WO2022268757A1 - Verfahren zum werkzeugwechsel an einer werkzeugmaschine sowie werkzeugmaschine - Google Patents

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WO2022268757A1
WO2022268757A1 PCT/EP2022/066795 EP2022066795W WO2022268757A1 WO 2022268757 A1 WO2022268757 A1 WO 2022268757A1 EP 2022066795 W EP2022066795 W EP 2022066795W WO 2022268757 A1 WO2022268757 A1 WO 2022268757A1
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spindle
clamping system
machine
honing
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Michael GUMBOLD
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Kadia Produktion Gmbh + Co.
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    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q3/00—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
    • B23Q3/155—Arrangements for automatic insertion or removal of tools, e.g. combined with manual handling

Definitions

  • the invention relates to a method for changing tools on a machine tool, in which a tool is coupled to a tool holder of a tool spindle of the machine tool or decoupled from the tool holder, and a machine tool configured to carry out the method.
  • One area of application is the replacement and replacement of a honing tool on the tool spindle of a honing machine.
  • Machine tools are machines for manufacturing workpieces using tools (machine tools), the movement of which relative to one another is specified by the machine tool.
  • Machine tools of the type considered here work with rotary tools, ie with machine tools whose working movement includes a rotation about a tool axis at least in phases.
  • the machine tool has at least one tool spindle which, in response to control signals from a control unit of the machine tool, can be rotated about a spindle axis by means of a rotary drive.
  • a tool holder is located at a free end of the tool spindle, which is used for the mechanical coupling of an exchangeable tool and thereby forms a part of a tool interface on the spindle side.
  • the tool holder in the tool spindle serves to center and support the tool in the tool holder of the tool spindle during automatic or manual tool changes.
  • the tool holder is often designed in the form of an inner cone, the contour of which is adapted to the conical outer contour of a shank section of a tool.
  • the shank section can be designed, for example, as a Morse taper, a steep taper or a hollow shank taper.
  • tool holders with an almost cylindrical holder contour e.g. hydraulically operated hydraulic expansion chucks.
  • the tool spindle also has components of a tool-clamping system which, when the tool is coupled and uncoupled, in response to control signals from the control unit between a joining position and a Clamping position is switchable.
  • a tool-clamping system which, when the tool is coupled and uncoupled, in response to control signals from the control unit between a joining position and a Clamping position is switchable.
  • the joining position it is possible to insert the tool into the tool holder with a precise fit or to remove it from it.
  • the clamping position the tool clamping system is in engagement with an engagement section of the tool.
  • Such controllable tool clamping systems are sometimes also referred to as "active tool clamping systems”.
  • the tool clamping system is used to grip the shank portion of the tool mechanically with a form-fitting gripper system and z. B. by actuating a connected pull rod in the tool holder.
  • a tension bolt with a widened head section is formed on the shank section, on which the gripper system acts.
  • a machine tool suitable for honing e.g. a honing machine specially designed for honing
  • a honing tool adapted thereto has a tool body with a shank section and, on the opposite end section, a cutting area with one or more radially feedable cutting material bodies, which are usually attached to a cutting material carrier.
  • a cutting material carrier On its radial inner side, a cutting material carrier has at least one inclined surface running obliquely to the tool axis. This interacts with an infeed rod on the tool side, which is guided in an axially displaceable manner inside the tool body.
  • This feed rod has inclined surfaces which interact with the inclined faces of the honing stone in such a way that an axial displacement of the feed rod relative to the tool body causes a radial displacement of the cutting material body.
  • the effective diameter of the honing tool can thus be changed by axial infeed of the infeed rod.
  • the two-part structure of a honing tool requires that the shank section is correctly seated in the tool holder and that the feed rods are properly locked or coupled, since dirt, wear or manufacturing tolerances can cause problems.
  • This can be extremely time-consuming and complicated for an operator, since the main control panel is usually located outside the protected work area of the honing machine and is therefore not within reach of the operator working on the honing spindle. It is true that separate actuating elements within the working space could be closer to the tool spindle to be attached; however, these would be exposed to the processing media within the machine, which can lead to increased wear or failure.
  • the object of the invention is to simplify the tool change on machine tools with active tool clamping systems.
  • a solution that works reliably and at the same time can be implemented cost-effectively is to be provided.
  • the invention provides a method with the features of claim 1. Furthermore, a machine tool with the features of claim 10 is provided. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated into the description by reference.
  • the method can be used in particular when changing tools on a machine tool.
  • a tool (machine tool) is coupled or attached to a tool holder of the tool spindle of the machine tool or is decoupled or released from the tool holder.
  • the machine tool is designed in such a way that its tool spindle can be rotated about the spindle axis by means of a rotary drive in response to control signals from a control unit.
  • Machine tools are usually designed in such a way that other work movements of the tool spindle can be generated as an alternative or in addition to this inherent rotation, e.g. an axial movement.
  • the machine tool has an "active" tool clamping system.
  • a tool that fits the machine tool has a shank section that corresponds to the type of tool holder, as well as an engagement section for mechanical coupling to the tool clamping system on the machine or to its components installed in the tool spindle.
  • the tool clamping system by an active rotation of Tool spindle is actuated about the spindle axis by introducing a torque in the area of the tool-side end of the tool spindle. This torque must be large enough to rotate the tool spindle by a suitable angle of rotation around the spindle axis.
  • the rotation of the tool spindle for actuating the tool clamping system is not generated by the rotary drive of the tool spindle, which causes the spindle to rotate during operation.
  • the rotary drive can be switched torque-free for the actuation of the tool clamping system.
  • the tool spindle does not have to be in control.
  • the activation of the tool clamping system can therefore be initiated by actively rotating the tool spindle.
  • the actuation by an operator is thus triggered immediately where an operator intervenes anyway on the machine tool due to the tool change in order to change a tool and/or to change in a new tool.
  • the movement can be triggered exactly where the operator's hands are anyway. It can be actuated intuitively by turning it to the right or left, i.e. by working movements that are also known when actuating a screw or locking or unlocking a bayonet catch.
  • the method offers considerable advantages when the torque is directly introduced manually by an operator. No tool is required for this.
  • the method is also suitable for simplifying a semi-automatic or fully automatic tool change using a suitable handling system.
  • the torque can therefore also be introduced by means of a controllable manipulator.
  • a major advantage of this concept is that the tool spindle is a component that is already present in machine tools of the generic type, so that no additional hardware is required in this respect in order to implement the concept of the invention.
  • the tool spindle is only used here as part of the actuation of the tool clamping system as an actuating element of the tool clamping system.
  • no additional components are required that could fail, such as cable connections on secondary control panels or wiring of operating devices.
  • the invention not only brings considerable relief for an operator, but also serves to protect the tool, since additional manipulations to ensure correct installation are not necessary. An operator can concentrate fully on the manual activities when changing tools and does not have to worry about external operation, for example on an operating unit.
  • the externally initiated active rotation of the tool spindle can be detected in that the electric motor is used as a generator and a voltage signal induced by the rotation of the tool spindle is picked off at the electric motor and transmitted to the control unit and the control unit in response to receiving the voltage signal, controls the tool clamping system to switch between the joining position and the clamping position.
  • a fluid drive is provided as a rotary drive, e.g. a pneumatic or hydraulic drive
  • a volume flow of the drive fluid can be generated by the externally introduced rotation in the line system, which can be detected by a sensor.
  • the sensor signals can then be processed in order to initiate switching between the joining position and the clamping position via the controller.
  • Process variants are particularly favorable in which a rotational position of the tool spindle is detected by means of a rotary encoder connected to the control unit, a change in the rotational position of the tool spindle caused by the rotation is detected by means of the rotary encoder, rotary encoder signals corresponding to the rotation are transmitted to the control unit and the control unit, in response to receipt of the encoder signals, controls the tool clamping system for switching between the joining position and the clamping position.
  • This functionality can be implemented on the machine tool in that the tool clamping system has a rotary encoder, which is connected to the control unit in a signal-transmitting manner, for detecting a change in the rotary position of the tool spindle caused by the active rotation of the tool spindle, the control unit being configured in a tool change mode to Response to receiving rotary encoder signals from the rotary encoder to control the tool clamping system to switch between the joining position and the clamping position.
  • Old machines that are not yet configured according to the invention but have a rotary encoder can be easily retrofitted with software updates.
  • a computer program product which includes instructions which, when executed in a computer of the control unit, cause the control unit to control the tool clamping system upon receipt of rotary encoder signals from the rotary encoder in such a way that this is between the joining position and the clamping position is switched.
