DE69102500T2 - Device for machining contours in soft material and automatic machining process with such a device. - Google Patents
Device for machining contours in soft material and automatic machining process with such a device.Info
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Konturen in weichem Material wie Polyurethan oder anderen Kunststoffen, sowie auf ein automatisches, für solche Vorrichtungen geeignetes Bearbeitungsverfahren.The invention relates to a device for machining contours in soft material such as polyurethane or other plastics, as well as to an automatic machining method suitable for such devices.
Man versucht vor allem, eine glatte und sauber bearbeitete Kontur zu erhalten, was schwierig ist aufgrund der Weichheit des Materials, auf das die Ruckbewegungen der Bearbeitung, zurückzuführen vor allein auf Unregelmäßigkeiten der Schnittgeschwindigkeit, des Vorschubs und der Schnittiefe, die zieinlich groß sind im Falle der automatischen Verfahren, sich so fort auswirken und einen schlechten Oberflächenzustand oder Welligkeiten hervorrufen. Hauptgegenstand der Erfindung ist es folglich, ein Werkzeug bereitzustellen und, noch allgemeiner, eine Vorrichtung, die ermöglichen, auf solchen Materialien eine Bearbeitungskontur von guter Qualität zu erzielen, und dies selbst dann, wenn die bearbeitete Kontur weich ist, wenn man Z.B. sehr dünne rippenförmige Grate von einigen Zehntelmillimetern entfernt.The main aim is to obtain a smooth and cleanly machined contour, which is difficult due to the softness of the material, on which the jerks of the machining, due primarily to irregularities in the cutting speed, feed and depth of cut, which are quite large in the case of automatic processes, immediately have an impact and cause a poor surface finish or undulations. The main object of the invention is therefore to provide a tool and, more generally, a device which make it possible to obtain a machining contour of good quality on such materials, even when the machined contour is soft, for example by removing very thin ridges of a few tenths of a millimetre.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist vor allem vorteilhaft für die automatischen verfahren und betrifft die Regelung der Stellung des Werkzeugs, d.h. seiner Schnittiefe. Bei weichen Materialien ist die Schnittkraft, die einen Schätzwert der gesuchten Schnittiefe liefern kann, nämlich sehr gering und kann kaum genau erfaßt werden. Man hat infolgedessen ein anderes System vorgesehen, um zu einem guten Resultat zu kommen.Another object of the invention is particularly advantageous for automatic processes and concerns the regulation of the position of the tool, i.e. its cutting depth. In the case of soft materials, the cutting force that can provide an estimate of the required cutting depth is very low and can hardly be determined precisely. A different system has therefore been provided in order to achieve a good result.
Die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung, s. Anspruch 1, umfaßt in ihrer allgemeinsten Form ein auf der Kontur wirksames Werkzeug, gebildet aus elastischen Lamellen, eingespannt an einem Ende in einen Rotationsblock, der angetrieben wird durch eine Antriebseinrichtung. Die Lamellen werden eventuell gebildet durch eine mit Schleifmaterial beschichtete Leinwand.The processing device according to the invention, see claim 1, comprises in its most general form a tool acting on the contour, formed from elastic lamellae, clamped at one end in a rotary block which is driven by a drive device. The lamellae are possibly formed by a canvas coated with abrasive material.
Man verwendet außerdem, was vorteilhaft ist für weiche Grate auf der Kontur, ein nichtschleifendes Bürstensystem, das auf zwei entgegengesetzte Seiten der Kontur drückt, um die Grate in Werkzeugnähe in einem Zustand zu halten, in dem sie sich für die Entgratung eignen. Man vermeidet dadurch das Umbiegen der Grate, das das Werkzeug verursachen könnte und seine Wirksamkeit beeinträchtigen würde durch Zurückdrücken der Grate außerhalb der Reichweite der Lamellen. Dieses System besteht aus zwei Bürsten, die elastische Radialelemente enthalten, die Flexionsfedern bilden; die Bürsten drehen sich dann um Achsen, die mehr oder weniger parallel sind zu den Seiten der Kontur.Also used, which is advantageous for soft burrs on the contour, is a non-abrasive brush system that presses on two opposite sides of the contour to keep the burrs near the tool in a state in which they are suitable for This avoids the bending of the burrs that the tool could cause, which would compromise its effectiveness by pushing the burrs out of the reach of the blades. This system consists of two brushes containing radial elastic elements that form flexure springs; the brushes then rotate on axes that are more or less parallel to the sides of the contour.
