DE10335472A1

DE10335472A1 - Mess- und/oder Einstellgerät

Info

Publication number: DE10335472A1
Application number: DE2003135472
Authority: DE
Inventors: Christian Pfau
Original assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Current assignee: E Zoller GmbH and Co KG; E Zoller GmbH and Co KG Einstell und Messgeraete
Priority date: 2003-08-02
Filing date: 2003-08-02
Publication date: 2005-02-17

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Mess- und/oder Einstellgerät zur Erfassung von Informationen eines Werkstücks oder Werkzeugs (10) mit einer über eine Stellvorrichtung (16) zumindest in zwei Richtungen (z, x) in ihrer Lage verstellbaren Messeinheit (12) mit zumindest einer Kamera (14). DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung (16) wenigstens einen mit der Messeinheit (12) gekoppelten Arm (18) mit zumindest einem Gelenk (20, 58) aufweist, um das zumindest ein Armsegment (22, 24) schwenkbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Mess- und/oder Einstellgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 195 45 802 A1 ist ein gattungsbildendes Mess- und Einstellgerät für ein in einer Aufnahmeeinrichtung eingespanntes Werkstück oder Werkzeug bekannt, das eine dreidimensional verstellbare Messeinheit mit einer Kamera aufweist. Es wird vorgeschlagen, die auswechselbare Messeinheit an einer Stellvorrichtung zu befestigen, die in drei Koordinatenrichtungen verstellbare Schlitten aufweist.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein in einem weiten Bereich von Abmessungen und Proportionen eines Werkstücks oder Werkzeugs mit gesteigerter Flexibilität einsetzbares Mess- und/oder Einstellgerät bereitzustellen. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Geräts bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Mess- und/oder Einstellgerät zur Erfassung von Informationen eines Werkstücks oder Werkzeugs mit einer über eine Stellvorrichtung zumindest in zwei Richtungen in ihrer Lage verstellbaren Messeinheit mit zumindest einer Kamera.

Es wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung wenigstens einen mit der Messeinheit gekoppelten Arm mit zumindest einem Gelenk aufweist, um das zumindest ein Armsegment schwenkbar ist. Dadurch ist vorteilhaft ein besonders flexibel für einen weiten Bereich von Abmessungen und Formen von Werkzeugen und Werkstücken einsetzbares Mess- und/oder Einstellgerät realisierbar. Das rotatorische Gelenk kann insbesondere vorteilhaft eine Verstellmöglichkeit durch lineare Schlitten ersetzen oder aber einen zusätzlichen Freiheitsgrad bilden. Durch den Einsatz einer Kamera können vorteilhaft zweidimensionale Bilder bzw. Informationen über ganze Abschnitte eines Werkzeugs oder Werkstücks gleichzeitig erfasst werden.

Ein Armsegment soll als schwenkbar bezeichnet werden, wenn es drehbar um eine Achse gelagert ist, die einen Winkel zur Längserstreckung des Armsegments aufweist. In diesem Zusammenhang sollen als Kamera neben Kameras zur Erfassung von sichtbarem Licht auch solche bildgebenden Vorrichtungen bezeichnet werden, die nicht sichtbare Strahlung, wie zum Beispiel Röntgenstrahlung, ortsaufgelöst detektieren. Neben der Kamera kann die Messvorrichtung weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende, ggf. austauschbare Messmodule, wie z.B. Laserentfernungsmesser, aufweisen. Die Messeinheit soll insbesondere manuell und/oder zumindest teilweise automatisiert gesteuert in zumindest zwei Richtungen verstellbar sein, wobei hier unter einer Richtung ein allgemeiner Freiheitsgrad verstanden werden soll.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung zumindest einen Sensor für eine Konfiguration des Arms aufweist. Dadurch kann vorteilhaft indirekt eine Lage der Messeinheit sensiert werden, so dass ein Umrechnen der erfassten Informationen, insbesondere auf ein bezüglich des Werkstücks oder Werkzeugs unbewegliches Koordinatensystem, ermöglicht werden kann. Dabei sind insbesondere Winkelsensoren für die Stellung von Gelenken vorteilhaft einsetzbar. Es ist allerdings auch eine direkte Sensierung der Lage der Kamera, etwa durch Marken in deren Blickfeld und eine Auswertung der von der Kamera übermittelten Bilder oder durch direkt an der Kamera angebrachte Entfernungssensoren, wie etwa Laser und/oder Laserreflektoren, denkbar.

