WO2016145472A1 - Method and device for robot-supported surface processing - Google Patents

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WO2016145472A1
WO2016145472A1 PCT/AT2016/050068 AT2016050068W WO2016145472A1 WO 2016145472 A1 WO2016145472 A1 WO 2016145472A1 AT 2016050068 W AT2016050068 W AT 2016050068W WO 2016145472 A1 WO2016145472 A1 WO 2016145472A1
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Ronald Naderer
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Ferrobotics Compliant Robot Technology Gmbh
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    • G05B2219/39343Force based impedance control

Definitions

  • the force control is realized in a conventional manner with the aid of a control valve 406, a regulator 410 and a compressed air reservoir 405.
  • the compressed air reservoir 405 can also be replaced by a compressor.
  • the control valve 406 is configured to control the air supply to the actuator 401.
  • the controller 410 controls the valve 406 depending on a measurement value representing the contact force FK such that the actuator force FA corresponds to a desired value.

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Abstract

Disclosed is a method for the automated surface processing of a workpiece (301). According to an embodiment of the invention, the method comprises the generation of a contact force (FK) between a rotating tool (202) and a workpiece (301) by means of a linear actuator (401) and the measurement of the contact force (FK) between the rotating tool (202) and the workpiece (301). A motor (204) that drives the tool (202) is controlled according to a measurement value (FA, p) which represents the contact force (FK), in order to adjust a rotational speed of the tool (202) according to the contact force (FK).

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR  METHOD AND DEVICE FOR
ROBOTERGESTÜTZTEN OBERFLÄCHENBEARBEITUNG  ROBOT-BASED SURFACE MACHINING
TECHNISCHES GEBIET [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur robotergestützten Ober- flächenbearbeitung, insbesondere auf ein mit Hilfe eines Manipulators geführtes Schleifgerät, beispielsweise eine Orbitalschleifmaschine. TECHNICAL FIELD [0001] The invention relates to a device for robot-assisted surface processing, in particular to a grinding device guided by means of a manipulator, for example an orbital grinding machine.
HINTERGRUND BACKGROUND
[0002] Schleifmaschinen und besonders Orbitalschleifmaschinen werden vielfach in Industrie und Handwerk eingesetzt. Orbitalschleifmaschinen sind Schleifmaschinen, bei denen einer Oszillationsbewegung (Vibration) eine Drehbewegung um eine Rotationsachse überlagert ist. Sie dienen häufig zur Endbearbeitung von metallischen Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität. Damit diese Anforderungen realisiert werden können, sollten Unregelmäßigkeiten während des Schleifvorganges möglichst vermieden werden. Dies geschieht in der Praxis meist dadurch, dass dieseGrinders and especially Orbitalschleifmaschinen are widely used in industry and craft. Orbital grinding machines are grinding machines in which an oscillation movement (vibration) is superimposed on a rotational movement about an axis of rotation. They are often used to finish metallic surfaces with high surface quality requirements. In order for these requirements to be realized, irregularities during the grinding process should be avoided as far as possible. This is done in practice mostly by the fact that this
Aufgaben speziell bei der Herstellung von geringen Stückzahlen durch erfahrene Facharbeiter ausgeführt werden. Diese erkennen Unregelmäßigkeiten, die aufgrund von Schwankungen in der Drehzahl der Maschine entstehen und können diese durch kontinuierliches Ändern des Anpressdruckes beeinflussen. Hierzu ist eine gewisse Erfahrung und Übung nötig. Dabei ist die Drehzahl (der Drehbewegung) bei Orbitalschleifmaschinen üblicherweise abhängig von einer Kontaktkraft zwischen Schleifmaschine und Werkstück (Schleifkraft). Tasks especially in the production of small quantities by experienced skilled workers to be executed. These detect irregularities that arise due to fluctuations in the speed of the machine and can affect them by continuously changing the contact pressure. This requires a certain amount of experience and practice. The speed (of the rotary motion) in orbital grinding machines usually depends on a contact force between the grinding machine and the workpiece (grinding force).
[0003] Derartige Schleifmaschinen sind üblicherweise nicht drehzahlgeregelt, und folglich bewirkt eine höhere Kontaktkraft eine entsprechende Reduktion der Drehzahl und umgekehrt (entsprechend der Motorkennlinie). Diese Abhängigkeit der Drehzahl von der Kontaktkraft kann eine besondere Schwierigkeit bei der Automatisierung eines solchen Ablaufes sein. Industrieroboter (zumindest im unteren Preissegment) sind üblicherweise positionsgeregelt und damit für Schleifaufgaben ohne weitere Maßnahmen nicht geeignet. Selbst wenn eine Kraftregelung zur Regelung der Kontaktkraft vorgesehen wird, sind Drehzahlschwankungen aufgrund von Schwankungen der Kontaktkraft nicht auszuschließen, vor allem beim Kontaktieren des Werkstücks oder beim Lösen des Kontakts zwischen Schleifmaschine und Werkstück. Die Drehzahlschwankungen haben einen negativen Effekt auf die resultierende Oberflächenqualität nach der Bearbeitung. Ein rascher Anstieg der Drehzahl kann die Oberfläche verkratzen. Such grinding machines are usually not speed-controlled, and consequently causes a higher contact force a corresponding reduction of the speed and vice versa (according to the motor characteristic). This dependence of the speed of the contact force can be a particular difficulty in the automation of such a process. Industrial robots (at least in the lower price segment) are usually position-controlled and thus for grinding tasks without further measures not suitable. Even if a force control is provided for controlling the contact force, speed fluctuations due to variations in the contact force can not be excluded, especially when contacting the workpiece or when releasing the contact between the grinding machine and the workpiece. The speed variations have a negative effect on the resulting surface quality after machining. A rapid increase in speed can scratch the surface.
