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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinensteuerung zum Steuern einer NC-Werkzeugmaschine gemäß einem Bearbeitungsprogramm und ein Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren zum Festlegen eines Werkstücknullpunkts, wenn das Werkstück auf der NC-Werkzeugmaschine bearbeitet werden soll.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Für den Betrieb von NC-Werkzeugmaschinen wie einer NC-Fräsmaschine oder einem NC-Bearbeitungszentraum muss ein Werkstück auf dem Tisch der Werkzeugmaschine platziert werden und vor dem Start der Bearbeitung eine vorgegebene Position auf dem platzierten Werkstück als Werkstücknullpunkt erhalten werden, um ein Bearbeitungsprogramm mit dem Werkstückpunkt als Bezugspunkt zu erstellen. Als Werkstücknullpunkt müssen die Koordinaten einer vorgegebenen Position auf dem Werkstück im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine verwendet werden.
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Im Allgemeinen werden solche Koordinaten eines Werkstücknullpunkts durch Einsetzen eines Verfahrens erhalten, das einen Messfühler und einen Einrichter verwendet. Das Verfahren ist nachfolgend ausführlich beschrieben.
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Wenn beispielsweise der Werkstücknullpunkt zum Bearbeiten eines im Wesentlichen quaderförmigen Werkstücks in einem Vertikal-Bearbeitungszentrum die Mitte der Oberseite des Werkstücks ist, platziert die Maschinenbediener zunächst das Werkstück auf dem Bearbeitungstisch des Vertikal-Bearbeitungszentrums und befestigt einen Messfühler statt eines Bearbeitungswerkzeugs an der Hauptspindel. Anschließend verwendet der Maschinenbediener einen konventionellen Pulsgeber zum Bewegen des Bearbeitungstischs in der x-Achsen-Richtung und in der y-Achsen-Richtung vom Maschinennullpunkt, so dass der Taster des Messfühlers in Kontakt mit jeder Endfläche des Werkstücks kommt. Der Maschinenbediener bestimmt anschließend die Positionskoordinaten von jeder Endfläche des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem auf Basis der Mengen der Bewegung des Bearbeitungstischs in x-Achsen- und y-Achsen-Richtung, wenn der Messfühler das Werkstück berührt. Zusätzlich berechnet der Maschinenbediener Positionskoordinaten entsprechend der Mitte der Oberseite des Werkstücks auf Basis der Positionskoordinaten von jeder Endfläche im Maschinenkoordinatensystem. Anschließend legt der Maschinenbediener die berechneten Positionskoordinaten im Bearbeitungsprogramm als den Werkstücknullpunkt in x-Achsen- und y-Achsen-Richtung fest. Die Begriffe „x-Achsen-Richtung“ und „y-Achsen-Richtung“ wie hier verwendet bezeichnen die horizontale Richtung bzw. die Richtung von vorne nach hinten eines Vertikal-Bearbeitungszentrums.
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Der Maschinenbediener fährt mit dem Festlegen des Werkstücknullpunkts in der z-Achsen-Richtung, das heißt der vertikalen Richtung, des Vertikal-Bearbeitungszentrums fort. Hierzu platziert der Maschinenbediener einen Einrichter auf der Oberseite des Werkstücks auf dem Bearbeitungstisch, befestigt an der Hauptspindel das zur Bearbeitung des Werkstücks zu verwendende Bearbeitungswerkzeug und legt den Typ des Bearbeitungswerkzeugs im Bearbeitungsprogramm fest. Anschließend verwendet der Maschinenbediener einen konventionellen Pulsgeber zum Bewegen der Hauptspindel von der Höhe des Nullpunkts in der z-Achsen-Richtung (nach unten), so dass die Spitze des Bearbeitungswerkzeugs in Kontakt mit dem Einrichter kommt. Zusätzlich berechnet der Maschinenbediener die Positionskoordinate der Oberseite des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem durch Subtrahieren der Höhe des Einrichters von der Menge der Bewegung der Hauptspindel in der z-Achsen-Richtung, wenn der Einrichter berührt wird. Anschließend legt der Maschinenbediener die berechnete Positionskoordinate im Bearbeitungsprogramm als den Werkstücknullpunkt in z-Achsen-Richtung fest.
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Werkstücknullpunkte wurden herkömmlicherweise unter Verwendung eines Verfahrens wie zuvor beschrieben bestimmt, während die JP H08- 350 B2 ein Verfahren zum Verbessern der Positionsgenauigkeit eines Werkstücknullpunkts vorschlägt. Die JP H08- 350 B2 beschreibt das nachfolgend bereitgestellte Verfahren zur Verwendung für das Festlegen eines Werkstücknullpunkts durch Befestigen eines Berührungssensors an der Hauptspindel, um den Sensor in Kontakt mit einer Endfläche des Werkstücks zu bringen. Gemäß der Patentanmeldung wird ein Berührungssensor mit einer hohen Geschwindigkeit vom Ausgangspunkt zu einer Endfläche des Werkstücks bewegt. Nach dem Einschalten des Berührungssensors wird er mit einer sehr langsamen Geschwindigkeit rückwärts bewegt, um ausgeschaltet zu werden, wobei zu diesem Zeitpunkt die Position gemessen wird, und anschließend wird der Berührungssensor wieder mit einer hohen Geschwindigkeit zum Ausgangspunkt gebracht; anschließend wird der Berührungssensor um die Hauptspindel um 180° gedreht und wieder dem gleichen Vorgang unterzogen. Die Patentanmeldung führt aus, dass solch ein Verfahren den Effekt liefert, Messfehler aufgrund eines Rundlauffehlers der Hauptspindel zu vermeiden.
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Die japanische offengelegte Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 62-085343 offenbart ein Verfahren zum Festlegen eines Werkstücknullpunkts mit einer Kamera, ohne Berührungsgebern wie den zuvor genannten Berührungssensor, einen Einrichter oder einen anderen Berührungssensor zu verwenden. Insbesondere offenbart die japanische offengelegte Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 62-085343, dass, wenn ein Bediener eine an der Kamera befestigte Positionsmarke bewegt, um die Positionsmarke mit der Mitte eines Werkstücks auszurichten, während ein von der am Spindelstock einer Werkzeugmaschine befestigten Kamera aufgenommenes Bild betrachtet wird, eine Rechenvorrichtung die Mittenposition des Werkstücks aus der Position der an der Werkzeugmaschine befestigten Kamera und der Position der Positionsmarke an der Kamera berechnet.
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Das in der JP H08- 350 B2 offenbarte Verfahren ist aber insofern problematisch, als viel Zeit und Arbeit erforderlich ist, weil der Maschinenbediener einen Berührungsgeber wie einen Berührungssensor an der Hauptspindel befestigen sowie den Berührungsgeber und das Werkstück miteinander in Kontakt bringen muss.
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Das in der japanischen offengelegten Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 62-085343 offenbarte Verfahren ist ebenfalls insofern problematisch, als das Ermitteln eines Werkstücknullpunkts Zeit erfordert, da der Bediener die Positionsmarke an der Kamera steuern muss, während er das von der Kamera aufgenommene Bild betrachtet.