Zudem wird vorgeschlagen, dass der Arm zumindest zwei über ein Gelenk verbundene Armsegmente aufweist, wodurch vorteilhaft ein besonders flexibel einsetzbares Mess- und/oder Einstellgerät erreicht werden kann. Dabei kann der Arm besonders vorteilhaft über das Gelenk von einer gestreckten Konfiguration, in der die beiden Armsegmente in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind, in eine eingeknickte Konfiguration, in der die beiden Armsegmente im Wesentlichen nebeneinander liegen, überführbar sein.

Weist der Arm zumindest zwei Gelenke auf, kann vorteilhaft zusätzliche Bewegungsfreiheit erreicht werden und ein komfortabel ergonomisch zweidimensional verstellbares Gerät gebaut werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Stellung zumindest eines Gelenks in zumindest einem Betriebszustand zumindest teilweise abhängig von einer Stellung eines weiteren Gelenks ist. Dadurch kann vorteilhaft eine sichere und komfortable Führung des Arms erreicht werden, und der Bewegungsspielraum des Arms kann auf vorteilhafte Konfigurationen eingeschränkt werden. Dabei ist eine abhängige Betätigung sowohl durch mechanische Kopplung der Gelenke, zum Beispiel über Getriebeglieder und/oder Drahtzüge, als auch durch eine software- und/oder hardwareseitig elektronisch implementierte Kopplung an ein zweites Gelenk denkbar.

Ein bedeutender Komfortgewinn und eine erhöhte Stabilität während eines Mess- und/oder Einstellvorgangs kann dadurch erreicht werden, dass die Stellvorrichtung zumindest eine Arretiervorrichtung für zumindest ein Gelenk aufweist. Eine Konfiguration des Arms kann vorteilhaft während einer Phase des Mess- und/oder Einstellvorgangs fixiert werden.

Ist zudem die Kamera an einem freien Ende des Arms zumindest um eine Achse schwenkbar gelagert, kann eine Kamerastellung vorteilhaft an die Konfiguration des Arms angepasst werden.

Weist das Mess- und/oder Einstellgerät zudem eine Vorrichtung auf, über die Verkippungen der Messeinheit relativ zu einem ausgezeichneten Koordinatensystem, insbesondere dem Ruhsystem des Werkzeugs oder Werkstücks, in wenigstens einem Betriebszustand zumindest teilweise ausgleichbar sind, können vorteilhaft durch eine Verkippung entstehende Drehungen des Kamerabilds und/oder perspektivische Verzerrungen ausgeglichen und/oder vermieden werden. Dabei sind unter Verkippungen Drehungen bezüglich eines Rumpfs des Mess- und/oder Einstellgeräts zu verstehen, die mit einer Bewegung der Messeinheit einhergehen können. Dabei ist sowohl eine mittels einer Recheneinheit realisierte, vollständig oder teilweise softwareseitige als auch eine zumindest teilweise mechanische, durch ein Nachführen der Kamera realisierte Kompensation der Verkippungen und/oder ihrer Effekte denkbar. Die Recheneinheit kann weiterhin zu einer Aufbereitung eines von der Kamera aufgenommenen Bildes mittels Bildverarbeitungs- und Mustererkennungsalgorithmen dienen. Eine Integration einer vollständig softwareseitigen Kompensation der Effekte der Verkippungen in einen umfassenderen Bildverarbeitungsalgorithmus kann ggf. besonders kostengünstig und einfach realisiert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Mess- und/oder Einstellgerät zumindest einen Aktuator aufweist, über den die Bewegung des Arms zumindest in einer Phase eines Mess- und/oder Einstellvorgangs zumindest teilweise automatisch gesteuert und/oder unterstützt ist. Dadurch kann eine präzise, schnelle und reproduzierbare Steuerung des Mess- und/oder Einstellvorgangs erreicht werden, und ein Bedienungsaufwand des Mess- und/oder Einstellgeräts kann vorteilhaft verkleinert werden. Dabei kann vorteilhaft durch eine geeignete, z.B. hydraulische, elektrische, federelastische und/oder durch Gegengewichte realisierte Vorrichtung erreicht werden, dass eine zu einer Bewegung des Arms durch den Aktuator oder durch einen Bediener aufzuwendende Kraft klein und/oder weitgehend unabhängig von einer Konfiguration des Arms ist.

