DE4203284A1 - Verfahren und vorrichtung zum programmieren numerisch gesteuerter werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Program­ mieren numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen, insbesondere für die Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, bei dem ein Be­ arbeitungskopf der Maschine vom Bediener im Handbetrieb an dis­ krete Bearbeitungs- oder Stützpunkte verstellt wird, bei dem eine Einstellung eines für die Bearbeitung korrekten Abstandes des Bearbeitungskopfes von dem Werkstück sowie eine Einstellung einer Neigung des Bearbeitungskopfes in Bezug auf die Normale der Werkstückoberfläche an allen Stützpunkten erfolgt, und bei dem eine Abspeicherung der Koordinaten des Bearbeitungskopfes für die Werkstückbearbeitung in Zuordnung zu den Stützpunkten vorgenommen wird.

Werkzeugmaschinen müssen das Werkstück an vorbestimmten Stellen bearbeiten. Hierbei muß das Werkzeug von einer Bearbei­ tungsstelle zur nächsten verstellt werden, gegebenenfalls bei gleichzeitiger Bearbeitung des Werkstücks. Hierzu muß die Steuerung eingerichtet bzw. programmiert werden. Der Steuerung der Maschine muß also vermittelt werden, an welchen Stellen eine Bearbeitung vorzunehmen ist bzw. wie die Maschine entlang einer vorbestimmten Bahn auf dem Werkstück verstellt werden muß. Herkömmlicherweise erfolgt diese Programmierung der Steue­ rung der Werkzeugmaschine bei der Laserbearbeitung von Hand, indem die Achsen der Maschine im Handbetrieb zu einzelnen Stützpunkten der Bearbeitungsbahn bewegt werden. Nachdem der Bearbeitungskopf der Maschine vom Bediener im Handbetrieb an einen Stützpunkt verstellt wurde, also mit Hilfe ihrer Stellan­ triebe, erfolgt ebenfalls von Hand die Einstellung des ge­ wünschten bzw. korrekten Abstandes des Bearbeitungskopfs von der zu bearbeitenden Werkstückstelle. Bei Einsatz eines Bear­ beitungslasers ist dieser Abstand beispielsweise abhängig von der Brennweite der Optik des Bearbeitungskopfs. Diese Einstel­ lung des für die Bearbeitung korrekten Abstandes des Bearbei­ tungskopfs vom Werkstück kann mit-einem speziell gefertigten Meßmaßstab erfolgen, den eine zweite Person in Meßstellung hal­ ten muß, während der Bediener die Werkzeugmaschine im Handbe­ trieb verstellt. Die Einstellung einer Neigung des Bearbei­ tungskopfs bzw. dessen Ausrichtung zum Werkstück erfolgt bei der Laserbearbeitung herkömmlicherweise nach Augenmaß. Das ist insbesondere problematisch, wenn die zu bearbeitende Werk­ stückoberfläche nicht planparallel zur Werkstückauflagefläche ist. Soll der Bearbeitungskopf in Bezug auf die Normale zur Werkstückoberfläche geneigt angeordnet werden, so ergibt sich eine weitere Fehlermöglichkeit. Das bekannte, von Hand erfol­ gende Verfahren bei der Einstellung von Abstand und Neigung hat daher den grundsätzlichen Nachteil, daß es von der Erfahrung und von der Sorgfalt der beim Einstellen beteiligten Personen abhängt. Die Genauigkeit ist infolge des begrenzten menschli­ chen Wahrnehmungsvermögens auch nur gering. Hinzu kommt, daß die Verfahrensdauer nicht exakt vorauszubestimmen ist. Sie kann bei hohen Genauigkeitsanforderungen stark ansteigen. Das ist insbesondere bei einer Vielzahl von Stützpunkten nicht annehm­ bar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die Verfahrensdauer erheblich verringert und die Genauigkeit der Einstellungen verbessert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst alle Stützpunkte im Handbetrieb aufeinanderfolgend angefahren und dabei deren Koordinaten jeweils abgespeichert werden, daß da­ nach für die Abstands- und für die Neigungseinstellung rele­ vante Parameter abgespeichert werden, und daß dann an allen Stützpunkten jeweils eine automatische, sensorgestützte Ab­ stands- und Neigungsmessung erfolgt, an die sich die Abspeiche­ rung der Koordinaten des Bearbeitungskopfes als Einstellwerte für die Werkstückbearbeitung anschließt.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es zunächst von Be­ deutung, daß alle Stützpunkte im Handbetrieb praktisch unter­ brechungslos nacheinander angefahren werden können. Dabei wer­ den lediglich die Koordinaten dem Stützpunkte jeweils durch Knopfdruck in die Steuerung der Maschinensteuerung übernommen. Der Begriff Koordinaten kann dabei im Sinne von Achskoordinaten verstanden werden, d. h. es werden beispielsweise sämtliche Achskoordinaten X, Y, Z, B, C eines Portalroboters eingesetzt und gegebenenfalls die Achskoordinaten von Zusatzachsen dieses Ro­ boters. Insbesondere ist es nicht erforderlich, an den Stütz­ stellen jeweils von Hand erfolgende Einstellungen hinsichtlich Abstand und Neigung des Bearbeitungskopfes relativ zur Werk­ stückoberfläche vornehmen zu müssen. Das bedeutet einen erheb­ lichen Zeitgewinn, insbesondere wenn die Stützpunkte mit zwei linearen Achsen oder je nach Ausbildung des Werkstücks sogar nur mit einer Achse der Bearbeitungsmaschine angefahren werden können. Anschließend an das Abspeichern der Koordinaten aller Stützpunkte werden Parameter voreingestellt, die für die Ab­ stands- und für die Neigungsmessung und -Einstellung von Bedeu­ tung sind. Beispielsweise ist im Falle der Laserbearbeitung des Werkstücks die Brennweite der die Strahlung fokussierenden Op­ tik von Bedeutung, um deren korrekten Abstand bzw. den Abstand des Bearbeitungskopfes vom Werkstück einstellen zu können. Für die Neigungseinstellung ist die Größe der Neigung abzuspei­ chern, die beispielsweise null ist, wenn die Optik gemäß ihrer Normalen auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet wird, oder die in Vorschubrichtung oder entgegen der Vorschubrichtung einen vorbestimmten Wert hat, um das Bearbeitungsverfahren bei der Werkstückbearbeitung zu beeinflussen, z. B. beim Schweißen. Relevante Parameter sind auch solche, die sich auf das nachfol­ gende automatische Messen beziehen. Nach dem Abspeichern aller relevanten Parameter erfolgt eine automatische Abstands- und Neigungsmessung, welche sensorgestützt ist. Es wird also minde­ stens ein Sensor verwendet, um den Abstand des Bearbeitungs­ kopfes und/oder dessen Neigung bezüglich der Werkstückoberflä­ che festzustellen. Die bei derartigen Messungen ermittelten Meßwerte bilden die Voraussetzung zur Abspeicherung der Koordi­ naten des Bearbeitungskopfes als Einstellwerte, gegebenenfalls nach Überprüfung auf Überschreitung der jeweiligen Achsgrenzen.

