DE102019201723A1

DE102019201723A1 - Verfahren zum Einrichten einer Werkzeugmaschine und Fertigungssystem

Info

Publication number: DE102019201723A1
Application number: DE102019201723.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Scharfenberg; Christof Sailer
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2019-02-11
Filing date: 2019-02-11
Publication date: 2020-08-13
Also published as: EP3924135A1; JP7317977B2; WO2020165127A1; JP2022520209A; CN113453835A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einrichten einer Werkzeugmaschine (12), mit den Schrittena) Anordnen eines Werkstückträgers (16) in einem Arbeitsraum (22) der Werkzeugmaschine (12),b) Grobausrichten eines Bearbeitungskopfs (14) der Werkzeugmaschine (12) relativ zu dem Werkstückträger (16) unter Verwendung eines Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24),c) Feinausrichten des Bearbeitungskopfs (14) relativ zu dem Werkstückträger (16) unter Verwendung eines Bildverarbeitungssystems (34).Die Erfindung betrifft zudem ein Fertigungssystem (10) aufweisend eine Werkzeugmaschine (12) mit einem Bearbeitungskopf (14), einen Werkstückträger (16), ein Echtzeit-Lokalisierungs-System (24) und ein Bildverarbeitungssystem (34), wobei an dem Werkstückträger (16) wenigstens ein erstes Positionsbestimmungsmittel (26) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet ist, vorzugsweise wobei an dem Bearbeitungskopf (14) wenigstens ein weiteres erstes Positionsbestimmungsmittel (28) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet ist, wobei mehrere zweite Positionsbestimmungsmittel (30) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) ortsfest, insbesondere an der Werkzeugmaschine (12), angeordnet sind und wobei das Bildverarbeitungssystem (34) eine Kamera (36) zum Erfassen von optischen Merkmalen des Werkstückträgers (16) aufweist. Das Verfahren und das Fertigungssystem erlauben ein schnelles und automatisiertes Einrichten der Werkzeugmasch i ne.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einrichten einer Werkzeugmaschine, bei dem ein Werkstückträger in einem Arbeitsraum der Werkzeugmaschine angeordnet wird. Die Erfindung betrifft zudem ein Fertigungssystem aufweisend eine Werkzeugmaschine mit einem Bearbeitungskopf und einen Werkstückträger.
Zur Bearbeitung, insbesondere dreidimensionalen Bearbeitung, eines Werkstücks mittels einer Werkzeugmaschine wird das Werkstück typischerweise mittels eines Werkstückträgers im Arbeitsraum der Maschine fixiert. Dies wird auch als Rüsten der Werkzeugmaschine bezeichnet. Zur präzisen Bearbeitung des Werkstücks muss die Werkzeugmaschine bzw. deren Steuerung wissen, wo sich das Werkstück im Arbeitsraum genau befindet. Ein NC-Programm zur Steuerung der Bearbeitung muss insofern auf die konkrete Position und Ausrichtung des Werkstücks angepasst werden. Dies wird als Einrichten, insbesondere 3D-Einrichten, oder Einfahren bezeichnet. Hierbei werden typischerweise ein Nullpunkt des NC-Programmes und ein Fixpunkt auf dem Werkstückträger oder dem Werkstück in Deckung gebracht, so dass das NC-Programm translatorisch und rotatorisch zum Werkstück passt und alle Toleranzen einhält. Dieser Prozessschritt des Einrichtens ist traditionell sehr aufwendig.
Oft wird die Position und Ausrichtung eines dreidimensionalen Bauteils mittels eines Messtasters ermittelt. Dieser Vorgang erfordert einen hohen Zeitaufwand, geschultes Personal und ist außerdem fehleranfällig. Insbesondere sind menschliche Fehler auch bei geschultem Personal nicht auszuschließen. Neben solchen taktilen Systemen werden zur Bestimmung der Werkstückposition und - orientierung auch optische Verfahren wie beispielsweise die sehr kostspielige Lasertriangulation eingesetzt. Oft werden auch spezielle, mit hoher Präzision angefertigte Anschläge verwendet, die entsprechend teuer sind. Nachteilig an den bekannten Verfahren ist zudem, dass diese nur sehr begrenzt, insbesondere nicht vollständig, automatisierbar sind.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Fertigungssystem bereit zu stellen, die ein schnelles und automatisiertes Einrichten einer Werkzeugmaschine erlauben.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und ein Fertigungssystem gemäß Patentanspruch 10. Die Unteransprüche und die Beschreibung geben bevorzugte Weiterbildungen an.
