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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.