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Die Erfindung betrifft Lichtgriffel zur Eingabe von Koordinaten in eine Steuerung. Dies dient beispielsweise dazu, auf einfache und schnelle Weise die Aufspannsituation eines Werkstücks im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine zu ermitteln, indem markante Punkte des Werkstücks und/oder der verwendeten Spannmittel durch den Lichtgriffel markiert und durch Kameras erfasst werden. Allgemein können mittels des Lichtgriffels beliebig Punkte im Arbeitsraum markiert und erfasst werden.
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An modernen, NC – gesteuerten Werkzeugmaschinen ist ein hoher Durchsatz und damit eine hohe Produktivität ein entscheidender Wettbewerbsfaktor. Jeder Schritt der Bearbeitung eines Werkstückes soll daher möglichst schnell und genau automatisiert durchgeführt werden. Es gibt jedoch auch Schritte, die von einem Anlagenbediener ausgeführt werden, der dann bei seiner Aufgabe bestmöglich unterstützt werden muss. Hierzu zählt auch das Aufspannen und Einmessen eines Werkstückes. Zwar mag es ungefähre Vorgaben geben, wo und mit welchen Spannmitteln ein Werkstück im Arbeitsraum befestigt werden soll – es ist jedoch trotzdem notwendig, die Aufspannsituation vor der Bearbeitung zu erfassen und zu überprüfen. Hierzu wird häufig ein Taster eingesetzt, der im Handbetrieb an markante Punkte von Werkstück oder Spannmittel gebracht wird. Außerdem sind Systeme bekannt, die aus einem oder mehreren Kamerabildern z.B. mittels Kantenauswertung und Vergleich mit bekannten Werkstücken und Spannmitteln eine Aufspannsituation ermitteln.
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Die
DE 102005022344 B4 beschreibt eine Mischung aus beiden Verfahren. Aus den Kamerabildern wird die Lage von markanten Punkten ungefähr ermittelt, die dann von einem Tastsystem angetastet werden. So wird das zeitraubende manuelle Anfahren der Antastpositionen vermieden, und die Ungenauigkeit der Bildauswertung durch Antasten ausgeglichen.
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Anhand der so ermittelten Positionen des Werkstücks und seiner Spannmittel kann beispielsweise eine Kollisionsüberwachung durchgeführt werden, indem für die Spannmittel Schutzzonen definiert werden, in die das Werkzeug oder sonstige bewegliche Teile der Werkzeugmaschine nicht eindringen dürfen.
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Die hier vorgeschlagene Erfindung dient einem anderen Weg der Erfassung von Koordinaten im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine. So ist es etwa aus der
US 5363185 bekannt, mittels eines Lichtgriffels einzelne Punkte im Arbeitsraum eines Roboters zu markieren und deren Lage mittels eines Kamerasystems zu erfassen. Die US 5363185 schlägt hierzu Lichtgriffel vor, die entweder einen Laserstrahl aussenden, oder an deren Spitze eine Leuchtdiode angebracht ist. Auch wenn sich so sehr komfortabel Koordinaten erfassen lassen, so sind die in der US 5363185 gezeigten Lichtgriffel nicht für die gestellte Aufgabe optimiert.
