DE102009056648A1

DE102009056648A1 - Verfahren zur automatischen Zuführung von Bauteilen in CNC-Bearbeitungszentren

Info

Publication number: DE102009056648A1
Application number: DE200910056648
Authority: DE
Original assignee: NC AUTOMATION GmbH; NC-AUTOMATION GmbH
Current assignee: NC AUTOMATION GmbH; NC-AUTOMATION GmbH
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Zuführung von Bauteilen in CNC-Bearbeitungszentren mit Selbstbedienung dadurch, dass der gesamte Werkstückspeicher oder einzelne Speicherkassetten temporär, zum Umsetzen von Bauteilen und/oder zum Montieren von Komponenten durch ein in der Maschinenspindel sitzendes Handhabungswerkzeug, mit dem vorwiegend zentrischen Maschinentisch der Werkzeugmaschine zur Übertragung von Kräften, Bewegungen und Positionen durch einen speziellen Bewegungsablauf oder einen durch Maschinenbefehl gesteuerten Aktor gekoppelt werden.

Description

Die vorgeschlagene Erfindung stellt ein Verfahren vor, bei dem der gesamte Werkstückspeicher oder einzelne Werkstückträgerelemente, nachfolgend Speicherkassetten genannt, zeitweise durch werkzeugmaschinengesteuerte Kopplung des Werkstückspeichers bzw. einzelner Speicherkassetten mit dem Maschinentisch der Werkzeugmaschine in Verbindung gebracht werden und die Bauteile mittels eines in der Maschinenspindel sitzenden Handhabungswerkzeug vom Speicher in die Spannvorrichtung und umgekehrt übergesetzt werden sowie beispielhafte Vorrichtungen zur Realisierung des Verfahrens.
Als Verfahren zur automatischen Bestückung von CNC-Bearbeitungszentren ist die Einbringung von Werkstücken in die Spannvorrichtung auf dem Maschinentisch mittels Roboter bekannt. Dargestellt sind derartige Lösung im aktuellen Prospekt der Firma DMG mit der Bezeichnung DMG-AUTOMATION oder der Prospektreihe „Roboterautomation der Firma Hermle Werkzeugmaschinen.
Als zweites Verfahren zur automatischen Beschickung von CNC-Bearbeitungszentren mit Werkstücken ist die Einbringung von Maschinenpaletten mit einer festgelegten Schnittstelle zum Maschinentisch hin bekannt, wobei sich auf jeder Palette zumindest eine Spannvorrichtung mit einem oder mehreren vorab gespannten Bauteilen befindet. Die Einbringung der Maschinenpaletten erfolgt über einen Palettenbahnhof mit entsprechender Transfereinrichtung oder mittels Handhabungsgerät in Form von Robotern. Beispielhaft ist diese Lösung in den Prospekten „Palettenwechsler” der Fa. Hermle und Rundspeicher für Bearbeitungszentren der Fa. Schuler AG in Göppingen zu sehen.
Als dritte Lösung zur automatischen Zuführung von Bauteilen in CNC-Bearbeitungszentren ist die Fertigungsstraße bekannt. Hier werden die Bauteile, die i. d. R. auf Werkstückträgern sitzen, durch verschiedene CNC-Zentren hindurchgeleitet. Dokumentiert ist dieses Verfahren z. B. in Prospekten der Fa. Grob Werke Mindelheim in den Prospekten „Flexible Systeme”, „Sonderwerkzeugmaschinen” und „Systemlösungen”.