Die Abstands- und Neigungsmessung ist sensorgestützt und die Meßwerte ergeben sich daher entsprechend dem Meßvermögen des Sensors, also beispielsweise entsprechend dessen Auflö­ sungsvermögen. Die Meßwerte sind also nicht abhängig von den Eigenschaften und vom Verhalten des Bedieners bzw. des Einrich­ ters. Hinzu kommt, daß das automatische Messen mit erheblicher Geschwindigkeit vonstatten geht. Der Zeitaufwand für die Pro­ grammierung der Werkzeugmaschine wird also erheblich reduziert. Darüber hinaus stehen die abgespeicherten Werte ohne weiteres für nachfolgende gleiche oder ähnliche Bearbeitungsvorgänge zur Verfügung.

Das Verfahren kann so ausgestaltet werden, daß der Bear­ beitungskopf zur automatischen Abstandsmessung unter Verwendung der abgespeicherten Koordinaten an einen Stützpunkt verstellt wird, und daß der Bearbeitungskopf am Stützpunkt entlang einer Bezugsachse bis in eine Meßposition eines Abstandssensors ver­ stellt wird, die dem gewünschten Abstand des Bearbeitungskopfes vom Werkstück entspricht oder die eine Berechnung oder Steue­ rung einer weiteren Verstellung des Bearbeitungskopfes bis auf den gewünschten Abstand gestattet. Danach führen die Verstel­ lung des Abstandssensors und der Meßvorgang entweder direkt zu dem gewünschten Abstand des Bearbeitungskopfes, oder es erfolgt eine Messung, nach der der Bearbeitungskopf auf den gewünschten Abstand eingestellt werden kann. In beiden Fällen werden Meß- und Einstellwerte ermittelt, die der Programmierung der Werk­ zeugmaschine zugrunde gelegt werden können, so daß ein dement­ sprechender automatischer Bearbeitungsablauf durchgeführt wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird so verfahren, daß der Bearbeitungskopf zur automatischen Neigungsmessung in eine Meß­ position verstellt wird, in der der Abstandssensor den Abstand einer außerhalb der Bezugsachse gelegenen Meßstelle mißt, daß der Abstandssensor um die Bezugsachse in mindestens zwei wei­ tere Meßpositionen verdreht wird, und daß anhand der Abstands­ meßwerte aller drei Meßpositionen die Normale auf die Werk­ stückoberfläche des zugehörigen Stützpunkts berechnet wird. Wenn die Normale auf die Werkstückoberfläche berechnet wurde, kann die Neigung des Bearbeitungskopfs in Bezug auf die Normale bestimmt werden. Es wird also eine Übereinstimmung oder eine Abweichung festgestellt, in welchem Fall eine Korrektur der Neigung des Bearbeitungskopfs durchgeführt werden kann.

Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Vorrich­ tung zum Programmieren numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen, mit einem Bearbeitungskopf, der eine Licht, insbesondere Laser­ strahlung fokussierende Optik hat. Um nun die Werkzeugmaschine programmieren zu können, und zwar insbesondere hinsichtlich des Abstands des Bearbeitungskopfs und dessen Neigung in Bezug auf die Werkstückoberfläche, ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß an dem Bearbeitungskopf ein in eine Meßposition verstellba­ rer Abstandssensor vorhanden ist, daß der Sensor in mindestens zwei weitere Meßpositionen verstellbar ist, und daß der Sensor an die Steuerung angeschlossen ist, die anhand der Abstandsmeß­ werte aller drei Meßpositionen die Normale auf die Werkstück­ oberfläche zu berechnen vermag. Der Abstandssensor wird also bei der Programmierung der Werkzeugmaschine nicht nur zur Mes­ sung des Abstands herangezogen, sondern auch zur Ermittlung der Neigung der Werkstückoberfläche bzw. in Bezug auf die Rela­ tivlage des Bearbeitungskopfs zur Werkstückoberfläche. Das er­ gibt eine bauliche Vereinfachung im Bereich des Bearbeitungs­ kopf s, was sehr erwünscht ist, da hier ohnehin keine freizügi­ gen Platzverhältnisse gegeben sind. Die zur Berechnung der Nor­ malen erforderliche Steuerung kann in Bezug auf den Sensor räumlich entfernt angeordnet sein. Seine Ausbildung ist her­ kömmlicher Art und er kann die Berechnung der Normalen auf die Werkstückoberfläche unter Verwendung herkömmlicher trigonome­ trischer Beziehungen durchführen.

Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß der Abstandssensor um ein vorbestimmtes Maß in Richtung einer Bezugsachse zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück verstellbar, um die Bezugsachse verdrehbar und unter einem Win­ kel zur Bezugsachse geneigt angeordnet ist. Die Neigung des Ab­ standssensors bestimmt in Verbindung mit der axialen Verstel­ lung den Abstand der Meßpositionen von der Bezugsachse. Dieser Abstand wird so gewählt, daß er der räumlichen Ausbildung des Werkstücks angepaßt ist.

Die Ausrichtung der Sensorachse auf den Fokus des Lichts ist zweckmäßig, weil dann der Abstandsmeßwert ohne weiteres auf die Lage des Fokus relativ zum Werkstück schließen läßt.

Zweckmäßigerweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß das Licht in die Optik des Bearbeitungskopfs eingekoppelte sichtbare Laserstrahlung eines Pilotlasers ist. Laserlicht ist besonders hell bzw. insbesondere bei dem Anfahren der Stütz­ punkte im Handbetrieb gut sichtbar. Es wäre daher weniger zweckmäßig, beispielsweise das Licht einer Leuchtdiode zu be­ nutzen, wofür eine aufwendige Optik erforderlich wäre, während die Laserstrahlung des Pilotlasers ohne weiteres über die Optik des Bearbeitungslasers eingekoppelt werden kann.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, daß die Werkzeugmaschine eine menügeführte Eingabeeinrichtung zur Ein­ gabe relevanter Parameter für die Abstands- und/oder Neigungs­ messung und/oder -Einstellung aufweist. Die Eingabeeinrichtung gestattet die Berücksichtigung von Parametern, die notwendig sind, um die automatische Abstands- und Neigungsmessung durch­ führen zu können. Sie ermöglicht es aber auch darüber hinausge­ hend, Parameter für die Einstellung der Werkzeugmaschine ein­ zugeben, wofür also keine besonderen bzw. zusätzlichen Mittel erforderlich sind.

Wenn die Werkzeugmaschine an einen externen Rechner ange­ schlossen ist, so wird dadurch eine Fernsteuerung der Werkzeug­ maschine ermöglicht, die insbesondere mit den automatisch er­ mittelten Meß- bzw. Einstellungsdaten durchgeführt werden kann. Der externe Rechner ermöglicht eine Datenverarbeitung, die un­ abhängig von der Steuerung der Werkzeugmaschine erfolgen kann, also unabhängig von deren Rechner. Mit einem solchen externen Rechner kann Software angewendet werden, welche die Fähigkeiten des Rechners der Werkzeugmaschine übersteigt. Darüber hinaus ist von Vorteil, daß der externe Rechner mit erheblich vergrö­ ßerter Geschwindigkeit arbeiten kann.

Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, daß die Steuerung der Werkzeugmaschine zur Programmierung der Bearbeitungsbahn in ei­ nem Hauptprogramm ein Setup-Programm zum Abspeichern von Para­ metern für die Abstandsmessung und -Einstellung sowie für die Neigungsmessung und -Einstellung hat, und daß sie im Hauptpro­ gramm des weiteren ein die automatische Abstands- und Neigungs­ messung zu steuern erlaubendes Meßprogramm aufweist, das die Koordinaten aller Stützpunkte in einem Zielprogramm der Steue­ rung abspeichert. Hauptvorteil der vorstehenden Ausgestaltung der Erfindung ist eine flexible Programmierung im Hinblick auf eine Vielzahl von Bearbeitungsaufgaben.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungs­ kopfes in zwei Stellungen I, II,

Fig. 2 die Menüoberfläche eines Setup-Programms,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der automatischen Abstands- und Neigungsmessung, und

Fig. 4 in drei Darstellungen I, II und III Erläuterungen zum Verfahren an einem konkreten Beispiel eines Über­ lappstoßes zweier Bleche in gewellter Anordnung.

Fig. 1 zeigt einen Bearbeitungskopf 10 einer Werkzeugma­ schine, die des weiteren nicht dargestellt ist. Der Bearbei­ tungskopf 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 21 mit darin befindlicher Optik 16, 17 für nicht dargestellte Laser­ strahlung, die dem Bearbeiten eines Werkstücks 11 dient. Die Optik 16, 17 besteht im Einzelnen aus einem Umlenkspiegel 16 und einem Fokussierspiegel 17. Letzterer bestimmt die Position des Fokus 20 der Laserstrahlung, die in der Darstellung 1 der Fig. 1 auf der Werkstückoberfläche 19 an der Bearbeitungstelle 18 ist.

