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Dokumentenidentifikation DE102004026062B4 29.06.2006
Titel Gießvorrichtung für die Schwerkraft-Gießtechnik
Anmelder ROBOTEC Engineering GmbH, 79713 Bad Säckingen, DE
Erfinder Nitsch, Heinz, 79585 Steinen, DE;
Rotzinger, Joachim, 79713 Bad Säckingen, DE
Vertreter Lemcke, Brommer & Partner, Patentanwälte, 76133 Karlsruhe
DE-Anmeldedatum 25.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004026062
Offenlegungstag 30.12.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse B22D 39/02(2006.01)A, F, I, 20060130, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Gießvorrichtung für die Schwerkraft-Gießtechnik, umfassend einen Gießarm und einen daran schwenkbar angebrachten Löffel zum Dosieren und Ausgießen des Gießmaterials sowie zum Transportieren desselben von einer Schmelze zu einer Gussform. Es handelt sich hierbei um eine automatische Gießvorrichtung; daher ist der Gießarm programmgesteuert bewegbar und es sind Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels vorhanden.

Vor allem aufgrund der zunehmenden Verwendung von Aluminium und sonstigen Leichtmetallen im Fahrzeugbau ist das Schwerkraftgießen eine zwar altbekannte, jedoch wieder höchst aktuelle Technik. Dennoch sind die wesentlichen Prozessabläufe in der Gießereitechnik heutzutage kaum automatisiert. Beim Schwerkraftkokillenguss beispielsweise arbeiten viele Gießereien noch immer mit Gießlöffeln, die manuell geführt werden. Beim Sandguss kommen oft Dosieröfen mit Gießrinnen zum Einsatz, über welche das Gießmaterial von der Schmelze in den Steiger der Form gelangt.

Es liegt auf der Hand, dass das erstgenannte manuelle Gießen mit hohen Kosten verbunden ist, während die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse oft zu wünschen übrig lässt. Bei den letztgenannten Dosieröfen mit Gießrinnen kann problematisch sein, dass das Gießmaterial, in der Regel flüssiges Metall, beim Durchlaufen der Gießrinne relativ großflächig mit der Umgebungsluft in Berührung kommt, was zu unerwünschter Oxidbildung führt. Außerdem kann über die Gießrinne lediglich ein Eingusspunkt der Gussform mit Gießmaterial versorgt werden. Ein Variieren der Gussform oder das Vorhandensein von mehreren Eingusspunkten an einer Gussform sind bei dieser Technik nicht einsetzbar.

Um das Schwerkraftgießen effizienter zu gestalten, sind in jüngerer Zeit vereinzelt programmgesteuerte Löffelautomaten, also einfache Roboter, eingesetzt worden. Diese Löffelautomaten bilden eine Gießvorrichtung der eingangs genannten Art, wobei der Gießarm mit dem schwenkbar daran angebrachten Löffel zunächst in den Ofen verbracht und dort der Löffel in die Schmelze getaucht wird, um das flüssige Gießmaterial aufzunehmen. Nach dem Anheben des Löffels aus der Schmelze wird dann durch leichtes Kippen des Löffels Gießmaterial in die Schmelze zurückgegeben, um eine genaue Dosierung des im Löffel verbleibenden flüssigen Gießmaterials zu gewährleisten. Erst danach wird der Gießarm mit dem Löffel aus dem Ofen herausgefahren, über die Gussform verbracht und mit einer definierten Schwenkbewegung des Löffels das Gießmaterial in den Eingusspunkt der Form gegossen.

Für die Kosteneffizienz des Gießvorgangs ist es unter anderem wichtig, das Gießmaterial im Löffel noch im Ofen genau zu dosieren, um keinesfalls zu wenig Material in die Gussform zu gießen, andererseits aber auch nicht zu viel Material aus der Schmelze zu entnehmen. Eine Dosiergenauigkeit von etwa einem Prozent der aus der Schmelze entnommenen Materialmenge wird heutzutage angestrebt.

