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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Vermessen eines in einer Werkzeugaufnahme aufgenommenen, um
eine Rotationsachse drehbaren Rotationswerkzeuges mit einer die
Wirkabmessungen des Rotationswerkzeuges bestimmenden Werkzeugkontur
mittels einer Meßeinrichtung,
die eine optische Bilderfassungseinrichtung mit einer auf das Rotationswerkzeug
ausrichtbaren Optik zur Erfassung von Bildern des Rotationswerkzeuges
und eine an die Bilderfassungseinrichtung angeschlossene Bildverarbeitungseinrichtung
zur rechnergestützten
Auswertung erfaßter
Bilder aufweist, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
Meßeinrichtung.
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Rotationswerkzeuge werden z.B. in
Bearbeitungsmaschinen zur materialabtragenden, insbesondere zerspanenden
Bearbeitung von Werkstücken verwendet.
Beispielsweise werden zur Herstellung präziser Bohrungen sogenannte
Einschneiden-Werkzeuge verwendet, bei denen die Wirkabmessungen
des Werkzeuges durch eine auswechselbare und einstellbare Werkzeugschneide
bestimmt werden. Um die heutzutage geforderten, sehr engen Fertigungstoleranzen
und die Anforderungen an Oberflächen güte, Bohrungsform
und dergleichen einhalten zu können,
müssen
derartige Rotationswerkzeuge mikrometergenau vermessen und ggf.
für den
jeweiligen Anwendungsfall genau eingestellt werden. Neben der Forderung
nach hochgenauer Vermessung besteht im Hinblick auf optimierte Produktionsabläufe auch
die Forderung nach hoher Schnelligkeit der Werkzeugvermessung und
-einstellung.
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Um bei der manuellen Werkzeugeinstellung die
einander widerstrebenden Forderungen nach Schnelligkeit und Präzision gut
erfüllen
zu können, werden
heutzutage anstatt der früher üblichen
Werkzeugvermessungs- und Einstellgeräte mit Projektor zunehmend
Meßeinrichtungen
eingesetzt, die eine optolektronische Bilderfassungseinrichtung
und eine daran angeschlossene Bildverarbeitungseinrichtung zur rechnergestützten Auswertung
erfaßter
Bilder umfassen. Die Bilderfassungseinrichtung hat normalerweise
eine CCD-Videokamera, deren Optik auf das zu vermessende Werkzeug
bzw. auf den Bereich der zu vermessenden Werkzeugkontur ausgerichtet werden
kann. Die Anordnung zwischen Optik und Werkzeug ist bei der Messung
so einzustellen, daß die
Rotationsachse des Rotationswerkzeuges senkrecht zur optischen Achse
der Optik ausgerichtet ist und durch den Bereich der Schärfezone
der Optik verläuft.
Die Kamera sitzt meist auf einem Schlitten, der in zwei senkrecht
zur optischen Achse stehenden Richtungen verfahrbar ist. Konventionell
wird eine parallel zur Aufnahmeachse der Werkzeugaufnahme verlaufende
Richtung als Z-Richtung und eine senkrecht dazu verlaufende Radialrichtung
als X-Richtung bezeichnet. Die Z-Richtung entspricht bei Rotationswerkzeugen,
deren Rotationsachse bei richtiger Einspannung mit der Werkzeugaufnahmedrehachse zusammenfällt, der
Werkzeuglängsrichtung,
so daß ein
Z-Wert einer Werkzeuglänge
und ein X-Wert einem
Werkzeugradius entspricht.