Die Einkopplung der der Bearbeitung dienenden Laserstrah­ lung ist nicht dargestellt. Ersichtlich ist aus Fig. 1 vielmehr der Strahlenverlauf eines an sich bekannten und daher nicht dargestellten HeNe-Pilotlasers, dessen zwischen dem Fokussier­ spiegel 17 und dem Werkstück 11 gelegene Strahlachse eine Be­ zugsachse 12 bildet. Die Laserstrahlung des HeNe-Pilotlasers tritt aus dem Gehäuse 21 durch eine Öffnung 22 einer Drehvor­ richtung 23 aus, die an dem Gehäuse 21 befestigt ist. An der Drehvorrichtung 23 ist ein Sensor 13 mit einem Befestigungswin­ kel 24 angebracht. Der Sensor mißt den Abstand in Richtung der Bearbeitungsstelle 18 des Werkstücks 11 und seine Ausrichtung erfolgt unter Berücksichtigung einer Sensorachse 13′. Die An­ ordnung des Sensors 13 am Bearbeitungskopf 10 bzw. an der Dreh­ vorrichtung 23 erfolgt derart, daß die Sensorachse 13′ den Fo­ kus 20 der Strahlung 25 des Pilotlasers schneidet. Der Sensor 13 ist dazu unter einem Winkel (x gegen die Bezugsachse 12 ge­ neigt. Daraus ergibt sich der in Darstellung 1 eingezeichnete Nennmeßabstand des als Abstandssensor ausgebildeten Sensors 13.

Als Abstandssensor werden herkömmliche Geräte eingesetzt, die den Abstand elektrooptisch nach dem Prinzip der Triangula­ tion berührungslos messen. Es können aber auch taktile Ab­ standssensoren eingesetzt werden.

Im übrigen wird vorausgesetzt und nicht dargestellt, daß eine Steuerung der Werkzeugmaschine vorhanden ist, die eine mo­ torische Positioniereinheit für den Bearbeitungskopf 10 hat, so daß dieser von der Steuerung oder von Hand gesteuert an die er­ forderlichen Bearbeitungsstellen 18 des Werkstücks 19 verstellt werden kann. Die Verstellung muß in allen drei Dimensionen des Raums möglich sein, wozu mindestens fünf Freiheitsgrade zur Verstellung des Bearbeitungskopfes 10 erforderlich sind. Wei­ tere der Funktion der Werkzeugmaschine dienende Einrichtungen bzw. Mittel werden als vorhanden vorausgesetzt, wie beispiels­ weise Software für die numerische Steuerung und für die Posi­ tioniereinheit. Es versteht sich auch, daß der Sensor 13 eine Aufnahmevorrichtung für das von der Werkstückoberfläche 19 re­ flektierte Sensorsignal haben muß bzw. daß eine separate Sen­ soraufnahmevorrichtung zur Abstandsmessung vorhanden ist, vor­ zugsweise am Bearbeitungskopf 10. Der Sensor 13 ist an die Steuerung oder an einen nicht dargestellten Rechner angeschlos­ sen.

Eine Programmierung der Werkzeugmaschine wird anhand eines konkreten Bearbeitungsbeispiels wie folgt erläutert: Es soll ein Überlappstoß zweier Stahlbleche geschweißt werden, die ge­ mäß Fig. 4,II übereinanderliegen und gemäß Fig. 4,I in einer zu II um 90° nach oben geklappten Darstellung sinusförmig gewellt angeordnet sind. Um diese sinusförmige bzw. sinusartige Bear­ beitungskontur genügend genau für die CNC-Steuerung zu erfas­ sen, sind vierundzwanzig Stützpunkte N_x ausgewählt, durch die die Bahn des Lasers beschrieben werden soll. Diese Stützpunkte sind im Einzelnen mit N₀₁ bis N₂₄ bezeichnet.

Die Programmierung wird zunächst mit einer Stufe a) durch­ geführt, indem ein Bediener die Bezugsachse 12 auf einen Stütz­ punkt N₀₁ ausrichtet, wobei lediglich die Bezugsachse 12 des Pi­ lotlasers, die mit der Strahlachse des Bearbeitungslasers iden­ tisch ist, mit dem Stützpunkt zur Deckung gebracht werden muß. Das geschieht nach Augenmaß für jeden Punkt N_x. Für jeden Stützpunkt N_x werden die Koordinaten x, y, z bzw. alle Achskoor­ dinaten k_i abgespeichert. Im konkreten Anwendungsfall ist die Koordinate y jeweils ungeändert, weil der Bearbeitungskopf ge­ mäß Fig. 4,II ohne Änderung in y-Richtung längs über die beiden Bleche geführt ist. Die Distanzen in z-Richtung bzw. der Kon­ turverlauf der beiden überlappten Bleche wird angenähert nach­ gefahren. Das Nachfahren muß im Abstand von mehreren Zentime­ tern in z-Richtung so erfolgen, daß der Bearbeitungskopf 10 nicht an die Bleche anstößt und daß der Fleck des Pilotlasers noch so gut sichtbar ist, daß die gewünschte Einstellung vorge­ nommen werden kann. Auf diese Weise wird die Anzahl der zu be­ wegenden Achsen auf maximal zwei lineare Achsen reduziert, näm­ lich x und z. Die Stützpunkte N_x werden alle im Handbetrieb aufeinanderfolgend angefahren, wobei lediglich eine durch Knopfdruck erfolgende Abspeicherung der Koordinaten der Stütz­ punkte N_x erfolgt, eine Feineinstellung des Abstands und der Neigung des Bearbeitungskopfs in Bezug auf das Werkstück 11 also unterbleibt. Es ergibt sich eine erhebliche Zeitersparnis, die im beschriebenen Fall über 50% gegenüber dem vollständig von Hand erfolgenden Programmieren beträgt.

