Verfahren und Vorrichtung zur Bahngenauigkeitsbestimmung einer stationä ren Bearbeitungsmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die Vermes- sung einer Bahngenauigkeit einer Bearbeitungsmaschine sowie die Erfassung einer Bauteilgeometrie in einer Bearbeitungsmaschine mit verbesserter Ge nauigkeit ermöglicht.

Bearbeitungsmaschinen, insbesondere in Form von Industrierobotern und CNC-gesteuerten Maschinen, sind automatisch gesteuerte, ^programmier bare Maschinen zur Handhabung, Montage oder Bearbeitung von Bauteilen. Zudem sind sie typischerweise in drei oder mehr Achsen programmierbar und bewegungsfähig und weisen in der Regel Kinematiken und/oder Greifsysteme auf, um die räumliche Zuordnung zwischen einem Bauteil und einer Bearbei tungskopf zu erreichen.

Die erzielbare Genauigkeit bei der Positionierung von Bauteil und Bearbei tungskopf zueinander ist für viele Anwendungen von zentraler Bedeutung. Insbesondere Anlagen mit großen Bearbeitungsräumen oder mit seriellen Ki nematiken sind in ihrer erzielbaren Genauigkeit eingeschränkt, so dass es, bei spielsweise bedingt durch Hysterese oder Resonanzen des Bearbeitungskop fes, zu Abweichungen zwischen der programmierten und der gefertigten Geo metrie kommen kann.

Bei vielen Verfahren, wie etwa dem Laserauftragsschweißen, der zerspanen den Bearbeitung oder weiteren Depositions-, Trenn- oder Fügeverfahren, ist bezogen auf die Herstellung insbesondere die Genauigkeit während der Bewe gung relevant, da die Bahn der Bearbeitungsmaschine direkte Auswirkungen auf das gefertigte Bauteil und seine Qualität hat.

Bekannte Verfahren zur Bestimmung der Bahngenauigkeit nutzen hierfür zu sätzliche Vorrichtungen, welche die Roboterbewegung erfassen. Hierfür kön nen stationäre Messvorrichtungen, wie beispielsweise ein Lasertracker oder interferometrische Messtechnik, eingesetzt werden, oder Messinstrumente, welche mit dem Roboter mitbewegt werden können, wie beispielsweise eine inertiale Messeinheit.

Nachteilig bei diesen Systemen sind ihr hoher Anschaffungspreis und der Auf wand der durch die zusätzliche Montage der Messvorrichtung entstehen kann. Des Weiteren werden diese Geräte nur zur Bahnvermessung an der An lage eingesetzt und bieten keine weitere Funktion.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, welches mit einer großen Robustheit eine Messung der Bahngenauigkeit mit einer Vorrichtung, welche auch weitere Funktionalität bietet, parallel zu ei nem Bearbeitungsprozess oder zwischen Bearbeitungsschritten ermöglicht und eine Analyse, Anpassung oder Regelung derselben erlaubt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bahngenauigkeitsbestim mung einer Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbil dungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung an.

Eine vorteilhafte Vorrichtung nutzt zudem Sensoren, welche ebenfalls zur ma schinenintegrierten Geometrieerfassung von Bauteilen und Qualitätssiche rung genutzt werden können.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren mindestens ein Erfassungsschritt, in welchem Geometriedaten eines Objektes mit mindestens einem Sensor er fasst werden. Die Geometriedaten eines Objektes sind dabei Daten, welche beispielsweise die dreidimensionale Geometrie eines Objektes in einem geeig neten, kartesischen Koordinatensystem beschreiben. Die Geometriedaten, welche von dem mindestens einen Sensor in dem mindestens einen Erfas sungsschritt registriert werden, sind zur Digitalisierung eines Bauteils ver wendbar.

In dem Erfassungsschritt werden erfindungsgemäß den erfassten Geometrie daten Zeit-und Ortskoordinaten, ein Koordinatentupel, eindeutig zugewiesen. Das heißt, jedem Koordinatentupel wird pro Erfassungsschritt genau ein Geo metriedatensatz, welcher von dem mindestens einen Sensor erfasst wird, zu geordnet. Die Ortskoordinaten können die Ortskoordinaten sein, die von einer Kinematik der Bearbeitungsmaschine, an den Achsen der Maschine ange brachten Sensoren oder von einem weiteren Messgerät zur Positionserfas sung, vorteilhafterweise der Maschinensteuerung und ihrer Antriebsregler, ausgegeben werden.

