DE102015106480A1

DE102015106480A1 - Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE102015106480A1
Application number: DE102015106480.4A
Authority: DE
Inventors: Ronald Naderer
Original assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Current assignee: Ferrobotics Compliant Robot Technology GmbH
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-27
Also published as: EP3288712C0; US20180126512A1; KR20170140261A; JP2018516764A; US10974362B2; JP7017934B2; EP3288712B1; CN107666985A; JP2022017427A; KR102480548B1; EP3288712A1; WO2016172751A1

Abstract

Es wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Rahmen und eine erste Rolle, welche an dem Rahmen entlang einer ersten Richtung verschiebbar gelagert ist. Eine zweite Rolle ist an dem Rahmen starr befestigt, und ein Band (z.B. ein Schleifband) ist um beide Rollen geführt. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Aktor, welcher mechanisch mit dem Rahmen und der ersten Rolle derart gekoppelt ist, dass eine einstellbare Aktorkraft zwischen dem Rahmen und der ersten Rolle entlang der ersten Richtung wirkt, und eine Kraftmessvorrichtung zur direkten oder indirekten Messung einer Kontaktkraft die zwischen der ersten Rolle und dem Werkstück oder zwischen einem mit der ersten Rolle verbundenen rotierendem Werkzeug und dem Werkstück. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Aktorkraft so einzustellen, dass die Kontaktkraft einem vorgebbaren Sollwert entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur spanenden oder glättenden Bearbeitung von Oberflächen von Werkstücken.
Die Endbearbeitung von Oberflächen in der Kleinserienproduktion wird in den meisten Fällen noch von Hand ausgeführt. Dies nimmt viel Zeit in Anspruch und muss von einem erfahrenen Facharbeiter durchgeführt werden. Dieser Arbeitsschritt ist umso aufwändiger, je hochwertiger die endgültige Oberfläche sein muss. Als Beispiel kann die Oberfläche einer PKW-Motorhaube angeführt werden, bei der die Anforderungen an die Qualität der Oberfläche verhältnismäßig hoch sind. Zur Herstellung einer derartigen Oberflächenqualität gibt es für die Kleinserie neben der Handarbeit mit einer (Hand-)Schleifmaschine keine adäquate Lösung. Die Schleifergebnisse von bekannten Schleifautomaten sind häufig mangelhaft oder benötigen lange Einstellzeiten oder Ein- und Auslaufbereiche, um zu vermeiden, dass Unregelmäßigkeiten im Schliffbild auf der endgültigen Oberfläche zu sehen sind. Diese Unregelmäßigkeiten entstehen aufgrund von Schwingungen im Schleifband oder einer zu trägen Regelung der Kontaktkraft. Die Kontaktkraft ist die Kraft, mit der das Schleifband auf die Werkstückoberfläche einwirkt. In der Publikation JP S63-089263 ist eine Vorrichtung beschrieben, die die Kontaktkraft durch eine geeignete Lagerung regelt. Durch die hohe träge Masse der Schleifmaschine kommt es aber – aufgrund der Massenträgheit – unweigerlich zu den oben genannten Erscheinungen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, dass aufwendige Schleif- oder Polituraufgaben teil- oder vollautomatisiert mit verbesserter Qualität ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird im Folgenden eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Rahmen und eine erste Rolle, welche an dem Rahmen entlang einer ersten Richtung verschiebbar gelagert ist. Eine zweite Rolle ist an dem Rahmen starr befestigt, und ein Band (z.B. ein Schleifband) ist um beide Rollen geführt. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Aktor, welcher mechanisch mit dem Rahmen und der ersten Rolle derart gekoppelt ist, dass eine einstellbare Aktorkraft zwischen dem Rahmen und der ersten Rolle entlang der ersten Richtung wirkt, und eine Kraftmessvorrichtung zur direkten oder indirekten Messung einer Kontaktkraft zwischen der ersten Rolle und dem Werkstück oder zwischen einem mit der ersten Rolle verbundenen rotierendem Werkzeug und dem Werkstück. Eine Steuereinheit ist dazu ausgebildet, die Aktorkraft so einzustellen, dass die Kontaktkraft einem vorgebbaren Sollwert entspricht.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstückes beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird dazu eine Vorrichtung verwendet, die einen Rahmen, eine erste Rolle, welche an dem Rahmen entlang einer ersten Richtung verschiebbar gelagert ist, sowie eine zweite Rolle, welche an dem Rahmen starr befestigt ist, aufweist. Ein Band ist um die beiden Rollen geführt und ein Aktor ist mechanisch mit dem Rahmen und der ersten Rolle gekoppelt. Es wird eine Kontaktkraft zwischen der ersten Rolle und dem Werkstück gemessen (bzw. zwischen einem mit der ersten Rolle verbundenen rotierendem Werkzeug und dem Werkstück). Eine Aktorkraft, die zwischen dem Rahmen und der ersten Rolle entlang der ersten Richtung wirkt, wird so geregelt, dass die Kontaktkraft einem vorgebbaren Sollwert entspricht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bzw. des Verfahrens kann das Band so geführt sein, dass eine auf den Aktor wirkende resultierende Bandkraft in Wirkrichtung des Aktors und bei einer Nenn-Auslenkung des Aktors im Wesentlichen Null ist.
