DE20110168U1 - Werkzeugwechselvorrichtung - Google Patents

Description

Werkzeugwechselvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugwechselvorrichtung mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die durch eine Spannzangenanordnung miteinander verbunden sind.

Eine derartige Werkzeugwechselvorrichtung ist aus DE 298 10 345 Ul bekannt.

Die Werkzeugwechselvorrichtung dient dazu, ein Werkzeug lösbar an einem Handhabungsautomaten, beispielsweise einem Roboter, zu befestigen. Der erste Teil der Werkzeugwechselvorrichtung ist hierbei an dem Handhabungsautomaten dauerhaft befestigt. Der zweite Teil ist an dem Werkzeug befestigt. Es ist aber durchaus möglich, daß man eine Mehrzahl von Werkzeugen mit einer en'tsprechenden Mehrzahl von zweiten Teilen der Werkzeugwechselvorrichtung vorrätig hält. Der Handhabungsautomat "greift" dann ein vorbestimmtes Werkzeug, wobei durch

die Betätigung der Spannzangenanordnung eine Verbindung zwischen dem Werkzeug und dem Handhabungsautomaten erfolgt. Wenn das Werkzeug nach einer bestimmten Standzeit ausgewechselt werden muß oder ein anderes Werkzeug für einen anderen Bearbeitungsvorgang benötigt wird, kann man durch Lösen der Spannzangenanordnung das erste Teil und das zweite Teil voneinander trennen und ein anderes Werkzeug ansetzen, dessen zweiter Teil durch Spannen der Spannzangenanordnung wieder mit dem ersten Teil am Handhabungsautomaten verbunden wird.

Da die Handhabungsautomaten in der Regel programmgesteuert arbeiten, ist es außerordentlich wichtig, daß das entsprechende Werkzeug mit einer hohen Genauigkeit an dem Handhabungsautomaten befestigt wird. Dies wird im bekannten Fall dadurch realisiert, daß das erste und das zweite Teil beim Verbinden bezüglich wenigstens eines Referenzpunktes und wenigstens einer Referenzlinie zueinander ausgerichtet und dann fixiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Befestigung bei gleichbleibender Genauigkeit zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einer Werkzeugwechselvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Spannzangenanordnung eine Zentrierzange mit mehreren, relativ zu einem Fixpunkt in unterschiedliche Richtungen bewegbaren Spannbacken aufweist.

Mit dieser Ausgestaltung kombiniert man zwei Vorgänge, nämlich zum einen das Ausrichten von erstem Teil und zweitem Teil und zum anderen das Befestigen oder Fixieren der beiden Teile aneinander. Da die Spannzange men-

rere in unterschiedliche Richtungen bewegbare Spannbakken aufweist, wird beim Spannen der Spannbacken gleichzeitig eine Ausrichtung der beiden Teile relativ zueinander erreicht. Diese Ausrichtung ist dann auf den Fixpunkt bezogen. Gleichzeitig mit der Ausrichtung wird aber auch die Fixierung der beiden Teile aneinander erreicht, so daß der Befestigungsvorgang der beiden Teile aneinander insgesamt schneller ablaufen kann.

Vorzugsweise sind die Spannbacken radial zum Fixpunkt gleichartig bewegbar. Der Fixpunkt bleibt also in der Mitte der Spannbacken, so daß man bei der Arbeitsvorbereitung keine Rücksicht mehr darauf nehmen muß, in welcher Ausrichtung die beiden Teile relativ zueinander befestigt werden müssen. Natürlich muß die Ausrichtung vor der Montage festgelegt werden. Insgesamt benötigt man zumindest theoretisch nur eine Übereinstimmung in zwei Punkten zwischen dem ersten und dem zweiten Teil, wobei der Fixpunkt einen der beiden Punkte bildet.

Vorzugsweise sind die Spannbacken durch einen Keil antreibbar, der entlang einer Achse bewegbar ist, die durch den Fixpunkt verläuft. Wenn der Keil entlang der Achse bewegbar ist, dann verschiebt er über seine Teilflächen die Spannbacken in radialer Richtung. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, die Spannbacken gleichartig und gleichzeitig zu bewegen, so daß die gewünschte Spannbewegung ohne größeren Aufwand erfolgen kann.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß der Keil ein Innengewinde aufweist, das auf einen Gewindebolzen aufgeschraubt ist, dessen Rotationsachse durch den Fixpunkt

verläuft. Wenn man den Gewindebolzen dreht, wird der Keil bewegt. Man ordnet dem Gewindebolzen also insgesamt drei Funktionen zu, nämlich die Orientierung des Keils am Fixpunkt, den Antrieb des Keils und die Bewegungsbahn für den Keil.

