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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken
mit einem Werkstückträger und einer an einem Maschinengestell
befestigten Bearbeitungsspindel, an der ein Finishwerkzeug rotierend
antreibbar angeordnet ist und deren Spindelachse gegenüber
dem Maschinengestell winkelverstellbar ist. Durch die Finishbearbeitung
werden Maßabweichungen und die Rautiefe reduziert sowie
je nach Form des Werkstückes die Rundheit, Gradheit, Ebenheit
oder Zylindrität verbessert. Unter den Begriff Finishbearbeitung
fallen insbesondere die Verfahren Feinschleifen und Honen, wobei
als Finishwerkzeuge beispielsweise rotierend angetriebene Schleifscheiben,
Honsteine, Topfscheiben oder dergleichen eingesetzt werden können.
Vorzugsweise werden die Werkstücke senkrecht zu ihrer zu
bearbeitenden Fläche rotierend und/oder oszillierend bewegt.
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Eine
Werkzeugschlittenanordnung mit einem Werkzeugschlitten zur Aufnahme
einer Bearbeitungsspindel ist aus der Druckschrift
DE 20 2006 017 178 U1 bekannt.
Die Werkzeugschlittenanordnung ist insbesondere für eine
Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken mit den
Merkmalen des Oberbegriffes vorgesehen. Der Schlitten zur Aufnahme
einer Werkzeugspindel ist dabei an einem Träger angeordnet,
der gegenüber einer am Maschinengestell befestigbaren Grundplatte
in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen verstellbar ist.
Bei einer typischerweise im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung
einer an dem Schlitten angeordneten Bearbeitungsspindel erfolgt
die als Schwenkbewegung bzw. Tiltbewegung bezeichnete Verkippung
im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene um einen in einem Abstand
zu den Einstellmitteln angeordneten Drehpunkt. Durch die in der
DE 20 2006 017 178
U1 offenbarte Ausgestaltung können der Kippwinkel
und Tiltwinkel unabhängig voneinander mit einer hohen Präzision
eingestellt werden. Die Einstellung erfolgt üblicherweise
per Hand durch Bedienpersonal, wobei eine Fehlbedienung nicht ausgeschlossen
werden kann.
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Die
Druckschrift
DE
10 2006 004 747 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Einstellen
einer Werkzeugspindel, die insbesondere für eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Oberbegriffes vorgesehen ist. Um die vertikale
Ausrichtung der Spindelachse herum ist eine Verkippung im Wesentlichen
in horizontaler Richtung vorgesehen, wobei der Neigungswinkel α und
der Führungswinkel β dem aus der
DE 20 2006 017 178 U1 bekannten
Kipp- bzw. Tiltwinkel entsprechen. Bei einer Finishbearbeitung kann
durch das Verkippen der Werkzeugspindel das Schliffbild beeinflusst
werden. Darüber hinaus können durch ein Verkippen
der Spindelachse konkave und konvexe Krümmungen der zu
bearbeitenden Oberfläche erzeugt werden. Zur Winkelverstellung
können Schrittmotoren oder positionsüberwachte
Servomotoren vorgesehen sein. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung
und der steuerungstechnische Aufwand sind jedoch verbesserungsbedürftig.
Insbesondere werden bei der Bestimmung der Ausrichtung der Spindelachse
durch die Motorenposition etwaige Durchbiegungen oder Verwindungen
der Vorrichtung unter Last nicht berücksichtigt.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Finishbearbeitung anzugeben, bei
denen eine präzise Winkeleinstellung auf einfache Weise möglich
ist.
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Ausgehend
von einer Vorrichtung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass an der Bearbeitungsspindel ein elektronischer Neigungsmesser
zur Bestimmung der Ausrichtung der Spindelachse bezüglich
der Vertikalen angeordnet ist.
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Der
Neigungsmesser ist zumindest nach einer Einrichtung der Vorrichtung
und während des Betriebs in einer feststehenden Winkelanordnung
zu der Bearbeitungsspindel ausgerichtet. Der Neigungsmesser, der
auch als Inklinometer bezeichnet wird, kann beispielsweise an einem
Spindelgehäuse oder einem Träger der Spindel fest
montiert sein. Durch diese Anordnung kann die Ausrichtung der Spindelachse
sehr genau und mit einem geringen messtechnischen Aufwand bestimmt
werden. Im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten
Bestimmung der Position aus einer Motorenstellung ergibt sich eine
deutlich geringere Fehleranfälligkeit. Insbesondere kann
auch festgestellt werden, wenn bei gleichbleibender Motorstellung
Biegungen oder Verwindungen der Vorrichtung zu einer Änderung
der Ausrichtung der Spindelachse führen.
