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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung von
ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugen.
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Zum
automatischen Vermessen bzw. Messen von Werkzeugen werden auf Einstell-
und Meßgeräten vielfach
Bildverarbeitungssysteme eingesetzt. Zum Vermessen eines Werkzeugs
mittels eines derartigen Bildverarbeitungssystems werden in der
Praxis beispielsweise Meßpunktreihen
mit einer großen
Anzahl von Meßpunkten über eine
Tastatur und eine Bildschirmmaske in einen Rechner eingegeben. Bei
diesen Meßpunkten
handelt es sich um Soll-Werte, welche typischerweise aus zweidimensionalen
Koordinatenwerten bestehen, denen weitere Informationen beispielsweise
hinsichtlich einer zu messenden Schneidenform des Werkzeugs hinzugefügt werden.
Die eingegebenen Soll-Werte werden dann mittels eines Bildverarbeitungssystems
mit tatsächlich
gemessenen Ist-Werten verglichen. Aus dem Vergleich der Ist- mit
den Soll-Werten ist es dann möglich,
ein den Konturverlauf des zu vermessenden Werkzeuges darstellendes
Polygon zu berechnen.
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Die
beschriebene manuelle Dateneingabe für komplex geformte Werkzeuge
kann, beispielsweise je nach Anzahl der Schneiden, erhebliche Zeit
in Anspruch nehmen.
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Ferner
werden für
die Herstellung von Zerspanungswerkzeugen typischerweise unterschiedliche
Materialien, wie beispielsweise HSS, PKD oder Hartmetall verwendet.
Die Bearbeitung derartiger Werkstoffe zur Herstellung von Werkzeugen
erfolgt durch Sintern, Schleifen oder Erodieren. Zur Kontrolle der
Werkzeuge nach der Herstellung bzw. vor ihrem Einsatz kommen verschiedenste
Meßgeräte unterschiedlicher
Konstruktion zum Einsatz. Je nach Anforderungen an die Prüfkriterien
und die Genauigkeit handelt es sich dabei um taktile oder optische Meßgeräte, meist
mit manueller Bedienung.
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Besonders
verbreitet sind in diesem Zusammenhang zur Vermessung verschiedener
Winkel, wie beispielsweise Span- und Freiwinkel, Meßtaster,
Meßuhren
oder Winkelmesser. Aufgrund der recht kleinen Meßflächen und durch das berührende Messen sind
die Ergebnisse sehr ungenau und bedienerabhängig.
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Um
derartige Messungen zu automatisieren, die Genauigkeit zu steigern
und die Abhängigkeit
von einem Bediener auszuschließen,
werden bereits verschiedene Laser-Meßeinrichtungen auf Meßgeräten eingesetzt.
Diese Verfahren sind jedoch noch nicht sehr ausgereift und bedürfen in
der Regel mindestens eines fünf-achsigen
CNC-gesteuerten Meßgerätes. Des
weiteren beschränken
sich derartige Verfahren auf reine Winkelmessungen. Radien, Abstände oder
Oberflächen
lassen sich damit nicht auswerten.
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Aufgabe
ist der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens, mit welchem sich
eine Vermessung von beliebigen Oberflächenkonturen eines Werkstücks, insbesondere
zur Vermessung von Span- und Freiwinkeln, besonders einfach gestaltet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Vermessung von Werkstücken mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vermessung
von Werkstücken,
insbesondere von Span- oder Freiwinkeln, sowie von nahezu allen
weiteren Geometrieparametern eines Zerspanungswerkzeuges, in einfacher
Weise möglich.
Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es mittels
Bildverarbeitung möglich,
im Auflicht sämtliche
Messungen an ein- oder mehrschneidigen Werkzeugen durchzuführen, welche
im Durchlichtverfahren nicht möglich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich durch die Möglichkeit
der vollständigen
Automatisierung, sowie die Bedienerunabhängigkeit und besonders kurze
Meßzeiten
aus.
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Erfindungsgemäß ist nun
ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer Auflicht-Bildverarbeitung
mit Hilfe eines CNC-gesteuerten Einstell- und Meßgerätes Flächen, Geometrien, Abstände und
Winkel an ein- und mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugen vollautomatisch
ermittelt werden können.
