DE3517714C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Zuschneiden von flächigen Materialstücken mit planparallelen ebenen Sei­ ten und beliebiger Außenkontur, insbesondere von unbesäum­ ten Holzbrettern, zu von regelmäßigen Umrißlinien begrenzten Werkstücken in vorgegebenen Größen sowie vorgegebener Anzahl und Qualität unter Berücksichtigung der Oberflächenstruktur in Gestalt örtlicher Fehler und ggf. weiterer Besonderheiten, wie bei Holzbrettern dem Verlauf der Maserung.

Es ist ein Verfahren bekannt (DE-OS 24 02 301), bei welchem ein wandernder Streifen plattenförmigen Materials fortlaufend in Hinblick auf Oberflächen- und Dickenfehler abgetastet und je nach dem Abstand solcher Fehlerstellen quer zur Laufrich­ tung liegende Trennstellen bestimmt und von mitlaufenden Trenn­ vorrichtungen entsprechende Trennschnitte ausgeführt werden. Das vorbekannte Verfahren ist ein rein eindimensionales Ver­ fahren. Die Aufteilung flächiger Materialstücke auf optimale Weise in wiederum flächige Werkstücke nicht nur verschiedener Länge, sondern auch verschiedener Breiten bei ggf. auch noch zusätzlicher Berücksichtigung der Maserrichtung ist damit nicht möglich. Es fehlt dabei an der Schaffung eines fiktiven Abbildes des gesamten Materialstücks als Voraussetzung für dessen Aufteilung in Teilflächen, die den daraus herzustel­ lenden Werkstücken entsprechen.

Es ist ferner bekannt, den Zuschnitt von Plattenware vorge­ gebener gleicher Größe, beispielsweise von Spanplatten, zwei­ dimensional zu optimieren. Hierbei werden die zu führenden Schnitte vor der Bearbeitung unter Berücksichtigung der Plattengröße einerseits und der Größe und Anzahl der ge­ wünschten 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 Zuschneidens verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Zuschnitt plan­ paralleler, flächiger Materialstücke, 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 Optimierungs­ ergebnis zum automatischen Zuschneiden des Materialstücks zu verwenden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• - daß zunächst die Oberfläche eines Materialstücks mindestens einseitig geometrisch und strukturell er­ faßt und daraus ein fiktives Abbild der Material­ oberfläche gewonnen wird,
• - daß daraufhin das Abbild zur optimalen Ausnützung des verwendbaren Teils des Materialstücks unter Be­ rücksichtigung der Oberflächenstruktur mit den Werk­ stücken entsprechenden Teilflächen belegt und hier­ durch ein Schnittlinienmuster festgelegt wird und
• - daß schließlich das Materialstück entsprechend dem Schnittlinienmuster in einer Vielzahl hinsichtlich ihrer Längs- und Querkoordinaten und ihrer Drehstel­ lungen wechselnder Positionen auf einer ebenen Ar­ beitsunterlage einen oder mehreren Trennwerkzeugen dargeboten wird, welche durch sich in jeder Position an Ort und Stelle der Arbeitsunterlage wieder­ holenden Trennschnitte die Werkstücke aus dem Materialstück heraustrennen.

Da Fehler im Materialstück und auch Schnittkanten auf den beiden parallelen Oberflächen des Materialstücks in unter­ schiedlicher Größe bzw. Lage erscheinen können, ist die Er­ fassung beider Oberflächen erforderlich. Zu diesem Zweck wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Oberfläche des Materialstücks beidseitig erfaßt und beide Seiten bei der Gewinnung des Abbildes einander überlagert werden.

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

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß erstens das jeweils erfaßte Materialstück 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 Materialstücks und die Sortierung und Ablage der Teilstücke automatisch erfolgt. Der Einsatz eines Rechners erlaubt ferner eine Protokollie­ rung der Bearbeitung des Materialstücks, so daß nach einer automatischen Auswertung dieser Daten ausreichende Informa­ tionen über Lagerbestand und Qualität der zugeschnittenen Werkstücke vorliegen und eine lagerbestandsorientierte Pla­ nung 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 Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben; da­ mit wird zugleich auch das erfindungsgemäße Verfahren ver­ deutlicht.

Mit 1 ist ein Stapel vom Materialstück 2 bezeichnet, der als Material-Puffer dient. Hier werden die eingehenden Ma­ terialstücke 2 vorübergehend gespeichert und bei Bedarf mittels eines Transportsystems einzeln zur nachfolgenden Bearbeitung an einen Bildtisch 3 weitergegeben.