[0004] Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen bereit zu stellen, die eine Bearbeitung von Werkstücken mit verbesserter Genauigkeit erlaubt. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrich- tung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The object underlying the invention is to provide an apparatus for machining surfaces that allows machining of workpieces with improved accuracy. This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 11. Various embodiments and further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
[0005] Es wird ein Verfahren zur automatisierten Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst das Verfahren das Erzeugen einer Kontaktkraft zwischen einem rotierenden Werkzeug und einem Werkstück mit Hilfe eines Linearaktors sowie das Messen der Kontaktkraft zwischen dem rotierenden Werkzeug und dem Werkstück. Ein das Werkzeug antreibender Motor wird abhängig von einem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert angesteuert, um eine Drehzahl des Werkzeugs abhängig von der Kontaktkraft einzustellen. A method for automated surface processing of a workpiece is described. According to one example of the invention, the method comprises generating a contact force between a rotating tool and a workpiece by means of a linear actuator and measuring the contact force between the rotating tool and the workpiece. A motor driving the tool is driven depending on a measured value representing the contact force to set a rotational speed of the tool depending on the contact force.
[0006] Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur automatisierten Oberflächenbear- beitung eines Werkstücks beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine Bearbeitungsmaschine mit einem rotierenden Werkzeug auf, welches von einem Motor angetrieben ist, sowie einen Linearaktor zum Erzeugen einer Kontakt- kraft zwischen Werkzeug und Werkstück. Es ist eine Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft vorgesehen und eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, den Motor abhängig von einem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert anzusteuern. [0007] Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung einen Manipulator zum Positionieren der Bearbeitungsmaschine oder des Werkstücks auf. Der Manipulator kann dabei Bearbeitungsmaschine (relativ zum Werkstück) oder Werkstück (relativ zur Bearbeitungsmaschine) auf einer vorgebbaren Trajektorie positionieren. Im ersten Fall ist die Bearbeitungsmaschine über den Linearaktor mechanisch mit dem Manipulator verbunden und das Werkstück ist stationär. Im zweiten Fall ist die Bearbeitungsmaschine über den Linearaktor an einem stationären Gestell gelagert und das Werkstück wird vom Manipulator bewegt. Furthermore, a device for automated surface processing of a workpiece is described. According to one example of the invention, the device has a processing machine with a rotating tool, which is driven by a motor, and a linear actuator for generating a contact force between the tool and the workpiece. There is provided a device for measuring the contact force and a control unit, which is designed to control the motor depending on a measured value representing the contact force. According to one embodiment, the device comprises a manipulator for positioning the processing machine or the workpiece. The manipulator can thereby position the processing machine (relative to the workpiece) or workpiece (relative to the processing machine) on a predeterminable trajectory. In the first case, the processing machine is mechanically connected to the manipulator via the linear actuator and the workpiece is stationary. In the second case, the processing machine is mounted on a stationary frame via the linear actuator and the workpiece is moved by the manipulator.
[0008] In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Kraftre- geleinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die vom Linearaktor bewirkte Aktorkraft so zu regeln, dass diese einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Dabei kann die Kraftregeleinheit dazu ausgebildet sein, zu detektieren, ob ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug besteht, wobei der Sollwert von einem Minimalwert auf einen Nennwert erhöht wird, wenn ein Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug detektiert wird. [0009] Der Motor weist eine Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie auf. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, abhängig von dem die Kontaktkraft repräsentierenden Messwert die Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie des Motors zu verändern. Beispielsweise kann die Drehzahl/Drehmoment-Kennlinie des Motors derart angepasst werden, dass eine durch eine Änderung der Kontaktkraft verursachte Drehzahländerung des Mo- tors zumindest teilweise kompensiert wird. Die Steuereinheit benötigt hierfür keine Messung der Drehzahl des Motors. In another exemplary embodiment, the device has a force control unit which is designed to regulate the actuator force caused by the linear actuator in such a way that it corresponds to a predefinable desired value. In this case, the force control unit may be designed to detect whether there is contact between the workpiece and the tool, wherein the desired value is increased from a minimum value to a nominal value when a contact between the workpiece and the tool is detected. The engine has a speed / torque characteristic. The control unit is designed to change the speed / torque characteristic curve of the motor depending on the measured value representing the contact force. For example, the speed / torque characteristic curve of the motor can be adapted such that a speed change of the motor caused by a change in the contact force is at least partially compensated. The control unit does not need to measure the speed of the motor.
