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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatisierten
Lagekorrektur von mechanisch erst- oder nachzubearbeitenden Werkstücken, insbesondere
von Werkstücken
mit gewölbten
Oberflächen.
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Derartige
Lagerkorrekturen sind beispielsweise dann notwendig, wenn vorgefertigte
Werkstücke
einer Fertigbearbeitung bedürfen,
oder wenn bereits bearbeitete Werkstücke nach einem Testlauf eine
Nachbearbeitung benötigen,
wofür sie
erneut in eine Bearbeitungsvorrichtung eingespannt werden müssen.
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Das
exakte Einspannen von Werkstücken, welche
mechanisch bearbeitet werden, ist naturgemäß für ein optimales Bearbeitungsergebnis
von großer
Bedeutung. Ist ein zu bearbeitendes Werkstück relativ zur Bearbeitungsvorrichtung,
z. B. einer CNC-Werkzeugmaschine, falsch ausgerichtet, und verfügt die Bearbeitungsvorrichtung
nicht über
die Möglichkeit,
die tatsächliche
Lage des Werkstücks, also
den Lageversatz gegenüber
einer Referenzlage, selbsttätig
zu bestimmen, so sind Fehlbearbeitungen und Ausschuss die Folge.
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Hinsichtlich
des Erfordernisses des exakten Einspannens von Werkstücken lassen
sich drei Fälle voneinander
unterscheiden.
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Bereits
bei der Erst- bzw. Neuteilbearbeitung eines Werkstücks muss
die Lage desselben relativ zur Bearbeitungsvorrichtung exakt bekannt
sein. Dies ist insbesondere dann von größter Wichtigkeit, wenn nicht
alle Konturen des Werkstücks
bearbeitet werden müssen,
sondern nur bestimmte, bereits vorgefertigte Außenflächen zu bearbeiten sind. Das
ist beispielsweise bei der Verwendung von Gussteilen als Halbzeugen
der Fall. Die Gussteile weisen im Normalfall eine Form auf, welche
zwar weitgehend der Endform des Werkstücks entspricht; bestimmte Funktionsflächen, wie
zum Beispiel Lauf- oder Lagerflächen,
erfordern jedoch in jedem Fall eine Nachbearbeitung und häufig auch
eine spezielle Oberflächenbehandlung.
Um diese Flächen
entsprechend exakt und präzise
bearbeiten zu können,
muss das Werkstück
exakt in der Bearbeitungsvorrichtung ausgerichtet werden.
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Ebenso
wichtig ist eine genaue Positionierung bei einer Weiter- oder Nachbearbeitung
von Werkstücken.
Derartige Nachbearbeitungen können beispielsweise
nach Geometriemessungen oder Testläufen notwendig sein, durch
welche festgestellt wird, an welchen Stellen die Werkstücke oder
aus diesen gefertigte Zusammenbauten noch nicht den endgültigen Erfordernissen
entsprechen und daher nachbearbeitet werden müssen. Dies ist beispielsweise
im Triebwerksbau ein Standardfall, da hier komplexe Bauteile, beispielsweise
komplizierte Profilformen, Statorstufen mit über Deckbänder verbundenen Schaufeln,
etc. zu bearbeiten sind. Beispielsweise müssen Turbinenschaufeln nach
einer Luftdurchsatzprüfung
immer dann nochmals bearbeitet werden, wenn der erzielte Luftdurchsatz
zu gering war. Durch eine Falschpositionierung der nachzubearbeitenden
Turbinenschaufeln in der Bearbeitungsvorrichtung würden diese
durch die Nachbearbeitung praktisch unbrauchbar werden.
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Schließlich kann
sich die Notwendigkeit eines exakten Wiedereinspannens von Werkstücken auch
bei der Überprüfung von
Einstellmustern ergeben.
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Eine
einfache, aber zeitaufwändige
Lösung für das Problem
des exakten Wiedereinspannens besteht darin, dass ein Monteur die
zur exakten Positionierung notwendigen Bohrungen manuell einfährt, bevor
mit der Nacharbeit begonnen werden kann. Jedoch ist die Durchführbarkeit
dieser Lösung
unter anderem von der Möglichkeit,
entsprechende Areale für diese
Bohrungen vorzusehen, abhängig.
