Verfahren zum Steuern eines Endelementes einer Werkzeugma ^¬ schine und eine Werkzeugmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zum Steuern eines Endelementes einer Werkzeugma ^¬ schine . Für die präzise Fertigung von Werkstücken mit CNC-Maschinen muss insbesondere die relative Position und Orientierung zwi ^¬ schen dem Werkstück und dem Werkzeug während dem Bearbei ^¬ tungsvorgang gemessen werden. Bei der Bearbeitung des Werkstücks treten beispielsweise statische, dynamische und pro- zessbedingte Kräfte auf, die auf die Maschinenstruktur ein ^¬ wirken. Diese führen insbesondere zu einer Verformung und Schwingungsanregung der Maschinenstruktur und damit beispielsweise zu einer örtlichen Verlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück. Darüber hinaus können beispielsweise Tempera- turänderungen der Maschinenstruktur ebenfalls zu einer Verlagerung der relativen Pose zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück führen. Es ist beispielsweise bekannt, die Pose zwi ^¬ schen Werkzeug und Werkstück beispielsweise indirekt über Weggeber in den kinematischen Achsen der Maschine zu bestim- men. Insbesondere Geometrieabweichungen der einzelnen Maschinenkomponenten führen zu Fehlern, die bei der Bestimmung der relativen Pose zwischen Werkzeug und Werkstück durch diesen konventionellen Ansatz nicht berücksichtigt werden können. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, die es erlauben, ein Endelement mit möglichst hoher Genauigkeit zu steuern.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen an- gegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dargestellt. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum rechnergestützten Steuern eines Endelementes einer Werkzeugmaschine mit folgenden Verfahrensschritten:

Erfassen von mehreren optischen Markern in einer Ar- beitsumgebung der Werkzeugmaschine mittels eines opti ^¬ schen Messsystems;

Ermitteln einer ersten relativen Pose zwischen dem Endelement und einem Werkstück anhand der mehreren erfass- ten optischen Markern;

- Ermitteln eines ersten Korrekturwertes anhand eines Ver ^¬ gleichs der ersten relativen Pose mit einer Referenzpo ^¬ se ;

Steuern des Endelements für eine Bearbeitung des Werkstücks unter Berücksichtigung des ersten Korrekturwer- tes.

Sofern es in der nachfolgenden Beschreibung nicht anders angegeben ist, beziehen sich die Begriffe "durchführen", "berechnen", "rechnergestützt", "rechnen", "feststellen", "gene- rieren", "konfigurieren", "rekonstruieren" und dergleichen, vorzugsweise auf Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verarbeitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Daten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, beispielsweise als elektrische Impul ^¬ se. Insbesondere sollte der Ausdruck "Computer" möglichst breit ausgelegt werden, um insbesondere alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften abzudecken. Computer können somit beispielsweise Personal Computer, Server, Handheld-Computer-Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung sein. Unter „rechnergestützt" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Implementierung des Verfahrens ver ^¬ standen werden, bei dem insbesondere ein Prozessor mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt. Unter einem Prozessor kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schal ^¬ tung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich ins- besondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU) , einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schal ^¬ tung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Pro- grammbefehlen, etc. handeln. Bei einem Prozessor kann es sich beispielsweise auch um einen IC (integrierter Schaltkreis, engl. Integrated Circuit), insbesondere einen FPGA (engl. Field Programmable Gate Array) oder einen ASIC (anwendungs ^¬ spezifische integrierte Schaltung, engl. Application-Specific Integrated Circuit) , oder einen DSP (Digitaler Signalprozes ^¬ sor, engl. Digital Signal Processor) handeln. Auch kann unter einem Prozessor ein virtualisierter Prozessor oder eine Soft- CPU verstanden werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit Konfigura- tionsschritten zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet wird oder mit Konfigurationsschritten derart konfiguriert ist, dass der programmierbare Prozessor die erfindungsgemäßen Merkmale des Verfahrens, der Komponente, des Sicherheitsmoduls, oder anderer Aspekte und Teilas- pekte der Erfindung implementiert.

Unter einer „Speichereinheit" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Speicher in Form von Arbeitsspeicher (engl. Random-Access Memory, RAM) oder eine Fest- platte verstanden werden.

Unter einem „Modul" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Prozessor und/oder eine Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen verstanden werden. Bei- spielsweise ist der Prozessor speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszuführen, damit der Prozessor Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren. Unter einer „Arbeitsumgebung", insbesondere eines Roboters, kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Bewegungsraum des Roboters und/oder ein Arbeitsraum des Robo- ters verstanden werden. Der Bewegungsraum beschreibt insbesondere einen Raum, der beispielsweise von bewegten Elementen des Roboters, insbesondere inklusive des Endelements, mit der Gesamtheit aller Achsbewegungen erreicht werden kann. Insbesondere berücksichtigt der Bewegungsraum beispielsweise eine spezielle Form des Endeffektors und/oder eines Handhabungsob ^¬ jekts, die insbesondere mit diesen in der Arbeitsumgebung erreicht werden können.