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Eine herkömmlicher, durch Bildverarbeitung unterstützter Meßablauf
beginnt damit, daß ein
Bediener die zu vermessende Werkzeugkontur (Werkzeugschneide) mit
Hilfe des X-Z-Schlittens grob in das Bildfeld der Optik verfährt. Die
Werkzeugschneide wird dann in einem an die Bilderfassungseinrichtung
angeschlossenen Monitor sichtbar. Im nächsten Schritt erfolgt eine
Scharfstellung der zu vermessenden Werkzeugschneide dadurch, daß der Bediener das
Rotationswerkzeug so lange um seine Rotationsachse dreht, bis die
zu vermessende Werkzeugkontur in der Schärfezone der Optik liegt und
damit scharfgestellt ist. Der für
die Präzision
der Messung kritische Schritt der Scharfstellung wird bei einigen bekannten
Einrichtungen mit Bildverarbeitung durch eine im Monitor sichtbare
Scharfstellanzeige erleichtert. Die Scharfstellanzeige ist beispielsweise
als analoge Balkenanzeige mit Farbumschlag zwischen Rot (noch unscharf)
und Grün
(Schärfeposition)
ausgestaltet und leitet den Bediener bei der Scharfstellung. Rechnerintern
wird für
die Scharfstellanzeige die Auslenkung der Schneidenkontur in Radialrichtung
(X-Richtung) erfaßt
und ausgewertet. Diese ist in der Regel dann maximal, wenn sich
die Werkzeugschneide in der Schärfezone
befindet. In der Praxis dreht ein Bediener das Werkzeug zunächst über die Schärfeposition
hinaus und dann langsam zur eigentlichen Messung in die Position
größter Schärfe entsprechend
größter Auslenkung
in X-Richtung zurück. Dieser
Scharfstellvorgang wird durch die Scharfstellanzeige erleichtert,
die den Bediener beim Scharfstellen der Schneide leitet und eine
bedienerunabhängige
Scharfstellung gewährleistet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
durch Bildverarbeitung unterstützte
Werkzeugvermessung und -einstellung bereitzustellen, die eine präzise und
gleichzeitig sehr schnelle Werkzeugvermessung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung
ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Meßeinrichtung
mit den Merkmalen nach Anspruch 11 vor. Bevorzugte Weiterbildungen sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird durch Bezugnahme zum Gegenstand der Beschreibung gemacht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zunächst
ein die zu vermessende Werkzeugkontur enthaltener Abschnitt des
Rotationswerkzeuges im Bildfeld der Optik angeordnet, was durch
geeignete Relativbewegung zwischen Optik und Rotationswerkzeug zu
erreichen ist. Vorher, währenddessen oder
danach wird das Rotationswerkzeug so angeordnet, dass seine Rotationsachse
im Bereich einer Schärfezone
der Optik liegt. Es wird eine Drehung des Rotationswerkzeuges um
seine Rotationsachse durchgeführt,
wobei die Drehung normalerweise erst dann beginnt, wenn der zu vermessende
Abschnitt im Bildfeld der Optik liegt, ggf. aber auch schon vorher.
Während
der Drehung erfolgt eine Erfassung einer Folge von Einzelbildern
des sich drehenden Rotationswerkzeuges. Diese Einzelbilder (Frames)
enthalten eine dem jeweiligen Erfassungszeitpunkt entsprechende
Ansicht des durch. die Optik erfaßten Bildfeldes, also eine
Art Projektion des Werkzeuges in einer dem Erfassungszeitpunkt entsprechenden Drehstellung.
Eine Erfassung der einem Einzelbild zugeordneten Drehstellung des
Rotationswerkzeuges ist nicht erforderlich, kann jedoch vorgesehen sein.
Zur Einzelbilderfassung kann die Bildverarbeitungseinrichtung einen
sogenannten "Frame
Grabber" aufweisen.
Es erfolgt eine rechnergestützte
Auswertung der Einzelbilder, wobei bei der Auswertung auch mindestens
ein für
die Werkzeugkontur charakteristischer Bildparameter ausgewertet
wird, der ein Maß für die Positionierung
der Werkzeugkontur in Bezug auf die Schärfezone der Optik darstellt.
Dieser Bildparameter enthält
Information darüber,
ob sich die Werkzeugschneide bei der Erfassung des Einzelbildes
in der Schärfezone
der Optik befand oder beispielsweise darunter oder darüber. Anhand
dieses Bildparameters kann aus einer Vielzahl von Einzelbildern
eines ausgewählt
werden, das im Vergleich zu anderen Einzelbildern der Folge die
schärfste
Abbildung der zu vermessenden Werkzeugkontur enthält. Dieses
Einzelbild wird als Auswahl-Einzelbild bezeichnet. Je nach Verhältnis zwischen
Drehgeschwindigkeit des Rotationswerkzeuges und dem Zeitabstand
zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Einzelbildern können auch
mehrere, in Bezug auf die Schärfeposition
mehr oder weniger gleichwertige Einzelbilder vorliegen, aus denen
dann mindestens eines ausgewählt
wird. Es wird somit eine Bestimmung eines Auswahl-Einzelbildes durch
rechnergestützte
Auswahl eines Einzelbildes der Folge durchgeführt, in dem der Bildparameter
einer Positionierung der Werkzeugkontur in der Schärfezone
der Optik entspricht. Durch Bestimmung des Auswahl-Einzelbildes
kann praktisch ein Bild "eingefroren" werden, das demjenigen
Bild entsprechen kann, welches ein Bediener bei herkömmlichen
Geräten nach
einer mehr oder weniger aufwendigen Scharfstellung sehen würde. Schließlich erfolgt
eine Auswertung des Auswahl-Einzelbildes zur Ermittlung mindestens
eines die Werkzeugkontur charakterisierenden Werkzeugparameters,
beispielsweise des Werkzeugradius' (X-Wert)
im interessierenden Bereich und/oder der Werkzeuglänge (Z-Wert).
