DE10163294B4

DE10163294B4 - Werkzeugwechselsystem für programmgesteuerte Fräs- und Bohrmaschinen

Info

Publication number: DE10163294B4
Application number: DE10163294A
Authority: DE
Inventors: Kurt Kessler
Original assignee: Deckel Maho Geretsried GmbH
Current assignee: Deckel Maho Geretsried GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: DE10163294A1

Abstract

Werkzeugwechselsystem für eine programmgesteuerte Fräs- und Bohrmaschine mit
– einem seitlich neben dem Maschinenständer (3) angeordneten Werkzeugmagazin (14) und
– einem seitlich neben dem Arbeitsraum angeordneten Werkzeugwechsler (11), der einen verdrehbaren und in einer Achse verschiebbaren Greifer (17) mit gegeneinander winkelversetzten Greiferzangen (18 bis 21) trägt, von denen jeweils eine Greiferzange zur Aufnahme des gebrauchten Werkzeugs aus der Arbeitsspindel (7) und jeweils eine zweite Greiferzange zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs in die Arbeitsspindel (7) vorgesehen ist,
– wobei der Bearbeitungskopf mit der Arbeitsspindel (7) zur Durchführung von Pick-up-Werkzeugwechseln in der horizontalen X-Koordinatenachse verfahrbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
– der Greifer (17) mindestens drei gleich ausgebildete Greiferzangen (18 bis 21) trägt und einen Werkzeug-Zwischenspeicher bildet,
– wobei zumindest einer Greiferzange (18; 20) ein Schutzköcher (32; 33) zur Aufnahme des Spannkegels des in dieser Greiferzange befindlichen Werkzeugs zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeugwechselsystem für programmgesteuerte Fräs- und Bohrmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit einem seitlich neben dem Arbeitsraum angeordneten Werkzeugmagazin und mit einem Werkzeugwechsler, der einen um seine Längsachse verdrehbaren Greifer mit mindestens drei gegeneinander winkelversetzten Greiferzangen trägt, von denen jeweils eine Greiferzange zur Aufnahme des gebrauchten Werkzeugs aus der Arbeitsspindel und jeweils eine zweite Greiferzange zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs in die Arbeitsspindel vorgesehen ist, wobei der Spindelkopf zur Durchführung von Pick-up-Werkzeugwechseln in einer horizontalen Koordinatenachse verfahrbar ist.
Derartige von der Anmelderin vorbenutzte Werkzeugmaschinen werden als komplexe Bearbeitungszentren vorzugsweise in der Großserienfertigung zur Bearbeitung von kleineren und mittelgroßen Werkstücken eingesetzt. Bei einer Vielzahl von kleineren Werkstücken, z. B. für den Automobilbau, liegen die Zeitspannen für einen mit einem ausgewählten Werkzeug durchgeführten Bearbeitungsvorgang im Sekundenbereich, was in der Praxis bedeutet, daß nach einem derart kurzen Bearbeitungsvorgang das jeweilige Werkzeug gewechselt werden muß. Auch wenn bei modernen Bearbeitungszentren die als Span-zu-Span-Zeiten bezeichneten Wechselzeiten ebenfalls im Bereich weniger Sekunden liegen, ergeben sich bei komplexen Bearbeitungen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge durch Aufsummieren dieser Span-zu-Span-Zeiten erhebliche Totzeiten der gesamten Maschine, die bis zu 50% der gesamten Maschinenlaufzeit erreichen können. Daraus resultieren die in neuerer Zeit umfangreichen Bemühungen, die Wechselzeiten weiter zu reduzieren, wobei eine Verkür zung der Span-zu-Span-Zeit von nur 1 bis 2 sec eine überproportionale Verlängerung der eigentlichen Spanzeiten der Werkzeugmaschine ergibt, wenn eine Vielzahl von kurzzeitigen Bearbeitungsvorgängen an einem Werkstück durchgeführt werden muß. Bei den eingangs genannten Werkzeugmaschinen haben die im Bereich zwischen der Übergabeposition des Werkzeugmagazins und der Übergabeposition der Arbeitsspindel angeordneten Werkzeugwechsler einen Greifer mit nur zwei diametral gegenüberliegenden Greiferzangen, von denen eine der Entnahme des gebrauchten Werkzeugs aus der Arbeitsspindel und die andere der Übergabe eines neuen Werkzeugs in die Arbeitsspindel dient.
