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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Biegemaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Biegen von Draht oder Rohren.
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Bei der automatisierten Herstellung von zwei- oder dreidimensional gebogenen Biegeteilen mit Hilfe numerisch gesteuerter Biegemaschinen werden die Bewegungen von Maschinenachsen einer Biegemaschine mit Hilfe einer Steuereinrichtung koordiniert angesteuert, um an dem Werkstück, beispielsweise einem Draht, einem Rohr, einer Leitung oder einem Stab aus rundem, flachen oder profilierten Material, durch plastisches Umformen eine oder mehrere bleibende Biegungen zu erzeugen.
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In einem automatisierten Biegeprozess der in dieser Anmeldung betrachteten Art wird das Werkstück mit Hilfe einer Biegemaschine umgeformt, die einen Biegekopf aufweist, der ein drehbares Biegewerkzeug zum Angreifen an einem umzubiegenden ersten Abschnitt des Werkstücks aufweist, dessen Orientierung gegenüber einem nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt durch die Biegeoperation mittels plastischer Verformung bleibend verändert werden soll. Die Orientierung des zweiten Abschnitts soll beim Biegevorgang im Wesentlichen unverändert bleiben.
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Das drehbare Biegewerkzeug ist mithilfe eines durch eine Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse drehbar. Die Biegeachse ist die Drehachse des drehbaren Biegewerkzeugs des Biegekopfs. Senkrecht zur Biegeachse verläuft die Biegeebene. Die Biegeoperation erzeugt am Werkstück eine ebene Biegung parallel zur Biegeebene.
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Das drehbare Biegewerkzeug kann beispielsweise ein Biegestift aufweisen, der zum Biegen an einer Position mit Abstand von der Biegeachse einseitig an den umzubiegenden Abschnitt angelegt wird. Biegestifte kommen z.B. beim Drahtbiegen zum Einsatz. Das drehbare Biegewerkzeug kann auch eine Spanneinrichtung zum Einspannen des Endabschnitts aufweisen. Solche Spanneinrichtungen kommen häufig beim Biegen von Rohren mittels Rotationszugbiegen zum Einsatz.
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Beim Biegeprozess wird zunächst ein mit einer Biegung zu versehender Werkstückabschnitt in eine Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht. Wenn vorkonfektionierte, bereits abgelängte Einzelwerkstücke gebogen werden sollen, können diese hierzu in die Biegemaschine eingelegt werden. Diese Vorgehensweise kann z.B. bei Rohren größeren Durchmessers vorgesehen sein. Es ist auch möglich, von einem längeren Werkstückvorrat einen Werkstückabschnitt geeigneter Länge durch eine Zufuhroperation parallel zu einer Zufuhrrichtung in die Ausgangsstellung zu bewegen. Diese Vorgehensweise ist beim Drahtbiegen üblich und kann auch beim Biegen dünnerer Rohre vorgesehen sein.
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Der mit einer Biegung zu versehende Werkstückabschnitt hat einen umzubiegenden ersten Abschnitt und einen nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt, wobei zwischen diesen Abschnitten derjenige Abschnitt liegt, in dem die Biegung erzeugt werden soll. Der Werkstückabschnitt ist in der Regel vor dem Biegevorgang weitgehend gerade, so dass der erste und der zweite Abschnitt nominell gerade sind und miteinander fluchten.
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Danach wird das drehbare Biegewerkzeug in Kontakt mit dem umzubiegenden ersten Abschnitt gebracht. Das kann je nach Konstruktion der Maschine z.B. durch einseitiges Anlegen eines Biegestifts an den umzubiegenden ersten Abschnitt geschehen oder dadurch, dass der umzubiegende erste Abschnitt mittels einer Spanneinrichtung eingespannt wird, indem z.B. der umzubiegende erste Abschnitt zwischen einer Spannbacke der Spanneinrichtung und einer Biegeform fixiert wird. Die Außenkontur der Biegeform kann dabei die Innenkontur der Biegung stabilisieren und deren Radius genau vorgeben. Eine Biegeoperation ohne Biegeform ist auch möglich. Danach wird in einer Biegeoperation durch Drehen des drehbaren Werkzeugs um die Biegeachse eine Biegung zwischen dem nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt des Werkstückabschnitts und dem umzubiegenden ersten Abschnitt erzeugt. Der zweite Abschnitt bleibt dabei in seiner Orientierung in der Regel unverändert. Nach dem Biegevorgang spannen der erste und der zweite Abschnitt eine Ebene auf, in der auch die erzeugte Biegung liegt (ebene Biegung).
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Die relative Orientierung des umzubiegenden ersten Abschnitts gegenüber dem nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt wird üblicherweise durch den „Biegewinkel“ beschrieben. Für die Zwecke dieser Anmeldung ist der Biegewinkel definiert als der Winkel zwischen den verlängerten Mittelachsen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts. Die Größe des Biegewinkels entspricht im idealisierten Fall dem Drehwinkel, den ein drehbares Biegewerkzeug zur Erzeugung der gewünschten Biegung zurücklegen muss, um in einem geraden Werkstückabschnitt einen Bogen bzw. eine Biegung durch Umformen zu erzeugen und die Orientierung des ersten Abschnitts zu verändern. Eine Biegung kann weiterhin durch einen Biegeradius charakterisiert werden, wobei der Biegeradius der Krümmungsradius eines kreisbogenförmigen Teils der Biegung ist. Biegeradius und Biegewinkel sind typische Geometrieparameter zur Charakterisierung von Biegungen derartiger Formteile.