Erfindungsgemäße Verfahren
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Einrichten einer Werkzeugmaschine, mit den Schritten

a) Anordnen eines Werkstückträgers in einem Arbeitsraum der Werkzeugmaschine,
b) Grobausrichten eines Bearbeitungskopfs der Werkzeugmaschine relativ zu dem Werkstückträger unter Verwendung eines Echtzeit-Lokalisierungs-Systems,
c) Feinausrichten des Bearbeitungskopfs relativ zu dem Werkstückträger unter Verwendung eines Bildverarbeitungssystems.

Im Schritt a) wird zunächst der Werkstückträger im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine platziert und dort befestigt, beispielsweise mit einem Arbeitstisch verspannt. Der Werkstückträger kann mitsamt einem von dem Werkstückträger gehaltenen Werkstück in dem Arbeitsraum angeordnet werden. Alternativ kann der Werkstückträger zunächst alleine (ohne ein Werkstück) im Arbeitsraum angeordnet werden und das Werkstück sodann am Werkstückträger festgelegt werden. Das Befestigen des Werkstücks am Werkstückträger kann prinzipiell auch nach der Durchführung der Schritte b) und c) erfolgen. Wenn das Werkstück bei der Durchführung von Schritt c) bereits am Werkstückträger befestigt ist, können auch optische Merkmale des Werkstücks zum Feinausrichten im Schritt c) verwendet werden. Das Werkstück kann insofern als ein Teil des Werkstückträgers angesehen werden.
Anschließend an Schritt a) wird der Bearbeitungskopf der Werkzeugmaschine relativ zu dem Werkstückträger ausgerichtet. Dies bedeutet, dass der Bearbeitungskopf in eine bestimmte Relativposition und ggf. -orientierung bezüglich des Werkstückträgers gebracht wird. Die Relativposition kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass ein ausgezeichneter Punkt des Bearbeitungskopfs, beispielsweise ein Werkzeug oder ein optisches Element, mit einem vorbestimmten Abstand vertikal oberhalb eines ausgezeichneten Punkts des Werkstückträgers anzuordnen ist.
Das Ausrichten des Bearbeitungskopfs erfolgt erfindungsgemäß in den beiden Schritten b) und c) im Rahmen eines vorgeschalteten Grobausrichtens und einem anschließenden Feinausrichten.
Zum Grobausrichten im Schritt b) wird ein Echtzeit-Lokalisierungs-System, vorzugsweise ein Indoor-GPS, verwendet. Ein solches System erlaubt typischerweise das Bestimmen der Position eines Objekts auf einige Zentimeter genau.
Zur Bestimmung der Position des Werkstückträgers wird an diesem wenigstens ein erstes Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet. Vorzugsweise wird auch an dem Bearbeitungskopf wenigstens ein weiteres erstes Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet. Zweite Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems werden ortsfest bezüglich der Werkzeugmaschine (bzw. bezüglich deren Arbeitsraum oder Arbeitstisch) angeordnet. Die ersten und zweiten Positionsbestimmungsmittel kommunizieren in an und für sich bekannter Weise miteinander, so dass die Positionen der jeweiligen ersten Positionsbestimmungsmittel ermittelt werden können. Diese Positionen werden typischerweise an ein Steuerungssystem der Werkzeugmaschine übermittelt. Das Steuerungssystem kann die Position des Bearbeitungskopfs typischerweise auch unabhängig von dem Echtzeit-Lokalisierungs-System ermitteln. Der Bearbeitungskopf kann ausgehend von seiner bekannten Position und der mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems bestimmten Position des Werkstückträgers vorpositioniert, d.h. grob ausgerichtet werden.
Im anschließenden Schritt c) erfolgt ein Feinausrichten des Bearbeitungskopfs relativ zu dem Werkstückträger. Hierzu wird ein Bildverarbeitungssystem eingesetzt. Das Bildverarbeitungssystem erfasst optische Merkmale des Werkstückträgers und optional auch des Bearbeitungskopfs. Auf diese Weise kann die Position und erforderlichenfalls die Ausrichtung des Bearbeitungskopfs relativ zum Werkstückträger mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich, vorzugsweise auf höchstens 100 µm, besonders bevorzugt auf höchstens 10 µm genau, bestimmt werden. Zum Feinausrichten kann das Bildverarbeitungssystem optische Merkmale, beispielsweise Kanten des Werkstückträgers oder optische Kennzeichnungen, wie z.B. Zielkreuze oder Punkte, erfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, den Vorgang des Einrichtens der Werkzeugmaschine (ggf. vom Anordnen des Werkstücks im Arbeitsraum abgesehen) vollständig zu automatisieren und sehr schnell durchzuführen. Auf geschultes Personal kann verzichtet werden, da die Schritte b) und c) des Einrichtens von programmierten Routinen ausgeführt werden können. Ferner erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, den Werkstückträger im Schritt a) im Wesentlichen beliebig zu positionieren. Das Echtzeit-Lokalisierungssystem erkennt dessen Position und ermöglicht es, den Bearbeitungskopf für ein optisches Feinausrichten nahe am Werkstückträger zu positionieren, ohne dass hierfür eine menschliche Interaktion mit der Werkzeugmaschine erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einem unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Fertigungssystem durchgeführt.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass im Schritt b) zunächst die Position des Werkstückträgers mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems bestimmt wird und aus der ermittelten Position des Werkstückträgers eine Zielposition des Grobausrichtens für den Bearbeitungskopf bestimmt wird. Der Bearbeitungskopf kann sodann ausgehend von seiner einem Steuerungssystem der Werkzeugmaschine bekannten Position in die Zielposition verfahren werden.