  • At least one feedback signal is generated when the joining position and/or the clamping position is reached, i.e. when the desired action of the machine tool is completed.
  • a feedback signal can, for example, be given optically (for example by lighting up an LED or the like) and/or acoustically (by a buzzer). It is also possible that a haptic feedback signal is generated in the form of a characteristic movement of the tool spindle, for example by activating the regulation of the spindle rotary drive.
  • the spindle can, for example, oscillate back and forth in the direction of rotation with a small stroke, so that this is perceived as vibration of the tool spindle.
  • the engagement section which is used for mechanical coupling to the spindle-side tool clamping system, can be formed in one piece with the shank section that is inserted into the tool holder.
  • Another category of tools are those in which the tool has a shank section that corresponds to the tool holder and an engagement section that is movable relative to the holder section for mechanical coupling to the tool clamping system on the spindle side.
  • An example of this are expandable honing tools, in which an infeed rod inside the tool has to be coupled in an axially form-fitting manner with an infeed rod on the machine side inside the tool spindle in order to actuate the expansion system of the honing tool by controlling an expansion drive of the machine tool.
  • the machine-side expansion system serves as a tool clamping system.
  • Exemplary embodiments of machine tools that are designed as honing machines have a tool clamping system that includes an expanding drive of the honing machine that acts on an axially displaceable feed rod inside the tool spindle.
  • FIG. 1 schematically shows a machine tool designed as a honing machine according to an exemplary embodiment
  • Exemplary embodiments of machine tools are described below that have a tool clamping system that can be actuated by an externally initiated, relatively small active rotation of the tool spindle about the spindle axis by manually or mechanically introducing a torque in the area of the tool-side end of the tool spindle. This allows tool changes to be carried out particularly quickly and conveniently.
  • the honing machine 100 is a computer numerically controlled machine tool whose controllable components are controlled via a central control unit 200 .
  • a workpiece 190 is clamped on a machining platform, the bore 192 of which is to be honed, e.g. cylindrically, with the aid of the honing tool 180.
  • the honing tool 180 is accommodated in a tool holder 175 at the lower end of a honing spindle 170 and is moved up and down together with the honing spindle in a vertical lifting movement during operation of the honing machine. As a result, the vertical movement component of the working movement of the honing tool is carried out.
  • the tool holder in the tool holder is designed as a hydraulically actuated hydraulic expansion chuck, which offers a substantially cylindrically designed receiving opening.
  • the tool holder that are filled with oil or grease.
  • the side walls around the receiving opening are very thin. If the pressure in the hydraulic system increases, the thin side walls are pressed around the tool shank of the tool used.
  • the honing spindle is movably mounted in a spindle housing 130 and can be rotated about its spindle axis 172 (longitudinal central axis) by means of a rotary drive 150 in the form of an electric motor integrated in the spindle housing.
  • the rotary drive 150 designed as a direct drive has a stator fixed to the housing, which encloses a rotor fixed to the spindle. The rotary component of the working movement of the honing tool is generated by the rotary drive.
  • a rotary sensor or rotary encoder 155 is provided which is connected to the control unit 200 in a signal-transmitting manner and which, in the case of a servomotor drive, can be integrated into the latter or provided separately from the drive.
  • the rotary position of the honing spindle can be recorded using the rotary encoder, for example for the purpose of control.
  • the honing spindle 170 can be driven in an oscillating manner parallel to its spindle axis 172 by means of a lifting drive 158 .
  • the lifting drive comprises an electric linear motor with a secondary part attached to a stand 102 of the honing machine 100 and a primary part that can be moved linearly relative to the secondary part.
  • the primary part which is supplied with electrical power, is integrated into a carriage 110, which is guided in a linearly displaceable manner on a vertical guide device.
  • the carriage 110 carries the spindle housing 130, which can thus be moved up and down vertically together with the carriage.
  • the primary part is the moving part and the secondary part is the stationary part of an electric linear motor.
  • an electric expansion drive 120 is provided, which is coupled directly or via an expansion gear to an infeed rod 122 that is axially movably guided inside the honing spindle 170 .
  • the housing, which surrounds the expansion drive, is arranged on the upper side of the spindle housing 130; it can be made in one piece with the housing of the spindle drive in order to form a stable monocoque housing.
  • the honing tool 180 has an essentially tubular tool body 181, which is fastened with one end section in a shank section 182 corresponding to the tool holder.
  • the free end section of the shank section is designed cylindrically to match the tool holder and then offers an axial stop through a widened section.
  • the honing tool has a cutting area with several honing stones.
  • Each of the honing stones is arranged in a receiving opening extending outwards from the interior of the tool body and has at least one inclined surface running obliquely to the tool axis on an inner side pointing in the direction of the tool axis (longitudinal central axis) of the tool body.
  • This tool-internal or tool-side infeed rod 185 has inclined surfaces (one or more) which interact with inclined surfaces of the honing stones in such a way that an axial displacement of the infeed rod relative to the tool body causes a radial displacement of the honing stones in the receiving openings.
  • the inclined surfaces are aligned in such a way that a displacement of the feed rod in the direction of the free end of the honing tool causes the honing stones to be fed radially outwards.
  • the honing unit with the spindle housing 130 and honing spindle 170 and the honing tool 180 accommodated therein is lowered far enough that the honing stones 183 of the honing tool (one or more) dip into the bore.
  • the honing spindle 170 is simultaneously moved back and forth (i.e., up and down) and rotated.
  • the effective diameter of the honing tool is gradually increased via the expansion drive.
  • the work movements are coordinated in such a way that a cross-hatch pattern typical of honing is created on the inner surface of the machined bore and the bore is given the desired diameter.
  • the feed rod 122 on the machine side or the honing spindle is mechanically coupled with the tool-side feed rod 185 during operation in order to be able to transmit axial tensile and compressive forces.
  • an engagement section 187 of the honing tool with a widened clamping head 188 is formed at the upper (spindle-side) end of the feed rod 185 for this purpose.
  • a collet chuck 165 is attached to the tool-side end of the spindle-side feed rod, which collet chuck 165 can be opened and closed via control signals from the control unit 200 in order to positively engage the engagement section 187 in the axial direction.
  • the infeed rod 122 which can be moved axially via the expansion drive 120, and the collet chuck 165 attached to it are components of a tool clamping system 160 which, when the honing tool 180 is coupled and uncoupled, reacts to control signals from the control unit 200 between a clamping position with engagement on an engagement section 187 of the tool and a joining position or release position can be switched. In the joining position, it is possible to insert the honing tool with a precise fit into the tool holder 175 or to remove it therefrom without colliding with the collet 165 .
  • the shank section 182 of the honing tool When changing such a honing tool, the shank section 182 of the honing tool must be inserted or inserted with a precise fit into the tool holder 175 . Furthermore, the tool-side feed rod 185 must be positively coupled to the tool-side feed rod 122 in the axial direction so that axial forces can be transmitted.
  • the honing tool 180 can be changed as follows, for example. First, the honing tool is still inserted into the tool holder 175 after a previous productive operation and the collet 165 of the tool clamping system is still in engagement with the clamping section 187 at the upper end of the tool-side infeed rod.
  • the operator first opens the working space of the honing machine with the tool spindle stationary (not rotating) and grasps the honing tool 180 with one hand.
  • the hydraulic expansion chuck 175 of the tool holder could be released using a screwing tool, for example.
  • the tool clamping system of the honing machine which is controlled via the expansion drive, is still in engagement with the widened head on the engagement section 187 via the collet 165.
  • the actuation of the feed rod 122 on the machine does not have to be an electric motor. It is also possible to bring about this movement by means of a pneumatic system or a hydraulic system.
  • connection between the machine-side and tool-side feed rods not only by axial relative movements, but alternatively or additionally also by a rotary movement, for example by screwing the machine-side feed rod to the upper end of the tool-side feed rod or first pushing it on or pushing it on and then locked by turning.
  • a bayonet connection is also possible, locking against unintentional loosening can be initiated by turning the tool spindle.
  • FIG. 3 shows the free end of a tool spindle 370 of a machining center or milling machine.
  • the tool holder 375 formed at the free end is in the form of an inner cone, the contour of which is adapted to the conical outer contour of the shank section 382 of the machine tool 380, which in the example is a multi-part milling tool.
  • a tool insert 382 in the form of an end milling cutter is inserted into the tool holder 381, which is sometimes also referred to as a tool holder and holds the shank section 382.
