DE102007023585B4

DE102007023585B4 - Einrichtung und Verfahren zum Einmessen von Schwenkaggregaten, insbesondere an Schneidmaschinen

Info

Publication number: DE102007023585B4
Application number: DE102007023585A
Authority: DE
Inventors: Günther REISS
Original assignee: ESAB Cutting Systems GmbH
Current assignee: ESAB Welding and Cutting GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: JP2010531238A; DE102007023585A1; EP2155444A2; WO2008141608A3; US20110029270A1; WO2008141608A2

Abstract

Einrichtung zum Einmessen von Schwenkaggregaten (21), insbesondere an Schneidmaschinen, wobei die Einrichtung aus einer vom Gestell (1) aus gesehenen Kombination dreier Glieder, einem ersten Glied (3), einem zweiten Glied (4) und einem dritten Glied (5) besteht, die untereinander mit dem Gestell (1) über Schubgelenke (12, 13, 14) – entlang dreier orthogonal aufeinander stehender Achsen – praktisch spiel- und kraftfrei beweglich miteinander verbunden sind, wobei an keiner Achse eine mechanische Referenzposition vorhanden ist und das dritte Glied (5) über das Schubgelenk (14) mit dem Gestell (1), das zweite Glied (4) über das Schubgelenk (13) mit dem dritten Glied (5) und das erste Glied (3) über das Schubgelenk (12) mit dem zweiten Glied (4) verbunden ist, die Glieder (3, 4, 5) monolithisch ausgebildet sind derart, dass jedes Glied aus einem einzigen, nicht durch eine Verbindung einzelner Komponenten entstandenen Bauteil besteht sowie am gestellfernsten ersten Glied (3) eine Aufnahme (3b) für die entgegen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Einmessen von Schwenkaggregaten, insbesondere an Schneidmaschinen.
Schwenkaggregate sind Vorrichtungen, die mit zwei oder drei numerisch gesteuerten Antrieben ein Werkzeug in seiner Orientierung verändern, also um einen Punkt in mehreren Achsen drehen können. Sie sind Bestandteil numerisch gesteuerter Maschinen oder von Industrierobotern, werden von einer computerbasierten Steuerung in ihrem Bewegungsverhalten beeinflusst und in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt.
Bezugspunkt der Schwenkbewegung ist der sogenannte Tool Center Point (TCP), etwa mit Werkzeugmittelpunkt zu übersetzen. Alle Drehachsen müssen durch diesen Punkt verlaufen und genau in diesem Punkt muss der Werkzeugbezugspunkt, d. h. z. B. der Mittelpunkt eines Kugelfräsers, liegen.
Eine spezielle Bauform, die sich besonders in der Schweiß- und Schneidtechnik durchgesetzt hat, sind "TCP-fest" oder "kinematisch entkoppelt" genannte Schwenkaggregate, bei denen durch eine sinnfällige konstruktive Gestaltung, z. B. unter Nutzung von Koppelgetrieben oder Bogenführungen, ein Schwenken des Werkzeuges um den TCP ermöglicht wird.
Bei der Herstellung von Schwenkaggregaten, bei deren praktischer Nutzung in der Produktion, z. B. nach Kollisionen oder nach Wartungs- und Reparaturarbeiten ist es erforderlich, die Lage des TCP in einem Maschinenkoordinatensystem neu zu bestimmen, Dabei ist die grobe Position des TCP bekannt. Die exakte Position weicht zu dieser u. U. in der Größenordnung einiger Millimeter ab.
Diese Abweichung muss bestimmt und daraus ein zweckmäßiges Handeln des Bedieners oder Servicetechnikers abgeleitet werden. Die gewonnenen Messwerte dienen zur mechanischen Veränderung geometrischer Parameter (z. B. Kreuzungsabstände, Achswinkel...) am Schwenkaggregat. Dazu besitzt das Schwenkaggregat entsprechende Einrichtungen, wie Justageschrauben und Verstelleinrichtungen.
Die genaue Kalibrierung eines Schwenkaggregates hat entscheidenden Einfluss auf die Qualität der mit seiner Hilfe ausgeführten technologischen Operation, z. B. Schweißen, Fräsen, Laserschneiden.
Hingegen ist der Kalibrierprozess sehr aufwendig und fordert große Sachkenntnis von dem mit dieser Aufgabe betrauten Werker, da die Anzahl der Justage- und Verstelleinrichtungen groß (ca. 5 ... 10) ist und kein expliziter funktionaler Zusammenhang zwischen diesen Verstelleinrichtungen und der Genauigkeit am TCP besteht, also in aller Regel an mehr als einer Verstelleinrichtung Manipulationen vorgenommen werden müssen.