Nach dem vorbeschriebenen Verfahrensschritt erfolgt in ei­ ner Stufe b) ein Setup bzw. eine Voreinstellung bahn- und bear­ beitungsspezifischer Parameter. Besonders wesentliche Parameter sind nach Fig. 4,I die Brennweite der Optik, die den Fokus 20 der Laserstrahlung 25 und damit den Abstand des Werkstücks 11 vom Bearbeitungskopf 10 bestimmt, wenn man davon ausgeht, daß die Bearbeitung gemäß Fig. 1,I mit einem an der Bearbeitungs­ stelle 18 angeordneten Fokus 20 erfolgt. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der maximale Radius r_A des Abtastkreises, was weiter unten erläutert werden wird. Letztlich ist es erforder­ lich, die Anzahl der von Hand oder auch automatisch geteachten Punkte bzw. Stützpunkte N_x anzugeben- an denen Abstand und Nei­ gung des Bearbeitungskopfs 10 noch genau ermittelt werden müs­ sen.

Fig. 2 zeigt zur besseren Erläuterung eine Setup-Menüober­ fläche eines Bildschirms, auf dem beispielsweise weitere rele­ vante Parameter für die Abstands- und/oder Neigungsmessung und die darauf basierende Einstellung bzw. Programmierung der Werk­ zeugmaschine aufgeführt sind. Sämtliche Punkte des Bildschirms können mit einer Einfügemarke 26 angewählt werden. Die darge­ stellte Setup-Menüoberfläche gehört zu einem Setup-Programm, welches gemäß Fig. 3 neben einem Meßprogramm ein Unterprogramm eines zusätzlich eingebrachten Hauptprogramms aus der Steuerung der Werkzeugmaschine ist. Unter Punkt 1 der Setup-Menüoberflä­ che wird zunächst eine erste Programmnummer eingegeben. Unter dieser Programmnummer werden die Achskoordinaten k_i der im Handbetrieb aufeinanderfolgend angefahrenen Stützpunkte N_x ab­ gespeichert. Es wird unter diesem Punkt 1 eine zweite Nummer eingetragen, unter der die in dem weiter unten beschriebenen Meßprogramm berechneten Endkoordinaten K_i für alle Stützpunkte N_x abgespeichert werden. Diese zweite Nummer kennzeichnet das Zielprogramm, in dem die Endkoordinaten in der Steuerung der Werkzeugmaschine abgelegt sind.

Die Punkte 2, 4 und 6 wurden bereits oben zu Fig. 4,I erläu­ tert. Die Eingabe von Sensordaten gemäß Punkt 3 ist erforder­ lich, wenn aufgrund der Art des Sensors, beispielsweise eines mechanischen Sensors, Meßwertkorrekturen durchgeführt werden müssen, die sensorabhängig sind. Gemäß Punkt 5 können für das Laserverfahren an und/oder zwischen Stützpunkten N_x bestimmende Parameter eingegeben werden. Beispielsweise kann festgelegt werden, daß im Stützpunkt N₀₂ die Bahngeschwindigkeit des Lasers erhöht und/oder die Laserleistung verringert werden sollen, da­ mit dort nicht infolge der vergleichsweise starken Krümmung ein zu starkes Aufschmelzen erfolgt. Unter Punkt 7 kann die Neigung des Bearbeitungskopfs 10 in Bezug auf die Werkstückoberfläche 19 festgelegt werden, auch wenn der Bearbeitungskopf 10 der Werkstückoberfläche 19 normal gegenüberstehen soll. Die Neigung kann in mehreren Stufen vorbestimmt werden, beispielsweise in relativer Vorschubrichtung vorlaufend oder nachlaufend.

Nach Vorgabe aller Parameter wird das Setup-Programm gemäß Punkt 8 verlassen und gemäß Stufe c) ein Meßprogramm gestartet, bei dem zunächst die aufeinanderfolgend eingestellten und abge­ speicherten Koordinaten k_i der Stützpunkte N_x gemäß Fig. 3 in ein Arbeitsprogramm geladen werden. Mit Hilfe dieses Arbeitspro­ gramms können nacheinander alle Stützpunkte N_x angesteuert wer­ den. Dieses Arbeitsprogramm läuft automatisch ab, was eine Vor­ aussetzung für eine automatische, sensorgestützte Abstands- und Neigungsmessung ist. In dieses Arbeitsprogramm, welches für die Zeit des automatischen Programmierens bereitgestellt wird, wer­ den die Koordinaten der vierundzwanzig Stützpunkte N_x aus dem Quellprogramm kopiert, welches unter der ersten Nummer des Punkts 1 des Setup-Menüs gespeichert ist. Das Arbeitsprogramm bewirkt dann gemäß Funktionsblock 1 der Fig. 3 das Anfahren der vorgegebenen Stützpunkte N_x. In jedem Stützpunkt N₁ bis N₂₄ steuert eine Unterprogrammstruktur den automatischen Ablauf der Feinpositionierung, also der Abstands- und Neigungsmessung, so­ wie die Aktivierung der benötigten Berechnungsprogramme, mit denen das Sensorsignal in einen Abstandswert umgerechnet wird und mit denen aus Abstandswerten die endgültigen Koordinaten des Bearbeitungskopfs für die Werkstückbearbeitung in jedem der Stützpunkte berechnet werden.

