DE3517714A1

DE3517714A1 - Verfahren zum automatischen zuschneiden von planparallelen werkstuecken, insbesondere aus holz, sowie einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3517714A1
Application number: DE19853517714
Authority: DE
Inventors: Enis Ersue; Wilhelm Schlapp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-05-17
Publication date: 1987-01-22
Also published as: WO1986006676A1; DE3517714C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum automati schen Zuschneiden von planparallelen Werkstücken, insbe sondere aus Holz.

Es ist bekannt, den Zuschnitt von Brettware eindimensional zu optimieren. Dabei werden fehlerhafte Stellen eines Werk stücks von Hand durch Striche markiert, die senkrecht zur Längsrichtung des Werkstücks verlaufen und von einem Li nienabtaster erkannt werden. Ein Rechner ermittelt sodann unter Berücksichtigung der Gesamtlänge des Werkstücks, der aufgetragenen Strichmarken und der gewünschten Zuschnitt längen die optimale Schnittführung.

Es ist ferner bekannt, den Zuschnitt von Plattenware vorge gebener gleicher Größer, beispielsweise von Spanplatten, zweidimensional zu optimieren. Hierbei werden die zu füh renden Schnitte vor der Bearbeitung unter Berücksichtigung der Plattengröße einerseits und der Größe und Anzahl der gewünschten Teilflächen andererseits von einem Rechner er mittelt. In der Plattenware möglicherweise enthaltene feh lerhafte Stellen bleiben bei diesem Verfahren jedoch unbe rücksichtigt. Auch eignet sich dieses Verfahren nicht für Plattenware ständig wechselnder Größe und Struktur.

Bei keinem der bekannten Verfahren werden die Ergebnisse der Zuschnittoptimierung zur Automatisierung des Zuschnei dens verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zuschnitt planparalleler Werkstücke, beispielsweise aus Holz oder Leder, in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Größe und un ter Berücksichtigung von Oberflächenfehlern entsprechend den geforderten Teilgrößen zu optimieren und das Optimie rungsergebnis zum automatischen Zuschneiden des Werkstücks zu verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Werkstücks mindestens einseitig geometrisch und strukturell erfaßt wird, daß aufgrund der erfaßten In formationen unter Verwendung eines Rechners ein Schema zur optimalen Belegung des Werkstücks mit Teilflächen vorgege bener Größe und Güte ermittelt wird, daß aufgrund des er mittelten Schemas unter Verwendung desselben oder eines an deren Rechners automatisch eine Bewegungsbahn für einen In dustrie-Roboter sowie ein Arbeitsdiagramm für eine oder mehrere Trennvorrichtungen erstellt werden und daß auf grund der Bewegungsbahn der Industrie-Roboter und aufgrund des Arbeitsdiagramms die Trennvorrichtung(en) gesteuert werden, wobei nach erfolgter Trennung die Teilstücke nach Größe und Struktur sortiert und abgelegt werden.

Zur Erfassung der Geometrie und der Struktur der Werkstück oberfläche dient gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Er findung ein Bilderfassungssystem.

Da Fehler im Werkstück und auch Schnittkanten auf den bei den parallelen Oberflächen des Werkstücks in unterschied licher Größe bzw. Lage erscheinen können, ist die Erfas sung beider Oberflächen erforderlich. Zu diesem Zweck wer den gemäß einer Weiterbildung der Erfindung entweder zu nächst die eine Oberfläche und nach Wenden des Werkstücks die andere Oberfläche oder aber beide Oberflächen gleich zeitig erfaßt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß erstens das jeweils erfaßte Werkstück unter Erkennen der Fehlerstellen und mit geringstem Abfall zugeschnitten wird, wobei auch die Maserung der Oberfläche berücksichtigt werden kann, was vor allem beispielsweise im Möbelbau von Wichtigkeit ist, und daß zweitens der Transport zum Arbeitstisch, das Zuschneiden des Werkstücks und die Sortierung und Ablage der Teilstücke automatisch erfolgt. Der Einsatz eines Rechners erlaubt ferner eine Protokollierung der Bearbeitung des Werkstücks, so daß nach einer automatischen Auswertung dieser Daten ausrei chende Informationen über Lagerbestand und Qualität der zu geschnittenen Teilstücke vorliegen und eine lagerbestands orientierte Planung der Produktion erfolgen kann.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5.

Ein Ausführungsbeispiel dieser Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie ben; damit wird zugleich auch das erfindungsgemäße Verfah ren verdeutlicht.

Mit 1 ist ein Stapel von Werkstücken 2 bezeichnet, der als Material-Puffer dient. Hier werden die eingehenden Werk stücke 2 vorübergehend gespeichert und bei Bedarf mittels eines Transportsystems einzeln zur nachfolgenden Bearbei tung an einen Bildtisch 3 weitergegeben.