Beispielsweise bei Verwendung spezieller Eingabedialoge (insbesondere
fotorealer Eingabedialoge ”FORED”) ist eine
sehr einfache Bedienung einer dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordneten
Steuersoftware möglich.
So wird dem Anwender ein sehr einfach anzuwendendes und dennoch
vollautomatisches und hochgenaues Meßverfahren zur Verfügung gestellt.
Insbesondere im Sinne der ISO 9000 ist damit eine durchgängige Qualitätssicherung bei
Herstellern sowie bei Anwendern von Zerspanungswerkzeugen möglich. Die
Auswertung der Aufnahmen des ein- und mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugs
erfolgt erfindungsgemäß nachdem sogenannten ”Depth-from-Defocus”-Verfahren,
bei dem eine erste Aufnahme, bei welcher der Fokus der aufnehmenden
Kamera hinter dem ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeug
liegt, und eine zweite Aufnahme, bei welcher der Fokus der aufnehmenden
Kamera vor dem ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeug liegt,
ausgeführt
wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist ein Objektiv der verwendeten Kamera des Bildverarbeitungssystems
eine relativ geringe Tiefenschärfe bzw.
Schärfentiefe
auf. Auf der Grundlage einer derartigen Kamera sind Aufnahmen bei
unterschiedlichen Kamera-Werkstück-Abständen in
besonders einfacher Weise voneinander unterscheidbar, wobei jeder
Aufnahme beispielsweise ein Bildpunkt zuordenbar ist, welcher genau
in einer Aufnahme seine maximale Schärfe aufweist.
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Zweckmäßigerweise
wird an eine erhaltene dreidimensionale Oberfläche eine geeignete Funktion,
insbesondere eine Ebene, angelegt. Mittels derartiger Funktionen
können
spezifische Werkstückeigenschaften
gewonnen werden. Aus den Parametern der Anpassung können beispielsweise
Span- und Freiwinkel sowie weitere beliebige Geometrieelemente bestimmt
werden. Weiterhin können
Unstetigkeiten der Oberfläche,
wie etwa eine Schneidenkontur, ermittelt werden.
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Es
erweist sich als besonders vorteilhaft, auf der Grundlage einer
errechneten Sicherheit der Tiefenberechnung Toleranzen des Werkstücks, insbesondere
Winkeltoleranzen, zu ermitteln.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird nun anhand der beigefügten
Zeichnung weiter erläutert. In
dieser zeigt
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1 eine
schematische Seitenansicht eines CNC-gesteuerten Einstell- und Meßgeräts mit einer
Bildverarbeitung und einer PC-Elektronik,
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2 in
einer schematischen seitlichen Ansicht ein mehrschneidiges Fräswerkzeug,
welches in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen ist, und
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3 eine
unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte dreidimensionale
Oberfläche
eines Werkstücks.
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Das
in 1 dargestellte Einstell- und Meßgerät weist
einen verfahrbaren Optikträger 1a auf, welche
ein oder zwei CCD-Kamera, ein Durchlicht und ein Auflicht trägt. Ein
steuerbares Auflicht ist mit 1d bezeichnet, das Durchlicht
ist nicht im einzelnen dargestellt. Der verfahrbare Optikträger 1a ist
auf einem entlang dreier linearer Achsen verfahrbaren Meßschlitten 1c, 1d befestigt.
Die drei voneinander linear unabhängigen Achsen sind mit x, y
und z bezeichnet. 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 1 mittels des gekrümmten Pfeils angedeutet ist.
Die Werkzeugaufnahme 1b mit dem darin eingespannten Werkzeug 2 ist
in 2 in einer vergrößerten Ansicht dargestellt.
