DE19906272A1

DE19906272A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden sowie Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE19906272A1
Application number: DE1999106272
Authority: DE
Inventors: Ralf Guenther; Guenter Heilig
Original assignee: Heilig & Schwab GmbH
Current assignee: Heilig & Schwab GmbH
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2000-09-07

Abstract

Ein Verfahren zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden, wobei ein Werkzeug (1) und eine Meßeinrichtung (2) relativ zueinander bewegt werden und eine Auswertung der ermittelten Meßwerte erfolgt und eine Vorrichtung zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden mit einer Werkzeugaufnahme (7) für das Werkzeug (1), mit einer Meßeinrichtung (2) zum Messen der Werkzeugschneide (5) und mit einem optoelektronischen Bauteil, welches mit einem Bildverarbeitungsrechner (6) verbunden ist, wobei das Werkzeug (1) und die Meßeinrichtung (2) zumindest in zwei Koordinatenebenen relativ zueinander bewegbar sind und die Werkzeugaufnahme (7) drehbar gelagert ist, erfordern dadurch einen relativ geringen technischen Aufwand und ermöglichen dadurch eine schnelle, einfache, präzise und kostengünstige Messung der Werkzeugschneide, daß die Meßeinrichtung (2) eine Videokamera (3) und einen Lichtmarkenprojektor (4) umfaßt und der Lichtmarkenprojektor (4) eine Lichtmarke auf die Werkzeugschneide (5) projiziert, daß die Lichtmarke von der Werkzeugschneide (5) reflektiert wird und daß die Helligkeit der reflektierten Lichtmarke von der Videokamera (3) erfaßt und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels (alpha) an einen Bildverarbeitungsrechner (6) weitergeleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Winkeln an Werkzeug schneiden, wobei ein Werkzeug und eine Meßeinrichtung relativ zueinander bewegt wer den und eine Auswertung der ermittelten Meßwerte erfolgt. Außerdem betrifft die Erfin dung eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zum Messen von Win keln an Werkzeugschneiden mit einer Werkzeugaufnahme für das Werkzeug, mit einer Meßeinrichtung zum Messen der Werkzeugschneide und mit einem optoelektronischen Bauteil zur Erfassung der Werkzeugkontur, welches mit einem Bildverarbeitungsrechner verbunden ist, wobei das Werkzeug bzw. die Werkzeugaufnahme und die Meßeinrichtung zumindest in zwei Koordinatenebenen relativ zueinander bewegbar sind und die Werk zeugaufnahme drehbar gelagert ist. Schließlich richtet sich die Erfindung auf eine Meßein richtung, die innerhalb der vorgenannten Vorrichtung zum Einsatz kommen kann.

Aus der Praxis ist ein Meßgerät für Werkzeughersteller und Werkzeugschleifer zur Mes sung von Winkeln an Werkzeugschneiden bekannt. Die Meßeinrichtung umfaßt einen Ta ster, welcher die Werkzeugschneide kontaktiert. Außerdem wird optoelektronisch mit einer Kamera und Auflichtbeleuchtung gearbeitet, was zwar die Überprüfung der Tastposition über einen Bildverarbeitungsrechner und einen Monitor ermöglicht, wobei jedoch eine ma nuelle Auswertung und Ermittlung des gesuchten Werkzeugschneidenwinkels erfolgt. Die Auswertung der an den Meßpunkten durch den Taster ermittelten Werte erfolgt ebenfalls rein manuell. Die optoelektronische Komponente und der Taster sind an einem Tragarm befestigt, welcher an einer Säule in vertikaler Richtung verfahrbar ist. Die Säule selbst kann in der horizontalen Koordinatenebene verfahren werden. Außerdem kann das Werk zeug gedreht werden. Insofern ist eine Positionierung der Meßeinrichtung und des Werk zeuges relativ zueinander gegeben. Aufgrund der Herstellung des Kontaktes zwischen dem Taster und dem Werkzeug und zur Erzielung einer ausreichenden Meßgenauigkeit muß eine große Fläche zwischen mehreren Meßpunkten gemessen werden, was - auch im Hinblick auf die manuelle Auswertung - mit einem hohen Zeitaufwand einhergeht. Ein weitere Nachteil wird darin gesehen, daß es durch den Direktkontakt zu Verschleiß am Taster oder zu Beschädigungen an der Werkzeugschneide kommen kann.

