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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet des
Metallgusses. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf die Endbearbeitung von Metallgussteilen, wenn sie aus der Form
genommen wurden. Noch näher
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Entfernung von Steigerresten,
nachdem das Gussteil aus der Form genommen wurde, sowie auf einen
Prozess zum Perfektionieren der Entfernung einer solchen Unregelmäßigkeit
von der Oberfläche
eines Gussteils.
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Hintergrund der Erfindung
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Auf
dem Gebiet des Gießens
wird geschmolzenes Metall durch eine Öffnung oben in der Form in eine
Form gegossen, wobei eine bestimmte Menge überschüssigen Metalls den zum Formhohlraum
führenden
Kanal füllt.
Wenn mehrere Teile im selben Gießgefäß gegossen werden, so enthält die Form Kanäle in der
Form eines Angießkanals
zu jedem Hohlraum für
jedes Teil. Zusätzlich
kann es vorkommen, dass geschmolzenes Metall sich in Entlüftungskanälen und
anderen Bereichen verfestigt und eine Imperfektion überschüssigen Materials
auf der Oberfläche
des Gussteils bildet. Das überschüssige Metall,
wie zum Beispiel dasjenige, das als Speiser oder Steiger („riser", im Folgenden als „Steiger" bezeichnet) oder
als Anguss („gate") bezeichnet wird,
kann teilweise entfernt werden, nachdem das Gussteil bzw. der Gießkörper genügend abgekühlt ist,
jedoch ist eine weitere Bearbeitung, üblicherweise Schleifen, notwendig,
um das verbleibende überschüssige Material
vom Gießkörper zu
entfernen. Es wird darauf hingewiesen, dass das überschüssige Material in jeder Dimension
regelmäßig oder
unregelmäßig in der
Form sein kann und sich auf einer Gießteiloberfläche befinden kann, die plan,
gekrümmt
oder selbst unregelmäßig ist.
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Metallgussteile
für dasselbe
Teil sind von Gussvorgang zu Gussvorgang in ihren Abmessungen inhärent nicht
identisch. Diese Unterschiede ergeben sich aus der Formvariation,
den Gussbedingungen, der Abkühlrate
und anderen Faktoren. Aufgrund dieser Abweichungen ist es schwierig,
das Entfernen überschüssigen Materials
unter der Verwendung einer Vorrichtung zu automatisieren, die einem gesteuerten
vorbestimmten Weg folgt, wie zum Beispiel einem Roboter. Insbesondere
ist es schwierig, enge Toleranzen zwischen dem Gießteil und
der geschliffenen Oberfläche
des überschüssigen Materials,
die manchmal als eine Bezugsgrundfläche (witness) bezeichnet wird,
einzuhalten, so dass die richtige Menge überschüssigen Materials entfernt wird. Zum
Beispiel kann eine Schleiftoleranz 1,52 mm (0,060 Zoll) betragen,
kann der Roboter auf +/– 0,05 mm
(+/– 0,002
Zoll) exakt sein und die Gießtoleranz +/– 1,27 mm
(+/– 0,050
Zoll) betragen. Mit diesen Parametern ist es unmöglich, ohne Ausgleich auf eine Toleranz
von 1,52 mm (0,060 Zoll) zu schleifen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
kann sein, dass es mit einem Roboter, der einem festen Weg folgt,
unmöglich
ist, Gussteile mit beträchtlicher
Variation (die größer als
die erforderliche Endtoleranz ist) zu schleifen. Das vorliegende Verfahren
behebt dieses Problem, indem das Teil geprüft wird, nachdem die Beziehung
zwischen der Schleifeinrichtung und dem Gussteil in dem Vorschleifgang
ermittelt wurde. Der Roboterweg wird dann so eingestellt, dass diese
Beziehung korrigiert wird, so dass die gewünschte Schleiftoleranz erzielt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel zum Entfernen überschüssigen Steigermaterials
von einem Gussteil innerhalb einer vorbestimmten Toleranz zu entfernen,
wobei die Abmessungen des Gussteils einer Variation unterliegen
können.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mittel
zum Entfernen überschüssigen Steigermaterials
von einem Gussteil innerhalb einer bestimmten Toleranz zu entfernen,
wobei der Abstand des Schleifmediums von der Gussteiloberfläche am Anfang
nicht exakt bekannt ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Steuermechanismus
für ein
Roboter-Schleifsystem vorzusehen, das es ihm gestattet, Gießimperfektionen
auf eine erforderliche Toleranz zu entfernen, wenn eine anfängliche
Imperfektionsabmessung nicht bekannt ist.
