CN113453835A - 用于设置工具机的方法和制造系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设置工具机的方法(12)，所述方法具有如下步骤：a)在所述工具机(12)的工作空间(22)中布置工件载体(16)，b)在使用实时定位系统(24)的情况下将所述工具机(12)的加工头(14)相对于所述工件载体(16)粗略取向，c)在使用图像处理系统(34)的情况下将所述加工头(14)相对于所述工件载体(16)精细取向。本发明还涉及一种制造系统(10)，所述制造系统具有带有加工头(14)的工具机(12)、工件载体(16)、实时定位系统(24)以及图像处理系统(34)，其中，所述实时定位系统(24)的至少一个第一位置确定装置(26)布置在所述工件载体(16)上，优选地，其中，实时定位系统(24)的至少一个另外的第一位置确定装置(28)布置在所述加工头(14)上，其中，所述实时定位系统(24)的多个第二位置确定装置(30)以地点固定的方式布置、尤其是布置在所述工具机(12)上，并且其中，所述图像处理系统(34)具有用于检测所述工件载体(16)的光学特征的摄像机(36)。所述方法和所述制造系统允许快速和自动化地设置所述工具机。

Description

用于设置工具机的方法和制造系统

技术领域

本发明涉及一种用于设置工具机的方法，其中，工件载体布置在该工具机的工作空间中。本发明还涉及一种制造系统，该制造系统具有带有加工头和工件载体的工具机。

背景技术

为了借助工具机对工件进行加工、尤其是三维加工，工件通常借助工件载体固定在工具机的工作空间中。这也称为工具机的装配。为了对工件进行精密加工，工具机或其控制装置必须知道工件在工作空间中的准确位置。用于控制加工的NC程序必须在这方面匹配于工件的具体位置和取向。这称为设置、尤其是3D设置或调试(Einfahren)。在此，NC程序的零点和工件载体或工件上的固定点通常取得一致，使得NC程序在平移和旋转方面匹配于工件并遵守所有公差。设置的该工艺步骤传统上非常高开销。

三维构件的位置和取向通常借助测量头来求取。该过程需要高的时间开销和受过训练的人员并且还易于出错。尤其即使在受过训练的人员的情况下，也不能排除人为错误。除了这种触觉系统以外，还使用诸如非常成本高昂的激光三角测量之类的光学方法来确定工件位置和工件定向。通常，还使用特殊的、以高精度制造的止动器(Anschlag)，其相应地是昂贵的。已知方法的缺点此外在于，这些方法只能在非常有限的程度上自动化、尤其是不能完全自动化。

发明内容

本发明的任务是，提供一种方法和一种制造系统，其允许快速且自动化地设置工具机。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求10的制造系统来解决。从属权利要求和说明书说明优选的扩展方案。

根据本发明的方法

因此，本发明涉及一种用于设置工具机的方法，其具有以下步骤：

a)在工具机的工作空间中布置工件载体，

b)在使用实时定位系统的情况下进行工具机的加工头相对于工件载体的粗略取向，

c)在使用图像处理系统的情况下进行加工头相对于工件载体的精细取向。

在步骤a)中，首先将工件载体放置在工具机的工作空间中并固定在那里，例如与工作台夹紧。可以将工件载体连同由工件载体保持的工件布置在工作空间中。替代地，可以首先单独地(没有工件地)将工件载体布置在工作空间中，然后将工件固定在工件载体上。原则上，将工件固定在工件载体上也可以在执行步骤b)和c)之后进行。如果在执行步骤c)时工件已经固定在工件载体上，则工件的光学特征也可以用于步骤c)中的精细取向。在这方面，工件可以视为工件载体的一部分。

在步骤a)之后，将工具机的加工头相对于工件载体取向。这意味着，将加工头带到关于工件载体的确定的相对位置以及可能的相对定向。相对位置例如可以通过以下方式定义：加工头(例如工具或光学元件)的标记点以预先确定的间距布置在工件载体的标记点的垂直上方。

根据本发明，在上游的粗略取向和随后的精细取向的范畴内，在两个步骤b)和c)中均进行加工头的取向。

实时定位系统、优选室内GPS用于步骤b)中的粗略取向。这种系统通常允许在几厘米上准确地确定对象的位置。

为了确定工件载体的位置，实时定位系统的至少一个第一位置确定装置布置在工件载体上。优选地，还将实时定位系统的至少一个另外的第一位置确定装置布置在加工头上。实时定位系统的第二位置确定装置关于工具机(或关于其工作空间或工作台)以地点固定的方式布置。第一和第二位置确定装置以自身已知的方式(an und für sich bekannterWeise)彼此通信，使得能够求取相应的第一位置确定装置的位置。这些位置通常传输至工具机的控制系统。控制系统通常也可以独立于实时定位系统来求取加工头的位置。加工头可以基于其已知位置以及借助实时定位系统确定的工件载体位置来进行预定位、即粗略地取向。