Weist das Mess- und/oder Einstellgerät zudem eine Lichtquelle auf, die über eine Einheit relativ zur Kamera bewegbar ist, kann vorteilhaft ein Abstand zwischen der Lichtquelle und der Kamera an eine Abmessung des Werkzeugs oder Werkstücks angepasst werden, und/oder es kann aus einer Abhängigkeit eines Verlaufs von Schattenkonturen von einem Einfallswinkel des Lichts auf eine dreidimensionale Form des Werkzeugs oder Werkstücks geschlossen werden. Die erfindungsgemäße Ausführung der Stellvorrichtung eignet sich sowohl für Mess- und/oder Einstellgeräte mit Auflichtverfahren als auch für solche mit Durchlichtverfahren. Auch ein in verschiedenen Modi bezüglich der Verwendung der Lichtquelle betätigbares Gerät ist denkbar.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Mess- und/oder Einstellgerät einen zum Ausgleich einer Verkippung drehbar gelagerten Handgriff zur Führung der Messeinheit aufweist. Dadurch wird ein komfortables Bedienen ermöglicht. Besonders vorteilhaft kann ein ergonomisch geformter und um zumindest eine Achse drehbar gelagerter Handgriff sein, der ein manuelles Führen der Messeinheit ermöglichen kann, ohne ein gleichzeitiges, einen natürlichen Bewegungsablauf hemmendes Verkippen einer Hand eines Bedieners erforderlich zu machen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein Mess- und Einstellgerät in einer gestreckten Konfiguration,
2 das Mess- und Einstellgerät in einer Arbeitskonfiguration und
3 eine schematische Skizze zur Funktionsweise einer Stellvorrichtung des Mess- und Einstellgeräts aus 1 und 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Mess- und Einstellgerät zur Erfassung von Informationen eines Werkstücks oder Werkzeugs 10 mit einem in einer Werkzeugaufnahme 50 eingespannten Werkzeug 10 in einer gestreckten Konfiguration. Auf einen Rumpf 52 ist ein Arm 18 einer Stellvorrichtung 16 montiert, wobei eine Montageposition in zwei horizontalen Richtungen justierbar ist. Der Arm 18 kann durch einen im Rumpf 52 integrierten Aktuator 36 über einen Hebel 70 automatisch bewegt werden (3). Ein Federmechanismus 56 kompensiert die Gravitationskräfte und stabilisiert den Arm 18 in verschiedenen einstellbaren Konfigurationen. Der Arm 18 weist ein Gelenk 20 auf, um das ein zweites Armsegment 22 relativ zu einem ersten Armsegment 24 um eine senkrecht zur Längserstreckung der Armsegmente 22, 24 des Arms 18 verlaufende Achse 28 schwenkbar ist. An einem freien Ende des zweites Armsegments 22 ist eine Messeinheit 12 mit einer Kamera 14 angeordnet.
An einem befestigungsseitigen Ende des Arms 18 weist dieser ein zweites Gelenk 58 auf, um das sich der gesamte Arm 18 um eine Achse 26, die parallel zur Achse 28 des Gelenks 20 verläuft, schwenken lässt. Durch die beiden Gelenke 20, 58 lässt sich die Messeinheit 12 in zwei Richtungen z, x verstellen, die ein Koordinatensystem 34 bilden, in dem der Rumpf 52 ruht.
In einem Innenraum des Arms 18 verläuft ein Drahtzug 54 (3), über den die beiden Gelenke 20, 58 gekoppelt sind. Um dies zu erreichen, ist der Drahtzug 54 auf einer Kontur 60 des befestigungsseitigen Gelenks 58 teilweise aufgerollt und verläuft über eine Kontur 62 des Gelenks 20, um schließlich an einem Hebel 64 im Bereich des freien Endes des Arms 18 anzugreifen, wo der Drahtzug 54 teilweise auf dem als Stellschraube ausgebildeten Hebel 64 aufgerollt ist, mittels dessen eine Konfiguration des Arms 18 justiert werden kann. Durch die Schwerkraft wird über das zweite Armsegment 22 am Gelenk 20 ein Drehmoment ausgeübt, das über den Drahtzug 54 kompensiert wird und diesem eine Vorspannung verleiht. Durch die Kopplung der Gelenke 20, 58 mittels des Drahtzugs 54 ist eine Stellung β des Gelenks 20 durch eine Stellung α des Gelenks 58 bestimmt. Eine funktionale Form dieser Abhängigkeit zwischen den Stellungen β und α kann durch eine geeignete Wahl der Form der Konturen 60 und 62 bestimmt werden. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Ausführung ohne Drahtzug 54 denkbar, bei der die Stellungen α, β der Gelenke 20, 58 voneinander entkoppelt sind.
