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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Hüllkontur von Werkstücken wie Werkzeugen.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Hüllkontur oder der Oberfläche eines Werkstückes, vorzugsweise eines Werkzeuges, mit einem Bildverarbeitungssensor, einer Vorrichtung zur Drehung des Werkstücks und einer Werkstückauflagefläche.
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Auch nimmt die Erfindung Bezug auf ein Verfahren zur Bestimmung der Hüllkontur oder der Oberfläche eines Werkstückes vorzugsweise eines Werkzeuges, wobei in mehreren Drehstellungen des Werkzeugs Bilder mittels Bildverarbeitungssensor aufgenommen werden.
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Bei der Bestimmung der Hüllkontur von Werkzeugen muss das Werkzeug in mehreren Drehstellungen gemessen werden. Die hierzu eingesetzten Drehachsen weisen grundsätzlich einen bestimmten Taumelfehler auf. Dieser kann aufwendig vorher eingemessen und an den Messergebnissen korrigiert werden. Hierzu muss die Drehstellung zu den einzelnen aufgenommenen Bildern der Hülle bekannt sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Hüllkontur der Oberfläche eines Werksstückes zu bestimmen, ohne dass merklich Taumelfehler bei der Drehung des Werkstückes auftreten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird verfahrensgemäß im Wesentlichen vorgeschlagen, dass zumindest Teile des Werkstücks in einer V-förmigen Nut aufliegen und mittels eines an das Werkstück gekoppelten Sensors die Drehstellungen des Werkstücks bestimmt und den Aufnahmen des Bildverarbeitungssensors zugeordnet werden.
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Erfindungsgemäß werden Taumelfehler bei der Drehung des Werkzeugs vermieden, indem das Werkzeug in einer festen, V-Nut-förmigen Vorrichtung geführt wird.
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Da hierbei keine herkömmliche Drehachse mehr eingesetzt wird, sind die normalerweise verfügbaren Encoder zur Bestimmung der Drehposition nicht mehr vorhanden. Die vorliegende Erfindung beschreibt daher ein Verfahren zur Bestimmung der Hüllkontur, bei dem die Vorteile einer V-Nut-förmigen Führung und die mittels eines zusätzlich angebrachten Sensors zur Bestimmung der Drehstellung, wie Drehgebers, kombiniert werden.
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Hierdurch ist es möglich, taumelfreie bzw. nahezu taumelfehlerfreie Messungen mit einem günstigen Aufbau ohne hochgenaue Drehachse zu realisieren. Um neben der hochgenauen Führung auch die im Raum zugeordnete Verarbeitung der aufgenommenen Bilder zu ermöglichen, verwendet das Verfahren einen zusätzlichen Drehgeber zur Ermittlung der jeweils den Bildern zugeordneten Drehstellung.
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Die Kopplung des Sensors zur Bestimmung der Drehstellung mit dem Werkstück hat den Vorteil, dass die Drehstellung des in der V-förmigen Nut nahezu taumelfrei drehenden Werkstücks direkt bestimmt wird, und nicht die taumelfehlerbehaftete Drehstellung der Drehachse berücksichtigt wird.
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Zur Drehung des Werkstücks in der V-förmigen Nut werden beispielsweise eine oder mehrere Reibrollen (auch Anpressrollen genannt) verwendet, die an den rotationssymmetrischen Schaft des Werkstücks wie beispielsweise Bohrer, Fräser o.ä. gekoppelt sind. Bei der Übertragung der Drehbewegung der Antriebsrolle auf das Werkstück kann es hierbei prinzipbedingt zu Schlupf kommen. Das Werkstück wird erfindungsgemäß um seine Längsachse gedreht.
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Erfindungsgemäß wird ein Einfluss des Schlupfes auf das Messergebnis dadurch vermieden, dass die Drehung des Werkstücks direkt bestimmt wird. Es werden also Taumelfehler der Drehachse und Schlupf bei der Übertragung der Drehbewegung vermieden.
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Die Kopplung des Sensors zur Bestimmung der Drehstellung an das Werkstück erfolgt in einer besonders hervorzuhebenden eigenerfinderischen Ausgestaltung der Erfindung dadurch, dass als Sensor ein weiterer Bildverarbeitungssensor eingesetzt wird. Dieser ist vorzugsweise am der zu messenden Wirkseite gegenüberliegenden Ende des Werkstücks angeordnet und erfasst eine irgendwie geartete Struktur an der Stirnseite des Werkstücks oder an der Mantelfläche in der Nähe der Stirnseite des Werkstücks.
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Die Bestimmung der Drehstellung mittels des zweiten Bildverarbeitungssensors ist eigenerfinderisch und somit losgelöst von dem ersten Bildverarbeitungssensor und/oder der V-förmigen Auflage.
