JP2022017427A - 表面処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】精巧な研削または研磨作業を、部分的または完全に自動化することを可能にする。【解決手段】フレーム(160)と、第1のローラ(101)が回転可能に支持されているローラキャリア(401)と、前記フレーム(160)に支持された第2のローラ(103)と、前記2つのローラ(101、103)の回りに導かれるベルト(102)であって、前記ベルト(102)の張力に基づいて結果として生じるベルト力(FB)が前記ローラキャリアに作用するベルト(102)と、前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)との間で調整可能なアクチュエータ力(FA)が前記第1の方向(x)に沿って作用するように前記フレーム(160)と前記ローラキャリア(401)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)とを有した装置(100)。【選択図】図2
Description
本発明は、例えばワークピース表面の研削のための、ワークピースの表面の自動研磨加工または平滑化のための装置に関する。
小規模生産における表面の仕上げは、ほとんどの場合、依然として手作業で行われている。これには多くの時間がかかり、経験豊富な熟練労働者が行う必要がある。最終的な表面に要求される品質要求が高ければ高いほど、この処理ステップはよりコストがかかる。その一例は、表面に対する品質要件が比較的高い車のボンネットの表面である。小規模の場合には、(手による)研削盤を用いた手作業以外でこのような表面品質を生成するための適切な解決法はない。既知の自動グラインダの研削結果はしばしば不適切であり、その調整は非常に時間がかかり、最終仕上げ面に凹凸が発生するのを防ぐために、長いランインおよびランアウト領域を必要とすることが多い。これらの不規則性は、研削ベルトの振動または接触力の緩慢な調節に起因する。接触力は、研削ベルトがワークピース表面に作用する力である。
特許文献1には、適切なベアリングによって接触力を制御する装置が記載されている。しかしながら、研削機械の高い慣性質量のために、慣性は必然的に上記の現象につながる。
したがって、本発明の目的は、改良された品質で、精巧な研削または研磨作業を、部分的または完全に自動化することを可能にする装置を提供することである。
上述の目的は、例えば、請求項1に記載の装置または請求項9に記載の方法および請求項12に記載のシステムを用いて達成することができる。様々な実施形態およびさらなる展開が、従属請求項の主題である。
以下、被加工物の表面を処理する装置について説明する。一実施形態によれば、この装置は、フレームと、フレームに第1の方向にスライド可能に支持され、第1のローラが回転可能に支持されているローラキャリアとを有する。この装置は、フレームに支持された、少なくとも1つの第2のローラと、2つのローラの回りに少なくとも導かれるベルトであって、ベルトの張力に基づいて結果として生じるベルト力がローラキャリアに作用するベルトとを有する。この装置は、さらに、フレームと第1のローラとの間で調整可能なアクチュエータ力が第1の方向に沿って作用するようにフレームとローラキャリアに機械的に結合されたアクチュエータとを有する。そして、ローラキャリアに作用する結果として生じるベルト力がアクチュエータの目標変位において、略、第1の方向(x)に直交する第2の方向(y)に作用するようにベルトが第2のローラ又は第2のローラとその他のローラにより導かれる。
さらに、ワークピースの表面加工の方法について説明する。一実施形態によれば、この方法では、フレームと、フレームに第1の方向(x)にスライド可能に支持され、第1のローラが回転可能に支持されているローラキャリアと、フレームとローラキャリアに機械的に結合されたアクチュエータと、少なくとも第1のローラの回りに導かれ、結果として生じるベルト力が前記ローラキャリアに作用するベルトとを有する装置が用いられる。この方法は、第1のローラにワークピースを位置決めするステップと、第1のローラとワークピースの間の接触力を測定するステップと、第1のローラとワークピースの間の接触力を調整するステップとを有し、それにより、フレームとアクチュエータの間に作用する力が調整される。そして、ワークピースの位置決めの際に、アクチュエータの変位が目標変位に対応し、ローラキャリアに作用する結果として生じるベルト力が、略、第1の方向に直交する第2の方向へ作用するようにワークピースが装置に対して位置決めされる。したがって、アクチュエータへ作用するベルト力は、理論的にゼロに低減され得る。
さらに、ワークピースのロボットによって支持される表面加工のためのシステムが記載される。一実施形態によれば、このシステムは、加工装置と、加工装置に対して、ワークピースの位置決めを行うマニピュレータとを有する。この加工装置は、フレームと、フレームに第1の方向にスライド可能に支持され、第1のローラが回転可能に支持されているローラキャリアとを有する。この加工装置は、さらに、フレームに支持される少なとも1つの第2のローラと、少なくとも2つのローラの回りに導かれるベルトであって、ベルトの張力に基づいて結果として生じるベルト力がローラキャリアに作用するベルトとを有する。この加工装置は、さらに、フレームと第1のローラとの間で調整可能なアクチュエータ力が第1の方向に沿って作用するようにフレームとローラキャリアに機械的に結合されたアクチュエータを有する。そして、ローラキャリアに作用する結果として生じるベルト力がアクチュエータの目標変位において、略、第1の方向に直交する第2の方向に作用するようにベルトが第2のローラ、又は、第2のローラとその他のローラ、により導かれる
