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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf das Gebiet der Fertigung und insbesondere auf die Positionierung
von Werkzeugen zum Durchführen
der Fertigung oder zur Inspektion.
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In einem Produktionsbereich ist es
im Allgemeinen notwendig, Arbeitsvorgänge durchzuführen, beispielsweise
ein Messen, ein Bohren, ein Schneiden, ein Ansenken und eine Inspektion.
Die zur Durchführung
dieser Arbeitsvorgänge
benötigten Werkzeuge
müssen
vorher positioniert werden, um ihre Funktion durchführen zu
können.
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Die Genauigkeit, mit der die Werkzeuge
positioniert werden, ist abhängig
von den Genauigkeitserfordernissen, die das fertige Produkt benötigt. Bei der
Herstellung von Flugzeugen müssen
zahlreiche Bauteile mit einem sehr hohen Standard bezüglich der
Genauigkeit hergestellt werden, und dies wird oft durch Hand durchgeführt und
abgeschlossen, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen.
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Üblicherweise
werden die herzustellenden Gegenstände durch Hand markiert, um
beispielsweise zu zeigen, wo Löcher
gebohrt werden sollten oder wo das Material zu schneiden ist. Dieses
Verfahren ist sehr zeitaufwändig
und kostspielig, da es weitgehend auf der Erfahrung der Arbeiter
beruht. In jüngerer
Zeit wurden die Gegenstände
in Aufspannvorrichtungen oder anderen Festlegevorrichtungen angebracht,
um einen Gegenstand in einer gewünschten Position
festzuhalten, während
dieser spanabhebend bearbeitet oder inspiziert wird, wobei beispielsweise eine
numerisch gesteuerte Maschine Anwendung fand.
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Für
kleinere Serien von Gegenständen
verbietet es sich oft aus Kostengründen, derartige Werkzeuganordnungen,
wie Aufspannvorrichtungen oder andere Festlegevorrichtungen, zu
benutzen, die eine äußerst genaue
Herstellung der Gegenstände
erlauben.
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Die US-A-4453085 beschreibt genau
positionierende Roboterarme und dergleichen, bei denen ein elektro-optisches
System Laserstrahlen auf Punkte im Raum richtet, wo Detektoren oder
Ziele der Roboter-"Hand" befindlich sind oder vermutet werden.
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Wenn festgestellt wird, dass die
Roboter-"Hand" sich außerhalb
der gewünschten
Position befindet, wird ein Steuersignal erzeugt, um eine Bewegung
dieser "Hand" tatsächlich
in die gewünschte Position
zu überführen.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt
die Lösung
des Problems der Kosten, die bekannten Werkzeugpositionierungs-Methoden
zugeordnet sind, wie sie oben beschrieben wurden, und dieses Problem soll
gelöst
werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur genauen Positionierung
von Werkzeugen zur Benutzung bei der Herstellung oder Inspektion,
wobei die Notwendigkeit für
kostspielige Werkzeughalterungen, wie Aufspannvorrichtungen, vermieden
werden soll.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
betrifft diese:
ein Mikro-Positionierungssystem zur Durchführung einer
Bearbeitung oder Inspektion eines Werkstücks, wobei das System die folgenden
Teile aufweist:
eine Strahlungsquelle zur Projektion eines
Bildes;
einen Strahlungsdetektor zum Detektieren des projizierten
Bildes;
Werkzeug-Führungsmittel,
die ein Werkzeug tragen, das eine Bearbeitung oder Inspektion durchführen soll;
einen
Prozessor zur Berechnung von wenigstens zweidimensionalen Koordinaten
des projizierten Bildes, das vom Strahlungsdetektor relativ zum
Werkzeug detektiert wurde, und
Steuermittel zur Steuerung der
Werkzeug-Führungsmittel
derart, dass das Werkzeug in einer vorbestimmten räumlichen
Beziehung zu dem projizierten Bild gemäß einem Signal von dem Prozessor
positioniert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle das
Bild auf einer Oberfläche
des Gegenstandes abbildet, dass das Bild Teil einer Herstellungsschablone ist,
die direkt von einem CAD-Modell des Gegenstandes abgenommen wird
und dass das Bild eine vorbestimmte Position auf der Oberfläche des
Gegenstandes repräsentiert,
wo eine Bearbeitung oder Inspektion durchgeführt werden soll.
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Die Strahlungsquelle kann ein Laser
sein. Vorteilhafterweise liefert die Strahlungsquelle eine für das menschliche
Auge sichtbare Strahlung, so dass ein Benutzer das Bild betrachten
kann. Die Strahlungsquelle kann beispielsweise ein Virtek-Laseredge-3D-Laser-Projektionssystem
sein. Für
komplexe Oberflächen
können
zwei Strahlungsquellen benutzt werden.
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Die Strahlungsquelle kann ein Bild
in Form einer Ellipse projizieren. Die Strahlungsquelle kann stattdessen
ein Bild in Form eines Kreuzes oder eines Kreises projizieren. Das
Bild hat vorzugsweise eine Größe im Bereich
zwischen 0,5 bis 3,0 cm.