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Im
Rahmen der Erfindung können ohne Einschränkung
auch mehrere Werkstückträger vorgesehen sein,
die beispielsweise auf einem Rundtisch angeordnet sind. Darüber
hinaus kann die Vorrichtung auch mehrere Bearbeitungsstationen aufweisen,
die jeweils mit einer Bearbeitungsspindel oder einer anderen Bearbeitungs-
oder Manipulationseinrichtung ausgerüstet sind.
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Der
Neigungssensor ermittelt eine Verkippung in Bezug auf die Vertikale
z, wo üblicherweise zwei Winkel α, β ermittelt
werden, die nachfolgend auch als Kippwinkel α und Tiltwinkel β bezeichnet werden.
Der Neigungsmesser kann dabei für jede der Kippachsen einen
zugeordneten Neigungssensor aufweisen. Die Winkelverstellung der
Spindelachse erfolgt typischerweise in einem relativ kleinen Winkelbereich
um die Vertikale, auch wenn die vorliegende Erfindung nicht auf
eine solche Ausführung beschränkt ist. Durch eine
Verstellung des Kippwinkels und des Tiltwinkels können
die Oberflächengeometrie und die Oberflächenstruktur
variiert werden. Wenn beispielsweise eine Topf- oder Schleifscheibe als
rotierend angetriebenes Finishwerkzeug vorgesehen ist, können
abhängig von der Ausrichtung der Spindelachse bezüglich
des in dem üblicherweise rotierend angetriebenen Werkstückträger
angeordneten Werkstückes eine hohle oder ballige, d. h.
konkave oder konvexe Oberflächenkontur und ein unterschiedliches
Schliffbild erzeugt werden. Um eine präzise Winkelverstellung
ermöglichen zu können, kann beispielsweise die
aus der
DE 20
2006 017 178 U1 bekannte Werkzeugschlittenanordnung zur
Befestigung der Bearbeitungsspindel an dem Maschinengestell vorgesehen
sein.
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Im
Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die von dem Neigungssensor
ermittelte Winkelposition, also typischerweise der Kippwinkel α und
der Tiltwinkel β, einem Benutzer durch ein entsprechendes
Element angezeigt werden. Die Ausrichtung der Bearbeitungsspindel
kann dann von einem Benutzer direkt abgelesen und überprüft
werden. Im einfachsten Fall ist dann ggf. eine Winkelkorrektur durch
eine manuelle Betätigung von entsprechenden Einstellmitteln
zur Winkelverstellung möglich. Da die jeweils eingestellte
Position unmittelbar an dem Element zur Anzeige abgelesen werden kann,
ist eine besonders leichte und genaue Positionierung auch durch
ungelerntes Bedienpersonal möglich. Sofern eine manuelle
Winkelverstellung vorgesehen ist können auch Vorrichtungen,
die zunächst keinen Neigungsmesser aufweisen, auf besonders
einfache Weise nachgerüstet werden. Neben dem Kipp- und
dem Tiltwinkel können grundsätzlich auch lediglich
ein Winkel und eine Kipprichtung oder x- und y-Koordinaten angegeben
werden, die dem Kipp- und Tiltwinkel entsprechen.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zumindest
ein Stellmotor zur Winkelverstellung zwischen Bearbeitungsspindel
und Maschinengestell vorgesehen. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung
werden üblicherweise zwei Stellmotoren vorgesehen, mit
denen der Kippwinkel und der Tiltwinkel unabhängig voneinander
eingestellt werden können. Durch die Stellmotoren kann
die Bedienung weiter erleichtert werden, wobei die Winkelver stellung
durch eine manuelle Betätigung der Motoren, beispielsweise
durch einen zugeordneten Schalter oder vorzugsweise durch eine Maschinensteuerung
erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei
der der zumindest eine Stellmotor und der Neigungsmesser an eine
gemeinsame Maschinensteuerung angeschlossen sind. Im Rahmen einer
solchen Ausgestaltung kann eine vollständige Automatisierung
der Winkelverstellung erfolgen. Durch die Maschinensteuerung kann
insbesondere eine besonders einfache Einrichtung der Maschine erfolgen,
so dass die Gefahr von Fehleinstellungen und die erforderlichen
Umrüstzeiten minimiert werden können.
