DE69616865T2 - Master-slave Steuerung für den Manipulator einer Abkantpresse - Google Patents
Master-slave Steuerung für den Manipulator einer AbkantpresseInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine automatische Metallblech- Biegeeinheit, die eine Biegepresse und einen Manipulator enthält, mittels der es möglich ist, Preß-Biegeoperationen durch Greifen, Laden in die Presse, Biegen und Entladen irgendeiner Art von Metallblechteilen sowie durch Versorgen der Manipulator-Steuereinheit mit Steuerdaten, die mit den Arbeitsbewegungen der Presse in Beziehung stehen, richtig und vollständig automatisch auszuführen; außerdem erlaubt die Biegeeinheit gemäß der Erfindung dem Manipulator, in einer bestimmten Weise beim Unterstützen und Bewegen jedes Metallblechs, das mit einer Biege-Stempelbaueinheit positioniert ist, während der ganzen Biegeoperationen der Presse teilzunehmen.
- Die Preß-Biege-Technologie für mittlere oder kleine Stapel aus Metallblechen, die praktisch in allen gegenwärtig auf dem Markt befindlichen Maschinen verwendet wird, schließt im allgemeinen die Verwendung einer Biegepresse ein, die mit einer Biege-Stempelbaueinheit versehen ist, die ein Stempelelement mit einer Formgebungsnut und ein Biegewerkzeug umfaßt, das in bezug auf die Nut des Stempelelements beweglich ist, und das so konstruiert ist, daß es in die Nut des Stempelelements eindringt, um ein zwischen ihnen positioniertes Metallblech zu biegen. Die Metallblech-Biegepressen sind wohlbekannte Maschinen, wobei folglich eine ausführliche Beschreibung hiervon weggelassen wird und eine Veranschaulichung und eine Beschreibung gerade der wesentlichen Teile einer für die vorliegenden Erfindung geeigneten Presse gegeben wird; eine automatische Biegepresse ist jedoch z. B. in US-A-4.486.841 beschrieben, worauf Bezug genommen werden sollte.
- Eine Preß-Biege-Operation erfordert normalerweise die manuelle Positionierung eines Metallblechs innerhalb der Stempelbaueinheit durch einen Bediener unter Verwendung geeigneter mechanischer Anschlagvorrichtungen, um die genaue Position des Metallblechs innerhalb des Stempels zu bestimmen, bevor die Presse durch eine manuelle Steuervorrichtung oder eine Fuß-Steuervorrichtung aktiviert wird.
- Während einer Biegeoperation bewegt ein Stößelaktuator oder ein linearer Aktuator ein Biegewerkzeug zum Stempelelement oder umgekehrt, wodurch bewirkt wird, daß das Metallblech in die Stempelnut über eine berechnete Tiefe eindringt, bis die Biegeoperationen abgeschlossen worden ist; am Ende des Biegens entfernt der Bediener manuell das gebogene Blech und wiederholt eine neue Biegeoperation an demselben oder einem anderen Metallstück.
- Es gibt zwei kritische Augenblicke während einer Biegeoperation:
- - das Positionieren eines Metallblechs zwischen dem Biegewerkzeug und dem Stempelelement der Stempelbaueinheit;
- - das manuelle Begleiten des Metallblechs durch den Bediener, um es während der Biegeoperationen zu unterstützen, um zu verhindern, daß das Metallblech schlägt.
- Das erste ist infolge der Präzision, die während der manuellen Positionierung erhalten werden muß, kritisch, von der die dimensionsgerechte Genauigkeit des fertiggestellten Produkts direkt abhängt. Das zweite ist infolge der Notwendigkeit, die Bewegung des Metallblechs, während es gebogen wird, in einer kunstfertigen Weise zu unterstützen, kritisch, wobei ansonsten schlecht geformte Falze oder Wölbungen im fertiggestellten Produkt auftreten können, die sowohl von einem qualitativen als auch einen ästhetischen Gesichtspunkt unakzeptabel sind.
- Vom Gesichtspunkt der Sicherheit besitzt ein manueller Biegeprozeß außerdem ernste Mängel, weil der Bediener ohne irgendeinen Schutz zwischen dem Werkzeug und dem Stempelelement der Presse arbeiten muß, während dessen sehr große Kräfte, normalerweise in der Größenordnung von zehn, zwanzig oder mehr Tonnen, erzeugt werden.
- Der Bediener ist deshalb sowohl während der Positionierung des Metallblechs als auch während der Biegeoperation ernsten Gefahren ausgesetzt. Bei einem Versuch, annehmbare Arbeitsbedingungen zu erreichen, ist die Geschwindigkeit des Biegewerkzeugs signifikant verringert worden, um auf sehr niedrigen Werten zu verbleiben, was zu einer Einschränkung der Produktivität der Biegepresse führt.
- Die Abhängigkeit von dem Geschick des Bedieners, was die erfolgreiche Produktion von preß-gebogenen Stücken und die Risiken, denen der Bediener ausgesetzt ist, anbelangt, führt im allgemeinen zu großen Schwierigkeiten beim Finden spezialisierter Arbeitskräfte und zu den hohen Herstellungskosten.
- Um diese Nachteile zu überwinden, hat die Entwicklung geeigneter automatischer Manipulatoren und numerisch gesteuerter Biegepressen zu einigen Versuchen geführt, automatisierte Arbeitsplätze für das Biegen von Stapeln mit mittlerer und kleiner Größe geführt.
- Die Einschränkung an derartige Anwendungen besteht jedoch sowohl in den Schwierigkeiten des Programmierens von zwei verschiedenen Steuersystemen, wie z. B. dem der Presse und dem des Manipulators, als auch der Unmöglichkeit, daß der Manipulator in einer "bestimmten" und geeigneten Weise das Metallblech begleitet und hält, während es sich durch eine Biegeoperation bewegt.
- Dies Einschränkung ist implizit durch das Konzept der Verwendung von zwei Maschinen bestimmt, die im Betrieb nicht steuerbar miteinander im Zusammenhang stehen, und die zum gleichen Zeitpunkt das gleiche Metallstück bearbeiten. Die lange Zeit, die für das Programmieren der zwei verschiedenen Maschinen erforderlich ist, und die Ungenauigkeit beim Begleiten des Metallblechs schränken die Verwendung dieser Systeme auf spezielle Anwendungen ein, wo es eingeschränkte Anforderungen gibt, was die Flexibilität und Qualität des fertiggestellten Produkts anbelangt.
