DE3613096A1 - Method for machining workpieces - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Ober begriff des Anspruchs 4.The invention relates to a method for processing Workpieces according to the preamble of claim 1 and one Device for performing the method according to the Ober Concept of claim 4.
Die Bearbeitung von Werkstücken mit einer insbesondere komplizierten Werkstückkontur erfolgt vorzugsweise auf einem programmierbaren Mehrachsenroboter, der in jede be liebige Position innerhalb seines Verfahrbereiches über die in der Steuerung abgelegten Weginformationen verfahren werden kann. Die Aufbereitung einer vorgegebenen Bear beitungsfolge in eine Datenfolge (Programm), die vom Computer oder der Steuerung verarbeitet werden kann, ist bei dreidimensionalen Werkstückkonturen kompliziert und zeitaufwendig. Häufig liegen analytische oder exakte zeich nerische Daten zur Beschreibung der Bearbeitungskontur im Raum nicht vor, da dies einschließlich Werkzeugorientierung mindestens fünf Koordinaten sind. Dies gilt insbesondere für die Bearbeitung an Prototyp-Teilen.The machining of workpieces with a particular complicated workpiece contour is preferably on a programmable multi-axis robot that can be used in every arbitrary position within its travel range move the path information stored in the control can be. The preparation of a given bear processing sequence into a data sequence (program) which is from Computer or the controller can be processed complicated with three-dimensional workpiece contours and time consuming. Often there are analytical or exact drawings neric data to describe the machining contour in Do not give space as this includes tool orientation are at least five coordinates. This is especially true for processing on prototype parts.
Bei den heute üblichen Verfahren wird das Werkstück von Hand angerissen und mit der Bearbeitungsmaschine werden die für die Bearbeitungskontur relevanten Punkte per Hand steuerung angefahren und in die Steuerung übernommen. Dabei ist statt des Werkzeuges beispielsweise ein so genannter "Teach-in-Sensor" an dem Werkzeughalter befestigt, der mit einem Zeiger auf den Anriß ausgerichtet ist. Der Maschinenbediener beobachtet per Auge die genaue Positio nierung des Zeigers.In today's common processes, the workpiece is made by Hand torn and with the processing machine the points relevant to the machining contour by hand Control approached and transferred to the control. Here, for example, instead of the tool the so-called "teach-in sensor" attached to the tool holder, which is aligned with the marking with a pointer. The The machine operator observes the exact position by eye nation of the pointer.
Dabei treten jedoch Probleme in der genauen Orientierung des "Teach-in-Sensors" normal zur Werkstückkontur sowie in der Genauigkeit der Ablesung auf. Ein weiterer wesent licher Nachteil derartiger Verfahren liegt in der Zugäng lichkeit des Werkstücks bzw. der Bearbeitungskontur be gründet, wenn die Werkstücke mehrere Quadratmeter groß sind.However, problems arise in the exact orientation of the "teach-in sensor" normal to the workpiece contour as well in the accuracy of the reading. Another essential The disadvantage of such methods lies in their accessibility the workpiece or the machining contour is founded when the workpieces are several square meters in size.
Aus der DE-OS 32 26 448 ist es bekannt, auf ein Werk stück eine Markierung aufzugeben, um die zu bearbeitende Position zu markieren und ein dreidimensionales Profil programm durch Abtasten der Markierung mittels eines In dustrieroboters zu erstellen und sodann die Werkstücke auf der Basis dieses Programms herzustellen.From DE-OS 32 26 448 it is known to work piece of a marker to mark the one to be processed Mark position and a three-dimensional profile program by scanning the marking with an In to create industrial robots and then the workpieces based on this program.
Weiterhin ist in einem Sonderdruck aus dem "Industrie- Anzeiger", Nr. 8 vom 27.01.84 ein berührungslos arbeiten der Nahtführungssensor NWAL für die Schweißtechnik beschrieben, mit dem die lagetreue Führung einer Laser schweißeinrichtung erzielt werden kann.Furthermore, a special print from the "Industrial Anzeiger ", No. 8 from 01/27/84 a contactless work the NWAL seam tracking sensor for welding technology described with which the positional guidance of a laser welding device can be achieved.
Aus der älteren Patentanmeldung Nr. 34 43 340 ist es bekannt beispielsweise diesen Sensor NWAL als "Teach-in-Sensor" ein zusetzen.It is known from the earlier patent application No. 34 43 340 for example, this sensor NWAL as a "teach-in sensor" clog.
