DE9312112U1

DE9312112U1 - Steinfräsmaschine

Info

Publication number: DE9312112U1
Application number: DE9312112U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2003-08-14
Also published as: DK9200183U3

Description

Dipl. - Ing. Dipl. - Oek. JAN G. TONMES* tRifctitsäiflvalf: Patentanwalt

RA Jan G. Tönnies, Näemannsweg 133, 24105 Kiel Telefon 0431/84075 Telefax 0431/84077

Volksbank Kiel (BLZ 210 900 07) 14 84 21.4

Deutsches Patentamt
Zweibrückenstraße 12

80297 München

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Mein Zeichen Kiel, Neuanmeldung P5102 12.08.93

Frank Poulsen, Tjorneager 16, DK-43 30 Havalso, Dänemark

Steinfräsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Steinfräsmaschine. Steinfräsmaschinen werden beispielsweise zum Kopier-Fräsen in Stein verwendet. Insbesondere bei Restaurierungsarbeiten ist es oft notwendig, eine Rekonstruktion eines beschädigten Gebäudebestandteiles vorzunehmen. Diese Rekonstruktion erfolgt indem ein Fachmann das Gebäudeteil in Gips oder ähnlichen Materialien modelliert, und das Modell dann als Grundlage für einen Kopierprozeß dient, wobei es darum geht, das Modell aus dem weichen Gips in hartem Sandstein, Marmor oder dgl. zu reproduzieren.

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Derartige Reproduziervorgänge werden mit Steinfräsmaschinen vorgenommen. Bekannt ist dabei, daß ein Fühlerarm das Modell abtastet. Der Fühlerarm wirkt dann auf ein Ventil ein, welches wiederum das Fräswerkzeug so steuert, daß dieses die gleichen Bewegungen wie der Fühlerarm ausführt. Der Fühlerarm hat dabei die gleiche geometrische Form wie das Fräswerkzeug. .Eine derartige Technik ist auch aus Kopierdrehbänken bekannt.

Nachteil dieser Technik ist jedoch, daß eine Meßtaste am Fühlerarm dauern ausgewechselt werden muß, da sie sich verschleißt. Diese Meßtaste des Fühlerarms arbeitet nur mit relativ hoher Andruckkraft. Das setzt zum einen einen unerwünscht großen Krümmungsradius der Fühlertaste voraus, um Beschädigungen des Modells vorzubeugen oder erfordert die Anfertigung des Modells aus einem härteren Material. Dies könnte beispielsweise durch einen Zwischen-Metallabdruck geschehen. Das ein derartiger Abdruck natürlich zeit- und kostenintensiv ist, versteht sich von selbst.

Die direkte Koppelung zwischen Fühlertaste und Fräswerkzeug beinhaltet weiter eine mechanische Rückkoppelung, so daß Schwingungen entstehen können, die sich in einem hydraulischen System verstärken. Damit wird das Arbeitstempo nach oben hin begrenzt.

Weiter verhindert die bisherige primitive Proportionalsteuerung einen intelligenten Bewegungsablauf des Fräswerkzeugs. Es kann keine konstante Geschwindigkeit an der Oberfläche beibehalten werden. Vielmehr muß man sich langsamer bewegen, als dies nötig wäre, um dann, wenn man an eine schwierige Stelle kommt, z. B. ein Loch, nicht zu schnell zu sein.

Diese Bedingungen haben bewirkt, daß es auf dem Markt bisher keine Steinfräsmaschine gibt, die z. B..Kopien in Sandstein

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fräsen kann, sondern nur einige wenige, die es in Marmor können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die geschilderten Nachteile zu überwinden, indem man eine Fräsmaschine schafft, deren Meßfühler nicht so häufig ausgewechselt werden muß, und der keine hohe Andruckkraft auf das Modell ausübt. Weiter sollen Schwingungen vermieden werden und eine gleichmäßige Geschwindigkeit an der Oberfläche gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Steinfräsmaschine gelöst, die die im Anspruch 1 enthaltenen Merkmale aufweist. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung wieder. Insbesondere ist vorteilhaft, daß ein Computer den Bewegungsablauf steuert, somit werden Schwingungen weitgehend vermieden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine computergesteuerte Steinfräsmaschine nach der Erfindung,

Fig. 2 eine herkömmliche hydraulische Kopierfräsmaschine nach dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, wie das Fräswerkzeug gemäß der Erfindung gemessen wird,

Fig. 4 eine alternative Ausführung des Vermessens, wie in Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere alternative Vermessung nach Fig. 3 oder 4,

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Fig. 6 noch eine weitere alternative Darstellung des Vermessene nach Fig. 3 bis 4,

Fig. 7a eine rolloartige Abschirmung nach der Erfindung,

Fig. 7b einen Schnitt entlang der Linie A-B in der Fig. 7a,

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung der Vermessung eines Modells mit einem Fühlerarm, und

Fig. 9 einen Fühlerarm nach der Erfindung.