Auf dem Bildtisch 3 wird die Geometrie und die Struktur der Materialstückoberfläche 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 Eigenschaf­ ten der Materialstückoberfläche ist mindestens ein optischer Sensor, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine elektroni­ sche Kamera 5, zusammen mit den notwendigen Beleuchtungs­ vorrichtungen in geeigneter Position zum Bildtisch angeord­ net. Wenn der Bildbereich einer Kamera 5 nicht ausreicht, das gesamte Materialstück 2 zu erfassen, werden die zur Ana­ lyse notwendigen Informationen aus mehreren Teilbildern ge­ wonnen. Diese Teilbilder können entweder durch mehrere Kame­ ras erzeugt werden oder dadurch zustande kommen, daß das Materialstück 2 und eine oder mehrere Kameras 5 relativ zueinander verschoben werden, so daß jeweils nur ein Teil­ bereich des Materialstücks 2 erfaßt wird. Auf der Oberfläche der Plattform 4 sind in diesem Fall vom Bildauswertungssystem steuerbare optische Signale 18 angebracht, die ein automa­ tisches Erkennen von Größe und Lage des auszuwertenden Teil­ bereiches des Bildtisches ermöglichen. Diese Signale 18 und etwaige zusätzliche Markierungen dienen dazu, aus den erwähn­ ten Teilbildern ein korrektes Gesamtbild zu erzeugen.

Um beide Oberflächen eines Materialstückes 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 Material­ stück 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, erarbeitet ein Rechner 7 Informationen über Position und Geometrie des Materialstückes 2 sowie über Struktur und Qualität der Mate­ rialstückoberfläche. Es werden die Merkmale extrahiert, die für die weitere Bearbeitung notwendig sind. Durch eine modul­ artige Konzeption kann die Merkmalsextraktion unterschiedlichen Materialstücken angepaßt werden.

Nach der Erfassung der Eigenschaften der Oberfläche des Mate­ rialstückes 2 wird dieses zu einem Trenntisch, im dargestellten Ausführungsbeispiel zu einem Sägetisch 8, transportiert. Der Sägetisch 8 besteht aus einer Plattform 9 mit zwei orthogonal zueinander angeordneten Schneidevorrichtungen. Für den Zu­ schnitt von Holz dienen zwei Kreissägen 10 und 11, die durch eine spezielle Vorschubeinrichtung Linearbewegungen derart ausführen, daß das Sägeblatt stets eine Schnittbewegung kon­ stanter Länge durchführt und anschließend unterhalb der Plattformoberfläche zur Ausgangsstellung zurückkehrt. Zur Beseitigung der durch die geometrische Form der Kreissägen 10 und 11 erzeugten kreisbogenförmigen Schnittenden sind un­ terhalb der Plattform 9 zwei Stichsägen angebracht. Die der jeweiligen Schnittrichtung zugehörige Stichsäge wird nach Beendigung eines Kreissägenabschnitts automatisch nach oben geführt, um ein senkrechtes Schnittende zu erzeugen, und an­ schließend wieder unter die Plattform 9 gezogen. Während des Sägens wird das Materialstück durch mehrere stempelähnliche Festhaltevorrichtungen 12 auf der Plattform 8 fixiert.

Der beim Sägen entstehende Staub wird durch geeignete Absauge­ vorrichtungen kontinuierlich entfernt, so daß keine Beeinträch­ tigung der optischen Sensoren durch Schmutz entsteht. Kleine Reststücke und abgebröckelte Rindenteile werden nach dem ferti­ gen Zuschnitt des Materialstückes 2 und Abtransport der zuge­ schnittenen Werkstücke durch einen oder mehrere Wischer von der Plattform 9 geschoben.

Um den Haft- und Gleitreibungskoeffizienten während der Posi­ tionierung des Materialstückes 2 so gering wie möglich zu hal­ ten, wird die Plattform 9 durch materialtechnische oder kon­ struktive Maßnahmen den Materialeigenschaften des Material­ stückes 2 angepaßt.

Zu der Positionierung des Materialstückes 2 auf dem Sägetisch 8 dient ein Industrie-Roboter 13, der in seiner Bewegungsrich­ tung mindestens vier Freiheitsgrade besitzt. Der Industrie- Roboter 13 übernimmt die Aufgabe, das Materialstück 2 derart zu positionieren, daß die Kreissägen 10 und 11 trotz ihrer konstanten Vorschublängen jeweils einen Schnitt gewünschter Tiefe erzeugen. Die herausgetrennten Werkstücke werden der Plattform 9 des Sägetisches 8 entnommen und, nach frei vorgeb­ baren Kriterien sortiert, auf einer Ablage gestapelt oder zur weiteren Verarbeitung frei vorwählbaren Abtransportvorrichtun­ gen 14 zugeführt.