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Die
EP 2 216 697 A1 beschreibt eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren, die mittels einer Modellermittlungseinheit in der Lage sind, ein 3-dimensionales geometrisches Modell eines tatsächlichen physikalisch vorhandenen ganzen Werkstücks aus Bildinformationen zweier auf das Werkstück gerichteter Kameras zu berechnen. Die Besonderheit hierbei liegt darin, dass diese Berechnung des 3-dimensionalen Modells mit wählbarer Genauigkeit erfolgen kann, indem entsprechend eines vom Anwender bestimmten Grads der Übereinstimmung das 3-dimensionale Modell von sehr fein bis sehr grob (Quader, Kugel, Zylinder etc.) berechnet werden kann. Anschließend wird das ganze Modell in ein auf ein Maschinenkoordinatensystem bezogenes 3-dimensionales geometrisches Modell transformiert.
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Die
DE 10 2007 016 056 A1 und
US 2014/0148939 A1 beschreiben die Verwendung von Stereosystemen zur Ermittlung dreidimensionaler Modelle.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Festlegen eines Werkstücknullpunkts ohne manuelle Eingriffe zu ermöglichen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Werkzeugmaschinensteuerung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Gemäß einem ersten nicht erfindungsgemäßen Beispiel wird eine Werkzeugmaschinensteuerung bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- - eine Werkzeugmaschine, die ein Werkstück gemäß einem Bearbeitungsprogramm bearbeitet;
- - eine Bildgebungsvorrichtung, die an einer vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine angeordnet ist und ein Bild des Werkstücks aufnimmt;
- - eine 3D-Koordinaten-Recheneinheit, die dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks auf Basis einer Vielzahl von Bildern des Werkstücks berechnet, wobei die Bilder von der Bildgebungsvorrichtung aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, und die aus den dreidimensionalen Koordinaten dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück berechnet; und
- - eine Koordinatenumrechnungseinheit, die dreidimensionale Koordinaten umfassend den Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück, der von der 3D-Koordinaten-Recheneinheit berechnet wird, in eine Position in einem Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine umrechnet, wobei die Koordinatenumrechnungseinheit die umgerechneten dreidimensionalen Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück als einen Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine festlegt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Werkzeugmaschinensteuerung des ersten Aspekts bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- - ein Roboter, dessen relative Position zur Werkzeugmaschine vorgegeben ist,
- - wobei die Bildgebungsvorrichtung und eine Hand, die den Block greift, an einem Ende des Roboters befestigt sind,
- - und wobei der Roboter zum Anordnen der Bildgebungsvorrichtung an der vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine ausgebildet ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Werkzeugmaschinensteuerung des ersten Aspekts bereitgestellt,
- - wobei die Werkzeugmaschine einen automatischen Revolver-Werkzeugwechsler umfasst, an dem eine Vielzahl von Bearbeitungswerkzeugen befestigt werden kann,
- - wobei die Bildgebungsvorrichtung an einen Revolver am Revolver-Werkzeugwechsler befestigt ist,
- - und wobei der Revolver zum Anordnen der Bildgebungsvorrichtung an der vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine ausgebildet ist.
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Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Werkzeugmaschinensteuerung des ersten oder zweiten Aspekts bereitgestellt, die ferner Folgendes umfasst:
- - eine Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit, die einen Bewegungspfad eines Messfühlers, der in Kontakt mit jeder Endfläche und einer Oberseite des Blocks zu bringen ist, auf Basis von dreidimensionalen Koordinaten des Blocks erzeugt, wobei die Koordinaten von der Koordinatenumrechnungseinheit erzeugt werden; und
- - eine Werkzeugmaschinen-Steuereinheit, welche die Werkzeugmaschine steuert und die Werkzeugmaschine veranlasst, eine Kontaktbewegung des Messfühlers gemäß dem Bewegungspfad des Messfühlers auszuführen, wobei der Bewegungspfad von der Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit erzeugt wird.
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Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Werkzeugmaschinensteuerung des vierten Aspekts bereitgestellt, die Folgendes umfasst:
- - eine Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit, die als Reaktion auf die Kontaktbewegung des Messfühlers Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Blocks im Maschinenkoordinatensystem erhält, dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Block aus den erhaltenen Positionskoordinaten berechnet und die dreidimensionalen Koordinaten als ein Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine zurücksetzt.
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Gemäß einem sechsten nicht erfindungsgemäßen Beispiel wird ein Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren zum Festlegen eines Werkstücknullpunkts in einer Werkzeugmaschine, die ein Werkstück gemäß einem Bearbeitungsprogramm bearbeitet, bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
- - Anordnen einer Bildgebungsvorrichtung an einer vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine und Aufnehmen eines Bildes des Werkstücks aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen;
- - Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks auf Basis einer Vielzahl von aufgenommenen Bildern des Werkstücks und Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück aus den dreidimensionalen Koordinaten;
- - Umrechnen von dreidimensionalen Koordinaten, die den berechneten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück umfassen, in Koordinaten in einem Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine; und
- - Festlegen der umgerechneten dreidimensionalen Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück als einen Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine.
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Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren des sechsten Aspekts bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
- - nach Festlegen des Werkstücknullpunkts Erzeugen eines Bewegungspfads eines Messfühlers, der in Kontakt mit jeder Endfläche und einer Oberseite des Blocks zu bringen ist, auf Basis von dreidimensionalen Koordinaten des Blocks im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine; und
- - Veranlassen der Werkzeugmaschine zum Ausführen einer Kontaktbewegung des Messfühlers gemäß dem erzeugten Bewegungspfad des Messfühlers.
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Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren des siebten Aspekts bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
- - Erhalten von Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Blocks im Maschinenkoordinatensystem durch Veranlassen der Werkzeugmaschine zum Ausführen einer Kontaktbewegung des Messfühlers; Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Block aus den erhaltenen Positionskoordinaten; und Zurücksetzen der dreidimensionalen Koordinaten als ein Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine.
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Gemäß einem neunten nicht erfindungsgemäßen Beispiel wird das Werkstück-Festlegungsverfahren des sechsten Aspekts bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
- - Drehen einer Hauptspindel mit einer vorgegebenen Drehzahl, an der ein Bearbeitungswerkzeug für die Werkzeugmaschine zu befestigen ist;
- - nach Festlegen eines Werkstücknullpunkts Bewegen der sich drehenden Hauptspindel an jede Endfläche und eine Oberseite des Werkstücks, auf Basis von dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine; und
- - Erhalten von Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem, wenn eine Zunahme des Störungsdrehmoments an der sich drehenden Hauptspindel auftritt, wobei die Zunahme durch den Kontakt mit dem Werkstück verursacht wird, Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück aus den erhaltenen Positionskoordinaten, und Zurücksetzen der dreidimensionalen Koordinaten als ein Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine.
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Die zuvor genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der ausführlichen Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ersichtlich, wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung einer allgemeinen Konfiguration einer Werkzeugmaschinensteuerung gemäß einer Ausführungsform.
- 2A zeigt eine Draufsicht der Werkzeugmaschine zur schematischen Darstellung eines beispielhaften Bewegungspfads eines Messfühlers, wobei der Pfad von einer Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit erzeugt wird.
- 2B zeigt eine Vorderansicht der Werkzeugmaschine zur schematischen Darstellung eines beispielhaften Bewegungspfads eines Messfühlers, wobei der Pfad von einer Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit erzeugt wird.
- 3 zeigt ein Fließbild zur Darstellung eines beispielhaften Betriebsablaufs für die in 1 dargestellte Werkzeugmaschinensteuerung zum Ermitteln eines Werkstücknullpunkts.