Gerade bei Bauteilen hochkomplexer Geometrie kann es jedoch schwierig
sein, den entsprechenden Raum bzw. die entsprechende Fläche vorzuhalten.
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Auch
bei Neuteilen kann es aufgrund von Gussschwankungen zu o. g. Problemen
kommen. Hier ist beispielsweise die Nachbearbeitung von Turbinenschaufeln
und hier das Aufbohren der so genannten „TipCap”-Bohrungen oder „Filmholes” für die Filmkühhlung von Turbinenschaufeln
zu nennen.
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Weiterhin
sind unter anderem Vorrichtungen bekannt, die der automatischen
oder zumindest halbautomatischen Lage- bzw. Lageversatzbestimmung von
Werkstücken
in einer Bearbeitungsvorrichtung dienen. Derartige Vorrichtungen
arbeiten häufig
mechanisch, beispielsweise mittels Messtastern, oder optisch, beispielsweise
mittels Laserscannern.
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Bekannt
sind außerdem
auch Vorrichtungen, bei denen bildgebende Verfahren zum Einsatz
gelangen. Hier werden Kameras verwendet, die die Lage des Werkstückes erfassen
und ggf. an eine CNC-Steuerung weitergeben, so dass entweder eine Lagekorrektur
des Werkstücks
oder eine Änderung des
zur Nachbearbeitung vorgesehenen CNC-Bearbeitungsprogramms möglich ist.
Derartige bildgebende Verfahren sind jedoch nur für einfache
und exakt bestimmbare Konturen geeignet. Es werden genaue Markierungen
oder scharf umrissene Konturen benötigt, an welchen sich die bildgebende
Einrichtung orientieren kann.
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Im
Falle gewölbter,
komplexer Oberflächen versagen
die bekannten Verfahren jedoch häufig, weshalb
sie heute noch nicht bei der Bearbeitung und/oder Nachbearbeitung
von komplexen Werkstücken
wie beispielsweise Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist demnach die Bereitstellung eines Verfahrens
und einer Vorrichtung zur automatisierten Lagekorrektur von mechanisch
erst- oder nachzubearbeitenden Werkstücken, insbesondere von solchen
Werkstücken
mit komplexen, beispielsweise gewölbten Oberflächen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des in Anspruch 1 vorgeschlagenen
Verfahrens und die Merkmale der in Anspruch 7 vorgeschlagenen Vorrichtung
gelöst.
Dementsprechend wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches anhand
einer Korrelationsanalyse zwischen einem zuvor aufgenommenen Referenzbild
und einem die aktuelle Situation widerspiegelnden Werkstückbild den
Lageversatz eines eingelegten Werkstückes berechnet, und diesen
gegebenenfalls in Form einer Lagekorrektur an das Werkzeug und/oder
eine Spannvorrichtung weiterleitet.
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Außerdem wird
eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft
durchgeführt
werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
sind den abhängigen
Ansprüchen
sowie der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den Figuren
zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
begegnet der Problematik, dass insbesondere bei einer Nachbearbeitung
eines Werkstücks
dieses seine ursprüngliche
Bearbeitungsposition aufgrund eines erneuten Einspannens verloren
hat, so dass es erneut exakt an der Werkzeugmaschine ausgerichtet
werden muss.
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Das
Verfahren dient demnach zur automatisierten Lagekorrektur von mechanisch
erst- oder nachzubearbeitenden Werkstücken, wie zum Beispiel Gussteilen
oder Werkstücken
mit komplexen Oberflächenformen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
umfasst dabei die folgenden Schritte:
- (a) Erfassung
oder Bereitstellung eines Referenzbildes (Bild 1);
- (b) Erfassung eines den relevanten Bereich umfassenden Werkstückbildes
(Bild 2);
- (c) Durchführung
einer Korrelationsanalyse zwischen Referenzbild und Werkstückbild;
- (d) Bestimmen des Lagerversatzes;
- (e) Durchführung
einer automatischen Lagekorrektur.