Auch die Orientierung des Werkstückträgers kann mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems bestimmt werden. Hierzu sind typischerweise wenigstens drei erste Positionsbestimmungsmittel an dem Werkstückträger angeordnet. Aus der ermittelten Orientierung des Werkstückträgers kann eine Zielorientierung für den Bearbeitungskopf bestimmt werden.
Besonders bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass der Bearbeitungskopf unter Überwachung seiner Position durch das Echtzeit-Lokalisierungs-System an die Zielposition des Grobausrichtens verfahren wird. An dem Bearbeitungskopf ist hierzu wenigstens ein weiteres erstes Positionsbestimmungsmittel angeordnet. Ggf. kann der Bearbeitungskopf unter Überwachung seiner Orientierung durch das Echtzeit-Lokalisierungs-System in die Zielorientierung gedreht werden. Auf diese Weise werden die Positionen und ggf. Orientierungen von Werkstückträger und Bearbeitungskopf mit derselben Methode, nämlich mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems, bestimmt. In der Zielposition ist der Bearbeitungskopf nahe am Werkstückträger positioniert, so dass systematische Fehler des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems für beide Komponenten in näherungsweise derselben Art und Größe auftreten. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Grobausrichtens verbessert werden. Insbesondere kann derart erreicht werden, dass die Zielposition des Bearbeitungskopfs relativ zum Werkstückträger mit einer Genauigkeit erreicht wird, die unterhalb der Genauigkeit der Bestimmung von Absolutpositionen mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems liegt. So können Absolutpositionen mit dem Echtzeit-Lokalisierungs-System beispielsweise auf einige Zentimeter genau bestimmt werden, wohingegen die Relativposition zweier nahe beieinanderliegender Objekte auf einige Millimeter genau bestimmt werden kann. Die Überwachung der Position und ggf. Orientierung des Bearbeitungskopfs kann kontinuierlich oder in zeitlichen Abständen erfolgen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Werkstückträger erste Positionsbestimmungsmittel aufweist, die sowohl im Schritt b) zum Grobausrichten als auch im Schritt c) zum Feinausrichten des Bearbeitungskopfs verwendet werden. Durch die Verwendung der ersten Positionsbestimmungsmittel auch im Schritt c) sind weniger, vorzugsweise keine, zusätzliche optische Markierungen für das Bildverarbeitungssystem am Werkstückträger anzubringen. Die ersten Positionsbestimmungsmittel können als solche von dem Bildverarbeitungssystem erkannt werden. Vorzugsweise tragen die ersten Positionsbestimmungsmittel optische Kennzeichnungen. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Feinausrichtens weiter verbessert werden.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante ist dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) eine an dem Bearbeitungskopf angeordnete Kamera des Bildverarbeitungssystems verwendet wird. Dies vereinfacht die Durchführung von Schritt c) und verbessert die Genauigkeit weiter. Die Position der Kamera am Bearbeitungskopf kann (einmalig) sehr präzise bestimmt werden. Sodann erfasst die Kamera optische Merkmale des Werkstückträgers, so dass der Bearbeitungskopf mit großer Präzision relativ zum Werkstückträger ausgerichtet werden kann. Die Kamera ist typischerweise derart am Bearbeitungskopf angeordnet, dass sie den Werkstückträger erfasst, wenn der Bearbeitungskopf im Schritt b) grob ausgerichtet wurde.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Abstand des Bearbeitungskopfs von dem Werkstückträger aus der Schärfe eines von der Kamera aufgenommenen Bildes, insbesondere durch Fokussieren der Kamera, ermittelt wird. Dies erlaubt ein besonders schnelles Durchführen des Schrittes c).
