DE202016004237U1

DE202016004237U1 - Positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE202016004237U1
Application number: DE202016004237.9U
Authority: DE
Original assignee: Kredig GmbH
Current assignee: Kredig GmbH
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2026-08-18

Abstract

Positioniereinrichtung zur Erfassung des Abstands zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück und der Markierung der Werkzeugposition in der Werkstückebene, dadurch gekennzeichnet, dass Linienlaser 10a und 10b derart angeordnet sind, dass sie Laserlinien 11a und 11b auf die Oberfläche des Werkstücks projizieren, deren Kreuzungspunkt unabhängig von der Materialstärke des Werkstücks immer in der Achse des Werkzeugs liegt, wobei die Lage des Kreuzungspunkts mit einer unter einem Winkel angeordnete Kamera erfasst und mittels der Triangulationsrechnung derart umgerechnet wird, dass sich daraus der Abstand zwischen der Werkstückoberfläche am Kreuzungspunkt und der optischen Hauptebene der Kamera ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für eine Vorrichtung zur Führung von Werkzeugen, deren Aufgabe darin besteht, ein Werkzeug in vorgegebenem Abstand zur Oberfläche eines Werkstücks variabler Materialstärke zu positionieren, wobei die Position des Werkzeugarbeitspunkts in der Ebene der Werkstückoberfläche (im weiteren Verlauf beispielhaft X-Y Ebene) beobachtet werden soll. Die Positionierung soll wenige Millimeter neben dem Werkstückrand ohne Einfluss auf die Abstandsgenauigkeit möglich sein.
Für die Bearbeitung von Werkstücken muss ein Werkzeug (beispielhaft Bohrer, Fräser, Schweiß- oder Schneidbrenner) vor Beginn des Arbeitsprozesses, auf einen technologieabhängigen Abstand zum Werkstück gebracht werden. Zur konturgenauen Bearbeitung ist weiterhin erforderlich, dass der Arbeitspunkt des Werkzeugs an einer der Bearbeitungsaufgabe entsprechende Position in der X-Y-Ebene der Oberfläche des Werkstücks positioniert wird. Die Positionierung in der X-Y-Ebene soll wegen der oft großen Ausdehnung der Werkstücke vom Bedienplatz der Einrichtung beobachtbar sein.
Die Messeinrichtung muss dafür mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen.

a) Erfassung des Abstands zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche
b) Genauigkeit der Abstandsmessung unabhängig vom Abstand zur Werkstückkante
c) Markierung der Position des Werkzeugarbeitspunkts über der Materialoberfläche ohne Versatz in X- und/oder Y-Richtung
d) Beobachtbarkeit der Positionierung aus der Ferne über einen Bildschirm

