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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer kinematischen Baugruppe. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Erfassungseinrichtung, die an einer kinematischen Baugruppe anordenbar, insbesondere montierbar, ist.
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Die Bewertung, ob die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe für eine spezielle Aufgabe ausreichend ist, ist häufig schwierig. Die von den Herstellern der Baugruppen angegebenen Werte sind häufig allgemeine Angaben, die nur für spezielle Testszenarien zutreffen. In der Regel geben Hersteller nur Positioniergenauigkeiten an. Da Positioniergenauigkeiten jedoch bei Stillstand gemessen werden, können diese Zahlen nicht auf dreidimensionale dynamische Prozesse extrapoliert werden.
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Aus der
DE 10 2016 118 189 A1 sind ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserschweißen eines ersten und eines zweiten Werkstückabschnitts bekannt. Insbesondere offenbart diese Druckschrift eine Erfassungseinrichtung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe auch im Betrieb der kinematischen Baugruppe erfasst und bestimmt werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer kinematischen Baugruppe mit den Schritten:
- a. Bewegen eines Endeffektors, dem ein Tool Center Point (TCP) zugeordnet ist, einer kinematischen Baugruppe entlang einer vorgegebenen Sollkontur,
- b. Aufnahme eines Bildstroms von Einzelbildern mittels einer sich mit der kinematischen Baugruppe bewegenden Bildaufnahmevorrichtung mit mehr als 100 Einzelbildern pro Sekunde,
- c. Positionieren einer Markierung, insbesondere eines Fadenkreuzes, an einer vorbestimmten Position in zumindest einigen Einzelbildern zur Markierung der Position des TCP,
- d. Zusammenfügen zumindest einiger Einzelbilder zu einem Gesamtbild,
- e. Speichern des Gesamtbilds.
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Unter einer kinematischen Baugruppe können beispielsweise Werkzeugmaschinen und/oder Industrieroboter verstanden werden. Diese sind häufig aus mehreren hintereinander angeordneten Achsen aufgebaut, von denen jede einen eigenen Antrieb und ein eigenes Steuer-, Regel- und Messsystem haben kann. Insbesondere kann eine kinematische Baugruppe eine kinematische Kette von Gliedern mit rotatorischen und/oder translatorischen Gelenken aufweisen, die es erlaubt, im Zusammenwirken mit Antrieben und mechanischen Übertragungselementen für die einzelnen Achsen eine vorgegebene Bewegung auszuführen.
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Eine kinematische Kette kann eine Baugruppe umfassen, die nur für den Antrieb in einer Bewegungsachse zuständig ist, und die eine zweite Baugruppe mit einer anderen Bewegungsachse in Bewegung setzt. Es können sich weitere Baugruppen anschließen, bis die gewünschte Gesamtbewegung erreicht ist.
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Eine kinematische Baugruppe im Sinne der Erfindung kann demnach eine Baugruppe sein, die zumindest zwei Achsen mit zugehörigen Antrieben aufweist, die durch nachgeschaltete oder überlagerte Bewegung einen Endeffektor in der Ebene oder im Raum bewegen können.
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Eine kinematische Baugruppe kann jedoch auch eine Parallelkinematik bezeichnen, bei der parallel geschaltete Bewegungsachsen vorhanden sind. Dadurch wird vermieden, dass ein Antrieb den Nächstfolgenden bewegen muss. Eine (parallele) Stabkinematik arbeitet über die Veränderung der Distanzen von Punkten eines beweglichen Objekts (Werkzeugs) zu vordefinierten festen Punkten im Raum. Dabei wird die Raumposition und Lage eines beweglichen Objekts nicht anhand eines vektorbasierten Koordinatensystems beschrieben, sondern anhand der Distanzen zwischen Objekt-Raum-Punkt-Paaren. Eine genaue Positionierung wird über die Längenveränderung von mehreren Teleskoparmen erreicht, welche alle an einem Ende in einer zueinander unbeweglichen Position verankert sind und an ihrem anderen Ende mit dem zu positionierenden Objekt, insbesondere dem Endeffektor.
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Ein Endeffektor kann das letzte Element einer kinematischen Kette oder einer kinematischen Baugruppe darstellen. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Einheit zum Schweißen oder um einen Greifer handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Endeffektor um ein Werkzeug für eine Werkstückbearbeitung handeln.