- Andere Versuche haben zur Entwicklung automatischer Manipulatoren geführt, die mit einer Biegepresse integriert sind, wie z. B. in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0.555.908 veranschaulicht ist; es hat sich jedoch erwiesen, daß diese Systeme äußerst einschränkend hinsichtlich der Flexibilität sind, wodurch es unmöglich gemacht wird, die Presse in dem Fall einer Funktionsstörung des Manipulators manuell zu verwenden, während sie immer noch die Einschränkungen und Programmierungsschwierigkeiten besitzen, die für die früheren Systeme typisch sind.
- Insbesondere beschreibt EP-A-0.555.908 eine Biegevorrichtung, die einen mehrachsigen Manipulator verwendet, deren Verarbeitungseinheit mit einem Algorithmus zum Berechnen des idealen Bewegungsweges des Metallblechs programmiert ist; obwohl das Dokument keinen Hinweis bereitstellt, was den Typ des verwendeten Algorithmus anbelangt, muß der letztere trotzdem so sein, daß die Bewegung des Manipulators theoretisch in einer Weise auftritt, die auf die Bewegung des Metallblechs bezogen ist, die durch das Biegewerkzeug verursacht wird, wenn es in die Nut des Stempelelements eindringt. Ein Kraftsensor, der dem Greifelement des Manipulators zugeordnet ist, wird während des Biegens wirken und den Manipulator mit einem Reaktionssignal versorgen, um die Unterschiede zwischen dem durch den Rechenalgorithmus bereitgestellten theoretischen Weg und dem wirklichen Weg des Metallblechs zu kompensieren. Auf diese Weise würde es möglich sein, einen konstanten Bezugswert für den Greifpunkt an dem Metallblech in bezug auf die Achsen des Manipulators aufrechtzuerhalten, was das Auftreten von Spannungen in dem Metallblech verhindert, die durch mögliche Unterschiede im berechneten Weg für den Manipulator verursacht werden.
- Obwohl dieses Dokument die Verwendung eines programmierten Manipulators vorschlägt, um dem Metallblech während des Biegens zu folgen, umfaßt in der Praxis das Prinzip, nachdem die Vorrichtung arbeitet, ein "passives" Verhalten des Manipulators im Biegeprozeß, weil beabsichtigt ist, daß der letztere einfach die Funktion des Folgens und Anpassens des theoretischen Weges des Metallblechs, der durch den Rechenalgorithmus definiert ist, an den wirklichen Weg ausführt, mit dem einzigen Ziel des Verhinderns des Änderns oder des Verlierens der Bezugsposition für den Greifpunkt des Metallblechs in bezug auf die Achsen des Manipulators.
- Diese Lösung, die an den gleichen Einschränkungen und Programmierungsschwierigkeiten wie die früheren Systeme leidet, schließt außerdem das Risiko ein, trotzdem Spannungen einzuführen, die das Metallblech beschädigen können, die Falten an der Kante des Werkzeugs oder unerwünschte Wölbungen verursachen, weil es in einem normalen Biegeprozeß, der sowohl manuell als auch automatisch ausgeführt werden kann, notwendig ist, die Notwendigkeit für die Begleitung und in einigen Fällen das Erzwingen der Bewegung des Metallblechs zu berücksichtigen, um das Auftreten von Falten oder Deformationen im fertiggestellten Teil zu vermeiden.
- US-A-4 594 870 offenbart eine Biegevorrichtung, die eine Biegemaschine zum Biegen eines Metallblechs und einen Greifer zum Halten des Metallblechs umfaßt, und die mit einer einzelnen Steuereinheit versehen ist, um die Verfolgung der Position des Greifers zu berechnen und um seine Verschiebung zu steuern, damit der Greifer die durch das Biegen verursachte Verschiebung des Metallblechs verfolgt.
- Alle bis jetzt unternommenen Versuche haben deshalb keine angemessene Lösung des Problems des Biegens von Metallblechen bereitgestellt; im allgemeinen sind außerdem Pressen verwendet worden, die Bewegung des oberen Werkzeugs aufweisen, um das Metallblech im Stillstand auf dem darunter liegenden Stempel zu halten, bis die Biegeoperation des Metallblechs begonnen worden ist; die Anwendung dessen auf Pressen mit Bewegung im unteren Teil ist bis jetzt vernachlässigt worden, oder sie ist als unmöglich oder als schwierig in die Praxis umzusetzen betrachtet worden.
- Es ist die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Biegeprozeß zu automatisieren, aber unter Verwendung eines Master-Slave-Manipulators in Kombination mit einer intelligenten elektronischen Steuervorrichtung, oder eines Master-Slave-Manipulators, der eine intelligente elektronischen Steuervorrichtung umfaßt, die in einer einfachen Weise und in einer relativ kurzen Zeit geeignet programmiert werden kann, um einen eng verzahnten Betrieb irgendeines Manipulators mit irgendeinem Typ einer Biegepresse zu sichern; die Erfindung weicht von einem vollständig verschiedenen Prinzip ab, wodurch der Manipulator betätigt wird, nicht nur um einen gegebenen Bewegungsweg des Metallblechs zu sichern, während das letztere gebogen wird, sondern um außerdem "bestimmt" an diesem Biegeprozeß teilzunehmen, das Metallblech zu zwingen, sich in einer Betriebsart starr zu bewegen und einem geometrisch vorgegebenen Weg zu folgen, um die Bildung von der Wölbungen oder das Auftreten von Falten in dem Metallblech an der Kante des Stempels zu vermeiden.
- Insbesondere besitzt die Erfindung die Aufgabe des Automatisierens irgendeines Typs der Biegepresse über eine leicht und schnell programmierbare elektronische Steuervorrichtung, mittels der es möglich ist, das Arbeiten eines programmierbaren Manipulators mit einer Biegepresse bestimmt zu korrelieren, um die Presse automatisch mit zu biegenden Metallblechen zu beliefern, und um sie während irgendeiner Biegeoperationen bestimmt zu begleiten und das automatische Laden und Entladen der Metallstücke auszuführen.