Die Abstandsmessung wird gemäß Fig. 3, Funktionsblock 2 in einer Phase 1 so durchgeführt, daß der an einem Stützpunkt N_x befindliche Bearbeitungskopf 10 entlang der Bezugs- oder Strahlachse 12 bis in eine Meßposition des Abstandssensors 13 verstellt wird. Für diese Verstellung existieren je nach Ausbau der Steuerung für diese Verstellung zwei Varianten. Bei der er­ sten Variante, die in der Steuerung für diese Verstellbewegung eine externe Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit voraus­ setzt, wird der Bearbeitungskopf proportional zur Sensorsig­ nalamplitude des Abstandssensors in Richtung auf die Werk­ stückoberflächen 19 verstellt. Bei Annäherung an die Werk­ stückoberfläche 19 nimmt die Sensorsignalamplitude gemäß der Sensorkennlinie ab. Die Verstellung des Bearbeitungskopfs er­ folgt so lange, bis das Sensorsignal Null ist. Dann ist der ge­ wünschte Abstand genau ermittelt, wobei vorausgesetzt wird, daß die Sensorachse den Fokus des Laserstrahls des Pilotlasers bzw. des Bearbeitungslasers schneidet; denn in diesem Fall der Mes­ sung mit Nennmeßabstand ist das Sensorsignal Null.

Bei einer zweiten Variante der Abstandsmessung wird der Bearbeitungskopf 10 schrittweise entlang der Bezugsachse 12 und in Richtung auf das Werkstück 11 verstellt. Nach jedem, mit einstellbarer Schrittweite erfolgten Verfahrensschritt wird das Sensorsignal eingelesen und daraufhin überprüft, ob sich der Sensor im Meßbereich befindet. Falls das nicht der Fall ist, wird beispielsweise ein von Schritt zu Schritt gleich bleiben­ der Grenzwert angezeigt. Falls der Sensor jedoch im Meßbereich ist, wird das Sensorsignal anhand einer linearisierten Sensor­ kennlinie gewichtet. Es erfolgt eine Berechnung der von nun an maßgeblichen Schrittweite und der Anzahl der durchzuführenden Schritte, um den Bearbeitungskopf bis auf den gewünschten Ab­ stand zu verstellen. Dieser Abstand ist in Fig. 4,III mit f be­ zeichnet. Anhand der berechneten Schrittweite kann der Bearbei­ tungskopf 10 nochmals in Richtung auf das Werkstück 11 zuge­ stellt werden, um eine weitere anschließende Überprüfung durch­ zuführen. Dies kann solange geschehen, bis der Nennmeßabstand erreicht ist. Dann können die für diesen Nennmeßabstand gelten­ den Koordinaten K_i des Bearbeitungskopfs als Einstellwerte für die Werkstückbearbeitung ausgelesen und abgespeichert werden.

Gemäß Fig. 3 erfolgt eine Zwischenspeicherung der Sensorsignale der Abstandsmessung in einem Funktionsblock 7.

Zur Neigungsmessung wird der Bearbeitungskopf 10 gemäß Funktionsblock 3 um Δh entlang der Bezugs- bzw. Strahlachse verstellt. In dieser Phase 2 soll erreicht werden, daß der Tool-Center-Point bzw. Fokus von der Werkstückoberfläche 19 wegbewegt wird. Der Tool-Center-Point wird bei Laserbearbeitung durch den Fokus des Bearbeitungsstrahls definiert. Die Bewegung des Bearbeitungskopfs 10 erfolgt in Richtung auf die Werk­ stückoberfläche 19, so daß der Fokus 20 gemäß der der Werk­ stückoberfläche 19 parallelen gestrichelten Linie um Δh ver­ schoben ist. In dieser Stellung schneidet die Sensorachse 13′ die Werkstückoberfläche 19 an einer Meßstelle 14, die seitli­ chen Abstand von der Bezugsachse 12 hat. Dieser Abstand ist in Fig. 4,II mit r bzw. r_A bezeichnet, wobei r_A als maximal zulässi­ ger Abstand z. B. 1 mm beträgt. In dieser seitlichen Entfernung von der Bezugsachse 12 mißt der Sensor 13 den Abstand der Meß­ stelle 14 der Werkstückoberfläche 19. Mit Hilfe der lineari­ sierten Sensorkennlinie wird der Abstand zwischen dem Bearbei­ tungskopf 10 und der Werkstückoberfläche 19 berechnet und die zugehörigen Achskoordinaten werden über die Funktionsverbindun­ gen 3′ gemäß Funktionsblock 7 zwischengespeichert. Mit Hilfe des Arbeitsprogramms wird dann die motorische Positionierein­ heit der Steuerung angesteuert, die den Bearbeitungskopf 10 bzw. eine daran befestigte Drehvorrichtung 23 ansteuert, mit der der Sensor 13 um 120° um die Bezugsachse 12 gedreht wird. In dieser weiteren Meßposition findet ebenfalls eine Abstands­ messung statt. Dann wird der Abstandssensor 13 um weitere 1200 in eine dritte Meßposition gedreht, in der wiederum eine Ab­ standsmessung stattfindet. Die beiden vorbeschriebenen Ab­ standsmessungen erfolgen in den Phasen 3, 4 der Fig. 3 und 4,II. In jeder dieser Phasen werden nach der Abstandsmessung die zu­ gehörigen Achskoordinaten über die Funktionsverbindungen 4′ des Funktionsblocks 4 in den Funktionsblock 7 ausgelesen und zwi­ schengespeichert. Nach Ablauf der Phasen 3, 4 wird der Bearbei­ tungskopf 10 bzw. sein Abstandssensor 13 in die Ausgangslage vor Beginn der Neigungsmessung zurückverstellt, was durch die Funktionsverbindung zwischen den Funktionsblöcken 4 und 5 ange­ deutet ist. Die Funktionsverbindung zwischen den Funktionsblöc­ ken 5 und 7 deutet darauf hin, daß danach die Berechnung der Normalen des Werkstücks für den jeweiligen Stützpunkt N_x er­ folgt. Diese Normale bestimmt typischerweise die Position des Bearbeitungskopfes 10 relativ zum Werkstück 11. Entsprechend der Voreinstellungen im Setup-Programm bezüglich Abstand und Neigung des Bearbeitungskopfes zur Werkstückoberfläche dieser Normalen können die endgültigen Koordinaten K_i des Bearbei­ tungskopfs 10 für den durch die Optik definierten Abstand f be­ rechnet und abgespeichert werden. Die Abspeicherung erfolgt ge­ mäß Fig. 3, Funktionsblock 6 in einem Teileprogrammspeicher, nachdem zuvor überprüft wurde, ob das Berechnungsergebnis even­ tuell vorgegebene Achsgrenzen überschreitet.

