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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung mit einer Sensorvorrichtung zum berührungslosen optischen Abtasten eines Werkstücks.
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Derartige Abtastvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise zur Qualitätssicherung, d. h. zur Überprüfung von Bauteiletoleranzen, eingesetzt. Dabei erfolgt die Programmierung der Bewegungen und/oder Positionen, die die Sensorvorrichtung zum Abtasten des Werkstücks einnehmen soll, beispielsweise mit der Software KRC der Firma KUKA. Eine derartige Programmierung ist zeitaufwändig und fehleranfällig. Weiterhin sind für die Programmierung spezielle Kenntnisse der Software KRC nötig, so dass nur ein eingeschränkter, sorgfältig ausgebildeter Personenkreis in der Lage ist, die Programmierung vorzunehmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass das Abtasten eines Werkstücks vereinfacht wird, insbesondere die Programmierung der Abtastung mit möglichst wenig Programmierkenntnissen sowie unter möglichst geringem Zeitaufwand erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abtastvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die oben bezeichnete Aufgabe besonders vorteilhaft gelöst werden kann, wenn die Abtastvorrichtung weiterhin einen Kraft-Momenten-Sensor umfasst. Kraft-Momenten-Sensoren sind in der Lage Kraft-Komponenten und Drehmoment-Komponenten zu messen. Beispielsweise kann ein Sechs-Komponenten-Kraft-Momenten-Sensor drei Kraft-Komponenten und drei Drehmoment-Komponenten messen. Dabei erfolgt die Messung über Dehnungsmessstreifen an vier Stegen, wobei die Messergebnisse über eine geeignete Transformation in das Werkzeugkoordinatensystem umgerechnet werden können. Unter Verwendung eines Kraft-Momenten-Sensors werden demnach in die Abtastvorrichtung durch einen Benutzer eingebrachte Kräfte und Momente registriert, als Wunsch der Bedienperson interpretiert und durch entsprechende Ansteuerung unterstützt. Durch diese Kombination aus Sensorvorrichtung und Kraft-Momenten-Sensor wird somit grundsätzlich die Möglichkeit einer besonders einfachen Programmierung der Abtastvorrichtung eröffnet.
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Bevorzugt ist der Kraft-Momenten-Sensor mit einem Mehrachsensystem gekoppelt, wobei das Mehrachsensystem mindestens einen Tragarm aufweist. Ein zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung verwendbares Mehrachsensystem mit einem Kraft-Momenten-Sensor ist beispielsweise unter der Bezeichnung SafeGuiding der Firma MRK-Systeme GmbH, Augsburg, Deutschland bekannt. Dadurch kann die Bedienperson den Tragarm an die Positionen bewegen beziehungsweise mit dem Tragarm die Bewegungen ausführen, die hinterher zum Abtasten des Werkstücks nötig sind. Dies kann im dreidimensionalen Raum erfolgen.
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Gemäß einer ersten Variante ist dabei die Sensorvorrichtung mit dem Kraft-Momenten-Sensor gekoppelt. Sie ist insbesondere mit dem freien Ende des Tragarms des Mehrachsensystems gekoppelt, insbesondere an diesem montiert. Auf diese Weise können unterschiedliche Positionen beziehungsweise Bewegungen der Sensorvorrichtung vorgenommen werden, wobei die Einnahme dieser Positionen beziehungsweise die Durchführung dieser Bewegungen vom Kraft-Momenten-Sensor zum einen registriert, insbesondere abgespeichert, zum anderen unterstützt werden.
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Gemäß einer zweiten Realisierung umfasst die Abtastvorrichtung weiterhin eine Haltevorrichtung für das Werkstück, wobei die Haltevorrichtung mit dem freien Ende des Tragarms des Mehrachsensystems gekoppelt ist, insbesondere an diesem montiert ist.
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In diesem Fall ist dann die Sensorvorrichtung im Wesentlichen statisch montiert. Das heißt zur Durchführung der Abtastung wird das Werkstück relativ zur Sensorvorrichtung bewegt, während bei der ersten Realisierung die Sensorvorrichtung relativ zum statisch angeordneten Werkstück bewegt wird.