Die genannten Aufgaben werden mit einer im Schutzanspruch 1 beschriebenen Einrichtung erfüllt.
Stand der Technik
a) Abstandserfassung
Für die Abstandserfassung snd mehrere Verfahren bekannt:
Kapazitive Abstandsmessung
Das Werkzeug selbst, oder eine am Werkzeug angebrachte Elektrode bildet mit dem elektrisch leitfähigen Werkstück eine Kapazität. Die Größe der Kapazität stellt ein Maß für den Abstand zwischen Werkzeug bzw. angebrachter Elektrode und dem Werkstück dar.
Grundsätzlich ist dieses Verfahren ausschließlich auf elektrisch leitfähigen Werkstücken einsetzbar und scheidet für eine Reihe von Prozessen daher aus. Das Verfahren hat eine technologisch bedingte Grenze wegen der kleiner werdenden Kapazität, wenn in der Nähe des Werkstückrands positioniert werden soll.
Bei einem Randabstand, der kleiner ist, als die wirksame Elektrodengröße am Werkzeug, wird der Erfassungsfehler für die vorgesehene Anwendung unzulässig groß. Weiterhin befindet sich die Elektrode in unmittelbarer Nähe des Arbeitsprozesses und weist wegen der prozessbedingten Einflüsse hohen Verschleiß und kurze Standzeit auf.
Taktile Abstandserfassung
Das Werkstück wird in Richtung der Werkstückoberfläche bewegt und die für die Bewegung erforderliche Kraft wird überwacht. Bei Berührung des Werkstücks steigt diese Kraft sprunghaft an und dient der Signalisierung Abstand = 0. Ausgehend von diesem Punkt wird das Werkstück um den erforderlichen Weg zurückgezogen, um den erforderlichen Abstand einzustellen.
Die Erfassung des Berührungspunktes erfolgt nicht verzögerungsfrei. Nach dem Berührungspunkt erfolgt die Abbremsung der Bewegung des Werkzeugs. Bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs gegenüber der Werkstückoberfläche führt das zu hoher mechanischen Belastung von Werkzeug und Werkstück. Das Verfahren ist daher für viele Anwendungen zu langsam.
Bei der Bearbeitung sehr dünner/weicher Materialien gibt das Material bei der ersten Berührung nach. Die Erkennung der Berührung erfolgt dann nicht an ursprünglichen Position der Materialoberfläche. Beim anschließenden Zurückziehen des Werkzeugs federt das Werkstück zurück, der eingestellte Abstand zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche ist falsch.
Ultraschall-Abstandsmessung
Die Messung des Abstands durch Ultraschall ist wegen der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von Lufttemperatur und -feuchte zu großen Ungenauigkeiten ausgesetzt und scheidet aus.
Optische Abstandsmessung durch Lasertriangulation
Ein Punktlaser projiziert einen Lichtpunkt auf der Materialoberfläche. Der Punkt wird mit einer Kamera erfasst. Wenn die optischen Achsen von Laser und Kamera nicht identisch sind, liefert die Lage des Bildpunkts im Kamerabild ein Maß für en Abstand zwischen Laser/Kamers und Materialoberfläche.
Wenn die optische Achse des Lasers nicht parallel zur Y-Achse ausgerichtet ist, bewegt sich der Lichtpunkt bei veränderlichem Y-Abstand in der X-Y-Ebene. Damit kann der Lichtpunkt nicht für die Beurteilung der Positionierung des Werkzeugs in der X-Y-Ebene der Werkstückoberfläche herangezogen werden. Die optische Achse des Lasers muss demnach parallel zur Y-Achse liegen. Die Achse des Werkzeugs ist im Allgemeinen nicht offen, der Lichtpunkt kann nicht in der Werkzeugachse liegen und damit auch nicht durch den Werkzeugarbeitspunkt verlaufen. Bei einer Positionierung des Werkzeugs über dem Startpunkt des Arbeitsprozesses liegt der Lichtpunkt ggf. außerhalb des Werkstücks und wird nicht erfasst. Zur Messung muss die gesamte Einheit um den Abstand zwischen den Achsen des Werkzeugs und des Lasers versetzt werden.
b) Positionsmarkierung
Zur Markierung der Position wird nach dem Stand der Technik im Allgemeinen ein senkrecht ausgerichteter Punktlaser verwendet. Der Laser ist in einem definierten Abstand zur Senkrechten. Dieser Abstand erfordert bei der Positionierung eine Offsetbewegung der Maschine, weil zunächst der Punkt auf den Startpunkt der Anwendung positioniert und anschließend das Werkzeug um den bekannten Offset verfahren werden muss. Der dadurch verursachte Zeitverlust ist anwenderseitig unerwünscht.
Beispielhafte Umsetzung
1 und 2 zeigen die grundsätzliche Anordnung einer Koordinatenmaschine. Am Portal 1 befindet sich ein Führungswagen 2, an dem ein Werkzeugträger 3 befestigt ist. Das Portal kann in Richtung der X-Achse 6, der am Portal befindliche Führungswagen in Richtung der Y-Achse 7 bewegt werden. Der am Führungswagen befestigte Werkzeugträger ist in Richtung der Z-Achse 8 beweglich. Im oder am Werkzeugträger ist ein Werkzeug 4 befestigt. Durch die Beweglichkeit in den drei Achsen kann der Tool Center Point 5 des Werkzeugs im kartesischen Koordinatenraum mit den Achsen X-Y-Z frei positioniert werden.
Die Anordnung enthält mindestens zwei, gemäß 3 beispielhaft genau zwei Linienlaser 10a und 10b, deren Achsen parallel zur Y-Achse des Systems ausgerichtet sind, wobei sich der Kreuzungspunkt 12 der auf die Materialoberfläche projizierten Linien 11a und 11b gemäß 4 (Blick senkrecht von oben) in der Mittelachse des Werkzeugs befindet. Wegen der Parallelität zwischen Laserachsen, der Werkzeugachse und der Z-Achse, bleibt der Kreuzungspunkt der Laserlinien unabhängig von der Materialstärke des Werkstücks immer in der Mitte der Werkzeugachse.
5 und 6 zeigen als weitere Komponente der Anordnung eine Kamera 13. Die Kamera ist unter einem Winkel so ausgerichtet, dass der Kreuzungspunkt der Laserlinien bei jeder vorgesehenen Materialstärke des Werkstücks im Bildfenster liegt.
7a und 7b zeigen, dass der von den Linienlasern auf die Werkstückoberfläche projizierte Kreuzungspunkt 15a bzw. 15b in Abhängigkeit von der Materialstärke des Werkstücks 14a bzw. 14b an unterschiedlichen Positionen der Bildebene 16a bzw. 16b erfolgt. Mittels bildverarbeitender Algorithmen wird die Lage des Kreuzungspunkts im Bild ermittelt. Über das bekannte Verfahren der Triangulation kann die Lage der Materialoberfläche berechnet werden.
Wegen der bekannten Geometrie, gegeben aus Kameraebene, Lage des Werkzeugarbeitspunkts und ermittelter Lage der Materialoberfläche kann der Abstand der Materialoberfläche zum Werkzeugarbeitspunkt errechnet werden. Aus dem ermittelten Abstand und dem vorgegebenen Sollabstand ergibt sich die notwendige Bewegung in der Z-Achse der Werkzeugaufnahme, um den Werkzeugarbeitspunkt auf den vorgegebenen Abstand zu bringen.
Die Positionierung des Werkzeugs am Startpunkt der Anwendung erfolgt ohne erforderliche Offsetfahrt. Der Kreuzungspunkt der beiden Laserlinien markiert die Position des Werkzeugarbeitspunkts, so dass direkt am Startpunkt positioniert werden kann. Das Kamerabild kann über eine Datenverbindung direkt am Bedienplatz der Maschine beobachtet werden, so dass die Positionierung des Werkzeugs auch an entfernten Punkten möglich ist.