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kamera an dem Bearbeitungskopf den Werkstückträger aus zwei unterschiedlichen Perspektiven, insbesondere aus zwei zueinander senkrechten Richtungen, erfasst. Dies erlaubt eine noch präzisiere Feinausrichtung des Bearbeitungskopfs. Der Bearbeitungskopf kann typischerweise so präzise angesteuert und bewegt werden, dass er zum Aufnehmen des Werkstückträgers in der zweiten Perspektive verschwenkt und ggf. verfahren werden kann, ohne dass dadurch bereits gewonnene Informationen zur Relativposition verschlechtert werden.
Vorzugsweise übermittelt der Werkstückträger Informationen über eine durchzuführende Bearbeitung an ein Steuerungssystem der Werkzeugmaschine. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die richtige Bearbeitung an einem Werkstück an dem Werkstückträger durchgeführt wird. Das Steuerungssystem kann den Bearbeitungskopf für die Bearbeitung des Werkstücks in dem Werkstückträger ansteuern. Die Informationen können die durchzuführende Bearbeitung direkt bezeichnen, beispielsweise mit einer Programmnummer. Alternativ können die Informationen den Werkstückträger und/oder einen in diesem aufgenommenen Typ von Werkstück identifizieren. Das Steuerungssystem kann dann die durchzuführende Bearbeitung aus einer Datenbank entnehmen. Die Informationen können in einem ersten Positionsbestimmungsmittel an dem Werkstückträger gespeichert oder codiert sein.
Erfindungsgemäße Fertigungssysteme
In den Rahmen der Erfindung fällt weiterhin ein Fertigungssystem aufweisend

- eine Werkzeugmaschine mit einem Bearbeitungskopf,
- einen Werkstückträger,
- ein Echtzeit-Lokalisierungs-System, und
- ein Bildverarbeitungssystem.

Erfindungsgemäß ist an dem Werkstückträger wenigstens ein erstes Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet. Vorzugsweise ist an dem Bearbeitungskopf wenigstens ein weiteres erstes Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet.
Zudem sind mehrere zweite Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems ortsfest, insbesondere an der Werkzeugmaschine, angeordnet. Die zweiten Positionsbestimmungsmittel sind vorzugsweise ortsfest bezüglich eines Arbeitstischs zur Aufnahme des Werkstückträgers angeordnet, beispielsweise an dem Arbeitstisch und/oder an einer Einhausung der Werkzeugmaschine. Wenn die Position der Werkzeugmaschine unveränderlich und präzise bekannt ist, können die zweiten Positionsbestimmungsmittel auch in einer Umgebung der Werkzeugmaschine, beispielsweise an Strukturelementen einer Fertigungshalle, angeordnet sein.
Die ersten und zweiten Positionsbestimmungsmittel können in an und für sich bekannter Weise zusammenwirken, um die Positionen des Werkstückträgers und des Bearbeitungskopfs zu bestimmen. Anhand der derart bestimmten Positionen kann ein Grobausrichten des Bearbeitungskopfs relativ zu dem Werkstückträger vorgenommen werden.
Erfindungsgemäß weist das Bildverarbeitungssystem eine Kamera zum Erfassen von optischen Merkmalen des Werkstückträgers auf. Die Kamera kann auch zum Erfassen von optischen Merkmalen des Bearbeitungskopfs eingerichtet sein. Die von der Kamera erfassten optischen Merkmale können zum Feinausrichten des Bearbeitungskopfs relativ zum Werkstückträger herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Fertigungssystem erlaubt die Durchführung eines oben beschrieben, erfindungsgemäßen Verfahrens. Typischerweise ist das Fertigungssystem zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Hierzu kann ein Steuerungssystem der Werkzeugmaschine geeignet programmiert sein.
Die ersten Positionsbestimmungsmittel können als Empfänger bzw. Tags ausgebildet sein. Die zweiten Positionsbestimmungsmittel können als Sensoren bzw. Anker oder Emitter ausgebildet sein; sie können jeweils eine Antenne aufweisen. Alternativ können die zweiten Positionsbestimmungsmittel als Empfänger bzw. Tags ausgebildet sein. In diesem Fall sind die ersten Positionsbestimmungsmittel typischerweise als Sensoren bzw. Anker oder Emitter ausgebildet; sie können jeweils eine Antenne aufweisen.
Das Fertigungssystem kann mehrere Werkstückträger mit ersten Positionsbestimmungsmitteln aufweisen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mehrere Werkstückträger zugleich im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine angeordnet sind. Die Werkzeugmaschine kann dann für jeden der mehreren Werkstückträger mit einem Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet werden.
