EP3794417A1 - Verfahren zur ermittlung der konturtreue einer kinematischen baugruppe - Google Patents

Verfahren zur ermittlung der konturtreue einer kinematischen baugruppe

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Publication number
EP3794417A1
EP3794417A1 EP19724436.1A EP19724436A EP3794417A1 EP 3794417 A1 EP3794417 A1 EP 3794417A1 EP 19724436 A EP19724436 A EP 19724436A EP 3794417 A1 EP3794417 A1 EP 3794417A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contour
kinematic assembly
individual images
determined
end effector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19724436.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Scharfenberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP3794417A1 publication Critical patent/EP3794417A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Program-control systems
    • G05B19/02—Program-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical 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 program data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical 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 program data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4069—Simulating machining process on screen
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35349—Display part, programmed locus and tool path, traject, dynamic locus
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/35—Nc in input of data, input till input file format
    • G05B2219/35353—While machining compare real path with simulated, command path, contour display

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the contour accuracy of a kinematic assembly. Furthermore, the invention relates to a detection device, which can be arranged on a kinematic assembly, in particular mountable, is.
  • Object of the present invention is to provide a method, a device with which the contour accuracy of a kinematic assembly also detected during operation of the kinematic assembly and determines who can
  • This object is achieved according to the invention by a method for determining the contour accuracy of a kinematic assembly with the following steps: a. Moving an end effector associated with a Tool Center Point ⁇ TCP), a kinematic assembly along a specified solontic contour,
  • a kinematic assembly for example, machine tools and / or industrial robots can be understood. These are often made up of several axles arranged one behind the other, from which Each of them can have its own drive and its own control, regulation and measuring system.
  • a kinematic subassembly can comprise a kinematic chain of links with rotational and / or translational joints, which makes it possible to perform a predetermined movement for the individual axes in cooperation with drive and mechanical transmission elements.
  • a kinematic chain may comprise an assembly which is responsible only for the drive in a movement axis, and a second construction 1 0 group with a different axis of movement sets in motion. It can connect more modules until the desired overall movement is achieved.
  • a kinematic subassembly within the meaning of the invention can therefore be an is subassembly which has at least two axes with associated drives which can move an end effector in the plane or in space by means of downstream or superimposed movement.
  • a kinematic subassembly can also draw a parallel kinematics in which parallel motion axes are present.
  • a (parallel) rod kinematics works by changing the distances of points of a moving object (tool) to front Finished fixed points in the room.
  • the spatial position and position of a moving object is not described by a vector-based coordinate system, but by the distances between object-space-point pairs.
  • Accurate positioning is achieved via the change in length of a plurality of telescopic arms, which are all anchored at one end in a mutually immovable position and at the other end with the object to be positioned, in particular the end effector.
  • An end effector may be the last element of a kinematic chain or kinematic assembly. This may be, for example, a unit for welding or a gripper. In particular, the end effector may be a tool for workpiece machining.
  • the Tool Center Point is the tool working point.
  • a contour can be applied to a workpiece.
  • the desired contour on the workpiece can be torn, engraved, cut or welded.
  • the nominal contour should be suitable for this purpose and clearly visible in the camera image.
  • a laser-engraved in a workpiece target contour has resulted.
  • the nominal contour can be added to the kinematic assembly. (the term is "teaching"), which can be done online or offline.
  • the following parameters may be determined: average track spacing, mean track swept area, mean track orientation deviation, center track orientation sweep, mean track radius difference when traveling circular paths, mean corner errors, and / or mean overshoot errors.
  • data can be ascertained which, for B. according to VDI 2861 can be evaluated.
  • the overall image and / or a film is displayed from at least some individual images.
  • the nominal contour and the markings can be displayed.
  • the overall picture can be created by matching and connecting each frame with its neighboring pictures. If the individual images are displayed as a movie, it can be slowed down, ie played in slow motion. This makes it possible to record a "slow motion" analysis of the path traveled by the kinematic module in comparison to the target contour, so that the movement can be clearly visualized.
  • an actual contour can be created or the markings can represent an actual contour and the actual contour can be compared with the nominal contour.
  • a deviation of the actual contour from the nominal contour can be determined, in particular by determining a number of pixels between the nominal contour and the actual contour and a pixel pitch at one or more locations.
  • the contour accuracy can be determined at any point.
  • the contour fidelity at any point can z.
  • B. be the number of pixels between the desired contour and the actual contour.
  • a pixel pitch is understood as a distance per pixel. For example, a pixel pitch may be seven microns per pixel.
  • the evaluation of contoured eggs can be done automatically, for example by way of image processing, or with the naked eye.
  • contour fidelity in "full speed.” Furthermore, it is suitable to determine the contour accuracy at random contours, not only on standard contours, but in particular on free-form geometries
  • the method according to the invention provides images and films of the nominal contour and the actual contour
  • the information on the contour accuracy can be supplemented by tool information, such as the cutter radius or beam diameter, for example
  • tool information such as the cutter radius or beam diameter, for example
  • the overall image with the markings can be at least partially reduced in its information content, for example, the contrasts for all colors except a certain color can be lowered Markie easier to recognize.