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Beim Biegen metallischer Werkstoffe federt der umgebogene erste Abschnitt in der Regel nach einem Biegevorgang aufgrund des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens um einen gewissen Winkelbetrag zurück, der in der Regel als Rückfederungswinkel bezeichnet wird. Die Rückfederung wird üblicherweise dadurch kompensiert, dass das Werkstück bei der Biegeoperation über den für das fertige Biegeteil angestrebten Soll-Biegewinkel hinaus überbogen wird. Man versucht dabei, das Ausmaß des Überbiegens, das durch den Überbiegewinkel beschrieben werden kann, so zu steuern, dass nach der Rückfederung der gewünschte Soll-Biegewinkel vorliegt.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Ausmaß der Rückfederung aufgrund von Schwankungen bei der Materialbeschaffenheit des Werkstücks (Werkstofffestigkeit, Wanddickenschwankungen bei Rohren etc.) von Werkstück zu Werkstück bzw. von Werkstückabschnitt zu Werkstückabschnitt variieren kann, was auch zu Streuungen bei der Rückfederung und bei der Form bzw. den Biegewinkeln der fertig gestellten Biegeteile führen kann.
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Zur Vermeidung von Ausschuss wird in der Regel angestrebt, den Biegeprozess so zu steuern, dass Abweichungen zwischen den angestrebten Soll-Biegewinkeln und den tatsächlich erzeugten Ist-Biegewinkeln sowie eine eventuelle Streuung der Biegewinkel bei nacheinander hergestellten Biegungen gleichartiger Biegungen an gleichartigen Werkstücken so gering wie möglich bleiben.
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Die
DE 10 2009 003 950 A1 (entsprechend
US 7,584,637 ) beschreibt ein Verfahren zum Biegen eines Metallgegenstandes und eine dazu geeignete Biegemaschine, die eine Messvorrichtung hat, welche dazu dient, wirkliche Biegekoordinaten der gebogenen Metallgegenstände zu messen. Auf Basis der Messung kann ein darauf folgender Biegevorgang gesteuert werden. Als Messeinrichtung ist bei einer Ausführungsform zum Rohrbiegen eine Kamera vorgesehen, die oberhalb der Biegeebene mit Abstand von der Biegeachse in einem Bereich angeordnet ist, in welchem die Mittellinie des umgebogenen ersten Abschnitts eines Rohrs nach dem Biegevorgang erwartet wird.
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Die
DE 10 2015 208 350 B3 offenbart ein Verfahren, bei dem mittels eines kamera-basierten Messsystems vor der produktiven Herstellung von Umformteilen Ist-Biegewinkel ermittelt werden, die in einer automatischen Kennlinienermittlungsoperation genutzt werden, um eine Kennlinie zu ermitteln, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen einem Soll-Geometrieparameter des Formteils (z.B. einem Soll-Biegewinkel) und einer zur Erzielung des Soll-Geometrieparameters einzustellenden Zustellung eines den Geometrieparameter beeinflussenden Umformwerkzeugs (z.B. Drehwinkel eines drehbaren Biegewerkzeugs) repräsentiert. Die Umformmaschine kann dann während des produktiven Betriebs mithilfe der ermittelten Kennlinie gesteuert werden. Die beschriebene Schenkelfedermaschine hat ein Messsystem mit einer Kamera, die so angebracht ist, dass ihr Bildfeld einen Teil des aktuell gefertigten Formteils oder das gesamte Formteil unmittelbar nach Austritt aus der Drahtzuführungseinrichtung erfassen kann, bevor das Formteil von zugeführten Draht abgetrennt wird. Die Messung kann mit Durchlicht und/oder Auflicht durchgeführt werden.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück, insbesondere aus einem Draht oder einem Rohr aus rundem, flachen oder profilierten Material, bereitzustellen, das es erlaubt, aus Werkstücken mit ggf. schwankenden Materialeigenschaften in einem automatisierten Biegeprozess mit hoher Zuverlässigkeit Biegeteile herzustellen, bei denen die Biegewinkel zuverlässig innerhalb vorgegebenen Toleranzen bleiben. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Biegemaschine bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Biegemaschine mit den Merkmalen von Anspruch 9 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei dem Verfahren wird zunächst ein mit einer Biegung zu versehener Werkstückabschnitt in eine Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht. Das Werkstück hat einen umzubiegenden ersten Abschnitt, der gegenüber einem in dieser Biegeoperation nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt umgebogen bzw. hinsichtlich seiner Orientierung verändert werden soll. Danach wird das Biegewerkzeug an einer mit Abstand zur Biegeachse liegenden Kontaktstelle bzw. in einem mit Abstand zur Biegeachse liegenden Kontaktbereich in Kontakt mit dem ersten Abschnitt gebracht. Dann wird in einer Biegeoperation durch Drehen des Biegewerkzeugs um die Biegeachse eine Biegung zwischen dem nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt und dem ersten Abschnitt erzeugt. Anschließend wird unter Verwendung eines mit einer Kamera ausgestatteten Messsystems zur berührungslosen Erfassung von Daten über die Geometrie des aktuell hergestellten Biegeteils ein Winkel-Messwert ermittelt, der den durch die Biegeoperation erzeugten Ist-Biegewinkel repräsentiert.
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Eine Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass mit der Kamera ein Bildfeld erfasst wird, welches den Biegekopf enthält, und dass Bildinformation aus dem Bildfeld zur Ermittlung des Winkel-Messwerts ausgewertet wird. Die Kamera ist dabei in Bezug auf den Biegekopf derart angeordnet, dass der Biegekopf vor, während und nach der Biegeoperation permanent im Bildfeld der Kamera liegt. Eine Messung kann direkt am Umformprozess in der Biegeebene durchgeführt werden. Eine Messung ist in unmittelbarer Nähe der zu erzeugenden Biegung möglich.