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本発明は、図面に示されている実施例を参照して以下により詳細に説明される。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、本発明は図示された態様に限定されない。むしろ、本発明の根底にある原理を表すことに重点が置かれている。
図中、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
本発明の実施形態は、ベルト研削装置100に関連して説明される。本発明の他の用途、例えば表面コーティングまたは表面研磨のための他の用途も可能である。
技術的にも光学的にも高品質の表面を仕上げるには、非常に高度な製造精度が要求される。処理期間中にワーク表面200aの状態が変化することにより、要求される精度への遵守がより困難になる。そのため、特に小規模の多くの分野では、表面の仕上げは、主に手作業により行われる。既知の研削装置100の例が図1に示されている。研削装置100は静止しており、少なくとも2つのローラ101、103によって案内される回転する研削ベルト102を有する。この例では、ベルトは時計方向に回転することを前提としている。研削ベルト102は、直線的に移動可能に適した軸受130(例えは、スライド軸受)によって支持されたテンション要素(テンションローラ)105によって張力を受ける。構成要素(ローラ101及び103、テンション要素105)は、1つまたは複数のキャリア401、402、403によってフレーム160(機械ベッドまたはハウジング部分など)に接続される。
機械加工の場合、研削ベルト102が回転している間に、ワークピース200の被加工面200aが第1のローラ101の領域で研削ベルト102に押し付けられる。必要な接触力FK(研削力)は、例えば、手動で、又は、ワークピースを保持するマニピュレータ150を用いて調整することができる。マニピュレータ150は、例えば、標準産業用ロボット(6自由度)とすることができる。しかしながら、代わりに、他の手動または機械的に作動されるクランプおよび/またはプレス装置をマニピュレータとして使用することもできる。接触力FKのために、作業面200aと粉砕ベルト102との間に摩擦が生じ、材料の摩耗が生じる。加工結果に影響を及ぼす主な要因は、表面積(研削ベルト102とワークピース表面200aとの接触面積)当たりの接触力FK(以下、接触圧とも称する)と、研削ベルト102の回転速度である。ワークピースと研削ベルト102との間の接触表面積は、研削の過程で著しく変化しないので、接触圧力と接触力FKは事実上比例する。コーナーおよびエッジの領域では、接触面積が小さいために接触力(すなわち、その望ましい基準値)が低減され得る。
均一な研削結果のためには、機械加工プロセス全体にわたって接触力FKの正確な調整(すなわち、制御)が望ましい。既知の自動研削装置における一般的に「剛性の」マニピュレータによる力制御は、特にワークピース200を研削ベルト上に置く場合には困難であることが判明している。一般に、接触力FKにおける過渡的外乱(力のピーク)は、従来の制御手段によって補償することは非常に困難である。これは、通常、マニピュレータ150の可動部分の慣性およびアクチュエータの制限(最小不感時間、最大力またはトルクなど)の結果である。不十分な力制御は、結界として不均一な研削パターンにチャタリング・マークをもたらす。チャタリング・マークは、接触力FKの制御が不十分であることに起因する表面の凹凸である。より高い接触力FKが(一時的に)作用する領域では、ワークピース表面200aの空洞は、より大きな材料の摩耗によって引き起こされる。一時的に低い接触力FKが支配的なところでは、除去される材料はより少なく、高さが維持される。経験豊富な労働者は、手で研磨するときにこれらの不正確さを補うことができる。ワークピース表面200aが自動的に、特にマニピュレータ150の助けを借りて自動的に研削ベルト102上に置かれたとき、これらの不正確さは容易に補償することができない。マニピュレータ150の高い慣性のため、優勢な研削状況への調整は大きな時間遅延を伴う。加えて、マニピュレータ150は、予め定められた所望の位置の周りで様々な程度まで振動する可能性があり、これは、不均一な研削パターンにつながり得る。
ワークピース200をマニピュレータによって移動させる代わりに、ワークピース200をクランプして研削盤を移動可能に保持することも可能である。この場合、研削力を制御するアクチュエータが研削機械に連結され、研削機械が(静止した)ワークピースを押圧する。この場合にも、研削盤の質量、ひいてはその慣性が比較的大きく、上述した変形例と同じ問題が存在するという問題がある。
図2に示す例では、ワークピース200は、マニピュレータ150によって保持され位置決めされる。しかし、マニピュレータ150は、単純な位置制御のみを必要とし、接触力制御は、以下に説明するように、研削機械100において実施される。したがって、比較的安価なマニピュレータ(例えば、産業用ロボット)を使用することができ、ワークピースを所望の位置に保持し、それを所望の軌道に沿って移動させることができる。特に、マニピュレータのジョイントには、高価な力センサまたはトルクセンサが必要とされない。力制御のために使用されるアクチュエータ302は、この例では、低摩擦および受動的な柔軟性を有するアクチュエータのような単純なリニアアクチュエータであってもよい。例えば、空気圧シリンダ、空気圧筋肉、空気ベローズ、および電気直接駆動(歯車なし)が可能である。この例では、空気圧シリンダがアクチュエータ302として使用される。
