WO2008119549A1 - Verfahren und vorrichtung zur werkstückeinmessung und werkstückbearbeitung - Google Patents

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WO2008119549A1
WO2008119549A1 PCT/EP2008/002583 EP2008002583W WO2008119549A1 WO 2008119549 A1 WO2008119549 A1 WO 2008119549A1 EP 2008002583 W EP2008002583 W EP 2008002583W WO 2008119549 A1 WO2008119549 A1 WO 2008119549A1
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WO
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workpiece
data
translational
offset
determined
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PCT/EP2008/002583
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Hildebrand
Gottfried Reinicke
Original Assignee
Sauer Gmbh Lasertec
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Priority to EP08734935A priority patent/EP2142338B1/de
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Priority to US12/594,358 priority patent/US8397394B2/en
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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—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-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 programme data in numerical form
    • G05B19/401—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 programme data in numerical form characterised by control arrangements for measuring, e.g. calibration and initialisation, measuring workpiece for machining purposes

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for workpiece measurement and workpiece machining according to the preambles of the independent claims. Such a method is known from US 6611731.
  • Fig. Ia shows the relationships schematically in two-dimensional section with respect to a machine coordinate system xy.
  • a body 9 eg, a turbine blade
  • a very accurate hole 8 eg, a coolant channel
  • 1 denotes the surface of the body in the ideal clamping
  • 8-1 the (future) hole in the ideally clamped position.
  • 2 is the surface under real clamping, and here also the (future) hole 8-2 is at a shifted position.
  • the translational displacement is, for example, at the bottom left corner indicated by arrow 3a, the one Represents displacement vector with x and y component.
  • the rotational rotation is indicated by the angle 3b.
  • the displacement vector is a three-dimensional size and you have three
  • FIG. 1b schematically shows the relationship between the ideal and the real coordinate system.
  • the system xi-yi-zi symbolizes the ideal coordinate system, the z. B. may be the machine coordinate system.
  • the system xr-yr-zr symbolizes the real coordinate system.
  • D ( ⁇ v, ⁇ v, ⁇ v) in three-dimensional computation is a 3 * 3 matrix that effects the rotations
  • k is a scaling factor.
  • a coordinate point in the ideal system can be converted to a point in the real system when xv, yv, zv, ⁇ v, ⁇ v, and ⁇ v are known.
  • the sizes xv, yv, zv, ⁇ v, ßv and ⁇ v with respect to the ideal coordinate system (machine coordinate system), because this is known initially.
  • the ideal coordinate system machine coordinate system
  • Fig. Ia shows 2a, a dent in the surface, and accordingly, the reference point 2-3 "hangs in the air" and is no longer available for measurement, if something instead of then in its vicinity (ie, for example, at the bottom of the dent 2a) is measured, something wrong is measured, and the resulting values are accordingly wrong.
  • the object of the invention is to provide a reliable method and devices for workpiece measurement, which work reliably even with larger misalignments and non-ideally shaped workpieces.
  • the ideal surface data of the workpiece are varied in a translatory and rotational manner with respect to the machine coordinate system and in each case compared with measurement data of many surface points of the workpiece that has been clamped in reality.
  • the variation in which a suitably determined total error (deviation measure) is minimal can be taken as the starting point for the translational and rotational displacement of the workpiece clamped in relation to the ideal clamping.
  • the measured data can be the surface of the workpiece that is clamped in real terms can be varied translationally and / or rotationally and the candidate sets thus generated are compared with the ideal workpiece surface data.
  • a method for workpiece measurement has the steps of clamping the workpiece in a processing machine, measuring the position of the workpiece in the clamping, and determining a translational offset xv, yv, zv and a rotational offset ⁇ v, ßv, ⁇ v of the actual Werk Swisseinposition over an ideal clamping out the measurement results and from an initial record forming workpiece data, which are related to the ideal clamping, wherein a plurality of surface points of the clamped workpiece are measured in their spatial position xn, yn, zn to obtain another initial record, the data of the initial data sets are varied several times in accordance with a plurality of translatory and rotational shifts in order to obtain a plurality of varied data records, from which the varied data records and the underlying data record are used to determine the data record which includes a surface em least deviation measure against a surface represented by the other of the initial data sets, and the translational offset xv, yv, zv and the rotational offset ⁇ v,
  • a "best fit" method may be used be used to generate the candidate records and to judge with respect to the other initial record.
  • the measurement of the clamped workpiece is carried out against the minimum amount of data required to determine the translational and rotational displacement with redundancy. This can be very high, for example, the factor 10 or 100. It can thus be achieved even with real surfaces of real body very good results.
  • the measurement of the workpiece in its real Einspa ⁇ Vietnamese can be done optically, especially stereoscopic, possibly even with special lighting, z. B. line illumination, preferably by means of a scanning / scanning laser.
  • Fig. 2 shows schematically a procedure according to
  • Fig. 3 shows a possible first embodiment of
  • Fig. 4 shows a possible special variant of
  • FIG. 5 shows a device according to the invention.
  • the x-y axes denote a coordinate system fixedly related to the machine, to which reference also the tool performs its work on the workpiece.
  • the machining data can be related to this coordinate system or to a coordinate system that is uniquely correlated therewith.