Zur Verwendung der Vorrichtung nach der Erfindung bringt man ein Gipsmodell in der Steinfräsmaschine an. Danach tastet diese automatisch die Topologie des Gegenstandes unter den verschiedensten Perspektiven ab, die im voraus mit der gewünschten Auflösung und Genauigkeit gewählt werden. Die so gewonnenen Daten werden automatisch auf einem Datenträger gespeichert. Dann kann man den zu bearbeitenden Stein in der Maschine einspannen, das geeignete Werkzeug montieren, sowie die vorher gewonnenen und eingespeicherten Daten in den Computer eingeben und Prozeßparameter auswählen. Die Prozeßparameter können z. B. Veränderungsfaktoren seien, die die Größenverhältnisse zwischen Modell und Gegenstand bestimmen, so daß automatisch eine vergrößerte Kopie des Modells in Stein herstellbar ist. Sollte das Werkzeug seine Form verändern, sich z. B. bis zur halben Größe abnutzen, so kann durch eine entsprechende Computersteuerung auch für diesen Fall Vorsorge getroffen werden.

Es können jedoch auch zwischenzeitliche Eichungen des Werkzeuges durch Abtasten, z. B. mit einem elektrischen Leiter oder einem Lichtstrahl vorgenommen werden. Mit

Hilfe dieser Abtastungen kann die Größe des Werkzeuges dann jeweils genau festgestellt werden.

Die Abstände zwischen den einzelnen Abtastvorgängen können je nach Genauigkeit beliebig gewählt werden.

Im folgenden wird weiter ein Abtasten des Modells erläutert, bei dem ein elektrischer Kontakt hergestellt wird.

In Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung einer hydraulischen Kopierfräsmaschine nach dem Stand der Technik dargestellt. Die Frässpindel 62, auf der das Werkzeug 60 montiert ist, ist mit dem Hydraulikzylinder 80 durch einen Kraftübertragungsmechanismus 64 verbunden. Das hydraulische Ventil 86 wird von dem Modell 70 durch die Fühlertaste 76 beeinflußt.

In der Fig. 1 ist dargestellt, wie eine erfindungsgemäße Steinfräsmaschine aufgebaut ist. Vier Säulen bilden das "Fundament" und legen die Z-Achse der Steinfräsmaschine 1 fest. Die Bodenplatte 2 trägt die Spindel 6 mit dem Fräswerkzeug 5 an einem Ende und dem am anderen Ende der Spindel montierten Sensorarm 7. Spindel 6 und Sensorarm 7 können auf der Bodenplatte 2 Bewegungen ausführen, die die X- und Y-Achse als Koordinatenachsen haben. Die beiden Drehscheiben 3 und 4 können sich jeweils um eine W-Achse drehen. Sie nehmen das Modell 70 und den zu bearbeitenden Stein 58 auf.

Die gesamte Vorrichtung ist solide und steif mit genauen Führungen ausgerichtet. Die hydraulischen Kraftgeber, die vom zentralen Computer gesteuert werden, kontrollieren die Bewegungen. Der Computer nimmt Informationen über die Positionen der einzelnen Teile der Steinfräsmaschine untereinander über Linear- und Winkelgeber entgegen.

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Der Computer besitzt so zu jeder Zeit die genaue Information über die Koordinaten des Fräswerkzeugs und des Fühlerarms.

Fig. 3 zeigt, wie die Anordnung zum Abtasten der geometrischen Form des Fräswerkzeuges 5 ausgeführt ist. Der Computer 12 kennt im voraus die Koordinaten für die Position des Drahtes 20. Das Programm dirigiert daraufhin die Frässpindel 6 mit dej:i Fräswerkzeug 5 zu einer Startposition. Diese ist dann eingenommen, wenn die Stütze des Fräswerkzeuges 5 den Draht 20 berührt. Der Computer 12 registriert diese Berührung zwischen dem Draht 20 und dem Fräswerkzeug 5 des Messens eines elektrischen Stroms in dem Kreislauf, in dem sich die Stromquelle 10, Fräswerkzeug 5 und der Draht 20 befinden. Danach wird das Fräswerkzeug 5 eine Bewegungseinheit nach rechts bewegt und dann soweit vorwärts auf der Y-Achse bewegt, bis wieder Kontakt mit dem Draht 20 hergestellt ist. Dieser Prozeß wird solange wiederholt, bis eine vorgegebene Werkzeuglänge abgetastet worden ist.