Es ist vorteilhaft, wenn die Antriebseinrichtung pneumatisch ist und die Vorrichtung einen Meßwertgeber für die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs umfaßt. Es ist dann möglich, die Schnittiefe des Werkzeugs zu regeln, indem die Rotationsgeschwindigkeit auf einen bestimmten Wert geregelt wird, der periodisch neu berechnet werden kann in Abhängigkeit von der Leerlauf-Rotationsgeschwindigkeit und ihren Veränderungen mit der Zeit.It is advantageous if the drive means is pneumatic and the device comprises a sensor for the rotation speed of the tool. It is then possible to control the depth of cut of the tool by adjusting the rotation speed to a certain value, which can be periodically recalculated as a function of the idle rotation speed and its variations with time.
Nun wird die Erfindung beispielhaft und nichteinschränkend mehr in Detail beschrieben mit Hilfe der drei folgenden Figuren, die eine Ausführung der Erfindung darstellen:The invention will now be described in more detail by way of example and non-limitingly with the aid of the following three figures, which illustrate an embodiment of the invention:
- die Figuren 1 und 2 sind zwei Ansichten des Aufbaus des Bearbeitunssystems, die jeweils das Werkzeug in der Seitenansicht und in der Draufsicht darstellen; und- Figures 1 and 2 are two views of the structure of the machining system, showing the tool in a side view and a top view respectively; and
- die Figur 3 ist ein Organigramm, das den Regelungsmodus der Vorrichtung darstellt.- Figure 3 is an organization chart showing the control mode of the device.
Zunächst wird Bezug genommen auf die Figuren 1 und 2. Das zu bearbeitende Stück 1 weist einen Kragen 2 auf, oder eine Rippe, dessen Rand 3 man einer Entgratungsoperation unterzieht, jedoch ist das Werkzeug, das beschrieben wird, ebenfalls verwendbar für andere Arten der Bearbeitung, insbesondere das Fasen.Reference is first made to Figures 1 and 2. The piece 1 to be machined has a collar 2 or a rib, the edge 3 of which is subjected to a deburring operation, however, the tool described can also be used for other types of machining, in particular chamfering.
Es umfaßt im wesentlichen einen Rotationsblock 4, versehen mit Lamellen 5, strahlenförmig angeordnet, die sich in Ebenen befinden, durch die die Rotationsachse 7 des Werkzeugs 6 verläuft. Der Rotationsblock 4 ist auf einer Spindel 8 befestigt, die ihn antreibt unter der Wirkung eines pneumatischen Motors 9. Die Lamellen 5 werden gebildet durch eine elastische Leinwand, deren eines Ende eingespannt ist in den Rotationsblock 4 und deren anderes Ende auf dem Rand 3 reibt, an dem er entlangbewegt werden kann. Dieses andere Ende ist beschichtet mit einem Schleifpulver, das die Bearbeitung bewirkt.It essentially comprises a rotary block 4 provided with blades 5 arranged in a radial manner, located in planes through which the axis of rotation 7 of the tool 6 passes. The rotary block 4 is fixed to a spindle 8 which drives it under the action of a pneumatic motor 9. The blades 5 are formed by an elastic canvas, one end of which is clamped in the rotary block 4 and the other end of which rubs on the edge 3 along which it is moved. This other end is coated with an abrasive powder that performs the machining.
Ein Tachometer 10, befestigt auf dem pneumatischen Motor 9, mißt die Rotationsgeschwindigkeit der Spindel 8 und des Werkzeugs 6. Außerdem trägt das Gehäuse des pneumatischen Motors eine Konsole 15, verlängert durch einen Arm 16, parallel zu der Spindel 8, der in der Nähe des Werkzeug 6 verläuft. Der Arm 16 trägt die Achsen von zwei parallelen Bürsten 17 und 18, versehen mit Nylonhaargruppen 19, die die Rotation der Bürsten 17 und 18 über die beiden ebenen und entgegengesetzten Seiten 20 und 21 des Kragens 2 und des Rands 3 streichen läßt; die Rotationsachsen der Bürsten 17 und 18 sind parallel zu den Seiten 20 und 21. Der Arm 16 ist so angeordnet, daß er sich etwas seitlich des Kragens 2 erstreckt. Die Haare 19 der beiden Bürsten 17 und 18 haben Reichweiten, die sich überlappen oder sich partiell überdecken, jedoch sind die Bürsten 17 und 18 axial leicht versetzt und bleiben somit getrennt.A tachometer 10, mounted on the pneumatic motor 9, measures the speed of rotation of the spindle 8 and of the tool 6. In addition, the housing of the pneumatic motor carries a bracket 15, extended by an arm 16, parallel to the spindle 8, which runs close to the tool 6. The arm 16 carries the axes of two parallel brushes 17 and 18, provided with groups of nylon hair 19, which allow the rotation of the brushes 17 and 18 to sweep over the two flat and opposite sides 20 and 21 of the collar 2 and the rim 3; the axes of rotation of the brushes 17 and 18 are parallel to the sides 20 and 21. The arm 16 is arranged so that it extends slightly laterally of the collar 2. The hairs 19 of the two brushes 17 and 18 have ranges that overlap or partially cover each other, however, the brushes 17 and 18 are slightly offset axially and thus remain separate.