Claims

Positioniereinrichtung zur Erfassung des Abstands zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück und der Markierung der Werkzeugposition in der Werkstückebene, dadurch gekennzeichnet, dass Linienlaser 10a und 10b derart angeordnet sind, dass sie Laserlinien 11a und 11b auf die Oberfläche des Werkstücks projizieren, deren Kreuzungspunkt unabhängig von der Materialstärke des Werkstücks immer in der Achse des Werkzeugs liegt, wobei die Lage des Kreuzungspunkts mit einer unter einem Winkel angeordnete Kamera erfasst und mittels der Triangulationsrechnung derart umgerechnet wird, dass sich daraus der Abstand zwischen der Werkstückoberfläche am Kreuzungspunkt und der optischen Hauptebene der Kamera ergibt.
Positioniereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem berechneten Abstand zwischen Kamerahauptebene und Materialoberfläche sowie aus der bekannten Lage des Werkstück Arbeitspunkts eine Y-Strecke berechnet wird, mittels derer der Werkstück Arbeitspunkt auf einen vorgegebenen Abstand zur Werkstückoberfläche gebracht werden kann.
Positioniereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erfasste Kamerabild auf eine Beobachtungseinheit übertragen wird, so dass die Beobachtung der Positionierung von beliebiger Stelle aus möglich ist.