- 4 zeigt eine Position, an der eine Bildgebungsvorrichtung in einer Werkzeugmaschinensteuerung gemäß einer weiteren Ausführungsform befestigt ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Nachfolgend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In allen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Für ein einfacheres Verständnis ist der Maßstab in den einzelnen Zeichnungen gegebenenfalls angepasst. Es ist darauf hinzuweisen, dass in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind und die vorliegende Erfindung nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist.
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1 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung einer allgemeinen Konfiguration einer Werkzeugmaschinensteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Bezug auf 1 umfasst die Werkzeugmaschinensteuerung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: eine Werkzeugmaschine 11, beispielsweise eine NC-Fräsmaschine oder ein Bearbeitungszentrum; eine Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12, welche die Werkzeugmaschine 11 steuert; eine Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13, die ein Bearbeitungsprogramm 30 erzeugt und es an die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 ausgibt; ein Roboter 14, der neben der Werkzeugmaschine 11 installiert ist; eine Bildgebungsvorrichtung 15, die am Ende des Roboters 14 befestigt ist, um Bilder eines Werkstücks W aufzunehmen; und eine Robotersteuereinheit 16, die den Roboter 14 steuert. Die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 umfasst Funktionen zum Ermitteln eines für die Bearbeitung des in der Werkzeugmaschine 11 angeordneten Werkstücks W zu verwendenden Werkstücknullpunkts und zum Festlegen des Werkstücknullpunkts im Bearbeitungsprogramm 30.
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Es wird angenommen, dass die relativen Positionen des Roboters 14 und der Bildgebungsvorrichtung 15 zueinander wie in 1 dargestellt durch eine Kalibrierung vorgegeben sind. Es wird ebenfalls angenommen, dass die relativen Positionen des Roboters 14 und der Werkzeugmaschine 11 zueinander vorgegeben sind. Es wird ferner angenommen, dass der Roboter 14 und die Werkzeugmaschine 11 die gleichen Koordinaten aufweisen oder dass es möglich ist, eine einzige Position von einem im Koordinatensystem des anderen durch wechselseitige Koordinatenumrechnung zu bestimmen.
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Die zuvor beschriebenen Komponenten der Werkzeugmaschinensteuerung 1 werden nachfolgend ausführlich der Reihe nach beschrieben.
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Die Werkzeugmaschine 11 umfasst in ihrem Gehäuse 19: ein Bearbeitungswerkzeug 17, das die Bearbeitung wie Bohren oder Schneiden durchführt; und einen Bearbeitungstisch 18, der das Werkstück W bewegt. An einer Seite des Gehäuses 19 ist eine Tür 20 angeordnet. Die Tür 20 ist während der Bearbeitung geschlossen und wird geöffnet, wenn das Ende des Roboters 14 in das Gehäuse 19 eingefahren wird. Ferner sind wie in 1 dargestellt auf dem Bearbeitungstisch 18 eine Aufnahme 21 für die Montage eines Werkstücks W auf dieser und eine Spannvorrichtung 22 zum Positionieren und Befestigen des auf der Aufnahme 21 montieren Werkstücks W angeordnet. Die Spannvorrichtung 22 umfasst einen Klemmmechanismus zum Klemmen des Werkstücks W auf der Aufnahme 21. Es ist darauf hinzuweisen, dass zum einfacheren Verständnis der Komponenten im Gehäuse 19 1 das Bearbeitungswerkzeug 17, den Bearbeitungstisch 18 und andere im Gehäuse 19 angeordnete Komponenten in durchgezogenen Linien darstellt, während das Gehäuse 19 so dargestellt ist, als hätte es durchsichtige Wände. Das vorgearbeitete Werkstück W ist ein Werkstück aus einem Metall-, Harz- oder Holzmaterial und die folgende Beschreibung geht davon aus, dass das Werkstück W ein im Wesentlichen quaderförmiger Block ist.
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Der Roboter 14 kann beispielsweise ein Vertikal-Mehrgelenkroboter sein. Am Ende des Roboters 14 sind eine Roboterhand (nicht dargestellt), die das Werkstück W greifen kann, sowie die Bildgebungsvorrichtung 15 befestigt. Während die Tür 20 an der Werkzeugmaschine 11 geöffnet ist, greift der Roboter 14 mit seiner Roboterhand das Werkstück W, das außerhalb des Gehäuses 19 vorbereitet wurde, und setzt das Werkstück W auf die Aufnahme 21 im Gehäuse 19 oder greift mit seiner Roboterhand das Werkstück W, das im Gehäuse 19 bearbeitet wurde, um das Werkstück W aus dem Gehäuse 19 zu nehmen. Zusätzlich umfassen Arbeitsvorgänge des Roboters 14 das Bringen der am Ende des Roboters befestigten Bildgebungsvorrichtung 15 in eine vorgegebene Position oberhalb des auf der Aufnahme 21 montierten Werkstücks W. Es ist darauf hinzuweisen, dass zwar 1 einen Aspekt darstellt, bei dem der Roboter 14 außerhalb des Gehäuses 19 installiert, der Roboter 14 aber ebenfalls innerhalb des Gehäuses 19 angeordnet sein kann. Wenn der Roboter 14 jedoch außerhalb des Gehäuses 19 angeordnet ist, kann die am Ende des Roboters 14 befestigte Bildgebungsvorrichtung 15 in einer Umgebung mit geringem Einfluss durch Kühlmittel oder Späne betrieben werden. Ferner kann eine Linse in der Bildgebungsvorrichtung 15 gereinigt werden, während die Werkzeugmaschine 11 das Werkstück W bearbeitet, was den zusätzlichen Vorteil bietet, dass die Werkzeugmaschine 11 mit einer höheren Betriebsgeschwindigkeit läuft.
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Die Bildgebungsvorrichtung 15 weist eine Funktion zum Aufnehmen eines Bildes des Werkstücks W auf, an dem das Bearbeitungswerkzeug 17 mit der Bearbeitung beginnt. Die Bildgebungsvorrichtung 15 ist vorzugsweise eine 3D-Kamera, die ein Zweilinsen-Stereosystem verwendet. Das heißt die 3D-Kamera umfasst zwei Kameras, werden relative Positionen zueinander genau bestimmt sind, wobei die zwei Kameras Bilder des Werkstücks W aus zwei verschiedenen Richtungen aufnehmen. Das Bestimmen einer Höhe einer Oberfläche des Werkstücks W auf der Basis von entsprechenden Punkten zwischen den zwei von den Kameras aufgenommenen Bilddatenstücken ermöglicht das Erhalten von dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks W. Natürlich sind Verfahren zum Erhalten von dreidimensionalen Koordinaten einer Oberfläche des Werkstücks gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf das zuvor beschriebene Zweilinsen-Stereosystem beschränkt; es kann eine Vielzahl von anderen dreidimensionalen Messverfahren wie das Lichtschnittverfahren verwendet werden. Ferner kann das Zweilinsen-Stereosystem in Kombination mit dem Lichtschnittverfahren zum Erhalten von dreidimensionalen Koordinaten einer Oberfläche des Werkstücks verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Kameraposition und andere verschiedene Parameter, die erforderlich sind, wenn dreidimensionale Parameter erhalten werden, vorab in der Robotersteuereinheit 16 aufgezeichnet wurden.