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 zeigt eine Bandschleifvorrichtung, bei der die Kontaktkraft zwischen Werkstück und Schleifband mit Hilfe eines Manipulators erzeugt wird;
2 zeigt eine Bandschleifvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit nachgiebiger Lagerung einer ersten Rolle der Bandschleifvorrichtung;
3 zeigt eine Bandschleifvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bei dem die erste Rolle um einen Rollensatz ergänzt worden ist;
4 zeigt ein Detail der Vorrichtung aus 3 zur besseren Darstellung der auf die Rollen wirkenden Kräfte im Arbeitspunkt (4a und 4c) und außerhalb des Arbeitspunktes (4b);
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die resultierende Zugkraft im Schleifband und die Kontaktkraft zwischen Werkstück und Schleifvorrichtung annähernd orthogonal zueinander sind;
6a zeigt ein Detail der Vorrichtung aus 5 zur besseren Darstellung der auf die Rollen wirkenden Kräfte;
6b zeigt eine Alternative zu 6b; und
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel als Alternative zum Beispiel aus 3;
8 zeigt eine Variante, bei der nicht das Werkstück, sondern die Schleifvorrichtung von einem Manipulator geführt sind;
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Entkopplung von Bandkräften und Atorkraft; und
10 zeigt ein Blockschaltbild betreffend die Regelung der Kontaktkraft in einer Vorrichtung gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
Die hier beschriebenen Beispiele der Erfindung werden im Zusammenhang mit einer Bandschleifvorrichtung 100 beschrieben. Andere Anwendungen der Erfindung, zum Beispiel zur Oberflächenbeschichtung oder zum Polieren von Oberflächen sind ebenfalls möglich.
Die Endbearbeitung von technisch und optisch hochwertigen Oberflächen erfordert sehr hohe Genauigkeiten in der Fertigung. Die Einhaltung der geforderten Genauigkeit wird dadurch erschwert, dass sich der Zustand der Werkstückoberfläche 200a über den Bearbeitungszeitraum dynamisch ändert. Deshalb ist die Endbearbeitung der Oberflächen in vielen Bereichen, insbesondere bei Kleinserien überwiegend Handarbeit. Ein Beispiel für eine an sich bekannte Schleifvorrichtung 100 ist in 1 dargestellt. Die Schleifvorrichtung 100 ist stationär und verfügt über ein umlaufendes Schleifband 102, welches über mindestens zwei Rollen 101, 103 geführt wird. Im vorliegenden Beispiel wird davon ausgegangen, dass das Band im Urzeigersinn umläuft. Das Schleifband 102 wird durch ein Spannelement 105 (Spannrolle) gespannt, welches durch eine geeignete Lagerung 130 linear verschiebbar gelagert ist (z.B. mittels eines Gleitlagers). Die Komponenten (Rollen 101 und 103, Spannelement 105) sind mit Hilfe von einem oder mehreren Trägern 401, 402, 403 mit einem Rahmen 160 (z.B. ein Maschinenbett oder ein Gehäuseteil) verbunden.
Zur Bearbeitung wird die zu bearbeitende Oberfläche 200a eines Werkstücks 200 bei laufendem Schleifband 102 im Bereich der ersten Rolle 101 gegen das Schleifband 102 gedrückt. Die dazu nötige Kontaktkraft F_K (Schleifkraft) kann z.B. manuell oder mit Hilfe eines Manipulators 150, welcher das Werkstück hält, eingestellt werden. Der Manipulator 150 kann z.B. ein Standard-Industrieroboter (mit sechs Freiheitsgraden) sein. Alternativ kann jedoch auch eine andere manuell oder maschinell betätigte Einspann- und/ oder Anpressvorrichtung als Manipulator verwendet werden. Durch die Kontaktkraft F_K entsteht Reibung zwischen der Werkstückoberfläche 200a und dem Schleifband 102 und es kommt zum Materialabtrag. Wesentliche Einflussfaktoren für das Bearbeitungsergebnis sind die Kontaktkraft F_K pro Fläche (Auflagefläche, an der sich Schleifband 102 und die Oberfläche des Werkstücks 200a berühren), im weiteren Verlauf auch als Anpressdruck bezeichnet, sowie die Umlaufgeschwindigkeit des Schleifbandes 102. Da sich die Auflagefläche zwischen Werkstück und Schleifband 102 in der Regel während eines Schleifvorgangs nicht wesentlich ändert, sind Anpressdruck und Kontaktkraft F_K de facto proportional. Im Bereich von Ecken und Kanten kann aufgrund der geringeren Auflagefläche die Kontaktkraft (d.h. deren Sollwertvorgabe) entsprechend reduziert werden.