在随后的步骤c)中，进行加工头相对于工件载体的精细取向。为此使用图像处理系统。图像处理系统检测工件载体的光学特征并且可选地还检测加工头的光学特征。以这种方式，加工头相对于工件载体的位置和(在需要的情况下)取向可以以微米范围内的准确度确定，优选地准确到最高100μm上、特别优选地准确到最高10μm上。为了精细取向，图像处理系统可以检测光学特征，例如工件载体的边缘或光学标记(例如目标十字或点)。

根据本发明的方法允许完全地自动化并且非常快速地执行设置工具机(必要时不考虑(abgesehen)在工作空间中布置工件)的过程。可以省去受过培训的人员，因为设置的步骤b)和c)可以由程序化的例程(Routinen)实施。此外，根据本发明的方法允许在步骤a)中基本上任意地定位工件载体。实时定位系统识别其位置，并且使得能够将加工头靠近工件载体地定位，以进行光学精细取向，而无需为此进行与工具机的人工交互。

根据本发明的方法优选地借助下面描述的、根据本发明的制造系统来执行。

有利地设置，在步骤b)中，首先借助实时定位系统确定工件载体的位置并且由所求取的工件载体位置确定用于加工头的粗略取向的目标位置。加工头然后可以从其对于工具机的控制系统已知的位置出发移动(verfahren)至目标位置。

借助实时定位系统还可以确定工件载体的定向。为此，至少三个第一位置确定装置通常布置在工件载体上。从所求取的工件载体定向中可以确定对于加工头的目标定向。

还特别优选地设置，在通过实时定位系统监控其位置的情况下将加工头移动至粗略取向的目标位置。为此，上至少一个另外的第一位置确定装置布置在加工头。如有必要，可以在通过实时定位系统监控其定向的情况下将加工头旋转至目标定向。以这种方式，以相同的方法、即借助实时定位系统确定工件载体和加工头的位置和可能的定向。在目标位置中，加工头靠近工件载体地定位，使得实时定位系统的系统误差对于两个部件以几乎相同的类型和大小出现。以这种方式，可以改善粗略取向的准确度。如此尤其可以实现，以如下准确度到达加工头相对于工件载体的目标位置：该准确度低于借助实时定位系统确定绝对位置的准确度。如此，绝对位置可以借助实时定位系统例如准确到几厘米上地确定，而彼此靠近的两个对象的相对位置可以准确到几毫米上地确定。加工头的位置和可能的定向的监控可以连续地或以一时间间隔进行。

有利地设置，工件载体具有第一位置确定装置，其不仅在步骤b)中用于加工头的粗略取向，而且在步骤c)中用于加工头的精细取向。通过也在步骤c)中使用第一位置确定装置，在工件载体上安装更少的、优选没有安装用于图像处理系统的附加光学标记。由图像处理系统可以像这样识别第一位置确定装置。优选地，第一位置确定装置载有光学标记。以这种方式可以进一步改善精细取向的准确度。

一种特别优选的方法变型方案的特征在于，在步骤c)中使用图像处理系统的布置在加工头上的摄像机。这进一步简化步骤c)的执行并进一步改善准确度。可以(一次地)非常精准地确定摄像机在加工头上的位置。然后摄像机检测工件载体的光学特征，使得能够将加工头以更大的精度相对于工件载体取向。摄像机通常如此布置在加工头上，使得当加工头在步骤b)中粗略取向时，该摄像机检测工件载体。

在一种有利的扩展方案中设置，加工头与工件载体之间的间距从由摄像机记录的图像的清晰度中、尤其是通过摄像机的聚焦求取。这允许特别快速地执行步骤c)。

替代地或附加地可以设置，加工头上的摄像机从两个不同的视角、尤其是从两个相互垂直的方向检测工件载体。这允许加工头的更精准的精细取向。通常可以如此精准地操控和移动加工头，使得该加工头能够在第二视角中摆动和(在必要时)移动以记录工件载体，而不恶化已经由此获得的关于相对位置的信息。

工件载体优选将关于待执行的加工的信息传输至工具机的控制系统。以这种方式，可以确保在工件载体上的工件上执行正确的加工。控制系统可以操控加工头对工件载体中的工件进行加工。该信息可以直接表示待执行的加工，例如以程序编号。替代地，该信息可以辨识工件载体和/或记录在该工件载体中的工件类型。然后控制系统可以从数据库中获取待执行的加工。该信息可以存储或编码在工件载体上的第一位置确定装置中。

