DE19534871A1 - Vorrichtung zum automatisierten Schleifen der Kanten von Werkstücken aus Holz oder Kunststoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum automatisier­ ten Schleifen von Kanten bei dreidimensional geformten Holz- oder Kunststoff-Werkstücken, z. B. Sitzschalen.

Es ist bekannt, daß in der Stuhlindustrie aus Holz ge­ formte Sitzschalen geschliffen und poliert werden müs­ sen. Zwar sind Kombinationen von Robotern und Schleif- und Poliermaschinen bekannt, bei denen die Sitzschale, also die Hauptfläche, automatisch geschliffen und po­ liert wird. Die Kanten der Sitzschalen sind jedoch weiterhin eine schwierige Bearbeitungszone. Die Gründe sind hierfür:

• - Die Sitzschalen bestehen im allgemeinen aus geformtem Sperrholz. Holz ist ein Naturprodukt. Unterschiedliche Sperrholzstrukturen, Feuchtigkeit und Temperatur bei der Pressung führen schon bei kleinen Abweichungen zu für die Bearbeitung wesentlichen Abweichungen von der gewünschten Normform. Die gepreßten und verformten Sitzschalen sind daher in den Abmessungen und in dem Verformungsgrad nicht gleich, wobei Abweichungen von Sitzschale zu Sitzschale bis zu 10 mm beobachtet wer­ den.
• - Die Außenkontur der Sitzschale weist positive und nega­ tive Radien in einer dreidimensionalen Kontur auf. Für den Schleif- und Poliervorgang bedeutet dies, daß der Schleif- und Polierdruck sich entlang der Außenkontur nicht nur räumlich ständig anders plazieren, sondern sich auch ändern muß.

Es ist daher mit dem Erfordernis einer hohen Genauigkeit für das Schleifen und Polieren bisher nicht gelungen, die geringen Toleranzen, d. h. nur 10 µm, ohne Handar­ beit zu erledigen.

Es ist daher weiterhin die manuelle Bearbeitung der Kan­ ten von Sitzschalen aus Holz und gegebenenfalls auch aus Kunststoff erforderlich. Die Kanten werden per Hand an Schleif- und Poliermaschinen vorbeigeführt. Die hohe Staubbelastung stellt eine gesundheitliche Belastung für die dort tätigen Personen dar. Es ergibt sich daher der paradoxe Zustand, daß die moderne Stuhlfertigung prak­ tisch vollautomatisch bis zum letzten Arbeitsschritt, d. h. dem Schleifen und Polieren der Kanten, durchgeführt werden kann und sich dadurch erhebliche Engpässe ergeben.

Es stellt sich daher die Aufgabe, die Schleif- und Po­ liervorgänge bei der Bearbeitung von Kanten dreidimen­ sional geformter Holz- oder Kunststoff-Werkstücke zu automatisieren, und zwar vorzugsweise auf der Basis heu­ tiger BST-Robotersysteme, wobei der zum Einsatz kommende Schleif- und Polierkopf auch in der Lage sein soll, Ab­ weichungen von Sitzschalen von einer Normkontur zu be­ rücksichtigen, wobei trotzdem mit hohen Toleranzen gear­ beitet werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst mit Hilfe einer Vorrichtung zum automatisierten Schleifen von Kanten bei dreidimen­ sional geformten Holz- oder Kunststoff-Werkstücken, z. B. Sitzschalen, mit folgenden Einzelteilen:

• - einem Wellenantriebsmotor;
• - einer von dem Antriebsmotor angetriebenen Welle;
• - einem an einem Ende der Welle befestigten Schleif­ kopf;
• - einem Wellenlager, in dem die antreibbare Welle auch im rotierenden Zustand um eine Wellen-Nullage ver­ schwenkbar gehaltert ist,
• - und bei der durch eine der Welle zugeordnete Verstell­ vorrichtung das Verstellmoment der Welle in Richtung einer in oder außerhalb der Nullage liegenden Arbeits­ lage einstellbar ist.

Dabei sollte vorzugsweise die Nullage der Welle in ihrer vertikalen Ausrichtung liegen.