Für ein gleichmäßiges Schleifergebnis ist eine korrekte Einstellung (d.h. eine Regelung) der Kontaktkraft F_K während des gesamten Bearbeitungsvorganges wünschenswert. Eine Kraftregelung durch den im Allgemeinen "starren" Manipulator erweist sich bei bekannten automatisierten Schleifvorrichtungen vor allem beim Aufsetzen des Werkstücks 200 auf das Schleifband als schwierig. Ganz allgemein sind transiente Störungen (Kraftspitzen) in der Kontaktkraft F_K mit herkömmlichen Mitteln durch Regelung nur sehr schwer zu kompensieren. Dies ist in der Regel eine Folge der Trägheit der beweglichen Teile des Manipulators 150 und von Einschränkungen bei den Aktoren (minimale Totzeit, maximale Kraft bzw. Drehmoment, etc). Eine unzureichende Kraftregelung hat inhomogene Schliffbilder mit Rattermarken als Folge. Rattermarken sind Oberflächenunebenheiten, die durch eine unzureichende Regelung der Kontaktkraft F_K entstehen. In Bereichen, in denen (temporär) eine höhere Kontaktkraft F_K wirkt, entstehen durch den höheren Materialabtrag Täler in der Werkstückoberfläche 200a. An den Stellen, an denen temporär eine geringere Kontaktkraft F_K vorherrscht wird weniger Material abgetragen und es bleiben Erhöhungen zurück. Durch einen erfahrenen Facharbeiter können diese Ungenauigkeiten beim Schleifen von Hand ausgeglichen werden. Beim automatisierten Anpressen der Werkstückoberfläche 200a an das Schleifband 102, speziell mit Hilfe eines Manipulators 150, können diese Ungenauigkeiten nicht ohne weiteres ausgeglichen werden. Durch die hohe Trägheit des Manipulators 150 ist die schnelle Anpassung an die jeweils vorherrschende Schleifsituation mit großen zeitlichen Verzögerungen verbunden. Außerdem wird der Manipulator 150, aufgrund seiner Trägheit, stets in unterschiedlichem Maße über die vordefinierte Sollposition schwingen und ein unstetes Schliffbild entstehen lassen.
Statt das Werkstück 200 mit Hilfe eines Manipulators zu bewegen, ist es auch möglich, das Werkstück 200 einzuspannen und die Schleifmaschine beweglich zu lagern. In diesem Fall wäre der Aktor, mit dem die Schleifkraft geregelt wird mit der Schleifmaschine gekoppelt, sodass die Schleifmaschine gegen das (stationäre) Werkstück drückt. Auch in diesem Fall besteht das Problem, dass die Masse der Schleifmaschine und damit deren Trägheit verhältnismäßig groß ist und folglich das gleiche Problem besteht wie bei der oben beschriebenen Variante.
In dem in 2 dargestellten Beispiel wird das Werkstück 200 von einem Manipulator 150 gehalten und positioniert. Der Manipulator 150 benötigt jedoch nur eine einfache Positionsregelung, die Kontaktkraftregelung ist – wie weiter unten beschrieben – in der Schleifmaschine 100 implementiert. Es können daher verhältnismäßig günstige Manipulatoren (z.B. Industrieroboter) eingesetzt werden. Insbesondere sind keine teuren Kraft- oder Drehmomentensensoren in den Gelenken des Manipulators nötig. Der für die Kraftregelung verwendete Aktor kann im vorliegenden Beispiel ein einfacher Linearaktor sein, beispielsweise ein Aktor mit geringer Haftreibung sowie mit passiver Nachgiebigkeit. In Frage kommen z.B. Pneumatikzylinder, Luftmuskel, Balgzylinder, sowie elektrische Direktantriebe (ohne Getriebe). Im vorliegenden Beispiel wird als Aktor 302 ein Pneumatik Zylinder verwendet. Der Aktor 302 wirkt dabei nicht auf die Schleifmaschine als Ganzes, sondern nur auf jene Rolle der Schleifmaschine, auf die im Betrieb das Werkstück drückt (d.h. auf die Rolle 101). Die Rolle 101 ist (über den Rollenträger 401) linear verschiebbar (Linearführung 140) an dem Rahmen 160 gelagert. Der Aktor 302 wirkt zwischen Rollenträger 401 und Rahmen 160. Im vorliegenden Beispiel ist der Aktor an dem Rollenträger 401 und an einem weiteren Träger 404 gelagert, welcher starr mit dem Rahmen 160 verbunden ist. Entsprechend der Ansteuerung des Aktors 302, wird auf die Rolle 101 eine Aktorkraft F_A, die entlang der Bewegungsrichtung (x-Richtung) der Linearführung 140 wirkt, ausgeübt. Durch die vergleichsweise geringe Masse der ersten Rolle 101 (und des Rollenträgers 401) treten am Aktor 302 nur geringe Massenträgheitskräfte auf.
Im Übrigen ist die Schleifvorrichtung gemäß 2 gleich aufgebaut wie die Schleifvorrichtung im vorigen Beispiel gemäß 1. Die zweite Rolle 103 ist über den (Rollen-)Träger 403 an dem Rahmen 160 unverschiebbar gelagert. In diesem Zusammenhang bedeutet unverschiebbar nicht, dass die Position der Rolle 103, z.B. zum Einstellen einer geeigneten Spannung im Schleifband, nicht veränderbar ist. Während des Betriebs der Vorrichtung ändert sich die Position der Rolle 103 jedoch nicht. Die Rolle 103 ist angetrieben (Motor 104), wohingegen die Rolle 101 nur als Umlenkrolle dient. Das Schleifband 102 ist über beide Rollen 101 und 103 geführt. Wie in dem Beispiel aus 1 kann eine Spannvorrichtung zum Einstellen einer Vorspannung des Schleifbandes vorgesehen sein. Die Spannvorrichtung umfasst eine oder mehrere Spannrollen 105, die an dem Band 102 anliegen und die annähernd im rechten Winkel zum Schleifband 102 verschoben werden können, um das Schleifband 102 zu spannen. Im vorliegenden Beispiel sind die Spannrollen 105 mit Hilfe einer Linearführung 130 an dem Rollenträger 402 gelagert, der wiederum starr mit dem Rahmen 160 verbunden ist. Die Vorspannung kann z.B. mit Hilfe einer Feder erzeugt werden, welche zwischen dem Rollenträger 402 und der Spannrolle (bzw. den Spannrollen) 105 wirkt.