Vorzugsweise ist der Gewindebolzen über einen selbsthemmenden Antrieb drehbar. Wenn der Keil in eine vorbestimmte Position verbracht worden ist und dadurch die Spannbacken in eine entsprechende Position bewegt worden sind, besteht nicht das Risiko, daß sich diese Position selbsttätig ändert, da eine Bewegung des Gewindebolzens ohne einen entsprechenden gewollten Antrieb nicht möglich ist.

Bevorzugterweise weist der selbsthemmende Antrieb einen Schneckentrieb auf. Dies ist eine relativ einfache Möglichkeit, einen selbsthemitienden Antrieb zu realisieren. Darüber hinaus hat der Schneckentrieb den Vorteil einer relativ großen Übersetzung, so daß die Spannbacken mit einer relativ großen Kraft gespannt werden können.

Bevorzugterweise weisen die Spannbacken zwei radiale Vorsprünge auf, von denen der eine in eine radiale Ausnehmung im ersten Teil und der andere in eine radiale Ausnehmung im zweiten Teil eingreift. Wenn die Spannbacken radial nach außen verfahren werden, entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen den Spannbacken und dem ersten Teil einerseits und zwischen den Spannbacken und dem zweiten Teil andererseits. Durch die Spannbacken, die dann eine Art Brücke zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil bilden, erfolgt also letztendlich eine formschlüssige Verbindung zwischen

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dem ersten Teil und dem zweiten Teil. Eine derartige formschlüssige Verbindung kann relativ große Kräfte aufnehmen. Dies ist von besonderem Vorteil dann, wenn die zu handhabenden Werkzeuge ein größeres Gewicht aufweisen, beispielsweise in der Größenordnung von 350 kg, und beim Betrieb hohe Beschleunigungen auftreten, beispielsweise 5 g. In diesem Fall hält die Werkzeugwechselvorrichtung das Werkzeug mit der erforderlichen Zuverlässigkeit am Handhabungsautomaten.

Vorzugsweise ist zumindest eine Ausnehmung durch eine Keilfläche begrenzt. Wenn dann der Vorsprung in die Ausnehmung eintritt, werden die beiden Teile durch den Druck auf die Keilfläche in Axialrichtung aufeinander zu bewegt und letztendlich miteinander verspannt. Damit erhöht sich der Reibschluß zwischen den beiden Teilen, was zu einer erhöhten Haltekraft der beiden Teile aneinander beiträgt. Insgesamt wird dadurch die Drehbelastbarkeit der Verbindung der beiden Teile erhöht.

Bevorzugterweise weist mindestens ein Vorsprung eine abgerundete radiale Außenseite auf. Dies erleichtert das "Einfädeln" des entsprechenden Vorsprungs in die Ausnehmung. Die Gefahr, daß der Vorsprung beim Spannen der Spannbacken hängenbleibt, wird klein gehalten. Dies erleichtert das Wechseln eines Werkzeugs.

Bevorzugterweise weisen die Spannbacken an einem Ende eine konisch geneigte Außenseite auf. Diese Ausbildung ist vor allem dann von Vorteil, wenn die am ersten Teil befestigten Spannbacken durch eine Öffnung im zweiten Teil geführt und dann radial nach außen gefahren werden. Die Positionsgenauigkeit beim Einführen der Spann-

backen in die Öffnung kann dann mit größeren Toleranzen belastet sein, weil sich die endgültige Ausrichtung beim Spannen der Spannbacken von selbst ergibt.

Vorzugsweise ist mindestens eines der beiden Teile mit einer auswechselbaren Befestigungsplatte versehen. Diese auswechselbare Befestigungsplatte hat den Vorteil, daß man die Werkzeugwechselvorrichtung wahlweise an unterschiedlichen Handhabungsautomaten bzw. an unterschiedlichen Werkzeugarten anbringen kann. In der Regel haben die Handhabungsautomaten unterschiedlicher Hersteller auch unterschiedliche Befestigungsgeometrien, beispielsweise Lochkreise mit unterschiedlichen Durchmessern oder abweichenden Zahlen von Befestigungsbohrungen. In diesem Fall muß man nicht für jeden Handhabungsautomaten eine eigene Werkzeugwechselvorrichtung bereithalten, sondern man kann einfach durch Auswechseln der Befestigungsplatte eine Anpassung an den Handhabungsautomaten erreichen. Das gleiche gilt natürlich auch für entsprechende Werkzeuge.