Unter einem „Arbeitsraum", insbesondere eines Roboters, kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Raum verstanden werden, der insbesondere von den Schnittstellen und/oder Bewegungsachsen und/oder einem Endeffektor gebildet werden, indem man beispielsweise alle Hauptachsen in ihre jeweilige Maximal- und Minimalstellung verfährt. Insbesondere ist der Arbeitsraum unabhängig von spezieller Form des Endeffektors und/oder des Handhabungsobjekt definiert (oder diese Aspekte werden im Arbeitsraum nicht berücksichtigt) . Vorzugs ^¬ weise ist der Bewegungsraum mindestens so groß wie der Ar ^¬ beitsraum, wobei der Bewegungsraum auch größer sein kann als der Arbeitsraum.

Unter einer „Pose" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine räumliche Lage verstanden werden, wobei die Pose insbesondere eine Kombination von Position und Ori- entierung eines Objektes im Raum bezeichnet. Insbesondere ist die Pose die Kombination von Position und Orientierung im dreidimensionalen Raum. Beispielsweise definiert sich die Po ^¬ sition einer punktförmigen Masse in Relation zu einem karte- sischen Koordinatensystem demnach beispielsweise durch die Abstände entlang den Koordinatenrichtungen x, y, z. Spannt man an diesem Massepunkt beispielsweise ein zweites kartesi- sches Koordinatensystem auf, so definiert sich insbesondere die Orientierung dieses Koordinatenkreuzes beispielsweise durch den Winkelversatz seiner Koordinatenachsen, insbesondere in Bezug zu den entsprechenden Achsen des Basiskoordina ^¬ tensystems. Es sind somit insbesondere zusätzlich drei Winkel notwendig, die beispielsweise die Lage des neuen Koordinaten- Systems bezogen auf das Basiskoordinatensystem beschreiben.

Unter einer „beweglichen Achse" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine kinematische Achse der Werk ^¬ zeugmaschine oder einer Komponente der Werkzeugmaschine ver- standen werden. Insbesondere kann eine Werkzeugmaschine, bei ^¬ spielsweise ein Roboter sein, wobei die Werkzeugmaschine bei ^¬ spielsweise aus beweglichen Gliedern (Armteilen) aufgebaut ist. Insbesondere bilden die Glieder eine offene kinematische Kette oder eine Parallelkinematik. Beispielsweise ist bei der kinematischen Kette jedes Armteil der Werkzeugmaschine mit einem beweglichen Gelenk am vorhergehenden Armteil der Werkzeugmaschine montiert. Insbesondere kann unter einer bewegli ^¬ chen Achse ein Gelenk verstanden werden, mit dem beispielsweise die Glieder miteinander verbunden sind. Insbesondere kann über eine bewegliche Achse, insbesondere einem Gelenk, beispielsweise das Endelement mit der Werkzeugmaschine ver ^¬ bunden sein. Vorzugsweise wird unter einer beweglichen Achse keine Achse verstanden, die beispielsweise durch ein Antrei ^¬ ben eines Werkzeugs entsteht (z. B. eine Drehbewegung eines Bohrers) .

Unter einem „Endelement" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein Endeffektor, eine Werkzeugspindel oder ein Werkzeughalter einer Werkzeugmaschine verstanden werden, die vorzugsweise ein letztes oder vorletztes Element einer kinematischen Kette der Werkzeugmaschine sind. Insbe ^¬ sondere kann ein Endelement beispielsweise auch ein chirurgi ^¬ sches Instrument und/oder radiologisches Instrument und/oder medizinisches Instrument, wie beispielsweise Spritzen, Son- den, Implantaten, Schläuchen oder Ähnlichem, sein.

Unter einer „Werkzeugmaschine" können im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise Maschinen zur Fertigung von Werkstü- cken mit Werkzeugen, beispielsweise Roboter, Industrieroboter oder medizinische Roboter, verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der Werkzeugmaschine auch um einen assistie ^¬ render Medizinroboter handeln, der beispielsweise zur Unter- Stützung von Ärzten einsetzbar ist. Insbesondere wird mittels des Endelements dadurch beispielsweise ein Halten und/oder Führen und/oder Zuführen, beispielsweise von chirurgischen und/oder radiologischen Instrumenten und/oder medizinischen Instrumenten, wie beispielsweise Spritzen, Sonden, Implanta- ten, Schläuchen oder Ähnlichem, ermöglicht. Dies erlaubt es insbesondere ein Werkstück, beispielsweise in Form eines festgelegten Bereichs im oder am Körper eines Patienten, sicher zu treffen und den Arzt beispielsweise von Routinetätig ^¬ keiten zu entlasten.

Unter einem „Werkstück" kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein zu bearbeitendes Metallstück, ein elektronisches Bauteil oder im weiteren Sinne auch ein Pati ^¬ ent, der beispielsweise von einem medizinischen Roboter ver- sorgt wird, verstanden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um mittels des ersten Korrekturwertes die Werk ^¬ zeugmaschine derart anzusteuern, dass insbesondere eine Ab- weichung zwischen der ersten relativen Pose und der Referenzpose minimiert oder möglichst minimal ist. Somit wird insbe ^¬ sondere die erste relative Poste derart korrigiert, dass ins ^¬ besondere unerwünschte Abweichungen bei der Bearbeitung des Werkstückes beispielsweise innerhalb vorgegebener Toleranzbe- reiche bleiben oder möglichst vollständig verhindert werden.