  • the drawings show only two dimensions. However, the invention is considered to be applicable in three-dimensional space.
  • the displacement of a workpiece can in particular be given along three translatory degrees of freedom (x, y, z) and along three rotational degrees of freedom ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ).
  • reference numerals 20-n denote various variations of an initial data set, in the example shown, a record representing the workpiece surface.
  • the variations can be made in accordance with translational and / or rotational degrees of freedom. They can take place along one degree of freedom (eg x-axis) or several degrees of freedom.
  • the respective variation leads to a dataset representing a workpiece surface in a varied position.
  • Each of the resulting varied positions is compared with the measured position of the workpiece, and an overall error amount (deviation amount) is formed. It is pointed out that not the entire surface must be included in the comparison. Subareas may be sufficient.
  • the area under consideration is generally chosen so that any possible positional error which may possibly be detected is sufficiently clearly represented in it.
  • the measured area may be or have a range that is relatively far away from the restraint (greater than 70% or 80% or 90% of the maximum possible distance on the workpiece). In particular, rotational errors (angular misalignment during clamping) are significantly reduced.
  • the error determination can z. B. as indicated in Fig. 3 by determining the distance of a point on the varied surface of the measured surface.
  • the distances of all points can be summed up as sums or squares and can thus give a measure of error or deviation for a variation.
  • the distance determination can be in a simple mathematical way z. For example, by vector representations of points, surfaces and solders thereto and solving the resulting equations done.
  • n 10 or 50 or 100 or 200 or 1,000 or 5,000, which can be distributed over the considered area of the surface. This results in a variation n single errors that can be processed as described to the total error of the respective variation. Overall, this creates different variations each resulting from known translational and rotational shifts and for each of which a Wegner exists.
  • the variations of translation and rotation can be done accidentally or controlled, z.
  • evaluating their effect on the error total error, deviation measure
  • the parameter is further varied in the same direction, otherwise in the same direction opposite.
  • the previous variation with the smallest error is taken and, starting therefrom, a previously unvaried parameter is varied, in particular as described above. If several or all parameters or
  • an abort criterion eg, predetermined number of variations / iterations, errors less than a given measure
  • the translational and rotational displacement of the variation with the smallest error measure can be used to determine the offset.
  • FIGURE 4a there is shown a surface area with a defect (dent). and line shows a supposedly well-approximated surface, because they are chosen due to the
  • the defective surface area (or dots thereon) in the error determination can be omitted, and the comparison between varied
  • Defective surface areas can be detected in different ways, for example by manual input, by automatic optical detection or by evaluation of the measured data. Another possibility is to compare the measured surface with the ideal surface after an initial determination of translational and rotational displacement on the basis of this, and to omit all those areas of the measured surface which have a certain surface
  • an indication or a warning can be output and / or processing data can be varied according to its specification.
  • the variation of the processing data can z. B. include a shift in such a way that a displacement of the processing point is included on the workpiece surface, such as to adjust the orientation of a processing point on the surface.
  • the variation can also go as far as complete recalculation of the work to be done.
  • Fig. 5 shows a device for workpiece measurement and workpiece machining.
  • 52 is the tool, e.g. For example, a laser ablation device, which processes a workpiece 9 in accordance with machining data, for example, drilling or layer by abrasive.
  • the workpiece itself is clamped in a clamping 51.
  • 55 symbolizes a measuring device. It can work optically and have an optical pickup, z. B. a suitable resolution camera. It can operate stereoscopically and have two or more receivers 55a, 55b, which receive the workpiece from different angles. It can be a special lighting device
  • Be provided 56 in particular a line lighting, z.
  • a laser that can scan the workpiece in the area of interest.
  • the entire optical measuring device can also be moved to - possibly even the same surface areas - capture from different angles and thus able to measure.
  • the number of the last obtained measuring points of the surface of the workpiece is selectable or adjustable to a certain extent.
  • a - not painful - upper limit is given by optical resolutions by their resolution, possibly also by Rechenzeiterägägungen. Instead of optical pickup and other sensors are possible, for.
  • one or more multi-point mechanical probes sequentially scanning the surface at the desired number of locations.
  • 54 symbolizes a control or regulation which determines the measured values of the workpiece surface and if necessary appropriately formats them.
  • optical measuring devices In the case of optical measuring devices, according to specific algorithms, it can extract the surface data in the desired format from the image data and make it available for evaluation and control 53.
  • the latter has several tasks and accordingly facilities, namely controlling the variations described above and making the error assessments, possibly with iterations etc., determining the offset of the real clamped workpiece with respect to the ideal clamping, modifying the machining data in accordance with the determined translational and rotational offset, and controlling the workpiece machining in accordance with the determined offset.

