DE19927496A1 - Verfahren zur Vermessung von mehrschneidigen Werkzeugen - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Messen eines mit wenigstens einer Schneide ausgebildeten Werkzeugs, bei welchem das Werkzeug um eine Drehachse gedreht und in unterschiedlichen Drehlagen mittels einer Kamera einer Bildverarbeitungseinrichtung erfaßt wird, wobei die für die unterschiedlichen Drehlagen auftretenden radialen und/oder axialen Maxima eines durch die Kamera erfaßten Konturverlaufs des Werkzeugs ermittelt werden und die für die unterschiedlichen Drehlagen ermittelten Maxima zur Messung des Werkzeugs rechnerisch in Beziehung zueinander gesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver­ messung von mehrschneidigen Werkzeugen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zerspanungswerkzeuge werden herkömmlicherweise vor ihrem Einsatz vorbereitend auf Einstell- und Meßgeräten vermes­ sen. Ein derartiges Vermessen betrifft in erster Linie die Ermittlung von Längs- und Quermaßen der Zerspanungswerkzeu­ ge. Aufgrund der geringen Anforderungen an die Meßgenauig­ keit und das Spektrum der zu ermittelnden Parameter konnte diese Vermessungstätigkeit relativ grob auf manuell bedien­ baren Einstell- und Meßgeräten mit Profilprojektoren ausge­ führt werden. Zur Gewährleistung einer größeren Bedienerun­ abhängigkeit und einer höheren Genauigkeit ist es bekannt, einen Profilprojektor durch eine CCD-Kamera zu ersetzen. In diesem Zusammenhang ist es ferner üblich, die Einstell- und Meßgeräte mit motorischen bzw. CNC-gesteuerten Antrieben auszurüsten. Unter Anwendung von Bildverarbeitungssystemen ist es bei derartigen Einstell- und Meßgeräten in der Regel möglich, zumindest die Längs- und Querkoordinaten eines Werkzeuges zu bestimmen.

Es sind ferner Bildverarbeitungssysteme bekannt, welche in der Lage sind, an mehrschneidigen Werkzeugen jede einzelne Schneide zu fokussieren und zu messen. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, ein Größt- bzw. Kleinstmaß in Längs- und Querrichtung und einen daraus resultierenden Rund- bzw. Planlauf auszuwerten. Aufgrund einer hier notwendigen Scharfstellung jeder einzelnen Schneide erweisen sich der­ artige Verfahren als sehr zeitaufwendig. Ferner ist hier ein Ermitteln der Schneidenradien und -winkel nur bei ge­ radverzahnten Werkzeugen möglich. Dies bedeutet, daß eine Werkzeugschneide nach dem Fokussieren absolut senkrecht zur Kameraachse ausgerichtet sein muß. Liegt eine Schneide, wie bei spiralisierten Werkzeugen, schräg im Raum, so unterlie­ gen die ermittelten Radien und Winkel einer Verzerrung, was insgesamt zu großen Meßungenauigkeiten führt. Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird in der Regel das Prinzip der sogenannten "Summenbildmessung" angewandt. Hierbei wird das Werkzeug von Hand, motorisch oder CNC-gesteuert zusam­ men mit einer Werkzeugaufnahmespindel, in welcher das Werk­ zeug gehaltert ist, um 360° gedreht. Während dieses Dreh­ vorgangs werden entsprechend der Bildwiederholfrequenz alle von der Bildverarbeitung aufgenommenen Bilder temporär zwi­ schengespeichert. Anschließend werden diese Bilder vom Rechner übereinandergelegt um so die Maximalkontur zu be­ rechnen. Das so erhaltene Meßergebnis stellt letztlich die Hüllkurve aller am Umfang des Werkzeuges befindlichen Werk­ zeugschneiden dar. Nachteilig hierbei ist, daß hieraus kei­ nerlei Informationen über die Abweichung der Schneiden un­ tereinander, eines Rund- oder Planlaufs, der Schneidenzahl oder eventueller Beschädigungen von einzelnen Schneiden ab­ geleitet werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Zur-Verfügung- Stellung eines Verfahrens, mit dem eine Messung von Werk­ zeugen, insbesondere von mehrschneidigen Zerspanungswerk­ zeugen, in einfacher Weise durchführbar ist. Es wird ange­ strebt, ein schnelles und anwenderfreundliches Meßverfahren bereitzustellen, mittels dessen sämtliche relevanten Geome­ triedaten eines mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugs bei sehr hoher Genauigkeit ermittelt und welches gleichzeitig für nahezu alle Varianten von Zerspanungswerkzeugen anwend­ bar ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Werkzeuge, insbesondere gerad- oder spiralverzahnte Zerspanungswerk­ zeuge in kürzester Zeit vollautomatisch und µ-genau vermes­ sen werden. Es ist bei Anwendung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens möglich, im Rahmen eines Meßvorgangs das Größt- und Kleinstmaß der Längs- sowie Querachse, das Längs- und Quer­ maß jeder einzelnen Schneide, den Schneidenradius und den Schneidenwinkel jeder einzelnen Schneide, den Rund- und Planlauf, die Teilungswinkel, die Schneidenzahl, die Hüll­ kurve jeder einzelnen Schneide sowie die Hüllkurve des ge­ samten Werkzeuges zu bestimmen.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei Messung eines bestimmten Werkzeuges keine werkzeugspezifi­ sche Programmierung durch den Bediener notwendig, so daß der vorbereitende Aufwand zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens vernachlässigbar ist. Durch die automa­ tische Bestimmung der Schneidenzahl und Schneidenlage sind Bedienfehler ausgeschlossen. Das Werkzeug kann in sicherer Weise komplett und vollautomatisch vermessen und geprüft werden.

