DE3743717A1

DE3743717A1 - Optoelektronische messvorrichtung zur automatischen vermessung der werkzeugschneidkantenlage mit handelsueblichen werkzeugvoreinstellgeraeten

Info

Publication number: DE3743717A1
Application number: DE19873743717
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Ing Spitzley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-12-23
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1989-07-06

Description

Bei allen bisher bekannten Werkzeugvoreinstellgeräten wird der Meßvorgang vom Werkzeugeinsteller ausgeführt. Das heißt, die Einstellgenauigkeit hängt immer von der Sorgfalt der Person ab die den Meßvorgang durchführt.

Einstellgeräte, die auf der Basis von berührenden Antastver fahren arbeiten, erfüllen ihre Meßaufgabe folgendermaßen:

Die Schneidkante wird mit einem Metallfühler oder mit einer Meßuhr angetastet. Dieser Fühler ist fest mit einem Metall maßstab verbunden an welchem man das Einstellmaß auf +/- 0,05 mm genau ablesen kann.

Andere Einstellgeräte verfügen über einen Meßschlitten, des sen Verfahrweg digital vermessen und auf +/-0,01 mm genau angezeigt wird.

Bei derartigen Einstellgeräten hängt die Meßwerterfassung und damit die Meßgenauigkeit allein vom Bedienungspersonal ab. Stimmt der Anpreßdruck nicht oder wird der Meßwert falsch abgelesen, so entstehen Meßfehler, die qualitätsmindernden Einfluß auf den Produktionsprozeß und das Produkt zeigen.

Eine weitere Art von Einstellgeräten bedient sich des Projek tionsprinzips zur Vermessung der genauen Schneidkantenlage. Hierbei wird die Werkzeugschneidkante im Durchlichtverfahren ausgeleuchtet, so daß das Projektorobjektiv ein vergrößertes Schattenbild der Schneidkante auf einem Projektormeßschirm wirft. Der Meßschirm ist mit verschiedenen Referenzlinien ge kennzeichnet. Mit diesen Hilfslinien werden die Soll-Lagekoor dinaten der Schneidkanten definiert.

Moderne Werkzeugeinstellgeräte tragen die Projektormeßmimik, die aus einer Lichtquelle, einem Vergrößerungsobjektiv und einem Meßschirm besteht, auf einer x/z-Verschiebeeinheit (9). Dadurch kann man jede, im Verschiebefeld der x/z-Einheit liegen de Werkzeugschneidkante erfassen und vermessen. Der Meßvorgang läuft wie folgt ab:

Der Werkzeugeinsteller fährt die Meßmimik so über die Schnei denkante, daß diese exakt an den für die jeweilige Schneiden form maßgebenden Referenzlinien anliegt. Es ist hierbei sehr wichtig, daß die Projektion der Schneidkanten diese Referenz linien berühren, denn dieser Einstellvorgang allein ist ent scheidend für die Genauigkeit der Einstellmaße.

Der Schnittpunkt der x- und z-Achse im Zentrum des Meßschirms ist der Bezugspunkt für die Längenmaßstäbe, die die Achsen bewegungen der Verschiebeeinheit mit einer Genauigkeitsklasse von 0,002 mm vermessen. Die Maße, die diese Maßstäbe im Meß zeitpunkt annehmen, werden als hochgenau gemessene Einstell maße übernommen und ausgedruckt.

Der Werkzeugeinsteller entscheidet, wann die Schneidkante die Referenzlinien berühren, wo die Linien genau liegen müs sen, welche Punkte der Schneidkante die Referenzlinien anrüh ren dürfen und wann die Meßdaten ausgedruckt werden.

Meßunsicherheiten, die auf der subjektiven Auswertung des Pro jektorbildes basieren, treten häufig auf und führen zu unkalku lierbaren Meßungenauigkeiten. Diese sind bei den beschriebenen Meßverfahren nicht zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, an handelsüblichen Werkzeugeinstellgeräten (Beispiele finden sich im beiliegenden Prospektmaterial) und in den Ferti gungsmaschinen selbst eine hochgenaue (+/-0,001 mm) und absolut objektive Vermessung der Schneidenkantenlage durchzuführen. Diese Problemstellung wird durch die Verwendung eines indu striellen Bildverarbeitungssystems zur vollautomatischen Kan tenlagebestimmung gemäß der Erfindung gelöst.

