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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung einer Ausgießbewegung
eines Gießlöffels zum
Ausgießen
eines Schmelzgutes wie Metallschmelze in eine Gießform wie
Kokille.
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Im
Kokillenguss werden Metallformen mit flüssiger Aluminiumschmelze gefüllt, um
Teile mit komplexen Geometrien herstellen zu können. Das Befüllen mit
Metallschmelzgut kann u. a. auch automatisiert mit Robotern oder
anderen Automationsgeräten
realisiert werden.
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Für die Qualität von Kokillengussteilen
ist der zeitliche Verlauf der Materialbefüllung von größter Bedeutung.
Um den optimalen Verlauf des Materialfüllvorgangs zu ermitteln, gibt
es Simulationssysteme, die als Ausgangsinformation die Einfüllmenge (Materialstrom) über dem
Zeitverlauf in Form einer Eingießkennlinie liefern.
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Das
Automationsgerät
zum Einfüllen
des flüssigen
Metalls in die Kokille ist mit einem Gießlöffel ausgerüstet. Der Gießlöffel ist
an einer numerisch gesteuerten Achse befestigt und wird beim Eingießvorgang über die
Gießachse
geneigt. Je nach kinematischer Anordnung des Gießlöffels am Automationsgerät kann es
erforderlich sein, die Bewegung mehrerer Achsen so zu koordinieren,
dass die geforderte Ausgießbewegung
erreicht wird.
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Da
der zeitliche Verlauf des Ausgießstroms entscheidend von der
Gießlöffelgeometrie
abhängt, ist
es notwendig, die Ausgießbewegung
für eine
gegebene Gießlöffelgeometrie
anzupassen. Dies wird in der Regel empirisch durchgeführt. Nach
einem Gießlöffelwechsel,
insbesondere bei einem Wechsel der Gießlöffelgeometrie, muss die Ausgießbewegung
erneut optimiert werden.
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Davon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
dass die Ausgießbewegung
vollständig
automatisiert, geplant und gesteuert werden kann. Auch sollen die
Rüstzeiten
nach einem Wechsel der Gießlöffelgeometrie
verkürzt
werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß u. a. durch
folgende Verfahrensschritte gelöst:
- – Vorgabe
einer gießformspezifischen
Eingießkennlinie
in Abhängigkeit
eines in die Gießform eingegossenen
Schmelzgutvolumens über
dem Zeitverlauf und Speichern der Eingießkennlinie,
- – Ermittlung
einer gießlöffelspezifischen
Ausgießkennlinie
als Funktion eines aus dem Gießlöffel ausgegossenen
Schmelzgutvolumens über
der Neigung des Gießlöffels und
Speichern der (zumindest einen) Ausgießkennlinie,
- – automatische
Generierung des zeitlichen Verlaufs der Ausgießbewegung, wobei auf der Grundlage
der Eingießkennlinie
zu jedem Zeitpunkt das notwendige Eingießschmelzgutvolumen bestimmt
wird, welches einem optimalen Ausgießschmelzgutvolumen gleichgesetzt
wird, dem über
die Ausgießkennlinie
eine optimale Neigung zu jedem Zeitpunkt zugeordnet ist.
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Die
Ausgießbewegung
wird ausgehend von einer gegebenen gießformspezifischen Eingießkennlinie
sowie zumindest einer gießlöffelspezifischen Ausgießkennlinie
automatisch generiert. Die generierten Daten sind Position und Neigung
des Gießlöffels als
Zeitfunktion. Die Bewegung wird so gesteuert, dass sich ein kontinuierlicher
Geschwindigkeitsverlauf aller am Gießvorgang beteiligten Achsen
beispielsweise eines Roboters ergibt.
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Grundlage
für die
automatische Bewegungsgenerierung ist die Eingießkennlinie, welche die erforderliche
Füllmenge
(Materialstrom) über
den Zeitverlauf definiert. Die Kennlinie wird in die Steuerung des
Automationsgeräts
eingelesen und kann dort visualisiert und ggfs. manuell wie grafisch
und/oder numerisch angepasst werden.
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Die
Eingießkennlinie
muss in der Form „eingegossenes
Materialvolumen über
dem Zeitverlauf", d.
h. akkumuliertes Volumen, vorliegen. Sie kann von einer Simulationssoftware
oder manuell vorgegeben werden.