Vorzugsweise ragt eine Befestigungsanordnung am ersten Teil radial über den zweiten Teil hinaus. Damit ist eine Notentriegelung möglich, weil Befestigungsschrauben am ersten Teil auch dann zugänglich sind, wenn das zweite Teil befestigt ist. Sollten sich also Probleme mit dem Werkzeug oder mit der Werkzeugwechselvorrichtung ergeben, ist es möglich, die Werkzeugwechselvorrichtung insgesamt vom Handhabungsautomaten zu entfernen, so daß der Handhabungsautomat selbst nicht länger blockiert ist.

Bevorzugterweise sind die Spannbacken durch eine Ringfeder, die in einer stirnseitigen Nut angeordnet ist, in eine Ausgangsstellung belastet. Als Ringfeder läßt sich beispielsweise ein Elastomer-Ring verwenden. Eine derartige Ringfeder ist üblicherweise ein Verschleißteil. Die Anordnung in der stirnseitigen Nut erlaubt ein schnelles Auswechseln.

Vorzugsweise ist eine Vorzentriereinrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Teil angeordnet. Die Vorzentriereinrichtung ermöglicht ein "grobes" Ausrichten von erstem und zweitem Teil, so daß die Spannbackenanordnung zum Ausrichten etwas weniger belastet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht durch eine Werkzeugwechselvorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Spannbackenanordnung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Antriebs für die Spannbackenanordnung.

Eine Werkzeugwechselvorrichtung 1 weist ein erstes Teil 2 auf, das mit einem nicht näher dargestellten Handha-0 bungsautomaten verbunden werden kann, und ein zweites Teil 3, das mit einem ebenfalls nicht näher dargestellten Werkzeug verbunden werden kann, das von dem Handhabungsautomaten geführt werden soll.

Das erste Teil 2 weist eine Befestigungsplatte 4 auf, die über Schrauben 5 am ersten Teil 2 befestigt ist und Bohrungen 6 aufweist, durch die Schrauben oder Bolzen geführt werden können, mit denen das erste Teil 2 an dem erwähnten Handhabungsautomaten befestigt werden kann. Die Befestigungsplatte 4 weist eine gestufte Bohrung 7 auf, so daß eine Schulter 8 gebildet ist, mit der die Befestigungsplatte 4 am ersten Teil 2 anliegt und zwar so, daß die Befestigungsplatte zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil eingespannt ist, wenn das erste Teil 2 und das zweite Teil 3 miteinander in Eingriff stehen, wie in Fig. 1 dargestellt.

In ähnlicher Weise weist das zweite Teil 3 eine Befestigungsplatte 9 auf, die an einer Schulter 10 in einer gestuften Bohrung 11 am zweiten Teil 3 anliegt. Die Schulter 10 ist ebenfalls so gerichtet, daß die Befestigungsplatte 9 zwischen dem ersten Teil 2 und dem zweiten Teil 3 eingespannt ist, wenn die beiden Teile 2, 3 miteinander in Eingriff stehen. Die Befestigungsplatte 9 ist mit Hilfe von Schrauben 12 am zweiten Teil 3 befestigt.

Die Befestigungsplatte 4 steht so weit radial über die Befestigungsplatte 9 über, daß sich die Bohrungen 6 radial außerhalb der Befestigungsplatte 9 befinden und daher auch dann zugänglich sind, wenn das zweite Teil 3 am ersten Teil 2 befestigt ist.

Um das zweite Teil 3 am ersten Teil 2 zu befestigen, ist eine Spannzangenanordnung 13 vorgesehen, die mehrere, im vorliegenden Fall drei Spannbacken 14 aufweist. Jede Spannbacke 14 weist eine Keilfläche 15 auf, d.h.

eine Fläche, die gegenüber einer Zylindermantelfläche parallel zu einer Achse 16 geneigt ist, beispielsweise um einen Winkel im Bereich von 8 bis 22°. An dieser Keilfläche 15 liegt ein Keil 17 an, der ein Innengewinde 18 aufweist, das mit einem Außengewinde 19 auf einem Bolzen 20 in Eingriff steht. Der Bolzen 20 weist eine Stirnscheibe 21 auf, die verhindert, daß der Keil 17 vom Bolzen 20 abgeschraubt werden kann.

Der Keil 17 steht über radiale Stifte 22 in Eingriff mit Nuten 23 in der Innenmantelfläche der Spannbacken 14, so daß zwischen dem Keil 17 und den Spannbacken 14 eine Verdrehsicherung besteht. Wenn der Bolzen 20 verdreht wird, dann wandert der Keil 17 entlang der Achse 16 nach oben oder nach unten, je nachdem, in welche Richtung der Bolzen 10 gedreht wird.

