TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schleifmaschine zum robotergestützten Schleifen sowie ein robotergestütztes Verfahren zum Schleifen von Werkstückoberflächen.

HINTERGRUND

[0002] Bei robotergestützten Schleifvorrichtungen wird eine Schleifmaschine (z.B. eine elektrisch betriebene Schleifmaschine mit rotierender Schleifscheibe als Schleifwerkzeug) von einem Manipulator, beispielsweise einem Industrieroboter, geführt. Dabei kann die Schleifmaschine auf unterschiedliche Weise mit dem sogenannten TCP ( Tool Center Point ) des Manipulators gekoppelt sein, sodass der Manipulator Position und Orientierung der Maschine praktisch beliebig einstellen kann. Industrieroboter sind üblicherweise positi onsgeregelt, was eine präzise Bewegung des TCP entlang einer gewünschten Trajektorie ermöglicht. Um beim robotergestützten Schleifen ein gutes Ergebnis zu erzielen ist in vie- len Anwendungen eine Regelung der Prozesskraft (Schleifkraft) nötig, was mit herkömmli chen Industrierobotern oft nur schwer mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren ist. Die großen und schweren Armsegmente eines Industrieroboters besitzen eine zu große Massen trägheit, als das ein Regler ( closed-loop Controller ) rasch genug auf Schwankungen der Prozesskraft reagieren zu könnte. Um dieses Problem zu lösen, kann zwischen TCP des Manipulators und der Schleifmaschine ein im Vergleich zum Industrieroboter kleiner Line araktor angeordnet sein, der den TCP des Manipulators mit der Schleifmaschine koppelt. Der Linearaktor regelt während des Schleifens lediglich die Prozesskraft (also die Anpress kraft zwischen Schleifwerkzeug/Schleifscheibe und Werkstück) während der Manipulator die Schleifmaschine samt Linearaktor (und damit das Schleifwerkzeug) positionsgeregelt entlang einer vorgebbaren Trajektorie bewegt.

[0003] Lür die Bearbeitung von Oberflächen können Orbital- oder Exzenterschleifma- schinen verwendet werden. Dabei ist die Schleifmaschine bereits eingeschaltet (d.h. die Schleifscheibe rotiert) wenn die Schleifscheibe die zu bearbeitende Oberfläche kontaktiert. Dabei kann das Problem auftreten, dass beim Kontaktieren der zu bearbeitenden Oberflä che mit Hilfe des Roboters Kratzer oder Riefen verursacht werden. Ein menschlicher Fach arbeiter kann derartige unerwünschte Effekte vermeiden, indem er die Schleifmaschine be sonders sanft auf die Oberfläche aufsetzt, was bei robotergestützten Verfahren nicht immer in ausreichendem Maße möglich ist.

[0004] Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte Schleifvorrich tung für robotergestütztes Schleifen zu entwickeln.

ZUSAMMENFASSUNG

[0005] Die oben genannte Aufgabe wird durch die Schleifvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsfor men und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0006] Im Folgenden wird eine Schleifvorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche be schrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Schleifvorrichtung eine mit einem Manipulator gekoppelte Schleifmaschine mit einem Motor und einem von dem Motor an getriebenen Schleifwerkzeug sowie eine Steuerung auf. Diese ist dazu ausgebildet die Schleifmaschine anzusteuem, um die Drehzahl des Schleifwerkzeugs einzustellen, mittels des Manipulators die Schleifmaschine zu positionieren, um die Oberfläche mit dem

Schleifwerkzeug zu kontaktieren, während die Schleifmaschine mit einer ersten Drehzahl betrieben wird, und einen Kontakt zwischen Schleifwerkzeug und der Oberfläche zu detek- tieren. Als Reaktion auf die Detektion eines Kontakts wird die Drehzahl des Schleifwerk zeugs von der ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl erhöht.

[0007] Des Weiteren wird ein Verfahren zum automatisierten Schleifen von Oberflächen beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das roboterge stützte Positionieren einer Schleifmaschine mit einem Schleifwerkzeug, sodass das Schleif werkzeug die Oberfläche kontaktiert, während die Schleifmaschine mit einer ersten Dreh zahl betrieben wird, sowie das Detektieren des Kontakts zwischen Schleifwerkzeug und der Oberfläche. Das Verfahren umfasst weiter - als Reaktion auf die Detektion des Kon takts - das Erhöhen der Drehzahl des Schleifwerkzeugs von der ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl. KURZE BESCHREBIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[000S] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestell- ten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

[0009] Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer robotergestützten Schleifvorrichtung.