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Lichtgriffel sind auch als Lesegeräte für Barcodes bekannt. So zeigt die
US 5308964 einen Lichtgriffel mit einer im Inneren des Lichtgriffels angeordneten Lichtquelle, deren Licht durch eine an der Spitze des Lichtgriffels angeordnete Kugellinse nach außen fällt. Diese Kugellinse ist notwendigerweise transparent, denn das vom Barcode reflektierte Licht muss durch die Linse zurück zu einem Detektor im Inneren des Lichtgriffels gelangen. Solche Lichtgriffel senden Licht nur in Richtung der Griffelachse aus und sind damit für eine Koordinateneingabe denkbar ungeeignet, denn für eine Erfassung durch eine im Arbeitsraum platzierte Kamera ist eine Aussendung von Licht in einen größeren Raumbereich nötig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Lichtgriffel mit besonders für die Erfassung und Positionsbestimmung durch ein Kamerasystem geeigneter Abstrahlcharakteristik zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Es wird ein Lichtgriffel mit einem Licht emittierenden Ende offenbart, der zum Erfassen von Koordinaten im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine besonders geeignet ist. Dieser Lichtgriffel weist eine Lichtquelle auf, die im Inneren des Lichtgriffels angeordnet ist. Das Licht dieser Lichtquelle gelangt zu einem am Licht emittierenden Ende des Lichtgriffels angeordneten diffusen Streuer, von dem aus Licht in die Umgebung emittiert wird.
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Durch verschiedene Maßnahmen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart werden, erreicht man eine Abstrahlcharakteristik, die für die Kamera basierte Erfassung von Koordinaten im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine optimiert ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine starke Abstrahlung in Richtung der Griffelachse auf den meist metallisch reflektierenden Oberflächen von Werkstücken oder Spannmitteln zu störenden Reflexen führen, die die genaue Koordinatenerfassung erschweren. Bevorzugt ist eine Abstrahlcharakteristik, bei der ein größerer Teil der Lichtintensität seitlich abgestrahlt wird, denn in dieser Richtung wird sich üblicherweise eine Kamera befinden, die seitlich und/oder oberhalb des Arbeitsraumes angeordnet ist. Beim Antasten von Punkten mit dem Lichtgriffel wird dieser eher nicht direkt auf die Kamera ausgerichtet sein, so dass in Richtung der Griffelachse emittiertes Licht verloren ist und wie erwähnt sogar störend sein kann.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine Gesamtansicht eines Lichtgriffels,
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2 einen Schnitt durch die Kappe eines Lichtgriffels,
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3 eine Abstrahlcharakterisik des Lichtgriffels.
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1 zeigt eine Gesamtansicht eines Lichtgriffels 1. An dessen Licht emittierenden Ende sitzt eine auswechselbare Kappe 7 mit einem diffusen Streuer 4 in Form einer Streukugel aus weißer Keramik, die von einer im Inneren des Lichtgriffels 1 angeordneten Lichtquelle beleuchtet wird und somit Licht in die Umgebung emittiert. Da die Streukugel 4 wie die Tastkugel eines Messtasters zur Positionserfassung dient, sollte der Radius der Streugugel genau bekannt sein.
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Ein Schalter 8 am Lichtgriffel 1 dient dazu, einzelne Punkte im Raum zu kennzeichnen, indem der Schalter 8 betätigt wird, wenn die Streukugel 4 an einem Punkt angelegt ist, dessen Koordinaten von einer übergeordneten Steuerung erfasst werden sollen. Diese Steuerung kann beispielsweise die Numerische Steuerung (NC) einer Werkzeugmaschine sein, in deren Arbeitsraum Werkstücke oder Spannmittel erfasst werden sollen. Die Betätigung des Schalters 8 kann die Streukugel 4 kurz aufleuchten lassen, um einen Erfassungsvorgang auszulösen. Alternativ kann bei ständig leuchtender Streukugel 4 die Betätigung des Schalters 8 drahtlos oder drahtgebunden an die Steuerung übermittelt werden, um die Erfassung auszulösen. Als drahtlose Übertragung könnte dabei auch eine Modulation des emittierten Lichtes dienen.
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Die Energieversorgung des Lichtgriffels 1 erfolgt vorzugsweise über Batterien im Griffteil des Lichtgriffels, so dass eine bequeme Handhabung ohne störendes Kabel im gesamten Arbeitsraum der Werkzeugmaschine möglich ist.