- Unähnlich zu den vorausgehend bekannten Lösungen kann die Anwendung der Erfindung genausogut auf Pressen sowohl mit einem beweglichen unteren Teil als auch mit einem beweglichen Oberteil der Stempelbaueinheit ausgedehnt werden.
- Es ist eine weitere Aufgabe, eine Kombination einer Biegepresse und eines Manipulators zu schaffen, die betriebsfähig mittels einer Steuervorrichtung eng zusammengeschlossen sind, um die freie Verwendung der Presse durch einen Bediener zu erlauben, ohne den Manipulator entfernen zu müssen, um einzelne Stücke oder Teststücke manuell zu biegen, oder um die Presse im Fall einer Funktionsstörung des Manipulators manuell zu verwenden.
- Die Erfindung erlaubt schließlich, die Programmierung des Manipulators über die Verwendung einer für das Biegen dedizierten Funktion zu modifizieren, um eine schnelle Programmierung für neue Stücke und schnelle Übergänge der Produktion zwischen einem Stapel und einem anderen zu erlauben.
- Das obige kann mittels einer automatischen Metallblech-Biegeeinheit gemäß Anspruch 1 erreicht werden.
- Insbesondere ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektronische Master- Slave-Steuervorrichtung für den Slave-Betrieb eines mehrachsigen Manipulators in bezug auf eine Biegepresse geschaffen worden, die Steuervorrichtung umfaßt eine Haupt-Verarbeitungseinheit und Programmittel, die betriebsfähig mit einer Verarbeitungseinheit des Manipulators verbunden sind, um das Metallblech an einem vorgegebenen Punkt ergriffen zu halten, und um die Koordinaten des wirklichen Weges von irgendeinem Punkt auf dem Metallblech als eine Funktion der kontinuierlich erfaßten Position des beweglichen Teils der Biege-Stempelbaueinheit ständig zu definieren, um eine Ausrichtung des Greifpunkts auf dem Metallblech durch den Manipulator, des Biegepunkts innerhalb der Nut der Biege-Stempelbaueinheit und eines Kontaktpunkts, wo das Metallblech mit einer Kante der Stempelbaueinheit in Kontakt gelangt, der sich zwischen dem Greif und Biegepunkt befindet, aufrechtzuerhalten.
- Die Prinzipien der Erfindung und einer ihrer bevorzugten Ausführungsformen werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher beschrieben, worin:
- Fig. 1 eine Querschnittsansicht der Biegeeinheit ist, die eine Biegepresse umfaßt, die durch eine elektronische Servosteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betriebsfähig mit einem Manipulator eng zusammengeschlossen ist;
- Fig. 2 ein funktionaler Blockschaltplan der elektronischen Steuervorrichtung nach Fig. 1 ist;
- Fig. 3, 4, 5 und 6 verschiedene Betriebsphasen während eines Biegeprozesses eines Metallblechs zeigen: insbesondere zeigen sie die Position des Manipulators in bezug auf die Presse mit dem Biegewerkzeug und dem Stempelelement im offenen Zustand (Fig. 3); mit dem Werkzeug und dem Stempelelement am Anfang der Biegeoperation (Fig. 4); mit dem Werkzeug und dem Stempelelement während eines Biege-Zwischenzustands (Fig. 5); und mit dem Werkzeug und dem Stempelelement am Ende des Biegehubs (Fig. 6);
- Fig. 7 eine Darstellung ist, die die Operationen veranschaulicht, die das Voreinstellen der Presse und das Programmieren des Manipulators umfassen;
- Fig. 8 eine Darstellung ist, die die Operationen veranschaulicht, die in der Ausführung einer Biegeoperationen enthalten sind;
- Fig. 9 die geometrische Darstellung für die Bewegung des Metallblechs zeigt;
- Fig. 10 die Position des Metallblechs zu einem zufälligen Zeitpunkt während des Biegens zeigt.
- Fig. 1 zeigt die Baueinheit eines mehrachsigen Manipulators 10, z. B. des kartesischen Manipulators des Portal-Rahmen-Typs, und eine Biegepresse 11.
- In dem gezeigten Beispiel umfaßt der Manipulator 10 einen Portalrahmen, der zwei Seitenständer 12 und einen oberen Querträger 13 besitzt, der eine horizontale Achse X für den Manipulator definiert, die eine aus einer Gruppe der drei linearen kartesischen Achsen X, Y, Z ist, worin die vertikale Achse Z durch einen vertikalen Säulenständer 14 definiert ist, der innerhalb einer vertikalen Führung 15 longitudinal gleitet, die an einen Bettschlitten 15' befestigt ist, der wiederum an einem Querträger 13 des Portalrahmens längs der Achse X beweglich ist. Am unteren Ende des vertikalen Säulenständers 15 ist eine horizontale Führung 16 vorgesehen worden, damit ein Träger 17, der die horizontale Achse Y der drei obenerwähnten kartesischen Achsen definiert, gleitet; ein Greifelement 18 zum Greifen des Metallblechs ist am vorderen Ende des Trägers 17 als Drehpunkt dienend und drehbar unterstützt, um das Metallblech L in den Drehachsen α und β winklig zu orientieren. Die drei Achsen X, Y und Z sind der Länge nach geeignet einstellbar, wobei sie in einer Weise angetrieben werden, die per se bekannt ist, um irgendeine räumliche Koordinate für das Greifelement 18 zu definieren. Aus Fig. 1 kann außerdem festgestellt werden, daß das Greifelement 18 am vorderen Ende des Trägers 17 unterstützt ist, damit es sich um die zwei angetriebenen Achsen α und β dreht, die parallel zu den Achsen X und Y des Manipulators angeordnet sind oder mit diesen übereinstimmen, die dem Greifelement 18 erlauben, sich um sich selbst und/oder parallel zur Biegeebene des Metallblechs L zu drehen.
- Sowohl alle Achsen X, Y und Z als auch α und β des Manipulators 10 werden deshalb geeignet angetrieben und durch eine programmierbare Steuereinheit oder CPU 32 für den normalen Betrieb des Manipulators gesteuert.