Die in dem Schleifband 102 wirkenden Kräfte sind in 2 als Bandkräfte F_B1 (Kraft im oberen Teil 102a des Bandes 102) und F_B2 (Kraft im unteren Teil 102b des Bandes 102) eingezeichnet, wobei beide Kräfte F_B1 und F_B2 jeweils eine Kraftkomponente in x-Richtung (F_B1,x bzw. F_B2,x) und eine Kraftkomponente in y-Richtung aufweisen (F_B1,y bzw. F_B1,y). Die resultierende Bandkraft F_B,y in y-Richtung (d.h. F_B,y = F_B1,y + F_B2,y) wird von der Linearführung 140 und der Spannvorrichtung aufgenommen. Die resultierende Bandkraft F_B,x in x-Richtung (d.h. F_B,x = F_B1,x + F_B2,x) wirkt jedoch direkt auf die Rolle 101 und damit entgegen der Aktorkraft F_A. Für die Kontaktkraft F_K gilt im stationären Fall F_K = F_A + F_B,x. (1)
Das bedeutet, dass die resultierende Bandkraft F_B,x bei der Regelung der Kontaktkraft F_K berücksichtigt werden muss. Die Bandkraft F_B,x muss dazu bekannt sein. Diese kann dazu entweder gemessen werden (z.B. mittels eines Kraftsensors in der Spannvorrichtung und des Antriebsmoments des Motors) oder mit Hilfe eines mathematischen Modells abgeschätzt werden. Durch geeignete Umlenkung des Schleifbandes kann jedoch der Einfluss der Bandkräfte F_B1, F_B2 auf die Kontaktkraft F_K reduziert (im Idealfall eliminiert) werden. In anderen Worten, Aktorkraft F_A und die resultierende Bandkraft F_B,x in Wirkrichtung (x-Richtung) des Aktors 302 werden entkoppelt. Ein Beispiel für eine geeignete Umlenkung des Schleifbandes 102 ist in 3 dargestellt.
Das in 3 gezeigte Beispiel entspricht im Wesentlichen dem vorigen Beispiel aus 2, wobei auf dem Rollenträger 401 neben der Umlenkrolle 101 noch zwei weitere Umlenkrollen 101a und 101b angeordnet sind. Des Weiteren sind noch zwei weitere Umlenkrollen 121a, 121b vorgesehen, welche unverschiebbar an dem Rahmen 160 gelagert sind. Der Rollenträger 401 mit den Rollen 101, 101a und 101b ist wie im vorigen Beispiel mittels der Linearführung 140 an dem Rahmen 160 gelagert, wobei die Linearführung eine Verschiebung des Rollenträgers 401 in horizontaler Richtung (x-Richtung) ermöglicht und andere Freiheitsgrade sperrt. Die Umlenkrollen 101a und 101b sowie die feststehenden Umlenkrollen 121a und 121b sind so angeordnet, dass – bei einer Nennauslenkung x₀ des Aktors 302 – die auf den Rollenträger 401 wirkende resultierende Bandkraft F_B‘ zur Aktorkraft F_A (zumindest annähernd) im rechten Winkel steht. Anders ausgedrückt, die x-Komponente F_B,x‘ der resultierenden Bandkraft F_B‘ ist annähernd null, wobei die Linearführung 140 eine Kraftübertragung vom Aktor 302 auf den Rollenträger 401 nur in x-Richtung zulässt. Wie im vorherigen Beispiel ist die resultierende Bandkraft F_B‘ gleich der Summe der Bandkraft F_B1‘ im oberen Teil 102a des Bandes 102 und der Bandkraft F_B2‘ im unteren Teil 102b des Bandes 102 (F_B‘ = F_B1‘ + F_B2‘). Sofern die Auslenkung x des Aktor 302 der Nenn-Auslenkung x₀ entspricht, wird dies als Arbeitspunkt x = x₀ bezeichnet.
4 zeigt die auf einen Rollenträger 401 (z.B. aus 3) wirkenden Kräfte im Detail. 4a zeigt eine Auslenkung x = x₀ des Aktors an einem Arbeitspunkt.
4c ist eine Variante von 4a, in der die Aktorkraft F_A genau im Zentrum des Rollenträgers 401 angreift, sodass im Arbeitspunkt alle Kräfte aufheben und kein Drehmoment auf den Rollenträger 4 wirkt. Bei einer Auslenkung x ≠ x₀ des Aktors ist die x-Komponente F_B,x‘ der Bandkraft F_B‘ zwar nicht mehr null, sondern beträgt F_B,x‘ = F_B‘·sin(φ), wobei φ die Winkelabweichung des Kraftvektors F_B‘ von der y-Richtung bezeichnet. Das heißt, bei einer Winkelabweichung von 3 Grad würden rund 5% der resultierenden Bandkraft F_B‘ in x-Richtung und somit auf den Aktor 302 als Störkraft zurückwirken. Bei der Auslegung der Schleifmaschine kann diese so konstruiert werden, dass die Winkelabweichung φ im Betrieb so klein bleibt, dass diese Störkraft vernachlässigbar bleibt. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, dass (nur) die vom Aktor 302 ausgeübte Kraft F_A (und damit die Kontaktkraft F_K) geregelt wird. Die tatsächliche Auslenkung x des Aktors 302 hängt im Schleifbetrieb von der Position des Werkstücks 200 ab, die wiederum von dem Manipulator 150 eingestellt wird. Der Manipulator ist jedoch positionsgeregelt und kann das Werkstück so positionieren, das die Aktorauslenkung x dem gewünschten Arbeitspunkt x₀ entspricht, an dem die Winkelabweichung φ null ist.
