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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Bearbeitungsvorrichtung und das entsprechende Betriebsverfahren.
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Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Bearbeitung von Holz, Kunststoff, Glas, Glasfaserkunststoff und dergleichen, die insbesondere entwickelt und hergestellt wurde, um die Bearbeitung eines Werkstücks auf allen Seiten, auf flexible Weise und während eines kontinuierlichen Bearbeitungsvorgangs, zu ermöglichen, und dabei in jedem Fall eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erlauben.
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In der Folge wird die Erfindung mit Bezug auf die Bearbeitung von Werkstücken aus Holz beschrieben, insbesondere länglichen Werkstücken aus Holz, aber es liegt auf der Hand, dass diese Beschreibung nicht als auf diese spezifische Anwendung beschränkt anzusehen ist.
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Wie hinreichend bekannt ist, existieren gegenwärtig verschiedene Techniken zur Positionierung von Holzbearbeitungswerkzeugen für die korrekte Durchführung von Bearbeitungen. Diese sind erforderlich, um die korrekte Positionierung eines Bearbeitungswerkzeugs, wie beispielsweise eines Fräsers oder dergleichen, zu ermöglichen, damit dieses die erforderlichen Bearbeitungen ausführen und sich dabei automatisch der Werkstückoberfläche anpassen kann.
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Insbesondere auf dem Gebiet der Bearbeitung von Holzbalken, oder länglichen Werkstücken im Allgemeinen, sind diese oft durch unregelmäßige Oberflächen gekennzeichnet. Daher ist es häufig erforderlich, über Systeme zur Erkennung der Unregelmäßigkeiten der Oberfläche zu verfügen, um eine umgehende Anpassung der Position des Werkzeugs für die korrekte Bearbeitung der Werkstückoberfläche durch das Werkzeug zu ermöglichen. Tatsächlich ist es oftmals notwendig, Taschen auf den prismaförmigen Holzbalken zu fräsen. Die fehlerhafte Positionierung des Bearbeitungswerkzeugs kann zu einer nicht korrekten Tiefe der gefrästen Tasche führen, während das Werkstück mittels Spannbackensystem auf den Maschineneinrichtungen festgehalten wird.
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Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass die auf dem Markt erhältlichen Holzbalken Maßabweichungen in der Größenordnung von Millimetern aufweisen, und dass auf diesen Werkstücken Taschen anzufertigen sind, deren Tiefe relativ zu der tatsächlichen Balkenoberfläche nicht mehr als wenige Zehntel Millimeter von der Solltiefe abweichen darf.
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Da der Maschine vorab nicht die Position der tatsächlichen Oberfläche des zu bearbeitenden Balkens bekannt ist, kann das oben genannte Problem durch Messung der tatsächlichen Position der zu bearbeitenden Oberflächen gelöst werden.
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Derzeit stehen verschiedene Technologien zur Erfassung der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks zur Verfügung. Diese Technologien sind hauptsächlich in mechanische und optische Techniken zu unterteilen.
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Die mechanischen Techniken sehen Vorrichtungen vor, die auf diesem Gebiet auch als Taster bekannt sind und im Wesentlichen aus Wälzorganen, wie beispielsweise Röllchen, bestehen, die auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks gleiten können, während dieses bewegt wird, so dass, wenn aufgrund einer Unregelmäßigkeit der Werkstückoberfläche diese Wälzorgane ihre Position ändern, also angehoben oder abgesenkt werden, es dem Werkzeug ermöglicht wird, sich mittels eines geeigneten Servoantriebs oder einer Steuereinheit diesen Unregelmäßigkeiten anzupassen, um die Bearbeitung auch auf der unregelmäßigen Oberfläche korrekt ausführen zu können.
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Der Einsatz solcher Systeme ist jedoch beschränkt, da sie nicht in der Nähe des Arbeitsaggregats angeordnet werden können, mit dem die Bearbeitung auszuführen ist, so dass die Messung der Oberfläche an Positionen erfolgt, die entfernt von denen liegen, an denen die Messung erforderlich wäre. Das Problem tritt noch deutlicher bei Maschinen hervor, die mit flexiblen Schwenkköpfen ausgestattet sind (sog. 5-Achsen-Maschinen) und die typischerweise einen Hüllkreis mit größeren Abmessungen aufweisen, der zwingend die Anordnung des Sensors an noch weiter entfernten Positionen erfordert.