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Diese
und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch den
Einsatz eines Industrieroboters oder einer anderen steuerbaren Maschine
mit Steuerung, Werkzeugen zum exakten Lokalisieren eines Gussteils,
Mess-Rückkopplungsvorrichtungen,
einem Computer und Schleifvorrichtungen gelöst. Die Werkzeuge umfassen
einen Satz Haltevorrichtungen zum präzisen Positionieren des Gussteils
während
des Schleifvorgangs. Das Gussteil kann entweder in Beziehung zum
Roboter oder zur Erde fixiert werden, so dass entweder das Gussteil
oder die Materialentfernungsvorrichtung vom Roboter getragen werden
kann. Nachdem der Ort des Gussteils festgelegt wurde, wird der Industrieroboter, der
das bewegliche Teil trägt,
so programmiert, dass er sich entlang einem übereinstimmenden Weg zwischen
dem Gussteil und der Schleifeinrichtung bewegt, der größer als
eine spezifizierte Toleranz von der angenommenen Oberfläche des
Gussteils ist, wodurch ein Teil des überschüssigen Steigermaterials entfernt
wird, und eine Bezugsgrundfläche
definiert wird, bei der kein weiteres Material mehr entfernt wird,
wenn nochmal auf demselben Pfad verfahren wird. Die Mess-Rückkopplungsvorrichtung wird dann
eingesetzt, um den Abstand der Punkte auf der Kante der Bezugsgrundfläche von
der Oberfläche des
Gussteils zu bestim men, und diese Messungen werden vom Computer
verwendet, um den neuen Verfahrweg des Roboters zu berechnen, der
eine Übereinstimmung
mit der gewünschten
Toleranz erzeugen wird, um das überschüssige Material
zu entfernen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Vorrichtungen,
die im Verfahren zum Entfernen überschüssigen Materials
eingesetzt werden, sowie die Art und Weise, in der die Vorrichtungen
verwendet werden, sind in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt,
die einen Teil der vorliegenden Offenbarung bilden. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Roboters, der das Gussteil relativ
zur Entfernungsmaschine trägt,
die als eine Schleifeinrichtung dargestellt ist, sowie die Messvorrichtung;
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die 2a und 2b schematische
Darstellungen des zu entfernenden Steigermaterials und dem anfänglichen
Schleifweg;
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die 3a und 3b schematische
Darstellungen der Messvorrichtung, welche die Bezugsgrundfläche an ihren
Kanten relativ zum Gussteil-Elternmaterial
untersucht;
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die 4a und 4b schematische
Darstellungen des Teach-Punktes und von Versatzbeziehungen;
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die 5a und 5b schematische
Darstellungen der letztendlichen Bezugsgrundflächenhöhe; und
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die 6a und 6b Stirnseitenansichten des
Gussteils und des Steigers, die mit der Schleifvorrichtung in Eingriff
zu bringen sind.
