DE19914862B4

DE19914862B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks

Info

Publication number: DE19914862B4
Application number: DE1999114862
Authority: DE
Inventors: Christian Pfau; Wolfgang Dr. Eckstein
Original assignee: E Zoller GmbH and Co KG
Current assignee: E Zoller GmbH and Co KG
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: DE19914862A1

Abstract

Verfahren zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks, insbesondere eines Werkzeuges, mit einem von einer Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel mit folgenden Schritten:
– Festlegung wenigstens einer Soll-Position (S_S, E_S) eines Konturpunktes des zu vermessenden Konturverlaufs und Eingabe der Soll-Position in eine Recheneinrichtung,
– Anordnung des Werkstücks derart, daß die Ist-Position (S_I, E_I) des Konturpunktes seiner Soll-Position (S_S, E_S) entspricht,
– Abfahren des Konturverlaufs softwaregesteuert im wesentlichen automatisch mit dem von der Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel, wobei zum automatischen Abfahren des Konturverlaufs ausgehend vom Startpunkt ein Konturverlauf innerhalb eines aktuellen Bildfelds genutzt wird, um das nächste Bildfeld automatisch anzufahren und Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Positionen von Punkten des Konturverlaufs relativ zu der festgelegten Soll-Position (S_S, E_S) und
– Berechnung eines Konturlinienzuges auf der Grundlage der festgelegten Soll-Position (S_S, E_S) und der ermittelten Ist-Positionen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkzeugs oder Werkstücks.

Zum automatischen Vermessen bzw. Messen von Werkzeugen werden auf Einstell- und Meßgeräten vielfach Bildverarbeitungssysteme eingesetzt. Zum Vermessen eines Werkzeugs mittels eines derartigen Bildverarbeitungssystems werden in der Praxis Meßpunktreihen mit einer großen Anzahl von Meßpunkten über eine Tastatur und eine Bildschirmmaske in einen Rechner eingegeben. Bei diesen Meßpunkten handelt es sich um Soll-Werte, welche typischerweise aus zweidimensionalen Koordinatenwerten bestehen, denen weitere Informationen beispielsweise hinsichtlich einer zu messenden Schneidenform des Werkzeugs hinzugefügt werden. Die eingegebenen Soll-Werte werden dann mittels eines Bildverarbeitungssystems mit tatsächlich gemessenen Ist-Werten verglichen. Aus dem Vergleich der Ist- mit den Soll-Werten ist es dann möglich, ein den Konturverlauf des zu vermessenden Werkzeuges darstellendes Polygon zu berechnen.

Die beschriebene manuelle Dateneingabe für komplex geformte Werkzeuge kann, beispielsweise je nach Anzahl der Schneiden, erhebliche Zeit in Anspruch nehmen. Bedienungszeiten zum Programmieren der zu messenden Schneidenform bis zu 90 Minuten werden hierbei regelmäßig in Kauf genommen.

Ferner ist aus der DE 41 11 043 A1 eine automatische programmgestaltende Einrichtung bekannt, die automatisch ein Teilprogramm zum Ableiten der Konturmessposition eines Messobjekts und der Messbedingungsdaten aus einer zweidimensionalen CAD-Grafikinformation und zum Berechnen der XYZ-Koordinaten der Näherungsposition, der Eintrittsposition einer berührenden Sonde einer dreidimensionalen Konturmesseinrichtung zur Zeit der Konturmessung auf der Grundlage der abgeleiteten Konturmesspositions- und Messbedingungsdaten gestaltet, um dadurch die dreidimensionale Konturmesseinrichtung zu steuern, und die automatisch ein Testprogramm zum Simulieren des Messbetriebs des Teilprogramms im vorhinein gestaltet.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens bzw. einer Vorrichtung, mit welchem bzw. welcher das Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks sich weniger aufwendig als bisher gestaltet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Erfindungsgemäß ist es nun möglich, beispielsweise durch Eingabe der Soll-Position nur eines Punktes eines zu vermessenden Konturverlaufs den gesamten zu messenden Konturverlauf zu erfassen und rechnerisch zu verarbeiten. Da einzelne Punkte des zu vermessenden Konturverlaufs relativ zu der eingegebenen Soll-Position nur eines Punktes ermittelt werden können, ist das Vermessen des Konturverlaufs gegenüber herkömmlichen Verfahren, bei welchen eine große Anzahl von Meßpunkten eingegeben werden mußte, vereinfacht.

