CN111032281B - 在机加工中心创建数字孪生 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于切割材料的机加工中心(1)，该机加工中心由切割机(2a)和设定设备(5)组成，其中，该设定设备(5)具有定位设备(8)、照明设备(9，9a)和图像传感器(11)，其中，该定位设备(8)将要通过该照明设备(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)的前方，其方式为使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡，其中，该图像传感器(11)在至少一个空间坐标方向上的最大延伸度大于该工具单元(10)在相同空间坐标方向上的最大延伸度，并且其中，使用被遮挡区域的延伸度的值来确定该工具单元(10)的外形轮廓。

Description

在机加工中心创建数字孪生

技术领域

本发明涉及一种用于切割材料的机加工中心、涉及一种相应的方法、以及涉及一种相应的用途。

背景技术

在本申请的上下文中，工具单元最初也被理解为是指单独的工具，比如例如铣刀。然而，在大多数情况下并且因此优选地，术语“工具单元”应当被理解为是指由工具夹具、内置于工具夹具中的切割工具以及任何配件组成的完整单元。

所谓的工具预设

工具的切割刃的位置长期以来一直是机床所考虑的。

为此，事先以工装表单的形式在纸上定义、或者以零件清单的形式以数字方式定义工具单元的数据。这些文档通常至少包含采用工具名称及其各个零件的项目编号的形式的数据、以及具有公差的切割刃的目标位置尺寸。

在工具组装过程中，基于这些数据来组装和测量完整的工具，并在必要时对其进行调整。参考所谓的预设。该预设确保工具的切割刃的位置尺寸对于所计划的机加工是可接受的。

切割刃的实际位置尺寸被手动地或以已知的电子方式传送到机器的控制器。

然后，切割机的控制器能够通过调整移动路径来补偿工具的切割刃包含的、在一定范围内的位置偏差。

切割刃的位置通常使用数码相机以光学方式来测量。

由于测量切割刃需要较高的精确度(该精确度通常在0.001mm至0.02mm之间的范围内)，因此相机具有较高的分辨率。然而，这仅需要较小的记录窗。因此，当前***仅记录大约为5mm×5mm至10mm×10mm的区域。

相应的相机安装在距工具旋转轴的限定距离处，并且能够在Z轴方向上平行于工具的旋转轴且在Y轴方向上垂直于工具的旋转轴而移动。相机的光学器件被设计成使得其焦点恰好位于包含工具的旋转轴的、与相机的观察方向垂直的平面中。聚焦区域(即，景深)包括在焦平面的前方和后方的较小区域。通常使用远心透镜。

对完整工具单元的碰撞检查

然而，在现代机加工中心中，对切割刃位置的考虑并不能止于此。

替代地，通常在现代机加工中心中进行碰撞监测。为此，至少从计算方面模拟整个机加工过程，并检查工具单元与工件或周围部件(机床工作台、夹紧设备等)之间是否存在碰撞。

关于切割刃位置的数据不足以达成此目的；替代地，需要关于相应工具单元的包封轮廓的外观的信息，该信息负责确定旋转的工具单元是(仍然)具有必要的间隙还是会在机加工过程中的任何点意外地与工件碰撞。因此，需要完整工具的数字图像(所谓的“数字孪生(digital twin)”)。

关于包封轮廓的数据能够并且必须手动输入。

作为替代方案，如今使用工具或工具夹具及配件的制造商已经为其产品记录并传递给其客户的数据(如果是这样的情况的话)——此类数据并不总是可获得的。然而，数据就其格式而言并不是统一的，并且这些数据并不总是完全准确的。在实践中还发现，在例如工具夹具和切割工具(为这两者都提供了制造商特定的关于包封轮廓的数据集)的组装过程中会产生不准确性。在专用工具的情况下，通常无法从制造商处获得图纸。

还经常尝试使用一系列限定的参数(即，所谓的特性清单)、例如根据DIN 4000系列标准来确定工具的几何形状。然而，该方法仅可以用于确定工具的有限数量的特性，比如例如长度和直径。因此，不能完整地描述外轮廓。相应的数据也并非总是可用的，并且经常也仅在不完全程度上可用。

