DE102017118422B4

DE102017118422B4 - Vorrichtung zur vermessung und / oder bearbeitung von werkstücken und verfahren zur erfassung von werkstücken in koordinatenmessgeräten oder bearbeitungsmaschinen

Info

Publication number: DE102017118422B4
Application number: DE102017118422.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Daniel Plohmann
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2017-08-11
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2037-08-12
Also published as: DE102017118422A1

Abstract

Vorrichtung zur Vermessung und / oder Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Koordinatenmessgerät oder Bearbeitungsmaschine, mit einem Bearbeitungsraum (1), innerhalb dem die Vermessung und / oder Bearbeitung eines Werkstücks (3) stattfindet, wobei in dem Bearbeitungsraum eine Werkstückaufnahme (2) angeordnet ist, in und / oder auf der das Werkstück während der Vermessung und / oder Bearbeitung gelagert ist,die Vorrichtung mehrere Ultraschallsender (4,4a,4b,4c) und mindestens einen Ultraschallempfänger (5) sowie eine Steuer - und Auswerteeinheit (10) zur Steuerung des mindestens einen Ultraschallsenders und Auswertung des von dem mindestens einen Ultraschallempfänger erfassten Ultraschalls umfasst, die so eingerichtet sind, dass die Anwesenheit eines Werkstücks im Bearbeitungsraum erfasst werden kann, mehrere Ultraschallsender (4,4a,4b,4c) so angeordnet sind, sodass ein fokussiertes Ultraschallsignal an verschiedenen Punkten im dreidimensionalen Bearbeitungsraum erzeugbar istdadurch gekennzeichnet, dassdie Steuer - und Auswerteeinheit so hergerichtet ist, dass zunächst in einem ersten Schritt durch mindestens einen Ultraschallsender mindestens eine unfokussierte Ultraschallwelle erzeugt wird und bestimmt wird, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, und dass nach dem Bestimmen, dass ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, in einem zweiten Schritt durch Erzeugen von fokussierten Ultraschallsignalen und Erfassen von reflektierten Ultraschallsignalen bestimmt wird, wo mindestens eine Werkstückoberfläche im Bearbeitungsraum angeordnet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung und / oder Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Koordinatenmessgeräte oder Bearbeitungsmaschinen, wie Fräs - , CNC - oder vergleichbare Bearbeitungsmaschinen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von Werkstücken in Koordinatenmessgeräten oder entsprechenden Bearbeitungsmaschinen.
STAND DER TECHNIK
Bei Bearbeitungsmaschinen, wie Fräs - oder CNC - Bearbeitungsmaschinen, oder bei Koordinatenmessgeräten zur Vermessung von Werkstücken werden die entsprechenden Werkstücke, die bearbeitet und / oder vermessen werden sollen, in einem Arbeitsraum der entsprechenden Maschine angeordnet, wobei es für die Handhabung der Messeinrichtungen eines Koordinatenmessgeräts oder der Bearbeitungswerkzeuge einer Bearbeitungsmaschine erforderlich ist, zunächst zu bestimmen, ob und in welchem Bereich des Bearbeitungsraums des Koordinatenmessgeräts oder der Bearbeitungsmaschine ein Werkstück vorhanden ist, um die Vermessung oder Bearbeitung zu ermöglichen und Beschädigungen der Messeinrichtungen des Koordinatenmessgeräts oder der Bearbeitungswerkzeuge der Bearbeitungsmaschine zu vermeiden.
Entsprechend ist es für die Bearbeitung bzw. Vermessung des Werkstücks erforderlich, die Position und Orientierung des Werkstücks in der Maschine bzw. dessen grobe Dimensionen zu bestimmen, da die Lage des Werkstücks im Arbeitsraum üblicherweise zunächst unbekannt ist. Die Bestimmung der Position und Orientierung bzw. der groben Dimensionen des Werkstücks kann durch Vermessen durch einen Bediener der Maschine erfolgen, wobei jedoch der entsprechende Vorgang sehr zeitaufwändig ist.
Dementsprechend kann man sich dadurch behelfen, dass bei häufig zu bearbeitenden bzw. zu vermessenden Werkstücken eine Vorrichtung geschaffen wird, mit der das Werkstück in der Maschine vorpositioniert aufgenommen werden kann. Hierbei besteht jedoch der Nachteil darin, dass sich eine derartige Vorrichtung erst bei einer hohen Stückzahl der zu bearbeitenden oder zu vermessenden Werkstücke rentiert und die Variabilität für die Aufnahme unterschiedlicher Werkstücke in der Maschine verloren geht, da lediglich Werkstücke für die spezielle Aufnahmevorrichtung aufgenommen werden können.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 13 365 Al offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion eines Werkstücks in einer automatischen Bearbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung besteht aus einem Ultraschallsender, einem Ultraschallempfänger und einem Detektionsmittel (Steuerung), wobei durch Beschallung der Halterung mit Ultraschallwellen, Empfang der reflektierten Ultraschallwellen und Detektion anhand der reflektierten Ultraschallwellen festgestellt wird, ob ein Werkstück in einer Halterung der Bearbeitungsvorrichtung gehaltert ist.