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Die Bildgebungsvorrichtung 15 kann alternativ eine 2D-Kamera sein. Das heißt Bilder des Werkstücks W können aus zwei verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, indem das Ende des Roboters 14, an dem eine 2D-Kamera befestigt wird, der Reihe nach in zwei vorgegebene Positionen oberhalb der Aufnahme 21 bewegt wird. In der vorliegenden Ausführungsformen nimmt die Bildgebungsvorrichtung 15 zwei Bilder des Werkstücks aus zwei verschiedenen Richtungen auf; es können aber bei Bedarf Bilder des Werkstücks W aus drei oder mehr verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, um dreidimensionale Koordinaten einer Oberfläche des Werkstücks von drei oder mehr Bilddatenstücken zu erhalten.
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Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform sichergestellt werden, dass das Werkstück W richtig auf der Aufnahme 21 sitzt, wenn Bilddaten des Werkstücks W, das richtig auf der Aufnahme 21 angeordnet ist, vorab durch Verwendung der Bildgebungsvorrichtung 15 erhalten wurden.
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Die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 umfasst eine Computer-Numerical-Control-(CNC-)Vorrichtung zum Speichern und Aufbewahren eines Bearbeitungsprogramms (auch als NC-Programm bezeichnet) 30, das für die Bearbeitung des Werkstücks W zu verwendende Informationen beschreibt wie Bearbeitungspfade, hergestellte Produkte und Bearbeitungswerkzeuge. Das Bearbeitungsprogramm 30 wird in der Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 erzeugt. Zusätzlich umfasst die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 eine Funktion zum Kommunizieren mit der Robotersteuereinheit 16, um den Roboter 14 in Verbindung mit der gemäß dem Bearbeitungsprogramm 30 in Betrieb befindlichen Werkzeugmaschine 11 zu manipulieren. Ferner veranlasst die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 die Tür 20 am Gehäuse 19 zum Öffnen und Schließen und meldet der Robotersteuereinheit 16, dass die Tür 20 geöffnet wurde.
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Die Robotersteuereinheit 16 ermöglicht dem Roboter 14, aktiv zu sein, während die Tür 20 am Gehäuse 19 geöffnet ist. Insbesondere wenn dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks W erhalten werden sollen, bringt die Robotersteuereinheit 16 die am Ende des Roboters 14 befestigte Bildgebungsvorrichtung 15 auf eine vorgegebene Position oberhalb der Aufnahme 21, um Bilder des Werkstücks W aufzunehmen. Zusätzlich steuert etwa zum Zeitpunkt, wenn das Werkstück W bearbeitet wird, die Robotersteuereinheit 16 den Roboter 14 so, dass die Roboterhand (nicht dargestellt) das Werkstück W von außerhalb des Gehäuses 19 in das Gehäuse 19 oder von innerhalb des Gehäuses 19 aus dem Gehäuse 19 befördert.
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Die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 umfasst wie in 1 dargestellt eine Bilddaten-Aufbewahrungseinheit 31, eine 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32, eine Koordinatenumrechnungseinheit 33, eine Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 und eine Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35. Nachfolgend werden einzelne Komponenten der Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 der Reihe nach beschrieben.
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Die Bilddaten-Aufbewahrungseinheit 31 bewahrt von der Bildgebungsvorrichtung 15 aufgenommene Bilddaten des Werkstücks W auf. Verschiedene Aufzeichnungsmedien können als Bilddaten-Aufbewahrungseinheit 31 verwendet werden, etwa ein RAM, eine Festplatte, ein USB-Speicher usw.
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Die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 berechnet dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks W auf der Basis von zwei Bilddatenstücken, die durch das Aufnehmen von Bildern des Werkstücks W aus zwei verschiedenen Richtungen erhalten werden. Die berechneten dreidimensionalen Koordinaten der Werkstückoberfläche basieren auf einer vorgegebenen Position im Benutzerkoordinatensystem für den Roboter 14, an dem die Bildgebungsvorrichtung 15 befestigt ist. Als Benutzerkoordinatensystem für den Roboter 14 wird ein Koordinatensystem bezeichnet, das auf der Basis eines Betriebsnullpunkts des Roboters 14 definiert ist, wobei jeder Betriebsnullpunkt vom Benutzer spezifiziert werden kann. (Das Benutzerkoordinatensystem wird nachfolgend als Roboterkoordinatensystem bezeichnet.)
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Zusätzlich berechnet die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück W aus den dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks W im Roboterkoordinatensystem. Beispielhaft wird hier angenommen, dass die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 bereits über die Information zu dem Zweck verfügt, dass die Bearbeitung von der Mitte der Oberseite des quaderförmigen Werkstücks W beginnt. Wenn der Bearbeitungsausgangspunkt die Mitte der Oberseite des quaderförmigen Werkstücks W ist wie zuvor beschrieben, extrahiert die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 aus den dreidimensionalen Koordinaten im Werkstück W Gruppen von Koordinaten, die einzelne Kanten eines Rechtecks auf der Oberseite des Werkstücks W darstellen, und berechnet anschließend Koordinaten des Mittelpunkts des Rechtecks auf Basis der Koordinaten eines Mittelpunkts von jeder Kante des Rechtecks. Oder wenn der Bearbeitungsausgangspunkt eine der Ecken der Oberseite des Werkstücks W ist, muss die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 nur die Koordinaten entsprechend der einen Ecke aus dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks W extrahieren.
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Die Koordinatenumrechnungseinheit 33 rechnet die berechneten dreidimensionalen Koordinaten eines Bearbeitungsausgangspunkts in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine 11 um. Das heißt die Koordinaten eines Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W, berechnet als Koordinaten im Roboterkoordinatensystem, werden in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem umgerechnet. Die Koordinatenumrechnungseinheit 33 legt anschließend die umgerechneten Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts, das heißt den Werkstücknullpunkt, im Bearbeitungsprogramm 30 in der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 fest. Beispielsweise enthält das in einer CNC-Vorrichtung gespeicherte und aufbewahrte NC-Programm (Bearbeitungsprogramm 30) Beschreibungen eines Befehls (beispielsweise G54 in G-Code) zum Festlegen eines Werkstück-Koordinatensystems. Die Koordinatenumrechnungseinheit 33 schreibt die Koordinaten solch eines Bearbeitungsausgangspunkt in den G54 als Werkstücknullpunkt, der vom Bearbeitungsprogramm 30 gelesen wird, wenn das Werkstück bearbeitet wird. Somit dient die Koordinatenumrechnungseinheit 33 als eine Werkstücknullpunkt-Festlegungseinheit.
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Die Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 erzeugt einen Bewegungspfad eines Messfühlers (nicht dargestellt), so dass der Messfühler mit jeder Endfläche oder einer Oberseite des Werkstücks W in Kontakt kommt. Wie nachfolgend ausführlich beschrieben wird der erzeugte Bewegungspfad aus von der 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 und der Koordinatenumrechnungseinheit 33 erhaltenen dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks W abgeleitet. Wenn die Werkzeugmaschine 11 ein Vertikal-Bearbeitungszentrum ist und der Werkstücknullpunkt durch Verwenden eines Messfühlers erhalten wird, befestigt der Maschinenbediener den Messfühler (nicht dargestellt) statt des Bearbeitungswerkzeugs 17 an der Hauptspindel der Werkzeugmaschine 11. Nach dem Stand der Technik muss der Maschinenbediener die Hauptspindel und den Bearbeitungstisch 18 der Werkzeugmaschine 11 vom Maschinennullpunkt in x-, y- und z-Richtung nach Bedarf unter Verwendung eines konventionellen Pulsgebers bewegen, um den Taster des Messfühlers mit jeder Endfläche oder einer Oberseite des Werkstücks W in Kontakt zu bringen. In der vorliegenden Ausführungsform dagegen erzeugt die Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 automatisch einen Bewegungspfad solch eines Messfühlers. Anschließend bewegt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 die Hauptspindel und den Bearbeitungstisch 18 der Werkzeugmaschine 11 auf Basis des erzeugten Bewegungspfad des Messfühlers, um die Kontaktbewegung des Messfühlers zu bewirken.