  • a binarization can take place. During the binarization, only the nominal contour and the actual contour remain for analysis. The original image (overall picture) with all its shades of gray is ignored during the evaluation. The original image can be overlaid afterwards for reasons of clarity.
  • the binarization facilitates the analysis and, in particular, the determination of the contour accuracy in an automated image processing method.
  • the speed at which the end effector is moved along the desired contour can be determined.
  • the speed can be determined by detecting the distance of the markers and analyzing them with knowledge of the images taken per second. In this way, the maximum speed of the kinematic assembly can be determined, which still leads to an acceptable contour accuracy.
  • a relationship between the processing time and the contour accuracy can be determined.
  • At least the steps a. - e. can be performed for several different dynamic parameters, such as speed of the end effector, acceleration of the end effector, weight of the kinematic assembly. Any combination of dynamic parameters can be set and examined without having to sacrifice a workpiece. The costs for determining parameter combinations are thereby reduced.
  • the right parameter combination is included in particular a balance between speed, service life and part tolerances corresponding contour accuracy.
  • the particular advantage of the method according to the invention lies in the fact that only a single desired contour and thus only a single workpiece are required in order to carry out different analyzes. The workpiece is not destroyed every time a nominal contour is traveled with the kinematic module. Furthermore, no laser beams or other Messmit tel except a camera necessary to determine the contour accuracy.
  • the desired contour can be "taught” online or offline to the kinematic module, ie it can also be programmed, It is also conceivable that the desired contour is detected while the end effector is moved along the desired contour Target contour while it is traversed by the kinematic assembly, be detected by another camera,
  • the scope of the invention also includes a computer-implemented method which comprises at least some steps of the method according to the invention, in particular steps c. e and the method steps specified in the subclaims.
  • the inven tion includes a computer program product comprising commands that cause in the imple mentation of the computer program product by a computer this, at least some steps of the method according to the invention, in particular the method steps c. - e. and the method steps specified in the subclaims.
  • a detection device which can be arranged on a kinematic assembly, in particular mountable, comprising an image pickup device which is adapted to record more than 100 frames per second, a memory device for storing the captured frames and a first illumination device
  • the image recording device can be designed in particular as a gigabit Ethernet grayscale camera.
  • the end effector is a laser head
  • the camera can be directed through the aperture of the laser head onto the workpiece. It is particularly preferred when the image pickup device is set up more than 200 frames per second is preferable to take more than 300 frames per second.
  • the pictures can be taken at a resolution of at least 640 x 480 pixels.
  • the camera can be set up to take pictures at different optical resolutions.
  • the camera may be configured to take pictures at a resolution in the range of 1 - 20 microns per pixel, preferably at a resolution in the range of 2 - 15 microns per pixel. To achieve this resolution, additional units may be provided.
  • the first Beieuchtungs nails can be formed out of coaxial illumination.
  • the first illumination device can therefore be aligned coaxially with the tool used, z, B, a laser steel or face milling cutter. As a result, the workpiece is illuminated particularly well in the area of the TCP.
  • the spot lighting can be designed as a red Treasureiicht. It can serve to illuminate the workpiece, so that the exposure times of the individual camera images remain as short as possible and thus do not smear the individual image.
  • the detection device may be associated with an image processing device.
  • the image processing device can be part of the detection device or be arranged externally, for example in an external PC,
  • a Gigabit Ethernet camera can be configured to transmit 1000 megabits per second.
  • the detection device can furthermore have fastening points, so that one or more lasers, in particular line lasers, can be fastened.
  • the line lasers can be used to learn the nominal contour.
  • the detection means may comprise attachment points or attachment means such that additional weights may be attached to the detection means to simulate the weight of components of the kinematic assembly, for example to simulate the weight of a beamforming assembly.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a kinematic assembly
  • Fig. 2 is a schematic representation of a detection device
  • Figure 3 is a schematic representation of an overall picture
  • FIG. 4 shows a detail from FIG. 3
  • FIG. 5 shows the representation of FIG. 4 after a binary alignment
  • Fig. 6 is a diagram illustrating the contour accuracy on a
  • Fig. 7 is a representation to illustrate the speed of the kinematic assembly on a circle
  • the kinematic subassembly comprises a portal 11 which can be moved in the double arrow direction 12 relative to a frame 13 over a workpiece 14.
  • a carriage 16 is arranged, which can be moved in the double arrow 17.
  • a laser processing head 18 is arranged, which can be moved in double arrow 19 direction.
  • the end effector 20 By overlaying the movements of the portal 11, the carriage 16 and the laser processing head 18, the end effector 20 can be moved and positioned relative to the workpiece 14, the laser nozzle is the end effector 20.
