DE60004692T2 - Mikropositionierungssystem - Google Patents

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DE60004692T2
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micro
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DE60004692T
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Anthony James Preston DOUGLAS
Paul Edward Preston JARVIS
William Kevin BEGGS
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BAE Systems PLC
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    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00Programme-control systems
    • G05B19/02Programme-control systems electric
    • G05B19/18Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/401Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Fertigung und insbesondere auf die Positionierung von Werkzeugen zum Durchführen der Fertigung oder zur Inspektion.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Bildverarbeitungssystem besteht vorzugsweise aus einem Video-Digitizer zur Digitalisierung des Bildes und einem Computer zur Verarbeitung des Bildes.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Prozessor benutzt zweckmäßigerweise Daten, die vom Bildverarbeitungssystem erlangt werden, um die Stelle auf dem Bild gegenüber der Lage des Werkzeugs zu bestimmen.
  • Die Steuermittel können einen Servomotor und ein Bewegungssteuerglied aufweisen.
  • 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.
  • Das Bewegungssteuerglied steuert vorzugsweise die Bewegung der beweglichen Stufe wenigstens in x- und in y-Richtung.
  • 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.
  • Der Prozessor kommuniziert mit den Steuermitteln.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist vorzugsweise an der Plattform ein Handgriff vorgesehen, um es dem Benutzer zu ermöglichen, die Plattform auf der zu bohrenden Oberfläche zu positionieren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Rückführung von den Servomotoren ermöglicht es dem Benutzer zu bestätigen, dass das Werkzeug sich in die erforderliche x-y-Richtung bewegt hat.
  • 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise wird die Plattform durch den Benutzer lösbar an der Oberfläche befestigt, bevor die Herstellung durchgeführt wird.
  • 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.
  • Stattdessen kann der Benutzer manuell die Bewegung der einstellbaren Füße steuern.
  • 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.
  • 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.
  • Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
  • 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Mikro-Positionierungseinheit, die einen Teil des Systems bildet;
  • 3 zeigt eine Grundrissansicht eines Teils des Systems;
  • 4 zeigt eine Seitenansicht eines Teils des in 2 dargestellten Systems;
  • 5 zeigt ein durch das System projiziertes Bild.
  • 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.
  • Ein Laserprojektor 43 projiziert einen Lichtstrahl 45 auf die Oberfläche 5 benachbart zu der Mikro-Positionierungseinheit 3.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Bildverarbeitungs-Algorithmus, der zur Identifizierung und Lokalisierung des Mittelpunktes des projizierten Kreuzes benutzt wird, ist wie folgt:
    • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (24)

  1. Mikro-Positionierungssystem (1) zur Durchführung einer Bearbeitung oder Inspektion eines Werkstücks, wobei das System die folgenden Teile aufweist: eine Strahlungsquelle (43) zur Projektion eines Bildes (49); einen Strahlungsdetektor (17) zum Detektieren des projizierten Bildes (49); Werkzeug-Führungsmittel (7), die ein Werkzeug (15) tragen, das eine Bearbeitung oder Inspektion durchführen soll; einen Prozessor (37) zur Berechnung von wenigstens zweidimensionalen Koordinaten des projizierten Bildes (49), das vom Strahlungsdetektor (17) relativ zum Werkzeug (15) detektiert wurde, und Steuermittel (41) zur Steuerung der Werkzeug-Führungsmittel (7) derart, dass das Werkzeug (15) in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung zu dem projizierten Bild (49) gemäß einem Signal von dem Prozessor (37) positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (43) das Bild auf einer Oberfläche (5) des Gegenstandes abbildet, dass das Bild (49) Teil einer Herstellungsschablone ist, die direkt von einem CAD-Modell des Gegenstandes abgenommen wird und dass das Bild (49) eine vorbestimmte Position auf der Oberfläche (5) des Gegenstandes repräsentiert, wo eine Bearbeitung oder Inspektion durchgeführt werden soll.
  2. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der Strahlungsdetektor aus einer Kamera (17) und einem Bildverarbeitungssystem (37) besteht.
  3. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 2, bei welchem die Kamera (17) ein Feld aus ladungsgekoppelten Elementen (CCDs) aufweist.
  4. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welchem das Bildverarbeitungssystem (37) einen Video-Digitizer aufweist, um das Bild (49) zu digitalisieren und bei welchem ein Computer (39) vorgesehen ist, um das Bild (49) zu verarbeiten.