在任何情况下，创建完整工具的数字孪生的工作量都很大。即使在中型规模公司的情况下，也需要花费数年的努力才能将库存中的工具以电子方式存储为数字孪生。

发明内容

本发明以提供一种设备为目的，通过该设备能够高效地产生工具单元的数字孪生。

根据本发明的解决方案

为了解决这个问题，提出了一种用于切割材料的特殊机加工中心。

该机加工中心由切割机和设定设备组成。

特征在于，该设定设备具有定位装置、照明装置和图像传感器。

该定位装置被设计成使得其将要通过照明装置照亮的工具单元保持在图像传感器前方的位置处，使得图像传感器被工具单元部分地遮挡。

根据本发明，在这种情况下，图像传感器在至少一个空间坐标方向上的最大延伸度大于工具单元在相同空间坐标方向上的最大延伸度。使用被遮挡区域的延伸度的值来确定工具单元的包封轮廓。

本发明基于以下的发现：工具预设所需的非常高的精确度对于产生数字孪生不是必需的。

在工具预设的范围内，需要对切割刃进行光学扫描，这通常必须精确到至少5/1000mm以内。

在尺寸方面较差的精确度足够用于进行碰撞分析。这是因为在任何情况下——包括在操作振动的影响下，工具单元都必须与在操作过程中有碰撞风险的区域维持几毫米的距离，以便能够安全地排除不允许的碰撞。除了碰撞检查之外，CAD/CAM中的其他模拟也可以方便地使用工具模型。例如，可以使用所谓的ViaFit功能对照数字模板来检查实体孪生。ViaFit功能指示比本发明所需的精确度更高的精确度。

根据本发明，规定仅以至少0.5mm、在某些情况下至少0.25mm、以及理想地至少0.1mm的精确度来确定被遮挡区域的延伸度或长度。因此，可以使用以相对较低的分辨率记录较大图像区域的测量装置来实施本发明。

由此，可以以仅仅几个步骤、或理想地甚至通过一次拍摄来对完整工具进行成像。这意味着即使是相对较大库存的工具单元，也能够被快速且容易地数字化。

根据本发明的机加工中心特别适合于创建由工具夹头和安装在该工具夹头中的切割工具组成的工具单元的数字孪生。因此，该加工中心主要用于此目的。然而，原则上，该加工中心也可以用于仅测量工具夹头和/或仅测量切割工具，从而使得由此生成数字孪生。

因此，术语“工具单元”在本上下文中具有双重含义。

从其狭义上讲，该工具单元表示工具夹头与安装在其中的切割工具的组件。从其广义上讲，该工具单元还表示仅仅是切割工具——即使这种广义含义明显不是优选的。

属于机加工中心的切割机和设定设备优选地彼此直接链接，或者甚至是具有共同基座的单个机器的物理部分。

然而，在其他情况下，如果切割机和设定设备仅仅是彼此协作的两个分开的设备，则对于本发明的实施也是足够的。

定位装置通常被理解为是指保持装置，该保持装置以摩擦方式和/或形状配合方式将待测量工具单元保持或至少局部地夹持在预定位置处，并且然后能够处理不同直径的待测量工具单元。

然而，在较简单的情况下，这种定位装置可能已经是下设平面，但是这明显不是优选的。

被遮挡区域的延伸度被理解为是指其长度或表面积。如稍后将更详细说明的——在线传感器被用作图像传感器的情况下，在第一实施例中，被遮挡区域的延伸度是线传感器被遮挡的长度并且该长度处于线传感器的两个被照亮部分之间。在第二优选实施例中，仅工具单元的一半被照亮，即正交地从其旋转轴到其外边缘被照亮。在这种情况下，被遮挡区域从旋转轴正交地延伸到传感器的被照亮区域。

如稍后将简短地更详细说明的——在板传感器被用作图像传感器的情况下，被遮挡区域的延伸度表示被遮挡区域的表面积，该被遮挡区域与工具单元的旋转轴正交、至少位于定位在待测量工具单元一侧的两个被照亮区域之间，或者位于旋转轴与被照亮区域之间并且同时在旋转轴的方向上位于定位在待测量工具单元上方的被照亮区域与也被照亮且定位在待测量工具单元下方的区域或待测量工具单元所在的地板空间之间。

在这种情况下，照明装置是发射在可见和/或不可见频率范围内的辐射的装置，该辐射能够被图像传感器检测到，即，在图像传感器处触发电信号。

在这种情况下，图像传感器是从单独像素的群或矩阵得出其光敏度的装置。能够针对这些像素(优选地是单独地或组合成聚类(例如，四个像素组成的聚类))来证实它们是否被照亮和/或它们被照亮的程度是大于还是小于一定极限强度。由此，能够逐像素或以聚类为一组地证实所讨论的像素或所讨论的聚类是否仍然在由待测量工具单元投射的阴影中。

