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Dokumentenidentifikation DE19747995A1 10.06.1999
Titel Selbstladendes Bearbeitungszentrum mit Werkstück- und Werkzeugmagazinen
Anmelder Steinhilber, Hektor, 14193 Berlin, DE
Erfinder Steinhilber, Hektor, 14193 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 17.10.1997
DE-Aktenzeichen 19747995
Offenlegungstag 10.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.06.1999
IPC-Hauptklasse B23Q 39/02
IPC-Nebenklasse B23Q 7/00   B23Q 3/157   
Zusammenfassung Das selbstladende Bearbeitungszentrum mit zwei unabhängig verfahrbaren Doppelspindelschlitten (3a, 3b) und zwei Werkstückdoppelspannvorrichtungen (4a, 4b) nutzt zwei Magazine mit jeweils übereinander in einem Regal abgelegten halbscheibenförmigen Kassetten (24) zur Speicherung und Bereitstellung von Werkstücken und Werkzeugen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein selbstladendes Bearbeitungszentrum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus DE 44 35 024 A1 ist eine zweispindlige Bohr- und Fräsmaschine bekannt, die mit einer horizontal drehbaren Werkstückspannvorrichtung, deren Werkstückspannelemente als Werkstückgreifer ausgebildet sind, Werkstücke selbsttätig von einem Transportband zuführt und abführt.

Hierbei ist für die Bereitstellung und Positionierung der Werkstücke im Bereich der Werkstückspannvorrichtung ein Transportband mit einer aufwendigen Querverschiebeeinrichtung erforderlich, welche den Kostenvorteil gegenüber Standardmaschinen mit separater Roboterbeladung reduziert. Außerdem beeinträchtigt das vor der Maschine angeordnete Transportband die Zugänglichkeit der Maschine. Darüber hinaus ist die Produktivität eines zweispindligen Bearbeitungszentrums in der Großserienfertigung häufig nicht ausreichend - im Vergleich zu herkömmlichen Transferstraßen.

Aus DE 44 22 416 C1 ist ebenfalls ein Bearbeitungszentrum bekannt, dessen Werkstückspannvorrichtung als Werkstückgreifer ausgebildet ist und in einer Wechselstation pro Zyklus ein Werkstück selbsttätig von einer Werkstückfördereinrichtung zuführt oder abführt.

Bei der genannten Konzeption wurde in Anlehnung an selbstladende Drehmaschinen eine vertikale Hauptdrehachse der Werkstückspannvorrichtung gewählt, da ähnlich wie bei Drehmaschinen kann nur ein einzelnes Werkstück an einer Werkstückspannvorrichtung gespannt werden soll. Bei Bearbeitungszentren im Großserieneinsatz sollen aber häufig mehrere Werkstücke beispielsweise an vier Seiten einer Spannvorrichtung gemeinsam gespannt werden. Sofern zur Selbstbeladung das Absenken der Anlageflächen einer vierseitigen Werkstückspannvorrichtung jeweils von oben über ein bereitgestelltes Werkstück möglich sein soll, müssen für eine zuverlässige Werkstückübergabe die vier Anlageflächen jeweils um 90° um eine horizontale Achse getaktet werden. Bei vertikaler Drehachse hingegen müssen die Anlageflächen seitlich an die auf einem Transportband bereitgestellten Werkstücke heranfahren, wodurch eine unerwünschte Verschiebung der Werkstücke während des Greifvorganges erfolgt.

Durch Einbau zusätzlicher Drehachsen der Werkstückspannvorrichtung soll bei der genannten Konzeption eine Fünf-Seiten-Bearbeitung möglich werden. Wenn diese Maßnahme jedoch nur getroffen wird, um eine zusätzliche horizontale Drehachse für eine zuverlässige Selbstladefunktion zu erhalten, dann wird das ohnehin schon sehr aufwendige und labile Maschinenkonzept im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungszentren mit Roboterbeladung wirtschaftlich uninteressant.

Ausgehend von den Nachteilen des Stands der Technik soll deshalb ein hochproduktives Bearbeitungszentrum konzipiert werden, dessen Arbeitsspindeln auch zur schnellen Handhabung von Werkstücken geeignet sind. Das Werkzeugmagazin soll kurze Zugriffszeiten bei gleichzeitig hoher Speicherdichte ermöglichen. Neben einem einfachen Aufbau ohne Verwendung zusätzlicher Werkzeugwechsler soll das Magazin auch zur Speicherung von auf Werkstücktransportträgem bereitgestellten Werkstücken nutzbar sein. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß sind am neuen Bearbeitungszentrum jeweils zwei separate Werkstückspannvorrichtungen auf einem gemeinsamen Vertikalschlitten zwei unabhängigen Doppelspindelschlitten zugeordnet. Die Doppelspindelschlitten mit den vertikalen nach oben gerichteten Zerspanungswerkzeugen sind an der Frontseite des Maschinenbetts auf einer gemeinsamen horizontalen linearen Achse paarweise geführt.