Ein Motor 22, befestigt auf der Konsole 15, treibt mittels eines ersten Riemens 23 eine der Bürste 17 an, und ein zweiter Riemen 24 verbindet die Achsen der Bürsten 17 und 18 miteinander, damit die zweite Bürste angetrieben wird.A motor 22, mounted on the bracket 15, drives one of the brushes 17 by means of a first belt 23, and a second belt 24 connects the axes of the brushes 17 and 18 to one another so that the second brush is driven.
Die Haare 19 werden beim Überstreichen der Flächen 20 und 21 gebogen und strecken sich wieder aufgrund ihrer Elastizität. Die Gegenkräfte, die die Bürsten 17 und 18 auf den Kragen 2 und den Rand 3 ausüben, haben die Wirkung, die weichen Grate zu krümmen, die andernfalls ausweichen würden unter dem Druck des Werkzeugs 6 und kaum zu entfernen wären. Ein solcher Grat trägt die Referenz 29. Er wird gebogen um seine Wurzel (wo er übergeht in den Kragen 2) und durch die Bürste 17 an den oberen Rand des Kragens 2 geklebt. Das Werkzeug 6 greift ihn dann an der Wurzel an und trennt ihn vom Kragen 2 ab anstatt ihn zu eliminieren. Man stellt fest, daß das Werkzeug bezüglich der Flächen des Kragens 2 schräg angeordnet ist und Material nur entfernt an der den Grat 29 tragenden Kante, d.h. es führt ein Kantenfasen durch. Das Werkzeug 6 mit Lamellen 5 ist in einer solchen Situation sehr wohl einer mit Schleifhaaren versehenen Rotationsbürste vorzuziehen, denn die elastischen Schleifstrukturen müssen dem zu entgratenden Bereich ausreichend nahe sein, um genügend Schleifdruck auszuüben. Während die Lamellen 5 über ihre gesamte Höhe gebogen werden, würden Haare auf die den zu entgratenden Bereichen benachbarten Oberflächenbereiche gelangen und diese verkratzen, was aus ästhetischen Gründen in zahlreichen Fällen nicht akzeptabel wäre.The bristles 19 are bent as they pass over the surfaces 20 and 21 and then straighten again due to their elasticity. The opposing forces exerted by the brushes 17 and 18 on the collar 2 and the edge 3 have the effect of bending the soft burrs which would otherwise give way under the pressure of the tool 6 and would be difficult to remove. One such burr bears the reference 29. It is bent around its root (where it merges into the collar 2) and glued to the upper edge of the collar 2 by the brush 17. The tool 6 then grips it at the root and separates it from the collar 2 instead of eliminating it. It will be noted that the tool is arranged at an angle with respect to the surfaces of the collar 2 and only removes material at the edge bearing the burr 29, i.e. it carries out edge chamfering. In such a situation, the tool 6 with lamellae 5 is preferable to a rotary brush equipped with grinding hairs, because the elastic grinding structures must be sufficiently close to the area to be deburred in order to to apply sufficient grinding pressure. As the slats 5 are bent over their entire height, hairs would get onto the surface areas adjacent to the areas to be deburred and scratch them, which would be unacceptable in many cases for aesthetic reasons.
Die untere Bürste 18 ist dazu bestimmt, falls erforderlich den Grat 29 anzuheben, um ihn in die Reichweite der oberen Bürste 17 zu bringen.The lower brush 18 is intended to lift the ridge 29 if necessary to bring it within reach of the upper brush 17.