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Das Bild wird auf eine Oberfläche an einer Stelle
projiziert, wo eine Herstellung oder Inspektion durchgeführt werden
soll. Es können
gleichzeitig verschiedene Bilder projiziert werden, um beispielsweise
eine Bohrschablone auf einer Oberfläche, beispielsweise einer Flugzeug-Verkleidungsplatte,
zu erzeugen.
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Der Strahlungsdetektor besteht vorzugsweise
aus einer Kamera und einem Bildverarbeitungssystem. Die Kamera kann
ein Feld von ladungsgekoppelten Festkörperelementen (CCDs) sein.
Das Feld kann linear oder rechteckig sein. Die CCDs erzeugen eine
Ladung, proportional zur darauffallenden Lichtmenge, und die Ladung
von jedem Element des Feldes wird vorzugsweise vom Bildverarbeitungssystem
benutzt, um ein Bild aufzubauen.
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Das Bildverarbeitungssystem besteht
vorzugsweise aus einem Video-Digitizer zur Digitalisierung des Bildes
und einem Computer zur Verarbeitung des Bildes.
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Das Bild wird vorteilhafterweise
durch den Computer bearbeitet, um Merkmale, wie beispielsweise Bereiche
gleicher Intensität
oder Änderungen in
der Intensität,
zu identifizieren. Der Bildprozessor ist dabei vorteilhafterweise
in der Lage, ein Bild zu identifizieren, beispielsweise ein Kreuz,
das durch die Strahlungsquelle projiziert wurde, und den Mittelpunkt
des Bildes festzulegen.
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Die Werkzeug-Zuführungsmittel können eine Werkzeug-Aufahmevorrichtung
umfassen, beispielsweise ein Werkzeug-Spannfutter. Die Werkzeug-Zuführungsmittel
umfassen zweckmäßigerweise
weiterhin eine bewegliche Stufe. Die Werkzeug-Aufnahmevorrichtung
ist vorteilhafterweise auf der beweglichen Stufe montiert. Die bewegliche
Stufe ist vorzugsweise in der Lage, sich wenigstens in x- und y-Richtung zu
bewegen, wobei die x- und y-Richtungen senkrecht aufeinander stehen
und in einer Ebene (der x-y-Ebene) liegen. Die bewegliche Stufe
kann durch einen Servomotor betätigt
werden. Die bewegliche Stufe kann außerdem in der Lage sein, sich
in einer z-Richtung zu bewegen, wobei die z-Richtung normal auf
der x-y-Achse steht. Stattdessen kann die Werkzeug-Aufnahmevorrichtung
derart eingerichtet sein, dass sie sich in z-Richtung bewegt. Die
Werkzeug-Aufnahmevorrichtung
ist zweckmäßigerweise auf
der beweglichen Stufe in der Weise montiert, dass die Werkzeug-Aufnahmevorrichtung
sich relativ zu der beweglichen Stufe in z-Richtung bewegen kann.
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Die bewegliche Stufe ist vorzugsweise
auf einer Plattform derart montiert, dass sie in der Lage ist, sich
relativ zur Plattform zu bewegen. Die Plattform weist vorzugsweise
Befestigungsmittel auf, um die Plattform lösbar an der Oberfläche zu befestigen.
Die Befestigungsmittel können
eine Vakuum-Saugvorrichtung aufweisen. Die Vakuum-Saugvorrichtung kann
eine Gummidichtung und eine Venturi-Ejektor-Vakuumpumpe aufweisen. Stattdessen können die
Befestigungsmittel aus einem Magneten bestehen, wenn die Oberfläche ferromagnetisch
ist. Stattdessen können
die Befestigungsmittel eine mechanische Befestigung, beispielsweise
in Gestalt eines Bolzens oder einer Klemme, aufweisen.
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Die Plattform kann einen einstellbaren
Fuß oder
mehrere einstellbare Füße aufweisen,
damit das Mikro-Positionierungssystem auf gekrümmten oder unebenen Oberflächen arbeiten
kann. Die einstellbaren Füße sind
vorzugsweise einzeln einstellbar, und sie sind bezüglich des
Abstandes zwischen der Oberfläche
und der Plattform einstellbar. Die einstellbaren Füße können manuell
oder automatisch eingestellt werden, und es können hydraulische oder elektrische
Antriebe oder Teleskopanordnungen oder mechanische Schraubgewindeanordnungen
Verwendung finden.
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Das Mikro-Positionierungssystem umfasst vorzugsweise
Normalisierungmittel, um festzustellen, ob das Werkzeug im Wesentlichen
normal zur Oberfläche
steht, bevor ein Bearbeitungsvorgang durchgeführt wird. Die Normalisierungsmittel
können automatisch
die einstellbaren Füße steuern,
um zu gewährleisten,
dass die Plattform gegenüber
der Oberfläche
stabil ist und die Orientierung der Plattform und die Neigung des
Werkzeugs geändert
werden können.