Die Messeinheit 12 ist gabelförmig und weist an einem ersten Schenkel die Kamera 14 und an einem zweiten Schenkel eine Lichtquelle 42 auf. Der zweite Schenkel ist teleskopartig verlängerbar und bildet so eine Einheit 44, über die die Lichtquelle 42 relativ zur Kamera 14 beweglich ist und durch die sich der Abstand zwischen Kamera 14 und Lichtquelle 42 an die Abmessungen des Werkzeugs 10 anpassen lässt. Die Kamera 14 ist um eine Achse 40 schwenkbar gelagert. Die Achsen 26, 28, 40 verlaufen vorteilhaft senkrecht zu einer Schärfeebene der Kamera 14.
Durch eine Vorrichtung 32, die einen nicht dargestellten Drahtzug aufweist und analog zu dem oben beschriebenen Mechanismus zur Kopplung der Stellungen α, β, ausgelegt ist, wird die Kamera 14 unabhängig von der Konfiguration des Arms 18 stets in einer im Wesentlichen horizontalen Position geführt, so dass Verkippungen γ der gesamten Messeinheit 12 und des Armsegments 22 relativ zum Bezugssystem des Rumpfs 52 und des Werkzeugs 10 teilweise mechanisch ausgeglichen werden. Im Betrieb wird der Arm 18 so positioniert, dass das Werkzeug 10 in der Mitte zwischen der Kamera 14 und der Lichtquelle 42 angeordnet ist. Eine Arretiervorrichtung 30 weist einen Druckknopf 72 auf, der seitlich einem als Handgriff 66, der zum manuellen Einstellen des Arms 18 dient, angeordnet ist. Durch ein drücken des Druckknopfes 72 wird die Arretiervorrichtung 30 betätigt und damit das Gelenk 20 und demzufolge der gesamte Arm 18 in der vorliegenden Konfiguration fixiert. Der Handgriff 66 ist ergonomisch geformt und mit leichtem Reibungswiderstand drehbar gelagert, so dass in jeder Konfiguration des Mess- und Einstellgeräts eine komfortable einhändige Bedienung derselben ermöglicht wird.
Die Kamera 14 nimmt Schattenbilder des Werkzeugs 10 auf, die durch das Licht der Lichtquelle 42 über ein Objektiv auf einem Chip der Kamera 14 entstehen. Während des Betriebs wird die Werkzeugaufnahme 50 gedreht, so dass die Kamera 14 Schattenbilder aus verschiedenen Ansichtswinkeln aufnimmt. Aus diesen Schattenbildern werden mit bekannten numerischen Verfahren Eigenschaften des Werkzeugs 10 ermittelt. Dazu wird softwareseitig ein Feinausgleich von Verkippungen γ der Messeinheit 12 durchgeführt, bei dem in einem ersten Schritt das von der Kamera 14 erfasste Bild so weit gedreht wird, dass ein Fadenkreuz 68 an einer horizontalen und einer vertikalen Achse der Werkzeugaufnahme 50 ausgerichtet ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung, in der Verkippungen γ der Messeinheit 12 vollständig softwareseitig kompensiert werden, ist denkbar.
Diesem Feinausgleich liegt eine Lage der Kamera 14 zu Grunde, die durch Sensoren 48 in den Gelenken 20, 58 ermittelt wird und die, wie die Bilder der Kamera 14, an eine im Rumpf 52 angeordnete Recheneinheit 38 übermittelt wird. Die Recheneinheit übermittelt das gedrehte und aufbereitete Bild an einen Monitor 46. In der Werkzeugaufnahme 50 wird anschließend in einer Einstellphase durch einen nicht dargestellten Mechanismus das Werkzeug 10 in eine Sollposition verschoben und in dieser Sollposition verspannt.