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Abstract

Ein Verfahren zur Werkstückeinmessung hat die Schritte Vermessen der Lage des Werkstücks in der Einspannung, und Ermitteln eines translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und eines rotatorischen Versatzes (λv, ßv, ϕpv) der tatsächlichen gegenüber einer idealen Einspannung. Eine Vielzahl von Oberflächenpunkten des eingespannten Werkstücks in ihrer räumlichen Lage (xn, yn, zn) werden vermessen, um einen anderen anfänglichen Datensatz zu erhalten. Die Daten eines der anfänglichen Datensätze werden nach Maßgabe mehrerer translatorischer und rotatorischer Verschiebungen mehrfach variiert, um mehrere variierte Datensätze zu erhalten. Für jeden variierten Datensatz wird ein Abweichungsmaß für die von ihm jeweils repräsentierte Oberfläche gegenüber einer Oberfläche ermittelt, die von dem anderen der anfänglichen Datensätze repräsentiert wird. Aus den variierten Datensätzen und dem ihnen zugrunde liegenden anfänglichen Datensatz wird derjenige Datensatz ermittelt, der das geringste Abweichungsmaß aufweist. Der translatorische und rotatorische Versatz (xv, yv, zv λv, ßv, φv) wird aus der translatorischen und rotatorischen Verschiebung des ermittelten Datensatzes ermittelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Werkstückeinmessung und Werkstückbearbeitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Werkstückeinmessung und zur Werkstückbearbeitung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Ein solches Verfahren ist aus der US 6611731 bekannt.
Bei sehr genau arbeitenden numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, z. B. einer Laserabtragsmaschine, können Fertigungsgenauigkeiten bis hin zu wenigen μm erzielt werden. Allerdings ist in der Regel eine so genaue Fertigung nur dann sinnvoll, wenn die Werkstückposition mindestens ähnlich genau festliegt, denn dann wird die sehr genaue Fertigung nach Maßgabe von Fertigungsdaten, die auf eine ideale Einspannung bezogen sind, nicht durch ein real gegenüber der idealen Einspannung translatorisch und/oder rotatorisch verschoben eingespanntes Werkstück konterkariert.
Letztlich ist es aber häufig nicht möglich, Werkstücke mechanisch so genau einzuspannen, dass sich nur solche Positionsungenauigkeiten ergeben, die im Hinblick auf die mögliche Fertigungspräzision hinnehmbar sind. Gerade rotatorische Verschiebungen wirken sich hier stark aus. Eine Verdrehung eines Werkstücks in der Einspannung um so wenig wie 0,01° würde bei einem Werkstück, das Teile 200 mm von der Einspannung entfernt aufweist, eine
Verschiebung dieser entfernten Teile von ca. 35 um aus der Idealposition heraus bewirken, was ein völlig unannehmbarer Wert ist.
Es wird deshalb so vorgegangen, dass das Werkstück möglichst genau eingespannt wird, dann in der Einspannung vermessen wird, um so translatorische und/oder rotatorische Verschiebungen des real eingespannten Werkstücks gegenüber einer idealen Einspannung ermitteln zu können, dann nach Maßgabe der ermittelten Verschiebungen die auf die ideale Einspannung bezogenen Fertigungsdaten numerisch auf die reale Position umgerechnet werden und dann ohne Änderung der Einspannung die Werkstückbearbeitung nach Maßgabe der geänderten Daten erfolgt. Letztlich wird also nicht das reale Werkstück zu den idealen Daten hingeführt, sondern andersherum die idealen Daten zum realen Werkstück. Auf diese Weise können Einspannungenauigkeiten in gewissem Umfang eliminiert werden.
Fig. Ia zeigt die Verhältnisse schematisch im zweidimensionalen Schnitt gegenüber einem Maschinenkoordinatensystem x-y. Es wird ein Körper 9 (z. B. eine Turbinenschaufel) angenommen, der mit einem sehr genau zu fertigenden Loch 8 (z. B. einem Kühlmittelkanal) zu versehen ist. 1 bezeichnet die Oberfläche des Körpers in der idealen Einspannung, 8-1 das (zukünftige) Loch in der ideal eingespannten Lage. 2 ist dagegen die Oberfläche bei realer Einspannung, und hier befindet sich auch das (zukünftige) Loch 8-2 an einer verschobenen Position. Die translatorische Verschiebung ist bspw. an der Ecke unten links durch Pfeil 3a angedeutet, der einen Verschiebungsvektor mit x- und y-Komponente darstellt. Die rotatorische Verdrehung ist durch den Winkel 3b angedeutet.
Im dreidimensionalen Raum sind die Verhältnisse qualitativ die gleichen. Allerdings ist der Verschiebungsvektor eine dreidimensionale Größe, und man hat drei
Winkelfreiheitsgrade rotatorischer Verschiebungen, mithin zusammen sechs Größen, die zu bestimmen sind.
