DE102022104804A1

DE102022104804A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit einer automatischen Lageerfassung der Werkstücke

Info

Publication number: DE102022104804A1
Application number: DE102022104804.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kraus; Andrej Madinski
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-03-01
Filing date: 2022-03-01
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) unter automatischer Lageerfassung des Werkstücks (12) auf einer Auflage (14). Eine Kamera (16) stellt digitale Bilddaten eines Aufnahmebereichs (18) der Auflage (14) bereit, wobei das Werkstück (12) in einer Draufsicht auf die Auflage (14) in dem Aufnahmebereich (18) angeordnet ist. Unter Verwendung der digitalen Bilddaten wird eine erste Lageangabe zur Lage des Werkstücks (12) berechnet, insbesondere zur Position, Ausdehnung und/oder Ausrichtung des Werkstücks (12) auf der Auflage (14). Die erste Lageangabe wird verwendet, um eine Position oder Bahn eines Abstandsmessers (20) zu berechnen, wobei der Abstandsmesser (20) die Position einnimmt oder die Bahn durchläuft, während der Abstandsmesser (20) Abstände zu Punkten auf der Oberfläche des Werkstücks (12) misst. Durch die gemessenen Abstände wird eine zweite Lageangabe des Werkstücks (12) berechnet, die insbesondere genauer als die erste Lageangabe ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer automatischen Lageerfassung des Werkstücks. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die DE 10 2019 126 403 A1 betrifft ein Tafelablageverfahren, bei welchem eine Materialtafel mit Hilfe einer Kamera einer Soll-Lage zugeführt wird. Aus der DE 10 2018 133 524 A1 ist ein Verfahren zur Bereitstellung von Geometriedaten für Laserschneidvorgänge an Materialtafeln bekannt, wobei die Geometriedaten mit Hilfe von Bildaufnahmen der Materialtafeln berechnet werden. In der DE 10 2009 012 543 A1 ist eine Schneidevorrichtung für Werkstücke offenbart, bei welcher die Werkstücke mit Hilfe von Kameras vermessen werden.
Aus der DE 10 2007 018 416 A1 ist ein Verfahren zum maschinellen Schneiden eines Werkstücks bekannt, bei dem Kanten des Werkstücks durch eine Kamera in einem ersten Betriebsmodus mit geringerer optischer Auflösung zunächst grob lokalisiert werden und anschließend in einem zweiten Betriebsmodus mit höherer optischer Auflösung genauer lokalisiert werden. Hierdurch wird der Zeitaufwand zur Erkennung der Lage des Werkstücks verringert.
Die Verwendung derselben Kamera sowie desselben Messverfahrens in den zwei Betriebsmodi verringert jedoch die Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit der Lagebestimmung.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, bei welchem die Zuverlässigkeit der Lageerfassung der Werkstücke erhöht wird. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Erzeugen einer Bildaufnahme eines Aufnahmebereichs der Auflage mit dem Werkstück, wobei das Werkstück in dem Aufnahmebereich auf der Auflage aufliegt;
b) Bestimmen einer ersten Lageangabe zur Lage des Werkstücks auf der Auflage anhand der Bildaufnahme;
c) Festlegen der Position und/oder Bahn eines Abstandsmessers zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks durch den Abstandsmesser anhand der ersten Lageangabe;
d) Abtasten der Oberfläche des Werkstücks mit dem Abstandsmesser unter Bestimmen der Abstände zwischen den abgetasteten Oberflächenpunkten und dem Abstandsmesser;
e) Bestimmen einer zweiten Lageangabe zur Lage des Werkstücks auf der Auflage anhand der gemessenen Abstände.