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Der Betrieb der Biegemaschine kann in Abhängigkeit von dem mindestens einen Winkel-Messwert gesteuert werden. Basierend auf den Winkel-Messwerten können z.B. Ist-Biegewinkel erfasst werden, um durch Auswertung der Werte festzustellen, ob sich diese innerhalb der zulässigen Toleranzen befinden. Biegeteile, die außerhalb der Toleranz liegen, können ggf. aussortiert werden. Vorzugsweise können alternativ oder zusätzlich Tendenzen ermittelt werden, um den Biegeprozess bei nachfolgend erzeugten Biegungen zu regeln. Die Regelung kann ggf. vorausschauend bereits eingreifen, wenn ein gemessener Winkel-Messwert oder eine Folge von Winkel-Messwerten zwar noch innerhalb der Toleranzen liegen, aber signifikant anzeigen, dass sich die Biegewinkel in Richtung einer Toleranzgrenze bewegen. Es ist ggf. auch möglich nochmals „nachzubiegen“.
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Die Kamera kann unabhängig von der Größe des zu erzeugenden Biegewinkels immer an der gleichen Position (Kameraposition) verbleiben. Es ist nicht erforderlich, die Position der Kamera zu verändern, wenn nach einer Serie von Biegungen mit einem ersten Biegewinkel eine Serie von Biegungen mit einem davon unterschiedlichen zweiten Biegewinkel erzeugt werden soll. Unterschiedliche Biegewinkel können mit der gleichen Kameraposition vermessen werden, eine Neu-Einstellung der Kameraposition ist nicht erforderlich. Die Kamera kann also an einer geeignet gewählten Kameraposition fest installiert sein. Die Kameraposition kann derart koaxial zur Biegeachse liegen, dass eine optische Achse der Optik des Kamerasystems mit der Biegeachse zusammenfällt. Hierdurch wird eine Kalibrierung des Messsystems besonders einfach. Eine Kalibrierung kann ggf. auch entfallen. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht zwingend. Die Kameraposition kann auch so sein, dass die Kamera schräg zur Biegeachse den Bereich um den Biegekopf erfasst. Durch eine entsprechende Kalibrierung, beispielsweise mit einer Kalibrierschablone, können gleichermaßen exakte Messwerte erzielt werden.
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Vorzugsweise wird so vorgegangen, dass nach einer Biegeoperation das gebogene Werkstück durch eine entgegen der Biegerichtung gerichtete Rückdrehung des Biegewerkzeugs entlastet wird, bevor eine Messung an dem gebogenen Werkstück durchgeführt wird. Dadurch hat die Rückfederung keinen Einfluss auf das Messergebnis. Die Entlastung kann so erfolgen, dass das Biegewerkzeug noch in weitgehend kräftefreiem Berührungskontakt zum ersten Abschnitt bleibt. Dadurch können eventuelle Vibrationen des ersten Abschnitts während der Messung gedämpft bzw. vermieden werden, wodurch die Messgenauigkeit verbessert werden kann. Es ist auch möglich, zunächst eine Messung nach Drehung des Biegewerkzeugs um den vorgesehenen Drehwinkel durchzuführen, danach das Werkstück durch Zurückdrehen des Biegewerkzeugs entgegen der Biegerichtung zu entlasten und dann eine weitere Messung an dem entlasteten Werkstück durchzuführen. Auf diese Weise kann durch Vergleich der dadurch erhaltenen Winkel-Messwerte unmittelbar das Ausmaß der Rückfederung als Rückfederungswinkel ermittelt werden.
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Eine Messoperation wird vorzugsweise so durchgeführt, dass der erste Abschnitt an mindestens einer mit Abstand von der Biegeachse liegenden Messstelle optisch angetastet wird und dass der Winkel-Messwert unter Verwendung von Positionsdaten der Messstelle im Bildfeld ermittelt wird. Als Messstelle kann beispielsweise ein Hell-Dunkel-Übergang zwischen einer Kontur des ersten Abschnitts und dem aus Sicht der Kamera hinter dem ersten Abschnitt liegenden Hintergrund genutzt werden.
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Es ist möglich, den Winkel-Messwert mit ausreichender Genauigkeit unter Verwendung von Positionsdaten von nur einer einzigen Messstelle bzw. eines einzigen Messpunkts am ersten Abschnitt zu ermitteln, da der Biegekopf (mit dem Biegedorn) und die Biegeachse ebenfalls im Bildfeld der Kamera liegen und deren Positionsdaten gemeinsam mit den Positionsdaten der Messstelle für die Ermittlung des Winkel-Messwerts genutzt werden können, gegebenenfalls gemeinsam mit Informationen über den Durchmesser des Werkstücks. Beispielsweise kann nach Bestimmung der ersten Messstelle bzw. des ersten Messpunktes ausgehend von diesem Punkt rechnerisch eine Tangente an den Außenradius des Biegedorns angelegt werden. Der Schnittpunkt dieser Tangente am Biegedorn bestimmt einen zweiten Messpunkt, so dass durch die beiden Messpunkte eine parallel zum ersten Abschnitt verlaufende erste Hilfslinie zur Winkelbestimmung definiert wird.
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Es ist auch möglich, den ersten Abschnitt an mindestens zwei in unterschiedlichen Abständen von der Biegeachse liegenden Messstellen optisch anzutasten und unter Verwendung der dadurch ermittelten Positionsdaten die Orientierung des ersten Abschnitts und daraus die Winkel-Messwerte zu ermitteln. Bei zwei Messstellen bzw. Messpunkten bestimmt die Gerade durch die Punkte eine erste Hilfslinie für die Winkelmessung. Bei mehr als zwei Punkten kann eine Ausgleichgerade durch alle Punkte errechnet werden, wobei diese dann die Hilfslinie für die erste Winkelmessung definiert.
