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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit einer Bearbeitungsmaschine. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit einer Bearbeitungsmaschine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Funktionale Oberflächen mit definierten Mikro- und Nanostrukturen, die neben ästhetischen Eigenschaften auch physikalische oder chemische Eigenschaften wie Hydrophobie oder definierte Reflexion aufweisen können, unterliegen starker Nachfrage innerhalb eines stetig wachsenden Marktes.
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Mikrostrukturierte Oberflächen werden zunehmend auch auf komplexe 3D-Bauteile übertragen, für deren Herstellung und Bearbeitung kinematische Mehrachs-Fertigungseinrichtungen notwendig sind. Industrielle Robotersysteme erlauben diese Bewegungsflexibilität, allerdings liegen typische Positioniergenauigkeiten im Submillimeterbereich. Wiederholungsgenauigkeiten von 150 µm können mit besagten Systemen erreicht werden. Allerdings bewegen sich die gewünschten Oberflächenstrukturen bezüglich ihrer Abmessungen bereits zum großen Teil im Mikrometerbereich, sodass für eine Roboterbearbeitung eine erhebliche Steigerung der Positioniergenauigkeit erzielt werden muss.
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Bekannte Vorrichtungen erreichen die erforderlichen Genauigkeiten nur durch hochpräzise kartesische Maschinensysteme, die in der Regel auf Granitstrukturen basieren. Weiterhin weisen besagte kartesische Maschinensysteme eine ausreichende Positioniergenauigkeit über den gesamten Arbeitsraum auf.
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Nachteilig an kartesischen Maschinenystemen sind jedoch ihre hohen Anschaffungskosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches es ermöglicht, eine Grobpositionierung mittels einer Bearbeitungskinematik einer Bearbeitungsmaschine durch eine sensorgestützte Feinpositionierung über ein optisches Bearbeitungssystem zu unterstützten und so eine Erhöhung der Positioniergenauigkeit der Bearbeitungsmaschine zu bewirken. Auf diese Weise kann eine Präzisionsfertigungsvorrichtung auf Grundlage kostengünstiger Industrieroboter oder anderer kostengünstiger Kinematiken realisiert werden.
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Die Aufgabe wird bezüglich eines Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 sowie bezüglich einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung an.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren einen Ersterfassungsschritt, in welchem Positionsdaten eines Auftreffpunktes, welche die Position eines Laserstrahls, der von einem Bearbeitungskopf mittels einer Optik ausgesendet wird, auf einem Werkstück angeben, mittels mindestens einer Erfassungseinheit erfasst werden. Der Ersterfassungsschritt ist bei starrer Bearbeitungskinematik der Bearbeitungsmaschine nach oder vor einem Bearbeitungsschritt der Bearbeitungsmaschine durchführbar.
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Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß zudem mindestens einen Positionierschritt, wobei die mindestens eine Erfassungseinheit die Positionsdaten des Auftreffpunktes auf dem Werkstück erfasst. Während der Erfassung kann die Position des Auftreffpunktes im Wesentlichen stationär sein und der Bearbeitungskopf relativ zum Werkstück bewegt werden oder die Position des Auftreffpunktes kann entlang einer Bahn auf dem Werkstück verfahren werden.
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Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren außerdem mindestens einen Berechnungsschritt, in dem Relativpositionen zwischen berechneten Positionsdaten des Auftreffpunktes und den erfassten Positionsdaten des Auftreffpunktes bestimmt werden.
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Ferner umfasst das Verfahren erfindungsgemäß mindestens einen Korrekturschritt, in dem eine Auswertung von Istwerten einer Bahn des Auftreffpunktes und/oder der Bearbeitungskinematik mittels der im vorhergehenden Schritt bestimmten Relativpositionen durchgeführt wird. Auf Grundlage der Auswertung wird eine Position der Bearbeitungsmaschine korrigiert.
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Die während des Berechnungsschrittes bestimmten Relativpositionen zwischen den berechneten und erfassten Positionsdaten geben die Zielposition einer relativen Verfahrbewegung der Bearbeitungsmaschine an. Auf Grundlage der Relativpositionen werden während der Auswertung des Korrekturschritts Abweichungswerte zu einer Sollposition der Bearbeitungsmaschine berechnet, die einen Positionsfehler der Maschine angeben.