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Die Normalisierungsmittel können einen Sensor,
beispielsweise ein lineares Potentiometer, aufweisen. Die Normalisierungsmittel
können
wenigstens zwei Sensoren aufweisen, die auf der Plattform in der
Weise angeordnet sind, dass im Gebrauch die Sensoren benachbart
zur Oberfläche
liegen. Stattdessen können
die Normalisierungsmittel einen Sensor, wie beispielsweise eine
Strahlungsquelle und ein Detektorsystem für die reflektierte Strahlung,
aufweisen, wobei wenigstens zwei derartige Sensoren auf der Plattform
derart angeordnet sind, dass im Gebrauch die Sensoren senkrecht
zur Oberfläche
stehen. Die Sensoren werden vorzugsweise benutzt, um zu bestimmen,
ob die bewegliche Stufe der Plattform im Wesentlichen parallel zur Oberfläche verläuft, wenn
die Oberfläche
im Wesentlichen flach ist, oder im Falle einer gekrümmten Oberfläche bestimmen
die Sensoren, ob die bewegliche Stufe, die auf der Plattform montiert
ist, im Wesentlichen tangential zur Oberfläche verläuft. Die Normalisierungsmittel
können
außerdem
ein Werkzeug-Normalisierungsglied
aufweisen, um festzustellen, ob das Werkzeug normal zur beweglichen
Stufe befindlich ist.
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Der Prozessor benutzt zweckmäßigerweise Daten,
die vom Bildverarbeitungssystem erlangt werden, um die Stelle auf
dem Bild gegenüber
der Lage des Werkzeugs zu bestimmen.
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Die Steuermittel können einen
Servomotor und ein Bewegungssteuerglied aufweisen.
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Die Steuermittel umfassen vorzugsweise wenigstens
zwei Servomotoren und wenigstens einen zur Betätigung der Bewegung der beweglichen Stufe
in x-Richtung und wenigstens einen zur Betätigung der Bewegung der beweglichen
Stufe in y-Richtung.
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Das Bewegungssteuerglied steuert
vorzugsweise die Bewegung der beweglichen Stufe wenigstens in x-
und in y-Richtung.
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Die Steuermittel können weiter
einen Servomotor aufweisen, um die Bewegung des Werkzeughalters
in z-Richtung zu bewirken. Das Bewegungssteuerglied kann die Bewegung
des Werkzeughalters in der z-Richtung einstellen.
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Der Prozessor kommuniziert mit den
Steuermitteln.
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Die Werkzeug-Überführungsmittel können einen
streckbaren Arm aufweisen, um ein Werkzeug zu halten. Das Werkzeug
kann ein Bohrer sein. Stattdessen kann das Werkzeug ein Fräswerkzeug
oder ein Schleifwerkzeug oder ein Schweißwerkzeug oder ein Nieteinsatz-Werkzeug
sein. Stattdessen kann das Werkzeug ein Inspektionswerkzeug oder
ein zerstörungsfreies
Prüfwerkzeug
sein. Stattdessen kann das Werkzeug eine Spritzpistole oder ein
Sandstrahlgebläse
sein.
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Am Werkzeughalter kann eine Kamera
vorgesehen werden, um einem Monitor eine Ansicht aus der Perspektive
des Werkzeugs zu liefern, was dem Benutzer der Mikro-Positionierungsvorrichtung
sichtbar wird. Der Benutzer ist dann in der Lage, visuell festzustellen,
dass die Arbeit auf der Oberfläche
korrekt vorgenommen wird und er kann visuell auch die Stelle erkennen,
wo das Bild projiziert wird.
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Die Plattform, die bewegliche Platte
und der Werkzeughalter sind vorzugsweise hauptsächlich aus einem Material hergestellt,
das ein leichtes Gewicht und eine gute Festigkeit besitzt, beispielsweise aus
einer Aluminiumlegierung oder aus einem Kohlenstofffaser-Verbundmaterial.
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Es ist vorzugsweise an der Plattform
ein Handgriff vorgesehen, um es dem Benutzer zu ermöglichen,
die Plattform auf der zu bohrenden Oberfläche zu positionieren.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung betrifft diese ein Verfahren zur genauen Positionierung
von Werkzeugen, welches Verfahren wenigstens die folgenden Schritte
umfasst:
es wird ein Bild projiziert;
es wird das projizierte
Bild detektiert;
es wird das projizierte Bild verarbeitet;
es
werden wenigstens zweidimensionale Koordinaten des projizierten
Bildes relativ zum Werkzeug berechnet, um den Herstellungs- oder
Inspektionsvorgang durchführen
zu können,
und
es wird das Werkzeug so bewegt, dass es in einer vorbestimmten
räumlichen
Beziehung gegenüber dem
projizierten Bild positioniert wird, gekennzeichnet durch die Projektion
des Bildes auf die Oberfläche
eines Gegenstandes, wobei das Bild ein Teil einer Herstellungsschablone
ist, die direkt aus einem CAD-Modell des Gegenstandes abgeleitet
wird und wobei das Bild eine vorbestimmte Position auf der Oberfläche des
Gegenstandes repräsentiert,
wo eine Bearbeitung oder Inspektion durchzuführen ist.