Des weiteren sind aus der internationalen Veröffentlichung WO 95/27184 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen und Berechnen geometrischer Parameter eines Körpers bekannt, wobei mit je einer Auflicht- und Durchlichtkamera und einem Abstandssensor gearbeitet wird. Hier kann entweder per Taster oder - berührungslos - per Lasertriangula tor gemessen werden, jedoch ist der konstruktive Aufwand der Vorrichtung in Anbetracht mehrerer verfahrbarer Schlitten, Lichtschranken, Weg- und Winkelaufnehmem, Beleuch tungseinrichtungen etc. sehr hoch und kostspielig. Die Erfahrung zeigt, daß die Ergebnis se der Lasertriangulationsverfahren in Abhängigkeit von der Schneidenoberfläche stark streuen. Die Probleme dieser Streuungen, welche durch Mikrospiegel und Mikroprismen an Metalloberflächen hervorgerufen werden, sind bisher noch nicht zufriedenstellend zu lösen.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art auszuge stalten und weiterzubilden, die einen relativ geringen technischen Aufwand erfordern und eine schnelle, einfache, präzise und kostengünstige Messung der Werkzeugschneide er möglichen.

Die voranstehende Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist ein von dem aus der Praxis bekannten Verfahren ausgehendes Verfahren der in Rede stehenden Art dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Videokamera und einen Lichtmarkenprojektor umfaßt und der Licht markenprojektor eine Lichtmarke auf die Werkzeugschneide projiziert, daß die Lichtmarke von der Werkzeugschneide reflektiert wird und daß die Heiligkeit der reflektierten Licht marke von der Videokamera erfaßt und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels an einen Bildverarbeitungsrechner weitergeleitet wird.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine schnelle, kostengünstige und einfache Messung einer Werkzeugschneide erzielt werden kann, wenn die berührungslose Mes sung sich auf das Grundprinzip der Lichtreflexion stützend nur die Projektion einer einzi gen Lichtmarke auf die Werkzeugschneide erfordert. Allein aus der reflektierten Helligkeit mit Bezug zum jeweiligen Drehwinkel kann der gesuchte Winkel der Werkzeugschneide präzise ermittelt werden. Eine Videokamera erfaßt die Grauwerte und leitet diese zur Aus wertung und Ermittlung des gesuchten Winkels an einen Bildverarbeitungsrechner weiter.

Damit eine Korrelation zwischen dem vom Lichtmarkenprojektor auf die Werkzeugschnei de projizierten Lichtstrahl, dem reflektierten Lichtstrahl und der Position des Werkzeuges zur Ermittlung des gesuchten Winkels hergestellt werden kann, ist es erforderlich, daß das Werkzeug und die Meßeinrichtung relativ zueinander eine Drehbewegung ausführen. Somit steht ein Drehwinkel zur Verfügung, der eine Aussage über die mit Licht beauf schlagte Meßstelle der Werkzeugschneide in Bezug zur Meßeinrichtung ermöglicht. Das auf die Meßstelle auftreffende Licht wird diffus reflektiert und die Helligkeit des reflektier ten Lichtes ausgewertet.

Durch eine Bahnsteuerung wird erreicht, daß die Lichtmarke konstant auf der Meßstelle der Werkzeugschneide verbleibt, während die Drehbewegung des Werkzeugs und/oder die Bewegung der Meßeinrichtung ausgeführt wird. Auf diese Weise kann die Position ermittelt werden, wo die Meßstelle an der Werkzeugschneide genau orthogonal zur opti schen Achse des Lichtstrahls liegt und der Einfallswinkel des Lichtstrahls gleich dem Ausfallswinkel des von der Werkzeugschneide aufgrund der matten Metalloberfläche dif fus reflektierten Lichtstrahls ist. Wird diese Position im Laufe der Drehbewegung erreicht, steht dem Bildverarbeitungsrechner der günstigste Drehwinkel und die größte Helligkeit zur Verfügung, mit der die Lichtmarke am stärksten von der Werkzeugschneide reflektiert wird. Die Lichtmarke muß also während des gesamten Meßvorganges so auf die Werk zeugschneide projiziert werden, daß sie auch reflektiert wird und die Helligkeit von der Videokamera erfaßt und vom Bildverarbeitungsrechner ausgewertet werden kann.

Die im Bildverarbeitungsrechner durchgeführten Operationen richten sich auf den Ver gleich und die dazu erforderliche Zwischenspeicherung der über die Drehbewegung erfaß ten Helligkeit unter Feststellung eines Maximalwertes mit Bezug zum Drehwinkel.

Eine weitere Operation des Bildverarbeitungsrechners befaßt sich mit der Berechnung des gesuchten Winkels der Werkzeugschneide in Anbetracht des gewählten Meßablaufes. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Werkzeugschneide zunächst in eine Startposition gedreht. Dann wird die Werkzeug schneide zur Meßeinrichtung um einen Startdrehwinkel gedreht, wobei die Meßeinrichtung und das Werkzeug so verfahren bzw. gedreht werden, daß die Werkzeugschneide und die Meßeinrichtung einander gegenüberliegen. Schließlich werden die Meßeinrichtung und die Werkzeugschneide relativ zueinander mit der Zielstellung weiterbewegt, die Werkzeug schneide so zu positionieren, daß der vom Lichtmarkenprojektor ausgesendete Lichtstrahl senkrecht auf die Wirkfläche des Winkels auftrifft. Der hierbei gefundene günstigste Drehwinkel der größten Helligkeit wird nun im Bildverarbeitungsrechner um den Start drehwinkel vermindert und so der tatsächliche Winkel der Werkzeugschneide erhalten.