Als weiteres Verfahren zur automatischen Beschickung von CNC-Bearbeitungszentren ist die Selbstbedienung von Werkzeugmaschinen durch den Einsatz von Handhabungswerkzeugen in Maschinenspindeln bekannt, mit dem Werkstücke von einem Werkstückspeicher zur Spannvorrichtung auf dem Maschinentisch umgesetzt werden. Dieses Verfahren ist nur dann möglich, wenn die Werkzeugmaschine in der sogenannten Gantry-Bauweise aufgebaut ist, bei der die Maschinenspindel in der Lage ist, neben der Drehbewegung auch verschiedene Positionen in X, Y und Z anzufahren. Die Selbstbedienung ist hier deswegen möglich, weil die unterschiedlichen Positionen der Werkstücke auf der Speicherkassette alleine von der Maschinenspindel angefahren werden können. Bei diesem Verfahren ist der Werkstückspeicher zum Teil auch fix mit dem Maschinentisch bzw. der Werkzeugmaschine verbunden oder er bzw. die Speicherkassette befindet sich zum Bauteilwechsel in einer festgelegten Position in der Maschine. Diese Lösung ist von Seiten der NC-Automation vorgestellt.
Nachteile der bekannten Lösungen sind die zusätzlichen räumlichen und steuerungstechnischen Anforderungen bei der Bestückung mit Roboter und mit Hilfe von Maschinenpaletten. Der damit verbundene große Bauaufwand verursacht erhebliche Kosten und reduziert die Flexibilität. Das Gleiche gilt im vermehrten Maße auch bei Fertigungslinien mit dem Transport der Werkstücke auf speziellen Werkstückträgern durch verschiedene Bearbeitungszentren hindurch. Das bisher bekannte Verfahren zur Selbstbedienung von Werkzeugmaschinen birgt den Nachteil, dass nur ein Teil der CNC-Bearbeitungszentren die Selbstbedienung mit einfachen Werkstückspeichern nutzen kann.
Ziel ist es deswegen, ein Verfahren vorzuschlagen, das es allen CNC-Bearbeitungszentren unabhängig von der Bauweise erlaubt, sich selbst zu bedienen. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren vorgeschlagen, wie nachfolgend aufgezeigt und wie in den Ansprüchen 1 bis 5 beschrieben. Eine Vorrichtung mit Weiterbildungen zur Realisierung des Verfahrens ist in den Ansprüchen 6 ff. aufgezeigt.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Einbringung von Werkstücken in CNC-Bearbeitungszentren mit Selbstbedienung von Werkzeugmaschinen durch ein in der Maschinenspindel sitzendes Handhabungswerkzeug schlägt die temporäre Kopplung einzelner Speicherkassetten mit dem bewegten Maschinentisch vor. Dadurch überträgt die Werkzeugmaschine die eigene Bewegungsfähigkeit auf die in der Speicherkassette sitzenden Bauteile. Durch dieses Verfahren benötigt der Werkstückspeicher keine komplizierten und aufwändigen Bewegungen in mehreren Achsen, damit die Bauteile die jeweils notwendige Position einnehmen können.
Beispielhaft lässt sich dieses Verfahren wie folgt darstellen: Ein CNC-Bearbeitungszentrum mit X- und Y-Achsenbewegung im Maschinentisch und Z-Achsenbewegung in der Maschinenspindel verfügt neben dem Handhabungswerkzeug zum Einsetzen in die Spindel über eine auf den Maschinentisch aufgesetzte automatische Spannvorrichtung sowie über einen externen Kassettenschiebespeicher. Damit verschiedene Werkstückpositionen auf den einzelnen Werkstückspeicherkassetten in X- und Y-Richtung angefahren werden können, ist das vorgeschlagene Verfahren zur temporären Kopplung des Maschinentisches mit den Werkstückträgerkassetten notwendig. Das vorgeschlagene Verfahren sorgt dafür, dass die in einer vorbestimmten Position gebrachte Speicherkassette vom Maschinentisch übernommen und vom Ausschub des Speichers ganz oder teilweise entkoppelt wird. Die damit erreichte Positionierbarkeit der Speicherkassette bzw. der Bauteile innerhalb des Bewegungsbereiches der Maschinenspindel führt dazu, dass die vorgegebenen Greif- und Absetzpositionen in den von Seiten der CNC-Werkzeugmaschine bereit gestellten Achsen gewährleistet ist. Dieses Verfahren spart externe, ansonsten für den Werkstückspeicher notwendige Führungen, Achsantriebe und Steuerung. Die Kopplung der Speicherkassetten mit dem Maschinentisch oder mit dem Ausschub kann bei diesem Verfahren mit Hilfe eines speziellen Bewegungsablaufes oder eines Aktors, der durch einen Maschinenbefehls (M-Befehl) gesteuert wird, erfolgen. Bei der Kopplung mit Hilfe eines M-Befehls lässt sich diese bzw. die Entkopplung zusätzlich überwachen. Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, den Werkstückspeicher auch über der Spannvorrichtung am Maschinentisch zu positionieren.