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Während
der Verarbeitung des Bildes wird vorzugsweise ein Kennzeichnungsmerkmal,
beispielsweise ein Bereich mit einer größeren Intensität als die
Umgebung, durch ein Bildverarbeitungssystem identifiziert. Der Mittelpunkt
des Bereichs kann dann durch das Bildverarbeitungssystem bestimmt werden.
Stattdessen kann ein anderes Kennzeichnungsmerkmal, beispielsweise
eine Änderung
in der Intensität
zwischen benachbarten Bereichen, durch das Bildverarbeitungssystem
identifiziert werden, entsprechend zur Begrenzung eines projizierten
Bildes.
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Vorzugsweise lokalisiert das Bildverarbeitungssystem
den Mittelpunkt des projizierten Bildes. Die zweidimensionalen Koordinaten
des Mittelpunktes des projizierten Bildes relativ zum Werkzeug werden
dann zweckmäßigerweise
durch einen Prozessor berechnet.
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Um das Bildverarbeitungssystem zu
unterstützen,
wird die Beleuchtung vorzugsweise so gesteuert, dass ein hoher Kontrast
zwischen dem projizierten Bild auf der Oberfläche und dem Rest der Oberfläche erhalten
wird. Zweckmäßigerweise
wird die Beleuchtung so gewählt,
dass unerwünschte
Reflexionen, Schatten und andere ungleichförmige Beleuchtungen minimal
werden.
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Zweckmäßigerweise ist das Werkzeug
in x-, y- und z-Richtung manövrierbar,
wobei die x- und y-Richtungen vorzugsweise eine zweidimensionale Ebene
repräsentieren,
die im Wesentlichen parallel oder tangential zur Oberfläche liegt,
während
die z-Richtung normal
auf der x-y-Achse steht.
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Das Werkzeug wird vorzugsweise in
einer x-y-Ebene im Wesentlichen parallel oder tangential zur Oberfläche gehalten
und in z-Richtung von der Oberfläche
weg oder auf diese hin bewegt. Vorzugsweise wird das Werkzeug vor
der Benutzung derart normalisiert, dass im Betrieb seine Wirkungslinie
normal zur Oberfläche
verläuft.
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Nach Berechnung der zweidimensionalen Koordinaten
des Mittelpunktes des projizierten Bildes relativ zum Werkzeug sendet
der Prozessor ein Signal aus, um das Werkzeug zu veranlassen, sich
in der x-y-Ebene so zu bewegen, dass er an den gleichen x-y-Koordinaten
zu liegen kommt wie der Mittelpunkt des projizierten Bildes. Die
Bewegung des Werkzeugs in der x-y-Ebene wird vorzugsweise durch
einen Servomotor bewirkt. Zweckmäßigerweise
steuert ein Servomotor die Bewegung in der x-Richtung, und ein Motor
steuert die Bewegung in y-Richtung.
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Die Servomotoren werden vorzugsweise durch
ein Bewegungssteuerglied gesteuert, das Bewegungs-Befehlsinstruktionen
vom Prozessor empfängt.
Der Prozessor bestimmt, wie das Werkzeug sich in x- und y-Richtung
bewegen muss, damit es die gleichen x- und y-Koordinaten wie der
Mittelpunkt des Bildes erhält,
und dann bewirkt das Bewegungssteuerglied eine Betätigung der
Servomotoren, um diese Bewegung zu erzielen.
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Eine Rückführung von den Servomotoren
ermöglicht
es dem Benutzer zu bestätigen,
dass das Werkzeug sich in die erforderliche x-y-Richtung bewegt
hat.
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Wenn sich das Werkzeug in der erforderlichen
x-y-Stellung befindet, dann wird das Werkzeug automatisch in z-Richtung
versetzt und in die Lage gebracht, die entsprechende Arbeit durchzuführen.
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Die Bewegung des Werkzeugs in z-Richtung kann
beispielsweise durch einen Pneumatikzylinder oder einen Servomotor
bewirkt werden. Die Bewegungs-Geschwindigkeit
in z-Richtung des Werkzeugs wird vorzugsweise durch eine einstellbare
Federdämpfungseinheit
gesteuert.
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Vorzugsweise wird die Plattform durch
den Benutzer lösbar
an der Oberfläche
befestigt, bevor die Herstellung durchgeführt wird.
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Nach der Projektion eines Bildes
auf der Oberfläche
kann der Benutzer die Plattform benachbart zum projizierten Bild
positionieren. Der Benutzer überprüft dann,
ob die Plattform richtig positioniert ist. Diese Überprüfung kann
unter Benutzung von Normalisierungssensoren stattfinden. Vorzugsweise
wird das Werkzeug an einer Bearbeitung gehindert, wenn der Normalisierungssensor
anzeigt, dass die Plattform nicht richtig positioniert ist. Die
Normalisierungssensoren können
die Bewegung der einstellbaren Füße steuern,
um zu gewährleisten,
dass die Plattform stabil gegenüber
der Oberfläche
ist und um die Orientierung der Plattform zu ändern.