Zur Ausführung eines Wechselvorgangs muß die Leerzange ein neues Werkzeug aus dem Magazin übernehmen, der Wechsler muß anschließend in seine Wechselposition bewegt werden und das gebrauchte Werkzeug muß durch entsprechende Fahrbewegungen in die Wechselposition der Arbeitsspindel gebracht werden, damit das ”gebrauchte” Werkzeug aus der Arbeitsspindel gelöst und in die positionierte Leerzange übergeben werden kann. Daraufhin erfolgt eine Drehbewegung des Greifers um 180°, so daß das ”neue” Werkzeug mit seinem Werkzeugkegel vor die Arbeitsspindel gelangt, die dann durch eine Ausziehbewegung das Werkzeug aus dem Greifer entnimmt und den Werkzeugkegel fest einspannt, woraufhin dann der Greifer durch eine entsprechende Rückzugsbewegung des Werkzeugwechslers in seine inaktive seitliche Grundstellung zurückbewegt wird. Auch bei höchstmöglicher Beschleunigung erfordern diese Vorgänge doch eine gewisse Zeit, die sich nachteilig auf die Spanleistung der Maschine auswirkt.
Andererseits gehören Werkzeugwechselsysteme bereits zum Stand der Technik, bei denen der Greifer des Werkzeugwechslers insgesamt vier Greiferzangen aufweist, von denen jeweils zwei diametral gegenüber liegend angeordnete Greiferzangen unterschiedlich ausgebildet sind, um verschiedenartige Werkzeuge, beispielsweise Normalwerkzeuge und Hilfsgeräte, ergreifen und handhaben zu können. Eine Verkürzung der Werkzeugwechselzeiten ist mit diesem bekannten System nicht ohne weiteres möglich.
Weiterhin ist aus der DE 31 36 612 A1 ein Werkzeugwechselsystem einer Fräs- und Bohrmaschine bekannt, das an einem schwenkbaren Werkzeugwechselkopf drei gegeneinander winkelversetzt angeordnete Arme aufweist. Am freien Ende jedes Armes ist ein Werkzeuggreifer montiert. Seitlich neben dem Gestell der Fräsmaschine ist ein Werkzeugmagazin angeordnet. Die Werkzeugwechsel erfolgen nach dem Pick-up-Prinzip zwischen der Übergabeposition des Magazins und der Arbeitsspindel, wobei das bei einem Wechselvorgang aus der Arbeitsspindel entnommene Werkzeug in einer Zwischen- bzw. Warteposition gehalten und erst beim nächsten Wechselvorgang wieder in das Werkzeugmagazin abgelegt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Werkzeugwechselsystem zu schaffen, das eine Steigerung der Maschinenleistung durch eine Verkürzung der Span-zu-Span-Zeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung trägt der Greifer mindestens drei gleich ausgebildete und gegeneinander winkelversetzt angeordnete Greiferzangen und bildet einen Zwischenspeicher für Werkzeuge, wobei zumindest einer Greiferzange ein Schutzköcher zur Aufnahme des Spannkegels eines Werkzeugs zugeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Werkzeugwechselsystem eröffnet die Möglichkeit, während eines länger dauernden Bearbeitungsvorganges mehre re Greiferzangen nacheinander mit je einem neuen Werkzeug zu bestücken, mit denen entsprechend der im Programm abgelegten Bearbeitungsfolge die nächsten Bearbeitungsvorgänge am Werkstück ausgeführt werden sollen. Dieser mit den neuen Werkzeugen bestückte Greifer kann auch während des andauernden Bearbeitungsvorgangs in eine Position verfahren, die seiner Wechselposition zumindest in etwa entspricht. Nach Beendigung des Bearbeitungsvorgangs kann dann das bisher verwendete Werkzeug von der vorpositionierten leeren Greiferzange aus der Spindel herausgenommen werden, woraufhin nach einer Verdrehung des Greifers um seine Längsachse ein in einer der Greiferzangen befindliches Werkzeug in die Arbeitsspindel eingewechselt wird. Für den nächstfolgenden Wechselvorgang wird das hierzu geeignete Werkzeug im Speicher bereitgehalten, wobei die nunmehr leere Greiferzange zur Werkzeugaufnahme nach Beendigung des ablaufenden Bearbeitungsvorganges zur Verfügung steht und nach einer kurzen Verdrehbewegung des Greifers das nunmehr neue Werkzeug eingewechselt werden kann. Diese aufeinanderfolgenden Wechseloperationen ergeben eine Verkürzung der gesamten Wechselzeiten, da sich ja der Greifer bereits vor Beginn des Wechselvorgangs befindet und nicht – wie beim Stand der Technik – erst von einer entfernteren Stand-by-Stellung in die Wechselposition gebracht werden muß. Dies wirkt sich insbesondere bei sehr kurzen Spanzeiten der eingewechselten Werkzeuge zeitsparend aus, da der Greifer ja für mehrere Bearbeitungsvorgänge in seiner Wechselposition verbleiben kann und lediglich Drehbewegungen um vorgegebene Winkel ausführen muß.