Der Funktionsablauf beim Tausch des Werkstückes stellt sich dann wie folgt dar: Das in der Spindel sitzende Handhabungswerkzeug ergreift das in der Spannvorrichtung befindliche Bauteil. Nach dem Öffnen der Spannvorrichtung entnimmt das Handhabungswerkzeug das Bauteil und fährt eine sichere Parkposition an. Anschließend wird die Speicherkassette eingebracht und durch eine Kopplungseinheit mit dem Tisch verbunden sowie vom Ausschub entkoppelt. Die Maschinenspindel mit dem Handhabungswerkzeug fährt nun die Ablageposition des Fertigteils an und setzt dieses auf dem Speicher ab. Nach dem Anfahren der Rohteilposition auf dem Werkstückspeicher mit Hilfe der Bewegungen der CNC-Maschinenachsen ergreift das Handhabungswerkzeug das Rohteil und fährt damit in eine sichere Parkposition. Anschließend wird die Speicherkassette dem Ausschub an- und vom Werkzeugmaschinentisch abgekoppelt. Das in der Spindel sitzende Handhabungswerkzeug setzt dann das Rohteil in die Spannvorrichtung ein. Nach dem Spannen des Bauteiles kann die Bearbeitung beginnen.
Das Verfahren der temporären Kopplung der Speicherkassette mit dem Maschinentisch ist auch auf Werkstückspeicher anzuwenden, die sich bereits in der Maschine befinden und unter Umständen bereits am Seitentisch bzw. einem Teil des Maschinentischs angebunden sind. Die temporäre Kopplung z. B. mit einem drehbaren, oft auch als Rundtisch bezeichneten Werkzeugmaschinentisch, dient dann dazu, den Speicherraum zu erweitern bzw. den Zugriff auf Werkstückspeicherplätze zu gewähren, die ansonsten nicht zugänglich sind. Bei der dargestellten Speicherlösung wie in den 4 bis 6 dargestellt ist die fünfseitige Bearbeitung der Bauteile nicht beeinträchtigt. Der Speicher ist deswegen nicht als kompletter Ringspeicher wie für die Dreiseitenbearbeitung sondern als sichelförmiger Speicher ausgeformt, damit auch der seitliche Zugang mit einer um 90° geschwenkten Spindel möglich ist.
1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit seitlich positioniertem Werkstückspeicher in Grundstellung in perspektivischer Darstellung
2 zeigt die gleiche Anordnung wie 1, jedoch mit einer in Kopplungsposition befindlicher Speicherkassette
3 zeigt die gleiche Anordnung wie 1, jedoch mit einer mit dem Werkzeugmaschinentisch gekoppelten Speicherkassette
4 zeigt eine schematisch dargestellte Werkzeugmaschine mit einem auf dem Seitentisch befestigten Werkstückspeicher und einer mit Abdeckung versehenen Speicherkassette, die mit dem Werkzeugmaschinentisch koppelbar ist
5 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Werkstückspeicher, der auf dem Seitentisch montiert ist, und eine Speicherkassette, die mit dem Werkzeugmaschinentisch gekoppelt ist und sich in einer Position zum Austauschen der Bauteile befindet