Mit Hilfe dieser Einrichtungen läßt sich zwar eine genaue Orientierung auf den Markierungen, Schnittlinien oder dgl. erreichen, das Problem der Unzugänglichkeit des Werkstücks und damit die Beobachtung des Sensors bleibt jedoch be stehen. Es können beim Einsatz derartiger Einrichtungen immer dann Fehler entstehen, wenn einerseits die Position des Sensors nicht von dem Maschinenbediener beobachtet werden kann, so daß die Daten des Sensors an falschen Po sitionen in die Steuerung übernommen werden und anderer seits das Werkstück eine dreidimensionale Werkstückkontur mit Abstufungen, Ausnehmungen, Nuten oder dgl. aufweist, die mit dem Sensor nicht durchfahren werden können.With the help of these facilities, an accurate Orientation on the markings, cutting lines or the like. achieve the problem of inaccessibility of the workpiece and thus the observation of the sensor remains stand. It can when using such facilities errors always occur when, on the one hand, the position of the sensor not observed by the machine operator can be, so that the data of the sensor at wrong Po sitions in the controller and others the workpiece has a three-dimensional workpiece contour with gradations, recesses, grooves or the like. that cannot be passed through with the sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Programmierverfahren für dreidimensionale Werkstücke zu schaffen, bei dem die Markierungen, Schnittlinien, Anrisse oder dgl. optisch erfaßt und als Koordinaten in die Steuerung eingegeben werden können.The invention has for its object a simple Programming method for three-dimensional workpieces create where the markings, cutting lines, flaws or the like. optically detected and as coordinates in the control can be entered.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruchs 4 gelöst. This task is carried out in a generic method by the characterizing features of claim 1 and in a generic device by the kenn Drawing features of claim 4 solved.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesent lichen darin zu sehen, daß das Problem der Unzugänglich keit durch beispielsweise Einblenden des TV-Kamera-Sensors in den Strahlweg eines Lasers gelöst wird, so daß der "Teach-in-Sensor" nicht mehr in Nuten oder dgl. gefahren werden muß. Vorteilhaft ist hierbei der TV-Kamera-Sensor stationär an beispielsweise einen Strahlmanipulator ange ordnet. Über den TV-Kamera-Sensor mit Auswertelektronik wird die vorgegebene dreidimensionale Bearbeitungskontur in eine Datenfolge (Signale) umgewandelt und der Steuerung der Bearbeitungsmaschine eingegeben. Vorzugsweise hat das Gesamtsystem eine entsprechende Auflösung, um ein Faden kreuz einer Schnittlinie, Markierung, Anriß oder dgl. mit einer Genauigkeit von kleiner ± 0,05 Millimeter nach führen zu können. Weiterhin kann die Lage des Arbeitspunk tes auf der Werkstückoberfläche auf einem TV-Monitor an gezeigt werden, was eine einfache Überwachung bei insbe sondere großen Werkstücken ermöglicht.The advantages achieved with the invention are essential lichen that the problem is inaccessible speed by, for example, showing the TV camera sensor is solved in the beam path of a laser, so that the "Teach-in sensor" no longer moved in grooves or the like must become. The TV camera sensor is advantageous here stationary to, for example, a beam manipulator arranges. Via the TV camera sensor with evaluation electronics becomes the specified three-dimensional machining contour converted into a data sequence (signals) and the controller entered the processing machine. Preferably that Overall system an appropriate resolution to a thread cross a cutting line, marking, marking or the like. with an accuracy of less than ± 0.05 millimeters to be able to lead. Furthermore, the location of the working point tes on the workpiece surface on a TV monitor be shown what a simple monitoring at esp special large workpieces.
Dadurch, daß das Meßwerkstück auf der gleichen Maschine am gleichen Platz wie die zu bearbeitenden Werkstücke vorgesehen ist und ein zu bearbeitendes Werkstück ist und der TV-Kamera-Sensor nach der Programmerstellung gegen ein Bearbeitungswerkzeug ausgetauscht wird, ergeben sich die Vorteile, daß zur Programmaufnahme die Bearbeitungs maschine mit der ihr eigenen Kinematik und Dynamik, also ohne Übertragungsfehler, benutzt werden kann und daß der TV- Sensor und das Werkzeug (Laserstrahl) aufeinander einjustiert werden können. Vorteilhaft ist weiterhin, daß sofort nach der Programmerstellung ohne Um spannen oder Umladen ein Testlauf oder sofort der Bearbei tungsprozeß beginnen kann. The fact that the measuring workpiece on the same machine in the same place as the workpieces to be machined is provided and is a workpiece to be machined and the TV camera sensor after program creation is exchanged for a processing tool there are the advantages of editing the program machine with its own kinematics and dynamics, so without transmission errors, and that the TV Sensor and tool (laser beam) adjusted to each other can be. It is advantageous further that immediately after the program creation without Um clamp or reload a test run or immediately start processing process can begin.
Allerdings ist das Verfahren nicht auf die Programmierung an der Bearbeitungsmaschine beschränkt, sondern es kann ge nauso auf einer Programmiermaschine das Programm aufge nommen werden und dann auf die Bearbeitungsmaschine übertra gen werden.However, the procedure is not based on programming limited to the processing machine, but it can ge the program was opened in the same way on a programming machine be taken and then transferred to the processing machine be.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine TV-Kamera ist, der Ein richtungen zur Abstandskonstanthaltung und/oder Normalen regelung bzw. -einstellung zugeordnet sind.The device for performing the method is thereby characterized in that the sensor is a TV camera, the one directions for keeping the distance constant and / or normals control or setting are assigned.
TV-Kameras mit denen Umrißlinien von zweidimensionalen Zeich nungen abgetastet werden können, sind aus der DE-OS 19 04 664 prinzipiell bekannt.TV cameras with the outline of two-dimensional drawing can be scanned are from DE-OS 19 04 664 known in principle.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist der TV-Kamera Sensor nach der Erfindung als "Teach-in-Sensor" für dreidimensi onale Werkstücke ausgebildet. Dadurch, daß der TV-Kamera- Sensor mit einem TV-Monitor verbunden ist, wird es vorteil haft möglich, die Lage des Arbeitspunktes auf der Werkstück oberfläche bildlich auf dem eventuell entfernt aufgestellten TV-Monitor darzustellen. Dem Maschinenbediener ist somit eine einfache Überwachung des Arbeitspunktes, auch bei großen Werkstücken, von seinem stationär angeordneten Arbeitsplatz aus möglich.The TV camera sensor is opposite this state of the art according to the invention as a "teach-in sensor" for three-dimensional onal workpieces. Because the TV camera Sensor connected to a TV monitor, it will be advantageous possible, the position of the working point on the workpiece surface figuratively on the possibly removed Display TV monitor. The machine operator is thus easy monitoring of the working point, even with large ones Workpieces from his stationary work place possible.
