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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur robotergestützten Oberflächenbearbeitung, insbesondere auf eine mit Hilfe eines Manipulators geführtes Schleifgerät, beispielsweise eine Orbitalschleifmaschine.
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Schleifmaschinen und besonders Orbitalschleifmaschinen werden vielfach in Industrie und Handwerk eingesetzt. Orbitalschleifmaschinen sind Schleifmaschinen, bei denen einer Oszillationsbewegung (Vibration) eine Drehbewegung um eine Rotationsachse überlagert ist. Sie dienen häufig zur Endbearbeitung von metallischen Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität. Damit diese Anforderungen realisiert werden können, sollten Unregelmäßigkeiten während des Schleifvorganges möglichst vermieden werden. Dies geschieht in der Praxis meist dadurch, dass diese Aufgaben speziell bei der Herstellung von geringen Stückzahlen durch erfahrene Facharbeiter ausgeführt werden. Diese erkennen Unregelmäßigkeiten, die aufgrund von Schwankungen in der Drehzahl der Maschine entstehen und können diese durch kontinuierliches Ändern des Anpressdruckes beeinflussen. Hierzu ist eine gewisse Erfahrung und Übung nötig. Dabei ist die Drehzahl (der Drehbewegung) bei Orbitalschleifmaschinen üblicherweise abhängig von einer Kontaktkraft zwischen Schleifmaschine und Werkstück (Schleifkraft).
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Derartige Schleifmaschinen sind üblicherweise nicht drehzahlgeregelt, und folglich bewirkt eine höhere Kontaktkraft eine entsprechende Reduktion der Drehzahl und umgekehrt (entsprechend der Motorkennlinie). Diese Abhängigkeit der Drehzahl von der Kontaktkraft kann eine besondere Schwierigkeit bei der Automatisierung eines solchen Ablaufes sein. Industrieroboter (zumindest im unteren Preissegment) sind üblicherweise positionsgeregelt und damit für Schleifaufgaben ohne weitere Maßnahmen nicht geeignet. Selbst wenn eine Kraftregelung zur Regelung der Kontaktkraft vorgesehen wird, sind Drehzahlschwankungen aufgrund von Schwankungen der Kontaktkraft nicht auszuschließen, vor allem beim Kontaktieren des Werkstücks oder beim Lösen des Kontakts zwischen Schleifmaschine und Werkstück. Die Drehzahlschwankungen haben einen negativen Effekt auf die resultierende Oberflächenqualität nach der Bearbeitung. Ein rascher Anstieg der Drehzahl kann die Oberfläche verkratzen.
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In
DE 10 2006 049 956 A1 wird ein System und ein Verfahren zur automatisierten Verarbeitung und/oder Bearbeitung von Werkstücken beschrieben.
EP 1 743 738 A1 beschreibt eine Regelung eines Anpressdruckes in einer Werkzeugmaschine.
DE 10 2010 003 697 A1 zeigt eine aktive Handhabungsvorrichtung und ein Verfahren für Kontaktaufgaben.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen bereit zu stellen, die eine Bearbeitung von Werkstücken mit verbesserter Genauigkeit erlaubt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird ein Verfahren zur automatisierten Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Erzeugen einer Kontaktkraft zwischen einem rotierenden Werkzeug und einem Werkstück mit Hilfe eines Linearaktors sowie das Messen der Kontaktkraft zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück. Ein das Werkzeug antreibender Motor wird abhängig von einem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert angesteuert, um eine Drehzahl des Werkzeugs abhängig von der Kontaktkraft einzustellen.
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Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur automatisierten Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine Bearbeitungsmaschine mit einem rotierenden Werkzeug auf, welches von einem Motor angetrieben ist, sowie einen Linearaktor zum Erzeugen einer Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Werkstück. Es ist eine Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft vorgesehen und eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Motor abhängig von einem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert anzusteuern.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen Manipulator zum Positionieren der Bearbeitungsmaschine oder des Werkstücks auf. Der Manipulator kann dabei Bearbeitungsmaschine (relativ zum Werkstück) oder Werkstück (relativ zur Bearbeitungsmaschine) auf einer vorgebbaren Trajektorie positionieren. Im ersten Fall ist die Bearbeitungsmaschine über den Linearaktor mechanisch mit dem Manipulator verbunden und das Werkstück ist stationär. Im zweiten Fall ist die Bearbeitungsmaschine über den Linearaktor an einem stationären Gestell gelagert und das Werkstück wird vom Manipulator bewegt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Kraftregeleinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die vom Linearaktor bewirkte Aktorkraft so zu regeln, dass diese einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Dabei kann die Kraftregeleinheit dazu ausgebildet sein, zu detektieren, ob ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug besteht, wobei der Sollwert von einem Minimalwert auf einen Nennwert erhöht wird, wenn ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug detektiert wird.