Zur optimalen optischen und rechnerischen Erfassung des reflektierten Lichtstrahls ist es von besonderem Vorteil, wenn die optische Achse der Videokamera mit der optischen Achse des Lichtmarkenprojektors deckungsgleich ist. Theoretisch wäre es auch möglich, die optischen Achsen des Lichtmarkenprojektors und der Videokamera unter einem belie bigen, bekannten Winkel zu führen, was jedoch einen erhöhten meßtechnischen und rechnerischen Aufwand zur Folge hätte.

Auf eine hohe Meßgenauigkeit kommt es insbesondere bei Winkeln kleiner Fasen an Werkzeugen an. Hierzu ist es erforderlich, daß die mit der Lichtmarke beaufschlagte Meßstelle möglichst klein gehalten wird ist. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz von La serlicht, wobei die Lichtmarke dann in Form eines Laserlichtpunktes auf die Meßstelle der Werkzeugschneide gesetzt wird. Die Durchmesserabmessung des Laserlichtpunktes kann durch entsprechende Fokussierung in eine Größenordnung von ca. 0,2 mm gebracht wer den.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem ei gentlichen Meßvorgang das Scharfstellen der Werkzeugschneide im interessierenden Meßbereich vorangestellt. Hierbei wird anhand der mittels der Videokamera detektierten Geometriedaten eine Extremwertermittlung über die Werkzeugkontur durchgeführt und auf dem Monitor sichtbar gemacht. In vorteilhafter Weise überlagern sich der Scharfstellvor gang und das Drehen der Werkzeugschneide in eine Startposition.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich in Abhängigkeit von den durch die Vorrichtung ermöglichten Freiheitsgraden bei der Bewegung der Meßeinrichtung und/oder des Werkzeuges in drei bis fünf Achsen an der Werkzeugschneide unter anderem Span winkel in radialer Richtung und/oder Freiwinkel in radialer Richtung und/oder Spiralwinkel und/oder Spanwinkel und/oder Freiwinkel stirnseitig ermitteln. Werden die Bewegungen um alle möglichen Achsen ausgeschöpft, so ist die Ermittlung aller Winkelarten an der Werkzeugschneide möglich. Insbesondere das Drehen bzw. Schwenken der Meßeinrich tung ist im Hinblick auf die Ermittlung von Spiralwinkeln von Bedeutung. An dieser Stelle sei angemerkt, daß das Verfahren der Meßeinrichtung und/oder des Werkzeuges manuell oder motorisch erfolgen kann und in letzterem Falle eine Steuerung vorgesehen sein kann.

Die voranstehende Aufgabe wird des weiteren durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art derart ausgebildet, daß die Meßeinrichtung eine Videokamera und einen Lichtmarken projektor zur Projektion einer Lichtmarke auf die Werkzeugschneide umfaßt und daß die Helligkeit der von der Werkzeugschneide reflektierten Lichtmarke mittels der Videokamera erfaßbar und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels an den Büdverarbei tungsrechner weiterleitbar ist.

Bezüglich der Vorrichtung ist erkannt worden, daß das aus der Praxis bekannte Meßgerät im Hinblick auf die Bewegbarkeit der Meßeinrichtung und der Werkzeugaufnahme relativ zueinander Grundvoraussetzungen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens aufweist. Bei dem aus der Praxis bekannten Meßgerät handelt es sich um eine Ad aption eines Einstellgerätes zur Werkzeugeinstellung und -vermessung, wobei ein Taster zur Messung der Werkzeugschneide hinzugefügt wurde. Die erfindungsgemäße Vorrich tung greift - wie auch das bekannte Taster Meßgerät - auf die konstruktiv günstige Grundform des bekannten Einstellgerätes zurück, wobei die erfinderische Ausgestaltung in der Hinzufügung einer Meßeinrichtung mit einer Videokamera und einem daran gekop pelten Lichtmarkenprojektor liegt. Insofern hat die Meßeinrichtung im Sinne eines Zubehör teils für eine Einstellvorrichtung besondere Bedeutung. Des weiteren ist wesentlich, daß die berührungslos über Lichtstrahlreflexion ermittelten Meßdaten von der Meßeinrichtung bzw. von der Videokamera zum Bildverarbeitungsrechner gelangen, so daß die Win kelermittlung präzise und in hoher Geschwindigkeit erfolgen kann.

Zur Durchführung des weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Positionierbarkeit der Meßeinrichtung und des Werkzeuges relativ zueinander von großer Bedeutung. Konkret sind mindestens drei Bewegungsabläufe notwendig, um die Positio nierung zu realisieren. Bei kleinen Werkzeugen kann es bereits ausreichen, daß die Meßeinrichtung horizontal längs sowie in vertikaler Richtung verfahrbar ist und das Werk zeug um eine in der Regel vertikale Drehachse gedreht wird. Bei größeren Werkzeugen kann es erforderlich sein, die Meßeinrichtung zusätzlich horizontal quer zu verfahren. Zur Vermessung von Spiralwinkeln ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung noch eine weitere Bewegung, nämlich eine Dreh- bzw. Schwenkbewegung der Meßeinrichtung.

