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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung, insbesondere
zum Fräsen, Schleifen
und Polieren von metallischen Oberflächen, mit wenigstens einem
an einem Werkzeugkopf angeordneten, durch mindestens einen Antrieb
rotierend bewegten Werkzeug mit zumindest einem Arbeitsbereich.
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Solche
Vorrichtungen sind aus dem nicht druckschriftlich belegbaren Stand
der Technik in verschiedener Ausgestaltung bekannt. Es handelt sich insbesondere
um Winkelschleifer oder Bohrmaschinen, die mit unterschiedlichen
Werkzeugen, vor allem Schleif-, Polier-, Schrubb- und Frässcheiben
zur Bearbeitung von Werkstückoberflächen unterschiedlichster
Art ausgerüstet
sind. Beispielhaft sei hier die Automobilindustrie angeführt. Dort
werden die Schweißnähte unterschiedlichster
Bauteile – beispielsweise
die Schweißnähte von
Türrahmen – durch
Arbeitskräfte
mit handelsüblichen
Winkelschleifern eingeebnet. Hierzu werden zunächst mit einem ersten Winkelschleifer
die über
die Oberfläche des
Werkstückes überstehenden Bestandteile
der Schweißnähte grob
abgefräst,
anschließend
werden diese mit einem zweiten bzw. einem dritten Winkelschleifer
geschliffen und poliert. Diese Arbeitsweise ist nachteilig, da die
zeitaufwändige
Handarbeit hohe Personalkosten verursacht und keine einheitliche Verarbeitungsqualität gewährleistet
werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der
bei geringeren Kosten eine höhere
Verarbeitungsqualität
gewährleistet
wird.
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Gelöst wird
diese Aufgabe zunächst
durch die Merkmale des Anspruches 1, insbesondere durch die Merkmale
des Kennzeichenteils, wonach der Werkzeugkopf wenigstens zwei Werkzeuge
aufweist und über
eine Drehachse mit einer beweglichen Führungseinrichtung verbunden
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt eine höhere
Bearbeitungsgeschwindigkeit, da anstelle des Werkzeugtausches ein
Werkzeugwechsel auf vorteilhafte Weise durch einfaches Drehen des
Werkzeugkopfes um seine Drehachse erfolgt. Die Anordnung des Werkzeugkopfes
an einer beweglichen Führungseinrichtung
hat bei manueller Bedienung den großen Vorteil, dass die Gewichtskräfte sowie die
durch die rotierenden Werkzeuge hervorgerufenen Kräfte abgefangen
werden und eine exaktere Werkstückbearbeitung
möglich
ist. Darüber
hinaus können
die Werkzeuge auch mit geringerer Geschwindigkeit rotieren, wodurch
der Werkzeugverschleiß vermindert
wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Werkzeugkopf an einer roboterartigen, vollautomatisch gesteuerten
Führungseinrichtung
angeordnet, wodurch eine besonders präzise, schnelle und kostengünstige Bearbeitung
der jeweiligen Werkstücke
erfolgt.
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Zur
Verringerung des Programmieraufwandes bei vollautomatisch gesteuerter
Vorrichtung bzw. zur einfacheren Handhabung bei manueller Steuerung
sowie für
eine schnellere Bearbeitung ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Drehachse zwischen den Werkzeugen angeordnet ist, wobei bevorzugterweise
die Werkzeuge zur Drehachse einen im wesentlichen gleichen Abstand
aufweisen. So liegen die einzelnen Werkzeuge auf einer gemeinsamen
Kreisbahn, deren Mittelpunkt die Drehachse ist, wodurch die Vorrichtung
lediglich vor dem ersten Bearbeitungsschritt korrekt positioniert
werden muss und es für
weitere Schritte ausreicht, lediglich den Werkzeugkopf zur Ansteuerung
eines weiteren Werkzeuges um die Drehachse zu bewegen.
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Weisen
darüber
hinaus die Werkzeuge zueinander dieselben Abstände auf der Kreisbahn auf, wird
der Werkzeugkopf zum Werkzeugwechsel jeweils im selben Winkel gedreht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Werkzeuge auf einer dem Werkstück zugewandten Grundfläche des
Werkzeugkopfes angeordnet und liegen mit ihren jeweiligen Arbeitsbereichen
zumindest teilweise in derselben Ebene. Dies verringert insbesondere
bei vollautomatischer Steuerung den Programmieraufwand, da zur Positionierung
des Arbeitsbereiches nur eine Bezugsebene vorgegeben ist. Darüber hinaus
wird auch die Handhabung einer manuell gesteuerten Führungseinrichtung
vereinfacht.