アクチュエータ302は、研削機械100全体に作用するのではなく、研削機械100の、動作中に(すなわち、ローラ101上の)ワークピースを押すローラにのみ作用する。ローラ101は(ローラキャリア401を介して)フレーム160に直線的にスライド可能に(リニアガイド140)支持されている。アクチュエータ302は、ローラキャリア401とフレーム160との間に作用する。この例では、アクチュエータは、ローラキャリア401上で、フレーム160にしっかりと接続された別のキャリア404上に支持される。アクチュエータ302の制御に対応して、リニアガイド140の移動方向(x方向)に沿って作用するアクチュエータ力FAがローラ101に印加される。第1ローラ101(およびローラキャリア401)の質量が比較的小さいため、アクチュエータ302には、低い慣性力しか生じない。
これ以外に、図2に示す研削装置は、図1の先の例の研削装置と同じ構造を有している。第2のローラ103は、(ローラ)キャリア403を介してフレーム160にスライドしないように取り付けられている。この文脈の中では、「スライドしない」という意味は、研削ベルトに適切な張力を設定する目的で、ローラ103の位置が変更できないことを意味するものではない。しかしながら、装置の動作中(例えば研削プロセス中)には、ローラ103の位置は変化しない。ローラ103は駆動され(モータ104)、ローラ101は方向転換ローラとしてのみ機能する。研削ベルト102は、両方のローラ101、103の周りに案内される。図1の例のように、研削ベルトの引っ張りのテンションを調整するためのテンション装置を設けることができる。テンション装置は、例えば、ベルト102上に配置され、研削ベルト102に張力をかけるために研削ベルト102に対してほぼ直角に移動することができる1つ以上のテンションローラ105を備えることができる。本実施形態では、テンションローラ105は、リニアガイド130によってローラキャリア402上に取り付けられ、一方、ローラキャリア402はフレーム160にしっかりと接続されている。引っ張りの張力は、例えば、ローラキャリア402と1つ又は複数のテンションローラ105の間に作用するスプリングにより発生させることもできる。
研削ベルト102に作用する力は、図2では、ベルト力FB1(ベルト102の上部102aにおける力)およびFB2(ベルト102の下部102bにおける力)として示されているが、2つの力FB1およびFB2は、それぞれ、x方向の力成分(FB1、x又はFB2、x)およびy方向の力成分(FB1、y又はFB2、y)を含む。ローラ101にy方向に作用する結果として生じるベルト力FB、y(即ち、FB、y=FB1、y+FB2、y)は、リニアガイド140及びテンション装置によって吸収される。しかし、ローラ101にx方向に作用する結果として生じるベルト力FB、x(即ち、FB、x=FB1、x+FB2、x)は、アクチュエータ302にも作用し、アクチュエータ力FAに作用する。接触力FKについては、固定の場合、以下の値になる。
FK=FA+FB、x (1)
これは、接触力FKを制御するときに生じるベルト力FB、xを考慮する必要があることを意味する。このためには、ベルト力FB、xを知る必要がある。これは、(例えば、テンション装置内の力センサ及びモータの駆動トルクを用いて)測定するか、または数学的モデルを用いて推定することができる。しかしながら、研削ベルトの正しく偏向することによって、接触力FKに対するベルト力FB1、FB2の影響を低減する(理想的な場合には排除する)ことができる。換言すれば、アクチュエータ力FAと、アクチュエータ302の動作方向(x方向)における結果としてのベルト力FB、Xとが切り離される。研削ベルト102の適切な偏向の一例が図3に示されている。
FK=FA+FB、x (1)
これは、接触力FKを制御するときに生じるベルト力FB、xを考慮する必要があることを意味する。このためには、ベルト力FB、xを知る必要がある。これは、(例えば、テンション装置内の力センサ及びモータの駆動トルクを用いて)測定するか、または数学的モデルを用いて推定することができる。しかしながら、研削ベルトの正しく偏向することによって、接触力FKに対するベルト力FB1、FB2の影響を低減する(理想的な場合には排除する)ことができる。換言すれば、アクチュエータ力FAと、アクチュエータ302の動作方向(x方向)における結果としてのベルト力FB、Xとが切り離される。研削ベルト102の適切な偏向の一例が図3に示されている。
図3に示す例は、図2の実施形態に実質的に対応し、偏向ローラ101に加えて、2つの他の偏向ローラ101aおよび101bがローラキャリア401上に配置されている。さらに、2つの偏向ローラ121a、121bが設けられており、これらのローラは、フレーム160にスライドしないように取り付けられている。ローラ101,101a、101bを備えたローラキャリア401は、前の実施形態と同様に、リニアガイド140によってフレーム160に支持されており、ローラキャリア401の水平方向(x方向)への移動は許すが、他の自由度を阻止する。偏向ローラ101a、101bおよび偏向ローラ121a、121bは、アクチュエータ302の公称変位x0(目標変位)で、ローラキャリア401に作用する結果として生じるベルト力FB`がアクチュエータ力FAに対して(少なくともほぼ)直角である。言い換えれば、結果として生じるベルト力FBのx成分FB、x`はほぼゼロであり、リニアガイド140はアクチュエータ302からローラキャリア401へのx方向の力の伝達のみを許容する。前の実施形態と同様に、合成されたベルト力FB`は、ベルト102の上部102aにおけるベルト力FB1`とベルト102の下部102bにおけるベルト力FB2`との和に等しい(FB`=FB1`+FB2`)。アクチュエータ302の変位xが公称変位x0に対応するとき、これは動作点x=x0と示される。