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Um
die Genauigkeit der Winkeleinstellung zwischen Spindelachse und
der Ausrichtung der Werkstücke weiter zu verbessern, können
die typischerweise rotierend und/oder oszillierend antreibbaren
Werkstückträger einen zusätzlichen Neigungsmesser
aufweisen. Etwaige Fehlausrichtungen des Werkstückträgers
können so zuverlässig festgestellt werden und
durch eine angepasste Verstellung der Spindelachse ausgeglichen
werden. Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
weist die Vorrichtung einen Rundtisch mit einer Vielzahl von Werkstückträgern
auf, wobei ein Neigungsmesser an dem Rundtisch oder an jedem der
Werkstückträger vorgesehen sein kann.
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Wenn
die Vorrichtung einen Rundtisch mit einer Vielzahl von Werkstückträgern
aufweist, können verschiedene Bearbeitungsschritte an verschiedenen
Positionen des Rundtisches vorgesehen sein. Dabei liegt es auch
im Rahmen der Erfindung mehrere jeweils mit einem Neigungssensor
ausgerüstete Bearbeitungsspindeln zur Durchführung
von verschiedenen Bearbeitungsschritten vorzusehen, wobei die Bearbeitungsschritte
an den einzelnen Stationen von den Werkstücken nacheinander
durchlaufen werden. Die Werkstücke können dabei
auch automatisch zugeführt und beispielsweise mit einem
Greifarm in einen zugeordneten Werkstückträger
eingesetzt und nach der Bearbeitung entnommen werden.
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Auch
an dem Maschinengestell kann zumindest ein weiterer Neigungsmesser
angeordnet sein, mit dem beispielsweise die horizontale Grundausrichtung
der Vorrichtung oder auch Biegungen oder Verwindungen der Vorrichtung
ermittelt werden können. Die erfindungsgemäß an
der Spindelachse und optional an den Werkstückträgern,
dem Rundtisch oder dem Maschinengestell angeordneten Neigungsmesser
weisen vorzugsweise eine Empfindlichkeit von besser als 1 mm/m (Millimeter
pro Meter) und besonders bevorzugt besser als 100 μm/m
(Mikrometer pro Meter) auf. Da der zu überwachende Winkelbereich üblicherweise
klein ist, sind auch grundsätzlich höhere Empfindlichkeiten
möglich.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken
mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung, wobei die von dem Neigungsmesser
ermittelte Winkelposition an eine Maschinensteuerung übermittelt
wird und wobei anhand von in der Maschinensteuerung abgespeicherten
Vorgabewerten in einer Bearbeitungspause zwischen zwei Werkstücken
und/oder während der Bearbeitung eines Werkstückes
eine Winkeleinstellung bzw. eine Winkelsteuerung der Spindelachse über
zumindest einen Stellmotor durchgeführt wird.
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Durch
das beschriebene Verfahren können der Kipp- und der Tiltwinkel
auch während der Bearbeitung eines Werkstückes
gesteuert werden, so dass bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit
und Geometrie der Werkstücke sehr enge Vorgabewerte eingehalten
werden können. Die Steuerung des Kipp- und Tiltwinkels
kann auch in Verbindung mit einer typischerweise vorgesehenen Verstellbarkeit
der Werkzeugspindel entlang der Spindelachse dazu genutzt werden,
die Bearbeitungszeiten zu minimieren.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden nacheinander
Werkstücke mit unterschiedlichen Oberflächengeometrien
bearbeitet, wobei in Abhängigkeit der jeweiligen, unterschiedlichen Oberflächengeometrie
eine entsprechend angepasste Winkeleinstellung vor der Bearbeitung
und/oder Winkelsteuerung während der Bearbeitung durchgeführt
wird. Die verschiedenen Werkstücke können in einer
fest vorgegebenen, stets gleichen Reihenfolge zugeführt
werden. Darüber hinaus kann die Reihenfolge auch von einem
vorgelagerten Bearbeitungsprozess oder einer übergeordneten
Prozesssteuerung an die Maschinensteuerung übermittelt
werden. Daneben sind auch eine automatische Erkennung, beispielsweise
anhand der Oberflächenkontur oder speziellen Erkennungsmarken,
oder eine manuelle Eingabe durch einen Benutzer möglich.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch
vorgesehen sein, dass nach der Bearbeitung eines Werkstückes
die bearbeitete Werkstückoberfläche vorzugsweise
automatisch vermessen wird, wobei die Messwerte mit Vorgabewerten verglichen
werden und wobei bei dem Auftreten von Maßabweichungen
eine automatische Winkelkorrektur der Spindelachse durch die Maschinensteuerung durchgeführt
wird. Die Vermessung erfolgt an zumindest einem Punkt, vorzugsweise
an mehreren Punkten der Werkstückoberfläche, wobei
auch Konturlinien oder Teilflächen der Werkstückoberfläche
vermessen werden können. Die Vermessung kann unmittelbar
nach der Bearbeitung, wenn sich das Werkstück noch in dem
Werkstückträger befindet oder nachgelagert durchgeführt
werden. Erfindungsgemäß kann eine Vermessung von
sämtlichen Werkstücken oder lediglich von einzelnen
Stichproben erfolgen. Die bei einer Maßabweichung durchgeführte
automatische Winkelkorrektur kann grundsätzlich auch verschiedene
Werkstückgeometrien und bei einer Anordnung mit mehreren
Werkstückträgern, beispielsweise einem Rundtisch,
eine mögliche Fehlausrichtung der einzelnen Werkstückträger
berücksichtigen.