Dabei wird die Auslenkung aus der Wellen-Nullage oder Arbeitslage auch durch die erheblichen Kreiselkräfte beeinflußt. Ein Kreisel reagiert bekanntlich auf den Versuch, ihn um irgendeine zu seiner Drehachse senk­ rechte Achse zu drehen, mit einer heftigen Drehung um die zu dieser Achse und zur Drehachse senkrechten Achse. Es ist zwar möglich, jede gewünschte Richtungsänderung der Kreiselachse zu bewirken. Das Drehmoment muß aber genau senkrecht zu derjenigen Achse gerichtet sein, um die man den Kreisel zu drehen wünscht. Die Lageverstel­ lung der Wellenachse wird daher nur in einem relativ geringen Rahmen vorhanden sein. Die Auslenkung aus der Nullage sei mit Winkel α und die Auslenkung in Projek­ tion auf eine Fläche senkrecht zur Wellenachse mit Φ ge­ kennzeichnet.

Wesentlich ist, daß der Auslenkwinkel α der Welle aus der Null- oder Arbeitslage durch eine im Bereich der Welle angeordnete Meßvorrichtung in ein elektrisches Signal wandelbar ist und damit zu Steuer- und Regel­ zwecken zur Verfügung steht. Derartige Meßaufnehmer sind bekannt. Sie können beispielsweise nach dem Meßprinzip der Induktivitäts- oder Magnetfeldänderung oder auf opti­ schen Prinzipien beruhen. Der Winkel Φ sollte möglichst ungeändert bleiben.

Wesentlich ist weiterhin, daß die Welle mit einer Ver­ stellvorrichtung verbunden ist oder selbst Teil einer Verstellvorrichtung ist, so daß sie durch mechanische, elektromechanische oder magnetische Verstellung in ver­ schiedene Positionen einstellbar ist, wobei gleichzeitig dafür gesorgt sein soll, daß über einen gewissen Arbeits­ winkel α_a vorzugsweise die erforderliche Verstellkraft konstant sein soll. Dazu können beispielsweise Verstell­ vorrichtungen eingesetzt werden, die mit in ihrer Feld­ stärke veränderlichen Elektromagneten arbeiten oder aber, vorzugsweise, daß die Welle mit einer permanent­ magnetischen Anordnung bestückt ist, die von in ihrer Feldstärke veränderlichen Elektromagneten umgeben ist, so daß eine jeweils erforderliche Korrektur der Nullage, der Veränderungskraft und der Arbeitslage leicht möglich sind. Eine solche definierte, programmierbare Auslenkung der Wellenachse unter gleichzeitiger Veränderung des Andruck-Drehmoments und damit der Andruckkraft kann auch durch eine mechanische Zentrierung über eine Art Kugel­ kopf in einer elliptischen Ausbuchtung am Ende der Achse erfolgen, wobei der Kugelkopf motorisch eingestellt wer­ den kann.

Als Antrieb für die Welle kann ein integriert eingebau­ ter Elektromotor verwendet werden, wobei die Welle der Rotor ist und ein Stator mit der Welle bewegbar um die Welle herumgebaut ist. Es ist aber auch möglich, den Antrieb der Welle durch Riemen zu bewerkstelligen, wobei je ein Antriebsriemen oberhalb und unterhalb des Lager­ schwenkpunktes angeordnet ist.

Insbesondere sei hervorgehoben, daß die Vorrichtung so eingestellt ist, daß die Andrückkraft des Schleifkopfes entsprechend der vorgegebenen Kontur des zu schleifenden Kantenabschnitts derart gesteuert ist, daß der Quotient aus Andruckkraft geteilt durch den momentan durch den Schleifkopf bearbeiteten Flächenbereich im wesentlichen konstant ist. Dieser als "Anpreßdruck" bezeichnete Ar­ beitsparameter sollte auch variierbar sein, je nach ein­ gesetztem Schleif- oder Polierkopf, Material, Oberflä­ chenbearbeitung und dergleichen. Im vorhergehenden und folgenden sind die Begriffe "Schleifen" und "Polieren" jeweils unter dem Begriff "Schleifen" zusammengefaßt worden. Es sei hier angemerkt, daß anstelle eines Schleifkopfes auch ein Polierkopf eingesetzt werden kann.