An den beiden Enden dieser Führungsachse ist jeweils ein Werkzeugmagazin mit vertikaler Dreh- und Hubachse angeordnet. Es enthält mindestens ein Wechselsegment, das als halbscheibenförmige Kassette mit seitlich offenen Speicherzangen für Zerspanungswerkzeuge und Werkstücktransportträger ausgeführt ist.

Im Pick-Up-Modus entnehmen die Spindeln Zerspanungswerkzeuge oder Werkstücktransportträger aus der Kassette und positionieren sie im Bereich der Werkstückspannvorrichtungen.

Der Werkstückselbstladevorgang wird erreicht, indem die Werkstückspannvorrichtungen gemeinsam über die auf einem Werkstücktransportträger nur durch die Schwerkraft gehaltenen Werkstücke abgesenkt werden und die Werkstückspanner der Werkstückspannvorrichtungen hydraulisch schließen. Vier Spindeln können so gleichzeitig vier Werkstücktransportträger mit vorzugsweise jeweils zwei gespeicherten Werkstücken für den Selbstladevorgang bereitstellen und durch 180°-Drehung der Werkstücktransportträger auch eine Doppelwechsler-Funktion ausführen. Auf diese Weise wird ein schneller selbsttätiger Werkstückwechsel auch bei Mehrfachwerkstückspannvorrichtungen möglich.

Im Werkzeug- und Werkstückmagazin können mehrere Kassetten einseitig übereinander in einem Regal gespeichert werden. Die Kassetten werden mit einem mittig angeordneten Handhabungsgerät nur durch eine kombinierte Hub- und Drehbewegung, ohne zusätzliche Kupplungs- oder Greifvorgänge, ausgetauscht.

In der untersten Regalposition ist die Kassette für den Maschinenbediener hauptzeitparallel für Einzelbestückung zugänglich. Neben einem einfachen Magazinaufbau wird mit dieser Konzeption nahezu kostenneutral ein Speicher für Roh- und Fertigteile mit automatischer Ladeeinrichtung erreicht.

Die vertikale nach oben weisende Lage der Arbeitsspindeln ermöglicht weiterhin den gleichzeitigen Einsatz eines Werkstückwenders pro Arbeitsspindel welcher Werkstücke aus der Werkstückspannvorrichtung entnimmt, um beispielsweise 180° dreht und wieder in einer neuen Spannlage in die Werkstückspannvorrichtung einlegt. Auf diese Weise entfällt das manuelle Umspannen von Werkstücken von Aufspannung A zu Aufspannung B.

Einfachere Werkstücke sollen durch automatisches Öffnen der Werkstückspanner in der Werkstückspannvorrichtung auf eine darunter eingeschwenkte Ausfuhrschräge fallen und lose auf einem Transportband abgeführt werden. Dadurch reduziert sich die manuelle Handhabung am Bearbeitungszentrum ähnlich wie bei Transferstraßen auf das Einlegen von Rohteilen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 Ansicht von oben auf das Bearbeitungszentrum.

Fig. 2 Vorderansicht des Bearbeitungszentrums.

Fig. 3 Seitenansicht des Bearbeitungszentrum.

Das Bearbeitungszentrum weist ein beispielsweise in Gußkonstruktion ausgeführtes Maschinenbett (1) mit zwei an der Oberseite montierten horizontalen Linearführungen für die Bewegung des Maschinenständers (2) auf. Die horizontalen Linearführungen für die Querbewegung der beiden Doppelspindelschlitten (3a, 3b) sind an der Frontseite des Maschinenbetts (1) vorgesehen. Am Maschinenständer (2) sind Linearführungen für die Bewegung des Vertikalschlittens (9) mit den Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) montiert.

Durch synchrone Drehung der beiden identischen Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) mit jeweils mindestens zwei gespannten Werkstücken (6) am Vertikalschlitten (9) um deren parallele horizontale Drehachsen ist eine Bearbeitung von mindestens drei Seiten gleichzeitig an vier identischen Werkstücken möglich.

Aus Steifigkeitsgründen ist je ein Stützlager für die beiden parallelen horizontalen Drehachsen auf einem Gegenhalter (8) am Vertikalschlitten (9) vorgesehen.