Auf dem Bildtisch 3 wird die Geometrie und die Struktur der Werstückoberfläche von einem Bilderfassungssystem auf einer hierfür vorgesehenen Plattform 4 erfaßt, deren Struk tur, Helligkeit und Farbe den Anforderungen der Bilderfas sung und -auswertung angepaßt sind.

Zur Erfassung der geometrischen und strukturellen Eigen schaften der Werkstückoberfläche ist mindestens ein opti scher Sensor, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine elektronische Kamera 5, zusammen mit den notwendigen Be leuchtungsvorrichtungen in geeigneter Position zum Bild tisch angeordnet. Wenn der Bildbereich einer Kamera 5 nicht ausreicht, das gesamte Werkstück 2 zu erfassen, wer den die zur Analyse notwendigen Informationen aus mehreren Teilbildern gewonnen. Diese Teilbilder können entweder durch mehrere Kameras erzeugt werden oder dadurch zustande kommen, daß das Werkstück 2 und eine oder mehrere Kameras 5 relativ zueinander verschoben werden, so daß jeweils nur ein Teilbereich des Werkstücks 2 erfaßt wird. Auf der Ober fläche der Plattform 4 sind in diesem Fall vom Bildauswer tungssystem steuerbare optische Signale 18 angebracht, die ein automatisches Erkennen von Größe und Lage des auszuwer tenden Teilbereiches des Bildtisches ermöglichen. Diese Signale 18 und etwaige zusätzliche Markierungen dienen da zu, aus den erwähnten Teilbildern ein korrektes Gesamtbild zu erzeugen.

Um beide Oberflächen eines Werkstücks 2 zu analysieren, wird dieses um eine definierte horizontale Achse um 180° gedreht und wieder dem Bilderfassungssystem zugeführt. Die Wendevorrichtung 6 ist so konzipiert, daß sich das Werkstück 2 bei der Wendung in seiner Form nicht verändert oder zerstört wird und daß es sich auch nach der Wendung in einer definierten Lage befindet.

Aus den Daten, die der Sensor (Kamera 5) liefert, erarbei tet ein Rechner 7 Informationen über Position und Geome trie des Werkstücks 2 sowie über Struktur und Qualität der Werkstückoberfläche. Es werden die Merkmale extrahiert, die für die weitere Bearbeitung notwendig sind. Durch eine modulartige Konzeption kann die Merkmalsextraktion unter schiedlichen Werkstücken angepaßt werden.

Nach der Erfassung der Eigenschaften der Oberfläche des Werkstücks 2 wird dieses zu einem Trenntisch, im darge stellten Ausführungsbeispiel zu einem Sägetisch 8, trans portiert. Der Sägetisch 8 besteht aus einer Plattform 9 mit zwei orthogonal zueinander angeordneten Schneidevor richtungen. Für den Zuschnitt von Holz dienen zwei Kreis sägen 10 und 11, die durch eine spezielle Vorschubeinrich tung Linearbewegungen derart ausführen, daß das Sägeblatt stets eine Schnittbewegung konstanter Länge durchführt und anschließend unterhalb der Plattformoberfläche zur Aus gangsstellung zurückkehrt. Zur Beseitigung der durch die geometrische Form der Kreissägen 10 und 11 erzeugten kreisbogenförmigen Schnittenden sind unterhalb der Platt form 9 zwei Stichsägen angebracht. Die der jeweiligen Schnittrichtung zugehörige Stichsäge wird nach Beendigung eines Kreissägenschnittes automatisch nach oben geführt, um ein senkrechtes Schnittende zu erzeugen, und anschlie ßend wieder unter die Plattform 9 gezogen. Während des Sägens wird das Werkstück durch mehrere stempelähnliche Festhaltevorrichtungen 12 auf der Plattform 8 fixiert.

Der beim Sägen entstehende Staub wird durch geeignete Ab saugevorrichtungen kontinuierlich entfernt, so daß keine Beeinträchtigung der optischen Sensoren durch Schmutz ent steht. Kleine Reststücke und abgebröckelte Rindenteile werden nach dem fertigen Zuschnitt des Werkstücks 2 und Abtransport der zugeschnittenen Teilstücke durch einen oder mehrere Wischer von der Plattform 9 geschoben.

Um den Haft- und Gleitreibungskoeffizienten während der Positionierung des Werkstücks 2 so gering wie möglich zu halten, wird die Plattform 9 durch materialttechnische oder konstruktive Maßnahmen den Materialeigenschaften des Werk stücks 2 angepaßt.