Die Schwierigkeit beim Dosiervorgang liegt bei den vorliegenden programmgesteuerten Gießvorrichtungen darin, dass der Löffel in die heiße Schmelze eintaucht und im Heißbereich des Ofens, unmittelbar über der Schmelze, zum Dosieren des Materials bewegt werden muss. Das Anbringen eines Stellmotors zum Verschwenken des Löffels direkt an der Löffelaufhängung ist bei den Temperaturen, die bei den meisten Gießmaterialien vorherrschen, oft nicht möglich. Daher wird der programmgesteuerte motorische Antrieb der Schwenkbewegung des Löffels manchmal am Gießarm vom Löffel beabstandet angebracht, wobei das Drehmoment vom Motor über einen Kettenantrieb an den Löffel gelangt. Kettenantriebe sind allerdings immer spielbehaftet, was durch die in der Umgebung des Löffels während des Gießzyklus auftretenden Temperaturunterschiede noch erheblich verstärkt wird. Da das Dosieren des Gießmaterials im Löffel, wie oben erwähnt, durch die Winkelstellung des Löffels über der Schmelze erfolgt, ist mit einem solchen Kettenantrieb die angestrebte Dosiergenauigkeit von etwa einem Prozent daher nicht zu erreichen.

Bereits bekannte Vorrichtungen finden sich beispielsweise in der DE 30 24 311 A1 und in der DE 30 24 913 A1. Erstere Schrift offenbart eine Einrichtung zum Beschicken einer Kokillengussmaschine mit geschmolzenem Metall, die ein Verschwenken eines zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls bestimmten Löffels ermöglicht, um ein rasches Eingießen zu erreichen und gleichzeitig zu vermeiden, dass das Metall zur Stauung kommt, überfließt, etc. Hierbei erfolgt die Absenkung und Bewegung des Löffels über eine in einem Tragrohr geführte Stange, welche mit einer Zahnung versehen ist, in welche ein angetriebenes Zahnrad eingreift und die Vertikalbewegung der Stange steuert.

In der zweitgenannten Schrift wird eine Metallgießmaschine mit einem eine Gießschnauze aufweisenden Löffel, der zusätzlich in eine Reinigungsstation bewegbar ist, und eine Kurvenscheibe zur mittelbaren Steuerung des Löffels offenbart. Die Kurvenscheibe steuert eine Vertikalbewegung einer in einem Tragrohr angeordneten Stange, welche in ihrem dem Löffel nächstkommenden Bereich eine Zahnung zur Steuerung eines Kettenantriebs aufweist. Die Kippbewegung des Löffels erfolgt in herkömmlicher Weise durch diesen Kettenantrieb.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießvorrichtung der eingangs genannten Art für das automatische Schwerkraftgießen hinsichtlich ihrer Arbeitsgenauigkeit und Effizienz zu verbessern.

Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Gießvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 niedergelegt.

Die Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung umfassen also unter anderem einen vom Löffel beabstandet angeordneten Servomotor sowie mindestens eine Pleuelstange zur Drehmomentübertragung vom Servomotor zum Löffel. Diese Ausbildung der Drehmomentübertragung vom Servomotor zum Löffel ist insbesondere in beide Richtungen spielfrei, so dass sich keinerlei Hystereseeffekt ergibt. Die Drehmoment übertragende Pleuelstange ist unempfindlich gegen hohe Temperaturen und große Temperaturunterschiede sowie robust und wartungsfreundlich. Auch ihr Gewicht ist vorteilhaft niedrig.

Für das Reinigen und Aufheizen des Löffels ist es vorteilhaft, wenn der Löffel über einen Winkelbereich von mehr als 180 Grad verschwenkt werden kann. Die Erfindung ist daher derart ausgestaltet, dass die erfindungsgemäße Pleuelstangenmechanik so ausgestaltet ist, dass eine erste Kurbelscheibe oder Kurbelwelle am Servomotor und eine zweite Kurbelscheibe oder Kurbelwelle am Löffel angebracht sind, wobei nicht nur eine, sondern zwei diese Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen verbindende Pleuelstangen eingesetzt werden, die an den Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen jeweils um einen von null Grad und von 180 Grad verschiedenen Winkel gegeneinander versetzt angelenkt sind, um den bei Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen unvermeidlich vorhandenen Totpunkt überbrücken zu können. Es befindet sich dann jeweils höchstens eine Pleuelstange im jeweiligen Totpunkt der Kurbelscheibe bzw. Kurbelwelle, während die andere Pleuelstange weiterhin ein Drehmoment übertragen kann. Bevorzugterweise liegt dieser Winkel etwa bei 90 Grad.

Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Gießvorrichtung zusammen mit einem handelsüblichen Industrieroboter eingesetzt. Der Gießarm ist dann an diesem Industrieroboter angebracht, wobei die Steuerung des Servomotors als zusätzliche Bewegungsachse des Industrieroboters in dessen Steuerung integriert wird. Der Industrieroboter hat also dann nicht nur die üblichen sechs Bewegungsachsen (drei Translationsachsen und drei Rotationsachsen), sondern auch einen siebten Freiheitsgrad, nämlich die Gießachse, die das Verschwenken des Löffels sowohl zum Dosieren als auch zum Ausgießen steuert.