図4は、ローラキャリア401(例えば、図3に示す)に作用する力を詳細に示している。図4(a)は動作点におけるアクチュエータの変位x=x0を示している。図4(c)は、図4(a)の変形例であり、アクチュエータ力FAがローラキャリア401の中心に正確に作用し、動作点におけるすべての力が相殺され、ローラキャリア401にトルクが作用しない。アクチュエータの変位x≠x0の場合、ベルト力FB`のx成分FB、x`はもはやゼロではなく、FB、x`=FB`・sin(φ)であり、φはy方向からの力ベクトルFB`の角度偏差を示している。これは、角度偏差が3度であると、結果として得られるx方向のベルト力FB`の約5%がアクチュエータ302に外乱力として作用することを意味する。研削機械を設計する際には、この妨害力が無視できる程度になるように動作中の角度偏差φが小さく構成することができる。これに関連して、アクチュエータ302によって及ぼされる力FA(ひいては接触力FK)が調整されること(のみ)が注目されるべきである。研削動作中のアクチュエータ302の実際の変位xは、マニピュレータ150によって調整されるワークピース200の位置に依存する。しかしながら、アクチュエータの変位xは、偏差角φがゼロである所望の動作点x0に対応するようにマニピュレータは位置制御される。
図4(a)および図4(b)には、ローラキャリア401に支持されたローラ101,101a、101b上の関連する力が詳細に示されている。明確にするために、x方向にスライド可能に支持されたローラ101、101a、101bと、研削ベルト102およびワークピース200のみが示されている。ローラ101、101a、101bの回転軸の互いに対する位置は固定されており、動作中は変化しない。アクチュエータ力FAおよび接触力FKは、ローラ上でx方向に作用する(他の方向のアクチュエータ力および接触力はリニアガイド140によって吸収される)。図4(a)において、アクチュエータ変位xは動作点x0に対応し、従ってローラ101a及び101bに作用するベルト力FB1`及びFB2`は垂直方向に向けられ、水平方向(x方向)に成分を有していない。その結果、アクチュエータ力FAと、結果として生じるベルト力FB`=FB1`+FB2`とが分離される。これは、ベルト力FB1`とFB2`がアクチュエータ302上に作用する力を与えないことを意味する。図4(b)では、ワークピースが動作点から外れた、すなわちアクチュエータ変位がx0に等しく、従って、ローラ101a及び101bに作用するベルト力FB1`及びFB2`はもはや垂直方向に(もっぱら)向けられず、代わりにy方向に対して角度φで傾斜される状態が示されている。これは、すでに述べたように、結果として生じるベルト力FB`がx方向の成分、すなわちFB、x`=|FB`|sin(φ)を有する。この力成分FB、x`は、アクチュエータに作用し、力制御によって補償されるか、またはベルト力成分FB、x`の量の制御誤差が生じる。ワークピースがマニピュレータ150によって案内され、位置決めされる限り、ワークピースが常に動作点に位置することが保証され、その結果、アクチュエータ力FAおよびローラ101に作用するベルト力FB1`、FB2`は、分離される。ここで、アクチュエータ302は、偏向ローラ101、101a、101bを保持するローラキャリア401にのみ作用し、研削装置全体に作用するのではないことに再度言及すべきである。図4(c)の変形例では、アクチュエータ力が正確に中心Cに作用し、張力FB1`、FB2`と摩擦力FRとが互いに打ち消し合う。同様に、接触力FKとアクチュエータ力FAは互いに打ち消し合う。それぞれの力FB1`、FB2`およびFRの係合点と中心Cとの間の「レバー」が常に同じであり、トルクが印加されない(全トルクの合計がゼロである)。したがって、アクチュエータには、おそらくは外乱的なトルク負荷が作用しない。
図5は、アクチュエータ力FAとベルト力FB1、FB2の分離に適した研削装置100の代替の実施形態を示している。つまり、研削装置100は、図4に示す実施形態と、本質的には、同様に構成されている。しかし、ローラキャリア401のリニアガイド140とアクチュエータ302とは、図4に示す実施形態に比べて90度回転している。フレーム160は、この目的のために、ローラキャリア401が(リニアガイド140によって)支持されるアーム402を含む。アクチュエータ302は、フレーム160のアーム402とローラキャリア401との間で垂直方向(x方向)に作用する。座標系も前の実施形態に対して90度回転されているので、アクチュエータ302の作用は、前の実施形態のように、x方向である。この実施形態では、付加的な偏向ローラは必ずしも必要ではない。研削ベルト102は、偏向ローラ101および(モータ104によって駆動される)ローラ103の周りにのみ導かれる。先の実施形態と同様に、テンションローラ105を備えたテンション装置は、研削ベルト102の必要な張力を提供する。