Der Computer 12 speichert gleichzeitig laufend die verschiedenen Positionen der Frässpindel. Die Liste mit diesen verschiedenen Koordinaten werden im Speicher des Computers um die Y-Achse mit den Koordinaten des Startpunktes verknüpft, wodurch jederzeit jeder Punkt auf der Oberfläche des Fräswerkzeuges 5 berechnet werden kann. Natürlich kann man den Abtastvorgang auch anders durchführen, z. B. kann ein Abtasten von rechts nach links verlaufen, oder man beginnt mit dem scannen des Werkzeuges 5 am anderen Ende. Ebenfalls kann der Draht einen anderen Querschnitt besitzen oder durch die Kante einer Platte ersetzt werden.

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Fig. 4 zeigt, wie die Abtastanordnung gem. Fig. 3 auch anders ausgeführt werden kann. Der Draht 2 0 kann auch waagerecht angebracht werden und mit seiner Spitze das Fräswerkzeug abtasten.

Fig. 5 zeigt, wie die Abtastanordnung gemäß Fig. 3 und 4 auch anders ausgeführt werden kann. Hier wird der Draht 20 in der Fig. 3 durch einen Lichtstrahl 24 ersetzt, der von einer Quelle, z. B. von einem Laser 26 ausgeht, und von einem Lichtdetektor 28 aufgefangen wird.

Fig. 6 zeigt, wie die Abtastanordnung gemäß der Fig. 3 wiederum alternativ ausgeführt werden kann. Der Draht 20 in Fig. 3 wird durch einen mechanischen Kontakt ersetzt, der von dem Werkzeug 5 durch das Verbindungselement 3 2 aktiviert wird. Auf diesem kann man eventuell, ein Rad 34 montieren, um den Verschleiß zu vermindern.

In der Fig. 7 wird eine- rolloartige Abschirmung dargestellt. Diese dient zum Schutz des Mechanismusses der Steinfräsmaschine gegenüber dem abgefrästen Abrieb.

Das innere Rollo 36 ist an zwei Führungsschienen 40 befestigt, die an den Enden der Rollos 38 angesetzt sind, und eine Platte 42 zwischen den Rollohälften 3 6 ist somit in vertikaler Richtung verschiebbar, wobei das gesamte Rollo 3 6 in horizontaler Richtung verschieblich ist. In der Platte 42 ist wiederum ein Loch 44 vorgesehen, durch das die Spindel während der Bearbeitung eines Steines ragen kann. Das Loch ist mit einer sternförmigen Dichtung aus flexiblem Material versehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Spindel in X-Z- und Y-Richtung der Maschine beweglich ist. Gleichzeitig verhindern die doppelten Rollos einen unerwünschten Kontakt von Kühlflüssigkeit und abgefrästem Material mit den empfindlichen Führungselementen der Maschine.

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Fig. 8 zeigt das Prinzip für die Ausführung eines Abtasters (Scanners). Ein Gipsmodell 14 wird dabei leicht angefeuchtet, wodurch erreicht wird, daß das Modell 70, der Computer 12 und der Fühlerarm 46 mit einer Stromquelle 10 in Serie geschaltet werden können. Der Computer ist nun in der Lage, das ganze Modell nach dem gleichen Prinzip - wie schon unter dem Abtasten des Werkzeuges erwähnt - zu scannen, da dieser laufend den Kontakt des Fühlerarms mit dem Modell durch das Fließen eines Stromes im Kreis registriert. Wenn das Modell von einem Winkel aus abgetastet worden ist, gibt der Computer ein Signal an einen Motor, der dann die W-Achse mit einer im voraus bestimmten Gradzahl dreht, um den Prozeß wiederholen zu können. Die Koordinaten aller abgetastete Punkte auf der Modelloberfläche werden automatisch auf einer Diskette oder einem Datenband vom Computer festgehalten.

Fig. 9 zeigt, wie der Abtastarm ausgeführt ist. Der Abtastarm besteht aus einem rohrförmigen Element 55, das von der Steinfräsmaschine isoliert ist und mit dem Computer 12, wie in Fig. 8 dargestellt, elektrisch verbunden ist. Die Fühlertaste 56 und die Metalldrahtoberfläche 53 haben eine federnde Aufhängung mit Hilfe der Federn 54 und 52. Die federnde und elektrisch leitende Oberfläche des Fühlerarms ist notwendig, da der Computer im voraus kein "Wissen" über die Form und Größe des Modells besitzt.