Der pneumatische Motor 9 ist an einem Ende einer Gleitführung 30 angeordnet, deren anderes Ende geschoben wird durch einen Exzenter 31, betätigt durch einen Motor 32. Ein Rückstellsystem wie etwa eine Feder 35 drückt das Ende der Gleitführung 30 gegen den Exzenter 31; außerdem sitzt diese Teilegruppe in einem Endorgan 33 eines Arms eines Roboters, der nicht im Detail dargestellt ist und der programmiert ist, um dem zu bearbeitenden Rand 3 ungefähr zu folgen. Die Gleitführung 30 wird im wesentlichen in einer Richtung gehalten, in der ihre Gleitbewegung ihr ermöglicht, das Werkzeug 6 dem Rand 3 zu nähern oder von ihm zu entfernen und folglich die Schnittkraft zu verändern; die Bearbeitungsgänge bestehen darin, das Endorgan 33 an der Kontur 2 entlangzubewegen und dabei die Schnittiefe zu regeln durch ständiges Verschieben der Gleitführung 30.The pneumatic motor 9 is arranged at one end of a sliding guide 30, the other end of which is pushed by an eccentric 31 actuated by a motor 32. A return system such as a spring 35 presses the end of the sliding guide 30 against the eccentric 31; moreover, this assembly is housed in a terminal member 33 of an arm of a robot, not shown in detail, which is programmed to approximately follow the edge 3 to be machined. The sliding guide 30 is essentially held in a direction in which its sliding movement enables it to move the tool 6 closer to or further away from the edge 3 and consequently to vary the cutting force; the machining operations consist in moving the terminal member 33 along the contour 2 while regulating the depth of cut by continuously moving the sliding guide 30.
Ein Potentiometer 34 registriert die Bewegungen des Motors 32 und folglich des Exzenters 31.A potentiometer 34 registers the movements of the motor 32 and consequently of the eccentric 31.
Nun wird Bezug genommen auf die Figur 3, um zu erläutern, wie die Regelung des Werkzeugs 6 durchgeführt wird. Jedoch ist es vorher nötig, einige Betrachtungen anzustellen bezüglich der Bearbeitungsbedingungen im technischen Kontext der Erfindung.Reference is now made to Figure 3 to explain how the control of the tool 6 is carried out. However, it is first necessary to make some considerations regarding the machining conditions in the technical context of the invention.
Um eine gleichmäßige Schnittiefe zu gewährleisten, strebt man eine konstante Kraft an. Wenn jedoch das zu bearbeitende Material weich ist, ist die Kraft sehr gering, in der Größenordnung von einigen Gramm, und kann folglich nicht ohne übermäßiges Rauschen durch einen mit der Spindel 8 verbundenen Kraftmeßwertgeber gemessen werden.In order to ensure a uniform depth of cut, a constant force is sought. However, if the material to be machined is soft, the force is very low, of the order of a few grams, and consequently cannot be measured by a force transducer connected to the spindle 8 without excessive noise.
Es ist in Wirklichkeit möglich, die Schnittkraft mit einer akzeptablen Genauigkeit aufgrund der Drehgeschwindigkeit der Spindel 8 zu schätzen, vor allem dann, wenn diese Spindel 8 angetrieben wird durch einen pneumatischen Motor 9.In reality, it is possible to control the cutting force with an acceptable accuracy due to the rotation speed of the Spindle 8 is appreciated, especially when this spindle 8 is driven by a pneumatic motor 9.
Man kann in der Tat die Gleichung schreibenOne can indeed write the equation
c = Jω' + Bω + Cext'c = Jω' + Bω + Cext'
wo C das Motordrehmoment ist, J die Trägheit der um die Rotationsachse 7 angetriebenen Teile ist, B ein Koeffizient ist, der die Verluste durch flüssige Reibung darstellt, Cext das durch das bearbeitet Material ausgeübte Moment ist, das direkt von der Schnittkraft abhängt, und ω' und ω die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs 6 und seine Beschleunigung bezeichnen. Da das Motordrehmoment C proportional ist zum Zustelldruck des pneumatischen Motors 9 ist, kennt man es mit großer Genauigkeit, und man kann ebenso J und B genau veranschlagen aufgrund einer vorhergehenden Kalibrierung.where C is the motor torque, J is the inertia of the parts driven around the rotation axis 7, B is a coefficient representing the losses due to fluid friction, Cext is the torque exerted by the material being machined, which depends directly on the cutting force, and ω' and ω denote the rotation speed of the tool 6 and its acceleration. Since the motor torque C is proportional to the feed pressure of the pneumatic motor 9, it is known with great precision, and J and B can also be estimated precisely based on a previous calibration.