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Die Korrektur der Position der Bearbeitungsmaschine kann dabei neben einer Korrektur der physischen Position der Bearbeitungskinematik auch bedeuten, dass die Korrektur durch optische Verschiebung/Verzerrung einer Bearbeitungsfläche, die in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt bearbeitet wird, erfolgt ohne die Position der Bearbeitungsmaschine zu verändern.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es somit möglich auf einer vergleichsweise ungenauen Bearbeitungsmaschine Verfahrwege in der Genauigkeit der Optik, beispielsweise eines Laserscanners, und der mindestens einen Erfassungseinheit durchzuführen. Derartige Verfahrwege können beispielsweise beim Versetzen des Bearbeitungskopfes bei Bearbeitung großer Oberflächen, die in mehrere, kleinere Bearbeitungsflächen unterteilt sind, vorkommen.
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Die erreichbare Steigerung der Positioniergenauigkeit ermöglicht es, dreidimensionale Bauteilgeometrien mit Strukturen im Mikrometerbereich zu versehen, wobei die Anschaffungskosten weit unter konventionellen Anlagen zur Mikrostrukturierung liegen. Gleichzeitig wird ein erheblicher Mehrwert gegenüber klassischen 5-Achslaserwerkzeugmaschinen in Bezug auf die Flexibilität geschaffen, wodurch die Maschinenauslastung erhöht werden kann.
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Vorzugsweise wird in dem Verfahren nach oder während des Korrekturschritts eine Fusion von Sensordaten durchgeführt, wobei durch mehrere oder sämtliche Erfassungseinheiten erfasste Positionsdaten verwendet werden. Eine Sensorfusion bezeichnet dabei eine Verrechnung mehrerer Datenquellen unter Berücksichtigung verschiedener Charakteristiken der Sensoren, beispielsweise in Hinsicht auf Frequenzspektren, Auflösungsvermögen und Messfrequenzen zur Verbesserung des Berechnungsergebnisses. Mögliche Algorithmen für eine solche Sensorfusion sind beispielsweise Kalman-Filterung, Extended Kalman-Filterung oder Complementary Filter Algorithmen.
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Ein Vorteil der Sensorfusion ist, dass eine Verbesserung der Genauigkeit der Berechnung der Bahn erreicht wird.
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Geeigneterweise wird während des Positionierschritts ein Winkel zwischen Laserstrahl und Oberfläche des Werkstücks, nicht konstant gehalten. Der Winkel kann dabei durch eine Bewegung des Bearbeitungskopfes geändert werden. Ebenso ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung möglich, dass die Optik als Scanneroptik bzw. Laserscanner ausgebildet ist und der Winkel zwischen Laserstrahl und Oberfläche mittels des Laserscanners geändert wird.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiterhin, dass während des mindestens einen Positionierschritts die Position des Auftreffpunkts entlang einer Bahn auf dem Werkstück durch Auslenken der Bearbeitungskinematik und/oder durch Auslenken des Laserstrahls verfahren wird.
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In einer zusätzlichen bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bildet der Laser ein Muster auf das Werkstück am Auftreffpunkt ab. Dadurch, dass ein Muster abgebildet wird, kann eine Erfassung der Positionsdaten, die beispielsweise mittels Bilderkennung erfolgen kann, durch die Erfassungseinheiten verbessert werden.
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Die im Berechnungsschritt bestimmten Relativpositionen eigenen sich außerdem vorzugsweise für eine Kalibrierung der Bearbeitungsmaschine und/oder zu einer Informationsgewinnung über einen Erhaltungszustand von Maschinenkomponenten. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, Informationen über systematische Abweichungen zu erlangen und diese bei der Steuerung der Bearbeitungsmaschine zu berücksichtigen. Weiterhin erlauben die Informationen bevorzugterweise Verschleiß und/oder sich andeutende Defekte einzelner Komponenten frühzeitig zu erkennen.
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Bevorzugterweise werden berechnete Abweichungswerte zu einer Sollposition iterativ genutzt, um die Position der Bearbeitungsmaschine zu korrigieren, wobei eine Anzahl einer Abfolge von Durchführungen von Positionier-, Berechnungs- und Korrekturschritt vorteilhafterweise zwischen 1 und 20, besonders vorteilhaft zwischen 1 und 5, liegt sowie die nach dem Korrekturschritt erreichte Wiederholgenauigkeit kleiner 10 µm und/oder die erreichte Absolutgenauigkeit kleiner 100 µm im Bearbeitungsraum beträgt.