Das Dokument DE 10 2010 014 423 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen von Koordinaten eines Werkstücks, bei welchem ein Werkstück, das in einem Messbereich eines Koordinatenmessgerätes angeordnet ist, automatisch erkannt wird.
Das US Patent US 4,713,798 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Objektdaten durch maschinelles Sehen, bei welchen Ultraschallwellen oder elektromagnetische Wellen verwendet werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit deren Hilfe automatisiert bestimmt werden kann, ob und gegebenenfalls in welchem Bereich des Bearbeitungsraums eines Koordinatenmessgeräts oder einer Bearbeitungsmaschine ein Werkstück vorhanden ist. Darüber hinaus soll die Bestimmung der Lage bzw. der Position und Orientierung des Werkstücks in einer Mess - oder Bearbeitungsmaschine sowie die Vermessung eines entsprechenden Werkstücks vereinfacht und effizienter gestaltet werden können. Insbesondere soll eine entsprechende Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren die variable Nutzung der Mess - oder Bearbeitungsmaschine ermöglichen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Erfassung eines Werkstücks in einer Mess - oder Bearbeitungsmaschine, wie beispielsweise einem Koordinatenmessgerät oder einer Fräs - oder CNC - Bearbeitungsmaschine, vor, eine Ultraschallmesseinrichtung mit mindestens einem Ultraschallsender und mindestens einem Ultraschallempfänger sowie einer Steuer - und Auswerteeinheit zur Steuerung des mindestens einen Ultraschallsenders und Auswertung des von dem mindestens einen Ultraschallempfänger erfassten Ultraschalls vorzusehen, um mittels Ultraschall ein Werk - stück im Bearbeitungsraum einer Mess - oder Bearbeitungsmaschine zu erfassen. Mit einer derartigen Ultraschallmesseinrichtung kann zunächst bestimmt werden, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum der Mess - oder Bearbeitungsmaschine vorhanden ist oder nicht. Dadurch kann der Kollisionsschutz, d.h. der Schutz der Messeinrichtungen eines Koordinatenmessgerät oder der Bearbeitungswerkzeuge einer Bearbeitungsmaschine vor Kollisionen mit dem Werkstück deutlich verbessert werden, da automatisiert erkannt werden kann, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum angeordnet ist oder nicht.
Darüber hinaus ermöglicht die Ultraschallmesseinrichtung, mit der bestimmt werden kann, ob ein Werkstück in der Mess - oder Bearbeitungsmaschine vorhanden ist oder nicht, auch einen Schutz für das Bedienpersonal zu realisieren, sodass vermieden werden kann, dass durch unbeabsichtigtes Eingreifen des Bedienpersonals in den Bearbeitungsraum der Mess - oder Bearbeitungsmaschine eine Verletzung des Bedienpersonals oder eine Beschädigung der Messeinrichtungen erfolgt.
Die Anwesenheit eines Werkstücks im Bearbeitungsraum bzw. in oder auf eine Werkstückaufnahme der Mess - oder Bearbeitungsmaschine kann mit Hilfe des mindestens einen Ultraschallsenders und des mindestens eines Ultraschallempfängers in einfacher Weise so festgestellt werden, dass nach dem Aussenden einer Ultraschallwelle durch den Ultraschallsender bestimmt wird, ob der Ultraschallempfänger ein entsprechendes Ultraschallsignal empfangen hat oder nicht. Hierbei kann das Empfangen oder Nicht - Empfangen sowohl die Anwesenheit eines Werkstücks als auch das Nicht - Vorhandensein eines Werkstücks anzeigen. Beispielsweise können Ultraschallsender und Ultraschallempfänger so angeordnet sein, dass ein Werkstück, welches im Bearbeitungsraum in oder auf der Werkzeugaufnahme angeordnet ist, Ultraschallwellenwellen des Ultraschallsenders blockiert, sodass der Ultraschallempfänger keine Ultraschallwellen empfangen kann. In diesem Fall kann das Nicht - Empfangen von Ultraschallwellen durch den Ultraschallempfänger anzeigen, dass ein Werkstück im Bearbeitungsraum angeordnet ist, während das Empfangen von Ultraschallwellen durch den Ultraschallempfänger die Abwesenheit eines Werkstücks anzeigt.
