DE4431059C2 - Verfahren und Einrichtung zum Vermessen von Werkzeugen, insbesondere Maschinenwerkzeugen in Einstellgeräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Vermessen von Wirk-Abmessungswerten von Werkzeugen, insbeson­ dere vom Maschinenwerkzeugen in Einstellgeräten. Dabei werden zur Messung Werkzeugkonturen optisch-elektronisch detektiert und die ermittelten Geometriedaten in einen Rechner zur Bestimmung und vorzugsweise digitalen Ausgabe von Abmessungs­ werten, wie Durchmesser, Länge, Winkel etc., von wenigstens einem Werkzeugabschnitt verarbeitet, wobei zur Messung das Werkzeug in verschiedenen Werkzeugpositionen detektiert wird.

Bei einer aus der DE 39 19 865 bekannten Vorrichtung zum Vermessen eines Werkzeuges wird dieses in einer drehbaren Aufnahme gehalten, die in einer radialen Verschiebungsrich­ tung verschiebbar ist. Es ist eine rechtwinklig zur Verschie­ bungsrichtung und eine zweite in Verschiebungsrichtung angeordnete Zeilenkamera vorgesehen, wobei beide Zeilen­ kameras parallel zur Drehachse des Werkzeuges schrittweise verschiebbar sind. Über die rechtwinklig angeordnete Kamera wird ein bezogen auf die eingestellte Höhe der Kamera größtes Radiusmaß des Werkzeuges festgestellt und der dazugehörige Drehwinkel wird angezeigt. Die in Verbindungsrichtung ange­ ordnete Kamera mißt ein Größtmaß. Mit Hilfe dieser Meßdaten, die nacheinander "scheibchenweise" an verschiedenen verti­ kalen Positionen des Werkzeuges aufgenommen werden können, soll es möglich sein, eine Vermessung des Werkzeuges vorzu­ nehmen.

Es sind Werkzeug-Voreinstellgeräte bekanntgeworden, bei denen die Kontur, sozusagen der "Schattenriß", eines Werkzeugs von einer Video-Kamera erfaßt und einem Rechner zugeleitet werden. In dem vom Benutzer eingestellten Werkzeugabschnitt wird dann aus den von der Kamera übermittelten Geometriedaten der Abmessungswert ermittelt.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, basierend auf dieser Technolo­ gie, Genauigkeit und Universalität der Werkzeugvermessung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Einrichtung gemäß Anspruch 5.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zu der Messung das Werkzeug in verschiedenen Werkzeugpositionen detektiert wird und daß aus den dabei ermittelten Geometriedaten für den Werkzeugabschnitt im Rechner für die Bearbeitung eines Werkstückes maßgebliche Wirk-Abmessungswerte ermittelt werden. Dabei erfolgt ein Vergleich zwischen in verschiedenen Werkzeugpositionen detektierten Konturabschnitten mit dem Ergebnis einer Extremwertfeststellung unter den verglichenen Geometriedaten gleichzeitig über den gesamten Konturab­ schnitt. Mit anderen Worten: Aufgrund von Bildaufnahmen in unterschiedlichen Werkzeugpositionen können die Wirk-Abmes­ sungswerte als Überlagerung der Geometriedaten der einzelnen Messungen im Rechner ermittelt werden. Das Werkzeug wird also nicht statisch vermessen, sondern dynamisch, wobei es während der Messung vorzugsweise in Arbeitsbewegung versetzt wird. Ein drehbares Werkzeug wird also um die Spindelachse gedreht. Bei Werkzeugen, die andere Bewegungen beschreiben, könnten diese ausgeführt werden, beispielsweise auch Linearbewegun­ gen. Auch eine Überlagerung verschiedener Arbeitsbewegungsar­ ten wäre möglich. In jedem Falle geht die Vermessung damit von dem Profil einer Hüllkurve aus, die sich bei der Bewegung des Werkzeuges ergibt. Wenn beispielsweise ein Spiralbohrer vermessen wird, so wird in einfacher statischer Seitenansicht sein Schaftprofil als Wellenlinie erscheinen, während in der dynamischen Messung das Abbild eines Zylinders, d. h. Geraden als Hüllkurven, erscheinen. Auch Unrund-Lauf eines Werkzeugs, der bei der statischen Messung nicht ohne weiteres ermittelt werden kann, wird automatisch berücksichtigt und kann daher die Bearbeitung von den Abmessungen her nicht beeinträch­ tigen.