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

Die nachfolgend beschriebene Software zur Bildanalyse, Opti­ mierung, Steuerung, Protokollierung usw. wird auf einem Pro­ zeßrechner 16 implementiert, der eine Steuerung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung in Echt-Zeit gewährleistet.

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

Ein Drucker dient zur Ausgabe von Produktionsprotokollen oder Ergebnissen von statistischen Auswertungen. Zur besseren Über­ sicht können Ergebnisse über einen Plotter graphisch darge­ stellt werden.

Die Software gliedert sich, den unterschiedlichen Aufgaben entsprechend, in mehrere Programmeinheiten, die unter einem 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 Einrichtung oder an andere Materialstücke anpassen.

Die Bedienung wird durch ein Dialogsystem erleichtert, das dem Benutzer eine einfache Handhabung des Systems erlaubt, indem es beispielsweise jederzeit abrufbare Erläuterungen zuläßt. Die Dialogprogramme gestatten die Eingabe aller für den Be­ trieb notwendigen Daten, wie beispielsweise:

• - Angaben über die zuzuschneidenden Werkstücke
• - Informationen, die für ein interaktives Lernen einzelner Komponenten nötig sind,
• - Parameter zur Initialisierung und Justierung der Einrichtung bzw. zur Anpassung an veränderte Um­ gebungsbedingungen
• - Steuerkommandos

Aus den orts- und amplitudenquantisierten Signalen des Bild­ aufnahmesystems wird durch eine Reihe von Merkmalsfiltern ein Vektor mit Merkmalen der Materialstückoberfläche extra­ hiert. Aus diesen Merkmalen wird mittels eines selbstlernen­ den Klassifikators die Information über Qualität und Beschaf­ fenheit der Materialstückoberfläche gewonnen.

Zusammen mit den durch spezielle Kantenfilter gewonnenen äußeren Konturlinien des Materialstücks liefert die Bild­ analyse einen Datensatz, der unter anderem die folgenden Informationen enthält:.

• - Lage und Maße des Materialstückes
• - Position und Größe aller auf beiden Materialstück­ oberflächen befindlichen Störstellen
• - Vorzugsrichtung der Holzmaserung

Aus den Daten der Bildanalyse und den Informationen über An­ zahl, Größe und Güte der zu produzierenden Teile wird unter Berücksichtung der Vorzugsrichtung(en) der Holzmaserung ein Schema zur Belegung des Materialstückes mit Teilflächen er­ mittelt. Diese Belegung wird anschließend in bezug auf Nut­ zungsgrad des Materialstückes und Einhaltung des Produktions­ solls optimiert. Die Kriterien zur Optimierung sind ebenso wie die Strategie zur Belegung des Materialstückes mit Teil­ flächen nicht konstant, sondern werden in Abhängigkeit vom aktuellen Produktionsstand, von den Daten der Bildanalyse und gegebenenfalls von zusätzlichen Parametern verändert bzw. ausgewählt. Das Ergebnis der Optimierung sind Daten, die Informationen über Position und Größe sowie Angaben zur weiteren Bearbeitung der Werkstücke enthalten, die aus dem Materialstück herausgetrennt werden sollen.

Aus der Information über Lage und Größe des Materialstückes und der aus ihm herauszutrennenden Werkstücke wird ein Be­ wegungsplan 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 Materialstück 2 nach dem oben beschriebenen Ablauf bearbeitet.