Die erfindungsgemäße Zwischenspeicherung von einem oder mehreren Werkzeugen im Greifer eröffnet die in der Praxis wesentliche Möglichkeit, während eines Bearbeitungsvorganges mit einem der Werkzeuge den Werkzeugkegel zumindest des nächstfolgenden Werkzeugs von Staub und Spanablagerungen zu reinigen, so daß stets Werkzeuge mit gesäubertem Werkzeugkegel in die Arbeitsspindel eingespannt werden, was eine wesentliche Steigerung der Betriebszuverlässigkeit bedeutet. Zu diesem Zweck sind in oder nahe der Einwechselposition des Greifers die Schutzköcher vorgesehen, in denen ein Werkzeugkegel des in der bestimmten Greiferzange befindlichen Werkzeuges aufgenommen werden kann. Diese Schutzköcher enthalten zweckmäßig Reinigungsmittel, um die am Werkzeugkegel anhaftenden Verunreinigungen, wie Späne oder Flüssigkeitsreste, zu entfernen. Als Reinigungsmittel können eine Fluidspülung, eine Absaugung und/oder mechanische Reinigungselemente, wie Schaber, Bürsten od. dgl., verwendet werden. Zweckmäßigerweise ist der mindestens eine Schutzköcher drehangetrieben.
Weitere Vorzüge und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Werkzeugwechselsystems lassen sich der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie der Zeichnung entnehmen. Es zeigen:
1 schematisch eine Werkzeugmaschine mit dem erfindungsgemäßen Werkzeugwechselsystem in perspektivischer Darstellung;
2 schematisch den Werkzeugwechsler in vergrößerter Perspektivdarstellung.
Die in 1 dargestellte Werkzeugmaschine enthält ein formsteifes Bett 1 als Träger eines in der Z-Koordinatenachse verfahrbaren Werkstücktisches 2 und einen Fahrständer 3, der in der X-Koordinatenachse über höhenversetzte Führungsschienen auf einem mit dem Bett 1 formsteif verbundenen Unterbau 4 verfahrbar ist. An der Stirnseite des Fahrständers 3 befindet sich ein in der vertikalen Y- Koordinatenachse verfahrbarer Schlitten 6 als Träger einer Arbeitsspindel 7.
Seitlich neben dem Fahrständer 3 und dem Arbeitsraum ist oberhalb des Werkstücktisches 2 das in 2 im einzelnen dargestellte Werkzeugwechselsystem 10 vorgesehen, das einen auf der Seitenwange 12 des Betts 1 mittels einer Tragkonstruktion 13 montierten Werkzeugwechsler 11 enthält. Seitlich neben diesem Wechselsystem 10 befindet sich ein Kettenmagazin 14 neben dem Bett 1 vor dem Unterbau 4.