Insbesondere im Zusammenhang mit stets komplexer werdenden Werkzeugen, höheren Ansprüchen an Genauigkeit, höheren An­ forderungen an die Standzeit durch den Einsatz teurer Schneidstoffe und einer stark forcierte Werkzeugkontrolle im Sinne der ISO 9000 erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Erfassung und Auswertung des durch die Kamera erfaßten Konturverlaufs ausschließlich dann, wenn der Konturverlauf bezüglich der Kamera fokussiert ist. Diese Vorgehensweise erweist sich insbesondere bei der Mes­ sung von geradverzahnten Werkzeugen als vorteilhaft. Bei derartigen geradverzahnten Werkzeugen ist maximal eine Schneide im Blickfeld. Es kann daher während der Drehung eines derartigen Werkzeuges in einfacher Weise überprüft werden, inwieweit eine Schneide scharf abgebildet ist. Nach Abschluß einer vollständigen Drehung (um 360°) sind für je­ de einzelne Schneide des Werkzeugs alle relevanten Parame­ ter (beispielsweise Position, Ausdehnung, Radius, Winkel usw.) bestimmt. Die Gesamtwirkung aller Schneiden bzw. von Kombinationen von Einzelschneiden ist mittels einer rechne­ rischen bzw. logischen Überlagerung der Einzelwirkungen be­ stimmbar. Bei der Vermessung von geradverzahnten Werkzeugen kann zur Erhöhung der Meßgeschwindigkeit beispielsweise bei Bekanntsein oder automatischer Bestimmung der Schneidenzahl der jeweilige Winkelbereich zwischen zwei benachbarten Schneiden mit einer erhöhten Drehgeschwindigkeit durchfah­ ren werden. In derartigen Winkelbereichen, in denen keine Schneide zu erwarten ist, kann ferner auf Aufnahmen ver­ zichtet werden.

Zweckmäßigerweise wird als Kamera des Bildverarbeitungssys­ tems eine telezentrische Kamera verwendet. Derartige tele­ zentrische Kameras, welche theoretisch eine unendliche Tie­ fenschärfe aufweisen, weisen in der Praxis Tiefenschärfen von etwa 10 mm auf. Ein Einsatz derartiger Kameras ermög­ licht in einfacher Weise die Festlegung eines Fokussie­ rungsbereiches bzw. "Fokussierungsfensters" innerhalb des­ sen Konturverläufe fokussiert sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens werden im Falle eines spiralisier­ ten Werkzeugs die durch jeweilige Schneiden des Werkzeugs verursachten Maxima des von der Kamera erfaßten Konturver­ laufs, welche aufgrund einer Drehung des Werkzeugs durch das Bildfeld der Kamera wandern, von einem Bildrand bis zu einem gegenüberliegenden Bildrand der Bildfläche erfaßt. Auf der Grundlage einer derartigen Erfassung kann, unter Zuordnung jeweiliger Drehwinkel bzw. Drehlagen des Werkzeu­ ges zu einer bestimmten Lage des Maximums innerhalb des Bildfeldes beispielsweise in einfacher Weise die Steigung der spiralisierten Schneide bestimmt werden. Insgesamt kann die Wirkung sämtlicher Schneiden bei einem spiralisierten Werkzeug in einfacher Weise vermessen werden, wobei die Ge­ samtwirkung sämtlicher Schneiden bzw. von Kombinationen von Schneiden wieder durch eine logische Überlagerung der Ein­ zelwirkungen bestimmbar ist.