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass ein Werkstück nur dann im Bearbeitungsraum angeordnet ist, wenn der Ultraschallempfänger eine Ultraschallwelle, die vom Ultraschallsender ausgesandt worden ist, detektieren kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn Ultraschallsender und Ultraschallempfänger so angeordnet sind, dass die Ultraschallwellen durch ein im Bearbeitungsraum angeordnetes Werkstück in Richtung des Ultraschallempfängers reflektiert wird, sodass lediglich im Fall der Anwesenheit eines Werkstücks im Bearbeitungsbaum eine reflektierte Ultraschallwelle von dem Ultraschallempfänger erfasst werden kann, während bei Abwesenheit eines Werkstücks keine Ultraschallwelle von dem Ultraschallempfänger detektiert werden kann.
Die Steuer - und Auswerteeinheit kann hierbei so eingerichtet sein, dass bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes, beispielsweise hinsichtlich der Amplitude des erfassten Ultraschallsignals, das erfasste Ultraschallsignal berücksichtigt wird, während bei Unterschreiten des Grenzwerts, also einer Amplitude des erfassten Ultraschallsignals unter dem Grenzwert, das Detektionsrgebnis als ein nicht Vorhandensein eines Ultraschallsignals gewertet wird.
Die Erfassung eines reflektierten Ultraschallsignals kann dadurch vereinfacht bzw. verbessert werden, dass statt einfacher Ultraschallwellen fokussierte Ultraschallwellen eingesetzt werden. Mit einer Ultraschallmesseinrichtung eines Koordinatenmessgerät oder einer Bearbeitungsmaschine die so ausgestaltet ist, dass damit fokussierte Ultraschallwellen erzeugbar sind, kann nicht nur erfasst werden, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum der Mess - oder Bearbeitungsmaschine angeordnet ist, sondern darüber hinaus kann auch eine Bestimmung der Dimensionen und der Position sowie Orientierung des Werkstücks ermöglicht werden.
Zur Erzeugung von fokussierten Ultraschallwellen kann die Ultraschallmesseinrichtung mehrere Ultraschallsender aufweisen, die so angeordnet sind und von der Steuer - und Auswerteeinheit so gesteuert werden, dass die Ultraschallsender Ultraschallwellen zeitversetzt bzw. phasenverschoben aussenden und die Ultraschallwellen der mehreren Ultraschallsender durch Interferenz zu einem fokussierten Ultraschallsignal fokussiert werden können, dessen Fokus an verschiedenen, bestimmten Orten im dreidimensionalen Bearbeitungsraum vorgesehen werden kann. Die fokussierten Ultraschallsignale können dazu verwendet werden, zu bestimmen, ob an dem bestimmten Ort des Fokus des Ultraschallsignals eine Werkstückoberfläche vorliegt oder nicht. Liegt beispielsweise an dem bestimmten Ort des Fokus des fokussierten Ultraschallsignals eine Werkstückoberfläche vor, so wird das fokussiert Ultraschallsignal entsprechend reflektiert, was von dem mindestens einen Ultraschallempfänger erfasst werden kann. Durch das fokussiert Ultraschallsignal, das an dem bestimmten Ort durch die Werkstückoberfläche reflektiert wird, ist auch das reflektierte Ultraschallsignal in besonderer Weise durch hohe Intensität gekennzeichnet, sodass durch die Steuer - und Auswerteeinheit bestimmt werden kann, dass das reflektierte Ultraschallsignal durch eine an dem bestimmten Ort vorliegende Werkstückoberfläche reflektiert worden ist. Liegt an dem bestimmten Ort des Fokus der fokussierten Ultraschallwelle keine Werkstückoberfläche vor bzw. ist dies vor oder hinter dem Fokus der fokussierten Ultraschallwelle angeordnet, wird lediglich ein diffuses Ultraschallsignal von dem Ultraschallempfänger erfasst. Entsprechend kann auch hier durch geeignete Definition von Grenzwerten bezüglich der Intensität der erfassten Ultraschallwellen bestimmt werden, ob eine Werkstückoberfläche an dem bestimmten Ort des Bearbeitungsraums mit dem Fokus der fokussierten Ultraschallwelle vorliegt.
Je nachdem, ob die mehreren Ultraschallsender in einer eindimensionalen Anordnung entlang einer Linie oder in einer zwei - oder dreidimensionalen Anordnung in einer flächigen Anordnung angeordnet sind, kann der bestimmte Ort, an dem das Ultraschallsignal fokussiert ist, zweidimensional oder punktuell sein.
Zur Bestimmung der Anordnung der Werkstückoberflächen des Werkstücks und somit der Dimensionen sowie der Position und der Orientierung des Werkstücks kann der Fokus von mehreren fokussierten Ultraschallwellen nacheinander an verschiedenen bestimmten Orten im Bearbeitungsraum erzeugt werden, sodass für jeden der Vielzahl der bestimmten Orte bestimmt werden kann, ob an diesem bestimmten Ort eine Werkstückoberfläche vorliegt oder nicht. Werden beispielsweise Ultraschallwellen nacheinander an einer Vielzahl von Punkten als die bestimmten Orte fokussiert, so kann für die Vielzahl von Punkten in den Bearbeitungsraum bestimmt werden, ob jeweils eine Werkstückoberfläche an dem jeweiligen Punkt vorliegt oder nicht. Durch entsprechendes Abtasten der Vielzahl von Punkten kann somit eine Topographie - Karte des Werkstücks erzeugt werden.