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Eine besonders präzise Messung ergibt sich gemäß einer Weiterbildung dadurch, dass unter Verwendung der Positionsdaten der Messstelle eine erste Hilfslinie berechnet wird, die die Orientierung des ersten Abschnitts in der Biegeebene repräsentiert, dass eine die Orientierung des zweiten Abschnitts in der Biegeebene repräsentierende zweite Hilfslinie ermittelt wird und dass der Winkel-Wert aus einem Winkel zwischen der ersten Hilfslinie und der zweiten Hilfslinie berechnet wird. Die Hilfslinien können beispielsweise parallel zu den Mittellinien des ersten Abschnitts und des zweiten Abschnitts verlaufen oder mit diesen zusammenfallen. Dann entspricht der Biegewinkel direkt dem Winkel zwischen der ersten und der zweiten Hilfslinie.
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Bei manchen Verfahrensvarianten wird in einer Messoperation wenigstens eine Messstelle an dem ersten Abschnitt und wenigstens eine Messstelle an dem zweiten Abschnitt angetastet. Hierdurch können besonders hohe Messgenauigkeiten erzielt werden, insbesondere dann, wenn die beiden Messstellen gleichzeitig angetastet werden. Insbesondere kann durch diese Vorgehensweise der Einfluss eventueller Vibrationen der Kamera bei arbeitender Biegemaschine auf die Genauigkeit der Messung reduziert werden.
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Es ist jedoch nicht zwingend, dass auch die Orientierung des zweiten Abschnitts durch eine Messung bestimmt wird. Vielmehr gibt es auch Verfahrensvarianten, bei denen eine zweite Hilfslinie ohne Messung am zweiten Abschnitt aus einer Soll-Orientierung des zweiten Abschnitts bestimmt wird. Dies kann insbesondere bei solchen Verfahren ausreichen, bei denen das zugeführte Werkstückmaterial mittels einer Zuführeinrichtung in einer Zuführrichtung dem Biegekopf zugeführt wird. In diesen Fällen kann mit guter Genauigkeit angenommen werden, dass der zweite Abschnitt parallel zu der Zuführrichtung orientiert ist, welche wiederum in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem eine feste Richtung ist, die auch im Messkoordinatensystem des Messsystems bekannt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Präzision der Messung dadurch verbessert, dass als Messstelle ein Hell-Dunkel-Übergang zwischen einer Kontur des ersten Abschnitts und einem kontraststeigernden Hintergrund an der der Kamera abgewandten Seite des ersten Abschnitts verwendet wird. Hierzu kann der erste Abschnitt zumindest zur Durchführung einer Messung von der der Kamera abgewandten Seite mittels einer Hintergrundbeleuchtung beleuchtet werden. Die Hintergrundbeleuchtung kann aktiv oder passiv sein. Die Biegemaschine kann hierzu eine Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung zur Bereitstellung eines kontraststeigernden Hintergrunds an der der Kamera abgewandten Seite der Biegeebene bzw. des ersten Abschnitts aufweisen.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Element der Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung den Biegekopf mindestens teilweise umschließt, so dass der Biegekopf über einen Teil seines Umfangs oder über den gesamten Umfang durch einen kontraststeigernden Hintergrund umgeben ist. Vorzugsweise sollte zumindest derjenige Umfangsabschnitt mit einem kontraststeigernden Hintergrund versehen sein, in welchem die Endlage des ersten Abschnitts nach einer Biegeoperation erwartet wird, und zwar vorzugsweise bei allen mit der Biegemaschine durchführbaren Biegeoperationen. Ein Umschließungswinkel kann bei 90° oder mehr liegen, insbesondere bei 180° oder mehr und/oder bei 250° oder mehr. Der kontraststeigernde Hintergrund kann beispielsweise die Form eines Rings oder eines Ringsegments oder eine C-Form aufweisen. Somit ist unabhängig von der Orientierung des ersten Abschnitts nach einer Biegeoperation ein kontraststeigernder Hintergrund vorhanden, der einen scharfen Hell-Dunkel-Übergang für die Messung bereitstellt.
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Bei manchen Ausführungsformen weist die Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung einen Leuchtkasten mit einer oder mehreren Lichtquellen hinter einer lichtdurchlässigen, diffus streuenden Platte auf. Hierdurch kann eine aktive Hintergrundbeleuchtung mit einer hellen, homogen leuchtenden Fläche bereitgestellt werden. Die Platte kann beispielsweise aus Milchglas bestehen oder als opake Kunststoffplatte ausgelegt sein, die zwar lichtdurchlässig, aber undurchsichtig (opak) ist.