[0010] Der Linearaktor kann ein pneumatischer Aktor sein, und die Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft kann einen Drucksensor zum Messen des Drucks in dem pneumatischen Aktor aufweisen, wobei der die Kontaktkraft repräsentierende Messwert vom Druck in dem pneumatischen Aktor abhängt. Der Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft kann ein Signal zugeführt sein, welches anzeigt, ob Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht, wobei der Kontaktkraft repräsentierende Messwert Null ist, wenn kein Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück besteht. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN The linear actuator may be a pneumatic actuator, and the device for measuring the contact force may comprise a pressure sensor for measuring the pressure in the pneumatic actuator, wherein the measured value representing the contact force depends on the pressure in the pneumatic actuator. The device for measuring the contact force may be supplied with a signal which indicates whether there is contact between the tool and the workpiece, wherein the measured value representing the contact force is zero when there is no contact between the tool and the workpiece. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0011] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Viel- mehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen: : The invention will be explained in more detail with reference to the examples shown in the figures. The illustrations are not necessarily to scale and the invention is not limited to the aspects presented. Rather, emphasis is placed on presenting the principles underlying the invention. To the pictures::
[0012] Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, bei der eine Orbitalschleifmaschine über einen Aktor geführt wird und die Drehzahl in Abhängigkeit der Anpresskraft gesteuert wird. [0013] Figur 2 zeigt eine beispielhafte Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie des Antriebs der Orbitalschleifmaschine. Figure 1 shows an embodiment according to the invention, in which an orbital grinding machine is guided via an actuator and the rotational speed is controlled in dependence on the pressing force. Figure 2 shows an exemplary speed / torque characteristic of the drive of the orbital grinding machine.
[0014] Figur 3 zeigt die Veränderung der Drehzahl/Drehmomenten- Kennlinie aus Fig. 2 durch eine geeignete Ansteuerung des Antriebs. Figure 3 shows the change in the speed / torque characteristic of Fig. 2 by a suitable control of the drive.
[0015] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung. In the figures, like reference numerals designate the same or similar components, each having the same or similar meaning.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
[0016] Die hier beschriebenen Beispiele der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur automatisierten Bearbeitung von Oberflächen. Beispielhaft wird die Erfindung anhand einer von einem Manipulator geführten Orbitalschleifmaschine erläutert. Die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien können jedoch ohne weiteres auf andere Maschinen mit einem rotierenden Werkzeug zur Bearbeitung von Oberflächen (z.B. Poliermaschinen, Bandschleifgeräte, etc.) übertragen werden, insbesondere Maschinen, welche einen Antrieb mit Schlupf aufweisen oder deren Antrieb eine Motorkennlinie aufweist, gemäß der die (Dreh-) Geschwindigkeit des Werkzeugs von der Belastung des Motors abhängt. Unter einem rotierenden Werkzeug kann auch ein umlaufendes Band wie z.B. ein Schleifband einer Schleifmaschine verstanden werden. Die Erfindung ist also nicht auf Anwendungen mit Orbitalschleifmaschinen beschränkt. [0017] Die Qualität der Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks hängt von unterschiedlichen Parametern des Bearbeitungsprozesses ab. Einer dieser Prozessparameter ist beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeugs (z.B. ein mit Schleifpapier bestückter Schleifteller oder eine Schleifscheibe) sowie die Kontaktkraft FK zwi- sehen Werkzeug und Werkstück, welcher einer Aktorkraft FA entspricht, mit der das Werkzeug auf die Oberfläche des Werkstücks gedrückt wird (FA+FK=0, siehe Fig. 1). Auch die Geschwindigkeit des Abtransports des Materialabtrags kann ein relevanter Prozessparameter sein. The examples of the invention described here relate to a device for the automated processing of surfaces. By way of example, the invention will be explained with reference to an orbital grinding machine guided by a manipulator. However, the principles underlying the invention can be easily transferred to other machines with a rotating tool for machining surfaces (eg polishing machines, belt grinders, etc.), in particular machines which have a drive with slip or whose drive has an engine characteristic according to the (rotational) speed of the tool depends on the load of the motor. A rotating tool can also be understood to mean a circulating belt, for example a grinding belt of a grinding machine. The invention is thus not limited to applications with orbital grinding machines. The quality of the surface of the machined workpiece depends on different parameters of the machining process. One of these process parameters is, for example, the rotational speed of the tool (eg a sanding pad equipped with abrasive paper or a grinding wheel) and the contact force F K between see tool and workpiece, which corresponds to an actuator force FA, with which the tool is pressed onto the surface of the workpiece ( FA + F K = 0, see Fig. 1). The speed of removal of material removal can also be a relevant process parameter.
