DE19941771A1 - Verfahren zur Vermessung von Werkstücken, insbesondere ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Vermessung von Werkstücken, insbesondere ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugen, bei welchem ein zu vermessendes Werkstück (2) im Blickfeld einer Kamera eines Bildverarbeitungssystems (1a, 1e) positioniert wird, mit folgenden Schritten: Veränderung des Kamera-Werkstück-Abstandes und Aufnahme des Werkstücks (2) bei unterschiedlichen Kamera-Werkstück-Abständen und rechnerische Verarbeitung der Aufnahmen mittels eines Steuerrechners (1e) des Bildverarbeitungssystems zum Erhalt einer dreidimensionalen Darstellung wenigstens eines Teiles der Oberfläche des Werkstücks (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ver­ messung von Werkstücken, insbesondere ein- oder mehrschnei­ digen Zerspanungswerkzeugen, nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1.

Zum automatischen Vermessen bzw. Messen von Werkzeugen wer­ den auf Einstell- und Meßgeräten vielfach Bildverarbei­ tungssysteme eingesetzt. Zum Vermessen eines Werkzeugs mit­ tels eines derartigen Bildverarbeitungssystems werden in der Praxis beispielsweise Meßpunktreihen mit einer großen Anzahl von Meßpunkten über eine Tastatur und eine Bild­ schirmmaske in einen Rechner eingegeben. Bei diesen Meß­ punkten handelt es sich um Soll-Werte, welche typischerwei­ se aus zweidimensionalen Koordinatenwerten bestehen, denen weitere Informationen beispielsweise hinsichtlich einer zu messenden Schneidenform des Werkzeugs hinzugefügt werden. Die eingegebenen Soll-Werte werden dann mittels eines Bild­ verarbeitungssystems mit tatsächlich gemessenen Ist-Werten verglichen. Aus dem Vergleich der Ist- mit den Soll-Werten ist es dann möglich, ein den Konturverlauf des zu vermes­ senden Werkzeuges darstellendes Polygon zu berechnen.

Die beschriebene manuelle Dateneingabe für komplex geformte Werkzeuge kann, beispielsweise je nach Anzahl der Schnei­ den, erhebliche Zeit in Anspruch nehmen.

Ferner werden für die Herstellung von Zerspanungswerkzeugen typischerweise unterschiedliche Materialien, wie beispiels­ weise HSS, PKD oder Hartmetall verwendet. Die Bearbeitung derartiger Werkstoffe zur Herstellung von Werkzeugen er­ folgt durch Sintern, Schleifen oder Erodieren. Zur Kontrol­ le der Werkzeuge nach der Herstellung bzw. vor ihrem Ein­ satz kommen verschiedenste Meßgeräte unterschiedlicher Kon­ struktion zum Einsatz. Je nach Anforderungen an die Prüf­ kriterien und die Genauigkeit handelt es sich dabei um tak­ tile oder optische Meßgeräte, meist mit manueller Bedie­ nung.

Besonders verbreitet sind in diesem Zusammenhang zur Ver­ messung verschiedener Winkel, wie beispielsweise Span- und Freiwinkel, Meßtaster, Meßuhren oder Winkelmesser. Aufgrund der recht kleinen Meßflächen und durch das berührende Mes­ sen sind die Ergebnisse sehr ungenau und bedienerabhängig.

Um derartige Messungen zu automatisieren, die Genauigkeit zu steigern und die Abhängigkeit von einem Bediener auszu­ schließen, werden bereits verschiedene Laser-Meßeinrich­ tungen auf Meßgeräten eingesetzt. Diese Verfahren sind je­ doch noch nicht sehr ausgereift und bedürfen in der Regel mindestens eines fünf-achsigen CNC-gesteuerten Meßgerätes. Des weiteren beschränken sich derartige Verfahren auf reine Winkelmessungen. Radien, Abstände oder Oberflächen lassen sich damit nicht auswerten.