  • the tool holder can be, for example, a shrink fit chuck or a collet chuck or a hydraulic expansion chuck.
  • the shank section 382 can be designed, for example, in the form of a Morse taper or a steep taper or a hollow shank taper or a polygon shank taper. Integral with The shank section 382 has an engagement section 387 in the form of a tension bolt with a widened clamping head 388 on the side facing away from the tool insert.
  • the tool-clamping system 360 on the machine includes a pull rod 322, which is guided axially displaceably inside the tool spindle 370 and has a collet 365 attached to its tool-side end for engaging the widened head 388 of the pull bolt.
  • the tool clamping system can engage the draw bolt in a form-fitting manner and reliably pull the tool into the tool holder 375 by pulling back the draw bar 322 on the machine.
  • This tool clamping system is actuated when such tools are exchanged and exchanged, analogously to the previous example, by actively rotating the tool spindle 370.
  • This tool clamping system is actuated when such tools are exchanged and exchanged, analogously to the previous example, by actively rotating the tool spindle 370.
  • a pneumatically or hydraulically effected axial movement of the collet 365 is provided with simultaneous closing.
  • Other implementation options are also possible; instead of an axial movement, a rotary movement for coupling and decoupling can also be provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automatic Tool Replacement In Machine Tools (AREA)

Abstract

Bei einem Verfahren zum Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine wird ein Werkzeug (180) an eine Werkzeugaufnahme (175) einer Werkzeugspindel (170) der Werkzeugmaschine angekoppelt oder von der Werkzeugaufnahme abgekoppelt. Die Werkzeugspindel (170) ist in Reaktion auf Steuersignale einer Steuereinheit mittels eines Drehantriebs um eine Spindelachse (172) drehbar. Die Werkzeugspindel (170) weist Komponenten eines Werkzeug-Spannsystems (160) auf, das beim Ankoppeln und Abkoppeln des Werkzeugs in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit zwischen einer Spannposition mit Eingriff an einem Eingriffsabschnitt (187) des Werkzeugs und einer Fügeposition umschaltbar ist. Das Werkzeug (180) weist einen zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt (182) und einen Eingriffsabschnitt (187) zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem (160) auf. Das Werkzeug-Spannsystem (160) wird durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel (170) um die Spindelachse (172) betätigt, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel (170) ein Drehmoment eingeleitet wird.

Description

Verfahren zum Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine sowie Werkzeugmaschine
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine, worin ein Werkzeug an eine Werkzeugaufnahme einer Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine angekoppelt oder von der Werkzeugaufnahme abgekoppelt wird, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens konfigurierte Werkzeugmaschine.
Ein Anwendungsgebiet ist das Auswechseln und Einwechseln eines Honwerkzeugs an der Werkzeugspindel einer Honmaschine.
Werkzeugmaschinen sind Maschinen zur Fertigung von Werkstücken mithilfe von Werkzeugen (Maschinenwerkzeugen), deren Bewegung zueinander durch die Werkzeugmaschine vorgegeben wird. Werkzeugmaschinen der hier betrachteten Art arbeiten mit Rotationswerkzeugen, also mit Maschinenwerkzeugen, deren Arbeitsbewegung wenigstens phasenweise eine Rotation um eine Werkzeugachse umfasst. Dazu weist die Werkzeugmaschine mindestens eine Werkzeugspindel auf, die in Reaktion auf Steuersignale einer Steuereinheit der Werkzeugmaschine mittels eines Drehantriebs um eine Spindelachse drehbar ist. An einem freien Ende der Werkzeugspindel befindet sich eine Werkzeugaufnahme, die der mechanischen Ankopplung eines austauschbaren Werkzeugs dient und dadurch einen spindelseitigen Teil einer Werkzeugschnittstelle bildet. Bei einem Werkzeugwechsel wird ein nicht mehr benötigtes Werkzeug von der Werkzeugaufnahme abgekoppelt und ein anderes Werkzeug an die Werkzeugaufnahme angekoppelt. Die Werkzeugaufnahme in der Werkzeugspindel dient dazu, beim automatischen oder manuellen Werkzeugwechsel das Werkzeug in der Werkzeugaufnahme der Werkzeugspindel zu zentrieren und abzustützen.
Die Werkzeugaufnahme ist häufig in Form eines Innenkonus ausgebildet, dessen Kontur an die konische Außenkontur eines Schaftabschnitts eines Werkzeugs angepasst ist. Der Schaftabschnitt kann beispielsweise als Morsekegel, Steilkegel oder Hohlschaftkegel gestaltet sein. Es gibt auch Werkzeugaufnahmen mit annähernd zylindrischer Aufnahmekontur, z.B. hydraulisch betätigbare Hydrodehnspannfutter.
Bei gattungsgemäßen Werkzeugmaschinen weist die Werkzeugspindel weiterhin Komponenten eines Werkzeug-Spannsystems auf, das beim Ankoppeln und Abkoppeln des Werkzeugs in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit zwischen einer Fügeposition und einer Spannposition umschaltbar ist. In der Fügeposition ist es möglich, das Werkzeug in die Werkzeugaufnahme passgenau einzusetzen oder es daraus zu entnehmen. In der Spannposition steht das Werkzeug-Spannsystem in Eingriff mit einem Eingriffsabschnitt des Werkzeugs. Solche steuerbaren Werkzeug-Spannsysteme werden gelegentlich auch als „aktive Werkzeug-Spannsysteme“ bezeichnet.
Ein dazu passendes Werkzeug weist einen zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt und einen Eingriffsabschnitt zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem auf.
In manchen Fällen dient das Werkzeug-Spannsystem dazu, den Schaftabschnitt des Werkzeugs mechanisch mit Hilfe eines Greifersystems formschlüssig zu greifen und z. B. durch Betätigung einer angeschlossenen Zugstange in die Werkzeugaufnahme einzuziehen. Solche Lösungen findet man z.B. an Bearbeitungszentren, um ein Fräswerkzeug oder ein anderes Rotationswerkzeug fest einzuspannen. Am Schaftabschnitt ist dazu ein Zugbolzen mit verbreitertem Kopfabschnitt ausgebildet, an dem das Greifersystem angreift.
Es gibt auch aktiv steuerbare Werkzeuge, deren Wirkabmessungen durch externen Eingriff verändert werden können. Diese können mittels eines maschinenseitig steuerbaren Werkzeug- Spannsystems betätigt werden. Hier kann der Eingriffsabschnitt gegenüber dem Schaftabschnitt beweglich ausgeführt sein. Ein Beispiel dafür sind aufweitbare Honwerkzeuge.
Das Honen ist bekanntlich ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt und eine ständige Flächenberührung zwischen einem oder mehreren Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs und der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche vorliegt. Die Kinematik eines aufweitbaren Honwerkzeugs ist charakterisiert durch eine Überlagerung einer Drehbewegung, einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden, oszillierenden Hubbewegung und einer Aufweitbewegung, die zu einer Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs führt. An der Bohrungsinnenfläche ergibt sich in der Regel eine Oberflächenstruktur mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren. Durch Honen endbearbeitete Oberflächen können extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen genügen, so dass viele hoch belastete Gleitflächen in Motoren oder Motorbauteilen, z.B. Zylinderlaufflächen in Motorblöcken oder Bohrungsinnenflächen in Gehäusen von Einspritzpumpen, durch Honen bearbeitet werden. Eine zum Honen geeignete Werkzeugmaschine (z.B. eine speziell zum Honen ausgelegte Honmaschine) weist eine Werkzeugspindel (Honspindel) auf, die in einem Spindelgehäuse beweglich gelagert, mittels eines Drehantriebs um ihre Spindelachse (Längsmittelachse) drehbar und mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse oszillierend antreibbar ist. An einem werkzeugseitigen Ende weist die Honspindel eine Werkzeugaufnahme für ein aufweitbares Honwerkzeug auf. Für die Aufweitung des Honwerkzeugs ist ein Aufweitsystem mit einem Aufweitantrieb vorgesehen, der direkt oder über ein Aufweitgetriebe auf eine im Inneren der Honspindel verlaufende, maschinenseitige Zustellstange wirkt, die mittelbar oder unmittelbar eine radiale Verschiebung von Schneidstoffkörpern des Honwerkzeugs bewirkt.