根据本发明的制造系统

一种制造系统也落入本发明的范畴内，该制造系统具有：

-带有加工头的工具机，

-工件载体，

-实时定位系统，以及

-图像处理系统。

根据本发明，实时定位系统的至少一个第一位置确定装置布置在工件载体上。优选地，实时定位系统的至少一个另外的第一位置确定装置布置在加工头上。

此外，实时定位系统的多个第二位置确定装置以地点固定的方式布置、尤其是布置在工具机上。第二位置确定装置优选地关于用于容纳工件载体的工作台以地点固定的方式布置，例如布置在工作台上和/或工具机的外壳上。如果工具机的位置是不变的且是精准已知的，则第二位置确定装置也可以布置在工具机的周围环境中，例如布置在制造厂房的结构元件上。

第一和第二位置确定装置可以以自身已知的方式共同作用，以便确定工件载体和加工头的位置。基于如此确定的位置，可以进行加工头相对于工件载体的粗略取向。

根据本发明，图像处理系统具有用于检测工件载体的光学特征的摄像机。摄像机还可以设置用于检测加工头的光学特征。由摄像机检测的光学特征可以用于加工头相对于工件载体的精细取向。

根据本发明的制造系统允许执行上述根据本发明的方法。通常，制造系统设置用于执行上述根据本发明的方法。为此可以适当地对工具机的控制系统进行编程。

第一位置确定装置可以构造为接收器或标签。第二位置确定装置可以构造为传感器或锚或发射器；其可以分别具有天线。替代地，第二位置确定装置可以构造为接收器或标签。在这种情况下，第一位置确定装置通常构造为传感器或锚或发射器；其可以分别具有天线。

制造系统可以具有带有第一位置确定装置的多个工件载体。尤其可以设置，多个工件载体同时布置在工具机的工作空间中。然后可以针对多个工件载体中的每个工件载体以根据本发明的方法的运行(Durchlauf)来设置工具机。

第一位置确定装置可以连接至工具机的电系统和/或可以通过电接口或电子接口激活。如此激活的第一位置确定装置可以满足其他功能，例如将信息传输至工具机的控制系统。

实时定位系统的至少三个第一位置确定装置优选布置在工件载体上。实时定位系统的至少三个第一定位装置也可以布置在加工头上。基于至少三个第一位置确定装置，可以分别确定工件载体或加工头的定向。在根据本发明的方法的步骤b)或c)的范畴内的加工头的粗略取向和/或精细取向中，可以使加工头靠近工件的至少三个位置确定装置中的每个位置确定装置。在此，在已经朝向相应的第一位置确定装置取向时，可以通过对于工具机的控制系统已知的加工头位置(在机器坐标中测量)确定工件载体的位置和定向。

图像处理系统的摄像机优选地布置在工具机的加工头上。在已取向的加工头中，布置在加工头上的摄像机靠近工件载体地定位。由此可以在使用摄像机的情况下以特别大的精度进行精细取向。

特别优选地，工件载体上的第一位置确定装置具有用于图像处理系统的光学标记。图像处理系统可以识别光学标记。第一位置确定装置然后可以用于借助实时定位系统和借助图像处理系统的位置确定。借助这种第一位置确定装置，可以降低设置在工件载体上的另外的光学标记的数量；尤其可以完全省去工件载体上的附加光学标记。

工件载体上的第一位置确定装置之一可以包含关于由工具机待执行的加工的信息。工具机的制造系统、尤其是控制系统可以设置用于获得该信息。该信息可以直接表示待执行的加工，例如以程序编号。替代地，该信息可以辨识工件载体和/或记录在该工件载体中的工件类型。在这种情况下，工具机的控制系统可以从数据库中获取待执行的加工。

加工头优选构造为激光加工头。激光加工头不能如同用于切削加工的加工头那样通过所谓的刮擦(Ankratzen)来进行设置。因此，在激光加工头的情况下，在使用实时定位系统和图像处理系统的情况下进行设置的可能性的优势特别地有效。激光加工头可以构造用于切割、焊接、激光金属沉积加工类型中的一个或多个。

本发明的其他特征和优点从描述和附图中得出。根据本发明，上面提到的和还进一步实施的特征可以分别单独地或以任何组合的方式共同地使用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为穷举的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。