In konstruktiver Hinsicht könnte zur Realisierung der drei translatorischen Bewegungsab läufe und des rotatorischen Bewegungsablaufes bzgl. der Meßeinrichtung zunächst ein in der Horizontale quer- und längsverfahrbarer Meßeinrichtungsträger oder eine Säule vor gesehen sein; an dem oder an der die Meßeinrichtung drehbar bzw. schwenkbar und ver tikal verfahrbar - bspw. über einen Meßeinrichtungstragarm - angeordnet ist. Bezüglich der Drehung des Werkzeuges wird auf die bereits bekannte drehbar gelagerte Werkzeugauf nahme zurückgegriffen, welche ermöglicht, daß das Werkzeug um eine gewünschte verti kale Drehachse drehbar ist. Über eine simultane Steuerung der Bewegung in den ge wünschten Achsen wird die Lichtmarke ortsfest auf der Meßstelle der Werkzeugschneide gehalten, um die von Bild zu Bild unterschiedlichen Helligkeitswerte miteinander verglei chen und auswerten zu können.

Alternativ zu einer Drehung des Werkzeuges um eine vertikale Drehachse ist auch die Drehung um eine horizontale Drehachse möglich, ebenso, wie die Meßeinrichtung auch um eine vertikale Drehachse gedreht bzw. geschwenkt werden könnte. Aus dem Werk zeug-Drehwinkel und/oder aus dem Meßeinrichtungs-Drehwinkel sowie aus dem Wert für die maximale Helligkeit der reflektierten Lichtmarke kann der tatsächliche Werkzeug schneidenwinkel ermittelt werden.

Um eine Übereinstimmung der optischen Achsen der Videokamera und des Lichtmarken projektors zu realisieren, ist der Lichtmarkenprojektor mit einem Umlenkspiegel, bspw. in Form eines Strahlteilerwürfels oder eines teildurchlässigen Spiegels, ausgestattet. Durch den Umlenkspiegel wird der Lichtstrahl des Lichtmarkenprojektors so umgelenkt, daß die Videokamera und der Lichtmarkenprojektor dieselbe optische Achse aufweisen. Dadurch können die Frei-, Span- und Spiralwinkel sowohl links- als auch rechtsschneidender Werk zeuge ermittelt werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz einer CCD-Kamera mit einem telezentri schen Objektiv erwiesen. Ein telezentrisches Objektiv bietet den Vorteil, daß der Abbil dungsmaßstab unverändert bleibt, wenn sich der Werkzeugschneidenabstand aufgrund unterschiedlicher Tiefen ändert. Eine kostengünstigere Variante stellt die Verwendung eines entozentrischen Objektivs dar. Alternativ zu einer Video- oder CCD-Kamera könnte bereits ein lichtempfindlicher Sensor ausreichend sein, die von der Werkzeugschneide reflektierte Helligkeit zu erfassen und weiterzuleiten. Der Einsatz und die Anpassung eines für sich bekannten lichtempfindlichen Sensors zum Zweck der Winkelmessung oder der sonstwie gearteten Erfassung der reflektierenden Oberfläche eines Körpers und dessen Verwendung anstelle einer Video- oder CCD-Kamera eröffnet die Möglichkeit noch kleine rer Baugrößen und einer konstruktiv noch einfacherem Ausgestaltung der Meßeinrichtung.

Um den vom Lichtmarkenprojektor ausgesendeten Lichtstrahl zu filtern, ist ein Polarisati onsfilter vorgesehen, der vor der Lichtstrahlquelle, im Bereich des austretenden Lichtes angeordnet ist. Zusätzlich kann auch der Video- bzw. CCD-Kamera oder auch dem licht empfindlichen Sensor ein Polarisationsfilter zugeordnet werden, damit die streuende Hel ligkeit des Lichtstrahls nicht die Helligkeit der diffus reflektierten Lichtmarke verfälscht. In baulicher Hinsicht könnten sämtliche Polarisationsfilter im Bereich des Lichtmarkenprojek tors liegen, wobei ein Polarisationsfilter direkt vor der Videokamera und ein Polarisationsfil ter direkt vor der Lichtstrahlquelle angeordnet ist. Weiterführende bauliche Entwicklungen könnten darauf gerichtet sein, daß die Meßeinrichtung sowohl die Bauteile des Lichtmar kenprojektors als auch die optoelektronischen Bauteile wie bspw. einen lichtempfindlichen Sensor in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.