由此，能够确定所述被遮挡区域的延伸度。

本发明的优选改进方案

理想地，图像传感器是板传感器，该板传感器在两个相互垂直的空间坐标方向上的最大延伸度大于该工具单元在相同空间坐标方向上的最大延伸度。大于400mm×200mm的格式是理想的。

如果例如将待测量工具单元与板传感器之间的正交距离定义为X轴，则这种板传感器沿着Y轴和沿着Z轴的最大延伸度大于工具单元沿着所述这两个轴的最大延伸度。

这样的板传感器的优点在于，它能够一次性记录被待检查工具单元遮挡的整个表面积的大小。

这样的板传感器将不能用于进行照片般逼真的显示，因为由此提供的摄影图像将是任意失焦的。在摄影图像任意失焦的情况下，所投射的阴影也非常不精确，这使得实施特别成问题。然而，为了确定以上文中给出的相对宽松的公差之一投射的阴影，能够在没有问题的情况下形成具有相应较大表面积的板传感器。

在例如出于成本的原因而不需要比如所述板传感器等独特的特殊传感器的情况下，将图像传感器设计为在第一空间坐标方向上延伸的线传感器是有利的。在最简单的情况下，先前安装在传真机中的线传感器之一用作图像传感器。

在该第一空间坐标方向上，线传感器的最大延伸度大于工具单元在相同空间坐标方向上的最大延伸度。线传感器在沿着第一空间坐标方向的方向上的延伸度优选地比其沿着第二空间坐标方向的延伸度至少大20倍。然后，这样的线传感器可以仅包含具有以相同方式连接的像素或像素聚类的单条线、或多条线。

如果例如出于说明性目的在此再次将待测量工具单元与线传感器之间的正交距离也定义为X轴，则这种线传感器例如在沿着Y轴的方向上的最大延伸度大于工具单元沿着所述轴的最大延伸度。

然后，在几个连续步骤中进行测量。沿着垂直于线传感器的所述第一空间坐标方向的第二空间坐标方向逐步进行测量。为了与上文中开始的示例保持一致，该第二空间坐标方向可能是Z轴。为此，在每次测量之后，至少使线传感器和光源或工件在第二空间坐标方向的方向上移动。

由此获得由待测量工具单元投射的阴影的真实图像，该待测量工具单元由若干单独的部分组成。

关键点在于，线传感器能够构建得非常大，而不会在每个测量步骤中生成就其范围而言存在问题的数据集。在这种应用情况下，如果最初仅生成就其范围而言受到限制的数据集(当线传感器移至其下一位置时，可能已经对这些数据集进行了评估)，则更高效。由此，可以同步地进行工作，这样更快速。

理想地，照明装置被设计成使得其发出平行光、更好地还是偏振光、并且优选地是相干光。

因此，在最简单的情况下，照明装置是灯，该灯的光束被引导通过开有槽缝的孔口并且因此仅照亮条形区域。

然而，照明装置优选地包括灯，该灯的光束在被馈送到待测量工具单元之前被引导通过偏振滤光片并且可能另外地通过孔口。使用偏振光意味着明/暗边界更清晰。由此可以更精确地确定由待测量工具单元投射的阴影开始和结束的地方。

理想地，使得照明装置发出相干光。为此，照明装置是单个激光器、或者甚至更好地是线性激光器阵列。由于相干光不会散射的事实，因此可以在此以极好的精确度确定明/暗边界。

根据本发明特别有利的是，使用在紧邻的激光束之间的距离至少为0.5mm、更好地为至少0.25mm、或者甚至还更好地为0.1mm的激光器阵列。这样的构型的优点在于，图像传感器同样也仅必须具有相应少量的像素，这使得***工作非常快速。

当使用线传感器时，这已经是高度有利的，而当使用二维激光器阵列时，这是特别有益的。

为了在其中没有百分之一百清晰的明/暗边界而在明区域与暗区域之间存在或多或少明显的朦胧区域的情况下实现相对精确的测量，根据本发明的设备被设计成使得其评估单个像素或像素聚类在光入射情况下传送的信号强度。理想地，如果像素的信号强度最多为已被识别为被100％照亮的像素的75％，则认为该像素变暗。

如果将定位装置设计成使得其在测量过程中将工具单元设定为进行旋转，则是特别有利的。在这种情况下，旋转速度优选地足够高以使得能投射阴影，该阴影能够被识别为以固定线投射的阴影。仅通过示例的方式，当由于该旋转，至少暂时位于所投射的阴影区域中的所有像素仅传送平均信号强度(该平均信号强度远低于被100％照亮的像素的信号强度，从而使得所讨论的像素被识别为被遮挡)时情况如此。