6 zeigt den Werkstückspeicher mit Speicherkassette in der Ansicht von unten Um Bauteile (2) nach dem vorgeschlagenen Verfahren automatisch mit Hilfe des in der Maschinenspindel (4.1) sitzenden Handhabungswerkzeuges (4.3) von einem außerhalb der Werkzeugmaschine (4) positionierten Werkstückspeicher (1) zuführen zu können, wird eine Speicherkassette (1.1) mittels eines Ausschubes (1.3) des Werkstückspeichers (1) in den Aktionsbereich des Werkzeugmaschinentisches (4.2) gebracht. Auf dem Werkzeugmaschinentisch (4.2) befindet sich zumindest ein Kopplungselement (5), das mit einem kompatiblen Kopplungselement (5) an der Speicherkassette (1.1) mit Hilfe eines vorbestimmten Bewegungsablaufes oder eines Aktors in Verbindung treten kann und gleichzeitig die Verbindung zwischen Speicherkassette (1.1) und dem Ausschub (1.3) aufhebt. Durch die temporäre Übernahme der Speicherkassette (1.1) auf den Werkzeugmaschinentisch (4.2) ist es der Werkzeugmaschine möglich, jede auf der Speicherkassette (1.1) gegebene Bauteilposition mit dem Handhabungswerkzeug (4.3) anzufahren. Die Kopplung zwischen Werkzeugmaschinentisch (4.2) und der Speicherkassette (1.1) besteht nur während der Übergabe oder Übernahme von Bauteilen (2) in bzw. aus der Speicherkassette (1.1). Die Bauteile (2) werden mittels Fixierelemente (1.2) in Stapeln oder in flächiger Belegung auf der Speicherkassette (1.1) bevorratet. Die Speicherkassette (1.1) lässt sich auch über der auf dem Werkzeugmaschinentisch (4.2) befindlichen Spannvorrichtung (3) positionieren. In diesem Fall wird das Bauteil (2) mit Hilfe des Handhabungswerkzeuges (4.3) aus der Spannvorrichtung (3) entnommen, bevor die Speicherkassette (1.1) mit dem Werkzeugmaschinentisch (4.2) gekoppelt wird. Das im Handhabungswerkzeug (4.3) befindliche, bearbeitete Bauteil (2) wird dann auf der Speicherkassette (1.1) abgelegt und ein unbearbeitetes Bauteil (2) wird anschließend aus der Speicherkassette (1.1) entnommen. Nun erfolgt das Ausfahren des Ausschubes (1.3) und das Bewegen der mit dem Werkzeugmaschinentisch (4.2) gekoppelten Speicherkassette (1.1) in die Übergabe- bzw. Kopplungsposition. Nach Durchführung des Kopplungsvorganges zwischen Ausschub (1.3) und Speicherkassette (1.1) erfolgt die Entkopplung vom Werkzeugmaschinentisch (4.2) sowie das Ausbringen der Speicherkassette (1.1) aus der Werkzeugmaschine (4) in den Werkstückspeicher (1). Nachfolgend wird das unbearbeitete Bauteil (2) in die Spannvorrichtung (3) eingesetzt und gespannt. Nach dem Austausch des Handhabungswerkzeuges (4.3) gegen ein Zerspanungswerkzeug erfolgt die Bearbeitung des Bauteiles (2).
Bei Werkzeugmaschinen (4) mit Werkzeugmaschinentischen (4.2), die sich lediglich in X-Richtung, also in Bewegungsrichtung des Ausschubes (1.3) bewegen, erfolgt die Kopplung zwischen Werkzeugmaschinentisch (4.2) und Speicherkassette (1.1) lediglich mittels Anschlag. Die Speicherkassette (1.1) bleibt dabei mit dem federnden oder mit Druckluft beaufschlagten Ausschub (1.3) verbunden und wirkt während des Handhabungsvorganges stetig gegen das als Anschlag ausgebildete Kopplungselement (5). Die X-Position des Werkzeugmaschinentisches (4.2) und des darauf befestigten Kopplungselementes (5) wird damit stets auf die Speicherkassette (1.1) übertragen. Auch hier gilt, dass die Speicherkassette (1.1) nur dann durch den Ausschub (1.3) in die Werkzeugmaschine (4) gebracht wird, wenn der Austausch oder die Entnahme von Bauteilen (2) erfolgt.
