KR20220012303A - 가공 모듈 및 공구의 프로파일을 검출하기 위한 유닛을 갖는 공작 기계 및 공구의 프로파일을 검출하기 위한 방법 - Google Patents
가공 모듈 및 공구의 프로파일을 검출하기 위한 유닛을 갖는 공작 기계 및 공구의 프로파일을 검출하기 위한 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 공작 기계용 재료 제거 가공 모듈(300)에 관한 것으로서, 상기 가공 모듈은:
- 가공될 부품(322)을 수용하기 위한 부품 지지부(320),
- 상기 가공 모듈(300)에서 상기 부품 지지부(320)의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 상기 부품 지지부의 제어 유닛(308),
- 상기 부품을 가공하는 데 사용되는 단부 부분(313)을 갖는 공구(312)를 수용하기 위한 공구홀더(310);
- 상기 가공 모듈(300)에서 상기 공구홀더(310)의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 상기 공구홀더의 제어 유닛(302),
- 상기 공구홀더에 장착된 상기 공구(312)의 프로파일을 검출하기 위한 유닛(304)으로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위해 상기 공구홀더(320)에 장착된 광학 시스템(100)을 포함하는, 상기 검출 유닛(304)을 포함한다.
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Description
본 발명은 공작 기계(machine tools)의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가공 모듈, 특히 공작 기계에서 현장에서 공구의 위치를 광학적으로 검출하는 분야에 관한 것이다. 본 발명은 또한 가공 모듈, 특히 공작 기계에서 현장에서 공구의 프로파일의 광학적 검출 분야에 관한 것이다. 이는 특히 수치 제어 공작 기계를 포함하는 회전 가공 단계(선삭, 바 선삭...)을 위해 재료를 제거하여 가공하는 기계를 형성하는 공작 기계에 해당한다.
공작 기계 분야에서는, 공구홀더에 장착된 공구의 위치를 정확하게 알아야 할 필요가 있다. 그 공구의 마모의 진화를 아는 것도 유용하다. 이 정보는 세팅 중에 개발된 가공 계획에 따른 가공 범위를 보장하는 데 유용하다.
가공 모듈(공작 기계), 특히 크로퍼, 자동 선반, 터닝-밀링 센터, 밀링 머신, 가공 센터 및 트랜스퍼 머신에 의한 부품의 제조는 일반적으로 3개의 별개의 단계를 포함한다:
제1 또는 세팅(또는 사전 조정) 단계에서, 작동기[예: 바 터너(bar turner)]는 즉, 요구되는 가공 부품을 얻는 데 필요한 연속 동작 및 스핀들 이동인, 가공 계획을 정의하고 가공 모듈에 대해 시험한다. 작동기는 예컨대 가능한 가장 효과적인 가공 계획, 즉 주어진 부품을 최소한의 작업으로 가공할 수 있고 공구 또는 부품과의 충돌을 방지하는 것을 목표로 한다. 그들은 사용할 공구를 선택하고 얻은 부품의 품질(예: 표면 상태, 공차 준수 등)을 확인한다.
제2 또는 생산 단계에서, 세팅 동안 한정된 파라미터를 사용하여 사전 조정된 가공 모듈에서 일련의 부품이 생산된다. 이 단계는 유일한 생산 단계이다; 이는 종종 24시간 연중무휴(24/7)로 수행되며, 가공 모듈에는 공급기 또는 슬러그(미완성 부품) 적재기를 통해 원료가 공급된다.
기계의 유지보수 등을 위해 일련의 부품의 생산이 중단되고, 예컨대 마모된 공구를 교체하고, 동일한 기계 모듈에서 다른 유형의 부품을 생산하고 그 다음 후속적으로 재개될 수 있다. 이러한 상황에서, 세팅하는 동안 이전에 한정된 파라미터를 적용하려면 시작 단계가 필요하다. 이 시작은 셋업보다 빠르다.
시작하는 동안, 기계에 장착된 공구를 수행해야 하는 가공에 적합한 다른 세트의 공구로 교체하는 것이 종종 필요하다. 이러한 공구의 정확한 위치와 마모 수준은 가공 품질을 결정하지만, 이러한 파라미터는 연속적인 시작 중에 재현하기 어렵다.
더욱이, 생산 단계 동안, 새로운 부품이 가공될 때, 특히 긴 생산 실행의 경우, 공구홀더와 부품 지지부 사이의 위치 드리프트(positional drift), 특히 기계의 열팽창에 의해 유발된 드리프트가 발생하는 것이 불가능하지 않다. 더욱이, 절단 영역을 형성하고 하나 이상의 절단 날을 포함하는 가공에 사용되는 공구의 단부 부분의 마모를 아는 것은 가공 품질을 유지하는 데 결정적이다. 일반적으로 마모율이라고 하지만 실제로는 서로 다른 마모 공정을 포함하는 (때로는 조합되어 있는 경우도 있음) 이러한 마모의 진화는 종종 모니터링되지 않으며 모니터링되는 경우 이러한 모니터링 및 가공 모듈에서 공구 분리/재장착을 위한 추가 시간을 필요로 하는 보조 설치에 의해 이루어진다.
따라서, 가공 공정 동안, 부품의 필요한 가공에 적합하지 않은 마모 공구의 사용과 절단 공구의 파손, 가공 모듈과 별도의 전용 시스템에서의 마모 모니터링은 생산 시스템의 생산성과 비용 효율성에 해로운 영향을 발생시킨다.
기계 파라미터를 보존하여 가공될 부품의 사양을 엄격하게 준수하고 공작 기계의 생산 시간의 비율을 최적화하고 또한 각 공구의 사용 시간을 최적화하는 것이 중요하다. 실제로 공작 기계를 제어하는 일련의 지침은 수정되지 않거나 일회성 기준으로만 수정되는 반면, 사용 기간 동안 공구의 단부 부분은 기하학적 형태 및 절단 에지의 위치를 수정하는 프로파일의 점진적인 진화를 겪는다.
공구의 사용 중 마모 프로파일의 진화에 대한 다양한 시나리오가 존재한다: 예컨대 릴리프 마모(전면 마모 스트립), 흠집 마모, 크레이터 마모, 소성 변형을 생성하는 마모(오목 또는 돌출), 빌트-업 에지(built-up edge)의 형성, 절단 영역 외부에서 스폴링(spalling)을 생성하는 마모, 절단 에지의 스폴링, 열 균열을 생성하는 마모, 절단 에지의 파손 등.
공구의 마모를 평가하는 것은 절단 영역에 걸친 재료의 손실뿐만 아니라 직면하는 마모 유형을 예측하고 그에 따라 직면하는 마모 유형의 함수로서 공작 기계의 하나 이상의 상이한 가공 및/또는 위치결정 파라미터를 수정하기 위해 프로파일 형상의 진화를 모니터링함으로써 유익할 수 있다. 예컨대, 흠집 마모의 경우, 절단 깊이를 수정하기 위한 선택이 이루어질 수 있는 반면, 소성 변형에 의한 마모의 경우에, 냉각 액체의 분무 속도를 증가시키기 위한 결정이 취해질 수 있다.
종래 기술
일부 경험적 해결책은 주어진 수의 부품을 가공한 후에 공구를 교체할 것을 권장한다. 이러한 해결책은 특히 비용이 많이 들거나 구하기 어려운 특수 공구의 경우에 공구의 생산 비용 효율성을 최적화하지 못할 뿐만 아니라 공구의 시기 적절한 파손을 보장하지 않거나 제조 부품의 품질에서의 마모의 해로운 결과를 초래한다.
절단 공구(예: 밀링 공구 또는 드릴)의 무결성 또는 수용성을 검증하기 위해 필러(접촉)에 의해 또는 접촉(시각, 레이저 또는 전기장 검출)없이 절단 공구의 마모를 평가하거나 측정하는 시스템이 있다. 이러한 점검은 긴 생산 진행의 요구 사항과 호환되지 않는 생산이 없는 기간을 생성하는 가공 공정 및 모듈 외부에서 수행된다. 이러한 종류의 기술은 문서 US2006021208, CA2071764A1, US2014233839 및 FR2952196에 설명되어 있다.
공작 기계에 의해 전송된 신호의 센서에 의한 측정, 특히 기계의 캠 레버 또는 스핀들과 같은 기계 부품에서의 음향 측정 또는 힘 측정(힘, 토크, 유효 전력...)에 기초하여 공구 파손을 식별하기 위한 모니터링 시스템이 추가로 인용될 수 있다. 검출된 신호(진동, 소음, 압력...)를 정상적인 가공 주기 동안 모니터링 시스템에 의해 이전에 저장된 모델 신호와 비교함으로써, 기록된 신호가 모델 신호에서 너무 많이 벗어나면 경고 신호를 트리거할 수 있다.
문서 US2018111240은 비접촉 측정 디바이스가 발광기 요소와 수광기 요소 사이에서 연장되는 차광벽을 사용하여 회전식 공작 기계의 위치를 검출하는 해결책을 설명한다. 공구의 활성 부분과 발광기 요소 및 수신기 요소의 근접성 때문에, 이 기술은 특히 공구 근처의 환경에 존재하는 오일 및 칩으로 인해 상기 발광기 요소 및 수신기 요소를 손상시키지 않도록 보호 수단이 필요하다. 또한, 이 시스템을 통해 공구가 차광벽에 닿는지 여부를 알 수 있지만 공구의 단부 부분의 정확한 위치나 프로파일에 대한 정보는 제공하지 않다.
문서 FR2645782는 수치 제어 공작 기계가 장착된 가공 센터에서 공구 파손을 모니터링하기 위한 시스템을 설명한다. 두 비디오 카메라가 가공 전후의 공구 보기를 생성하고 이미지를 비교하여 공구에 영향을 미치는 이상 징후를 검출할 수 있다. 문서 EP3021183은 비디오 카메라를 통해 공구홀더에서 공구의 절단 에지 위치를 모니터링하고 수정하기 위해 공작 기계에 통합된 디바이스를 제안한다. 그러나 이러한 설치는 공작 기계의 추가 기준 프레임, 즉 비디오 카메라에 특정한 기준 프레임에 의존해야 하며, 이를 통해 공작 기계의 각 부품에 대한 공작 기계에서의 비디오 카메라의 위치를 설정할 수 있다. 이러한 종류의 배열은 특히 가공될 부품에 대한 공구의 위치와 관련하여 잠재적으로 추가 오류를 생성한다.
EP0377374는 공작 기계에 대한 공작 기계를 위치시키기 위한 시스템을 제공한다. 알려진 위치의 블록 템플릿의 두 수직 이미지를 해당하는 이후에 표시되는 공구 시스템 이미지와 비교하는 카메라가 사용된다. EP2426555는 공작물에 대한 절단 공구의 이동을 검출하기 위한 장치를 개시하고 있다. 이 장치는 척 및 공구홀더에 장착된 공작물도 포함하는 공작 기계의 일부에 고정 장착된 카메라를 포함한다. 또한, 공구 장착 샤프트에 설치된 반사경과 공구의 좌표를 검출하기 위한 레이저 간섭계를 포함하는 유형의 측정 디바이스로 구성된 공구 좌표를 검출하기 위한 검출 시스템을 사용하는 JPH07246547을 참조할 수 있다.
전술한 내용으로부터 재료 제거에 의해 가공 동안 사용 중인 공구의 단부 부분(활성 가공 부분)의 프로파일의 개선된(더 규칙적이고, 더 빠르고 및/또는 더 정밀한) 결정에 대한 필요성이 존재함을 알 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 가공 모듈의 공구홀더에 장착된 공구의 단부 부분의 프로파일을 결정할 수 있는 가공 모듈을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공구홀더에 장착된 공구의 단부 부분의 위치 또는 프로파일, 또는 위치와 프로파일 모두를 신속하게 결정할 수 있도록 하는 것이다. 따라서 목표는 시간을 낭비할 뿐만 아니라 무엇보다도 공구홀더의 공구 및 공작 기계의 공구홀더의 위치 기준을 수정하지 않도록 공구 또는 공구홀더를 분리하지 않고 공구의 단부 부분의 프로파일(위치)을 결정할 수 있는 해결책을 제안하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공지된 가공 모듈의 한계가 없는 가공 모듈을 제안하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 공작 기계용 재료 제거 가공 모듈에 의해 달성되고, 상기 가공 모듈은:
- 가공할 부품을 수용하기 위한 부품 지지부,
- 가공 모듈에서 부품 지지부의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 부품 지지부의 제어 유닛,
- 부품 지지부에 장착된 부품을 가공하는 데 사용되는 단부 부분을 갖는 공구를 수용하기 위한 공구홀더;
- 가공 모듈에서 공구홀더의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 공구홀더의 제어 유닛,
- 공구홀더에 장착된 공구의 프로파일을 검출하기 위한 유닛으로서, 상기 검출 유닛은 공구홀더에 장착된 공구의 단부 부분의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템을 포함하며, 여기서 상기 광학 시스템은 부품 지지부에 장착되는, 상기 검출 유닛을 포함한다.
이 해결책은 특히 공구의 단부 부분을 측정하고 검출하기 위한 수단이 가공 모듈, 따라서 공작 기계에 제자리에 있다는 종래 기술에 비해 이점을 갖는다. 이 구성의 이점들 중 하나는 가공 작업이 수행되는 국부적으로 측정되거나 이미지화되는 공구의 단부 부분이 결과 측정 또는 이미지가 실제로 아티팩트(artefact)를 갖지 않은 공구의 단부 부분의 형상/기하학적 형태/위치의 즉각적인 현실과 일치한다는 사실에 있다. 따라서 공구가 가공 모듈의 국부적 온도로 인해 변형되는 경우, 이 열 드리프트(thermal drift)가 고려되는 반면, 공작 기계와 별도의 측정 모듈을 사용하는 경우 공구가 냉각되고 측정에는 온도 변화로 인한 아티팩트가 포함된다. 또 다른 이점은 광학 시스템이 부품 지지부에 부착되어 있기 때문에 부품 지지부와 공구홀더 사이의 모든 공간 기준이 광학 시스템에서 볼 때 광학 시스템과 공구 사이의 기준 역할을 한다는 사실에 있고; 공구/공구홀더가 공작 기계와 별도의 측정 모듈에 설치된 경우 발생하는 기준 프레임의 변경으로 인해 발생하는 측정 아티팩트를 방지한다.