In 4a und 4b sind die relevanten Kräfte auf die am Rollenträger 401 gelagerten Rollen 101, 101a, 101b, noch einmal im Detail dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind nur die in x-Richtung verschiebbar gelagerten Rollen 101, 101a und 101b sowie das Schleifband 102 und das Werkstück 200 dargestellt. Die Lage der Drehachsen der Rollen 101, 101a und 101b relativ zueinander ist fest vorgegeben und verändert sich während des Betriebs nicht. Auf die Rollen wirkt in x-Richtung die Aktorkraft F_A sowie die Kontaktkraft F_K (Aktor- und Kontaktkräfte in andere Richtungen würden von der Linearführung 140 aufgenommen). In 4a entspricht die Aktorauslenkung x gleich dem Arbeitspunkt x₀ und folglich sind die auf die Rollen 101a bzw. 101b wirkenden Bandkräfte F_B1‘ und F_B2‘ in vertikaler Richtung orientiert und haben keine Komponente in horizontaler Richtung (x-Richtung). Folglich sind Aktorkraft F_A und die resultierende Bandkraft F_B‘ = F_B1‘ + F_B2‘ entkoppelt. Das heißt, die Bandkräfte F_B1‘ und F_B2‘ wirken nicht auf den Aktor 302 zurück. In 4b ist eine Situation gezeigt, in dem das Werkstück aus dem Arbeitspunkt heraus verschoben ist, d.h. die Aktorauslenkung ist ungleich x₀ und folglich sind die auf die Rollen 101a bzw. 101b wirkenden Bandkräfte F_B1‘ und F_B2‘ nicht mehr (ausschließlich) in vertikaler Richtung orientiert, sondern um einen Winkel φ gegenüber der y-Richtung verkippt. Dies hat – wie schon erwähnt – zur Folge, dass die resultierende Bandkraft F_B‘ eine Komponente in x-Richtung aufweist, d.h. F_B,x‘ = |F_B‘|·sin(φ). Diese Kraftkomponente F_B,x‘ wirkt auf den Aktor zurück und wird durch die Kraftregelung entweder kompensiert oder es entsteht ein Regelfehler in Höhe der Bandkraftkomponente F_B,x‘. Sofern das Werkstück von einem Manipulator 150 geführt und positioniert wird, kann sichergestellt werden, dass sich das Werkstück immer im Arbeitspunkt befindet und folglich die Aktorkraft F_A und die auf die Rolle 101 wirkenden Bandkräfte F_B1‘, F_B2‘ entkoppelt sind. An dieser Stelle sei noch einmal erwähnt, dass der Aktor 302 lediglich auf den Rollenträger 401 wirkt, der die Umlenkrollen 101, 101a, 101b trägt, und nicht auf die gesamte Schleifvorrichtung. In der Variante in 4c, greift die Aktorkraft genau im Mittelpunkt C an, sodass sich die Spannkräfte F_B1‘, F_B2‘ und die Reibkraft F_R sich gegenseitig aufheben. In gleicher Weise heben Kontaktkraft F_K und Aktorkraft F_A einander auf. Dadurch, dass der „Hebel“ zwischen dem Angriffspunkt der jeweiligen Kraft F_B1‘, F_B2‘ und F_R und dem Zentrum C immer gleich ist, wirken keine Drehmomente (die Summe alle Momente ist Null). Auf dem Aktor wirket dann keine – möglicherweise störende – Momentenbelastung.
5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Schleifvorrichtung 100, welche ebenfalls geeignet ist, die Aktorkraft F_A und die Bandkräfte F_B1, F_B2 zu entkoppeln. Im Wesentlichen ist die Schleifvorrichtung 100 gleich aufgebaut wie die im vorigen Beispiel gemäß 4. Die Linearführung 140 des Rollenträgers 401 sowie der Aktor 302 sind jedoch im Vergleich zum Beispiel gemäß 4 um 90 Grad gedreht. Der Rahmen 160 umfasst zu diesem Zweck einen Ausleger 402 an dem der Rollenträger 401 (mit Hilfe der Linearführung 140) gelagert ist. Der Aktor 302 wirkt in vertikaler Richtung (x-Richtung) zwischen dem Ausleger 402 des Rahmens 160 und dem Rollenträger 401. Das Koordinatensystem ist gegenüber dem vorigen Beispiel ebenfalls um 90 Grad gedreht, sodass die Wirkrichtung des Aktors 302 wie im vorigen Beispiel die x-Richtung ist. Umlenkrollen sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht unbedingt nötig. Das Schleifband 102 ist lediglich um die Umlenkrolle 101 und die (durch den Motor 104 angetriebene) Rolle 103 geführt. Wie in den bisherigen Beispielen sorgt eine Spannvorrichtung mit einer Spannrolle 105 für die nötige Vorspannung des Schleifbandes 102.