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Unter dem Tool Center Point versteht man den Werkzeugarbeitspunkt.
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Als Sollkontur kann eine Kontur auf einem Werkstück aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Sollkontur auf dem Werkstück angerissen, graviert, geschnitten oder geschweißt sein. Dabei sollte die Sollkontur geeignet sein, im Kamerabild deutlich sichtbar dargestellt werden zu können. Als besonders vorteilhaft hat sich eine in einem Werkstück lasergravierte Sollkontur ergeben. Die Sollkontur kann der kinematischen Baugruppe beigebracht werden (der Fachbegriff ist „Teaching“). Dies kann online oder offline erfolgen.
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Um die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe zu erfassen, können beispielsweise die folgenden Parameter ermittelt werden: mittlerer Bahnabstand, mittlerer Bahnstreubereich, mittlere Bahnorientierungsabweichung, mittlerer Bahnorientierungsstreubereich, mittlere Bahnradiusdifferenz beim Fahren von Kreisbahnen, mittlere Eckenfehler und/oder mittlerer Überschwenkfehler. Insbesondere können durch das erfindungsgemäße Verfahren Daten ermittelt werden, die z. B. nach VDI 2861 ausgewertet werden können.
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Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das Gesamtbild und/oder ein Film aus zumindest einigen Einzelbildern dargestellt wird. In dem Gesamtbild können die Sollkontur und die Markierungen dargestellt werden. Durch Vergleich der Sollkontur mit der positionierten Markierung kann ermittelt werden, mit welcher Genauigkeit der Endeffektor, insbesondere der TCP, der Sollkontur gefolgt ist. Daraus lässt sich die Konturtreue ableiten. Das Gesamtbild kann dadurch erzeugt werden, dass jedes Einzelbild mit seinen benachbarten Bildern abgeglichen und verbunden wird.
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Werden die Einzelbilder als Film dargestellt, kann dieser verlangsamt, also in Zeitlupe, abgespielt werden. Dadurch ist eine „Slow Motion“-Analyse des von der kinematischen Baugruppe zurückgelegten Pfads im Vergleich zur Sollkontur erfassbar. Dadurch lässt sich die Bewegung anschaulich darstellen.
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Aus den Markierungen des TCP kann eine Istkontur erstellt werden oder die Markierungen können eine Istkontur darstellen und die Istkontur kann mit der Sollkontur verglichen werden. Dabei kann eine Abweichung der Istkontur von der Sollkontur ermittelt werden, insbesondere, indem an einer oder mehreren Stellen eine Anzahl der Pixel zwischen der Sollkontur und der Istkontur und ein Pixelpitch bestimmt werden. Dadurch kann die Konturtreue an jedem beliebigen Punkt ermittelt werden. Die Konturtreue an jedem beliebigen Punkt kann z. B. die Pixelzahl zwischen der Sollkontur und der Istkontur sein. Als Pixelpitch wird dabei eine Entfernung pro Pixel verstanden. Beispielsweise kann ein Pixelpitch sieben Mikrometer pro Pixel betragen. Die Auswertung von Konturfehlern kann automatisch, beispielsweise im Wege einer Bildverarbeitung, oder mit dem bloßen Auge erfolgen. Somit lassen sich durch einfaches Pixelzählen oder automatische Bildauswertung Aussagen über die Konturtreue, Präzision, Wiederholgenauigkeit, mechanisches Spiel, Weichheit bzw. Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Amplituden und Abklingzeiten sowie der erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten auf einer Kontur treffen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr viel anschaulicher als Verfahren des Standes der Technik. Es ist geeignet, die Konturtreue in „voller Fahrt“ zu ermitteln. Weiterhin ist es geeignet, die Konturtreue an wahlfreien Konturen, also nicht nur an Standardkonturen, sondern insbesondere an Freiformgeometrien, zu ermitteln. Weiterhin ist das Verfahren geeignet, die Konturtreue an sehr kleinen und sehr großen Konturen (im Vergleich zur Methode mit Messtastern) zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Bilder und Filme der Sollkontur und der Istkontur. Die Informationen zur Konturtreue können durch Werkzeuginformationen ergänzt werden, wie beispielsweise den Fräserradius oder Strahldurchmesser eines Werkzeugs, um eine realistische Einschätzung der tatsächlich entstehenden Kontur zu erhalten.