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Stattdessen kann der Benutzer manuell
die Bewegung der einstellbaren Füße steuern.
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Vor der Bearbeitung wird das Mikro-Positionierungssystem
vorzugsweise so geeicht, dass die x-y-Koordinaten innerhalb des
Sichtfeldes des Strahlungsdetektors mit der x-y-Position des Werkzeugs verbunden
sind. Dies ermöglicht
dem Prozessor, nachdem die x-y-Koordinaten des Bildes innerhalb des
Sichtfeldes des Strahlungsdetektors bestimmt wurden, die Entfernung
zu ermitteln, die das Werkzeug benötigt, um sich in x- und y-Richtung
zu bewegen, um zu den gleichen x-y-Koordinaten wie das Bild zu gelangen.
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Vorzugsweise kann der Benutzer nach
einem Herstellungsschritt visuell das Arbeitsergebnis am Monitor
inspizieren, weil der Monitor ein Bild der Oberfläche von
einer Kamera empfängt,
die benachbart zum Werkzeug angeordnet ist.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Mikro-Positionierungseinheit, die einen Teil
des Systems bildet;
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3 zeigt
eine Grundrissansicht eines Teils des Systems;
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines Teils des in 2 dargestellten
Systems;
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5 zeigt
ein durch das System projiziertes Bild.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Mikro-Positionierungssystems 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Eine Mikro-Positionierungseinheit 3 befindet
sich auf einer Oberfläche 5.
Die Oberfläche 5 ist
eine gekürmmte
Flugzeug-Beplankungstafel zur
Anpassung an das Rumpfprofil, wobei der Krümmungsradius 2 m beträgt. Die
Mikro-Positionierungseinheit umfasst eine bewegliche Stufe 7,
die auf einer Plattform 9 montiert ist. Die Plattform 9 besitzt
Vakuum-Saugteller 11, die an der Unterseite angeordnet sind,
um die Plattform 9 lösbar
auf der Oberfläche 5 zu
befestigen. Ein Werkzeughalter 13 ist auf der beweglichen
Stufe 7 angeordnet. Ein Werkzeug 15 wird vom Werkzeughalter 13 gehalten.
Eine Kamera 17 und eine Lichtquelle 19 sind benachbart
zum Werkzeug 15 angeordnet, wobei die Lichtquelle 19 einen Strahl 21 auf
die Oberfläche 5 richtet.
Die bewegliche Stufe 7 ist durch einen x-Richtungs-Servomotor 23 und
einen y-Richtungs-Servomotor 25 beweglich, wobei die x-
und y-Richtungen im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegen wie
die bewegliche Stufe. Die Kamera 17 ist mit einem Monitor 27 und
einer Spannungsquelle 29 für die Kamera verbunden. Das Werkzeug 15 ist
an eine Werkzeug-Spannungsquelle 31 angeschlossen, und
die Mikro-Positionierungseinheit 3 ist an eine Spannungsquelle 33 angeschlossen.
Die Kamera 17 ist auch an einen Bildprozessor 35 angeschlossen,
der einen Teil einer Prozessoreinheit 37 bildet. Die Prozessoreinheit 37 umfasst
weiter einen Prozessor 39, eine Schalttafel 63 und
ein Bewegungssteuerglied 41. Das Bewegungssteuerglied steuert
die x- und y-Richtung-Servomotoren 23 bzw. 25.
Die Schalttafel 63 trägt
den beispielsweise als Knopf 65 ausgebildeten Schalter
für den
Benutzer.
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Ein Laserprojektor 43 projiziert
einen Lichtstrahl 45 auf die Oberfläche 5 benachbart zu
der Mikro-Positionierungseinheit 3.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Mikro-Positionierungseinheit 3,
die auf der Oberfläche
einer Flugzeug-Beplankung 47 angeordnet ist. Der nicht
dargestellte Laserprojektor projiziert eine Reihe von drei Kreuzen 49, 51, 53 auf
der Beplankung 47. Die Mikro-Positioniervngseinheit wird
durch Vakuum-Saugteller 11 lösbar auf der Beplankung 47 gehalten.
Ein Bohrer 55 wird durch den Werkzeughalter 13 gehaltert,
und eine Kamera 17 ist benachbart zum Bohrer 55 montiert.
Ein Handgriff 57 ist auf der Mikro-Positionierungseinheit 3 angeordnet,
damit ein Benutzer die Einheit 3 leichter anheben kann.
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3 zeigt
eine Grundrissansicht der Mikro-Positionierungseinheit 3.
Die Einheit 3 besitzt vier Vakuum-Saugteller 11 an
ihrer Basis, um die Plattform 9 lösbar an einer Oberfläche festzulegen.