Fig. Ib zeigt schematisch den Zusammenhang des idealen und des realen Koordinatensystems. Das System xi-yi-zi symbolisiert das ideale Koordinatensystem, das z. B. das Maschinenkoordinatensystem sein kann. Das System xr-yr-zr symbolisiert das reale Koordinatensystem. Letzteres ist gegenüber ersterem um den Versatzvektor vv = (xv, yv, zv) translatorisch versetzt und um mehrere Drehachsen um die Winkel λv, ßv, φv rotatorisch versetzt. Der Zusammenhang zwischen einem Punkt/Vektor vi im idealen Koordinatensystem und einem Punkt/Vektor vr im realen
Koordinatensystem kann mathematisch wie folgt vektoriell beschrieben werden:
vr = k * D(λv, ßv, φv) * vi + vv,
wobei D(λv, ßv, φv) bei dreidimensionaler Rechnung eine 3*3-Matrix, die die Drehungen bewirkt, und k ein Skalierungsfaktor sind. Gemäß der genannten Formel kann ein Koordinatenpunkt im idealen System in einen Punkt im realen System umgerechnet werden, wenn xv, yv, zv, λv, ßv und φv bekannt sind. Vorteilhafterweise werden die Größen xv, yv, zv, λv, ßv und φv bezüglich des idealen Koordinatensystems (Maschinenkoordinatensystem) beschrieben, denn dieses ist anfänglich bekannt. In diesem Zusammenhang wird darauf verwiesen, dass es eine Vielzahl von Darstellungsmöglichkeiten der Transformation zwischen realem und idealem Koordinatensystem gibt, insbesondere längs anderer translatorischer und rotatorischer Achsen. Diese können auch so gewählt werden, dass die Transformation mit weniger als den genannten sechs Parametern (3 translatorische (xv, yv, zv) , 3 rotatorische (λv, ßv, φv) ) beschrieben werden kann. Aber dann müssen diese Achsen ermittelt und beschrieben werden, so dass der Aufwand nicht grundsätzlich sinkt, sondern sich lediglich ändert. Wenn im Werkstück oder in der vorzunehmenden Bearbeitung bestimmte Symmetrien vorliegen (z. B. bei einem kreiszylindrischen Bohrloch) , kann allerdings tatsächlich eine geringere Zahl von Parametern zur Beschreibung der Transformation ausreichen.
Zur Bestimmung der translatorischen Verschiebung 3a und der rotatorischen Verdrehung 3b kann so vorgegangen werden, dass die reale Position mehrerer Referenzpunkte 2- 1, 2-2, 2-3 des real eingespannten Körpers vermessen wird. Die Messwerte werden mit den erwarteten idealen Werten der Referenzpunkte 1-1, 1-2, 1-3 entsprechend der idealen Einspannung verglichen. So kann eine reale Position und Ausrichtung des Körpers bestimmt werden. Im Hinblick auf die bekannte ideale Position und Ausrichtung können dann die translatorische und rotatorische Verschiebung bestimmt werden, die dann auf die Fertigungsdaten angewendet werden können. Die eingangs genannte US-Patentschrift beschreibt ein solches Verfahren.
Das beschriebene Verfahren hat zwei Nachteile:
Zum einen wird man die Referenzpunkte bei deren Messung nie genau treffen, denn sie sind in der Regel nicht markiert, so dass ein Meßtaster sie nur aus ihren idealen Koordinaten heraus anfahren kann (denn die realen sind unbekannt) , und so wird ein gemessener Fehler zumindest teilweise nicht durch eine fehlerhafte Einspannung bewirkt sondern durch Vermessen eines nicht ganz richtig getroffenen Referenzpunktes. Dieses Problem kann in gewisser Weise durch geschickte Wahl der Referenzpunkte und der Anfahrrichtungen der Punkte sowie durch entsprechende Auslegung des Algorithmus (z. B. Iteration bei großen Abweichungen) verringert werden. Das Verfahren wird dadurch aber umständlicher, und letztlich muß es für jedes Werkstück individuell eingerichtet werden.
Zum anderen kann es vorkommen, dass ein Referenzpunkt real nicht mehr existiert. Dies tritt besonders bei der Reparatur oder Überarbeitung von Werkstücken (z. B. Turbinenschaufeln) auf, die schon viele Betriebsstunden hinter sich haben und deshalb z. B. Abnutzung oder auch grobe mechanische Einwirkung (z. B. Vogelschlag) erfahren haben können, so dass aufgrund entstandener mehr oder minder großer Oberflächendefekte der Referenzpunkt verschwunden ist. Oberflächendefekte können auch Materialaggregationen sein, etwa wegen verdrückten
Materials oder sonstiger Anlagerungen. Fig. Ia zeigt bei 2a eine Delle in der Oberfläche, und dementsprechend hängt der Referenzpunkt 2-3 „in der Luft" und steht zur Messung nicht mehr zur Verfügung. Wenn statt seiner dann in seiner Nähe (also z. B. am Boden der Delle 2a) doch etwas gemessen wird, wird etwas Falsches gemessen, und dementsprechend falsch sind dann die daraus hergeleiteten Werte .
Weiterer relevanter Stand der Technik findet sich in der DE 19631620 und DE 3119566
Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässige Verfahren und Vorrichtungen zur Werkstückeinmessung anzugeben, die auch bei größeren Fehleinspannungen und bei nicht-ideal geformten Werkstücken zuverlässig arbeiten.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Bei einem Verfahren zur Werkstückeinmessung werden die idealen Oberflächendaten des Werkstücks translatorisch und rotatorisch bezüglich des Maschinenkoordinatensystems variiert und jeweils mit Messdaten vieler Oberflächenpunkte des real eingespannten Werkstücks verglichen. Die Variation, bei der ein geeignet bestimmter Gesamtfehler (Abweichungsmaß) minimal ist, kann als Ausgangspunkt für die translatorische und rotatorische Verschiebung des real eingespannten Werkstücks gegenüber der idealen Einspannung genommen werden. Es kann aber auch „andersherum" vorgegangen werden: Es können die gemessenen Daten der Oberfläche des real eingespannten Werkstücks translatorisch und/oder rotatorisch variiert werden und die so erzeugten Kandidatensätze mit den idealen Werkstückoberflächendaten verglichen werden.