Zur Positionierung des Werkstücks 2 auf dem Sägetisch 8 dient ein Industrie-Roboter 13, der in seiner Bewegungs richtung mindestens vier Freiheitsgrade besitzt. Der Indu strie-Roboter 13 übernimmt die Aufgabe, das Werkstück 2 derart zu positionieren, daß die Kreissägen 10 und 11 trotz iher konstanten Vorschublängen jeweils einen Schnitt gewünschter Tiefe erzeugen. Die herausgetrennten Teilstük ke werden der Plattform 9 des Sägetisches 8 entnommen und, nach frei vorgebbaren Kriterien sortiert, auf einer Ablage gestapelt oder zur weiteren Verarbeitung frei vorwählbaren Abtransportvorrichtungen 14 zugeführt.

Zur Positionierung des Werkstücks 2 bzw. zur Ergreifung der herausgetrennten Teilstücke ist der Industrie-Roboter 13 mit Vakuumgreifern 15 ausgerüstet, die in ihrer Form, Anzahl und relativen Lage zueinander dem Werkstück 2 bzw. den herauszutrennenden Teilstücken angepaßt sind.

Die nachfolgend beschriebene Software zur Bildanalyse, Op timierung, Steuerung, Protokollierung usw. wird auf einem Prozeßrechner 16 implementiert, der eine Steuerung der er findungsgemäßen Einrichtung in Echt-Zeit gewährleistet.

Die Bedienung der Einrichtung erfolgt überwiegend über die Tastatur eines Terminals. Über dessen Bildschirm können außer für den Benutzer notwendige und interessante Daten auch Informationen über den jeweiligen Zustand einzelner Komponenten der Einrichtung (Hard- und Software) darge stellt werden. Diese Informationen dienen beispielsweise der Fehlerdiagnose.

Ein Drucker dient zur Ausgabe von Produktionsprotokollen oder Ergebnissen von statistischen Auswertungen. Zur bes seren Übersicht können Ergebnisse über einen Plotter gra phisch dargestellt werden.

Die Software gliedert sich, den unterschiedlichen Aufgaben entsprechend, in mehrere Programmeinheiten, die unter ei nem Multitasking-Betriebssystem, durch eine übergeordnete Master-Task gesteuert, quasi parallel abgearbeitet werden.

Durch eine modulartige Konzeption aller Tasks läßt sich die Software leicht an veränderte Komponenten der Einrich tung oder an andere Werkstücke anpassen.

Die Bedienung wird durch ein Dialogsystem erleichtert, das dem Benutzter eine einfache Handhabung des Systems er laubt, indem es beispielsweise jederzeit abrufbare Erläu terungen zuläßt. Die Dialogprogramme gestatten die Eingabe aller für den Betrieb notwendigen Daten, wie beispielswei se:

- Angaben über die zuzuschneidenden Teilstücke
- Informationen, die für ein interaktives Lernen ein zelner Komponenten nötig sind,
- Parameter zur Initialisierung und Justierung der Einrichtung bzw. zur Anpassung an veränderte Umge bungsbedingungen
- Steuerkommandos

Aus den orts- und amplitudenquantisierten Signalen des Bildaufnahmesystems wird durch eine Reihe von Merkmalsfil tern ein Vektor mit Merkmalen der Werkstückoberfläche ex trahiert. Aus diesen Merkmalen wird mittels eines selbst lernenden Klassifikators die Information über Qualität und Beschaffenheit der Werkstückoberfläche gewonnen.

Zusammen mit den durch spezielle Kantenfilter gewonnenen äußeren Konturlinien des Werkstücks liefert die Bildanaly se einen Datensatz, der unter anderem die folgenden Infor mationen enthält:

- Lage und Maße des Werkstücks
- Position und Größe aller auf beiden Werkstückober flächen befindlichen Störstellen
- Vorzugsrichtung der Holzmaserung

Aus den Daten der Bildanalyse und den Informationen über Anzahl, Größe und Güte der zu produzierenden Teile wird unter Berücksichtigung der Vorzugsrichtung(en) der Holzma serung ein Schema zur Belegung des Werkstücks mit Teilflä chen ermittelt. Diese Belegung wird anschließend in Bezug auf Nutzungsgrad des Werkstücks und Einhaltung des Produk tionssolls optimiert. Die Kriterien zur Optimierung sind ebenso wie die Strategie zur Belegung des Werkstücks mit Teilflächen nicht konstant, sondern werden in Abhängigkeit vom aktuellen Produktionsstand, von den Daten der Bild analyse und gegebenenfalls von zusätzlichen Parametern verändert bzw. ausgewählt. Das Ergebnis der Optimierung sind Daten, die Informationen über Position und Größe so wie Angaben zur weiteren Bearbeitung der Teilstücke ent halten, die aus dem Werkstück herausgetrennt werden sollen.