[0018] Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer mit Hilfe eines Manipulators 150 automatisierten Vorrichtung 100 zur voll- oder teilautomatischen Bearbeitung von Werkstücken. Eine Schleifmaschine 201 - im vorliegenden Beispiel eine Orbitalschleifmaschine - ist über einen Linearaktor 401 mechanisch mit dem Manipulator 150 gekoppelt. Der Manipulator kann beispielsweise ein Standard-Industrieroboter sein. Derartige Industrieroboter weisen üblicherweise 6 Freiheitsgrade auf und sind in der Lage, die Po- sition und die Orientierung eines sogenannten Tool-Center-Point (TCP) am Ende des Roboterarmes einzustellen und sich entlang einer vorgegebenen Trajektorie mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit zu bewegen. Je nach Anwendungsfall kann der Manipulator 150 auch einfacher ausgeführt sein und z.B. weniger als sechs Freiheitsgrade aufweisen. In einfachen Anwendungen kann sogar ein Freiheitsgrad genügen. Alternativ ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Schleifmaschine 201 über einen Linearaktor 401 an einem stationären (ortsfesten) Gestell gelagert ist und der Manipulator 150 das Werkstück 301 relativ zur Schleifmaschine 201 bewegt. Das Werkstück befindet sich dabei auf einer Auflage 101, die entweder ortsfest ist, oder (z.B. im Falle eines Fließbands) selbst beweglich ist. [0019] Eine einfache Positionsregelung der Schleifmaschine 201 ist jedoch im Allgemeinen für einen Schleifprozess untauglich, da mit einer Positionsregelung die Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 nicht kontrollierbar ist. Die Regelung der Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 wird mit Hilfe des Linearaktors 401 und eines Kraftreglers 410 bewerkstelligt, auf deren Funktionsweise später noch genauer eingegangen wird. [0020] Ein Motor 204 (z.B. ein Elektromotor) der Schleifmaschine 201 bewirkt eine Rotation des Schleifwerkzeuges 202 um eine Rotationsachse 203, wobei die Rotationsgeschwindigkeit im Allgemeinen von der Belastung (Lastmoment) des Antriebs und damit von der Kontaktkraft FK zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstückober- fläche 301a abhängt. Der Zusammenhang zwischen Lastmoment ML des Motors 204 und der Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl n) des Schleifwerkzeuges 202 hängt üblicherweise von der Motorkennlinie des Antriebs ab, wobei für die weitere Diskussion eine Proportionalität zwischen Kontaktkraft FK und Lastmoment ML des Motors 204 angenommen wird. Im Fall einer Orbitalschleifmaschine führt das Schleifwerkzeug 202 des Weiteren eine Oszillationsbewegung um die Rotationsachse 203 (oder eine andere zur Achse 203 parallel liegende Rotationsachse) aus, wobei die Oszillationsbewegung der Rotationbewegung überlagert ist. Für den Schleifprozess ist vor allem die Oszillationsbewegung verantwortlich, wohingegen die Rotationsbewegung einen gleichmäßigen Verschleiß des Schleifwerkzeugs und den Abtransport des Materialabtrags bewirkt. [0021] Wie bereits erwähnt kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft FK zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 mit Hilfe des Linearaktors 401 und einer Kraftregelung so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft FK einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft FK ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft FA (- FK=FA im quasistationären Zustand), mit der der Linearaktor 401 auf die Werkstück- Oberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werkstück 301 und Werkzeug 202 fährt der Aktor aufgrund der fehlenden Kontaktkraft FK gegen einen Endanschlag und drückt gegen diesen mit entsprechende der eingestellten Soll-Kraft. Die Positionsregelung des Manipulators 150 kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung des Linearaktors 401 arbeiten. Der Linearaktor 401 ist nicht verantwortlich für die Positionie- rung der Schleifmaschine 201, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft FK. Der Linearaktor kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneumatikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylinder und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Betracht. [0022] Im vorliegenden Beispiel ist die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils 406, eines Reglers 410 und einen Druckluftspeicher 405 realisiert. Der Druckluftspeicher 405 kann auch durch einen Kompressor ersetzt werden. Das Regelventil 406 ist dazu ausgebildet, die Luftzufuhr zum Aktor 401 zu steuern. Der Regler 410 steuert abhängig von einem die Kontaktkraft FK repräsentierenden Messwert das Ventil 406 derart an, dass die Aktorkraft FA einem Sollwert entspricht. Der die Kontaktkraft FK (und damit die Aktorkraft FA) repräsentierende Messwert kann z.B. über einen Kraftsensor (z.B. eine Kraftmessdose, load cell) ermittelt werden, wobei, im Falle eines pneumatischen Aktors, ein mit dem Aktor verbundener Drucksensor als Krafts- ensor dienen kann; der Druck im Aktor 401 ist ebenso eine Messgröße für die Aktorkraft FA und damit für die Konktaktkraft FK. Der Regler 410 kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwischen Werkstück 301 und Werkzeug 202 zu erkennen und abhängig davon, ob Kontakt besteht, den Sollwert für die Kraftregelung anzupassen. Beispielsweise kann der Sollwert auf sehr kleine Kraftwerte (annähernd null Newton) gesetzt werden, wenn kein Kontakt besteht, und erst nach Kontakterkennung langsam auf einen Nennwert erhöht werden. Die Kraftregelung ist jedoch als solche bekannt und wird daher nicht weiter erläutert. Zur Kontakterkennung kann z.B. ein Wegsensor (dis- placement sensor) verwendet werden, mit dessen Hilfe detektiert werden kann, ob der Linearaktor 401 sich am Endanschlag befindet. [0023] Trotz der erwähnten Regelung der Aktorkraft FA (und damit der Kontaktkraft FK) kann die Kontaktkraft schwanken. Derartige Schwankungen können einerseits durch externe Störkräfte verursacht werden, und andererseits ändert sich die Kontaktkraft FK vom Zeitpunkt des Kontakts zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 bis zum Erreichen einer Soll-Kontaktkraft. Beim Lösen des Kontakts zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 fällt die Kontaktkraft auf Null. Der Kraftregler 410 kann auch dazu ausgebildet sein, einen Kontakt zwischen Werkzeug 202 und Werkstück 301 zu erkennen und dann den Sollwert für die Kraftregelung langsam von einer vorgebbaren Minimal-Kontaktkraft (z.B. Null) auf die erwähnte Soll-Kontaktkraft zu erhöhen. Mit jeder Änderung der Kontaktkraft FK ist eine Änderung des Lastmoments des Antriebs der Schleifmaschine 201 und folglich auch eine Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 202 verbunden (entsprechend der Motorkennlinie). Wie bereits erwähnt können sich Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit negativ auf das Bearbeitungsergebnis auswirken. Eine Möglichkeit, derartige Schwankungen zu verhindern ist die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Werkzeuges 