실제로, 상기 검출 유닛은 프로파일을 측정하기 위한 유닛을 형성하고, 따라서 가공 모듈에 통합되는 공구의 마모를 형성한다. 이러한 배열을 통해 현장에서, 즉 가공 모듈 자체에서, 따라서 공구를 공구홀더에서 분리하지 않고 공구와 접촉하지 않으면서 공구 마모를 모니터링할 수 있다. 이를 위해, 상기 검출 유닛은 가공 모듈, 특히 공구홀더 부근에 배치된다. 또한, 공구홀더에 장착된 공구의 단부 부분을 볼 수 있도록 구성된 광학 시스템을 부품 지지부에 직접 배치하면, 즉 부품 지지 요소에 직접 배치하면, 특히 처리 시간(광학 시스템은 이미 공구의 단부 부분을 검출하도록 배치됨) 및 정밀도(공구홀더에서 광학 시스템의 위치가 정확하게 알려져 있고 고정되어 있고, 광학 시스템과 공구홀더 사이의 상대 위치결정과 관련된 오류가 광학 시스템과 공구의 단부 부분 사이의 상대 위치결정에 추가되지 않음)의 관점에서 개선이 가능하다는 것이 분명하다.
본 명세서에서, "부품 지지부"라는 표현은 "가공될 부품의 장착 및 유지(특히 클램핑) 및 탈착을 가능하게 하는 요소를 포함하는 공작 기계 모듈 뿐만 아니라 공작 기계의 가공 모듈 공간 내에서 가공될 부품의 이동"을 의미하는 것으로 이해해야 한다. 이 부품 지지부는 일반적으로 "재료 스핀(material spindle)들"이라고 한다. 또한, 본 명세서에서 "공구홀더"라는 표현은 "하나 이상의 공구의 장착 및 유지(특히 클램핑 등) 및 분리 및 공작 기계의 가공 모듈 공간에서 해당 공구 또는 그 공구들의 이동을 가능하게 하는 요소를 포함하는 공작 기계 모듈"을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
따라서, 절단 공구를 교체하고/하거나 절단 파라미터를 변경하기 위한 결정을 절단 공구의 마모 및 가능하게는 항상 이용 가능가능한 것은 아니거나 또는 적어도 존재하는 파라미터의 범위 전체에 걸쳐 존재하는 실험 곡선을 지배하는 법칙을 나타내는 수학적 모델에만 기초할 필요가 없다. 본 발명으로 인해, 또한 예컨대 데이터베이스에 본 발명에 따른 가공 모듈로 수행되는 프로파일 측정을 통합함으로써 실험 곡선의 라이브러리 및 탐색된 범위를 증가시킬 수 있을 것이다.
따라서, 일련의 유사한 공구에서도 각 공구에 특정한 사용 시간의 최적화를 맞춤화하는 것이 가능하다. 예컨대, 마모의 진화 파라미터가 미리 한정된 한계를 초과하는 경우에는 공구 사용 시간을 단축할 수 있는 데, 이는 특히 실제로는 공구의 마모 진화가 이론적인 마모 모델보다 더 불리하기 때문이거나 또는 마모 진화 파라미터가 미리 한정된 한계를 초과하지 않는 경우에는 공구 사용 시간을 연장할 수 있는 데, 이는 실제로 공구의 마모가 이론적인 마모 모델보다 덜 불리하기 때문이다.
일 실시예에서, 광학 시스템은 광학 시스템에 의해 이미징의 단일 단계를 통해 가공될 부품의 지지부와 공구홀더 사이의 3차원 상대 위치의 결정을 가능하게 하도록 구성된 측정 광학 디바이스의 일부이다. 특히, 광학 시스템은 공구홀더, 예컨대 공구홀더의 특정 구역을 이미징하고, 그리고 한 가능성에 따르면, 광학 시스템은 공구홀더에 장착되어 위치 기준을 형성하는 타겟을 이미징한다.
본 발명은 또한 본 명세서에 기술된 바와 같은 가공 모듈을 포함하는 공작 기계에 관한 것으로, 상기 공작 기계는 상기 검출 유닛에 의해 제공되는 정보에 기초하여 공구의 프로파일의 편차를 계산할 수 있는 공구 마모를 모니터링하기 위한 유닛을 더 포함한다. 이는 공구의 상태와 특히 마모를 분석하기 위해 가공 모듈을 사용하는 것이다.
따라서, 검출 유닛 및 가공을 수행하는 공구의 상태에 대해 제공된 정보에 기초하여, 따라서 특히 절단 영역과 관련된 공구의 상태, 마모 수준 및/또는 그 형상 드리프트를 분석하는 것이 가능하다는 것이 분명하다.
본 발명은 또한
- 공구의 위치를 검출하는 방법,
- 공구의 프로파일을 검출하는 방법, 및
- 공작 기계에서 공구의 마모를 검출하는 방법에 관한 것으로서, 상기 공구는 부품 지지부 및 공구홀더를 포함하는 가공 모듈의 공구홀더에 장착된다.
이들 방법은 상세한 설명에서 더 설명되고 기술될 것이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면에 의해 예시된 설명에 나타나 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 모듈을 도시한 사시도.
도 2는 공구홀더에 장착된 다른 공구를 도시하는, 도 1의 부분 Ⅱ를 확대한 사시도.
도 3은 마모 후 손상된 구성의 부품을 가공하기 위해 사용되는, 도 2의 부분 Ⅲ에서 볼 수 있는 공구의 단부 부분을 확대한 사시도.
도 4는 공구홀더에서 공구의 위치 및/또는 프로파일을 결정하기 위한 가공 모듈의 광학 시스템의 사용을 도시한 도면.
도 5는 3차원 타겟이 장착된 공구홀더의 분해 사시도.
도 6은 공구홀더와 부품 지지부(재료 스핀들이라고도 함) 사이의 상대 위치 공간 측정을 결정하기 위해 가공 모듈의 광학 디바이스의 사용을 도시한 도면.
도 7은 도 6에 대응하는 다른 사시도.
도 8은 3차원 타겟에 의한 3차원 식별 단계에서 공구홀더와 부품 지지부 사이의 광학 디바이스를 도시한 도면.
도 9는 도 6의 방향(IX), 즉 타겟이 광학 시스템의 방향으로 배향될 때 광학 시스템이 보여지는, 방향(Z)으로 보았을 때 3차원 타겟이 있는 공구홀더에 대응하는 도 6의 일부를 도시한 도면.
도 10, 도 11 및 도 12는 3차원 타겟의 구조를 정면도, 사시도 및 단면도로 각각 도시한 3개의 도면들.
도 13 및 도 14는 각각 변형 실시예에 따른 도 10, 도 11 및 도 12에서의 각각의 타겟의 제2 구조를 도시한 사시도들.
도 15a 및 도 15b는 광학 시스템의 제2 이미지 캡쳐 시스템에 의해 생성된 이미지의 처리를 도시한 도면.
도 16은 도 4에 대응하고 공구의 단부 부분의 프로파일을 결정하기 위한 가공 모듈의 광학 디바이스의 사용을 도시한 다른 사시도.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공 모듈의 일부에 대한 사시도.
도 18은 수직으로 정렬된 일련의 공구들을 지지하는 변형 공구홀더의 사시도로서, 각각의 공구는 공구가 주위를 회전하도록 장착된 수평축을 따라 배향되는 도면.
도 19는 본 발명의 추가 실시예에 따른 가공 모듈의 사시도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 모듈을 도시한 사시도.
도 2는 공구홀더에 장착된 다른 공구를 도시하는, 도 1의 부분 Ⅱ를 확대한 사시도.
도 3은 마모 후 손상된 구성의 부품을 가공하기 위해 사용되는, 도 2의 부분 Ⅲ에서 볼 수 있는 공구의 단부 부분을 확대한 사시도.
도 4는 공구홀더에서 공구의 위치 및/또는 프로파일을 결정하기 위한 가공 모듈의 광학 시스템의 사용을 도시한 도면.
도 5는 3차원 타겟이 장착된 공구홀더의 분해 사시도.
도 6은 공구홀더와 부품 지지부(재료 스핀들이라고도 함) 사이의 상대 위치 공간 측정을 결정하기 위해 가공 모듈의 광학 디바이스의 사용을 도시한 도면.
도 7은 도 6에 대응하는 다른 사시도.
도 8은 3차원 타겟에 의한 3차원 식별 단계에서 공구홀더와 부품 지지부 사이의 광학 디바이스를 도시한 도면.
도 9는 도 6의 방향(IX), 즉 타겟이 광학 시스템의 방향으로 배향될 때 광학 시스템이 보여지는, 방향(Z)으로 보았을 때 3차원 타겟이 있는 공구홀더에 대응하는 도 6의 일부를 도시한 도면.
도 10, 도 11 및 도 12는 3차원 타겟의 구조를 정면도, 사시도 및 단면도로 각각 도시한 3개의 도면들.
도 13 및 도 14는 각각 변형 실시예에 따른 도 10, 도 11 및 도 12에서의 각각의 타겟의 제2 구조를 도시한 사시도들.
도 15a 및 도 15b는 광학 시스템의 제2 이미지 캡쳐 시스템에 의해 생성된 이미지의 처리를 도시한 도면.
도 16은 도 4에 대응하고 공구의 단부 부분의 프로파일을 결정하기 위한 가공 모듈의 광학 디바이스의 사용을 도시한 다른 사시도.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공 모듈의 일부에 대한 사시도.
도 18은 수직으로 정렬된 일련의 공구들을 지지하는 변형 공구홀더의 사시도로서, 각각의 공구는 공구가 주위를 회전하도록 장착된 수평축을 따라 배향되는 도면.
도 19는 본 발명의 추가 실시예에 따른 가공 모듈의 사시도.
본 발명의 실시예(들)
도 1을 참조하면, 가공 모듈(300)은 부품 지지부(320) 및 공구홀더(310)를 포함한다. 부품 지지부(320)는 특히 제거 가능한 고정 수단을 통해 가공 모듈(300)에 제거 가능한 방식으로 장착되도록 설계될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가공될 부품(322)(여기서 가공되지 않은 바 또는 미완성 부품이 표시됨)이 부품 지지부(320)에 제거 가능하게 장착된다. 부품 지지부(320)는 예컨대 클램프, 척, 바 회전 부싱 또는 팔레트 또는 팔레트홀더를 포함하는 재료 스핀들로 알려진 것을 포함한다. 부품 지지부(320)의 주 방향은 방향(Z)에 대응한다. 공구홀더(310)는 특히 제거 가능한 고정 수단을 통해 가공 모듈(300)에 제거 가능한 방식으로 장착되도록 설계될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 공구(312)(탭 또는 밀링 공구는 단순화된 방식으로 표시됨)가 공구홀더(310)에 제거 가능하게 장착된다. 공구홀더(310)는 예컨대 스핀들, 캐리지 또는 바이스(vice) 또는 다시 체이서(chaser)를 포함한다. 공구홀더(310)의 주 방향은 방향(X)에 대응한다. 가공 모듈(300)에서 수직 방향은 Y 방향에 대응하고 X, Y 및 Z의 3개의 방향은 축의 직교 시스템을 형성한다.
공구홀더 제어 유닛(302)은 가공 모듈(300)에서 공구홀더(310)의 위치를 제어하고 수정할 수 있다. 기계 제작 분야 및 본 명세서에서, "제어"라는 용어는 공작 기계의 모든 요소에 이동 명령을 내리는 기능을 갖는 모든 하드웨어 및 소프트웨어 요소를 지정한다. 가공 모듈(300)은 또한 부품 지지부(320)의 제어 유닛(미도시)을 포함한다.
가공 모듈(300)은 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 위치 및 프로파일의 검출을 가능하게 하는 검출 유닛(304)을 더 포함한다. 이를 위해, 상기 검출 유닛(304)은 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313)의 프로파일(도 4, 도 6 및 도 8 참조)을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함한다. 광학 시스템의 입사면(102)으로부터 연장되는 이 광학 시스템(100)의 광학 축(O)은 도 1에 도시된다. 도 1 배열에서, 이 광학 축(O)은 부품 지지부(320)의 방향(Z) 또는 주 방향에 평행하다. 광학 축(O)은 도 1에 도시된 바와 같이 바람직하게는 또한 공구홀더(310)의 축(X)의 방향에 직교한다. 본 발명에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학 시스템(100), 광학 시스템(100)의 센서 부분의 적어도 전부, 및 광학 시스템(100)의 센서 부품으로부터 분리될 수 있고 따라서 가공 모듈(300)의 다른 곳에 배치될 수 있는 조명 부재가 부품 지지부(320) 상에 장착된다.
이하에서 설명하는 바와 같이, 이는 이미징 광학 시스템(100), 즉 광학 시스템(100)에 포함된 이미지 캡쳐 시스템을 통해 공구의 프로파일의 이미지를 생성할 수 있는 광학 시스템이다. 특히, 이 광학 시스템(100)은 광학 구성요소들의 세트 및 이미지 획득 시스템을 포함한다. 이러한 종류의 이미지 획득 시스템은 사진 및/또는 비디오 이미지의 캡쳐를 가능하게 하며, 예컨대 비디오 카메라 또는 스틸 카메라, 특히 디지털 스틸 카메라이다. 본 발명의 맥락에서, 하나 이상의 광원과 함께 기능하는 광학 시스템(100)이 고려된다. 또한, 본 발명에 따른 광학 시스템(100)의 이미지 캡쳐 시스템이 이미지 센서를 형성한다는 것은 자명하다. 광학 시스템(100)의 이미지 캡쳐 시스템과 관련된 광원 또는 광원들은 일련의 단색 전자기 방사선(다색광)를 결합하여 단색이거나 파장 범위에 걸쳐 연장될 수 있는 전자기 방사 또는 발광 방사의 이미터 또는 이미터들을 형성한다.