Solche Industrieroboter stehen in standardisierter Form zur Verfügung und bieten im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung viele Vorteile beim Automatisieren des Gießvorgangs. So können in schnellen und reproduzierbaren Bewegungsabläufen hochgenaue Dosierungen erzielt und hochgenaue Gießkurven gefahren werden, während auch ein Eingießen des Gießmaterials in mehrere Eingießpunkte einer Form hintereinander sowie das Mitfahren des Gießlöffels mit einer auf einem kontinuierlich laufenden Förderband oder Karussell befindlichen Gussform in hochgenauen Bewegungen möglich ist.

Darüber hinaus kann der Industrieroboter bei Bedarf weitere Stationen anfahren, beispielsweise zur Löffelreinigung.

Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Gießvorrichtung für unterschiedliche Gussformen ist es zweckmäßig, außerdem einen der Steuerung des Industrieroboters zugeordneten Datenspeicher für Steuerungsdatensätze vorzusehen, aus dem dann jeweils der zu einer Gussform passende Steuerungsdatensatz ausgelesen werden kann.

Um ein Auskühlen des Löffels während Produktionspausen oder längeren Gießzyklen zu verhindern, kann zusätzlich ein Aufheizbrenner zum Erhitzen des Löffels vorgesehen sein. Dieser wird zweckmäßigerweise nach einer gewissen Stillstandszeit automatisch aktiviert.

Zum leichteren Auswechseln des Löffels, insbesondere bei stark verschmutzten Löffeln, die einem speziellen Reinigungsvorgang unterworfen werden müssen, ist es vorteilhaft, wenn der Löffel über eine Schnellspannkupplung am Gießarm befestigt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 bis 4 den Bewegungsablauf einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung beim Dosieren;

5 eine Explosionszeichnung einer erfindungsgemäßen Gießvorrichtung;

6 eine Anlage, in welcher die erfindungsgemäße Gießvorrichtung verwendet werden kann.

Die 1 bis 4 zeigen den Bewegungsablauf beim Dosieren des Gießmaterials:

In 1 taucht ein Löffel 1 in eine Schmelze 2 in einem Ofen 3 ein, um den Löffel 1 mit Gießmaterial zu füllen. Der Löffel 1 ist schwenkbar an einem Gießarm 4 befestigt und um eine Schwenkachse 5 verschwenkt, so dass Gießmaterial aus der Schmelze 2 in den Löffel 1 fließen kann. Beim Gießmaterial handelt es sich vorliegend um Aluminium.

An einem Montagepunkt 6 ist der Gießarm 4 an einem (hier nicht dargestellten) Industrieroboter befestigt, wobei er in der Nähe des Montagepunktes 6 mit einem hier nur angedeuteten Servomotor 7 ausgestattet ist. Die den Servomotor 7 und den Löffel 1 verbindende Mechanik ist später an Hand 5 genauer beschrieben.

In 2 ist der Gießarm 4 angehoben worden, um den Löffel 1 aus der Schmelze 2 herauszuheben.

3 zeigt den Dosiervorgang. Durch gezieltes Verschwenken des Löffels 1 um seine Schwenkachse 5 wird überschüssiges Aluminium wieder in die Schmelze 2 zurück gegeben, so dass exakt die Aluminiummenge im Löffel 1 verbleibt, die für den Gießvorgang benötigt wird.

Wie in 4 gezeigt, wird der Löffel 1 danach zurück in seine Neutralstellung gebracht und mit samt dem Gießarm 4 aus dem Ofen 3 herausgehoben, um ihn zur Gussform verfahren zu können.