Die an der verschiebbar gelagerten Umlenkrolle wirkenden Bandkräfte sind mit F_B1 (Kraft im oberen Bandteil) und F_B2 (Kraft im unteren Bandteil) bezeichnet. Die Kraftkomponenten F_B1,x und F_B2,x in x-Richtung kompensieren einander zumindest teilweise (F_B1,x > 0 und F_B2,x < 0), sodass die die resultierende Kraftkomponente in x-Richtung F_B1,x + F_B2,x vernachlässigbar klein ist. Bei geeigneter Auslegung der Schleifvorrichtung ist die resultierende Kraft F_B1,x + F_B2,x gleich null und es gibt keine Rückwirkung der Bandkräfte F_B1 und F_B2 auf den Aktor 302. 6a entspricht der Situation in 5, bei der das Schleifband (gegenüber der y-Achse) in einem Winkel φ₂ zur und in einem Winkel φ₁ von der Umlenkrolle 101 läuft (Umlaufrichtung im Uhrzeigersinn). Die Kraftkomponente in x-Richtung der oberen Bandkraft F_B1 ist demnach |F_B1|·sin(φ₁), und die Kraftkomponente in x-Richtung der unteren Bandkraft F_B2 ist gleich –|F_B2|·sin(φ₂). Bei geeigneter Auslegung der Schleifvorrichtung verschwindet die resultierende Bandkraft in x-Richtung |F_B1|·sin(φ₁) – |F_B2|·sin(φ₂) und es gibt keine Rückwirkung auf den Aktor. In dem modifizierten Beispiel aus 6b sorgen zwei fest an dem Rahmen 160 gelagerte Umlenkrollen 121a und 121b dafür, dass die Winkel φ₁ φ₂ gleich null sind, das Band also horizontal zur Rolle 101 hin und weg läuft. Folglich sind in diesem Fall die resultierenden Bandkräfte in x-Richtung null, sofern sich das Werksrück und damit der Aktor 302 im Arbeitspunkt (x = x₀) befindet. Dieser wird jedoch – wie bereits mit Bezug auf das vorige Beispiel (3) erläutert – mit Hilfe des Manipulators 150 eingestellt.
Die 7a und 7b zeigen weitere Ausführungsbeispiel, welche ähnlich dem Beispiel aus 3 aufgebaut sind. Bei dem Beispiel in 7a sind an dem Rollenträger 401, auf den auch der Aktor 302 wirkt, zwei Rollen 101a und 101b angeordnet. Das Schleifband 102 läuft über die beiden Rollen 101a, 101b im Wesentlichen rechtwinklig zur Wirkrichtung des Aktors 302. Das Werkstück 200 kann zwischen den Rollen 101a, 101b bearbeitet (z.B. geschliffen oder poliert) werden; das Band kann sich der Kontur des Werkstücks 200 anpassen. Im Übrigen ist das Beispiel gemäß 7a gleich aufgebaut wie das Beispiels aus 3. Um Wiederholungen zu vermeiden wird daher auf die Ausführungen zu 3 verwiesen. Die Alternative aus 7b entspricht im Wesentlichen dem vorherigen Beispiel aus 7a mit dem einzigen Unterschied, dass an dem Träger 401‘ keine Rollen angeordnet sind. Der Träger 401‘ (Gleitschlitten) weist stattdessen eine Gleitfläche 101c auf, entlang der das Schleifband im Wesentlichen rechtwinklig zur Wirkrichtung des Aktors 302 gleiten kann. In beiden Beispielen verläuft das Band im Arbeitspunkt im Wesentlichen senkrecht zur Wirkrichtung des Aktors 302. Die Aktorkraft F_A und die Kontaktkraft (Reaktionskraft) F_K(F_K = –F_A) sind damit von den Bandkräften F_B1‘, F_B2‘ insofern entkoppelt dass keine Rückwirkung der Bandkräfte F_B1‘, F_B2‘ auf den Aktor erfolgt.
Anders als bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird bei Beispiel gemäß 8 nicht das Werkstück von dem Manipulator 150 geführt, sondern die Schleifmaschine. Der Rahmen 160 (vgl. z.B. 3) ist damit Teil des Manipulators 150 bzw. starr mit diesem verbunden. Das Werkstück 200 kann auf einer festen Auflage (nicht dargestellt) angeordnet sein. Ähnlich wie in dem Beispiel aus 3 sind auf einem Rollenträger 401 neben der Umlenkrolle 101 noch zwei weitere Umlenkrollen 101a und 101b angeordnet sind. Des Weiteren sind noch zwei weitere Umlenkrollen 105 und 103 vorgesehen, welche mittels der Rollenträger 402 bzw. 403 an dem Manipulator 150 gelagert sind. Wie in dem Beispiel aus 3 kann die Rolle 4 mit Hilfe eines Motors angetrieben werden. Der Motor (nicht explizit dargestellt), kann dazu auch an dem Träger 402 gelagert sein. Die Rolle 105 an dem Rollenträger 402 kann als Spannrolle ausgebildet sein. Alternativ kann eine Spanneinheit zum Spannen des Riemens/Bandes 102 am Motor integriert sein. In diesem Falle wäre die Rolle 105 ein einfache Umlenkrolle.