Zur Erzeugung der Lichtmarke könnte vorzugsweise eine Laserstrahlquelle eingesetzt werden. Die Lichtstrahlquelle könnte auch in Form einer LED oder einer Halogenleuchte mit Lichtleitfaser vorliegen. Des weiteren könnte der Lichtmarkenprojektor eine Fokus siereinrichtung zur Minimierung der projizierten Lichtmarke bzw. des Lichtpunktes im ge forderten Arbeitsabstand aufweisen. Je geringer der Querschnitt des Lichtstrahls und damit die Fläche der auf die Werkzeugschneide auftreffenden Lichtmarke ist, um so ge nauere Meßergebnisse lassen sich besonders bei kleinen Meßflächen erzielen.

Über einen Monitor, der an dem Bildverarbeitungsrechner angeschlossen ist, kann das Livebild der Videokamera dargestellt werden. Auf diese Weise kann direkt mitverfolgt wer den, an welcher Meßstelle der Werkzeugschneide der gesuchte Winkel ermittelt wird.

Die voranstehende Aufgabe wird schließlich durch eine Meßeinrichtung mit den Merkma len des Patentanspruches 23 gelöst. Danach ist die Meßeinrichtung mit einer Videokame ra und einem Lichtmarkenprojektor zur Projektion einer Lichtmarke auf die Werkzeug schneide ausgestattet, wobei die Helligkeit der von der Werkzeugschneide reflektierten Lichtmarke durch die Videokamera, alternativ durch eine CCD-Kamera oder durch einen lichtempfindlichen Sensor erfaßbar und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels an einen Bildverarbeitungsrechner weiterleitbar ist.

Die Meßeinrichtung liegt als bauliche Einheit vor und integriert die Videokamera und den Lichtmarkenprojektor. Der Lichtmarkenprojektor wird gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Meßeinrichtung auf das Objektiv der Videokamera aufgesteckt und festgelegt. Theoretisch kann eine manuelle Positionierung der Meßeinrichtung und des Werkzeuges zueinander erfolgen, wobei ebenfalls - wie im Zusammenhang mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung beschrieben - die reflektierte Helligkeit erfaßt wird.

Von größerem praktischen Nutzen ist die Meßeinrichtung jedoch als Zubehör zum Einbau in ein Einstellgerät oder in eine Vorrichtung mit Bewegungsmöglichkeiten in diversen Richtungen - wie im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Im Hinblick auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßeinrich tung wird auf die allgemeine Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen, zumal dort Merkmale erläutert sind, die für die Meßeinrichtung auch relevant sind.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteil hafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentan sprüchen 1 und 10 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläu terung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des angeführten Ausführungsbeispiels der Erfindung an hand der Zeichnung werden im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorderansicht eines Ausführungs beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf ein Werkzeug und eine Meßeinrichtung während dreier Positionierungsschritte a), b), c) ge mäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und unter Bezugnahme auf die Meßeinrichtung aus Fig. 1

Fig. 3 in schematischer Darstellung - vergrößert - eine Seitenansicht einer Meßeinrichtung gemäß Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden. Das Werkzeug 1 ist in einer drehbaren Werkzeugaufnahme 7 festgelegt. Des weiteren ist eine Meßeinrichtung 2 zum Messen der in Fig. 2 dargestellten Werkzeugschneide 5 und ein Bildverarbeitungsrechner 6 vorgesehen. Das Werkzeug 1 bzw. die Werkzeugaufnahme 7 und die Meßeinrichtung 2 sind relativ zueinander bewegbar.

Erfindungsgemäß umfaßt die Meßeinrichtung 2 eine Videokamera 3 und einen Lichtmar kenprojektor 4 zur Projektion einer Lichtmarke auf die Werkzeugschneide 5 des Werkzeu ges 1. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Lichtmarke von der Werkzeugschneide 5 reflektiert, die Helligkeit der reflektierten Lichtmarke wird von der Videokamera 3 erfaßt und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels α an den Bildverarbeitungsrechner 6 weitergeleitet.

Die Meßeinrichtung 2 ist an einem Meßeinrichtungsträger 8 angeordnet, welcher horizontal quer in Richtung A und längs in Richtung B verfahrbar ist. Die Meßeinrichtung 2 ist außer dem an dem Meßeinrichtungsträger 8 vertikal in Richtung C verfahrbar. Hinzu kommt die Dreh- bzw. Verschwenkbarkeit der Meßeinrichtung 2 mittels eines Meßeinrichtungstragar mes 9, um eine horizontale Drehachse D, welche sich längs, parallel zur Richtung B er streckt. Die in Rede stehende, mit einem nicht näher bezeichneten Pfeil verdeutlichte Dreh- bzw. Schwenkbewegung um die Drehachse D spielt bei der Vermessung von Spi ralwinkeln eine Rolle. Außerdem wird das Werkzeug 1 um eine vertikale Drehachse E ge dreht, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Mittelachse des Werkzeugs 1 ent spricht. Ein ebenfalls nicht näher bezeichneter Pfeil deutet die Drehbewegung des Werk zeugs 1 um die Drehachse E an.

