetriebe oder andere Getriebe können ebenfalls den Zweck erreichen, den kleinen Arm 9 auf exakt isogonalen Indes zu drehen.

Bei der Betätigungsweise der Erfindung wird der lange Arm 6 durch den Hydrozylinder 7 zur Schwenkung betätigt und damit erreichen die Greiferzangen 10, 11 auf dem kleinen Arm 9 die richtige Position, wobei das Werkzeug abgenommen wird, des Werkzeugmagazins 4 und die richtige Position, wobei das Werkzeug gewechselt wird, des Hauptspindels 16 der Werkzeugmaschine. Dann mittels der Drehung des kleinen Arms 9 auf isogonalen Index werden die Positionen der zwei Greiferzangen 10, 11 miteinander ausgetauscht, damit erfolgen die zwei Greiferzangen 10, 11 nacheinander die Werkzeugabnahme aus dem Hauptspindel 16 und dann die Aufnahme des Werkzeugs, das aus dem Werkzeugmagazin 4 abgenommen wird, in den Hauptspindel 16, das bedeutet, daß das Programm des Werkzeugwechsels in einem Fahrweg durchgeführt wird, dadurch die Wartezeit der Werkzeugmaschine wesentlich bei Werkzeugwechsel eingespart wird.

Die relative Position zwischen den einzelnen Bewegungspunkten und die relative Winkelposition werden nach dem Abstand und der Position zwischen dem Hauptspindel der Werkzeugmaschine und Werkzeugmagazin 4 angeordnet, und die Bewegung der jeden Baugruppe wird durch PLC mit Induktivitätstaster gesteuert, damit kann diese Werkzeugwechseleinrichtung den richtigen Werkzeugwechsel durchführen, das Bewegungsprogramm und die Bewegungsweise werden genau wie folgendes mit den Bildern beschrieben:

(1) Zunächst steht der große Arm 6 auf der zu werkzeugwechselnden Position 40 wie im Bild 3, ein bestimmter Kreuzungswinkel bildet zwischen dem kleinen Arm 9 und großem Arm 6, in den Greiferzangen 10, 11 sind kein Werkzeug. Wenn NC den Befehl für den Werkzeugwechsel gibt, startet das Signal das Werkzeugmagazin 4, das das richtige Werkzeug auf die richtige Position und in die Lage 44 für Werkzeugabnahme, verschiebt, wobei das Werkzeug die Abnahme durch die Greiferzange 10 bzw. 11 erwartet, danach schiebt der Hydrozylinder 7 mittels der Kolbenstange 34 die Kurbel 12 an dem großen Arm, die den großen Arm zur Bewegung gegen Uhrzeigersinn betätigt, so daß die Greiferzange 10 das richtige Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin abnimmt, dann schiebt der Hydrozylinder 7 wieder mittels der Kolbenstange 34 die Kurbel 12 an dem großen Arm 6 zur Schwenkung im Uhrzeigersinn, wobei die Kurbel 12 den kleinen Arm 9 mit dem Werkzeug, das durch die Greiferzange 10 gegriffen wird, bis unter die Hauptspindel 16 verschiebt.

(2) Nachdem der große Arm einen Winkel geschwenkt hat, startet anderes Signal einen Motor 5, der das parallele Nockenpaar 18 zur Drehung im Uhrzeigersinn antreibt, und der kleine Arm 9 wird durch den Antrieb der Riemenscheiben 20, 33 auch auf einen Index im Uhrzeigersinn gedreht, der konstruierte Winkel des kleinen Arms 9, der zwischen der anderen Greiferzange 11 ohne Werkzeug und der Werkzeugwechselposition 41, die der große Arm 6 erreicht, bildet, läßt die Greiferzange 11 in die Position eintreten, wobei das Werkzeug im Hauptspindel aufgespannt wird, wenn der Kleinarm einen Index dreht, und daraus kann sich die Interferenz mit dem Werkzeugflansch auf dem Hauptspindel 16 nicht ergeben.

(3) Nach der Mittellinie der Greiferzange 11 die Mittellinie des Hauptspindels 16 ausrichtet, startet das Signal die Einrichtung im Spindelkopf 3, die das Werkzeug zieht und löst, das gelöste originale Werkzeug auf der Spindelbohrung fällt durch die Schiebung und den Ziehen in die Greiferzange 11 und wird dadurch festgehalten. Dann startet das Signal das Magnetventil beim Hydrozylinder 15, das den Hydrozylinder 15 betätigt, der das Traggestell 8 nach unten senkt, dadurch entfernt sich das Werkzeug vollständig vom Hauptspindel 16.

(4) Das Signal startet den Induktionsmotor, der den parallelen Nocken für Index antreibt, der den kleinen Arm zur Drehung auf einen Index im Uhrzeigersinn treibt, zur Zeit wird das neue Werkzeug in der Greiferzange 11 gerade unter den Hauptspindel 16 aufgenommen.