- Die Presse 11 umfaßt wiederum einen C-förmigen Rahmen 11', der mit einer Stempelbaueinheit 19, 20 versehen ist, die sich horizontal in der Richtung der Achse X erstreckt; präziser umfaßt die Stempelbaueinheit ein unteres Stempelelement 19, das mit einer longitudinalen V-förmigen Nut versehen ist, die abnehmbar an einem Querträger des Rahmens 11 der Presse befestigt ist, und ein oberes Preßwerkzeug 20, das an einem Schieber 20' abnehmbar befestigt ist, der zwischen der Frontplatte und der Rückplatte im oberen Teil der Presse geführt wird, das durch ein Stößelelement geeignet mit einem hydraulischen Aktuator 21 verbunden ist, damit es vertikal längs einer Achse Z' bewegt wird, die parallel zur Achse Z des Manipulators 10 ist und mit der Bewegungsrichtung des Preßwerkzeugs 20 übereinstimmt, das auf diese Weise zwischen einer eingezogenen Position, in der die Stempelbaueinheit offen ist, und einer völlig vorgeschobenen Position, in der das Werkzeug 20 abhängig von der Position der einstellbaren Widerlagerelemente innerhalb der Presse selbst in den Nuthohlraum des Stempelelements 19 eindringt, bewegt werden kann.
- In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 22 außerdem einen Signalgenerator des absoluten und linearen Typs, dessen Schieberelement mit dem beweglichen Stößel des Werkzeugs 20 mechanisch verbunden ist, um die Bezugsignale zu liefern, die die vom Werkzeug 20 während seiner Vorwärtsbewegung längs einer vertikalen Achse Z', die z. B. innerhalb der Symmetrieebene des Preßwerkzeugs 20 liegt oder durch das untere Ende der V-förmigen Nut des Stempels 19 verläuft, angenommenen Positionen anzeigen; das Bezugszeichen 23 bezeichnet außerdem in schematischer Form eines der Stopelemente zum Positionieren des Metallblechs L innerhalb der Stempelbaueinheit innerhalb der Presse 11; jedes der Front- und Seiten-Stopelemente umfaßt Abtastmittel S1, S2 oder S3 (Fig. 2) zum Erfassen des Metallblechs L, um ein Steuersignal zu liefern, das das Vorhandensein und die richtige Positionierung des Metallblechs L anzeigt und um den Beginn einer Biegeoperation zu genehmigen, wie im folgenden weiter erklärt ist.
- Schließlich bezeichnet das Bezugszeichen 24 in Fig. 1 die elektronische Master-Slave-Steuervorrichtung, die auf den Rahmen der Presse 11 angewendet werden kann oder die einen Teil des gleichen Manipulators ausführen kann.
- Die mechanische und funktionale Konfiguration des Manipulators 10 kann von irgendeiner Art sein: er kann z. B. einen Manipulator des kartesischen Typs oder des anthropomorphen Typs sein. Eine kartesische Konfiguration des Manipulators ist insofern bevorzugt, als sie es möglich macht, für diese besondere Anwendung einen hohen Grad der betrieblichen Flexibilität und die Möglichkeit des Ausführens von Faltvorgängen mit der maximalen Freiheit sowohl nach oben als auch nach unten, abhängig von der Anordnung der Biege-Stempelbaueinheit und der Merkmale der Presse selbst, zu erhalten. Diese betriebliche Freiheit ist auf die Geometrie der Y-Achse zurückzuführen, an der die Drehachsen α und β des Greifelement 18 angeordnet sind, weil sie die maximale Freiheit der Bewegung für das Metallblech während des Biegens erlaubt. Außerdem erlaubt die Portalkonfiguration eines kartesischen Manipulators 10, daß die Presse 11 frei automatisch oder in einer manuellen Betriebsart durch einen Bediener verwendet wird, ohne daß der Manipulator entfernt werden muß, um manuell preß-gebogene Stücke einzeln oder als Teststücke zu erzeugen, oder um im Fall einer Funktionsstörung oder eines Defektes des Manipulators die Verwendung der Presse bei manueller Produktion fortsetzen zu können.
- Die elektronische Steuervorrichtung 24, die sowohl die Automatisierung der Preß-Biegeoperation und einer Operation des mit der Presse 11 verbundenen Manipulators 11 als auch deren Betrieb erlaubt, wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 und die Folge der beigefügten Zeichnung veranschaulicht.
- Aus Fig. 2 kann festgestellt werden, daß die Steuervorrichtung 24 eine Verarbeitungseinheit 25 umfaßt, die mit einem Mikroprozessor 26 versehen ist, der einen flüchtigen RAM-Speicher besitzt, in dem ein Programmittel zum Steuern des Manipulators 10 gespeichert ist, das Programmittel umfaßt geeignete Algorithmen oder mathematische Formeln, um die Koordinaten der Hublänge und der Drehung des Greifelements 18 in Übereinstimmung mit dem Bewegungsweg für das Metallblech L zu berechnen, indem eine starre geometrische Konfiguration des Metallblechs selbst aufrechterhalten wird; die Rechenalgorithmen sind in einem Permanentspeicher 27 gespeichert, z. B. in einem EPROM-Speicher, der mit dem Mikroprozessor 26 verbunden ist.
- Die Steuervorrichtung 24 umfaßt außerdem dritte Speichermittel 28, die gelöscht und programmiert werden können, z. B. einen EEPROM-Speicher, in dem am Beginn der Verarbeitung einige variable Rechendaten programmiert und gespeichert sein können, die z. B. die maximale Breite des V-förmigen Hohlraums des Stempelelements, der Nullpunkt der vertikalen Achse Z' des Stempels, der dem Kontaktpunkt oder dem Beginn für das Biegen des Metallblechs in der Presse entspricht, aus denen der Mikroprozessor 26 die Koordinaten für den Weg des Greifpunkts des Metallblechs als eine Funktion der Bewegung des beweglichen Teils der Stempelbaueinheit berechnen wird, während eine gegebene geometrische Konfiguration des Metallblechs in bezug auf die beweglichen Achsen des Manipulators während der durch eine Biegeoperation verliehenen Bewegung starr beibehalten wird.
- Die Vorrichtung wird außerdem eine Programmiertastatur und eine Diagnoseanzeige 29 umfassen, wie gezeigt ist.