Die bestimmten Orte, an denen der Fokus der erzeugten Ultraschallwellen eingestellt wird, können in einem ein - , zwei - oder dreidimensionalen Gitter mit einem vordefinierten Gitterabstand angeordnet sein, wobei durch die Wahl des Gitterabstands die Auflösung der Topographiebestimmung eingestellt werden kann.
Für die Bestimmung der Lage der Werkstückoberflächen kann das Ultraschallsignal codiert sein, sodass die Erfassung des reflektierten, codierten Ultraschallsignals für die Ultraschallempfänger vereinfacht wird. Die Codierung des Ultraschallsignals kann durch eine Frequenzmodulation oder ein gepulstes Aussenden des fokussierten Ultraschalls vorgenommen werden. Trifft das codierte, fokussierte Ultraschallsignal an einem vorbestimmten Ort auf eine Werkstückoberfläche, so wird bei der Reflexion des codierten, fokussierten Ultraschallsignals die Codierung beibehalten und der mindestens eine Ultraschallempfänger der das reflektierte, codierte Ultraschallsignal empfängt, kann aufgrund der Codierung das Signal einfach dem Ultraschallsender zuordnen. Wird das codierte, fokussierte Ultraschallsignal nicht an einem vorbestimmten Ort, an dem die Ultraschallwelle fokussiert ist, von einer Werkstückoberfläche reflektiert, sondern beispielsweise an einem anderen Ort, so wird die Codierung des Ultraschallsignals bei der Reflexion nicht aufrechterhalten und der entsprechende Ultraschallempfänger erfasst lediglich ein Ultraschallrauschen.
Neben dem Abtasten des Bearbeitungsraums durch eine Vielzahl von Ultraschallwellen, die an bestimmten Orten des Bearbeitungsraums fokussiert werden, kann die Bestimmung der Lage von Werkstückoberflächen im Bearbeitungsraum auch aus verschiedenen Richtungen bezüglich des Werkstücks bzw. der Werkstückaufnahme durchgeführt werden, auf der das Werkstück angeordnet ist. Hierzu können der mindestens eine Ultraschallsender und / oder der mindestens eine Ultraschallempfänger bezüglich der Werkstückaufnahme unterschiedlich positionierbar sein, wobei der mindestens eine Ultraschallsender bzw. die Ultraschallsender und / oder der mindestens eine Ultraschallempfänger oder alternativ die Werkstückaufnahme beweglich ausgebildet sein können.
Darüber hinaus können auch mehrere Ultraschallempfänger angeordnet sein, um an verschiedenen Stellen reflektierte Ultraschallwellen zu erfassen. Damit ist eine redundante Erfassung und Bestimmung von Werkstückoberflächen zur Erhöhung der Sicherheit des Messergebnisses möglich.
Neben der Bestimmung der Lage einer Werkstückoberfläche durch Erzeugen eines fokussierten, insbesondere codierten Ultraschallsignals mit dem Fokus der Ultraschallwelle an einem bestimmten Ort und Identifizieren der reflektierten Ultraschallwelle kann insbesondere beim Einsatz von mehreren Ultraschallempfängern zusätzlich aus der Bestimmung der Laufzeit der Ultraschallwelle der Ort der Reflexion und somit die Position der Werkstückoberfläche bestimmt werden.
Mit dem vorgestellten Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung kann in einfacher Weise zunächst in einem ersten Schritt festgestellt werden, ob überhaupt eine Werkstück in der Werkstückaufnahme bzw. im Bearbeitungsraum vorhanden ist. Dies kann mit einfachen, d.h. unfokussierten, uncodierten Ultraschallwellen erfolgen oder aber auch mit bereits fokussierten, codierten Ultraschallwellen. Danach kann in einem zweiten Schritt mittels fokussierten, codierten Ultraschallwellen bestimmt werden, wo im Bearbeitungsraum Werkstückoberflächen angeordnet sind, sodass aus der Lage der Werkstückoberflächen die Dimensionen des Werkstücks und die Position und Orientierung des Werkstücks im Bearbeitungsraum ermittelt werden können.