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Bevorzugt weist das Mehrachsensystem weiterhin einen Führungsarm auf zum Teachen der Abtastvorrichtung durch eine Bedienperson. Das Teachen umfasst dabei insbesondere das Aufzeichnen von Bewegungen und/oder von Positionen der Sensorvorrichtung oder der Haltevorrichtung. Damit werden diese von der Sensorvorrichtung – im Fall der bewegten Sensorvorrichtung – oder der Haltevorrichtung – im Fall der bewegten Haltevorrichtung – aufgezeichnet, so dass diese hinterher selbständig von der Abtastvorrichtung zum Zwecke des Abtastens von Werkstücken eingenommen werden können beziehungsweise durchlaufen werden können. Dadurch kann die zeitaufwändige Programmierung, beispielsweise mittels der Software KRC der Firma KUKA, die insbesondere umfangreiche Fachkenntnisse erfordert, entfallen. Bei einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung erfolgt die Eingabe der zum Zwecke des Abtastens einzunehmenden Positionen beziehungsweise durchzuführenden Bewegungen der Sensorvorrichtung oder Haltevorrichtung auf äußerst einfache Art und Weise und bei minimalem Zeitaufwand. Programmierfehler sind nahezu ausgeschlossen.
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Besonders bevorzugt umfasst die Abtastvorrichtung in diesem Zusammenhang weiterhin eine Steuervorrichtung, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist, die beim Teachen des Kraft-Momenten-Sensors eingestellten Positionen und/oder Bewegungen der Sensorvorrichtung oder Haltevorrichtung zu speichern. Die Steuervorrichtung kann weiterhin ausgelegt sein, die Sensorvorrichtung in Abhängigkeit von Positionen und/oder Bewegungen der Sensorvorrichtung oder der Haltevorrichtung anzusteuern. Beispielsweise können je nach Position oder Bewegung der Sensorvorrichtung oder der Haltevorrichtung Messfunktionen der Sensorvorrichtung aktiviert oder deaktiviert werden beziehungsweise kann aus unterschiedlichen Messfunktionen ausgewählt werden.
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Bevorzugt umfasst die Sensorvorrichtung mindestens einen Projektor und mindestens eine Kamera, wobei die Steuervorrichtung ausgelegt ist, den mindestens einen Projektor und/oder die mindestens eine Kamera in Abhängigkeit von Positionen und/oder Bewegungen der Sensorvorrichtung oder der Haltevorrichtung mit vorgebbaren Parametern zu betreiben.
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Die Sensorvorrichtung kann insbesondere eine Lichtquelle umfassen und zur Erfassung von Geometriedaten mittels dieser Lichtquelle ausgelegt sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Sensorvorrichtung als Streifenprojektionssystem oder als Laservorrichtung ausgebildet.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im Nachfolgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung; und
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2 eine detailliertere Darstellung des Ausschnitts II von 1.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 10. Diese umfasst ein Mehrachsensystem 12 mit einem Tragarm 14. Mit dem Tragarm 14 ist ein Kraft-Momenten-Sensor 16 gekoppelt, an dem seinerseits eine Sensorvorrichtung 18 zum berührungslosen optischen Abtasten eines Werkstücks gekoppelt ist. Vorliegend ist zwischen den Kraft-Momenten-Sensor 16 und die Sensorvorrichtung 18 ein Griff 20 zum Teachen der Abtastvorrichtung 10 angeordnet. Mittels des Griffs 20 kann die Sensorvorrichtung 18 relativ zu einem nicht dargestellten Werkstück bewegt werden, so dass von der Sensorvorrichtung 18 verschiedene vorgebbare Positionen relativ zum Werkstück eingenommen werden.