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Das
in Schritt (a) genannte Referenzbild muss dementsprechend von einem
gleichgeformten anderen und optimal eingespannten Werkstück oder von
dem zu bearbeitenden Werkstück
vor, während oder
direkt nach der Erstbearbeitung desselben aufgenommen werden. Diese
Aufnahme muss dementsprechend im Vorfeld der restlichen Verfahrens-
und Bearbeitungsschritte erfolgen.
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Im
Schritt (b) wird ein Werkstückbild
(Bild 2) aufgenommen, welches die aktuelle Lage des Werkstücks vor
Beginn der Erstbearbeitung (im Falle das Vorliegens eines Referenzbildes
eines anderen Werkstückes)
bzw. vor dessen Weiterbearbeitung (im Falle des Vorliegens eines Referenzbildes
desselben Werkstückes
bei seiner Erstbearbeitung) zeigt. Es ist dabei erfindungsgemäß nicht
nötig,
das gesamte Werkstück
aufzunehmen, sondern es kann bevorzugt ausreichend sein, einen relevanten
Bereich desselben aufzunehmen. Dieser relevante Bereich kann beispielsweise
durch bestimmte Formgebung, Bohrungen o. ä. eine Lagebestimmung des eingespannten
Werkstückes
erlauben. Durch die Reduktion der für die weitergehende Analyse
notwendigen Daten kann die Analyse schneller erfolgen, da vor allem
weniger Rechenoperationen durchzuführen sind, als dies bei umfangreicheren
Bildern der Fall wäre.
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Im
Schritt (c) findet dann die erfindungsgemäße Korrelationsanalyse statt.
In diese finden sowohl das Referenz- als auch das Werkstückbild Eingang.
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Als
Resultat der Korrelationsanalyse liegt dann die Lageverschiebung
des eingespannten Werkstücks
in Relation zu seiner Lage während
seiner Erstbearbeitung bzw. zur Lage eines optimal eingespannten
Referenzwerkstückes
vor (Schritt (d)).
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Schließlich wird
der anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
ermittelte Lageversatz zur Durchführung einer automatischen Lagekorrektur
genutzt (Schritt e)). Diese Lagekorrektur kann entweder dadurch
bewerkstelligt werden, dass das Werkstück zusammen mit der Aufnahmevorrichtung
in eine neue Position gebracht wird, oder dass das Werkzeug eine
entsprechend angepasste Werkzeugbahn abfährt, oder dass sowohl Werkstück als auch
Aufnahmevorrichtung relativ zueinander verfahren werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist hierbei durch folgende Art der Korrelationsanalyse gekennzeichnet:
- (i) Für
jedes der beiden erfindungsgemäß notwendigen
Bilder (Referenzbild, Bild 1 und Werkstückbild, Bild 2) erfolgt getrennt
eine Transformation desselben aus dem x-y-Raum in den Fourier-Raum
(2D-FFT). Danach liegen die beiden Bilder in transformierter Form
vor.
- (ii) In einem nächsten
Schritt wird das Faltungsintegral der beiden transformierten Bilder
mittels einfacher Multiplikation errechnet.
- (iii) Anschießend
erfolgt eine Rücktransformation des
Faltungsintegrals in den x-y-Raum.
- (iv) In einem letzten Schritt wird die x-y-Position des Maximums
des Faltungsintegrals ermittelt.
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Die
x-y-Position des Maximums entspricht gerade dem gesuchten Lageversatz.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der zur Lagekorrektur des Werkstückes oder Werkzeugs notwendige
CNC-Code automatisch generiert. Auf diese Weise ist eine besonders
schnelle und daher effiziente Lagekorrektur möglich. Besonders bevorzugt
kann hierzu eine Bildverarbeitungs- und Rechenvorrichtung verwendet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich insbesondere zur Lagekorrektur von erst- oder nachzubearbeitenden
Turbinenschaufeln. Da derartige Turbinenschaufeln im Normalfall
als Gussteile vorliegen und bestimmte noch unbearbeitete Funktionsflächen vorweisen,
ist eine exakte Positionierung schon bei der Erstbearbeitung unabdingbar.