Insbesondere können durch den Einsatz eines bildbasierten Verfahrens (insbesondere auch als optisches Verfahren

bezeichenbar) zur direkten Bestimmung der ersten relativen Pose zwischen dem Endelement, beispielsweise eine Werkzeug ^¬ spindel, und dem Werkstück insbesondere die Messsystemkosten signifikant gesenkt werden. Insbesondere können im Vergleich zu konventionellen Verfahren beispielsweise neben den kinematischen Auslenkungen der einzelnen Achsen auch insbesondere Geometrieabweichungen der Strukturteile erfasst werden. Das bildbasierte oder optischen Messsystem kann beispielsweise sowohl in eine Regelschleife, beispielsweise während dem Betrieb der Werkzeugmaschine, ein ^¬ gebunden werden, als auch insbesondere zur Kalibrierung von Offline-Kompensationsmechanismen, beispielsweise bei einer Wartung der Werkzeugmaschine durch einen Techniker, einge- setzt werden.

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die stetig steigenden Anforderungen an die Geschwindigkeit und die energetischer Effektivität von Werkzeugmaschinen zu erfüllen.

Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren Werkzeug ^¬ maschinen bereitzustellen, bei denen insbesondere die bewegten Massen deutlich geringer sind als bei konventionellen Werkzeugmaschinen, wobei die Werkzeugmaschinen dennoch eine hohe Präzision bei der Bearbeitung von Werkstücken erreichen. Insbesondere können Nachteile, die bei der Bauweise von Werk ^¬ zeugmaschinen mit geringen bewegten Massen auftreten, kompensiert werden. Ein bekannter Nachteil ist insbesondere eine höhere Nachgiebigkeit der Komponenten. Diese Nachgiebigkeit führt insbesondere zu nicht ausgleichbaren Positionierungs ^¬ fehlern und damit zu Geometrieabweichungen bei einer Bearbeitung des Werkstücks. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind beispielsweise größere Verlagerungen der Maschinenstruk- tur zulässig, da diese detektiert und regelungstechnisch kom ^¬ pensiert werden können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere hochdynamischen Leichtbau- Werkzeugmaschinen realisiert werden. Bei einer ersten Ausführungsform des Verfahrens werden die mehreren optischen Marker durch das optische Messsystem mit einem Kamerasystem erfasst. Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um beispielsweise die räumlichen Positionen der optischen Marker oder eine Position eines Werkzeugs im Endelement zu erfassen. Hierzu kann das Kamerasystem insbesondere mindestens ein ers- tes Kameramodul und/oder ein zweites Kameramodul umfassen. Das optische Messsystem, beispielsweise das Kamerasystem, insbesondere das erste Kamerasystem und/oder das zweite Kame ^¬ rasystem, kann beispielsweise mit dem Endelement mittels Hal ^¬ teelementen fest verbunden oder mittels Halteelementen auf einem Stativ in der Arbeitsumgebung fest verbunden sein. Insbesondere kann das Kamerasystem mittels der Halteelemente un ^¬ beweglich und fixiert am Endelement befestigt sein. Das Kame ^¬ rasystem ist vorzugsweise so positioniert, dass es mehrere optische Marker und/oder das Endelement und/oder das Werkzeug optisch erfassen kann.

Somit ist insbesondere eine Anbringung des optischen Messsys ^¬ tems am Endelement oder dem Gehäuse des Endelements denkbar, wobei insbesondere die optischen Marker in der Arbeitsumge- bung der Werkzeugmaschine und/oder an Komponenten der Werkzeugmaschine befestigt werden. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass manche der Komponenten der Werkzeugmaschine, beispielsweise das Endelement, für beispielsweise bestimmte Bearbeitungsschritte ausgetauscht werden. In diesem Fall kann beispielsweise das optische Messsystem an nicht- auszutauschenden/verbleibenden Komponenten der Werkzeugmaschine, beispielsweise der Spannfläche der Werkzeugmaschine, befestigt werden. Die optischen Marker können beispielsweise in diesem Fall an dem Endelement (oder den Endelementen) oder dessen Gehäuse befestigt sein.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens werden die optischen Marker an Komponenten der Werkzeugmaschine und/oder dem Werkstück angeordnet.

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die Position des Werkstücks und/oder Komponenten relativ zum Endelement zu erfassen. Die Komponenten der Werkzeugmaschine können insbesondere ein Spannmittel für das Werkstück

und/oder einen Spanntisch der Werkzeugmaschine und/oder eine Spannfläche der Werkzeugmaschine und/oder eine Maschinen ^¬ struktur der Werkzeugmaschine umfassen.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens werden mindestens drei optische Marker der mehreren optischen Marker an einer der Komponenten der Werkzeugmaschine oder dem Werkstück angebracht .

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die Position des Werkstücks und/oder der Komponenten möglichst höher Präzision zu erfassen. Insbesondere werden hierzu mindestens drei optische Marker einer Komponente oder des Werkstücks, beim Erfassen der mehreren optischen Marker, durch das optische Messsystem erfasst.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens werden erste räumliche Positionen anhand der optischen Marker in der Ar- beitsumgebung ermittelt. Zudem werden zweite räumliche Posi ^¬ tionen für das Endelement ermittelt, wobei die zweiten räum ^¬ liche Positionen und/oder die ersten räumlichen Positionen beim Ermitteln der ersten räumlichen Pose berücksichtigt werden .