일 실시예에서, 전술한 광원 또는 광원들은 레이저 방사선의 광원(광원들)이 아니고 본 발명에 따른 광학 시스템(100)의 이미지 캡쳐 시스템은 레이저 이미터를 포함하지 않거나 레이저 이미터와 관련되지 않은 이미지 센서를 형성한다.
본 명세서에서 "공구의 단부 부분"은 가공에 사용되는 구역을 포함하는 공구의 말단 부분을 의미하며, 따라서 활성면과 에지들 사이의 교차점에 의해 형성된 절단 에지들을 포함하는 절단 구역 또는 구역들이다. 도 2는 공구(312)에 대한 이러한 종류의 단부 부분(313)을 확대하여 도시한다. 도 3에서, 도 2로부터의 것 이외의 공구의 단부 부분(313)의 마모의 예는 릴리프 면과 절단면 사이에서 분할된 마모 구역(313a)을 통해 볼 수 있다.
본 명세서에서 단부 부분 "프로파일"은 단부 부분의 2차원 표현 또는 단부 부분의 3차원 표현을 의미한다. 예컨대, 이 프로파일은 평면에 투영되거나 평면, 특히 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 직교하는 평면과의 교차점을 형성하는 공구의 단부 부분의 윤곽에 대응하는 라인을 포함할 수 있다. 또한, 이 프로파일은 절단 에지 또는 에지들을 포함하는 공구의 단부 부분(313)(예: 작은 플레이트)의 3차원 형상을 형성할 수 있다. 또한, 이 프로파일은 지형 프로파일과 같은 일련의 라인으로 표현되는 공구의 단부 부분(313)의 3차원 형상에 대응할 수 있다.
광학 시스템(100)은 공구홀더(310)가 도 4에 도시된 측정 작동 위치에 있을 때 공구(312)의 단부 부분(313)의 프로파일의 검출을 가능하게 하도록 구성된다. 이 작동 측정 위치에서 공구홀더(310) 및 부품 지지부(320)는 서로 가깝다. 이 측정 작동 위치에서 광학 시스템(100)의 광학 축(O)은 공구(312) 또는 공구(312)의 단부 부분(313)과 교차할 수 있거나 또는 광학 시스템(100)의 공구(312)가 시야에 있도록 공구(312)에 적어도 충분히 가까울 수 있다. 다시 말해서, 이 경우에, 이 측정 작동 위치에서 공구홀더(310)의 단부는 광학 시스템(100)의 출구(또는 입사면(102))와 일직선 상에 있다. 이는 광학 시스템(100)으로부터의 광학 경로가 공구홀더(310)의 단부 및/또는 공구(312)의 팁 또는 보다 일반적으로 단부 부분(313)과 교차한다는 것을 의미한다. 일부 경우에, 측정 작동 위치에서, 공구(312)의 단부 부분(313)과 공구홀더의 축(Z) 사이의 최단 거리는 50cm 미만, 또는 30cm 미만, 때로는 15cm 미만이다. 예컨대, 측정 작동 위치에서, 공구(312)의 단부 부분(313)과 부품 지지부의 축(Z) 사이의 최단 거리는 따라서 5 내지 50cm 포함, 때로는 5 내지 30cm 포함, 또는 20 내지 30cm 포함 또는 5 내지 15cm 포함을 포함한다. 일부 경우에, 상기 작동 측정 위치는 공구(312)를 공구홀더(310) 상에 적재하기 위한 위치에 대응하고: 따라서 프로파일은 공구(312)가 장착되는 즉시 측정될 수 있다. 또한, 상기 측정 작동 위치에서, 공구홀더(310)의 축(X)은 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 대해 서로 다른 배향을 가질 수 있다:
- 일부 경우에, 공구홀더(310)의 축(X)은 광학 시스템(100)이 공구(312)의 단부 부분과 팁의 한 면을 볼 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 광학 시스템(100)의 광학 축(O)의 방향과 직교한다,
- 일부 경우에, 공구홀더(310)의 축(X)은 광학 시스템(100)이 공구(312)의 팁만을 볼 수 있도록 광학 시스템(100)의 광학 축(O)의 방향과 동축이거나 평행하다(이 상황은 표시되지 않음),
- 다른 경우에, 공구홀더(310)의 축(X)은 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 대해 기울어진다[축(X 및 O) 사이의 90° 이외의 0이 아닌 각도의 상황은 나타내지 않음].
실제로, 본 발명에 따른 가공 모듈(300)을 보유하는 공작 기계에 따라, 특히 공구홀더(310)에 대해 5개 또는 6개의 이동 축을 갖는 공작 기계의 경우, 공구홀더(310)의 배향 및 그 축(X)의 배향이 변경될 수 있다.
이제 광학 시스템(100)의 일 실시예를 나타내는 도 4를 참조하시오. 광학 시스템(100)은 그 이미지 초점면이 상기 측정 작동 위치에서 공구(312)의 단부 부분(313)과 교차할 수 있도록 구성된 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)을 포함한다. 더욱이, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)은 측정 작동 위치에서 공구(312)의 단부 부분(313)의 이미지가 캡쳐될 수 있게 하는 제1 이미지 획득 시스템(112)을 포함한다. 도 1 및 도 4에는 측정 작동 위치에서 공구(312)의 단부 부분(313)의 측면 조명을 제공하기 위해 공구홀더(310)에 근접하여, 가능하게는 그 위에 장착된 측방 광원(140)이 또한 보여진다.
다른 유형의 광원 또는 추가 광원들이 서로 독립적으로 제공되거나 서로 보완될 수 있다. 일 실시예(도 1, 도 7 및 도 16 참조)에서, 광학 디바이스(10)는 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 평행하게 그리고 공구홀더(310)의 방향으로 배향된 전방 광원(104)을 더 포함한다. 이 광원(104)은 광학 시스템(100)의 인근에 배치될 수 있다. 이 광원(104)은 측정 작동 위치에서 공구(312)의 단부 부분(313)의 전면 조명을 제공하기 위해 공구(312)의 방향으로 배향된다. 특히, 도 1, 도 7 및 도 16에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 전방 광원(104)은 광학 시스템(100)의 입사면(102)을 둘러싸는 환형 광원이다: 이 경우 전방 광원(104)은 광학 시스템(100)의 광학 축(O)과 동축이다. 이 전방 광원(104)은 광학 시스템(100)에 의해 보이는 공구의 단부 부분(313)의 표면의 양호한 조명을 가능하게 한다.
일 실시예(도 1 및 도 16 참조)에서, 광학 디바이스(10)는 광학 시스템(100)의 방향으로 배향된 후방 광원(106)을 더 포함한다. 이 광원(106)은 측정 작동 위치에서 광학 시스템(100)에 대한 공구(312)의 단부 부분(313)의 후방("후면") 조명을 제공하기 위해 배치된다. 특히, 도 1 및 도 16에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 후방 광원(106)은 광학 시스템(100)의 광학 축(O)과 동축, 바람직하게는 일직선 상에 있다. 측정 작동 위치(도 16 참조)에서, 공구의 단부 부분은 상기 공구의 단부 부분(313)이 뒤에서 조명되도록 광학 시스템(100)의 입사면(102)과 후방 광원(106) 사이에 위치하고, 이는 광학 시스템(100)에 의해 보이는 단부 부분(313)의 윤곽 구역에서 캡쳐된 이미지의 대비를 향상시킨다.
광학 시스템(100)은 또한 제2 이미지 획득 시스템(112)을 갖는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)을 포함하고 또한 측정 작동 위치에서 공구(312)의 단부 부분(313)의 이미지의 캡쳐를 가능하게 한다. 이를 위해, 제 1 이미지 캡쳐 시스템(210)의 광학 경로와 제 2 광학 이미지 캡쳐 시스템(120)의 광학 경로는 광학 시스템(100)에 의해 관측되는 물체를 향하고 이로부터 나오는 공통의 광학 경로 부분을 가지며, 여기서 공구(312)의 단부 부분(313)을 예로 들 수 있다(도 4 및 도 16 참조). 도 6 및 도 8을 참조하여 설명될 다른 측정 구성에서, 광학 시스템(100)에 의해 관측된 물체를 형성하는 것은 공구홀더(310)에 장착된 타겟(200)이다. 이후로 "관측된 물체"는 특히 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313) 또는 타겟(200)을 의미한다. 측정 작동 위치에서 제1 이미지 캡쳐 시스템(210)은 관측된 물체의 방향을 향하고 관측된 물체와 정렬된 이미지 캡쳐 시스템을 형성하고, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 관측된 물체와 정렬된 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 경로(116)를 결합하는 광학 경로(126)를 가지며 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 관해 그리고 광학 경로(116 및 126)의 공통 부분(관측된 물체와 정렬된)에 관해 보여진 물체에 대해 편심인 이미지 캡쳐 시스템을 형성한다. 광학 축(O)은 제1 광학 경로(116)와 제2 광학 경로(126)의 공통 부분의 평균 반경에 중첩된다. 이 공통 부분에서 제1 광학 경로(116) 및 제2 광학 경로(126)의 섹션은 서로에 평행하지만 반드시 중첩되는 것은 아니다.
광학 경로(116, 126)의 공통 부분에서 광학 광선은 적어도 부분적으로 일치하거나 서로에 대해 단지 평행하다. 편심 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 바람직하게는 광학 축(O)에 평행한 이 제2 이미지 캡쳐 시스템(120) 내부의 광학 경로 부분(126)을 갖는다. 광학 경로(126)의 내부 부분은 거울(129)과 같은 반사굴절 광학 시스템을 포함하는 전용 광학 모듈(128)에 의해 정렬된 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 경로(116)에 연결되거나 또는 더욱 정확하게는 결합된다. 이러한 방식으로 편심 이미지 캡쳐 시스템(여기서 제2 이미지 캡쳐 시스템(120))의 입사부는 정렬된 이미지 캡쳐 시스템(여기서는 제1 이미지 캡쳐 시스템(110))의 경로 또는 광학 경로에 연결된다. 따라서, 광학 시스템(100)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)과 제2 이미지 캡쳐 시스템(120) 사이에 배치되고 제1 및 제2 이미지 캡쳐 시스템의 하나의 적어도 일부를 통해서 제1 및 제2 이미지 캡쳐 시스템의 다른 부분으로 통과하는 광선의 일부를 우회시키도록 구성된 광학 모듈(128)(예: 거울(129)과 같은 반사굴절 광학 요소를 포함함)을 포함한다. 광학 시스템(100)은 광학 시스템(100)에 의해 관측되는 물체(도 4 및 도 16에서 공구(312)의 단부 부분(313) 및 도 6 및 도 8에서 타겟(200))로부터의 광학 경로가 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120) 중 다른 하나(도 4, 도 6, 도 8 및 도 16의 제2 이미지 캡쳐 시스템(120))에 도달하기 전에 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 또는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)(도 4, 도 6, 도 8 및 도 16의 제1 이미지 캡쳐 시스템(110))의 적어도 일부를 통과하도록 이루어진다. 또한, 도시된 구성에서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 서로 평행하게 배치된다. 또한, 표시된 구성에서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)은 부품 지지부(320)에 직접 장착되고 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 축에 대해 편심되지만 반대가 적용될 수 있다. 즉, 제2 이미지 캡쳐 시스템(110)이 부품 지지부(320)에 직접 장착되고 이미지 캡쳐 시스템(120)이 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 축에 대해 편심된 구성일 수 있다.
이러한 방식으로, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)이 관측된 물체와 정렬될 때 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)도 관측된 물체를 보고 또한 이를 이미지화하고 그 관측된 물체의 이미지를 생성할 수 있다는 것이 분명하다. 이제 설명되는 바와 같이, 이 이미지는 공구(312)의 위치를 결정하고 공구(312)의 단부 부분의 프로파일을 결정하는데 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서 부품 지지부(320) 및 공구홀더(310)를 포함하는 가공 모듈(300)에서 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 위치를 검출하는 방법이 제안되며, 상기 방법은:
i) 상기 가공 모듈(300)에 검출 유닛(304)을 제공하는 단계로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함하고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 부품 지지부(320)에 장착되는, 상기 제공 단계,
Ⅱ) 상기 공구(312)를 상기 공구홀더(310)에 적재하는 단계로서, 이 단계는 상기 공구(312)와 상기 공구홀더(310) 사이의 상대 위치를 결정하는, 상기 적재 단계,
Ⅲ) 측정 작동 위치에서 상기 부품 지지부(320)에 대해 (도 4의 구성에 따라) 상기 공구홀더(310)를 위치시키는 단계로서, 이 단계는 공구(312), 특히 공구(312)의 단부 부분(313) 또는 공구(312)의 일부 다른 부분을 광학 시스템(100)을 볼 수 있는 방식으로 배치하는 것을 가능하게 하는, 상기 위치시키는 단계,
iv) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계, 및
v) 상기 광학 시스템(100)을 통해 상기 가공 모듈(300)에서 상기 공구(312)의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
이 스테이지에서, 도면에 도시된 본 발명에 따른 가공 모듈(300)의 배열의 경우에, 상기 광학 시스템(100)이 부품 지지부(320)에 장착되는 것을 다시 지적할 필요가 있다. 따라서 결과적으로 공구(312)(및 특히 그 단부 부분(313))의 광학 시스템(100)에 의한 이미징은 공구(312)(공구의 상기 단부 부분(313))와 부품 지지부(320) 사이의 상대 위치뿐만 아니라 공구홀더(310)와 부품 지지부(320) 사이의 상대 위치의 결정을 가능하게 할 수도 있다는 것이 분명하다.
공구의 위치를 검출하는 상기 방법에 관한 제1 가능성에 따르면, 검출 유닛(304)의 활성화 시에, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)이 사용되고 따라서 제1 이미지 캡쳐 시스템(112)이 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상)의 이미지(들)를 생성한다. 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 공구의 에지에 대한 그리고 방향(X)으로 (예컨대, 도 4 배열로부터 발생하는) 이 이미지 및 특히 이 이미지의 예리하게 초점 구역의 위치를 분석하면, 광학 시스템(100)에 대한 공구(312)의 거리, 따라서 공구(313)의 Z에서의 위치의 결정을 가능하게 한다. 이 이미지는 또한 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 바와 같이 절단 에지 또는 에지들(투영에서)의 식별을 가능하게 한다. 이러한 식별은 특히 에지에 대한 위치 및 기하학적 형태(절단 에지 또는 에지들에 대응하는 라인 또는 라인들의 이미지에서의 형상) 모두의 관점에 있다.