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Die Vorteile der Erfindung liegen
vor allem darin, daß auf
eine Scharfstellung der Werkzeugschneide im herkömmlichen Sinne völlig verzichtet werden
kann. Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß bei einer im Vergleich zur
Werkzeugdrehung ausreichend schnellen Bilderfassung und Bildverarbeitung von
Einzelbildern mindestens eines der Einzelbilder die interessierende
Werkzeugkontur (Werkzeugschneide) im schärfsten Zustand erfaßt hat und
daß dieses
Einzelbild alle Informationen trägt,
die durch die Bilderfassung und -auswertung bei dem Meßvorgang
ermittelt werden sollen. Da auf einen Scharfstellvorgang verzichtet
werden kann, ermöglicht
die Erfindung bei einer gegenüber
dem Stand der Technik mindestens gleichbleibenden Meßgenauigkeit eine
wesentlich schnellere Vermessung. Zudem könnte auf Einrichtungen zur
Scharfstellanzeige, also zur Bedienerführung bei der Scharfstellung,
verzichtet werden.
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Der mindestens eine ermittelte Werkzeugparameter
kann ausgegeben und beispielsweise an einer Meßwertanzeigeeinrichtung, wie
einem Monitor, angezeigt und/oder zur Weiterverarbeitung in einer Speichereinrichtung
der Bildverarbeitungseinrichtung gespeichert werden. Als ermittelbare
Werkzeugparameter kommen neben den genannten X- und Z-Maßen beispielsweise
auch Werte für
Schneidenradien und -Winkel sowie Programmiermaße, wie theoretischer Radius
oder theoretische Länge,
in Betracht. Bei einem bevorzugten Verfahren erfolgt die genannte
Auswertung und ggf. die Meßwertausgabe während der
Drehung des Werkzeuges, wodurch eine Echtzeitmessung möglich ist.
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Insbesondere kann es so sein, daß die Drehung
des Rotationswerkzeuges kontinuierlich erfolgt, vorzugsweise ohne
Anhalten oder Abbremsen bei der Schärfeposition und/oder ohne Zurückdrehen
der Werkzeugaufnahme derart, daß die
Werkzeugschneide nach Durchlaufen der Schärfeebene in diese zur Messung
zurückgestellt
wird. Das bei herkömmlichen
Messungen übliche,
ggf. wiederholte Annähern
und Entfernen bezüglich
des sogenannten Radialumkehrpunktes der Werkzeugschneide kann damit
entfallen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Erfassung von direkt aufeinander folgenden Einzelbildern
der Folge in einem Zeitabstand von weniger als 0,1 Sekunden, wobei
der Zeitabstand insbesondere zwischen ca. 0,01 Sekunden und ca. 0,5
Sekunden, vorzugsweise bei etwa 0,02 Sekunden, liegt. Hierdurch
ist praktisch eine Echtzeitmessung realisierbar, und es ist sichergestellt,
daß bei üblichen Drehgeschwindigkeiten
der Werkzeuge bei der Messung mindestens eines der Einzelbilder
die Werkzeugkontur innerhalb der Auflösung der Optik scharf abgebildet
wiedergibt. Es können
gesonderte Einrichtungen vorgesehen sein, die dies sicherstellen. Beispielsweise
kann eine Warnanzeige vorgesehen sein, die den Bediener abhängig von
der aktuellen Werkzeugdrehgeschwindigkeit dann optisch und/oder
akkustisch warnt, wenn eine für
eine genaue Messung maximal zulässige
Grenzdrehzahl überschritten
wird. Alternativ oder zusätzlich
ist es auch möglich,
eine Begrenzungseinrichtung vorzusehen, die die Drehzahl des Rotationswerkzeuges
bei der Messung auf eine entsprechende Maximaldrehzahl begrenzt.
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Eine hohe Einzelbildfrequenz von
z.B. 50 Hz erlaubt insbesondere auch, daß die Auswertung des Auswahl-Einzelbildes
und/oder eine ggf. vorgesehene Ausgabe von Meßwerten zeitnah zum vorzugsweise
unterbrochenen Durchlauf der zu vermessenden Werkzeugkontur durch
die Schärfezone
erfolgen kann. Für
eine mikrometergenaue Messung interessierender Werkzeugparameter
genügt
also ein einfacher Dreh am Werkzeug über den Scharfpunkt. Dabei
werden die ermittelten Werte eingefroren und können gleich angezeigt werden.
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Ein Bediener oder eine Automatik
kann die Drehbewegung entweder durch Hin- und Herdrehen oder durch
Mehrfachumdrehung des Werkzeuges in eine Richtung beliebig oft wiederholen,
um Vertrauen in die Messung zu erlangen und/oder um eine eigene Meß-Statistik
zu ermitteln. Die gewünschten
Meßwerte
werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
bei jedem Durchlauf der Werkzeugkontur durch die Schärfezone,
vorzugsweise unabhängig
von der Drehrichtung, neu ermittelt.
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Bei einem bevorzugten Verfahren wird
als Bildparameter, anhand dessen die Auswahl des weiter zu verarbeitenden
Auswahl-Einzelbildes erfolgt, ein Radialabstandswert X der Werkzeugkontur
in Bezug auf die Drehachse des Rotationswerkzeuges genutzt. Als
Basis für
die Einzelbildauswahl reicht somit eine einfache Längen- oder
Abstandsbestimmung, die rechentechnisch besonders schnell durchführbar ist.