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Ein Beispiel des von der zuvor beschriebenen Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 erzeugten Messfühlerbewegungspfads ist in 2A und 2B dargestellt. 2A und 2B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Vorderansicht der Werkzeugmaschine 11 zur schematischen Darstellung eines Bewegungspfads des Messfühlers. Wie in diesen Zeichnungen dargestellt wird angenommen, dass der Messfühler 37 an der Hauptspindel 38 eines Vertikal-Bearbeitungszentrums befestigt ist und dass die Hauptspindel 38 ursprünglich am Maschinennullpunkt des Vertikal-Bearbeitungszentrums angeordnet ist. Ein erzeugter Bewegungspfad des Messfühlers, beispielsweise ein Bewegungspfad, bei dem der Taster 37a am Messfühler 37 in Kontakt mit einer Endfläche 39 des Werkstücks W gebracht wird, kann darstellen, dass sich die Hauptspindel 38 zunächst nach unten, wie durch den Pfeil 40 in 2B dargestellt, bis zu einer Höhe bewegt, auf welcher der Taster 37a am Messfühler 37 die Endfläche des Werkstücks W berühren kann, beispielsweise bis zu einer Höhe, auf der sich der Taster 37a in einem Abstand von 10 mm in der z-Achsen-Richtung zu einer Kante der Oberseite des Werkstücks befindet. Anschließend bewegt sich der Bearbeitungstisch 18, wie durch die Pfeile 41 und 42 in 2A dargestellt, in der y-Achsen-Richtung und anschließend in der x-Achsen-Richtung, mit dem Ergebnis, dass eine Endfläche 39 des Werkstücks W in Kontakt mit dem Taster 37A am Messfühler 37 kommt. Es ist darauf hinzuweisen, dass dieser Bewegungspfad des Messfühlers nur ein Beispiel ist und die vorliegende Erfindung nicht auf solch einen Pfad beschränkt ist.
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Die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 erhält Positionskoordinaten von jeder Endfläche oder einer Oberseite des Werkstücks W im Maschinenkoordinatensystem durch die Kontaktbewegung des Messfühlers wie zuvor beschrieben. Insbesondere beginnt der Messfühler die Kontaktbewegung vom Maschinennullpunkt aus und gibt ein Kontaktsignal aus, wenn der Messfühler und das Werkstück W miteinander in Kontakt kommen. Bei Empfang des Kontaktsignals erhält die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 die Menge der Bewegung des Bearbeitungstischs oder der Hauptspindel vom Maschinennullpunkt. Entsprechend stellt eine Position mit einem Abstand vom Maschinennullpunkt um solch eine Menge der Bewegung die Positionskoordinaten einer Endfläche oder einer Oberseite des Werkstücks W im Maschinenkoordinatensystem dar. Zusätzlich berechnet die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35, wenn die Mitte der Oberseite des Werkstücks W als Werkstücknullpunkt verwendet werden soll, dreidimensionale Koordinaten der Mitte der Oberseite des Werkstücks W aus Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks W. Beispielsweise können x- und y-Koordinaten der Mitte der Oberseite eines Werkstücks W durch Berechnen eines Mittelpunkts in jeder Richtung aus Positionskoordinaten in x- und y-Richtung von jeder Endfläche des Werkstücks W erhalten werden. In diesem Fall, wenn das Werkstück W Größenänderungen aufweist, können die Koordinaten durch Berechnen eines Mittelpunkts nach Durchführen der Kontaktbewegung des Messfühlers in positiver und negativer Richtung in Bezug jeweils auf die x-Achsen- und y-Achsen-Richtung erhalten werden. Die Positionskoordinate einer Oberseite des Werkstücks W stellt die z-Koordinate der Mitte der Oberseite des Werkstücks W dar. Die Begriffe „x-Achsen-Richtung“, „y-Achsen-Richtung“ und „z-Achsen-Richtung“ bezeichnen hier jeweils die horizontale Richtung, die Richtung von vorne nach hinten und die vertikale Richtung eines Vertikal-Bearbeitungszentrums.
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Die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 aktualisiert anschließend jeden bereits im Bearbeitungsprogramm 30 festgelegten Werkstücknullpunkt auf die dreidimensionalen Koordinaten der Mitte der Oberseite des Werkstücks W, die wie zuvor beschrieben berechnet wurden. Auf diese Weise werden die Koordinaten des Werkstücknullpunkts, die durch Berechnung und Koordinatenumrechnungen auf Basis von Bildinformationen am Werkstück W erhalten wurden, auf die Koordinaten des Werkstücknullpunkts aktualisiert, die direkt aus Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem berechnet wurden, was die Positionsgenauigkeit des Werkstücknullpunkts verbessert.
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Nachfolgend wird ein Beispielverfahren zum Aktualisieren des Werkstücknullpunkts, der durch die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 und die Koordinatenumrechnungseinheit 33 erhalten wurde, spezifischer beschrieben.
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Wenn das Werkstück W beispielsweise ein im Wesentlichen quaderförmiger Block ist, berechnet die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 auf der Basis von von der Bildgebungsvorrichtung 15 aufgenommenen Bilddaten des Werkstücks W dreidimensionale Koordinaten entsprechend den einzelnen Kanten, Ecken u. Ä. eines umschriebenen Rechtecks, das eine dreidimensionale Punktmenge enthält, die als eine Oberseite des Blocks erkannt werden kann. Die Koordinatenumrechnungseinheit 33 rechnet die berechneten dreidimensionalen Koordinaten eines Bearbeitungsausgangspunkts in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine 11 um.
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Die Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 erzeugt einen Bewegungspfad des Messfühlers, so dass ein Taster am Messfühler in der -z-Achsen-Richtung, beispielsweise in einem Abstand von 10 mm, zur Mitte von jeder Kante des zuvor genannten Rechtecks angeordnet ist. Es wird hier angenommen, dass der Messfühler an der Hauptspindel der Werkzeugmaschine 11 vom Maschinenbediener vorab befestigt wurde und dass Maße des Messfühlers bereits in der Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 eingegeben wurden. Anschließend bewegt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 die Hauptspindel und den Bearbeitungstisch 18 der Werkzeugmaschine 11 gemäß dem erzeugten Bewegungspfad des Messfühlers, um die Kontaktbewegung des Messfühlers zu bewirken (siehe beispielsweise 2A und 2B). Anschließend trennt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 bei Empfang eines Kontaktsignals vom Messfühler den Messfühler und das Werkstück W voneinander durch einen vorgegebenen Abstand und bewirkt eine Kontaktbewegung des Messfühlers mit niedriger Geschwindigkeit, wobei der gesamte Prozess eine vorgegebenen Zahl von Malen wiederholt wird. Bei jedem Empfang eines Kontaktsignals während dieser wiederholten Vorgänge erhält die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 Positionskoordinaten der Endfläche des Werkstücks, mit dem der Messfühler in Kontakt gekommen ist, und aktualisiert entsprechend die Koordinaten. Somit kann die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 genau Positionskoordinaten einer Endfläche des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem erhalten. Vorzugsweise werden die zuvor beschriebenen wiederholten Vorgänge ebenfalls auf einer Oberseite des Werkstücks W durchgeführt. Dies ermöglicht es zusätzlich, genau Positionskoordinaten im Maschinenkoordinatensystem auf der Oberseite eines Werkstücks zu erhalten.