- In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 30 eine manuelle Rücksetz-Wähleinheit, die mit einem Eingang des Mikroprozessor 26 verbunden ist, zusammen mit wenigstens zwei vorderen Sensoren S1 und S2 und einem seitlichen Sensor S3, die den Stopelementen 23 nach Fig. 1 zum Positionieren des Metallblechs L entsprechen, die über eine Analog/Digital-Umsetzereinheit 31 mit den entsprechenden Eingängen des Mikroprozessors 26 verbunden sind.
- Schließlich bezeichnet T1 einen absoluten linearen Umsetzer oder einen anderen linearen Signalgenerator, der in Fig. 1 durch das Bezugszeichen 22 schematisch angegeben ist, der konstruiert ist, um den Mikroprozessor 26 mit einem Verfolgungssignal zu beliefern, das sowohl den Nullpunkt, der mittels der Wähleinheit 30 eingestellt werden kann, als auch die Positionen anzeigt, die vom beweglichen Teil 20 der Biege-Stempelbaueinheit in bezug auf die Bezugsachse Z' eingenommen werden, auf die oben Bezug genommen wurde. Der Datenausgang des Mikroprozessors 26 der elektronischen Master-Slave- Steuervorrichtung ist wiederum mittels einer seriellen Kommunikationsleitung mit einem Dateneingang der CPU 32 des Manipulators verbunden, um den Achsen des letzteren die auf der Grundlage des Programmalgorithmus des Mikroprozessors 26 berechneten Bewegungen zu übermitteln.
- Die Sensoren S1, S2 und S3 und der Umsetzer T1 sind an der Presse 11 angeordnet und mit dem Dateneingang des Mikroprozessors 26 verbunden, worauf oben hingewiesen wurde; die Sensoren S1, S2 und S3 sind notwendig, um die genaue Position des Metallblechs zu bestimmen, wenn es durch den Manipulator 11 auf dem Stempel 19 der Biege-Stempelbaueinheit gelegt wird, um es innerhalb der Presse genau zu positionieren.
- Um eine Rücksetzoperation auszuführen, muß der Bediener manuell das erste Metallblech in der richtigen Position für den Beginn der Biegeoperationen der Presse anordnen, wobei sich die Biege-Stempelbaueinheit im offenen Zustand befindet; dann wird er das Fußpedal oder eine manuelle Steuerung der Presse betätigen, um den anfänglichen Kontaktpunkt des Werkzeugs 20 mit dem Metallblech L zu bestimmen, das in die Presse eingefügt worden ist. An diesem Punkt wird er durch Aktivierung der tastenbetätigten Schaltfläche, die an der Schalttafel 24 an der Presse geeignet vorgesehen ist, die Position Z' = 0 oder den Startpunkt für das Biegen des Metallblechs im EEPROM 28 des Mikroprozessors speichern.
- Um die Biegeoperationen in der automatischen Betriebsart auszuführen, muß sowohl der Manipulator anfangs programmiert sein als auch die Presse in einer genauen Weise vorbereitet sein, wobei die gleichen Prozeduren wie diejenigen übernommen werden, die für das Biegen mit der manuellen Slave- Operation verwendet werden: falls die Presse mit einer numerischen Steuervorrichtung versehen ist, wird die letztere programmiert, um das Teil manuell zu erzeugen.
- Allgemein gesagt, eine Biegeoperationen besteht aus den folgenden Schritten:
- a) Aufnehmen eines Metallblechs durch den Manipulator und Positionieren des Metallblechs auf dem Stempelelement 13 der offenen Stempelbaueinheit (Fig. 3);
- b) Schließen der Presse, um das Biegewerkzeug 20 in leichten Kontakt mit dem Metallblech L zu bringen, während der Manipulator der relative Position des Metallblechs L in der Stempelbaueinheit 19 aufrechterhält (Fig. 4), eine Operation, die in Pressen mit einem beweglichen Stempelelement besonders notwendig ist;
- c) Biegen des Metallblechs L, wobei der Manipulator, der das Metallblech L während der durch die Presse auferlegten Bewegung "bestimmt" begleitet (Fig. 5 und 6), eine starre oder koplanare Konfiguration des Metallblechs selbst aufrechterhält. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "bestimmt" so verstanden, daß er die Kapazität der elektronischen Servosteuerungsvorrichtung bedeutet, den Manipulator, während er das Metallblech ergreift, in Übereinstimmung mit einem durch die Rechnungs- und Programmalgorithmen als eine Funktion der Bewegung des beweglichen Teils 20 des Stempels definierten Bewegungsmuster zu bewegen, um eine konstante geometrische Konfiguration des Metallblechs L aufzuerlegen und aufrechtzuerhalten und jede unerwünschte Deformation desselben zu vermeiden;
- d) erneutes Öffnen der Presse, Entfernung des gebogenen Stücks durch den Manipulator und, wo es notwendig ist, dessen erneute Positionierung für die Ausführung eines weiteren Faltvorgangs oder für das endgültige Entladen.
- Die Darstellung in Fig. 7 zeigt ausführlich die Operationen, die für das Voreinstellen der Presse und für die anfängliche Programmierung der CPU oder der Manipulator-Steuereinheit 32 in Übereinstimmung mit den Operationen, die während des Biegens durch den Manipulator automatisch ausgeführt werden können, notwendig sind.
- Wie in Fig. 7 gezeigt ist, ist es notwendig, anfangs eine Einstelloperation auszuführen (Schritt 35), um die genaue Reihenfolge der Bewegungen der Presse zu bestimmen, gefolgt von einer Rücksetzoperation (Schritt 36), um den Bezugspunkt Z' = 0 auf der Achse Z' der Stempelbaueinheit zu bestimmen. Nach dem Abschluß der Einstelloperation der Presse ist es dann möglich, die Programmierung des Manipulators auszuführen, seine Steuereinheit 32 mit allen Informationen und Daten zu versorgen, die zum automatischen Ausführen des Aufnehmens des Metallblechs (Schritt 37), dem Positionieren des Metallblechs in der Presse durch Bewegung längs der X- und/oder Y-Achsen des Manipulators (Schritt 38), die an den Positionierungssensoren S1, S2 und/oder S3 anhält, notwendig sind; am Ende dieser Operation liefern die Sensoren ein Signal, das die richtige Positionierung anzeigt. Der Metallblech- Positionierungsoperation folgt eine Operation, die sowohl das Eintasten des Biegebefehls (Schritt 39) als auch die der Entfernung des gebogenen Stücks aus der Presse (Schritt 40) oder, falls notwendig, die Wiederholung des Biegezyklus (Schritt 41) gefolgt vom letzten Entladen (Schritt 42) umfaßt.