  • a tool axis with a direction of movement in the double arrow 12 is realized.
  • a tool axis is realized with a direction of movement in the double arrow 17.
  • a tool axis in the direction of movement of the double arrow 19 is realized.
  • FIG. 1 also shows the following components of the machine tool 1: control device 3, workpiece support 5, focusing lens 7.
  • FIG. 2 shows a detection device 50 which can be arranged on a kinematic assembly 10.
  • the detection device 10 includes an image pickup device 51, a first and a second lighting treatment device 52, 53.
  • the first illumination device 52 is madebitdet as coaxial illumination and the secondvonseinrich device 53 is designed as a spotlight.
  • An attachment assembly 54 is provided for attaching additional weights. Except- an attachment point 55 is provided for attachment of a line laser 56,
  • An image processing device 57 which comprises a memory device 58, is assigned to the detection device 50, but is arranged externally.
  • FIG. 3 shows an overall image 70 which has been produced by assembling a number of individual images recorded by the image detection device 51.
  • the overall image 70 therefore represents a kind of mosaic. It shows a desired contour 71, which was brought to the kinematic assembly 10 and countered by the kinematic assembly 10 in the counterclockwise direction, which is indicated by the arrow 72. The position of the tool center point of the kinematic assembly 10 has been inserted into the overall image 70. This is on the basis of the enlarged depicting development of Figure 4, which shows the detail IV of Figure 3, visible. In the enlarged view of Figure 4 marks 75 can be seen, which are represented by crosshairs.
  • the markings 75 which represent the actual contour along which the end effector 20 has moved, have a spacing from the nominal contour 71.
  • the distance can be determined, for example, by determining the number of pixels between the nominal contour 71 and a marking 75.
  • the distance is preferably in a direction perpendicular to the desired contour 71st determined.
  • the representation of FIG. 4 can be binarized, which is shown in FIG. Only the nominal contour 71 and the markings 75 can be seen here, which simplifies the digitized evaluation by an image processing device.
  • the distance of the nominal contour 71 from the actual contour can be detected along the entire setpoint nominal contour 71. This is shown in FIG. In this case, the length of the nominal contour, in particular the circumference of the target contour 71 designed as a circle, is plotted on the horizontal axis. On the vertical axis, the distance in microns of the actual contour of the nominal contour is plotted. From the distance applied, the contour accuracy can be determined. The distance is represented by the curve 80. In the figure 7 is shown how the speed of the kinematic construction group 10 can be dargesteilt. On the horizontal axis of the circumference of the target contour 71 is applied. The vertical axis indicates the speed in millimeters per second. The speed of the kinematic assembly 10 is shown by the curve 85.
  • the speed can be determined, for example, by determining the distance between the individual markings 75. Knowing the image acquisition speed, ie the number of images taken per second and the determined distance between If the markings 75 show, the speed with which the end effector 20 has been moved along the solf contour 71 can be determined.

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Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer kinematischen Baugruppe (10) umfasst die Schritte: a. Bewegen eines Endeffektors (20), dem ein Tool Center Point (TCP) zugeordnet ist, einer kinematischen Baugruppe (10) entlang einer vorgegebenen Sollkontur (71), b. Aufnahme eines Bildstroms von Einzelbildern mittels einer sich mit der kinematischen Baugruppe (10) bewegenden Bildaufnahmevorrichtung (51) mit mehr als 100 Einzeibildern/s, c. Positionieren einer Markierung (75), insbesondere eines Fadenkreuzes, an einer vorbestimmten Position in zumindest einigen Einzelbildern zur Markierung der Position des TCP, d. Zusammenfügen zumindest einiger Einzelbilder zu einem Gesamtbild (70), e. Speichern des Gesamtbilds (70).

Description

Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer
kinematischen Baugruppe
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer kinematischen Baugruppe. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Erfas- sungseinrichtung, die an einer kinematischen Baugruppe anordenbar, Ins besondere montierbar, ist.