Der Erfassungsschritt kann simultan zu einem Bearbeitungsschritt und/oder einem Vermessungsvorgang eines Bauteils in Bearbeitungsmaschine durchge führt werden. Ein Vorteil der simultanen Durchführung beider Schritte ist eine Zeitersparnis. Dass der Erfassungsschritt zeitgleich zu dem Bearbeitungsschritt ausgeführt wird, ist jedoch nicht zwingend. Ebenso ist es möglich, dass der Er fassungsschritt vor oder nach dem Bearbeitungsschritt durchgeführt wird, das heißt zeitlich vor- oder nachgeschaltet ist.

5 Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren außerdem einen Berechnungsschritt, welcher nach dem mindestens einen Erfassungsschritt ausgeführt wird. In dem Berechnungsschritt wird für jedes der Koordinatentupel eine Relativposi tion zwischen dem mindestens einen Objekt und dem mindestens einen Sen sor berechnet. Erfindungsgemäß erfolgt die Berechnung mittels der im vor

10 hergehenden Schritt erfassten Geometriedaten und/oder Referenzdaten, wel che Geometriedaten sind, die für das mindestens eine Objekt bereits bekannt sind, also vorliegen.

Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß weiterhin einen Auswertungsschritt,

15 in welchem auf Grundlage von in einem vorherigen Schritt berechneten Rela tivpositionen eine Auswertung von Istwerten einer Bahn der Bearbeitungs maschine durchgeführt wird. Istwerte sind dabei, im Unterschied zu Sollwer ten, die Werte die tatsächlich von der Bearbeitungsmaschine angefahren wurden.

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Da pro Erfassungsschritt den erfassten Geometriedaten Zeit- und Ortskoordi naten eindeutig zugewiesen werden, die Geometrie des Werkstücks also schrittweise erfasst wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Bahn des Sensors so wohl zeit- als auch ortsaufgelöst nachverfolgt werden kann. Die Relativbewe

25 gung der Anlage wird also nicht über einen Vergleich mit einer einzigen Auf nahme der Gesamtgeometrie ermittelt, sondern durch einen Vergleich der einzelnen Erfassungsabschnitte, d.h. der pro Erfassungsschritt erfassten Geo metriedaten, mit den entsprechenden Bauteilabschnitten der Referenzgeo metrie.

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Vorteilhafterweise ist das Verfahren so gestaltet, dass nach dem Auswer tungsschritt ein Fusionsschritt durchgeführt. Dieser Fusionsschritt umfasst, dass eine Sensorfusion durchgeführt wird. Hierfür können vorzugsweise die Daten bezüglich der Geometrie mit Daten kombiniert werden, welche von

35 mehreren oder sämtlichen Sensoren während des Verfahrens erfasst wurden. Die Begriffe Sensorfusion und Sensordatenfusion sind dabei gleichbedeutend zu verstehen und werden im Folgenden synonym verwendet.

Vorzugsweise können die durch mehrere oder sämtliche Sensoren erfasste Daten Daten umfassen, welche es ermöglichen Positionsdaten eines Bearbei

5 tungskopfes und/oder einer Bearbeitungsmaschine zu berechnen. Ebenso können die durch mehrere oder sämtliche Sensoren erfassten Daten teilweise durch eine Inertialmesseinheit und/oder teilweise durch einen Lasertracker erfassbar sein.

10 In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die durch mehrere oder sämtliche Sensoren erfassten Daten zumindest teil weise durch eine Maschinensteuerung oder eine Auswertung der Antriebs steuerungsdaten der Bearbeitungsanlage erfassbar sind.