Der Rollenträger 401 mit den Rollen 101, 101a und 101b ist ähnlich im Beispiel gemäß 3 verschiebbar am Manipulator gelagert, wobei eine Verschiebung des Rollenträgers 401 in x-Richtung ermöglicht wird und andere Freiheitsgrade sperrt. Der Träger 404 ist ebenfalls am Manipulator 150 gelagert. An dem Träger 404 ist der Aktor 302 angeordnet, der auf den Rollenträger 401 wirkt. Anders als in den vorhergehenden Beispielen wird gemäß 8 kein Schleifband verwendet, sondern ein einfacher Riemen. Als Werkzeug ist mit der vordersten Rolle 101 eine Schleifscheibe 101‘ (oder ein anderes rotierendes Werkzeug) verbunden. Wie in den vorherigen Beispielen verläuft in einem Arbeitspunkt des Aktors (Aktorauslenkung x = x₀) Riemen im Wesentlichen rechtwinklig zur Wirkrichtung des Aktors, sodass die Riemenkräfte F_B1‘, F_B2‘ von der Aktorkraft entkoppelt sind und keine Rückwirkung der Riemenkräfte F_B1‘, F_B2‘ auf den Aktor 302 erfolgt.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auf einem langgestreckten Rollenträger 401 zwei Rollen 101, 101a an gegenüberliegenden Enden des Rollenträgers 401 angeordnet sind. Der Rollenträger ist an dem Rahmen 160 (vgl. 3, in 9 nicht dargestellt) verschiebbar gelagert. Zwei weitere Rollen 103 und 105 sind ebenfalls an dem Rahmen gelagert (Träger 403 und 402), wobei die Rolle 105 durch einen Motor angetrieben sein kann (vgl. 3, in 9 nicht dargestellt) und die andere Rolle 103 ein Teil einer Spanneinheit sein kann, um den umlaufenden Riemen 102 zu spannen. Alternativ kann die Spanneinheit auch im Antrieb (Rolle 105) integriert sein. Der verschiebbare Rollenträger 401 (Gleitschlitten) ist zwischen den Rollen 103 und 105 angeordnet; das um die Rollen 101, 103, 101a, 105 laufende Band bilden in der Querschnittsdarstellung annähernd ein konvexes Viereck. Anhand der Darstellung wird deutlich, dass die auf den Rollenträger 401 wirkenden Bandkräfte in Wirkrichtung des Aktors 302 sich gegenseitig aufheben, und auf den Aktor 302, der auf den Rollenträger 401 wirkt, keine Bandkräfte zurückwirken. Der Aktor drückt mit einer Kraft F_A auf den Rollenträger 401 und damit die Rolle 101 auf das Werkstück. Die Kontaktkraft F_K (Reaktionskraft) entspricht der Aktorkraft F_A(F_K = –F_A).
Gemäß 9 wird das Werkstück von einem Manipulator 150 geführt und so positioniert, dass die Auslenkung x des Aktors 302 in einem definierten Arbeitspunkt x₀ liegt. Der Aktor 302 arbeitet rein kraftgeregelt; die Position wird durch den (positionsgeregelten) Manipulator 150 bestimmt. Kleiner Abweichungen vom Arbeitspunkt (z.B. aufgrund von Form und Lagetoleranzen des Werkstücks oder aufgrund beschränkter Positionierungsgenauigkeit des Manipulators 150) führen zu keiner nennenswerten Änderung in der Geometrie der Vorrichtung und der Bandkräfte, sodass die Schleifkraft immer durch den kraftgeregelten Aktor 302 vorgegeben werden kann.
10 zeigt ein Beispiel eines Regelkreises zur Regelung der Kontaktkraft F_K zwischen dem Werkstück 200 und dem Schleifband 102 an der Umlenkrolle 101. Bei vollständiger Entkopplung zwischen Aktorkraft F_A und resultierender Bandkraft F_B,x in Wirkrichtung des Aktors (x-Richtung) sind Aktorkraft F_A und Kontaktkraft F_K betragsmäßig gleich, jedoch entgegengesetzt orientiert, d.h. –F_K = F_A. Sofern ein Teil der der resultierenden Bandkraft F_B auf den Aktor 302 zurückwirkt, ist die Kontaktkraft betragsmäßig die Summe aus Aktorkraft F_A und resultierender Bandkraft in Wirkrichtung des Aktors F_B,x, d.h. –F_K = F_A + F_B,x.