Die zweite Lageangabe ist insbesondere genauer als die erste Lageangabe. Das Verfahren ermöglicht eine zeitsparende Bearbeitung des Werkstücks, welches nicht an einer bestimmten Stelle der Auflage und in einer bestimmten Ausrichtung positioniert muss, zum Beispiel einem Anschlag. Auch die Größe des Werkstücks muss vor der Bearbeitung nicht bekannt sein. Entsprechende geometrische Parameter des Werkstücks müssen durch einen Anwender des Verfahrens nicht mehr erfasst und einer Maschinensteuerung übermittelt werden. Durch das Verwenden einer Kamera einerseits und eines unabhängigen Abstandsmessers andererseits ist eine erhöhte Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit bei der zweistufigen Lageerfassung des Werkstücks gewährleistet, da zum Beispiel ein Fehler bei der Lageerfassung durch eine Fehlfunktion der Kamera durch den unabhängigen Abstandsmesser korrigiert wird. Der Abstandsmesser kann zeitsparend in eine zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks gut geeignete Ausgangsposition verfahren werden, indem die Lage des Werkstücks bereits durch die Kamera hierfür hinreichend genau erfasst wird. Dadurch wird die Sicherheit und Schnelligkeit einer automatisierten Bearbeitung des Werkstücks erhöht.
Unter der Lage des Werkstücks wird insbesondere die Größe, Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks verstanden, vorzugsweise relativ zu einer Referenzposition oder zu Referenzachsen, die beispielsweise durch die Auflage bestimmt sind, zum Beispiel die Kanten der Auflage. Das Werkstück ist insbesondere als Blech ausgebildet.
Die Kamera kann ortsfest, insbesondere am Rand des Arbeitsbereichs, angebracht sein. Alternativ dazu kann die Kamera verfahrbar sein und für die Positionsbestimmung über das Werkstück bewegt werden. Für die Abdeckung des gesamten Arbeitsbereichs können mehrere Kameras installiert sein.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Bestimmen des Abstands des Werkstücks von einem Referenzpunkt, insbesondere an einem Anschlag der Auflage. Die Abstände von einem Referenzpunkt können zu einer neuen Positionierung des Werkstücks zur weiteren Bearbeitung verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens weist das Bestimmen des Abstands und/oder des Drehwinkels des Werkstücks in Bezug auf eine Referenzlage auf. Dadurch kann das Werkstück zur weiteren Bearbeitung neu ausgerichtet bzw. verschoben werden. Insbesondere kann eine Schieflage des Werkstücks in Bezug auf eine gewünschte Referenzlage bestimmt und korrigiert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens bestimmt der Abstandsmesser die Abstände mechanisch, kapazitiv und/oder optisch, insbesondere unter Aussenden und Empfangen eines Laserstrahls. Insbesondere sendet der Abstandsmesser einen Laserstrahl aus, der an der Oberfläche des Werkstücks reflektiert wird, und empfängt den reflektierten Laserstrahl, beispielsweise im Rahmen einer Lasertriangulation zur Positionsbestimmung des Werkstücks.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Bestimmen eines Abtastbereichs zum Abtasten der Oberflächen des Abtastbereichs und des Werkstücks anhand der ersten Lageangabe, wobei der Abtastbereich in der Draufsicht auf die Auflage das Werkstück umgibt. Der Abstandsmesser wird insbesondere über den Abtastbereich und das Werkstück verfahren, um zu erkennen, wo die Kanten des Werkstücks liegen.
Anhand der zweiten Lageangabe werden bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens Bearbeitungsparameter zum Bearbeiten des Werkstücks festgelegt, insbesondere zum Bearbeiten des Werkstücks mit einem Laserstrahl. Die zweite Lageangabe, insbesondere in Form einer Angabe zur Größe, Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks, weist typischerweise eine hohe Genauigkeit auf, da der Abstandsmesser geeignet positioniert werden kann, um die Oberfläche des Werkstücks mit hoher Genauigkeit bei vergleichsweise geringem Zeitaufwand abzutasten. Dadurch können die Bearbeitungsparameter anhand der zweiten Lageangabe ebenfalls genau bestimmt werden.
Eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks auf einer Auflage unter einer automatischen Lageerfassung des Werkstücks weist die folgenden Elemente auf:

I. Eine Kamera zum Erzeugen einer Bildaufnahme eines Aufnahmebereichs der Auflage mit dem Werkstück, wobei das Werkstück in dem Aufnahmebereich auf der Auflage aufliegt;
II. Einen Abstandsmesser zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks unter Bestimmen der jeweiligen Abstände zwischen den abgetasteten Oberflächenpunkten und dem Abstandsmesser;
III. Eine Steuerung, ausgebildet
1. i. zum Bestimmen einer ersten Lageangabe zur Lage des Werkstücks auf der Auflage anhand der Bildaufnahme,
2. ii. zum Bestimmen der Position und/oder Bahn des Abstandsmessers beim Abtasten des Werkstücks anhand der ersten Lageangabe und
3. iii. zum Bestimmen einer zweiten Lageangabe zur Lage des Werkstücks auf der Auflage anhand der durch den Abstandsmesser gemessenen Abstände.

Die Vorrichtung ermöglicht eine zeitsparende Bearbeitung des Werkstücks, indem geometrische Parameter des Werkstücks durch einen Anwender des Verfahrens nicht mehr erfasst und einer Maschinensteuerung übermittelt werden müssen. Die Kamera und der unabhängige Abstandsmesser gewährleisten eine erhöhte Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit bei der zweistufigen Lageerfassung des Werkstücks. Die Vorrichtung erhöht die Sicherheit und Schnelligkeit einer automatisierten Bearbeitung des Werkstücks.
Der Abstandsmesser weist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung Messeinrichtungen zum mechanischen, kapazitiven und/oder optischen Messen der Abstände auf, insbesondere eine Laserquelle und einen Laserempfänger. Dadurch ist der Abstandsmesser zur präzisen Messung von Abständen auf vergleichsweise kleinen Distanzen ausgebildet, insbesondere durch eine Lasertriangulation.
Die Steuerung ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung zum Bestimmen eines Abtastbereichs zum Abtasten der Oberflächen des Abtastbereichs und des Werkstücks anhand der ersten Lageangabe ausgebildet, wobei der Abtastbereich in der Draufsicht auf die Auflage das Werkstück umgibt. Der Abtastbereich definiert insbesondere einen Bereich auf der Auflage des Werkstücks, in dem der Abstandsmesser die Auflage und das Werkstück abtastet, insbesondere um die Lage der Kanten des Werkstücks und damit dessen Gestalt und Ausrichtung zu bestimmen. Der Abtastbereich kann anhand der ersten Lageangabe derart gewählt werden, dass er das Werkstück in der Draufsicht auf die Auflage in einem vorbestimmten Abstand umgibt.
Die zum Verfahren beschriebenen Merkmale können an der Vorrichtung Verwendung finden und umgekehrt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks auf einer Auflage unter einer automatischen Lageerfassung des Werkstücks.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Vorrichtung, wobei eine Kamera und ein Abstandsmesser aus einer in 1 gezeigten Stellung verfahren sind;
3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Auflage der Vorrichtung mit dem Werkstück;