10: Werkzeug
12: Messeinheit
14: Kamera
16: Stellvorrichtung
18: Arm
20: Gelenk
22: Armsegment
24: Armsegment
26: Achse
28: Achse
30: Arretiervorrichtung
32: Vorrichtung
34: Koordinatensystem
36: Aktuator
38: Recheneinheit
40: Achse
42: Lichtquelle
44: Einheit
46: Monitor
48: Sensor
50: Werkzeugaufnahme
52: Rumpf
54: Drahtzug
56: Federmechanismus
58: Gelenk
60: Kontur
62: Kontur
64: Hebel
66: Handgriff
68: Fadenkreuz
70: Hebel
72: Druckknopf
x: Richtung
z: Richtung
α: Stellung
β: Stellung
γ: Verkippung

Claims

Mess- und/oder Einstellgerät zur Erfassung von Informationen eines Werkstücks oder Werkzeugs (10) mit einer über eine Stellvorrichtung (16) zumindest in zwei Richtungen (z, x) in ihrer Lage verstellbaren Messeinheit (12) mit zumindest einer Kamera (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (16) wenigstens einen mit der Messeinheit (12) gekoppelten Arm (18) mit zumindest einem Gelenk (20, 58) aufweist, um das zumindest ein Armsegment (22, 24) schwenkbar ist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (16) zumindest einen Sensor (48) für eine Konfiguration des Arms (18) aufweist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (18) zumindest zwei über ein Gelenk (20) verbundene Armsegmente (22, 24) aufweist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (18) zumindest zwei Gelenke (20, 58) aufweist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellung (α) zumindest eines Gelenks (20) in zumindest einem Betriebszustand zumindest teilweise abhängig von einer Stellung (β) eines weiteren Gelenks (58) ist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (16) zumindest eine Arretiervorrichtung (30) für zumindest ein Gelenk (20) aufweist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (14) an einem freien Ende des Arms (18) zumindest um eine Achse (40) schwenkbar gelagert ist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (32), über die Verkippungen (γ) der Messeinheit (12) relativ zu einem ausgezeichneten Koordinatensystem (34) wenigstens in einem Betriebszustand zumindest teilweise ausgleichbar sind.
Mess- und/oder Einstellgerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit (38), die Verkippungen (γ) der Messeinheit (12) um wenigstens eine Achse (40) zumindest teilweise in wenigstens einem Betriebszustand softwareseitig kompensiert.
Mess- und/oder Einstellgerät zumindest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) Verkippungen (γ) der Messeinheit (12) um zumindest eine Achse (40) zumindest teilweise in wenigstens einem Betriebszustand mechanisch kompensiert.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen Aktuator (36), über den die Bewegung des Arms (18) zumindest in einer Phase eines Mess- und/oder Einstellvorgangs zumindest teilweise automatisch gesteuert und/oder unterstützt ist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (42), die über eine Einheit (44) relativ zur Kamera (14) bewegbar ist.
Mess- und/oder Einstellgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zum Ausgleich einer Verkippung (γ) drehbar gelagerten Handgriff (66) zur Führung der Messeinheit (12).
Verfahren zum Betreiben eines Mess- und/oder Einstellgeräts zumindest nach Anspruch 9, wobei die Recheneinheit (38), die Verkippungen (γ) der Messeinheit (12) um zumindest eine Achse (40) zumindest teilweise in wenigstens einem Betriebszustand softwareseitig kompensiert.