Die Kraftmessung (Kraftmesseinheit 303) kann direkt über einen im Aktor 302 integrierten oder mit diesem gekoppelten Kraftsensor erfolgen. Bei einem pneumatischen Aktor kann die Kraftmessung jedoch auch indirekt über den Druck p im pneumatischen Aktor unter Berücksichtigung der Auslenkung x des Aktors 302 erfolgen. Das heißt die Aktorkraft F_A(p, x) ist eine Funktion von Druck p im Aktor (z.B. im Pneumatikkolben) und der Auslenkung x des Aktors. Aus der gemessenen Aktorkraft F_A kann der gesuchte Messwert F_K,m für die Kontaktkraft ermittelt werden. Bei einer Entkopplung zwischen resultierender Bandkraft F_B und Aktorkraft F_A gilt F_K,m = –F_A(p, x). Sofern keine vollständige Entkopplung zwischen Aktorkraft F_A und resultierender Bandkraft F_B,x in Wirkrichtung des Aktors 320 vorliegt, kann bei der Messung der Kontaktkraft eine Schätzung oder eine separate Messung der resultierenden Bandkraft berücksichtigt werden. Für den Messwert F_K,m gilt in diesem Fall: F_K,m = –F_A(p, x) – F_B,x. Aus dem Messwert F_K,m für die Kontaktkraft und einem korrespondierenden Sollwert F_K,s kann ein Regelfehler F_E berechnet werden (F_E = F_K,s – F_K,m), der dem Regler 301 eingangsseitig zugeführt ist. Der Regler 301 kann z.B. ein P-Regler, ein PI-Regler, oder ein PID-Regler. Jedoch können auch andere Reglertypen verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 63-089263 [0002]

Claims

Vorrichtung (100) zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks (200a), die folgendes aufweist: einen Rahmen (160); eine erste Rolle (101), welche an dem Rahmen (160) entlang einer ersten Richtung (x) verschiebbar gelagert ist; eine zweite Rolle (103), welche an dem Rahmen (160) starr befestigt ist; ein Band (102), welches um die beiden Rollen (101, 103) geführt ist; einen Aktor (302), welcher mechanisch mit dem Rahmen (160) und der ersten Rolle (101) derart gekoppelt ist, dass eine einstellbare Aktorkraft (F_A) zwischen dem Rahmen (160) und der ersten Rolle (101) entlang der ersten Richtung (x) wirkt; eine Kraftmessvorrichtung zur direkten oder indirekten Messung einer Kontaktkraft (F_K) zwischen der ersten Rolle (101) und dem Werkstück (200), oder zwischen einem mit der ersten Rolle (101) verbundenen rotierendem Werkzeug (101‘) und dem Werkstück (200) und eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Aktorkraft (F_A) so einzustellen, dass die Kontaktkraft (F_K) einem vorgebbaren Sollwert (F_K,S) entspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die erste Rolle (101) an einem Rollenträger (401) um eine Drehachse drehbar gelagert ist und der Rahmenträger (401) mit Hilfe einer Linearführung (140) entlang der ersten Richtung (x) relativ zum Rahmen (160) verschiebbar ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der auf den Rollenträger (401) Bandkräfte (F_B1, F_B2; F_B1‘, F_B2‘) wirken, wobei eine resultierende Bandkraft (F_B; F_B‘) bei der Messung der Kontaktkraft (F_K) berücksichtigt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die bei der Messung der Kontaktkraft (F_K) berücksichtigte resultierende Bandkraft (F_B; F_B‘) gemessen oder mit Hilfe eines Modells berechnet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der auf den Rollenträger (401) Bandkräfte (F_B1, F_B2; F_B1‘, F_B2‘) wirken, wobei eine resultierende Bandkraft (F_B; F_B‘) auf den Rollenträger (401) bei einer Nenn-Auslenkung (x₀) des Aktors (302) keine oder eine vernachlässigbar kleine Kraftkomponente in die erste Richtung (x) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 5, bei dem die erste Rolle (101) an einem ersten Ende des Rollenträger (401) und eine weitere Rolle (101a) an einem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Ende des Rollenträgers (401) gelagert ist, und das Band (102) bei einer Nenn-Auslenkung (x₀) des Aktors (302) derart symmetrisch um die erste Rolle (101) und weitere Rolle geführt ist, dass die resultierende Bandkraft auf den Rollenträger (401) in die erste Richtung null oder vernachlässigbar klein.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Rahmenträger Umlenkrollen (101a, 101b) zum Umlenken des Bandes (102) aufweist. wobei die Umlenkrollen (101a, 101b) derart angeordnet sind, dass bei einer Nenn-Auslenkung (x₀) des Aktors (302) das Band zum Rollenträger (401) hin und vom Rollenträger (401) weg in einer zweiten Richtung (y) verläuft, die orthogonal zur ersten Richtung ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche Anspruch 1, 2, und 5 bis 7, wobei bei einer Nenn-Auslenkung (x₀) des Aktors (302) das Band (102) zur ersten Rolle (101) hin und von dieser weg in einer zweiten Richtung (y) verläuft, die orthogonal zur ersten Richtung ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die weiter eine Spannrolle (105) zum Einstellen einer Vorspannkraft im Band (102) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, die weiter einen Manipulator (150) aufweist, der dazu ausgebildet ist, das Werkstück relativ zur ersten Rolle (101) zu positionieren.
Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstückes (200) mit Hilfe einer Vorrichtung (100), die einen Rahmen (160), eine erste Rolle (101), welche an dem Rahmen (160) entlang einer ersten Richtung (x) verschiebbar gelagert ist, eine zweite Rolle (103), welche an dem Rahmen (160) starr befestigt ist, ein Band (102), welches um die beiden Rollen (101, 103) geführt ist, sowie einen Aktor (302) aufweist, welcher mechanisch mit dem Rahmen (160) und der ersten Rolle (101) gekoppelt ist, wobei das Verfahren folgendes umfasst: messen einer Kontaktkraft (F_K) zwischen der ersten Rolle (101) und dem Werkstück (200), und Einstellen einer Aktorkraft (F_A), die zwischen dem Rahmen (160) und der ersten Rolle (101) entlang der ersten Richtung (x) wirkt, wobei die Aktorkraft (F_A) so geregelt wird, dass die Kontaktkraft (F_K) einem vorgebbaren Sollwert (F_K,S) entspricht.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem das Band so geführt wird, dass eine auf den Aktor (302) wirkende resultierende Bandkraft (F_B; F_B‘) in Wirkrichtung des Aktors (392) und bei einer Nenn-Auslenkung (x₀) des Aktors (302) im Wesentlichen Null ist.