Vorzugsweise kann die optisch-elektronische Detektierung der Werkzeugkonturen mittels einer Video-Kamera erfolgen. Die Messung kann praktisch so durchgeführt werden, daß das von der Video-Kamera gelieferte Bild, das ohnehin taktmäßig mit beispielsweise 50 oder 100 Hertz vorliegt, in gewissen, durch die Rechenzeit vorbestimmten Zeitabständen, die meist wesent­ lich unter 1 Sec. liegen, abgespeichert und mit dem Bild der darauf folgenden Messung verglichen wird. Geometridaten dieser Bilder werden dann in einer vorgegebenen Meßrichtung, beispielsweise in radialer Richtung des Werkzeugs, korri­ giert, sowie eine Überschreitung in dieser Richtung festge­ stellt wird. Es wird also ein Maximalwert in einer Richtung gebildet. Da dies gleichzeitig über die gesamte betrachtete Kontur erfolgt, repräsentieren die resultierenden Werte die Hüllkurve des Werkzeugs bei seiner Bewegung. Die durch Auswertung dieser Kurve vom Rechner ermittelten Bild-Abmes­ sungswerte werden schließlich in digitaler Form ausgegeben und sind die für die Bearbeitung eines Werkstücks maßgeb­ lichen Werte, die z. B. die Schneide eines Werkzeugs bei der Werkstückbearbeitung beschreibt.

Eine Meßeinrichtung, mit der das beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann, beispielsweise ein Voreinstell­ gerät, kann also in seinem Rechnerteil einen entsprechenden Vergleicher aufweisen, der die Geometriedaten wenigstens zweier aufeinander folgender Bildaufnahmen miteinander vergleicht. Dies können vorzugsweise die unmittelbar aufein­ anderfolgenden Daten sein, so daß es nicht nötig ist, große Mengen von Bilddaten zu speichern, sondern lediglich unter Verwendung jeweils der neuen Daten ein sich schließlich zu den Hüllkurvenabbild zusammensetzenden Datensatz zu schaffen.

Es wird also eine Werkzeugvermessung beschrieben, die mittels einer Video-Kamera an einem Werkzeug-Voreinstellgerät vor­ genommen wird. Die ermittelte Werkzeugkontur wird in digita­ lisierter Form in einem Rechner gespeichert und an einem Display abgebildet. Das Werkzeug wird gedreht, und die Geome­ triedaten von Messungen während dieser Drehung werden jeweils mit dem Ergebnis der vorigen Messung verglichen und im Sinne einer Maximierung überlagert, so daß die Daten eine Hüllkurve repräsentieren.

Statt einer Detektierung durch Bildaufnahmen einer Video- Kamera könnte auch ein anderes optisch-elektronisches Ver­ fahren verwendet werden, beispielsweise eine Laser-Abtastung. Im folgenden Ausführungsbeispiel sind als Werkzeuge Bohrer dargestellt. Das Verfahren eignet sich jedoch auch für andere Gegenstände, beispielsweise Fräswerkzeuge mit einsetzbaren und einstellbaren Einzelschneiden sowie alle anderen Werkzeu­ ge, deren für die Bearbeitung wesentliche Abmessungen optisch abgetastet werden können. Bei dem Vergleich ist zwar sinnvoll und zweckmäßig, kurzperiodisch zahlreiche Vergleiche unmit­ telbar aufeinanderfolgender Messungen zu machen, so daß z. B. die Geschwindigkeit oder Gleichförmigkeit der Werkzeugdrehung während der Messung daß Meßergebnis nicht beeinflußt, weil die Messungen ohnehin so dicht beieinander liegen, daß sich eine einwandfreie Hüllkurve ergibt. Es wäre jedoch auch möglich, die Werkzeugdrehung oder eine andere Werkzeugbewe­ gung in einer für die Bearbeitung typischen Richtung in Abhängigkeit von den Meßintervallen (oder umgekehrt) durchzu­ führen, wobei dann auch andere als unmittelbar aufeinander­ folgende Messungen miteinander verglichen werden könnten.

Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführun­ gen darstellen können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Werkzeug- Voreinstellgerätes mit zugehörigem Rechner und Display,

Fig. 2 bis 5 verschiedene Konturen eines gewendelten Werk­ zeuges, z. B. eines Stufenbohrers und

Fig. 6 die nach dem Hüllkurvenverfahren ermittelte Kontur des in Fig. 2 bis 5 in Einzeldarstel­ lungen gezeigten Werkzeuges.

BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

In Fig. 1 ist schematisch ein Voreinstellgerät 11 für Ma­ schienenwerkzeuge 12 gezeigt. Das Werkzeug 12 ist in einer Werkzeugaufnahme 13 aufgenommen, beispielsweise einer dreh­ baren Spindel, die einer Werkzeugmaschinenspindel entspricht und eine entsprechende Aufnahmebohrung, z. B. passend zu einem Steilkegel, hat. Das Werkzeug ist darin von Hand oder auch durch einen Drehauftrieb 30, z. B. einen steuerbaren Elektro­ motor, drehbar um eine horizontale Achse 14 gelagert.

An dem Voreinstellgerät ist ferner eine Lichtquelle 15 vorgesehen, die das Werkzeug so beleuchtet, daß eine ihr gegenüber angeordnete Video-Kamera 16 die äußere Werkzeugkon­ tur 31 in Form eines Schattenrisses aufzeichnet.

Die Kamera enthält vorzugsweise einen CCD-Chip zur Umsetzung des optischen Bildes in elektronische Signale, die, ggf. vorverarbeitet, einem zum Voreinstellgerät gehörenden Rechner 17 zugeführt werden. Sie liegen dann dort in digitalisierter Form vor und können in einem entsprechenden Speicher gespei­ chert werden. Die Konturen 31 lassen sich elektronisch aufgrund des starken Helligkeitsunterschiedes unschwer und exakt ermitteln. Sie bilden die Geometriedaten für die entsprechende Werkzeugkante.

Das von der Kamera aufgenommene Bild wird ferner auf einem Bildschirm 18 abgebildet. Der Benutzer kann nun über ein nicht dargestelltes Eingabegerät, beispielsweise eine Tasta­ tur oder eine beliebige Einrichtung zur Bewegung eines Cursors, ein Meßfeld für einen bestimmten Werkzeugabschnitt 19 einstellen. Wenn er nun die Hüllkurvenmessung beginnt, so läuft ein periodischer Vorgang in dem Rechner 17 ab. Dieser beginnt mit der Speicherung der jeweils von der Video-Kamera 16 angebotenen Geometriedaten, die in der üblichen Bildfre­ quenz einer Video-Kamera von 50 oder 100 Hertz zur Verfügung stehen. Diese Daten werden mit den Daten des vorher abgespei­ cherten Bildes verglichen und in der vorgegebenen bzw. eingestellten Richtung 33, also im Werkzeugabschnitt 19 zur Achse 14 radial, also hier in vertikaler Richtung korrigiert bzw. vom darauf folgenden Bild übernommen, wenn sie einer Radiusvergrößerung entsprechen ("dunkel" überdeckt "hell").

Nach diesem Vergleich wird ein neuer Meßzyklus eingeleitet, der je nach Rechnergeschwindigkeit z. B. 10 mal in der Sekunde stattfinden kann.

Währenddessen dreht der Benutzer von Hand oder durch den ggf. auch vom Rechner gesteuerten Drehantrieb 30 für die Auf­ nahme 13 das Werkzeug. Nach Ablauf wenigstens einer Umdrehung kann die Messung beendet werden.

Wie die Fig. 2 bis 5 zeigen, stellt sich ein wendelförmi­ ger Stufenbohrer in einzelnen Bildaufnahmen der Kamera mit sehr unterschiedlichen Konturen 31 dar. Sowohl die Durch­ messer, als auch die für die Bearbeitung wirksame Form der Konturen 31 und die Winkel der Schneiden sind einer einzelnen Messung nicht eindeutig zu entnehmen. Die Überlagerung der Einzelbilder über eine ganze Umdrehung des Werkzeuges um seine Achse 14 ergibt dann aber die Kontur 32 der Hüllkurve nach Fig. 6, die die wirkliche Arbeitskontur des Werkzeugs im Werkstück repräsentiert. Dort kann in dem entsprechenden Meßfeld z. B. die Durchmesserabmessung entnommen werden, die das Werkzeug 12 später im Werkstück hinterlassen wird. Das gleiche gilt für die entsprechenden Längenabmessungen, die ebenfalls aus den Einzelbildern (Fig. 2 bis 5) kaum zu entnehmen sind und für die Winkel, die ebenfalls über den Rechner nach dem beschriebenen Verfahren ermittelt werden können.