Die wesentlichen Komponenten, die zur Lösung der Aufgabe ver wendet werden, sind:

1. eine CCD-Matrix-Kamera,
2. ein spezielles Meßobjektiv,
3. eine problemspezifische Beleuchtungseinheit,
4. eine Mikroelektronik zur Steuerung und Ausführung von Bild aufnahme, Bildspeicherung und Bildanalyse,
5. ein Video-Monitor zur Bilddarstellung,
6. ein Softwareprogramm zur wissensbasierten, intelligenten Kantenlagevermessung.

Der Vorgang der Schneidkantenvermessung mit diesen Komponenten zeigt sich folgendermaßen:

Der Werkzeugeinsteller fährt die Meßmimik (Kamera, Meßob jektiv und Beleuchtung) des Einstellgerätes so an das Werk zeug hin, daß die zu vermessende Schneidkante in das Bild feld ragt. Das dann erfaßte Schneidkantenprofil wird zur Kontrolle am Monitor dargestellt. Anschließend startet der Bediener den automatischen Meßvorgang, das heißt:

1. das aktuelle Kantenbild wird digitalisiert und als Bild datensatz in den Bildspeicher abgelegt;
2. softwaregesteuert stellt der Rechner des Bildverarbeitungs systems die exakte Lage der Kantenlinien fest und errechnet den für die Schneidenform definierten Einstellpunkt;
3. danach bestimmt der Prozessor die Abstandsmaße dX und dY zum Bezugspunkt für die Achsenmaßstäbe; (in der Regel ist dies der Bildfeldmittelpunkt, es kann aber auch jeder an dere Punkt im Bildfeld als Bezugspunkt definiert werden)
4. die Abstandsmaße dX und dY werden der Logik des Einstell gerätes übermittelt und dieser Rechner errechnet nun die Einstellmaße
5. den Meßvorgang abschließend werden die Einstellmaße am Mo nitor dargestellt, ausgedruckt oder direkt in einen Daten speicher der Werkzeugmaschinensteuerung transferiert.

Durch die Anwendung dieser Erfindung ist es möglich, mit handels üblichen oder neuartigen, speziell zum optimalen Einsatz dieser Neuerung konstruierten Einstellgeräten die Einstellposition der Werkzeugschneidkante vollautomatisch und mit höchster Präzision zu bestimmen.

Meßungenauigkeiten und Meßfehler, die aus subjektiv bedingten Einstell- und Ablesefehlern resultieren, werden vollkommen ver mieden, da der Werkzeugeinsteller ganz von der Aufgabe "genaue Schneidkantenposition feststellen" freigestellt wird.

Stattdessen wird dieser Arbeitsgang vollautomatisch und absolut objektiv mit Hilfe der Erfindung durchgeführt. Die Genauigkeits klasse kann dabei bis zu 0,001 mm sein.

Die Anwendung dieser Erfindung hat erhebliche Verbesserungen der Einstellergebnisse zur Folge, so daß das Fahren eines Einstell schnittes überflüssig wird und ohne zeitraubende Nachstellar beit vom 1. Schnitt an höchste Präzision gefertigt wird. Mehr schneidige Werkzeuge zeigen durch die genauere Justierung der Wen deplatten wesentlich längere Standzeiten.

Zweckmäßigerweise wird die Schneidkantenkontur im Durchlicht, bei kurzwelliger blauer, violetter oder UV-Lichtstrahlung, aufge nommen. Dies bringt eine sehr gute Abbildung der Kante auf dem CCD-Chip, was eine einfache Auswertbarkeit der Kantenbilder be deutet.

Die Beleuchtung der Schneidkante kann aber ebenso gut nach dem Auflichtprinzip, d. h. Beleuchtung durchs Objektiv bzw, aus der Blickrichtung der Kamera, realisiert sein.

Diese Variation bringt bei etwas mehr Aufwand bzw. Ausleuchtung und Auswerteprogramm ähnlich gute Ergebnisse wie die Durchlicht beleuchtung.

