DE3743717A1 - Optoelectronic measuring apparatus for the automatic measurement of the position of the tool cutting edge using commercially available tool-presetting equipment - Google Patents

Optoelectronic measuring apparatus for the automatic measurement of the position of the tool cutting edge using commercially available tool-presetting equipment

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Abstract

The invention relates to an "optoelectronic measuring device" for the fully automatic determination of edge position, for use in all types of commercially available presetting equipment in which the position of the tool cutting edge is measured with respect to a fixedly defined point by touching using mechanical sensors or by optical means, and for use in CNC machine tools and manufacturing centres. To measure the exact cutting edge position, an electronic measuring camera (1) takes a picture of the cutting edge. The imaging of the edge is effected by a high-quality measuring objective (2) of fixed focal distance and invariant imaging behaviour. An image processing system (3) stores the image data of this edge image digitally. At the same time, these data are displayed true-to-side on a video monitor (4). The computer in the image processing system then evaluates the image data with respect to the edge information and computes the exact position of the cutting edge in the image field. The local coordinates of the edge position are then normalised in relation to a defined fixed point in the image field, and differential values are determined. The measuring electronics of the tool-presetting equipment receives these data and uses them to compute the absolute position coordinates, which are used for tool presetting. <IMAGE>

Description

Bei allen bisher bekannten Werkzeugvoreinstellgeräten wird der Meßvorgang vom Werkzeugeinsteller ausgeführt. In all previously known tool presetting the measuring operation is performed by the tool setter. Das heißt, die Einstellgenauigkeit hängt immer von der Sorgfalt der Person ab die den Meßvorgang durchführt. That is, the setting accuracy is always dependent on the care of the person performing the measurement process.

Einstellgeräte, die auf der Basis von berührenden Antastver fahren arbeiten, erfüllen ihre Meßaufgabe folgendermaßen: Setting devices that work continue on the basis of contact Antastver fulfill their measuring task follows:

Die Schneidkante wird mit einem Metallfühler oder mit einer Meßuhr angetastet. The cutting edge is touched with a metal sensor or with a dial indicator. Dieser Fühler ist fest mit einem Metall maßstab verbunden an welchem man das Einstellmaß auf +/- 0,05 mm genau ablesen kann. This probe is firmly connected to a metal scale on which can be read exactly the gauge block to within +/- 0.05 mm.

Andere Einstellgeräte verfügen über einen Meßschlitten, des sen Verfahrweg digital vermessen und auf +/-0,01 mm genau angezeigt wird. the sen track is digitally measured and displayed within +/- 0.01 mm other setting devices have a measurement carriage.

Bei derartigen Einstellgeräten hängt die Meßwerterfassung und damit die Meßgenauigkeit allein vom Bedienungspersonal ab. In such setting devices signal acquisition and thus the measuring accuracy depends solely on the operator. Stimmt der Anpreßdruck nicht oder wird der Meßwert falsch abgelesen, so entstehen Meßfehler, die qualitätsmindernden Einfluß auf den Produktionsprozeß und das Produkt zeigen. the contact pressure is not correct, or the measured value is read incorrectly, measurement errors arise, show the quality-reducing effect on the production process and the product.

Eine weitere Art von Einstellgeräten bedient sich des Projek tionsprinzips zur Vermessung der genauen Schneidkantenlage. Another type of setting devices to the projek operated tion principle for measuring the exact cutting edge position. Hierbei wird die Werkzeugschneidkante im Durchlichtverfahren ausgeleuchtet, so daß das Projektorobjektiv ein vergrößertes Schattenbild der Schneidkante auf einem Projektormeßschirm wirft. Here, the tool cutting edge is illuminated with transmitted light, so that the projector lens casts a shadow magnified image of the cutting edge on a Projektormeßschirm. Der Meßschirm ist mit verschiedenen Referenzlinien ge kennzeichnet. The measuring screen is featuring ge with different reference lines. Mit diesen Hilfslinien werden die Soll-Lagekoor dinaten der Schneidkanten definiert. With these guides the target Lagekoor be ordinates of the cutting edges defined.