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Beschreibung der besten Art der Umsetzung
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen zu einem deutlicheren Verständnis der
Erfindung wird darauf hingewiesen, dass jedes Bestandteil, das im vorliegenden
Verfahren verwendet wird, derzeit auch in anderen Anwendungen in
Verwendung ist, so dass keine einzelne Komponente modifiziert zu
werden braucht, außer
durch Softwareprogrammierung. Vielmehr sind es die Kombination von
Komponenten und das spezifisches Verfahren ihrer Verwendung, die neuartig
sind. Unter Bezugnahme auf 1 ist zu
ersehen, dass der Industrieroboter 11 unter der Steuerung
eines programmierbaren Computers 12 zum Positionieren eines
Gussteils 13 zum Entfernen des Steigermaterials 14 verwendet
wird. Während
die Zeichnungen das Material und das Gussteil in zweidimensionaler
Form darstellen, so versteht es sich doch, dass sowohl das überschüssige Material 14 als auch
das Gussteil 13 dreidimensionale Gegenstände sind
und in ihrer Höhe,
Breite und Kontur variabel sind. Es versteht sich, dass der Industrieroboter 11 eine
mit 16 bezeichnete Schwenkachse und einen angelenkten Ausleger 17 hat,
wodurch der Roboter 11 um die Achse 16 geschwenkt
werden kann und den Ausleger 17 gemäß vom Computer 12 eingegebenen
oder einem Manuellbetrieb empfangenen Befehlen ausfahren oder einziehen
kann. Es versteht sich, dass der beschriebene Roboter 11 lediglich
eine Ausführungsform
ist, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Lediglich
als Beispiel und nicht zur Einschränkung ist zu ersehen, dass
ein sich hin- und herbewegender Roboter, der sich entlang einem
steuerbaren Weg bewegt, ein nach rechtwinkligen Koordinaten arbeitender
Roboter, der ein Portalsystem verwendet, eine CNC-Maschine, ein programmierbarer
Tisch oder eine beliebige andere präzise zu steuernde Industriemaschine
verwendet werden kann.
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Wie
oben angegeben, sind aktuelle Industrieroboter dazu fähig, einen
wiederholbaren programmierten Pfad zu verfolgen, zum Beispiel innerhalb
einer Toleranz von +/– 0,05
mm (+/– 0,002
Zoll), weshalb der Industrieroboter 11 durch einen Computer 12 gesteuert
werden kann, so dass er einen sehr präzisen Weg verfolgt, nachdem
ein Gussteil 13 auf dem Roboter 11 positioniert
wurde. Zum Positionieren des Gussteils 13 auf dem gelenkigen
Ausleger 17 ist eine Befestigungseinrichtung bzw. ein Werkzeug 18,
das zum Ergreifen des Gussteils 13 und zum Halten des Gussteils 13 in
einer festen Position relativ zur Befestigungseinrichtung 18 fähig ist,
auf dem Ausleger 17, vorzugsweise über eine Drehverbindung 19,
angebracht, so dass die Befestigungseinrichtung 18 und
das Gussteil 13 in allen Raumrichtungen zur Bewegung entlang
eines vorbestimmten Weges präzise
positioniert werden kann. Wie hinsichtlich des Gussteils 13 und
des überschüssigen Materials 14 bemerkt,
wird davon ausgegangen, dass der Weg, der benötigt wird, um das überschüssige Material 14 zu
entfernen, ein nicht linearer Weg ist, der dadurch erzeugt wird,
dass erwartete Punkte entlang einem theoretischen Weg für eine bestimmte
Oberfläche
ausgewählt
werden. In einem Beispiel ist ein Schleifkörper 21, der zur Drehung
um eine waagrechte Achse oder eine andere bekannte Achse auf einer
Halterung 22 angebracht ist, in einer bekannte Entfernung
vom Roboter 11 angeordnet, so dass ein berechneter fester
Weg relativ zur Oberfläche
des Schleifkörpers 21 für die Befestigungseinrichtung 18 bestimmt
werden kann.