공구의 위치를 검출하는 상기 방법에 관한 제2 가능성(상기 제1 가능성에 대한 대안으로서 또는 이에 더하여)에 따르면, 검출 유닛(304)의 활성화 시에, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)이 사용되며 따라서 제2 이미지 획득 시스템(122)이 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상)의 이미지(들)를 생성한다. 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 공구의 에지에 대한 그리고 방향(X)으로 (예컨대, 도 4 배열로부터 발생하는) 이 이미지 및 특히 이 이미지의 예리하게 초점 구역의 위치를 분석하면, 광학 시스템(100)에 대한 공구(312)의 거리, 따라서 공구(313)의 Z에서의 위치의 결정을 가능하게 한다. 이 이미지는 또한 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)에 의해 보여지는 바와 같이 (투영에서) 절단 에지 또는 에지들의 결정을 가능하게 한다. 이러한 식별은 특히 에지에 대한 위치 및 기하학적 형태(절단 에지 또는 에지들에 대응하는 라인 또는 라인들의 이미지에서의 형상) 모두의 관점에 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 부품 지지부(320) 및 공구홀더(310)를 포함하는 가공 모듈(300)에서 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 프로파일 검출 방법이 제안되며, 상기 방법은:
i) 상기 가공 모듈(300)에 검출 유닛(304)을 제공하는 단계로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함하고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 부품 지지부(320)에 장착되는, 상기 제공 단계,
Ⅱ) 상기 공구(312)를 상기 공구홀더(310)에 적재하는 단계로서, 공구(312)와 공구홀더(310) 사이의 상대 위치를 식별할 수 있게 하는, 상기 적재 단계,
Ⅲ) 측정 작동 위치에서 (예: 도 4 구성에 따라) 상기 부품 지지부(320)에 대해 상기 공구홀더(310)를 위치시키는 단계로서, 공구(312), 특히 공구(312)의 단부 부분(313) 또는 공구(312)의 일부 다른 부분을 광학 시스템(100)에 볼 수 있는 방식으로 배치하는 것을 가능하게 하는, 상기 위치시키는 단계.
iv) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계, 및
v) 상기 광학 시스템(100)을 통해 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(또는 일부 다른 부분)의 프로파일을 결정하는 단계를 포함한다.
공구(312)의 프로파일을 검출하는 상기 방법에 관한 제1 가능성에 따르면, 검출 유닛(304)의 활성화 시에, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)이 사용되고 따라서 제1 이미지 캡쳐 시스템(112)이 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상)의 이미지(들)를 생성한다. 이 이미지를 분석하면, 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 공구의 에지를 검출할 수 있다. 이는 에지 즉, 방향(Z)과 직교하는 평면(X, Y)에서의 투영에서 보여지고, 그 자체가 광학 시스템의 광학 축(O)에 평행한 공구(312)의 단부(312)의 윤곽에 관한 것이다. 따라서, 공구(312)의 이 에지의 형상(이 경우 윤곽선)은 이미징 시에 공구홀더(31)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313)의 기하학적 형태에 대한 정보를 제공한다. 이 이미지는 또한 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 바와 같이 (투영에서) 절단 에지 또는 에지들의 식별을 가능하게 한다. 이러한 식별은 특히 에지에 대한 위치 및 기하학적 형태(절단 에지 또는 에지들에 대응하는 라인 또는 라인들의 이미지에서의 형상) 모두의 관점에 있다.
공구(312)의 위치를 검출하는 상기 방법에 관한 제2 가능성(전술한 제1 가능성에 대한 대안으로서 또는 이에 더하여)에 따르면, 검출 유닛(304)의 활성화 시에, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)이 사용되고 따라서 제2 이미지 획득 시스템(122)이 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상의) 이미지(들)를 생성한다. 이 이미지를 분석하면, 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)에 의해 보여지는 공구의 에지를 검출할 수 있다. 이는 해당 에지 즉, 방향(Z)과 직교하는 평면(X, Y)에서의 투영에서 보여지고, 그 자체가 광학 시스템의 광학 축(O)에 평행한 공구(312)의 단부(312)의 윤곽이다. 따라서, 공구(312)의 이 에지의 형상(이 경우 윤곽선)은 이미징 시에 공구홀더(31)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313)의 기하학적 형태에 대한 정보를 제공한다. 이 이미지는 또한 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)에 의해 보여지는 바와 같이 (투영에서) 절단 에지 또는 에지들의 식별을 가능하게 한다. 이러한 식별은 특히 에지에 대한 위치 및 기하학적 형태(절단 에지 또는 에지들에 대응하는 라인 또는 라인들의 이미지에서의 형상) 모두의 관점에 있다.
공구(312)의 프로파일을 검출하는 이러한 종류의 방법을 사용하면, 특히 측정 작동 위치에서 공구홀더의 축(X)에 대한, 따라서 부품 지지부(312)에 대한 공구(312)의 각도 배향을 결정하고, 또한 공구(312)가 측정 작동 위치에서 부품 지지부에 대해 필요한 배향에 있는지 확인할 수 있다. 또한, 공구(312)의 프로파일을 검출하는 이러한 종류의 방법을 사용하면, 프로파일을 확립하고 공구홀더에 장착된 공구(312)가 예상된 공구에 대응하는지(검출된 프로파일이 예상되는 미리 결정된 프로파일에 대응하는지) 검증하는 것을 가능하게 하고 따라서 공구홀더(310)에 부적절한 공구를 장착하는 것을 방지할 수 있다.
도 8에는 광학 시스템(100) 및 일 실시예에서 타겟(200) 및 광학 시스템(100) 사이의 상대 위치의 3차원 측정을 수행하기 위해 서로 협력하도록 구성된 3차원 타겟(200)을 포함하는 광학 디바이스(10)가 도시되어 있다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 이 측정은 또한 공구홀더(310)(타겟(200)을 지지함)와 부품 지지부(320)(광학 시스템(100)을 지지함) 사이의 상대 위치의 측정을 가능하게 하고, 그로부터 공구(312)(공구홀더(310)에 장착됨)와 부품(322)(부품 지지부(320)에 장착됨) 사이의 상대 위치가 추정된다. 실제로, 이 측정 위치에서 타겟(200)은 광학 시스템(100)의 방향으로 배향되고 주축에 평행하여 수평 주 방향(Z)을 형성한다. 이를 위해, 광학 시스템(100)의 출력에서 광학 경로(O)는 타겟(200)의 활성면(202)에 직교한다.
타겟(200)은 이제 도 8, 도 10, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명될 것이다. 타겟(200)은 팁의 형태를 취하고, 여기서 원형 단면 실린더 형상(그것은 정사각형 또는 다른 단면일 수 있음)의 형태를 취하고, 그 한 측면은 측정을 생성하기 위한 활성면(202)을 형성한다. 따라서 측정을 생성하기 위해 이 활성면(202)은 광학 시스템(100)을 향해, 특히 광학 시스템(100)의 입사면(102)을 향해 회전되며, 축(Z)은 광학 시스템(100)의 입사면(102)으로부터 활성면(202)을 분리하는 주 방향(도면에서 수평)에 대응한다.
타겟(200)의 활성면(202)의 표면은 제1 구조체(210)와 제2 구조체(220) 사이에서 분할된다. 제1 구조체(210)는 표면이 매끄럽고 표면이 확산 반사성인 제1 부분(214)과 표면이 정반사성인 제2 부분(216) 사이에서 평면 기준면(212)을 포함한다. 보다 일반적으로, 상기 평면 기준면(212)은 제1 반사 파라미터에 따라 그 표면이 반사되는 적어도 하나의 제1 부분(214)과 제1 반사 파라미터와 상이한 제2 반사 파라미터에 따라 그 표면이 반사되는 제2 부분(216) 사이에 분할된다. 일 실시예에서, 제1 부분(214)은 확산 반사층, 예컨대 황산바륨 BaSO4층으로 코팅되고, 제2 부분(216)은 정반사 반사층, 예컨대 크롬층으로 형성된다. 도시된 실시예에서, 제2 부분(216)은 연속적인 제1 부분(214)에 배치된 섬들을 형성하는 원형의 복수의 국부적인 구역(217)으로 구성된다. 보다 일반적으로, 제2 부분(216)은 제1 부분(214)에 위치된 일련의 국부적인 구역(217)에 따라 분할된다. 한 가능성에 따르면, 상기 제2 부분(216)의 국부적인 구역(217)은 제1 부분(214)의 분산된 섬 또는 세그먼트로 형성된다. 이들 국부적인 구역(217)은 원형이 아닌 다른 형상의 세그먼트 또는 섬과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. 이들 국부적인 구역(217)은 사변형, 평행사변형, 직사각형, 정사각형, 마름모꼴, 정다각형 및 원의 목록으로부터 기하학적 형태를 그들 사이에 한정한다. 이 기하학적 형태는 중심 대칭을 갖는 기하학적 형태를 한정할 수 있다. 도 10 및 도 11에는 24개의 원형 국부적인 구역(217)이 정사각형에 배치된다. 이 제1 구조체(210)의 목적은 표준 관측 공구를 사용하여 그 중심(C3)을 정확하게 식별할 수 있도록 하는 것이다. 정사각형 형상에서는, 이 정사각형의 두 대각선 C1과 C2가 정사각형의 중심에서 교차한다. 측정 위치에서, 도 6 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 기준면(212)은 표시된 배열의 경우에 가로지르는 각각 수직 방향(축) 및 수평 방향(축)을 형성하는 방향(X 및 Y)에 평행하게 배치된다는 점에 유의해야 한다.
제2 구조체(220)는 기준면(212)에 대해 경사진 면(222)을 포함한다: 이 경사면(222)은 본질적으로 평면이고, 이 경사면의 평균 평면은 기준면(212)에 대해 10도 내지 80도 포함, 예컨대 20 내지 30도 포함, 바람직하게는 25도 정도(도 12 참조)의 예각 α를 형성한다.
일 실시예에서, 이 경사면(222)의 표면은 매끄럽지 않지만, 예컨대 이들 사이에 그리드 또는 라인 어레이를 형성하는, 임의의 또는 미리 결정된 기하학적 형태에 따른 표면 불규칙성을 형성하는 릴리프의 요소(224)를 특징으로 하고, 따라서 구조화된 그리드(표시되지 않음) 또는 구조화된 라인 어레이를 구성한다(도 13 참조). 또한, 일 실시예에서, 제2 구조체(220)의 경사면(222)의 표면은 줄무늬가 있고, 특히 제2 구조체(220)의 경사면(222)의 표면은 에칭된 어레이, 구조화된 그리드 또는 반사 라인(225)의 어레이 중 하나에 의해 덮인다.
이러한 종류의 릴리프 요소(224)는 돌출부 또는 중공, 즉 특히 작은 거칠기 또는 임의의 다른 표면 불규칙성의 형태로 경사면(222)의 평균 평면에 대해 함몰(set back)될 수 있다. 이러한 종류의 릴리프 요소(224)는 경사면(222)의 전체 표면에 걸쳐 존재할 수 있다. 이러한 종류의 릴리프 요소(224)는 경사면(222)의 전체 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포될 수 있다. 예컨대, 릴리프 요소(224)는 그리드 또는 어레이 패턴 또는 보다 일반적으로 이 경사면(222)에서 반사된 광의 양호한 확산을 가능하게 하는 구조화된 표면 또는 거친 표면을 한정하는 세트를 형성할 수 있다. 제2 구조체(220)의 경사면(222)의 표면은 예컨대 그리드 또는 어레이의 패턴들 사이의 피치가 5 내지 100 ㎛ 포함, 특히 5 내지 50 ㎛ 포함, 특히 8 내지 15 ㎛ 포함, 예컨대 10 ㎛ 정도인 에칭된 어레이 또는 구조화된 그리드 중 하나에 의해 덮인다.
예컨대, 이 경사면(222)은 연마되지 않은 실리콘 또는 세라믹, 연마되지 않은 금속 또는 유리 또는 구조화될 수 있는 임의의 다른 재료로 이루어지며 릴리프 요소(224)는 포토리소그래피, 칩 제거에 의한 가공, 직접 쓰기 등 ... 또는 기타 구조화 공정에 의해 얻어진다. 이들 릴리프 요소(224)는 수 ㎛ 또는 수십 ㎛, 특히 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛만큼 각각 평균 평면으로부터 함몰되고/돌출되는 함몰부 및/또는 돌출부를 형성한다.
다른 실시예에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 이 경사면(222)의 표면은 매끄럽고 정반사성 요소(225)를 구성하는 이러한 크롬 라인으로부터 정반사를 일으키는 크롬 라인의 어레이 또는 일부 다른 재료를 포함한다. 라인 형태의 정반사성 요소(225)는 서로 평행하게 배치된다. 측정 위치에서 라인 또는 밴드 형태의 이러한 정반사성 요소(225)는 평면(Y, Z)에 평행하게 배치되어 이 라인들이 방향(Z)으로 경사면을 따라 하나씩 만나도록 한다(이는 또한 방향(X)으로 전진하는 경우). 제2 구조체(220)의 작은 플레이트를 형성하는 기판은 유리 또는 실리콘을 포함하는 상이한 재료로 제조될 수 있으며, 경사면(222) 상에 확산 반사층, 예컨대 정반사성 요소(225)와 교대하는 황산바륨 BaSO4층을 갖거나 또는 이 확산 반사층의 상단에 배치된 정반사성 요소(225)로 경사면의 모든 표면을 덮는다. 이러한 종류의 정반사성 요소(225)는 경사면(222)의 전체 표면에 걸쳐 규칙적으로 분포될 수 있다. 일 실시예에서, 라인 형태의 이러한 정반사성 요소(225)는 25 ㎛의 피치를 갖는 어레이를 형성하고, 상기 라인(특히 크롬)은 12.5 ㎛의 폭을 가지며, 라인들 사이의 갭의 폭과 동일하거나 또는 확산 반사 부분도 역시 12.5 ㎛ 폭의 라인 또는 밴드 형태를 취한다. 다른 실시예에 따르면, 10 ㎛의 피치 또는 보다 일반적으로 5 내지 50 ㎛의 피치가 사용된다. 확산 반사를 생성하는 나머지 표면과 교대하는 이러한 정반사성 요소(225)는 다른 연속 라인 또는 밴드, 특히 불연속 또는 점선, 스트립, 원, 삼각형, 또는 다른 기하학적 형태과 같은 패턴을 형성하는 세그먼트를 취할 수 있다는 것을 주의해야 한다.