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Es ist auch möglich, dass die Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung einen den Biegekopf mindestens teilweise umschließenden diffusen Reflektor an der der Kamera abgewandten Seite der Biegeebene sowie mindestens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Reflektors an der Seite der Kamera aufweist. Bei Verwendung eines solchen (passiven) Reflektors kann auf eine aktive Hintergrundbeleuchtung (mithilfe eines Leuchtkastens oder dergleichen) verzichtet werden. Ein Reflektor kann jedoch auch zusätzlich zu einer aktiven Hintergrundbeleuchtung vorgesehen sein, beispielsweise als ringförmiger Reflektor, der den Biegekopf unmittelbar umschließt. Da der Reflektor keine elektrisch aktiven Komponenten und keine elektrischen Anschlüsse benötigt, ist diese Lösung besonders robust und auch besonders kostengünstig. Ein Reflektor kann bei Bedarf leicht gegen einen anderen Reflektor ausgetauscht werden, beispielsweise zum Zwecke der Reinigung.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
- 1 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht einer Biegemaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung von der mit einem Biegekopf ausgestatteten Vorderseite;
- 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Biegemaschine aus 1 in Richtung parallel zur Biegeachse des Biegekopfs;
- 3 zeigt eine schrägperspektivische Ansicht des Biegekopfs der Biegemaschine aus 1 mit einem Leuchtkasten einer Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung, wobei der Leuchtkasten den Biegekopf in Umfangsrichtung um mehr als 180° umschließt;
- 4 zeigt in 4A einen Ausschnitt des Bildschirms einer Bedieneinheit der Biegemaschine während der Messung eines Biegewinkels und in den 4B, 4C und 4D unterschiedliche Mess-Strategien;
- 5 zeigt in 5A eine schrägperspektivische Teilansicht einer anderen Ausführungsform, die einen diffusen Reflektor als Bestandteil einer Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung nutzt, sowie in 5B eine Draufsicht auf den Reflektor;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer computernumerisch gesteuerten Biegemaschine 100 erläutert, die für das Biegen von Draht eingerichtet ist. 1 zeigt eine schrägperspektivische Vorderansicht der Einkopf-Biegemaschine. Die Biegemaschine 100 ist als Drahtbiegemaschine dafür ausgelegt, ein langgestrecktes Werkstück 110 in Form eines Drahts mit vorzugsweise rundem Querschnitt durch Kaltverformen mit einer oder mehreren Biegungen in einer oder mehreren Biegeebenen zu versehen. Es können auch Drähte mit flachem oder profiliertem Querschnitt gebogen werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Biegemaschine 100 ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes, rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z-Achse und horizontalen x- und y-Achsen. Im dargestellten Beispiel verläuft die x-Achse parallel zur Werkstückachse 112 des noch nicht gebogenen Werkstücks. Von den Koordinatenachsen sind die geregelt angetriebenen Maschinenachsen zu unterscheiden, die jeweils mit Großbuchstaben (z.B. A, C, etc.) bezeichnet werden.
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Sämtliche Antriebe für die Maschinenachsen sind elektrisch an eine (nicht dargestellte) Steuereinrichtung angeschlossen, die unter anderem die Leistungsversorgung für die Antriebe, eine zentrale Rechnereinheit und Speichereinheiten enthält. Mit Hilfe der in der Steuereinrichtung aktiven Steuerungssoftware werden die Bewegungen sämtlicher Maschinenachsen variabel gesteuert, um eine koordinierte Bewegung der am Biegevorgang beteiligten Elemente zu erzeugen. Eine an die Steuereinrichtung angeschlossene Anzeige- und Bedieneinheit dient als Schnittstelle zum Maschinenbediener.
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Zur Erzeugung einer Biegung wird ein zunächst gerader Werkstückabschnitt in eine Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs 180 gebracht. Bei Werkstücken mit relativ großem Durchmesser bzw. großem Querschnitt liegt das Werkstück häufig vor dem Biegen bereits in abgelängter Form als vorkonfektioniertes Werkstück vor und wird manuell oder maschinell in die Biegemaschine eingelegt. Bei dünneren Querschnitten wird häufig von einem längeren Werkstückvorrat (Coil) gearbeitet. Dies ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall.
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Die Biegemaschine hat hierzu eine in 1 nicht sichtbare, mit Einzugswalzen ausgestattete Einzugseinrichtung, die aufeinanderfolgende Drahtabschnitte eines von einem Drahtvorrat kommenden und ggf. durch eine optionale Richteinheit geführten Drahtes mit numerisch gesteuertem Vorschubgeschwindigkeitsprofil in horizontaler Richtung (parallel zur x-Richtung) in den Bereich des Biegekopfs 180 einziehen bzw. zuführen kann. Der Draht wird austrittsseitig durch eine rohrförmige Drahtführung 108 hindurchgeführt und tritt in horizontaler Zuführrichtung aus. Der Vorschub (die Einzugsbewegung) wird gestoppt, wenn der Draht eine Ausgangsstellung erreicht. Die lineare Maschinenachse für die Zufuhr wird als C-Achse bezeichnet, sie hat einen nicht dargestellten Motor. Der Draht tritt bei der Zufuhr aus dem vorderen Ende der Drahtführung 108 aus, verläuft danach durch den Bereich einer Schnitteinrichtung 150 bis in den Eingriffsbereich des Biegekopfs 180.
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Eine Drehung des Werkstücks um die Werkstücklängsachse, beispielsweise zum Wechsel der Biegeebene, wird über den Drehantrieb der A-Achse erzeugt.
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Der Biegekopf 180 hat einen während des Biegevorgangs stationären inneren Werkzeugteil 182, der in Draufsicht (vgl. 2) eine zylindrische Außenkontur hat. Dieser Werkzeugteil trägt an seiner Oberseite mehrere auswechselbare Biegedorne unterschiedlicher Durchmesser, von denen jeweils einer (der genutzte Biegedorn 183) in eine Arbeitsstellung in der Nähe der Werkstückachse gebracht werden kann, um beim Biegevorgang als innere Abstützung des Werkstückabschnitts zu dienen. Der Außendurchmesser des genutzten Biegedorns 183 legt den Biegeradius der zur erzeugenden Biegung fest, also den Krümmungsradius der Biegung.
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Weiterhin hat der Biegekopf 180 ein gegenüber dem inneren Werkzeugteil drehbares Biegewerkzeug 184, das dafür vorgesehen ist, an einem umzubiegenden ersten Abschnitt 110-1 des Werkstücks seitlich anzugreifen. Das Biegewerkzeug 184 trägt an seiner Oberseite einen Biegestift 186 und ist mittels eines durch die Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse 185 drehbar. Die Orientierung der Biegeachse legt die Orientierung der Biegeebene fest, welche orthogonal zur Biegeachse liegt und die Werkstückachse 112 enthält.