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Ein
Schleifkörper 21 wird
zwar als eine beispielhafte Vorrichtung zum Entfernen des überschüssigen Steigermaterials 14 verwendet,
doch versteht es sich auf diesem Gebiet, dass in der tatsächlichen Praxis
je nach dem zu entfernenden überschüssigen Material
eine beliebige Form einer Entfernungsvorrichtung, wie zum Beispiel
ein Schleifband, eine Schleifscheibe, eine Scher- oder Hobelvorrichtung oder
dergleichen verwendet werden kann. Ebenso versteht es sich, dass
die Entfernungsvorrichtung von der gesteuerten Maschine getragen
werden kann und das Gussteil 13 auf der Halterung 22 festgelegt
sein kann. Natürlich
tritt unabhängig
von dem Werkzeug, das zum Entfernen des überschüssigen Materials 14 verwendet
wird, im Zuge der normalen Prozesse eine bestimmte Abnutzung am
Entfernungswerkzeug auf, die beim ausgewählten Werkzeug zu berücksichtigen
und auszugleichen ist. Ferner kann für ein spezifisches Gussteil 13 und
das darauf befindliche überschüssige Material 14 auch
mehr als ein Entfernungswerkzeug verwendet werden, z. B. können eine
drehende Schleifeinrichtung und eine Bandschleifeinrichtung nacheinander
eingesetzt werden. Deshalb kann der "Weg" auch
ein Weg relativ zu einer einzelnen Entfernungsmaschine oder zu ei ner Vielzahl
von Entfernungsmaschinen sein und kann zwei oder mehr Unterwege
relativ zur jeweiligen Maschine beinhalten.
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Die
Gesamtabmessungen des Gussteils 13 sind typischerweise
bis auf +/– 1,27
mm (+/– 0,050 Zoll)
bekannt, deshalb kann für
eine ausgewählte
Dimension das Gussteil 13 an einer Halteeinrichtung 18 befestigt
und ein fester Pfad bestimmt werden, so dass ein Steiger 14,
der sich vom Gussteil in einer Entfernung erstreckt, die über die
Schleiftoleranz von der Gesamtabmessung hinaus geht, mit der Schleifeinrichtung 21 in
Eingriff kommt. Deshalb kann bei einer gewählten Schleiftoleranz von +/– 1,52 mm
(+/– 0,060
Zoll) ein fester Weg, der für
den Roboter 11 und die Halteeinrichtung berechnet wird,
das Gussteil 13 mit Sicherheit mit einer äußeren Bezugsgrundfläche 20 des
Steigers 14 mit einem Abstand von mindestens 2,79 mm (0,11
Zoll) in die Nähe
der Schleifeinrichtung 21 gebracht werden. Wiederholtes
Vorbeiführen
des Gussteils 13 entlang dieses Pfads entfernt dann im
Wesentlichen alles unerwünschte
Material, das über
diesen Abstand hinausgeht, so dass nach einer Anzahl von Durchgängen kein
Steigermaterial 14 mehr entfernt wird. Dieser Vorgang ist
in den 2a und 2b bildlich
dargestellt. An diesem Punkt sollten die Schleifeinrichtungsoberfläche und die
Bezugsgrundfläche 20 des
Steigers 14 im Wesentlichen die gleiche Beziehung 15 zum
Roboter 11 und der Halteeinrichtung haben, weshalb nun
die Bezugsgrundfläche 20 relativ
zur Schleifeinrichtung 21 und zum Roboter 11 bekannt
sind. Die Abmessungsbeziehung zwischen dem Gussteil-Elternmaterial und
der Schleifeinrichtungsoberfläche
sind jedoch immer noch unbekannt.
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Der
Roboter 11 wird dann dazu verwendet, das Gussteil 13 relativ
zu einer Messvorrichtung 25, wie zum Beispiel einem Lasermesssystem,
einem Sichtmesssystem oder einem Linear Voltage Displacement Transducer
(LVDT) zu positionieren. Das Gussteil 13 wird so positioniert,
dass die Bezugsgrundfläche 20 des
Steigermaterials 14 relativ zur Messvorrichtung 25 beweglich
ist, so dass die Messvorrichtung den Unterschied zwischen dem Gussteil 13 und
der geschliffenen Oberfläche,
d. h. Versatzabmessungen, an der führenden Kante 20a und
der hinteren Kante 20b der Steiger-Bezugsgrundfläche 20 sowie
auch an anderen Punkten, Teach-Punkten, TP, ermitteln kann, die
notwendig sind, um einen Weg zu ermitteln, der gegenüber dem
ursprünglichen
Weg versetzt ist, wie in 4a gezeigt.
Diese Abmessungen werden zur späteren
Verwendung durch den Computer 12 gespeichert. Dieser Vorgang,
der in 3a dargestellt ist, wird für alle Bereiche,
die geschliffen werden müssen,
mit so vielen Messungen wiederholt, wie notwendig sind, um eine
Definition der Verschiebung der Bezugsgrundfläche 20 gegenüber dem
Gießkörper 13 zu
vervollständigen.