Ein Verfahren zur Werkstückeinmessung hat die Schritte Einspannen des Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine, Vermessen der Lage des Werkstücks in der Einspannung, und Ermitteln eines translatorischen Versatzes xv, yv, zv und eines rotatorischen Versatzes λv, ßv, φv der tatsächlichen Werkstückeinspannung gegenüber einer idealen Einspannung aus den Messergebnissen und aus einen anfänglichen Datensatz bildenden Werkstückdaten, die auf die ideale Einspannung bezogen sind, wobei eine Vielzahl von Oberflächenpunkten des eingespannten Werkstücks in ihrer räumlichen Lage xn, yn, zn vermessen werden, um einen anderen anfänglichen Datensatz zu erhalten, die Daten eines der anfänglichen Datensätze nach Maßgabe mehrerer translatorischer und rotatorischer Verschiebungen mehrfach variiert werden, um mehrere variierte Datensätze zu erhalten, aus den variierten Datensätzen und dem i^nen zugrunde liegenden Datensatz derjenige Datensatz ermittelt wird, der eine Oberfläche mit einem geringsten Abweichungsmaß gegenüber einer Oberfläche repräsentiert, die von dem anderen der anfänglichen Datensätze repräsentiert wird, und der translatorische Versatzes xv, yv, zv und der rotatorische Versatz λv, ßv, φv aus der translatorischen und rotatorischen Verschiebung des ermittelten Datensatzes ermittelt wird.
Bei der oben beschriebenen Variation eines der anfänglichen Datensätze kann ein „best fit"-Verfahren verwendet werden, um die Kandidaten-Datensätze zu erzeugen und im Hinblick auf den anderen anfänglichen Datensatz zu beurteilen.
Die Vermessung des eingespannten Werkstücks erfolgt gegenüber der mindest nötigen Datenmenge zur Bestimmung der translatorischen und rotatorischen Verschiebung mit Redundanz. Diese kann sehr hoch sein, bspw. der Faktor 10 oder 100. Es können damit auch bei realen Oberflächen realer Körper sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Die Vermessung des Werkstücks in seiner realen Einspaήnung kann optisch, insbesondere steroskopisch erfolgen, ggf. auch bei besonderer Beleuchtung, z. B. Linienbeleuchtung vorzugsweise mittels eines abtastenden/scannenden Lasers.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben, es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellungen zum Stand der Technik und zur Erläuterung dort unerwünschter Effekte,
Fig. 2 schematisch eine Vorgehensweise nach der
Erfindung, Fig. 3 eine mögliche erste Ausführungsform der
Fehlerbestimmung, Fig. 4 eine mögliche besondere Variante der
Fehlerbestimmung, Fig. 5 eine Vorrichtung nach der Erfindung.
Allgemein bedeuten in dieser Beschreibung gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten. Merkmale, die hier beschrieben sind, sollen auch als miteinander kombinierbar beschrieben sein, soweit sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
In Fig. 2 bezeichnen die x-y-Achsen ein fest auf die Maschine bezogenes Koordinatensystem, auf das Bezug nehmend auch das Werkzeug seine Arbeiten am Werkstück ausführt. Die Bearbeitungsdaten können auf dieses Koordinatensystem oder auf ein eindeutig damit korreliertes Koordinatensystem bezogen sein. Die Zeichnungen zeigen nur zwei Dimensionen. Die Erfindung ist aber als im dreidimensionalen Raum anwendbar anzusehen. Die Verschiebung eines Werkstücks kann insbesondere längs dreier translatorischer Freiheitsgrade (x, y, z) und längs dreier rotatorischer Freiheitsgrade (λ, φ, ß) gegeben sein.
In Fig. 2 bezeichnen die Bezugsziffern 20-n verschiedene Variationen eines anfänglichen Datensatzes, im gezeigten Beispiel eines die Werkstückoberfläche repräsentierenden Datensatzes. Die Variationen können gemäß translatorischer und/oder rotatorischer Freiheitsgrade erfolgen. Sie können längs eines Freiheitsgrades (z. B. x-Achse) oder mehrerer Freiheitsgrade erfolgen. Die jeweilige Variation führt zu je einem eine Werkstückoberfläche in variierter Position repräsentierenden Datensatz.
Die so entstehenden variierten Positionen werden (einschließlich des Ausgansdatensatzes) jeweils für sich mit der gemessenen Position des Werkstücks verglichen, und es wird ein Gesamtfehlermaß (Abweichungsmaß) gebildet. Es wird darauf verwiesen, dass nicht die gesamte Oberfläche in den Vergleich einbezogen werden muß. Teilbereiche können ausreichend sein. Der betrachtete Bereich wird allgemein so gewählt, dass sich in ihm jeder mögliche ggf. zu erfassende Positionsfehler hinreichend deutlich abbildet. Insbesondere kann der vermessene Bereich ein Bereich sein oder aufweisen, der von der Einspannung relativ weit entfernt ist (weiter als 70% oder 80% oder 90% der auf dem Werkstück maximal möglichen Entfernung) . Dort bilden sich insbesondere rotatorische Fehler (Winkelversatz bei der Einspannung) deutlich ab.