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Der Biegekopf 180 ist als Ganzes um eine parallel zur x-Achse verlaufende Achse verschwenkbar, so dass die Biegeachse 185 wahlweise vertikal (parallel zur z-Richtung) oder schräg dazu in eine geneigte Stellung ausgerichtet werden kann. Die Werkzeugelemente des Biegekopfs sind in einem massiven Träger montiert, der in kreisbogenförmigen Führungen an der Vorderwand der Maschinenbasis 102 geführt ist. An der Oberseite des Trägers ist eine metallische Tischplatte 192 eines Auflagetischs 190 montiert, dessen ebene Oberseite in jeder Stellung des Biegekopfs wenig unterhalb des Niveaus der Werkstückachse 112 liegt. Der Auflagetisch dient als Auflage für die über den Biegekopf hinausragenden Abschnitte eines Formteils und als Rutsche, über die fertig gebogene Biegeteile nach dem Abtrennen vom Materialvorrat seitlich in einen Sammelbehälter rutschen können.
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An der der Schnitteinrichtung 150 zugewandten Seite der Tischplatte 192 befindet sich eine zur Schnitteinrichtung offene, kreissegmentförmige Aussparung 195, deren kreisbogenförmiger Innenrand 196 sich über mehr als 180° erstreckt und der konzentrisch zur Biegeachse verläuft. Die Biegeachse liegt somit in der Mitte der Ausnehmung. Zwischen der Außenseite des Biegewerkzeugs 184 und dem Innenrand 196 verbleibt ein radialer Freiraum.
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Die Biegemaschine ist mit einem kamerabasierten, optischen Messsystem 200 zur berührungslosen Echtzeiterfassung von Daten über die Geometrie eines aktuell hergestellten Biegeteils oder eines Abschnitts desselben ausgestattet. Das Messsystem hat eine Digital-Kamera 250, die Bilder oder Bildsequenzen über eine Schnittstelle an ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem liefern kann. Die Bilderfassung der Einzelbilder wird jeweils über Auslösesignale (Trigger) der Steuerung ausgelöst. Die Software für die Bildverarbeitung ist in einem Programmmodul untergebracht, welches mit der Steuereinrichtung der Biegemaschine zusammenarbeitet bzw. in diese integriert ist.
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Die Kamera 250 ist mit Abstand oberhalb der Tischplatte 192 an einer festen Kameraposition so angebracht, dass ihr rechteckiges Bildfeld 252 (Bildererfassungsbereich) den Bereich des Biegekopfs 180 und die ihn umgebende Aussparung 195 vollständig erfasst. Der Abstand zur Tischplatte kann in der Größenordnung von mehreren zehn Zentimetern oder von einem Meter oder mehr liegen. Durch die Anordnung und Größe des Bildfeldes kann die Kamera vor einem Biegevorgang den mit einer Biegung zu versehender Werkstückabschnitt in seiner Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs 180 und nach dem Biegevorgang den Bereich der Biegung zwischen einem aus der Drahtführung kommenden, nicht umzubiegenden zweiten Abschnitt 110-2 und einem umgebogenen ersten Abschnitt 110-1 erfassen.
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Zur Montage der Kamera in der Kameraposition ist ein massiver galgenförmiger Träger 210 vorgesehen, der fest an der Maschinenbasis 102 montiert ist und einen mit mehreren Gelenken ausgestatteten Gelenkarm 212 trägt, an dessen freien Ende die Kamera 250 montiert ist. Um die Übertragung von Schwingungen des Maschinenkörpers auf die Messung zu vermeiden, kann alternativ vorgesehen sein, zur Montage der Kamera in der Kameraposition einen freistehenden (nicht mit der Maschine verbundenen) Träger, z.B. einen „C-förmigen“ Träger, zu verwenden.
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Mithilfe der Trägerkonstruktion kann die Position der Kamera bzw. die Ausrichtung der optischen Achse des Kamerasystems in Bezug auf den Biegekopf 180 exakt eingestellt werden. Eine einmal eingestellte Kameraposition bleibt erhalten. Sie muss in der Regel auch beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Biegeprozessen (unterschiedliche Geometrien der Biegeteile) nicht verändert werden. Bei Bedarf kann die Kamera an einer anderen festen Kameraposition angeordnet werden. Die optische Achse der Kamera kann koaxial mit der Biegeachse 185 liegen. Dies ist jedoch nicht zwingend. Auch eine schräge Anordnung ist möglich. Nachdem die Kameraposition eingestellt wurde, wird vor Beginn der Messoperationen eine Kalibrierung des Messsystems vorgenommen, um einen Bezug zwischen Koordinaten des Maschinenkoordinatensystems MK und Koordinaten des Messsystems 200 herzustellen. Damit können Positionsdaten von Punkten im Bildfeld in Positionsdaten im Raum umgerechnet werden.