Zusätzlich
oder als Alternative ist es auch möglich, den Kontrast im Bereich
der zu vermessenden Werkzeugkontur bzw. entsprechende Rechengrößen als
Basis der Einzelbildauswahl zu nutzen.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen,
daß zur
Bestimmung des Auswahl-Einzelbildes ein Vergleich von Bildparametern
aus in verschiedenen Drehstellungen des Rotationswerkzeuges erfaßten Einzelbildern
mit dem Ergebnis einer Extremwertfeststellung durchgeführt wird.
Dabei kann es beispielsweise so sein, daß aufeinanderfolgende Einzelbilder nacheinander
in einen Bildspeicher gespeichert werden, der bevorzugt einen nach
dem First-In-First-Out-Prinzip arbeitenden Pufferspeicher mit mehreren
zur Aufnahme der Bilddaten eines Einzelbildes ausreichend dimensionierten
Speicherplätzen
hat. Dies ermöglicht
eine schnelle Bildverarbeitung, bei der ein fertig eingelesenes
Einzelbild schon ausgewertet wird, während zeitlich parallel dazu
das nachfolgende noch eingelesen wird. Bei der Auswertung kann eine
Konturverfolgung der erfaßten
Werkzeugkontur erfolgen, um für
die Werkzeugkontur zumindest den Extremwert des gewählten Bezugs-Bildparameters,
insbesondere die maximale Radialauslenkung X, und ggf. auch noch
weitere Parameter, z.B. den zugehörigen maximalen Längenwert
Z, zu bestimmen. Mittels einer Vergleichsroutine kann dasjenige
Einzelbild mit dem gesuchten Extremwert des Bildparameters ermittelt
und den weiteren Berechnungen zugrunde gelegt. werden. Diese Verfahrensvariante
mit FIFO-Pufferspeicher kommt mit besonders wenig Speicherplatz
aus.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete
Meßeinrichtung
hat, wie erwähnt,
eine optoelektronische Bilderfassungseinrichtung und eine an diese
angeschlossene Bildverarbeitungseinrichtung. Diese umfaßt eine
Einzelbilderfassungseinrichtung zur Erfassung einer Folge von Einzelbildern
des sich drehenden Rotationswerkzeuges und eine Recheneinheit, in
der ein Arbeitsprogramm zur rechnergestützten Auswertung der Einzelbilder
vorgesehen ist bzw. arbeitet. Das Arbeitsprogramm ist zur Durchführung folgender
Schritte ausgebildet:
Auswertung der Einzelbilder im Hinblick
auf mindestens einen für
die Werkzeugkontur charakteristischen Bildparameter, der ein Maß für die Positionierung
der Werkzeugkontur in Bezug auf die Schärfezone der Optik darstellt;
Bestimmung
eines Auswahl-Einzelbildes durch Auswahl desjenigen mindestens einen
Einzelbildes der Folge, in dem der Bildparameter einer Positionierung der
Werkzeugkontur in der Schärfezone
der Optik entspricht;
Auswertung des ausgewählten Auswahl-Einzelbildes zur
Ermittlung mindestens eines die Werkzeugkontur charakterisierenden
Werkzeugparameters.
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Vorzugsweise ist der Meßeinrichtung
eine an die Bilderfassungseinrichtung und/oder an die Bildverarbeitungseinrichtung
angeschlossene Bildanzeigeeinrichtung zur optischen Anzeige von
durch die Optik erfaßten
Bildern zugeordnet. Die Bildanzeigeeinrichtung umfaßt vorzugsweise
mindestens einen Monitor. Zweckmäßig ist
auch eine Ausgabeeinrichtung zur vorzugsweise optischen Ausgabe
der ermittelten Werkzeugparameter vorgesehen, die beispielsweise
an einen Speicher ausgegeben und/oder direkt in einem Meßwertanzeigefeld
des Monitors angezeigt werden können.
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Eine erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann
im Zusammenhang mit jedem geeigneten Gerät betrieben werden, das eine
geeignete, vorzugsweise drehbare Werkzeugaufnahme hat, die zweckmäßig zumindest
in den beiden beschriebenen Achsen senkrecht zur optischen Achse
der Optik verfahrbar ist. Die Meßeinrichtung ist somit im Zusammenhang mit
den meisten derzeit verfügbaren
Werkzeugeinstell- und Meßgeräten einsetzbar,
insbesondere auch solchen relativ einfach aufgebauten Geräten, bei
denen die Drehung der die Werkzeugaufnahme aufweisenden Spindel
manuell erfolgt.