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Vorzugsweise können aus den erfassten Positionsdaten berechnete Korrekturwerte zu einer offline Bahnoptimierung genutzt werden. Die Optimierung von Bahnvektoren kann dabei sowohl lokal, global als auch iterativ erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Erhöhung der Positioniergenauigkeit einer Bearbeitungsmaschine angegeben, welche eine Bearbeitungsmaschine umfasst, die ihrerseits eine Bearbeitungskinematik und einen Bearbeitungskopf aufweist. Ferner umfasst die Vorrichtung mindestens eine Erfassungseinheit und eine Auswertungseinheit und wobei der Bearbeitungskopf eine Optik zur gerichteten Emission eines Laserstrahls aufweist.
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Die mindestens eine Erfassungseinheit ist eingerichtet, die gesamte Oberfläche und/oder einen Teilbereich des Werkstücks zu erfassen. Die mindestens eine Auswertungseinheit ist zur Berechnung von Relativpositionen und zur Durchführung der Sensorfusion eingerichtet, wobei mit der Vorrichtung ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführbar ist.
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Weiterhin ist die Optik in einer bevorzugten Ausgestaltung als Scanneroptik bzw. Laserscanner ausgestaltet. Der Laserscanner kann galvanometrisch gelagerte Scannerspiegel aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Erfassungseinheit als ein globales kamerabasiertes Verfolgungssystem (tracking system) ausgebildet.
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Ferner ist eine Anlagenkinematik der Vorrichtung geeigneterweise durch zusätzliche Achsen erweiterbar, wobei die zusätzlichen Achsen als Serialkinematik, Parallelkinematik, und/oder Werkzeugmaschinenkinematik ausgebildet sind. Beispielsweise kann die Bearbeitungsmaschine auf einer Linearachse aufgebracht sein, wodurch der Prozess und die Bauteilgröße flexibel erweitert werden können.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche oder entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale, so dass deren Erläuterung gegebenenfalls nicht wiederholt wird. Die nachfolgenden Beispiele weisen eine Vielzahl zusätzlicher Merkmale auf, welche die Erfindung weiterhin verbessern können.
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Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können darüber hinaus unabhängig von den entsprechenden Beispielen realisiert werden und zwischen verschiedenen Beispielen kombiniert werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren und Beispielen gezeigten spezifischen Ausführungsform und Merkmale beschränkt.
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Es zeigt
- 1 eine beispielhafte Vorrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen,
- 2(a) eine beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2(b) eine beispielhafte Konfiguration der in 2(a) gezeigten Vorrichtung nach Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3(a) eine weitere beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3(b) eine weitere beispielhafte Konfiguration der in 3(a) gezeigten Vorrichtung nach Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4(a) eine weitere beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor bzw. nach Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4(b) eine weitere beispielhafte Konfiguration der in 4(a) gezeigten Vorrichtung vor bzw. nach Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung, mit welcher sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen lässt. Eine Bearbeitungsmaschine 1 weist einen Roboterarm auf, welcher an einem Ende in den 3 Raumrichtungen beweglich und an einem anderen Ende stationär gelagert ist. Ein Bearbeitungskopf, mit welchem das Werkstück bearbeitet werden kann, ist an dem beweglichen Ende des Roboterarmes vorgesehen. Unterhalb des Bearbeitungskopfes ist ein Werkstück angeordnet.
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An dem Bearbeitungskopf ist eine Optik 5 angeordnet. Durch die Optik 5 wird ein Laserstrahl 11 auf das Werkstück 13 gerichtet und in einem Auftreffpunkt 12 auf der Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Die Optik 5 kann beispielweise als Laserscanner ausgebildet sein und galvanometrisch gelagerte Scannerspiegel aufweisen, mit welchen der Laserstrahl 11 in einem Bereich von beispielsweise 100x100 mm2 auf der Oberfläche des Werkstücks 13 ausgelenkt werden kann. Der Laserstrahl 11 kann außerdem zu der Bearbeitung des Werkstücks 13 genutzt werden.
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Ein Lichtleitkabel 9, welches das Licht eines Lasers zum Bearbeitungskopf leitet, ist mit dem Bearbeitungskopf verbunden. Erfassungseinheiten 7 sind eingerichtet die gesamte Oberfläche des Werkstücks zu erfassen. Ferner sind die Erfassungseinheiten 7 eingerichtet den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstück zu erfassen und sie sind eingerichtet, die Position des Auftreffpunkts durch Bilderkennung zu analysieren.