Es ist ferner bevorzugt, daß die Schneidenzahl automatisch erkannt wird. Eine derartige automatische Erkennung bzw. auf der Grundlage einer derartigen Erkennung erfolgende An­ gabe der Schneidenzahl erleichtert die Bedienbarkeit von Einstell- und Meßgeräten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der beige­ fügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines vorzugswei­ se CNC-gesteuerten Einstell- und Meßgeräts mit einer Bildverarbeitung und einer PC-Elektronik,

Fig. 2a in einer schematischen seitlichen Ansicht ein spiralverzahntes mehrschneidiges Fräswerkzeug, welches in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen ist,

Fig. 2b eine vergrößerte Darstellung des Fräswerkzeugs der Fig. 2a

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung einen Bildver­ arbeitungsmonitor, in welchem eine digitalisierte Kontur einer Werkzeugschneide dargestellt ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein spiralverzahntes Werk­ zeug, wie es in Fig. 2b dargestellt ist, und

Fig. 5 zur Erläuterung einer vorteilhaften Datenausgabe eine bevorzugte Ausgestaltung eines Meßproto­ kolls.

Das in Fig. 1 dargestellte Einstell- und Meßgerät weist einen verfahrbaren Optikträger 1a auf, welcher eine CCD- Kamera, sowie nicht im einzelnen dargestellte Durchlicht- bzw. Auflichteinrichtungen trägt. Der verfahrbare Optikträ­ ger ist auf einem entlang wenigstens zweier Achsen verfahr­ baren Meßschlitten 1c, 1d befestigt. Die senkrecht zueinan­ der verlaufenden Achsen sind mit x und z bezeichnet. Eine dritte Verschiebungsachse ist ebenfalls denkbar, jedoch nicht im einzelnen dargestellt.

Mit 1b ist eine CNC-gesteuerte, drehbare Werkzeugaufnahme bezeichnet. Das in die Werkzeugaufnahme 1b eingespannte Werkstück bzw. Werkzeug 2 ist um seine Längsachse drehbar, wie dies in Fig. 1 mittels des gekrümmten Pfeils angedeu­ tet ist. Die Werkzeugaufnahme 1b mit dem darin eingespann­ ten Werkzeug ist in Fig. 2 in einer vergrößerten Ansicht dargestellt. Die Werkzeugaufnahme dient als Schnittstelle zwischen dem Werkzeug 2 und dem Einstell- und Meßgerät. Bei dem dargestellten Werkzeug handelt es sich, wie anhand der Fig. 2 und 3 erkennbar, um ein mehrschneidiges Fräswerk­ zeug, nämlich einen spiralverzahnten Schaftfräser mit Ec­ kenradius.

In Fig. 1 ist mit 1e ein herkömmlicher Industrierechner zur Durchführung der Bildverarbeitung und der CNC-Steuerung bezeichnet.

In der Fig. 3 sind wesentliche charakteristische Daten des dargestellten mehrschneidigen Fräswerkzeugs eingezeichnet. Mit X ist hierbei das Quermaß, mit Z das Längsmaß, mit R der Radius, mit ΔX der Rundlauf und mit ΔZ der Planlauf des Fräswerkzeuges bezeichnet. Die zwei Schneiden des Fräswerk­ zeugs sind mit 12 und 13 bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Messung des Werkzeugs 2 beginnt mit dem Einschalten des Einstell- und Meßgeräts. Der Bediener des Einstell- und Meßgerätes wählt mittels der Tastatur oder des Bildschirms 5 das für den gewünschten Ablauf not­ wendige Meßprogramm aus. Nach einem Tastendruck auf die Tas­ tatur wird der eigentliche Meßablauf ausgelöst. Die Werk­ zeugaufnahmespindel 1b wird motorisch oder CNC-gesteuert mit einer dem Durchmesser des Werkzeugs angepaßten Ge­ schwindigkeit um maximal 360° gedreht. Während dieser Dre­ hung übernimmt das Bildverarbeitungssystem die Ermittlung aller für die Vermessung wichtigen Daten des Werkzeuges. Nach Beenden des Drehvorgangs werden die ermittelten Daten vom Rechner 1e und der darauf befindlichen Software ausge­ wertet und die beschriebenen Meßwerte ermittelt.

