DE3517714A1 - Verfahren zum automatischen zuschneiden von planparallelen werkstuecken, insbesondere aus holz, sowie einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zum automatischen zuschneiden von planparallelen werkstuecken, insbesondere aus holz, sowie einrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrensInfo
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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 (6)
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.
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