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Liegt
die Eingießkennlinie
lediglich als „Materialstrom
pro Zeiteinheit" vor,
muss daraus durch Integralbildung das akkumulierte Materialvolumen über dem
Zeitverlauf berechnet werden. Da die Materialstromkennlinie nicht
immer funktional beschreibbar ist, kommen hier numerische Integrationsverfahrens
zur Anwendung.
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Die
Ausgießkennlinie
muss in der Form „ausgegossenes
Materialvolumen über
der Gießlöffelneigung", d. h. akkumuliertes
Volumen vorliegen. Diese Kennlinie kann mit zwei unterschiedlichen
Methoden erstellt werden.
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Vorzugsweise
wird die Ausgießkennlinie
als Funktion des ausgegossenen Schmelzgutvolumens über der
Gießlöffelneigung
empirisch ermittelt. In einem automatischen Kalibriervorgang wird
ein voll befüllter
Gießlöffel schrittweise
bis zu vollständigen
Entleerung geneigt. Nach jedem Einzelschritt oder kontinuierlich
wird die ausgegossene Materialmenge von einer elektronischen Waage
gemessen und der Messwert an die Gießautomat-Steuerung übertragen. Die Steuerung protokolliert
die Messwerte und erstellt unter Kenntnis des materialspezifischen
Volumengewichtes daraus eine Kennlinie über das (akkumulierte) Materialvolumen.
Nach einem Wechsel der Gießlöffelgeometrie
muss die Ausgießkennlinie
erneut ermittelt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Methode wird die Ausgießkennlinie als Funktion des
ausgegossenen Schmelzgutvolumens über der Gießlöffelneigung, d. h. akkumuliertes
Vo lumen, unter Kenntnis der Gießlöffelgeometrie
wie 3D-Modell und unter Voraussetzung eines waagerecht liegenden Schmelzgutspiegels
analytisch berechnet.
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Aus
der Kenntnis der Eingießkennlinie
und der Ausgießkennlinie
lässt sich
der zeitliche Verlauf der Ausgießbewegung automatisch errechnen
und steuern.
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Zusätzlich zur
oben beschriebenen Vorgehensweise mit feststehender Gießmaschine
kann bei einer anderen Verfahrensweise auch die Gießmaschine
während
der Eingießbewegung
gekippt werden (Kippgießmaschine).
In diesem Fall kann die Gießform
während
des Eingießvorgangs
beispielsweise aus einer geneigten Anfangsstellung in eine senkrechte
Endstellung überführt werden.
Somit ist zusätzlich
zur Steuerung des zeitlichen Verlaufes der Ausgießbewegung
auch die räumliche
Bewegung der Eingießpsoition
durch die Bewegung der Kippgießmaschine
so zu steuern, dass der Gießlöffel immer
korrekt zur Eingießposition
steht.
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Der
zeitliche Verlauf der Gießformbewegung kann
in einer Kennlinie für
die Kippbewegung über dem
Zeitverlauf ermittelt und gespeichert werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Verfahrensweise kann die Kennlinie für die Kippbewegung über dem Zeitverlauf
durch eine Simulationssoftware ermittelt werden. Alternativ besteht
auch die Möglichkeit,
die Kennlinie für
die Kippbvewegung über
dem Zeitverlauf durch Aufzeichnung der Gießformbewegung mit Hilfe eines
angekoppelten Lagereglers während
eines realen Eingießvorgangs
zu ermitteln, nämlich dann,
wenn die Gießform
durch eine externe Steuerung bewegt wird.
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Eine
erste Verfahrensweise sieht vor, dass sowohl die Ausgießbewegung
des Gießlöffels als auch
die Bewegung der Gießform
von ein- und derselben Steuerung gesteuert wird, wobei der Eingießkennlinie
und der Kennlinie für
die Kippbewegung eine gemeinsame Zeitachse zu Grunde liegen, wobei ausgehend
von der Eingießkennlinie
zu jedem Zeitpunkt während
des Eingießvorgangs
aus der Kennlinie für
die Kippbewegung die erforderliche Gießformstellung und ausgehend
von dem optimalen Eingießvolumen über die
Ausgießkennlinie
die entsprechende Gießlöffelneigung
ermittelt wird, wodurch eine auto matische Steuerung der Neigung
und der Position des Gießlöffels und
der Gießform
erfolgt.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
die Gießform
von einer unabhängigen
Steuerung zu steuern, wobei die aktuelle Stellung der Gießform von
einem daran angekoppelten Positionsgeber erfasst und an die Steuerung
des Gießlöffels übertragen
wird, wobei aus der Eingießkennlinie
zu jedem Zeitpunkt ein Eingießvolumen
entnommen und über
das zugehörige Ausgießvolumen
mittels der Ausgießkennlinie
die zugehörige
Neigung und Position des Gießlöffels ermittelt
wird, wobei das Nachführen
der Ausgießbewegung
des Gießlöffels durch
eine kinematische Transformation erfolgt, wobei die aktuelle Stellung
der Gießform
berücksichtigt
wird und wobei ein Tool Center Point (TCP) so nachgeführt wird,
dass eine Schnaube des Gießlöffels stets über eine
Einführöffnung der
Gießform
bewegt wird.