Ein daran angepasstes Honwerkzeug hat einen Werkzeugkörper mit einem Schaftabschnitt und am gegenüberliegenden Endabschnitt einen Schneidbereich mit einem oder mehreren radial zustellbaren Schneidstoffkörpern, die meist auf einem Schneidstoffträger befestigt sind. Ein Schneidstoffträger weist an seiner radialen Innenseite mindestens eine schräg zur Werkzeugachse verlaufende Schrägfläche auf. Diese wirkt mit einer im Inneren des Werkzeugkörpers axial verschiebbar geführten werkzeugseitigen Zustellstange zusammen. Diese Zustellstange hat Schrägflächen, die mit Schrägflächen der Honleisten derart Zusammenwirken, dass eine axiale Verschiebung der Zustellstange relativ zum Werkzeugkörper eine radiale Verschiebung der Schneidstoffkörper bewirkt. Durch axiale Zustellung der Zustellstange lässt sich somit der wirksame Durchmesser des Honwerkzeugs verändern.
Beim Einwechseln eines solchen Honwerkzeugs muss der Schaftabschnitt des Honwerkzeugs passgenau in die Werkzeugaufnahme eingesetzt werden. Weiterhin muss die werkzeugseitige Zustellstange in Axialrichtung formschlüssig in definierter Weise mit der werkzeugseitigen Zustellstange gekoppelt werden, damit axiale Kräfte übertragen werden können. Beim Auswechseln muss der Formschluss zwischen den Zustellstangen wieder aufgehoben werden.
Der zweiteilige Aufbau eines Honwerkzeugs bedarf beim Einbau aus Gründen der Sicherheit einer Kontrolle sowohl des passgenauen Sitzes des Schaftabschnitts in der Werkzeugaufnahme als auch der richtigen Verriegelung bzw. Kopplung der Zustellstangen, da es durch Verschmutzung, Verschleiß oder Fertigungstoleranzen hier zu Problemen kommen kann. Dies kann für einen Bediener äußerst zeitaufwändig und kompliziert sein, da in der Regel das Hauptbedienpult außerhalb des geschützten Arbeitsraums der Honmaschine und damit nicht in Griffweite des an der Honspindel arbeitenden Bedieners angeordnet ist. Zwar könnten gesonderte Betätigungselemente innerhalb des Arbeitsraums näher an der Werkzeugspindel angebracht werden; diese würden jedoch innerhalb der Maschine den Bearbeitungsmedien ausgesetzt sein, was zu erhöhtem Verschleiß oder Ausfall führen kann.
AUFGABE UND LÖSUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Werkzeugwechsel an Werkzeugmaschinen mit aktiven Werkzeug-Spannsystemen zu vereinfachen. Insbesondere soll eine zuverlässig arbeitende und gleichzeitig kostengünstig realisierbare Lösung bereitgestellt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Verfahren kann insbesondere beim Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine genutzt werden. Bei einem Werkzeugwechsel wird ein Werkzeug (Maschinenwerkzeug) an eine Werkzeugaufnahme der Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine angekoppelt bzw. befestigt oder von der Werkzeugaufnahme abgekoppelt bzw. gelöst wird. Die Werkzeugmaschine ist so ausgelegt, dass ihre Werkzeugspindel in Reaktion auf Steuersignale einer Steuereinheit mittels eines Drehantriebs um die Spindelachse gedreht werden kann. Meist sind die Werkzeugmaschinen so ausgelegt, dass noch weitere Arbeitsbewegungen der Werkzeugspindel alternativ oder zusätzlich zu dieser Eigenrotation erzeugt werden können, z.B. eine axiale Bewegung. Die Werkzeugmaschine weist ein „aktives“ Werkzeug-Spannsystem auf. Die Werkzeugspindel weist Komponenten dieses aktiven Werkzeug-Spannsystems auf, das beim Ankoppeln oder Abkoppeln eines Werkzeugs in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit zwischen einer Spannposition mit Eingriff an einem Eingriffsabschnitt des Werkzeugs und einer Fügeposition umgestellt werden kann. In der Fügeposition kann das Werkzeug in die Werkzeugaufnahme eingesetzt oder aus dieser entnommen werden. In der Spannposition ist das Werkzeug fest eingespannt und kann nur nach Beendigung des Eingriffs wieder von der Werkzeugaufnahme gelöst werden.
Ein zur Werkzeugmaschine passendes Werkzeug hat einen Schaftabschnitt, der zur Art der Werkzeugaufnahme korrespondiert, sowie einen Eingriffsabschnitt zum mechanischen Koppeln mit dem maschinenseitigen Werkzeug-Spannsystem bzw. mit dessen in der Werkzeugspindel verbauten Komponenten. Bei einem Verfahren gemäß der beanspruchten Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkzeug-Spannsystem durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel um die Spindelachse betätigt wird, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel ein Drehmoment eingeleitet wird. Dieses Drehmoment muss ausreichend groß sein, um die Werkzeugspindel um einen geeigneten Drehwinkel um die Spindelachse drehen zu können.
Zum Verständnis des Konzepts sei noch erwähnt, dass die Drehung der Werkzeugspindel zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems nicht durch den Drehantrieb der Werkzeugspindel erzeugt wird, der im Betrieb die Spindeldrehung bewirkt. Der Drehantrieb kann für die Betätigung des Werkzeug-Spannsystems momentenfrei geschaltet sein. Die Werkzeugspindel muss nicht in Regelung sein.
Die Aktivierung des Werkzeug-Spannsystems kann also durch aktives Drehen der Werkzeugspindel initiiert werden. Die Betätigung durch einen Bediener wird somit unmittelbar dort ausgelöst, wo ein Bediener wegen des Werkzeugwechsels ohnehin an der Werkzeugmaschine eingreift, um ein Werkzeug auszuwechseln und/oder ein neues Werkzeug einzuwechseln. Die Bewegung kann exakt dort ausgelöst werden, wo sich die Hände eines Bedieners ohnehin befinden. Die Betätigung kann intuitiv durch eine Rechtsdrehung oder eine Linksdrehung erfolgen, also durch Arbeitsbewegungen, die man auch bei der Betätigung einer Schraube oder beim Verriegeln oder Entriegeln eines Bajonettverschlusses kennt.
Das Verfahren bietet u.a. dann erhebliche Vorteile, wenn das Drehmoment unmittelbar manuell durch einen Bediener eingeleitet wird. Es wird dafür kein Hilfsmittel benötigt. Das Verfahren ist jedoch auch geeignet, um einen halbautomatischen oder vollautomatischen Werkzeugwechsel mithilfe eines geeigneten Handling-Systems zu vereinfachen. Das Drehmoment kann also auch mittels eines steuerbaren Manipulators eingebracht werden.
Vorzugsweise ist das System so ausgelegt, dass zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems weniger als eine volle Drehung der Werkzeugspindel notwendig ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen reicht eine Drehung um weniger als 180° oder weniger als 90° oder weniger als 60° oder um 45 ° oder weniger, um das Werkzeug-Spannsystem zu betätigen bzw. umzuschalten. Ein Bediener muss sich also nicht verrenken oder mehrfach umgreifen, um die zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems erforderliche Drehung zu bewirken. Um andererseits zufällige Betätigungen zu vermeiden, sollte der zur Betätigung des Werkzeug- Spannsystems erforderliche Drehwinkel nicht zu klein sein. Insbesondere sollte der Drehwinkel 10° oder mehr betragen, eventuell 20° oder mehr. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Werkzeug-Spannsystem durch eine aktive Drehung um einen Drehwinkel im Bereich zwischen 10° und 50° betätigt, z.B. um ca. 45°. Eine gemäß der beanspruchten Erfindung konfigurierte Werkzeugmaschine der in der Einleitung erwähnten Art zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkzeug-Spannsystem durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel um die Spindelachse betätigbar ist, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel ein Drehmoment eingeleitet wird, durch das die Werkzeugspindel gedreht wird.
Ein großer Vorteil dieses Konzepts liegt darin, dass die Werkzeugspindel bei gattungsgemäßen Werkzeugmaschinen ein ohnehin vorhandenes Bauteil ist, so dass es insoweit keiner zusätzlichen Hardware bedarf, um das Konzept der Erfindung zu realisieren. Hierdurch ist eine kostengünstige Lösung möglich. Die Werkzeugspindel wird im Rahmen der Betätigung des Werkzeug-Spannsystems hier lediglich als Betätigungselement des Werkzeug-Spannsystems genutzt. Es werden in der Regel keine zusätzlichen Komponenten benötigt, die ausfallen könnten, wie zum Beispiel Kabelverbindungen bei Nebenbedienpulten oder Verkabelungen von Betätigungseinrichtungen. Die Erfindung bringt nicht nur erhebliche Entlastungen für einen Bediener, sondern dient auch dem Werkzeugschutz, da zusätzliche Handgriffe zum Sicherstellen eines korrekten Einbaus nicht notwendig sind. Ein Bediener kann sich voll auf die manuellen Tätigkeiten beim Werkzeugwechsel konzentrieren und muss sich nicht um externe Betätigung beispielsweise an einer Bedieneinheit kümmern.