Nur an komplett gelieferten Industrierobotern wird dieser Prozess durch eine spezielle Software und speziellen Handlungsanweisungen unterstützt, während bisher gerade an aus Modulen zusammengesetzten Portalrobotern die Kalibrierung eine weitgehend empirische, zeitaufwendige und nur von speziell geschulten Werkern auszuführende Tätigkeit ist.
Aus der Sicht des Standes der Technik wird die Kalibrierung von kinematisch entkoppelten Schwenkaggregaten, z. B. in der Schweiß- und Schneidtechnik, häufig mit nur sehr unzureichenden Mitteln vorgenommen. Besonders bei einer erforderlichen Kalibrierung unter Produktionsbedingungen wird dazu oft einfach eine feststehende Spitze genutzt. Das Werkzeug wird dazu vermittels der Bewegungsachsen der Maschine zu dieser Spitze ausgerichtet, dann wird die Bewegung des Werkzeuges um den Punkt visuell beurteilt und es werden daraus dann Kalibrierhandlungen abgeleitet. Dies ist subjektiv, zeitaufwendig und stellt hohe Anforderungen an den Werker oder Servicetechniker.
Für die Erstinbetriebnahme im Fertigungsbetrieb werden zum Teil einfache Lehren verwendet.
In US 5639204 wird eine Vorrichtung beschrieben, die in der Art einer Indexierung die offene kinematische Kette eines Industrieroboters schließt und so z. B. im Servicefall den schnellen Austausch eines Roboter-Antriebsmotors ermöglicht.
Bekannt sind auch Lehren, die an extra dafür vorgesehenen Befestigungspunkten am Schwenkaggregat montiert werden und die ideale Lage des TCP im Schwenkaggregatkoordinatensystem vermittels einer punktförmigen Spitze beschreiben (Bedienungsanleitung BevelMaster, Fa. ESAB Cutting Systems, 2003). Nach dieser Spitze muss im Servicefall oder bei der Erstinbetriebnahme das Werkzeug ausgerichtet werden.
Diese Lehren sind hilfreich, um die Justage des Schwenkaggregates zu beschleunigen. Ihre Geometrie basiert auf theoretischen Annahmen, d. h. Fertigungsabweichungen einerseits, geometrische Veränderungen am Schwenkaggregat in Folge von Kollisionen andererseits lassen sich mit solcher Art Lehren nicht erfassen. Ihre Montage am Schwenkaggregat ist zeitaufwendig und braucht Sachkenntnis. Die Lehren selbst sind sperrig, benötigen, wie jede Lehre, eine besondere Behandlung und Pflege und sind für den Einsatz unter Produktionsbedingungen nicht oder nur sehr eingeschränkt geeignet.
Bekannt sind Vorrichtungen unter Nutzung von Messuhren, wie z. B. jene, die in DE 3822597 A1 beschrieben wird. Während mit den oben beschriebenen Lehren nur eine qualitative und subjektive Aussage über die Lage des TCP gemacht wird, lassen sich mit auf Messuhren basierenden Vorrichtungen auch quantitative Aussagen gewinnen.
Noch mehr als bei den oben beschriebenen Lehren ist Sachkenntnis beim Werker erforderlich, um aus den Anzeigen der Messuhren auf die Lage des TCP zu schließen und daraus Kalibrierhandlungen abzuleiten.
In DE 10203002 B4 ist eine Einrichtung beschrieben, die vermittels Messuhren und des an sich seit langem bekannten Prinzips der Koordinatenmesstechnik an im Roboterarbeitsraum platzierten und in ihrer theoretischen Lage bekannten Fertigungsvorrichtungen, z. B. zur Herstellung von Karosserieteilen, Punkte vermisst.
Damit soll die reale Lage einer Fertigungsvorrichtung exakt bestimmt und sollen Offsetwerte für die off-line erzeugten Roboterprogramme generiert werden.
Es handelt sich hier um eine an der Fertigungsvorrichtung weitgehend fest installierte Einrichtung, die in ihrer Lage im Fertigungsvorrichtungs-Koordinatensystem bekannt sein muss. Deshalb hat die Einrichtung eine Passbohrung, die wiederum einen Zentrierstift auf dem Bezugsteil, d. h. der Vorrichtung, erfordert. Die Montage muss sehr exakt erfolgen, da Montagetoleranzen direkt in die Kalibriergenauigkeit einfließen.