Die ersten Positionsbestimmungsmittel können an ein elektrisches System der Werkzeugmaschine angeschlossen sein und/oder über eine elektrische bzw. elektronische Schnittstelle aktivierbar sein. Solchermaßen aktive erste Positionsbestimmungsmittel können weitere Funktionen erfüllen, beispielsweise Informationen an ein Steuerungssystem der Werkzeugmaschine übermitteln.
Vorzugsweise sind an dem Werkstückträger wenigstens drei erste Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet. Auch an dem Bearbeitungskopf können wenigstens drei erste Positionsbestimmungsmittel des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems angeordnet sein. Anhand der wenigstens drei ersten Positionsbestimmungsmittel kann jeweils eine Orientierung des Werkstückträgers bzw. Bearbeitungskopfs bestimmt werden. Beim Grobausrichten und/oder Feinausrichten des Bearbeitungskopfs im Rahmen der Schritte b) bzw. c) eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Bearbeitungskopf an jedes der wenigstens drei Positionsbestimmungsmittel des Werkstückträgers angenähert werden. Die Position und Orientierung des Werkstückträgers kann dabei über die einem Steuerungssystem der Werkzeugmaschine bekannten Positionen des Bearbeitungskopfs (gemessen in Maschinenkoordinaten) bei erfolgtem Ausrichten zu den jeweiligen ersten Positionsbestimmungsmitteln bestimmt werden.
Die Kamera des Bildverarbeitungssystems ist vorzugsweise an dem Bearbeitungskopf der Werkzeugmaschine angeordnet. Eine am Bearbeitungskopf angeordnete Kamera ist bei ausgerichtetem Bearbeitungskopf nahe am Werkstückträger positioniert. Dadurch kann das Feinausrichten unter Verwendung der Kamera mit besonders großer Präzision vorgenommen werden.
Besonders bevorzugt weisen die ersten Positionsbestimmungsmittel an dem Werkstückträger optische Kennzeichnungen für das Bildverarbeitungssystem auf. Das Bildverarbeitungssystem kann die optischen Kennzeichnungen erkennen. Die ersten Positionsbestimmungsmittel können dann zur Positionsbestimmung mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems und mittels des Bildverarbeitungssystems verwendet werden. Mit solchen ersten Positionsbestimmungsmitteln kann die Anzahl weiterer am Werkstückträger vorzusehender optischer Markierungen verringert werden; insbesondere kann auf zusätzliche optische Markierungen am Werkstückträger vollständig verzichtet werden.
Eines der ersten Positionsbestimmungsmittel an dem Werkstückträger kann Informationen über eine von der Werkzeugmaschine durchzuführende Bearbeitung enthalten. Das Fertigungssystem, insbesondere ein Steuerungssystem der Werkzeugmaschine, kann dazu eingerichtet sein, diese Informationen zu erhalten. Die Informationen können die durchzuführende Bearbeitung direkt bezeichnen, beispielsweise mit einer Programmnummer. Alternativ können die Informationen den Werkstückträger und/oder einen in diesem aufgenommenen Typ von Werkstück identifizieren. Das Steuerungssystem der Werkzeugmaschine kann in diesem Fall die durchzuführende Bearbeitung aus einer Datenbank entnehmen.
Vorzugsweise ist der Bearbeitungskopf als ein Laser-Bearbeitungskopf ausgebildet. Ein Laser-Bearbeitungskopf kann nicht wie ein Bearbeitungskopf für eine spanende Bearbeitung durch sogenanntes Ankratzen eingerichtet werden. Bei einem Laser-Bearbeitungskopf kommen daher die Vorteile der Möglichkeit zum Einrichten unter Verwendung des Echtzeit-Lokalisierungssystems und des Bildverarbeitungssystems besonders zum Tragen. Der Laser-Bearbeitungskopf kann für eine oder mehrere der Bearbeitungsarten Schneiden, Schweißen, Laser-Metal-Deposition ausgebildet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren der Zeichnung. Die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale können erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Fertigungssystem in einer stark schematisierten Aufsicht;
2 das Fertigungssystem von 1 in einer stark schematisierten Seitenansicht;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Einrichten einer Werkzeugmaschine.

1 zeigt ein schematisch dargestelltes Fertigungssystem 10 in einer Aufsicht. 2 zeigt das Fertigungssystem 10 in einer Seitenansicht.
Das Fertigungssystem 10 umfasst eine Werkzeugmaschine 12 mit einem Bearbeitungskopf 14. Der Bearbeitungskopf 14 ist hier als ein Laser-Bearbeitungskopf für eine Laser-Bearbeitung, beispielsweise Schweißen, Schneiden und/oder Laser-Metal-Deposition, ausgebildet. Die Werkzeugmaschine 12 ist in den 1 und 2 stark abstrahiert dargestellt; in den Figuren sind Bewegungsmöglichkeiten des Bearbeitungskopfs schematisch angedeutet (vgl. Doppelpfeile), ohne dass damit eine Beschränkung auf eine konkrete konstruktive Gestaltung der Werkzeugmaschine 12 verbunden sein soll.