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In der 2 ist ein Schnitt durch die auswechselbare, aus Metall oder einem stabilen Kunststoff gefertigte Kappe 7 des Lichtgriffels 1 gezeigt. In der Kappe 7 ist eine Lichtquelle 3 angeordnet. Vorteilhaft sind hier Leuchtdioden mit einer spektral schmalbandigen Abstrahlung (kleiner als 25nm FWHM, entsprechend der Halbwertsbreite der Abstrahlungswellenlänge), denn dann kann das Licht der Streukugel 4 mittels geeigneter optischer Filter (Bandpass vor dem Bildsensor) oder elektronischer Filter (in der Bildauswertung) leicht vom Umgebungslicht getrennt werden, um so den Kontrast zwischen der leuchtenden Streukugel 4 und der Umgebung zu erhöhen und die Positionsbestimmung anhand von Kamerabildern zu erleichtern. Die Leuchtdiode 3 sollte außerdem eine deutlich nach vorne, also in Richtung der Streukugel 4 gerichtete Abstrahlung aufweisen, mit einem Abstrahlwinkel kleiner 45 Grad FWHM, idealerweise sogar kleiner als 20 Grad. 45 Grad FWHM bedeutet hier, dass an den Rändern eines symmetrisch um die Vorwärtsrichtung angeordneten Kegels, dessen Spitze einen 45 Grad Winkel einschließt, eine Lichtintensität abgestrahlt wird, die bei der Hälfte des Intensitätsmaximums in Vorwärtsrichtung liegt.
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An der Spitze der Kappe 7 befindet sich eine Kapillare 5, durch die das Licht der Lichtquelle 3 zur Streukugel 4 gelangt. Die Streukugel 4 verschließt die Kapillare 5 von außen und ist hierzu beispielsweise mit einem für die Wellenlänge der Lichtquelle 3 transparenten Epoxyd – Kleber aufgeklebt. Am äußeren Ende der Kapillare 5 ist außerdem eine Phase aufgeprägt, die eine sichere Befestigung der Streukugel 4 an der Kappe 7 ermöglicht.
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Zwischen der Lichtquelle 3 und der Streukugel 4 sitzt eine als Kugellinse ausgebildete Linse 6, die das Licht der Lichtquelle 3 sammelt und auf einen Punkt fokussiert, der zwischen dem Eingang der Kapillare 5 und der Oberfläche der Streukugel 4 liegt. Der Durchmesser der Kugellinse beträgt zwischen 0,5 und 10 mm. Da von der Lichtquelle 3 Licht mit unterschiedlichen Richtungen auf die Kugellinse 6 fällt, ist der Fokus nicht scharf definiert. Die genaue Anordnung der Kugellinse 6 und der Lichtquelle 3 innerhalb der Kappe 7 und relativ zur Streukugel 4 ist per Simulation oder durch Versuche zu optimieren, um eine möglichst hohe Lichtausbeute von der Streukugel 4 zu bekommen.
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Nach einer umfangreichen Versuchsreihe wurden folgende Komponenten ausgewählt: Als Lichtquelle 3 dient eine durchsteckbare Leuchtdiode mit aufgegossener Epoxylinse mit einem Durchmesser von 5 mm. Diese strahlt schmalbandig rot bei ca. 638 nm mit einem Abstrahlwinkel kleiner 30 Grad FWHM. Die Kugellinse ist aus einem optischen Glas (beispielsweise BK7 von Schott) gefertigt und weist einen Durchmesser von 2 mm auf. Die Leuchtdiode 3 wird mit der Kugellinse 6 in Kontakt gebracht, was mechanisch vorteilhaft ist. Der Abstand zwischen der Kugellinse 6 und der Streukugel 4 beträgt ungefähr 0,6 mm, bzw. der Abstand der jeweiligen Kugelmittelpunkte ca. 2 mm.