Insbesondere soll, wie bereits eingangs angedeutet, die Vorrichtung Teil einer mit einem mehrdimensional ge­ steuerten Roboter arbeitenden Fertigungsstraße sein, bei der der Roboter die mit zu schleifenden Kanten versehe­ nen Werkstücke im Arbeitsbereich des Schleifkopfes be­ wegt. Dabei werden Rechner vorgesehen, die alle Daten der Schleifvorrichtung, wie Auslenkung der Achse, erfor­ derlicher Anpreßdruck sowie die vorgegebenen Daten, nämlich Kurve der zu bearbeitenden Kante, Ausstattung des Schleifkopfes, Berücksichtigung des Verschleißes und dergleichen aufnimmt und so verarbeitet, daß sich daraus neue Positionierdaten für den Roboter sowie Daten für die erforderliche Arbeitsstellung ergeben. Insbesondere sei daher darauf hingewiesen, daß die Steuerbahn des Roboters entsprechend den gemessenen Daten der Auslen­ kung um den Winkel α während des Schleifvorganges eines Werkstückes veränderbar sein muß (Φ konstant). Wichtige Voraussetzung ist auch, daß die Wellenachse innerhalb der erforderlichen Arbeitsbereiche (-10° α; α +10°) mit hoher Schnelligkeit und hoher Genauigkeit einstellbar ist. Um in einem vollautomatischen System arbeiten zu können, sollten auch Anpassungen des Schleif- oder Polierkopfes im Hinblick auf hohe Stand­ zeiten vorgenommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt. Die Figur der Zeichnung zeigt in sche­ matischer Darstellung eine in Verbindung mit einem zu­ arbeitenden Roboter arbeitende Schleifvorrichtung.

Bestimmendes Teil für die in der Figur dargestellte Vor­ richtung zum automatisierten Schleifen von Kanten drei­ dimensional geformter Holz- oder Kunststoffwerkstücken 2, z. B. Sitzschalen, ist eine Welle 5, die vertikal an­ geordnet ist und von einem Wellenantriebsmotor 1 in Drehung versetzt wird, wobei Drehzahlen zwischen 100 bis 2000 U/min gängige Werte sind.

An einem Ende der Welle 5 ist ein Schleifkopf 4 vorge­ sehen, der auswechselbar ist, beispielsweise auch gegen einen Polierkopf. Derartige Schleifköpfe sind an sich bekannt und bestehen beispielsweise aus mit Drahtenden bestückten Walzen oder dergleichen. Die Auswechselbar­ keit des Schleifkopfes 4 ist durch eine Verschraubung 16 angedeutet.

Die Welle 5 ist in einem speziellen Lager 6 so gelagert, daß sie um einen Lager-Drehpunkt 7 etwa um ± 10° (ge­ strichelt dargestellt, Auslenkwinkel α) verschwenkbar ist. Die Vertikale ist hierbei die Nullage. Die Welle ist auslenkbar, wobei über den Auslenkwinkel α eine weit­ gehend gleichmäßige Auslenkkraft erreichbar sein soll, so daß dann, wenn der Roboter das Werkstück gegen den Polier- oder Schleifkopf 4 lenkt, die Welle mit dem Schleifkopf in einem definierten, einstellbaren Gegen­ moment ausweicht. Das ist z. B. immer dann der Fall, wenn sich eine Abweichung von dem einprogrammierten Verfahrweg des Werkstückes in Bezug auf den Schleifkopf aufgrund der Abweichungen (Toleranzen) in der Verformung der Sitzschalen ergibt.

Zu diesem Zweck ist ein Antrieb vorgesehen, der der Auslenkung folgen kann. Im vorliegenden Falle handelt es sich um einen Riemenantrieb mit zwei Riemen 8, 8′, die oberhalb und unterhalb des Drehpunktes angreifen, wobei entsprechende Riemenscheiben 9, 9′ am Antriebsmotor 1 und entsprechende aufnehmende Riemenscheiben 10, 10′ an der Welle 5 vorgesehen sind.

Der Auslenkwinkel α an der Welle aus der Null- oder Arbeitslage kann durch eine an der Welle angeordnete Meßanordnung in ein elektrisches Signal gewandelt wer­ den. Im vorliegenden Falle sind zwei induktive Meßauf­ nehmer 12, 13 durch Kreise angedeutet im Bereich der Welle angebracht.

Wesentlich ist weiterhin, daß eine Verstellvorrichtung 22 vorgesehen ist, die im vorliegenden Falle am unteren Ende der Welle installiert ist. Die Welle ist im vorlie­ genden Falle mit einem torusförmigen Permanentmagneten 14 versehen, dessen äußere Peripherie als "Nordpol" und dessen Innenseite als "Südpol" magnetisiert ist. Der­ artige Magneten können beispielsweise aus Legierungen oder aus keramischen Sinterwerkstoffen hergestellt wer­ den. Außen ist der Permanentmagnet 14, der mit der Welle 5 rotiert, von einem Kranz von acht oder zwölf Elektromagneten 15 umgeben, die bei entsprechender Beaufschlagung mit einem Stromdurchfluß dem Permanentmagneten um die Welle 5 einen "Nordpol" oder "Südpol" entgegenstrecken. Mit Hilfe dieser Anordnung kann daher eine Auslenkung der Welle und damit ein Andruck-Verstellmoment hergestellt werden, und zwar in den hier erforderlichen Grenzen.