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2(a) zeigt eine beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem in 2(a) gezeigten Ersterfassungsschritt erfassen die Erfassungseinheiten 7 die Position eines Auftreffpunktes 12 auf der Oberfläche des Werkstücks. Anschließend wird der Bearbeitungskopf in einem Positionierschritt in Richtung des Pfeils bewegt, während die Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5 nicht verändert wird. Gleichzeitig werden Positionsdaten des Auftreffpunktes 12 durch die Erfassungseinheiten 7 erfasst.
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2 (b) zeigt eine Konfiguration der in 2(a) gezeigten Vorrichtung, nachdem eine Abfolge von den in Zusammenhang mit 2(a) beschriebenen Positionierschritten durchgeführt wurde. Die gerade Linie auf dem Werkstück gibt dabei die vom Auftreffpunkt 11 beschriebene Bahn an. In dem in 2(a) und 2(b) gezeigten Beispiel wird der Bearbeitungskopf in einer Reihe von Positionierschritten auf einer Bahn parallel zu der geraden Linie bewegt, während die Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5 nicht verändert wurde. Das bedeutet insbesondere, dass ein Winkel zwischen Laserstrahl 11 und der Oberfläche des Werkstücks 13 während der Bewegung des Bearbeitungskopfes 3 konstant bleibt.
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3(a) zeigt eine beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem in 3(a) gezeigten Ersterfassungsschritt erfassen die Erfassungseinheiten 7 die Position eines Auftreffpunktes 12 auf der Oberfläche des Werkstücks. Anschließend wird der Bearbeitungskopf in einem Positionierschritt in Richtung des durchgezogenen Pfeils bewegt, während die Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5 in Richtung des gestrichelten Pfeils so verändert wird, dass die Position des Auftreffpunktes auf der Oberfläche des Werkstückes im Wesentlichen konstant bleibt. Das hießt, die Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5 kompensiert die Bewegung des Bearbeitungskopfes, so dass die Position des Auftreffpunktes 12 des Laserstrahls 11 auf dem Werkstück nach dem Positionierschritt im Wesentlichen identisch ist mit der Position des Auftreffpunktes im Ersterfassungsschritt.
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3(b) zeigt eine Konfiguration der in 3(a) gezeigten Vorrichtung, nachdem eine Abfolge von den in Zusammenhang mit 3(a) beschriebenen Positionierschritten durchgeführt wurde. Die Position des Auftreffpunkts 12 auf dem Werkstück 13 ist im Wesentlichen identisch zu der Position des Auftreffpunkts vor Ausführung der Positionierschritte. In dem in 3(a) und 3(b) gezeigten Beispiel wird der Bearbeitungskopf in einer Reihe von Positionierschritten relativ zum Werkstück bewegt, während die Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5 so verändert wird, dass die Position des Auftreffpunkts im Wesentlichen gleich bleibt. Das bedeutet insbesondere, dass ein Winkel zwischen Laserstrahl 11 und der Oberfläche des Werkstücks 13 während der Bewegung des Bearbeitungskopfes 3 nicht konstant bleibt.
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4(a) zeigt eine beispielhafte Konfiguration der in 1 gezeigten Vorrichtung vor Ausführung von Positionierschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem in 4(a) gezeigten Ersterfassungsschritt erfassen die Erfassungseinheiten 7 die Position eines Auftreffpunktes 12 auf der Oberfläche des Werkstücks. Anschließend wird die Auslenkung des Laserstrahls 11 in einem Positionierschritt so verändert, dass sich der Auftreffpunkt 11 des Lasers in Richtung des Pfeils bewegt, während die Position des Bearbeitungskopfes nicht verändert wird. Gleichzeitig werden Positionsdaten des Auftreffpunktes 12 durch die Erfassungseinheiten 7 erfasst.
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4(b) zeigt eine Konfiguration der in 4(a) gezeigten Vorrichtung, nachdem eine Abfolge von den in Zusammenhang mit 4(a) beschriebenen Positionierschritten durchgeführt wurde. Die gerade Linie auf dem Werkstück gibt dabei die vom Auftreffpunkt 11 beschriebene Bahn an. In dem in 4(a) und 4(b) gezeigten Beispiel wird der Auftreffpunkt 12 in einer Reihe von Positionierschritten auf einer Bahn entlang der geraden Linie bewegt durch eine Veränderung der Auslenkung des Laserstrahls 11 durch die Scanneroptik 5, während die Position des Bearbeitungskopfes nicht verändert wird. Das bedeutet insbesondere, dass ein Winkel zwischen Laserstrahl 11 und der Oberfläche des Werkstücks 13 während der Bewegung des Bearbeitungskopfes 3 nicht konstant bleibt.