Der Rechner enthält dazu einen Vergleicher 20, der die eingehenden Geometriedaten, ggf. nach Zwischenspeicherung, mit den Daten in einem Speicher 21 vergleicht, die das bisherige Meßergebnis darstellen und ggf. im Sinne einer Maximierung (bzw. Minimierung bei Innenkonturen) ergänzt. Diese Daten wiederum werden auf dem Bildschirm 18 darge­ stellt. Die Daten können ferner in Digitalform angezeigt und einem Drucker oder anderen Datenaufzeichnungsgerät 22 zuge­ leitet werden, um ein Meßprotokoll zu erstellen.

Dieses Meßverfahren ist besonders vorteilhaft für Werkzeug- Voreinstellgeräte, kann jedoch auch für andere entsprechende Messungen verwendet werden. Es könnte auch direkt an Werk­ zeugmaschinen zur Einstellung oder Kontrolle von Werkzeugen auf Abmessungen und/oder Rundlauf sowie auf die richtige Positionierung des Werkzeugs in einer Maschinenspindel Anwendung finden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Vermessen von Wirk-Abmessungswerten von Werkzeugen, insbesondere von Maschinenwerkzeugen in Einstellgeräten, bei dem

• 1. Werkzeugkonturen von wenigstens einem Werkzeugab­ schnitt in verschiedenen Werkzeugpositionen optisch- elektronisch detektiert und daraus ermittelte Geometrie­ daten in einem Rechner zur Bestimmung und Ausgabe von Abmessungswerten verarbeitet werden,
• 2. wobei ein Vergleich zwischen in verschiedenen Werk­ zeugpositionen detektierten Konturabschnitten mit dem Ergebnis einer Extremwertfeststellung unter den ver­ glichenen Geometriedaten gleichzeitig über den gesamten Konturabschnitt erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch-elektronische Detektierung der Werkzeugkon­ turen (31) mittels einer Video-Kamera (16), insbesondere mit einem CCD-Chip zur Umsetzung des optischen Bildes in elektronische Signale, erfolgt und daß aufgrund von Bildaufnahmen in unterschiedlichen Werkzeugpositionen die Wirk-Abmessungswerte im Rechner (17) ermittelt werden, und/oder daß die Ausgabe von Abmessungswerten wie Durchmesser, Länge, Winkel etc. digital erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Werkzeug (12) gedreht und die Detektierung in verschiedenen Werkzeug-Drehstellungen, vorzugsweise mehrfach während einer Werkzeugumdrehung, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektierung zweckmäßig durchgehend erfolgt und die ermittelten Geometriedaten jeweils zweier unmittelbar aufeinanderfolgender Messun­ gen miteinander im Rechner (17) verglichen und der jeweils in einer vorgegebenen Richtung (33) größere Wert gespeichert und ggf. einem weiteren Vergleich zugrunde gelegt wird.

5. Einrichtung zum Vermessen von Wirk-Abmessungswerten von Werkzeugen, insbesondere Einstellgerät für Maschinen­ werkzeuge, mit

• 1. einer drehbaren Werkzeugaufnahme,
• 2. einer Video-Kamera, die Werkzeugkonturen von wenig­ stens einem Werkzeugabschnitt in verschiedenen Drehpo­ sitionen während seiner Drehung um die Achse der Werk­ zeugaufnahme detektiert,
• 3. einem Rechner zur Bestimmung und Ausgabe von Ab­ messungswerten mit
• 4. wenigstens einem Speicher zur Speicherung der detek­ tierten Geometriedaten, und
• 5. einer Einrichtung zum Vergleichen von in verschiedenen Drehpositionen detektierten Konturabschnitten mit dem Ergebnis einer Extremwertfeststellung unter den ver­ glichenen Geometriedaten gleichzeitig über den gesamten Konturabschnitt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (20) zum Vergleich der Geometriedaten zweier aufeinanderfolgender Bildaufnahmen und zur Ermittlung und Speicherung des jeweiligen Maximal- bzw. Minimal­ wertes in einer vorgegebenen Meßrichtung (33).