[0010] Figur 2 zeigt anhand eines Diagramms die Steuerung der Drehzahl des Schleif werkzeugs als Reaktion auf eine Detektion eines Kontakts zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück.

[0011] Figur 3 zeigt anhand eines Diagramms die Regelung der Kontaktkraft und die Steuerung der Drehzahl des Schleifwerkzeugs als Reaktion auf eine Detektion eines Kon takts zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück.

[0012] Figur 4 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum robotergestützten Schleifen.

DETAIEEIERTE BESCHREIBUNG

[0013] Bevor verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert werden, wird zunächst ein Beispiel einer robotergestützten SchleifVorrichtung be- schrieben. Diese umfasst einen Manipulator 1 , beispielsweise einen Industrieroboter und eine Schleifmaschine 10 mit rotierendem Schleifwerkzeug (z.B. eine Orbitalschleifma schine), wobei dieses mit dem sogenannten Tool-Center-Point (TCP) des Manipulators 1 über einen Finearaktor 20 gekoppelt ist. Im Falle eines Industrieroboters mit sechs Frei heitsgraden kann der Manipulator aus vier Segmenten 2a, 2b, 2c und 2d aufgebaut sein, die jeweils über Gelenke 3a, 3b und 3c verbunden sind. Das erste Segment ist dabei meist starr mit einem Fundament 41 verbunden (was jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein muss). Das Gelenk 3c verbindet die Segmente 2c und 2d. Das Gelenk 3c kann 2-achsig sein und eine Drehung des Segments 2c um eine horizontale Drehachse (Elevationswinkel) und eine vertikale Drehachse (Azimutwinkel) ermöglichen. Das Gelenk 3b verbindet die Segmente 2b und 2c und ermöglicht eine Schwenkbewegung des Segments 2b relativ zur Fage des Segments 2c. Das Gelenk 3a verbindet die Segmente 2a und 2b. Das Gelenk 3a kann 2- achsig sein und daher (ähnlich wie das Gelenk 3c) eine Schwenkbewegung in zwei Rich tungen ermöglichen. Der TCP hat eine feste Relativposition zum Segment 2a, wobei dieses üblicherweise noch ein Drehgelenk (nicht dargestellt) umfasst, dass eine Drehbewegung um eine Längsachse A des Segments 2a ermöglicht (in Fig. 1 als strichpunktierte Line ein gezeichnet, entspricht der Drehachse des Schleifwerkzeugs). Jeder Achse eines Gelenks ist ein Aktor zugeordnet, der eine Drehbewegung um die jeweilige Gelenksachse bewirken kann. Die Aktoren in den Gelenken werden von einer Robotersteuerung 4 gemäß einem Roboterprogramm angesteuert. Verschiedene Industrieroboter/Manipulatoren und dazuge hörige Steuerungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert.

[0014] Der Manipulator 1 ist üblicherweise positionsgeregelt, d.h. die Robotersteuerung kann die Pose (Ort und Orientierung) des TCP festlegen und diesen entlang einer vordefi nierten Trajektorie bewegen. In Fig. 1 ist die Längsachse des Segments 2a, auf der der TCP liegt mit A bezeichnet. Wenn der Aktor 20 an einem Endanschlag anliegt, ist mit der Pose des TCP auch die Pose des Schleifwerkzeugs definiert. Wie eingangs bereits erwähnt, dient der Aktor 20 dazu, während des Schleifprozesses die Kontaktkraft (Prozesskraft) zwischen Werkzeug und Werkstück 40 auf einen gewünschten Wert einzustellen. Eine direkte Kraft regelung durch den Manipulator 1 ist für Schleifanwendungen in der Regel zu ungenau, da durch die hohe Massenträgheit der Segmente 2a-c des Manipulators 1 eine schnelle Kom pensation von Kraftspitzen (z.B. beim Aufsetzen des Schleifwerkzeugs auf das Werkstück 40) mit herkömmlichen Manipulatoren praktisch nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist die Robotersteuerung dazu ausgebildet, die Pose (Position und Orientierung) des TCP des Manipulators 1 zu regeln, während die Kraftregelung ausschließlich vom Aktor 20 bewerk stelligt wird.