Aus der Information über Lage und Größe des Werkstücks und der aus ihm herauszutrennenden Teilstücke wird ein Bewe gungsplan entworfen, aus dem anschließend ein Programm mit Befehlen für die Steuerung 17 des Industrie-Roboters 13 gewonnen wird. Zusätzlich wird ein Ablaufplan erzeugt, der Angaben zur Steuerung der übrigen Teile der Einrichtung (Sägevorschubvorrichtung, Transportbänder, Festhaltevor richtungen 12, Wendevorrichtung 6 usw.) enthält.

Es sei noch bemerkt, daß die erfindungsgemäße Einrichtung zwei Betriebsarten erlaubt:

Im on-line-Betrieb wird das Werkstück 2 nach dem oben be schriebenen Ablauf bearbeitet.

Im off-line-Betrieb werden zunächst alle zu bearbeitenden Werkstücke vom Bilderfassungssystem detektiert und die Bildinformationen auf einem genügend großen Massenspeicher abgelegt. Diese Daten werden anschließend ausgewertet, so daß für jedes Werkstück eine Bewegungsbahn und ein Ar beitsplan für den automatischen Zuschnitt existiert. Auf grund der gespeicherten Steuerungsdaten können die Werk stücke dann zu einem späteren Zeitpunkt bearbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Zuschneiden von planpar allelen Werkstücken, insbesondere aus Holz, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks mindestens einseitig geometrisch und strukturell erfaßt wird, daß aufgrund der erfaßten Informationen unter Verwendung eines Rechners ein Schema zur optimalen Belegung des Werkstücks mit Teilflächen vorgegebener Größe und Güte ermittelt wird, daß aufgrund des ermittelten Schemas unter Verwendung desselben oder eines anderen Rechners au tomatisch eine Bewegungsbahn für einen Industrie- Roboter sowie ein Arbeitsdiagramm für eine oder meh rere Trennvorrichtungen erstellt werden und daß auf grund der Bewegungsbahn der Industrie-Roboter und aufgrund des Arbeitsdiagramms die Trennvorrichtun g(en) gesteuert werden, wobei nach erfolgter Tren nung die Teilstücke nach Größe und Struktur sortiert und abgelegt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zunächst die Oberfläche einer Sei te des Werkstücks erfaßt, sodann das Werkstück ge wendet und die Oberfläche der gegenüberliegenden Seite erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks gleichzeitig erfaßt wer den.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks jeweils mittels eines Bilderfassungs systems detektiert wird.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich net durch folgende Merkmale:

- es ist eine Vorrichtung zum Transport des Werk stücks (2) von einem als Material-Puffer dienen den Stapel (1) zu einem Bildtisch (3) mit einer Plattform (4) vorgesehen,
- der Bildtisch (3) ist gegebenenfalls mit einer Wendevorrichtung (6) für das Werkstück versehen,
- es ist mindestens ein optischer Sensor, vorzugs weise eine elektronische Kamera (5), zur geome trischen und strukturellen Erfassung der Oberflä che des Werkstücks (2) vorgesehen und zusammen mit gegebenenfalls erforderlichen Beleuchtungsvor richtungen in geeigneter Position zum Bildtisch (3) angeordnet,
- es ist eine Vorrichtung zum Transport des Werk stücks (2) zu einem Trenntisch (8) vorgesehen,
- der Trenntisch (8) weist zwei Trenneinrichtungen (10 und 11) auf, von denen eine parallel und die andere senkrecht zur Transportrichtung des Werk stücks (2) angeordnet ist,
- neben dem Trenntisch (8) ist ein mit Mehrfach- Vakuumgreifer (15) ausgerüsteter Industrie-Robo ter (13) mit mindestens vier Freiheitsgraden auf gestellt,
- es ist mindestens ein Rechner (16) vorgesehen, der aus den vom Sensor (bzw. von den Sensoren) erfaßten Informationen ein Schema zur optimalen Belegung des Werkstücks (2) mit Teilflächen vor gegebener Größe und Güte ermittelt, daraus auto matisch eine Bewegungsbahn für den Industrie-Ro boter (13) sowie ein Arbeitsdiagramm für die Trenneinrichtungen (10 und 11) erstellt und der Steuerung (17) für den Industrie-Roboter (13) und die Trenneinrichtungen (10 und 11) zuführt, und
- es ist eine Ablagevorrichtung für die herausge trennten Teilstücke, jeweils sortiert nach Größe und Struktur, vorgesehen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trenneinrichtungen (10 und 11) des Trenntisches (8) als Kreissägen ausgebildet sind und daß für jede Kreissäge eine unterhalb des Trenntisches (8) angeordnete Stichsäge zur Begradi gung des kreisbogenförmigen Endes des Kreissägen schnittes vorgesehen ist.