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Zu dem Messsystem gehört eine Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung 260 zur Bereitstellung eines kontraststeigernden Hintergrunds an der der Kamera 250 gegenüber liegenden Seite der Biegeebene. Details der Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung sind besonders gut in den 2 und 3 zu erkennen. Die Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung 260 weist einen Leuchtkasten 262 auf, der gegenüber der Unterseite der Tischplatte im Bereich des Biegekopfs 180 montiert ist und diesen über einen Umfangswinkel von mehr als 180° umschließt. Der Leuchtkasten 262 hat ein flaches, lichtundurchlässiges Gehäuse aus Metall, in welchem zahlreiche Lichtquellen in Form von Leuchtdioden verteilt angeordnet sind. An der der Rückseite der Tischplatte zugewandten Oberseite ist eine lichtundurchlässige, diffus streuende Platte 264 angebracht. Die Außenkontur des Leuchtkastens ist rechteckig. Der Leuchtkasten hat jedoch auf der der Schnitteinrichtung zugewandten Seite eine kreissegmentförmige Aussparung 265, deren Innendurchmesser etwa 5 bis 10 cm kleiner ist als der Innendurchmesser der Aussparung 195 der Tischplatte. Der Leuchtkasten wird so montiert, dass das Zentrum der Aussparung mit der Biegeachse 185 annähernd zusammenfällt. Aus der Perspektive der Kamera (vgl. 2) ist die von hinten beleuchtete Platte 264 des Leuchtkastens als C-förmiger Ring zwischen dem inneren Rand 196 der Aussparung 195 und dem Biegekopf zu erkennen. Dieser ringsegmentförmige, aktiv homogen beleuchtbare Hintergrund umschließt den Biegekopf über etwa 270° und damit so weit, dass für alle mit der Biegemaschine erzielbaren Biegewinkel am Werkstück der umgebogene erste Abschnitt 110-1 nach Abschluss der Biegeoperation oberhalb des Leuchtkastens liegt, so dass ein Teilabschnitt des ersten Abschnitts von der der Kamera abgewandten Rückseite homogen hinterleuchtbar ist.
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Die schematische 4A zeigt einen Ausschnitt der Bildschirmdarstellung an der Anzeige- und Bedieneinheit der Biegemaschine 100 während einer Messung. Das rechteckförmige Bildfeld 252 enthält den gesamten C-förmigen Bereich, der durch die Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung ausgeleuchtet wird. Ein unmittelbar vor der Hintergrundbeleuchtung liegender Messabschnitt 110-1M des umgebogenen ersten Abschnitts ist als breite schwarze Linie vor dem gleichmäßig hellen Hintergrund der Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung zu erkennen. Im Rahmen der Messoperation wird ein Linienscan entlang einer Messlinie 415 erfasst, die quer, insbesondere im Wesentlichen senkrecht zum Verlauf des Messabschnitts verläuft. Die Helligkeitswerte der Bildpunkte (Pixel) ändern sich beim Übergang von dem Bereich mit Hintergrundbeleuchtung zu dem durch den Messabschnitt abgeschatteten Bereich an der Außenkontur des Messabschnitts 110-1M sprunghaft. Der Ort des Hell-Dunkel-Übergangs an der Kontur des Messabschnitts bildet eine Messstelle, deren Position im Bildfeld unabhängig von der Beleuchtungssituation am Aufstellungsort der Biegemaschine mit hoher Präzision ermittelt werden kann. Aus den Positionsdaten des Hell-Dunkel-Übergangs im Linienscan bzw. den entsprechenden Bildkoordinaten dieser Messstelle bzw. dieses Messpunkts kann mithilfe weiterer Parameter der Winkel-Wert berechnet werden.
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Im Beispielsfall berechnet das Bildverarbeitungsprogramm die Daten für eine gerade erste Hilfslinie 430-1, die parallel zur Mittelachse des ersten Abschnitts entlang der Hell-Dunkel-Kontur verläuft. Weiterhin sind im Programm Daten für eine virtuelle zweite Hilfslinie 430-2 hinterlegt, die parallel zur Zuführrichtung (x-Achse des Maschinenkoordinatensystems) verläuft.
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Der Biegewinkel kann definiert werden als der Winkel zwischen den verlängerten Mittelachsen des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts. Alternativ kann der Biegewinkel auch als Winkel zwischen den Kanten des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitt definiert werden. Langestreckte Werkstücke, wie z.B. Drähte, weisen i.d.R. zwei Kanten auf, die in Draufsicht parallel und symmetrisch zur Mittelachse verlaufen. Durch die Parallelität können die Kanten bzw. die Mittelinien des zweiten Abschnitts und des ersten Abschnitts mit einander kombiniert werden, um den Biegewinkel zu ermitteln.
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Die 4B, 4C und 4D illustrieren beispielhaft einige Mess-Strategien.
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Bei der Variante von 4B wird nur eine einzige Messstelle M1 an der innen liegenden Kontur des ersten Abschnitts 110-1 oberhalb der Hintergrundbeleuchtung optisch angetastet. Die Hilfslinie 430-1 wird definiert als diejenige Tangente an den Umfang des Biegestifts, die durch diesen Messpunkt verläuft. Die zweite Hilfslinie 430-1 verläuft parallel zur Mittellängsachse des zweiten Abschnitts bzw. der Drahtzuführrichtung. Diese kann mit der Mittellängsachse zusammenfallen oder, wir gezeigt, parallel versetzt dazu liegen. Der zweite Abschnitt wird nicht gesondert angetastet.
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Wie 4C zeigt, können z.B. auch zwei Punkte M1, M2 in ausreichendem Abstand zueinander optisch ermittelt und als Messpunkte markiert werden. Die Gerade zwischen den beiden Punkten bildet die Hilfslinie 430-1 (Messlinie) bzw. die Gerade des ersten Abschnitts. Es kann von beiden Seiten des ersten Abschnitts oder der Konturlinie angetastet werden. Über die Software wird die Grenze des Hell-Dunkel-Übergang oder Dunkel-Hell-Übergang ermittelt.
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Wenn mehr als zwei mit Abstand zueinander liegende Messstellen bzw. Messpunkte M1 bis M4 an derselben Kontur angetastet werden (4D), dann kann die erste Hilfslinie 430-1 als Ausgleichsgerade durch diese Punkte definiert werden.