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Hierzu ist der weitere Bildverarbeitungssensor so angeordnet, dass seine optische Achse entweder in Richtung bzw. leicht parallel versetzt oder senkrecht zur Achse ausgerichtet ist, um die sich das Werkstück dreht.
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Als Struktur, die zur Bestimmung der Drehlage durch den weiteren Bildverarbeitungssensor erfasst wird, dienen die meistens vorhandenen Bearbeitungsspuren wie Schleifspuren, beispielsweise an der Stirnseite, oder es werden zusätzliche Strukturen vor der Messung am Werkstück angebracht, beispielsweise durch Aufkleben von scheibenförmigen strukturierten Mitteln oder durch Besprühen o.ä.
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Diese Strukturen können geordnet sein, beispielsweise Muster wie an herkömmlichen Encoderscheiben enthalten, oder aber unregelmäßig bzw. zufällig sein. Regelmäßige bzw. eindeutige Muster lassen eine direkte Bestimmung der Drehlage aus dem jeweils aufgenommenen Bild bzw. vordefiniertem Teil des Bildes zu. Gegebenenfalls werden Bilder, die in zeitlich zuvor vorliegenden Drehstellungen aufgenommenen wurden, hinzugezogen, sofern es sich um Strichscheiben oder ähnliches handelt, die nur eine inkrementelle Messung erlauben. Bei zufälligen Strukturen erfolgt die Drehlagenbestimmung durch Korrelationsanalyse, also Bestimmung der optimalen Übereinstimmung mit einem Sollbild bei Variation der Drehlage des Bildes. Der weitere Bildverarbeitungssensor erfasst dazu einen Teil oder die gesamte Struktur.
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Um den jeweils aufgenommenen Bild des Bildverarbeitungssensors zur Bestimmung der Hüllkontur die entsprechende Drehstellung des Werkstücks zuordnen zu können, erfolgt die Erfassung und Auswertung der Struktur durch den weiteren Bildverarbeitungssensor zeitgleich, beispielsweise durch gemeinsame zeitgleiche Ansteuerung mittels Trigger. Eine kontinuierliche Erfassung der Struktur ist ebenso möglich, wobei durch Interpolation die Drehstellung zum Zeitpunkt der Bilderfassung des Bildverarbeitungssensors zur Bestimmung der Hüllkontur, ermittelt wird. Insbesondere bei Korrelationsverfahren ist dies vorteilhaft und führt zu einer Erhöhung der Genauigkeit.
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Insbesondere und eigenerfinderisch zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass als an das Werkstück gekoppelter Sensor ein weiterer Bildverarbeitungssensors verwendet wird, mit dem die Drehstellung des Werkstücks bestimmt wird, indem eine am Werkstück vorhandene oder vor der Messung am Werkstück angebrachte Struktur oder zumindest Teile dieser Struktur erfasst werden.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass eine Struktur mit dem weiteren Bildverarbeitungssensor erfasst wird, die an dem der Wirkseite gegenüberliegenden Ende des Werkstücks angeordnet ist, vorzugsweise an der Stirnseite oder an der Mantelfläche in der Nähe der Stirnseite.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass aus der in einem vordefinierten Bereich des vom Bildverarbeitungssensor erfassten Bildes einer geordneten Struktur die Drehstellung des Werkstücks ermittelt wird oder dass die Drehstellung durch Korrelationsanalyse einer zufälligen Struktur ermittelt wird.
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Insbesondere zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch dadurch aus, dass die aufgenommenen Bilder entsprechend der bestimmten Drehstellung im Raum angeordnet werden.
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Auch sieht die Erfindung vor, dass die Bilder zur Bestimmung der Hüllkontur überlagert werden.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass bei der Überlagerung der Bilder für jedes Pixel der jeweils geringste, also dunkelste Grauwert dieses Pixels aus den Bildern der zur Auswertung herangezogenen Drehstellungen gespeichert wird und hieraus die Hüllkontur ermittelt wird.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Messung mit einem Bildverarbeitungssensor mit Beleuchtungseinrichtung, wie Durchlichtbeleuchtung, vorzugsweise telezentrische Durchlichtbeleuchtung, erfolgt.
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Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Hüllkontur oder der Oberfläche eines Werkstückes, vorzugsweise eines Werkzeuges, mit einem Bildverarbeitungssensor, einer Vorrichtung zur Drehung des Werkstücks und einer Werkstückauflagefläche zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest Teile des Werkstücks in einer V-förmigen Nut aufliegen und ein Sensor zur Bestimmung der Drehstellung des Werkstücks an das Werkstück gekoppelt ist.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der separate Sensor zur Bestimmung der Drehstellung ein Drehgeber, wie Endcoder ist, welcher vorzugsweise mechanisch oder optisch oder magnetisch oder kapazitiv an das Werkstück gekoppelt ist.