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Die auf optischen Systemen beruhenden Techniken sehen im Allgemeinen die Verwendung einer Laserstrahlvorrichtung vor, die einen Strahl zur Oberfläche hin aussendet. In Abhängigkeit von der Zeit, die der Strahl benötigt, um auf der Oberfläche zu diffundieren, und der Stärke des diffundierten Strahls, ist das mit dieser Vorrichtung ausgestattete System in der Lage, in Echtzeit und mit großer Genauigkeit den Abstand der zu bearbeitenden Oberfläche von einem festen Bezugspunkt zu erfassen, um dementsprechend die Position des Bearbeitungswerkzeugs anzupassen.
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Ein Beispiel für eine auf der optischen Technik basierende Bearbeitungsvorrichtung ist in der europäischen Patentschrift Nr.
EP 1038644 B1 beschrieben. In diesem Patent ist eine Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, die mit einem fest damit verbundenen Lasersender ausgestattet ist. Somit berechnet, falls es zu einer Bewegung des zu bearbeitenden Werkstücks relativ zu der Bearbeitungsvorrichtung kommt, die Lasersendervorrichtung in Echtzeit die Schwankungen im Abstand der Oberfläche, die durch eventuelle Mängel an der Oberfläche bedingt sind. Auf diese Weise stellt eine Steuerlogikeinheit die Position der Bearbeitungsvorrichtung anhand der Erfassungen der Lasersender-Vorrichtung ein.
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Ein Problem der Vorrichtungen nach dem vorbekannten Stand der Technik besteht darin, dass sie Bearbeitungen jeweils auf nur einer Werkstückoberfläche ausführen können. Aus diesem Grund sind, falls verschiedene Bearbeitungen auf verschiedenen Seiten auszuführen sind (zum Beispiel durch Fräsen oder Bohren), mehrere Durchläufe des Werkstücks erforderlich.
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Es liegt auf der Hand, dass dieses Verfahren im Hinblick sowohl auf die Bearbeitungszeiten, als auch auf wirtschaftliche Aspekte aufwändig ist.
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In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen besteht der Zweck der vorliegenden Erfindung also darin, eine Bearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die eine flexible Struktur aufweist, um die Bearbeitung des Werkstücks auf jeder beliebigen Seite während der Bewegung bzw. des Durchlaufs des Werkstücks zu ermöglichen.
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Spezifischer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Oberflächen eines zu bearbeitenden Werkstücks aus Holz, Kunststoff, Glasfaserkunststoff, Glas und dergleichen, beinhaltend einen Bearbeitungskopf, der in der Lage ist, eine Bewegung relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück entlang dreier Translationsachsen auszuführen, und der in der Lage ist, sich um eine erste Rotationsachse zu drehen, wobei der Bearbeitungskopf eine Spindelträgereinheit beinhaltet, die ausgestattet ist mit einer Spindel, wobei die Spindelträgereinheit mit dem Bearbeitungskopf drehbeweglich um eine zweite Rotationsachse drehverbunden ist, und eine Vorrichtung zur Abstandserkennung, die fest mit der Spindelträgereinheit verbunden ist und dazu dient, den Abstand der Spindelträgereinheit von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks zu erfassen.
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Ebenfalls gemäß der Erfindung kann der Bearbeitungskopf eine Gabel beinhalten und die Spindelträgereinheit mit dieser Gabel drehverbunden sein.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann die Spindelträgereinheit eine Spindel beinhalten, mit der ein Bearbeitungswerkzeug, wie beispielsweise ein Fräser, ein Bohrer oder dergleichen, verbunden ist.
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Ferner können erfindungsgemäß die erste Rotationsachse und die zweite Rotationsachse orthogonal zueinander angeordnet sein.
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Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung die Vorrichtung zur Abstandserkennung vom optischen und/oder berührungslosen Typ sein.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann die Vorrichtung zur Abstandserkennung eine Lasersender-Vorrichtung beinhalten, die dazu dient, einen Laserstrahl auszusenden, so dass dieser auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche trifft, damit der diffundierende Strahl es der Vorrichtung zur Abstandserkennung ermöglicht, den Abstand des Oberflächenpunktes des vom Laserstrahl getroffenen zu bearbeitenden Werkstücks zu erfassen.