Die Achse 16 definiert damit einen Fixpunkt, relativ zu dem die Spannbacken 14 bewegt werden und zwar radial nach außen bzw. radial nach innen. Die Bewegung der Spannbacken 14 erfolgt dabei gleichzeitig und gleichartig. Eine Rückstellkraft wird durch eine Ringfeder 24 aufgebracht, beispielsweise einem Elastomer-Ring nach Art eines O-Ringes, der in eine stirnseitige Nut 25 der Spannbacken 14 eingelegt ist.

Die Spannbacken 14 weisen im ersten Teil 2 selbst eine Verdrehsicherung auf, die durch Stifte 26 gebildet ist, die in radial verlaufenden Nuten 27 im ersten Teil 2 geführt sind.

Die Spannbacken 14 weisen an ihrer radialen Außenseite zunächst eine abgeschrägte konusartige Fläche 28 auf

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und zwar an dem Ende, das vom ersten Teil 2 entfernt ist und in das zweite Teil 3 eingeführt wird. Hierzu weist das zweite Teil eine Bohrung 29 auf. Die Abschrägung der Fläche 2 8 dient dazu, das Einfädeln der Spannbacken 14 in die Bohrung 29 zu erleichtern.

Ferner weisen die Spannbacken 14 auf ihrer radialen Außenseite zwei Vorsprünge auf, nämlich einen ersten Vorsprung 30, der in eine radiale Ausnehmung 31 in einer Bohrung 32 im ersten Teil 2 in Eingriff kommt, und einen zweiten Vorsprung 33, der in eine Ausnehmung 34 in der Bohrung 29 im zweiten Teil 3 in Eingriff kommt. Die Vorsprünge 30, 33 sind abgerundet. Die Ausnehmungen 31, 34 weisen Keilflächen 35, 36 auf. Wenn nun die Spannbacken 14 radial nach außen bewegt werden, entsteht dadurch nicht nur ein Formschluß zwischen dem ersten und dem zweiten Teil 2, 3 über die Spannbacken 14, sondern das zweite Teil 3 wird auch mit einem gewissen axialen Druck gegen das erste Teil 2 gepreßt. Hierdurch entsteht ein nicht mehr zu vernachlässigender Reibschluß zwischen dem ersten Teil 2 und dem zweiten Teil 3 in einer Berührungsfläche 37, der zu einer Verbesserung der Halteeigenschaften des zweiten Teils 3 am ersten Teil 2 beiträgt. Darüber hinaus liegen die Spannbacken 14 mit einer radialen Spannung an den Innenseiten der Bohrungen 29, 32 an, was ebenfalls die Haltekraft erhöht.

Das zweite Teil 3 weist einen umlaufenden Vorsprung 38 auf, der in eine umlaufende Nut 39 am ersten Teil eingreift. Der Vorsprung 38 ist an seiner dem ersten Teil 2 zugewandten Seite abgeschrägt, was das Einfädeln des Vorsprungs 38 in die Nut 39 erleichtert. Der Vorsprung

38 bildet zusammen mit der Nut 39 eine Vorzentriereinrichtung.

Ferner ist am ersten Teil 2 noch ein Schwertbolzen 40 vorgesehen, der in eine entsprechende Bohrung 41, die gegebenenfalls mit einer Muffe 42 ausgekleidet sein kann, eintritt und so eine weitere Vorzentrierung ermöglicht. Der Schwertbolzen 40 ist an seinem freien Ende abgerundet, was das Einfädeln erleichtert. Darüber hinaus sichert der Schwertbolzen 40 mit der Muffe 42 gegen ein Verdrehen der beiden Teile 2, 3 gegeneinander. Damit ist es möglich, eine Linie zu definieren zwischen einer Achse 43 des Schwertbolzens 40 und der Achse 16, so daß das erste Teil und das zweite Teil 3 exakt aneinander anliegen können.

Um den Bolzen 20 drehen zu können, ist ein Schneckentrieb vorgesehen. Der Schneckentrieb weist ein Schnekkenrad 44 auf, das drehfest mit dem Bolzen 20 verbunden ist, und einen Schneckenbolzen 45, der von außen zugänglich ist (in Fig. 1 verläuft der Schneckenbolzen senkrecht zur Zeichenebene) und mit dem Schneckenrad in Eingriff steht. Der Schneckentrieb 44, 45 ist von Natur aus selbsthemmend, d.h. der Bolzen 20 kann sich nur dann drehen, wenn dies über einen Antrieb des Schneckenbolzens 45 ermöglicht ist. Wenn der Schneckenbolzen 45 nicht gedreht wird, dann bleibt der Bolzen in der Lage, in der er sich befindet.