Die auf dem Optikträger 1a montierte Kamera wird hierbei über den Meßschlitten 1c, 1d manuell oder automatisch be­ züglich des Werkzeugs 2 derart positioniert, daß das Werk­ zeug im Bildfeld der Kamera erscheint. Das Bildfeld der Ka­ mera ist beispielsweise auf einem Monitor 4 darstellbar, wie in Fig. 3 dargestellt. Das zu messende Werkzeug 2 wird mittels einer Drehung des Werkzeughalters 1b um seine Längsachse gedreht. Während der Drehung werden für ver­ schiedene Drehstellungen mittels der Kamera Bilder aufge­ nommen. Die Anzahl der Aufnahmen wird entsprechend einer gewünschten Genauigkeit gewählt, gegebenenfalls kann die Genauigkeit durch Interpolation bei der Auswertung weiter erhöht werden. Eine Auswertung kann bereits während der Drehung erfolgen (online) oder auch im Anschluß daran (off­ line). Ebenso kann die Darstellung des Meßergebnisses on­ line oder offline erfolgen, beispielsweise auf einem Moni­ tor 5 (siehe Fig. 1). Die Auswertung kann über eine pixel- oder subpixel-genaue Konturextraktion erfolgen. Für jedes Werkzeug werden vorzugsweise die Gesamtwirkung, die Wirkung der einzelnen Schneiden 12, 13 (Einzelwirkung) sowie Kombi­ nationen von Einzelwirkungen erfaßt, wodurch eine differen­ zierte Beurteilung des Werkzeugs möglich wird. Unterschiede zwischen Gesamt- oder Einzelschneidenwirkungen können be­ stimmt und ausgegeben werden.

Das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Prin­ zip wird nun anhand der Fig. 2b am Beispiel eines spiral­ verzahnten Werkzeugs weiter erläutert. Das bereits be­ schriebene, als spiralverzahnter Schaftfräser mit Eckenra­ dius ausgebildete mehrschneidige Fräswerkzeug 2 weist eine durch die Kamera erfaßbare Kontur auf, welche durch mehre­ re, den jeweiligen Schneiden 12, 13 zuordnenbare (radiale) Maxima 12a bzw. 13a charakterisierbar ist. Charakteristisch für die in der Fig. 2b dargestellte Drehlage ist bei­ spielsweise, daß das Konturverlaufsmaximum 13a auf einer Höhe Z1, und das Konturverlaufmaximum 12a auf einer Höhe Z2 ausgebildet ist. Entsprechende (axiale) Maxima sind bezüg­ lich der Stirnseite des Schaftfräsers 2 ermittelbar, in der Figur jedoch nicht im einzelnen dargestellt. Bei Drehung des Schaftfräsers um seine Längsachse M wandern, je nach Drehrichtung, die Maxima 12a, 13a nach oben bzw. nach un­ ten. Bei einer Drehung des Werkzeuges läuft daher die mit­ tels der jeweiligen Maxima charakterisierbare Position je­ der Schneide 12, 13 durch das Bildfeld der Kamera von einem ersten Bildrand zu einem gegenüberliegenden Bildrand, d. h. die Maxima 12a, 13a durchwandern das Bildfeld. Dieses Durchwandern der Maxima 12a, 13a bei der Drehung wird mit­ tels der Kamera verfolgt bzw. erfaßt, wobei für jede Dreh­ lage die Position der Schneide (d. h. die Position der Ma­ xima 12a, 13a) sowie der zugehörige Drehwinkel aufgezeich­ net wird. Aufgrund dieser Informationen kann die Wirkung der einzelnen Schneiden 12, 13 im Falle eines spiralisierten Werkzeugs vermessen, und zusätzlich beispielsweise die Steigung der Spirale bestimmt werden. Die Gesamtwirkung sämtlicher Schneiden 12, 13 bzw. von Kombinationen dieser Schneiden ist durch eine logische Überlagerung ihrer Ein­ zelwirkungen bestimmbar.

Eine Auswertung bzw. Messung eines geradverzahnten Werk­ zeugs unterscheidet sich von der dargestellten Messung ei­ nes spiralisierten Werkzeugs insofern, als bei einem ge­ radverzahnten Werkzeug maximal eine Schneide bei einer be­ stimmten Drehlage des Werkzeugs im Bildfeld der Kamera ist. Zweckmäßigerweise erfolgt eine Auswertung der Schneide in diesem Falle nur dann, wenn die im Blickfeld vorliegende Schneide fokussiert ist. Bei geradverzahntem Werkzeug wird daher während der Drehung in jedem Bild überprüft, inwie­ weit eine Schneide den maximalen Umkehrpunkt im Durchmesser erreicht hat. Die entsprechenden Bilder werden dann für ei­ ne Online- bzw. Offline-Auswertung herangezogen. Eine ge­ naue Messung eines geradverzahnten Werkzeugs ist dadurch möglich, daß ein Konturverlaufsmaximum im Falle geradver­ zahnter Werkzeuge in sehr einfacher Weise ermittelbar ist.