Vorzugsweise wird der TV-Kamera-Sensor in einem CO2-Laser eingesetzt. Über einen schwenkbaren Spiegel wird der TV- Kamera-Sensor in den Strahlengang des CO2-Lasers eingeblendet, wobei sich die Vorteile ergeben, daß der Spiegel teildurch lässig sein kann und eine im Bearbeitungszentrum vorhandene Lichtquelle, beispielsweise ein HeNe-Laser, zur Beleuchtung des Arbeitspunktes verwendet werden kann.The TV camera sensor is preferably used in a CO 2 laser. The TV camera sensor is faded into the beam path of the CO 2 laser by means of a pivotable mirror, with the advantages that the mirror can be partially transparent and a light source present in the machining center, for example a HeNe laser, for illuminating the Working point can be used.
Vorteilhaft weist der CO2-Laser einen stationär angeordneten Laserresonator und einen Strahlmanipulator mit einem sta tionären Portal unter dem ein das Werkstück tragender Werk stückmanipulator in X-Richtung verfahrbar ist, einem Wagen, der auf dem Portal in Y-Richtung verfahrbar ist, eine Vertikalführung, die in ihrer Höhe in Z-Richtung über dem Werkstück verfahrbar am Wagen befestigt ist, einem am Ende der Vertikalführung in C-Richtung drehbaren Drehge lenk mit senkrechter Drehachse und einem am Drehgelenk befestigten Laserkopf, der um eine senkrecht zur Drehachse verlaufenden Achse in A-Richtung schwenkbar ist, auf, wo bei der schwenkbare Spiegel in den in Z-Richtung verlau fenden Strahlgang einblendbar ist. Durch diese Anordnung oberhalb der Endlosdrehbewegung der C-Achse müssen vor teilhaft die Verbindungsleitungen zu dem TV-Kamera-Sen sor nicht über Schleifringe geführt werden.The CO 2 laser advantageously has a stationary laser resonator and a beam manipulator with a stationary portal under which a workpiece manipulator carrying the workpiece can be moved in the X direction, a carriage that can be moved on the portal in the Y direction, a vertical guide , which is attached to the carriage so that it can be moved in the Z direction above the workpiece, a swivel joint with a vertical axis of rotation at the end of the vertical guide in the C direction, and a laser head attached to the swivel joint that rotates about an axis in A -Direction can be swiveled to where the swiveling mirror can be faded into the beam path running in the Z direction. With this arrangement above the endless rotary movement of the C-axis, the connecting lines to the TV camera sensor do not have to be routed via slip rings.
Vorzugsweise wird der TV-Kamera-Sensor an dem Werzeughalter des Bearbeitungskopfes angeordnet, d.h. nach der A-Achse. Bei dieser Anordnung können die Verhältnisse am Arbeitspunkt am stö rungsfreiesten beobachtet werden. Weiterhin ist bei dieser Ausbildung die Genauigkeit am höchsten, da zum Arbeiten mit dem TV-Kamera-Sensor entweder das elektronisches Fa denkreuz in das Bild eingeblendet werden muß oder ein mechanisches Fadenkreuz an dem Arbeitspunkt der Werkstück kontur aufgelegt werden muß. Dieses Fadenkreuz wird auf die Werkzeugspitze, vorzugsweise auf den Fokuspunkt des Lasers einjustiert. Werden anschließend die Maschinen achsen bewegt, so entsteht selbst durch eine Fehljustierung der Umlenkspiegel bei dieser Ausbildung kein Fehler bei der Teach-in-Programmierung. Der kleinste Abstand zwischen Objektiv und Werkstück beträgt hierbei 20 Millimeter.The TV camera sensor is preferably on the tool holder of the machining head, i.e. along the A axis. At this arrangement, the conditions at the working point at the disturbance least observed. Furthermore, this one Training the highest accuracy because of working with the TV camera sensor either the electronic company cross must be superimposed on the picture or a mechanical crosshairs at the working point of the workpiece contour must be placed. This crosshair will open the tool tip, preferably on the focus point of the Lasers adjusted. Then the machines axes are moving, this is caused by incorrect adjustment itself the deflecting mirror with this training is not a mistake the teach-in programming. The smallest distance between The objective and workpiece are 20 millimeters.
Vorzugsweise ist das Werkzeug, insbesondere der Bearbei tungskopf des Lasers in einem Werkzeugwechselhalter befest igt, der beispielsweise als Magnethalter ausgebildet ist. Durch einen derartig ausgebildeten Werkzeugwechselhalter, wie er in der Patentanmeldung 38 23 887.9 beschrieben ist, ist es vorteilhaft möglich, den TV-Kamera-Sensor schnell und genau gegen das Werkzeug auszutauschen. Dabei muß der TV-Kamer-Sensor als sehr kompakte bauliche Einheit, ins besondere als CCD-Kamera-Sensor ausgebildet sein.The tool, in particular the machining, is preferred Fix the laser head in a tool change holder igt, which is designed for example as a magnet holder. With a tool change holder designed in this way, as described in patent application 38 23 887.9, it is advantageously possible to use the TV camera sensor quickly and exchange it exactly for the tool. The TV camera sensor as a very compact structural unit, ins especially designed as a CCD camera sensor.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.Further developments of the invention are in the subclaims shown.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and is described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Einrichtung nach der Erfindung; Figure 1 is a perspective view of the device according to the invention.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des in den Strahlgang eines Lasers einblendbaren TV-Kamera-Sensors; Fig. 2 is a schematic representation of the superimposable in the beam path of a laser TV camera sensor;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des an dem Werkzeug halter angeordneten TV-Kamera-Sensors sowie des Blick feldes des TV-Kamera-Sensors relativ zu dem Anriß oder dgl. auf der Werkstückkontur; Fig. 3 is a schematic representation of the arranged on the tool holder TV camera sensor and the field of view of the TV camera sensor relative to the crack or the like. On the workpiece contour;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des an dem Werkzeug halter angeordneten TV-Kamera-Sensors mit Auswertelek tronik und Lichtquelle; Fig. 4 is a schematic representation of the arranged on the tool holder TV camera sensor electronics with Auswertelek and light source;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Bildes von der Werk stückoberfläche mit Lichtpunkt; Figure 5 is a schematic representation of the image of the workpiece surface with light spot.