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Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung die Vorrichtung zur Abstandserkennung optische Laufzeitsensoren und/oder Ultraschallsensoren und/oder Hall-Effekt-Sensoren und/oder Infrarotsensoren beinhalten.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann die Vorrichtung zur Abstandserkennung seitlich an der Spindelträgereinheit angekoppelt sein.
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Ferner kann erfindungsgemäß die Vorrichtung Mittel zur Bewegung des Bearbeitungskopfs entlang zweier oder dreier Translationsachsen beinhalten, und kann erste Antriebsmittel für die Drehung des Bearbeitungskopfs um die erste Rotationsachse beinhalten, und die Vorrichtung kann zweite Antriebsmittel für die Drehung der Spindelträgereinheit um die zweite Rotationsachse beinhalten.
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Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung die Vorrichtung eine Steuerlogikeinheit beinhalten, die mit der Vorrichtung zur Abstandserkennung, den Bewegungsmitteln, den ersten Antriebsmitteln und den zweiten Antriebsmitteln verbunden ist, so dass, auf Grundlage der Erfassungen der Vorrichtung zur Abstandserkennung, die Steuerlogikeinheit den Bearbeitungskopf und die Spindelträgereinheit entsprechend im Raum ausrichtet.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in einem Betriebsverfahren für eine Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks aus Holz, Kunststoff, Glasfaserkunststoff, Glas und dergleichen, umfassend folgende Schritte: (a) Bereitstellen des zu bearbeitenden Werkstücks, das einen zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt aufweist; (b) Bereitstellen eines Bearbeitungskopfs, der in der Lage ist, eine Bewegung relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück entlang dreier Translationsachsen auszuführen, und der in der Lage ist, sich um eine erste Rotationsachse zu drehen, wobei der Bearbeitungskopf eine Spindelträgereinheit beinhaltet, die ausgestattet ist mit einer Spindel, wobei die Spindelträgereinheit mit dem Bearbeitungskopf drehbeweglich um eine zweite Rotationsachse drehverbunden ist; (c) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Abstandserkennung, die fest mit der Spindelträgereinheit verbunden ist und dazu dient, den Abstand der Spindelträgereinheit von dem zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks zu erfassen; (d) Ausrichten des Bearbeitungskopfs im Raum für die Bearbeitung des Oberflächenabschnitts des Werkstücks; (e) Erfassen des Abstands der Spindelträgereinheit von dem zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks; und (f) Einstellen der Position der Spindelträgereinheit relativ zu dem zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann der Schritt des Ausrichtens die Ausrichtung des Bearbeitungskopfs mit fünf Freiheitsgraden vorsehen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann der Schritt des Ausrichtens das Verschieben des Bearbeitungskopfs entlang zumindest einer der drei Translationsachsen, die Drehung des Bearbeitungskopfs um die erste Rotationsachse und die Drehung der Spindelträgereinheit um die zweite Rotationsachse beinhalten.
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Vorteilhaft kann gemäß der Erfindung die Spindelträgereinheit eine Spindel beinhalten, mit der ein Bearbeitungswerkzeug, wie beispielsweise ein Fräser, ein Bohrer oder dergleichen, verbunden ist.
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Ferner kann erfindungsgemäß der Schritt (f) des Einstellens der Position der Spindelträgereinheit im Anschluss an die Erfassung des Abstandes der Spindelträgereinheit von einem vorbestimmten Abschnitt der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche erfolgen.
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Ebenfalls erfindungsgemäß kann der Schritt (f) des Einstellens der Position der Spindelträgereinheit erfolgen, während der Schritt des Erfassens des Abstandes der Spindelträgereinheit zu dem zu bearbeitenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks erfolgt.
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Im Folgenden ist diese Erfindung veranschaulichend, jedoch nicht einschränkend, in ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, mit besonderem Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen verbesserten Bearbeitungsvorrichtung;
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2 eine Vorderansicht der Vorrichtung von 1; und
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3 eine Unteransicht der Vorrichtung von 1.
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In den verschiedenen Figuren werden ähnliche Teile mit denselben Bezugsnummern gekennzeichnet.