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Es
ist wünschenswert,
dass die Werkzeuge über
einen gemeinsamen Antrieb in Rotation versetzt werden, da dies zum
einen die Fertigungskosten für den
Werkzeugkopf senkt und darüber
hinaus die Steuerung vereinfacht.
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Denkbar
ist, dass die gemeinsam angetriebenen Werkzeuge durch Unter- oder Übersetzung mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, so dass jedes Werkzeug
mit optimalem Wirkungsgrad einsetzbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Werkzeugkopf eine Kupplungseinrichtung
aufweist, über die
der Antrieb lösbar
am Werkzeugkopf angeordnet ist. Dies erlaubt zunächst ein besonders einfaches Austauschen
eines defekten Antriebes, lässt
zudem aber die Möglichkeit,
den Werkzeugkopf in Abhängigkeit
von der Art der Werkzeuge besonders einfach mit einem entsprechend
angepassten Antrieb zu versehen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
schließen
die Arbeitsbereiche der Werkzeuge zumindest mit wenigsten einem
Teilbereich ihre Außenkontur
mit der Außenkontur
des Werkzeugkopfes ab, bevorzugterweise ragen sie jedoch über die
Außenkontur
des Werkzeugkopfes hinaus. Diese Konstruktion erlaubt es, insbesondere
in Verbindung mit der roboterartigen Führungseinrichtung, deren Freiheitsgrade
zu nutzen, ohne dass diese durch die Kontur des Werkzeugkopfes in
ihrer Bewegung eingeschränkt
wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
kennzeichnet sich dadurch aus, dass die Grundfläche des Werkzeugkopfes als
gleichschenkeliges Dreieck mit vorzugsweise abgerundeten Eckbereichen
ausgebildet ist, in denen je ein Werkzeug angeordnet ist, dessen
Kontur über
die Kontur der Eckbereiche hinausragt und dass die Drehachse des
Werkzeugkopfes im Mittelpunkt der Grundfläche liegt, wobei die Werkzeuge
bevorzugterweise einen Winkel von etwa 120° zueinander aufweisen. Diese
Ausführungsform
eignet sich besonders für
den vollautomatischen, robotergestützten Einsatz, da die Freiheitsgrade
eines solchen Systems durch die Dreiecksform des Werkzeugkopfes
und die Anordnung der Werkzeuge in keinster Weise eingeschränkt ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus nicht zitierten Unteransprüchen und
der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
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1 eine
robotergestützte
Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung,
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2 einen
Werkzeugkopf einer Vorrichtung gemäß 1 in werkzeugseitiger
Ansicht von unten,
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3 eine
perspektivische Teilansicht einer Vorrichtung gemäß 1 und
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4 eine
teilgeschnittene Seitenansicht eines Werkzeugkopfes einer Vorrichtung
gemäß 1.
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In
den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung insgesamt mit
der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
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Eine
derartige Vorrichtung 10 ist in 1 dargestellt.
Sie weist einen Werkzeugkopf 11 auf, der im Wesentlichen
aus einem Gehäuse 12 mit
einem als zentrale Drehachse D ausgebildeten Verbindungselement 13 besteht, über das
der Werkzeugkopf 11 an einem schwenk- und drehbeweglichen Gelenk 35 einer
Führungseinrichtung 18 befestigt
ist. An dem Werkzeugkopf 11 sind an einer einem Werkstück 14 zugewandten
Grundfläche 15 drei
Werkzeuge 16 angeordnet. Das Werkstück 14 selbst ist positionsfest
auf einem Tisch festgelegt. Die Werkzeuge 16 werden über einen
lösbar
am Gehäuse 12 angeordneten
Antrieb 17 in Rotation versetzt.
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In 1 ist
die Führungseinrichtung 18 als vollautomatischer
Roboter ausgebildet, welcher den Werkzeugkopf 11 bzw. die
Werkzeuge 16 einem beliebigem Bearbeitungsbereich W des
Werkstückes 14 zuführen kann.
Der Bearbeitungsbereich W ist in 1 als Schweißnaht 20 dargestellt,
die teilweise aus einer Oberflächenkontur 21 des
Werkstückes 14 herausragt.
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2 zeigt
den Werkzeugkopf 11 in einer werkzeugseitigen Ansicht.