Die Bewertung, ob die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe für eine spezielle Aufgabe ausreichend ist, ist häufig schwierig. Die von den Herstellern der Baugruppen angegebenen Werte sind häufig allgemeine Angaben, die nur für spezielle Testszenarien zutreffen. In der Regel geben Hersteller nur Positioniergenauigkeiten an. Da Positioniergenauigkeiten jedoch bei Stillstand gemessen werden, können diese Zahlen nicht auf dreidimensionale dynamische Prozesse extrapoliert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe auch im Betrieb der kinematischen Baugruppe erfasst und bestimmt wer den können
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Er- mittlung der Konturtreue einer kinematischen Baugruppe mit den Schritten: a. Bewegen eines Endeffektors, dem ein Tool Center Point {TCP) zugeordnet ist, einer kinematischen Baugruppe entlang einer vorgegebe- nen Solikontur,
b. Aufnahme eines Bildstroms von Einzelbildern mittels einer sich mit der kinematischen Baugruppe bewegenden Bildaufnahmevorrichtung mit mehr als 100 Einzelbildern pro Sekunde,
c. Positionieren einer Markierung, insbesondere eines Fadenkreuzes, an einer vorbestimmten Position in zumindest einigen Einzelbildern zur Markierung der Position des TCP,
d. Zusammenfügen zumindest einiger Einzelbilder zu einem Gesamtbild,
e. Speichern des Gesamtbilds
Unter einer kinematischen Baugruppe können beispielsweise Werkzeug maschinen und/oder Industrieroboter verstanden werden. Diese sind hau- fig aus mehreren hintereinander angeordneten Achsen aufgebaut, von de- nen jede einen eigenen Antrieb und ein eigenes Steuer-, Regel- und Mess system haben kann. Insbesondere kann eine kinematische Baugruppe eine kinematische Kette von Gliedern mit rotatorischen und/oder translato- rischen Gelenken aufweisen, die es erlaubt, im Zusammenwirken mit An- s trieben und mechanischen Übertragungselementen für die einzelnen Achsen eine vorgegebene Bewegung auszuführen.
Eine kinematische Kette kann eine Baugruppe umfassen, die nur für den Antrieb in einer Bewegungsachse zuständig ist, und die eine zweite Bau- 10 gruppe mit einer anderen Bewegungsachse in Bewegung setzt. Es können sich weitere Baugruppen anschließen, bis die gewünschte Gesamtbewegung erreicht ist.
Eine kinematische Baugruppe im Sinne der Erfindung kann demnach eine is Baugruppe sein, die zumindest zwei Achsen mit zugehörigen Antrieben aufweist, die durch nachgeschaltete oder überlagerte Bewegung einen Endeffektor in der Ebene oder im Raum bewegen können.
Eine kinematische Baugruppe kann jedoch auch eine Parallelkinematik be- zo zeichnen, bei der parallel geschaltete Bewegungsachsen vorhanden sind.
Dadurch wird vermieden, dass ein Antrieb den Nächstfolgenden bewegen muss. Eine (parallele) Stabkinematik arbeitet über die Veränderung der Distanzen von Punkten eines beweglichen Objekts (Werkzeugs) zu vorde- finierten festen Punkten im Raum. Dabei wird die Raumposition und Lage eines beweglichen Objekts nicht anhand eines vektorbasierten Koordina tensystems beschrieben, sondern anhand der Distanzen zwischen Objekt- Raum-Punkt-Paaren. Eine genaue Positionierung wird über die Längenver- änderung von mehreren Teleskoparmen erreicht, welche alle an einem Ende in einer zueinander unbeweglichen Position verankert sind und an ihrem anderen Ende mit dem zu positionierenden Objekt, insbesondere dem Endeffektor. Ein Endeffektor kann das letzte Element einer kinematischen Kette oder einer kinematischen Baugruppe darstellen. Hierbei kann es sich beispiels weise um eine Einheit zum Schweißen oder um einen Greifer handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Endeffektor um ein Werkzeug für eine Werkstückbearbeitung handeln.
Unter dem Tool Center Point versteht man den Werkzeugarbeitspunkt.
Als Sollkontur kann eine Kontur auf einem Werkstück aufgebracht sein. Beispielsweise kann die Sollkontur auf dem Werkstück angerissen, gra- viert, geschnitten oder geschweißt sein. Dabei sollte die Sollkontur geeignet sein, im Kamerabild deutlich sichtbar dargestellt werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich eine in einem Werkstück lasergravierte Sollkontur ergeben. Die Sollkontur kann der kinematischen Baugruppe beige- bracht werden (der Fachbegriff ist„Teaching"). Dies kann online oder offline erfolgen.
Um die Konturtreue einer kinematischen Baugruppe zu erfassen, können beispielsweise die folgenden Parameter ermittelt werden: mittlerer Bahn abstand, mittlerer Bahnstreubereich, mittlere Bahnorientierungsabweichung, mittlerer Bahnorientierungsstreubereich, mittlere Bahnradiusdifferenz beim Fahren von Kreisbahnen, mittlere Eckenfehler und/oder mittlerer Überschwenkfehler. Insbesondere können durch das erfindungsgemä- ße Verfahren Daten ermittelt werden, die z. B. nach VDI 2861 ausgewertet werden können.
Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das Gesamtbild und/oder ein Film aus zumindest einigen Einzelbildern dargestellt wird. In dem Gesamtbild können die Sollkontur und die Markierungen dargestellt werden. Durch Vergleich der Sollkontur mit der positionierten Markierung kann ermittelt werden, mit welcher Genauigkeit der Endeffektor, insbesondere der TCP, der Sollkontur gefolgt ist. Daraus lässt sich die Konturtreue ableiten. Das Gesamtbild kann dadurch erzeugt werden, dass jedes Einzelbild mit seinen benachbarten Bildern abgeglichen und verbun- den wird. Werden die Einzelbilder als Film dargestellt, kann dieser verlangsamt, also in Zeitlupe, abgespielt werden. Dadurch ist eine„Slow Motion"-Analyse des von der kinematischen Baugruppe zurückgelegten Pfads im Vergleich zur Sollkontur erfassbar. Dadurch lässt sich die Bewegung anschaulich darstellen.