Wie aus 2 ersichtlich, enthält der Werkzeugwechsler 11 einen Teleskop-Tragarm 15, dessen innerer ausfahrbarer Zylinderteil 16 an seinem freien Ende einen Greifer 17 trägt. Dieser Greifer 17 ist mittels des mehrteiligen Tragarms 15, 16 um seine Langsachse verdrehbar und weist vier Greiferzangen 18 bis 21 auf, die mit nach außen weisendem Maul jeweils paarweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Für die Drehbewegungen des Greifers 17 um die Längsachse des Teleskop-Tragarms 15 in vorgegebenen Winkeln, im vorliegenden Fall um 90 bzw. 180°, ist ein geeignetes Antriebsaggregat 23 vorgesehen, das an einer Hochkantplatte 24 der Tragkonstruktion 11 montiert ist.
Am Unterbau 4 bzw. an der Seitenwange 12 des Bettes 1 ist ein vertikaler etwa plattenförmiger Träger 27 befestigt, an dessen oberem Endteil ein Druckmittelzylinder 28 montiert ist. Die Kolbenstange dieses Druckmittelzylinders 28 geht in eine Zahnstange 29 über, die mit zwei Stirnzahnrädern 30, 31 in Eingriff steht.
In Flucht zu den beiden nach oben und unten weisenden Greiferzangen 18 und 20 befindet sich je ein Schutzköcher 32, 33, die in dem plattenförmigen Träger 27 drehbar gelagert sind und an deren rückwärtigem Ende jeweils ein Ritzel 30, 31 befestigt ist. Diese Schutzkö cher 32, 33 haben einen kegelförmigen Innenraum, dessen Kontur der Form der zu handhabenden Werkzeugkegel entspricht. Darüber hinaus erstrecken sich in den Wänden der Schutzköcher 32, 33 mehrere Längsnuten. Durch Betätigen des Druckmittelzylinders 28 wird die Zahnstange 29 auf- und abbewegt, wodurch die beiden Schutzköcher 32, 33 über die Stirnzahnräder 30, 31 gedreht werden. Ein in den Innenraum der Schutzköcher eingeführter Werkzeugkegel wird durch diese Drehbewegung gereinigt, wobei die abgelösten Späne und Flüssigkeitsreste in den Längsnuten gesammelt und abgeführt werden können.
Zur Übergabe eines Werkzeugs 35 aus dem Magazin 14 in die hierfür positionierte Greiferzange 21 dient eine Übergabeeinrichtung 36, die auf einem abgewinkelten Querholm 37 des vertikalen Trägers 27 befestigt ist. Diese Einrichtung besitzt eine Zange 38, deren Backen durch einen Druckmittelzylinder 39 geöffnet bzw. geschlossen werden können. Die Innenseiten der beiden Backen sind der Form der Werkzeugkegel angepaßt und die Zange 38 ist derart angeordnet, daß die Werkzeugkegel der im Kettenmagazin 14 gehaltenen Werkzeuge duch die geöffneten Backen vertikal hindurchbewegt werden. Um das Werkzeug 35 aus seiner dargestellten Wechselposition in die gegenüberstehende Greiferzange 21 zu überführen, werden die Backen der Zange 38 geschlossen, die den Spannkegel dieses Werkzeugs 35 erfassen und gegen Kippen gesichert halten. Um das so ergriffenen Werkzeug 35 aus dem Halter des Kettenmagazins 14 herauszubewegen und in die Greiferzange 21 einzuführen, ist ein weiterer Druckmittelzylinder 40 vorgesehen, bei dessen Betätigung die Zange 38 zusammen mit dem ergriffenen Werkzeug 35 aus der dargestellten Position nach rechts bis zum vollen Eingriff der Greiferzange 21 in die am breiteren Ende des Werkzeugkegels ausgebildete Nut verschoben wird. Damit ist ein Ladevorgang eines Werkzeugs aus dem Magazin in die jeweilige Greiferzange abgeschlossen.