Wenn zur Drehung der Werkzeugspindel ein Elektromotor vorgesehen ist, kann die extern eingeleitete aktive Drehung der Werkzeugspindel dadurch detektiert werden, dass der Elektromotor als Generator genutzt wird und am Elektromotor ein durch die Drehung der Werkzeugspindel induziertes Spannungssignal abgegriffen und an die Steuereinheit übertragen wird und die Steuereinheit in Reaktion auf Empfang des Spannungssignals das Werkzeug- Spannsystem zur Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition steuert.
Ist ein Fluidantrieb als Drehantrieb vorgesehen, z.B. ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb, kann durch die extern eingeleitete Drehung im Leitungssystem ein Volumenstrom des Antriebsfluids erzeugt werden, der mittels eines Sensors erfasst werden kann. Die Sensorsignale können dann verarbeitet werden, um über die Steuerung die Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition zu initiieren.
Besonders günstig sind Verfahrensvarianten, bei denen eine Drehposition der Werkzeugspindel mittels eines an die Steuereinheit angeschlossenen Drehgebers erfasst wird, eine durch die Drehung verursachte Änderung der Drehposition der Werkzeugspindel mittels des Drehgebers erfasst wird, der Drehung entsprechende Drehgebersignale an die Steuereinheit übertragen werden und die Steuereinheit in Reaktion auf Empfang der Drehgebersignale das Werkzeug- Spannsystem zur Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition steuert.
An der Werkzeugmaschine kann diese Funktionalität dadurch realisiert werden, dass das Werkzeug-Spannsystem einen mit der Steuereinheit signalübertragend verbundenen Drehgeber zur Erfassung einer durch die aktive Drehung der Werkzeugspindel verursachten Änderung der Drehposition der Werkzeugspindel aufweist, wobei die Steuereinheit in einem Werkzeugwechselmodus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf Empfang von Drehgebersignalen des Drehgebers das Werkzeug-Spannsystem zur Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition zu steuern.
Diese Variante ist besonders günstig für Ausführungsformen, bei denen die Werkzeugmaschine ohnehin einen Drehgeber zur Erfassung der Drehposition der Werkzeugspindel hat. Dies ist beispielsweise bei Werkzeugmaschinen mit einem Servomotor als Drehantrieb der Fall. Gegebenenfalls kann ein gesonderter Drehgeber ohne großen Aufwand nachgerüstet werden.
Werkzeugmaschinen, die bereits einen Drehgeber aufweisen, können im Wesentlichen durch Maßnahmen im Bereich der Software so umgerüstet bzw. umkonfiguriert werden, dass sie zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind. Die Werkzeugspindel dient dann als Betätigungselement des Werkzeug-Spannsystems, der Drehgeber als Sensor, der die (zum Beispiel von einem Bediener verursachte) Drehbewegung der Werkzeugspindel erfasst und an die Steuereinheit überträgt, die dann die Schritte zum Spannen oder Entspannen des Werkzeugs einleitet.
Altmaschinen, die noch nicht erfindungsgemäß konfiguriert sind, aber einen Drehgeber aufweisen, können durch Softwareupdates leicht nachgerüstet werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird somit auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Befehle umfasst, die dann, wenn sie in einem Computer der Steuereinheit ausgeführt werden, bewirken, dass die Steuereinheit bei Empfang von Drehgebersignalen des Drehgebers das Werkzeug-Spannsystem so ansteuert, dass dieses zwischen der Fügeposition und der Spannposition umgeschaltet wird.
Die auszuführenden Bewegungen, die zum Beispiel ein Bediener zum Einspannen oder Lösen des Werkzeug-Spannsystems ausführen muss, können sehr intuitiv ausgelegt sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug-Spannsystem in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Werkzeugspindel oder in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Werkzeugspindel gesteuert wird. Beispielsweise kann der Stellweg des Werkzeug- Spannsystems proportional zum Drehwinkel der Werkzeugspindel gesteuert werden. Als sehr komfortabel haben sich beispielsweise Ausführungsbeispiele herausgestellt, bei denen eine Drehung der Werkzeugspindel um ca. 45° (ca. 1/8 Umdrehung) zum vollständigen Lösen und Spannen des Werkzeugspannsystems genutzt wird. Auch größere oder kleinere Drehwinkel können bei Bedarf genutzt werden.
Es ist auch möglich, die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug-Spannsystem arbeitet, proportional zur Drehgeschwindigkeit einer Werkzeugspindel zu steuern.
Eine besonders bedienerfreundliche Variante zeichnet sich dadurch aus, dass in derjenigen Konfiguration, die für die Betätigung des Werkzeug-Spannsystems genutzt wird, der Drehantrieb der Spindel mit vermindertem Drehmoment in Lageregelung betrieben wird. Der Drehantrieb wirkt dann schwach genug, um die Werkzeugspindel leicht von Hand drehen zu können, aber stark genug, um ein haptisches Feedback zu geben und sogar eine gesteigerte Hemmung zu erzeugen, je nachdem, wie weit die Werkzeugspindel gedreht bzw. ausgelenkt wird. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit der Betätigung des Werkzeug-Spannsystems proportional zum Schleppfehler der Werkzeugspindel sein und es kann beim Loslassen der Werkzeugspindel eine automatische Rückpositionierung in ihre Ausgangsposition erzeugt werden. Das Verhalten der Werkzeugspindel beim Drehen vom werkzeugseitigen Ende her würde dann haptisch etwa dem einer Torsionsfeder entsprechen, vergleichbar mit dem Öffnen und Zuschließen einer Autotür.
Um einem Bediener jederzeit Sicherheit über den aktuellen Zustand der Maschinen zu geben, ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass wenigstens ein Feedback-Signal erzeugt wird, wenn die Fügeposition und/oder die Spannposition erreicht ist, wenn also die gewünschte Aktion der Werkzeugmaschine abgeschlossen ist.
Ein Feedback-Signal kann z.B. optisch (zum Beispiel durch Aufleuchten einer LED oder dergleichen) und/oder akustisch (durch einen Summton) gegeben werden. Es ist auch möglich, dass ein haptisches Feedback-Signal in Form einer charakteristischen Bewegung der Werkzeugspindel erzeugt wird, zum Beispiel durch Aktivieren der Regelung des Spindeldrehantriebs. Die Spindel kann beispielsweise kleinhubig in Rotationsrichtung hin- und her oszillieren, so dass dies als Vibration der Werkzeugspindel wahrgenommen wird.
Die beanspruchte Erfindung und Ausführungsformen davon können an unterschiedlichen Typen von Werkzeugmaschinen und/oder für unterschiedliche Typen von Maschinenwerkzeugen mit Vorteil genutzt werden. Beispielsweise kann der Eingriffsabschnitt, der zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem dient, einstückig mit dem Schaftabschnitt ausgebildet sein, der in die Werkzeugaufnahme eingesetzt wird. Viele Werkzeuge, die an Bearbeitungszentren oder dedizierten Fräsmaschinen o.dgl. genutzt werden, beispielsweise Fräswerkzeuge oder andere Rotationswerkzeuge mit einem Werkzeugeinsatz, der in einen einspannbaren Werkzeugschaft eingesetzt ist, fallen unter diese Kategorie.
Eine andere Kategorie von Werkzeugen sind solche, bei denen das Werkzeug einen zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt und einen gegenüber dem Aufnahmeabschnitt beweglichen Eingriffsabschnitt zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem aufweist. Ein Beispiel hierfür sind aufweitbare Honwerkzeuge, bei denen eine werkzeuginterne Zustellstange mit einer maschinenseitigen Zustellstange im Inneren der Werkzeugspindel axial formschlüssig gekoppelt werden muss, um das Aufweitsystem des Honwerkzeugs über Steuerung eines Aufweitantriebs der Werkzeugmaschine zu betätigen. Hier dient das maschinenseitige Aufweitsystem als Werkzeug-Spannsystem.