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Verfahren zum Aktualisieren des Werkstücknullpunkts auf genauere Koordinaten sind nicht auf die zuvor beschriebenen wiederholten Vorgänge beschränkt und können das nachfolgend beschriebene Verfahren umfassen. Zunächst wird die Hauptspindel der Werkzeugmaschine 11, beispielsweise die Hauptspindel eines Vertikal-Bearbeitungszentrums, mit einer niedrigen Geschwindigkeit in die Nähe des Werkstücks W gebracht, während sie sich mit einer vorgegebenen Drehzahl dreht. Während dieses Vorgangs ist kein Bearbeitungswerkzeug an der Hauptspindel befestigt. Zum Verbessern der Genauigkeit von beispielsweise der z-Koordinate des Werkstücknullpunkts positioniert die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 die Spitze der Hauptspindel an den Koordinaten des Werkstücknullpunkts, der durch die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 und die Koordinatenumrechnungseinheit 33 erhalten wurde, und bewegt anschließend die sich drehende Hauptspindel in der -z-Achsen-Richtung mit einer niedrigen Geschwindigkeit. Anschließend, wenn die Spitze der sich drehenden Hauptspindel das Werkstück W berührt, wird auf die Hauptspindel eine Last ausgeübt, was zu einer Zunahme des Störungsdrehmoments an der Hauptspindel führt. Die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 erhält Positionskoordinaten der Spitze der Hauptspindel, wenn das Störungsdrehmoment zunimmt, und aktualisiert die Z-Koordinate des Werkstücknullpunkts entsprechend. Das Aktualisieren von Koordinaten des Werkstücknullpunks durch Kontakt der Hauptspindel und des Werkstücks W miteinander auf diese Weise ist natürlich auch wirksam zum Verbessern der Genauigkeit von x- und y-Koordinaten des Werkstücknullpunkts.
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Eine Zunahme des Störungsdrehmoments an der Hauptspindel kann durch Überwachung von Änderungen eines Werts des elektrischen Stroms für den Servomotor, der die Hauptspindel dreht, erkannt werden. Das heißt das Störungsdrehmoment an der Hauptspindel kann durch Werte des elektrischen Stroms für den Servomotor gehandhabt werden. Das wie zuvor beschrieben überwachte Störungsdrehmoment bedeutet einen Unterschied zwischen dem Drehmoment, das dem Servomotor als Reaktion auf einen Betriebsbefehl zugeführt wird (das heißt der Wert des befohlenen elektrischen Stroms), und dem Drehmoment, das tatsächlich für den Betrieb des Servomotors verbraucht wird (das heißt der Wert des Verbrauchs an elektrischem Strom). Solange beispielsweise eine Last am Servomotor innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, ist der Wert des Verbrauchs an elektrischem Strom gleich dem Wert des befohlenen elektrischen Stroms und es wird kein Störungsdrehmoment erzeugt. Wenn hingegen eine Last am Servomotor einen vorgegebenen Bereich überschreitet, erfolgt eine Rückwärtsregelung, die zu einem höheren Wert des Verbrauchs an elektrischem Strom führt, das heißt zu einem größeren Störungsdrehmoment.
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Nachfolgend wird ein beispielhafter Betriebsablauf für die Werkzeugmaschinensteuerung 1 zum Ermitteln eines Werkstücknullpunkts in Bezug auf 1 bis 3 beschrieben. 2 zeigt ein Fließbild zur Darstellung eines beispielhaften Betriebsablaufs für die Werkzeugmaschinensteuerung 1 zum Ermitteln eines Werkstücknullpunkts.
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Zunächst aktiviert die Robotersteuereinheit 16 den Roboter 14, um die Roboterhand (nicht dargestellt) am Ende des Roboters 14 zum Greifen des außerhalb des Gehäuses 19 angeordneten Werkstücks W und Setzen von diesem auf die Aufnahme 21 im Gehäuse 19 zu veranlassen (Schritt S11 in 3). Während dieses Schritts ist die Tür 20 am Gehäuse 19 offen. Anschließend aktiviert die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 den Klemmmechanismus an der Spannvorrichtung 22 zum Klemmen des auf der Aufnahme 21 angeordneten Werkstücks W (Schritt S12 in 3).
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Danach veranlasst die Robotersteuereinheit 16 die am Ende des Roboters 14 befestigte Bildgebungsvorrichtung 15 zum Aufnehmen eines Bildes des Werkstücks W auf der Aufnahme 21 (Schritt S13 in 3). Die in einer vorgegebenen Position in Bezug auf den Betriebsnullpunkt des Roboters 14 angeordnete Bildgebungsvorrichtung 15 nimmt ein Bild des Werkstücks W von oberhalb des Werkstücks W auf. Die Bildgebungsvorrichtung 15 kann ein beliebiges dreidimensionales Messverfahren verwenden, sofern dreidimensionale Bilder des Werkstücks W erhalten werden können. Wie zuvor beschrieben verwendet die Bildgebungsvorrichtung 15 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine 2D- oder 3D-Kamera. Wenn eine 2D-Kamera als Bildgebungsvorrichtung 15 verwendet wird, bewegt die Robotersteuereinheit 16 die am Ende des Roboters 14 befestigte Bildgebungsvorrichtung der Reihe nach in zwei vorgegebene Positionen oberhalb der Aufnahme 21, um Bilder des Werkstücks W an den entsprechenden Positionen aufzunehmen. Wenn eine 3D-Kamera als Bildgebungsvorrichtung 15 verwendet wird, ordnet die Robotersteuereinheit 16 die am Ende des Roboters 14 befestigte Bildgebungsvorrichtung an einer vorgegebenen Position oberhalb der Aufnahme 21 an, um Bilder des Werkstücks W an der Position aufzunehmen.
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Anschließend wird auf Basis der von der Bildgebungsvorrichtung 15 aufgenommenen Bilddaten des Werkstücks W überprüft, ob das Werkstück W ordnungsgemäß auf der Aufnahme 21 angeordnet ist (Schritt S14 in 3). Ein dreidimensionales Bild des Werkstücks W, das ordnungsgemäß auf der Aufnahme 21 angeordnet ist, wurde vorab in der Bilddaten-Aufbewahrungseinheit 31 gespeichert und aufbewahrt. Somit bestimmt die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32, ob das Werkstück ordnungsgemäß angeordnet ist, indem es die Bilddaten des Werkstücks, die gerade aufgenommen wurden, mit den Bilddaten, die das ordnungsgemäß angeordnete Werkstück darstellen, vergleicht. Bei einem Fehler erzeugt die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 einen Alarm beispielsweise durch Ausgabe eines akustischen Signals, eines Lichtsignals o. Ä., das meldet, dass das Werkstück W falsch angeordnet ist (Schritt S22 in 3). Wenn kein Fehler vorliegt, wird das Werkstück dem nächsten Prozess unterzogen.