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Meßfehlers bei der Abstandsmessung mit Lichtpunkt. Fig. 6 is a schematic representation of a measurement error in the distance measurement with light point.
In Fig. 1 ist ein Werkstück- und Strahlmanipulator mit fünf Achsen in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Die fünf Achsen werden dabei aus drei Linearachsen X, Y, Z und zwei Drehachsen A, C gebildet. Der Manipulator 10 besteht im wesentlichen aus einem Koordinatentisch 11, auf dem das Werkstück 12 (Fig. 2) in X-Richtung verfahrbar ist und einem den Koor dinatentisch 11 überragenden Portal 13, das stationär an geordnet ist. Auf der Zweiträgerbrücke 14 des Portals 13 sind Fahrbahnen 15, 16 angeordnet, auf denen ein Wagen 17 in Y-Richtung verfahrbar ist. An dem Wagen 17 ist eine in ihrer Höhe in Z-Richtung über dem Werkstück 12 ver fahrbare Vertikalführung 18 befestigt. An dem dem Werk stück 12 zugewandten Ende der Vertikalführung 18 ist ein in C-Richtung drehbares Drehgelenk 19 mit senkrechter Dreh achse 20 angeordnet. An dem Drehgelenk 19 ist der Laser kopf 21 befestigt, der um eine senkrecht zur Drehachse 20 verlaufende Achse in A-Richtung schwenkbar ist.In Fig. 1, a workpiece and beam manipulator with five axes is designated by 10 in its entirety. The five axes are formed from three linear axes X , Y , Z and two axes of rotation A, C. The manipulator 10 consists essentially of a coordinate table 11 on which the workpiece 12 ( FIG. 2) can be moved in the X direction and a portal 13 projecting above the coordinate table 11 , which is arranged in a stationary manner. On the double girder bridge 14 of the portal 13 there are lanes 15 , 16 on which a carriage 17 can be moved in the Y direction. On the carriage 17 , a ver vertical guide 18 is attached in height in the Z direction above the workpiece 12 . At the work piece 12 facing the end of the vertical guide 18 , a rotary joint 19 which is rotatable in the C direction and has a vertical rotary axis 20 is arranged. On the swivel 19 , the laser head 21 is attached, which is pivotable about an axis perpendicular to the axis of rotation 20 in the A direction.
Vorzugsweise fluchtend zur Zweiträgerbrücke 14 ist ein La serresonator 22 angeordnet, in dem der Laserstrahl 23 er zeugt wird. Der Laserresonator 22 ist vorzugsweise über den Steuer- und Versorgungseinrichtungen 24 angeordnet.A laser resonator 22 , in which the laser beam 23 is generated, is preferably arranged in alignment with the double-beam bridge 14 . The laser resonator 22 is preferably arranged above the control and supply devices 24 .
Selbstverständlich ist jede andere Anordnung des Laserreso nators 22 auch möglich. Der Laserstrahl 23 wird dann über Spiegel auf die optische Achse des Strahlmanipulators 10 justiert.Of course, any other arrangement of the laser resonator 22 is also possible. The laser beam 23 is then adjusted to the optical axis of the beam manipulator 10 via mirrors.
Der aus dem Laserresonator 22 austretende Laserstrahl 23 wird über einen unter 45° angeordneten Spiegel 26 (Fig. 2) in Z-Richtung umgelenkt und mittig durch die Vertikalführung 18 dem Laserkopf 21 zugeführt. Hierzu sind in dem Drehgelenk 19 und dem Laserkopf 21 Spiegel 27 und 28 (Fig. 2) angeordnet.The laser beam 23 emerging from the laser resonator 22 is deflected in the Z direction via a mirror 26 ( FIG. 2) arranged at 45 ° and fed to the laser head 21 in the center through the vertical guide 18 . For this purpose, mirrors 27 and 28 ( FIG. 2) are arranged in the swivel joint 19 and the laser head 21 .