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Das Gesamtbild mit den Markierungen kann zumindest abschnittsweise in seinem Informationsinhalt reduziert werden. Beispielsweise können die Kontraste für alle Farben außer einer bestimmten Farbe gesenkt werden. Dadurch kann die automatische Bildverarbeitung die Markierungen leichter erkennen.
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Weiterhin kann eine Binarisierung erfolgen. Bei der Binarisierung bleiben nur noch die Sollkontur und die Istkontur zur Analyse übrig. Das Originalbild (Gesamtbild) mit all seinen Grautönen wird bei der Auswertung ignoriert. Das Originalbild kann hinterher aus Anschaulichkeitsgründen wieder überlagert werden. Durch die Binarisierung wird die Analyse und insbesondere die Ermittlung der Konturtreue in einem automatisierten Bildverarbeitungsverfahren erleichtert.
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Die Geschwindigkeit, mit der der Endeffektor entlang der Sollkontur bewegt wird, kann bestimmt werden. Insbesondere kann die Geschwindigkeit bestimmt werden, indem der Abstand der Markierungen erfasst und in Kenntnis der pro Sekunde aufgenommenen Bilder analysiert wird. Auf diese Art und Weise kann auch die maximale Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe ermittelt werden, die noch zu einer akzeptablen Konturtreue führt.
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Insbesondere kann ein Zusammenhang zwischen der Bearbeitungszeit und der Konturtreue ermittelt werden.
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Zumindest die Schritte a. - e. können für mehrere unterschiedliche Dynamikparameter, wie Geschwindigkeit des Endeffektors, Beschleunigung des Endeffektors, Gewicht der kinematischen Baugruppe durchgeführt werden. Dabei können beliebige Kombinationen von Dynamikparametern eingestellt und untersucht werden, ohne dass dabei ein Werkstück geopfert werden muss. Die Kosten für das Ermitteln von Parameterkombinationen werden dadurch reduziert. Die richtige Parameterkombination ist dabei insbesondere eine Abwägung zwischen Geschwindigkeit, Lebensdauer und der Teiletoleranzen entsprechenden Konturtreue. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, dass nur eine einzige Sollkontur und somit nur ein einziges Werkstück benötigt werden, um unterschiedliche Analysen durchzuführen. Es wird nicht jedes Mal, wenn mit der kinematischen Baugruppe eine Sollkontur abgefahren wird, das Werkstück zerstört. Weiterhin sind keine Laserstrahlen oder sonstigen Messmittel außer einer Kamera notwendig, um die Konturtreue zu ermitteln.
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Wie oben bereits erwähnt, können durch Analyse der Istkontur Eigenfrequenzen, Einschwingverhalten, Amplituden, Abklingzeiten, Weichheit, Steifigkeit, Spiel und/oder Genauigkeit der kinematischen Baugruppe ermittelt werden. Weiterhin wurde herausgefunden, dass durch regelmäßige Wiederholung derselben Sollkontur über die Lebensdauer der kinematischen Baugruppe der Verschleiß von Getrieben ermittelt werden kann. Somit ist es möglich, vorherzusagen, wann ein verschleißendes Getriebe voraussichtlich dafür sorgt, dass die vorgegebenen Toleranzen bzw. eine vorgegebene Konturtreue, nicht mehr eingehalten werden können.
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Die Sollkontur kann, wie oben bereits erwähnt, online oder offline der kinematischen Baugruppe „beigebracht“, also programmiert, werden. Weiterhin ist es auch denkbar, dass die Sollkontur erfasst wird, während der Endeffektor entlang der Sollkontur bewegt wird. Beispielsweise kann die Sollkontur während diese von der kinematischen Baugruppe abgefahren wird, durch eine weitere Kamera erkannt werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 13 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 14.