In Fig. 2 sind drei Positionierungsschritte aus dem Verfahrensablauf eines Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Zunächst wird bei a) das Werkzeug 1 um die Drehachse E in eine Startposition gedreht und gleichzeitig scharfgestellt.

Danach werden die Werkzeugschneide 5 und die Meßeinrichtung 2 zueinander positio niert. Hierzu wird einerseits das Werkzeug 1 weiter um die Drehachse E - hier um einen Startdrehwinkel β = 90° - gedreht und andererseits die Meßeinrichtung 2 mit dem Meßein richtungsträger 8 in der Horizontalebene quer in Richtung A sowie längs in Richtung B verfahren bis die Werkzeugschneide 5 und die Meßeinrichtung 2 - wie bei b) gezeigt - ein ander gegenüberliegen.

Der mit c) bezeichnete Schritt in Fig. 2 zeigt das Ergebnis aus der weiteren Drehung des Werkzeuges 1 um die Drehachse E und der weiteren Bewegung der Meßeinrichtung 2 quer in Richtung A und längs in Richtung B, die dazu dienen, den optimalen Drehwinkel a+β zu ermitteln, bei dem der von der Meßeinrichtung bzw. dem Lichtmarkenprojektor 4 ausgesendeten Lichtstrahl 11 genau senkrecht auf die Fläche der Werkzeugschneide 5 auftrifft und somit am stärksten reflektiert wird. Somit ist bei c) das Ziel erreicht, den opti malen Drehwinkel α+β zu ermitteln, bei dem die Helligkeit der von der Werkzeugschneide 5 reflektierten Lichtmarke bzw. des reflektierten Lichtstrahls 12 am größten ist. Aus zeich nerischen Gründen sind der Lichtstrahl 11 und der reflektierte Lichtstrahl 12 parallel dar gestellt und nicht deckungsgleich.

Die in Fig. 2 bei b) und c) mit A und B bezeichneten Pfeile verdeutlichen den Verfahrweg der Meßeinrichtung 2 in Quer- und Längsrichtung der Horizontalebene. Während des Positioniervorgangs wird die Lichtmarke mittels einer Bahnsteuerung für die beweglichen Komponenten der Vorrichtung konstant bzw. ortsfest auf der Winkelermittlungsstelle der Werkzeugschneide 5 gehalten.

Auf der Grundlage der während der Drehung erhaltenen Drehwinkel, inbesondere des optimalen Drehwinkels α+β, und der von der Videokamera 3 erfaßten Grauwerte, insbe sondere bei der größten Helligkeit der diffus reflektierten Lichtmarke, werden im Bildverar beitungsrechner 6 die über die Drehung erfaßten Grauwerte miteinander unter Feststel lung eines Maximalwertes mit Bezug zum Drehwinkel verglichen.

Um nun zum dem tatsächlichen Wert des gesuchten Winkels α zu kommen, muß von dem optimalen Drehwinkel α+β, bei dem die Helligkeit der von der Werkzeugschneide 5 reflek tierten Lichtmarke am größten ist, der Startdrehwinkel β - hier 90° - subtrahiert werden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten gesuchten Winkel α der Werkzeugschneide 5 handelt es sich um einen Freiwinkel. Bezüglich der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird weiter ausgeführt, daß der Meßeinrichtungstragarm 9 eine nicht näher gezeigte Aufnahme bzw. Bohrung für die Meßeinrichtung 2 aufweist. In der Aufnahme bzw. Bohrung wird das nicht näher be zeichnete Objektiv der Videokamera 3 festgelegt. Am freien Ende des Objektives ist der Lichtmarkenprojektor 4 aufgeschoben und fixiert. Während in Fig. 1 eine Ruhestellung der Vorrichtung gezeigt ist, ist der Meßeinrichtungsträger 8 mit dem Meßeinrichtungstragarm 9 in Fig. 2 bereits soweit längs in Richtung B verfahren, daß die Meßeinrichtung 2 vor dem Werkzeug 1 positioniert ist und dieses in einer Vorderansicht verdecken würde.

Aus Fig. 3 ist in schematischer Darstellung die Anordnung der Videokamera 3, genauer - dem freien Ende des Objektivs der Videokamera 3, und des Lichtmarkenprojektors 4 in nerhalb der Meßeinrichtung 2 mit Bezug auf die Werkzeugschneide 5 gezeigt.

Der Lichtmarkenprojektor 4 weist einen als teildurchlässiger Strahlungsteilerwürfel vorlie genden Umlenkspiegel 10 auf, der den von der Lichtstrahlquelle 13 ausgesendeten Licht strahl 11 so umlenkt, daß die Videokamera 3 und der Lichtmarkenprojektor 4 dieselbe op tische Achse F in Bezug auf die Werkzeugschneide 5 aufweisen. Der reflektierte Licht strahl 12 ist nur aus zeichnerischen Gründen parallel zum Lichtstrahl 11 gezeigt, verläuft tatsächlich aber deckungsgleich mit dem ausgesendeten und umgelenkten Lichtstrahl 11.