202 auf einen konstanten Wert mit Hilfe eines Regelkreises. In diesem Fall ist jedoch die Messung der Rotationsgeschwindigkeit nötig, was zusätzlichen Aufwand verursacht. Figure 1 shows an embodiment of an automated using a manipulator 150 device 100 for fully or partially automatic machining of workpieces. A grinding machine 201 - in the present example an orbital grinding machine - is mechanically coupled to the manipulator 150 via a linear actuator 401. The manipulator may be, for example, a standard industrial robot. Such industrial robots usually have 6 degrees of freedom and are able to set the position and orientation of a so-called tool center point (TCP) at the end of the robot arm and to move along a predetermined trajectory at a predeterminable speed. Depending on the application, the manipulator 150 can also be made simpler and, for example, have less than six degrees of freedom. In simple applications, even one degree of freedom can suffice. Alternatively, an arrangement is also possible in which the grinding machine 201 is mounted via a linear actuator 401 on a stationary (fixed) frame and the manipulator 150 moves the workpiece 301 relative to the grinding machine 201. The workpiece is located on a support 101, which is either stationary, or (eg in the case of a conveyor belt) is itself movable. However, a simple position control of the grinding machine 201 is generally unsuitable for a grinding process, since with a position control, the contact force F K between the grinding tool 202 and workpiece 301 is not controllable. The regulation of the contact force F K between the grinding tool 202 and the workpiece 301 is accomplished by means of the linear actuator 401 and a force regulator 410, whose operation will be discussed in more detail later. A motor 204 (eg, an electric motor) of the grinding machine 201 causes a rotation of the grinding tool 202 about an axis of rotation 203, the rotational speed generally of the load (load torque) of the drive and thus the contact force F K between the grinding tool 202 and workpiece top - Area 301a depends. The relationship between the load torque M L of the motor 204 and the rotational speed (rotational speed n) of the grinding tool 202 usually depends on the engine characteristic of the drive, with a proportionality between the contact force F K and load torque M L of the motor 204 being assumed for the further discussion. In the case of an orbital grinding machine, the grinding tool 202 further performs an oscillatory motion about the rotation axis 203 (or another axis of rotation parallel to the axis 203), the oscillation motion being superimposed on the rotation motion. For the grinding process, in particular, the oscillation movement is responsible, whereas the rotational movement causes a uniform wear of the grinding tool and the removal of the material removal. As already mentioned, during the grinding process, the contact force F K between the tool 202 and the workpiece 301 can be adjusted by means of the linear actuator 401 and a force control such that the contact force F K corresponds to a predefinable desired value. The contact force F K is a reaction to the actuator force FA (- F K = FA in quasi-stationary state), with which the linear actuator 401 presses on the workpiece surface. In the absence of contact between workpiece 301 and tool 202, the actuator moves due to the lack of contact force F K against an end stop and presses against this with the corresponding set target force. The position control of the manipulator 150 can operate completely independently of the force control of the linear actuator 401. The linear actuator 401 is not responsible for the positioning of the grinding machine 201, but only for setting and maintaining the desired contact force F K. The linear actuator can be a pneumatic actuator, eg a double-acting pneumatic cylinder. However, other pneumatic actuators are applicable such as bellows cylinder and air muscle. As an alternative, electrical direct drives (gearless) come into consideration. In the present example, the force control is realized in a conventional manner with the aid of a control valve 406, a regulator 410 and a compressed air reservoir 405. The compressed air reservoir 405 can also be replaced by a compressor. The control valve 406 is configured to control the air supply to the actuator 401. The controller 410 controls the valve 406 depending on a measurement value representing the contact force FK such that the actuator force FA corresponds to a desired value. The measured value representing the contact force FK (and thus the actuator force FA) can be determined, for example, via a force sensor (eg a load cell, load cell), in which case a pressure sensor connected to the actuator can serve as a force sensor in the case of a pneumatic actuator; the pressure in the actuator 401 is also a measured variable for the actuator force FA and thus for the contact force FK. The controller 410 may also be configured to detect a contact between the workpiece 301 and the tool 202 and, depending on whether there is contact, to adjust the setpoint for the force control. For example, the set point may be set to very small force values (approximately zero Newton) when not in contact, and slowly increased to a nominal value after contact detection. However, the force control is known as such and will therefore not be explained further. For contact detection, for example, a displacement sensor (disposition sensor) can be used, with the aid of which it can be detected whether the linear actuator 401 is located at the end stop. Despite the aforementioned regulation of the actuator force FA (and thus the contact force FK), the contact force can fluctuate. Such fluctuations can be caused on the one hand by external disturbance forces, and on the other hand, the contact force FK changes from the time of contact between the tool 202 and workpiece 301 until reaching a desired contact force. When releasing the contact between the tool 202 and workpiece 301, the contact force drops to zero. The force regulator 410 may also be designed to detect a contact between the tool 202 and the workpiece 301 and then slowly increase the setpoint for the force control from a predeterminable minimum contact force (eg zero) to the mentioned desired contact force. With each change in the contact force FK is a change in the load torque of the drive the grinding machine 201 and consequently also a change in the rotational speed of the tool 202 connected (corresponding to the motor characteristic). As already mentioned, fluctuations in the rotational speed can have a negative effect on the processing result. One way to prevent such fluctuations is the control of the rotational speed of the tool 202 to a constant value by means of a control loop. In this case, however, the measurement of the rotation speed is necessary, which causes additional expense.