スライド可能に支持された偏向ローラに作用するベルト力は、FB1(上部ベルト部分の力)およびFB2(下部ベルト部分の力)で示される。力成分FB1、xおよびFB2、xは、x方向で少なくとも部分的に互いに補償するので(FB1、x>0およびFB2、x<0)、x方向に生じる力FB1、x+FB2、xは無視できるほど小さい。研削装置の適切な設計では、結果として生ずる力FB1、x+FB2、xはゼロに等しく、ベルト力FB1およびFB2のアクチュエータ302に対する力の作用はない。図6(a)は、図5の状態に対応し、研削ベルトは、(y軸に関して)角度φ2で偏向ローラ101へ、偏向ローラ101から角度φ1の方向へ延びている(時計の回転方向)。したがって、上部ベルト力FB1のx方向の力成分は|FB1|・sin(φ1)であり、下部ベルト力FB2のx方向の力成分は-|FB2|・sin(φ2)である。研削装置の適切な設計により、x方向に得られるベルト力|FB1|・sin(φ1)-|FB2|・sin(φ2)は消滅し、アクチュエータ302には力が作用しない(例えば、φ1=φ2および|FB1|=|FB2|)。図6(b)の変形例では、フレーム160に固定して取り付けられた2つの偏向ローラ121aおよび121bは、角度φ1およびφ2がゼロに等しく、従ってベルトがローラ101と水平方向に往復するようにする。したがって、この場合、ワークピースと共にアクチュエータ302が動作点(x=x0)にある限り、結果として生じるx方向のベルト力はゼロである。しかし、前の実施形態(図3)において参照して説明したように、これはマニピュレータ150によって設定される。
図7(a)および図7(b)は、図3の例と同様に構成されたさらなる実施形態を示す図である。図7(a)の例では、アクチュエータ302が作用するローラキャリア401上に2つのローラ101aおよび101bが設けられている。ベルト102は、アクチュエータ302の動作方向に対して実質的に垂直に、2つのローラ101a、101bの上を走行する。ワークピース200は、ローラ101a、101bの間で機械加工(例えば研削または研磨)される。ベルトは、ワークピース200の輪郭を適合される。その他については、図7(a)の実施形態は、図3の実施形態と同じように構成されている。繰り返しを避けるために、図3に関する説明が参照される。図7(b)の代替案は、図7(a)の実施形態に実質的に対応しているが、唯一の違いは、キャリア401`上にローラが設けられていないことである。代わりに、キャリア401`(滑走キャリッジ)は、滑り面101cを有し、それに沿って、ベルトは、アクチュエータ302の有効方向に対して実質的に直角に滑ることができる。両方の例において、ベルト102は、動作点において、アクチュエータ302の作用方向と実質的に直交するように延びている。したがって、アクチュエータ力FAと接触力(反作用)FK(FK=-FA)は、ベルト力FB1`、FB2`から分離され、FB1`、FB2`は、アクチュエータ302に対して作用する力を与えない。
前述の実施形態とは異なり、図8による実施形態では、ワークピースがマニピュレータ150で案内されるのではなく、研削機械の方が案内される。したがって、フレーム160(例えば、図3参照)は、マニピュレータ150の一部であり、(又は、そのツールセンターポイントTCPに)しっかりと取り付けられている。ワークピース200は、しっかりしたベース(図示せず)上に配置することができる。図3の例と同様に、2つのさらなる偏向ローラ101aおよび101bが、偏向ローラ101に隣接するローラキャリア401上に配置される。さらに、2つの偏向ローラ105および103が、(フレーム160上の)マニピュレータ150上でローラキャリア402又は403によって支持される。図3の例のように、ローラ103は、モータ104によって駆動することができる。モータ104(明示されていない)は、キャリア402に取り付けられてもよい。ローラキャリア402上のローラ105は、テンションローラとして構成することができる。あるいは、ベルト102に張力をかけるためのテンション装置をモータに一体化してもよい。この場合、ローラ105は単純な偏向ローラである。
ローラ101、101a、101bを備えたローラキャリア401は、図3の実施形態と同様に、マニピュレータにスライド可能に支持されており、これにより、ローラキャリア401をx方向に移動させることができ、他の自由度は阻止される。また、キャリア404は、同様に、マニピュレータ150上に支持されている。アクチュエータ302は、キャリア404上に配置され、ローラキャリア401に作用する。前の実施形態とは異なり、図8では、研削ベルトは使用されず、単なるベルトが用いられている。工具として、最前部のローラ101には研削円盤101`(または他の回転工具)が接続されている。前述の実施形態と同様に、アクチュエータの動作点(アクチュエータの変位x=x0)において、ベルトは実質的にアクチュエータの作用方向に垂直に延びており、これによりベルト力FB1`、FB2`がアクチュエータ力から切り離され、ベルト力FB1`、FB2`がアクチュエータ302に作用しない。
図9は、2つのローラ101、101aが細長いローラキャリア401の両端に配置された別の実施形態を示している。ローラキャリアはフレーム160にスライド可能に支持されている(図3参照、図9には不図示)。2つの追加のローラ103、105も、同様に、フレーム上に支持され(キャリア403、402)、ローラ105はモータによって駆動され(図3参照、図9に不図示)、他方のローラ103は回転するベルト102に張力をかけるテンション装置の一部とすることができる。あるいは、テンション装置は、駆動装置(ローラ103)に一体化することもできる。スライド可能なローラキャリア401(滑走キャリッジ)は、ローラ103とローラ105との間に配置されてり、ローラ101,103,101a、105のベルトの周りを走行するベルトは、断面図において、ほぼ凸四角形を形成する。ローラキャリア401に作用するベルト力は、アクチュエータ302の動作方向において互いに打ち消しあい、ローラキャリア401に作用するアクチュエータ302に対して作用する力を及ぼさないことは、明らかである。アクチュエータは、ローラキャリア401に、力FAで、ローラ101をワークピースに押し付ける。接触力FK(反作用の力)は、アクチュエータ力FAに対応する(FK=-FA)。