Die Einheit 3 besitzt Normalisierungssensoren 59 benachbart
zu den Vakuum-Saugtellern 11, um zu gewährleisten, dass die Plattform 9 und
die zugeordnete bewegliche Stufe 7 parallel oder tangential
gegenüber
einer Oberfläche
zu liegen kommen. Die Einheit 3 weist außerdem eine
Werkzeug-Steuereinrichtung 61 auf,
um die Bewegung eines im Werkzeughalter 13 gehalterten
Werkzeugs in z-Richtung zu steuern, und es ist eine bewegliche Stufe 7 vorgesehen,
um das Werkzeug in x- und y-Richtung zu bewegen. Die z-Richtung
ist im Wesentlichen normal zur Ebene der beweglichen Stufe.
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines Teils der Mikro-Positionierungseinheit 3 gemäß 2 und 3. Ein Bohrer 55 wird in einem
Werkzeughalter 13 gehaltert. Der Werkzeughalter 13 ist
auf einer beweglichen Stufe 7 montiert, die ihrerseits
auf einer Plattform 9 montiert ist. Werkzeug-Steuermittel 61 steuern
die Bewegung des Bohrers 55 in z-Richtung.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 wird das Mikro-Positionierungssystem 1 im
Betrieb in der Nähe
einer Oberfläche
positioniert, auf der ein Bearbeitungsvorgang oder ein Inspektionsvorgang
durchgeführt
werden soll. Die Oberfläche
ist vorzugsweise im Wesentlichen flach und kann einen Krümmungsradius
von 2 m oder mehr aufweisen. Bei diesem Beispiel ist die Oberfläche eine
Flugzeugbeplankung 47. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
das einstellbare Füße benutzt,
kann der Krümmungsradius
wesentlich kleiner als 2 m sein.
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Der Laserprojektor 43 projiziert
einen Strahl 45 in Form eines Kreuzes 49 auf die
Flugzeugbeplankung 47. Die Flugzeugbeplankung 47 wird
in einer Montagevorrichtung (nicht dargestellt) gehaltert, die so
gegenüber
einem Bezugspunkt angeordnet wurde, dass eine präzise Position der Beplankung
gegenüber
dem Laserprojektor bekannt ist, und so wird das Kreuz 49 auf
die genaue Stelle der Beplankung 47 projiziert, die angebohrt
werden muss. Der Laserprojektor kann mehrere Kreuze in Form einer
Bohrschablone auf die Beplankung 47 richten, wenn mehrere
Bohroperationen erforderlich sind. Der Laserprojektor 43 entnimmt
seine Bohrschablone dem CAD-Modell der Flugzeugbeplankung 47.
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Der Benutzer kann dann manuell die
Mikro-Positionierungseinheit 3 in der Nähe eines projizierten Kreuzes 49 anordnen
und benutzt die Normalisierungssensoren 59, um zu gewärleisten,
dass die Mikro-Positionierungseinheit 3 so angeordnet ist, dass
die bewegliche Stufe 7 im Wesentlichen parallel oder tangential
zur Flugzeugbeplankung 47 liegt. Das Kreuz 49 sollte
innerhalb des Sichtfeldes der Kamera 17 liegen. Eine Lichtquelle 19,
beispielsweise eine kleine Stableuchte, ist benachbart zur Kamera 17 angeordnet
und so justiert, dass das Licht 21 auf die Beplankung 47 gerichtet
wird, um das Sichtfeld der Kamera 17 anzuzeigen. Der Benutzer
kann dann deutlich sehen, ob das Kreuz 49 innerhalb des
Sichtfeldes der Kamera 17 liegt.
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Den Normalisierungssensoren 59 der
Mikro-Positionierungseinheit 3 ist ein grünes Licht
und ein rotes Licht zugeordnet. Wenn die Normalisierungssensoren 59 anzeigen,
dass die Einheit nicht richtig positioniert ist, dann leuchtet das
rote Licht auf und der Benutzer wird daran gehindert, den Bohrer 55 in
z-Richtung zu bewegen. Der Benutzer muss dann die Einheit einstellen,
bis das grüne
Licht aufleuchtet, was andeutet, dass die Einheit 3 genau
positioniert ist.
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Die Einheit 3 wird dann
lösbar
unter Benutzung von Vakuum-Saugtellern 11 auf der Plattform 9 der
Einheit 3 an der Beplankung 47 festgelegt. Das Vakuum
wird dadurch aktiviert, dass der Benutzer einen in der Zeichnung
nicht dargestellten Knopf der Einheit 3 drückt.
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Der Benutzer ist in der Lage, das
Sichtfeld der Kamera auf der Beplankung 47 auf dem Monitor 27 zu überprüfen, der
Bilder von der Kamera 17 empfängt. Wenn der Benutzer mit
der Positionierung der Mikro-Positionierungeinheit 3 Glück hat,
dann aktiviert er den Bohrprozess durch Niederdrücken eines Knopfes 65,
der an der Schalttafel 63 der Prozessoreinheit angeordnet
ist. Die Kamera 17 fängt
dann ein Bild des Kreuzes 49 auf der Beplankung 47 auf,
und der Bildprozessor 35 identifiziert das Kreuz 49 und berechnet
seinen Mittelpunkt. Diese Technik wird weiter unter Benzugnahme
auf 5 beschrieben.