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Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung eine Erfassungseinrichtung, die an einer kinematischen Baugruppe anordenbar, insbesondere montierbar, ist, umfassend eine Bildaufnahmevorrichtung, die eingerichtet ist, mehr als 100 Einzelbilder pro Sekunde aufzunehmen, eine Speichereinrichtung zum Speichern der aufgenommenen Einzelbilder und eine erste Beleuchtungseinrichtung, wobei die Erfassungseinrichtung eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die Bildaufnahmeeinrichtung kann dabei insbesondere als Gigabit-Ethernet-Graustufenkamera ausgebildet sein. Die Kamera kann dabei beispielsweise, wenn der Endeffektor ein Laserkopf ist, durch die Apertur des Laserkopfs auf das Werkstück gerichtet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Bildaufnahmevorrichtung eingerichtet ist mehr als 200 Einzelbilder pro Sekunde vorzugsweise, mehr als 300 Einzelbilder pro Sekunde aufzunehmen. Die Bilder können dabei bei einer Auflösung von mindestens 640 x 480 Pixel aufgenommen werden. Weiterhin kann die Kamera eingerichtet sein, bei unterschiedlichen optischen Auflösungen Bilder aufzunehmen. Beispielsweise kann die Kamera eingerichtet sein, bei einer Auflösung im Bereich von 1 - 20 Mikrometern pro Pixel, vorzugsweise bei einer Auflösung im Bereich von 2 - 15 Mikrometern pro Pixel, Bilder aufzunehmen. Um diese Auflösung zu erreichen, können zusätzliche Linsen vorgesehen sein.
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Die erste Beleuchtungseinrichtung kann als koaxiale Beleuchtung ausgebildet sein. Die erste Beleuchtungseinrichtung kann demnach zum verwendeten Werkzeug, z. B. einem Laserstahl oder Stirnfräser, koaxial ausgerichtet sein. Dadurch wird das Werkstück besonders gut im Bereich des TCP ausgeleuchtet.
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Zusätzlich kann eine Spotbeleuchtung vorgesehen sein. Die Spotbeleuchtung kann als rotes Dauerlicht ausgebildet sein. Sie kann dazu dienen, das Werkstück auszuleuchten, damit die Belichtungszeiten der einzelnen Kamerabilder möglichst kurz bleiben und somit das Einzelbild nicht verschmiert.
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Der Erfassungseinrichtung kann eine Bildverarbeitungseinrichtung zugeordnet sein. Die Bildverarbeitungseinrichtung kann dabei Bestandteil der Erfassungseinrichtung sein oder extern, beispielsweise in einem externen PC, angeordnet sein.
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Eine Gigabit-Ethernet-Kamera kann ausgebildet sein, 1000 Megabit pro Sekunde zu übertragen.
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Die Erfassungseinrichtung kann weiterhin Befestigungspunkte aufweisen, sodass ein oder mehrere Laser, insbesondere Linienlaser, befestigt werden können. Die Linienlaser können verwendet werden, um die Sollkontur einzulernen. Weiterhin kann die Erfassungseinrichtung Befestigungspunkte oder Befestigungseinrichtungen aufweisen, sodass zusätzliche Gewichte an der Erfassungseinrichtung angebracht werden können, um das Gewicht von Komponenten der kinematischen Baugruppe zu simulieren, beispielsweise, um das Gewicht einer Strahlformungsanordnung zu simulieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer kinematischen Baugruppe;
- 2 eine schematische Darstellung einer Erfassungseinrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Gesamtbildes;
- 4 einen Ausschnitt aus der 3;
- 5 die Darstellung der 4 nach einer Binarisierung;
- 6 ein Diagramm zur Darstellung der Konturtreue auf einem Kreis
- 7 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe auf einem Kreis
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine 1, die eine kinematische Baugruppe 10 umfasst. Die kinematische Baugruppe umfasst in diesem Fall ein Portal 11, welches in Doppelpfeilrichtung 12 relativ zu einem Gestell 13 über einem Werkstück 14 verfahren werden kann. An dem Portal 11 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in Doppelpfeilrichtung 17 verfahren werden kann. An dem Schlitten 16 wiederum ist ein Laserbearbeitungskopf 18 angeordnet, der in Doppelpfeilrichtung 19 verfahren werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stellt die Laserdüse den Endeffektor 20 dar. Durch eine Überlagerung der Bewegungen des Portals 11, des Schlittens 16 und des Laserbearbeitungskopfs 18, kann der Endeffektor 20 relativ zum Werkstück 14 verfahren und positioniert werden.