Die Fehlerermittlung kann z. B. wie in Fig. 3 angedeutet erfolgen, indem der Abstand eines Punktes auf der variierten Oberfläche von der gemessenen Oberfläche ermittelt wird. Die Abstände aller Punkte können als Beträge oder Quadrate aufsummiert werden und können so ein Fehler- oder Abweichungsmaß für eine Variation ergeben. Die Abstandsbestimmung kann in an sich einfacher mathematischer Weise z. B. durch Vektordarstellungen von Punkten, Oberflächen und Loten dazu und Lösen der sich daraus ergebenden Gleichungen erfolgen.
Innerhalb jedes Datensatzes können viele Punkte wie oben beschrieben ausgewertet werden, insbesondere mehr als n Punkte, n = 10 oder 50 oder 100 oder 200 oder 1.000 oder 5.000, die über den betrachteten Bereich der Oberfläche verteilt sein können. Es ergeben sich dann für eine Variation n Einzelfehler, die wie beschrieben zum Gesamtfehler der jeweiligen Variation verarbeitet werden können. Insgesamt entstehen so verschiedene Variationen, die jeweils aus bekannten translatorischen und rotatorischen Verschiebungen hervorgegangen sind und für die jeweils ein Fehlermaß existiert.
Es wird dann diejenige Variation herausgesucht, deren Fehlermaß das kleinste ist. Deren translatorische und rotatorische Verschiebung aus der Ausgangslage entspricht ausweislich des kleinsten Fehlermaßes am ehesten dem tatsächlichen translatorischen und rotatorischen Versatz des real eingespannten Werkstücks gegenüber einer ideal angenommenen Position und Ausrichtung. Somit kann nach Maßgabe der translatorischen und rotatorischen Verschiebung der Variation mit kleinstem Fehlermaß der translatorische und rotatorische Versatz des real eingespannten Werkstücks bestimmt werden. In einem einfachen Fall können translatorische und rotatorische Verschiebung der Variation mit kleinstem Fehlermaß unmittelbar (allenfalls vorzeichenkorrigiert, wenn die gemessene Oberfläche variiert und mit der idealen verglichen wurde) als translatorischer und rotatorischer Versatz des Werkstückes genommen werden. Es können aber auch Iterationen zur Anwendung kommen, was weiter unten beschrieben wird.
Die Variationen von Translation und Rotation können unzufällig bzw. gesteuert erfolgen, z. B. indem ihre Auswirkung auf den Fehler (Gesamtfehler, Abweichungsmaß) ausgewertet und zur Bestimmung einer weiteren Variation herangezogen wird. Wenn der Fehler durch Variation eines Fehlers kleiner wird, wird der Parameter in die gleiche Richtung weiter variiert, ansonsten in die entgegengesetzte. Wenn ein Fehlerminimum durchlaufen wurde, wird die bisherige Variation mit dem kleinsten Fehler genommen und ausgehend davon ein bisher nicht variierter Parameter variiert, insbesondere wie oben beschrieben. Wenn mehrere oder alle Parameter bzw.
Freiheitsgrade (x, y, z, λ, ß, φ) auf diese Weise variiert wurden, kann ein weiterer Durchlauf der Variation der Parameter erfolgen, ggf. mit kleineren Schrittweiten.
Wenn ein Abbruchkriterium erfüllt ist (z. B. vorbestimmte Anzahl von Variationen/Iterationen, Fehler kleiner als ein gegebenes Maß), kann die translatorische und rotatorische Verschiebung der Variation mit dem kleinsten Fehlermaß zur Bestimmung des Versatzes herangezogen werden.
Allgemein können Punkte auf Oberflächenbreichen der vermessenen Werkstückoberfläche mit Oberflächendefekten bei der oben beschriebenen Fehlerermittlung weggelassen werden. Denn Defekte führen zu großen, nicht einrichtbaren Fehlern, die die vermeintlich richtige Näherung systematisch in eine falsche Richtung „ziehen", was im Hinblick auf Fig. 4 erläutert wird. Dort zeigt in Fig. 4a Kurve einen Oberflächenbereich mit einem Defekt (Delle), und Linie zeigt eine vermeintlich gut genäherte Oberfläche, weil sie aufgrund der gewählten
Fehlerbestimmung ein kleinstes Fehlermaß zeigt.
Gemäß Fig. 4b kann der defekte Oberflächenbereich (bzw. Punkte darauf) bei der Fehlerbestimmung weggelassen werden, und der Vergleich zwischen variierten
Oberflächen (bereichen) und einer ursprünglichen Oberfläche findet ohne Einbeziehung von Punkte aus diesen weggelassenen Bereichen statt. Defekte Oberflächenbereiche können auf unterschiedliche Weise erkannt werden, etwa durch manuelle Eingabe, durch automatisch optische Erkennung oder durch Bewertung der Messdaten. Eine weitere Möglichkeit ist es, nach einer ersten Bestimmung von translatorischem und rotatorischem Versatz auf deren Grundlage die gemessene Oberfläche mit der idealen Oberfläche zu vergleichen und all diejenigen Bereiche der gemessenen Oberfläche wegzulassen, die ein bestimmtes
Kriterium erfüllen, z. B. einen bestimmten absoluten oder relativen Abstand (im Vergleich zu anderen Bereichen) überschreiten. Auf der Grundlage der reduzierten Oberflächenbereiche wird dann das Variieren und Vergleichen im Sinne einer Iteration wiederholt.