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Der Prozessor 39 berechnet
dann die relative Position des Mittelpunktes des Kreuzes 49 in
Bezug auf den Bohrer 55 und berechnet den Abstand, um den
sich der Bohrer 55 in x- und in y-Richtung bewegen muss,
um die gleichen x- und y-Koordinaten wie
der Mittelpunkt des Kreuzes 49 anzunehmen. Der Prozessor 39 übermittelt
diese Information dem Bewegungs-Steuergerät 41, das die Arbeitsweise der
x- und y-Richtungs-Servomotoren 23, 25 steuert, die
die bewegliche Stufe 7 verschieben.
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Vor Benutzung des Mikro-Positionierungssystems 1 wird
das Werkzeug 15 im Werkzeughalter 13 so angeordnet,
dass das Werkzeug 15 normal zur Oberfläche der Beplankung 47 steht,
wenn die Plattform 9 und die zugeordnete bewegliche Stufe 7 im Wesentlichen
parallel oder tangential zur Oberfläche der Beplankung 47 verlaufen.
Die Normalisierungssensoren 49, die anzeigen, ob die Plattform 9 im Wesentlichen
parallel oder tangential zur Oberfläche liegt, zeigen auch an,
ob das Werkzeug 15 normal zu der Oberfläche steht. Der Werkzeughalter 13 wird
auf der beweglichen Stufe 7 montiert und kann einen streckbaren
Arm aufweisen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
hat der Werkzeughalter 13 keinen ausstreckbaren Arm.
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Die Servomotoren 23, 25 bewegen
die bewegliche Stufe 7, bis die Bohrerspitze an den gleichen
x-y-Koordinaten liegt wie der Mittelpunkt des Kreuzes 49.
Der Bohrer 55 kann dann automatisch gestartet und in z-Richtung
bewegt werden, um ein Loch in die Beplankung 47 über den
Mittelpunkt des Kreuzes 49 einzubohren. Der Bohrer 55 wird
dann zurückgezogen,
so dass die Kamera 17 ein Echtzeitbild des Kreuzes und
der Bohrung auf dem Monitor 27 erzeugen kann. Der Benutzer
kann dann das Loch unter Benutzung des Monitors 27 untersuchen,
um zu bestätigen,
dass das Loch an der richtigen Stelle eingebohrt wurde.
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5 zeigt
das Sichtfeld 71 der Kamera 17. Ein Kreuz 49 wird
vom Laserprojektor 43 auf eine Oberfläche projiziert. Das Kreuz hat
einen Mittelpunkt 73. Die Kamera 17 benutzt ein
Feld von ladungsgekoppelten Elementen (CCDs), die eine Ladung erzeugen,
die proportional dem darauffallenden Licht ist. Das Feld kann linear
oder rechteckig sein. Die Ladung von jedem Element des Feldes wird
benutzt, um ein Bild 75 aufzubauen, das aus zahlreichen
Pixeln 79, 81 besteht, wobei jedes CCD-Element einem Pixel
entspricht. Die Intensität
eines jeden Pixel entspricht der Änderung, die durch das entsprechende
CCD-Element erzeugt wurde. Ein Monitor 27 wird benutzt,
um das Bild darzustellen, damit der Benutzer überprüfen kann, ob das Kreuz 49 an der
richtigen Stelle befindlich ist. Das Bild 75 entspricht dem Sichtfeld 71 der
Kamera 17.
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Wenn ein projiziertes Kreuz auf einem
Abschnitt der Oberfläche
vorhanden ist, dann empfangen jene CCD-Elemente, die an jenem Abschnitt
der Oberfläche
liegen, eine höhere
Beleuchtung als jene CCD-Elemente, die auf Abschnitte der Oberfläche gerichtet
sind, auf denen kein Kreuz projiziert ist. Die CCD-Elemente, die
eine Beleuchtung von dem projizierten Kreuz empfangen, erzeugen
einen höheren Ladungsausgang
als jene, die keine Beleuchtung empfangen, und so besteht das entsprechende
Bild 75 aus Pixeln größerer Intensität 79 und
Pixeln geringerer Intensität 81,
wobei die Pixel größerer Intensität ein Bild
des Kreuzes 77 bilden. Die Pixel 79, 83 an den
Enden des abgebildeten Kreuzes 77 haben eine geringere
Intensität
als jene Pixel, die der Mitte des Bildes des Kreuzes 85, 87 näher liegen,
da die CCD-Elemente, die auf die Enden des projizierten Kreuzes
gerichtet sind, nicht so viel Beleuchtung empfangen wie jene, die
auf die Mitte des projizierten Kreuzes gerichtet sind.
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Das Bild 75 wird durch den
Bildprozessor 35 bearbeitet. Das Bild 75 kann
so verarbeitet werden, dass verschiedene Merkmale, beispielsweise
Bereiche gleicher Intensität,
beispielsweise ein Lichtfleck, identifiziert werden oder Änderungen
in der Intensität,
beispielsweise ein Rand eines projizierten Kennzeichens.