Dieses Verfahren dient vorzugsweise als erste grobe Bestimmung der Position und / oder Orientierung sowie der Dimensionen des Werkstücks in den Bearbeitungsraum vor einer nachfolgenden Feinbestimmung der Position und / oder Dimensionen des Werkstücks mit den weiteren Messeinrichtungen eines Koordinatenmessgerät oder der genauen Positionsbestimmung für die weitere Bearbeitung in einer Bearbeitungsmaschine. Der Vorteil des vorgestellten Verfahrens ist, dass dieses voll automatisiert durchgeführt werden kann und dass der Aufwand für eine nachfolgende Feinmessung reduziert werden kann.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

1 eine Darstellung des Bearbeitungsraums eines Koordinatenmessgeräts mit mehreren Ultraschallsendern und Ultraschallempfängern und in
2 eine Darstellung der Erzeugung einer fokussierten Ultraschallwelle.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung ein Werkstück 3, welches in einem Koordinatenmessgerät vermessen werden soll. Hierzu ist das Werkstück auf einer Werkstückaufnahme 2 in einem Bearbeitungsraum 1 des Koordinatenmessgeräts gelagert. Die eigentlich Messeinrichtung zur Vermessung des Werkstücks 3 mit Taststiften und dergleichen ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit weggelassen worden. Zur groben Bestimmung der Position und / oder Dimension des Werkstücks 3 ist jedoch eine Ultraschallmesseinrichtung mit mehreren Ultraschallsendern 4 sowie mehreren Ultraschallempfängen 5 vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel, welches nur rein schematisch zur Veranschaulichung des Prinzips der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, sind drei Ultraschallsender 4 sowie zwei Ultraschallempfänger 5 vorgesehen. Bei konkreten Ausführungsformen kann insbesondere die Zahl der Ultraschallsender deutlich höher sein.
Die Ultraschallsender 4 sowie die Ultraschallempfänger 5 sind über Daten - und Steuerleitungen mit einer Steuer - und Auswerteeinheit 10 verbunden, sodass die Ultraschallsender 4 durch die Steuer - und Auswerteeinheit 10 gesteuert werden können und die von den Ultraschallempfängen 5 empfangenen Ultraschallwellen durch die Steuer - und Auswerteeinheit 10 ausgewertet werden können.
Die Ultraschallsender 4 und / oder die Ultraschallempfänger 5 können bezüglich der Werkstückaufnahme 2 in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden, wobei entweder die Werkstückaufnahme 2 entsprechend bewegt werden kann und / oder Ultraschallsender 4 und / oder Ultraschallempfänger 5. Dadurch ist es möglich ein auf der Werkstückaufnahme 2 gelagertes Werkstück aus unterschiedlichen Richtungen mit der Ultraschallmesseinrichtung zu erfassen. Beispielsweise können die Ultraschallsender 4 oberhalb des Werkstücks 3 angeordnet werden, sodass sie entlang der Z - Achse die Ultraschallwellenwellen auf das Werkstück 3 aussenden und entsprechend die Oberseite des Werkstücks erfasst werden kann. Darüber hinaus ist es in einfacher Weise möglich, die Werkstückaufnahme 2 so um die Y - Achse zu drehen, dass eine der Seitenflächen des Werkstücks 3 in Richtung der Z - Achse nach oben ausgerichtet ist, sodass entsprechend die Seitenfläche mit den Ultraschallsensoren mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden kann. Alternativ ist es möglich, dass die Ultraschallsender 4 so gedreht werden, dass sie seitlich des Werkstücks 3 angeordnet sind und beispielsweise entlang der X - Achse die Ultraschallwellen aussenden. In gleicher Weise können auch die Ultraschallempfänge 5 relativ zur Werkstückaufnahme 2 bewegt sein, wobei entweder die Werkstückaufnahme und oder die Ultraschallsender 5 beweglich angeordnet sein können.
Zur Erfassung eines Werkstücks 3 hinsichtlich seiner Position und / oder seine Dimensionen kann zunächst in einem ersten Schritt mittels eines der Ultraschallsender 4 eine Ultraschallwelle erzeugt werden, die in Richtung des Werkstücks 3 ausgesendet wird. Befindet sich auf der Werkstückaufnahme 2 ein Werkstück 3, so wird die Ultraschallwelle reflektiert und ein Ultraschallempfänger 5 kann die reflektierte Ultraschallwellen erfassen. Befindet sich kein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme 2, so wird die von dem Ultraschallsender 4 ausgesandte Ultraschallwellen nicht reflektiert und der Ultraschallempfänger 5 kann entsprechend keine reflektierte Ultraschallwelle erfassen. Entsprechend wird in dem ersten Fall durch die Steuer - und Auswerteeinheit 10 bestimmt, dass ein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet ist, während im letzteren Fall die Steuer - und Auswerteeinheit 10 bestimmt, dass kein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme angeordnet ist.
Die Ultraschallsender 4 können zur Bestimmung, ob ein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet ist oder nicht, auch so bezüglich der Werkstückaufnahme 2 und den Ultraschallempfängern 5 angeordnet sein, dass das Werkstück 3, wenn es auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet ist, die Ultraschallwellen blockiert, sodass am Ultraschallempfänger 5 keine Ultraschallwellen registriert werden können. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn sowohl Ultraschallsender 4 als auch Ultraschallempfänger 5 jeweils seitlich von der Werkstückaufnahme 2 angeordnet sind, sodass ein dazwischen auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnetes Werkstück 3 zwischen Ultraschallsendern 4 und Ultraschallempfänger 5 liegt und mögliche Ultraschallwellen blockiert.