Mindestens drei Messpunkte sind erforderlich, um die Lage einer Fertigungsvorrichtung zu ermitteln. Deshalb müssen, wie in DE 10203002 B4 beschrieben, an einer zu kalibrierenden Fertigungsvorrichtung mindestens drei derartige Einrichtungen installiert sein oder es muss die Einrichtung zeitaufwendig in ihrer Lage versetzt werden.
Darüber hinaus muss die Einrichtung eine genau definierte und wiederholt selbständig einstellbare "Null"-Position besitzen. Auch deren Toleranzen fließen direkt in die Kalibriergenauigkeit ein.
Für jede weitere Fertigungsvorrichtung sind zusätzliche Einrichtungen notwendig. Jeder Messwert, also pro Messung mindestens 9 Parameter, muss, sei es automatisch oder manuell, in die Robotersteuerung übertragen und dort verrechnet werden. Darüber hinaus sind auch am Roboter bestimmte Messmittel erforderlich, woraus sich die Frage ableitet, ob nicht die Installation der Einrichtung am Roboter und das Anfahren von Punkten der Fertigungsvorrichtung, wie z. B. beim Einrichten eines Werkstückes in einer Fräsmaschine unter Nutzung eines Messtasters, die technisch und wirtschaftlich günstigere Lösung darstellt.
Zur Vermessung von Industrierobotern sind eine Reihe von Systemen bekannt, die deren Absolutgenauigkeit steigern. Diese Systeme funktionieren alle berührungslos auf optischer Basis. Ein System (Prospektunterlagen Wiest AG, Königsbrunner Str. 5, 86507 Oberottmarshausen) basiert auf einer Messkugel, die an einen Roboter-Werkzeugflansch montiert und vom Roboter in einem feststehenden Messsensor bewegt wird. Im Messsensor sind fünf Laser-Triangulationssensoren, die unter Zuhilfenahme spezieller Software den Mittelpunkt der Kugel bestimmen. Ein vergleichbares System (Prospektunterlagen Fa. TECONSULT, Kaltenhofe Hinterdeich 17, 20539 Hamburg) arbeitet invers derart, dass die Messkugel raumfest angeordnet ist und ein spezielles, mit Kameras ausgerüstetes Werkzeug am Roboterflansch befestigt wird.
Ein drittes, in EP 0963816 A2 vorgeschlagenes System arbeitet mit raumfesten Kameras, die die Lage eines Prüfkörpers im Raum bestimmen. Im Gegensatz zu den ersten beiden Lösungen, die nur kleine Messbereiche in der Größenordnung einiger Zentimeter besitzen, ist dieses System geeignet, die Bewegung des Prüfkörpers in einem signifikanten Teil des Roboter-Arbeitsraumes zu vermessen.
Kostengünstiger sind u. U. Vorrichtungen, die unter Nutzung von Lichtschranken arbeiten. Eine solche Vorrichtung mit nur einer Lichtschranke wird in US 5907229 beschrieben. Es wird diejenige Position des Roboters gesucht, an dem dieser mit einem in seiner Geometrie bekannten Werkzeug die Lichtschranke trifft und damit den Strahlverlauf unterbricht. Bei genügend großer Zahl von Versuchen und Kenntnis der Soll-Geometrie des Roboters lassen sich auf diese Weise Offsetwerte generieren, die die Genauigkeit des Roboters verbessern. Ähnliche Vorrichtungen unter simultaner Nutzung mehrerer Lichtschranken beschreiben WO 002003059580 A2 und US 5177563 .
Die optischen Messprinzipien all dieser Systeme fordern spezielle Umweltbedingungen hinsichtlich Beleuchtung und Staubbelastung. Bei extremer Staubbelastung der Luft dürfte ihr Einsatz behindert, wenn nicht gar unmöglich gemacht werden. Allen vier aufgeführten technischen Lösungen ist eigen, dass sie auf einen oder mehrere, spezielle Robotertypen zugeschnitten sind. Sie sind aufwendig und wegen der verwendeten Messprinzipien teuer. Ihr hoher Aufwand, auch seitens der Software, ist notwendig, um die hohe Zahl der freien Parameter an einem allgemeinen Modell eines sechsachsigen Industrieroboters bestimmen zu können.