Nachdem die automatische sensorgestützte Messung des Ab­ stands und der Neigung des Bearbeitungskopfs für einen Stütz­ punkt abgeschlossen wurde, z. B. für N₁ gemäß Fig. 3, wird der nächste Stützpunkt angefahren, z. B. N₂, was in Fig. 1 durch die gestrichelte Funktionsverbindung mit der Bezeichnung: für N_x+i angedeutet wird. Es wird also gemäß Fig. 3 bezüglich des Stütz­ punktes N₂ ebenso verfahren, wie für den Stützpunkt N₁. Das Verfahren wird für alle Stützpunkte durchlaufen, so daß danach die Koordinaten aller Stützpunkte N_x in dem Zielprogramm des Rechners abgespeichert sind. Dann bzw. nach dem Vermessen des letzten Stützpunktes kann das Arbeitsprogramm der Fig. 3 ge­ löscht werden, was durch die Funktionsverbindung 8′ angedeutet ist.

Der anhand von Fig. 3 beschriebene automatische Meßzyklus wird auf der Steuerungsebene der Werkzeugmaschine abgewickelt. Interaktiv mit den eingelesenen Meßsignalen werden der Vorschub des Handhabungssystems und die Positionierung des Abstandssen­ sors zur Berechnung der freien Positionierung gesteuert. Die dabei zur Anwendung kommende Software sind hauptsächlich ein Setup-Programm zum Abspeichern von Daten für die Abstandsmes­ sung und -Einstellung sowie für die Neigungsmessung und -Ein­ stellung und ferner ein Meßprogramm, das über ein von diesem kreiertes Arbeitsprogramm die automatische Abstands- und Nei­ gungsmessung zu steuern erlaubt, und das die Daten der Koordi­ naten im Zielprogramm abspeichert. Die Software leistet im Ein­ zelnen folgendes:

• - Bereitstellen einer Setup-Menüoberfläche zur Eingabe ar­ beitsspezifischer Parameter,
• - Erstellen eines für die Dauer der Feinpositionierung existenten Arbeitsprogramms,
• - Erstellen eines residenten Zielprogramms im Teileprogrammspeicher der CNC-Steuerung,
• - Kopieren der Achskoordinaten der zuvor im Handbetrieb grob angefahrenen Stützpunkte N_x in das Arbeitsprogramm,
• - Starten des Arbeitsprogramms und aufeinanderfolgendes Ver­ fahren des Bearbeitungskopfs zu den diskreten Stütz­ punkten,
• - Aktivieren des sensorkontrollierten Verfahrens oder des schrittweisen Verfahrens des Bearbeitungskopfs in Bezugs­ achsenrichtung am jeweiligen Stützpunkt,
• - Abspeichern der digitalisierten Sensorsignale des Ab­ standssensors,
• - Berechnen der Achskoordinaten für den benötigten Abstand zwischen den Bearbeitungskopf und der Werkstückoberfläche entsprechend der über das Menü vorgegebenen Optikbrenn­ weite,
• - Definiertes Verfahren in Richtung der Bezugsachse zum Po­ sitionieren des Sensormeßpunktes in einer ersten Meßposi­ tion eines Meßkreises,
• - Starten der motorischen Positioniereinrichtung, Ausführung der Abstandsmessung für alle drei Punkte des Meßkreises,
• - Berechnen der Neigung der Werkstückoberfläche in der Umge­ bung der Stützstelle bzw. Berechnen der Normalen auf dem Werkstück und Plausibilitätskontrolle im Hinblick auf Werkstückunebenheiten,
• - Berechnen der Achskoordinaten für eine benötigte, per Menü voreingestellte Anstellung der Bezugsachse an die Werk­ stückoberfläche, und
• - Abspeichern der berechneten Achskoordinaten im Zielpro­ gramm.

Nach dem automatischen Messen an allen Stützpunkten steht ein Teileprogramm zur Verfügung, in dem die berechneten Achsko­ ordinaten verfahrsatzweise abgelegt sind. Das Zielprogramm ist nach Ergänzung mit technologischen Daten direkt ablauffähig.