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In 5A und 5B sind Details einer Biegemaschine 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dargestellt. Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel bestehen lediglich bezüglich des Aufbaus und der Funktion des Messsystems, weshalb die Komponenten der Biegemaschinen die gleichen Bezugszeichen tragen wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Die Kamera 550 des Messsystems 500 ist ähnlich wie beim ersten Ausführungsbeispiel an einer Trägerkonstruktion befestigt und befindet sich nach der Einstelloperation an einer festen Kameraposition mit Abstand oberhalb der Tischplatte 192 des Auflagetischs. Das rechteckige Bildfeld 552 der Kamera enthält den Biegekopf 180 sowie die gesamte Aussparung 195 an der der Einzugseinrichtung zugewandten Seite des Auflagetischs.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Messsystem eine Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung 560, die eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung mit einer oder mehreren Lichtquellen 565 umfasst, die innerhalb eines Beleuchtungskastens um das Objektiv der Kamera 550 herum angeordnet sind. Auf der dem Auflagetisch zugewandten Seite des Kastens ist eine Streuscheibe montiert, so dass der Bereich des Biegekopfs 180 mittels der Lichtquellen 560 mit diffusem Licht homogen ausgeleuchtet werden kann.
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Unterhalb des Auflagetischs befindet sich, genau wie beim ersten Ausführungsbeispiel, ein Leuchtkasten 260 einer aktiven Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung. Zwischen dem Biegekopf 180 und dem Innenrand der Aussparung des Lichtkastens liegt ein radialer Freiraum.
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Eine Besonderheit des Messsystems 500 besteht darin, dass die Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung 560 zusätzlich zu dem Leuchtkasten 260 einen im Wesentlichen ringförmigen Reflektor 570 aufweist, der in 5B in vergrößertem Detail dargestellt ist. Der Reflektor wird im Wesentlichen durch ein flaches Blechstück aus eloxiertem Aluminium gebildet, dessen dünn beschichtete ebene Oberfläche als diffus reflektierende Reflektorfläche dient. Der Reflektor hat im Wesentlichen die Form einer kreisrunden Scheibe, deren Außendurchmesser etwa dem Innendurchmesser der von der aktiven Hintergrundbeleuchtung umschlossenen Aussparung entspricht oder geringfügig größer als dieser Durchmesser ist. Um das Zentrum herum ist eine im Wesentlichen kreisförmige Aussparung 572 vorgesehen, deren Innendurchmesser geringfügig größer als der Außendurchmesser des drehbaren Biegewerkzeugs 184 ist. An einer Seite hat die kreisförmige Aussparung eine rechteckförmige Erweiterung 574, die an die Größe des Trägers für den Biegestift 186 angepasst ist. Dadurch kann der Reflektor auf den Biegekopf so aufgelegt werden, dass der innere stationäre Werkzeugteil 182 des Biegekopfs die Aussparung 572 durchgreift und der Träger für den Biegestift in die rechteckige Aussparung 574 passt. Der Reflektor liegt dann auf der Oberseite des ringförmigen Teils des drehbaren Biegewerkzeugs auf und dreht sich während sich der Biegeoperation mit dieser mit. Der Reflektor 570 umschließt den Biegekopf vollständig.
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Bei der Durchführung einer Messung nach Abschluss einer Biegeoperation und Entlastung des Werkstücks durch Zurückfahren des drehbaren Biegewerkzeugs werden die Lichtquellen 560 so angesteuert, dass sie blitzartig aufleuchten und die Oberseite des Auflagetischs inklusive den Bereich um den Biegekopf 180 gleichmäßig beleuchten. Dasjenige Licht, welches auf die Oberseite des Reflektors 570 fällt, wird von diesem diffus rückreflektiert, so dass der diffuse Reflektor als passive Hintergrundbeleuchtung dient, die einen starken Hell-Dunkel-Kontrast an den Konturen des gebogenen ersten Abschnitts erzeugt. Dieser kann dadurch mit hoher Genauigkeit angetastet werden.
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Ein Vorteil des Reflektors besteht darin, dass er unmittelbar bis an die Außenkontur des stationären Teils 182 des Biegekopfs 180 heranreicht, so dass Messungen auch dann möglich sind, wenn der gebogene erste Abschnitt nur sehr kurz ist und nicht bis in den Bereich der aktiven Hintergrundbeleuchtung oder über diesen Bereich hinaus bis auf den Auflagetisch reicht. Zudem sind Reflektoren dieser Art relativ kostengünstig herstellbar, leicht auswechselbar und aufgrund des Fehlens elektrisch zu betreibenden Komponenten sehr robust.
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Der Reflektor sitzt auf dem drehbaren Biegewerkzeug und dreht sich um den innen stationären Teil. Ein besonderer Vorteil ist, dass damit kurze „Schenkel“ gemessen werden können, da der Reflektor den Biegekopf besonders nah umschließt und - im Gegensatz zum Leuchtkasten - gemeinsam mit dem Biegestift mitgedreht werden kann.
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Eine Kombination aus aktiver Hintergrund-Beleuchtung (z.B. mittels Leuchttisch) am Auflagetisch und Reflektor am Biegekopf kann günstig sein. Dadurch kann ein möglichst großer Bereich der Aussparung abgedeckt werden. Die Messpunkte am ersten Abschnitt können dann sehr weit auseinander liegen, wodurch genauere Messungen möglich sind..
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Es gibt auch Ausführungsformen, bei denen die kontraststeigernde Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung auf Seiten des Biegekopfs lediglich einen entsprechend gestalteten Reflektor hat, der mit einer Beleuchtungseinrichtung auf Seiten der Kamera zusammenwirkt. Es kann also auf eine aktive Hintergrund-Beleuchtungseinrichtung zum Beispiel nach Art eines Leuchtkastens, auch verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009003950 A1 [0013]
- US 7584637 [0013]
- DE 102015208350 B3 [0014]