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Der Motor weist eine Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, abhängig von dem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert die Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie des Motors zu verändern. Beispielsweise kann die Drehzahl/drehmoment-Kennlinie des Motors derart angepasst werden, dass eine durch eine Änderung der Kontaktkraft verursachte Drehzahländerung des Motors zumindest teilweise kompensiert wird.
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Der Linearaktor kann ein pneumatischer Aktor sein, und die Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft kann einen Drucksensor zum Messen des Drucks in dem pneumatischen Aktor aufweisen, wobei der die Kontaktkraft repräsentierende Messwert vom Druck in dem pneumatischen Aktor abhängt. Der Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft kann ein Signal zugeführt sein, welches anzeigt, ob Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht, wobei der Kontaktkraft repräsentierende Messwert Null ist, wenn kein Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei der eine Orbitalschleifmaschine über einen Aktor geführt wird und die Drehzahl in Abhängigkeit des Anpresskraft gesteuert wird;
- 2 zeigt eine beispielhafte Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie des Antriebs der Orbitalschleifmaschine;
- 3 zeigt die Veränderung der Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie aus 2 durch eine geeignete Ansteuerung des Antriebs.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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Die hier beschriebenen Beispiele der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur automatisierten Bearbeitung von Oberflächen. Beispielhaft wird die Erfindung anhand einer von einem Manipulator geführten Orbitalschleifmaschine erläutert. Die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien können jedoch ohne weiteres auf andere Maschinen mit einem rotierenden Werkzeug zur Bearbeitung von Oberflächen (z.B. Poliermaschinen, Bandschleifgeräte, etc.) übertragen werden, insbesondere Maschinen, welche einen Antrieb mit Schlupf aufweisen oder deren Antrieb eine Motorkennlinie aufweist, gemäß der die (Dreh-) Geschwindigkeit des Werkzeugs von der Belastung des Motors abhängt. Unter einem rotierenden Werkzeug kann auch ein umlaufendes Band wie z.B. ein Schleifband einer Schleifmaschine verstanden werden. Die Erfindung ist also nicht auf Anwendungen mit Orbitalschleifmaschinen beschränkt.
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Die Qualität der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks hängt von unterschiedlichen Parametern des Bearbeitungsprozesses ab. Einer dieser Prozessparameter ist beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs (z.B. ein mit Schleifpapier bestückter Schleifteller oder eine Schleifscheibe) sowie die Kontaktkraft FK zwischen Werkzeug und Werkstück, welcher einer Aktorkraft FA entspricht, mit der das Werkzeug auf die Oberfläche des Werkstücks gedrückt wird (FA+FK=0, siehe 1). Auch die Geschwindigkeit des Abtransports des Materialabtrags kann ein relevanter Prozessparameter sein.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit Hilfe eines Manipulators 150 automatisierten Vorrichtung 100 zur voll- oder teilautomatischen Bearbeitung von Werkstücken. Eine Schleifmaschine 201 - im vorliegenden Beispiel eine Orbitalschleifmaschine - ist über einen Linearaktor 401 mechanisch mit dem Manipulator 150 gekoppelt. Der Manipulator kann beispielsweise ein Standard-Industrieroboter sein. Derartige Industrieroboter weisen üblicherweise 6 Freiheitsgrade auf und sind in der Lage, die Position und die Orientierung eines sogenannten Tool-Center-Point (TCP) am Ende des Roboterarmes einzustellen und entlang einer vorgegebenen Trajektorie mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit zu bewegen. Je nach Anwendungsfall kann der Manipulator 150 auch einfacher ausgeführt sein und z.B. weniger als sechs Freiheitsgrade aufweisen. In einfachen Anwendungen kann sogar ein Freiheitsgrad genügen. Alternativ ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Schleifmaschine 201 über einen Linearaktor 401 an einem stationären (ortsfesten) Gestell gelagert ist und der Manipulator 150 das Werkstück 301 relativ zur Schleifmaschine 201 bewegt.