Auf diese Weise bleiben Bereiche außerhalb der Betrachtung, die einen in eine falsche Richtung gezogenen oder gedrehten Versatz als richtig erscheinen lassen können.
Wenn wie oben beschrieben ein Oberflächendefekt erkannt wurde, können nach dessen Maßgabe ein Hinweis bzw. eine Warnung ausgegeben und/oder Bearbeitungsdaten variiert werden. Die Variation der Bearbeitungsdaten kann z. B. eine Verschiebung in der Weise umfassen, dass eine Verschiebung der Bearbeitungsstelle auf der Werkstückoberfläche eingerechnet wird, etwa um die Ausrichtung einer Bearbeitungsstelle auf der Oberfläche einzustellen. Die Variation kann aber auch bis hin zu kompletter Neuberechnung der vorzunehmenden Bearbeitung gehen.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Werkstückeinmessung und zur Werkstückbearbeitung. 52 ist das Werkzeug, z. B. eine Laserabtragsvorrichtung, das nach Maßgabe von Bearbeitungsdaten ein Werkstück 9 bearbeitet, beispielsweise bohrend oder schichtweise abtragend. Das Werkstück selbst ist in einer Einspannung 51 eingespannt.
55 symbolisiert eine Meßeinrichtung. Sie kann optisch arbeiten und einen optischen Aufnehmer aufweisen, z. B. eine geeignet auflösende Kamera. Sie kann stereoskopisch arbeiten und zwei oder mehr Aufnehmer 55a, 55b aufweisen, die das Werkstück aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen. Es kann eine spezielle Beleuchtungseinrichtung
56 vorgesehen sein, insbesondere eine Linienbeleuchtung, z. B. ein Laser, die das Werkstück auch im interessierenden Bereich abscannen kann. Die gesamte optische Meßeinrichtung kann auch verfahrbar sein, um - womöglich auch gleiche Oberflächenbereiche - aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfassen und so vermessen zu können. Die Anzahl der zuletzt gewonnenen Meßpunkte der Oberfläche des Werkstücks ist in gewissem Umfang wählbar bzw. einstellbar. Eine - nicht schmerzende - Obergrenze ist bei optischen Aufnehmern durch deren Auflösungsvermögen gegeben, womöglich auch durch Rechenzeiterwägungen. Statt optischer Aufnehmer sind auch andere Aufnehmer möglich, z. B. ein oder mehrere mehanische Punkttaster, die nacheinander die Oberfläche an der gewünschten Anzahl von Stellen abtasten. 54 symbolisiert eine Steuerung bzw. Regelung, die die Messwerte der Werkstückoberfläche ermittelt und ggf. geeignet formatiert. Bei optischen Meßeinrichtungen kann sie nach bestimmten Algorithmen aus den Bilddaten die Oberflächendaten im gewünschten Format extrahieren und diese einer Auswertung und Steuerung 53 zur Verfügung stellen. Letztere hat mehrere Aufgaben und dementsprechend Einrichtungen, nämlich Steuern der oben beschriebenen Variationen und Vornahme der Fehlerbeurteilungen, ggf. mit Iterationen etc., Ermittlung des Versatzes des real eingespannten Werkstücks gegenüber der idealen Einspannung, Modifizieren der Bearbeitungsdaten nach Maßgabe des ermittelten translatorischen und rotatorischen Versatzes, und Steuern der Werkstückbearbeitung nach Maßgabe des ermittelten Versatzes.