15 Ein Vorteil einer Sensordatenfusion ist, dass eine Verbesserung der Genauig keit der Berechnung der Bahn erreicht wird. Beispielsweise kann eine Inertial messeinheit prozessnah an einem Bearbeitungskopf angeordnet sein, und dessen Bewegung gesondert erfassen. Anschließend können beispielsweise Schwingungsfrequenzen in den im Auswertungsschritt gewonnenen Daten ei

20 ner mechanischen Schwingung des Bearbeitungskopfes zugeordnet werden. Auf diese Weise kann in diesem Fall die Quelle für die Schwingungsfrequenz in den Daten identifiziert werden und zu einer Verbesserung der ermittelten Bahngenauigkeit genutzt werden. Zusätzlich erlaubt die Erfassung der Schwingungsherkunft und Schwingungsmoden eine Kompensation der durch

25 die Schwingungen in einem Erfassungsschritt überlagerten und im Stand der Technik nicht bestimmbaren Schwingungsbewegungen des Geometriesensors.

Vorteilhafterweise kann in dem Verfahren der mindestens eine Erfassungs schritt auch vor oder nach dem Bearbeitungsschritt der Bearbeitungsma

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35 Das Objekt, zu welchem Referenzgeometriedaten bereits bekannt sind, kann bevorzugt ein Bauteil oder ein geometrisches Element der Bearbeitungsma schine sein. Es ist ebenso möglich, dass nur zu einem Bereich des Bauteils Re ferenzgeometriedaten vorliegen.

5 Geeigneterweise ist mindestens einer der Sensoren als Laserlinienscanner und/oder Lasertriangulationsscanner ausgebildet. In einer weiteren vorteil haften Ausführung der Erfindung ist einer der Sensoren basierend auf opti scher Kohärenztomographie zur Erfassung Abständen zu einer Geometrie. Dieser Sensor kann dabei vorteilhafterweise durch geeignete optische Ele

10 mente umfassend um den Bearbeitungspunkt den Abstand messen, beispiels weise auf einer kreisförmigen Erfassungsgeometrie, oder linienförmig analog zur Erfassungsgeometrie eines Laserlinienscanners.

Bevorzugterweise umfasst das Verfahren ebenfalls, dass im Auswertungs

15 schritt auf Grundlage der Auswertung der Bahnbewegung relativ zu der er fassten Referenzgeometrie in einem Erfassungsbereich des Sensors Abwei chungen zwischen Soll- und Istwerten einer Bahn des geometrieerfassenden Sensors berechnet werden. Die berechneten Abweichungen der Bahn des ge ometrieerfassenden Sensors können zur Berechnung einer Kompensation für

20 die Auswertung der Geometrieerfassung eines zu erfassenden Bauteils in ei nem anderen Erfassungsbereichs des Sensors verwendet werden. Vorteilhaf terweise können zusätzliche Sensordaten, zum Beispiel in Form von Daten ei nes Inertialsensors oder die Daten einer anderen Datenquelle einzeln oder in Form von Sensorfusion zur Kompensation verschiedener Fehler genutzt wer

25 den.

Durch die Berücksichtigung der Kompensation bei der Auswertung kann vor teilhafterweise die Genauigkeit der Geometrieerfassung eines unbekannten Bauteils verbessert werden.

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Der Vorteil der in den vorhergehenden Absätzen beschriebenen Ausgestal tung des Verfahrens ist, dass ein unbekanntes Bauteil und ein Objekt, dessen Geometriedaten bereits als Referenzdaten vorliegen, vom mindestens einen Sensor pro Erfassungsschritt parallel erfasst werden können und so die Ge

35 nauigkeit der Geometrieerfassung eines zu erfassenden, unbekannten Bau teils erhöht wird. So kann es in dem pro Erfassungsschritt erfassten Erfassungsabschnitt zwei Er fassungsbereiche geben, die beispielsweise zwei benachbarte Bereiche eines Werkstücks erfassen. Der eine Bereich weist ein geometrisches Element auf,

5 welches als Referenzgeometrie dient, und zu dem angrenzenden Bereich lie gen keine Daten bezüglich der Geometrie vor. Mit den berechneten Abwei chungen zwischen den erfassten Daten im Bereich der Referenzgeometrie und den Referenzdaten können die erfassten Daten im unbekannten Bereich des Bauteils korrigiert werden.