Aufgabe ist der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens, mit welchem sich eine Vermessung von beliebigen Oberflä­ chenkonturen eines Werkstücks, insbesondere zur Vermessung von Span- und Freiwinkeln, besonders einfach gestaltet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Vermes­ sung von Werkstücken mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Ver­ messung von Werkstücken, insbesondere von Span- oder Frei­ winkeln, sowie von nahezu allen weiteren Geometrieparame­ tern eines Zerspanungswerkzeuges, in einfacher Weise mög­ lich. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es mittels Bildverarbeitung möglich, im Auflicht sämtliche Messungen an ein- oder mehrschneidigen Werkzeugen durchzu­ führen, welche im Durchlichtverfahren nicht möglich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Mög­ lichkeit der vollständigen Automatisierung, sowie die Be­ dienerunabhängigkeit und besonders kurze Meßzeiten aus.

Erfindungsgemäß ist nun ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer Auflicht-Bildverarbeitung mit Hilfe eines CNC-gesteuerten Einstell- und Meßgerätes Flächen, Geometri­ en, Abstände und Winkel an ein- und mehrschneidigen Zerspa­ nungswerkzeugen vollautomatisch ermittelt werden können. Beispielsweise bei Verwendung spezieller Eingabedialoge (insbesondere fotorealer Eingabedialoge "FORED") ist eine sehr einfache Bedienung einer dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren zugeordneten Steuersoftware möglich. So wird dem Anwen­ der ein sehr einfach anzuwendendes und dennoch vollautoma­ tisches und hochgenaues Meßverfahren zur Verfügung ge­ stellt. Insbesondere im Sinne der ISO 9000 ist damit eine durchgängige Qualitätssicherung bei Herstellern sowie bei Anwendern von Zerspanungswerkzeugen möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens weist ein Objektiv der verwendeten Kamera des Bildverarbeitungssystems eine relativ geringe Tiefenschärfe bzw. Schärfentiefe auf. Auf der Grundlage ei­ ner derartigen Kamera sind Aufnahmen bei unterschiedlichen Kamera-Werkstück-Abständen in besonders einfacher Weise voneinander unterscheidbar, wobei jeder Aufnahme beispiels­ weise ein Bildpunkt zuordnenbar ist, welcher genau in einer Aufnahme seine maximale Schärfe aufweist.

Zweckmäßigerweise wird zu jedem Punkt auf der darzustellen­ den Oberfläche des Werkstücks diejenige Aufnahme ermittelt, bei welcher der jeweilige Punkt am schärfsten abgebildet ist, und wird der zu der derart ermittelten Aufnahme zuge­ hörige Werkstück-Kamera-Abstand festgestellt, wobei die Darstellung der Oberfläche des Werkstücks auf der Grundlage der für die Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks je­ weils ermittelten Aufnahme und dem der Aufnahme zugehörigen Abstand durchgeführt wird. Aufgrund der Geometrie des Auf­ baus entspricht jeder Punkt (xy-Ebene) eines beliebigen Bildes genau einem Punkt auf der Oberfläche des zu vermes­ senden Werkstücks. Zusammen mit der Information, bei wel­ chem Kamera-Werkstück-Abstand die Aufnahme gemacht wurde, läßt sich damit die Tiefe jedes Pixels und in Kombination aller Punkte die dreidimensionale Oberfläche des Werkstücks rekonstruieren.

Zweckmäßigerweise wird an eine erhaltene dreidimensionale Oberfläche eine geeignete Funktion, insbesondere eine Ebe­ ne, angelegt. Mittels derartiger Funktionen können spezifi­ sche Werkstückeigenschaften gewonnen werden. Aus den Para­ metern der Anpassung können beispielsweise Span- und Frei­ winkel sowie weitere beliebige Geometrieelemente bestimmt werden. Weiterhin können Unstetigkeiten der Oberfläche, wie etwa eine Schneidenkontur, ermittelt werden.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, auf der Grundla­ ge einer errechneten Sicherheit der Tiefenberechnung Tole­ ranzen des Werkstücks, insbesondere Winkeltoleranzen, zu ermitteln.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der beige­ fügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines CNC- gesteuerten Einstell- und Meßgeräts mit einer Bildverarbeitung und einer PC-Elektronik,

Fig. 2 in einer schematischen seitlichen Ansicht ein mehrschneidiges Fräswerkzeug, welches in einer Werkzeugaufnahme aufgenommen ist, und

Fig. 3 eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte dreidimensionale Oberflä­ che eines Werkstücks.