Bei aus Modulen zusammengesetzten Portalrobotern ist die Aufgabe der Kalibrierung derart einfacher, dass die Positionsachsen, d. h. jene, die für die Raumposition des Werkzeuges verantwortlich sind, eine hinreichende Genauigkeit besitzen und ein expliziter, linearer Zusammenhang zwischen der Bewegung der Linearachsen und der Bewegung des TCP besteht. Damit kann der Einfluss der Positionsachsen auf die Kalibrierung in erster Näherung vernachlässigt werden und es beschränkt sich die Kalibrierung auf das Schwenkaggregat, d. h. jene Einrichtung, die für die Orientierung des Werkzeuges um den TCP verantwortlich ist.
Die Vorgehensweise der Kalibrierung an TCP-festen Schwenkaggregaten unterscheidet sich zu jener an Industrierobotern signifikant dadurch, dass diese nicht durch die Parametrisierung von Kennwerten innerhalb einer Software, sondern durch die Veränderung mechanischer Parameter mit Hilfe von Verstelleinrichtungen erfolgen muss.
Ausgehend vom vorbeschriebenen Stand der Technik wird deutlich, dass es nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand, komplizierten Messsystemen und mit großer Erfahrung von Einrichtern für Werkzeugmaschinen bzw. Schneidmaschinen gelingt, annähernd die Lage des Werkzeugmittelpunktes, z. B. den Mittelpunkt eines Kugelfräsers oder die Drahtspitze eines Schweißbrenners, relativ zu einem vorgegebenen Tool Center Point zu ermitteln.
Es muss daher nach einer Lösung gesucht werden, die folgenden Kriterien gerecht wird:

– die Lageermittlung des TCP schnell, genau und reproduzierbar mit einer kompakten und leichten, unter rauen Fertigungsbedingungen (Staub, Hitze) handhabbaren Einrichtung in Verbindung mit einem speziellen Verfahren durchzuführen.
– die Lageermittlung durch eine weitgehend automatischen Prozess vorzunehmen und dessen Handhabung durch einen Laien möglich zu machen.
– vermittels eines computergestützten Verfahrens die durch die Einrichtung gewonnenen Daten so zu filtern und zu bewerten, dass für einen in seiner Struktur bekannten Schwenkaggregatmechanismus, z. B. die in PS 102005041462 beschriebene Einrichtung, der Computer genau definierte Handlungsweisungen der Form „...drehe Justageschraube Nr. 2 um 0.7 Umdrehungen in Uhrzeigerrichtung..." liefert, die es auch ungeübten Nutzern ermöglicht, eine Justage vorzunehmen.

Damit ist es Aufgabe der Erfindung, speziell für Schwenkaggregate eine Einrichtung und ein zu ihrem Gebrauch taugliches Verfahren zu schaffen, die sowohl bei der Herstellung und Inbetriebnahme des Schwenkaggregates als auch in rauen Produktionsumgebungen nach Wartungsarbeiten oder nach einer Kollision eingesetzt werden können. Weitere Forderungen an die erfinderische Lösung sind:

– Die Einrichtung und ein Verfahren zur Nutzung derselben sollen maschinenunabhängig und autark eingesetzt werden können.
– Die Lage eines Werkzeugmittelpunktes, z. B. den Mittelpunkt eines Kugelfräsers oder die Drahtspitze eines Schweißbrenners, relativ zu einem im Schwenkaggregat fest liegenden Tool Center Point soll schnell, genau und reproduzierbar zu ermitteln sein.
– Parallel zur Lageermittlung sollen durch einen Computer Handlungsanweisungen generiert werden, um mit Hilfe der am Schwenkaggregat vorhandenen Justage- und Verstelleinrichtungen den TCP des Werkzeuges so einzurichten, dass die Summe der Lageabweichungen ein gegebenes Minimum unterschreitet.
– Die Einrichtung soll im Maschinenkoordinatensystem beliebig, quasi „nach Augenmaß" angeordnet werden können und sowohl relativ zur Maschine als auch in sich selbst keine feste Absolutposition benötigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für eine Einrichtung zum Einmessen von Schwenkaggregaten mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und für ein Verfahren zum Einmessen von Schwenkaggregaten mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.
Erfindungsgemäß besteht die Einrichtung aus einer vom Gestell aus gesehenen seriellen Anordnung von Gliedern, die durch Gelenke verbunden sind. Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass die Gelenke sowohl form- als auch stoffschlüssig ausgebildet sein können.