Ausführungsbeispiele von Werkzeugmaschinen, die als Honmaschinen ausgebildet sind, weisen ein Werkzeug-Spannsystem auf, welches einen Aufweitantrieb der Honmaschine umfasst, der auf eine axial verschiebbare Zustellstange im Inneren der Werkzeugspindel wirkt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
Fig. 1 zeigt schematisch eine als Honmaschine ausgebildeten Werkzeugmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 zeigt Details im Bereich der Werkzeugaufnahme mit einem eingesetzten Honwerkzeug;
Fig. 3 zeigt Details aus dem Bereich der Werkzeugaufnahme einer Werkzeugmaschine, die mit einem Fräswerkzeug genutzt wird. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von Werkzeugmaschinen beschrieben, die ein Werkzeug-Spannsystem aufweisen, welches durch eine extern eingeleitete, relativ kleine aktive Drehung der Werkzeugspindel um die Spindelachse betätigt werden kann, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel manuell oder maschinell ein Drehmoment eingeleitet wird. Damit können Werkzeugwechsel besonders schnell und bequem durchgeführt werden.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer als Honmaschine ausgebildeten Werkzeugmaschine 100, welche ähnlich aufgebaut sein kann wie in der DE 102 25 514 B4 oder der DE 10 2016 200 295 A1 beschrieben. Die Honmaschine 100 ist eine computernumerisch gesteuerte Werkzeugmaschine, deren steuerbare Komponenten über eine zentrale Steuereinheit 200 gesteuert werden.
Auf einer Bearbeitungsplattform ist ein Werkstück 190 aufgespannt, dessen Bohrung 192 mithilfe des Honwerkzeugs 180 z.B. zylindrisch gehont werden soll. Das Honwerkzeug 180 ist in einer Werkzeugaufnahme 175 am unteren Ende einer Honspindel 170 aufgenommen und wird in Betrieb der Honmaschine gemeinsam mit der Honspindel in einer vertikalen Hubbewegung auf- und ab bewegt. Dadurch wird die vertikale Bewegungskomponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs durchgeführt.
Fig. 2 zeigt Details im Bereich der Werkzeugaufnahme 175 mit einem eingesetzten Honwerkzeug 180. Im Beispiel ist die im Werkzeugaufnahme als hydraulisch betätigbares Hydrodehnspannfutter ausgebildet, das eine im Wesentlichen zylindrisch gestaltete Aufnahmeöffnung bietet. In der Werkzeugaufnahme befinden sich Hohlräume, welche mit Öl oder Fett gefüllt sind. Die Seitenwände um die Aufnahmeöffnung sind sehr dünn ausgeführt. Wird der Druck im Hydrauliksystem erhöht, werden die dünnen Seitenwände um den Werkzeugschaft des eingesetzten Werkzeugs gepresst.
Die Honspindel ist in einem Spindelgehäuse 130 beweglich gelagert und kann mittels eines Drehantriebs 150 in Form eines in das Spindelgehäuse integrierten Elektromotors um ihre Spindelachse 172 (Längsmittelachse) gedreht werden. Der als Direktantrieb ausgebildete Drehantrieb 150 hat einen gehäusefesten Stator, der einen spindelfesten Rotor umschließt. Durch den Drehantrieb wird die rotative Komponente der Arbeitsbewegung des Honwerkzeugs erzeugt. Für die Erfassung der Drehstellung der Honspindel 170 ist ein mit der Steuereinheit 200 signalübertragend verbundener Drehsensor bzw. Drehgeber 155 vorgesehen, der bei einem servomotorischen Antrieb in diesen integriert oder gesondert zum Antrieb vorgesehen sein kann. Im Betrieb kann die Drehposition der Honspindel mithilfe des Drehgebers z.B. zum Zwecke der Regelung erfasst werden.
Die Honspindel 170 kann mittels eines Hubantriebs 158 parallel zu ihrer Spindelachse 172 oszillierend angetrieben werden. Der Hubantrieb umfasst einen elektrischen Linearmotor mit einem an einem Ständer 102 der Honmaschine 100 befestigten Sekundärteil und einem gegenüber dem Sekundärteil linear verfahrbaren Primärteil. Der mit elektrischem Strom versorgte Primärteil ist in einen Schlitten 110 integriert, der an einer vertikalen Führungseinrichtung linear verfahrbar geführt ist. Der Schlitten 110 trägt das Spindelgehäuse 130, welches somit gemeinsam mit dem Schlitten vertikal auf- und ab bewegt werden kann. Der Primärteil ist dabei der bewegte Teil und der Sekundärteil der ortsfeste Teil eines elektrischen Linearmotors.
Für die Aufweitung des aufweitbaren Honwerkzeugs, also für die Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs, ist ein elektrischer Aufweitantrieb 120 vorgesehen, der direkt oder über ein Aufweitgetriebe mit einer im Inneren der Honspindel 170 axial beweglich geführten Zustellstange 122 gekoppelt ist. Das Gehäuse, welches den Aufweitantrieb umgibt, ist an der Oberseite des Spindelgehäuses 130 angeordnet, es kann einteilig mit dem Gehäuse des Spindelantriebs ausgeführt sein, um ein stabiles Monocoque-Gehäuse zu bilden.
Das Honwerkzeug 180 hat einen im Wesentlichen rohrförmigen Werkzeugkörper 181, der mit einem Endabschnitt in einem zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt 182 befestigt ist. Der freie Endabschnitt des Schaftabschnitts ist passend zur Werkzeugaufnahme zylindrisch gestaltet und bietet daran anschließend durch einen verbreiterten Abschnitt einen axialen Anschlag. Am gegenüberliegenden Endabschnitt weist das Honwerkzeug einen Schneidbereich mit mehreren Honleisten auf. Jede der Honleisten ist in einer vom Inneren des Werkzeugkörpers nach außen durchgehenden Aufnahmeöffnung angeordnet und weist an einer in Richtung der Werkzeugachse (Längsmittelachse) des Werkzeugkörpers weisenden Innenseite mindestens eine schräg zur Werkzeugachse verlaufende Schrägfläche auf. Diese wirkt mit einer im Inneren des Werkzeugkörpers axial verschiebbar geführten Zustellstange 185 zusammen. Diese werkzeuginterne bzw. werkzeugseitige Zustellstange 185 hat Schrägflächen (eine oder mehrere), die mit Schrägflächen der Honleisten derart Zusammenwirken, dass eine axiale Verschiebung der Zustellstange relativ zum Werkzeugkörper eine radiale Verschiebung der Honleisten in den Aufnahmeöffnungen bewirkt. Durch axiale Zustellung der Zustellstange lässt sich somit der wirksame Durchmesser des Honwerkzeugs verändern. Im Beispielsfall sind die Schrägflächen so ausgerichtet, dass eine Verschiebung der Zustellstange in Richtung des freien Endes des Honwerkzeugs eine radiale Zustellung der Honleisten nach außen bewirkt.
Zur Bearbeitung der Bohrung 192 wird die Honeinheit mit Spindelgehäuse 130 und Honspindel 170 sowie dem darin aufgenommenen Honwerkzeug 180 so weit abgesenkt, dass die Honleisten 183 des Honwerkzeugs (eine oder mehrere) in die Bohrung eintauchen. Dann wird die Honspindel 170 gleichzeitig hin und her (das heißt auf und ab) bewegt und gedreht. Gleichzeitig wird über den Aufweitantrieb der wirksame Durchmesser des Honwerkzeugs allmählich erhöht. Die Arbeitsbewegungen werden so aufeinander abgestimmt, dass an der Innenfläche der bearbeiteten Bohrung ein für das Honen typisches Kreuzschliffmuster entsteht und die Bohrung den gewünschten Durchmesser erhält.
Um die Aufweitung bzw. Zustellung der Honleisten im Betrieb zu ermöglichen, ist die Zustellstange 122 auf Seiten der Maschine bzw. der Honspindel im Betrieb mit der werkzeugseitigen Zustellstange 185 mechanisch gekoppelt, um axiale Zug- und Druckkräfte übertragen zu können. Wie in Fig. 2 zu erkennen, ist dazu am oberen (spindelseitigen) Ende der Zustellstange 185 ein Eingriffsabschnitt 187 des Honwerkzeugs mit einem verbreiterten Spannkopf 188 ausgebildet. Am werkzeugseitigen Ende der spindelseitigen Zustellstange ist eine Spannzange 165 angebracht, die über Steuersignale der Steuereinheit 200 geöffnet und geschlossen werden kann, um in Axialrichtung formschlüssig am Eingriffsabschnitt 187 anzugreifen.