- Unter Bezugnahme auf die in Fig. 8 gezeigte Darstellung und die vorangehenden Fig. 3 bis 6 wird nun eine Beschreibung der Operationen gegeben, die automatisch ausgeführt werden, um eine Biegeoperation mit dem Manipulator und der Biegepresse auszuführen, die mittels der elektronischen Steuereinheit der Biegeeinheit gemäß Erfindung funktional verbunden sind.
- Die Biegeoperation besteht deshalb aus den folgenden Schritten, die in der in Fig. 8 gezeigten Darstellung veranschaulicht sind:
- Schritt 43 - das Metallblech L wird anfangs durch den Manipulator aufgenommen, der unter der Steuerung seiner CPU dieses Blech gegenüberliegend der Presse positioniert, wobei sich die Biege-Stempelbaueinheit im offenen Zustand befindet (Fig. 3);
- Schritt 44 - während dieses Schritts positioniert der Manipulator anhand seines Arbeitsprogramms das Metallblech L automatisch auf dem Stempelelement 20 der Presse an den vorderen Stopsensoren S1 und S2. Wenn das Metallblech L richtig gegen die Sensoren S1 und S2 positioniert ist, beliefern die letzteren den Mikroprozessor 26 der elektronischen Steuervorrichtung mit einem Signal, das den Betrieb des Aktuators 21 freigibt, der anfangs entsprechend dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel das Schließen der, Presse ausführt, indem er die Abwärtsbewegung des, oberen Werkzeugs 20 so weit wie zum Punkt Z' = 0 verursacht, wo der Kontakt mit dem Metallblech L hergestellt wird: Schritt 45 und Fig. 4.
- Schritt 46 - in der Zwischenzeit ist der RAM-Speicher des Mikroprozessors 26 durch den EPROM 27 sowohl mit den Algorithmen für das Berechnen des Weges des Greifpunktes P am Metallblech als auch mit den variablen Daten, die sich auf den Punkt Z' = 0 auf der Achse des Werkzeugs 20 und den Wert der Breite der V-förmigen Nut des Stempelelements 19 beziehen, programmiert worden, diese Werte sind im EEPROM-Speicher 28 enthalten; der Mikroprozessor berechnet die Daten für den Weg des Metallblechs und leitet sie zur CPU des Manipulators weiter.
- Schritt 47 - während dieses Schritts wird das Biegen des Metallblechs mit dem Manipulator ausgeführt, der das Metallblech L während der durch die Presse auferlegten Bewegung bestimmt begleitet und folglich eine starre Konfiguration und einen planaren Zustand des Metallblechs aufrechterhält, wie in den Fig. 5 und 7 gezeigt ist und die im folgenden ausführlicher erklärt wird.
- Um den Biegeschritt zu definieren, muß eine Unterscheidung zwischen den Pressen mit Bewegung des oberen Teils und den Pressen mit Bewegung des unteren Teils vorgenommen werden. In den Pressen mit Bewegung des oberen Teils beginnt die elektronische Steuervorrichtung 25, wenn der Wert Z' = 0 erreicht ist, die richtigen Koordinaten der Achsen Z, Y und α an den Manipulator weiterzuleiten, um das Metallblech während des Biegens zu begleiten, bis diese Operation abgeschlossen worden ist.
- In den Pressen mit Bewegung des unteren Teils leitet die elektronische Steuervorrichtung anfangs lediglich die Koordinaten der Z-Achse weiter, die Y- und α-Koordinaten bleiben konstant, bis das Metallblech mit dem Werkzeug in Kontakt gelangt, wobei dann in genau der gleichen Weise fortgefahren wird, wie oben beschrieben ist.
- Schitt 48 - das Ende der Biegeoperationen tritt auf, wenn die Achse Z' des Umsetzers im Stillstand ist; an diesem Punkt ist es möglich, einen oder mehrere Positionierung- und Biegezyklen zu wiederholen (Schitt 49) und den Griff des Manipulators an das Metallblech bis zum letzten Entladen aufrechtzuerhalten (Schitt 50).
- Im folgenden ist unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 der Beschreibung der Formeln gegeben, die sich auf die Algorithmen beziehen, die verwendet werden, um die Koordinaten des Weges des Metallblechs zu berechnen, insbesondere seinen Greifpunkt während einer Biegeoperationen in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 9 zeigt die geometrische Darstellung der Bewegung des Metallblechs im Anfangszustand, während Fig. 10 die Position des Metallblechs zu einem zufälligen Zeitpunkt während der Ausführung des Faltens zeigt; aus diesen Figuren kann vor allem festgestellt werden, daß angenommen wird, daß ein Punktlast-Zustand vorhanden ist, d. h. das Werkzeug 20 besitzt in der Spitze einen Krümmungsradius von null, während das Metallblech mit Ausnahme längs der Biegelinie, wo angenommen wird, daß sie ein ideales plastisches Drehgelenk bildet, eine unendliche Steifheit besitzt.
- Die Dicke des Metallblechs wird als vernachlässigbar betrachtet, wobei es während des Biegens einen reibungslosen Kontakt des Metallblechs auf der Stempelbaueinheit gibt.
- In Fig. 9 besitzen die verschiedenen Symbole die folgende Bedeutung:
- L = Anfangsposition des Metallblechs auf dem Stempel 19 vor dem Biegen bei einer Lage koplanar zur Y-Achse.
- P = allgemeiner Punkt auf dem Metallblech, insbesondere der Greifpunkt, dessen Wegkoordinaten zu berechnen sind, diese Koordinaten werden als eine Funktion der Koordinaten eines Punktes Q auf der Drehachse α des Greifelements parallel zur Erzeugenden des Biegestempels ausgedrückt; P' = allgemeine Zwischenposition von P und P" = Position von P am Ende des Biegens.