Aus den Markierungen des TCP kann eine Istkontur erstellt werden oder die Markierungen können eine Istkontur darstellen und die Istkontur kann mit der Sollkontur verglichen werden. Dabei kann eine Abweichung der Istkontur von der Sollkontur ermittelt werden, insbesondere, indem an einer oder mehreren Stellen eine Anzahl der Pixel zwischen der Sollkontur und der Istkontur und ein Pixelpitch bestimmt werden. Dadurch kann die Konturtreue an jedem beliebigen Punkt ermittelt werden. Die Konturtreue an jedem beliebigen Punkt kann z. B. die Pixelzahl zwischen der Sollkontur und der Istkontur sein. Als Pixelpitch wird dabei eine Entfernung pro Pixel verstanden. Beispielsweise kann ein Pixelpitch sieben Mikrometer pro Pixel betragen. Die Auswertung von Konturfehiern kann automatisch, beispielsweise im Wege einer Bildverarbeitung, oder mit dem bloßen Auge erfolgen. Somit lassen sich durch einfaches Pixelzählen oder automatische Bildauswertung Aussagen über die Konturtreue, Präzision, Wiederholgenauigkeit, mechanisches Spiel, Weichheit bzw. Steifigkeit, Eigenfrequenzen, Amplituden und Abklingzeiten sowie der erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten auf einer Kontur treffen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr viel anschaulicher als Verfahren des Standes der Technik. Es ist geeignet, die Konturtreue in„voller Fahrt" zu ermitteln. Weiterhin ist es geeignet, die Konturtreue an wahlfreien Kon- turen, also nicht nur an Standardkonturen, sondern insbesondere an Frei- formgeometrien, zu ermitteln. Weiterhin ist das Verfahren geeignet, die Konturtreue an sehr kleinen und sehr großen Konturen (im Vergleich zur Methode mit Messtastern) zu ermitteln. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert Bilder und Filme der Sollkontur und der Istkontur. Die Informatio- nen zur Konturtreue können durch Werkzeuginformationen ergänzt werden, wie beispielsweise den Fräserradius oder Strahldurchmesser eines Werkzeugs, um eine realistische Einschätzung der tatsächlich entstehen den Kontur zu erhalten.. Das Gesamtbild mit den Markierungen kann zumindest abschnittsweise in seinem Informationsinhalt reduziert werden. Beispielsweise können die Kontraste für alle Farben außer einer bestimmten Farbe gesenkt werden. Dadurch kann die automatische Bildverarbeitung die Markierungen leichter erkennen.
Weiterhin kann eine Binarisierung erfolgen. Bei der Binarisierung bleiben nur noch die Sollkontur und die Istkontur zur Analyse übrig. Das Originalbild (Gesamtbild) mit all seinen Grautönen wird bei der Auswertung igno- riert Das Originalbild kann hinterher aus Anschaulichkeitsgründen wieder überlagert werden. Durch die Binarisierung wird die Analyse und insbesondere die Ermittlung der Konturtreue in einem automatisierten Bildver- arbeitungsverfahren erleichtert.
Die Geschwindigkeit, mit der der Endeffektor entlang der Sollkontur be wegt wird, kann bestimmt werden, Insbesondere kann die Geschwindigkeit bestimmt werden, indem der Abstand der Markierungen erfasst und in Kenntnis der pro Sekunde aufgenommenen Bilder analysiert wird. Auf die- se Art und Weise kann auch die maximale Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe ermittelt werden, die noch zu einer akzeptablen Konturtreue führt.
Insbesondere kann ein Zusammenhang zwischen der Bearbeitungszeit und der Konturtreue ermittelt werden.