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Mit Bezug auf die beigefügten Figuren ist eine Bearbeitungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Diese Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen einen Bearbeitungskopf 2, mit dem ein Bearbeitungswerkzeug 3 zur Bearbeitung eines Werkstücks P sowie eine Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 wirkverbunden sind.
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Der Bearbeitungskopf 2 beinhaltet im Wesentlichen eine Gabel 21, die in der vorliegenden Ausführungsform einen einzigen Arm aufweist, der in der Lage ist, sich mittels erster Antriebsmittel (in den Figuren nicht dargestellt) um eine erste Achse A zu drehen. Die erste Achse A ist im hier untersuchten Fall orthogonal zum Werkstück P angeordnet.
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Der Bearbeitungskopf 2 umfasst auch eine Spindelträgereinheit 22, die mit der Gabel 21 drehverbunden ist, um sich mittels zweiter Antriebsmittel (in den Figuren nicht dargestellt) um eine zweite Rotationsachse B drehen zu können, die orthogonal zu der Achse A ist. Die Spindelträgereinheit 22 beinhaltet ihrerseits eine Spindel 23.
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Das Bearbeitungswerkzeug 3, das im untersuchten Fall ein Fräser ist, aber auch ein beliebiges anderes Bearbeitungswerkzeug sein kann, ist mit der Spindel 23 der Spindelträgereinheit 22 wirkverbunden.
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Der Bearbeitungskopf 2 ist mittels geeigneter Bewegungsmittel entlang der drei kartesischen Achsen X, Y, Z beweglich (in den beigefügten Figuren ist die Y-Achse mit einem Kreis gekennzeichnet und tritt aus dem Blatt heraus).
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Somit ist der Bearbeitungskopf 2 ein Kopf mit fünf Achsen, so dass das Bearbeitungswerkzeug 3 mit 5 Freiheitsgraden ausgerichtet werden kann:
zwei Freiheitsgrade bei der Rotationsbewegung um die Rotationsachsen A und B; und
drei Freiheitsgrade bei der Translationsbewegung entlang der drei oben genannten kartesischen Achsen X, Y, Z.
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Die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 ist fest mit der Spindelträgereinheit 22 verbunden, so dass, wenn diese mit den 5 Freiheitsgraden des Bearbeitungskopfs 2 im Raum angeordnet wird, die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 im festen Verbund zusammen mit der Spindelträgereinheit 22, und damit auch mit dem Bearbeitungswerkzeug 3, im Raum bewegt wird.
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Die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 ist in der Lage, einen Laserstrahl 41 auszugeben, so dass dieser auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks P trifft, damit der diffundierende Strahl es der Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 ermöglicht, den Abstand des Oberflächenpunktes 42 des vom Laserstrahl 41 getroffenen zu bearbeitenden Werkstücks zu erfassen.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Vorrichtung zur Abstandserkennung vom optischen oder allgemein berührungslosen (contactless) Typ sein und, zusätzlich zu den Mitteln zum Aussenden eines Laserstrahls, auch optische Laufzeitsensoren und/oder Ultraschallsensoren und/oder Hall-Effekt-Sensoren und/oder Infrarotsensoren umfassen.
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Natürlich wird der Bearbeitungskopf 2 mit Hilfe von geeigneten angetriebenen Organen bekannter und in den Figuren nicht dargestellter Art bewegt. Insbesondere kann der Bearbeitungskopf 2 am Ende eines Arms oder auf einer beweglichen Einrichtung an einer Portalanlage angeordnet werden.
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Im Allgemeinen ist ferner zu berücksichtigen, dass der Freiheitsgrad der X-Achse im Allgemeinen durch die Relativbewegung zwischen Werkstück P und Bearbeitungskopf 2 absolviert wird.
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Die Bearbeitungsvorrichtung beinhaltet ferner eine Steuerlogikeinheit (in der Figur nicht dargestellt), die in der Haupt-Steuerlogik der Anlage integriert sein kann, in der die Vorrichtung 1 installiert ist.
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Nachfolgend wird der Betriebsablauf der oben beschriebenen Bearbeitungsvorrichtung 1 erläutert.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Werkstück P entlang der Richtung der X-Achse beweglich ist, wie in 1 oder in 3 dargestellt.