(5) Das Signal startet den Hydrozylinder 15, der das Traggestell hebt, das das neue Werkzeug in die Spindelbohrung steckt, danach startet das Signal die Einrichtung im Spindelkopf 3, die das Werkzeug zieht und löst, dadurch wird das Werkzeug festgezogen.

(6) Das Signal startet den Hydrozylinder 7, der den großen Arm gegen den Uhrzeigersinn zurück zur Position 42 neben dem Werkzeugmagazin zieht, bei der das Werkzeug abgenommen und aufgenommen wird. Wenn der große Arm einen Winkel schwenkt, aber noch nicht die Position für die Werkzeugabnahme und Werkzeugaufnahme erreicht, startet das Signal den Induktionsmotor 5, der den kleinen Arm zur Drehung für einen Index im Uhrzeigersinn treibt, damit aus der Lage 43, wobei die Greiferzange 11 das Werkzeug zurück in das Werkzeugmagazin bringt, ergibt sich keine Interferenz mit anderen Werkzeugen auf dem Werkzeugmagazin (wie im Bild 4).

(7) Das Signal startet den Hydrozylinder 7, der den großen Arm aus der Position 42 für Werkzeugabnahme und Werkzeugaufnahme bis auf die Position für Werkzeugwechsel 40 schiebt, danach den Motor 5, der den kleinen Arm zur Drehung für einen Index und wieder zurück in die Lage 40 für die zu werkzeugwechselnde Position in Schritt (1) treibt, also wird der Vorgang des Werkzeugwechsels erfüllt.

Aus der vorstehenden Beschreibung erfährt, daß die Erfindung in einem Fahrweg die Werkzeugabnahme und Werkzeugwechsel ausführen kann, dadurch die Wartezeit auf Werkzeugwechsel bei der Werkzeugmaschine wirksam gesenkt wird, und zwar das verwendete Mechanismus, die Konstruktion der allen Antriebselemente und ihre Hilfsstellung sehr einfach und dadurch die Fertigungskosten besonders billig sind.

Claims

1. Eine senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung für das universale Bearbeitungszentrum versieht mit:
einem großen Arm, der sich auf dem Traggestell befindet, und horizontal schwenken kann, das auf der fixen Stütze setzt, durch einen Hydrozylinder in vertikale Richtung und eine Führungsstange nach oben und unten geschoben werden kann;
einem kleinen Arm, der am Ende des großen Arms sitzt, und horizontal gedreht werden kann;
einer Einrichtung, die den großen Arm zur horizontalen Schwenkung antreiben kann.
Diese Werkzeugwechseleinrichtung ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Arm sich mit zwei Greiferzangen, die sich mit dem kleinen Arm um die Drehachse des kleinen Arms dreht, und mit einem Satz Einrichtung, die den kleinen Arm zur Drehung auf einen isogonalen Index antreibt, versieht; und daß der goße Arm mittels vorstehender Kombination den kleinen Arm in Bewegung bis auf die Position, wobei das Werkzeug auf dem Werkzeugmagazin des oben genannten universalen Bearbeitungszentrums abgenommen und aufgenommen wird, und bis untere Hauptspindel des universalen Bearbeitungszentrums, dann noch mittels der Drehung des kleinen Arms auf einen isogonalen Index und mit der Bewegung des großen Arms nach oben und unten, die zwei Greiferzangen, die das Werkzeug aus dem Hauptspindel abnehmen und es zurück zum Werkzeugmagazin aufnehmen, und das Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin abnehmen dann in die Hauptspindel aufnehmen, treiben kann.

2. Senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung, die den kleinen Arm zur Drehung auf einen Index antreibt, daraus besteht:
einem Induktionsmotor, der sich an der Oberseite des großen Arms setzt und mit einer Antriebswelle versieht;
einem intermittierenden Getriebe, das durch die Antriebswelle des Induktionsmotors angetrieben wird, die die Antriebswelle zur Drehung auf den isogonalen Index antreibt;
einem Satz Getrieberäder, die die Abtriebswelle mit der Drehachsenmitte des kleinen Arms verbindet, die den kleinen Arm in Drehungsbewegung auf gleiche Geschwindigkeitsverhältnisse zur Abtriebswelle treibt.

3. Senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung nach Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Einrichtung, die den kleinen Arm zur Drehung auf isogonalen Index 90° treibt, sich auf isogonalen Index dreht.

4. Senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung nach Anspruch 2, wobei das intermittierende Getriebe ein paralleles Nockenpaar für den Index sein kann.

5. Senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Einrichtung, die den großen Arm in horizontale Schwenkung antreibt, ein Hydrozylinder ist, dessen Kolbenstange die Kurbel auf dem großen Arm verbindet, die den großen Arm in die Schwenkung betätigen kann.

6. Senkrechte Werkzeugwechseleinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen den zwei Greiferzangen und der Drehachse des kleinen Arms 90° ist.