Der Computer steuert den Fühlerarm an das Modell heran und stoppt die Bewegung in dem Augenblick, in dem der Kontakt registriert wird. Es kann eine verschwindend kurze Zeit - ein paar Millisekunden - vergehen, bevor die hydraulischen Kraftgeber das System zum Stillstand gebracht haben, weshalb die Bewegung des Fühlerarmes sich einige wenige Zehntel mm fortsetzen kann, nachdem bereits der Kontakt registriert wurde. Daher kann die

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Federaufhängung der Metalldrahtoberfläche 53 und die federbelastete Fühlerspitze 56 garantieren, daß das Modell keinen Schaden nimmt. Mit dieser Technik ist des deshalb möglich, sogar Eierschale zu scannen, ohne diese zu zerstören.

Der Computer steuert den Fühlerarm langsam an das Modell heran und stoppt die Bewegung in dem Augenblick, in dem der Kontakt registriert wird.

Claims

JAN G. TÖNNIES P5102 ANSPRÜCHE

1. Steinfräsmaschine, gekennzeichnet durch

einen aus vier Säulen (1) bestehenden Maschinensockel, der in einer &KHgr;,&Ugr;-Ebene eine waagerecht liegende Frässpindel (6) mit einem Fräswerkzeug (5) trägt,

zwei Montierungsflansche (3, 4) zur Aufstellung eines zu bearbeitenden Rohlings und eines Modells, die sich jeweils und eine zu den Säulen (1) parallele Achse verdrehbar sind.

2. Steinfräsmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Draht (20) im Bereich der Frässpindel (6), der an eine Steuereinrichtung (12) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (12) die Position des Drahtes (2 0) kennt und Kontakt der Frässpindel (6) mit dem Draht (20) registriert.

3. Steinfräsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Draht (22) im Bereich des Fräswerkzeugs (5), der an eine Steuereinrichtung (12) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (12) die Position des Drahtes (22) kennt und Kontakt des Fräswerkzeuges (5) mit dem Draht (20) re-

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gistriert, wobei im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Fräswerkzeuges (5) mit dem Draht (22) in Berührung gebracht werden kann.

4. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

eine einen Lichtstrahl (24) aussendende Lichtquelle (26) im Bereich des Fräswerkzeugs (5),

- einen Lichtsensor (28), auf den der Lichtstrahl im ungehinderten Zustand fällt,

- wobei der Lichtsensor an eine Steuereinrichtung (12) gekoppelt ist, und

wobei die Steuereihrichtung (12) die Position des Lichtstrahls (24) kennt und Eintritt des Fräswerkzeuges (5) in den Lichtstrahl (20) registriert.

5. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kontakt (3 0) im Bereich des Fräswerkzeugs (5), der an eine Steuereinrichtung (12) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (12) die Position des Kontaktes (30) kennt und einen Berührung des Fräswerkzeuges (5) mit dem Kontakt (30) registriert.

6. Steinfräsmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein an dem Kontakt (30) im Bereich des Fräswerkzeugs (5) vorgesehenes Distanzstück (32) , das in Kontakt mit dem Fräswerkzeug (5) tritt.

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7 &diams; Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein im Bereich des Fräswerkzeugs (5) vorgesehenes Rad (34) , das in Kontakt mit dem Fräswerkzeug (5) tritt und mit dem Kontakt (30) verbunden ist.

8. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

eine Abschirmung aus zwei zueinander im wesentlich rechtwinklig angeordneten, auf jeweils zwei Rollen am Ende aufrollbaren Schirmflächen (36, 38),

wobei die beiden Schirmflächen jeweils einen Mittelbereich zur Durchführung der Frässpindel (6) besitzen und unabhägig zueinander bewegbbar sind.

9. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikal verlaufende Schirmfläche (36) in Führungsschinen (40) an und zwischen den Enden einer horizontal verlaufenden Schirmfläche (38) verläuft.

10. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Meßfühler (46), zur Aufnahme der Konturen einer Modelloberfläche, der an eine Steuereinrichtung (12) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (12) die Position des Kontaktes (30) kennt und einen Stromfluß durch .den Meßfühler und das Modell (14) registriert.

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11. Steinfräsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß der Meßfühler (46) mit einer federnden Spitze (56) versehen ist.

12. Steinfräsmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßfühler (7), symmetrisch zu einer Frässpindel (5) auf einer gemeinsamen Plattform (2) angeordnet ist.