図9によれば、ワークピースはマニピュレータ150によって案内され、アクチュエータ302の変位xが、所定の動作点x0に位置するように位置決めされる。アクチュエータ302は、純粋に力制御された状態で作動し、位置は、(位置制御された)マニピュレータ150によって決定される。動作点からの僅かな偏差(例えば、ワークピースの形状及び位置の許容誤差又はマニピュレータ150の限定された位置決め精度による)は、装置の幾何学的形状およびベルト力に大きな変化をもたらさないので、研削力は、力制御アクチュエータ302によって常に予め設定され得る。
図10は、ワークピース200と偏向ローラ101上の研削ベルト102との間の接触力FKを制御するための制御回路の例を示す。アクチュエータ力FAと、結果として生じるベルト力FBとの間の(x方向の)完全な分離により、アクチュエータ力FAと接触力FKは大きさは同じであるが逆向き、すなわち-FK=FAである。結果として得られるベルト力FBの一部がアクチュエータ302上に作用する場合、接触力の大きさは、アクチュエータ力FAと、結果として得られるアクチュエータの動作方向のベルト力FB、xとの和、すなわち-FK=FA+FB、xとなる。
力測定(力測定ユニット303)は、アクチュエータ302に一体化された力センサ又はアクチュエータ302に接続された力センサを介して直接行うことができる。しかしながら、空気圧アクチュエータでは、空気圧アクチュエータの圧力pを介し、アクチュエータ302の変位xを考慮して、間接的に力を測定することもできる。すなわち、アクチュエータ力FA(p、x)は、アクチュエータ内の圧力p(例えば、空気圧ピストン内)およびアクチュエータの変位xの関数である。測定されたアクチュエータ力FAから、求められる接触力の測定値FK、mを求めることができる。結果として生じるベルト力FBとアクチュエータ力FAとが分離される限り、FK、m=-FA(p、x)となる。アクチュエータ320の作用方向で、アクチュエータ力FAと結果として生じるベルト力FB、xとの間の完全な分離がない場合、接触力を測定する際に、結果として生じるベルト力の推定値または別個の測定値を考慮に入れることができる。この場合、測定値FK、m=-FA(p、x)-FB、xとなる。接触力の測定値FK、m及び対応する目標値FK、sから、コントローラ301の入力側に供給される制御誤差FE(FE=FK、s-FK、m)を算出することができる。コントローラ301は、例えば、Pコントローラ、PIコントローラ、またはPIDコントローラであってもよい。しかしながら、他のタイプのコントローラも使用することができる。
100…研削装置
101、103…ローラ
102…研削ベルト
160…フレーム
200…ワークピース
302…アクチュエータ
401…ローラキャリア
101、103…ローラ
102…研削ベルト
160…フレーム
200…ワークピース
302…アクチュエータ
401…ローラキャリア
Claims (25)
- ワークピース(200)の表面を加工するための装置(100)であって、
フレーム(160)と、
前記フレーム(160)に第1の方向(x)にスライド可能に支持され、第1のローラ(101)が回転可能に支持されているローラキャリア(401)と、
前記フレーム(160)に支持された第2のローラ(103)と、
前記2つのローラ(101、103)の回りに導かれるベルト(102)であって、前記ベルト(102)の張力に基づいて結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記ローラキャリアに作用するベルト(102)と、
前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)との間で調整可能なアクチュエータ力(FA)が前記第1の方向(x)に沿って作用するように前記フレーム(160)と前記ローラキャリア(401)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)と
を有し、
前記ローラキャリア(401)に作用する前記結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記アクチュエータ(302)の目標変位において、略、前記第1の方向(x)に直交する第2の方向(y)に作用するように前記ベルトが前記第2のローラ(103)又は前記第2のローラ(103)とその他のローラにより導かれることを特徴とする装置(100)。 - 前記第1のローラ(101)とワークピース(200)との間、又は、前記第1のローラ(101)に接続された回転工具(101`)とワークピース(200)との間の接触力(FK)を直接的又は間接的に測定する力測定装置と、
接触力(FK)が予め設定可能な目標値(FK、S)に対応するように前記アクチュエータ力(FA)を制御するように構成された制御ユニットと
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記アクチュエータ(302)は、空気圧リニアアクチュエータであり、
前記力測定装置は、前記空気圧リニアアクチュエータ内の空気圧(p)を測定するよういに構成された圧力センサである
ことを特徴とする請求項2に記載の装置。 - 前記第1のローラ(101)は、前記ローラキャリア(401)に回転軸の回りに回転可能に支持されており、
前記ローラキャリア(401)は、リニアガイド(140)により前記第1の方向(x)に沿って前記フレーム(160)に対してスライド可能である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の装置。 - 前記アクチュエータ(302)の目標変位において、前記ベルト(102)は、前記第1の方向に対し、略、直角に、前記ローラキャリア(401)へ延び、且つ、前記ローラキャリア(401)から延びる