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In dem Auswertungsschritt kann so in den erfassten Daten des unbekannten Bereichs des Bauteils die Abweichung der Sensorbahn kompensiert werden. Folglich wird die Genauigkeit der Geometriedaten erhöht und Fehler in der Geometrieerfassung reduziert.

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In einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen weiteren Geometrieerfassungsschritt, welcher die in einem vorherigen Erfas- sungs- und Auswertungsschritt gewonnenen Daten für die Bauteildigitalisie rung des im vorhergehenden Erfassungsschritt erfassten Objekts und/oder ei

20 nes weiteren Objekts genutzt werden. Die gewonnen Daten umfassen dabei vorzugsweise die Geometriedaten des zu erfassenden Objekts und/oder die Kompensation der Abweichungen zwischen Sollwerten und Istwerten einer Bahn des Sensors zur Bauteildigitalisierung.

25 In dem Fall, dass die gewonnenen Daten Geometriedaten des zu erfassenden Objektes aufweisen, umfasst das Verfahren vorteilhafterweise, dass die Geo metriedaten in nachfolgenden Erfassungsschritten erneut erfasst werden und in darauf folgenden Auswertungsschritten als Referenzgeometrie verwendet werden können.

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Die im Berechnungsschritt berechnete Relativbewegung eignet sich außerdem vorteilhafterweise für eine Kalibrierung der Bearbeitungsmaschine. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich Informationen über systeminhärente Ab weichungen zu erlangen und diese bei der Steuerung der Bearbeitungsma

35 schine zu berücksichtigen. Vorteilhafterweise können die im Berechnungsschritt gewonnenen Daten auch genutzt werden, um Informationen über einen Erhaltungszustand unter schiedlicher Komponenten der Bearbeitungsmaschine zu erhalten. Diese In formationen erlauben es vorzugsweise sich andeutende Defekte einzelner Komponenten frühzeitig zu erkennen.

Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Vermessung einer Bahngenauigkeit einer Bearbeitungsmaschine sowie zur Vermessung von Bau teilgeometrien angegeben, welche mindestens einen Sensor zum Erfassen ei ner Geometrie eines Bauteils, einen Bearbeitungskopf, eine Bewegungsme chanik und eine Steuerungseinheit umfasst. Erfindungsgemäß ist diese Anzei gevorrichtung eingerichtet, ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren auszuführen.

Vorteilhafterweise ist mindestens einer der Sensoren ein Laserlinienscanner. Es ist weiterhin möglich, dass mindestens einer der Sensoren prozessnah am Bearbeitungskopf vorgesehen ist. So kann vorteilhafter einer der Sensoren als Intertialmesseinheit ausgestaltet sein. Die Inertialmesseinheit ist vorteilhaf terweise am Bearbeitungskopf vorgesehen.

Die Anordnung eines Sensors prozessnah am Bearbeitungskopf ermöglicht es Daten über Bewegung des Bearbeitungskopfes so erfassen. So eignet sich eine inertiale Messeinheit um Beschleunigungs-, Geschwindigkeits-, und Ortsdaten des Bearbeitungskopfes entlang einer Bahn des Bearbeitungskopfes zu be stimmen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist mindestens einer der Sensoren beweglich relativ zu der Bearbeitungsmaschine.

Das zu dem Verfahren Beschriebene gilt für die Anzeigevorrichtung analog.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entspre chende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können darüberhinaus unabhängig von den entsprechenden Beispielen realisiert wer den und zwischen verschiedenen Beispielen kombiniert werden. Es zeigt

Figur 1 eine beispielhafte Vorrichtung, die eingerichtet ist, das erfin dungsgemäße Verfahren durchzuführen,

Figur 2 eine weitere Anordnung eines Bauteils auf einem Maschinen tisch,

Figur 3 eine weitere beispielhafte Anordnung mehrerer Objekte auf ei nem Maschinentisch.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung, mit welcher sich das erfindungs gemäße Verfahren durchführen lässt. Ein Werkstück 3 ist auf einem Maschi nentisch 1 der Bearbeitungsmaschine 10 angeordnet. Ein Ende eines Roboter arms 8 ist relativ zum Maschinentisch 1 in den 3 Raumrichtungen beweglich und an einem anderen Ende stationär gelagert. An dem beweglichen Ende des Roboterarms 8 ist ein Bearbeitungskopf 6, mit welchem das Werkstück 3 be arbeitet werden kann, schwenkbar angeordnet. An dem Bearbeitungskopf 6 ist ein Sensor 2 vorgesehen, welcher eine Geometrie des Werkstücks 3 in ei nem Erfassungsabschnitts 5, welcher im Wesentlichen in einer Ebene liegt, er fasst.