Nach dem Starten der Werkzeugmaschine zum Bearbeiten des Werk­ stücks werden also alle Stützpunkte N_x automatisch exakt den gespeicherten Achskoordinaten X, Y, Z und auch B, C usw. entspre­ chend angefahren. Fig. 4,III zeigt dieses Ergebnis der Program­ mierung dahingehend, daß der Bearbeitungskopf 10 beispielsweise am Stützpunkt N₀₄ den gewünschten Abstand f von der Bearbei­ tungsstelle 18 des Werkstücks 11 gemäß Fig. 1,I hat. Die Bezug­ sachse 12 ist entsprechend der Normalen 15 auf die Werkstück­ oberfläche 19 gerichtet. Da der Abstand f gleich der Brennweite der Optik ist, erfolgt die Bearbeitung im Fokus 20.

Claims (10)

1. Verfahren zum Programmieren numerisch gesteuerter Werk­ zeugmaschinen, insbesondere für Materialbearbeitung mit Laserstrahlung,

• - bei dem ein Bearbeitungskopf (10) der Maschine vom Be­ diener im Handbetrieb an diskrete Bearbeitungs- oder Stützpunkte (N_x) verstellt wird,
• - bei dem eine Einstellung eines für die Bearbeitung kor­ rekten Abstandes (f) des Bearbeitungskopfes (10) von dem Werkstück (11) sowie eine Einstellung einer Neigung des Bearbeitungskopfes (10) in Bezug auf die Normale (15) der Werkstückoberfläche (19) an allen Stützpunkten (N_x) er­ folgt,
• - und bei dem eine Abspeicherung der Koordinaten (K_i) des Bearbeitungskopfes (10) für die Werkstückbearbeitung in Zuordnung zu den Stützpunkten (N_x) vorgenommen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß zunächst alle Stützpunkte (N_x) im Handbetrieb aufeinander folgend angefahren und da­ bei deren Koordinaten (k_i) jeweils abgespeichert werden, daß danach für die Abstands- und für die Neigungseinstel­ lung relevante Parameter abgespeichert werden, und daß dann an allen Stützpunkten (N_x) jeweils eine automatische, sensorgestützte Abstands- und Neigungsmessung erfolgt, an die sich die Abspeicherung der Koordinaten (K_i) des Bear­ beitungskopfes (10) als Einstellwerte für die Werkstück­ bearbeitung anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (10) zur automatischen Abstandsmes­ sung unter Verwendung der abgespeicherten Koordinaten (k_i) an einen Stützpunkt (N_x) verstellt wird, und daß der Bear­ beitungskopf (10) am Stützpunkt (N_x) entlang einer Bezugs­ achse (12) bis in eine Meßposition eines Abstandssensors (13) verstellt wird, die dem gewünschten Abstand (f) des Bearbeitungskopfes (10) vom Werkstück (11) entspricht oder die eine Berechnung oder Steuerung einer weiteren Verstel­ lung des Bearbeitungskopfes (10) bis auf den gewünschten Abstand (f) gestattet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bearbeitungskopf (10) zur automatischen Nei­ gungsmessung in eine Meßposition verstellt wird, in der der Abstandssensor (13) den Abstand einer außerhalb der Bezugsachse (12) gelegenen Meßstelle (14) mißt, daß der Abstandssensor (13) um die Bezugsachse (12) in mindestens zwei weitere Meßpositionen verdreht wird, und daß anhand der Abstandsmeßwerte aller drei Meßpositionen die Normale (15) auf die Werkstückoberfläche des zugehörigen Stütz­ punkts (N_x) berechnet wird.

4. Vorrichtung zum Programmieren numerisch gesteuerter Werk­ zeugmaschinen, mit einem Bearbeitungskopf (10), der eine Licht, insbesondere Laserstrahlung fokussierende Optik (16, 17) hat, insbesondere nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Be­ arbeitungskopf (10) ein in eine Meßposition verstellbarer Abstandssensor (13) vorhanden ist, daß der Sensor (13) in mindestens zwei weitere Meßpositionen (14) verstellbar ist, und daß der Sensor (13) an die Steuerung angeschlos­ sen ist, die anhand der Abstandsmeßwerte aller drei Meßpo­ sitionen die Normale (15) auf die Werkstückoberfläche (19) zu berechnen vermag.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor (13) um ein vorbestimmtes Maß (Δh) in Richtung einer Bezugsachse (12) zwischen dem Bearbei­ tungskopf (10) und dem Werkstück (11) verstellbar, um die Bezugsachse (12) verdrehbar und unter einem Winkel (α) zur Bezugsachse (12) geneigt angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorachse (13′) auf den Fokus (20) des Lichts gerichtet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in die Optik (16, 17) des Bearbeitungskopfs (10) eingekoppelte sichtbare Laserstrahlung (25) eines Pilotlasers ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugmaschine eine menügeführte Eingabeeinrichtung zur Eingabe relevan­ ter Parameter für die Abstands- und/oder Neigungsmessung und/oder -Einstellung aufweist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugmaschine an einen externen Rechner angeschlossen ist, der Steuerungs­ daten der Maschine und deren Sensordaten auszuwerten und die Bearbeitung des Werkstücks (11) unter Einbeziehung der Steuerung der Maschine zu steuern vermag.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Werk­ zeugmaschine zur Programmierung der Bearbeitungsbahn in einem Hauptprogramm ein Setup-Programm zum Abspeichern von Daten für die Abstandsmessung und -Einstellung sowie für die Neigungsmessung und -Einstellung hat, und daß sie im Hauptprogramm des weiteren ein die automatische Abstands- und Neigungsmessung zu steuern erlaubendes Meßprogramm aufweist, das die Koordinaten aller Stützpunkte (N_x) in einem Zielprogramm der Steuerung abspeichert.