如果根据本发明的设备具有能够基本上完全变暗的测量腔室，则是特别有利的。由此，可以不受周围杂散光干扰地进行工作。

理想地，测量腔室具有光吸收内表面，使得由待测量工具单元偏转的光反射不会使测量结果失真，即，在图像传感器上不会生成信号或不会生成显著的信号。

关于本发明的另一个问题

尤其对于小批量生产，出现了指定尽可能使用可用部件来执行根据本发明的测量的解决方案的问题。

根据本发明的替代方案

与本发明的方法有关的这另一个问题是通过一种用于创建工具单元的数字孪生的方法以及通过相应地配置的设备和用途(这两个方面也同样被要求保护)来解决的。

因此，提出了一种用于创建由工具夹具和工具***件组成的工具单元的数字孪生的方法，该方法的区别在于，优选地旋转的工具单元被定位在测量网格的前方。

然后，记录测量网格与在其前方的工具单元的数字图像。

然后，确定在通常是为正交的两个空间方向上相交的测量线的长度。

对于其长度比同一方向上未受干扰的连续测量线的长度更短的测量线，计算这些测量线结束的位置(远离外边缘或最近的交叉点)。优选地，根据由此获得端点、通过在紧邻的端点之间进行插值来计算该工具单元的包封轮廓以及因此其图像。

该方法的主要优点是，可以使用市售的图像传感器来装配机加工中心或其设定设备，使得基本上只需要在软件侧执行要进行的定制化工作，由于这个原因，该***特别适用于小批量生产。

其他

通过以下参考附图对各种示例性实施例的描述，本发明的其他设计选项、操作模式和优点变得显而易见。

还应当注意的是，还要求保护图像传感器和优选地准直光源或单个激光器或多灯激光条用于确定由旋转的工具单元引起的被遮挡区域或轮廓的用途。

附图说明

图1示出了根据本发明的机加工***的总体概图。

图2示出了根据本发明的记录设备，该记录设备与准直光和线传感器一起工作。

图3示出了图2的侧视图。

图4示出了图2的变体，然而，在该图中，不是在沿着工具单元的操作旋转轴的方向上逐步进行测量，而是平行于工具单元的操作旋转轴逐渐逐步地进行测量。

图5示出了使用扇形发散光束执行测量的变体。

图6示出了使用单个激光束执行测量的变体。

图7示出了使用常规图像传感器和测量网格的完全替代类型的测量。

具体实施方式

根据本发明的布置原理

图1示出了根据本发明的机加工中心1的第一示例性实施例。

在这种情况下，机加工中心1由具有至少一个工作主轴2的切割机2a组成，该切割机优选地采用多轴铣床的形式。优选地采用铣刀形式的切割工具4联接至所述工作主轴2。

切割工具4通常通过***工具夹头3而联接。工具夹头3就扭矩而言固定地保持切割工具，将其夹紧以准备进行工作。所述工具夹头本身就扭矩而言固定地联接到机床的工作主轴，并且用作切割工具与单个工作主轴之间的标准化接口。

设定设备5链接到切割机2a，并且优选地配备有变暗的测量腔室7。

工具库M通常也同样链接到其他***部件。这还在图1中示出。

定位装置8位于测量腔室7中。在最简单的情况下，该定位设备是下设平面，这在许多情况下将会起到积极的定位辅助作用。后者被设计成使得确保切割机中的待测量工具单元将围绕其旋转的轴线始终位于同一位置。

根据本发明的测量在设定设备5上或在该设定设备的测量腔室7中进行。该测量传送完全容纳旋转工具单元10的包封体的几何数据，即，表示旋转的工具单元的图像，也称为数字孪生。旋转的工具单元的图像基本上或以0.5mm、优选地0.25mm、特别优选地0.1mm的公差对应于旋转工具单元的实际形状，即，所谓的真实图像。