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Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass als separater Sensor ein weiterer Bildverarbeitungssensor angeordnet ist, der zur Bestimmung der Drehstellung eine am Werkstück vorhandene oder vor der Messung am Werkstück angebrachte Struktur oder zumindest Teile dieser Struktur erfasst.
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Auch sieht die Erfindung vor, dass der weitere Bildverarbeitungssensor so angeordnet ist, dass dieser das der Wirkseite gegenüberliegenden Ende des Werkstücks erfasst, vorzugsweise die Stirnseite oder die Mantelfläche in der Nähe der Stirnseite.
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Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Struktur geordnet ist, also eindeutige Merkmale zur Ermittlung der Drehstellung enthält, oder zufällig ist.
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Gekennzeichnet ist die Erfindung auch dadurch, dass der Bildverarbeitungssensor und die Vorrichtung zur Drehung des Werkstücks und die Vorrichtung zur Bestimmung der Drehstellung des Werkstücks in ein Koordinatenmessgerät integriert sind, welches vorzugsweise zumindest eine Beleuchtungseinrichtung, wie Durchlichtbeleuchtung, vorzugsweise telezentrische Durchlichtbeleuchtung, enthält.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmale – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Prinzipdarstellung und
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2 eine zweite Ausführungsform in Prinzipdarstellung.
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1 zeigt rein prinzipiell eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehung und Messung eines Werkzeugs 1. Das Werkzeug wird mit Hilfe einer Klemmvorrichtung 2 gegen eine V-Nut 3 gedrückt, um eine sichere Auflage zu erzielen, auch während der Drehung mittels eines Antriebes 4. Die Klemmvorrichtung 2 und der Antrieb 4 sind direkt oder indirekt an einem Koordinatenmessgerät 5 befestigt. Der Antrieb 4 und die Klemmvorrichtung 2 können dabei eine Einheit bilden, beispielsweise durch Ausführung als angetriebene Anpressrollen. Die jeweils aktuelle Drehstellung wird durch ein Messsystem 6 ermittelt und eine Steuerung des Koordinatenmessgerätes 5 übergeben.
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Weitere Bestandteile des Koordinatenmessgerätes sind eine Beleuchtungseinrichtung 7 zur Erzeugung von Durchlicht und ein an einer Pinole 8 befestigter Bildverarbeitungssensor 9 zur Messung der Hüllkontur des Werkzeugs 1 im Durchlicht.
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Die vom Bildverarbeitungssensor 9 aufgenommenen Bilder sind mittels der Drehstellungsdaten des Messsystems 6 in ihrer Drehstellung bestimmt. Hierdurch werden sie in ihrer Lage im Raum definiert.
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Zur Bestimmung der Hüllkontur werden die Bilder überlagert, wobei in bekannter Weise je Pixel jeweils der jeweils geringste, also dunkelste Grauwert dieses Pixels aus den Bildern der zur Auswertung herangezogenen Drehstellungen gespeichert wird.
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2 zeigt eine besonders hervorzuhebende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung eines weiteren Bildverarbeitungssensors 10 zur Erfassung der Drehstellung des Werkstücks bzw. Werkzeugs 1.
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An der Stirnseite 11 des Werkzeugs 10 ist dazu eine optisch erfassbare Struktur 12 vorhanden, die durch den weiteren Bildverarbeitungssensor 10 erfasst wird. Dieser erfasst zeitgleich zu den Bildaufnahmen des Bildverarbeitungssensors 9 zur Bestimmung der Hüllkontur, die vorhandene Struktur 12, um die jeweils vorliegende Drehstellung des Werkzeugs zu ermitteln.
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Die Ermittlung des Drehwinkels erfolgt durch Auswertung des jeweils aufgenommenen Bildes des weiteren Bildverarbeitungssensors 10, dem vorzugsweise eine Auflichtbeleuchtung zugeordnet ist. In diesem Bild sind der Drehstellung eindeutig zuordenbare Merkmale wie Skalenstriche, Zahlen etc., wie bei einer Encoderscheibe enthalten. Bevorzugterweise erfolgt jedoch eine Korrelationsanalyse einer zufälligen Struktur. Hierzu wird das jeweils aufgenommene Bild so lange verdreht, bis eine bestmögliche Übereinstimmung mit einem Bild bekannter Drehlage, beispielsweise der Startdrehlage vor Beginn der Messung, vorliegt. Der dabei ermittelte ideale Verdrehwinkel entspricht dem Drehwinkel des Werkstücks.
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Die Klemmvorrichtung 2 und der Antrieb 4 bilden eine Einheit, wobei eine oder mehrere Anpressrollen das Werkstück 1 berühren und durch Drehen der Anpressrollen mittels des Antriebs 4 eine Drehbewegung des Werkstücks 1 um seine Längsachse 13 hervorrufen.