Moderne Werkzeugeinstellgeräte tragen die Projektormeßmimik, die aus einer Lichtquelle, einem Vergrößerungsobjektiv und einem Meßschirm besteht, auf einer x/z -Verschiebeeinheit ( 9 ). Modern Tool setting bear the Projektormeßmimik consisting of a light source, a magnifying lens and a measuring screen, on an x / z -Verschiebeeinheit (9). Dadurch kann man jede, im Verschiebefeld der x/z -Einheit liegen de Werkzeugschneidkante erfassen und vermessen. This can be any, are in the displacement field of x / z unit de tool cutting edge capture and measured. Der Meßvorgang läuft wie folgt ab: The measurement process is as follows:

Der Werkzeugeinsteller fährt die Meßmimik so über die Schnei denkante, daß diese exakt an den für die jeweilige Schneiden form maßgebenden Referenzlinien anliegt. The tool adjustor drives the Meßmimik so on Schnei cornerboard that it rests exactly on the shape relevant for the respective cutting reference lines. 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. Here, it is very important that the projection of the cutting edges touch these reference lines, because this setting alone is distinctively ent for the accuracy of the setting dimensions.

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. The intersection of the x and z axis in the center of the measuring screen is the reference point for the length scales, the movements of the axes of the sliding unit with an accuracy class of 0,002 mm measured. Die Maße, die diese Maßstäbe im Meß zeitpunkt annehmen, werden als hochgenau gemessene Einstell maße übernommen und ausgedruckt. The dimensions that accept these standards in measuring time will be taken as a highly accurate measured setting dimensions and printed.

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. The tool adjuster decides when the cutting edge touching the reference lines where the lines are exactly Müs sen, which points to the cutting edge reference lines anrüh ren allowed and when the measurement data are printed.

Meßunsicherheiten, die auf der subjektiven Auswertung des Pro jektorbildes basieren, treten häufig auf und führen zu unkalku lierbaren Meßungenauigkeiten. Measurement uncertainties that are based on the subjective evaluation of the Pro projector's image, occur frequently and lead to unkalku lierbaren measurement inaccuracies. Diese sind bei den beschriebenen Meßverfahren nicht zu vermeiden. This can not be avoided in the described methods of measurement.

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. The invention has for its object to provide a possibility of commercial Werkzeugeinstellgeräten (examples can be found in the enclosed brochures) and a highly accurate (+/- 0.001 mm) cleaning machines in the Ferti itself and absolutely objective measurement of the cutting edge position to perform. Diese Problemstellung wird durch die Verwendung eines indu striellen Bildverarbeitungssystems zur vollautomatischen Kan tenlagebestimmung gemäß der Erfindung gelöst. This problem is solved by the use of an indu strial image processing system for fully automated Kan tenlagebestimmung according to the invention.

Die wesentlichen Komponenten, die zur Lösung der Aufgabe ver wendet werden, sind: The essential components that applies to solve the problem of changes will include:

  • 1. eine CCD-Matrix-Kamera, 1. a CCD matrix camera,
  • 2. ein spezielles Meßobjektiv, 2. A special measurement objective,
  • 3. eine problemspezifische Beleuchtungseinheit, 3. a problem-specific lighting unit
  • 4. eine Mikroelektronik zur Steuerung und Ausführung von Bild aufnahme, Bildspeicherung und Bildanalyse, 4. a microelectronics for control and execution of image recording, image storage and image analysis,
  • 5. ein Video-Monitor zur Bilddarstellung, 5. A video monitor for image display,
  • 6. ein Softwareprogramm zur wissensbasierten, intelligenten Kantenlagevermessung. 6. a software program for knowledge-based, intelligent edge position measurement.

Der Vorgang der Schneidkantenvermessung mit diesen Komponenten zeigt sich folgendermaßen: The process of cutting edge measurement with these components is as follows:

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. The tool setter moves the Meßmimik (camera, Messob objectively and lighting) of the adjusting meter so convincing back to the work that to be measured cutting edge projects into the image field. Das dann erfaßte Schneidkantenprofil wird zur Kontrolle am Monitor dargestellt. Which then acquired cutting edge profile is shown to control the monitor. Anschließend startet der Bediener den automatischen Meßvorgang, das heißt: The operator then starts the automatic measuring process, that is:

  • 1. das aktuelle Kantenbild wird digitalisiert und als Bild datensatz in den Bildspeicher abgelegt; 1. the current edge image is digitized and stored as an image data set in the image memory;
  • 2. softwaregesteuert stellt der Rechner des Bildverarbeitungs systems die exakte Lage der Kantenlinien fest und errechnet den für die Schneidenform definierten Einstellpunkt; 2. controlled by software, the computer of the image processing system, the exact position of the edge lines tight and calculates the defined for the cutter shape set point;
  • 3. danach bestimmt der Prozessor die Abstandsmaße d X und d Y zum Bezugspunkt für die Achsenmaßstäbe; 3. Thereafter, the processor determines the spacing dimensions d X and d Y to the reference point for the axis scales; (in der Regel ist dies der Bildfeldmittelpunkt, es kann aber auch jeder an dere Punkt im Bildfeld als Bezugspunkt definiert werden) (Typically this is the image field center, but it can also be defined at any particular point in the image field as a reference point)
  • 4. die Abstandsmaße d X und d Y werden der Logik des Einstell gerätes übermittelt und dieser Rechner errechnet nun die Einstellmaße 4. The spacing dimensions d X and d Y of the logic of the adjustment device are transmitted and the computer then calculates the setting dimensions
  • 5. den Meßvorgang abschließend werden die Einstellmaße am Mo nitor dargestellt, ausgedruckt oder direkt in einen Daten speicher der Werkzeugmaschinensteuerung transferiert. 5. In conclusion, the measuring operation, the setting dimensions at Mo are represented nitor, printed or transferred directly into a data memory of the machine tool control.

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. By applying this invention, it is possible to determine with commercially available or new, specially designed for optimal use of this new feature setting devices the adjustment of the tool cutting edge fully automatically and with maximum precision.

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. Measuring inaccuracies and errors in measurement resulting from subjectively related adjustment and reading errors are completely avoided ver, because the tool adjustor is freed completely "determine precise cutting edge position" of the task.

Stattdessen wird dieser Arbeitsgang vollautomatisch und absolut objektiv mit Hilfe der Erfindung durchgeführt. Instead, this operation is fully automatic and totally objective manner using the invention. Die Genauigkeits klasse kann dabei bis zu 0,001 mm sein. The accuracy class may in this case be up to 0,001 mm.

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. The application of this invention has significant improvements to the adjustment results to the result so that the driving section of a setup is superfluous and beit from 1 section at high precision without time-consuming Nachstellar is manufactured. Mehr schneidige Werkzeuge zeigen durch die genauere Justierung der Wen deplatten wesentlich längere Standzeiten. Multi-flute tools demonstrated by the more accurate adjustment of Who deplatten considerably longer service life.

Zweckmäßigerweise wird die Schneidkantenkontur im Durchlicht, bei kurzwelliger blauer, violetter oder UV-Lichtstrahlung, aufge nommen. Conveniently, the cutting edge contour in transmitted light at short wavelength blue, violet or ultraviolet light radiation, be accepted. Dies bringt eine sehr gute Abbildung der Kante auf dem CCD-Chip, was eine einfache Auswertbarkeit der Kantenbilder be deutet. This brings a very good picture of the edge on the CCD chip, indicating an easy readability of the edge images be.

Die Beleuchtung der Schneidkante kann aber ebenso gut nach dem Auflichtprinzip, dh Beleuchtung durchs Objektiv bzw, aus der Blickrichtung der Kamera, realisiert sein. but the lighting of the cutting edge may just as well after the incident light principle, ie lighting or through the lens to be realized from the direction of the camera.

Diese Variation bringt bei etwas mehr Aufwand bzw. Ausleuchtung und Auswerteprogramm ähnlich gute Ergebnisse wie die Durchlicht beleuchtung. This variation brings similarly good results as the transmitted light illumination with a little more effort and illumination and evaluation.

Der Vorteil eines Geräteaufbaus mit Auflicht liegt im Gewinn eines freien Arbeitsraumes unter dem Werkzeug. The advantage of a device structure with incident light lies in winning a free working space below the tool. Der Werkzeugeinsteller kann dadurch Einstellarbeiten direkt auf der Meßmaschine vorneh men, ohne sich einer erhöhten Verletzungsgefahr auszusetzen. The tool adjustor can thereby men adjustments on the measuring machine vorneh without incurring an increased risk of injury.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, mit einer zweiten Videokamera die Szene auf dem Aufspanntisch des Vor einstellgerätes zu erfassen. In an advantageous development of the invention is provided to detect a second video camera, the scene on the chuck of the pre adjusting meter.

In diesem Szenenbild vom Aufspanntisch mit dem zu vermessenden Werkzeug findet der Bildverarbeitungsprozessor die Lagekoordinaten der Schneidkante. In this scene image from the clamping table with the tool to be measured, the image processor can find the position coordinates of the cutting edge. Diese Werte transferiert er in die Steuerung der XZ -Verschiebeeinheit, welche anschließend die Meßkamera automa tisch in Meßposition fährt. These values he transferred to the control of the XZ -Verschiebeeinheit, which then moves the measuring camera automati cally in the measuring position.