Vorteilhafterweise sind die Mittel zur Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Punkten des Konturverlaufs in Form eines softwaregesteuerten verfahrbaren und/oder verschwenkbaren Bildverarbeitungssystems ausgebildet. Mittels der Verfahrbarkeit bzw. Verschwenkbarkeit des Bildverarbeitungssystems ist es in einfacher Weise möglich, einem vorgegebenen Konturverlauf zu folgen, auch wenn dieser das Bild- bzw. Blickfeld einer im Rahmen des Bildverarbeitungssystems verwendeten Kamera übersteigt.

Es ist ferner bevorzugt, daß die Mittel zur Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Punkten in Form einer softwaregesteuerten verfahrbaren und/oder verschwenkbaren Lasermeßvorrichtung ausgebildet sind. Mittels einer derartigen Lasermeßvorrichtung ist eine. Kontur eines Werkstücks, wobei die zu vermessenden Ist-Punkte des Konturverlaufs mit einer Soll-Position eines Ausgangspunktes in Beziehung gesetzt werden, in einfacher Weise Vermessbar.

Vorteilhaft erfolgt das Abfahren des Konturverlaufs und/oder die Berechnung eines Konturlinienzuges auf der Grundlage der festgestellten wenigstens einen Soll-Position und der ermittelten Ist-Positionen im wesentlichen automatisch. Der Programmier- bzw. Steueraufwand für einen Bediener ist durch diese Maßnahme gegenüber herkömmlichen Verfahren stark vermindert. Es ist ebenfalls denkbar, die Konturvermessung interaktiv zu gestalten, wobei beispielsweise während der Vermessung dem Benutzer die Möglichkeit gegeben wird, Korrekturen oder Parameteränderungen einzugeben.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, daß das Abfahren des Konturverlaufs durch statisch angeordnete Mittel zur Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Punkten des Konturverlaufs erfolgt, wobei das zu vermessende Werkstück in geeigneter Weise verfahren oder verschwenkt wird. Durch diese Maßnahme kann darauf verzichtet werden, verschwenk- bzw. verfahrbare Bildverarbeitungssysteme bzm. Lasermeßvorrichtungen zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks,
2 eine schematische Schnittansicht eines zu vermessenden Werkstücks, wobei gemäß herkömmlichen Verfahren typischerweise von Hand einzugebende Soll-Werte dargestellt sind, und
3 das Werkstück der 1, wobei hier gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Anfangspunkt und ein Endpunkt des Konturverlaufs des Werkzeugs, welche von Hand eingegeben werden, dargestellt sind.
Entsprechend 1 umfaßt die Meßvorrichtung eine Vorrichtungsbasis 10, an deren linker Stirnseite ein mit einem nicht gezeigten Rechner verbundenes Bedienpult 12 mit Tastatur 14 und Bildschirm 16 angeschlossen ist. Ein mit dem Rechner verbundener Monitor 76, der in Verbindung mit einer schematisch dargestellten Meßkamera 64 arbeitet, ist gut sichtbar für eine Bedienperson hinter dem allgemeinen Meßbereich beispielsweise an der Basis 10 auf einem Stativ 75 abgestützt. Am rechten Ende ist in der Vorrichtungsbasis 10 eine vertikale Aufnahmeeinrichtung 18 in Form eines Hochgenauigkeits-Spindelstocks 20 angeordnet, dessen Drehachse die vertikale Bezugsachse 22 der Meßvorrichtung bildet. Ein zu vermessendes Werkzeug ist in den Hochgenauigkeits-Spindelstock 20 eingespannt.
Auf der Oberseite der Vorrichtungsbasis 10 befindet sich ein in deren Längsrichtung (X-Richtung) verstellbarer Schlitten 24, der einen nach oben ragenden, quer zu der X-Richtung, d.h. in Y-Richtung, verstellbaren zweiten Schlitten 26 trägt, an dem schließlich ein vertikal, d.h. in der Z-Richtung, verstellbarer dritter Schlitten 28 geführt ist. Die drei in X-, Y- bzw. Z-Richtung verstellbaren Teilschlitten 24, 26, 28 bilden einen dreidimensional verstellbaren Koordinatenschlitten 30, wobei der vertikal verstellbare Schlitten 28 über eine Schnittstelle 34 mit der Kamera 64 (bzw. weiteren, nicht im einzelnen dargestellten Geräten zur Meßdatenaufnahme) verbunden ist. Entsprechend dem beschriebenen Koordinatenschlitten 30 ist auch die Kamera 64 in drei Richtungen verfahrbar. Es erweist sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft, die Kamera 64 auch schwenkbar auszubilden. Als denkbare Schwenkachse sind beispielsweise eine in die Zeichenebene hinein verlaufende Schwenkachse 100, und eine in der Zeichenebene verlaufende, gestrichelt dargestellte Schwenkachse 101 in 1 dargestellt.