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Das Meßverfahren sowie die entsprechende Meßeinrichtung
können
auch für
andere entsprechende Messungen verwendet werden. Eine Meßeinrichtung
könnte
auch direkt an einer Werkzeugmaschine zur Einstellung oder Kontrolle
von Werkzeugen auf Abmessungen und/oder Rundlauf sowie auf die richtige
Positionierung des Werkzeuges in einer Maschinenspindel Anwendung
finden. Auch eine Nutzung der Erfindung bei mehrschneidigen Werkzeugen
ist möglich,
wobei für
einige oder alle Schneiden des Werkzeuges in der beschriebenen Weise eine
Vermessung durchgeführt
werden kann. Es ist auch eine Vermessung von Rotationswerkzeugen möglich, die
nach Art von Winkelköpfen
ausgebildet sind. Bei diesen ist mindestens ein Rotationswerkzeug
drehbar an einem in eine Werkzeugaufnahme einsetzbaren Trägerkörper angeordnet
und die Rotationsachse des mittels eine gesonderten Antriebs antreibbaren
Rotationswerkzeuge steht in einem Winkel zur Drehachse der Werkzeugaufnahme
bzw. des Trägerkörpers.
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Diese und weitere Merkmale gehen
außer aus
den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
einer Ausführungs form der
Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Werkzeug-Voreinstellgerätes, das mit einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ausgestattet
ist;
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2 eine
schematische Darstellung eines durch die Optik der Meßeinrichtung
erfaßten
Bildfeldausschnittes mit der unscharf erscheinenden Kontur einer
Werkzeugschneide eines sich drehenden Rotationswerkzeuges kurz vor
Durchtritt durch die Schärfezone
der Optik;
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3 die
Werkzeugschneide aus 2,
die sich nun in der Schärfezone
der Optik befindet und
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4 die
Werkzeugschneide aus 2 kurz nach
Durchtritt durch die Schärfezone.
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In 1 ist
schematisch ein Voreinstellgerät 1 für Maschinenwerkzeuge 2 gezeigt.
Das als Einschneidenwerkzeug ausgebildete Rotationswerkzeug 2 ist
in einer Werkzeugaufnahme 3 aufgenommen und eingespannt,
wobei die Werkzeugaufnahme 3 eine der Aufnahmebohrung einer
Werkzeugmaschinenspindel entsprechende Aufnahmebohrung hat, die
beispielsweise passend zu einem Steilkegel am Werkzeug 2 geformt
ist. Das Werkzeug ist in der Werkzeugaufnahme um eine horizontale
Achse 4 drehbar gelagert, die die gemeinsame Drehachse von
Werkzeugaufnahme und Werkzeug darstellt und bei ideal eingespanntem
Werkzeug 2 mit der werkzeugfesten Rotationsachse zusammenfällt. Bei
der gezeigten einfachen Ausführungsform
des Voreinstellgerätes
ist die Werkzeugaufnahme 3 mittels eines Handrades 5 hin
und her drehbar.
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Dem Voreinstellgerät 1 ist
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung
zugeordnet. Diese umfaßt
eine unterhalb der Achse 4 angeordnete und generell nach
oben gerichtete Kaltlichtquelle 10, die das Werkzeug 2 von
unten so beleuchtet, daß in
die Optik einer der Lichtquelle 10 diametral zur Achse 4 gegenüberliegend
angeordneten Videokamera 11 ein Bild der äußeren Werkzeugkontur 12 (Monitor
in 1 sowie 2 bis 4) fällt. Die
vorzugsweise mit einer telezentrischen Optik ausgestattete Videokamera 11 ist
wesentlicher Bestandteil der elektrooptischen Bilderfassungseinrichtung
der Meßeinrichtung
und enthält
vorzugsweise mindestens einen CCD-Chip oder einen CMOS-Chip zur
Umsetzung des in die Optik einfallenden optischen Bildes in elektronische
Signale, die über
eine schematisch dargestellte, geeignete Signalleitung 13 einer
schematisch dargestellten Bildverarbeitungseinrichtung 14 zugeführt werden.
Anstatt der dargestellten analogen Kamera kann auch eine digital
arbeitende Kamera verwendet werden, die der Signalleitung 13 digitale
Signale zuführt.
Die mit einer Bildfrequenz von 50 Hz arbeitende Kamera liefert pro
Sekunde 50 Einzelbilder bzw. entsprechende Daten oder Signale.
Die Kamera 11 ist in Bezug auf die Drehachse 4 so
angeordnet, daß die
Drehachse 4 bei richtiger Justierung in der Schärfezone
der Optik liegt. Die optischen Einrichtungen 10 und 11 sind
mittels eines nicht näher
dargestellten X-Z-Koordinaten-Schlittens in einer horizontalen Ebene
in X-Richtung (senkrecht zur Achse 4) und in Z-Richtung
(parallel zur Achse 4) verfahrbar.