Koordinatentisch 11, Wagen 17, Vertikalführung 18, Dreh gelenk 19 und Laserkopfschwenkvorrichtung 25 werden vor zugsweise mittels einer CNC-Steuerung verfahren, wobei die Antriebsmotore aus Übersichtsgründen nicht näher dargestellt sind. Coordinate table 11 , carriage 17 , vertical guide 18 , rotary joint 19 and laser head swivel device 25 are preferably moved before by means of a CNC control, the drive motors are not shown for reasons of clarity.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Strahlen ganges des Laserstrahls 23, der über die Spiegel 26, 27, 28 auf das Werkstück 12 gelenkt wird. Dabei liegt der Ar beitspunkt 29 des Laserstrahls 23 auf einem der Bearbei tungskontur 30 entsprechenden Anriß. Vorzugsweise oberhalb der C-Drehachse ist ein schwenkbarer Spiegel 31 in dem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, über den der Arbeitspunkt 29 (entspricht der Werkzeugspitze) von dem TV-Kamera-Sensor 32 beobachtet werden kann. Hierzu ist der Spiegel unter einem Winkel von 45° in die Z-Linear achse einblendbar. Dies kann beispielsweise über einen dem Spiegel 31 zugeordneten Spiegelantrieb erfolgen, mit dem der Spiegel 31 in den bzw. aus dem Strahlengang des Laserstrahls 23 verfahren wird. Rechtwinklig zu der Z-Linearachse ist in der optischen Achse des Spiegels 31 der TV-Kamera-Sensor 32, vorzugsweise an einem nicht näher dargestellten Halter des Wagens 17, befestigt. Fig. 2 shows a schematic representation of the beam path of the laser beam 23 which is directed onto the workpiece 12 via the mirrors 26 , 27 , 28 . The Ar beitpunkt 29 of the laser beam 23 is on a machining contour 30 corresponding outline. A pivotable mirror 31 is preferably arranged above the C axis of rotation in the beam path of the laser beam, via which the working point 29 (corresponds to the tool tip) can be observed by the TV camera sensor 32 . For this purpose, the mirror can be faded into the Z-linear axis at an angle of 45 °. This can take place, for example, via a mirror drive assigned to the mirror 31 , with which the mirror 31 is moved into or out of the beam path of the laser beam 23 . At right angles to the Z linear axis, the TV camera sensor 32 is fastened in the optical axis of the mirror 31 , preferably to a holder of the carriage 17 , not shown in detail.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der schwenkbare Spiegel 31 teildurchlässig ausgebildet, so daß eine im Bearbeitungssystem vorhandene Lichtquelle 33, vor zugsweise ein HeNe-Laser,zur Beleuchtung des Arbeitspunktes 29 verwendet werden kann. Hierbei wird der Lichtstrahl 34 der Lichtquelle 33 über einen weiteren schwenkbaren Spiegel 35 in den Strahlengang des aus dem Laserresonator 22 aus tretenden Laserstrahls 23 eingeblendet.According to a further advantageous embodiment, the pivotable mirror 31 is designed to be partially transparent, so that a light source 33 present in the processing system, preferably before a HeNe laser, can be used to illuminate the working point 29 . Here, the light beam 34 of the light source 33 is faded into the beam path of the laser beam 23 emerging from the laser resonator 22 via a further pivotable mirror 35 .
In Fig. 3 ist der TV-Kamera-Sensor 32 unterhalb der Dreh achse in einem Werkzeughalter 36 befestigt, wie er beispiels weise in der Patentanmeldung 35 23 887.9 näher beschrieben ist. Durch den Einbau des TV-Kamera-Sensors 32 anstelle eines Werk zeuges, beispielsweise einer Linse oder eines Schneid kopfes, können vorteilhaft die Verhältnisse am Arbeitspunkt 29 am störungsfreiesten beobachtet werden. An dem Werk zeughalter 36 ist eine Einrichtung zur Abstandskonstant haltung 37 und eine Einrichtung zur Neigungsregelung bzw. -einstellung 38 angeordnet.In Fig. 3, the TV camera sensor 32 is attached below the axis of rotation in a tool holder 36 , as described, for example, in patent application 35 23 887.9. By installing the TV camera sensor 32 instead of a tool, for example a lens or a cutting head, the conditions at the working point 29 can advantageously be observed at the most trouble-free. On the tool holder 36 a device for constant spacing 37 and a device for tilt control or adjustment 38 is arranged.
In der Fig. 3 ist der Abstandssensor als ringförmiger Schleif schuh 39 ausgebildet, der an einem Linearpotentiometer 40 befestigt ist. Über das Linearpotentiometer 40 wird ein dem Abstand zwischen TV-Kamera-Sensor 32 und Werkstück 12 proportionales lineares Analogsignal an die CNC-Steuerein richtung 24 abgegeben. Der Meß- bzw. Bezugspunkt auf dem Werkstück 12 ist dabei der Arbeitspunkt 29. Über die Funktion "Abstand konstant" wird von der CNC-Steuerung über die X, Y, Z-Linearachsen der Abstand auf den Sollab stand geregelt.In Fig. 3, the distance sensor is designed as an annular grinding shoe 39 which is attached to a linear potentiometer 40 . About the linear potentiometer 40 a proportional to the distance between the TV camera sensor 32 and workpiece 12 linear analog signal is given to the CNC Steuerein device 24 . The measuring or reference point on the workpiece 12 is the working point 29 . The distance control to the target distance is controlled by the CNC control via the X, Y , Z linear axes using the "Constant distance" function.
Der ringförmige Schleifschuh 39 ist über das Linearpotenti ometer 40 an einer Führungsstange 41 gelenkig an dem Werk zeughalter 36 angekoppelt. Das Drehgelenk ist mit 42 bezeich net. Der Führungsstange 41 sind zwei Potentiometer 43 zugeord net, über die die Winkelabweichungen zu den Maschinenachsen gemessen und die Neigung der Werkzeugachse gegenüber der Werk stückoberfläche ermittelt wird. In der Fig. 3 ist aus Dar stellungsgründen nur ein Potentiometer 43 gezeichnet. Von den beiden Potentiometern 43 wird ein der Neigung proportionales Signal an die CNC-Steuereinrichtung 24 gegeben und von der CNC-Steuerung die Maschinenachsen korrigiert.The ring-shaped grinding shoe 39 is articulated via the linear potentiometer 40 on a guide rod 41 to the tool holder 36 . The swivel joint is designated 42 with net. The guide rod 41 are assigned two potentiometers 43 , via which the angular deviations from the machine axes are measured and the inclination of the tool axis relative to the workpiece surface is determined. In Fig. 3 only Dar potentiometer 43 is drawn for reasons of position. A signal proportional to the inclination is sent from the two potentiometers 43 to the CNC control device 24 and the machine axes are corrected by the CNC control.