Das Fertigungssystem 10 umfasst weiterhin einen Werkstückträger 16. An dem Werkstückträger ist ein Werkstück 18 gehalten. Der Werkstückträger 16 ist auf einem Arbeitstisch 20 in einem Arbeitsraum 22 der Werkzeugmaschine 12 angeordnet.
Das Fertigungssystem 10 weist ferner ein Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 auf. Das Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 umfasst erste Positionsbestimmungsmittel 26, die an dem Werkstückträger 18 angeordnet sind. Das Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 umfasst ferner ein weiteres, erstes Positionsbestimmungsmittel 28, das an dem Bearbeitungskopf 14 angeordnet ist. Ferner weist das Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 zweite Positionsbestimmungsmittel 30 auf, die ortsfest, hier an einer Einhausung 32 der Werkzeugmaschine 12 angeordnet sind. Die ersten Positionsbestimmungsmittel 26, 28 und die zweiten Positionsbestimmungsmittel 30 wirken zusammen, sodass die Positionen des Werkstückträgers 16 bzw. des Bearbeitungskopfs 14 ermittelt werden können. Die ersten Positionsbestimmungsmittel 26, 28 und die zweiten Positionsbestimmungsmittel 30 können hierzu mit einem Steuerungssystem 33 der Werkzeugmaschine 12 kommunizieren.
Das Fertigungssystem 10 weist weiterhin ein Bildverarbeitungssystem 34 auf. Das Bildverarbeitungssystem 34 umfasst eine Kamera 36, die hier an dem Bearbeitungskopf 14 angeordnet ist. Eine Optik der Kamera 36 kann auf den Arbeitstisch 20 gerichtet sein. Das Bildverarbeitungssystem 34 kann neben der Kamera 36 ein Softwaremodul im Steuerungssystem 33 der Werkzeugmaschine 12 umfassen.
Ein Verfahren zum Einrichten der Werkzeugmaschine 12 des Fertigungssystems 10 wird unter ergänzender Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines solchen Verfahrens. Beim Einrichten wird der Bearbeitungskopf 14 für eine anschließende Bearbeitung des Werkstücks 18 im Werkstückträger 16 ausgerichtet. Nach dem Einrichten kann eine Bearbeitung des Werkstücks 18 vorgenommen werden, wobei der Bearbeitungskopf 14 ausgehend von einer Endposition nach Abschluss des Einrichtens eine vordefinierte Bahn abfährt.
In einem ersten Schritt 100 wird der Werkstückträger 16 mit dem Werkstück 18 im Arbeitsraum 22 der Werkzeugmaschine 12 angeordnet. Der Werkstückträger 16 wird hierzu in an und für sich bekannter Weise an dem Arbeitstisch 20 befestigt. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, eine definierte Position des Werkstückträgers 16 genau einzuhalten. Es genügt, den Werkstückträger 16 ungefähr an der richtigen Position oder auch nur irgendwo im Arbeitsraum 22 anzuordnen, da seine Position und Ausrichtung im weiteren Verfahrensablauf automatisch bestimmt werden, so dass sich die Werkzeugmaschine selbsttätig darauf einstellen kann.
In einem anschließenden Schritt 102 erfolgt ein Grobausrichten des Bearbeitungskopfs 14 der Werkzeugmaschine 12 relativ zu dem Werkstückträger 16. Hierzu wird in einem Teilschritt 102a zunächst die Position und Orientierung des Werkstückträgers 16 im Arbeitsraum 22 mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems 24 bestimmt. Aus diesen Daten wird in einem Teilschritt 102b eine Zielposition für den Bearbeitungskopf 14 ermittelt. Die Zielposition kann beispielsweise durch einen definierten Abstand oberhalb eines ausgezeichneten Punkts des Werkstückträgers 16 bestimmt sein. Sodann wird in einem Teilschritt 102c die Position des Bearbeitungskopfs 14 mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems 24 ermittelt. Indem die Position des Bearbeitungskopfs 14 mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems 24 ermittelt wird und nicht auf eine in Maschinenkoordinaten im Steuerungssystem 33 vorgehaltene Positionsinformation zurückgegriffen wird, kann die Genauigkeit des Grobausrichtens verbessert werden, da systematische Fehler des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems 24 beim Werkstückträger 16 und beim Bearbeitungskopf 14 in annähernd derselben Weise (Betrag und Richtung) auftreten. Sodann wird der Bearbeitungskopf 14 in einem Teilschritt 102d an die Zielposition verfahren. Spätestens bei Erreichen der Zielposition, vorzugsweise kontinuierlich während des Verfahrens, wird die Position des Bearbeitungskopfs 14 erneut mit dem Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 bestimmt. Die Position des Bearbeitungskopfs 14 kann sodann nachkorrigiert werden, bis das Echtzeit-Lokalisierungs-System 24 eine hinreichend genaue Übereinstimmung mit der Zielposition feststellt. Das Bewegen des Bearbeitungskopfs 14 an die Zielposition erfolgt also unter Überwachung durch das Echtzeit-Lokalisierungs-System 24. Die Zielposition kann beim Grobausrichten typischerweise auf wenige Zentimeter genau erreicht werden.