Am gestellfernsten Glied ist eine Aufnahme für die entgegen der Schwerkraftrichtung kraftschlüssige, in der zu ihr orthogonalen Ebene formschlüssige Verbindung zu einem Messadapter vorhanden. Der Messadapter besteht aus einer Kugel, die im TCP des im Schwenkaggregat installierten Werkzeuges liegt. Dazu muss anstatt des Werkzeuges ein spezielles Kalibrierwerkzeug in das Schwenkaggregat aufgenommen werden oder es muss der Kopf des Werkzeuges entsprechend gewechselt werden. So wird z. B. bei einem Schneidbrenner eine entsprechend ausgebildete Düsenkappe manuell oder auch automatisch in den Brenner eingesetzt.
Die Anzahl der Glieder der Einrichtung ist so gewählt, dass, je nach Aufbau und Anordnung des Schwenkaggregates sich beim Kalibrierzyklus ein Zwanglauf einstellt und der Freiheitsgrad ohne Verbindung zwischen Einrichtung und Messadapter größer als 1 ist.
Zwischen jedem Glied angeordnet ist ein Messsystem. Bei einer Schwenkbewegung des Schwenkaggregates und des an ihm befestigten Werkzeuges wird die über den Messadapter mit ihm verbundene Einrichtung bewegt und jedes Messsystem liefert, ohne dass eine Koordinatentransformation nötig ist, Messdaten für ein kartesisches Messkoordinatensystem.
Am Beginn des Kalibrierzyklus sollte sich die Einrichtung annähernd in Mittelstellung befinden. Eine innere Referenzposition besitzt die Einrichtung nicht.
In einer zweiten Ausbaustufe besitzt das zur Darstellung der Messdaten dienende, spezielle Computerprogramm eine „Eigenintelligenz" und führt den Programmnutzer durch den Kalibrierzyklus derart, dass aus den Messdaten heraus Informationen gewonnen werden, die die Zustandsbeurteilung des Schwenkaggregates ermöglichen. Dies erfolgt sowohl qualitativ, derart, dass mit einer Ja/Nein-Information die exakte Kalibrierung des Schwenkaggregates beurteilt wird und im dekalibrierten Zustand genaue Handlungsanweisungen zur Kalibrierung gegeben werden. So ist es möglich, auch Unkundigen die Kalibrierung zu übertragen.
In einer dritten Aufbaustufe wird die Kalibriereinrichtung ein Bestandteil der Maschine. Das Werkzeug wird in definierten Abständen, z. B. jeweils zu Schichtbeginn oder bei einem neuen Auftrag oder nach einer Kollision, durch eine Wechselvorrichtung automatisch mit dem Messadapter ausgestattet. Die Maschine bewegt das Schwenkaggregat in die fest im Maschinenkoordinatensystem montierte Kalibriervorrichtung und es wird der Kalibrierzyklus wie in Ausbaustufe 2 abgearbeitet. Der aktuelle Zustand des Schwenkaggregates wird maschinenintern abgespeichert.
Zur Minimierung von Baugröße, Masse und Herstellungskosten ist die Einrichtung aufgebaut aus einem Gestell, welches Glieder trägt, derart, dass die einzelnen, nicht gestellfesten Glieder aus einem monolithischen, unteilbaren und in einem Stück durch Stereolithografie hergestellten Körper bestehen. Das Schwenkaggregat ist so aufgebaut, dass extreme Leichtgängigkeit und praktische Spielfreiheit gewährleistet ist. Demzufolge wird die Bewegung des TCP über den Messadapter durch die Einrichtung komplett abgebildet und es hat die Einrichtung selbst keinerlei Rückwirkungen über den Messadapter auf das Schwenkaggregat.
Die erfindungsgemäße Einrichtung wird mittels eines computerbasierten Verfahrens in ihren Messbewegungen aufgezeichnet, bewertet und letztlich die Nulllage des TCP festgelegt. Das geschieht wie folgt:
Die aktuellen Messdaten werden synchron von einer computerbasierten Anordnung in schneller Folge gelesen, gespeichert und auf einem Display in Form einer Bahnkurve grafisch dargestellt. Darüber hinaus verfügt die computerbasierte Anordnung über ein intelligentes Programm derart, dass es die gespeicherten Daten analysiert, eine vom jeweiligen Einsatzzweck des Schwenkaggregates abhängige qualitative Aussage über dessen Zustand liefert (Schwenkaggregat ist justiert/Schwenkaggregat ist dejustiert) und im letzteren Fall Handreichungen für die Erlangung eines justierten Zustandes liefert. Das Schwenkaggregat ist um so genauer kalibriert, je kleiner die Beträge der Messdaten sind.