Bei allen Einrichtungen zur Abstandskonstanthaltung oder zur Neigungsregelung bzw. -einstellung können statt Potenti ometer kapazitiv, induktiv usw. messende Systeme eingesetzt werden. With all devices for constant distance maintenance or to adjust or adjust the inclination instead of potentiometers ometer capacitive, inductive etc. measuring systems used will.
Besonders vorteilhaft läßt sich eine sehr kompakt bauende CCD-Kamera als TV-Kamera-Sensor 32 mit Sensoren 37, 38 ausbauen, wenn als Sensor beispielsweise der im Stand der Technik genannte Sensor NWAL verwendet wird. Dieser Sensor gibt beispielsweise Analogsignale über die Abstands und Winkelabweichungen. Entsprechend dieser Signale kann entweder von Hand ein Null-Abgleich gemacht werden oder automatisch über die CNC-Steuerung korrigiert werden. Dabei kann der Bediener von einem stationär angeordneten Arbeitsplatz die gesamte Teach-in-Programmierung durch führen. Hierzu ist der TV-Kamera-Sensor 32 über eine Lei tung 45 mit einem TV-Monitor 46 verbunden, der in der CNC-Steuereinrichtung 24 eingebaut ist. Vorzugsweise be sitzt der TV-Kamera-Sensor 32 ein optisches bzw. elek tronisches Fadenkreuz 47, das zusammen mit einem Teilbe reich des Werkstückes 12,auf dem sich die Bearbeitungs kontur 30 befindet,auf dem TV-Monitor sichtbar ist. Die Achsen des Fadenkreuzes 47 sind den Achsen des TV-Kamera- Sensors 32 fest zugeordnet und können auf den Arbeitspunkt 29 bzw. die Werkstückspitze justiert werden. Hierduch wird vorteilhaft erreicht, daß die Bildmitte des TV- Kamera-Sensors (32) nicht mit dem Arbeitspunkt 29 über einstimmen muß. Das Fadenkreuz 47 hat am TV-Monitor 46 immer die gleiche Lage, auch wenn der TV-Kamera-Sensor 32 in oder von dem CO2-Laser gedreht wird. Selbstverständ lich ist es auch möglich, eine Zusatzelektronik zu installie ren, die das Bild mit dem Fadenkreuz 47 entsprechend der Drehung der Maschinenachsen mitdreht.A very compact CCD camera can be expanded particularly advantageously as a TV camera sensor 32 with sensors 37 , 38 if, for example, the sensor NWAL mentioned in the prior art is used as the sensor. This sensor gives, for example, analog signals about the distance and angular deviations. According to these signals, a zero adjustment can either be made manually or corrected automatically via the CNC control. The operator can carry out the entire teach-in programming from a stationary work station. For this purpose, the TV camera sensor 32 is connected via a line 45 to a TV monitor 46 which is installed in the CNC control device 24 . Preferably, the TV camera sensor 32 sits an optical or electronic crosshair 47 , which together with a part of the workpiece 12 on which the machining contour 30 is located, is visible on the TV monitor. The axes of the crosshairs 47 are permanently assigned to the axes of the TV camera sensor 32 and can be adjusted to the working point 29 or the workpiece tip. This advantageously ensures that the center of the image of the TV camera sensor ( 32 ) does not have to coincide with the working point 29 . The crosshair 47 always has the same position on the TV monitor 46 , even if the TV camera sensor 32 is rotated in or by the CO 2 laser. Of course, it is also possible to install additional electronics that rotate the image with the crosshairs 47 in accordance with the rotation of the machine axes.
Vorteilhaft wird vor Beginn der Teach-in-Programmierung mit dem Laserstrahl 23 auf das Werkstück 12 eine Marke gesetzt. Dann wird der Bearbeitungskopf des Lasers gegen den TV- Kamera-Sensor 32 getauscht und das Fadenkreuz 47 auf die Werkzeugspitze (z. B. den Fokuspunkt des Lasers) einjustiert. A mark is advantageously placed on the workpiece 12 with the laser beam 23 before the start of teach-in programming. Then, the machining head of the laser against the TV camera sensor is exchanged 32 and the reticle 47 to the tool tip adjusted (eg. As the focal point of the laser).
Werden nun die Maschinenachsen des Werkstück- und Strahl manipulators 10 bewegt, so entsteht selbst durch eine Fehl justierung der Spiegel 26, 27, 28 kein Fehler bei der Teach-in-Programmierung.If the machine axes of the workpiece and beam manipulator 10 are now moved, even an incorrect adjustment of the mirrors 26 , 27 , 28 does not result in an error in the teach-in programming.
Vorzugsweise wird jedoch über einen TV-Kamera-Sensor 32 mit Auswertelektronik der Abstand zwischen Objektiv und Werkstück 12 und die Neigung der Werkzeugachse gegenüber der Werkstückoberfläche ermittelt.However, the distance between the lens and the workpiece 12 and the inclination of the tool axis with respect to the workpiece surface are preferably determined via a TV camera sensor 32 with evaluation electronics.