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Die Streukugel 4 hat einen Durchmesser von einem Millimeter, der mit einer Genauigkeit im Bereich mehrerer Mikrometer eingehalten werden sollte. Sie ist aus einer porösen Keramik gefertigt, die zu 99,9% aus Al2O3 besteht. Auch andere, vorzugsweise weiße Keramiken wie ZrO2, TiO2 oder auch Si3N4 sind denkbar. Die Streukugel 4 verschließt die Kapillare 5, die einen Durchmesser von 0,7 mm aufweist. Aufgrund des Einsatzes in einer rauen Umgebung ist für die Streukugel 4 eine Härte von mehr als 10 GPa und eine Bruchfestigkeit von mehr als 100 MPa vorteilhaft.
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Streuende Kunststoffkugeln, die hinsichtlich ihrer Härte, Bruchfestigkeit und der Bestimmtheit ihres Durchmessers nicht in der gleichen Qualität verfügbar sind wie solche aus Keramik, können ebenfalls verwendet werden, wenn die mechanische Belastung dies zulässt. Immerhin ist die Kappe 7 auswechselbar ausgeführt, so dass bei einer verschlissenen Streukugel 4 ein Austausch leicht möglich ist.
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Wenig geeignet waren in entsprechenden Tests angeraute Glaskugeln als Streukugel 4. Diese führten wegen ihrer zu geringen Streufähigkeit an der Glasoberfläche zu einer deutlich nach vorne, also in Richtung der Griffelachse 2 gerichteten Intensität des emittierten Lichtes, während wie erwähnt eine eher seitliche Abstrahlung zu bevorzugen ist.
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In der 3 ist eine typische Abstrahlcharakteristik des Lichtgriffels 1 gezeigt. Die 0-Grad-Richtung fällt mit der Griffelachse 2 zusammen. Man erkennt, dass die Abstrahlung ungefähr senkrecht zur Griffelachse 2 deutlich (etwa 2,5-fach) größer ist als die Abstrahlung in Richtung der Griffelachse 2, so dass Reflexe auf der Oberfläche von angetasteten Objekten weitgehend vermieden werden, und mehr Licht zu den seitlich angeordneten Kameras gelangt. Die Abstrahlcharakteristik ist außerdem annähernd rotationssymmetrisch um die Griffelachse, wie man anhand der zahlreichen Messkurven erkennen kann, die jeweils unter gleichen Bedingungen, aber mit einem um seine Längsachse 2 gedrehten Lichtgriffel 1 aufgenommen wurden. Bedingt durch den Messaufbau zeigt die 3 keine Winkel an, die betragsmäßig größer als 90 Grad sind. In diese Richtung findet natürlich ebenfalls eine Abstrahlung statt, die erst durch den Lichtgriffel selbst oder durch die Hand des Bedieners begrenzt wird. Der Großteil des abgestrahlten Lichtes sollte einen Winkel zwischen 30 und 145 Grad mit der Griffelachse einschließen.
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Die Kugellinse 6 als fokussierendes Element sorgt für eine deutlich höhere abgestrahlte Lichtintensität. Ohne ein solches fokussierendes Element zwischen Lichtquelle 3 und Streukugel 4 wurden Intensitäten gemessen, die um den Faktor 2–10 niedriger lagen. Es ist jedoch möglich, statt einer Linse 6 einen parabolischen Reflektor zur Konzentration des Lichts zu verwenden, in dem die Innenseite der Kappe 6 entsprechend ausgestaltet wird. In Simulationen konnte mit einem solchen Reflektor ebenfalls eine hohe Intensität erreicht werden. In der Praxis zeigte sich jedoch, dass für diese alternative Ausführungsform eine qualitativ sehr aufwändige Oberflächenbearbeitung der Innenseite der Kappe 6 nötig ist, so dass letztlich die Ausführungsform mit einer Linse 6 bevorzugt ist.
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Eine Verspiegelung der Innenseite der Kappe, evtl. in Verbindung mit einer annähernd parabolischen Form, kann auch im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 zu einer erhöhten Lichtausbeute führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005022344 B4 [0003]
- US 5363185 [0005]
- US 5308964 [0006]