Die Einrichtung kann in verschiedener Art verwendet werden. Zunächst ist sie so ausgebildet, dass sie über eine standardisierte Schnittstelle mit einem beliebigen Computer zusammenwirkt derart, dass die von der Einrichtung gelieferten Messdaten auf dem Com puterdisplay grafisch dargestellt werden und diese grafischen Informationen es dem kundigen Bediener, z. B. einem Servicetechniker, erlauben, schnell und einfach den Zustand des Schwenkaggregates zu beurteilen und das Schwenkaggregat zu kalibrieren. Seitens der Maschine wird hierfür ein spezielles NC-Programm gestartet, das das Schwenkaggregat in genau definierter Art und Weise bewegt.
Die Erfindung soll nunmehr anhand eines zweckmäßigen Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es wird dazu auf die 1 und 2 zurückgegriffen.
1 zeigt: eine vereinfachte dreidimensionale Darstellung der Einmesseinrichtung
2 zeigt: eine schematische Darstellung der Einrichtung im Verwendungsfall in Verbindung mit weiteren Komponenten beim Einmessen eines Schwenkaggregates
Die in den 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen bedeuten:

1: Gestell
2: Elektronische Wandlerbaugruppe
3: Erstes Glied
3a: Anschlagplatte
3b: Aufnahme
3c: Messzahnstange 1
4: Zweites Glied
4a: Messzahnstange 2
5: Drittes Glied
5a: Messzahnstange 3
6, 7, 8: Messaufnehmer
9, 10, 11: Messritzel
12, 13, 14: Schubgelenke
15: Druckfeder
16: Messadapter
17: Standfüße
18: Verkleidung
19: Balgdichtung
20: Portalmaschine
21: Schwenkaggregat
22: Werkzeug
23: Datenleitung
24: Computer
25: computergrafische Bildschirmdarstellung

Erfindungsgemäß besteht die Einrichtung aus einer vom Gestell 1 aus gesehenen seriellen Anordnung dreier Glieder, dem ersten Glied 3, dem zweiten Glied 4 und dem dritten Glied 5, die untereinander und mit dem Gestell 1 durch die Schubgelenke 12, 13 und 14 orthogonal beweglich verbunden sind, wobei das dritte Glied 5 über das Schubgelenk 14 mit dem Gestell 1, das zweite Glied 4 über das Schubgelenk 13 mit dem dritten Glied 5 und das erste Glied 3 über das Schubgelenk 12 mit dem zweiten Glied 4 verbunden ist. Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, dass die Schubgelenke 12, 13 und 14 sowohl form- als auch stoffschlüssig ausgebildet sein können.
Am gestellfernsten ersten Glied 3 ist eine Aufnahme 3b für die entgegen der Schwerkraftrichtung kraftschlüssige, in der zu ihr orthogonalen Ebene formschlüssigen Verbindung zu einem Messadapter 16 vorhanden. Der Messadapter 16 besteht aus einer Kugel, die im TCP des im Schwenkaggregat installierten Werkzeuges liegt. Dazu muss dieser anstatt des Werkzeuges (z. B. des Schweißbrenners, des Schneidbrenners, des Fräsers) in das Schwenkaggregat aufgenommen werden. So wird z. B. bei einem Schneidbrenner eine entsprechend ausgebildete Düsenkappe, die dann den Messadapter 16 darstellt, manuell oder auch automatisch in den Brenner eingesetzt.
Die Anzahl der Glieder der Vorrichtung ist so gewählt, dass sich beim Einmesszyklus ein Zwanglauf einstellt und der Freiheitsgrad ohne Verbindung zwischen Einmessvorrichtung und Messadapter 16 größer als 1 ist.
Zwischen jedem Glied angeordnet sind Messaufnehmer 6, 7, 8. Bei einer Schwenkbewegung des Schwenkaggregates und des an ihm befestigten Werkzeuges wird die über den Messadapter 16 mit ihm verbundenen Einmessvorrichtung bewegt und jeder Messaufnehmer 6. 7, 8 liefert, ohne dass eine Koordinatentransformation nötig ist, Messdaten in einem kartesischen Messkoordinatensystem.
Zur Minimierung von Baugröße, Masse und Herstellungskosten und zur Steigerung der Robustheit ist die Einrichtung aufgebaut aus einem stabilen Gestell 1, welches durch Rapid Prototyping direkt aus dem CAD-Modell und ohne jede spanende Bearbeitung gefertigte Glieder 3, 4, 5 trägt, derart, dass die einzelnen Glieder 3, 4 5 aus jeweils nur einem, monolithischen Bauteil bestehen.