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Der Bildverarbeitungs-Algorithmus,
der zur Identifizierung und Lokalisierung des Mittelpunktes des
projizierten Kreuzes benutzt wird, ist wie folgt:
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- a) Das Bild 75 ist der "Schwellwert",
um nur jene Pixel über
einer bestimmten Intensität
beizubehalten. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach 5 wäre der Intensitäts-Schwellwert
so einzustellen, dass die Pixel 81 niedriger Intensität und jene
Pixel an den Enden des Bildes des Kreuzes eliminiert werden.
- b) Benachbarte Pixel über
dem Schwellwert werden verbunden, um einen Klumpen oder Flecken
zu bilden.
- c) Eine Begrenzung wird um jeden Flecken herum definiert.
- d) Eine Reihe von Statistiken wird für jeden Flecken berechnet,
einschließlich
dem
Mittelpunkt
dem Schwerpunkt
der Größe
- e) Alle Flecken unter einer vorbestimten Größe werden ausgemerzt.
- f) Der größte Flecken
wird als Detektorkennzeichen gewählt.
- g) Die Begrenzung wird auf 20% geschrumpft.
- h) Der Schwerpunkt längs
jedes Randes der Begrenzung wird festgelegt.
- i) Zwei durch den Schwerpunkt laufende Linien werden konstruiert
und es wird ihr Schnittpunkt bestimmt.
- j) Der Schnittpunkt der x-y-Koordinaten wird dem Prozessor 39 mitgeteilt,
der dann diese Position relativ zu der Position des Bohrers berechnet,
und diese Information wird durch das Bewegungs-Steuergerät 41 benutzt,
um die x-y-Servomotoren 23, 25 zu
steuern, die körperlich
den Bohrer 55 auf die gleichen x-y-Koordinaten einstellen wie der Schnittpunkt.
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Der Laserprojektor kann auch andere
Kennzeichen als Kreuze projizieren, beispielsweise kreisrunde und
elliptische Flecken. In diesem Fall folgt der Bildverarbeitungs-Algorithmus
einem gleichen Prozess wie oben für das Kreuz beschrieben, und
zwar bis zu dem Schritt f) und einschließlich diesem Schritt, aber
dann werden die x-y-Koordinaten des Schwerpunktes des größten Fleckens
bestimmt, und diese x-y-Koordinaten werden dem Prozessor übermittelt.
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Die Bildverarbeitung kann sehr viel
leichter und genauer durch eine sorgfältige Einstellung der Umgebung
durchgeführt
werden, um das Bild zu verbessern und die Analyse zu vereinfachen.
Dies kann durch Steuerung beispielsweise der Beleuchtung unterstützt werden,
um zu gewährleisten,
dass die Beleuchtung über
der Oberfläche
konstant und ohne Reflexionen oder Schatten ist und eine vernünftige Differenz
in der Intensität
zwischen dem projizierten Kennzeichen und der Hintergrundbeleuchtung
besteht. Es ist auch wichtig, einen Bezug für den zu bearbeitenden Gegenstand
oder zu inspizierenden Gegenstand vorzusehen und die Position des
Gegenstandes gegenüber
der Strahlungsquelle festzulegen, bevor die Erfindung benutzt wird,
da das Kennzeichen auf den richtigen Teil einer Oberfläche projiziert
werden muss. Auch der Abstand zwischen der Kamera und dem Gegenstand
muss bekannt sein, um die Skalierung zu erfassen, und die Position
des Bohrers gegenüber
dem Sichtfeld der Kamera muss auch bekannt sein. Eine Verbindung
mit dem CAD-Modell des Gegenstandes kann benutzt werden, um den
Inhalt des Bildes auf den Gegenstand zu beziehen. Der Gegenstand
kann auf einem Werktisch aufgespannt werden, und seine Lage relativ
zur Strahlungsquelle kann unter Benutzung bekannter Positionierungstechniken
bestimmt werden, bevor das Bild projiziert wird, wodurch die Notwendigkeit nach
Werkstück-Aufspannvorrichtungen
vermindert wird.
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Verschiedene Modifikationen des oben
beschriebenen Systems ergeben sich für den Fachmann von selbst,
beispielsweise die Benutzung verschiedener Herstellungs- oder Inspektionswerkzeuge,
die in Verbindung mit dem Mikro-Positionierungssystem
benutzbar sind, beispielsweise Sonden oder andere Werkzeuge, die
bei der zerstörungsfreien Prüfung benutzt
werden. Die Adaption des Systems an eine Identifizierung der Position
in z-Richtung und in x- und y-Richtung kann auch durch Benutzung
von zwei Kameras erreicht werden. Auch kann die Basis der Mikro-Positionierungseinheit
Räder oder
Lenkrollen aufweisen, um die Positionierung zu unterstützen, und
es können
einstellbare Füße vorgesehen werden,
um eine verbesserte Arbeitsweise auf gekrümmten Oberflächen zu
ermöglichen,
und es können
Mittel anstelle der Vakuum-Saugteller vorgesehen werden, um die
Einheit lösbar
auf der Oberfläche zu
halten, und so können
z. B. Klemmen oder elektromagnetische Halterungen vorgesehen werden.