Das in Fig. 1 dargestellte Einstell- und Meßgerät weist einen verfahrbaren Optikträger 1a auf, welche ein oder zwei CCD-Kamera, ein Durchlicht und ein Auflicht trägt. Ein steuerbares Auflicht ist mit 1d bezeichnet, das Durchlicht ist nicht im einzelnen dargestellt. Der verfahrbare Op­ tikträger 1a ist auf einem entlang dreier linearer Achsen verfahrbaren Meßschlitten 1c, 1d befestigt. Die drei von­ einander linear unabhängigen Achsen sind mit x, y und z be­ zeichnet. Mit 1b ist eine CNC-gesteuerte, drehbare Werk­ zeugaufnahme bezeichnet. Das in die Werkzeugaufnahme 1b eingespannte Werkstück bzw. Werkzeug 2 ist um seine Längs­ achse drehbar, wie dies in Fig. 1 mittels des gekrümmten Pfeils angedeutet ist. Die Werkzeugaufnahme 1b mit dem dar­ in eingespannten Werkzeug 2 ist in Fig. 2 in einer vergrö­ ßerten Ansicht dargestellt. Die Werkzeugaufnahme dient als Schnittstelle zwischen dem Werkzeug 2 und dem Einstell- und Meßgerät. Als Werkzeug ist hier beispielhaft ein mehr­ schneidiges Fräswerkzeug, nämlich ein spiralverzahnter Schaftfräser mit Eckenradius dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vermessung des Werkzeugs beginnt mit dem Einschalten des Einstell- und Meßgeräts. Die auf dem Optikträger 1a montierte Kamera wird über den Meßschlitten 1c, 1d manuell oder automatisch bezüglich des Werkzeugs 2 derart positioniert, daß das Werkzeug im Bildfeld der Kame­ ra erscheint. Das Bildfeld der Kamera ist beispielsweise auf einem Monitor 4 darstellbar. Eingaben in das System sind beispielsweise über eine Tastatur 5a oder andere Ein­ gabenmedien tätigbar. Die Kamera 1a ist mit einem Objektiv mit geringer Tiefenschärfe ausgestattet. Die an dem Op­ tikträger 1a (oder an einer anderen geeigneten Stelle) an­ gebrachte Auflichtbeleuchtung 1d dient zur Ausleuchtung der Meßfläche am Werkzeug. Dies kann etwa über ein am Objektiv der Kamera befestigtes Ringlicht oder über seitlich ange­ brachte Beleuchtungseinrichtungen erfolgen. Die Anpassung der Beleuchtung erfolgt durch manuelles oder automatisches Einstellen der Lichtintensität oder der Blende von Objektiv oder Kamera oder Belichtungszeit bzw. eines Shutters der Kamera.

Der gesamte Aufbau muß zweckmäßigerweise zunächst einmalig optisch oder mechanisch kalibriert werden, um absolute oder relative Positionen für die Auswertung bestimmen zu können.

Nach Positionierung des Werkzeuges im Bildfeld der Kamera kann anhand einer oder mehrerer Aufnahmen eine Bewertung der Aufnahmebedingungen durch den Anwender oder durch das Bildverarbeitungssystem durchgeführt werden. Hierbei wird zweckmäßigerweise überprüft, ob die Ausleuchtung korrekt ist, keine Über- oder Unterstreuungen im Bild auftreten, keine störenden Reflexionen vorhanden sind, die Oberfläche für das durchzuführende Verfahren geeignet ist und das Werkzeug richtig positioniert ist. Für den Fall, daß Anpas­ sungen notwendig sind, können diese vom Anwender oder vom System automatisch durchgeführt werden.