Die Werkzeugaufnahme dient als Schnittstelle zwischen dem Werkzeug 2 und
dem Einstell- und Meßgerät. Als Werkzeug
ist hier beispielhaft ein mehrschneidiges Fräswerkzeug, nämlich ein
spiralverzahnter Schaftfräser
mit Eckenradius dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Vermessung
des Werkzeugs beginnt mit dem Einschalten des Einstell- und Meßgeräts. Die
auf dem Optikträger 1a montierte Kamera
wird über
den Meßschlitten 1c, 1d manuell oder
automatisch bezüglich
des Werkzeugs 2 derart positioniert, daß das Werkzeug im Bildfeld
der Kamera erscheint. Das Bildfeld der Kamera ist beispielsweise
auf einem Monitor 4 darstellbar. Eingaben in das System
sind beispielsweise über
eine Tastatur 5a oder andere Eingabenmedien tätigbar.
Die Kamera 1a ist mit einem Objektiv mit geringer Tiefenschärfe ausgestattet.
Die an dem Optikträger 1a (oder
an einer anderen geeigneten Stelle) angebrachte Auflichtbeleuchtung 1d dient
zur Ausleuchtung der Meßfläche am Werkzeug.
Dies kann etwa über
ein am Objektiv der Kamera befestigtes Ringlicht oder über seitlich
ange brachte Beleuchtungseinrichtungen erfolgen. Die Anpassung der
Beleuchtung erfolgt durch manuelles oder automatisches Einstellen
der Lichtintensität
oder der Blende von Objektiv oder Kamera oder Belichtungszeit bzw.
eines Shutters der Kamera.
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Der
gesamte Aufbau muß zweckmäßigerweise
zunächst
einmalig optisch oder mechanisch kalibriert werden, um absolute
oder relative Positionen für
die Auswertung bestimmen zu können.
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Nach
Positionierung des Werkzeuges im Bildfeld der Kamera kann anhand
einer oder mehrerer Aufnahmen eine Bewertung der Aufnahmebedingungen
durch den Anwender oder durch das Bildverarbeitungssystem durchgeführt werden.
Hierbei wird zweckmäßigerweise überprüft, ob die
Ausleuchtung korrekt ist, keine Über-
oder Unterstreuungen im Bild auftreten, keine störenden Reflexionen vorhanden sind,
die Oberfläche
für das
durchzuführende
Verfahren geeignet ist und das Werkzeug richtig positioniert ist.
Für den
Fall, daß Anpassungen
notwendig sind, können
diese vom Anwender oder vom System automatisch durchgeführt werden.
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Es
wird nun eine Anzahl von Aufnahmen des Werkzeugs 2 gemacht.
Hierbei wird der Abstand zwischen Kamera und Werkzeug manuell oder
automatisch verändert.
Der Bereich, in welchem der Kamera-Werkzeug-Abstand variiert wird,
kann vom Anwender eingestellt oder automatisch ermittelt bzw. vorgegeben
werden. Aufgrund der geringen Tiefenschärfe des Objektivs der Kamera
werden bei diesen Aufnahmen nur die jeweils im Tiefenschärfebereich der
Kamera liegenden Teile des Werkzeugs 2 scharf abgebildet.
Die Anzahl der Aufnahmen kann vom Anwender eingestellt, oder auch
fest vorgegeben werden. Des weiteren ist der gesamte zu durchfahrende Tiefenschärfebereich
sowie der Abstand zwischen den jeweiligen Aufnahmen variabel einstellbar.
Bei einer höheren
Dichte der Aufnahmen erhöht
sich die Genauigkeit des Verfahrens. Die durchgeführten Aufnahmen
des Werkzeugs werden auf den Steuerrechner 1e gegeben und
mittels einer diesem zugeordneten Software ausgewertet.
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Die
Auswertung kann im gesamten Bild oder nur in Teilen davon erfolgen.
Die Auswahl von Bildausschnitten kann manuell durch den Anwender
oder durch eine vollautomatische Vorschlagskomponente erfolgen,
so daß beispielsweise
lediglich die Fläche entlang
einer Schneidkante berücksichtigt
bzw. vermessen wird.
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Das
grundsätzlich
ebenfalls verwendbare, von der Erfindung ausgeschlossene ”Depth-from-Focus”-Verfahren
wird zum besseren Verständnis
im folgenden näher
erläutert.