Bei der hier verwendeten Videokamera 3 handelt es sich um eine CCD-Kamera mit einem telezentrischen Objektiv. Die Lichtstrahlquelle 13 liegt als Laserdiodenstrahlquelle vor, so daß die Lichtmarke in Form eines Laserlichtpunktes auf die Meßstelle der Werkzeug schneide 5 gesetzt wird. Der Laserlichtpunkt weist einen geringen Durchmesser in einer Größenordnung von ca. 0,2 mm auf.

Sowohl der Lichtstrahlquelle 13 als auch der Videokamera 3 ist zur Vermeidung von Streuungserscheinungen je ein Polarisationsfilter 4 vorgeordnet.

Die Videokamera 3 und der Lichtmarkenprojektor 4 sind aneinandergekoppelt und stellen eine bauliche Einheit dar, die sich zum Einbau in ein Einstellgerät oder eine anderweitige Vorrichtung mit den Bewegungsmöglichkeiten in den Richtungen A, B, C, D, E eignet. Die Verbindung zwischen dem Lichtmarkenprojektor 4 und der Videokamera 3 wird hergestellt, indem der Lichtmarkenprojektor 4 auf das Objektiv der Videokamera 3 aufgeschoben und dort fixiert wird.

Aus Fig. 1 ergibt sich weiter, daß dem Bildverarbeitungsrechner 6 ein Monitor 15 zugeord net ist, welcher das Livebild der Videokamera 3 überträgt, so daß die Winkelermittlungs stelle der Werkzeugschneide 5 ersichtlich ist.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Lehre nicht auf die vor anstehend erörterten Ausführungsbeispiele eingeschränkt ist. Vielmehr ist die Vermes sung unterschiedlichster Körper, Objekte anstelle von Werkzeugschneiden möglich, sofern diese über reflektierende Flächen verfügen. Außerdem sind weitere Ausgestaltungen von Meßeinrichtungen möglich, wobei auf einen lichtempfindlichen Sensor anstelle einer Ka mera zurückgegriffen wird und wobei die bauliche Einheit zwischen dem Lichtmarkenpro jektor und dem Sensor oder der Kamera konstruktiv anders realisiert wird.

Bezugszeichenliste

1

Werkzeug

2

Meßeinrichtung

3

Videokamera

4

Lichtmarkenprojektor

5

Werkzeugschneide

6

Bildverarbeitungsrechner

7

Werkzeugaufnahme

8

Meßeinrichtungsträger

9

Meßeinrichtungstragarm an

8

10

Umlenkspiegel

11

Lichtstrahl

12

reflektierter Lichtstrahl

13

Lichtstrahlquelle

14

Polarisationsfilter

15

Monitor
A Richtung - horizontal - quer -
B Richtung - horizontal - längs -
C Richtung - vertikal -
D Drehachse von

2

E Drehachse von

1

F gemeinsame optische Achse von

3

und

4

α gesuchter Winkel von

5

β Startdrehwinkel
α+β optimaler Drehwinkel

Claims

1. Verfahren zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden, wobei ein Werkzeug (1) und eine Meßeinrichtung (2) relativ zueinander bewegt werden und eine Auswertung der ermittelten Meßwerte erfolgt, dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Meßeinrichtung (2) eine Videokamera (3) und einen Lichtmarkenprojektor (4) umfaßt und der Lichtmarkenprojektor (4) eine Lichtmarke auf die Werkzeugschneide (5) projiziert,
- - daß die Lichtmarke von der Werkzeugschneide (5) reflektiert wird und
- - daß die Helligkeit der reflektierten Lichtmarke von der Videokamera (3) erfaßt und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels (α) an einen Bildverarbeitungsrechner (6) weitergeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) und die Meßeinrichtung (2) relativ zueinander eine Drehbewegung ausführen und daß der ge suchte Winkel (α) auf der Grundlage des Drehwinkels ermittelt wird, bei dem die Helligkeit der von der Werkzeugschneide (5) reflektierten Lichtmarke am größten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmarke konstant auf die Werkzeugschneide (5) projiziert wird, während das Werkzeug (1) gedreht und/oder die Meßeinrichtung (2) bewegt werden und dabei der günstigste Drehwinkel gesucht wird, an dem die Lichtmarke am stärksten von der Werkzeugschneide (5) reflektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der größten Helligkeit im Bildverarbeitungsrechner (6) die über die Drehung erfaßten Grauwerte miteinander unter Feststellung eines Maximalwertes mit Bezug zum Drehwinkel verglichen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneide (5) vor der Ermittlung des gesuchten Winkels (α) in eine Startposition und dann um einen Startdrehwinkel (β) gedreht wird und daß der Startdrehwinkel (β) vom ermittelten optimalen Drehwinkel (α+β), bei dem die Helligkeit der von der Werkzeug schneide (5) reflektierten Lichtmarke am größten ist, subtrahiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Videokamera (3) der optischen Achse des Lichtmarkenprojektors (4) entspricht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmarke in Form eines Laserpunktes auf die Meßstelle der Werkzeugschneide (5) ge setzt wird und daß der Laserpunkt eine geringe Abmessung, insbesondere einen Durch messer von ca. 0,2 mm, aufweist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung des gesuchten Winkels (α), vorzugsweise während der Drehung der Werk zeugschneide (5) in die Startposition, eine Scharfstellung der Werkzeugschneide (5) er folgt, indem im interessierenden Meßbereich anhand der mittels der Videokamera (3) de tektierten Geometriedaten eine Extremwertermittlung über die Werkzeugkontur durchge führt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Werkzeugschneide (5) Spanwinkel in radialer Richtung und/oder Freiwinkel in radialer Richtung und/oder Spiralwinkel und/oder Spanwinkel und/oder Freiwinkel stirnseitig ge messen werden.