Es wird nun eine Anzahl von Aufnahmen des Werkzeugs 2 ge­ macht. Hierbei wird der Abstand zwischen Kamera und Werk­ zeug manuell oder automatisch verändert. Der Bereich, in welchem der Kamera-Werkzeug-Abstand variiert wird, kann vom Anwender eingestellt oder automatisch ermittelt bzw. vorge­ geben werden. Aufgrund der geringen Tiefenschärfe des Ob­ jektivs der Kamera werden bei diesen Aufnahmen nur die je­ weils im Tiefenschärfebereich der Kamera liegenden Teile des Werkzeugs 2 scharf abgebildet. Die Anzahl der Aufnahmen kann vom Anwender eingestellt, oder auch fest vorgegeben werden. Des weiteren ist der gesamte zu durchfahrende Tie­ fenschärfebereich sowie der Abstand zwischen den jeweiligen Aufnahmen variabel einstellbar. Bei einer höheren Dichte der Aufnahmen erhöht sich die Genauigkeit des Verfahrens. Die durchgeführten Aufnahmen des Werkzeugs werden auf den Steuerrechner 1e gegeben und mittels einer diesem zugeord­ neten Software ausgewertet.

Die Auswertung der Aufnahmen des Werkzeugs erfolgt vorzugs­ weise nach dem sogenannten "Depth-from-Focus"-Verfahren. Die Auswertung kann im gesamten Bild oder nur in Teilen da­ von erfolgen. Die Auswahl von Bildausschnitten kann manuell durch den Anwender oder durch eine vollautomatische Vor­ schlagskomponente erfolgen, so daß beispielsweise lediglich die Fläche entlang einer Schneidkante berücksichtigt bzw. vermessen wird.

Das verwendete "Depth-from-Focus"-Verfahren wird im folgen­ den näher erläutert. Im Verlauf der Auswertung wird zu je­ dem Punkt in der Bildebene diejenige Aufnahme gesucht, in welcher der jeweilige Punkt am schärfsten abgebildet ist. Aufgrund der Geometrie des Aufbaus entspricht jeder Punkt (xy-Punkt in der zweidimensionalen Bildebene) eines belie­ bigen Bildes genau einem Punkt auf der Oberfläche des zu vermessenden Werkzeugs. Zusammen mit einer Information, welche den dem jeweiligen Bild zugeordneten Kamera- Werkzeug-Abstand beschreibt, läßt sich die Tiefe jedes Punktes bzw. Pixels und in Kombination aller Punkte die dreidimensionale Oberfläche des Werkzeugs rekonstruieren.

Des weiteren erhält man bei der Auswertung eine die Sicher­ heit bzw. Güte für die Tiefenberechnung jedes Punktes bzw. Pixels darstellende Information. Diese Information ist bei der Bestimmung der dreidimensionalen Oberfläche vorteilhaft einsetzbar. Zur Ermittlung der spezifischen Werkzeugeigen­ schaften ist es ferner vorteilhaft, an die ermittelte drei­ dimensionale Oberfläche eine geeignete Funktion, im ein­ fachsten Falle eine Ebene, anzupassen. Aus den Anpassungs­ parametern können beispielsweise Span- und Freiwinkel, je­ doch auch weitere beliebige Geometrieelemente bestimmt wer­ den. Weiterhin können Unstetigkeiten der Oberfläche, wie beispielsweise eine Schneidenkontur, ermittelt werden. Die Toleranz der Winkelberechnung kann aus der Sicherheit der Tiefenberechnung abgeleitet werden.