  5. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 4, bei welchem das Bild (49) durch den Computer (39) verarbeitet wird, um Kennzeichen zu identifizieren, beispielsweise Bereiche gleicher Intensität oder Änderungen in der Intensität.
  6. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 5, bei welchem das Bild (49) durch den Computer (39) bearbeitet wird, um den Mittelpunkt (73) des Bildes zu lokalisieren.
  7. Mikro-Positionierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Werkzeug-Führungsmittel einen Werkzeughalter (13) aufweisen, der auf einer beweglichen Stufe (7) montiert ist.
  8. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 7, bei welchem die bewegliche Stufe (7) auf einer Plattform (9) montiert ist.
  9. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 8, bei welchem die Plattform (9) Befestigungsmittel (11) aufweist, mit der die Plattform (9) lösbar auf der Oberfläche (5) festlegbar ist.
  10. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei welchem die Plattform (9) einen oder mehrere einstellbare Füße (11) aufweist, um den Abstand zwischen der Oberfläche (5) und der Plattform (9) einzustellen.
  11. Mikro-Positionierungssystem nach den Ansprüchen 7 bis 10, bei welchem der Werkzeughalter (13) relativ zu der beweglichen Stufe (7) bewegbar ist.
  12. Mikro-Positionierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Mikro-Positionierungssystem Normalisierungsmittel (59) aufweist, um zu überprüfen, ob das Werkzeug (15) im Wesentlichen normal zur Oberfläche (5) steht, bevor ein Bearbeitungsvorgang durchgeführt wird.
  13. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 12, bei welchem die Normalisierungsmittel (59) automatisch einen oder mehrere der einstellbaren Füße (11) steuern.
  14. Mikro-Positionierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Prozessor (37) Daten benutzt, die von einem Bildverarbeitungssystem abgenommen wurden, um die Lage des Bildes (49) gegenüber der Position des Werkzeugs zu bestimmen.
  15. Mikro-Positionierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Steuermittel ein Bewegungssteuerglied (41) aufweisen, um die Bewegung der Werkzeug-Führungsmittel (7) zu steuern.
  16. Mikro-Positionierungssystem nach Anspruch 15, bei welchem die Steuermittel außerdem einen Servomotor (23, 25) aufweisen.
  17. Mikro-Positionierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Werkzeug-Führungsmittel (7) einen streckbaren Arm aufweisen, um ein Werkzeug zu haltern.
  18. Verfahren zur genauen Positionierung von Werkzeugen, welches wenigstens die folgenden Schritte umfasst: es wird ein Bild (49) projiziert; es wird das projizierte Bild (49) detektiert; es wird das projizierte Bild (49) verarbeitet; es werden wenigstens zweidimensionale Koordinaten des projizierten Bildes (49) relativ zum Werkzeug (15) berechnet, um den Herstellungs- oder Inspektionsvorgang durchführen zu können, und es wird das Werkzeug (15) so bewegt, dass es in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gegenüber dem projizierten Bild (49) positioniert wird, gekennzeichnet durch die Projektion des Bildes (49) auf die Oberfläche (5) eines Gegenstandes, wobei das Bild (49) ein Teil einer Herstellungsschablone ist, die direkt aus einem CAD-Modell (49) des Gegenstandes abgeleitet wird und wobei das Bild eine vorbestimmte Position auf der Oberfläche (5) des Gegenstandes repräsentiert, wo eine Bearbeitung oder Inspektion durchzuführen ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem die präsize Lokalisierung des Gegenstandes relativ zur Strahlungsquelle durch bekannte Positionierungstechniken bestimmt wird, bevor das Bild (49) auf die Oberfläche (5) des Gegenstandes projiziert wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19, bei welchem das Werkzeug (15) vor der Benutzung derart normalisiert wird, dass im Betrieb seine Wirkungslinie normal zur Oberfläche (5) verläuft.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei welchem der Mittelpunkt (73) des projizierten Bildes (49) während der Verarbeitung des projizierten Bildes (49) lokalisiert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem die zweidimensionalen Koordinaten des Mittelpunktes des projizierten Bildes (49) relativ zum Werkzeug durch einen Prozessor (35) berechnet werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem der Prozessor (35) dem Bewegungs-Steuergerät (41) ein Signal übermittelt, um das Werkzeug (15) zu veranlassen, sich so zu bewegen, dass es auf den gleichen zweidimensionalen Koordinaten zu liegen kommt wie der Mittelpunkt (73) des projizierten Bildes (49).
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem das Bewegungs-Steuergerät einen Servomotor (23, 25) betätigt, um das Werkzeug (15) zu bewegen.
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