Die Grundfläche 15 weist in 2 eine
im Wesentlichen dreieckige Kontur auf, in deren Eckbereichen 23 je
ein Werkzeug 16 angeordnet ist. Vorliegend handelt es sich
um eine Frässcheibe 22,
eine Schleifscheibe 24 und eine Polierscheibe 25.
Diese sind mit ihren Rotationsachsen 26 auf einer gemeinsamen
Kreisbahn K angeordnet, deren Mittelpunkt durch die zentrale Drehachse
D gebildet wird. Die Werkzeuge 16 ragen mit einem Teil
ihrer Außenkontur über die
Kontur der Grundfläche 15 hinaus.
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Zur
Erläuterung
der Arbeitsweise der Vorrichtung 10 wird nachfolgend beschrieben,
wie der überstehende
Teil der Schweißnaht 20 des
Werkstückes 14 – beispielsweise
einer Fahrzeugtür – bearbeitet
wird:
Zunächst
verfährt
die Führungseinrichtung 18 den Werkzeugkopf 11 über den
Bearbeitungsbereich W. Unmittelbar vor Arbeitsbeginn versetzt der
Antrieb 17 die Werkzeuge 16 gemeinsam in Rotation.
Zunächst wird
die Frässcheibe 22 auf
den Bearbeitungsbereich W ausgerichtet und entfernt grob den über die
Oberfläche 21 des
Werkstückes 14 überstehenden
Anteil der Schweißnaht 20.
Im nächsten
Arbeitsschritt wird das nächst
feinere Werkzeug 16, die Schleifscheibe 24, auf
den Bearbeitungsbereich W ausgerichtet und entfernt eventuell überstehende
Restbestandteile der Schweißnaht 20,
damit abschließend
die Polierscheibe 25 eine Oberflächennachbehandlung vornimmt.
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Die
Anordnung der Werkzeuge 16 an der Grundfläche 15 auf
der gemeinsamen Kreisbahn K um die zentrale Drehachse D sowie ein
einheitlicher Abstand A zwischen den Werkzeugen 16 verringert den
Programmieraufwand bei vollautomatischen Führungseinrichtungen und steigert
die Bearbeitungsgeschwindigkeit erheblich. Zunächst ist eine Positionsbestimmung
des Bearbeitungsbereiches W nur vor dem ersten Arbeitsschritt, dem
Fräsen,
erforderlich. Die Positionierung von Schleifscheibe 24 und Polierscheibe 25 ergibt
sich notwendigerweise aus dem Abstand der Werkzeuge 16 zueinander.
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Es
vereinfacht den Programmieraufwand weiterhin erheblich, wenn die
Arbeitsbereiche 34 der Werkzeuge in einer Ebene E liegen,
wie in 4 dargestellt, da zur Steuerung des Abstandes
zwischen Arbeitsbereich 34 und Oberfläche 21 nur eine Bezugsebene
zu berücksichtigen
ist.
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Die
Lage der Werkzeuge 16 und die zentrale Drehachse D auf
einer gemeinsamen Kreisbahn K gewährleisten die kürzesten
Positionswege beim Werkzeugwechsel, da der Werkzeugkopf 12 lediglich gedreht
werden muss.
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Eine
derartige roboterartige, vollautomatische Führungseinrichtung bearbeitet
beispielsweise die Schweißnähte von
Türrahmen
in weniger als 60 Sekunden, während
bei der oben beschriebenen Handarbeit mit diversen Winkelschleifern
ca. 150 Sekunden notwendig sind.
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Ist
die Vorrichtung 10, wie in 1 dargestellt,
mit einer Führungseinrichtung 18 verbunden, die
im Raum nicht nur in x-, y- und z-Achse frei beweglich, sondern darüber hinaus
horizontal in jede Richtung neigbar ist, ist es von besonderem Vorteil, die
Werkzeuge 16 so anzuordnen, dass ihre Kontur teilweise über die
Außenkontur
der Grundfläche 15 hinaus
ragt oder aber zumindest partiell mit dieser abschließt. So kann
jede Ausgestaltung einer Werkstückoberfläche 21 bearbeitet
werden, ohne dass der Werkzeugkopf 11 bzw. das Gehäuse 12 die
Freiheitsgrade einer Führungseinrichtung 18 einschränken.
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3 zeigt
eine perspektivische Teilansicht der bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung 10. Hierbei ist der Werkzeugkopf 11 über das
Verbindungselement 13 mit dem Gelenk 35 der roboterartigen
Führungseinrichtung 18 verbunden.