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Eine einfache Positionsregelung der Schleifmaschine 201 ist jedoch im Allgemeinen für einen Schleifprozess untauglich, da mit einer Positionsregelung die Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 nicht kontrollierbar ist. Die Regelung der Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 wird mit Hilfe des Linearaktors 401 und einer Steuereinheit 402 bewerkstelligt, auf deren Funktionsweise später noch genauer eingegangen wird.
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Ein Motor 204 (z.B. ein Elektromotor) der Schleifmaschine 201 bewirkt eine Rotation des Schleifwerkzeuges 202 um eine Rotationsachse 203, wobei die Rotationsgeschwindigkeit im Allgemeinen von der Belastung (Lastmoment) des Antriebs und damit von der Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstückoberfläche 301a abhängt. Der Zusammenhang zwischen Lastmoment ML des Motors 204 und der Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl n) des Schleifwerkzeuges 202 hängt üblicherweise von der Motorkennlinie des Antriebs ab, wobei für die weitere Diskussion eine Proportionalität zwischen Kontaktkraft FK und Lastmoment ML des Motors 204 angenommen wird. Im Fall einer Orbitalschleifmaschine führt das Schleifwerkzeug 202 des Weiteren eine Oszillationsbewegung um die Rotationsachse 203 (oder eine andere zur Achse 203 parallel liegende Rotationsachse) aus, wobei die Oszillationsbewegung der Rotationbewegung überlagert ist. Für den Schleifprozess ist vor allem die Oszillationsbewegung verantwortlich, wohingegen die Rotationsbewegung einen gleichmäßigen Verschleiß des Schleifwerkzeugs und den Abtransport des Materialabtrags bewirkt.
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Wie bereits erwähnt kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft FK zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 mit Hilfe des Linearaktors 401 und einer Kraftregelung so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft FK einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft FK ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft FA (-FK=FA im quasistationären Zustand), mit der der Linearaktor 401 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werkstück 301 und Werkzeug 202 fährt der Aktor aufgrund der fehlenden Kontaktkraft FK gegen einen Endanschlag. Die Positionsregelung des Manipulators 150 kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung des Linearaktors 401 arbeiten. Der Linearaktor ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 201, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft FK . Der Linearaktor kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylinder und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Betracht.
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Im vorliegenden Beispiel ist die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils 406, eines Reglers 410 und einen Druckluftspeicher 405 realisiert. Der Druckluftspeicher 405 kann auch durch einen Kompressor ersetzt werden. Das Regelventil 406 ist dazu ausgebildet, die Luftzufuhr zum Aktor 401 zu steuern. Der Regler 410 steuert abhängig von einem die Kontaktkraft FK repräsentierenden Messwert (z.B. den Druck p im Aktor 401) das Ventil 406 derart an, dass die Aktorkraft FA einem Sollwert entspricht. Der Regler 410 kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwischen Werkstück 301 und Werkzeug 202 zu erkennen und abhängig davon, ob Kontakt besteht, den Sollwert für die Kraftregelung anzupassen. Z.B. kann der Sollwert auf sehr kleine Kraftwerte (annähernd null Newton) gesetzt werden, wenn kein Kontakt besteht, und erst nach Kontakterkennung langsam auf einen Nennwert erhöht werden. Die Kraftregelung ist jedoch als solche bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.
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Trotz der erwähnten Regelung der Aktorkraft FA (und damit der Kontaktkraft FK ) kann die Kontaktkraft schwanken. Derartige Schwankungen können einerseits durch externe Störkräfte verursacht werden, und andererseits ändert sich die Kontaktkraft FK vom Zeitpunkt des Kontakts zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 bis zum Erreichen einer Soll-Kontaktkraft. Beim Lösen des Kontakts zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 fällt die Kontaktkraft auf Null. Der Kraftregler kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 zu erkennen und dann die den Sollwert für die Kraftregelung langsam von einer vorgebbaren Minimal-Kontaktkraft (z.B. Null) auf die erwähnte Soll-Kontaktkraft zu erhöhen. Mit jeder Änderung der Kontaktkraft FK ist eine Änderung des Lastmoments des Antriebs der Schleifmaschine 201 und folglich auch eine Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 202 verbunden (entsprechend der Motorkennlinie). Wie bereits erwähnt können sich Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit negativ auf das Bearbeitungsergebnis auswirken. Eine Möglichkeit, derartige Schwankungen zu verhindern ist die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 202 auf einen konstanten Wert mit Hilfe eines Regelkreises. In diesem Fall ist jedoch die Messung der Rotationsgeschwindigkeit nötig, was zusätzlichen Aufwand verursacht.