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Auflage mit dem Werkstück.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Vorrichtung 10 zum Bearbeiten eines Werkstücks 12 auf einer Auflage 14 unter einer automatischen Lageerfassung des Werkstücks 12. Der Querschnitt ist entlang einer vertikalen Ebene durch die Vorrichtung 10 dargestellt. Eine Kamera 16 der Vorrichtung 10 ist über dem Werkstück 12 positioniert, um digitale Bilddaten eines Aufnahmebereichs 18 der Auflage 14 mit dem Werkstück 12 zu erzeugen, wobei der Aufnahmebereich 18 das Werkstück 12 in einer Draufsicht auf die Aufnahme 14 umgibt (vgl. 3). Ein Abstandsmesser 20 dient dem Messen von Abständen zu Punkten der Oberfläche des Werkstücks 12 zu dem Abstandsmesser 20. Zum Messen der Abstände weist der Abstandsmesser 20 eine verfahrbare Laserquelle 22 und einen verfahrbaren Laserempfänger 24 auf. Der Abstandsmesser 20 und die Kamera 16 sind an einem Tragarm 26 der Vorrichtung 10 verfahrbar angeordnet. Die Kamera 16 und der Abstandsmesser 20 werden durch eine Steuerung 28, insbesondere in einer Tragsäule 30, der Vorrichtung 10 gesteuert, die dazu ausgebildet ist, anhand der digitalen Bilddaten des Aufnahmebereichs 18 eine erste Lageangabe des Werkstücks 12 zu berechnen, insbesondere eine erste Angabe zur Position, Ausrichtung und/oder Größe des Werkstücks 12. Anhand der ersten Lageangabe kann die Steuerung 28 eine Bahn des Abstandsmessers 20 bestimmen, entlang derer der Abstandsmesser 20 beim Messen der Abstände zu der Oberfläche des Werkstücks 12 verfahren wird. Die gemessenen Abstände kann die Steuerung 28 zur Bestimmung einer zweien Lageangabe verwenden, die genauer ist als die erste Lageangabe.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Vorrichtung 10 zum Bearbeiten des Werkstücks 12 auf der Auflage 14, wobei die Kamera 16 und der Abstandsmesser 20 derart verfahren sind, dass der Abstandsmesser 20 über dem Werkstück 12 positioniert ist, um Abstände zu Punkten der Oberfläche des Werkstücks 12 zu dem Abstandsmesser 20 zu messen. Die Steuerung 28 bestimmt anhand der digitalen Bilddaten des Aufnahmebereichs 18 (siehe 1) in der dargestellten Ausführungsform des Verfahrens einen Abtastbereich 32 der Auflage 14 um das Werkstück 12, wobei der Abstandsmesser Abstände zu Punkten der Oberfläche des Abtastbereichs 32 zusammen mit Abständen zu Punkten der Oberfläche des Werkstücks 12 misst. Dabei tastet der Abstandsmesser 20 insbesondere die Oberflächen des Abtastbereichs 32 und des Werkstücks 12 mit Hilfe eines Laserstrahls 34 ab, der aus der Laserquelle 22 ausgesendet, an der jeweiligen Oberfläche reflektiert und durch den Laserempfänger 24 empfangen wird. Auf diese Weise kann die Lage des Werkstücks 12 in dem Abtastbereich 32 und damit auf der Auflage 14 sehr genau bestimmt werden.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der Auflage 14, auf der das Werkstück 12 aufliegt. Dargestellt ist insbesondere der Aufnahmebereich 18 um das Werkstück 12 und der Abtastbereich 32, dessen Rand zwischen dem Rand des Aufnahmebereichs 18 und den Kanten des Werkstücks 12 ausgebildet ist.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Auflage 14, auf der das Werkstück 12 aufliegt. Die Auflage 14 weist einen Anschlag 36 auf, zum Beispiel zur Anlage des Werkstücks 12. Dargestellt ist auch eine Referenzlage RL, die zum Beispiel eine Lage des Werkstücks 12 darstellt, in der das Werkstück 12 zur weiteren Bearbeitung angeordnet sein soll. Das Werkstück 12 befindet sich hier im Vergleich zu der Referenzlage RL in einer Schieflage, die hier durch einen Drehwinkel 38 zwischen der Referenzlage und den Kanten des Werkstücks 12 definiert ist. Eine solche Schieflage kann durch die Kamera 16 und den Abstandsmesser 20 (vgl. 1) schnell und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Anschließend kann die Lage des Werkstücks 12 korrigiert werden, um das Werkstück 12 in die Referenzlage RL zu bringen.