Die über den Aufweitantrieb 120 axial verschiebbare Zustellstange 122 und die daran angebrachte Spannzange 165 sind Komponenten eines Werkzeug-Spannsystems 160, das beim Ankoppeln und Abkoppeln des Honwerkzeugs 180 in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit 200 zwischen einer Spannposition mit Eingriff an einem Eingriffsabschnitt 187 des Werkzeugs und einer Fügeposition bzw. Freigabestellung umgeschaltet werden kann. In der Fügeposition ist es möglich, das Honwerkzeug ohne Kollision mit der Spannzange 165 in die Werkzeugaufnahme 175 passgenau einzusetzen oder es daraus zu entnehmen.
Beim Einwechseln eines solchen Honwerkzeugs muss der Schaftabschnitt 182 des Honwerkzeugs passgenau in die Werkzeugaufnahme 175 eingesetzt bzw. eingefügt werden. Weiterhin muss die werkzeugseitige Zustellstange 185 in Axialrichtung formschlüssig mit der werkzeugseitigen Zustellstange 122 gekoppelt werden, damit axiale Kräfte übertragen werden können. lm Beispielsfall von Fig. 2 kann ein Wechsel des Honwerkzeugs 180 beispielsweise wie folgt ablaufen. Zunächst ist das Honwerkzeug nach einem vorangegangenen produktiven Betrieb noch in die Werkzeugaufnahme 175 eingesetzt und die Spannzange 165 des Werkzeug- Spannsystems noch in Eingriff mit dem Einspannabschnitt 187 am oberen Ende der werkzeugseitigen Zustellstange. Zum Werkzeugwechsel wird der Bediener zunächst bei stehender (nicht drehender) Werkzeugspindel den Arbeitsraum der Honmaschine öffnen und mit einer Hand das Honwerkzeug 180 greifen. Mit der anderen Hand könnte das Hydrodehnspannfutter 175 der Werkzeugaufnahme z.B. mithilfe eines Schraubwerkzeugs entspannt werden. Zu dieser Zeit ist immer noch das über den Aufweitantrieb gesteuerte Werkzeug-Spannsystem der Honmaschine über die Spannzange 165 in Eingriff mit dem verbreiterten Kopf am Eingriffsabschnitt 187. Um diese in Axialrichtung formschlüssige Verbindung zu lösen bzw. das Werkzeug vom Werkzeug-Spannsystem zu entkoppeln, greift nur der Bediener mit der gleichen Hand, die das Honwerkzeug greift, oder mit der anderen Hand am werkzeugseitigen Ende 177 der Honspindel an und dreht diese zum Beispiel um 45° im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn (siehe Doppelpfeil). Diese Drehbewegung der Werkzeugspindel wird vom Drehgeber 155 erfasst und ein entsprechendes Drehgebersignal an die Steuereinheit 200 übermittelt. Diese steuert daraufhin den Aufweitantrieb 120 an, der das Werkzeug-Spannsystem betätigt, dabei die Spannzange 165 öffnet und dadurch den Eingriffsabschnitt an der werkzeugseitigen Zustellstange 185 freigibt. Dann kann das Honwerkzeug nach unten entnommen werden.
Zum Einsetzen und Ankoppeln eines neuen Honwerkzeugs wird dieses zunächst mit einer Hand gehalten und von unten in die Werkzeugaufnahme 175 eingesetzt, bis der stufenförmige axiale Anschlag am Schaftabschnitt 182 an der Stirnseite der Werkzeugspindel 170 anschlägt.
Der Bediener dreht dann das werkzeugseitige Ende der Werkzeugspindel zum Beispiel um 45° im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn (siehe Doppelpfeil), wodurch das Drehgebersignal ausgelöst wird, welches über die Steuereinheit 200 den Aufweitantrieb 120 veranlasst, die Spannzange 165 in formschlüssigen Eingriff mit dem verbreiterten Kopf des Einspannabschnitts zu bringen und dadurch die werkzeugseitige Zustellstange 185 formschlüssig mit der spindelseitigen Zustellstange 122 zu koppeln.
Das System ist so konfiguriert, dass die Werkzeugmaschine daraufhin ein haptisches Feedback-Signal in Form einer kurzen Vibration der Werkzeugspindel erzeugt, um dem Bediener zu signalisieren, dass das Werkzeug richtig sitzt und zuverlässig angekoppelt wurde. Dann wird das Hydrodehnspannfutter betätigt, um den Schaftabschnitt koaxial zur Spindelachse einzuspannen.
Die Vorgänge sind hier nur beispielhaft dargestellt. Es sind zahlreiche Varianten möglich. Beispielsweise kann anstelle der Spannzange 165 eine andere Spanneinrichtung vorgesehen sein. Beispielsweise kann diese so gestaltet sein, dass sich am unteren Ende der Zustellstange eine Aufnahmeöffnung befindet, in die der verbreiterte Kopf 187 eingeführt wird, wobei dann gesonderte Verriegelungselemente betätigt werden, die den verbreiterten Kopf hintergreifen und dadurch eine Verriegelung der beiden Zustellstangen hersteilen.
Die Betätigung der maschinenseitigen Zustellstange 122 muss nicht elektromotorisch erfolgen. Es ist auch möglich, diese Bewegung durch ein Pneumatiksystem oder ein Hydrauliksystem zu bewirken.
Schließlich ist es auch möglich, die Verbindung zwischen maschinenseitiger und werkzeugseitiger Zustellstange nicht ausschließlich durch axiale Relativbewegungen zu realisieren, sondern alternativ oder zusätzlich auch durch eine Drehbewegung, indem beispielsweise die maschinenseitige Zustellstange an das obere Ende der werkzeugseitigen Zustellstange angeschraubt oder zunächst aufgesteckt oder aufgeschoben und dann durch Drehen verrastet wird. Auch eine Bajonettverbindung ist möglich, eine Verriegelung gegen unbeabsichtigtes Lösen kann über die Drehung der Werkzeugspindel initiiert werden.
Anhand von Fig. 3 wird beispielhaft eine andere Nutzungsmöglichkeit der beanspruchten Erfindung erläutert. Ähnliche oder einander entsprechende Merkmale tragen die gleichen Bezugszeichen wie beim vorherigen Beispiel, erhöht um 200.
Fig. 3 zeigt das freie Ende einer Werkzeugspindel 370 eines Bearbeitungszentrums oder einer Fräsmaschine. Die am freien Ende ausgebildete Werkzeugaufnahme 375 ist in Form eines Innenkonus ausgebildet, dessen Kontur an die konische Außenkontur des Schaftabschnitts 382 des Maschinenwerkzeugs 380 angepasst ist, bei dem es sich im Beispielsfall um ein mehrteilig aufgebautes Fräswerkzeug handelt. Ein Werkzeugeinsatz 382 in Form eines Schaftfräsers ist in den gelegentlich auch als Werkzeugaufnahme bezeichneten Werkzeughalter 381 eingesetzt, der den Schaftabschnitt 382 hält. Beim Werkzeughalter kann es sich beispielsweise um ein Schrumpffutter oder um ein Spannzangenfutter oder um ein Hydrodehnspannfutter handeln. Der Schaftabschnitt 382 kann beispielsweise in Form eines Morsekegels oder eines Steilkegels oder eines Hohlschaftkegels oder eines Polygon-Schaftkegels ausgelegt sein. Einstückig mit dem Schaftabschnitt 382 ist auf der dem Werkzeugeinsatz abgewandten Seite ein Eingriffsabschnitt 387 in Form eines Zugbolzens mit verbreitertem Spannkopf 388 ausgebildet.
Das maschinenseitige Werkzeug-Spannsystem 360 umfasst eine im Inneren der Werkzeugspindel 370 axial verschiebbar geführte Zugstange 322, an deren werkzeugseitigem Ende eine Spannzange 365 zum Angreifen an dem verbreiterten Kopf 388 des Zugbolzens angebracht ist. Das Werkzeug-Spannsystem kann den Zugbolzen dadurch formschlüssig angreifen und das Werkzeug durch Zurückziehen der maschinenseitigen Zugstange 322 zuverlässig in die Werkzeugaufnahme 375 einziehen.