附图说明

在附图中示出并且基于实施例进一步阐述本发明。附图示出：

图1以高度示意性的俯视图示出制造系统；

图2以高度示意性的侧视图示出图1的制造系统；

图3示出用于设置工具机的方法的流程图。

具体实施方式

图1以俯视图示出示意性示出的制造系统10。图2以侧视图示出制造系统10。

制造系统10包括具有加工头14的工具机12。加工头14在此构造为用于激光加工(例如焊接、切割和/或激光金属沉积)的激光加工头。在图1和图2中以高度抽象的方式示出工具机12；在这些图中，示意性地表明加工头的运动可能性(参见双箭头)，这不应与对工具机12的具体结构构型的限制相关。

制造系统10还包括工件载体16。工件18保持在工件载体上。工件载体16布置在工具机12的工作空间22中的工作台20上。

制造系统10还具有实时定位系统24。实时定位系统24包括布置在工件载体18上的第一位置确定装置26。实时定位系统24还包括布置在加工头14上的另外的第一位置确定装置28。此外，实时定位系统24具有第二位置确定装置30，其以地点固定的方式布置、在此布置在工具机12的外壳32上。第一位置确定装置26、28和第二位置确定装置30共同作用，使得能够求取工件载体16或加工头14的位置。第一位置确定装置26、28和第二位置确定装置30可以为此与工具机12的控制系统33通信。

制造系统10还具有图像处理系统34。图像处理系统34包括摄像机36，该摄像机在此布置在加工头14上。摄像机36的光学器件可以定向到工作台20上。除了摄像机36之外，图像处理系统34还可以包括工具机12的控制系统33中的软件模块。

在补充参考图3的情况下描述一种用于设置制造系统10的工具机12的方法。图3示出这种方法的流程图。在设置时，对加工头14进行取向以用于工件载体16中的工件18的后续加工。在设置之后，可以进行工件18的加工，其中，在完成设置之后加工头14从结束位置出发驶过预先定义的轨道。

在第一步骤100中，将带有工件18的工件载体16布置在工具机12的工作空间22中。工件载体16为此以自身已知的方式固定在工作台20上。然而，在此没有必要准确地保持工件载体16的定义位置。将工件载体16大致布置在正确的位置上或者甚至仅布置在工作空间22中的某处就足够了，因为其位置和取向在进一步的方法流程中自动地确定，使得工具机可以自动地适应于此。

在随后的步骤102中，进行工具机12的加工头14相对于工件载体16的粗略取向。为此，在子步骤102a中，首先借助实时定位系统24确定工件载体16在工作空间22中的位置和定向。在子步骤102b中由这些数据求取用于加工头14的目标位置。例如，可以通过工件载体16的标记点上方的定义的间距来确定目标位置。然后，在子步骤102c中，借助实时定位系统24求取加工头14的位置。由于借助实时定位系统24求取加工头14的位置而不使用保持在控制系统33中的机器坐标中的位置信息，因此可以改善粗略取向的准确度，因为实时定位系统24的系统的误差在工件载体16中和加工头14中以大致相同的方式(量值和方向)出现。然后在子步骤102d中将加工头14移动(verfahren)至目标位置。最迟在到达目标位置时、优选地在移动期间连续地借助实时定位系统24重新确定加工头14的位置。然后可以再次校正(nachkorrigiert)加工头14的位置，直到确定实时定位系统24与目标位置的足够准确的一致性。因此，在通过实时定位系统24进行的监控下进行加工头14至目标位置的运动。在粗略取向中，通常可以在几厘米上准确地到达目标位置。

为了在步骤102的范畴内确定工件载体16和加工头14的位置以及在必要时确定其定向，第一位置确定装置26或28和第二位置确定装置30共同作用。第一和/或第二位置确定装置26、28、30还与工具机12的控制系统33通信。在此，工件载体16上的第一位置确定装置26之一包含关于在工件18上待执行的加工的信息。这些信息还可以包括关于用于加工头14的目标位置的信息。例如，在子步骤102a中求取工件载体14的位置的范畴内，这些信息可以在子步骤102aa中从第一位置确定装置26传输至控制系统33。

在粗略取向102之后，在步骤104中进行加工头14的精细取向。为了进行精细取向，使用具有摄像机36的图像处理系统34。在粗略取向之后，加工头14上的摄像机36处于工件载体16附近。摄像机36因此可以检测工件载体16的光学特征，例如边缘或单独施加的光学标记。在此，工件载体16上的第一位置确定装置26分别具有例如呈点、光学代码或十字规矩线(Passkreuz)形式的光学标记。这些光学特征由摄像机36检测，光学特征在摄像机36的图像区段中的位置被求取。基于光学标记在摄像机图像中的相应位置以及加工头14的实际坐标，可以求取第一位置确定装置26在工作空间中的实际位置。