Damit ist bereits eine Bestimmung, ob ein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet ist oder nicht voll automatisiert möglich. Darüber hinaus kann jedoch in einem weiteren Schritt bestimmt werden, welche Dimensionen das auf der Werkstückaufnahme 2 aufgenommene Werkstück 3 aufweist bzw. in welcher Position und Orientierung das Werkstück 3 angeordnet ist. Die Bestimmung der Dimensionen des Werkstücks 3 soll hierbei eine grobe Bestimmung der Dimensionen darstellen, die für eine nachfolgende exakte Vermessung des Werkstücks 3 mittels der nicht gezeigten Koordinatenmesseinrichtung als Basis verwendet werden kann.
Bei dem zweiten Schritt der Erfassung des Werkstücks 3 in dem Bearbeitungsraum 1 wird durch mehrere Ultraschallsender 4 ein fokussiertes, codiertes Ultraschallsignal 6 auf einen bestimmten Punkt 9 im Bearbeitungsraum ausgestrahlt, sodass an den bestimmten Punkt 9 die Ultraschallwelle fokussiert ist. Befindet sich an den bestimmten Punkt 9 eine Werkstückoberfläche so wird das fokussierte, codierte Ultraschallsignal 6 reflektiert und das reflektierte, codierte, fokussierte Ultraschallsignal 7 kann von einem Ultraschallempfänger 5 erfasst werden. Aufgrund der Codierung und Intensität des reflektierten Ultraschallsignals 7 und der Laufzeit des fokussierten, codierten Ultraschallsignals 7 kann die Steuer - und Auswerteeinheit 10 ermitteln, dass an dem bestimmten Punkt 9 eine Werkstückoberfläche angeordnet ist. Aufgrund der Codierung und der Fokussierung der Ultraschallwelle auf den bestimmten Ort 9, an dem das fokussierte, codierte Ultraschallsignal auf die Werkstückoberfläche auftrifft, kann die Steuer - und Auswerteeinheit 10 die reflektierte Ultraschallwelle identifizieren und erkennen, dass an dem bestimmten Ort 9 im Bearbeitungsraum 1 eine Werkstückoberfläche vorliegt. Wird nämlich das fokussierte, codierte Ultraschallsignal 6 so reflektiert, dass ein reflektiertes, codiertes Ultraschallsignal 7 in einem Ultraschallempfänger 5 empfangen werden kann, so liegt eine Werkstückoberfläche an den bestimmten Ort 9 vor. Im anderen Fall, wenn keine codierte, reflektierte Ultraschallwelle 7 erfasst werden kann, ist kein Werkstück 3 mit einer Werkstückoberfläche an dem bestimmten Punkt 9 auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet. Wird jedoch anstatt des codierten, reflektierten Ultraschallsignals 7 von dem Ultraschallempfänger 5 ein undefiniertes Ultraschallsignal erfasst, kann zumindest bestimmt werden, ob ein Werkstück 3 auf der Werkstückaufnahme 2 angeordnet ist oder nicht. Zusätzlich kann durch Laufzeitmessung des codierten Ultraschallsignals der Ort der Reflexion und somit einer Werkstückoberfläche bestimmt werden.
Die oben beschriebene Bestimmung, ob an einem bestimmten Ort 9 eine Werkstückoberfläche vorhanden ist oder nicht, kann für eine Vielzahl von Orten bzw. Punkten 9 im Bearbeitungsraum 1 durchgeführt werden, sodass durch das nacheinander folgende Bestimmung, ob eine Werkstückoberfläche an einem bestimmten Ort 9 im Bearbeitungsraum 1 vorliegt oder nicht, für eine Vielzahl von im Raster angeordneten bestimmten Punkten 9 durchgeführt und eine Topographie - Karte des Werkstücks 3 erstellt werden kann. Hierzu werden fokussierte, codierte Ultraschallsignale 6 der Reihe nach an die verschiedenen bestimmten Punkten 9 im Bearbeitungsraum 1 ausgesendet und durch die Ultraschallempfänger 5 die reflektierten, codierten Ultraschallsignale 7 erfasst und von der Steuer - und Auswerteeinheit 10 bestimmt, ob an den bestimmten Punkten 9 eine Werkstückoberfläche vorliegt oder nicht. Die bestimmten Punkte 9, auf die die codierten, fokussierten Ultraschallsignale 6 gerichtet werden, können beispielsweise in einem dreidimensionalen oder zweidimensionalen Gitter im Bearbeitungsraum 1 angeordnet sein, wobei die Gitterabstände der bestimmten Punkte 9 in beliebiger Weise definiert werden können. Für eine feine Auflösung, bei der eine Vielzahl von entsprechenden Messungen erforderlich ist, können kleine Gitterabstände gewählt werden, während für eine grobe Auflösung lediglich wenige Messungen an bestimmten Punkten, die in einem Gitter mit einem großen Gitterabstand angeordnet sind, ausreichend ist.