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Durch das Portal 11 wird eine Werkzeugachse mit einer Bewegungsrichtung in Doppelpfeilrichtung 12 realisiert. Durch den Schlitten 16 wird eine Werkzeugachse mit einer Bewegungsrichtung in Doppelpfeilrichtung 17 realisiert. Durch den Laserbearbeitungskopf 18 wird eine Werkzeugachse in Bewegungsrichtung des Doppelpfeils 19 realisiert.
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Der 1 sind weiterhin die folgenden Komponenten der Werkzeugmaschine 1 zu entnehmen: Steuereinrichtung 3, Werkstückauflage 5, Fokussierlinse 7.
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Die 2 zeigt eine Erfassungseinrichtung 50, die an einer kinematischen Baugruppe 10 anordenbar ist. Die Erfassungseinrichtung 10 umfasst eine Bildaufnahmeeinrichtung 51, eine erste und eine zweite Beleuchtungseinrichtung 52, 53. Die erste Beleuchtungseinrichtung 52 ist dabei als koaxiale Beleuchtung ausgebildet und die zweite Beleuchtungseinrichtung 53 ist als Spotbeleuchtung ausgebildet. Eine Befestigungsanordnung 54 ist vorgesehen, um zusätzliche Gewichte anbringen zu können. Außerdem ist ein Befestigungspunkt 55 zur Befestigung eines Linienlasers 56 vorgesehen.
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Eine Bildverarbeitungseinrichtung 57, die eine Speichereinrichtung 58 umfasst, ist der Erfassungseinrichtung 50 zugeordnet, jedoch extern angeordnet.
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Die 3 zeigt ein Gesamtbild 70, welches durch Zusammensetzen einer Anzahl von durch die Bilderfassungseinrichtung 51 aufgenommenen Einzelbildern entstanden ist. Das Gesamtbild 70 stellt daher eine Art Mosaik dar. Es zeigt eine Sollkontur 71, die der kinematischen Baugruppe 10 beigebracht wurde und von der kinematischen Baugruppe 10 im Gegenuhrzeigersinn, was durch den Pfeil 72 angedeutet ist, abgefahren wurde. Die Position des Tool Center Point der kinematischen Baugruppe 10 wurde in das Gesamtbild 70 eingefügt. Dies ist anhand der vergrößerten Darstellung der 4, die den Ausschnitt IV der 3 zeigt, sichtbar. In der vergrößerten Darstellung der 4 sind Markierungen 75 zu sehen, die durch Fadenkreuze dargestellt sind. Hier ist zu erkennen, dass die Markierungen 75, die die Istkontur darstellen, entlang der sich der Endeffektor 20 bewegt hat, einen Abstand zur Sollkontur 71 aufweisen. Der Abstand kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die Anzahl der Pixel zwischen der Sollkontur 71 und einer Markierung 75 bestimmt wird. Der Abstand wird vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Sollkontur 71 ermittelt. Um die Bestimmung des Abstands zu vereinfachen, kann die Darstellung der 4 binarisiert werden, was in der 5 dargestellt ist. Hier sind nur noch die Sollkontur 71 und die Markierungen 75 zu sehen, was die digitalisierte Auswertung durch eine Bildverarbeitungseinrichtung vereinfacht.
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Der Abstand der Sollkontur 71 von der Istkontur kann entlang der gesamten Sollkontur 71 erfasst werden. Dies ist in der 6 dargestellt. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Länge der Sollkontur, insbesondere der Umfang der als Kreis ausgebildeten Sollkontur 71, aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist der Abstand in Mikrometern der Istkontur von der Sollkontur aufgetragen. Aus dem aufgetragenen Abstand lässt sich die Konturtreue ermitteln. Der Abstand wird durch die Kurve 80 dargestellt.
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In der 7 ist gezeigt, wie die Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe 10 dargestellt werden kann. Auf der horizontalen Achse ist der Umfang der Sollkontur 71 aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Geschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde angegeben. Die Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe 10 ist mit der Kurve 85 dargestellt. Die Geschwindigkeit kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass der Abstand zwischen den einzelnen Markierungen 75 bestimmt wird. In Kenntnis der Bildaufnahmegeschwindigkeit, d. h. der Anzahl von Bildern, die pro Sekunde aufgenommen werden, und dem ermittelten Abstand zwischen den Markierungen 75 kann die Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der der Endeffektor 20 entlang der Sollkontur 71 bewegt wurde.