Der so gewählte Aufbau ermöglicht jede erforderliche Beweglichkeit der Kamera 64, so daß dessen Meßbereich, beispielsweise die optische Achse der Kamera, in einfacher Weise und von der Bedienperson gut übersehbar auf das zu vermessende Objekt einstellbar ist, das in 1 von einem Werkzeug 36 gebildet wird. Zum Messen des Konturverlaufs des Werkzeugs 36 wird die Kamera beispielsweise, in der Darstellung der 1, hinter das Werkzeug 36 gefahren. Beleuchtungseinrichtungen, beispielsweise eine Durchlicht- oder eine Auflichteinrichtung, zur Beleuchtung des Werkzeugs 36 sind in 1 nicht im einzelnen dargestellt.
Die Schlitten 24, 26, 28 sind beispielsweise mittels nicht dargestellter Motoren verfahrbar, welche entsprechend einem durchzuführenden Meßverlauf softwaregesteuert ausgebildet sein können. Es sei angemerkt, daß es ausreichend sein kann, einen lediglich in zwei Richtungen, beispielsweise der X- und der Z-Richtung verfahrenbaren Schlitten zu verwenden. Es ist beispielsweise möglich, einen Koordinatenschlitten mit zwei linearen Freiheitsgraden sowie einem Rotationsfreiheitsgrad zu verwenden, wobei diese drei Freiheitsgrade vorteilhafterweise mittels motorischer Antriebe durchführbar bzw. durchfahrbar sind.
In 2 ist beispielhaft ein ebenfalls mit 36 bezeichnetes Schneidwerkzeug dargestellt, dessen Konturverlauf ausgemessen werden soll. Zum Vermessen dieses Konturverlaufs müssen herkömmlicherweise Meßpunkte S₁ bis S_n, welche Positionen von Soll-Punkten des zu vermessenden Konturverlaufs entsprechen, über eine Tastatur oder eine Bildschirmmaske in einen Rechner eingegeben werden. Die Solldaten dieser Punkte S₁ bis S_n bestehen aus X- und Z-Koordinatenwerten, denen zusätzlich noch weitere Informationen hinsichtlich der zu messenden Schneidenform hinzugefügt werden müssen. Nach Eingabe der Soll-Punkte S₁ bis S_n erfolgt eine Vermessung der diesen Soll-Punkten S₁ bis S_n entsprechenden Ist-Punkte des tatsächlich zu vermessenden Konturverlaufs. Die Ist-Punkte des Konturverlaufs, welche den eingegebenen Soll-Punkten entsprechen, sind in 2 mit I₁ bis I_n bezeichnet. Für die Werte I₁ und I_n sind beispielhaft die Koordinaten x bzw. z eingezeichnet. Über jeweilige Vergleiche der Soll-Punkte mit den Ist-Punkten ist eine genaue Messung des Schneidwerkzeugs 36 durchführbar. Als nachteilig hierbei erweist sich, daß das Bildfeld einer im Rahmen eines Bildverarbeitungssystems verwendeten Kamera beschränkt ist, so daß in relativ aufwendiger Weise ein beispielsweise den ersten Punkt S₁ bzw. I₁ umfassendes Bildfeld mit einem zweiten Bildfeld, welches beispielsweise einen Punkt S₂ bzw. I₂ enthält, kombiniert werden muß.
Zur Darstellung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist in 3 dargestellt, daß nun lediglich ein Startpunkt S_S und ein Endpunkt E_S des zu vermessenden Konturverlaufs als Soll-Werte in einen Rechner eingegeben werden sollen. Es ist auch möglich, lediglich einen Punkt, beispielsweise den Startpunkt S_S in dem Rechner einzugeben. Durch die Eingabe dieses Startpunktes ist eine Festlegung wenigstens einer Soll-Position eines Konturpunktes des zu messenden Konturverlaufs definiert. Zweckmäßigerweise wird nun in einem weiteren Schritt das Werkzeug 36 derart positioniert, daß die Ist-Position I_S des eingegebenen Konturpunktes S_S seiner Soll-Position entspricht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß eine Positionierung des Werkzeugs 36 mittels des Hochgenauigkeits-Spindelstocks 20 erfolgt. Eine anschließende Aufnahme der