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Werkstückeinmessung, mit den Schritten
Einspannen des Werkstücks in einer Bearbeitungsmaschine,
Vermessen der Lage des Werkstücks in der Einspannung, und
Ermitteln eines translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und eines rotatorischen Versatzes (λv, ßv, cpv) der tatsächlichen Werkstückeinspannung gegenüber einer idealen Einspannung aus den Messergebnissen und aus einen anfänglichen Datensatz bildenden Werkstückdaten, die auf die ideale Einspannung bezogen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) eine Vielzahl von Oberflächenpunkten des eingespannten Werkstücks in ihrer räumlichen Lage (xn, yn, zn) vermessen werden, um einen anderen anfänglichen Datensatz zu erhalten,
(b) die Daten eines der anfänglichen Datensätze nach Maßgabe mehrerer translatorischer und rotatorischer Verschiebungen mehrfach variiert werden, um mehrere variierte Datensätze zu erhalten,
(c) für jeden variierten Datensatz und den ihnen zugrunde liegenden anfänglichen Datensatz ein Abweichungsmaß für die von ihm jeweils repräsentierte Oberfläche gegenüber einer Oberfläche ermittelt wird, die von dem anderen der anfänglichen Datensätze repräsentiert wird,
(d) aus den verschiedenen Abweichungsmaßen das geringste Abweichungsmaß ermittelt wird, und
(e) der translatorische Versatzes (xv, yv, zv) und der rotatorische Versatz (λv, ßv, φv) aus der translatorischen und rotatorischen Verschiebung des Datensatzes ermittelt wird, zu dem das ermittelte geringste Abweichungsmaß gehört.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die translatorische und rotatorische Verschiebung des ermittelten Datensatzes als der translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und des rotatorischen Versatzes (λv, ßv, φv) genommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
im ermittelten Datensatz diejenigen Punkte ermittelt und eliminiert werden, die weiter als ein bestimmtes Maß von den durch die Werkstückdaten vorgegebenen Oberflächen entfernt sind,
dass in den anderen Datensätzen die den gelöschten Punkten entsprechenden Punkte ebenfalls eliminiert werden, mit den so entstandenen Datensätze die Schritte (c) , (d) und (e) wiederholt werden.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt (a) eine optische Messung vorgenommen wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 10, vorzugsweise mindestens 30 Oberflächenpunkte vermessen werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation für die Ermittlung eines neuen Datensatzes nach Maßgabe eines oder mehrerer schon ermittelter Abeichungsmaße vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der anfänglichen Datensätze der Datensatz der Werkstückdaten ist, die auf die ideale Einspannung bezogen sind, und daß der andere der anfänglichen Datensätze der Datensatz der Werkstückdaten ist, die auf der Werkstückvermessung beruhen.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der anfänglichen Datensätze der Datensatz der Werkstückdaten ist, die auf der Werkstückvermessung beruhen, und daß der andere der anfänglichen Datensätze der Datensatz der Werkstückdaten ist, die auf die ideale Einspannung bezogen sind.
9. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Oberflächendefekt erkannt wird, nach dessen Maßgabe ein Hinweis bzw. eine Warnung ausgegeben und/oder Bearbeitungsdaten variiert werden können.
10. Verfahren zur Werkstückbearbeitung, mit
einer Werkstückeinmessung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
Verändern der Werkstückdaten, die auf die ideale Einspannung bezogen sind, nach Maßgabe des ermittelten translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und rotatorischen Versatzes (λv, ßv, φv) , und
Bearbeiten des Werkstücks nach Maßgabe der veränderten Werkstückdaten.
11. Vorrichtung zur Werkstückeinmessung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 9, mit
einer Einspannung (51) für das Werkstück in einer Bearbeitungsmaschine (50) ,
einer Vermessungsvorrichtung (54 - 56) zur Vermessung der Lage des Werkstücks in der Einspannung, und einer Errnittlungsvorrichtung (53) zum Ermitteln eines translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und eines rotatorischen Versatzes (λv, ßv, cpv) der tatsächlichen Werkstückeinspannung gegenüber einer idealen Einspannung aus den Messergebnissen und aus einen anfänglichen
Datensatz bildenden Werkstückdaten, die auf die ideale Einspannung bezogen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Vermessungsvorrichtung das Werkstück an einer Vielzahl von Oberflächenpunkten des eingespannten Werkstücks in ihrer räumlichen Lage (xn, yn, zn) vermißt, um einen anderen anfänglichen Datensatz zu erhalten,
(b) die Ermittlungsvorrichtung eine
Variationseinrichtung aufweist, die die Daten eines der anfänglichen Datensätze nach Maßgabe mehrerer translatorischer und rotatorischer Verschiebungen mehrfach variiert, um mehrere variierte Datensätze zu erhalten,
(c) die Ermittlungsvorrichtung eine
Abweichungsbestimmungseinrichtung aufweist, die für jeden variierten Datensatz und den ihnen zugrunde liegenden anfänglichen Datensatz ein Abweichungsmaß für die von ihm jeweils repräsentierte Oberfläche gegenüber einer Oberfläche ermittelt, die von dem anderen der anfänglichen Datensätze repräsentiert wird,
(d) die Ermittlungsvorrichtung eine
Auswahleinrichtung aufweist, die aus den ermittelten Abweichungsmaßen das geringste Abweichungsmaße ermittelt, und
(e) die Ermittlungsvorrichtung eine Versatzbestimmungseinrichtung aufweist, die den translatorischen Versatz (xv, yv, zv) und den rotatorischen Versatz (λv, ßv, φv) aus der translatorischen und rotatorischen Verschiebung des Datensatzes ermittelt, zu dem das ermittelte geringste Abweichungsmaß gehört.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungsvorrichtung einen optischen Aufnehmer
(55a, b) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vermessungsvorrichtung mehrere optische Aufnehmer aufweist, die an unterschiedlichen Orten angebracht sind und die verfahrbar sein können.
14. Vorrichtung zur Werkstückbearbeitung, mit einer Werkstückeinmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 - 13, einer Werkstückdatenveränderungseinrichtung, die ideale Bearbeitungsdaten (8-1) nach Maßgabe des ermittelten translatorischen Versatzes (xv, yv, zv) und des rotatorischen Versatzes (λv, ßv, φv) in reale Bearbeitungsdaten (8-2) umrechnet, und einer Bearbeitungseinrichtung, die das Werkstück nach Maßgabe der realen Bearbeitungsdaten bearbeitet.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungseinrichtung eine Laserbearbeitungseinrichtung ist .
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