Gleichermaßen
ist es notwendig, die beispielsweise nach einem Testlauf erneut
einzuspannenden und zu bearbeitenden Bauteile wiederum exakt zu
Bearbeitungsvorrichtung zu positionieren. Selbstverständlich ist das
erfindungsgemäße Verfahren
jedoch nicht auf derartige Bauteile limitiert, sondern kann für jegliche, auch
einfacher geformte Werkstücke,
oder auch zur Überprüfung einer
Einbaulage derselben in einen Zusammenbau benutzt werden, beispielsweise
durch Vergleich der Soll- und Ist-Lage von entsprechend vorhandenen
Markern oder Einstellmustern.
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Aufgrund
der Eignung speziell für
komplex geformte Oberflächen
kann das erfindungsgemäße Verfahren
besonders vorteilhaft im MRO-Bereich (Maintenance, Repair, Overhaul;
Wartung, Reparatur, Überholung)
von Triebwerken und dergleichen eingesetzt werden.
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Hierbei
kann es besonders bevorzugt der automatischen Überprüfung von master airfoils dienen. Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird außerdem
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
bereitgestellt. Diese umfasst alle wesentlichen Komponenten, um
die Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Vorrichtung zur automatisierten Lagekorrektur von mechanisch erst-
oder nachzubearbeitenden Werkstücken
zunächst
eine Aufnahmeeinrichtung, mit welcher ein Werkstück eingespannt werden kann.
Die Vorrichtung umfasst weiter ein Werkzeug mit welchem das Werkstück bearbeitet
und/oder nachgearbeitet werden kann. Damit die Aufnahmeeinrichtung
dabei translatorische und/oder rotatorische Bewegungen des Werkstücks ermöglicht,
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
weiter eine Verfahreinrichtung für
die Aufnahmeeinrichtung; alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch eine Verfahrvorrichtung für
das Werkzeug umfassen. Schließlich
ist auch eine Kombination beider Verfahreinrichtungen möglich, wobei
bevorzugt jeweils unterschiedliche Freiheitsgrade abgedeckt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst außerdem eine
Bildaufnahmeeinrichtung, die der Aufnahme mindestens des Werkstückbildes
(Bild 2), bevorzugterweise jedoch auch des Referenzbildes (Bild
1) dient. Schließlich
umfasst die Vorrichtung außerdem eine
Bildverarbeitungs- und Recheneinrichtung, sowie eine oder mehrere
Einrichtung(en) zur Datenübertragung,
um die Rechenoperationen auszuführen und
gegebenenfalls an die entsprechenden Komponenten, insbesondere an
die Verfahreinrichtung(en) weiterzuleiten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungs- und
Recheneinrichtung Mittel zur Transformation eines durch die Bildaufnahmevorrichtung
gelieferten Bildes in den Fourier-Raum, Mittel zur Ermittlung eines
Faltungsintegrals, Mittel zur Rücktransformation desselben
in den x-y-Raum und Mittel zur Ermittlung der x-y-Position des Maximums
des rücktransformierten
Faltungsintegrals umfasst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist also dazu geeignet, die notwendigen Bilder aufzunehmen, zu verarbeiten,
und die daraus errechnete Lagekorrektur an entsprechende Verfahrvorrichtungen weiterzuleiten.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die
Lage von Werkstücken
mit komplexen Oberflächen,
wie beispielsweise Turbinenschaufeln, miteinander verbundenen Schaufelsegmenten,
etc. vor der Erstbearbeitung und/oder der Nachbearbeitung derselben
exakt zu erfassen, so dass eine nachfolgende Bearbeitung mit der
notwendigen Präzision
durchgeführt
werden kann. Die Bestimmung des Lageversatzes und die Integration
dieser Informationen in entsprechende Steueranweisungen erfolgt
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren
vollautomatisch. Durch Verwendung der ebenfalls bereitgestellten
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es möglich,
den anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
errechneten Lageversatz in Form einer Lagekorrektur an die entsprechenden
Komponenten, insbesondere an die Verfahreinrichtungen für die Aufnahmevorrichtung und/oder
das Werkstück
weiterzuleiten. Aufgrund der Möglichkeit
zur Automatisierung und des damit verbundenen Entfalls manueller
Tätigkeiten
wird ein deutlicher Zugewinn an Zuverlässigkeit sowie eine signifikante
Zeit- und Kostenersparnis erreicht.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung der beigefügten Figuren
näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm eines zentralen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens
(Korrelationsanalyse).