Kontur des Werkzeugs kann nun durch geeignete Abtastmittel, welche zweckmäßigerweise verfahrbar oder verschwenkbar ausgebildet sind, zusammen mit einer speziellen Software im wesentlichen automatisch erfolgen. Es sei angemerkt, daß anstelle einer Start- und Endposition es auch ausreichend sein kann, lediglich die Startposition S_S als Soll-Punkt in den Rechner einzugeben, und ferner eine auszuführende Meßrichtung (ebenfalls mittels Tastatur) festzulegen. Bei Verwendung von Bildverarbeitungssystemen ist es beispielsweise möglich, lediglich ein Bild auszuwählen, welches der Form des Werkzeugs an der Startposition entspricht.
Es sind erfindungsgemäß keine weiteren Eingaben notwendig. Die Eingabezeit zum Messen einer beliebigen Kontur, die z.B. aus Geraden, Schrägen und Radien beliebig bestehen kann, erfolgt beispielsweise in weniger als einer Minute. Im einfachsten Fall werden hierbei lediglich X/Z-Koordinaten ermittelt, wobei ferner die Kontur in Elemente und Segmente wie beispielsweise Geraden, Kreisbögen, Ellipsen und Parabeln zerlegt werden kann. Die zu diesem Zwecke eingesetzte Software ist in der Lage charakteristische bzw. für eine Konturverlaufsmessung geeignete Punkte zu bestimmen und diese miteinander rechnerisch zu verknüpfen. Es können beispielsweise Raster vorgegeben werden, in welchen die auszuwertenden Meßwerte liegen bzw. liegen sollen. Zur Eliminierung von Streuwerten können Toleranzen für die Soll- bzw. Ist-Punkte vorgegeben werden.
Die Software ist in der Lage, die notwendigen Ist-Punkte bzw. Meßpunkte entlang des Konturverlaufs des Werkzeugs vollkommen selbständig anzusteuern.
Das zu vermessende Werkzeug kann mit oder ohne einer eigenen Rotationsbewegung vermessen bzw. aufgenommen werden. Die Rotation des Werkzeugs kann ebenfalls durch die genannte Software gesteuert werden.
Insgesamt entsteht durch die Messung ein Polygon, das als Konturlinienzug in elektronischer Form zur Weiterverarbeitung in anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden kann. Ein derartiger Konturlinienzug kann anschließend nach Belieben ausgewertet und für Meß- bzw. Prüfprotokolle, beispielsweise in gedruckter Form, verwendet werden. Der gemessene Konturverlauf kann auch als DXF-File grafisch auf einem Bildschirm angezeigt und ebenfalls ausgedruckt wer den, das zugehörige ASCII-File kann an jede beliebige Werkzeugmaschine ausgegeben werden, um beispielsweise ein kontrolliertes Werkzeug auf einer Schleifmaschine nachzuschleifen oder um ein gefertigtes Werkstück auf einer Schleifmaschine oder Drehmaschine nachzubearbeiten. Das ASCII-File kann jederzeit auch an eine andere, beliebige Werkzeugmaschine ausgegeben werden, die Daten aus dem ASCII-File können von jedem Programmiersystem zur Fertigung von Werkstücken und Werkzeugen weiterverwendet werden.
Es sei angemerkt, daß die beschriebene Solldateneingabe von Start- und Endpunkten nicht nur mittels Tastatur, sondern auch beispielsweise über Diskette oder ASCII-File über Schnittstellen oder im Netzwerk, oder auch durch direkten Datenbankzugriff in das System eingegeben werden kann bzw. in ein Rechnersystem übertragen werden kann.
Eine Weiterverarbeitung der mittels der beschriebenen Konturverlaufsmessung erhaltenen ASCII-Files erfolgt beispielsweise auf CNC-gesteuerten Werkzeugschleifmaschinen, auf CNC-gesteuerten Rundschleifmaschinen, auf Drehmaschinen, Bearbeitungszentren und Fräsmaschinen, sowie insbesondere auch als Soll-/Ist-Vergleich.
Die Kombinationen in den Berechnungen, d.h. beispielsweise die ermittelten Formbestandteile des Konturlinienzuges, werden dem Benutzer als Vorschlagskomponente zur freien Auswahl am Bildschirm angezeigt. Die somit gewählte Konfiguration der Elemente, beispielsweise Linie, Kreisbogen, Linie wird entsprechend der Auswahl des Bedieners vom System gelernt, die verwendete Software merkt sich gewissermaßen das vom Anwender gewünschte System.