[0015] Wie bereits erwähnt, kann während des Schleifprozesses die Kontaktkraft FK (auch als Prozesskraft bezeichnet) zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 mit Hilfe des (Linear-) Aktors 20 und einer Kraftregelung (die beispielsweise in der Steuerung 4 im plementiert sein kann) so eingestellt werden, dass die Kontaktkraft FK (in Richtung der Längsachse A) zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück 40 einem vorgebbaren Sollwert entspricht. Die Kontaktkraft ist dabei eine Reaktion auf die Aktorkraft, mit der der Linea raktor 20 auf die Werkstückoberfläche drückt. Bei fehlendem Kontakt zwischen Werk stück 40 und Werkzeug fährt der Aktor 20 aufgrund der fehlenden Kontaktkraft am Werk stück 40 gegen einen Endanschlag (nicht dargestellt da im Aktor 20 integriert) und drückt mit einer definierten Kraft gegen diesen. In dieser Situation (kein Kontakt) ist die Akto- rauslenkung daher maximal und der Aktor befindet sich in einer Endposition. Die Positi- onsregelung des Manipulators 1 (die ebenfalls in der Steuerung 4 implementiert sein kann) kann vollkommen unabhängig von der Kraftregelung des Aktors 20 arbeiten. Der Aktor 20 ist nicht verantwortlich für die Positionierung der Schleifmaschine 10, sondern lediglich für das Einstellen und Aufrechterhalten der erwünschten Kontaktkraft FK während des Schleifprozesses und zur Erkennung von Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Ein Kontakt kann z.B. in einfacher Weise dadurch erkannt werden, dass der Aktor sich aus der Endposition herausbewegt hat (Aktorauslenkung a ist kleiner als die maximale Auslenkung aMAx).

[0016] Der Aktor kann ein pneumatischer Aktor sein, z.B. ein doppeltwirkender Pneuma tikzylinder. Jedoch sind auch andere pneumatische Aktoren anwendbar wie z.B. Balgzylin der und Luftmuskel. Als Alternative kommen auch elektrische Direktantriebe (getriebelos) in Betracht. Es sei angemerkt, dass die Wirkrichtung des Aktors 20 nicht notwendiger weise mit der Längsachse A des Segments 2a des Manipulators zusammenfallen muss. Im Falle eines pneumatischen Aktors kann die Kraftregelung in an sich bekannter Weise mit Hilfe eines Regelventils, eines Reglers (implementiert in der Steuerung 4) und eines Druckluftspeichers realisiert werden. Die konkrete Implementierung ist jedoch für die wei tere Erläuterung nicht wichtig und wird daher auch nicht detaillierter beschrieben. Schleif maschinen weisen in der Regel eine Absaugung auf, um Schleifstaub abzusaugen. In Fig. 1 ist ein Anschluss 15 für einen Schlauch einer Absaugvorrichtung dargestellt.

[0017] Die Schleifmaschine 10 hat üblicherweise einen Elektromotor, der die Schleif scheibe 11 antreibt. Bei einer Orbitalschleifmachine ist die Schleifscheibe 11 an einer Trä gerplatte montiert, die wiederum mit der Motorwelle des Elektromotors verbunden ist. Als Elektromotoren kommen Asynchronmotoren oder Synchronmotoren in Betracht. Syn chronmotoren haben den Vorteil, dass sich die Drehzahl nicht mit der Belastung ändert (sondern lediglich der Schlupfwinkel), wohingegen bei Asynchronmaschinen die Drehzahl bei steigender Belastung sinkt. Die Belastung des Motors ist dabei im Wesentlichen pro portional zur Kontaktkraft FK und der Reibung zwischen der Schleifscheibe 11 und der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 40. [0018] Die hier beschriebenen Konzepte können auch bei Schleifmaschinen mit pneuma tischem Motor (Druckluftmotor) angewendet werden. Mit Druckluft betriebene Schleifma schinen können relativ kompakt gebaut werden, da Druckluftmotoren in der Regel ein ge ringes Leistungsgewicht aufweisen. Eine Drehzahlregelung ist mittels eines (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuertes) Druckregelventils einfach möglich (zusätzlich oder alternativ auch mittels einer Drossel), wohingegen bei Synchron- und Asynchronmotoren (z.B. von der Steuerung 4 elektrisch angesteuerte) Frequenzumrichter für die Drehzahlsteu erung benötigt werden.