Zur Abstandsmessung ist an dem TV-Kamera-Sensor 32 bzw. in einem festen (justierbaren) Winkel zur Kamera eine Lichtquelle 48 angebracht, die einen möglichst kleinen punktförmigen Lichtpunkt 49 auf dem Werkstück 12 erzeugt.For distance measurement, a light source 48 is attached to the TV camera sensor 32 or at a fixed (adjustable) angle to the camera, which generates the smallest possible point-shaped light spot 49 on the workpiece 12 .
Ist der TV-Kamera-Sensor 32 entsprechend dem Sollabstand 50 vom Werkstück 12 entfernt, so soll der Lichtpunkt 48 möglichst genau den Arbeitspunkt 29 bzw. die Werkzeug spitze treffen, um Neigungsfehler auszuschließen. Ver größert oder verkleinert sich der Sollabstand auf einen Istabstand 51 bzw. 52, so ergeben sich (vorzeichenbehaftet) andere Auftreffpunkte 53, 54 auf dem Werkstück 12. Im Gesichtsfeld der Kamera liegt der Lichtpunkt 49 in einem definierten Pixel 56 (oder - abhängig von der Lichtquelle - in einer Anzahl von Pixels) des CCD-Arrays 55.If the TV camera sensor 32 is removed from the workpiece 12 in accordance with the desired distance 50 , the light point 48 should hit the working point 29 or the tool tip as precisely as possible in order to rule out inclination errors. If the desired distance increases or decreases to an actual distance 51 or 52 , other points of impact 53 , 54 on the workpiece 12 result (subject to the sign). In the field of view of the camera, the light point 49 lies in a defined pixel 56 (or - depending on the light source - in a number of pixels) of the CCD array 55 .
Sind Lichtquelle 48, Arbeitspunkt 29 bzw. Werkzeugspitze und Fadenkreuz 47 - wie vorhergehend beschrieben - zu ein ander justiert, so zeigt bei Sollabstand 50 der Lichtpunkt 49 exakt auf das Fadenkreuz 47. Bei einer Abstandsänderung wandert der Lichtpunkt 49 von seiner Sollage aus.If light source 48 , working point 29 or tool tip and cross hair 47 - as described above - are adjusted to one another, then at target distance 50, light point 49 points exactly to cross hair 47 . In the event of a change in distance, the light point 49 migrates from its target position.
Bei ebenen (oder fast ebenen Flächen und kleinen Auslen kungen) und normal zur Fläche stehender Kamera ist diese Auswanderung ein direktes Maß für die Abstandsänderung. For flat (or almost flat surfaces and small deflections kung) and normal to the surface of the camera Emigration is a direct measure of the change in distance.
Sie kann über die Veränderung der Koordinaten des Licht punktes 49 auf dem CCD-Array 55 ausgezählt und somit aus gemessen werden.It can be counted by changing the coordinates of the light point 49 on the CCD array 55 and thus measured.
Bei stark gekrümmten Werkstücken 12 ergibt sich ein schein barer Höhenfehler 61, der sich aus einem Meßfehler 57 und einem Höhenfehler 62 zusammensetzt. Der Meßfehler 57 hängt von dem Neigungswinkel 59 des Lichtstrahles 58 und dem Neigungswinkel 60 der Werkstückoberfläche ab.In the case of strongly curved workpieces 12 , an apparent ble error 61 results, which is composed of a measurement error 57 and a height error 62 . The measurement error 57 depends on the angle of inclination 59 of the light beam 58 and the angle of inclination 60 of the workpiece surface.
Dieser Fehler ist für die Nutzung, wie sie hier beschrieben wird, unerheblich, da das Signal tendenzmäßig erhalten bleibt (vorzeichenmäßig), das Signal nur geringfügig ver fälscht wird und das Signal nicht als eigentliches Meß signal sondern nur als Stellsignal verwendet wird, d. h. ein Regelvorgang (manuell oder automatisch) stellt den Sollabstand 50 wieder her und hier ist der Meßwert unab hängig von der Neigung der Werkstückoberfläche.This error is irrelevant for the use as described here, since the signal tends to be preserved (signed), the signal is only slightly distorted and the signal is not used as the actual measurement signal but only as a control signal, ie a control process (manual or automatic) restores the target distance 50 and here the measured value is independent of the inclination of the workpiece surface.
Sinnvollerweise kann man die Auswertung des CCD-Bildes 55 (digitales Auszählen von Pixels, Veränderung von Koordinaten) für die Weiterverarbeitung, z. B. für die Übergabe an eine CNC-Steuerung als Analsignal oder als für übliche Schnitt stellen (V 24 o.ä.) geeignetes Digitalsignal aufbereiten.It makes sense to evaluate the CCD image 55 (digital counting of pixels, change of coordinates) for further processing, e.g. B. prepare for the transfer to a CNC control as an anal signal or as for conventional interfaces ( V 24 or similar) suitable digital signal.
Zur Neigungsermittlung kann eine Meßroutine verwendet werden. Hierbei werden die Abstände von mehreren Punkten, vorzugs weise von drei Punkten, in der Nähe des Arbeitspunktes ge messen und daraus die Neigung berechnet und korrigiert. Die vorstehend beschriebene Einrichtung zur Neigungsre gelung bzw. -einstellung 38 kann bei diesem Verfahren ent fallen. Die Punkte werden hierbei über das von dem TV- Kamera-Sensor erzeugte Bild ermittelt. A measuring routine can be used to determine the inclination. The distances from several points are preferred wise from three points, close to the working point measure and the inclination is calculated and corrected. The device for inclination re described above gelung or setting 38 can ent in this process fall. The points are added via the Detected image generated by camera sensor.