- Q = Drehpunkt des Greifelements
- A = anfänglicher Kontaktpunkt des Werkzeugs mit dem Metallblech L;
- A' = allgemeine Position von A und A" = Position von A am Ende des Biegens, die mit dem Boden der Nut des Stempelelements 19 übereinstimmt.
- B = anfänglicher Kontaktpunkt des Metallblechs mit einer Seitenkante des Stempelelements 19; die Punkte B' und B" zeigen statt dessen eine Zwischenposition und die Endposition des ursprünglichen Punktes B auf dem Metallblech infolge der Verschiebung in bezug auf den Stempel an.
- σ = durch die Seite des V-förmigen Hohlraums des Stempels mit der Achse Y gebildeter Winkel im Fall eines symmetrischen Stempels.
- θ = variabler Winkel des Metallblechs in bezug auf die Achse Y während des Biegens.
- a = ein in die Rechenalgorithmen einzubeziehender Parameter, der die maximale Breite der V-förmigen Nut des Stempelelements definiert.
- b = Abstand zwischen P und Q senkrecht zum Metallblech.
- Wie aus Fig. 9 bemerkt werden kann, liegt das Metallblech L anfangs horizontal auf dem Stempel 19; sobald das Werkzeug 20, nachdem es bei A positioniert worden ist, beginnt, in den Nuthohlraum des Stempels 19 einzudringen, wobei eine unendliche Starrheit des Metallblechs und die plastische Flexibilität am Biegepunkt A angenommen wird, wird das Metallblech gebogen, wobei es auf der Kante des Stempels bei B gleitet, wobei es die Zwischenpositionen A' einnimmt, bis es die durch A" definierte letzte Konfiguration annimmt. Der Punkt P wird allmählich zu P' und so weit wie P" weitergehen. Anhand der gemachten Annahmen wird deshalb das Metallblech eine planare Konfiguration oder eine konstante Ausrichtung des Greifpunkts P, des Biegepunkts B und des Kontaktpunkts B mit der Seitenkante des Stempels starr aufrechterhalten.
- Anhand von Fig. 10 ist es nun möglich, die Gleichungen zum Berechnen der Koordinaten Z, Y und θ aufzustellen, die den Bewegungsweg des Metallblechs während des Biegens bestimmen.
- Die Koordinaten von P und Q werden auf der Achse Z durch Zp und Zq angegeben; aus Fig. 10 kann Zp - Zq = erhalten werden, was die bei der Drehung variablen Rechendaten darstellt.
- Durch das Anwenden der bekannten Regeln der Trigonometrie wird erhalten:
- tan θ = /PK,
- woraus
- = /tan θ folgt.
- sind die Rechendaten, die sich entsprechend der Verschiebung des Werkzeugs 20 innerhalb des Hohlraums des Stempels 19 verändern, aus dem rechtwinkligen Dreieck AA'B folgt:
- = a tan θ,
- woraus es möglich ist, den ersten Algorithmus zum Berechnen des Winkels θ als eine Funktion der Position des Werkzeugs abzuleiten,
- tan θ = /a
- woraus
- θ = arctan /a (1)
- folgt, werden die obigen Ausdrücke betrachtet, folgt:
- Zp - Zq = QK/tan θ
- = Yq - Yp, es folgt:
- Wenn der bekannte Satz des Pythagoras auf Fig. 10 angewendet wird, folgt:
- ( )² + ( )² = b²,
- mit = Zp - Zq und = Yq - Yp kann die obige Gleichung wie folgt geschrieben werden:
- (Zp - Zq)² + (Yq - Yp)² = b²,
- vorausgesetzt, daß
- ΔZ = Zq - Zp
- und
- ΔY = Yq - Yp
- gilt, folgt:
- ΔZ² + ΔY² = b²,
- woraus die folgende Gleichung abgeleitet wird:
- ΔY² = b² - ΔZ². (3)
- Werden die Werte von ΔZ und ΔY ersetzt, kann die Gleichung (2) wie folgt umgeschrieben werden:
- ΔZ = ΔY/tan θ,
- woraus
- ΔZ² = ΔY²/(tan θ)²
- folgt, aus Gleichung (2) folgt:
- ΔY² = b² - ΔZ²
- woraus
- ΔZ² = b² - ΔZ²/(tan θ)²
- folgt, wird die Rechnung fortgesetzt, weil die Terme von ΔZ² der letzteren zwei Gleichungen einander gleich sind, wird ΔZ² (tan θ)² = b² - ΔZ² erhalten, woraus sich, wenn es nach ΔZ² aufgelöst wird, das folgende ergibt:
- Wie bereits erwähnt ist, folgt aus Fig. 10 außerdem:
- tan θ = /a,
- das Einsetzen dieses Werts in die vorausgehende Gleichung ergibt das folgende:
- wird in Erinnerung gerufen, daß ΔZ = Zq - Zp gilt, dann folgt durch das Verwerfen des Vorzeichens +, weil Zp > Zq gilt:
- woraus
- folgt.
- Es ist ersichtlich, daß ΔZ = -ΔY/tan θ gilt, woraus ΔY = ΔZ tan θ abgeleitet wird, wird ΔZ durch den vorausgehend berechneten Wert ersetzt, folgt:
- werden in dieser Gleichung die Werte von
- ΔY = Yq - Yp
- und
- tan θ = /a
- ersetzt, kann die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
- Es ist nun erforderlich, die Werte von Zp und Yp als eine Funktion der Variable zu erhalten, um sie in den Gleichungen 4 und 5 zu ersetzen und auf diese Weise die anderen zwei Rechenalgorithmen zu erhalten, die für das Programmieren der Vorrichtung erforderlich sind.