5 zeigt in einer Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Gießvorrichtung. Der Gießarm 4 verfügt über ein Gehäuse 8, welches am Ort der Schwenkachse 5 des Löffels 1 und am Ort der Motorachse 9 des Servomotors 7 mit entsprechenden Ausnehmungen versehen ist. Der Servomotor 7 ist in der Nähe des Montagepunktes 6 des Gießarms 4 angebracht und über ein Getriebe 10 mit einer ersten Kurbelwelle 11 in der Motorachse 9 verbunden. Am anderen Ende des Gießarms 4, an der Schwenkachse 5 des Löffels 1, ist eine zweite Kurbelwelle 12 angebracht. Die beiden Kurbelwellen 11, 12 sind jeweils in zwei Lagerschalen 13 gelagert. Die Drehmomentübertragung von der Motorachse 9 zur Schwenkachse 5, also von der ersten Kurbelwelle 11 zur zweiten Kurbelwelle 12, erfolgt über zwei um jeweils etwa 90 Grad versetzt angeordnete Pleuelstangen 14, welche mit Lagerschalen 15 auf den Kurbelwellen 11, 12 sitzen. Der Löffel 1 ist mittels einer Schnellspannvorrichtung 16 an einem Schwenkarm 17 befestigt, welcher seinerseits mit der zweiten Kurbelwelle 12 fest verbunden ist, um ein Verschwenken des Löffels 1 zu bewirken, sobald vom Servomotor 7 ein Drehmoment auf die erste Kurbelwelle 11 und somit über die beiden Pleuelstangen 14 auf die zweite Kurbelwelle 12 abgegeben wird.

6 schließlich zeigt schematisch eine Gesamtanlage zum automatischen Gießen, umfassend einen Industrieroboter 18 mit sechs Freiheitsgraden, wobei die erfindungsgemäße Erweiterung einen siebten Freiheitsgrad bildet, einer Robotersteuerung 19, einem Bediencomputer 20 und einer Datenbank 21. Die Robotersteuerung 19 steuert den Industrieroboter 18, wobei der Antrieb des Löffels 1 mit in die Robotersteuerung 19 integriert ist. Die wichtigsten Parameter beim Gießen sind die Dosiermenge, die Gießkurve und die Gießgeschwindigkeiten. Diese Daten sind von der Gussform abhängig und werden der Robotersteuerung 19 vom Bediencomputer 20 aufgegeben. Die Wechselwirkung mit der Datenbank 21 gewährleistet hierbei eine leichte Bedienbarkeit, da dort alle Steuerungsablaufdaten für die unterschiedlichen Gussformen als Datensätze abgelegt und unter Eingabe einer Teilenummer jederzeit abrufbar sind.

1Löffel 2Schmelze 3Ofen 4Gießarm 5Schwenkachse 6Montagepunkt 7Servomotor 8Gehäuse 9Motorachse 10Getriebe 11Kurbelwelle (erste) 12Kurbelwelle (zweite) 13Lagerschalen 14Pleuelstangen 15Lagerschalen 16Schnellspannvorrichtung 17Schwenkarm 18Industrieroboter 19Robotersteuerung 20Bediencomputer 21Datenbank

Anspruch[de]
  1. Gießvorrichtung für die Schwerkraft-Gießtechnik, mit einem Gießarm (4) und einem daran schwenkbar angebrachten Löffel (1) zum Dosieren und Ausgießen des Gießmaterials sowie zum Transportieren desselben von einer Schmelze (2) zu einer Gussform, wobei der Gießarm (4) programmgesteuert bewegbar ist und Mittel (7, 11, 12, 14, 17) zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels (1) aufweist, wobei die Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels einen vom Löffel (1) beabstandet angeordneten Servormotor (7) und mindestens eine Pleuelstange (14) zur Drehmomentübertragung vom Servomotor (7) zum Löffel (1) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum programmgesteuerten Verschwenken des Löffels eine erste Kurbelscheibe oder Kurbelwelle (11) am Servomotor (7) und eine zweite Kurbelscheibe oder Kurbelwelle (12) am Löffel (1) sowie zwei diese Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen (11, 12) verbindende Pleuelstangen (14) umfassen, wobei die Pleuelstangen (14) an den Kurbelscheiben bzw. Kurbelwellen (11, 12) jeweils um einen von null Grad und 180 Grad verschiedenen Winkel gegeneinander versetzt angelenkt sind.
  2. Gießvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel etwa 90 Grad beträgt.
  3. Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gießarm (4) an einem Industrieroboter (18) angebracht ist und dass die Steuerung des Servomotors (7) als zusätzliche Bewegungsachse des Industrieroboters (18) in dessen Steuerung (19) integriert ist.
  4. Gießvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem ein der Steuerung des Industrieroboters (18) zugeordneter Datenspeicher (21) für Steuerungsdatensätze vorgesehen ist.
  5. Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Aufheizbrenner zum Erhitzen des Löffels (1) vorgesehen ist.
  6. Gießvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Löffel (1) über eine Schnellspannvorrichtung (16) am Gießarm (4) befestigt ist.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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