10. Vorrichtung zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Werkzeugauf nahme (7) für das Werkzeug (1), mit einer Meßeinrichtung (2) zum Messen der Werkzeug schneide (5) und mit einem optoelektronischen Bauteil, welches mit einem Bildverarbei tungsrechner (6) verbunden ist, wobei das Werkzeug (1) bzw. die Werkzeugaufnahme (7) und die Meßeinrichtung (2) zumindest in zwei Koordinatenebenen relativ zueinander be wegbar sind und die Werkzeugaufnahme (7) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (2) eine Videokamera (3) und einen Lichtmarkenprojektor (4) zur Projektion einer Lichtmarke auf die Werkzeugschneide (5) umfaßt und daß die Helligkeit der von der Werkzeugschneide (5) reflektierten Lichtmarke mittels der Videokamera (3) erfaßbar und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels an den Bildverarbei tungsrechner (6) weiterleitbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (2) horizontal - in Richtung (A) und/oder in Richtung (B) quer- und/oder längsverfahrbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßein richtung (2) vertikal - in Richtung (C) - verfahrbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (2) um eine horizontale Drehachse (D) drehbar bzw. verschwenkbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1) um eine vertikale Drehachse (E) drehbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bahnsteuerung vorgesehen ist, welche sämtliche Bewegungen der Meßeinrichtung (2) und/oder des Werkzeuges (1) so steuert, daß die Lichtmarke während der Bewegun gen konstant auf der gewählten Meßstelle auf der Werkzeugschneide (5) verbleibt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, ggf. in Verbindung mit Anspruch 15, da durch gekennzeichnet, daß der gesuchte Winkel (α) der Werkzeugschneide (5) aus dem durch die Dreh- bzw. Schwenkbewegung um die Drehachse (D, E) erhaltenen Drehwinkel und der dabei von der Werkzeugschneide (5) reflektierten Helligkeit ermittelbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmarkenprojektor (4) über einen teildurchlässigen Umlenkspiegel (10) verfügt, durch welchen der Lichtstrahl (11) des Lichtmarkenprojektors (4) so umgelenkt wird, daß die Videokamera (3) und der Lichtmarkenprojektor (4) dieselbe optische Achse (F) aufwei sen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) ein entozentrisches oder telezentrisches Objektiv aufweist und als CCD-Kamera vorliegt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmarkenprojektor (4) eine Lichtstrahlquelle (13) und mindestens einen Polarisati onsfilter (14) umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlquelle (13) als Laserdiodenstrahlquelle oder in Form einer LED oder in Form einer Halogenleuch te mit Lichtleitfaser vorliegt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmarkenprojektor eine Fokussiereinrichtung zur Minimierung der projizierten Licht marke bzw. des Lichtpunktes im geforderten Arbeitsabstand umfaßt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bildverarbeitungsrechner (6) ein Monitor (15) zugeordnet ist und daß auf dem Monitor (15) das Livebild der Videokamera (3) darstellbar ist, so daß die Winkelermittlungsstelle der Werkzeugschneide (5) ersichtlich ist.

23. Meßeinrichtung zum Messen von Winkeln an Werkzeugschneiden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Videoka mera (3) und einem Lichtmarkenprojektor (4) zur Projektion einer Lichtmarke auf die Werkzeugschneide (5), wobei die Helligkeit der von der Werkzeugschneide (5) reflektier ten Lichtmarke durch die Videokamera (3) erfaßbar und zur Auswertung und Ermittlung des gesuchten Winkels (α) an einen Bildverarbeitungsrechner (6) weiterleitbar ist.

24. Meßeinrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (3) mit dem Lichtmarkenprojektor (4) so gekoppelt ist, daß eine bauliche Einheit vorliegt.

25. Meßeinrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (2) zum Einbau in ein Einstellgerät oder in eine Vorrichtung mit Bewe gungsmöglichkeiten in diversen Richtungen (A, B, C, D, E) vorgesehen ist.