设定设备5优选地将以这种方式获得的数据传输到切割机的控制器6。

这使用由设定设备5传送的数据来执行计算机模拟，其目的在于验证工具单元在其将要在切割机上采用的编程路径上不会撞击到任何未计划的地方并因此被损坏或者本身造成损坏。

实际测量布置的第一变体

图2示出了根据本发明的用于测量的测量布置的基本的第一变体。

使用通常生成平行定向光束的光源9。

为此，优选地使用在光束方向上布置在实际灯后方的针孔孔口9a。这用作点光源。

由此发射的光线Li通过散射透镜12被散射，其方式为使得它们基本上平行地传播，即，它们的焦点在无限远处或基本上在无限远处。

根据本发明，使用所谓的准直器。

为了使形成在图像传感器上的明/暗边界的“朦胧区域(twilight area)”保持尽可能地小，另外地使用偏振滤光片(图中未示出)是一个明智的选择。

可以可选地设置开有槽缝的孔口(同样未在此示出)，这确保了总体上仅输出一个光幕，所述光幕的延伸度使得其横截表面积(完全地或至少基本上)对应于图像传感器的表面积。

图像传感器11(在此其被设计为在一开始限定的意义上的线传感器)布置在待测量工具单元10的另一侧，并且在测量过程中优选地被设定成进行旋转。应当注意的是，在本示例中，该线传感器在空间坐标方向(在此具体是X空间坐标方向)的两侧上的最大延伸度大于工具单元10在相同空间坐标方向上的最大延伸度。

同样能够清楚地看到，待测量工具单元10在优选地使用的平行光束路径上投射阴影，该阴影是旋转的工具单元10的图像。

图3以侧视图示出了根据图2的布置。在该示例性实施例中，在工具单元10的随后操作旋转轴L的方向上逐步执行测量。为此，使光源9、散射透镜12和图像传感器11平行于操作旋转轴进行移动。例如，然后每隔0.1mm确定所投射的阴影。为此，可以短暂地停止平行于操作纵轴的行进，但也可以在“移动时”拍摄快照。反复重复此过程，直到已经创建出旋转工具单元的完整图像为止。

理想地，光源9、散射透镜12和图像传感器11布置在可共同移动的托架或框架上。

作为替代方案，根据本发明的设备也可以被设计成使得代替光源9、散射透镜12和图像传感器11，仅待测量工具单元10在其操作旋转轴的方向上移动。为此，可以将定位装置8设计为电动升降台。

值得注意的是，替代性地，线传感器仅在空间坐标方向(在此具体是X空间坐标方向)一侧上的最大延伸度可以大于工具单元10在相同空间坐标方向上的最大延伸度——这在图中未展示出。于是，仅测量待测量工具单元的一半(从其外边缘到其操作旋转轴)。这不仅允许图像传感器具有较小的表面积，而且减少了数据处理量，从而加快了工作过程。

同样值得注意的是，代替常规光源，优选地使用具有多个彼此相邻布置并且彼此平行出射的激光束的条。激光束提供相干光。这具有巨大的优点，即，在明/暗边界之间几乎未出现“朦胧区域”。因此，能够使用简单的方法非常精确地执行测量。

在这种情况下，例如可以根据专利EP 0486175中的模板通过在条上彼此相邻放置的多个激光二极管来提供所述条。

然而，该条优选地由单个主要在中央的激光源来提供。其光束被分束器***若干次。然后，光束被引导经由通常采用玻璃纤维形式的光学导体到达所述光束中的各个出口开口。

在该激光实施例中，各个激光源或激光出口开口的数量和距离与负责激光束的各个像素或像素聚类的数量和距离相互匹配。于是，它们通常彼此对应。

实际测量布置的第二变体

除了以下明确描述的差异或选项之外，图4中示出的该第二变体的功能和结构与第一变体的功能和结构相对应。

因此，针对第一变体已描述的内容、包括所有可想到的修改在此也适用。

不同之处在于，在这种情况下，不是在沿着待测量工具单元10的操作旋转轴L的方向上逐步进行测量，而是在垂直于该操作旋转轴的方向上逐步进行测量，即，线传感器的最大长度平行于旋转操作轴L对准。

这使得仅测量待测量工具单元的一半(从其外边缘到其操作旋转轴)非常容易，并且从而实现上述优点。

在图4中展示了也可以在第一变体中使用的另一选项：代替常规灯与下游准直器，使用二极管或激光条来形成成排布置的光束群，这些光束是以平坦光幕的方式形成的。

实际测量布置的第三变体

图5示出了根据本发明的测量布置的另一变体。

代替由准直光构成的光幕，在此优选地使用扇形发散的光束。

如果速度很重要，则建议使用这种固有的光学扇形发散的光束。可以光学地使光束扇形发散，其方式为使得产生例如三角形的越来越宽的光束，如图5所示。

再次将图像传感器(例如，如上所述的线传感器)安装在待测量工具单元的后方。

可以清楚地看到，扇形发散的光束优选地一次曝光整个线性图像传感器。然而，光束的扇形发散会产生某种视差(在图5中也能够清楚地看出该视差)——所投射的阴影看上去比由待测量工具单元的大小证实的更宽。然而，视差误差能够容易地通过数学计算得到并由此得到校正。