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Eine
weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, dass zwischen diskret
abgegriffenen Kennlinienwerten jeweils Zwischenwerte interpoliert
werden und von der Steuerung des Gießautomaten an einen Antrieb
der Gießform
und/oder einen Gießlöffelantrieb
ausgegeben werden, so dass sich eine kontinuierliche Bewegung ergibt.
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Eine
weitere bevorzugte Verfahrensweise stellt eine Offline-Programmgenerierung
dar, wobei über
einen Algorithmus aus Informationen der Eingießkennlinie, Ausgießkennlinie
und ggfs. Kennlinie für
die Kippbewegung ein Bewegungsprogramm für die Steuerung des Automationsgeräts erzeugt
wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass das generierte Programm
archiviert, manuell verändert
und ggfs. auf andere Gießautomaten übertragen
werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich durch eine Online-Bewegungsgenerierung
aus, wobei aus den gegebenen Kennliniendaten bzw. Kennlinientabellen über dem
Zeitverlauf kontinuierlich die erforderliche Stellung bzw. Neigung
des Gießlöffels und/oder
der Gießform
ermittelt und durch die Steuerung des Automatisierungsgeräts wie Gießautomat
sofort eingestellt wird.
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Die
vorgestellten Verfahren bieten den Vorteil, dass eine Gießaufgabe
vollständig
automatisiert, geplant und durchgeführt werden kann. Insbesondere
die automatische Kalibrierung nach einem Wechsel der Gießlöffelgeometrie
reduziert die Rüstzeiten erheblich.
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Weitere
Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht
nur aus den Ansprüchen,
den diesen zu entnehmenden Merkmalen -für sich und/oder in Kombination-,
sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung
zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigen:
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1 schematische
Darstellung eines Gießautomaten
mit Gießlöffel und
Kokille,
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2a eine
Eingießkennlinie
als Funktion eines in eine Gießform
einzugiessenden Schmelzgutvolumens über dem Zeitverlauf,
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2b eine
Ausgießkennlinie
als Funktion eines aus dem Gießlöffel ausgegossenen
Schmelzgutvolumens über
der Neigung des Gießlöffels,
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2c eine Kennlinie für die Kippbewegung als Funktion
der Gießformstellung über dem
Zeitverlauf,
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3 Generierung
der Gießlöffelbewegung auf
der Grundlage von Eingeißkennlinie,
Ausgießkennlinie
und Kennlinie für
die Kippbewegung bei Steuerung der Gießform durch die Gießautomatsteuerung
und
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4 Ermittlung
der Gießformstellung
auf der Grundlage der Eingießkennlinie,
der Ausgießkennlinie
sowie der Kennlinie für
die Kippbewegung, wobei die Gießform
von einer unabhängigen
Steuerung bewegt wird.
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1 zeigt
rein schematisch eine Vorrichtung 10 zum Einfüllen eines
Schmelzgutes 12 wie Metallschmelze in eine Gießform wie
Kokille 14 zur Herstellung eines Formteils. Die Vorrichtung 10 umfasst
ein Automationsgerät 16 wie
Gießautomat
oder Roboter, der zum Einfüllen
des flüssigen
Metalls 12 mit einem Gießlöffel 18 ausgerüstet ist.
Der Gießlöffel 18 ist
an einer numerisch gesteuerten Achse 20 befestigt und wird
beim Eingießvorgang über diese Achse
geneigt. Um die erforderliche Ausgießbewegung des Gießlöffels 18 zu
erreichen, können
weitere kinematische Achsen 22, 24, 26, 28 des
Roboters 16 koordiniert werden.