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Die
Erfindung wird im Nachfolgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken,
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2 die
Vorrichtung gemäß 1 in einer Ansicht
von vorne,
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3a einen
Rundtisch einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung mit schematisch
angedeuteten Bearbeitungsstationen,
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3b, 3c mit
unterschiedlichen Werkstücken bestückte Rundtische
einer Vorrichtung zur Finishbearbeitung.
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Der
grundlegende Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Finishbearbeitung von Werkstücken 1a ist den 1 und 2 zu
entnehmen. Ein Maschinengestell 2 trägt einen
Rundtisch 3 mit einer Vielzahl von Werkstückträgern 4,
in denen jeweils ein Werkstück 1a angeordnet ist.
An dem Maschinengestell 2 ist des Weiteren eine Bearbeitungsspindel 5 über
eine Werkzeugschlittenanordnung 6 winkelverstellbar angeordnet.
Die Werkzeugschlittenanordnung 6 umfasst eine an dem Maschinengestell 2 befestigte
Grundplatte 7, an der kippbeweglich ein Träger 8 mit
einem die Bearbeitungsspindel 5 aufnehmenden Schlitten 9 angeordnet
ist. Durch eine Verkippung des Trägers 8 gegenüber
der Grundplatte 7 kann die Winkelstellung der Spindelachse
S bezüglich der Vertikalen z eingestellt werden, wobei
für eine Verstellung in x-Richtung um den Kippwinkel α und
eine Verstellung in y-Richtung um den Tiltwinkel β voneinander
getrennte Einstellmittel mit jeweils einem zugeordneten Stellmotor 10a, 10b vorgesehen sind.
An dem Gehäuse der Bearbeitungsspindel 5 ist ein
Neigungsmesser 11 vorgesehen, der die Bestimmung des Kippwinkels α und
des Tiltwinkels β mit einer sehr hohen Genauigkeit ermöglicht.
Die Vorrichtung weist ein Element 12 zur Anzeige der vom
Neigungsmesser 11 ermittelten Winkelposition auf, die direkt
von einem Benutzer abgelesen und überprüft werden
kann. Vorzugsweise sind die Stellmotoren 10a, 10b und
der Neigungsmesser 11 an eine gemeinsame Maschinensteuerung 13 angeschlossen.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Finishbearbeitung
mit einer von der Bearbeitungsspindel 5 rotierend angetriebenen
Topfscheibe 14. Die Topfscheibe 14 ist gegenüber
dem in dem Werkstückträger 4 rotierend
angetriebenen Werkstück 1a in x-Richtung versetzt
angeordnet und um den Kippwinkel α gegenüber der
Vertikalen z geneigt, wodurch eine ballige Werkstückoberfläche
erzeugt wird. Durch eine, bezogen auf die Vertikale z, entgegengesetzte
Verkippung kann dagegen eine hohle Oberflächenkontur erzeugt
werden. Der 2 ist zu entnehmen, dass die
Spindelachse S auch um einen Tiltwinkel β in y-Richtung
geneigt ist, um ein gewünschtes Schliffbild zu erzeugen.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den
Figuren untypisch große Winkel α und β dargestellt.