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の装置。 - 前記第1のローラ(101)は、前記ローラキャリア(401)の第1の端部に支持され、別のローラ(101a)が前記第1の端部と反対の、前記ローラキャリア(401)の第2の端部に支持され、
前記ベルト(102)は、前記アクチュエータ(302)の公称変位(x0)において、前記ローラキャリア(401)に前記第1の方向に前記結果として生じるベルト力がゼロ又は無視できる程度に小さくなるように前記第1のローラ(101)と他のローラに対称的に導かれる
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の装置。 - 前記ローラキャリア(401)は、前記ベルト(102)を偏向する偏向ローラ(101a、101b)を有し、
前記偏向ローラ(101a、101b)は、アクチュエータ(302)の公称変位(x0)において、前記ベルトが前記第1の方向に直交する第1の方向(y)で、前記ローラキャリア(401)へ延び、且つ、前記前記ローラキャリア(401)から延びるように配置されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の装置。 - 前記ベルト(102)の張力を調整するテンションローラ(105)をさらに有することを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の装置。
- フレーム(160)と、
前記フレーム(160)に第1の方向(x)にスライド可能に支持され、第1のローラ(101)が回転可能に支持されているローラキャリア(401)と、
前記フレーム(160)と前記ローラキャリア(401)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)と
少なくとも前記第1のローラ(101)の回りに導かれ、結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記ローラキャリア(401)に作用するベルト(102)と
を有する装置(100)を用いてワークピース(200)の表面を加工する方法であって、
前記第1のローラ(101)に前記ワークピース(200)を位置決めするステップと、
前記第1のローラ(101)と前記ワークピース(200)との間の接触力(FK)を測定するステップと、
前記第1のローラ(101)と前記ワークピース(200)との間の接触力(FK)を調整するステップであって、それにより、前記フレーム(160)と前記アクチュエータ(302)の間に作用する力が調整され、前記ワークピース(200)の位置決めの際に、前記アクチュエータ(302)の変位が目標変位に対応し、前記ローラキャリア(401)に作用する前記結果として生じるベルト力(FB、FB`)が、略、前記第1の方向(x)に直交する第2の方向(y)へ作用するように前記ワークピース(200)が前記装置(100)に対して位置決めされるステップと
を有することを特徴とする方法。 - 前記結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記アクチュエータへ作用する力が目標変位においてゼロであることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記アクチュエータは、空気圧リニアアクチュエータであり、
前記接触力(FK)の測定は、前記空気圧リニアアクチュエータ内の空気圧(p)を測定することを含むことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の方法。 - ロボット支援によりワークピースの表面の加工を行うシステムであって、
加工装置(100)と、
加工装置(100)に対して、前記ワークピースの位置決めを行うマニピュレータ(150)と
を有し、
前記加工装置(100)は、
フレーム(160)と、
前記フレーム(160)に第1の方向(x)にスライド可能に支持され、第1のローラ(101)が回転可能に支持されているローラキャリア(401)と、
前記フレーム(160)に支持される少なくとも1つの第2のローラ(103)と、
少なくとも前記2つのローラ(101、103)の回りに導かれるベルト(102)であって、前記ベルト(102)の張力に基づいて結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記ローラキャリアに作用するベルト(102)と、
前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)との間で調整可能なアクチュエータ力(FA)が前記第1の方向(x)に沿って作用するように前記フレーム(160)と前記ローラキャリア(401)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)と
を有し、
前記ローラキャリア(401)に作用する前記結果として生じるベルト力(FB、FB`)が前記アクチュエータ(302)の目標変位において、略、前記第1の方向(x)に直交する第2の方向(y)に作用するように前記ベルト(102)が前記第2のローラ(103)又は前記第2のローラ(103)とその他のローラにより導かれる
ことを特徴とするシステム。 - 前記マニピュレータ(150)は、前記アクチュエータ(302)の変位が前記アクチュエータ(302)の目標変位に対応するように、前記ワークピースを前記加工装置(100)に対して位置決めすることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