Zusätzlich zu dem Abtasten der verschiedenen bestimmten Punkte 9 durch fokussierte, codierte Ultraschallsignale 6 kann zusätzlich die Orientierung der Werkstückaufnahme 2 zu den Ultraschallsendern 4 und / oder Ultraschallempfänger 5 variiert werden, sodass die Position und Dimension des Werkstücks 3 auf der Werkstückaufnahme 2 aus unterschiedlichen Richtungen bezüglich der Werkstückaufnahme 2 erfasst werden kann.
Die 2 zeigt in einer rein schematischen Darstellung, wie ein fokussiertes Ultraschallsignal 6 durch die Überlagerung von mehreren Ultraschallwellen 8a, 8b, 8c von mehreren Ultraschallsendern 4a, 4b, 4c erzeugt werden kann. Senden die mehreren, örtlich beabstandet zueinander angeordneten Ultraschallsender 4a, 4b, 4c zeitlich versetzt Ultraschallwellen aus, so wird durch die Überlagerung der Ultraschallwellen an einem bestimmten Ort 9 eine fokussierte Ultraschallwelle 6 erzeugt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 überlagern die von den Ultraschallsendern 4a, 4b, 4c erzeugten Ultraschallwellen 8a,8b,8c, wobei die äußeren Ultraschallsender 4a und 4c die Ultraschallwellen 8a und 8c zeitlich versetzt zum Ultraschallsender 4b erzeugen, und zwar etwas früher als der Ultraschallsender 4b, da die Entfernung der Ultraschallsender 4a und 4c zu dem bestimmten Ort 9, an dem der Fokus der Ultraschallwelle 6 liegen soll größer ist als vom Ultraschallsender 4b, sodass eine fokussierte Ultraschallwelle 6 an den bestimmten Ort 9 entstehen kann.
Die Kodierung des fokussiert Ultraschallsignals 6 lässt sich durch Frequenzmodulation und / oder durch gepulste Aussendung von fokussierten Ultraschallsignalen 6 erreichen, wobei die Information, die in der Codierung enthalten ist, durch die Pulsabfolge oder die entsprechende Frequenzmodulation gegeben ist. Durch die Codierung des Ultraschallsignals 6 ist es für die Ultraschallempfänger 5 und die Steuer - und Auswerteeinheit 10 möglich, in einfacher Weise zu bestimmen, ob an dem bestimmten Ort 9, auf den das fokussierte, codierte Ultraschallsignal 6 ausgesandt wurde, eine Werkstückoberfläche vorliegt oder nicht, da nur in dem Fall, wenn eine Werkstückoberfläche an dem bestimmten Ort 9 vorliegt, die Codierung des Ultraschallsignals beibehalten wird. Entsprechend kann nur in diesem Fall von den Ultraschallempfängern 5 und der Steuer - und Auswerteeinheit 10 ein entsprechendes codierte, reflektiertes Ultraschallsignal 7 erfasst werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiedenen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Ausführungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen eingesetzt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsraum
2: Werkstückaufnahme
3: Werkstück
4, 4a, 4b, 4c: Ultraschallsender
5: Ultraschallempfänger
6: fokussiertes, codiertes Ultraschallsignal
7: reflektiertes, codiertes Ultraschallsignal
8a, 8b, 8c: Ultraschallwellen
9: bestimmter Ort im Bearbeitungsraum
10: Steuer - und Auswerteeinheit

Claims

Vorrichtung zur Vermessung und / oder Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Koordinatenmessgerät oder Bearbeitungsmaschine, mit einem Bearbeitungsraum (1), innerhalb dem die Vermessung und / oder Bearbeitung eines Werkstücks (3) stattfindet, wobei in dem Bearbeitungsraum eine Werkstückaufnahme (2) angeordnet ist, in und / oder auf der das Werkstück während der Vermessung und / oder Bearbeitung gelagert ist, die Vorrichtung mehrere Ultraschallsender (4,4a,4b,4c) und mindestens einen Ultraschallempfänger (5) sowie eine Steuer - und Auswerteeinheit (10) zur Steuerung des mindestens einen Ultraschallsenders und Auswertung des von dem mindestens einen Ultraschallempfänger erfassten Ultraschalls umfasst, die so eingerichtet sind, dass die Anwesenheit eines Werkstücks im Bearbeitungsraum erfasst werden kann, mehrere Ultraschallsender (4,4a,4b,4c) so angeordnet sind, sodass ein fokussiertes Ultraschallsignal an verschiedenen Punkten im dreidimensionalen Bearbeitungsraum erzeugbar ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer - und Auswerteeinheit so hergerichtet ist, dass zunächst in einem ersten Schritt durch mindestens einen Ultraschallsender mindestens eine unfokussierte Ultraschallwelle erzeugt wird und bestimmt wird, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, und dass nach dem Bestimmen, dass ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, in einem zweiten Schritt durch Erzeugen von fokussierten Ultraschallsignalen und Erfassen von reflektierten Ultraschallsignalen bestimmt wird, wo mindestens eine Werkstückoberfläche im Bearbeitungsraum angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ultraschallempfänger (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ultraschallsender und / oder mindestens ein Ultraschallempfänger relativ zur Werkstückaufnahme unterschiedlich positionierbar sind, sodass die Erfassung des Werkstücks aus unterschiedlichen Richtungen bezüglich der Werkstückaufnahme durchführbar ist.