Der Vorteil eines Geräteaufbaus mit Auflicht liegt im Gewinn eines freien Arbeitsraumes unter dem Werkzeug. Der Werkzeugeinsteller kann dadurch Einstellarbeiten direkt auf der Meßmaschine vorneh men, ohne sich einer erhöhten Verletzungsgefahr auszusetzen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, mit einer zweiten Videokamera die Szene auf dem Aufspanntisch des Vor einstellgerätes zu erfassen.

In diesem Szenenbild vom Aufspanntisch mit dem zu vermessenden Werkzeug findet der Bildverarbeitungsprozessor die Lagekoordinaten der Schneidkante. Diese Werte transferiert er in die Steuerung der X-Z-Verschiebeeinheit, welche anschließend die Meßkamera automa tisch in Meßposition fährt.

Durch diese Erweiterung wird es möglich, ein vollautomatisches Werkzeugvoreinstellgerät aufzubauen, bei welchem der Vorgang "Vor einstellmaßermittlung" computergesteuert abläuft:

1. die Maschine sucht selbstständig die Position der Werkzeug schneidkante,
2. sie fährt sensorgeführt die Meßkamera in Meßposition,
3. sie vermißt dann die Lage der Werkzeugschneidkante mit hoher Präzision,
4. sie stellt die Meßwerte zur Verfügung.

Damit wird eine potentielle Grundlage geschaffen, um durch Einbin dung eines Werkzeugvoreinstellgerätes in eine CNC-Werkzeugma schine oder in ein CNC-Fertigungszentrum die Werkzeugvoreinstel lung vollautomatisch durchzuführen.

Die sehr zeitraubende, lohnintensive und den normalen Fertigungsab lauf störende Notwendigkeit der Werkzeugvoreinstellung außerhalb der Produktion wird damit voll in die Fertigungsmaschine integrier bar.

Legende zu Fig. 1

Fig. 1 Optoelektronische Meßvorrichtung zur Kantenpositions bestimmung, adaptiert auf den Grundaufbau eines CNC- gesteuerten handelsüblichen Werkzeugvoreinstellgerätes.

(1) CCD-Matrix-Meßkamera
(2) Meßobjektiv mit fester Brennweite
(3) Bildverarbeitungselektronik mit 16- oder 32-Bit-Prozessor
(4) Hochauflösender Video-Monitor
(5) Kurzwellige Durchlichtbeleuchtungseinheit
(6) Auflichtbeleuchtungseinheit
(7) Elektronische Videokamera zur Szenenbildaufnahme
(8) Weitwinkelobjektiv
(9) CNC-gesteuerter X-Z-Verschiebetisch
(10) Wechselwerkzeug
(11) Werkzeughalter

Anhand von Prospekten der Firma Zoller (ZOLLER V 2000) und der Firma Gildemeister-Devlieg (microset) werden Beispiele zu den in dieser Anmeldung angesprochenen "handelsüblichen Werkzeugvoreinstellgeräten" gezeigt.

Claims

1. Optoelektronische Meßvorrichtung zur automatischen Ver messung der Werkzeugschneidkantenlage mit handelsüblichen Werkzeugvoreinstellgeräten innerhalb von CNC-Werkzeugma schinen, die nach folgendem Meßprinzip arbeitet:
Mittels einer CCD-Meßkamera (1) wird durch ein spezielles Meßobjektiv (2) das Kantenbild der Schneidkante erfaßt, auf einem Videobildschirm (4) dargestellt und mit einem 16- oder 32-Bit-Prozessor (3) intelligent ausgewertet und vollautoma tisch vermessen.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneidkante im Durchlicht (5) in die Kamera abgebildet wird.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneidkante von der Kamera bei Auflicht beleuchtung (6) erfaßt wird.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeich net, daß die Ausleuchtung des Objektfeldes (Schneidkante) mit kurzwelliger blauer, violetter und/oder UV-Lichtstrah lung ausgeführt wird.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeich net, daß die Schneidkantenlage mit einer Szenen-Kamera (7) durch ein Weitwinkelobjektiv (8) global erfaßt wird, die Lagekoordinaten der Kante im Arbeitsfeld per Rechner be stimmt werden, die Meßkamera daraufhin automatisch in Meß position gefahren wird und abschließend vollautomatisch die Einstellmaße ermittelt werden.