[0019] Um das Kontaktieren der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche mit der Schleif scheibe (d.h. den Kontaktvorgang)„sanfter“ zu gestalten, kann der Motor der Schleifma schine 10 zuerst (vor dem Kontakt) mit einer ersten, niedrigeren Drehzahl no betrieben werden. Daraufhin positioniert der Manipulator die Schleifmaschine über der zu bearbei tenden Oberfläche und bewegt die Schleifmaschine zur Oberfläche hin, bis die Schleif scheibe 11 die Oberfläche kontaktiert (siehe Fig. 1). Sobald die Steuerung einen Kontakt erkannt hat, wird die Drehzahl des Motors auf einen zweiten, höheren Wert m erhöht.

Nach einem Kontaktverlust (z.B. wenn der Manipulator 1 die Schleifmaschine von der Oberfläche wegbewegt), kann die Drehzahl wieder auf den Wert no reduziert werden.

Diese Situation ist in Fig. 2 dargestellt.

[0020] Der Anstiegszeit Ti der Drehzahl vom Wert no auf den Wert m kann ist durch die Dynamik der Schleifmaschine und der Drehzahlsteuerung (nach unten hin) begrenzt. Das heißt, auch wenn die Drehzahl abrupt„umgeschaltet“ wird, dauert der Anstieg der Dreh zahl von no auf m eine definierte Zeit. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Dreh zahl gemäß einem definierten vorgebbaren Verlauf von dem ersten Wert no auf den zwei ten Wert m erhöht. In diesem Fall kann die Drehzahl (mittels Drehzahlsteuerung) kontrol liert innerhalb eines definierten Zeitintervalls T i erhöht werden. In dem dargestellten Bei spiel wird die Drehzahl bei Kontaktverlust innerhalb einer Zeitspanne To wieder auf den Wert no reduziert. Die Zeitspanne ist nicht notwendigerweise gleich wie die Anstiegszeit Ti und kann z.B. größer als diese sein.

[0021] Die Diagramme aus Fig. 3 illustrieren ein Beispiel, bei dem die Steuerung 4 bei einer Kontakterkennung nicht nur mit einer Erhöhung der Drehzahl der Schleifscheibe 11 reagiert, sondern auch mit einer kontrollierten Erhöhung der Aktorkraft (vom Aktor auf die Oberfläche ausgeübte Kraft) beginnend bei einer einstellbaren Minimalkraft Fo bis auf die gewünschte Kontaktkraft FK. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird wie Aktorkraft in nerhalb einer definierten Zeitspanne TR erhöht. Der Anstieg der Aktorkraft kann linear sein, was jedoch nicht norwendigerweise der Fall sein muss. Die im ersten Diagramm der Fig. 3 gezeigte gestrichelte Line zeigt einen nichtlinearen (S-förmigen) Anstieg der Ak torkraft. Das zweite Diagramm der Fig. 3 zeigt den Anstieg der Drehzahl von no auf m, wobei die Anstiegszeit Ti kürzer sein kann als die Zeitspanne TR.

[0022] In Fig. 4 ist ein Beispiel eines Verfahrens dargestellt, das durch die hier beschrie bene Schleifvorrichtung umgesetzt werden kann. Zunächst wird eine Schleifmaschine mit Schleifwerkzeug (vgl. Fig. 1, Schleifmaschine 10, Schleifwerkzeug 11) mittels eines Mani pulators/Roboters positioniert, während die Schleifmaschine mit einer ersten Drehzahl be trieben wird (siehe Fig. 4, Schritt Sl). Dieses Positionieren kann das Bewegen der Schleif maschine entlang einer vordefinierten Trajektorie beinhalten. Während des Positioniervor ganges wird detektiert, ob das Schleifwerkzeug die Oberfläche kontaktiert (siehe Fig. 4, Schritt S2). Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Auslenkung des Aktors (vgl. Fig. 1, Aktor 20), der für die Kraftregelung verwendet wird, sich ändert. Sobald ein Kontakt detektiert wurde, wird die Drehzahl des Motors der Schleifmaschine und damit die Drehzahl des Schleifwerkzeugs ausgehend von der ersten Drehzahl erhöht (siehe Fig. 4, Schritt S2).