[0024] In der Folge wird beschrieben, wie mit einer einfachen Steuerung (ohne Messung und Rückkopplung der Rotationsgeschwindigkeit) die Drehzahl des Schleif - Werkzeugs 202 trotz Schwankungen der Kontaktkraft FK annähernd konstant gehalten werden kann. Der Linearaktor 401 umfasst eine Vorrichtung zur Messung der Aktorkraft FA, welche für die Kraftregelung ohnehin benötigt wird. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Vorrichtung zur Messung der Aktorkraft FA ein einfacher Drucksensor sein, welcher den Druck p im pneumatischen Aktor (z.B. den Druck im Pneumatikzylinder) misst. Dieser Druck kann in einer Weise in die Kraft FA umgerechnet werden (im Falle eines Pneumatikzylinders gilt: FA=P- A, wobei A die effektive Querschnittsfläche des Zylinders ist). Abhängig von dem die Aktorkraft FA repräsentierenden Messwert (z.B. Druck p) kann nun unter Berücksichtigung der Motorkennlinie des Motors der Schleifmaschine 201 die Ansteuerung des Motors so verändert werden, dass eine Änderung der Drehzahl des Antriebs aufgrund einer Änderung der Aktorkraft FA durch eine entsprechende Änderung der Ansteuerung des Motors (z.B. Änderung der Ankerspannung UA, Änderung des Erregerfeldes) zumindest teilweise kompensiert wird. Es handelt sich dabei um eine Steuerung der Motordrehzahl ohne Rückkopplung der gesteuerten Größe (Drehzahl), da die Aktorkraft FA oder der Druck p im Aktor 401 keine die Drehzahl repräsentierenden Messwerte sind. Die tatsächliche Drehzahl des Motors der Schleifmaschine hängt nämlich noch von weiteren Parametern ab wie z.B. der Reibung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückoberfläche und damit auch von der Beschaffenheit des Werkstücks und des Schleifwerkzeugs. [0025] Die Steuerung der Drehzahl des Motors der Schleifmaschine 201 wird anhand der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie näher erläutert. Die Kennlinie ist nur als Beispiel zu verstehen und kann je nach verwendetem Motortyp auch anders aussehen. Das Lastmoment ML wird als proportional zur Aktorkraft FA angenommen (mit nicht genau bekanntem Proportionalitätsfaktor), welche - im Falle eines pneumatischen Aktors - direkt vom Druck p abhängt. Im vorliegenden Beispiel wird von einer Nebenschlussmaschine ausgegangen, bei der die Drehzahl n abhängig vom Lastmoment ML (und damit auch abhängig von der Kraft FA) annähernd linear abnimmt. Die in Fig. 2 dargestellte Kennlinie gilt für eine Ankerspannung UA=UAO- Bei einer (Soll-) Aktorkraft FA=FO dreht sich der Anker des Motors und damit das Schleifwerkzeig 202 mit einer (Soll-)In the following it is described how with a simple control (without measurement and feedback of the rotational speed), the rotational speed of the grinding tool 202 can be kept approximately constant despite fluctuations in the contact force F K. The linear actuator 401 comprises a device for measuring the actuator force FA, which is needed anyway for the force control. In the case of a pneumatic actuator, the device for measuring the actuator force FA may be a simple pressure sensor which measures the pressure p in the pneumatic actuator (eg the pressure in the pneumatic cylinder). This pressure can be converted into the force FA in a manner (in the case of a pneumatic cylinder: FA = P-A, where A is the effective cross-sectional area of the cylinder). Depending on the measurement force representing the actuator force FA (eg pressure p), the drive of the motor can now be changed taking into account the motor characteristic of the motor of the grinding machine 201 such that a change of the rotational speed of the drive due to a change of the actuator force FA by a corresponding change of the Control of the motor (eg change in the armature voltage UA, change of the exciter field) is at least partially compensated. This is a control of the engine speed without feedback of the controlled variable (speed), since the actuator force FA or the pressure p in the actuator 401 are not measured values representing the rotational speed. The actual speed of the motor of the grinding machine depends on other parameters such as the friction between the grinding tool and the workpiece surface and thus also on the nature of the workpiece and the grinding tool. The control of the rotational speed of the motor of the grinding machine 201 is explained in more detail with reference to the characteristic curve shown in Fig. 2. The characteristic curve is only to be understood as an example and may also look different depending on the type of motor used. The load torque M L is assumed to be proportional to the actuator force FA (with a not exactly known proportionality factor), which - in the case of a pneumatic actuator - depends directly on the pressure p. In the present example, a shunt machine is assumed in which the rotational speed n decreases approximately linearly, depending on the load torque M L (and thus also on the force FA). The characteristic curve shown in FIG. 2 applies to an armature voltage UA = UAO. In the case of a (nominal) actuator force FA = FO, the armature of the motor and thus the grinding tool index 202 rotate with a (nominal)
Drehzahl n=no (Arbeitspunkt Po). Steigt die Aktorkraft FA auf einen Wert Fi (Fi>Fo) an, so würde (ohne Steuerung) die Drehzahl n auf einen Wert m (m<no) absinken (Arbeitspunkt Pi). Um diesen Effekt zu kompensieren kann die Steuereinheit 402 z.B. die Ankerspannung UA am Motor vom ursprünglichen Wert UAO auf den Wert UAI erhöhen, wodurch die Motorkennline zu höheren Drehzahlen hin parallel verschoben wird (siehe Fig. 3). Die Ankerspannung UAI (UAI>UAO) ist gerade so hoch, dass die Motordrehzahl bei einer Aktorkraft FA=FI wieder der ursprünglichen Soll-Drehzahl no entspricht (Arbeitspunkt P2). Diese Situation ist in Fig. 3 dargestellt. Speed n = no (operating point Po). If the actuator force FA increases to a value Fi (Fi> Fo), the speed n would decrease (without control) to a value m (m <no) (operating point Pi). To compensate for this effect, the control unit 402 may, for example, increase the armature voltage UA at the motor from the original value UAO to the value UAI, whereby the motor characteristic is shifted parallel to higher rotational speeds (see FIG. 3). The armature voltage UAI (UAI> UAO) is just high enough that the motor speed at an actuator force FA = FI again the original target speed no corresponds (operating point P 2 ). This situation is shown in FIG.