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Wenn ermittelt wird, dass das Werkstück ordnungsgemäß angeordnet ist, berechnet die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks W im Roboterkoordinatensystems, insbesondere dreidimensionale Koordinaten einer Oberfläche des Werkstücks W, auf Basis der von der Bildgebungsvorrichtung 15 aufgenommenen Bilddaten des Werkstücks W. Zusätzlich erhält die 3D-Koordinaten-Recheneinheit 32 Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W, beispielsweise Koordinaten der Mitte der Oberseite des Werkstücks W, aus den berechneten dreidimensionalen Koordinaten (Schritt S15 in 3). Anschließend rechnet die Koordinatenumrechnungseinheit 33 in der Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 die als Koordinaten im Roboterkoordinatensystem berechneten Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine 11 um (Schritt S16 in 3).
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Danach ermittelt die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13, ob der Maschinenbediener eine Anfrage zum Verbessern der Genauigkeit des Werkstücknullpunkts durch Verwenden eines Messfühlers gesendet hat (Schritt S17 in 3). Dieses Ermitteln beruht beispielsweise darauf, dass der Maschinenbediener einen Befehl zum Verbessern der Genauigkeit des Werkstücknullpunkts für die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 über die Steuerkonsole (nicht dargestellt) an der Werkzeugmaschine 11 eingibt.
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Wenn im vorhergehenden Schritt S17 ermittelt wird, dass keine Anforderung zum Verbessern der Genauigkeit des Werkstücknullpunkts vorhanden ist, spiegelt die Koordinatenumrechnungseinheit 33 die Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts, welche die durch die Koordinatenumrechnung in Schritt S16 erzeugten Koordinaten sind, in einem im Bearbeitungsprogramm 30 enthaltenen Werkstücknullpunkt-Festlegungsbefehl (Schritt S20 in 3). Das heißt solche Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts werden in den G-Code-Befehl zum Festlegen eines Werkstückkoordinatensystems (G54) im Bearbeitungsprogramm 30 geschrieben oder ersetzen einen bereits geschriebenen Werkstücknullpunkt.
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Wenn hingegen ermittelt wird, dass eine Anforderung zum Verbessern der Genauigkeit des Werkstücknullpunkts im vorhergehenden Schritt S17 vorhanden ist, erzeugt die Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit 34 einen Bewegungspfad des Messfühlers wie zuvor beschrieben (Schritt S18 in 3).
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Anschließend bewegt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 die Hauptspindel und den Bearbeitungstisch 18 der Werkzeugmaschine 11 auf Basis des erzeugten Bewegungspfad des Messfühlers, um die Kontaktbewegung des Messfühlers zu bewirken. Somit erhält die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks W im Maschinenkoordinatensystem. Zusätzlich berechnet die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 dreidimensionale Koordinaten der Mitte der Oberseite des Werkstücks W als Bearbeitungsausgangspunkt aus Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks W. Das heißt es werden erneut dreidimensionale Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem des Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W durch Kontaktbewegung des Messfühlers erhalten (Schritt S19 in 3). Die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 spiegelt ferner die erhaltenen dreidimensionalen Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W in einem im Bearbeitungsprogramm 30 enthaltenen Werkstücknullpunkt-Festlegungsbefehl (Schritt S20 in 3). Das heißt die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit 35 aktualisiert den bereits in das Bearbeitungsprogramm 30 geschriebenen Werkstücknullpunkt auf die berechneten dreidimensionalen Koordinaten der Mitte der Oberseite des Werkstücks W. Die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 erzeugt entsprechend erneut ein Bearbeitungsprogramm 30 auf Basis des aktualisierten Werkstücknullpunkts. Anschließend beginnt die Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 mit der Bearbeitung des Werkstücks W gemäß dem Bearbeitungsprogramm 30, das den durch den zuvor beschriebenen Betriebsablauf erhaltenen Werkstücknullpunkt identifiziert (Schritt S21 in 3).
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Wie in den vorhergehenden Beschreibungen dargestellt ist gemäß dem Werkstücknullpunkt-Festlegungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform die Bildgebungsvorrichtung 15 zunächst am Ende des Roboters 14 befestigt, der entlang der Werkzeugmaschine 11 angeordnet ist, und es werden anschließend dreidimensionale Koordinaten des auf der Aufnahme 21 in der Werkzeugmaschine 11 befestigten Werkstücks W, insbesondere dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück W, unter Verwenden eines dreidimensionalen Messverfahrens berechnet. Anschließend werden die berechneten dreidimensionalen Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine 11 umgerechnet. Schließlich werden die umgerechneten Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts als ein Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm 30 in der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 festgelegt. Somit kann das Verfahren unter Verwendung des Messfühlers den Aufwand für den Maschinenbediener zum Erhalten von Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück W und Festlegen der Koordinaten im Bearbeitungsprogramm 30, das in der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 gespeichert und aufbewahrt wird, erheblich verringern.
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Das Werkstück-Festlegungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann natürlich auf verschiedene herkömmliche Verfahren zum Ermitteln von Werkstücknullpunkten mit einer anderen Vorrichtung als Messfühlern (beispielsweise einer Lasermessmaschine) zum Verringern des Aufwands für das Festlegen von Werkstücknullpunkten angewendet werden.
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(Weitere Ausführungsformen)
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Nachfolgend sind weitere Ausführungsformen beschrieben.
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Die Werkzeugmaschinen-Steuerung der in 1 dargestellten Ausführungsform weist die Bildgebungsvorrichtung 15 auf, die am Ende des Roboters 14 befestigt ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks W in einer beliebigen Konfiguration ermittelt werden, solange das auf der Aufnahme 21 befestigte Werkstück W aus einer Vielzahl verschiedener Richtungen aufgenommen werden kann. Das heißt die vorliegende Erfindung beschränkt Positionen der Bildgebungsvorrichtung 15 nicht auf das Ende des Roboters 14.
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4 zeigt eine Position, an der die Bildgebungsvorrichtung 15 in der Werkzeugmaschinensteuerung 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befestigt ist. Wie in 4 dargestellt kann die Bildgebungsvorrichtung 15, wenn die Werkzeugmaschine 11 ein Bearbeitungszentrum mit einem automatischen Revolver-Werkzeugwechsler 36 ist, an einem Revolver 36a am automatischen Werkzeugwechsler 36 befestigt sein. Der Revolver 36a hält mehrere Arten von Bearbeitungswerkzeugen 17 im Umfang des Revolvers 36a der Reihe nach angeordnet und dreht sich in eine vorgegebene Position, wenn Bearbeitungswerkzeuge 17 gewechselt werden. Das heißt die Positionsgenauigkeit am Revolver 36a wird durch die Drehbewegung des Revolvers 36a gewährleistet. Somit können Bilder des Werkstücks W aus zwei verschiedenen Richtungen durch Befestigen einer 2D-Kamera als Bildgebungsvorrichtung 15 am Revolver 36a und Drehen des Revolvers 36a zum Bewegen der 2D-Kamera in zwei Positionen nacheinander aufgenommen werden.