Die Verbindung des zweiten Teils 3 am ersten Teil 2 wird folgendermaßen bewirkt:

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Zunächst ist der Keil 17 in seiner Ausgangsstellung, d.h. er ist der Stirnscheibe 21 benachbart. Die Spannbacken 14 sind durch die Kraft der Ringfeder 24 in ihre radial innere Position zurückgezogen. In diesem Fall haben die Spannbacken 14 zusammen einen größten Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung 29. Dies gilt auch für die Vorsprünge 30, 33.

In diesem Zustand kann das zweite Teil 3 am ersten Teil 2 angesetzt werden (oder umgekehrt). Es erfolgt eine Vorzentrierung durch den Vorsprung 38 und die Nut 39 sowie den Schwertbolzen 40 und die Muffe 42. Hierbei werden Positionsgenauigkeiten im Millimeterbereich (1 bis 2 mm) erreicht.

Wenn nun der Schneckenbolzen 45 gedreht wird, dreht er über das Schneckenrad 44 den Bolzen 20. Da die Spannbacken 14 und der Keil 17 sich im ersten Teil 2 nicht drehen können, wandert der Keil 17 auf das erste Teil zu und verschiebt dabei die Spannbacken 14 radial nach außen. Dabei zentrieren die Spannbacken 14 das zweite Teil 3 gegenüber dem ersten Teil 2 und zwar in bezug auf die Achse 16. Wenn ein vergleichbarer Punkt auf dem zweiten Teil 3 als Fixpunkt gewählt wird, bringt man diesen Fixpunkt in Übereinstimmung mit der Achse 16. Gleichzeitig mit dieser Justierung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil 2 wird das zweite Teil 3 durch die Keilflächen 35, 36 in den Ausnehmungen 31, auf das zweite Teil 2 gedrückt. Der Schwertbolzen 40 bildet zusammen mit der Bohrung 41 eine zusätzliche Verdrehsicherung.

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Die so erzielte Befestigung erlaubt dynamische Traglasten von etwa 350 kg, die Beschleunigungen in der Größenordnung von etwa 5 g ausgesetzt werden können.

Die Demontage erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, d.h. der Schneckenbolzen 45 wird in die andere Richtung gedreht und bewegt dadurch den Keil 17 auf die Stirnscheibe 21 zu, was eine radiale Einwärtsbewegung der Spannbacken 14 erlaubt. Sobald der Außendurchmesser der Spannbacken 14 kleiner ist als der Innendurchmesser der Bohrung 29, kann das zweite Teil 3 vom ersten Teil 2 abgehoben werden.

Claims (14)

1. Werkzeugwechselvorrichtung mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die durch eine Spannzangenanordnung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzangenanordnung (13) eine Zentrierzange mit mehreren, relativ zu einem Fixpunkt (16) in unterschiedliche Richtungen bewegbaren Spannbacken (14) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (14) radial zum Fixpunkt (16) gleichartig bewegbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (14) durch einen Keil (17) antreibbar sind, der entlang einer Achse bewegbar ist, die durch den Fixpunkt (16) verläuft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil (17) ein Innengewinde (18) aufweist, das auf einen Gewindebolzen (20) aufgeschraubt ist, dessen Rotationsachse durch den Fixpunkt (16) verläuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindebolzen (20) über einen selbsthemmenden Antrieb (44, 45) drehbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der selbsthemmende Antrieb (44, 45) einen Schneckentrieb aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (14) zwei radiale Vorsprünge (30, 33) aufweisen, von denen der eine in eine radiale Ausnehmung (31) im ersten Teil (2) und der andere in eine radiale Ausnehmung (34) im zweiten Teil (3) eingreift.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das zumindest eine Ausnehmung (31, 34) durch eine Keilfläche (35, 36) begrenzt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Vorsprung (30, 33) eine abgerundete radiale Außenseite aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (14) an einem Ende eine konisch geneigte Außenseite (28) aufweisen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das mindestens eines der beiden Teile (2, 3) mit einer auswechselbaren Befestigungsplatte (4, 9) versehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befestigungsanordnung (6) am ersten Teil (2) radial über den zweiten Teil (3) hinausragt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbacken (14) durch eine Ringfeder (24) in eine Ausgangsstellung belastet sind, die in einer stirnseitigen Nut (25) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorzentriereinrichtung (38, 39) zwischen dem ersten und dem zweiten Teil angeordnet ist.