Nach Abschluß einer Drehung um 360° sind für jede einzelne Schneide eines geradverzahnten Werkzeugs sämtliche relevan­ ten Parameter (beispielsweise Position, Ausdehnung, Radien, Winkel usw.) bestimmt. Die Gesamtwirkung aller Schneiden bzw. von Kombinationen von Einzelschneiden wird wiederum durch eine logische Überlagerung von Einzelwirkungen be­ stimmt.

Für beide beschriebenen Werkzeugarten ergibt sich die Zahl der Schneiden aus der Anzahl der Einzelschneidenwirkungen. Zweckmäßigerweise wird, um eine möglichst schnelle Durch­ führung einer Messung sicherzustellen, die Art des Werkzeu­ ges (geradverzahnt oder spiralisiert) vorgegeben oder auto­ matisch bestimmt. Für geradverzahnte Werkzeuge kann zur Er­ höhung der Geschwindigkeit nach Bekanntgabe oder automati­ scher Bestimmung der Schneidenzahl der Winkelbereich zwi­ schen den Schneiden durch eine erhöhte Drehgeschwindigkeit schneller durchfahren werden, wobei in diesen Bereichen zweckmäßigerweise keine Aufnahmen des Werkzeugs gemacht werden.

Zur weiteren Erläuterung der verwendeten Begriffe Wirkbe­ reich und Teilung wird auf die Fig. 4 hingewiesen. Hier ist mit Bezugszeichen 14a der Wirkbereich einer Einzel­ schneide, mit Bezugszeichen 14b der Wirkbereich des kom­ pletten Werkzeugs und mit Bezugszeichen 14c die Teilung des Werkzeugs gemäß der Fig. 2a, 2b im einzelnen darge­ stellt.

In Fig. 5 ist ein bevorzugtes Format für ein Meßprotokoll dargestellt, mit welchem die erfindungsgemäß ermittelten Meßergebnisse vorteilhaft darstellbar sind. Derartige Meß­ protokolle sind an sich bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung. Es ist selbstverständlich möglich, die ermittelten Meßergebnisse auf dem Monitor 5 anzuzeigen.

Zusätzlich ist ein automatischer Soll-/Ist-Vergleich durch­ führbar, sofern im Vorfeld Maßtoleranzen gegeben wurden. Für den Bediener besteht nunmehr die Möglichkeit, einzelne Schneiden anzuwählen, so daß vom Einstell- und Meßgerät ein wiederholtes und automatisches Messen einer unter Umständen korrigierten bzw. ausgetauschten Schneide möglich ist.

Die gemessenen bzw. errechneten Daten des Werkzeugs können beliebig weiterverarbeitet werden. So besteht die Möglich­ keit der Ausgabe auf ein Prüfprotokoll, wie es beispiels­ weise bereits unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben wur­ de. Auch besteht die Möglichkeit der Ausgabe der Solldaten in eine Datei auf beliebige Datenträger zur Archivierung oder Übertragung auf eine Werkzeugmaschine.

Claims (5)

1. Verfahren zum Messen eines mit wenigstens einer Schneide (12, 13) ausgebildeten Werkzeugs (2), bei welchem das Werkzeug um eine Drehachse gedreht und in unterschied­ lichen Drehlagen mittels einer Kamera einer Bildverarbei­ tungseinrichtung (1a, 1e) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für die unterschiedlichen Drehlagen auftretenden radialen und/oder axialen Maxima (12a, 13a) eines durch die Kamera erfaßten Konturverlaufs des Werkzeugs ermittelt wer­ den und die für die unterschiedlichen Drehlagen ermittelten Maxima zur Messung des Werkzeuges rechnerisch in Beziehung zueinander gesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erfassung und Auswertung des Konturverlaufs aus­ schließlich dann erfolgt, wenn der Konturverlauf bezüglich der Kamera fokussiert ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kamera eine telezentrische Kamera verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Falle einer Messung eines spi­ ralverzahnten Werkzeugs die durch die jeweiligen Schneiden verursachten Maxima des von der Kamera erfaßten Konturver­ laufs, welche aufgrund der Drehung des Werkzeugs durch das Bildfeld der Kamera laufen, von einem ersten Bildrand bis zu einem gegenüberliegenden Bildrand des Bildfeldes der Ka­ mera erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schneidenzahl automatisch er­ kannt wird.