Das Tachometer 10 ist mit seinem Ausgang verbunden mit einem Filtersystem 40, das die Istgeschwindigkeit ω&sub1; ständig berechnet. Ein System zur Lieferung der Sollgeschwindigkeit 41 liefert gleichzeitig die zu respektierende Sollgeschwindigkeit ωc. Ein Rechensystem 42 erhält die beiden Geschwindigkeiten ω&sub1; und ωc und berechnet die Winkelposition Pc des Exzenters 31, damit die Istgeschwindigkeit ω&sub1; gleich der Sollgeschwindigkeit wird und die, bis auf einen Koeffizienten, gleich The tachometer 10 is connected at its output to a filter system 40 which continuously calculates the actual speed ω1. A system for supplying the set speed ω41 simultaneously supplies the set speed ωc to be respected. A calculation system 42 receives the two speeds ω1 and ωc and calculates the angular position Pc of the eccentric 31 so that the actual speed ω1 is equal to the set speed and which, except for a coefficient, is equal to
ist, wo t&sub1; den betrachteten Zeitpunkt bezeichnet, t&sub0; den Zeitpunkt des Beginns der Messungen und A ein Phasenverschiebungs- Korrekturfaktor ist. Das Resultat dieser Analogierechnung wird an ein Betätigungssystem 43 geliefert, das den Motor 32 in Betrieb setzt und somit die Iststellung Pr des Exzenters 31 verändert, die es kennt durch das Potentiometer 34, bis zur Übereinstimmung mit der vorhergehend berechneten Winkelstellung Pc. Die Veränderung der Stellung des Werkzeugs 6, die daraus resultiert, zeigt sich in einer Annäherung der Istgeschwindigkeit ω&sub1; an die Sollgeschwindigkeit ωc.where t₁ is the instant in time considered, t₀ is the instant of commencement of measurements and A is a phase shift correction factor. The result of this analogy calculation is supplied to an actuation system 43 which starts the motor 32 and thus modifies the actual position Pr of the eccentric 31, which it knows through the potentiometer 34, until it coincides with the previously calculated angular position Pc. The resulting change in the position of the tool 6 is reflected in an approach of the actual speed ω₁ to the target speed ωc.
Das System hat eine sehr kurze Reaktionszeit.The system has a very short response time.
Die Sollgeschwindigkeit ωc kann proportional zur Leerlauf-Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs 6 gewählt werden. Da sich diese Leerlauf-Rotationsgeschwindigkeit mit der Zeit verändert, vor allem infolge von Veränderungen des Zustelldrucks, der Temperatur oder von Schmierungsbedingungen, muß die Sollgeschwindigkeit ωc von Zeit zu Zeit neu berechnet werden durch das System 41, das die Sollgeschwindigkeit liefert. In der Praxis kann man jedesmal eine Messung durchführen, wenn das Werkzeug 6 abgehoben wird, um einen neuen Bearbeitungsgang auszuführen.The target speed ωc can be chosen to be proportional to the idling rotation speed of the tool 6. Since this idling rotation speed varies with time, in particular as a result of changes in the feed pressure, temperature or lubrication conditions, the target speed ωc must be recalculated from time to time by the system 41 which provides the target speed. In practice, a measurement can be carried out each time the tool 6 is lifted in order to carry out a new machining operation.
Zu diesen Abhebungszeitpunkten wird die vorhergehend beschriebene Regelung unterbrochen und der Exzenter 31 wird zurückgestellt in eine feste Stellung, bei der die Gleitführung 30 sich in Mittelstellung befindet. Wenn ein neuer Bearbeitungsgang ausgeführt wird, wird das Werkzeug 6 bis auf einige Millimeter an den Rand 3 herangebracht, dann wird das Endorgan 33 mit langsamer Geschwindigkeit dem Rand 3 angenähert, bis dieser berührt wird (in Richtung des Pfeils in der Figur 3), wonach eine Abnahme der Rotationsgeschwindigkeit festgestellt wird und die Bahn, die dem Roboter beigebracht wurde, durchlaufen wird unter Wiederaufnahme der Regelung.At these lifting times, the previously described regulation is interrupted and the eccentric 31 is returned to a fixed position in which the sliding guide 30 is in the central position. When a new machining operation is carried out, the tool 6 is brought to within a few millimetres of the edge 3, then the end member 33 is brought closer to the edge 3 at a slow speed until it touches it (in the direction of the arrow in Figure 3), after which a decrease in the rotation speed is detected and the path taught to the robot is followed, resuming regulation.
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