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In der Folge wird beschrieben, wie mit einer einfachen Steuerung (ohne Rückkopplung der Rotationsgeschwindigkeit) die Drehzahl des Schleifwerkzeugs 202 trotz Schwankungen der Kontaktkraft FK annähernd konstant gehalten werden kann. Der Linearaktor 401 umfasst eine Vorrichtung zur Messung der Aktorkraft FA , welche für die Kraftregelung ohnehin benötigt wird. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Vorrichtung zur Messung der Aktorkraft FA ein einfacher Drucksensor sein, welcher den Druck p im pneumatischen Aktor (z.B. den Druck im Pneumatikzylinder) misst. Dieser Druck kann in einer Weise in die Kraft FA umgerechnet werden (im Falle eines Pneumatikzylinders gilt: FA=p·A, wobei A die effektive Querschnittsfläche des Zylinders ist). Abhängig von dem die Aktorkraft FA repräsentierenden Messwert (z.B. Druck p) kann nun unter Berücksichtigung der Motorkennlinie des Motors der Schleifmaschine 201 die Ansteuerung des Motors so verändert werden, dass eine Änderung der Drehzahl des Antriebs aufgrund einer Änderung der Aktorkraft FA durch eine entsprechende Änderung der Ansteuerung des Motors (z.B. Änderung der Ankerspannung UA , Änderung des Erregerfeldes) zumindest teilweise kompensiert wird. Es handelt sich dabei um eine Steuerung der Motordrehzahl (ohne Rückkopplung der gesteuerten Größe).
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Die Steuerung der Drehzahl des Motors der Schleifmaschine 201 wird anhand der in 2 dargestellten Kennlinie näher erläutert. Die Kennlinie ist nur als Beispiel zu verstehen und kann je nach verwendetem Motortyp auch anders aussehen. Das Lastmoment ML wird als proportional zur Aktorkraft FA angenommen, welcher - im Falle eines pneumatischen Aktors - wiederum direkt vom Druck p abhängt. Im vorliegenden Beispiel wird von einer Nebenschlussmaschine ausgegangen, bei der die Drehzahl n abhängig vom Lastmoment ML (und damit auch abhängig von der Kraft FA ) annähernd linear abnimmt. Die in 2 dargestellte Kennlinie gilt für eine Ankerspannung UA=UA0. Bei einer (Soll-) Aktorkraft FA=F0 dreht sich der Anker des Motors und damit das Schleifwerkzeig 202 mit einer (Soll-) Drehzahl n=n0 (Arbeitspunkt P0 ). Steigt die Aktorkraft FA auf einen Wert F1 (F1>F0) an, so würde (ohne Steuerung) die Drehzahl n auf einen Wert n1 (n1<n0) absinken (Arbeitspunkt P1 ). Um diesen Effekt zu kompensieren kann die Steuereinheit 402 z.B. die Ankerspannung UA am Motor vom ursprünglichen Wert UA0 auf den Wert UA1 erhöhen, wodurch die Motorkennline zu höheren Drehzahlen hin parallel verschoben wird (siehe 3). Die Ankerspannung UA1 (UA1>UA0) ist gerade so hoch, dass die Motordrehzahl - bei einer Aktorkraft FA=F1 wieder der ursprünglichen Soll-Drehzahl no entspricht (Arbeitspunkt P2 ). Diese Situation ist in 3 dargestellt.
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Die erwähnte Kennlinienverschiebung kann je nach Typ des Motors auch anders erreicht werden, z.B. durch eine Schwächung des Erregerfeldes, durch Veränderung des Ankerwiderstandes, etc. Im Allgemeinen wird die Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie abhängig von einem die Kontaktkraft FK repräsentierenden Messwert (z.B. Aktorkraft FA oder Druck p) derart beeinflusst, dass eine Veränderung der Drehzahl n aufgrund einer Veränderung der Kontaktkraft FK zumindest teilweise kompensiert wird. Bei fehlendem Kontakt zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 ist der die Kontaktkraft FK repräsentierende Messwert null, und der Aktor 402 drückt gegen einen Endanschlag. Sobald ein Kontakt erkannt zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 (z.B. aufgrund der Veränderung der Auslenkung des Aktors) ist die Aktorkraft FA (z.B. gemessen über den Druck p) ein Messwert für die Kontaktkraft FK (-FK=FA).