垂直于摄像机36的图像平面、即在摄像机36的“观察方向”上，可以从由摄像机36记录的图像的清晰度求取与工件载体的间距并相应地进行校正。摄像机36在此优选聚焦到工件载体16的光学特征上、例如聚焦到第一位置确定装置26中的一个上，使得能够由焦点位置推导出间距。替代地或附加地，摄像机36可以旋转，以便从另外的视角检测工件载体。在借助图像处理系统34进行精细取向的情况下，加工头14通常可以以100μm、优选10μm、特别优选7μm的准确度进入到用于工件18的后续加工的出发点中。

在上述根据本发明的方法中，至多需要与制造系统10的人工交互来将工件载体16布置100在工作空间22中。粗略取向102和精细取向104步骤可以完全自动化。这增加设置工具机12的精度和速度。

附图标记列表

制造系统 10

工具机 12

加工头 14

工件载体 16

工件 18

工作台 20

工作空间 22

实时定位系统 24

第一位置确定装置 26

另外的第一位置确定装置28

第二位置确定装置 30

外壳 32

控制系统 33

图像处理系统 34

摄像机 36

在工作空间22中布置100工件载体16

对加工头14进行粗略取向102

确定102a工件载体16的位置

确定102b用于加工头14的目标位置

确定102c加工头14的位置

将加工头14移动102d至目标位置

传输102aa信息

对加工头14进行精细取向104。

Claims (15)

1.一种用于设置工具机的方法(12)，

所述方法具有如下步骤：

a)在所述工具机(12)的工作空间(22)中布置(100)工件载体(16)，

b)在使用实时定位系统(24)的情况下进行所述工具机(12)的加工头(14)相对于所述工件载体(16)的粗略取向(102)，

c)在使用图像处理系统(34)的情况下进行所述加工头(14)相对于所述工件载体(16)的精细取向(104)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，首先借助所述实时定位系统(24)确定所述工件载体(16)的位置(102a)，并且由所求取的、所述工件载体(16)的位置确定用于所述加工头(14)的粗略取向的目标位置(102b)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，借助所述实时定位系统(24)还确定所述工件载体(16)的定向。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在通过所述实时定位系统(24)监控所述加工头的位置的情况下，将所述加工头(14)移动(102d)至所述粗略取向的目标位置。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件载体(16)具有第一位置确定装置(26)，所述第一位置确定装置不仅在步骤b)中用于所述加工头(14)的所述粗略取向(102)而且在步骤c)中用于所述加工头(14)的所述精细取向(104)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，使用所述图像处理系统(34)的布置在所述加工头(14)上的摄像机(36)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从由所述摄像机(36)记录的图像的清晰度中、尤其是通过所述摄像机(36)的聚焦求取所述加工头(14)与所述工件载体(16)的间距。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述加工头(14)上的摄像机(36)从两个不同的视角、尤其是从两个相互垂直的方向检测所述工件载体(16)。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述工件载体(16)将关于待执行的加工的信息传输至所述工具机的控制系统(33)(102aa)。

10.一种制造系统(10)，所述制造系统具有：

-带有加工头(14)的工具机(12)，

-工件载体(16)，

-实时定位系统(24)，以及

-图像处理系统(34)，

其中，所述实时定位系统(24)的至少一个第一位置确定装置(26)布置在所述工件载体(16)上，

优选地，其中，所述实时定位系统(24)的至少一个另外的第一位置确定装置(28)布置在所述加工头(14)上，

其中，所述实时定位系统(24)的多个第二位置确定装置(30)以地点固定的方式布置、尤其是布置在所述工具机(12)上，并且

其中，所述图像处理系统(34)具有用于检测所述工件载体(16)的光学特征的摄像机(36)。

11.根据权利要求10所述的制造系统(10)，其特征在于，所述实时定位系统(24)的至少三个第一位置确定装置(26)布置在所述工件载体(16)上，并且优选地，所述实时定位系统(24)的至少三个第一位置确定装置(28)布置在所述加工头(14)上。

12.根据权利要求10或11所述的制造系统(10)，其特征在于，所述图像处理系统(34)的所述摄像机(36)布置在所述工具机(12)的加工头(14)上。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的制造系统(10)，其特征在于，所述工件载体(16)上的所述第一位置确定装置(26)具有能够由所述图像处理系统(34)识别的光学标记。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的制造系统(10)，其特征在于，所述工件载体(16)上的第一位置确定装置(26)中的一个第一位置确定装置包含关于待由所述工具机(12)执行的加工的信息。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的制造系统(10)，其特征在于，所述加工头(14)构造为激光加工头。

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