Die Werkstücke (6) sind zur automatischen Beladung auf einem vorzugsweise mit zwei Ablageplätzen ausgeführten Werkstücktransportträger (12) lageorientiert nur durch die Schwerkraft bereit gehalten. Der Werkstücktransportträger (12) weist an der Unterseite den gleichen Aufnahmekegel (13) auf, den die Zerspanungswerkzeuge (14) als mechanische Schnittstelle für den automatischen Wechsel in die Arbeitsspindel (15) besitzen. In die vier Arbeitsspindeln (15) der Maschine können entweder vier Werkstücktransportträger (12) oder vier Zerspanungswerkzeuge (14) eingewechselt werden. Durch Verfahren der beiden Doppelspindelschlitten (3a, 3b) auf ihrer Führungsachse werden Zerspanungswerkzeuge (14) oder Werkstücktransportträger (12) im Maschinenarbeitsraum unterhalb der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) positioniert. Durch Absenken der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) mit geöffneten Werkstückspannern (17) auf die auf den Werkstücktransportträgem (12) bereitgestellten Werkstücke (6), Schließen der Werkstückspanner (17) und Anheben der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) ergibt sich eine automatische Werkstückbeladung. Indem anschließend Zerspanungswerkzeuge (14) statt Werkstücktransportträger (12) in die Arbeitsspindeln (15) eingewechselt werden, beginnt die Bearbeitung der zuvor geladenen Werkstücke (6). Nach Abschluß der kompletten Bearbeitung werden wieder Werkstücktransportträger (12) in die Arbeitsspindeln (15) eingewechselt. Die Werkstücktransportträger (12) sind vorzugsweise jeweils mit zwei Ablageplätzen ausgeführt. Auf diese Weise kann je ein fertig bearbeitetes Werkstück (6) auf den vier freien Plätzen der Werkstücktransportträger (12) abgelegt werden. Durch 180°-Drehung der Werkstücktransportträger (12) mit den Arbeitsspindeln (15) mit vertikaler Drehachse werden vier neue unbearbeitete Werkstücke (6) im Greifbereich der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) positioniert und anschließend gespannt.

Das Entladen der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) ist auch möglich indem die beiden Doppelspindelschlitten (3a, 3b) in die linke und rechte Endlage ihrer Führungsachse fahren und die Werkstückspanner (17) öffnen und die fertig bearbeiteten Werkstücke (6) durch die Schwerkrafteinwirkung einfach nach unten fallen ohne wieder gerichtet auf einem Werkstücktransportträger (12) abgelegt zu werden. Um diese Werkstücke (6) lose aus dem Maschinenarbeitsraum abführen zu können wird vor dem Öfen der Werkstückspanner (17) eine Ausführschräge (16) im Bereich unterhalb der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) zwischen die beiden Doppelspindelschlitten (3a, 3b) eingeschwenkt. Die Ausfuhrschräge (16) leitet die Werkstücke (6) auf ein am Boden vor der Maschine befindliches Transportband (18).

Werkstücke, deren Spannlage in den Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) während der Komplettbearbeitung geändert werden muß, können automatisch umgespannt werden. Hierzu wird statt eines Werkstücktransportträgers (12) oder eines Zerspanungswerkzeugs (14) vorzugsweise je ein pneumatischer Werkstückwender (19) in die vier Arbeitsspindeln (15) eingewechselt. Die Werkstückwender (19) weisen wiederum die gleichen Aufnahmekegel (13) auf wie die Zerspanungswerkzeuge (14). Die Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) werden dann so positioniert, daß die Anlageflächen der Werkstücke (6) in den Werkstückspannern (17) nicht nach unten, sondern um 90° gedreht zur Seite weisen. Die Werkstückwender (19) in den Arbeitsspindeln (15) werden nun pneumatisch geöffnet. Die Zuführung der erforderlichen Druckluft erfolgt durch die Arbeitsspindeln (15). Die Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) fahren jetzt nach unten. Die Werkstückwender (19) schließen. Die Werkstückspanner (17) der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) öffnen. Die beiden Doppelspindelschlitten (3a, 3b) fahren auf ihrer Führungsachse mit den gegriffenen Werkstücken (6) von den Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) nach außen weg. Die Werkstückwender (19) werden in den vertikalen Arbeitsspindeln (15) um 180° gedreht. Die Doppelspindelschlitten (3a, 3b) fahren zurück. Die Werkstückspanner (17) schließen. Die Werkstückwender (19) öffnen. Die Werkstücke (6) sind nun mit den zuvor bearbeiteten Flächen um 180° gedreht in den Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) positioniert, wodurch die Bearbeitung von zuvor nicht zugänglichen Flächen möglich wird. Die Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) können sofern erforderlich hierfür unterschiedliche Werkstückspanner (17) aufweisen.