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In der Werkzeugmaschinensteuerung 1, bei der die Bildgebungsvorrichtung 15 am Revolver 36a befestigt ist, wird ebenfalls angenommen, dass die relativen Positionen der Bildgebungsvorrichtung 15 und des Revolvers 36a in der Werkzeugmaschine 11 zueinander durch Kalibrieren vorgegeben sind. Das Bestimmen der Höhe einer Oberfläche des Werkstücks W auf Basis von zwei von der Bildgebungsvorrichtung 15, deren Kameraposition vom Revolver 36a nacheinander bewegt wurde, aufgenommenen Bilddatenstücken ermöglicht das Erhalten von dreidimensionalen Koordinaten der Oberfläche des Werkstücks W. Natürlich können dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks W ebenfalls in einer Konfiguration erhalten werden, in der eine 3D-Kamera statt einer 2D-Kamera am Revolver 36a befestigt ist.
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Das Befestigen der Bildgebungsvorrichtung 15 am Revolver 36a wie zuvor beschrieben erzielt die Werkstücknullpunkt-Festlegung gemäß der vorliegenden Erfindung, ohne dass die Werkzeugmaschinensteuerung 1 den entlang der Werkzeugmaschine 11 angeordneten Roboter 14 wie in 1 dargestellt einbinden muss.
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Bei jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 in der Werkzeugmaschinensteuerung 1 als eine Komponente getrennt von der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 und der Robotersteuereinheit 12 wie in 1 dargestellt angeordnet, unter der Annahme, dass die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 mit der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 und mit der Robotersteuereinheit 15 über Kommunikationskabel (nicht dargestellt) oder Kommunikationsfunkwellen kommunizieren kann. Die Bearbeitungsprogramm-Erzeugungseinheit 13 kann in der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 oder der Robotersteuereinheit 16 integriert sein. Das heißt die vorliegende Erfindung erfordert eine Rechenvorrichtung, die dreidimensionale Koordinaten des aufgenommenen Objekts auf Basis einer Vielzahl von Bilddatenstücken des Objekts berechnet, und somit kann solch eine Rechenvorrichtung in der Werkzeugmaschinen-Steuereinheit 12 oder in der Robotersteuereinheit 16 enthalten sein.
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Die vorhergehenden Beschreibungen verwenden ein Bearbeitungszentrum als ein Beispiel der Werkzeugmaschine im Bearbeitungssystem der vorliegenden Erfindung; die vorliegende Erfindung kann aber auf Werkzeugmaschinen angewendet werden, die nicht nur Bearbeitungszentren, sondern beispielsweise auch NC-Fräsmaschinen umfassen. Die vorliegende Erfindung kann kurz gefasst auf allgemeine NC-Werkzeugmaschinen angewendet werden, die das Festlegen eines Werkstücknullpunkts in einem Bearbeitungsprogramm erfordern.
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Zuvor wurden typische Ausführungsformen beschrieben; die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf die vorhergehenden Ausführungsformen beschränkt, die in verschiedenen Formen, Konfigurationen und Materialien modifiziert werden können, ohne vom Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Wirkungen der einzelnen Aspekte der Erfindung
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Gemäß einem ersten und einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Bildgebungsvorrichtung an einer Werkzeugmaschine an einer vorgegebenen Position angeordnet und nimmt Bilder eines auf der Werkzeugmaschine befestigten Werkstücks aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen auf; anschließend berechnet eine 3D-Koordinaten-Recheneinheit dreidimensionale Koordinaten des Werkstücks, insbesondere dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück, auf Basis einer Vielzahl von Bildern des Werkstücks. Anschließend rechnet eine Koordinatenumrechnungseinheit die berechneten dreidimensionalen Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts in Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem für die Werkzeugmaschine um und legt anschließend die umgerechneten Koordinaten des Bearbeitungsausgangspunkts als Werkstücknullpunkt in einem Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine fest. Somit kann der Aufwand des Maschinenbedieners zum Erhalten des Werkstücknullpunkts verringert werden. Das heißt die vorliegende Erfindung kann menschlichen Aufwand zum Erhalten von Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück beispielsweise unter Verwendung eines Messfühlers und Festlegen der Koordinaten in einem in einer Werkzeugmaschinen-Steuereinheit gespeicherten und aufbewahrten Bearbeitungsprogramm verringern.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bildgebungsvorrichtung am Ende eines Roboters befestigt, so dass sie an einer vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine vom Roboter angeordnet wird. Somit kann, selbst wenn eine 2D-Kamera als Bildgebungsvorrichtung verwendet wird, eine Vielzahl von Werkstück-Bildinformationsstücken erhalten werden, die aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen aufgenommen werden und zum Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks erforderlich sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bildgebungsvorrichtung an einem automatischen Revolver-Werkzeugwechsler in der Werkzeugmaschine befestigt, so dass sie an einer vorgegebenen Position in der Werkzeugmaschine vom Revolver angeordnet wird. Somit kann, selbst wenn eine 2D-Kamera als Bildgebungsvorrichtung verwendet wird, eine Vielzahl von Werkstück-Bildinformationsstücken erhalten werden, die aus einer Vielzahl von verschiedenen Richtungen aufgenommen werden und zum Berechnen von dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks erforderlich sind.
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Gemäß einem vierten Aspekt und einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Messfühlerbewegungspfad-Erzeugungseinheit einen Bewegungspfad eines Messfühlers, der in Kontakt mit jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks zu bringen ist, auf der Basis von von der Koordinatenumrechnungseinheit erhaltenen dreidimensionalen Koordinaten des Werkstücks, so dass die Werkzeugmaschine eine Kontaktbewegung des Messfühlers gemäß dem Bewegungspfad durchführt. Mit solch einer Messfühlerbewegungspfad-Einheit kann der Aufwand des Maschinenbedieners für Vorgänge wie das Ermitteln von Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkts am Werkstück unter Verwendung eines Messfühlers verringert werden.
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Gemäß einem fünften Aspekt und einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhält als Reaktion auf die Kontaktbewegung des Messfühlers die Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem, berechnet dreidimensionale Koordinaten eines spezifizierten Bearbeitungsausgangspunkt am Werkstück aus den erhaltenen Positionskoordinaten und setzt die dreidimensionalen Koordinaten als Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine zurück. Mit solch einer Werkstücknullpunkt-Aktualisierungseinheit erzielt die vorliegende Erfindung das Aktualisieren von Koordinaten des erhaltenen Werkstücknullpunks auf Basis von Werkstück-Bildinformationen auf genauere Koordinaten. Das heißt die Koordinaten des Werkstücknullpunkts, die durch Berechnung und Koordinatenumrechnung auf Basis von Werkstück-Bildinformationen erhalten wurden, werden auf die Koordinaten des Werkstücknullpunkts aktualisiert, die direkt aus Positionskoordinaten von jeder Endfläche und einer Oberseite des Werkstücks im Maschinenkoordinatensystem berechnet wurden, was die Positionsgenauigkeit des Werkstücknullpunkts verbessert.
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Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die sich drehende Hauptspindel in Kontakt mit dem Werkstück gebracht, die Position der Hauptspindel wird ermittelt, wenn eine Zunahme des Störungsdrehmoments an der Hauptspindel vorliegt, und die erhaltenen Positionskoordinaten werden als Werkstücknullpunkt im Bearbeitungsprogramm für die Werkzeugmaschine zurückgesetzt. Dies erzielt ein Aktualisieren von Koordinaten des erhaltenen Werkstücknullpunkts auf Basis von Werkstück-Bildinformationen auf genauere Koordinaten, ähnlich dem zuvor beschriebenen Verfahren zum Aktualisieren von Koordinaten eines Werkstücknullpunkts unter Verwendung eines Messfühlers.