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Die
Kokille 14 kann eine Kippvorrichtung 30 aufweisen,
mit der die Kokille 14 beim Eingießvorgang aus einer beispielsweise
geneigten Anfangsstellung in eine beispielsweise senkrechte Endstellung
kippbar ist. Die Steuerung des Roboters 16 erfolgt über eine
Steuerung 32, die gleichzeitig auch die Kippvorrichtung 30 der
Kokille steuern kann. Alternativ kann die Kippvorrichtung 30 auch
von einer unabhängigen
Steuerung 33 gesteuert werden. In diesem Fall wird über einen
externen Positionsmeßgeber 34 die
Position der Kokille 14 erfasst und an die Steuerung des
Roboters 16 geleitet.
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Der
Erfindung liegt die Idee zu Grunde, ausgehend von einer gegebenen
kokillenspezifischen Eingießkennlinie
A, einer gießlöffelspezifischen
Ausgießkennlinie
B und ggfs. Kennlinie für
die Kippbewegung der Kokille C, nachfolgend Kokillenkennlinie C genannt,
die Ausgießbewegung
des Gießlöffels automatisch
zu generieren.
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2a zeigt
die Eingießkennlinie
A als Funktion eines eingegossenen Schmelzgutvolumens Ve [Liter]
l über
dem Zeitverlauf t [sec]. Die Eingießkennlinie A kann von einer
Simulationssoftware oder manuell vorgegeben werden. Sie beschreibt
den optimalen Verlauf des Schmelzgut-Füllvorgangs und liefert als
Ausgangsinformation die Einfüllmenge
Ve [Liter] (Schmelzgutstrom bzw. Materialstrom) über dem Zeitverlauf.
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2b zeigt
eine Ausgießkennlinie
B als Funktion des ausgegossenen Schmelzgutvolumens Va [Liter] über der
Gießlöffelneigung
G [°]. Dabei
ist das akkumulierte Schmelzgutvolumen dargestellt.
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Die
Ausgießkennlinie
B kann mittels zwei unterschiedlicher Methoden erstellt werden.
Zum einen kann unter Kenntnis der Gießlöffelgeometrie beispielsweise
eines 3D-Modells, und des stets waagerecht liegenden Schmelzgutspiegels
die ausgegossene Schmelzgutmenge in Abhängigkeit der Gießlöffelneigung
G analytisch berechnet werden. Andererseits besteht die Möglichkeit,
in einem automatischen Kalibriervorgang einen voll befüllten Gießlöffel schrittweise
bis zur vollständigen
Entleerung zu neigen. Während
der Kippbewegung wird die ausgegossene Materialmenge von einer elektronischen
Waage gemessen und der Messwert an die Gießautomat-Steuerung 32 übertragen.
Die Steuerung 32 protokolliert die Messwerte und erstellt
unter Kenntnis des materialspezifischen Volumengewichts daraus die
Ausgießkennlinie
B über
das (akkumulierte) Schmelzgutvolumen. Dabei handelt es sich um eine gießlöffelspezifische
Ausgießkennlinie
B. Nach einem Wechsel der Gießlöffelgeometrie
muss die Ausgießkennlinie
B erneut ermittelt werden.
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Schließlich ist
in 2c die Kokillenkennlinie C dargestellt.
Bei manchen Gießverfahren
ist es erforderlich, die Kokille 14 während des Eingießvorgangs
z. B. aus einer geneigten Anfangsstellung in eine senkrechte Endstellung
zu überführen. Der
zeitliche Verlauf der Kokillenbewegung kann in der Kokillenkennlinie
als Funktion der Kokillenstellung K [Grad°] über dem Zeitverlauf t [sec]
beschrieben werden.
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Die
Kokillenkennlinie C kann entweder durch eine Simulationssoftware
oder – wenn
die Kokille 14 durch die externe Steuerung 33 bewegt
wird – durch Aufzeichnung
der Kokillenbewegung mit Hilfe des angekoppelten Lagereglers 34 während eines
realen Eingießvorgangs
ermittelt werden.
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Aus
den oben beschriebenen Kennlinien, nämlich Eingießkennlinie
A, Ausgießkennlinie
B sowie Kokillenkennlinie C lässt
sich der zeitliche Verlauf der Ausgießbewegung automatisch steuern.
Dabei können
folgende Fälle
unterschieden werden.
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3 zeigt
ein Verfahren, wobei die Kokille 14 von der Gießautomat-Steuerung 32 gesteuert wird.