Durch diese Erweiterung wird es möglich, ein vollautomatisches Werkzeugvoreinstellgerät aufzubauen, bei welchem der Vorgang "Vor einstellmaßermittlung" computergesteuert abläuft: With this addition, it is possible to build a fully automatic tool presetting, in which the process computer-controlled "Before einstellmaßermittlung" expires:

  • 1. die Maschine sucht selbstständig die Position der Werkzeug schneidkante, 1., the machine automatically searches the position of the tool cutting edge,
  • 2. sie fährt sensorgeführt die Meßkamera in Meßposition, 2. she drives out the sensor measuring camera in the measuring position,
  • 3. sie vermißt dann die Lage der Werkzeugschneidkante mit hoher Präzision, 3. then she misses the position of the tool cutting edge with high precision,
  • 4. sie stellt die Meßwerte zur Verfügung. 4. it puts the measured values ​​are available.

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. Thus, a potential basis is created by averaging of a tool presetter Einbin dung into a CNC machine or Werkzeugma in a CNC machining center which Werkzeugvoreinstel fully automatically carried out.

Die sehr zeitraubende, lohnintensive und den normalen Fertigungsab lauf störende Notwendigkeit der Werkzeugvoreinstellung außerhalb der Produktion wird damit voll in die Fertigungsmaschine integrier bar. The very time-consuming, labor-intensive and continuous normal Fertigungsab disturbing need for tool presetting outside the production is thus fully in the production machine inte bar.

Legende zu Fig. 1 Key to FIG. 1

Fig. 1 Optoelektronische Meßvorrichtung zur Kantenpositions bestimmung, adaptiert auf den Grundaufbau eines CNC- gesteuerten handelsüblichen Werkzeugvoreinstellgerätes. Fig. 1 Optoelectronic measuring device for determining edge position, adapted controlled on the basic structure of a CNC commercial tool presetter.

( 1 ) CCD-Matrix-Meßkamera (1) CCD matrix measurement camera
( 2 ) Meßobjektiv mit fester Brennweite (2) measuring lens with a fixed focal length
( 3 ) Bildverarbeitungselektronik mit 16- oder 32-Bit-Prozessor (3) Image processing electronics with 16- or 32-bit processor
( 4 ) Hochauflösender Video-Monitor (4) High-resolution video monitor
( 5 ) Kurzwellige Durchlichtbeleuchtungseinheit (5) Short-wavelength light illumination unit
( 6 ) Auflichtbeleuchtungseinheit (6) reflected lighting
( 7 ) Elektronische Videokamera zur Szenenbildaufnahme (7) An electronic video camera for image pickup scene
( 8 ) Weitwinkelobjektiv (8) Wide Angle Lens
( 9 ) CNC-gesteuerter XZ -Verschiebetisch (9) CNC-controlled XZ -Verschiebetisch
( 10 ) Wechselwerkzeug (10) changing tool
( 11 ) Werkzeughalter (11) Tool holder

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. Based on brochures of Zoller (Zoller V 2000) and the company Gildemeister DEVLIEG (microset) are shown examples of the mentioned in this application, "commercially available tool presetting".

Claims (5)

  1. 1. Optoelektronische Meßvorrichtung zur automatischen Ver messung der Werkzeugschneidkantenlage mit handelsüblichen Werkzeugvoreinstellgeräten innerhalb von CNC-Werkzeugma schinen, die nach folgendem Meßprinzip arbeitet: 1. Optoelectronic measuring device for automatic measurement Ver the tool cutting edge position with commercially available tool presetting within CNC Werkzeugma machines, which operates according to the following measurement principle:
    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. By means of a CCD measuring camera (1) is a special measurement objective (2) detects the edge image of the cutting edge, shown on a video screen (4) and intelligent evaluated with a 16- or 32-bit processor (3) and measured fully automatically table.
  2. 2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneidkante im Durchlicht ( 5 ) in die Kamera abgebildet wird. 2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the tool cutting edge in transmitted light (5) is imaged in the camera.
  3. 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugschneidkante von der Kamera bei Auflicht beleuchtung ( 6 ) erfaßt wird. 3. Measuring device according to claim 1, characterized in that the tool cutting edge lighting of the camera when the incident light (6) is detected.
  4. 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. 4. Measuring device according to claim 1-3, characterized in that the illumination of the object field (cutting edge) is carried out with short-wave blue, violet and / or UV-Shafts of Light lung.
  5. 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. 5. Measuring device according to claim 1-4, characterized in that the cutting edge position is detected globally with a scene camera (7) by a wide angle lens (8), the position coordinates of the edge in the working area by computer be, are then automatically adjusts the measurement camera is moved into the measuring position and are finally fully automatically determines the setting dimensions.
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