Der Greifer 17 ist durch Ein- und Ausfahren des inneren zylindrischen Teils 16 des Teleskop-Tragarms 15 in der Langsachse verschiebbar, wobei eine solche Verschiebung gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllt. Einerseits wird durch diese Verschiebung ein gebrauchtes Werkzeug von der zuvor damit in Eingriff gebrachten Greiferzange 17 aus der Arbeitsspindel 7 herausgezogen und – nach Drehung des Greifers 17 – das vorgesehene neue Werkzeug in die Spindel 7 eingeschoben. Gleichzeitig erfolgt durch ein Ausschieben des inneren Armes 16 die Einführung der beiden von den Greiferzangen 18 und 20 gehaltenen Werkzeugkegel in die Öffnungen der Schutzköcher 32, 33. Durch Aktivieren des Druckmittelzylinders 28 werden beide Schutzköcher gleichzeitig gedreht und dadurch die darin befindlichen Werkzeug-Spannkegel gereinigt. Mit dem Herausziehen des gebrauchten Werkzeugs aus der Spindel 7 nach dem Eingriff der Greiferzange 19 werden auch die beiden in den Schutzköchern 32, 33 befindlichen Werkzeugkegel herausgezogen, woraufhin der Greifer 17 um den vorgegebenen Winkelbetrag verdreht werden kann und durch eine erneute Ausfahrbewegung des inneren zylindrischen Teils 16 des Teleskoparms 15 weitere Werkzeugkegel in die beiden Schutzköcher sowie der Werkzeugkegel des neuen Werkzeuges in die Arbeitsspindel 7 eingeführt werden können. Wesentlich ist, daß das Einführen von Werkzeugkegeln in die Schutzköcher und auch in die Arbeitsspindel durch die Gleichbewegung des Greifers erfolgt, so daß für die einzelnen Vorgänge keine zusätzlichen Zeiten beansprucht werden.

Claims

Werkzeugwechselsystem für eine programmgesteuerte Fräs- und Bohrmaschine mit – einem seitlich neben dem Maschinenständer (3) angeordneten Werkzeugmagazin (14) und – einem seitlich neben dem Arbeitsraum angeordneten Werkzeugwechsler (11), der einen verdrehbaren und in einer Achse verschiebbaren Greifer (17) mit gegeneinander winkelversetzten Greiferzangen (18 bis 21) trägt, von denen jeweils eine Greiferzange zur Aufnahme des gebrauchten Werkzeugs aus der Arbeitsspindel (7) und jeweils eine zweite Greiferzange zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs in die Arbeitsspindel (7) vorgesehen ist, – wobei der Bearbeitungskopf mit der Arbeitsspindel (7) zur Durchführung von Pick-up-Werkzeugwechseln in der horizontalen X-Koordinatenachse verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß – der Greifer (17) mindestens drei gleich ausgebildete Greiferzangen (18 bis 21) trägt und einen Werkzeug-Zwischenspeicher bildet, – wobei zumindest einer Greiferzange (18; 20) ein Schutzköcher (32; 33) zur Aufnahme des Spannkegels des in dieser Greiferzange befindlichen Werkzeugs zugeordnet ist.
Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Schutzköcher (32; 33) Mittel zum Reinigen des darin befindlichen Werkzeugspannkegels enthält.
Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungsmittel eine Fluidspülung und/oder eine Absaugung enthalten.
Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungsmittel mechanische Reinigungselemente, wie Schaber, Bürsten, od. dgl. enthalten.
Werkzeugwechselsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine Schutzköcher (32; 33) mittels eines Antriebs (28) verdrehbar an einer Tragkonstruktion (27) angeordnet ist.
Werkzeugwechselsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der in der Speicherposition im Greifer (17) befindlichen Werkzeugkegel durch eine Ausschubbewegung des den Greifer (17) tragenden Teleskop-Tragarms (15) in den vorgesehenen Schutzköcher (32, 33) ein- und ausschiebbar ist.
Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschub des Werkzeugkegels in den Schutzköcher (32, 33) gleichzeitig mit dem Einschub des neuen Werkzeugs in die Arbeitsspindel (7) durch eine einzige Ausschubbewegung des Teleskop-Tragarms (15) erfolgt.
Werkzeugwechselsystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit mehreren einzuwechselnden Neu-Werkzeugen besetzte Greifer (17) zwischen den Wechselvorgängen in einer Bereitschaftsstellung positionierbar ist, in welcher sich auch der Schutzköcher (32, 33) mit den Reinigungsmitteln befindet.