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die Position des Werkstücks und/oder der Komponenten möglichst höher Präzision zu erfassen. Die zweiten räumlichen Positionen können beispielsweise bekannte Positionen von dem optischen Messsystem sein. Insbesondere können die zweiten räumlichen Positionen auch durch das optische Messsystem ermittelt werden, indem das optische Messsystem beispielsweise über ein Lagemodul zur Positionsbestimmung umfasst und die zweiten räumlichen Positionen bei Bedarf ausgelesen werden. Insbesondere können die zweiten räumlichen Positionen auch durch das optische Messsystem ermittelt werden, indem das optische Messsystem beispielsweise eine Werkzeugposition, ins ^¬ besondere über eine optische Erfassung, bestimmt. Hierzu kön- nen beispielsweise an einem Werkzeughalter, indem insbesondere das Werkzeug gehalten wird, weitere optische Marker ange ^¬ bracht sein. Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens befindet sich zwischen dem Werkstück und den erfassten optischen Markern eine erste bewegliche Achse, wobei eine Positionsinformation durch ein erstes achsinternes Sensormodul ermittelt wird, die beim Ermitteln der ersten relativen Pose berücksichtigt wird.

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die Position des Werkstücks und/oder der Komponenten mit möglichst höher Präzision zu erfassen, insbesondere in Situatio ^¬ nen, in denen beispielsweise eine direkte visuelle Erfassung, insbesondere auch eine räumliche Positionsbestimmung, des Werkstücks nicht möglich ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn das Werkstück in Bearbeitungsschritten teilweise vom Werkzeug des Endelements derart verdeckt ist, dass insbesondere die optischen Marker des Werkstücks durch das optische Messsystem nicht erfasst werden können. Auch kann es sein, dass beispielsweise auf Werkstücken keine optischen Marker angebracht werden können, da das Werkstück beispielsweise besonders heiß ist. Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim Steuern des Endelements eine zweite bewegliche Achse gesteu ^¬ ert, mit der das Endelement an der Werkzeugmaschine angeord ^¬ net ist. Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um insbesondere eine Korrektur der ersten relativen Pose, also dass die erste relative Pose insbesondere möglichst der Refe ^¬ renzpose entspricht, möglichst einfach erfolgt. Insbesondere bei einem Industrieroboter wäre es möglich, beispielsweise den ersten Korrekturwert bei jedem Gelenk zu berücksichtigen. Insbesondere ist dies relativ aufwendig, da beispielsweise ein relativ komplexes Bewegungsmodell des Industrieroboters oft neu berechnet werden muss. Mit dem erfindungsgemäßen Ver- fahren dieser Ausführungsform ist es insbesondere möglich, den ersten Korrekturwert insbesondere nur bei der (zweiten) beweglichen Achse zu berücksichtigen und somit insbesondere auf eine komplexe Modellberechnung zu verzichten.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ist das opti ^¬ sche Messsystem fest mit dem Endelement verbunden.

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um eine unerwünschte Positionsänderung des optischen Messsystems zu verhindern. Hierzu ist das Messsystem vorzugsweise unbe ^¬ weglich und/oder fixiert mit dem Endelement verbunden.

Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ist das Endele- ment fest mit einem Werkzeug verbunden oder das Werkzeug ist über eine dritte bewegliche Achse mit dem Endelement verbun ^¬ den, wobei die dritte bewegliche Achse insbesondere in eine Richtung beweglich ist. Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um beispielsweise Ungenauigkeiten, die sich beispielsweise zwi ^¬ schen dem Endelement und dem Werkzeug ergeben, zu kompensie ^¬ ren. Hierzu kann beispielsweise ein vereinfachtes Modell des Endelements und des Werkzeugs berechnet werden, das die Unge- nauigkeiten oder Abweichungen von einer Referenzposition oder einer weiteren Referenzpose berücksichtigt, um insbesondere diese Ungenauigkeiten auszugleichen. Die Abweichungen oder Ungenauigkeiten können beispielsweise ebenfalls durch das op ^¬ tische Messsystem, insbesondere mit zusätzlichen optischen Markern, ermittelt werden oder durch ein weiteres Sensormodul im Endelement, beispielsweise in einer Werkzeugaufnahme für das Werkzeug. Das vereinfachte Modell, beispielsweise eine Bewegungsmodell eines Industrieroboters, wird beispielsweise dahingehend vereinfacht, dass beispielsweise die dritte be- wegliche Achse vorzugsweise nur in eine Richtung beweglich ist und damit beispielsweise relativ einfache Bewegungen mo ^¬ delliert werden. Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens werden mit dem optischen Messsystem nach einem Abschluss der Bearbeitung des Werkstücks durch die Werkzeugmaschine erste Geometriewerte des Werkstücks erfasst, wobei ein zweiter Korrekturwert an- hand der ersten Geometriewerte und vorgegebenen Geometriewerten berechnet wird und der zweite Korrekturwert beim Ermit ^¬ teln des ersten Korrekturwerts für ein nächstes Werkstück be ^¬ rücksichtigt . Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um die Präzision bei der Bearbeitung des Werkstückes zu erhöhen. Insbesondere werden bei dieser Vermessung Geometriemerkmale höherer Ordnung in einem Messzyklus erfasst, wodurch beispielsweise im Vergleich zur Antastung einzelner Punkte eine wesentlich höhere Messgeschwindigkeit erzielt werden kann. Insbesondere kann die Vermessung für jedes Werkstück, nach einer vorgegeben Anzahl von gefertigten Werkstücken oder zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt werden. Bei weiteren Ausführungsformen des Verfahrens wird mittels des ersten Korrekturwertes die Werkzeugmaschine und/oder das Endelement derart gesteuert, dass als das Werkstück ein fest ^¬ gelegter Bereich im oder am Körper eines Patienten angefahren wird .