Die Betätigung dieses Werkzeug-Spannsystems beim Auswechseln und Einwechseln derartiger Werkzeuge erfolgt analog zum vorherigen Beispiel über aktives Drehen der Werkzeugspindel 370. Für Einzelheiten sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorherige Beschreibung verwiesen.
Auch hier gibt es für die Aktuatorik zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems unterschiedliche Möglichkeiten. Im Beispiel ist eine pneumatisch oder hydraulisch bewirkte axiale Bewegung der Spannzange 365 bei gleichzeitigem Schließen vorgesehen. Auch andere Realisierungsmöglichkeiten sind möglich, anstelle einer axialen Bewegung kann auch eine Drehbewegung zum Koppeln und Entkoppeln vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Werkzeugwechsel an einer Werkzeugmaschine (100), worin ein Werkzeug (180, 380) an eine Werkzeugaufnahme (175, 375) einer Werkzeugspindel (170, 370) der Werkzeugmaschine angekoppelt oder von der Werkzeugaufnahme abgekoppelt wird, wobei die Werkzeugspindel (170, 370) in Reaktion auf Steuersignale einer Steuereinheit (200) mittels eines Drehantriebs (150) um eine Spindelachse (172) drehbar ist; die Werkzeugspindel (170, 370) Komponenten eines Werkzeug-Spannsystems (160, 360) aufweist, das beim Ankoppeln und Abkoppeln des Werkzeugs in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit (200) zwischen einer Spannposition mit Eingriff an einem Eingriffsabschnitt (187, 387) des Werkzeugs und eine Fügeposition umschaltbar ist; und das Werkzeug (180, 380) einen zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt (182, 382) und einen Eingriffsabschnitt 187, 387) zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem (160, 360) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel (170, 370) um die Spindelachse (172, 372) betätigt wird, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel (170, 370) ein Drehmoment eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel (170, 370) zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems durch einen Bediener manuell gedreht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspindel (170, 370) zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems um weniger als 180°, insbesondere um weniger als 60° und/oder um mindestens 10° gedreht wird, wobei vorzugsweise das Werkzeug-Spannsystem durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel um einen Drehwinkel im Bereich zwischen 10° und 50° betätigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die aktive Drehung der Werkzeugspindel (170, 370) verursachte Änderung der Drehposition der Werkzeugspindel mittels des Drehgebers (155) erfasst wird, der Drehung entsprechende Drehgebersignale an die Steuereinheit (200) übertragen werden, und die Steuereinheit (200) in Reaktion auf Empfang der Drehgebersignale das Werkzeug- Spannsystem (160, 360) zur Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition steuert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) in Abhängigkeit von einer Drehgeschwindigkeit der Werkzeugspindel (170, 370) oder in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Werkzeugspindel (170, 370) gesteuert wird, wobei vorzugsweise ein Stellweg des Werkzeug-Spannsystems proportional zum Drehwinkel der Werkzeugspindel (170, 370) gesteuert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb (150) der Werkzeugspindel während der aktiven Drehung der Werkzeugspindel mit vermindertem Drehmoment im Lageregelung bestrieben wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Erzeugen wenigstens eines Feedback-Signals bei Erreichen der Fügeposition und/oder der Spannposition, wobei vorzugsweise bei Erreichen der Fügeposition und/oder der Spannposition ein haptisches Feedback-Signal in Form einer charakteristischen Bewegung der Werkzeugspindel (170, 370) erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (180) mehrteilig aufgebaut ist und einen zur Werkzeugaufnahme korrespondierenden Schaftabschnitt (182) sowie einen gegenüber dem Schaftabschnitt beweglichen Eingriffsabschnitt (187) zum mechanischen Koppeln mit dem spindelseitigen Werkzeug-Spannsystem aufweist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug als Honwerkzeug (180) konfiguriert ist, einen Werkzeugkörper (181) mit dem Schaftabschnitt (182) sowie am gegenüberliegenden Endabschnitt einen Schneidbereich mit mindestens einem radial zustellbaren Schneidstoffkörper (183) aufweist, der auf einem Schneidstoffträger befestigt ist, welcher an einer radialen Innenseite mindestens eine schräg zur Werkzeugachse verlaufende Schrägfläche aufweist, wobei im Inneren des Werkzeugkörpers eine axial verschiebbar geführte Zustellstange angeordnet ist, die wenigstens eine Schrägfläche aufweist, die mit der Schrägfläche des Schneidstoffträgers derart zusammenwirkt, dass eine axiale Verschiebung der Zustellstange relativ zum Werkzeugkörper eine radiale Verschiebung des Schneidstoffkörpers bewirkt, wobei der Eingriffsabschnitt (187) zum Zusammenwirken mit dem Werkzeug-Spannsystem an der Zustellstange ausgebildet ist.
10. Werkzeugmaschine (100), insbesondere Honmaschine, umfassend: eine Steuereinheit (200) zur Steuerung von Arbeitsbewegungen der Werkzeugmaschine; eine Werkzeugspindel (170, 370), die in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit (200) mittels eines Drehantriebs (150) um eine Spindelachse (172, 371) drehbar ist und an einem freien Ende eine Werkzeugaufnahme (175, 375) zum Ankoppeln eines auswechselbaren Werkzeugs (180, 380) aufweist, wobei die Werkzeugspindel (170, 370) weiterhin Komponenten eines Werkzeug-Spannsystems (160, 360) aufweist, das beim Ankoppeln und Abkoppeln des Werkzeugs (180, 380) in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinheit (200) zwischen einer Spannposition und einer Fügeposition umschaltbar ist; wobei in der Fügeposition das Werkzeug (180, 380) in die Werkzeugaufnahme (175, 375) einsetzbar oder daraus entnehmbar ist und in der Spannposition das Werkzeug-Spannsystem (160360) in Eingriff mit einem Eingriffsabschnitt (187, 387) des Werkzeugs steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel (170, 370) um die Spindelachse (172, 372) betätigbar ist, indem im Bereich des werkzeugseitigen Endes der Werkzeugspindel ein Drehmoment eingeleitet wird.
11. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) derart ausgelegt ist, dass die Werkzeugspindel (170, 370) zur Betätigung des Werkzeug-Spannsystems um weniger als 180°, insbesondere um weniger als 60° und/oder um mindestens 10° gedreht werden muss, wobei vorzugsweise das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) durch eine aktive Drehung der Werkzeugspindel (170, 370) um einen Drehwinkel im Bereich zwischen 10° und 50° betätigbar ist.
12. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug-Spannsystem (160, 360) einen mit der Steuereinheit (200) signalübertragend verbundenen Drehgeber (155) zur Erfassung einer durch die aktive Drehung der Werkzeugspindel (170, 370) verursachten Änderung der Drehposition der Werkzeugspindel aufweist, wobei die Steuereinheit (200) in einem Werkzeugwechselmodus dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf Empfang von Drehgebersignalen des Drehgebers (155) das Werkzeug- Spannsystem zur Umschaltung zwischen der Fügeposition und der Spannposition zu steuern.
13. Werkzeugmaschine nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) dazu konfiguriert ist, bei Erreichen der Fügeposition und/oder der Spannposition wenigstens ein Feedback-Signal zu erzeugen, vorzugsweise ein haptisches Feedback-Signal in Form einer charakteristischen Bewegung der Werkzeugspindel (170, 370).
14. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Honmaschine (100) ausgebildet ist und für die Aufweitung eines als aufweitbares Honwerkzeug (180) ausgebildeten Werkzeugs ein Aufweitsystem mit einem Aufweitantrieb (120) aufweist, der auf eine im Inneren der Werkzeugspindel (170) verlaufende, maschinenseitige Zustellstange (122) wirkt, wobei das Honwerkzeug (180) eine werkzeuginterne Zustellstange (185) aufweist, die mit der maschinenseitigen Zustellstange (122) axial formschlüssig koppelbar ist, um das Aufweitsystem des Honwerkzeugs über Steuerung des Aufweitantriebs (120) der Honmaschine zu betätigen, wobei das maschinenseitige Aufweitsystem das Werkzeug-Spannsystem bildet.
15. Computerprogrammprodukt, das Befehle umfasst, die dann, wenn sie in einem Computer der Steuereinheit (200) einer Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10 mit einem Drehgeber (155) zur Erfassung der Drehposition der Werkzeugspindel (170, 370) ausgeführt werden, bewirken, dass die Steuereinheit bei Empfang von Drehgebersignalen des Drehgebers das Werkzeug-Spannsystem so ansteuert, dass dieses zwischen der Fügeposition und der Spannposition umgeschaltet wird.
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