도시되지 않은 실시예에 따르면, 제2 구조체(220)의 경사면(222)은 서로 평행한 열로 분포되는 작은 마운드 또는 스파이크 형태의 릴리프로 국부화되고 돌출된 요소(224)를 지탱하고, 상기 릴리프 요소(224)는 한 열에서 다른 열로 서로 오프셋되어 오십점 패턴(quincunx pattern)을 형성한다. 도시되지 않은 다른 실시예에 따르면, 제2 구조체(220)의 경사면(222)은 서로 90°로 교차하는 2개의 일련의 동일한 거리에서 서로 평행한 세그먼트 형태로 릴리프로 돌출 요소(224)를 지지한다. 릴리프 요소(224)의 이 세트는 그리드 패턴을 구성한다. 이 그리드는 서로에 대해 90°가 아닌 다른 각도로 교차하는 일련의 세그먼트와 함께 서로 평행한 두 개의 일련의 세그먼트로 형성될 수 있다는 것을 주의해야 한다. 도 10 내지 도 13에서, 제2 구조체(220)의 경사면(222)은 서로 평행하고 방향(X)으로 서로 동일한 거리에 있는 일련의 세그먼트 형태로 릴리프로 오목한 요소(224)를 지지한다: 이 경우 이러한 릴리프 요소(224)는 홈을 형성한다. 따라서 이 방향(X)은 릴리프로 요소(224)를 형성하는 세그먼트의 방향에 직교한다.
도 14로부터의 실시예에서, 제2 구조체(220)의 경사면(222)의 표면은 따라서 정반사 라인(225)의 어레이, 즉 표면이 정반사 특성을 갖는 서로 평행한 연속 밴드에 의해 덮인다.
따라서, 전술한 경우들 중 일부, 특히 도 13 및 도 14의 경우에서, 제2 구조체(220)의 경사면(222)의 표면은 줄무늬가 있다.
타겟(200)에 대해 표현된 실시예에 따르면, 타겟(200)을 한정하는 팁은 활성면(202)의 표면의 대부분을 차지하는 제1 구조체(210)와 제1 구조체(210)에서 제2 구조체(220)에 보유된 영역을 활성면(202)에 포함한다. 이 상황에서 제1 구조체(210)는 제2 구조체(220)를 둘러싼다. 보다 정확하게는, 제1 구조체(210)의 제2 부분(216)의 국부적 영역(217)은 제2 구조체(220)를 둘러싸는 정사각형을 형성한다. 가능한 배치이며, 도시된 바와 같은 타겟(200)의 실시예의 경우, 제1 구조체(210) 및 제2 구조체(220)는 활성면(202) 상에서 서로 동심으로 배치된다. 더욱이, 도시된 상황에서와 같이, 제1 구조체(210)는 예컨대 경사면(222)을 포함하는 작은 플레이트에 배치된 상기 제2 구조체(220)를 수용하는 하우징(219)을 위한 개구(218)를 한정한다. 작은 플레이트가 제 1 구조체(210)의 하우징(219)에 수용될 때, 경사면(222)은 하우징(219)의 외부 방향, 즉 개구(218)를 향한다. 이 예에서, 제2 구조체(220)는 상기 하우징(219)에 배치되고 경사면(222)은 상기 제1 구조체(210)의 기준면에 대해 뒤로 함몰되고: 이는 경사면(22), 따라서 제2 구조체(220)가 하우징(219)에서 예컨대 0.05 내지 2 ㎜ 또는 0.15 ㎜ 정도 만큼 (주 방향(Z)에 대해, 도 11 참조에 대해) 기준면(212)에 의해 한정된 평면 뒤 후방에 배치된다는 것을 의미한다. 도시되지 않은 또 다른 가능성에 따르면, 제2 구조체(220)는 기준면(212)에 의해 한정된 평면의 전방에 배치된다. 도시되지 않은 또 다른 가능성에 따르면, 제2 구조체(220)는 기준면(212)에 의해 한정된 평면의 양 측부에 배치된다. 즉 경사면(222)의 한 부분은 기준면(212)에 대해 후방에 배치되고 경사면(222)의 다른 부분은 기준면(212)에 대해 전방에 배치된다.
도 12에서 알 수 있는 바와 같이 환경(먼지, 기름, 충격 등)으로부터 제1구조체(210) 및 제2구조체(220)를 보호하기 위하여 상기 타겟(200)은 투명한 재료, 특히 활성면(202)의 측부에서 제1 구조체(210) 및 제2 구조체(220)를 덮는 유리로 제조된 보호 플레이트(230)를 포함한다. 도 12에 도시된 하나의 가능한 실시예에 따르면, 타겟(200)은 스택 형태로 다음 요소를 포함한다. 바닥벽(231)은 활성면(202)의 측부에 있는 개구(218)에 의해 한정된 하우징(219)의 경계를 정하기 위해 중심이 개방된 플레이트로 형성된 플레이트(232)에 의해 둘러싸여 있다. 플레이트(232)는 보호 플레이트(230)에 의해 둘러싸여서 하우징(219)을 폐쇄한다. 모든 것이 타겟(200)의 전체를 유지하는 원통형 벽(234)으로 둘러싸여 있다. 제2 구조체(220)를 포함하는 보호 플레이트(230)는 예컨대 활성면(202)을 향하는 [릴리프 요소(224) 또는 정반사성 요소(225)를 지지하는] 경사면(222)을 갖는 하우징(219)에 수용된 실리콘 플레이트이다. 활성면(202)을 향하는 플레이트(232)의 면은 제1 부분(214)(확산 반사성 표면) 및 제2 부분(216)(특히 국부적 요소(217) 형태의 정반사성 표면)에 대해서 각각 전술한 바와 같이 2개의 영역에서 반사층(233)을 포함한다.
더욱이, 타겟(200)에는 타겟(200)에 대해서 그리고 가능하게는 또한 타겟(200)이 장착되도록 의도된 공구홀더(310)(도 1 및 도 5 참조)에 대해서 고유 식별자 및 데이터의 저장 및 판독을 가능하게 하기 위해 표현되지 않은 RFID(무선 주파수 식별) 유형 마이크로칩이 설치될 수 있다. 이 데이터는 예컨대 특히 해당 공구홀더(310)의 기준 및 해당 공구홀더(310)의 사용과 관련된 기타 정보(예: 일련 번호, 유형, 재료 센터 또는 부품 지지부(320)에 대한 조정, 사용된 횟수, ...)를 포함한다. 도 5, 도 9 및 도 16에서 타겟(200)(및 적용 가능한 경우 RFID 마이크로칩)은 클램프를 형성하는 공구홀더(310)의 부분에 장착된다.
이제 도 8을 참조하여 공간에서 3개의 방향으로 2개의 물체들 사이의 상대 위치 및 그에 따른 부품 지지부(320)와 공구홀더(310) 사이의 상대 위치 또는 가공될 부품(322)과 공구(312) 사이의 상대 위치의 측정을 가능하게 하는 광학 디바이스(10)를 함께 형성하도록 방금 설명된 타겟(200)과 관련된 광학 시스템(100)을 설명할 것이다. 특히 도면에서 축의 직접 시스템인 축(X, Y 및 Z)의 데카르트 시스템에서 직각(가능하게는 직교) 공간이 고려된다. 이 광학 시스템(100)은 동일한 이미징 시퀀스 동안 타겟(200)의 제1 구조체(210)의 이미지와 동시에 타겟(200)의 제2 구조체(220)의 이미지 둘 다를 생성하도록 의도된다. 본 명세서에 따른, 두 이미지의 동시 캡쳐는 초점을 맞추지 않고 수행되므로 이 이미징을 매우 빠르게 실행할 수 있다. 특히 방금 설명된 타겟(200)의 특정 구조와 연결된 다른 특성은 또한 최대 정밀도를 가능하게 한다. 본 출원인은 0.5초 이하로 1 ㎛ 이하의 정밀도로 반복 가능한 상대 측정을 생성할 수 있는 본 설명에 따른 3차원 측정 광학 디바이스(10)를 생산했다.
광학 시스템(100)은 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)을 포함한다. 하나의 가능한 배치에 따르면, 상기 광학 시스템(100)은 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리와 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 초점 거리 사이의 차이가 기준면(212)을 경사면(202)으로부터 분리하는 것을 포함하는 최소 거리와 최대 거리 사이에 있도록 배열된다. 다른 가능한 배열에 따르면, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 피사계 심도(DFO1)는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 피사계 심도(DFO2)보다 훨씬 더 크고 특히 적어도 10배 크다. 예컨대, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 피사계 심도(DFO1)는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 피사계 심도(DFO2)보다 10배 내지 10000 또는 100배 내지 5000배 더 크다. 다양한 가능성 중에서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 피사계 심도(DFO1)는 0.8㎜ 이상, 또는 0.5 내지 5㎜ 포함, 또는 0.8 내지 3㎜ 포함, 또는 1 내지 2㎜ 포함이다. 또한, 다양한 가능성에 따라, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 피사계 심도(DFO2)는 0.1㎜ 이하, 또는 5 내지 50 ㎛ 포함, 또는 8 내지 30 ㎛ 포함, 또는 10 내지 20 ㎛ 포함이다.
일 실시예에 따르면, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)은 그 이미지 초점면(F1)이 제1 구조체(210)의 기준면(212)에 대응할 수 있도록 구성되고, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 그 이미지가 초점면(F2)이 3차원 타겟(200)의 경사면(222)과 교차할 수 있도록 구성될 수 있다.
광학 시스템(100)에 의해 관측되는 물체가 타겟(200)일 때, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)은 본질적으로 다른 조정 없이도 타겟(200) 및 수 ㎜에 걸쳐 변할 수 있는 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 사이의 거리 범위에 걸쳐 제1 구조체(210)의 모든 기준면(212)에 초점을 맞출 수 있다. 이와 병행하여, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 본질적으로 다른 조정 없이도 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리에 대응하는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)으로부터 거리에 있는 제2 구조체(210)의 경사면(222) 부분에 초점을 맞출 수 있다. 한 가능성에 따르면, 제1 이미지 캡쳐 시스템(210)의 배율은 제2 이미지 캡쳐 시스템(220)의 배율보다 작다.
하나의 가능한 구성에서, 광학 시스템(100)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 경로와 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 광학 경로가 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 배치된 공통 섹션을 갖도록 배열되고 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 이미지 초점면(F1)과 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 이미지 초점면(F2)을 포함한다. 이 경우 광학 시스템(100)은 바람직하게는 물체로부터의 광학 경로가 제1 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120) 중 다른 하나에 도달하기 전에 제1 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120) 중 하나의 적어도 일부를 통과하도록 배열된다.
하나의 가능한 배치에 따르면, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 제1 이미지 획득 시스템(112) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 제2 이미지 획득 시스템(122)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)을 통해 제1 이미지 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)을 통한 제2 이미지를 동시에 캡쳐하기 위해 동기화된다. 이 경우 타겟과 광학 시스템(100)은 광학 시스템(100)에 의한 타겟(200)의 이미징의 단일 단계를 통해 가공될 부품의 지지부(320)와 공구홀더(310) 사이의 3차원 상대 위치를 결정할 수 있도록 구성된 측정 광학 디바이스(10)의 일부임이 분명하다. 이 경우 광학 시스템(100)에 의해 공구홀더(310)에 장착된 공구의 단부 부분(313)을 이미징하는 이 단일 단계는 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(312)의 프로파일, 특히 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(312)의 3차원 프로파일의 결정을 가능하게 한다.
이미 위에서 설명된 바와 같이, 제 1 이미지 캡쳐 시스템(210) 및 제 2 이미지 캡쳐 시스템(220)에 의해 타겟(200)의 뷰에 동시 액세스를 가능하게 하기 위해, 후자는 광학 시스템(100)에 의해 관측되는 물체, 이 예에서는 타겟(200)을 공구홀더(310)에 장착하고 광학 시스템(100)을 부품 지지부(320)에 장착한 후 타겟(200)(도 6 및 도 8 참조)을 향하고 타겟으로부터 오는 공통 광학 경로 부분을 가진다. 이를 위해, 측정 작동 위치에서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(210)은 타겟(200)의 활성면(202) 방향으로 향하고 타겟(200)과 정렬된 이미지 캡쳐 시스템을 형성하고 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 타겟(200)과 정렬된 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 경로(116)를 결합하는 광학 경로(126)를 가지며 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 대해, 그리고 광학 경로(116, 126)의 공통 부분(타겟과 정렬된 공통 부분)에 대해 편심인 이미지 캡쳐 시스템을 형성한다. 다시 말해, 타겟(200)과 정렬된 이미지 캡쳐 시스템의 광학 경로는 기준면(212)에 실질적으로 수직이다.
특히, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 이미지 캡쳐 시스템(210)은 타겟(200)의 활성면(202) 방향을 향하고, 즉, 제1 이미지 캡쳐 시스템(210)은 타겟(200)의 활성면(202)에 대해 수직 방식으로 배향된다. 이는 광학 축(O)과 광학 경로(116 및 126)의 공통 부분이 타겟(200)과 정렬되고 타겟(200)의 활성면(202)[따라서 기준면(212)]에 수직한다는 것을 의미한다. 이 구성에서, 도 6 및 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 광학 축(O)과 광학 경로(116, 126)의 공통 부분은 주 방향(Z)에 평행하고 가로 방향(X 및 Y)와 평면(X, Y)에 직교한다.
일 실시예에서, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리는 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 초점 거리보다 크다. 예컨대, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리와 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 초점 거리 사이의 차이는 0.5 내지 5㎜ 포함이다.