Zerspanungswerkzeuge (14), Werkstücktransportträger (12) und Werkstückwender (19) werden mit einem gemeinsamen System gespeichert und bereitgestellt. Vorzugsweise ist jeweils am linken und rechten Ende der Linearführung für die Doppelspindelschlitten (3a, 3b) ein Regalmagazin angeordnet, das aus übereinander gestapelten halbscheibenförmigen Kassetten (20) besteht. Die Kassetten (20) weisen am Umfang seitlich offene Speicherzangen (21) auf, wobei immer zwei Speicherzangen (21) im entsprechenden Abstand zweier Arbeitsspindeln (15) eines Doppelspindelschlittens (3a, 3b) parallel angeordnet sind. Im Zentrum der übereinander gestapelten Kassetten (20) eines Regalmagazin befindet sich ein Handhabungsgerät mit einer drehbar gelagerten Transportsäule (22). An der Transportsäule (22) verfährt ein Schlitten mit einer doppelseitigen Greifergabel (23), welcher Kassetten (20) aus den verschiedenen Regalplätzen entnimmt und auf Höhe Spindelnase der Arbeitsspindeln (15) positioniert. Der Aufnahmekegel (13) der Zerspanungswerkzeuge (14), Werkstücktransportträger (12) oder Werkstückwender (19) weist immer nach unten. Die Übergabe aus der Speicherzange (21) in die Arbeitsspindel (15) erfolgt indem das Handhabungsgerät die halbscheibenförmige Kasselle (20) in eine Position dreht in welcher zwei Aufnahmekegel (13) genau über den Aufnahmekonen der Arbeitsspindeln (15) eines Doppelspindelschlittens (3a, 3b) stehen. Anschließend werden die Aufnahmekegel (13) in die Aufnahmekonen durch Absenken der halbscheibenförmigen Kassette (20) eingeführt und in den Arbeitsspindeln (15) gespannt. Durch die lineare Vorschubbewegung eines Doppelspindelschlittens (3a, 3b) in Richtung Maschinenmitte werden die Zerspanungswerkzeuge (14), Werkstücktransportträger (12) oder Werkstückwender (14) aus den Speicherzangen (21) der halbscheibenförmigen Kassette (20) seitlich herausgezogen. Das anschließende Einspeichern erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.

In der doppelseitigen Greifergabel (23) des Handhabungsgeräts werden vorzugsweise zwei halbscheibenförmige Kassetten (20) gegenüberliegend gegriffen, wodurch sie sich zu einem Vollkreis ergänzen. Der Kassettenwechsel erfolgt hauptzeitparallel während die Arbeitsspindeln (15) eine Zerspanungsoperation ausführen die länger als ca. 10 Sekunden dauert. Hierzu wird die aktive Kassette (20a) mit den beiden leeren Speicherzangen die für die beiden Zerspanungswerkzeuge (14) reserviert sind welche gerade eine Bearbeitungsoperation ausführen, auf einem Regalplatz (24) abgelegt dessen Höhenniveau unterhalb des Niveaus der Arbeitsspindeln (15) liegt.