Die Einmessvorrichtung wird vermittels der Standfüße 17 beliebig im Arbeitsraum der Portalmaschine 20 angeordnet. Die Einmessvorrichtung muss gegen die beim Einmessen auftretenden, allerdings sehr geringen Kräfte unverrückbar fixiert sein, weswegen die Standfüße 17 in vorteilhafter Weise magnetisch oder als Saugfüße ausgebildet sind. Die manuelle Fixierung der Einmessvorrichtung im Maschinenarbeitsraum und in ihrer Orientierung zu den Achsrichtungen der Portalmaschine 20 "nach Augenmaß" ist völlig ausreichend.
Vermittels der kartesischen Bewegungsachsen der Portalmaschine 20 und nach Installation das Messadapters 16 im Werkzeug 22 wird die Verbindung zwischen Aufnahmeeinrichtung 3b und Messadapter 18 und damit der Zwanglauf der Einmessvorrichtung hergestellt. Es ist vom Bediener einzig darauf zu achten, dass sich die Einmessvorrichtung annähernd in Mittelstellung befindet und das gestellfernste erste Glied 3 zumindest einige Millimeter von der durch die Anschlagplatte 3a vorgegebenen Endstellung entfernt ist. Damit ist die Einmessvorrichtung funktionsbereit.
Durch programmgesteuerte Bewegung des Schwenkaggregates 21 wird sich, durch den über den Messadapter 16 und die Aufnahmeeinrichtung 3b hergestellten Zwanglauf, die Einmesseinrichtung in gleicher Weise wie der TCP des Werkzeuges 22 bewegen und es werden, zeitsynchron und in schneller Folge, Messdaten von den Relativbewegungen der Glieder 3, 4 und 5 gewonnen.
Die aktuellen Messdaten werden von einer elektronischen Wandlerbaugruppe 2 in ein computerlesbares, standardisiertes Signal gewandelt und über eine Datenleitung 23 an einen Personalcomputer 24 übertragen. Dort werden mit einem speziellen Computerprogramm diese Daten gelesen, gespeichert und auf einem Display in Form von Bahnkurven 25 computergrafisch dargestellt.
Mit Hilfe dieser grafischen Darstellung, die nicht nur den aktuellen Zustand des Schwenkaggregates 21 beschreibt, sondern auch online, also ohne spürbare Zeitverzögerung, mecha nische Veränderungen am Schwenkaggregat 21 abbildet, ist es einem kundigen Nutzer schnell und einfach möglich, eine Einmessung des Schwenkaggregates 21 vorzunehmen. Allgemein gilt, dass das Schwenkaggregat 21 um so genauer kalibriert ist, je kleiner die Beträge der Messdaten sind.
Die Messdaten werden gespeichert und archiviert und geben ein reproduzierbares, objektives Abbild des aktuellen Zustandes des Schwenkaggregates 21.
Die Bewegung der Werkzeugspitze an TCP-festen Schwenkaggregaten setzt sich, unabhängig von deren kinematischen Struktur und konstruktiver Gestaltung, aus zwei Kreisbögen zusammen, die in, gewöhnlich orthogonal aufeinander stehenden Ebenen liegen. Deren Überlagerung lässt einen Torus entstehen. Mittels Approximation können die Parameter dieser geometrischen Objekte bestimmt werden. Die Parameter sind ein Maß für die Abweichung der Lage des TCP von der Idealposition.
Das spezielle Computerprogramm verfügt über eine „Eigenintelligenz" derart, dass es die gespeicherten Daten in oben beschriebener Art analysiert, eine vom jeweiligen Einsatzzweck des Schwenkaggregates 21 abhängige qualitative Aussage über dessen Zustand in der Form „Schwenkaggregat ist justiert/Schwenkaggregat ist dejustiert" und im letzteren Fall Handreichungen für die Erlangung eines justierten Zustandes liefert. Dazu leitet das Programm vermittels detaillierter, aus den Messdaten gewonnener Anweisungen der Form: "Drehen Sie bitte Schraube 4 um 1,5 Umdrehungen gegen den Uhrzeiger, kontern Sie die Schraube und starten Sie einen neuen Messzyklus." den Benutzer durch den Einmesszyklus und ermöglicht es so, auch ungeübte Werker, z. B. die Maschinenbediener, mit dem Einmessen zu betrauen. Bisher qualifizierten Servicetechnikern vorbehaltene Arbeiten können von normalen Facharbeitern übernommen werden.