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks 12 unter automatischer Lageerfassung des Werkstücks 12 auf einer Auflage 14. Eine Kamera 16 stellt digitale Bilddaten eines Aufnahmebereichs 18 der Auflage 14 bereit, wobei das Werkstück 12 in einer Draufsicht auf die Auflage 14 in dem Aufnahmebereich 18 angeordnet ist. Unter Verwendung der digitalen Bilddaten wird eine erste Lageangabe zur Lage des Werkstücks 12 berechnet, insbesondere zur Position, Ausdehnung und/oder Ausrichtung des Werkstücks 12 auf der Auflage 14. Die erste Lageangabe wird verwendet, um eine Position oder Bahn eines Abstandsmessers 20 zu berechnen, wobei der Abstandsmesser 20 die Position einnimmt oder die Bahn durchläuft, während der Abstandsmesser 20 Abstände zu Punkten auf der Oberfläche des Werkstücks 12 misst. Durch die gemessenen Abstände wird eine zweite Lageangabe des Werkstücks 12 berechnet, die insbesondere genauer als die erste Lageangabe ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019126403 A1 [0002]
DE 102018133524 A1 [0002]
DE 102009012543 A1 [0002]
DE 102007018416 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) auf einer Auflage (14) unter automatischer Lageerfassung des Werkstücks (12), aufweisend die Schritte: a) Erzeugen einer Bildaufnahme eines Aufnahmebereichs (18) der Auflage (14) mit dem Werkstück (12), wobei das Werkstück (12) in dem Aufnahmebereich (18) auf der Auflage (14) aufliegt; b) Bestimmen einer ersten Lageangabe zur Lage des Werkstücks (12) auf der Auflage (14) anhand der Bildaufnahme; c) Festlegen der Position und/oder Bahn eines Abstandsmessers (20) zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks (12) durch den Abstandsmesser (20) anhand der ersten Lageangabe; d) Abtasten der Oberfläche des Werkstücks (12) mit dem Abstandsmesser (20) unter Bestimmen der Abstände zwischen den abgetasteten Oberflächenpunkten und dem Abstandsmesser (20); e) Bestimmen einer zweiten Lageangabe zur Lage des Werkstücks (12) auf der Auflage (14) anhand der gemessenen Abstände.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend das Bestimmen des Abstands des Werkstücks (12) von einem Referenzpunkt, insbesondere an einem Anschlag (36) der Auflage (14).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend das Bestimmen des Abstands und/oder des Drehwinkels (38) des Werkstücks (12) in Bezug auf eine Referenzlage (RL).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstandsmesser (20) die Abstände mechanisch, kapazitiv und/oder optisch bestimmt, insbesondere unter Aussenden und Empfangen eines Laserstrahls (34).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend das Bestimmen eines Abtastbereichs (32) zum Abtasten der Oberflächen des Abtastbereichs (32) und des Werkstücks (12) anhand der ersten Lageangabe, wobei der Abtastbereich (32) in der Draufsicht auf die Auflage das Werkstück (12) umgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend das Festlegen von Bearbeitungsparametern zum Bearbeiten des Werkstücks (12) anhand der zweiten Lageangabe des Werkstücks (12), insbesondere zum Bearbeiten des Werkstücks (12) mit einem Laserstrahl (34).
Vorrichtung (10) zum Bearbeiten eines Werkstücks (12) auf einer Auflage (14) unter automatischer Lageerfassung des Werkstücks (12), aufweisend: I. Eine Kamera (16) zum Erzeugen einer Bildaufnahme eines Aufnahmebereichs (18) der Auflage (14) mit dem Werkstück (12), wobei das Werkstück (12) in dem Aufnahmebereich (18) auf der Auflage (14) aufliegt; II. Einen Abstandsmesser (20) zum Abtasten der Oberfläche des Werkstücks (12) unter Bestimmen der jeweiligen Abstände zwischen den abgetasteten Oberflächenpunkten und dem Abstandsmesser (20); III. Eine Steuerung (28), ausgebildet i. zum Bestimmen einer ersten Lageangabe zur Lage des Werkstücks (12) auf der Auflage (14) anhand der Bildaufnahme, ii. zum Bestimmen der Position und/oder Bahn des Abstandsmessers (20) beim Abtasten des Werkstücks (12) anhand der ersten Lageangabe und iii. zum Bestimmen einer zweiten Lageangabe zur Lage des Werkstücks (12) auf der Auflage (14) anhand der durch den Abstandsmesser (20) gemessenen Abstände.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Abstandsmesser (20) Messeinrichtungen zum mechanischen, kapazitiven und/oder optischen Messen der Abstände aufweist, insbesondere eine Laserquelle (22) und einen Laserempfänger (24).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Steuerung (28) zum Bestimmen eines Abtastbereichs (32) zum Abtasten der Oberflächen des Abtastbereichs (32) und des Werkstücks (12) anhand der ersten Lageangabe ausgebildet ist, wobei der Abtastbereich (32) in der Draufsicht auf die Auflage (14) das Werkstück (12) umgibt.