Zumindest die Schritte a. - e. können für mehrere unterschiedliche Dyna mikparameter, wie Geschwindigkeit des Endeffektors, Beschleunigung des Endeffektors, Gewicht der kinematischen Baugruppe durchgeführt werden. Dabei können beliebige Kombinationen von Dynamikparametern eingestellt und untersucht werden, ohne dass dabei ein Werkstück geopfert werden muss. Die Kosten für das Ermitteln von Parameterkombinationen werden dadurch reduziert. Die richtige Parameterkombination ist dabei insbesondere eine Abwägung zwischen Geschwindigkeit, Lebensdauer und der Teiletoleranzen entsprechenden Konturtreue. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt auch darin, dass nur eine einzige Sollkontur und somit nur ein einziges Werkstück benötigt werden, um un- terschiedliche Analysen durchzuführen. Es wird nicht jedes Mal, wenn mit der kinematischen Baugruppe eine Sollkontur abgefahren wird, das Werk- stück zerstört. Weiterhin sind keine Laserstrahlen oder sonstigen Messmit tel außer einer Kamera notwendig, um die Konturtreue zu ermitteln. Wie oben bereits erwähnt, können durch Analyse der Istkontur Eigenfre quenzen, Einschwingverhalten, Amplituden, Abklingzeiten, Weichheit, Steifigkeit, Spiel und/oder Genauigkeit der kinematischen Baugruppe ermittelt werden. Weiterhin wurde herausgefunden, dass durch regelmäßige Wiederholung derselben Sollkontur über die Lebensdauer der kinemati- sehen Baugruppe der Verschleiß von Getrieben ermittelt werden kann. Somit ist es möglich, vorherzusagen, wann ein verschleißendes Getriebe voraussichtlich dafür sorgt, dass die vorgegebenen Toleranzen bzw. eine vorgegebene Konturtreue, nicht mehr eingehalten werden können. Die Sollkontur kann, wie oben bereits erwähnt, online oder offline der ki nematischen Baugruppe„beigebracht", also programmiert, werden. Weiterhin ist es auch denkbar, dass die Sollkontur erfasst wird, während der Endeffektor entlang der Sollkontur bewegt wird. Beispielsweise kann die Sollkontur während diese von der kinematischen Baugruppe abgefahren wird, durch eine weitere Kamera erkannt werden,
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein computerimplementiertes Verfahren, welches zumindest einige Schritte des erfindungsgemäßen Ver fahrens, insbesondere die Schritte c. - e und die in den Unteransprüchen angegebenen Verfahrensschritte, umfasst. Weiterhin umfasst die Erfin dung ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Aus führung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, zumindest einige Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere die Verfahrensschritte c. - e. und die in den Unteransprüchen angegebenen Verfahrensschritten, auszuführen.
Weiterhin fällt in den Rahmen der Erfindung eine Erfassungseinrichtung, die an einer kinematischen Baugruppe anordenbar, insbesondere montierbar, ist, umfassend eine Bildaufnahmevorrichtung, die eingerichtet ist, mehr als 100 Einzelbilder pro Sekunde aufzunehmen, eine Speicherein richtung zum Speichern der aufgenommenen Einzelbilder und eine erste Beleuchtungseinrichtung. Die Bildaufnahmeeinrichtung kann dabei insbe- sondere als Gigabit-Ethernet-Graustufenkamera ausgebildet sein. Die Kamera kann dabei beispielsweise, wenn der Endeffektor ein Laserkopf ist, durch die Apertur des Laserkopfs auf das Werkstück gerichtet sein. Be sonders bevorzugt ist es, wenn die Bildaufnahmevorrichtung eingerichtet ist mehr als 200 Einzelbilder pro Sekunde vorzugsweise, mehr als 300 Einzelbilder pro Sekunde aufzunehmen, Die Bilder können dabei bei einer Auflösung von mindestens 640 x 480 Pixel aufgenommen werden. Weiterhin kann die Kamera eingerichtet sein, bei unterschiedlichen optischen Auflösungen Bilder aufzunehmen. Beispielsweise kann die Kamera eingerichtet sein, bei einer Auflösung im Bereich von 1 - 20 Mikrometern pro Pixel, vorzugsweise bei einer Auflösung im Bereich von 2 - 15 Mikrometern pro Pixel, Bilder aufzunehmen. Um diese Auflösung zu erreichen, können zusätzliche Unsen vorgesehen sein.
Die erste Beieuchtungseinrichtung kann als koaxiale Beleuchtung ausge bildet sein. Die erste Beleuchtungseinrichtung kann demnach zum verwendeten Werkzeug, z, B, einem Laserstahl oder Stirnfräser, koaxial ausgerichtet sein. Dadurch wird das Werkstück besonders gut im Bereich des TCP ausgeleuchtet.
Zusätzlich kann eine Spotbeieuchtung vorgesehen sein. Die Spotbeleuchtung kann als rotes Daueriicht ausgebildet sein. Sie kann dazu dienen, das Werkstück auszuleuchten, damit die Belichtungszeiten der einzelnen Ka merabilder möglichst kurz bleiben und somit das Einzelbild nicht ver- schmiert. Der Erfassungseinrichtung kann eine Bildverarbeitungseinrichtung zuge ordnet sein. Die Bildverarbeitungseinrichtung kann dabei Bestandteil der Erfassungseinrichtung sein oder extern, beispielsweise in einem externen PC, angeordnet sein,
Eine Gigabit- Ethernet-Kamera kann ausgebildet sein, 1000 Megabit pro Sekunde zu übertragen.