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Die mit einem Rechner, beispielsweise
einem Personalcomputer, ausgestattete Bildverarbeitungseinrichtung 14 verarbeitet
die von der Kamera 11 erfaßten und in elektronische Signale
umgesetzten sowie ggf. vorverarbeiteten Bildsignale. Die Bilder
liegen in digitalisierter Form vor, werden digital verarbeitet und
es können
dabei Bilder und/oder ausgewertete Daten gespeichert und/oder an
externe Ausgabeeinrichtungen, wie Drucker, optische und/oder akustische
Anzeigeeinrichtung o.dgl. abgegeben werden.
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Ein wesentliches Element der Bildverarbeitungseinrichtung
ist eine an die Kamera 11 angeschlossene Einzelbilderfassungseinrichtung 15,
die in der Lage ist, eine Folge von Einzelbildern des sich drehenden
Rotationswerkzeuges 2 zu erfassen. Eine derartige, auch
als "Frame Grabber" bezeichnete Einzelbild-Erfassungseinrichtung
ist dazu in der Lage, in kurzen Zeitabständen von beispielsweise ca. 0,02
Sekunden die einem Einzelbild entsprechenden Signale bzw. Daten
zu erfassen und zeitnah zur Erfassung, quasi in Echtzeit, die den
Einzelbildern entsprechenden Datenmengen Bild für Bild an einen Bildspeicher,
eine Bildanzeigeeinrichtung und/oder eine Verarbeitungseinrichtung
für die
Daten abgeben und/oder anderen zur Nutzung von Bilddaten verwendeten
Einrichtungen zuzuführen.
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In 1 steht
die Einzelbild-Erfassungseinrichtung 15 mit einer Rechnereinheit 16 der
Bildverarbeitungseinrichtung in Verbindung, in der mittels geeigneter
Arbeitsprogramme eine digitale Bildverarbeitung durchführbar ist.
An die Rechnereinheit ist ein Monitor 17 angeschlossen,
der als Bildanzeigeeinrichtung zur optischen Anzeige des durch die
Kameraoptik erfaßten
und digital verarbeiteten Bildes bzw. eines Ausschnittes aus diesem
Bild dient. Am Bildschirm des Monitors befindet sich auch ein Meßwertanzeigefeld 19,
in dem bei der Werkzeugvermessung mit Hilfe der Rechnereinheit 16 ermittelte
Werkzeugparameter angezeigt werden können. An die Rechnereinheit
ist auch mindestens eine weitere Einrichtung 18 zur Weiterverarbeitung
der Bilddaten angeschlossen, z.B. ein Drucker, ein Speicher o. dgl.
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Ein Meßvorgang kann wie folgt ablaufen.
Zunächst
fährt ein
Bediener die zu vermessende Werkzeugschneide, deren Kontur die Wirkabmessung
des Rotationswerkzeuges bestimmt, mit Hilfe eines in 1 nicht gezeigten X-Z-Koordinatenschlittens
des Kameraträgers
grob in den auf dem Bildschirm des Monitors 17 sichtbaren
Bereich. In diesem repräsentiert
eine in 2 vertikal verlaufende
Richtung 25 die X-Richtung bzw. X-Achse, deren Koordinatenursprung
auf der Achse 4 liegt und die sich senkrecht zur optischen
Achse der Kamera 11 sowie senkrecht zur Achse 4 erstreckt.
Ein entsprechender X-Wert ist also ein Maß für den Radius (Abstand von Rotationsachse)
des Werkzeuges an einer betrachteten Längspositionierung Z. Die in 2 horizontal verlaufende
Z-Richtung 26 verläuft
parallel zur Werkzeugdrehachse 4. Ein entsprechender Z-Wert
repräsentiert
daher im Beispielsfall ein Maß für die Länge des
Werkzeuges bei gegebenem X-Wert, bezogen auf einen auf der Achse 4 liegenden
Koordinatenursprung. Der Verlauf der Werkzeugkontur 12 kann durch
eine Vielzahl von Wertepaaren in diesem X-Z-Koordinatensystem angegeben werden.
Die wahren Werte ergeben sich im Rahmen der Meßgenauigkeit nur in der in 3 gezeigten Scharfposition
der Werkzeugschneide, bei der diese in der Schärfezone der Optik liegt, wodurch
die Werkzeugkontur 12 scharf abgebildet wird.
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Der X-Wert dient als charakteristischer
Bildparameter, mit Hilfe dessen die Positionierung der Werkzeugschneide
in Bezug auf die Schärfezone
der Optik feststellbar ist. Denn der Wert der Maximalauslenkung
der Werkzeugkontur 12 in X-Richtung nimmt seinen Maximalwert
bei richtiger Justage der Meßeinrichtung
(Schärfezone
der Optik im Bereich der Achse 4) genau dann an, wenn die
Werkzeugschneide in der Schärfezone
liegt, weil in diesem Fall der zur Werkzeugschneide führende Radiusvektor
des Werkzeuges senkrecht zur optischen Achse der Meßeinrichtung
steht. Bei allen nicht in der Schärfezone liegenden
Stellungen wird dagegen nur eine dem Verdrehwinkel gegenüber der
Scharfstellung entsprechende, kürzere
Projektion dieses Vektors beobachtet.