Das Verfahren ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, um insbesondere ein Werkstück, beispielsweise ein Werkstück als festgelegter Bereich im oder am Körper eines Patienten, sicher mit dem Endgerät zu treffen oder anzufahren und den Arzt beispielsweise von Routinetätigkeiten zu entlasten. In einem solchen Szenario werden der erste Korrekturwert und/oder der zweite Korrekturwert möglichst kontinuierlich ermittelt, z. B. in vorbestimmten Zeitintervallen, die vorzugsweise möglichst kurz sind, um beispielsweise Bewegungen des Patienten zu berücksichtigen und insbesondere einen Arzt, beispielswei ^¬ se auf einem Anzeigegerät darauf hinzuweisen, dass sich bei ^¬ spielsweise die Position des Patienten geändert hat. Dies kann beispielsweise bei Operationen von signifikanter Bedeu- tung sein, bei denen insbesondere geringe Abweichungen zu unerwünschten Effekten führen, z. B. Verletzungen von Nerven, die insbesondere zu Lähmungen führen. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Steu ^¬ ervorrichtung zum rechnergestützten Steuern eines/des Endelementes einer Werkzeugmaschine, aufweisend:

ein optisches Messsystem zum Erfassen von/der mehreren optischen Marker in einer Arbeitsumgebung der Werkzeug- maschine;

ein erstes Berechnungsmodul zum

Ermitteln einer ersten relativen Pose zwischen dem Endelement und einem Werkstück anhand der mehreren erfassten optischen Markern;

- Ermitteln eines ersten Korrekturwertes anhand eines

Vergleichs der ersten relativen Pose mit einer Referenzpose;

ein erstes Steuerungsmodul zum Steuern des Endelements für eine Bearbeitung des Werkstücks unter Berücksichti- gung des ersten Korrekturwertes.

Bei weiteren Ausführungsformen der Steuervorrichtung umfasst die Steuervorrichtung mindestens ein weiteres Modul oder mehrere Module, die zur Durchführung einer der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine, aufweisend:

ein Endelement, das rechnergestützt steuerbar ist;

- mehrere optischen Marker;

ein optisches Messsystem zum Erfassen von mehreren optischen Markern in einer Arbeitsumgebung der Werkzeugmaschine ;

eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung zum rechnerge- stützten Steuern des Endelementes einer Werkzeugmaschine . Bei einer ersten Ausführungsform der Werkzeugmaschine umfasst das optische Messsystem ein Kamerasystem zum Erfassen der mehreren optischen Marker.

Die Werkzeugmaschine ist insbesondere dahingehend vorteil ^¬ haft, um beispielsweise die räumlichen Positionen der opti ^¬ schen Marker oder eine Position eines Werkzeugs im Endelement zu erfassen. Hierzu kann das Kamerasystem insbesondere mindestens ein erstes Kameramodul und/der ein zweites Kameramo ^¬ dul umfassen. Das optische Messsystem, beispielsweise das Ka ^¬ merasystem, insbesondere das erste Kamerasystem und/oder das zweite Kamerasystem, kann beispielsweise mit dem Endelement mittels Halteelementen fest verbunden oder mittels Halteele ^¬ menten auf einem Stativ in der Arbeitsumgebung fest verbunden sein. Insbesondere kann das Kamerasystem mittels der Halte ^¬ elemente unbeweglich und fixiert am Endelement befestigt sein. Das Kamerasystem ist vorzugsweise so positioniert, dass es mehrere optische Marker und/oder das Endelement und/oder das Werkzeug optisch erfassen kann.

Bei weiteren Ausführungsformen der Werkzeugmaschine ist das optische Messsystem fest mit dem Endelement verbunden.

Bei weiteren Ausführungsformen der Werkzeugmaschine ist das Endelement fest mit einem Werkzeug verbunden oder das Werk ^¬ zeug ist über eine dritte bewegliche Achse mit dem Endelement verbunden, wobei die dritte bewegliche Achse insbesondere in eine Richtung beweglich ist.

Bei weiteren Ausführungsformen der Werkzeugmaschine umfasst die Werkzeugmaschine mindestens ein weiteres Modul oder meh ^¬ rere Module, die zur Durchführung einer der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sind.

Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmbe ^¬ fehlen zur Durchführung der genannten erfindungsgemäßen Verfahren beansprucht, wobei mittels des Computerprogrammpro- dukts jeweils das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist .

Zusätzlich wird eine Variante des Computerprogrammproduktes mit Programmbefehlen zur Konfiguration eines Erstellungsgeräts, beispielsweise ein 3D-Drucker oder ein zur Erstellung von Prozessoren und/oder Geräten, beansprucht, wobei das Erstellungsgerät mit den Programmbefehlen derart konfiguriert wird, dass die genannte erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und/oder Steuervorrichtung erstellt wird.