[0026] Die erwähnte Kennlinienverschiebung kann je nach Typ des Motors auch anders erreicht werden, z.B. durch eine Schwächung des Erregerfeldes, durch Veränderung des Ankerwiderstandes, etc. Im Allgemeinen wird die Drehzahl/Drehmomenten- Kennlinie abhängig von einem die Kontaktkraft FK repräsentierenden Messwert (z.B. Aktorkraft FA oder Druck p) derart beeinflusst, dass eine Veränderung der Drehzahl n aufgrund einer Veränderung der Kontaktkraft FK zumindest teilweise kompensiert wird. Bei fehlendem Kontakt zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 ist der die Kontaktkraft FK repräsentierende Messwert null, und der Aktor 402 drückt gegen einen Endanschlag. Sobald ein Kontakt zwischen Schleifwerkzeug 202 und Werkstück 301 (z.B. aufgrund der Veränderung der Auslenkung des Aktors) erkannt wird, ist die Aktorkraft FA (Z.B. gemessen über den Druck p) ein Messwert für die Kontaktkraft FK (- FK=FA). Da keine Drehzahlregelung (mit Rückkopplung eines Drehzahl-Messwerts) stattfindet, können Schwankungen der Drehzahl nicht ausgeregelt werden, aufgrund der kraftabhängigen Ansteuerungen können größere Drehzahlschwankungen aufgrund von (gewollten und vom Kraftregler bewirkten) Änderungen der Aktorkraft FA auf einfache Weise verringert werden. The mentioned characteristic shift can also be achieved differently depending on the type of motor, for example by a weakening of the excitation field, by changing the armature resistance, etc. In general, the speed / torque characteristic is dependent on a contact force F K representing the measured value ( For example, actuator force FA or pressure p) influenced such that a change in the rotational speed n due to a change in the contact force F K is at least partially compensated. In the absence of contact between the grinding tool 202 and the workpiece 301, the measured value representing the contact force F K is zero, and the actuator 402 presses against an end stop. As soon as a contact between the grinding tool 202 and the workpiece 301 is detected (eg due to the change in the deflection of the actuator), the actuator force FA (ZB measured via the pressure p) is a measured value for the contact force F K (-f K = FA). Because no speed control (with feedback of a speed measurement) takes place, fluctuations in the speed can not be compensated, due to the force-dependent actuations larger speed fluctuations due to (intentional and caused by the force controller) changes in the actuator force FA can be easily reduced.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (100) zur automatisierten Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks (301), die folgendes aufweist: A device (100) for automated surface machining of a workpiece (301), comprising:
eine Bearbeitungsmaschine (201) mit einem rotierenden Werkzeug (202), welches von einem Motor (204) angetrieben ist;  a processing machine (201) having a rotary tool (202) driven by a motor (204);
einen Linearaktor (401) zum Erzeugen einer Kontaktkraft (FK) zwischen Werkzeug (202) und Werkstück (301); a linear actuator (401) for generating a contact force (F K ) between the tool (202) and the workpiece (301);
eine Vorrichtung zum direkten oder indirekten Messen der Kontaktkraft (FK); und eine Steuereinheit (402), welche dazu ausgebildet ist, den Motor (204) abhängig von einem die Kontaktkraft (FK) repräsentierenden Messwert (FA, p) anzusteuern. a device for directly or indirectly measuring the contact force (F K ); and a control unit (402) which is designed to control the motor (204) as a function of a measured value (FA, p) representing the contact force (FK).