Eine Weiterbildung der vorgeschlagenen Lösung zur Realisierung des Verfahrens wird in 4 bis 6 gezeigt. Diese Weiterbildung berücksichtigt den Fall, dass außerhalb der Werkzeugmaschine (4) kein Raum für einen Werkstückspeicher (1) zur Verfügung steht. Der Werkstückspeicher (1) wird in diesem Fall am Seitentisch (4.4) der Werkzeugmaschine (4) angebunden. Auf dem Werkstückspeicher (1) befindet sich zumindest eine beweglich gelagerte Speicherkassette (1.1) mit Kopplungselement (5). Weitere Kopplungselemente (5) befinden sich am feststehenden Rahmen des Werkstückspeichers (1) und auf dem Werkzeugmaschinentisch (4.2). Bei der Zerspanung von Bauteilen (2) ist das Kopplungselement (5) der Speicherkassette (1.1) mit dem Kopplungselement (5) des Werkstückspeichers (1) verbunden, wodurch die Speicherkassette keine Verbindung mit dem zentrischen Werkzeugmaschinentisch (4.2) und der Spannvorrichtung (3) hat. In dieser Position sind die mittels Fixierelement (1.2) auf der Speicherkassette (1.1) fixierten Bauteile (2) durch eine Späneabdeckung (6), bestehend aus einer am Tragrahmen (6.3) befestigten Abdeckhaube (6.1) und an der Speicherkassette (1.1) befestigten Schutzblechen (6.2), vor Spänen und Kühlschmiermittel geschützt. Zum Austauschen von Bauteilen (2) mit Hilfe des in der Maschinenspindel (4.1) sitzenden Handhabungswerkzeuges (4.3) erfolgt die Kopplung zwischen Speicherkassette (1.1) und dem auf dem Werkzeugmaschinentisch (4.2) sitzenden Kopplungselement (5) sowie gleichzeitiger Entkopplung mit dem Kopplungselement (5) am Werkstückspeicher (1). Die Drehbewegung des Werkzeugmaschinentisches (4.2) wird nun aufgrund der Entkopplung der Speicherkassette (1.1) vom Werkstückspeicher (1) auf die Speicherkassette (1.1) mit den daran befestigten Schutzblechen (6.2) übertragen. Wie in 5 gezeigt, treten dadurch die Bauteile (2) aus der Späneabdeckung (6) hervor. Zudem lässt sich mit jedem Bauteil (2) eine Position in der Werkzeugmaschine (4) erlangen, auf die das in der Maschinenspindel (4.1) sitzende Handhabungswerkzeug (4.3) Zugriff hat.
Bezugszeichenliste

1: Werkstückspeicher
1.1: Speicherkassette
1.2: Fixierelement
1.3: Ausschub
2: Bauteil
3: Spannvorrichtung
4: Werkzeugmaschine
4.1: Maschinenspindel
4.2: Werkzeugmaschinentisch
4.3: Handhabungswerkzeug
4.4: Seitentisch
5: Kopplungselement
6: Späneabdeckung
6.1: Abdeckhaube
6.2: Schutzblech
6.3: Tragrahmen

Claims

Verfahren zur Zuführung von Bauteilen 2 in CNC-Bearbeitungszentren mit Selbstbedienung dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Werkstückspeicher 1 oder einzelne Speicherkassetten 1.1 temporär, während des Umsetzens und/oder Montierens von Bauteilen 2 mittels eines vorzugsweise in der Maschinenspindel 4.1 sitzenden Handhabungswerkzeuges 4.3, zur Übertragung von Positionen, Kräften und Bewegungen durch einen vorgegebenen Bewegungsablauf oder zumindest einem durch Maschinenbefehl gesteuerten Aktor mit dem Werkzeugmaschinentisch 4.2 der Werkzeugmaschine 4 in Verbindung steht.