Die Werkzeuge 16 – ausgebildet
als Frässcheibe 22,
Schleifscheibe 24 und Polierscheibe 25 – sind an
der Grundfläche 15 des
nahezu dreieckig ausgestalteten Werkzeugkopfes 11 angeordnet,
wobei ein Eckbereich als Getriebegehäuse 27 mit Kuppeleinrichtung 37 und Umsetzgetriebe 28 (s. 4)
ausgebildet ist. An das Getriebegehäuse 27 ist der Antrieb 17 über die
Kuppeleinrichtung 37 mittels vier nicht dargestellten Schrauben
lösbar
angesetzt. Es handelt sich vorteilhafterweise um den Antrieb 17 eines
handelsüblichen
Winkelschleifers. Dieser stellt derzeit die günstigste und verschleißärmste Antriebseinheit
dar und ist darüber
hinaus im Schadensfall überall
verfügbar und
leicht zu wechseln.
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In 4 ist
die Vorrichtung 10 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht
dargestellt, wobei gestrichelte Linien nicht sichtbare Teile andeuten.
Hervorzuheben sind hier insbesondere das Umsetzgetriebe 28,
an das über
die Kupplungseinrichtung 37 der Antrieb 17 angeflanscht
wird. Dieser wirkt über
eine Antriebsachse 29 direkt auf die Frässcheibe 22. Schleifscheibe 24 und
Polierscheibe 25 sind jeweils über ein innerhalb des Gehäuses 12 angeordnetes
Achslager 30 und jeweils eine Werkzeugachse 31 im
Werkzeugkopf 11 gelagert. Innerhalb des Gehäuses 12 sind
auf den Achsen 31 bzw. 29 Zahnräder 32 angeordnet,
die über
einen Zahnriemen 33 miteinander und über das Umsetzgetriebe 28 mittelbar
mit dem Antrieb 17 verbunden sind. Sie werden gemeinsam durch
den Antrieb 17 in Rotation versetzt. Deutlich zeigt die
Darstellung auch die in einer Ebene E liegenden Arbeitsbereiche 34 der
Werkzeuge 16. Diese schneidet den Arbeitsbereich 34 der
Frässcheibe 22 aufgrund
seiner annähernd
konvexen Form vorzugsweise mittig.
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Je
nach Anforderung ist es selbstverständlich denkbar, dass nur zwei
oder aber mehr als drei Werkzeuge 16 an einem Werkzeugkopf 11 angeordnet
sind. Vorzugsweise ist die Grundfläche 15 entsprechend
der Werkzeuganzahl vieleckig ausgestaltet, so dass in jedem Eckbereich
ein Werkzeug 16 befestigt ist. Der Werkzeugkopf 11 kann
jedoch auch kubisch ausgestaltet sein, wobei Werkzeuge 16 auf den
Seitenflächen
angeordnet sind.
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Es
ist denkbar, jedem Werkzeug 16 oder Werkzeuggruppen separate
Antriebseinheiten 17 zuzuordnen. Auch muss eine Vorrichtung 10 nicht
an einer roboterartigen Führungseinrichtung 18 angeordnet
sein. Bei ausschließlich
ebenen Werkstücken
ist die Anordnung des Werkzeugkopfes 11 auch an einer linearen
Führungseinrichtung
(räumliche
Bewegung nur in x-, y- und/oder z-Richtung) vorstellbar.
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Auch
ist der Erfindungsgedanke nicht auf eine vollautomatische Führungseinrichtung 18 beschränkt, sondern
erstreckt sich auch auf halbautomatische bzw. rein handgeführte Führungseinrichtungen.
Diese nehmen die Gewichtskräfte
und die durch die Rotationsbewegung hervorgerufenen Kräfte auf,
so dass im Vergleich mit einem Winkelschleifer eine deutlich bessere
Führung
des Werkzeuges möglich
ist.
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Ganz
allgemein erlauben derartige Führungseinrichtungen 18 – ob manuell
oder vollautomatisch gesteuert – niedrigere
Werkzeuggeschwindigkeiten (beispielsweise 3000 U/min gegenüber 12000 U/min
bei einem handgeführten
Winkelschleifer). Infolgedessen kann der Werkzeugverschleiß erheblich minimiert
werden, was längere
Werkzeugstandzeiten und geringere Maschinenkosten zur Folge hat.