Claims

Verfahren zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks, insbesondere eines Werkzeuges, mit einem von einer Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel mit folgenden Schritten: – Festlegung wenigstens einer Soll-Position (S_S, E_S) eines Konturpunktes des zu vermessenden Konturverlaufs und Eingabe der Soll-Position in eine Recheneinrichtung, – Anordnung des Werkstücks derart, daß die Ist-Position (S_I, E_I) des Konturpunktes seiner Soll-Position (S_S, E_S) entspricht, – Abfahren des Konturverlaufs softwaregesteuert im wesentlichen automatisch mit dem von der Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel, wobei zum automatischen Abfahren des Konturverlaufs ausgehend vom Startpunkt ein Konturverlauf innerhalb eines aktuellen Bildfelds genutzt wird, um das nächste Bildfeld automatisch anzufahren und Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Positionen von Punkten des Konturverlaufs relativ zu der festgelegten Soll-Position (S_S, E_S) und – Berechnung eines Konturlinienzuges auf der Grundlage der festgelegten Soll-Position (S_S, E_S) und der ermittelten Ist-Positionen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfahren des Konturverlaufs durch statisch angeordnete Konturverlauf Erfassungsmittel erfolgt, wobei das Werkstück, dessen Konturverlauf zu vermes sen ist, in geeigneter Weise verfahren und/oder gedreht wird.
Verfahren zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks, insbesondere eines Werkzeuges, mit einem von einer Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel mit folgenden Schritten: – Eingabe lediglich eines Startpunkts und eines Endpunkts oder eines Startpunkts und einer Meßrichtung und – Abfahren des Konturverlaufs mittels der Kamera, softwaregesteuert und im wesentlichen automatisch, wobei zum automatischen Abfahren des Konturverlaufs ausgehend vom Startpunkt ein Konturverlauf innerhalb eines aktuellen Bildfelds genutzt wird, um das nächste Bildfeld automatisch anzufahren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend vom Startpunkt neue Bildfelder angefahren werden, bis der Endpunkt erreicht ist.
Vorrichtung zum Vermessen eines Konturverlaufs eines Werkstücks, insbesondere eines Werkzeugs (36), mit – Mitteln (14, 16) zur Festlegung einer Soll-Position (S_S, E_S) wenigstens eines Punktes des zu vermessenden Konturverlaufs und zur Eingabe der Soll-Position in eine Recheneinrichtung, – Mitteln (20) zur Anordnung des Werkstücks derart, daß die Ist-Position des wenigstens einen Punktes seiner festgelegten Soll-Position entspricht, – einem von einer Kamera gebildeten Mittel (64) zur Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Positionen des Konturverlaufs relativ zu der wenigstens einen Soll-Position, – Mitteln zum Abfahren des Konturverlaufs softwaregesteuert im wesentlichen automatisch mit dem von der Kamera gebildeten Konturverlauf-Erfassungsmittel, wobei zum automatischen Abfahren des Konturverlaufs ausgehend vom Startpunkt ein Konturverlauf innerhalb eines aktuellen Bildfelds genutzt wird, um das nächste Bildfeld automatisch anzufahren und – Mitteln zur Berechnung eines Konturlinienzuges auf der Grundlage der festgelegten Soll-Position und der ermittelten Ist-Positionen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung einer beliebigen Anzahl von Ist-Positionen in Form eines softwaregesteuerten, verfahrbaren und/oder verschwenkbaren Bildverarbeitungssystems, welches die Kamera (64) aufweist, ausgebildet sind.