Verfahren zur Zuführung von Bauteilen 2 in CNC-Bearbeitungszentren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsablauf zum Koppeln des Werkstückspeichers 1 mit dem Werkzeugmaschinentisch 4.2 vom Werkzeugmaschinentisch 4.2 und/oder vom Werkstückspeicher 1 ausgeführt wird und durch Umkehr des Bewegungsablaufes und/oder der Bewegungsfolge das Abkoppeln realisiert wird.
Verfahren zur Zuführung von Bauteilen 2 in CNC-Bearbeitungszentren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das An- und Abkoppeln mittels zumindest eines durch Maschinenbefehl (M-Befehl) aktivierten Aktors erfolgt und zusätzlich die Überwachung der Kopplungsvorgänge mittels quittierbarer M-Befehle, die als Rückmeldung an die Maschinensteuerung fungieren, geschehen kann.
Verfahren zur Zuführung von Bauteilen 2 in CNC-Bearbeitungszentren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Speicherkassette 1.1 primär durch Formschlusselemente mit dem Ausschub 1.3 des Werkstückspeichers 1 und sekundär mit dem Werkzeugmaschinentisch 4.2 verbunden ist, wobei die Verbindung zum Werkstückspeicher 1 bevorzugt formschlüssig und die zum Werkzeugmaschinentisch 4.2 vorzugsweise kraftschlüssig ist.
Verfahren zur Zuführung von Bauteilen 2 in CNC-Bearbeitungszentren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückspeicher 1 oder eine Speicherkassette 1.1 mittels zumindest eines Aktors gegen zumindest einen Anschlag des Werkzeugmaschinentisches 4.2 gefahren wird, wobei der Aktor in seiner Wirkungsweise so gestaltet ist, dass er zumindest in einer Achse, vorzugsweise in der X-Achse, der Maschinentischbewegung folgt.
Werkstückspeichereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Speicherkassette 1.1 über zumindest ein Kopplungselement verfügt, das entlang der Kopplungsstelle eine sich vorzugsweise erweiternde oder verjüngende Kontur hat und an den Trennstellen Radien und/oder Fasen und vorzugsweise rechtwinklig zum Kopplungselement eingebrachte Aussparungen aufweist in die formschlüssige und/oder befederte Arretierelemente eingreifen.
Werkstückspeichereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein verlorenes und temporär mit zumindest einem Aktor in Verbindung stehendes Arretierelement mit Fixier- und Kopplungsaussparungen zum Einnehmen von zumindest 2 unterschiedlichen Schaltstellungen als Kopplungselement zwischen der Speicherkassette 1.1 als dem beweglichen Teil des Werkstückspeichers 1 und dem Werkzeugmaschinentisch 4.2 oder zwischen der Speicherkassette 1.1 und dem feststehenden Teil des Werkstückspeichers 1 eingesetzt ist.
Werkstückspeichereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem beweglichen Werkzeugmaschinentisch 4.2 und dem Werkstückspeicher 1 und/oder der Speicherkassette 1.1 in zumindest einer Bewegungsrichtung eine insbesondere durch Anschlag realisierte kraftschlüssige Kopplung integriert ist.
Werkstückspeichereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugmaschinentisch 4.2 und der bewegte Teil des Werkstückspeichers 1, insbesondere die Speicherkassette 1.1, über komplementäre Kopplungsmodule mit einer zumindest teilweise ineinander greifenden Kontur und integrierten, miteinander in Verbindung stehenden Schalt- und Funktionselementen verfügen, die durch einen vorgegebenen Bewegungsablauf in unterschiedliche Positionen gebracht werden, die die Entriegelung und Entkopplung der bestehenden Verbindung und die Kopplung und Verriegelung der neuen Verbindung vollzieht.
Werkstückspeichereinheit zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung des beweglichen Teils des Werkstückspeichers 1, insbesondere der Speicherkassette 1.1, teilweise oder ganz am feststehenden Teil des Werkstückspeichers 1 befestigt ist und zumindest das partielle Öffnen der Abdeckung vorzugsweise durch die Relativbewegung der Speicherkassette 1.1 gegenüber dem Werkstückspeicher 1 mit Hilfe von Kurvenrollen und Hebeln erfolgt.