在该实施例中，如果其光束随后被广泛地扇形发散或扇形发散成单独的子光束的激光器作为光源，则是特别有利的。这是因为，尽管扇形发散，但光自然地保持相干(当扇形发散成单独的子光束时)、或者至少存在光的非常精确的扇形(由于该光被“模糊地”扇形发散，所以广泛地存在扇形)，从而产生良好的可检测明/暗边界。

光扇形可以水平地对准并且能够垂直地移动，反之亦然。

如果使用上述类型的线传感器，则将该线传感器与光扇形同步地线性移动，如上文已经同样描述的。

实际测量布置的第四变体

作为替代方案，代替扇形发散，也可以使用单个至少基本上笔直的光束或激光束，其例如通过枢转机构或通过光学器件(比如分立镜或电可控微镜矩阵)以图6所示的方式逐步被偏转。

在每种情况下，偏转都以这样的方式发生：如果待测量工具单元未阻挡，则光束或激光束照射或将必须照射到图像传感器上。

同样在这种情况下，可以很容易利用数学校正来确定待测量工具单元的廓形。

实际测量布置的第五变体

图7示出了根据本发明的测量布置的、在概念上根本不同的另一变体。

这是一种使用特殊方法来创建工具单元10的数字孪生的测量布置，该工具单元由如一开始描述的工具夹具或夹头3和工具4组成。

能够清楚地看到由正交交叉线构成的测量网格14以及布置在其前方的工具单元。

在此，通常使用常规图像传感器来进行工作，如用于数码相机。图像传感器布置在相对于包含测量网格的平面的、待测量工具单元的直径相对侧上。

图像传感器(在图7中不可见)被设计成使得该图像传感器通过能够确定各个测量线在水平方向和垂直方向上的长度的方式来记录数字图像。完全忽略垂直或水平的连续测量线。确定由于被待测量工具单元部分地覆盖而不完全连续的测量线。

然后例如确定相应测量线结束的地方距测量网格的边缘的距离。相应端点与在测量过程中优选地旋转的工具单元的包封轮廓上的一点相对应。然后，如果例如在相应相邻的端点之间进行线性插值或更高阶的插值，则由此获得基本上与工具单元的包封轮廓相对应的图像。

所有变体的选项

通常，应当注意的是，在进行任何碰撞分析时，必须忽略工具的可用切割刃区域。这是因为允许工具的切割刃区域在不发生碰撞的情况下伸入到工件中。

为了排除可用切割刃区域，存在以下选项：采用来自工具预设和在过程中进行的测量的关于可用切割刃区域的位置的信息，并且然后相应地以计算方式微调根据本发明生成的图像。

作为替代方案，可以在实际工具上对切割刃区域进行颜色编码，并且然后自动识别已着色区域。这种颜色编码可以例如使用由UV发光涂料制成的喷雾来进行，该喷雾仅在UV光下呈现出可识别的光反射，而在其他方情况下表现为透明的。

然后使用对应发射的光源和定位在光源侧的另一个传感器，该传感器能够识别由UV发光涂料指示的表面积，使得能够将所述表面积考虑在内。

作为替代方案，可以在数字图像上进行手动标记，或者通常更简单地，可以在执行根据本发明的记录之前设置孔口。该孔口遮挡整个可用切割刃区域，并在图像传感器上留下明显的阴影图案。这可以很容易地被识别为在确定碰撞相关包封轮廓时未考虑在内的区域。

进一步功能

如果适当地标记待测量的工具单元、工具或工具夹具，则可以自动识别它们。在此，可以想到所谓的数据矩阵码、条形码、其他机器可读标签和电磁数据载体(比如例如，RFID芯片)。在RFID芯片上有利地使用EEPROM或闪速存储器等。为此，在某些情况下，可能需要附加读取单元，比如例如，RFID芯片的读/写头、或条形码扫描器。

可以将工具、工具夹具或工具单元的新创建数字孪生与现有数据集进行比较，并且从而进行识别。

如果识别出工具单元的各个部件，则可以根据该数据创建整个工具单元的零件清单，可能地还附加有组装说明。也可以将几何数据(例如，工具或工具单元的总长度)与零件清单一起存储。