Verfahren zur Erfassung von Werkstücken in Koordinatenmessgeräten oder Bearbeitungsmaschinen, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Ultraschallsender (4, 4a, 4b, 4c) und mindestens ein Ultraschallempfänger (5) relativ zu einem Bearbeitungsraum (1), innerhalb dem die Vermessung und / oder Bearbeitung eines Werkstücks (3) stattfindet, angeordnet sind und wobei eine Steuer - und Auswerteeinheit (10) zur Steuerung der Ultraschallsender (4, 4a, 4b, 4c) und Auswertung des von mindestens einem Ultraschallempfänger (5) erfassten Ultraschalls vorgesehen ist, die so betrieben wird, dass durch die Erzeugung von Ultraschallwellen durch mindestens einen Ultraschallsender (4, 4a, 4b, 4c) und Erfassen von Ultraschallwellen durch den mindesten einen Ultraschallempfänger (5) die Anwesenheit eines Werkstücks (3) im Bearbeitungsraum (1) ermittelt wird, wobei die Anwesenheit eines Werkstücks dadurch festgestellt wird, dass eine von dem mindestens einen Ultraschallsender erzeugte Ultraschallwelle von dem mindestens einen Ultraschallempfänger empfangen wird oder nicht empfangen wird, und wobei zur Bestimmung des Vorhandenseins einer Werkstückoberfläche an einem bestimmten Ort im Bearbeitungsraum mehrere Ultraschallsender zeitlich versetzt Ultraschallwellen so erzeugen, dass in dem Bearbeitungsraum an dem bestimmten Ort eine fokussierte Ultraschallwelle erzeugt wird, wobei die an der Werkstückoberfläche an dem bestimmten Ort reflektierte, fokussierte Ultraschallwelle von dem mindestens einen Ultraschallempfänger erfasst wird und von der Steuer - und Auswerteeinheit als die an dem bestimmten Ort an der Werkstückoberfläche reflektierte, fokussierte Ultraschallwelle bestimmt wird, und wobei zunächst in einem ersten Schritt durch den mindestens einen Ultraschallsender mindestens eine unfokussierte Ultraschallwelle erzeugt wird und bestimmt wird, ob ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, und dass nach dem Bestimmen, dass ein Werkstück im Bearbeitungsraum vorhanden ist, in einem zweiten Schritt durch Erzeugen von fokussierten Ultraschallsignalen und Erfassen von reflektierten Ultraschallsignalen bestimmt wird, wo mindestens eine Werkstückoberfläche im Bearbeitungsraum angeordnet ist..
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Vielzahl von bestimmten Orten im Bearbeitungsraum nacheinander fokussierte Ultraschallwellen mit dem Fokus an dem jeweiligen Ort erzeugt werden, um so mindestens einen Teil des Bearbeitungsraums, vorzugsweise den gesamten Bearbeitungsraum abzutasten, um zu bestimmen, wo im Bearbeitungsraum Werkstückoberflächen angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vielzahl von Ultraschallsendern codierte Ultraschallwellen erzeugt werden, wobei die Codierung durch Frequenzmodulation oder gepulste Ultraschallsignale erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Anwesenheit einer Werkstückoberfläche für eine Vielzahl von bestimmten Orten, insbesondere Punkten im Bearbeitungsraum, die in einem vorgegebenen Gitter mit vorgegebenen Gitterabständen im Bearbeitungsraum angeordnet sind, erfolgt, sodass eine Topographie - Karte eines Werkstücks im Bearbeitungsraum erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung des Werkstücks mit Ultraschallwellen aus mehreren unterschiedlichen Richtungen erfolgt, wobei die Werkstückaufnahme zu dem mindestens einen oder mehreren Ultraschallsendern und /oder dem mindestens einen Ultraschallempfänger unterschiedlich positioniert und / oder ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als erste, grobe Bestimmung der Position und / oder Dimensionierung eines Werkstücks in dem Bearbeitungsraum vor einer nachfolgenden Feinbestimmung der Position und / oder Dimensionierung eines Werkstücks in dem Bearbeitungsraum erfolgt.