Alternativ zum beschriebenen Depth-from-Focus-Verfahren ist auch das an sich bekannte "Depth-from-Defocus"-Verfahren verwendbar, das auch auf der Grundlage einer geringeren An­ zahl von Aufnahmen eine zufriedenstellende dreidimensionale Darstellung der Werkzeugoberfläche gestattet. Hierbei wird im einfachsten Fall eine erste Aufnahme des Werkzeugs, bei welcher der Fokus der aufnehmenden Kamera hinter dem Werk­ zeug, und eine zweite Aufnahme des Werkzeugs, bei welcher der Fokus der Kamera vor dem Werkzeug liegt, ausgeführt. Auf der Grundlage einer rechnerischen Kupplung derartiger Aufnahmen läßt sich die dreidimensionale Oberfläche des Werkzeugs darstellen. Auch bei diesem "Depth-from-Defocus"- Verfahren läßt sich die Genauigkeit durch eine größere An­ zahl von Aufnahmen steigern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für gerad- oder spiralverzahnte Zerspanungswerkzeuge unterschiedlicher Herstellungsart, welche aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können, verwendbar. Die dargestellten Aus­ werteverfahren sind bei Einstell- und Meßgeräten mit wenig­ stens vier Freiheitsgeraden bzw. Verstellachsen, davon drei linearen und einer rotorischen, anwendbar.

Das dargestellte Verfahren beruht auf der rechnerischen Auswertung von Schärfe- oder Unschärfenbereichen der aufge­ nommenen Werkzeugbilder.

Bei ungünstiger Lage des Werkzeugs oder zu starker Reflexi­ on an der Meßstelle ist das Werkzeug durch das Einstell- und Meßgerät automatisch in die korrekte Position bringbar. Die Einstellung der Auflichtbeleuchtung erfolgt vorzugswei­ se vollautomatisch, kann jedoch auch vom Anwender beein­ flußt werden.

Fig. 3 zeigt eine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelte dreidimensionale Oberfläche eines Be­ reiches des in Fig. 2 dargestellten Werkzeuges. Es handelt sich bei diesem Bereich um einen Teil der Fräserspitze, welcher in Fig. 2 mit 2' bezeichnet ist. Man erkennt, daß mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die räumliche Ori­ entierung dieser Fläche bezüglich der Koordinatenachsen x, y, z darstellbar ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Vermessung von Werkstücken, insbesondere ein- oder mehrschneidigen Zerspanungswerkzeugen, bei wel­ chem ein zu vermessendes Werkstück (2) im Blickfeld einer Kamera eines Bildverarbeitungssystems (1a, 1e) positioniert wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Veränderung des Kamera-Werkstück-Abstandes und Aufnahme des Werkstücks (2) bei unterschiedlichen Kamera- Werkstück-Abständen, und
• - rechnerische Verarbeitung der Aufnahmen mittels eines Steuerrechners des Bildverarbeitungssystems zum Erhalt einer dreidimensionalen Darstellung wenigstens eines Teiles der Oberfläche des Werkstücks (2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Objektiv bzw. die Optik der verwendeten Kamera eine re­ lativ geringe Tiefenschärfe aufweist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Punkt auf der darzustellenden Oberfläche des Werkstücks (2) diejenige Aufnahme ermittelt wird, bei welcher der jeweilige Punkt am schärfsten abge­ bildet ist, daß der zu der jeweils ermittelten Aufnahme zu­ gehörige Kamera-Werkstück-Abstand festgestellt wird, und die Darstellung der Oberfläche des Werkstücks auf der Grundlage der für die jeweiligen Punkte auf der Oberfläche jeweils ermittelten Aufnahme und dem der Aufnahme jeweils zugehörigen Kamera-Werkstück-Abstand durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß an die erhaltene dreidimensionale Oberfläche des Werkstücks (2) eine geeignete Funktion, ins­ besondere eine eine Ebene beschreibende Funktion, zur Dar­ stellung von charakteristischen Parametern der Oberfläche, insbesondere Span- oder Freiwinkeln, angelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage einer errechne­ ten Sicherheit der Tiefenberechnung Toleranzen des Werk­ stücks (2), insbesondere Winkeltoleranzen, ermittelt wer­ den.