일 실시예에서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 배율은 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 배율보다 작거나 같다. 예컨대, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 배율은 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 배율의 0.2배 내지 1배 포함이다. 예컨대, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 배율은 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 배율의 0.3 내지 0.8 포함, 또는 0.4 내지 0.6 포함, 및 바람직하게는 약 0.5배이다. .
도 6 및 도 8의 실시예에서, 광학 시스템(100)은 공구홀더(310)의 방향으로 배향되고 3차원 타겟(200)의 방향으로 배향되도록 적응된 도 1 내지 도 4와 관련하여 위에서 언급된 광원(140)을 더 포함하고, 이 광원(140)은 3차원 타겟(200)의 측방향 조명을 제공할 수 있도록 배치된다. 이를 위해, 이 광원(140)은 광학 시스템(100)의 광학 경로(116 및 126)에 대해 편심 및 경사 방식으로 배열된다. 특히, 광원(140)으로부터의 광선은 타겟의 반사 표면, 특히 국부적인 구역(217)에서 정반사가 광학 시스템(100)으로 침투하지 않는 반사 광선을 생성하도록 타겟의 기준면(212)과 각도를 형성한다. 유사하게, 경사면(222)이 정반사성 요소(225)를 포함할 때, 정반사성 요소(225)에서의 광원(140)으로부터의 광선의 반사는 광학 시스템(100)으로 침투하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 사용된 제1 이미지 캡쳐 시스템(210) 및 사용된 제2 이미지 캡쳐 시스템(220)은 텔레센트릭(telecentric)이다. 텔레센트리시티(telecentricity)는 시스템을 통과하는 모든 주 광선(광선으로 구성된 각 빔의 중심 광선)이 광학 축에 실제로 시준되고 평행한 광학 시스템의 특성이다. 텔레센트릭 광학의 경우에, 피사계 심도 개념이 작동 거리 개념으로 대체된다. 다른 실시예에 따르면, 사용된 제1 이미지 캡쳐 시스템(210) 및 사용된 제2 이미지 캡쳐 시스템(220)은 텔레센트릭이 아니거나 양자 모두 텔레센트릭인 것은 아니다. 그것들이 모두 텔레센트릭인 상황에서, 그것들은 또한 본 명세서에서 이미 위에서 또는 나중에 설명된 바와 같이 공구홀더(310)에 배치된 공구의 기하학적 특성을 측정하는 데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 가공 모듈(300)은 공구홀더(310)(도 1 참조)에 장착된 전술한 타겟(200)을 포함한다. 이 타겟(200)은 (도 1의 화살표(R)에 의해 표시된 회전 후에) 공구홀더가 그 축(X) 주위에서 미리 결정된 각도 위치에 그리고 그 축(X)을 따라 미리 결정된 축방향 위치에(도 6, 도 7 및 도 8 참조)에 있을 때 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 배치될 수 있는 위치결정 기준을 형성하고, 부품 지지부(320)에 대해 공구홀더(310)의 기준 위치를 형성하는 활성면(202)을 포함한다. 이 기준 위치에서 타겟(200)은 광학 시스템(100)의 이미지 초점면이 타겟의 활성면(202)과 일치할 수 있도록 배치된다. 특히, 제한 방식이 아니지만, 이 기준 위치에서 타겟(200)은 광학 시스템(100)의 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 이미지 초점면(F1)이 타겟의 활성면(202)과 일치할 수 있도록 (도 12 참조) 그리고 제2 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면(F2)이 타겟(200)의 경사면(222)과 교차할 수 있도록[제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리는 타겟(200)의 제2 구조체(220) 상의 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 이미지 초점(F2)를 배치할 수 있도록] 배치된다.
이제 도 1 및 도 6을 참조하여 가공 모듈(300)이 광학 디바이스(10)를 포함하는 공작 기계의 경우에 타겟(200)과 광학 시스템(100) 사이의 3차원 광학 측정 방법을 설명한다. 공작 기계, 특히 공작 기계 프레임의 방향을 기준 방향(X, Y 및 Z)으로 취하고, 이는 수직 방향(X)(또는 제1 가로 축), 주 수평 방향(Z)(또는 주 축) 및 측방향 수평 방향(Y)(또는 제2 가로 축)이다. 타겟(200)은 공구홀더(310)에 배치된다(도 5 참조): 공구홀더(310)는 해당 축(X)을 중심으로 회전할 가능성과 함께 축(X)에 대응하는 수평 주 방향으로 연장된다. 이를 위해, 공구홀더(310)의 일부, 예컨대, 클램프는 타겟(200)이 배치될 수 있는 클램프를 체결/체결해제하기 위한 공구를 장착하는 데 일반적으로 전용된 주변부에 하우징을 지지하며, 이는 가능하게는 상술한 바와 같이 RFID 마이크로칩과 연관될 수 있다. 또한, 광학 시스템(100)은 가공될 부품(322)을 수용하는 부품 지지부(320)(도 1 참조) 상에 장착된다. 부품 지지부(320)는 해당 축(Z)을 중심으로 회전할 수 있는 가능성과 함께 축(Z)에 대응하는 수평 주 방향으로 연장된다. 후속적으로 부품 지지부(320)와 공구홀더(310)는 가공 단계 전에 함께 가까운 위치에 배치되어, 공구(312)와 가공될 부품(322)을 상대 측정 위치에서 서로 가깝게 배치한다. 공구홀더(310)에 타겟(200)을 위치시키고 부품 지지부(320)에 광학 시스템(100)을 위치시키면, 이 상대적인 측정 위치에서 타겟(200)의 위치가 광학 시스템(100)의 광학 축(O)과 일직선 상에 더욱 정확한 기준면(202)이 될 수 있게 한다[이 광학 축(O)은 방향(Z)에 평행함을 주목하라]. 따라서 타겟(200)의 기준면(202)은 광학 시스템(100)의 입사면(102) 방향을 향한다.
도 1에 도시된 상황에서와 같이, 광학 디바이스(10)는 공구홀더(310) 상에 배치되고 타겟(200)의 활성면(202)의 배향 및/또는 특히, X축을 중심으로 한 공구홀더(310)의 회전 부품의 각도 배향을 식별하도록 구성된 제3 이미지 캡쳐 시스템(130)을 더 포함한다. 타겟(200)을 위치시키는 추가 예비 단계는 상기 광학 시스템(100)과 동시에 이미지 캡쳐 단계 전에 수행되며, 여기서:
- 공구홀더(310) 및 부품 지지부(320)는 3차원 타겟(200)의 활성면(202)이 광학 시스템(100)의 광학 경로(O) 상에 있도록 배치된다. 특히, 제3 이미지 캡쳐 시스템(130)은 공구홀더(310)의 회전 부품에 대한, 및 따라서 축(X)에 대한 타겟(200)의 각도 배향을 식별하는 데 사용될 수 있고, 이는 필요한 경우 공구홀더(310)의 회전 부품의 각도 방향을 수정하는 것을 가능하게 하고[도 6에서 화살표(R) 참조], 따라서 활성면(202)이 광학 시스템(100)의 방향을 향하도록 타겟(200)을 배치하는 것을 가능하게 한다. 도 6 및 도 8의 경우에 전술한 바와 같이, 타겟(200)이 광학 시스템(100)의 방향으로 배향될 때 상대 측정 위치가 획득된다: 이 경우에, 방향(Z)은 타겟(200)과 광학 시스템(100) 사이에서 연장된다.
일 실시예에서, 광학 디바이스(10)는 공구홀더(310) 상에 배치되고 그 축(X)을 중심으로 한 공구홀더(310)의 각도 배향을 식별하도록 구성된 제3 이미지 캡쳐 시스템(130)을 더 포함한다. 타겟(200)이 존재하는 경우, 이 제3 이미지 캡쳐 시스템(130)은 또한 또는 단지 공구홀더(310)의 축(X)에 대한 타겟(200)의 활성면(202)의 배향의 식별을 가능하게 한다.
광학 디바이스(10), 즉 부품 지지부(320) 및 공구홀더에 각각 장착된 광학 시스템(100) 및 관련 타겟(200)의 제1 사용 시, 타겟(200)을 운반하는 공구홀더(310)에 대한 타겟(200) 위치의 세 방향(X, Y 및 Z)으로의 공간 기준으로부터 추가 예비 단계가 수행되어야 한다. 초점 거리를 포함한 광학 시스템(100), 즉 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템의 파라미터는 분명히 알려져 있다는 주목해야 한다. 이 스테이지에서, 가공 모듈(300)의 작업 공간이 제한되고 일정한 온도로 유지된다면, 이러한 열적 안정성은 광학 디바이스(10)의 치수 안정성 및 그에 따른 파라미터의 치수 안정성을 생성한다는 것을 지적할 수 있다.
단부에서 타겟(200)과 광학 시스템(100) 사이의 3차원 상대 위치의 측정은 결국 X, Y 및 Z에서 및 공구홀더(310)와 부품 지지부(320) 사이에서의 3차원 상대 위치를 결정하기 위해 공작 기계의 경우에 사용된다는 것을 기억해야 한다.
본 명세서에서 X, Y 및 Z의 3방향은 예컨대 공작 기계의 가공 모듈(300)의 축들이다. 따라서 Z은 주축, 즉 제1 물체(공구홀더(310))와 제2 물체(부품 지지부(320))를 분리하는 주 수평 방향으로 한정될 수 있다. X는 수직 방향 또는 더 일반적으로 제1 가로 축으로 한정될 수 있고 Y는 측 수평 방향 또는 더 일반적으로 제2 가로 축으로 한정될 수 있다. 일 실시예에서, 공구홀더(310)는 이 방향(X)에 평행한 축을 중심으로 회전한다.
타겟(200)의 위치(광학 디바이스(10)의 보정)의 X, Y, Z의 3 방향으로의 공간 기준의 이 단계 동안, 예컨대 도 6 및 도 9로부터의 배열로, 광학 시스템(100)에 의한 이미지 캡쳐가 활성화되고, 이는 한편으로 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 제1 이미지 획득 시스템(112)에 의해 모든 기준면(212)을 갖는 타겟(200)의 모든 활성면(202)의 제1 선명하게 초점이 맞춰진 이미지의 생성을 생성하고 다른 한편으로 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 제2 이미지 획득 시스템(122)에 의해 수평 밴드 형태의 단 하나의 선명하게 초점이 맞춰진 구역을 갖는 타겟(200)의 모든 경사면(222)의 제2 이미지의 생성을 생성한다. 이 제1 이미지는 국부적 영역(217)의 이미지를 포함하며, 여기에서는 정사각형을 구분하며(도 10 참조), 따라서 제1 이미지를 처리하면 정사각형의 대각선(C1 및 C2)이 생성되고 정사각형의 중심(C3)을 식별할 수 있다. 따라서, 제1 이미지에서 광학 축(O)의 위치가 알려져 있으므로, 정사각형의 중심(C3) 위치를 결정하면, 광학 축(O)에 대한 타겟(200)의 X 및 Y에서의 위치를 한편으로는 공구홀더(310)의 방향(X)으로 마커(314)에 대해 그리고 다른 한편으로는 공구홀더(310)에서 방향(Y)으로 마커(316)에 대해 결정할 수 있다. 실제로, 도 6 및 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, X 기준을 통해서, 예컨대 제1 이미지에서 라인으로 보이는 공구홀더(310)의 섹션을 따라 재진입 숄더로 인해 축(X)에 직교하고 방향(X)의 상기 마커(314)(도 9 참조)를 형성하는 공구홀더(310)의 면이 사용된다. 더욱이, 도 6 및 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, Y 기준으로서 X축에 직교하고 표시된 상황에서 타겟(200) 부근의 공구홀더(310)의 폭[방향(Y)에 평행한]으로서, 예컨대 공구홀더(310)의 이 부분이 원형 단면의 실린더일 때의 직경인 타겟(200) 인근의 공구홀더(310)의 치수가 사용되고; 이 치수는 방향(Y)으로 상기 마커(316)를 형성한다(도 9 참조).
이와 병행하여 도 15a에서 그 예를 볼 수 있는 제2 이미지가 처리된다. 이 제2 이미지의 로컬 콘트라스트를 분석함으로써(X 위치의 함수로서 콘트라스트 곡선을 나타내는 도 15b 참조), 제2 이미지의 선명하게 초점이 맞춰진 구역의 수직 방향(X)에서 위치(X0)가 결정된다. 이 분석은 이미지에서 가장 선명하게 초점이 맞춰진 픽셀을 결정하기 위한 알고리즘을 사용한다. 경사면(222)의 기울기가 알려져 있기 때문에, 타겟(200)에 특정한 이 경사면(222)의 X와 Z 사이의 대응 곡선을 사용할 수 있다. 이 대응 곡선 덕분에 알려진 위치(X0)(도 15a 및 도 15b 참조)는 광학 축(O) 상의 경사면(222)의 위치(Z0) 및 따라서 광학 시스템(100)에 대한 타겟(200)의 위치(Z)의 추론을 가능하게 한다. 더욱이, 부품 지지부(320에 대한 광학 시스템(100)의 상대 위치(Z)는 부품 지지부(320) 상의 축(Z) 상에 배치되고 광학 시스템(100)을 지지하는 측정 스케일(도시되지 않음)로부터 알려져 있다. 유사하게, 공구홀더(310)의 마커(314)에 대한 타겟(200)의 위치(Z)는 알려져 있다.
이 작업을 여러 번 수행하고 매번 공구홀더(310)에 대한 부품 지지부(320)의 Z의 거리를 수정함으로써(예: 부품 지지부(310)를 앞뒤로 이동함으로써), 따라서 타겟(200)의 경사면(222)의 3차원 이미지를 재구성하고 공구홀더(310)에 대한 타겟(200)의 경사면(222)의 3차원 좌표의 맵을 형성하는 기준 베이스를 획득할 수 있다. 결국, 이는 모두 공구홀더(310)에 대해 X, Y 및 Z의 3 방향으로 공간적으로 기준이 되는 타겟(200)의 활성면(202)[기준면(212) 및 경사면(222)]이다.