Eine Kassette (20) wird auf einem Regalplatz (24) abgelegt indem das Handhabungsgerät Aufnahmebohrungen in der Kassette (20) mit Aufnahmestiften im Regalplatz (24) in Eingriff bringt. Nachdem die Kassette auf den Aufnahmestiften des Regalplatz (24) aufliegt wird der Doppelgreifer (23) des Handhabungsgerät weiter abgesenkt wodurch wiederum Aufnahmestiften des Doppelgreifers (23) aus den hierfür vorgesehenen Aufnahmebohrungen in der Kassette (20) herausgezogen werden. Sobald der Doppelgreifer (23) sich nicht mehr im Eingriff mit der abgelegten aktiven Kassette (20a) befindet, führt die Transportsäule (22) des Handhabungsgerät mit dem Doppelgreifer (23) und der zweiten noch im gegenüberliegenden Greifer befindlichen passiven Kassette (20b) eine 10°-Drehbewegung aus. Die Kassetten (20) weisen im inneren Bereich Schlitze (5) auf durch die die Greifergabeln des Doppelgreifers (23) nach der 10°-Drehbewegung in vertikaler Richtung durchfahren können. Die Schlitze (5) aller übereinander gestapelten Kassetten (20) befinden sich in der gleichen Position. Auf der dem Regal gegenüberliegenden Seite befindet sich die Transportgasse (7) für Kassetten (20). Das Handhabungsgerät bringt nun in der Transportgasse (7) die passive Kassette (20b) durch eine Vertikalbewegung in die gewünschte Übergabeposition im oberen Ragalbereich. Die gegenüberliegenden freie Greifergabel des Doppelgreifers (23) die während der Vertikalbewegung durch die Schlitze (5) in den gespeicherten Kassetten (20) durchfuhr, ist nun im Bereich der neuen Kassette (20) im gewünschten Regalplatz (24) positioniert. Die Transportsäule (22) des Handhabungsgerät führt nun die vorherige 10°-Drehung mit dem Doppelgreifer (23) in entgegengesetzter Richtung aus und vollendet die begonnene Vertikalbewegung bis die Aufnahmestifte des Doppelgreifers (23) in die Aufnahmebohrungen der neuen Kassette (20) eingreifen und im weiteren Verlauf die entsprechenden Aufnahmebohrungen der Kassette (20) aus den Aufnahmestiften des Regalplatzes (24) freigefahren sind. Jetzt erfolgt eine 180°-Drehbewegung der Transportsäule (22) mit dem Doppelgreifer (23), wodurch der Austausch der passiven Kassette (20b) mit einer neuen Kassette (20) abgeschlossen ist. Anschließend fährt der Doppelgreifer (23) nach unten, lädt die aktive Kassette (20a) und stellt die leeren Speicherzangen (21) dem Doppelspindelschlitten (30a, 30b) für die Werkzeugübergabe zur Verfügung. Auf diese Weise sind im Doppelgreifer (23) des Handhabungsgeräts eine aktive Kassette (20a) und eine nachfolgend benötigte neue Kassette (20) vorrätig. Vorzugsweise werden Zerspanungswerkzeuge (14) und Werkstücktransportträger (12) in unterschiedlichen Kassetten (20) gespeichert.

Ein hauptzeitparaller Kassettenzugriff des Maschinenbedieners ist möglich, wenn eine Kassette (20) auf einem zusätzlichen Regalplatz (24) der sich am unteren Ende der Transportgasse (7) befindet, so tief abgelegt wird, daß sie nachfolgend mit den im Höhenniveau der Arbeitsspindeln (15) ablaufenden Bereitstellungsbetrieb des Doppelgreifers (23) nicht kollidiert. Durch geeignete Schutzmaßnahmen kann dieser unterste Regalplatz (20) von der Transportgasse (7) abgeschottet werden, wodurch auch die hauptzeitparallele Entnahme von kompletten Kassetten (20) möglich wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Bearbeitungszentrum mit zwei Werkstück- und Werkzeugmagazinen und mit zwei an einem Maschinenständer (1) verfährbaren Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) mit Werkstückspannern (17), die als Werkstückgreifer ausgebildet sind für die Bearbeitung von hängenden Werkstücken, mit der Werkstücke (6) zugeführt und abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem gemeinsamen Vertikalschlitten zwei separate Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) für jeweils mindestens zwei Werkstücke (6) nebeneinander auf zwei parallelen horizontalen Achsen drehbar angeordnet sind, und, daß vier nach oben weisende vertikale Arbeitsspindeln (15) paarweise jeweils einer Werkstückspannvorrichtung (4a, 4b) zugeordnet sind, und auf einer gemeinsamen Führungsachse verfahrbar sind und Zerspanungswerkzeuge (14) aufnehmen oder Werkstücktransportträger (12) im Bereich der Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) positionieren und, daß ein Werkstück- und Werkzeugmagazin aus einseitig in einem Regal abgelegten als Werkzeug- und Werkstückwechsler ausgebildeten halbscheibenförmigen Kassetten (20) und einem mittig angeordneten drehbaren Doppelgreifer (23) besteht, wobei der Doppelgreifer (23) parallel zu seiner Drehachse einseitig beladen in der dem Regal gegenüberliegenden Transportgasse (7) Kassetten (20) linear transportiert und durch eine kombinierte Hub-Drehbewegung austauscht.
  2. 2. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach unten weisende Werkstückausführschräge (16) einschwenkbar an der Frontseite angeordnet ist und lose aus den geöffneten Werkstückspannvorrichtungen (4a, 4b) nach unten fallende fertig bearbeitete Werkstücke (6) auf ein am Boden vorgesehenes Werkstücktransportband (18) führt.
  3. 3. Bearbeitungszentrum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindeln (15) zur Aufnahme eines drehbaren Werkstückwenders (19) ausgerüstet sind.






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