Claims

Einrichtung zum Einmessen von Schwenkaggregaten (21), insbesondere an Schneidmaschinen, wobei die Einrichtung aus einer vom Gestell (1) aus gesehenen Kombination dreier Glieder, einem ersten Glied (3), einem zweiten Glied (4) und einem dritten Glied (5) besteht, die untereinander mit dem Gestell (1) über Schubgelenke (12, 13, 14) – entlang dreier orthogonal aufeinander stehender Achsen – praktisch spiel- und kraftfrei beweglich miteinander verbunden sind, wobei an keiner Achse eine mechanische Referenzposition vorhanden ist und das dritte Glied (5) über das Schubgelenk (14) mit dem Gestell (1), das zweite Glied (4) über das Schubgelenk (13) mit dem dritten Glied (5) und das erste Glied (3) über das Schubgelenk (12) mit dem zweiten Glied (4) verbunden ist, die Glieder (3, 4, 5) monolithisch ausgebildet sind derart, dass jedes Glied aus einem einzigen, nicht durch eine Verbindung einzelner Komponenten entstandenen Bauteil besteht sowie am gestellfernsten ersten Glied (3) eine Aufnahme (3b) für die entgegen der Schwerkraftrichtung kraftschlüssige und in der zu ihr orthogonalen Ebene formschlüssige Verbindung zu einem Messadapter (16) vorhanden ist, wobei dem ersten, zweiten und dritten Glied (3, 4, 5) rotatorische Messaufnehmer (6, 7, 8) zugeordnet sind, die vermittels der Messritzel (9, 10, 11) und der sich an jedem Glied (3, 4, 5) befindlichen Messzahnstangen (3c, 4a, 5a) eine Relativbewegung mit den benachbarten Gliedern (4, 5) bzw. dem Gestell (1) ermitteln, sowie die Messwerte in eine Wandlerbaugruppe (2) gelangen und mittels einer Datenleitung (23) eine Online-Verbindung zwischen der Wandlerbaugruppe (2) und einem Computer (24) besteht.
Einrichtung zum Einmessen von Schwenkaggregaten (21) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Messadapter (16) aus einer Kugel besteht, wobei letztere im TCP des im Schwenkaggregat (21) installierten Werkzeuges liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einrichtung mobil, maschinenunabhängig und von außen an den Werkzeugkopf des jeweiligen Schwenkaggregates (21) heranführbar ist und dabei ihr sicherer Aufstellort mit tels Standfüßen (17), die entweder Permanentmagnete beinhalten oder als Saugfüße ausgebildet sind, gewährleistet wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass eine staubdichte, stoßsichere und temperaturstabile Kapselung der Einrichtung mittels einer Verkleidung (18) und einer Balgdichtung (19) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einmess- oder Kalibriereinrichtung als integraler Bestandteil einer Werkzeugmaschine vorliegt.
Verfahren zum Einmessen von Schwenkaggregaten (21), insbesondere an Schneidmaschinen, unter Einsatz einer Einrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass Messdaten, die aus den Relativbewegungen der Glieder (3, 4, 5) und dem Gestell (1) resultieren, durch Messwertaufnehmer (6, 7, 8) zeitsynchron und in schneller Folge gewonnen, in der elektronischen Wandlerbaugruppe (2) zu einem standardisierten Datensignal verarbeitet und zur weiteren Bearbeitung und Speicherung einem über die Datenleitung (23) beigeordneten Computer (24) zugeleitet werden, auf dessen Monitor online eine computergrafische Bildschirmdarstellung (25) erzeugt wird, deren Bezugspunkt die Stellung der Einrichtung beim Beginn der aktuellen Messung ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer (24) den Fortgang des Einmessens online computergrafisch abbildet.
Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Datenleitung (23) dem Computer (24) laufend zugeführten Messdaten von diesem in einem sich schnell wiederholenden Zyklus gefiltert und analysiert werden, die Grundlage der computerinternen Berechnung der Lage des TCP bilden und ausgehend von der Lage des TCP relativ zu den Messdaten einerseits und der Art des Handgelenkes andererseits der Computer (24) den Bediener vermittels detaillierter Handlungsanweisungen hinsichtlich der zu betätigenden Verstelleinrichtung, dem Betrag und dem Richtungssinn des Verstellparameters, wahlweise durch Sprachausgabe, Textanweisungen oder Computeranimationen, durch den Kalibriervorgang leitet bis zu dem Punkt, an dem die Summe der errechneten Lageabweichungen des TCP einen definierten Grenzwert unterschreitet.