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Zusätzlich
zu dem an der Bearbeitungsspindel 5 angeordneten Neigungsmesser 11 sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel weitere Neigungsmesser 11', 11'', 11''' an
dem Rundtisch 3 und dem Maschinengestell 2 angeordnet.
Durch den Neigungsmesser 11' an dem Rundtisch 3 kann
zuverlässig eine Fehlausrichtung der einzelnen Werkstückträger 4 ermittelt
werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die einzelnen Werkstückträger 4 jeweils
mit einem zugeordneten Neigungsmesser auszurüsten. Durch
die an dem Maschinengestell 2 angeordneten Neigungsmesser 11'', 11''' kann
festgestellt werden, ob die gesamte Vorrichtung bezüglich
des Untergrundes horizontal ausgerichtet ist oder sich unter Belastung
biegt oder verwindet. Sämtliche Neigungsmesser 11, 11', 11'', 11''',
die typischerweise eine Empfindlichkeit aufweisen, die besser ist
als 1 mm/m, besonders bevorzugt besser als 100 μm/m, sind
an die Maschinensteuerung 13 angeschlossen.
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3a zeigt
schematisch einen Rundtisch mit vier Werkstückträgern 4.
In Bearbeitungspausen wird der Rundtisch um 90° gedreht,
so dass die Werkstücke 1a nacheinander verschiedene
Positionen A, B, C, D durchlaufen. In einer ersten Position A wird
ein zugeführtes Werkstück 1a vorzugsweise
automatisch in einen zugeordneten Werkstückträger 4 eingesetzt.
Nachfolgend erfolgt in einer zweiten und einer dritten, jeweils
um 90° versetzten Position B, C zunächst ein Vorfinishen
und anschließend ein Feinfinishen mit einem Finishwerkzeug,
wobei der Werkstückträger 4 mit dem darin
aufgenommenen Werkstück 1a rotierend angetrieben
wird. Um eine besonders präzise Oberfläche zu
erreichen, können die jeweils an der zuvor beschriebenen
wegeverstellbaren Spindelachse S angeordneten Finishwerkzeuge während
der Bearbeitung zusätzlich zu einer Zustellbewegung in
Richtung der Spindelachse S in ihrer Winkelstellung zu dem Werkstück 1a verstellt
werden, wobei die erfindungsgemäße Bestimmung
der Ausrichtung der Spindelachse S mittels eines Neigungsmessers 11 eine
genaue Winkelsteuerung ermöglicht.
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In
einer vierten Position D wird die bearbeitete Oberfläche
vermessen, bevor das Werkstück 1a aus dem Werkstückträger 4 entnommen
wird. Die bei der vorzugsweise automatisch durchgeführten
Vermessung von einer Messeinrichtung 15 ermittelten Messwerte
werden mit Vorgabewerten verglichen, wobei bei dem Auftreten von
Maßabweichungen eine automatische Winkelkorrektur der Spindelachsen
S durch die gemeinsame Maschinensteuerung 13 durchgeführt
wird.
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Die 3b und 3c zeigen
in einer schematischen Darstellung einen Rundtisch, in dessen Werkstückträgern
unterschiedliche Werkstücke 1a, 1b, 1c angeordnet
sind. An den Bearbeitungsstationen 16, an denen die unterschiedlichen
Werk stücke 1a, 1b, 1c mit einem
an einer Bearbeitungsspindel 5 angeordneten Finishwerkzeug
bearbeitet werden erfolgt in Abhängigkeit der jeweiligen
Oberflächengeometrie eine entsprechend angepasste Winkeleinstellung
vor der Bearbeitung und/oder Winkelsteuerung während der
Bearbeitung. Die Werkstücke 1a, 1b, 1c können
dabei wie in 3b dargestellt, in einer fest vorgegebenen,
stets gleichen Reihenfolge zugeführt werden. Darüber
hinaus kann jedoch auch, wie in 3c dargestellt,
eine beliebige Reihenfolge vorgesehen sein, wobei die Reihenfolge
dann beispielsweise von einem vorgelagerten Bearbeitungsprozess oder
eine übergeordnete Prozesssteuerung an die Maschinensteuerung 13 übermittelt
wird. Daneben ist auch eine automatische Erkennung beispielsweise
anhand der Oberflächenkontur oder speziellen Erkennungsmarken
oder eine manuelle Eingabe durch einen Benutzer möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202006017178
U1 [0002, 0002, 0003, 0008]
- - DE 102006004747 A1 [0003]