이어서, 위에서 설명한 공간 기준의 측정의 정밀도를 유지하기 위해, 그 동안 탈착되지 않은 이 타겟(200) 및 이 광학 시스템(100)이 장착된 가공 모듈(300)을 사용하는 작업 중에 필요할 때마다 적절한 측정이 수행될 수 있다. 이를 위해, 도 6의 배열을 사용한다. 필요한 경우에, 부품 지지부(320)는 X축[도 1의 화살표 R 참조]에 평행한 회전 축을 중심으로 회전하여 타겟(200)을 광학 시스템(100)과 정렬한다. 광학 시스템(100)에 의한 이미지 캡쳐는 그 다음 활성화되고, 이는 한편으로 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 제1 이미지 획득 시스템(112)에 의해 모든 기준면(212)을 갖는 타겟(200)의 모든 활성면(202)의 제1 선명하게 초점이 맞춰진 이미지의 생성을 야기하고 다른 한편으로 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 제2 이미지 획득 시스템(122)에 의해 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리에 대응하는 수평 밴드의 형태로 단 하나의 선명하게 초점이 맞춰진 구역을 갖는 타겟(200)의 모든 경사면(222)의 제2 이미지의 생성을 야기한다. 전술한 바와 같이, 이 제1 이미지의 분석은 국부적 요소(217)에 의해 형성된 정사각형의 중심(C3)의 식별을 가능하게 하고 따라서 광학 축(O)에 대한 및 또한 공구홀더(310)에 대한 타겟(2)의 X 및 Y에서의 위치의 식별을 가능하게 한다. 제2 이미지의 분석과 특히 방향(X)에서 제2 이미지의 선명하게 초점이 맞춰진 구역(도 6에서와 같이)의 위치에 대한 분석은 위치(Z), 따라서 광학 시스템(100)에 대한 타겟(200)의 거리의 결정을 가능하게 한다. 사실, 제2 이미지의 경우에, 위치(Z)는 공구홀더(310) 상의 기준(314 및 316)에 대한 경사면(222) 이미지의 각 픽셀에 대해 알려져 있으므로, 타겟(200) 및 따라서 공구홀더(310)의 위치(Z)를 매우 빠르게 측정하는 것이 가능하다.
전술한 설명으로부터, 이러한 방식으로 광학 시스템(100)에 의해 생성된 2개의 이미지의 분석에 의해서만 시간 손실 없이 광학 시스템(100)의 조정 또는 초점 맞춤이 매우 신속하게 측정되고, 광학 시스템(100)에 대한 타겟(200)의 X, Y 및 Z에서의 위치 및 부품 지지부(320)에 대한 공구홀더(310)의 위치가 필요하다는 것이 분명하다. 이는 그것을 지지하는 부품 지지부(320)에 대한 광학 시스템(100)의 X, Y 및 Z에서의 위치가 알려져 있기 때문에 가능하다. 공구홀더(310)에 대한 재료 중심[부품 지지부(320)]의 이러한 기준은 방향(X) 기준의 제1 단계에서 한편으로는 광학 시스템(100) 상에 그리고 다른 한편으로는 재료 지지부(320) 상에 필러의 팁에 접촉하는 예컨대 공구홀더(310) 상에 필러(feeler)를 장착함으로써 수행될 수 있고, 이는 광학 시스템(100)과 광학 시스템(100) 사이에 방향(X)으로 거리를 제공한다. 부품 지지부의 축(Z)에 평행하게 공구홀더(310)의 축을 배치한 후에 다시 상기 필러 접촉 단계들을 수행함으로써, 광학 시스템(100)과 광학 시스템(100) 사이의 방향(Z)의 거리를 얻는 것이 가능하다. 열 드리프트의 경우에, 예컨대 다양한 가공 모듈의 부품들의 팽창의 경우에, 이 측정 절차를 통해 열팽창 효과를 피할 수 있다.
이 절차는 후술하는 광학 시스템(100)에 의해 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313)의 위치 또는 프로파일의 결정을 위해 사용될 수 있다. 공정은 더 이상 타겟(200)을 배치하지 않고 대신에 광학 시스템(100)의 광학 축(O) 상에 공구(312)의 단부 부분(313)(도 4 및 도 16 참조)을 배치하는 차이를 갖는 광학 시스템(100)에 대한 타겟(200)의 세 방향(X, Y 및 Z)에서의 위치의 공간적 기준와 관련하여 전술한 설명에 따른다. 이 경우, 검출 유닛(304)의 활성화 시에 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)이 둘 다(특히 동시 방식으로) 사용되며 따라서 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상)의 이미지를 생성하는 것이 제1 이미지 획득 시스템(112) 및 제2 이미지 획득 시스템(112)이라는 것이 분명하다. 사실, 이 측정 위치에서, 단부 부분(313)은 광학 시스템(100)의 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 이미지 초점면(F1)이 단부 부분(313)의 표면의 일부와 일치할 수 있고 제2 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면(F2)이 단부 부분(313)의 표면의 일부와 교차할 수 있도록 배치되고: 따라서, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리는 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 이미지 초점(F2)이 단부 부분(313)의 표면의 일부에 위치될 수 있게 한다.
따라서, 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)에 의해 캡쳐된 이미지가 선명하게 초점이 맞춰진 구역을 통해 광학 시스템(100)[및 따라서 부품 지지부(320)]에 대한 공구(312)의 단부 부분(313) 위치의 축(Z)을 따른 거리에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있게 하고 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 캡쳐된 이미지는 선명하게 초점을 맞춰진 해당 이미지의 모든 부분 또는 대부분을 갖는 공구(212)의 단부 부분(313)의 모든 가시 면의 이미지라는 것이 분명하다. 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 캡쳐된 단부 부분(313)의 이 이미지는 축(Z)을 따라 투영되고 그 단부 부분(313)의 프로파일 또는 프로파일의 일부를 형성하는 공구(212)의 이 단부 부분(313)의 에지 라인의 뷰를 포함하여 공구(212)의 단부 부분(313)의 맵이 제공될 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 공구(312)의 프로파일을 검출하는 방법에 관한 제3 가능성에 따르면, 검출 유닛(304)의 활성화 동안, 따라서 (적어도 일부 경우에만) 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)이 사용되며 따라서 제1 이미지 획득 시스템(112)이 공구(312)의 단부 부분(313)의 하나(또는 그 이상)의 이미지(들)를 생성한다. 해당 이미지의 분석은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 바와 같이 공구의 에지의 검출을 가능하게 한다. 이는 방향(Z)에 직교하는 평면(X, Y)에서 투영된 공구(312)의 단부 부분(312)의 에지, 즉, 광학 시스템의 광학 축(O)에 자체적으로 평행한 윤곽이다. 따라서, 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 캡쳐된 이미지로부터 결정된 바와 같은 공구(312)의 이 에지의 형상(이 경우에 라인)은 이미지를 캡쳐하는 순간 공구홀더(31)에 장착된 공구(312)의 단부 부분(313)의 기하학적 형태에 관한 정보를 제공한다. 이 이미지는 또한 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)에 의해 보여지는 바와 같이 (투영 시에) 절단 에지 또는 에지들의 식별을 가능하게 한다. 이 식별은 특히 에지에 대한 위치와 기하학적 형태(절단 에지에 대응하는 라인의 이미지에서 형상)의 모두의 관점에서 이루어진다.
공구의 단부 부분(313)을 이미징하는 이러한 작업은 공구홀더(310)의 축(X)을 중심으로 한 회전, 특히 몇 도 또는 10 내지 20° 회전 후에 여러 번 반복되어 상이한 각도에서 본 광학 시스템(100)으로부터의 단부 부분(313)의 상이한 이미지를 캡쳐할 수 있다는 것이 분명하다. 이들 모든 이미지는 공구(312)의 단부 부분(313)의 형상(프로파일)의 3차원 재구성을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 전술한 바와 같이 공구의 프로파일을 검출하는 방법이 (상술한 가능한 실시예의 하나 또는 다른 하나에 따라) 사용되는 공작 기계에서 공구(312)의 마모를 검출하는 방법이 또한 제안되고, 이는 제1 상태에서 공구의 단부 부분(313)의 프로파일을 나타내는 정보(적어도 하나의 이미지 포함)를 생성하고 다음 단계 즉,
vi) 상기 공구(312)를 사용하여 가공 단계들을 수행하여, 수정된 프로파일(제2 상태 또는 신규 프로파일)을 갖는 공구의 단부 부분(313)을 갖는 공구(312)를 얻는 단계,
Ⅶ) (예: 도 4 구성에 따라) 상기 측정 작동 위치에서 부품 지지부(320)에 대해 공구홀더(310)를 위치시키는 단계,
Ⅷ) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계,
ix) (예컨대, 절단 프로파일의 위치 및/또는 배향을 확인하거나 예컨대 절단 공구의 특성을 확인하고 따라서 이것이 장래 가공 작업에 필요한 절단 공구 범주인지 확인하기 위해) 광학 시스템(100)을 통해 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 수정된 프로파일을 결정하는 단계, 및
x) 공구의 상기 단부 부분(313)의 프로파일 및 수정된 프로파일로부터 상기 공구의 마모 상태를 설정하는 단계를 더 포함한다.
이 경우, 공구의 제1 상태와 제2 상태에 있는 공구의 단부 부분(313)의 이미지(또는 이미지들)에 연결된 정보를 비교함으로써, 마모 정도, 마모 유형, 마모율 등을 포함하는 공구의 마모를 결정하고, 추적하고, 한정화하는 것(qualify)을 가능하게 한다. 예컨대 이 절차를 사용하면 공구 사용, 특히 일련의 동일한 공구들 중의 제 1 공구의 사용과 병행하여 이미지를 캡쳐할 때 마모 곡선을 구성할 수 있다. 일련의 동일한 공구들 중 각각의 새 공구에 대해, 캡쳐된 이미지 또는 해당 유형의 공구에 대한 마모 차트를 형성하도록 이미 설정된 마모 곡선에 연결된 정보로부터 마모 곡선을 다시 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 일련의 동일한 공구에서 n번째 공구를 사용할 때, 이전에 얻은 마모 곡선 또는 마모 차트와 비교하여 어떤 경우에도 이미지를 덜 자주 캡쳐하여 추세를 보고 따라서 공구의 미래 마모를 예측할 수 있고, 이는 한편으로는 해당 공구를 사용하여 생산된 새 부품 또는 현재 부품에 아직 영향을 미치지 않은 새 가공패스에 대해 공작 기계의 조정을 적절하게 수정할 수 있고 다른 한편으로는 다음 부품을 위해 공구를 교체할지 여부를 예상/결정할 수 있게 한다.
이는 또한 가공 단계가 수행된 후에 수정된 프로파일을 갖는 공구가 사양에 의해 요구되는 것과 일치하는 새로운 기하학적 형태를 갖는다는 것을 증명하고 검증함으로써(또는 무효화) 공구의 양호한 (나쁜) 상태를 한정하는 역할을 한다.
더욱이, 공구(312)의 마모를 검출하기 위한 이러한 종류의 방법의 사용은 또한 그리고 특히 공구홀더의 축(X)에 대한, 따라서 부품 지지부(312)에 대한 수정된 프로파일을 갖는 공구(312)의 각도 배향의 결정을 가능하게 하고 또한 수정된 프로파일을 가진 공구(312)가 측정 작동 위치에 있는 부품 지지부(310)에 대해 요구되는 배향에 있다는 검증을 가능하게 한다. 공구(312)의 마모를 검출하는 이러한 종류의 방법의 사용은 또한 프로파일을 설정하고 공구홀더에 장착된 공구(312)가 예상된 공구에 대응하는지 검증하는 것을 가능하게 하고(검출된 프로파일은 예상되고 미리 결정된 프로파일에 대응한다) 및 따라서 공구홀더(310)에 부적절한 상태로 공구를 장착하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 기술된 바와 같은 가공 모듈이 장착된 공작 기계가 제안되며, 그 공작 기계는 특히 또한 공구(도 1)의 마모를 추적하기 위한 유닛(306)을 포함하며, 이 유닛은 공구(312)의 프로파일을 검출하기 위해 상기 유닛(304)에 의해 제공된 정보에 기초하여 공구의 프로파일의 편차를 계산할 수 있다. 특히, 이 공작 기계에서, 상기 공구의 마모를 추적하기 위한 상기 유닛(306)은, 만약 공구(312)의 단부 부분(313)의 프로파일의 상기 편차가 미리 결정된 편차를 초과하면, 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 수정된 프로파일(새로운 프로파일)이 상기 검출 유닛(304)에 의해 검출되어 가공 파라미터를 재계산하는 데 사용될 수 있다. 이러한 가공 파라미터는 특히 공구홀더의 상기 제어 유닛(302)으로 전송되는 공구홀더(310)를 이동시키기 위한 정보를 포함한다. 특히, 프로파일의 이러한 편차가 임계 편차를 초과하면, 공구의 새로운 프로파일에 연결된 정보가 공구홀더의 상기 제어 유닛(302)으로 전송되는 공구홀더(310)를 이동하기 위한 수정된 정보를 포함하는 가공 파라미터를 재계산하는 데 사용된다. 따라서 공구홀더의 상기 제어 유닛(302)은 이 수정된 정보를 수신하고, 이는 검출 유닛(304)에 의한 공구의 프로파일 측정의 함수로서 가공 단계를 적응시킬 수 있게 한다.