Im Verlauf der Auswertung wird zu jedem Punkt in der Bildebene diejenige
Aufnahme gesucht, in welcher der jeweilige Punkt am schärfsten abgebildet
ist. Aufgrund der Geometrie des Aufbaus entspricht jeder Punkt (xy-Punkt
in der zweidimensionalen Bildebene) eines beliebigen Bildes genau
einem Punkt auf der Oberfläche
des zu vermessenden Werkzeugs. Zusammen mit einer Information, welche
den dem jeweiligen Bild zugeordneten Kamera-Werkzeug-Abstand beschreibt,
läßt sich
die Tiefe jedes Punktes bzw. Pixels und in Kombination aller Punkte
die dreidimensionale Oberfläche
des Werkzeugs rekonstruieren.
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Des
weiteren erhält
man bei der Auswertung eine die Sicherheit bzw. Güte für die Tiefenberechnung
jedes Punktes bzw. Pixels darstellende Information. Diese Information
ist bei der Bestimmung der dreidimensionalen Oberfläche vorteilhaft
einsetzbar. Zur Ermittlung der spezifischen Werkzeugeigenschaften
ist es ferner vorteilhaft, an die ermittelte dreidimensionale Oberfläche eine
geeignete Funktion, im einfachsten Falle eine Ebene, anzupassen. Aus
den Anpassungsparametern können
beispielsweise Span- und Freiwinkel, jedoch auch weitere beliebige
Geometrieelemente bestimmt werden. Weiterhin können Unstetigkeiten der Oberflache,
wie beispielsweise eine Schneidenkontur, ermittelt werden Die Toleranz
der Winkelberechnung kann aus der Sicherheit der Tiefenberechnung
abgeleitet werden.
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Alternativ
zum beschriebenen Depth-from-Fokus-Verfahren ist erfindungsgemäß das an
sich bekannte ”Depth-from-Defocus”-Verfahren verwendet,
das auch auf der Grundlage einer geringeren Anzahl von Aufnahmen
eine zufriedenstellende dreidimensionale Darstellung der Werkzeugoberfläche gestattet.
Hierbei wird im einfachsten Fall eine erste Aufnahme des Werkzeugs,
bei welcher der Fokus der aufnehmenden. Kamera hinter dem Werkzeug,
und eine zweite Aufnahme des Werkzeugs, bei welcher der Fokus der
Kamera vor dem Werkzeug liegt, ausgeführt. Auf der Grundlage einer
rechnerischen Kupplung derartiger Aufnahmen läßt sich die dreidimensionale
Oberfläche
des Werkzeugs darstellen. Bei diesem ”Depth-from-Defocus”-Verfahren
läßt sich
die Genauigkeit durch eine größere Anzahl
von Aufnahmen steigern.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere für
gerad- oder spiralverzahnte
Zerspanungswerkzeuge unterschiedlicher Herstellungsart, welche aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können, verwendbar. Die dargestellten
Aus werteverfahren sind bei Einstell- und Meßgeräten mit wenigstens vier Freiheitsgeraden
bzw. Verstellachsen, davon drei linearen und einer rotorischen,
anwendbar.
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Das
dargestellte Verfahren beruht auf der rechnerischen Auswertung von
Schärfe-
oder Unschärfenbereichen
der aufgenommenen Werkzeugbilder.
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Bei
ungünstiger
Lage des Werkzeugs oder zu starker Reflexion an der Meßstelle
ist das Werkzeug durch das Einstell- und Meßgerät automatisch in die korrekte
Position bringbar. Die Einstellung der Auflichtbeleuchtung erfolgt
vorzugsweise vollautomatisch, kann jedoch auch vom Anwender beeinflußt werden.
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3 zeigt
eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte dreidimensionale
Oberfläche
eines Bereiches des in 2 dargestellten Werkzeuges.
Es handelt sich bei diesem Bereich um einen Teil der Fräserspitze,
welcher in 2 mit 2' bezeichnet ist. Man erkennt, daß mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die räumliche
Orientierung dieser Fläche
bezüglich
der Koordinatenachsen x, y, z darstellbar ist.