基于工具单元的数字孪生或各个工具或工具夹具的数字孪生，可以确定已经用于其他机加工情况的替代工具或类似工具。因此，如果证实了潜在的碰撞、或在任何情况下过小的间隙，则可以很容易地确定并建议使用替代工具单元。

由此，如果有必要，也可以使工具的库存最小化，因为然后可以用通用的设计来代替几种相似的工具。

根据本发明的方法快速且容易地对现有的实体工具单元或工具和工具夹具进行数字化。因此很容易生成包括各个部件的电子数据库。

附图标记清单

1 机加工中心

2 工作主轴

2a 切割机

3 夹头或工具夹具

4 切割工具

5 设定设备

6 切割机控制器

7 变暗的测量腔室

8 定位装置

9 光源

9a 针孔孔口或开有槽缝的孔口(灯侧)

10 待测量工具单元

11 图像传感器

11a 孔口或开有槽缝的孔口(图像传感器侧)

12 散射透镜

13 未使用

14 测量网格

M 工具更换器库或工具库

Li 光束或光束路径

L 工具单元的操作旋转轴

Claims (40)

1.一种用于切割材料的机加工中心(1)，该机加工中心由切割机(2a)和设定设备(5)组成，其中，该设定设备(5)具有定位装置(8)、照明装置(9，9a)和图像传感器(11)，其中，该定位装置(8)将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)的前方，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡，其特征在于，该工具单元是包括工具和工具夹具的完整的工具单元，该图像传感器(11)在至少一个空间坐标方向上的最大延伸度大于该工具单元(10)在相同空间坐标方向上的最大延伸度，并且其中，使用所遮挡区域的延伸度的值来确定该工具单元(10)的包封轮廓，并且所述工具的切割刃区域被忽略以根据所述包封轮廓确定碰撞相关包封轮廓。

2.如权利要求1所述的机加工中心(1)，其特征在于，该图像传感器(11)在两个相互垂直的空间坐标方向上的最大延伸度大于该工具单元(10)在相同空间坐标方向上的最大延伸度。

3.如权利要求1所述的机加工中心(1)，其特征在于，该图像传感器(11)是线传感器，该线传感器在第一空间坐标方向上延伸并且沿着与该第一空间坐标方向垂直的第二空间坐标方向以几个连续步骤逐步进行测量，其中，该线传感器在沿着该第一空间坐标方向的方向上的延伸度比沿着该第二空间坐标方向的延伸度至少大20倍。

4.如权利要求3所述的机加工中心(1)，其特征在于，在每次测量之后，至少该线传感器和该照明装置(9)在该第二空间坐标方向的方向上移动。

5.如权利要求3所述的机加工中心(1)，其特征在于，在每次测量之后，工件在该第二空间坐标方向的方向上移动。

6.如权利要求1-5中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，该照明装置(9，9a)发出平行光或偏振光或相干光。

7.如权利要求1-5中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，该照明装置(9，9a)的一个或多个光束(Li)未聚焦在该工具单元(10)上。

8.如权利要求6所述的机加工中心(1)，其特征在于，该照明装置(9，9a)的一个或多个光束(Li)未聚焦在该工具单元(10)上。

9.如权利要求1-5和8中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，评估单个像素在光入射的情况下传递的信号强度，并且如果该像素的信号强度超过被视为检测为被100％照亮的像素的一定比例，则认为该像素变暗。

10.如权利要求6所述的机加工中心(1)，其特征在于，评估单个像素在光入射的情况下传递的信号强度，并且如果该像素的信号强度超过被视为检测为被100％照亮的像素的一定比例，则认为该像素变暗。

11.如权利要求7所述的机加工中心(1)，其特征在于，评估单个像素在光入射的情况下传递的信号强度，并且如果该像素的信号强度超过被视为检测为被100％照亮的像素的一定比例，则认为该像素变暗。

12.如权利要求1-5、8和10-11中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得该工具单元(10)能够在测量过程中被设定为进行旋转。

13.如权利要求6所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得该工具单元(10)能够在测量过程中被设定为进行旋转。

14.如权利要求7所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得该工具单元(10)能够在测量过程中被设定为进行旋转。

15.如权利要求9所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得该工具单元(10)能够在测量过程中被设定为进行旋转。

16.如权利要求1-5、8、10-11和13-15中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，该机加工中心(1)具有测量腔室，该测量腔室能够基本上完全变暗。