Der Eingießkennlinie
A und der Kokillenkennlinie C liegt eine gemeinsame Zeitachse t
[sec] zu Grunde. Beim Eingießvorgang
wird über
die, seit dem Gießbeginn
verstrichene Zeit Tact mit Hilfe der Gießformkennlinie C die erforderliche
Gießformstel lung
Kact und aus der Eingießkennlinie
A das erforderliche Eingießvolumen
Vact abgegriffen. Über
das nun bekannte Eingießvolumen
Vact wird in der Ausgießkennlinie
B die entsprechende Gießlöffelneigung Gact
abgegriffen. Die Gießautomat-Steuerung 32 stellt
darüber
die erforderliche Neigung G, K für
Gießlöffel und
Kokille ein.
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4 zeigt
einen Verfahrensablauf, wobei die Kokille 14 von der unabhängigen,
externen Steuerung 33 gesteuert wird. In diesem Fall wird
davon ausgegangen, dass die Kokillenneigung K [°Grad] nicht exakt eingestellt
werden muss und die Kokille 14 von einer externen Steuerung 33 zeitgesteuert nachgestellt
wird. Die aktuelle Stellung der Kokille 14 wird von dem
daran angekoppelten Positionsgeber 34 erfasst und an die
Gießautomat-Steuerung übertragen.
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In
diesem Fall kommen nur die Eingießkennlinie A und die Ausgießkennlinie
B zur Anwendung. Über
die kontinuierlich verlaufende Gießzeit t [sec] wird aus der
Eingießkennlinie
A die Volumenmenge Vact entnommen und über die Ausgießkennlinie
B die Gießlöffelstellung
Gact entnommen. Das Nachführen
des Gießautomaten
bzw. Roboters 16 erfolgt durch eine kinematische Transformation,
die die aktuelle Stellung der Kokille 14 gemäß Positionsgeber 34 berücksichtigt
(Conveyor Synchronisation). Dabei wird eine Schnaube 36 des
Gießlöffels 18 als
TCP (Tool Center Point) ohne Orientierung so nachgeführt, dass
die Schnaube 36 des Gießlöffels 18 immer über eine
Einfüllöffnung der
Kokille 14 bewegt wird. Die zusätzlich erforderliche Neigung
G des Gießlöffels 18 und
somit die Dosierung erfolgt über Gießlöffelneigung
Gact aus der Ausgießkennlinie
D.
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In
beiden Fällen
bewegt das Automationsgerät 10 den
Gießlöffel 18 so,
dass die Gießlöffelposition
immer optimal zur Einfüllöffnung der
Kokille nachgeführt
wird. Zwischen den diskret abgegriffenen Kennlinienwerten werden
jeweils Zwischenwerte interpoliert und von der Gießautomat-Steuerung 32 an den
Kokillenantrieb 30 und/oder Gießlöffelantrieb 16 ausgegeben,
so dass eine kontinuierliche Bewegung generiert wird.
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Bei
der automatischen Bewegungsgenerierung für den Roboter können zwei
verschiedene Verfahren zur Anwendung kommen.
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Bei
einer Offline-Programmierung erzeugt ein Algorithmus aus den oben
genannten Informationen ein Bewegungsprogramm für den Roboter 16. Hierbei
werden Zwischenpositionen mit jeweils einer Geschwindigkeitsvorgabe
für jede
Zwischenposition generiert. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass
das generierte Programm archiviert, manuell verändert und ggfs. auf andere
Roboter bzw. Gießautomaten übertragen
werden kann.
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Bei
der Online-Bewegungsgenerierung wird aus den gegebenen Kennlinientabellen
bzw. Kennlinienwerten über
den Zeitverlauf kontinuierlich die erforderliche Stellung des Gießlöffels 18 ermittelt
und am Roboter bzw. Gießautomaten
eingestellt. Dabei werden die anderen Achsen 20, 22, 24, 26, 28 des Roboters
durch eine kinematische Transformation so nachgeführt, dass
die Schnaube 36 des Gießlöffels 18 eine definierte
Bahnbewegung (Gießbewegung) ausführt. Eine
veränderte
Neigung K der Kokille 14 geht ebenfalls in die Berechnung
der Roboterbewegung ein.
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Das
vorgestellte Verfahren bietet den Vorteil, dass nach einem Austausch
des Gießlöffels 18 oder bei
Verwendung unterschiedlicher Gießlöffelgeometrien die Steuerung,
nach einer automatischen Kalibrierung, selbständig eine Bewegung für den Roboter bzw.
Gießautomaten
berechnen kann.
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Zu
der Kokillenkennlinie B ist anzumerken, dass diese im Falle einer
nicht gekippten Kokille 14 eine Gerade z. B. bei einem
Kippwinkel um 0° darstellt.