전술한 설명 및 기술은 수평인 축(X)과 수직인 가공 모듈(300)의 축(Y)을 따라 연장되는 공구홀더(310)와 축(X)과 평행한 축을 중심으로 회전하는 공구(312)를 갖는 가공 모듈(300)의 실시예에 대해 주어졌고, 공구홀더(310)는 축(X)을 따라 이동한다. 도 17에 도시된 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따라 수직인 축(X)과 수평인 가공 모듈(300)의 축(Y)을 따라 연장되는 공구홀더(310)와 축(X)과 평행한 축을 중심으로 회전하는 공구(312)를 갖는 가공 모듈(300)이 사용되고, 공구홀더(310)는 축(X)을 따라 이동한다. 도 18 및 도 19에 도시된 다른 실시예를 따라서, 본 발명에 따라 서로 평행하고 (수직) 방향(Y)으로 정렬된 일련의 공구(312, 312', 312'', 312''')를 지지하는 공구홀더(310')를 갖는 가공 모듈(300)이 사용된다. 일련의 공구들의 각 공구(312, 312', 312'', 312''')는 수평인 축(X)을 따라 연장되며, 각 공구(312, 312', 312'', 312''')는 공구(312, 312', 312'', 312''') 중 하나를 지지하는 공구홀더(310')(예: 스핀들)의 회전 부품을 통해 축(X)과 평행한 축을 중심으로 회전(화살표 A)하고; 공구홀더(310')는 축(X)을 따라 그리고 축(Y)을 따라 병진 이동 가능하고 바람직하게는 수직 축(Y)(화살표 B)을 중심으로 회전 이동 가능하다. 이 실시예는 공구(312, 312', 312'', 312''') 중 하나에서 다른 공구로 이동함으로써 가공을 계속할 수 있게 한다. 이 경우, 공구홀더(310')는 또한 전술한 바와 같이 RFID 마이크로칩과 연관될 수 있는 (적어도 하나의) 타겟(200)을 구비한다. 이 경우, 도 18에 도시된 바와 같이, 2개의 타겟(200)은 축(X)에 평행한 축을 중심으로 회전하지 않는 공구홀더(310')의 후방 부품에 배치된다. 이는 도시되지 않았지만, 타겟(200)이 공구(312, 312', 312'', 312''') 중 하나를 지지하는 공구홀더(310')(예: 스핀들)의 회전 부품의 레벨에 있는 각 공구(312, 312', 312'', 312''')에 대해 제공될 수 있다.
X 수직 방향(제1 가로 축)
Y 측면 수평 방향(제2 가로 축)
Z 주 수평 방향(주축)
C1 대각선
C2 대각선
C3 센터
α 경사면의 각도
R 공구홀더와 타겟의 회전을 위한 화살표
10 광학 디바이스
100 광학 시스템
O 광학 축
102 광학 시스템의 입사면
104 환형 전방 광원
106 후방 광원
110 제1 이미지 캡쳐 시스템
DOF1 제1 이미지 캡쳐 시스템의 피사계 심도
F1 제1 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면
112 제1 이미지 획득시스템
116 제1 이미지 캡쳐 시스템의 광학 경로
120 제2 이미지 캡쳐 시스템
F2 제2 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면
DOF2 제2 이미지 캡쳐 시스템의 피사계 심도
122 제2 이미지 획득시스템
126 제2 이미지 캡쳐 시스템의 광학 경로
128 반사 굴절 광학 시스템을 갖는 광학 모듈
129 거울
130 제3 이미지 캡쳐 시스템
140 광원(측면 조명)
200 3차원 타겟
202 활성면
210 제1 구조체
212 기준면
214 제1 부분(확산 반사면)
216 제2 부분(정반사면)
217 국부적인 구역
218 개구
219 하우징
220 제2 구조체
222 경사면
224 릴리프 요소
225 정반사 요소
230 투명한 보호 플레이트
231 바닥벽
232 플레이트
233 반사층
234 원통벽
300 가공 모듈
302 공구홀더의 제어 유닛
304 공구의 프로파일의 검출 유닛
306 공구 마모 추적 유닛
308 부품 지지부의 제어 유닛
310 공구홀더
310' 멀티 스핀들 공구홀더
312 공구
312' 공구
312'' 공구
312''' 공구
313 공구의 단부 부분
313A 마모 구역
314 공구홀더의 X 마커
316 공구홀더의 Y 마커
320 부품 지지부 또는 재료 스핀들
322 가공될 부품(재료)
Y 측면 수평 방향(제2 가로 축)
Z 주 수평 방향(주축)
C1 대각선
C2 대각선
C3 센터
α 경사면의 각도
R 공구홀더와 타겟의 회전을 위한 화살표
10 광학 디바이스
100 광학 시스템
O 광학 축
102 광학 시스템의 입사면
104 환형 전방 광원
106 후방 광원
110 제1 이미지 캡쳐 시스템
DOF1 제1 이미지 캡쳐 시스템의 피사계 심도
F1 제1 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면
112 제1 이미지 획득시스템
116 제1 이미지 캡쳐 시스템의 광학 경로
120 제2 이미지 캡쳐 시스템
F2 제2 이미지 캡쳐 시스템의 이미지 초점면
DOF2 제2 이미지 캡쳐 시스템의 피사계 심도
122 제2 이미지 획득시스템
126 제2 이미지 캡쳐 시스템의 광학 경로
128 반사 굴절 광학 시스템을 갖는 광학 모듈
129 거울
130 제3 이미지 캡쳐 시스템
140 광원(측면 조명)
200 3차원 타겟
202 활성면
210 제1 구조체
212 기준면
214 제1 부분(확산 반사면)
216 제2 부분(정반사면)
217 국부적인 구역
218 개구
219 하우징
220 제2 구조체
222 경사면
224 릴리프 요소
225 정반사 요소
230 투명한 보호 플레이트
231 바닥벽
232 플레이트
233 반사층
234 원통벽
300 가공 모듈
302 공구홀더의 제어 유닛
304 공구의 프로파일의 검출 유닛
306 공구 마모 추적 유닛
308 부품 지지부의 제어 유닛
310 공구홀더
310' 멀티 스핀들 공구홀더
312 공구
312' 공구
312'' 공구
312''' 공구
313 공구의 단부 부분
313A 마모 구역
314 공구홀더의 X 마커
316 공구홀더의 Y 마커
320 부품 지지부 또는 재료 스핀들
322 가공될 부품(재료)
Claims (19)
- 공작 기계용 재료 제거 가공 모듈(300)에 있어서,
- 가공될 부품(322)을 수용하기 위한 부품 지지부(320),
- 상기 가공 모듈(300)에서 상기 부품 지지부(320)의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 상기 부품 지지부의 제어 유닛(308),
- 상기 부품 지지부에 장착된 상기 부품을 가공하는 데 사용되는 단부 부분(313)을 갖는 공구(312)를 수용하기 위한 공구홀더(310);
- 상기 가공 모듈(300)에서 상기 공구홀더(310)의 위치를 제어하고 수정하도록 구성된 상기 공구홀더의 제어 유닛(302),
- 상기 공구홀더에 장착된 상기 공구(312)의 프로파일을 검출하기 위한 유닛(304)으로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함하고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 부품 지지부(320)에 장착되는, 상기 검출 유닛(304)을 포함하는, 가공 모듈(300). - 제1항에 있어서,
상기 광학 시스템(100)은 상기 공구홀더(310)가 측정 작동 위치에 있을 때 상기 프로파일의 검출을 가능하게 하도록 구성되는, 가공 모듈(300). - 제2항에 있어서,
상기 광학 시스템(100)은 그 이미지 초점면이 상기 측정 작동 위치에서 상기 공구(322)의 단부 부분과 교차할 수 있도록 구성된 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)을 포함하는, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템(100)은 상기 공구홀더(310)의 축(X) 방향에 직교하는 광학 축(O)을 갖는, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템(100)은 상기 광학 시스템(100)에 의한 이미지 캡쳐의 단일 단계에 의한 결정, 가공될 상기 부품의 지지부(320)와 상기 공구홀더(310) 사이의 3차원 상대 위치의 결정을 가능하게 하도록 구성된 측정 광학 디바이스(10)의 부품인, 가공 모듈(300). - 제5항에 있어서,
상기 측정 광학 디바이스(10)는 또한 상기 광학 시스템(100)에 의한 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(322)의 단부 부분의 이미지 캡쳐의 단일 단계에 의해 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 단부 부분의 프로파일의 결정을 가능하게 하도록 구성되는, 가공 모듈(300). - 제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 측정 광학 디바이스(10)는 상기 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 평행하게 그리고 상기 공구홀더(310) 방향으로 배향된 전방 광원(104)을 더 포함하는, 가공 모듈(300). - 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측정 광학 디바이스(10)는 상기 광학 시스템(100)의 방향으로 배향된 후방 광원(106)을 더 포함하는, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 모듈(300)은 상기 광학 디바이스(10)의 일부인 타겟(200)을 더 포함하고, 상기 타겟은 상기 공구홀더에 장착되고 상기 공구홀더가 축(X)에 대해 미리 결정된 각도 위치와 상기 축(X)을 따라 미리 결정된 축방향 위치에 있을 때 상기 광학 시스템(100)의 광학 축(O) 상에서 이동하도록 구성된 위치결정 기준을 형성하고 상기 부품 지지부(320)에 대해 상기 공구홀더(310)를 기준으로 하는 위치를 형성하는 활성면(202)을 포함하는, 가공 모듈(300). - 제9항에 있어서,
상기 타겟(200)은 활성면(202) 상에:
* 평면 기준면(212)을 한정하는 제1 구조체(210), 및
* 상기 평면 기준면(212)에 대해 경사면(222)을 갖는 제2 구조체(220)를 포함하는 3차원 타겟(200)이고,
상기 광학 시스템(100)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)을 포함하며, 여기서 상기 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 초점 거리와 상기 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 초점 거리 사이의 차이는 상기 기준면(212)을 상기 경사면(222)으로부터 분리하는 최소 거리와 최대 거리 사이에 있는, 가공 모듈(300). - 제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 측정 광학 디바이스(10)는 상기 공구홀더(310)의 방향으로 배향된 광원(140)을 더 포함하고, 상기 광원(140)은 상기 3차원 타겟(200)의 측면 조명을 제공하도록 배치된, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 시스템(100)은 제1 이미지 캡쳐 시스템(110) 및 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)을 포함하고, 여기서:
- 상기 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 피사계 심도(depth of field)는 상기 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 피사계 심도보다 적어도 10배 더 크고, 여기서
- 상기 광학 시스템(100)은 상기 제 1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 광학 경로와 상기 제 2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 광학 경로가 상기 광학 시스템(100)의 광학 축(O)에 배치된 공통 섹션을 갖도록 배열되고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)의 이미지 초점면과 상기 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)의 이미지 초점면을 포함하는, 가공 모듈(300). - 제10항 및 제12항에 있어서,
- 상기 제1 이미지 캡쳐 시스템(110)은 이미지 초점면이 상기 제1 구조체(210)의 기준 평면(212)에 대응할 수 있도록 구성되고,
- 상기 제2 이미지 캡쳐 시스템(120)은 이미지 초점면이 상기 3차원 타겟(200)의 경사면(222)과 교차할 수 있도록 구성되는, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 디바이스(10)는 상기 공구홀더(310) 상에 배치되고 축(X)을 중심으로 상기 공구홀더(310)의 각도 배향을 식별하도록 구성된 제3 이미지 캡쳐 시스템(130)을 더 포함하는, 가공 모듈(300). - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 가공 모듈(300)을 포함하는 공작 기계에 있어서,
상기 공작 기계는 상기 검출 유닛(304)에 의해 제공되는 정보로부터 상기 공구의 프로파일의 편차를 계산할 수 있는 상기 공구의 마모를 추적하기 위한 유닛(306)을 더 포함하는, 공작 기계. - 제15항에 있어서,
상기 공구의 마모를 추적하기 위한 상기 유닛(306)은, 상기 공구의 프로파일의 상기 편차가 미리 결정된 편차를 초과할 때, 상기 검출 유닛(304)에 의해 검출된 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분의 수정된 프로파일을 사용하여 가공 파라미터들을 재계산할 수 있게 하고, 상기 가공 파라미터들은 상기 공구홀더의 상기 제어 유닛(310)으로 전송되는 상기 공구홀더(310)의 이동에 대한 정보를 포함하는, 공작 기계. - 부품 지지부(320) 및 공구홀더(310)를 포함하는 가공 모듈(300)에서 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 위치 검출 방법에 있어서,
i) 상기 가공 모듈(300)에 검출 유닛(304)을 제공하는 단계로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함하고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 부품 지지부(320)에 장착되는, 상기 제공 단계,
Ⅱ) 상기 공구(312)를 상기 공구홀더(310)에 적재하는 단계,
Ⅲ) 측정 작동 위치에서 상기 부품 지지부(320)에 대해 상기 공구홀더(310)를 위치시키는 단계,
iv) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계, 및
v) 상기 광학 시스템(100)을 통해 상기 가공 모듈(300)에서 상기 공구(312)의 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 공구의 위치 검출 방법. - 부품 지지부(320) 및 공구홀더(310)를 포함하는 가공 모듈(300)에서 공구홀더(310)에 장착된 공구(312)의 프로파일의 검출 방법에 있어서,
i) 상기 가공 모듈(300)에 검출 유닛(304)을 제공하는 단계로서, 상기 검출 유닛(304)은 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 프로파일을 결정하기 위한 광학 시스템(100)을 포함하고, 상기 광학 시스템(100)은 상기 부품 지지부(320)에 장착되는, 상기 제공 단계,
Ⅱ) 상기 공구(312)를 상기 공구홀더(310)에 적재하는 단계,
Ⅲ) 측정 작동 위치에서 상기 부품 지지부(320)에 대해 상기 공구홀더(310)를 위치시키는 단계,
iv) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계, 및
v) 상기 광학 시스템(100)을 통해 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분의 프로파일을 결정하는 단계를 포함하는, 공구의 프로파일 검출 방법. - 공구의 프로파일을 검출하기 위한 제18항에 따른 방법이 사용되는, 공작 기계에서 공구의 마모를 검출하기 위한 방법에 있어서,
vi) 상기 공구(312)를 사용하여 가공 단계들을 수행하여, 수정된 프로파일을 갖는 상기 공구의 단부 부분(313)을 갖는 공구(312)를 얻는 단계,
Ⅶ) 상기 측정 작동 위치에서 상기 부품 지지부(320)에 대해 상기 공구홀더(310)를 위치시키는 단계,
Ⅷ) 상기 검출 유닛(304)을 활성화하는 단계, 및
ix) 상기 공구홀더(310)에 장착된 상기 공구(312)의 상기 단부 부분(313)의 수정된 프로파일을 결정하는 단계, 및
x) 상기 공구의 상기 단부 부분(313)의 프로파일 및 수정된 프로파일로부터 상기 공구의 마모 상태를 설정하는 단계를 더 포함하는, 공구의 마모 검출 방법.
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