Die Erfassungseinrichtung kann weiterhin Befestigungspunkte aufweisen, sodass ein oder mehrere Laser, insbesondere Linienlaser, befestigt werden können. Die Linienlaser können verwendet werden, um die Sollkontur ein zulernen. Weiterhin kann die Erfassungseinrichtung Befestigungspunkte oder Befestigungseinrichtungen aufweisen, sodass zusätzliche Gewichte an der Erfassungseinrichtung angebracht werden können, um das Gewicht von Komponenten der kinematischen Baugruppe zu simulieren, beispiels weise, um das Gewicht einer Strahlformungsanordnung zu simulieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen dargestellt.
Es zeigen :
Fig. 1 eine Ausführungsform einer kinematischen Baugruppe; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Erfassungseinrichtung;
Fig 3 eine schematische Darstellung eines Gesamtbildes;
Fig. 4 einen Ausschnitt aus der Figur 3;
Fig. 5 die Darstellung der Figur 4 nach einer Binartsierung;
Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Konturtreue auf einem
Kreis
Fig. 7 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Geschwindigkeit der kinematischen Baugruppe auf einem Kreis
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungs maschine 1, die eine kinematische Baugruppe 10 umfasst. Die kinematische Baugruppe umfasst In diesem Fall ein Portal 11, welches in Doppelpfeilrichtung 12 relativ zu einem Gestell 13 über einem Werkstück 14 ver- fahren werden kann. An dem Portal 11 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in Doppelpfeilrichtung 17 verfahren werden kann. An dem Schlitten 16 wiederum ist ein Laserbearbeitungskopf 18 angeordnet, der in Doppel- pfeilrichtung 19 verfahren werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel stellt die Laserdüse den Endeffektor 20 dar. Durch eine Überlagerung der Bewegungen des Portals 11, des Schlittens 16 und des Laserbearbeitungskopfs 18, kann der Endeffektor 20 relativ zum Werkstück 14 verfahren und positioniert werden,
Durch das Portal 11 wird eine Werkzeugachse mit einer Bewegungsrichtung in Doppelpfeilrichtung 12 realisiert. Durch den Schlitten 16 wird eine Werkzeugachse mit einer Bewegungsrichtung in Doppelpfeilrichtung 17 realisiert. Durch den Laserbearbeitungskopf 18 wird eine Werkzeugachse in Bewegungsrichtung des Doppelpfeils 19 realisiert.
Der Figur 1 sind weiterhin die folgenden Komponenten der Werkzeugma- schine 1 zu entnehmen: Steuereinrichtung 3, Werkstückaufiage 5, Fokussierlinse 7.
Die Figur 2 zeigt eine Erfassungseinrichtung 50, die an einer kinematischen Baugruppe 10 anordenbar ist. Die Erfassungseinrichtung 10 umfasst eine Bildaufnahmeeinrichtung 51, eine erste und eine zweite Beleuch tungseinrichtung 52, 53. Die erste Beleuchtungseinrichtung 52 ist dabei als koaxiale Beleuchtung ausgebitdet und die zweite Beleuchtungseinrich tung 53 ist als Spotbeleuchtung ausgebildet. Eine Befestigungsanordnung 54 ist vorgesehen, um zusätzliche Gewichte anbringen zu können. Außer- dem ist ein Befestigungspunkt 55 zur Befestigung eines Linienlasers 56 vorgesehen,
Eine Bildverarbeitungseinrichtung 57, die eine Speichereinrichtung 58 um- fasst, ist der Erfassungseinrichtung 50 zugeordnet, jedoch extern ange ordnet.
Die Figur 3 zeigt ein Gesamtbild 70, weiches durch Zusammensetzen einer Anzahl von durch die Biiderfassungseinrichtung 51 aufgenommenen Ein- zelbildern entstanden ist. Das Gesamtbild 70 stellt daher eine Art Mosaik dar. Es zeigt eine Sollkontur 71, die der kinematischen Baugruppe 10 bei gebracht wurde und von der kinematischen Baugruppe 10 im Gegenuhrzeigersinn, was durch den Pfeil 72 angedeutet ist, abgefahren wurde. Die Position des Tool Center Point der kinematischen Baugruppe 10 wurde in das Gesamtbild 70 eingefügt. Dies Ist anhand der vergrößerten Darstel lung der Figur 4, die den Ausschnitt IV der Figur 3 zeigt, sichtbar. In der vergrößerten Darstellung der Figur 4 sind Markierungen 75 zu sehen, die durch Fadenkreuze dargestellt sind. Hier ist zu erkennen, dass die Markierungen 75, die die Istkontur darstellen, entlang der sich der Endeffektor 20 bewegt hat, einen Abstand zur Sollkontur 71 aufweisen. Der Abstand kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die Anzahl der Pixel zwischen der Sollkontur 71 und einer Markierung 75 bestimmt wird. Der Abstand wird vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Sollkontur 71 ermittelt. Um die Bestimmung des Abstands zu vereinfachen, kann die Darstellung der Figur 4 binarisiert werden, was in der Figur 5 dargestellf ist. Hier sind nur noch die Sollkontur 71 und die Markierungen 75 zu sehen, was die digitalisierte Auswertung durch eine Bildverarbeitungseinrich- tung vereinfacht.