17.如权利要求6所述的机加工中心(1)，其特征在于，该机加工中心(1)具有测量腔室，该测量腔室能够基本上完全变暗。

18.如权利要求7所述的机加工中心(1)，其特征在于，该机加工中心(1)具有测量腔室，该测量腔室能够基本上完全变暗。

19.如权利要求9所述的机加工中心(1)，其特征在于，该机加工中心(1)具有测量腔室，该测量腔室能够基本上完全变暗。

20.如权利要求12所述的机加工中心(1)，其特征在于，该机加工中心(1)具有测量腔室，该测量腔室能够基本上完全变暗。

21.如权利要求1-5、8、10-11、13-15和17-20中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

22.如权利要求6所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

23.如权利要求7所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

24.如权利要求9所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

25.如权利要求12所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

26.如权利要求16所述的机加工中心(1)，其特征在于，该定位装置(8)被设计成使得其将要通过该照明装置(9，9a)照亮的工具单元(10)保持在该图像传感器(11)前方的位置处，使得该图像传感器(11)被该工具单元(10)部分地遮挡。

27.如权利要求21所述的机加工中心(1)，其特征在于，被遮挡区域的延伸度或长度应以至少0.5mm的精确度来确定。

28.如权利要求22-26中任一项所述的机加工中心(1)，其特征在于，被遮挡区域的延伸度或长度应以至少0.5mm的精确度来确定。

29.如权利要求9所述的机加工中心(1)，其特征在于，该像素的该一定比例为75％。

30.如权利要求16所述的机加工中心(1)，其特征在于，该测量腔室具有光吸收内表面。

31.如权利要求21所述的机加工中心(1)，其特征在于，被遮挡区域的延伸度或长度应以至少0.25mm的精确度来确定。

32.如权利要求21所述的机加工中心(1)，其特征在于，被遮挡区域的延伸度或长度应以至少0.1mm的精确度来确定。

33.一种用于创建工具单元(10)的数字孪生的方法，其特征在于，该工具单元是由工具夹具和工具***件组成的完整的工具单元，将该工具单元(10)定位在图像传感器(11)的前方，该图像传感器被划分为单独的像素，针对这些像素输出所讨论的像素是照亮的还是欠照亮的，并且其特征在于，利用由从该工具单元(10)反射或照射在该图像传感器(11)上的定向光组成的至少一个光束来照亮该工具单元(10)，并且其中，根据被该工具单元(10)完全地或部分地遮挡并且因此欠照亮的像素来计算该工具单元(10)的包封轮廓，并且使用该工具单元(10)的该包封轮廓来制造所述工具单元(10)的所述数字孪生或数据图像，以便使用该数字孪生或数据图像模拟机加工过程，使得能够执行碰撞监测，并且工具的切割刃区域被忽略以根据所述包封轮廓确定碰撞相关包封轮廓。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，在测量过程中将该工具单元(10)设定为进行旋转。

35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，旋转速度足够高以使得能投射阴影，该阴影能够被识别为以固定线投射的阴影。

36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，由于该旋转，至少暂时位于所投射的阴影区域中的所有像素仅传送平均信号强度，该平均信号强度远低于被100％照亮的像素的信号强度，从而使得所讨论的像素被识别为被遮挡。

37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，该平均信号强度最多为像素的75％。

38.一种用于创建工具单元(10)的数字孪生的方法，其特征在于，该工具单元是由工具夹具和工具***件组成的完整的工具单元，将旋转的工具单元(10)定位在测量网格(14)的前方，并且然后记录该测量网格(14)与在其前方的工具单元(10)的数字图像，并且然后确定在正交的两个空间方向上相交的测量线的长度，其中，对于其长度比同一方向上未受干扰的连续测量线的长度更短的测量线，确定该测量线结束的位置，并且根据由此获得的端点——通过在紧邻的端点之间进行插值来计算该工具单元(10)的包封轮廓，并且使用该工具单元(10)的该包封轮廓来制造所述工具单元(10)的所述数字孪生或数据图像，以便使用该数字孪生或数据图像模拟机加工过程，使得能够执行碰撞监测，并且工具的切割刃区域被忽略以根据所述包封轮廓确定碰撞相关包封轮廓。

39.一种用于执行如权利要求33和38中任一项所述的方法的设备。

40.一种由旋转的工具单元(10)投射在传送电子明/暗信号的图像传感器(11)上的阴影的用途，该用途是：在沿着预定的机加工路径并通过待切割的工件进行的计算碰撞检查的范围内确定该工具单元(10)的包封轮廓，其中，该工具单元是包括工具和工具夹具的完整的工具单元，并且所述工具的切割刃区域被忽略以根据所述包封轮廓确定碰撞相关包封轮廓。

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