Zur Bestimmung der Positionen und ggf. Orientierungen des Werkstückträgers 16 und des Bearbeitungskopfs 14 im Rahmen des Schritts 102 wirken die ersten Positionsbestimmungsmittel 26 bzw. 28 und die zweiten Positionsbestimmungsmittel 30 zusammen. Die ersten und/oder zweiten Positionsbestimmungsmittel 26, 28, 30 kommunizieren zudem mit dem Steuerungssystem 33 der Werkzeugmaschine 12. Hier enthält eines der ersten Positionsbestimmungsmittel 26 am Werkstückträger 16 Informationen über eine an dem Werkstück 18 durchzuführende Bearbeitung. Diese Informationen können auch Informationen über die Zielposition für den Bearbeitungskopf 14 umfassen. Beispielsweise im Rahmen des Ermittelns der Position des Werkstückträgers 14 im Teilschritt 102a können die Informationen von dem ersten Positionsbestimmungsmittel 26 in einem Unterschritt 102aa an das Steuerungssystem 33 übermittelt werden.
Im Anschluss an das Grobausrichten 102 erfolgt in einem Schritt 104 ein Feinausrichten des Bearbeitungskopfs 14. Zum Feinausrichten wird das Bildverarbeitungssystem 34 mit der Kamera 36 eingesetzt. Nach dem Grobausrichten befindet sich die Kamera 36 am Bearbeitungskopf 14 in der Nähe des Werkstückträgers 16. Die Kamera 36 kann daher optische Merkmale des Werkstückträgers 16, beispielsweise Kanten oder gesondert angebrachte optische Kennzeichnungen, erfassen. Hier weisen die ersten Positionsbestimmungsmittel 26 am Werkstückträger 16 jeweils eine optische Kennzeichnung, beispielsweise in Form eines Punkts, optischen Codes, oder Passkreuzes, auf. Diese optischen Merkmale werden von der Kamera 36 erfasst und ihre Position im Bildausschnitt der Kamera 36 wird ermittelt. Anhand der jeweiligen Positionen der optischen Kennzeichnungen im Kamerabild sowie der Ist-Koordinaten des Bearbeitungskopfs 14 können die Ist-Positionen der ersten Positionsbestimmungsmittel 26 im Arbeitsraum ermittelt werden.
Senkrecht zur Bildebene der Kamera 36, d.h. in „Blickrichtung“ der Kamera 36, kann ein Abstand von dem Werkstückträger aus der Schärfe des von der Kamera 36 aufgenommenen Bildes ermittelt und entsprechend korrigiert werden. Vorzugsweise wird die Kamera 36 hierbei auf ein optisches Merkmal des Werkstückträgers 16, etwa eines der ersten Positionsbestimmungsmittel 26 fokussiert, so dass aus der Fokuslage auf den Abstand geschlossen werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Kamera 36 gedreht werden, um den Werkstückträger aus einer weiteren Perspektive zu erfassen. Beim Feinausrichten mittels des Bildverarbeitungssystems 34 kann der Bearbeitungskopf 14 typischerweise mit einer Genauigkeit von 100 µm, vorzugsweise 10 µm, besonders bevorzugt 7 µm, in einen Ausgangspunkt für eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstücks 18 gebracht werden.
Beim zuvor beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren ist eine menschliche Interaktion mit dem Fertigungssystem 10 allenfalls zum Anordnen 100 des Werkstückträgers 16 im Arbeitsraum 22 erforderlich. Die Schritte des Grobausrichtens 102 und des Feinausrichtens 104 können vollständig automatisiert werden. Dies steigert die Präzision und Geschwindigkeit des Einrichtens der Werkzeugmaschine 12.