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Zur Verdeutlichung der Position der
Schneidenkontur 12 im gezeigten Bildfeld ist ein gestrichelt gezeigtes,
durch die Bildfeldmitte gehendes bildschirmfestes Fadenkreuz 23 gezeigt,
das bei realen Einrichtungen entfallen kann, sowie ein an der Werkzeugkontur
anliegendes Meßkreuz 24,
dessen Berührungspunkte
mit der Werkzeugkontur jeweils die Maximalwerte für den X-Wert
und den Z-Wert im entsprechenden Bild angeben.
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Wenn ein Bediener das Werkzeug grob
in das Meßfenster
fährt,
so wird in der Regel die Schneide zunächst unscharf abgebildet sein,
wie es beispielsweise in 2 gezeigt
ist. Zur Einleitung der Messung kann der Bediener, beispielsweise über eine
speziell belegte Taste an einer der Bildverarbeitungseinrichtung 14 zugeordneten
Bedienertastatur, eine Meßschleife
starten. Der Beginn der Messung kann auch auf andere Weise eingeleitet
werden, z.B. durch Spracheingabe oder mittels einer Automatik, die
die Meßschleife
startet, sobald eine Werkzeugkontur in einer für die Messung geeigneten Weise
in das Bildfeld ragt. Zur mikrometergenauen Vermessung der Werkzeugschneide
genügt
nun dank der Erfindung eine einfache Drehbewegung des Werkzeuges über die
Drehposition maximaler X-Auslenkung hinweg. Diese Drehung kann mit
Hilfe des Handrades 5 manuell durchgeführt werden. Während der Drehung
werden mit Hilfe der Bilderfassungseinrichtung in kurzen Zeitabständen von
beispielsweise ca. 0,02 Sekunden Einzelbilder aufgenommen, deren
Informationsgehalt den Abbildungen in den 2 bis 4 entsprechen
kann.
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Beispielsweise zeigt das noch vor
Durchlaufen durch die Schärfezone
aufgenommene Einzelbild in 2 eine
leicht verwaschene Werkzeugkontur 12 mit einem X-Wert X1
und einem Z-Wert Z1. Die Bildverarbeitung ordnet diesem Bild den
zugehörigen maximalen
X-Wert X1 zu, der kleiner ist als der in der Schärfeposition (3) erkennbare maximale Auslenkungswert
Xmax. Beim Drehen des Werkzeuges nähert sich
der maximale X-Wert aufeinanderfolgender Einzelbilder langsam dem
Maximalwert Xmax (3) an, erreicht in der Schärfeposition
diesen Maximalwert, und nimmt anschließend bei Überdrehen der Scharfstellung
z.B. in die in 4 gezeigte
Position mit kleinerem X-Wert X2 und korrespondierendem Z-Wert Z2
wieder ab.
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Die von der Kamera 11 mit
einer Bildwiederholungsfrequenz von 50 Hz erfaßten Bilder werden zeitnah,
und aus Sicht des Bedienes praktisch in Echtzeit, weiterverarbeitet.
Die Einzelbilder werden von der Einzelbilderfassungseinrichtung 15 mit
der genannten Frequenz erfaßt
bzw. eingezogen und sequentiell in einen Bildspeicher der Recheneinheit 16 eingelesen.
Bei dem Bildspeicher handelt es bevorzugt um einen FIFO-Pufferspeicher
mit einer Vielzahl von nacheinander belegbaren Speicherplätzen, die durch
entsprechnede Speichergrößenzuweisung
jeweils so dimensioniert sind, daß die einem Einzelbild entsprechende
Datenmenge speicherbar ist. Die erfaßten Bilder werden durch die
Einzelbilderfassungseinrichtung 15 nacheinander in diesen
Pufferspeicher "geschoben", wobei die Einzelbilder
in der Reihenfolge, in der sie einge lesen wurden, am anderen Ende
der Speicherschlange auch wieder "herausfallen".
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Die Auswertung der Einzelbilder erfolgt
während
ihrer Verweildauer im Pufferspeicher. Dabei trägt es zu einer besonders schnellen
Bildverarbeitung bei, daß ein
vorher eingelesenes Einzelbild schon ausgewertet werden kann, während das nächste nachfolgende
erst eingelesen wird. Die Einzelbilder werden zunächst im
Hinblick auf den gewählten
Bildparameter, im Beispiel also auf den maximalen Radialauslenkungswert
X, ausgewertet. Ggf. kann auch mindestens der zugehörige Z-Wert
sofort ermittelt werden. Praktisch kann es so sein, daß durch
Konturverfolgung der gesamten eingezogenen Werkzeugkontur viele
diese Werkzeugkontur beschreibende, in geeignetem räumlichen
Abstand liegende X-Z-Wertepaare ermittelt und für weitere Berechnungen in einem
Speicher abgelegt werden. Anhand des Maximalwertes der Radialauslenkung
X in jedem der Bilder kann durch einen Vergleichsvorgang mit Extremwertfeststellung
festgestellt werden, ob ein nachfolgendes Einzelbild einen größeren, den im
wesentlichen gleichen, oder einen kleineren maximalen X-Wert hat.