- ワークピース(200)の表面を加工するための装置(100)であって、
フレーム(160)と、
第1の方向(x)に沿ってスライド可能に、前記フレーム(160)に支持される第1のローラ(101)と、
前記フレーム(160)に固定された第2のローラ(103)と、
前記2つのローラ(101、103)の回りに導かれるベルト(102)と、
前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)との間で、調整可能なアクチュエータ力(FA)が前記第1の方向(x)に沿って作用するように前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)と、
前記第1のローラ(101)とワークピース(200)との間、又は、前記第1のローラ(101)に接続された回転工具(101`)とワークピース(200)との間の接触力(FK)を直接的又は間接的に測定する力測定装置と、
接触力(FK)が予め設定可能な目標値(FK、S)に対応するように前記アクチュエータ力(FA)を制御するように構成された制御ユニットと
を有することを特徴とする装置(100)。 - 前記第1のローラ(101)は、ローラキャリア(401)に回転軸の回りに回転可能に支持されており、
前記ローラキャリア(401)は、リニアガイド(140)により前記第1の方向(x)に沿って前記フレーム(160)に対してスライド可能である
ことを特徴とする請求項14に記載の装置。 - 前記ローラキャリア(401)には、ベルト力(FB1、FB2;FB1`、FB2`)が作用し、結果として生じるベルト力(FB;FB`)が前記接触力(FK)の測定の際に考慮されることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記接触力(FK)の測定の際に考慮される結果として生じるベルト力(FB;FB`)が測定されるか、又は、モデルにより算出されることを特徴とする請求項16に記載の装置。
- 前記ローラキャリア(401)には、ベルト力(FB1、FB2;FB1`、FB2`)が作用し、前記ローラキャリア(401)に結果として生じるベルト力(FB;FB`)が前記アクチュエータ(302)の公称変位(x0)の際に前記第1の方向(x)にゼロ又は無視できる程度に小さな力成分を有することを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記第1のローラ(101)は、前記ローラキャリア(401)の第1の端部に支持され、別のローラ(101a)が前記第1の端部と反対の、前記ローラキャリア(401)の第2の端部に支持され、
前記ベルト(102)は、前記アクチュエータ(302)の公称変位(x0)において、前記ローラキャリア(401)に前記第1の方向に結果として生じるベルト力がゼロ又は無視できる程度に小さくなるように前記第1のローラ(101)と他のローラに対称的に導かれる
ことを特徴とする請求項15又は請求項18に記載の装置。 - 前記ローラキャリア(401)は、前記ベルト(102)を偏向する偏向ローラ(101a、101b)と有し、
前記偏向ローラ(101a、101b)は、アクチュエータ(302)の公称変位(x0)において、前記ベルトが前記第1の方向に直交する第1の方向(y)で、前記ローラキャリア(401)へ延び、且つ、前記前記ローラキャリア(401)から延びるように配置されている
ことを特徴とする請求項15に記載の装置。 - 前記アクチュエータ(302)の公称変位(x0)において、前記ベルト(102)が前記第1の方向に直交する第2の方向(y)で、前記第1のローラ(101)へ延び、且つ、前記第1のローラ(101)から延びるように配置されている
ことを特徴とする請求項14、請求項15、請求項18乃至請求項20の何れか一項に記載の装置(100)。 - 前記ベルト(102)の張力を調整するテンションローラ(105)をさらに有することを特徴とする請求項14乃至請求項21の何れか一項に記載の装置。
- 前記第1のローラ(101)に対して前記ワークピースの位置決めを行うマニピュレータ(150)を有することを特徴とする請求項14乃至請求項22の何れか一項に記載の装置。
- フレーム(160)と、
第1の方向(x)に沿ってスライド可能に、前記フレーム(160)に支持される第1のローラ(101)と、
前記フレーム(160)に固定された第2のローラ(103)と、
前記2つのローラ(101、103)の回りに導かれるベルト(102)と、
前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)に機械的に結合されたアクチュエータ(302)と
を有する、ワークピース(200)の表面を加工するための装置(100)を用いてワークピース(200)の表面加工を行う方法であって、
前記第1のローラ(101)と前記ワークピース(200)の間の接触力(FK)を測定するステップと、
前記フレーム(160)と前記第1のローラ(101)との間で前記第1の方向(x)に沿って作用するアクチュエータ力(FA)を調整するステップと
を有し、
接触力(FK)が予め設定される目標値(FK、S)に対応するように前記アクチュエータ力(FA)が制御される
ことを特徴とする方法。 - 前記アクチュエータ(302)の作用方向で前記アクチュエータ(302)の公称変位(x0)に有る際に前記アクチュエータ(302)に作用する結果として生ずるベルト力(FB;FB`)が実質的にゼロであるように前記ベルトが導かれることを特徴とする請求項24に記載の方法。
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