Will man nicht das Verfahren "Messen von drei Punkten und daraus Berechnen der Ebene im Raum" anwenden, so kann man drei der oben beschriebenen Lichtquellen 48 mit drei Licht punkten 49 auf dem CCD-Array 55 installieren. Aus den Ist-Koordinaten der Lichtpunkte 49 kann im Verhältnis zu den Sollkoordinaten die mittlere Neigung der Werkstück oberfläche bestimmt werden.If one does not want to use the method "measuring three points and calculating the plane in space from this", one can install three of the light sources 48 described above with three light points 49 on the CCD array 55 . The average inclination of the workpiece surface can be determined from the actual coordinates of the light points 49 in relation to the target coordinates.
Bei diesem Verfahren zur Neigungsmessung ergibt sich der Vorteil, daß nur ein Punkt zum Messen angefahren werden muß (nicht drei Punkte). Dies ergibt eine Zeitersparnis und eine einfache Handhabung.With this method of inclination measurement the result is Advantage that only one point can be approached for measuring must (not three points). This saves time and easy handling.
Abhängig von der Anordnung (Neigungswinkel, Abstände der Lichtpunkte 49) und der geforderten Genauigkeit können zur Abstands- und Neigungsmessung entweder drei Lichtpunkte 49 oder vier Lichtpunkte 49 verwendet werden.Depending on the arrangement (angle of inclination, spacing of the light points 49 ) and the required accuracy, either three light points 49 or four light points 49 can be used for the distance and inclination measurement.
Bei drei Lichtpunkten 49 wird rechnerisch der mittlere Ab stand ermittelt, der somit fehlerbehaftet ist (s. oben).With three light points 49 , the average distance is calculated, which is therefore subject to errors (see above).
Bei vier Lichtpunkten 49 wird der vierte Lichtpunkt 49 nur zur Abstandsmessung benutzt und liefert somit für den Abgleich auf Sollabstand 50 ein exaktes Ergebnis.In the case of four light points 49 , the fourth light point 49 is only used for measuring the distance and thus provides an exact result for the adjustment to the desired distance 50 .
Zur Sicherheitsüberwachung und eventuell zum Grobpositio nieren kann eine zweite TV-Anlage installiert werden.For security monitoring and possibly for the rough position a second TV system can be installed.
Wird der kleinste vorgegebene Abstand zwischen Objektiv und Werkstück unterschritten und erreicht beispielsweise einen Abstand von 10 Millimetern, wird von dem TV-Kamera- Sensor 32 ein Alarmsignal erzeugt. Zusätzlich werden bei Fehlern im Sensorsystem (d. h. Gesamtsystem von Objektiv bis Monitor) die zur Zerstörung des Sensors oder des Strahl manipulators 10 führen könnten, ein Störsignal an die Ma schinensteuerung gegeben, das einen Not-Aus der Bearbei tungsmaschine auslöst.If the minimum predetermined distance between the lens and the workpiece is undershot and reaches, for example, a distance of 10 millimeters, an alarm signal is generated by the TV camera sensor 32 . In addition, in the event of errors in the sensor system (ie overall system from lens to monitor) which could lead to the destruction of the sensor or the beam manipulator 10 , an interference signal is given to the machine control, which triggers an emergency stop of the processing machine.
Das Grobpositionieren kann aber auch mit dem TV-Kamera- Sensor 32 durchgeführt werden. Hierzu ist der TV-Kamera- Sensor mit einem Zoom-Objektiv ausgerüstet und hat einen fernsteuerbaren Fokus. Der Bediener fährt das Werkzeug auf einen großen Abstand zum Werkstück 12. Hat er die zu programmierende Kontur im Blickfeld, kann er über die Funktion "Bewegen auf der Werkzeugachse" auf Sollabstand an das Werkstück 12 heranfahren.The rough positioning can also be carried out with the TV camera sensor 32 . For this purpose, the TV camera sensor is equipped with a zoom lens and has a remote-controlled focus. The operator moves the tool to a large distance from the workpiece 12 . If he has the contour to be programmed in view, he can use the "move on the tool axis" function to approach the workpiece 12 at the desired distance.
Claims (12)
- - einem stationären Portal (13), unter dem ein das Werkstück (12) tragender Werkstückmanipulator (11) in X-Richtung verfahrbar ist,
- - einem Wagen (17), der auf dem Portal (13) in Y-Rich tung verfahrbar ist,
- - einer Vertikalführung (18), die in ihrer Höhe in Z-Richtung über dem Werkstück (12) verfahrbar am Wagen befestigt ist,
- - einem am Ende der Vertikalführung (18) geordneten in C-Richtung drehbarem Drehgelenk (19) mit senk rechter Drehachse (20),
- - einem am Drehgelenk (19) befestigten Laserkopf (21), der um eine senkrecht zur Drehachse verlaufenden Achse in A-Richtung schwenkbar ist,
- - a stationary gantry (13) at which a workpiece (12) supporting the workpiece manipulator (11) is movable in the X direction,
- - A carriage ( 17 ) which can be moved on the portal ( 13 ) in the Y direction,
- - A vertical guide ( 18 ) which is attached to the carriage in its height in the Z direction above the workpiece ( 12 ),
- - At the end of the vertical guide ( 18 ) arranged in the C-direction rotatable swivel ( 19 ) with a vertical axis of rotation ( 20 ),
- a laser head ( 21 ) attached to the swivel joint ( 19 ), which can be pivoted in the A direction about an axis running perpendicular to the axis of rotation,
und der Spiegel (31) in den in Z-Richtung verlaufenden Strahlgang des Laserstrahls (23) einblendbar ist.having
and the mirror ( 31 ) can be faded into the beam path of the laser beam ( 23 ) extending in the Z direction.
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