Darüber hinaus wird eine Bereitstellungsvorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen des Computerprogrammprodukts be ^¬ ansprucht. Die Bereitstellungsvorrichtung ist beispielsweise ein Datenträger, der das Computerprogrammprodukt speichert und/oder bereitstellt. Alternativ und/oder zusätzlich ist die Bereitstellungsvorrichtung beispielsweise ein Netzwerkdienst, ein Computersystem, ein Serversystem, insbesondere ein verteiltes Computersystem, ein cloudbasiertes Rechnersystem und/oder virtuelles Rechnersystem, welches das Computerpro ^¬ grammprodukt vorzugsweise in Form eines Datenstroms speichert und/oder bereitstellt.

Diese Bereitstellung erfolgt beispielsweise als Download in Form eines Programmdatenblocks und/oder Befehlsdatenblocks, vorzugsweise als Datei, insbesondere als Downloaddatei, oder als Datenstrom, insbesondere als Downloaddatenstrom, des vollständigen Computerprogrammprodukts. Diese Bereitstellung kann beispielsweise aber auch als partieller Download erfol- gen, der aus mehreren Teilen besteht und insbesondere über ein Peer-to-Peer Netzwerk heruntergeladen oder als Datenstrom bereitgestellt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt wird beispielsweise unter Verwendung der Bereitstellungsvorrichtung in Form des Datenträgers in ein System eingelesen und führt die Programmbefehle aus, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Computer zur Ausführung gebracht wird oder das Erstellungsgerät derart konfiguriert, dass dieses die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und/oder Steuervorrich ^¬ tung erstellt.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Werkzeugmaschine;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs ^¬ gemäßen Werkzeugmaschine; Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungs ^¬ gemäßen Steuervorrichtung;

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, sofern nichts anderes angegeben ist.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele weisen, sofern nicht anders angegeben oder bereits angegeben, zumindest einen Prozessor und/oder eine Speichereinrichtung auf, um das Verfahren zu implementieren oder auszuführen.

Die Fig. 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Einzelnen zeigt die Fig. 1 ein Verfahren zum rechnergestützten Steuern eines Endelementes einer Werkzeugmaschine mit einem ersten Verfahrensschritt 210 zum Erfassen von meh reren optischen Markern in einer Arbeitsumgebung der Werkzeugmaschine mittels eines optischen Messsystems. Das Verfahren umfasst einen zweiten Verfahrensschritt 220 zum Ermitteln einer ersten relativen Pose zwischen dem Endelement und einem Werkstück anhand der mehreren erfassten optischen Markern.

Das Verfahren umfasst einen dritten Verfahrensschritt 230 zum Ermitteln eines ersten Korrekturwertes anhand eines Ver ^¬ gleichs der ersten relativen Pose mit einer Referenzpose;

Das Verfahren umfasst einen vierten Verfahrensschritt 240 zum Steuern des Endelements für eine Bearbeitung des Werkstücks unter Berücksichtigung des ersten Korrekturwertes. In einer weiteren bevorzugten Variante ist ein Prozessor speziell dazu eingerichtet, die Programmbefehle derart auszufüh ^¬ ren, damit der Prozessor Funktionen ausführt, um das erfindungsgemäße Verfahren oder mindestens einen der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu implementieren.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er ^¬ findungsgemäßen Werkzeugmaschine .

Im Einzelnen zeigt die Fig. 2 eine Werkzeugmaschine mit min- destens drei steuerbaren Freiheitsgraden.

Die Werkzeugmaschine umfasst mehrere Komponenten, beispiels ^¬ weise ein (kamerabasiertes) optisches Messsystem, ein Struk ^¬ turteil 101, einen (beweglichen) Spanntisch 102, eine Spann- fläche 103, ein Endelement, einen ersten Kamerahalter 106, einen zweiten Kamerahalter 107, Spannmittel 110 zum Fixieren eines Werkstücks 111, eine Werkzeugaufnahme 112 und ein Werk ^¬ zeug 113. Zusätzlich ist eine Vielzahl von optischen Markern 114 an den Komponenten der Werkzeugmaschine oder dem Werk- stück 111 angebracht. Das Endelement umfasst ein Werkzeug ^¬ spindelgehäuse 104 und/oder eine Werkzeugspindel 105. Die Werkzeugmaschine kann beispielsweise zusätzlich noch eine weitere Komponente oder mehrere weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise einen Prozessor, eine Speichereinheit, ein Eingabegerät, insbesondere eine Computertastatur oder eine Computermaus, oder einen Monitor.

Eine Kinematik der Werkzeugmaschine ermöglicht relative

Translationen entlang der X-, Y- und Z-Achse und optional eine Rotation um die A-, B- und C-Achsen. Eine indirekte, vor- zugsweise achsintegrierte, Messung der ersten relativen Pose zwischen dem Werkzeug 113 und dem Werkstück 111 wird vorzugs ^¬ weise um das optische Messsystem ersetzt oder ergänzt, wobei das optische Messsystem die erste relative Pose direkt ermit ^¬ telt. Das optische Messsystem umfasst mindestens zwei digita- le Kameramodule, beispielsweise ein erstes Kameramodul 108 und ein zweites Kameramodul 109.