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Der
Computer 12 verwendet dann ein Computerprogramm, das unter
der Verwendung der Versatzabmessungen aus dem Messschritt den Linearversatz
gegenüber
den vorprogrammierten festen Wegen berechnet. Die zwei Versatzabmessungen, die
aus dem oben angegebenen Messschritt berechnet werden, werden zusammen
mit den vorprogrammierten Positionen der führenden Kante 20a und
der hinteren Kante 20b der Bezugsgrundfläche 20 verwendet,
um einen Linearversatz des vorprogrammierten Wegs zu erzeugen. Der
Versatz TP0 wird für jeden Teach-Punkt tp in dem
Weg berechnet, wobei es sich, wie in 4b gezeigt,
je nach der Höhe
der Bezugsgrundfläche 20 am
Start 20a und am Ziel 20b um denselben Versatz
handeln kann oder nicht.
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Ein
neuer Roboterweg wird im Computer 12 erzeugt und an den
Roboter 11 geschickt. Der neu programmierte Weg enthält neue
Roboter-Teach-Punkte tp mit berechneten Versätzen. Der Roboter 11 führt das
Programm aus, um das Gussteil 13 entlang dem neuen Weg
an der Schleifscheibe 21 vorbeizuführen, um das verbleibende überschüssige Material 14 bis
zur gewünschten
Schleiftoleranz zu entfernen, wie in den 5a und 5b gezeigt. Der
selbe Vorgang wird, wie oben erwähnt,
für jede Oberflächenungenauigkeit
wiederholt, die durch ein überschüssiges Material 14 verursacht
wird. Zusätzlich
sollte bei einem Vergleich der 6a und 6b bemerkt
werden, dass der Vorgang zum Abschleifen des Steigers 14 durch
die Größe oder
Breite des Steigers 14 beeinflusst wird. Zum Beispiel ist
es in 6a der Messvorrichtung 25 möglich, den
Steiger 14 entlang Teach-Punkten tp(1) bis tp(4) zu analysieren
und dadurch mit dem Schleifkörper 21 den
Steiger 14 entsprechend abzuschneiden. Wenn wir jedoch 6b be trachten,
so erfordert die Breite des Steigers 14, dass der Schleifkörper 21 einem
zweiten Weg folgt. Insbesondere wird der oben beschriebene Prozess
befolgt und kommt der Schleifkörper 21 mit dem
Steiger 14 von tp(1) bis tp(4) in Eingriff. Zusätzlich wird
dann dass Gussteil 13 gedreht oder sonstwie bewegt und
wird der oben beschriebene Vorgang erneut durchgeführt, so
dass die Teach-Punkte tp(t) bis tp(8) von der Messvorrichtung 25 analysiert
werden und der Schleifkörper 21 entsprechend
mit dem Steiger 14 in Eingriff kommt. Das Gussteil 13 wird
aus der Halteeinrichtung entlassen und der Roboter 11 auf
den im Voraus berechneten festen Weg zurückgesetzt und der Vorgang für das nächste Gussteil wiederholt.
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Es
ist ersichtlich, dass das oben beschriebene Verfahren mit einer
Vielzahl unterschiedlicher Maschinenkomponenten in die Praxis umgesetzt
werden kann und nicht von den spezifischen Komponenten abhängt, solange
die Komponenten zu reproduzierbaren und festen Toleranzen fähig sind,
die zum Ausgleichen einzelner Toleranzen der Maschinen und Gussteile
verwendet werden können.
Daher wurden zwar bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eines neuen und nützlichen VERFAHRENS ZUR AUTOMATISCHEN
STEIGERENTFERNUNG, DAS VARIATIONEN IM GUSSTEIL AUSGLEICHT, beschrieben,
doch wird nicht beabsichtigt, dass derartige Bezugnahmen als einschränkend hinsichtlich
des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind, außer wie
in den folgenden Ansprüchen
dargelegt.