Im off-line-Betrieb werden zunächst alle zu bearbeitenden Materialstücke vom Bilderfassungssystem detektiert und die Bildinformationen auf einem genügend großen Massen­ speicher abgelegt. Diese Daten werden anschließend aus­ gewertet, so daß für jedes Materialstück eine Bewegungs­ bahn und ein Arbeitsplan für den automatischen Zuschnitt existiert. Aufgrund der gespeicherten Steuerungsdaten kön­ nen die Materialstücke dann zu einem späteren Zeitpunkt bearbeitet werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Zuschneiden von flächigen Materialstücken mit planparallelen ebenen Seiten und beliebiger Außenkontur, insbesondere von unbesäumten Holzbrettern, zu von regel­ mäßigen Umrißlinien begrenzten Werkstücken in vorgegebenen Größen sowie vorgegebener Anzahl und Qualität unter Berück­ sichtigung der Oberflächenstruktur in Gestalt örtlicher Fehler und gegebenenfalls weiterer Besonderheiten wie bei Holzbrettern dem Verlauf der Maserung, dadurch gekennzeichnet,
daß zunächst die Oberfläche eines Materialstücks mindes­ tens einseitig geometrisch und strukturell erfaßt und daraus ein fiktives Abbild der Materialoberfläche ge­ wonnen wird,
daß daraufhin das Abbild zur optimalen Ausnützung des verwendbaren Teils des Materialstücks unter Berücksichti­ gung der Oberflächenstruktur mit den Werkstücken ent­ sprechenden Teilflächen belegt und hierdurch ein Schnitt­ linienmuster festgelegt wird und
daß schließlich das Materialstück entsprechend dem Schnittlinienmuster in einer Vielzahl hinsichtlich ihrer Längs- und Querkoordinaten und ihrer Drehstellungen wechselnder Positionen auf einer ebenen Arbeitsunterlage einen oder mehreren Trennwerkzeugen dargeboten wird, welche durch sich in jeder Position an Ort und Stelle der Arbeitsunterlage wiederholenden Trennschnitte die Werk­ stücke aus dem Materialstück heraustrennen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werkstücke im Anschluß an das Heraustrennen nach Größe, Anzahl und Struktur sortiert und abgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche des Material­ stücks beidseitig erfaßt und beide Seiten bei der Gewinnung des Abbildes einander überlagert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Er­ fassung der Oberfläche des Materialstücks opto-elektronisch erfolgt und die Gewinnung des Abbildes, dessen Belegung mit den Teilflächen und die Festlegung des Schnittlinienmusters elektronisch unter Verwendung eines Rechners zur Schaffung eines Steuerprogramms vorgenommen werden, von welchem das Positionieren des Materialstücks auf der Arbeitsunter­ lage und das Betätigen der Trennwerkzeuge sowie ggf. das Sortieren und Ablegen in Echt-Zeit gesteuert werden.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich­ net durch

• - eine Vorrichtung zum Einzeltransport der Materialstücke (2) von einem als Material- Puffer dienenden Stapel (1) zu einer Auf­ lagefläche (4) auf einem Bildtisch (3),
• - mindestens einen optischen Sensor zur geo­ metrischen und strukturellen Erfassung der Oberfläche des Materialstücks (2), der ggf. zusammen mit Beleuchtungsvorrichtungen in geeigneter Position zum Bildtisch (3) ange­ ordnet ist,
• - eine Vorrichtung zum Transport des vom Sen­ sor erfaßten Materialstücks (2) zu einem Trenntisch (8),
• - zwei am Trenntisch (8) angeordneten Trenn­ einrichtungen (10 und 11), von denen eine parallel und die andere senkrecht zur Transportrichtung des Materialstücks (2) Trennschnitte ausführt,
• - einen neben dem Trenntisch (8) aufgestellten und mit Mehrfach-Vakuumgreifern (15) ausge­ rüsteten Industrie-Roboter (13) mit minde­ stens vier Freiheitsgraden,
• - mindestens einen Rechner (16), der aus den vom Sensor (bzw. von den Sensoren) erfaßten Informationen ein Schema zur optimalen Be­ legung des Materialstücks (2) mit Teilflä­ chen vorgegebener Größe und Güte ermittelt und daraus automatisch einen Bewegungsplan für den Industrie-Roboter (13) sowie ein Arbeitsdiagramm für die Trenneinrichtungen (10 und 11) erstellt und
• - einer Steuerung (17) für den Industrie-Ro­ boter (13) und die Trenneinrichtungen (10 und 11), die nach dem Bewegungsplan und dem Arbeitsdiagramm arbeitet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der optische Sensor eine elektronische Kamera (5) ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeich­ net durch eine am Bildtisch (3) angeordnete Wendevorrichtung (6) für das Materialstück (2) zur beidseitigen Erfassung durch den Sensor.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeich­ net durch eine Ablagevorrichtung für die herausgetrennten Teilstücke, jeweils sortiert nach Größe und Struktur derselben.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen (10 und 11) als Kreissägen aus­ gebildet sind und daß für jede Kreissäge eine unter­ halb des Trenntischs (8) angeordnete Stichsäge zum Begradigen des kreisbogenförmigen Endes des Kreissä­ genabschnittes vorgesehen ist.