Bezugszeichenliste

10: Fertigungssystem
12: Werkzeugmaschine
14: Bearbeitungskopf
16: Werkstückträger
18: Werkstück
20: Arbeitstisch
22: Arbeitsraum
24: Echtzeit-Lokalisierungs-System
26: erste Positionsbestimmungsmittel
28: weiteres, erstes Positionsbestimmungsmittel
30: zweite Positionsbestimmungsmittel
32: Einhausung
33: Steuerungssystem
34: Bildverarbeitungssystem
36: Kamera
100: Anordnen des Werkstückträgers 16 im Arbeitsraum 22
102: Grobausrichten des Bearbeitungskopfs 14
102a: Bestimmen der Position des Werkstückträgers 16
102b: Bestimmen einer Zielposition für den Bearbeitungskopf 14
102c: Bestimmen der Position des Bearbeitungskopfs 14
102d: Verfahren des Bearbeitungskopfs 14 an die Zielposition
102aa: Übermitteln von Informationen
104: Feinausrichten des Bearbeitungskopfs 14

Claims

Verfahren zum Einrichten einer Werkzeugmaschine (12), mit den Schritten a) Anordnen (100) eines Werkstückträgers (16) in einem Arbeitsraum (22) der Werkzeugmaschine (12), b) Grobausrichten (102) eines Bearbeitungskopfs (14) der Werkzeugmaschine (12) relativ zu dem Werkstückträger (16) unter Verwendung eines Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24), c) Feinausrichten (104) des Bearbeitungskopfs (14) relativ zu dem Werkstückträger (16) unter Verwendung eines Bildverarbeitungssystems (34).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zunächst die Position des Werkstückträgers (16) mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) bestimmt wird (102a) und aus der ermittelten Position des Werkstückträgers (16) eine Zielposition des Grobausrichtens für den Bearbeitungskopf (14) bestimmt wird (102b).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Orientierung des Werkstückträgers (16) mittels des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (14) unter Überwachung seiner Position durch das Echtzeit-Lokalisierungs-System (24) an die Zielposition des Grobausrichtens verfahren wird (102d).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (16) erste Positionsbestimmungsmittel (26) aufweist, die sowohl im Schritt b) zum Grobausrichten (102) als auch im Schritt c) zum Feinausrichten (104) des Bearbeitungskopfs (14) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) eine an dem Bearbeitungskopf (14) angeordnete Kamera (36) des Bildverarbeitungssystems (34) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand des Bearbeitungskopfs (14) von dem Werkstückträger (16) aus der Schärfe eines von der Kamera (36) aufgenommenen Bildes, insbesondere durch Fokussieren der Kamera (36), ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (36) an dem Bearbeitungskopf (14) den Werkstückträger (16) aus zwei unterschiedlichen Perspektiven, insbesondere aus zwei zueinander senkrechten Richtungen, erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger (16) Informationen über eine durchzuführende Bearbeitung an ein Steuerungssystem (33) der Werkzeugmaschine übermittelt (102aa).
Fertigungssystem (10) aufweisend - eine Werkzeugmaschine (12) mit einem Bearbeitungskopf (14), - einen Werkstückträger (16), - ein Echtzeit-Lokalisierungs-System (24), und - ein Bildverarbeitungssystem (34), wobei an dem Werkstückträger (16) wenigstens ein erstes Positionsbestimmungsmittel (26) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet ist, vorzugsweise wobei an dem Bearbeitungskopf (14) wenigstens ein weiteres erstes Positionsbestimmungsmittel (28) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet ist, wobei mehrere zweite Positionsbestimmungsmittel (30) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) ortsfest, insbesondere an der Werkzeugmaschine (12), angeordnet sind, und wobei das Bildverarbeitungssystem (34) eine Kamera (36) zum Erfassen von optischen Merkmalen des Werkstückträgers (16) aufweist.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Werkstückträger (16) wenigstens drei erste Positionsbestimmungsmittel (26) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet sind und vorzugweise dass an dem Bearbeitungskopf (14) wenigstens drei erste Positionsbestimmungsmittel (28) des Echtzeit-Lokalisierungs-Systems (24) angeordnet sind.
Fertigungssystem (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (36) des Bildverarbeitungssystems (34) an dem Bearbeitungskopf (14) der Werkzeugmaschine (12) angeordnet ist.
Fertigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Positionsbestimmungsmittel (26) an dem Werkstückträger (16) von dem Bildverarbeitungssystem (34) erkennbare optische Kennzeichnungen aufweisen.
Fertigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eines der ersten Positionsbestimmungsmittel (26) an dem Werkstückträger (16) Informationen über eine von der Werkzeugmaschine (12) durchzuführende Bearbeitung enthält.
Fertigungssystem (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (14) als ein Laser-Bearbeitungskopf ausgebildet ist.