Der Abstand der Sollkontur 71 von der Istkontur kann entlang der gesam ten Sollkontur 71 erfasst werden. Dies ist in der Figur 6 dargestellt. Dabei ist auf der horizontalen Achse die Länge der Sollkontur, insbesondere der Umfang der als Kreis ausgebildeten Sollkontur 71, aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist der Abstand in Mikrometern der Istkontur von der Sollkontur aufgetragen. Aus dem aufgetragenen Abstand lässt sich die Konturtreue ermitteln. Der Abstand wird durch die Kurve 80 dargestellt. In der Figur 7 ist gezeigt, wie die Geschwindigkeit der kinematischen Bau gruppe 10 dargesteilt werden kann. Auf der horizontalen Achse ist der Umfang der Sollkontur 71 aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Geschwindigkeit in Millimetern pro Sekunde angegeben. Die Geschwindig keit der kinematischen Baugruppe 10 ist mit der Kurve 85 dargestellt. Die Geschwindigkeit kann beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass der Abstand zwischen den einzelnen Markierungen 75 bestimmt wird. In Kenntnis der Bildaufnahmegeschwindigkeit, d. h. der Anzahl von Bildern, die pro Sekunde aufgenommen werden, und dem ermittelten Abstand zwi- sehen den Markierungen 75 kann die Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der der Endeffektor 20 entlang der Solfkontur 71 bewegt wurde.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Ermittlung der Konturtreue einer kinematischen Bau gruppe (10), mit den Schritten : a. Bewegen eines Endeffektors (20), dem ein Tool Center Point (TCP) zugeordnet ist, einer kinematischen Baugruppe (10) entlang einer vorgegebenen Sollkontur (71),
b. Aufnahme eines Bildstroms von Einzelbildern mittels einer sich mit der kinematischen Baugruppe (10) bewegenden Bildaufnahmevor- richtung (51) mit mehr als 100 Einzelbildern/s,
c. Positionieren einer Markierung (75), insbesondere eines Fadenkreuzes, an einer vorbestimmten Position in zumindest einigen Einzelbildern zur Markierung der Position des TCP,
d. Zusammenfügen zumindest einiger Einzelbilder zu einem Gesamtbild (70),
e. Speichern des Gesamtbilds (70).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ge- samtbild (70} und/oder ein Film aus zumindest einigen Einzelbildern dargestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Film in Zeitlupe dargesteift oder abgespielt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass aus den Markierungen (75) des TCP eine Istkon- tur erstellt wird oder die Markierungen eine Istkontur darstellen und die Istkontur mit der Sollkontur (71) verglichen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Abweichung der Istkontur von der Sollkontur
(71) ermittelt wird, insbesondere, indem an einer oder mehreren Stellen eine Anzahl Pixel zwischen der Sollkontur (71) und der Istkontur bestimmt wird und/oder ein Pixelpitch bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Gesamtbild (70) mit den Markierungen (75) zumindest abschnittsweise in seinem Informationsinhalt reduziert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Binarisierung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der der Endeffektor (20) entlang der Sollkontur (71) bewegt wird, insbeson dere, indem der Abstand der Markierungen (75) erfasst und in Kennt- nis der pro Sekunde aufgenommenen Bilder analysiert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusammenhang zwischen der Ge schwindigkeit und der Konturtreue ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest die Verfahrensschritte l.a. - l.e. für mehrere unterschiedliche Dynamikparamter, wie Geschwindigkeit des Endeffektors, Beschleunigung des Endeffektors, Gewicht der kinema- tischen Baugruppe ( 10), durch geführt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass durch Analyse der Istkontur Eigenfrequenzen, Einschwingverhalten, Amplituden, Abklingzeiten, Weichheit, Steifig keit, Spiel und/oder Genauigkeit der kinematischen Baugruppe (10) ermittelt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollkontur (71) erfasst wird, während der Endeffektor (20) entlang der Sollkontur (71) bewegt.
13. Computerimplementiertes Verfahren, welches zumindest die Schritte l.c. - l.e. des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst.
14. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausfüh rung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, zumindest die Schritte l.c. - l.e. des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
15. Erfassungseinrichtung (50), die an einer kinematischen Baugruppe (10) anordenbar ist, umfassend eine Bildaufnahmevorrichtung (51), die eingerichtet ist, mehr als 100 Einzelbilder/s aufzunehmen, eine
Speichereinrichtung (58) zum Speichern der aufgenommenen Einzel- bilder und eine erste Beleuchtungseinrichtung (52).
16. Erfassungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Beleuchtungseinrichtung (52) als koaxiale Beleuchtung ausgebildet ist.
17. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Spotbeleuchtung vorgesehen ist.
18. Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Bildverarbeitungseinrichtung (57) umfasst.
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