- Immer noch unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird das folgende erhalten:
- Zp = - ,
- wobei "1" der konstante Abstand zwischen dem Greifpunkt P und dem Biegepunkt A auf dem Metallblech ist; im Ergebnis der bekannten Kriterien der Gleichheit von Dreiecken wird das folgende erhalten:
- Zp = 1 sin θ - ,
- aus dem Dreieck AA'B wird das folgende erhalten:
- wird der Wert von sin θ in der vorausgehenden Gleichung ersetzt, folgt:
- Wird in einer ähnlichen Weise für Yp vorgegangen, folgt:
- Falls (6) in (4) und (7) in (5) ersetzt wird, werden die Koordinaten Zq und Yq als eine Funktion des Parameters erhalten, der sich während des Biegens verändert. Die drei Rechenalgorithmen, die die Koordinaten des Punktes P als eine Funktion der Variable ausdrücken, können wie folgt zusammengefaßt werden:
- θ = arctan /a,
- worin "a" und "1" typische Konstanten der Biege-Stempelbaueinheit und der Abstand des Greifpunkts P von A sind. Die drei obenerwähnten Algorithmen, die in der Verarbeitungseinheit 25 gespeichert sind, erlauben deshalb der letzteren, die Z- und Y-Koordinaten des Greifpunkts P und den Drehwinkel des Metallblechs als eine Funktion der linearen Verschiebung des Biegewerkzeugs 19 kontinuierlich zu berechnen und entsprechende Steuerdaten an die CPU des Manipulators zusenden, so daß der Manipulator in einer bestimmten Weise der starren Bewegung des Metallblechs folgt, indem er die drei Punkte P, B und A ständig geradlinig aufeinander ausgerichtet aufrechterhält. Auf diese Weise werden die Aufgaben der Erfindung gelöst, wobei die Bildung von Falten oder beschädigenden Wölbungen im Metallblech vermieden wird, während es gebogen wird.
Claims (6)
1. Automatische Metallblech-Biegeeinheit, die in Kombination umfaßt:
a) eine Biegepresse (11), die eine Stempelbaueinheit mit oberen und
unteren Stempelelementen (20, 19) enthält, die relativ zueinander längs einer
vertikalen Bezugsachse (Z') beweglich unterstützt sind, um ein Metallblech (L),
das zwischen den Stempelelementen (19, 20) der Presse (11) angeordnet ist,
zu pressen;
b) einen Signalgenerator (22), der mit einem beweglichen (20) der
Stempelelemente (19, 20) funktional verbunden ist, um Datensignale zu liefern, die
ermittelten vertikalen Positionen des beweglichen Stempelelements (20) längs
der Bezugsachse (Z') und in bezug auf einen erfaßten Nullpunkt entsprechen,
sowie Sensormittel (S1, S2, S3), die dazu vorgesehen sind, das Metallblech
(L) präzise in den Stempelelementen (19, 20) der Presse (11) zu positionieren;
c) einen mehrachsigen (X, Y, Z, α, β) Manipulator (10), der eine
programmierbare Steuereinheit (32) enthält und mit einem beweglichen Greifelement
(18) zum Greifen und Unterstützen des Metallblechs (L) an einem
vorgegebenen Greifpunkt (P) versehen ist; und
d) eine elektronische Steuervorrichtung (24), die eine Slave-Verbindung
zwischen dem Manipulator (10) und der Biegepresse (11) herstellt und besitzt:
e) eine programmierbare Prozeßeinheit (25), die einen Mikroprozessor (26)
enthält, der mit der Steuereinheit (32) des Manipulators, mit dem
Signalgenerator (22) und mit den Sensormitteln (S1, S2, S3) der Biegepresse (11)
funktional verbunden ist;
f) wobei die programmierbare Prozeßeinheit (25) Programmittel (27)
umfaßt, die Rechenalgorithmen enthalten, um der Steuereinheit (32) des
Manipulators (10) Positionierungsdaten für das Greifelement (18) in Form von Daten,
die aus den durch den Signalgenerator (22) bereitgestellten Datensignalen
berechnet werden, zuzuführen, um das Greifelement (18) so zu bewegen, daß
eine Krümmung des Metallblechs (L) verhindert wird, wodurch eine
geradlinige Ausrichtung des Greifpunkts (P) auf dem Metallblech (L) und der Punkte
(A, B), an denen das Metallblech (L) mit den beweglichen und unbeweglichen
Stempelelementen (20, 19) der Biegepresse (11) in Kontakt gelangt,
aufrechterhalten wird.
2. Automatische Metallblech-Biegeeinheit nach Anspruch 1, in der eine
Stempelbaueinheit (19, 20) verwendet wird, die eine Erzeugenden-Linie
besitzt, die longitudinal zu einem Nuthohlraum verläuft, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rechenalgorithmen, die in den Programmitteln (27) gespeichert
sind, die Koordinaten des Greifpunkts (P) für das Greifelement (18) und den
Drehwinkel (A) des Metallblechs (L) in bezug auf eine Gruppe von drei
kartesischen Achsen (X, Y, Z) und eine Drehachse parallel zur Erzeugenden-Linie
der Biegestempel-Baueinheit anhand der folgenden Formeln definieren:
θ = arctg /a
worin "a" ein in der Prozeßeinheit (25) im voraus gespeicherter Parameter ist,
der die maximale Breite des Nuthohlraums der Biegestempel-Baueinheit (19,
20) angibt, und worin "1" ein konstanter Wert ist, der gleich dem Abstand
zwischen dem Greifpunkt (P) des Metallblechs (L) und einem
Kontaktbiegepunkt (A) am Beginn des Biegens dieses Metallblechs (L) ist.
3. Automatische Metallblech-Biegeeinheit nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Parameter "a", der die maximale Breite des
Nuthohlraums der Biegestempel-Baueinheit (19, 20) angibt, und der Nullpunkt
auf der Bezugsachse (Z') für den Signalgenerator (22), anhand dessen die
Verschiebung des beweglichen Stempelelements (20) während des Biegens
erfaßt wird, im voraus in einem programmierbaren und löschbaren EEPROM-
Speicher der Prozeßeinheit (32) gespeichert sind.
4. Automatische Metallblech-Biegeeinheit nach den Ansprüchen 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine manuell betätigbare Rücksetz-Wähleinheit
(30) vorgesehen ist, die die Presse zurücksetzt und den erfaßten Null-
Bezugspunkt auf der Achse (Z') des Signalgenerators (22) in dem
programmierbaren Speicher (EEPROM) der Prozeßeinheit speichert.
5. Automatische Metallblech-Biegeeinheit nach Anspruch 1, in der der
Manipulator vom kartesischen Typ ist.
6. Automatische Metallblech-Biegeeinheit nach Anspruch 1, in der der
Manipulator vom anthropomorphen Typ ist.
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