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In diesem Fall ist die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 vor dem Bearbeitungswerkzeug 3 angeordnet. Somit erfasst, während das zu bearbeitende Werkstück entlang der X-Achse bewegt wird, die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 die Oberfläche, bevor die Bearbeitung durch das Werkzeug 3 erfolgt.
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Wie ersichtlich, erfasst die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4, während das zu bearbeitende Werkstück P durchläuft, konstant den Abstand zwischen ihr und der noch zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks P. der proportional zum Abstand des Trägers der Spindel 23 von der Oberfläche des Werkstücks P ist. Auf diese Weise würde bei Vorliegen von Unregelmäßigkeiten der Oberfläche die Länge des Laserstrahls 41 variieren. Diese Information wird sofort an die Steuerlogikeinheit übertragen, damit die Organe zur Bewegung des Bearbeitungskopfs 2 und die ersten und zweiten Antriebsmittel betätigt werden, um den Bearbeitungskopf 2 im dreidimensionalen Raum auszurichten und um die Spindelträgereinheit 22 und demzufolge auch das Bearbeitungswerkzeug 3 auch entlang der anderen 2 Freiheitsgrade, Achse A und Achse B, auszurichten.
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In einer weiteren Betriebsart kann die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4 die Messung des Abstandes an einem Punkt des zu bearbeitenden Werkstücks P vornehmen, wenn das Werkzeug 3 noch nicht mit dem Werkstück P in Eingriff ist. Anschließend wird die Bearbeitungsvorrichtung 1 so angeordnet, dass das Werkzeug 3 die Bearbeitung mit der geeigneten Tiefe ausführt.
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Wie ersichtlich, wäre es, falls die Ausführung einer Bearbeitung auf einer seitlichen Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks P erforderlich sein sollte, ausreichend, die Spindelträgereinheit 22 um etwa 90° um die Achse B zu drehen. Auf diese Weise würde das Werkzeug 3 die seitliche Oberfläche des Werkstücks P bearbeiten und gleichzeitig würde sich die Vorrichtung zur Abstandserkennung 4, da sie sich fest verbunden zusammen mit der Spindelträgereinheit 22 drehen würde, mit ihrem Laserstrahl 41 automatisch auf der neuen zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks P befinden.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung besteht darin, dass sie die Bearbeitung jeder beliebigen Seite des zu bearbeitenden Werkstücks mittels Werkzeug erlaubt, indem sie die automatische Anpassung an eventuelle Mängel der Werkstückoberfläche ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in der kontinuierlichen Durchführung der Messungen, die es ermöglicht, Abtastungen der tatsächlichen Oberflächen zu erhalten und somit, im speziellen Fall, auch die Position von Oberflächen in einer Richtung orthogonal zur Richtung der Spindelachse messen zu können.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass das System durch eine sehr schnelle Ausführbarkeit gekennzeichnet ist und somit eine bessere Produktionsleistung der Maschine ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung wurde zum Zwecke der Erläuterung, jedoch nicht in einschränkender Weise beschrieben, und zwar entsprechend ihrer bevorzugten Ausführungsformen; es gilt, dass von Fachleuten Variationen und/oder Änderungen daran vorgenommen werden können, wobei der von den in Anlage beigefügten Patentansprüchen festgelegte Schutzbereich nicht verlassen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung (1), zur Bearbeitung von Oberflächen eines zu bearbeitenden Werkstücks (P) aus Holz, Kunststoff, Glasfaserkunststoff, Glas und dergleichen, beinhaltend einen Bearbeitungskopf (2), der in der Lage ist, eine Bewegung relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück (P) entlang dreier Translationsachsen (X, Y, Z) auszuführen, und der in der Lage ist, sich um eine erste Rotationsachse (A) zu drehen, wobei der Bearbeitungskopf (2) eine Spindelträgereinheit (22) beinhaltet, die ausgestattet ist mit einer Spindel (23), wobei die Spindelträgereinheit (22) mit dem Bearbeitungskopf (2) drehbeweglich um eine zweite Rotationsachse (B) drehverbunden ist, und mit einer Vorrichtung zur Abstandserkennung (4), die fest mit der Spindelträgereinheit (22) verbunden ist und dazu dient, den Abstand der Spindelträgereinheit (22) von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks (P) zu erfassen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Betriebsverfahren für eine Bearbeitungsvorrichtung (1).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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