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Eine Steuervorrichtung 22 der Abtastvorrichtung 10 ist ausgelegt, die beim Teachen eingestellten Positionen und/oder Bewegungen der Sensorvorrichtung 18 zu speichern, so dass diese im Anschluss, d. h. nach dem Teachvorgang, automatisch zum Abtasten eines Werkstücks eingenommen werden. Die Steuervorrichtung 22 ist weiterhin ausgelegt, die Sensorvorrichtung 18 in Abhängigkeit von Positionen und/oder Bewegungen der Sensorvorrichtung 18 anzusteuern, das heißt insbesondere Einzuschalten, Auszuschalten bzw. unterschiedliche Messungen vorzunehmen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit II gekennzeichneten Details des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 10. Demnach umfasst die Sensorvorrichtung 18 eine Kamera 24 sowie einen Projektor 26. Für diese Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung 18 als Streifenprojektionssystem ausgeführt, das sich im Rahmen der Qualitätssicherung perfekt eignet, um ebene oder gekrümmte, diffus reflektierende Oberflächen zu erfassen. Mittels eines LED-Projektors 26 werden dabei Streifen auf das abzutastende Werkstück projiziert (Kombination von Phasenshift- und Gray Code-Verfahren). Der Projektor 26 beleuchtet das Werkstück zeitlich sequenziell mit Muster vom parallelen hellen und dunklen Steifen unterschiedlicher Breite. Die Kamera 24 registriert das projizierte Streifenmuster unter einem bekannten Blickwinkel zur Projektion. Das Streifenmuster wird elektronisch verschoben und mit einer CCD-Grauwertkamera in einem definierten Winkel aufgenommen. Für jedes Projektionsmuster wird mit jeder Kamera ein Bild aufgenommen. Für jeden Bildpunkt aller Kameras entsteht so eine zeitliche Folge von unterschiedlichen Helligkeitswerten. Durch Einzelaufnahmen des objektabhängig verzerrten Streifenmusters wird so eine hochgenaue 3D-Abbildung des Werkstücks erzeugt.
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Das Streifenprojektionsverfahren eignet sich für komplexeste Bauteilgeometrien, die ein diffuses Abstrahlverhalten aufweisen. Vor dem ersten Prüflauf muss bei dem System eine Geometrie- sowie Farbkalibrierung vorgenommen werden. Der Kalibriervorgang ist einmalig und muss bei gleich bleibender Komponentenanordnung nicht nachvollzogen werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist das zu prüfende Werkstück stets in Ruhe, so dass Kosten für eine aufwändige Mechanik, wie beispielsweise Verfahrachsen, vermieden werden können. Durch seine enorme Prüfgeschwindigkeit, hohe Messgenauigkeit und Prüfeignung für ein großes Teilespektrum kann das Streifenprojektionsverfahren selbst bei schwierigsten Applikationen in nahezu allen Branchen eingesetzt werden. Es zeichnet sich insbesondere aus durch geringe Auswertezeiten, keine aufwändige Mechanik, geringen Kapitaleinsatz für benötigte Komponenten, hohe Messgenauigkeit, einmalige Kalibrierung des Systems, einfache Bedienung sowie seine Eignung für ein großes Teilespektrum. Neben der dargestellten Ausführungsform mit einer Kamera 24 sind auch Ausführungsformen mit zwei oder drei Kameras möglich.
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Alternativ kann zum optischen Abtasten auch ein Kamerasystem mit einer Laservorrichtung verwendet werden.
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Besonders bevorzugt ist im Griff 20 ein Schalter angeordnet, mit dem die Abtastvorrichtung 10 in den Teach-Modus versetzt werden kann. Dadurch kann die Abtastvorrichtung 10 durch Ziehen und Drücken gesteuert werden, je nachdem wohin der Griff 20 bewegt wird. Die von einem Benutzer über den Griff 20 eingeführten Kräfte und Drehmomente werden von der Steuervorrichtung 22 registriert, so dass durch die Ansteuerung entsprechender Servomotoren in dem Mehrachsensystem 12 die entsprechenden Bewegungen unterstützt werden.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können bestimmte Funktionen der Steuervorrichtung 22 auch in einem tragbaren Rechnersystem realisiert sein, insbesondere einer so genannten Bauchladen-Fernsteuerung. Auf diese Weise können besonders einfach unterschiedliche Aktivitäten der Komponenten der Sensorvorrichtung 18 in Abhängigkeit von durch einen Benutzer herbeigeführten Positionsänderungen der Sensorvorrichtung 18 programmiert werden.
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Bei einem nicht dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung 10 ist das abzutastende Werkstück mittels einer Haltevorrichtung an der Stelle des Tragarms 14 gekoppelt, an dem bei dem Ausführungsbeispiel von 1 die Sensorvorrichtung 18 angeordnet ist. Im Gegenzug ist die Sensorvorrichtung 18 dann statisch montiert. Zur Durchführung eines Abtastvorgangs wird dann das Werkstück in unterschiedliche Positionen relativ zur Sensorvorrichtung 18 gebracht. Die obigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gelten entsprechend.