Das erste Kameramodul 108 ist beispielsweise über ein erstes Haltemittel, beispielsweise den ersten Kamerahalter 106, mit dem Endelement der Werkzeugmaschine, beispielsweise der Werk ^¬ zeugspindel 105 oder dem Werkzeugspindelgehäuse 104, verbun ^¬ den .

Das zweite Kameramodul 109 ist beispielsweise über ein zwei- tes Haltemittel, beispielsweise der zweite Kamerahalter 107, mit dem Endelement der Werkzeugmaschine, beispielsweise der Werkzeugspindel 105 oder dem Werkzeugspindelgehäuse 104, ver ^¬ bunden . Die Werkzeugspindel 105 umfasst die Werkzeugaufnahme 112, um ein Werkzeug 113 aufzunehmen. Zwischen den Kameramodulen 108, 109 und dem Werkzeug 113 befinden sich abgesehen von der Werkzeugspindel 105 vorzugsweise keine weiteren beweglichen Achsen .

Das Werkstück 111 wird beispielsweise über das Spannmittel 110, beispielsweise einen Schraubstock, auf der Spannfläche 103 fixiert oder befestigt. Der Spanntisch 102 kann über wei- tere bewegliche Achsen mit der Maschinenstruktur 101 verbunden sein.

In der Arbeitsumgebung der Werkzeugmaschine und den angren- zenden Bereichen sind optische Marker 114 verteilt. Die opti ^¬ schen Marker können dabei direkt auf dem Werkstück 111, auf den Spannmitteln 110, auf der Spannfläche 103, dem Spanntisch 102 und der Maschinenstruktur 101 angebracht sein. Für die Bestimmung der relativen Pose zwischen dem Werkstück 111 oder dem Endelement und dem Werkzeug 113 befinden sich vorzugsweise mindestens drei optische Marker, die an der sel ^¬ ben Komponente der Werkzeugmaschine oder dem Werkstück 111 angebracht sind, im Sichtfeld der mindestens zwei Kameramodu- le 108, 109. Befinden sich beispielsweise zwischen den gemes ^¬ senen optischen Markern 114 und dem Werkstück 111 erste bewegliche Achsen, wird ein achsintegriertes Sensormodul dieser Achsen zur Ermittlung der ersten relativen Pose zwischen dem Werkstück 111 und Werkzeug 113 oder dem Endelement mit heran- gezogen.

In einer Variante kann der beschrieben Ansatz durch weitere Sensoren ergänzt werden, beispielsweise um Vibrationssenso ^¬ ren, welche beispielsweise am Werkzeugspindelgehäuse 104 an- geordnet werden. Durch Fusion der unterschiedlichen Sensordaten, beispielsweise von Vibrationssensordaten der Vibrationssensoren mit optischen Sensordaten, der durch das optische Messsystem erfassten optischen Marker, können insbesondere auch hochfrequente Schwingungen gut detektiert werden und entsprechend zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit verwendet werden .

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er ^¬ findungsgemäßen Werkzeugmaschine .

Im Einzelnen zeigt die Fig. 3 ein Industrierobotersystem. Das Industrierobotersystem umfasst mehrere Komponenten. Die Komponenten sind beispielsweise ein Roboter 120, ein Endelement, ein optisches Messsystem, einen Spanntisch 102, eine Spannfläche 103, ein Spannmittel 110, eine Werkzeugaufnahme 112, ein Fräswerkzeug 113, ein Grundgestell 121 des Roboters 120, ein Roboterflansch 122 am Endelement und ein feststehendes Anbauteil 130 des Spanntisches 102. Zusätzlich ist eine Viel ^¬ zahl von optischen Markern 114a, 114c an den Komponenten der Werkzeugmaschine und/oder eine Vielzahl von optischen Markern 114d an einem feststehenden Werkstück lila und/oder eine Vielzahl von optischen Markern 114b an einem beweglichen Werkstück 111b angebracht. Das Endelement umfasst ein Werk ^¬ zeugspindelgehäuse und/oder eine Werkzeugspindel 105. Der Ro ^¬ boter 120 umfasst mehrere bewegliche Achsen, beispielsweise eine zweite bewegliche Achse A2, eine vierte bewegliche Achse A4, eine fünfte bewegliche Achse A5, eine sechste bewegliche Achse A6, eine siebte bewegliche Achse A7 und eine achte be ^¬ wegliche Achse A8. Das Endelement ist mittels des Roboter ^¬ flansches 122 und der zweiten beweglichen Achse A2 an dem Roboter befestigt. Das Industrierobotersystem kann beispielsweise zusätzlich noch eine weitere Komponente oder mehrere weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise einen Prozessor, eine Speichereinheit, ein Eingabegerät, insbesondere eine Computertastatur oder eine Computermaus, oder einen Monitor.

Das optische Messsystem besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem ersten Kameramodul 108 mit einem ersten Sichtfeld 108a und einem zweiten Kameramodul 109 mit einem zweiten Sichtfeld 108b, die am Endelement, beispielsweise am Werk- zeugspindelgehäuse, fest und unbeweglich fixiert sind.