Wird ein größerer maximaler X-Wert
festgestellt, so kann die Auswertung mit dem Bild mit jeweils dem
größten maximalen
X-Wert fortgeführt
und abgeschlossen werden. Auf diese Weise kann während der Drehung des Rotationswerkzeuges
dasjenige Einzelbild ermittelt werden, das der Maximalauslenkung
in X-Richtung entspricht, was bei richtiger Justage der Optik im
Bezug auf die Achse 4 der Scharfstellung der Werkzeugschneide
entspricht. Typische Zeiten zwischen dem Moment des Bildeinzuges
und der Darstellung des Bildes sowie der zugehörigen Meßwerte am Monitor können im Bereich
von weniger als einer Zehntelsekunde liegen, z.B. bei ca. 0,08 Sekunden.
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Dieses ausgewählte Auswahl-Einzelbild 27 (3) bildet die Grundlage
zur Bestimmung aller den Bediener interessierenden Werkzeugparameter. Dabei
kann es sich alternativ oder zusätzlich
zu den genannten Parametern für
Werkzeuglänge
(Z-Wert) und den Werkzeugradius (X-Wert) auch um Werte des Schneidenkrümmungsradius' (R-Maß), des Hauptschneidenwinkels 28,
des Nebenschneidenwinkels 29 sowie um Programmiermaße, wie
z.B. theoretische Radien oder theoretische Längen, handeln. Die interessierenden
Meßwerte
können
praktisch zeitgleich mit dem Durchlauf der Werkzeugschneide durch
die Scharfebene im Meßfeldausgabefeld 19 angezeigt
werden.
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Im Beispielsfall wird der Maximalwert
der Auslenkung in X-Richtung
als schärfeanzeigender Bildparameter
genutzt, wobei die X-Werte in den 2 bis 4 nach unten und die Z-Werte
nach links zunehmen. Allgemein kann eine Extremwertfestellung durchgeführt werden,
also z.B. auch nach einem Minimalwert der Auslenkung in X-Richtung
ausgewertet werden. Dies ist dann zweckmäßig, wenn dieser Wert bei entsprechender
Ausrichtung des Werkzeuges zur Anzeige der Schärfeposition geeignet ist. Dies
wäre z.B.
der Fall, wenn die Werkzeugschneide nicht, wie in den 1 bis 4 gezeigt, von rechts oben in das Bildfeld
hineinragt, sondern von links unten. Zur Berücksichtigung aller möglichen
Fälle von
Werkzeugorientierungen, die insbesondere auch bei Winkelkopf-Werkzeugen
auftreten können,
werden bei einer bevorzugten Variante des Auswerteverfahrens zunächst von
einem in das Bildfeld reichenden Objekt die Extremwerte in allen
vier Flächenrichtungen (d.h.
+ X, – X,
+ Z, – Z)
ermittelt und aus diesen derjenige Wert oder diejenigen Werte ausgewählt, die für die Bestimmung
der Schärfeposition
geeignet und bestimmt sind.
-
Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß beim
Drehen des Werkzeuges beim beschriebenen Verfahren das der Scharfstellung
entsprechende Bild (3)
ohne Eingriff des Bedieners praktisch eingefroren und zur weiteren
Ermittlung von Werkzeugparametern ausgewertet wird. Der Bediener
muß keine
Scharfstellung durchführen.
Entsprechend kann bei einer erfindungsgemäß arbeitenden Meßeinrichtung
auf Scharfstellanzeigen, wie sie herkömmlich zur Bedienerführung häufig vorgesehen
sind, verzichtet werden. Der Bediener kann die Drehbewegung beliebig oft
und in beliebigen Richtungen wiederholen, beispielsweise um Vertrauen
in die Messung zu bekommen und/oder eine eigene Statistik zur Ermittlung
der Meßgenauigkeit
zu erhalten. Die dem Scharfzustand entsprechenden Werte werden bei
jedem Durchlauf durch die Schärfezone
neu ermittelt. Eine Meßwertausgabe
zu einer anderen Einrichtung, beispielsweise einem Meßwertspeicher,
einem Drucker o. dgl., kann vom Bediener beispielsweise durch Drücken der
Eingabetaste an der Tastatur eingeleitet werden. Dieser Meßwert kann
beispielsweise in einer Datenbank abgespeichert und einer das Werkzeug 2 identifizierenden
Identifikationsnummer zugeordnet werden.