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , die weiter aufweist: 2. Apparatus according to claim 1, further comprising:
einen Manipulator ( 150) zum Positionieren der Bearbeitungsmaschine (201) oder des Werkstücks (301) auf einer vorgebbaren Trajektorie.  a manipulator (150) for positioning the processing machine (201) or the workpiece (301) on a predeterminable trajectory.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der 3. A device according to claim 2, wherein
der Manipulator (150) über den Linearaktor (401) mechanisch mit der Bearbeitungsmaschine (201) verbunden ist und  the manipulator (150) is mechanically connected to the processing machine (201) via the linear actuator (401) and
der Manipulator (150) dazu ausgebildet ist, die Bearbeitungsmaschine (201) samt the manipulator (150) is adapted to the processing machine (201) together with
Linearaktor (401) auf einer vorgebbaren Trajektorie zu positionieren. Linear actuator (401) to position on a predetermined trajectory.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der 4. Apparatus according to claim 2, wherein
ein stationäres Gestell, an dem der Linearaktor (401) mechanisch mit der Bearbei- tungsmaschine (201) verbunden ist, und bei der  a stationary frame, on which the linear actuator (401) is mechanically connected to the processing machine (201), and in which
der Manipulator (150) dazu ausgebildet ist, das Werkstück auf einer vorgebbaren Trajektorie zu positionieren.  the manipulator (150) is designed to position the workpiece on a predeterminable trajectory.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die weiter aufweist: 5. Apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising:
eine Kraftregeleinheit (410), die dazu ausgebildet ist, die Aktorkraft (FA) SO ZU regeln, dass diese einem vorgebbaren Sollwert entspricht. a force control unit (410) which is designed to regulate the actuator force (FA) SO such that it corresponds to a predefinable desired value.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Kraftregeleinheit (410) dazu ausgebildet ist, zu detektieren, ob ein Kontakt zwischen Werkstück (301) und Werkzeug (201) besteht, und wobei der Sollwert von einem Minimalwert auf einen Nennwert erhöht wird, wenn ein Kontakt zwischen Werkstück (301) und Werkzeug (201) detektiert wird. 6. Apparatus according to claim 5, wherein the force control unit (410) is adapted to detect whether there is a contact between the workpiece (301) and tool (201), and wherein the setpoint is increased from a minimum value to a nominal value, if a Contact between workpiece (301) and tool (201) is detected.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der 7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein
der Motor (204) eine Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie aufweist und die Steuereinheit (402) dazu ausgebildet ist, abhängig von dem die Kontaktkraft the motor (204) has a speed / torque characteristic, and the control unit (402) is adapted to, depending on the contact force
(FK) repräsentierenden Messwert (FA, p) die Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie des(FK) representing measured value (FA, p) the speed / torque characteristic of the
Motors (204) zu verändern. Motors (204) to change.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, 8. Apparatus according to claim 7,
wobei die Drehzahl/Drehmomenten-Kennlinie des Motors (204) derart angepasst wird, dass eine durch eine Änderung der Kontaktkraft (FK) verursachte Drehzahländerung des Motors zumindest teilweise kompensiert wird. wherein the speed / torque characteristic of the motor (204) is adjusted so that a caused by a change in the contact force (F K ) speed change of the motor is at least partially compensated.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der 9. Device according to one of claims 1 to 8, wherein
der Linearaktor (401) ein pneumatischer Aktor ist und  the linear actuator (401) is a pneumatic actuator and
die Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft (FK) einen Drucksensor zum Messen des Drucks (p) in dem pneumatischen Aktor aufweist, the device for measuring the contact force (F K ) has a pressure sensor for measuring the pressure (p) in the pneumatic actuator,
wobei der die Kontaktkraft (FK) repräsentierende Messwert vom Druck (p) in dem pneumatischen Aktor abhängt. wherein the measured value representing the contact force (F K ) depends on the pressure (p) in the pneumatic actuator.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Vorrichtung zum Messen der Kontaktkraft (FK) ein Signal zugeführt ist, welches anzeigt, ob Kontakt zwischen Werkzeug (202) und Werkstück (301) besteht, und wobei der Kontaktkraft (FK) repräsentierende Messwert Null ist, wenn kein Kontakt zwischen Werkzeug (202) und Werkstück (301) besteht. 10. The device according to claim 9, wherein the device for measuring the contact force (F K ) is supplied with a signal indicating whether contact between the tool (202) and the workpiece (301) consists, and wherein the contact force (F K ) representing measured value Zero is when there is no contact between tool (202) and workpiece (301).
11. Verfahren zur automatisierten Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks (301), das Verfahren umfasst folgendes: 11. A method of automated surface machining of a workpiece (301), the method comprising:
Erzeugen einer Kontaktkraft (FK) zwischen einem rotierenden Werkzeug (202) und einem Werkstück (301) mit Hilfe eines Linearaktors (401); Generating a contact force (F K ) between a rotating tool (202) and a workpiece (301) by means of a linear actuator (401);
Messen der Kontaktkraft (FK) zwischen dem rotierenden Werkzeug (202) und dem Werkstück (301); Measuring the contact force (F K ) between the rotary tool (202) and the workpiece (301);
Ansteuern eines das Werkzeug (202) antreibenden Motors (204) abhängig von einem die Kontaktkraft (FK) repräsentierenden Messwert (FA, p), um eine Drehzahl des Werkzeugs (202) abhängig von der Kontaktkraft (FK) einzustellen. Driving a motor (204) driving the tool (202) in dependence on a measured value (FA, p) representing the contact force (FK) in order to set a rotational speed of the tool (202) in dependence on the contact force (F K ).
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, das weiter aufweist: 12. The method of claim 11, further comprising:
Positionieren der Bearbeitungsmaschine (201) samt Linearaktor (401) oder des Werkstücks (301) auf einer vorgebbaren Trajektorie mit Hilfe eines Manipulators.  Positioning of the processing machine (201) together with linear actuator (401) or the workpiece (301) on a predetermined trajectory by means of a manipulator.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, 13. The method according to claim 11 or 12,
wobei der Linearaktor (401) ein pneumatischer Aktor ist und  wherein the linear actuator (401) is a pneumatic actuator and
wobei das Messen der Kontaktkraft (FK) das Messen des Drucks (p) im pneumatischen Aktor umfasst. wherein measuring the contact force (F K ) comprises measuring the pressure (p) in the pneumatic actuator.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, 14. The method according to any one of claims 11 to 13,
wobei der Linearaktor (401) direkt auf das rotierenden Werkzeug (202) wirkt.  wherein the linear actuator (401) acts directly on the rotating tool (202).
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das weiter aufweist: 15. The method according to any one of claims 11 to 14, further comprising:
Regeln einer vom Linearaktor (401) bewirkten Aktorkraft (FA), sodass die Kontaktkraft (FK) einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Controlling an actuator force (FA) effected by the linear actuator (401) such that the contact force (F K ) corresponds to a predefinable setpoint value.
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