Die Werkzeugspindel 105 umfasst die Werkzeugaufnahme 112, um ein Werkzeug 113 aufzunehmen. Zwischen den Kameramodulen 108, 109 und dem Werkzeug 113 befinden sich abgesehen von der Werkzeugspindel 105 vorzugsweise keine weiteren beweglichen Achsen . Das feststehende Werkstück lila wird beispielsweise über das Spannmittel 110, beispielsweise einen Schraubstock, auf der Spannfläche 103 fixiert oder befestigt. In der Arbeitsumgebung der Werkzeugmaschine und den angrenzenden Bereichen sind die optischen Marker 114a, 114b, 114c, 114d verteilt. Die optischen Marker 114a, 114b, 114c, 114d können dabei direkt auf dem feststehenden Werkstück lila und/oder auf dem beweglichen Werkstück 111b und/oder auf den Spannmitteln 110 und/oder auf der Spannfläche 103 und/oder dem Spanntisch 102 und/oder dem feststehenden Teil 130 angebracht sein.

Für die Bestimmung der ersten relativen Pose zwischen dem Werkstück, beispielsweise dem feststehenden Werkstück lila oder dem beweglichen Werkstück 111b, und dem Endelement oder dem Werkzeug 113 befinden sich vorzugsweise mindestens drei optische Marker, die an der selben Komponente der Werkzeugma ^¬ schine oder dem Werkstück lila, 111b angebracht sind, im Sichtfeld der mindestens zwei Kameramodule 108, 109. Befinden sich beispielsweise zwischen den gemessenen optischen Markern 114 und dem Werkstück lila, 111b erste bewegliche Achsen, wird ein achsintegriertes Sensormodul dieser Achsen zur Er ^¬ mittlung der ersten relativen Pose zwischen dem Werkstück 111 und Werkzeug 113 oder dem Endelement mit herangezogen.

In einer Variante kann der beschriebene Ansatz durch weitere Sensoren ergänzt werden, beispielsweise um Vibrationssenso ^¬ ren, welche beispielsweise am Werkzeugspindelgehäuse 104 an- geordnet werden. Durch Fusion der unterschiedlichen Sensordaten, beispielsweise von Vibrationssensordaten der Vibrationssensoren mit optischen Sensordaten der durch das optische Messsystem erfassten optischen Marker, können insbesondere auch hochfrequente Schwingungen gut detektiert werden und entsprechend zur Steigerung der Arbeitsgenauigkeit verwendet werden . Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer er ^¬ findungsgemäßen Steuervorrichtung .

Im Einzelnen zeigt die Fig. 4 eine Steuervorrichtung zum rechnergestützten Steuern eines/des Endelementes einer Werkzeugmaschine .

Die Steuervorrichtung weist ein optisches Messsystem 410, ein erstes Berechnungsmodul 420, ein erstes Steuerungsmodul 430 und eine optionale erste Kommunikationsschnittstelle 404 auf, die über einen ersten Bus 405 kommunikativ miteinander verbunden sind. Die erste Kommunikationsschnittstelle ist bei ^¬ spielsweise mit einer Werkzeugmaschine über einen Kommunika ^¬ tionsbus verbunden.

Die Steuervorrichtung kann beispielsweise zusätzlich noch eine weitere Komponente oder mehrere weitere Komponenten umfas ^¬ sen, wie beispielsweise einen Prozessor, eine Speichereinheit, ein Eingabegerät, insbesondere eine Computertastatur oder eine Computermaus, oder einen Monitor. Die entsprechende/n Komponente/n können beispielsweise über den ersten Bus 405 mit den anderen Modulen der Steuervorrichtung kommunikativ verbunden sein. Das optisches Messsystem 410 ist zum Erfassen von/der mehreren optischen Marker in einer Arbeitsumgebung der Werkzeugmaschine eingerichtet.

Das optische Messsystem 410 kann beispielsweise mittels des Prozessors, der Speichereinheit, einen oder mehreren Kamera ^¬ modulen und einer ersten Programmkomponente implementiert werden, die beispielsweise durch ein Ausführen von Programmbefehlen die einem oder die mehreren Kameramodule derart ansteuern, dass die optischen Marker erfasst werden.

Das erste Berechnungsmodul 420 ist zum Ermitteln einer ersten relativen Pose zwischen dem Endelement und einem Werkstück anhand der mehreren erfassten optischen Markern eingerichtet. Zusätzlich ist das erste Berechnungsmodul 420 zum Ermitteln eines ersten Korrekturwertes anhand eines Vergleichs der ers ^¬ ten relativen Pose mit einer Referenzpose eingerichtet.

Das erste Berechnungsmodul 420 kann beispielsweise mittels des Prozessors, der Speichereinheit und einer zweiten Pro ^¬ grammkomponente implementiert werden, die beispielsweise durch ein Ausführen von Programmbefehlen die relative Pose und/oder den ersten Korrekturwert ermitteln.

Das erste Steuerungsmodul 430 ist zum Steuern des Endelements für eine Bearbeitung des Werkstücks unter Berücksichtigung des ersten Korrekturwertes eingerichtet.

Das erste Steuerungsmodul 430 kann beispielsweise mittels des Prozessors, der Speichereinheit und einer dritten Programm ^¬ komponente implementiert werden, die beispielsweise durch ein Ausführen von Programmbefehlen das Endelement unter Berück- sichtigung des ersten Korrekturwertes ansteuern.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, und an- dere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.