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2 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die 1 zeigt
ein Flussdiagramm eines zentralen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich der
Korrelationsanalyse.
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Zu
Beginn müssen
dem Verfahren zwei Bilder, hier Bild 1 und Bild 2 genannt, zur Verfügung gestellt
werden. Das Bild 1 kann dabei das Referenzbild sein, das Bild 2
kann eine aktuelle Aufnahme des erst- bzw. wiedereingespannten Werkstückes sein (Werkstückbild).
Beide Bilder befinden sich zunächst im
x-y-Raum.
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Anschließend erfolgt,
für jedes
dieser beiden Bilder getrennt, eine Transformation desselben in den
Fourier-Raum (2D-FFT). Danach liegen die beiden Bilder in transformierter
Form vor (Bild 1* bzw. Bild 2*).
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In
einem nächsten
Schritt wird ein Faltungsintegral der beiden transformierten Bilder
mittels einfacher Multiplikation errechnet (Bild 1* × Bild 2*).
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Danach
erfolgt eine Rücktransformation
des Faltungsintegrals in den kartesischen, d. h. in den x-y-Raum.
(2D-FFT–1).
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Schließlich wird
die x-y-Position das Maximums des rücktransformierten Faltungsintegrals
ermittelt. Diese Position entspricht gerade dem gesuchten Lageversatz.
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Die 2 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In einer Aufnahmevorrichtung 1 ist das zu bearbeitende
Werkstück 2 eingespannt.
Zur Bearbeitung des Werkstücks 2 ist ein
entsprechendes Werkzeug 3 vorhanden. In der hier dargestellten
Ausführungsform
kann das Werkzeug 3 beispielsweise ein Fräswerkzeug
sein. Die Aufnahmevorrichtung 1 kann mittels einer entsprechenden
Verfahreinrichtung 4 relativ zum Werkzeug verfahren werden.
Ebenso zeigt 2 eine Verfahreinrichtung 5,
mit welcher das Werkzeug 3 selber verfahren werden kann.
Nicht gezeigt sind möglicherweise
alternativ oder zusätzlich
notwendige Möglichkeiten,
Aufnahmeeinrichtung 1 und/oder Werkzeug 3 in anderen
Raumrichtungen zu verfahren und/oder zu rotieren.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst weiter eine Bildaufnahmeeinrichtung 6. Mit Hilfe
dieser Bildaufnahmeeinrichtung 6 ist es möglich, ein
Bild von einem eingelegten Referenzteil bzw. einem eingelegten erst-
oder nachzubearbeitenden Werkstück bevorzugt
in digitaler Form anzufertigen.
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Schließlich umfasst
die erfindungsgemäße Vorrichtung
noch eine Bildverarbeitungs- und Recheneinrichtung 7. Diese
dient insbesondere der Durchführung
der im erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen
Rechenoperationen (Korrelationsanalyse, Anpassung der CNC-Daten),
sowie bevorzugt auch einer Steuerung der Verfahreinrichtungen 4 und 5.
Hierzu ist die Bildverarbeitungs- und Recheneinrichtung 7 mittels
entsprechender Einrichtungen zur Datenübertragung 8 mit den
jeweiligen Vorrichtungen verbunden. Diese Verbindungen werden in
der 2 mittels gepunkteter Linien dargestellt.
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Bezugszeichenliste und Abkürzungen
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- Bild 1
- erstes Bild, Referenzbild
- Bild 2
- zweites Bild, Aufnahme
des erst- bzw. wiedereingespannten Werkstückes, Werkstückbild
- Bild 1*
- in den Fourier-Raum
transformiertes Bild 1
- Bild 2*
- in den Fourier-Raum
transformiertes Bild 1
- 2D-FFT
- Fast-Fourier-Transformation
(zweidimensional)
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- 1
- Aufnahmeeinrichtung
- 2
- Werkstück
- 3
- Werkzeug
- 4
- Verfahreinrichtung
für die
Aufnahmeeinrichtung
- 5
- Verfahreinrichtung
für das
Werkzeug
- 6
- Bildaufnahmeeinrichtung
- 7
- Bildverarbeitungs-
und Recheneinrichtung
- 8
- Einrichtung(en)
zur Datenübertragung