Die erforderlichen Werte zu Beginn und während des Ar­ beitsvorganges werden in einem Rechner 17 über eine Tastatur 17′ gespeichert und bearbeitet und on-line verarbeitet, wobei entsprechende Leitungen 18, 19, 20 zu den bereits beschriebenen Aggregaten vorhanden sind. Wesentliche Teile der Antriebsvorrichtung sind in einem Gehäuse 11 untergebracht, das auf Füßen verstellbar angeordnet ist. Das obere Ende der Welle 5 ragt aus dem Gehäuse 11 heraus, so daß der Schleifkopf 4 zugänglich ist. Selbstverständlich können noch Staub- und Späne-Absaugungen und dergleichen vorgesehen werden, wie sie aus der hier angesprochenen Technologie bekannt sind.

Mit den sich ergebenden Auslenkungen der Welle 5 sind keine Veränderungen der Andruckkraft verbunden, so daß der Quotient aus Andruckkraft geteilt durch den momentan durch den Schleifdruck bearbeiteten Flächenbereich im wesentlichen durch entsprechende Drehzahländerungen der Welle und der damit verbundenen Kreiselkräfte oder aber durch Verstellungen in der Verstellvorrichtung 22 verän­ dert werden können. Wesentlich ist aber, daß Veränderun­ gen in der vorgegebenen Kontur aufgrund entsprechender tolerierbarer Abweichungen nicht zu einer Veränderung des Anpreßdruckes führen und damit auch nicht zu einem verschlechterten Arbeitsergebnis. Die Daten der Auslen­ kung können aber auch erfaßt werden und als Korrekturwer­ te zur Berechnung eines angepaßten Verfahrweges des Roboters umgerechnet werden.

Anstelle eines externen Antriebsmotors 1 kann auch ein mit der Welle integriert gebauter Rotor verwendet wer­ den; den Rotor umgibt ein Stator, wie bei Elektroantrie­ ben üblich.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum automatisierten Schleifen von Kanten (3) bei dreidimensional geformten Holz- oder Kunst­ stoff-Werkstücken (2), z. B. Sitzschalen, mit folgen­ den Einzelteilen:

• - einem Wellenantriebsmotor (1);
• - einer von dem Antriebsmotor angetriebenen Welle (5);
• - einem an einem Ende der Welle befestigten Schleif­ kopf (4);
• - einem Wellenlager (6), in dem die antreibbare Wel­ le (5) auch im rotierenden Zustand um eine Wellen- Nullage verschwenkbar gehaltert ist,
• - und bei der durch eine der Welle zugeordnete Ver­ stellvorrichtung (22) das Verstellmoment der Welle in Richtung einer in oder außerhalb der Nullage liegenden Arbeitslage einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullage der Welle (5) in ihrer vertikalen Ausrichtung liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Auslenkwinkel α der Welle (5) aus der Null- oder Arbeitslage durch eine im Bereich der Welle angeordnete Meßvorrichtung (12; 13) in ein elektrisches Signal wandelbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Schleifkopf (4) gegenüberliegende Ende der Welle mit Teilen der Verstellvorrichtung (22) verbunden ist oder selbst Teil der Verstellvorrich­ tung ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung mit in ihrer Feldstärke veränderlichen Elektromag­ neten (14) arbeitet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung mit Permanentmagneten (13) arbeitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Welle mit einer permanentmagneti­ schen Anordnung (13) bestückt ist, die von in ihrer Feldstärke veränderlichen Elektromagneten (14) um­ geben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Welle (5) durch wenigstens einen Riemen (8) erfolgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Antriebsriemen (8, 8′) oberhalb und unter­ halb des Lagerschwenkpunktes angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückkraft des Schleifkopfes entsprechend der vorgegebenen Kontur des zu schleifenden Kantenabschnitts derart gesteu­ ert ist, daß der Quotient aus Andruckkraft geteilt durch den momentan durch den Schleifkopf bearbeite­ ten Flächenbereich im wesentlichen konstant ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Teil einer mit einem mehrdimensional gesteuerten Roboter arbeitenden Fertigungsstraße ist, bei der der Robo­ ter die mit zu schleifenden Kanten versehenen Werk­ stücke (2) im Arbeitsbereich des Schleifkopfes (4) bewegt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerbahn des Roboters entsprechend den gemessenen Daten der Auslenkung um den Winkel α während des Schleifvorganges eines Werkstücks (2) veränderbar ist.