In Figur 2 ist eine weitere beispielhafte Anordnung eines Werkstücks 3 auf ei nem Maschinentisch 1 dargestellt. Ein Sensor 2 zur Bauteildigitalisierung ist als Laserlinienscanner ausgestaltet und weist einen Laser 2a und einen Pho todetektor 2b auf. Der vom Laser emittierte Strahl weist in einer Ebene ortho gonal zu einer Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen ein linienförmiges Strahlprofil auf. Das Licht wird vom Werkstück 3 und vom Maschinentisch 1 reflektiert und kann vom Detektor 2b detektiert werden.

In jedem der Erfassungsschritte werden Daten bezüglich einer Geometrie des Bauteils 3 von dem Sensor 2 erfasst. Dabei wird das Bauteil, welches auf einer Bewegungsmechanik angeordnet ist, relativ zum Sensor schrittweise in eine Richtung entlang einer Achse der Bewegungsmechanik verschoben. Das heißt, dass ein vom Sensor erfasster Erfassungsabschnitt in jedem Schritt Daten zu einem Bereich des Bauteils registriert, welcher im Vergleich zum vorherigen Schritt entlang der Achse verschoben ist. Jedem der Datensätze wird dabei eindeutig Koordinaten, welche die Bewegungsmechanik ausgibt, sowie ein Zeitstempel zugeordnet.

In dem gezeigten Beispiel kann durch schrittweises Verfahren entlang der X- Achse die komplette Geometrie des Werkstücks erfasst werden. Die Nut auf der linken Seite dient in diesem Beispiel als Referenzgeometrie, d.h. Daten be züglich ihrer Geometrie sind bekannt. Die Bearbeitung der rechten Seite des Werkstücks durch einen Bearbeitungskopf, wie er in Figur 1 dargestellt ist, kann jeweils vor dem schrittweisen Erfassen der Geometrie erfolgen. Nach dem alle Erfassungsschritte durchgeführt worden sind und das Bauteil fertig bearbeitet wurde, folgt der Berechnungsschritt. In dem Berechnungsschritt wird für jeden, pro Erfassungsschritt aufgenommenen Geometriedatensatz die Berechnung einer Relativposition zwischen den erfassten Daten der Nut, welche als Referenzgeometrie dient, und den Referenzdaten berechnet.

Dadurch, dass jedem Datensatz eindeutige Koordinaten zugewiesen sind und die Abweichung zwischen Referenz- und erfassten Daten der Referenzgeo metrie für jeden Schritt berechnet wird, kann in einem Auswertungsschritt eine Bahn des Werkstücks relativ zum Sensor berechnet werden.

Durch Berücksichtigung der berechneten Sensorbahn relativ zur Nut, kann da her in einem erfindungsgemäßen Verfahren die Genauigkeit der Geometrieer fassung des bearbeiteten, rechten Bereichs des Bauteils verbessert werden.

Figur 3 zeigt eine weitere beispielhafte Anordnung die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Neben einem Werkstück 3 ist ein Objekt mit einem dreieckigen Querschnitt als Referenzgeometrie auf einem Maschinentisch 1 angeordnet. Beide Objekte werden von einem Erfassungs abschnitt 5 eines geometrieerfassenden Sensors 2 erfasst. Der Sensor 2 ist ne ben einem Bearbeitungskopf 6 angeordnet. Ebenfalls am Bearbeitungskopf angeordnet ist eine inertiale Messeinheit 7.

Die Anbringung der inertialen Messeinheit in der in Figur 3 dargestellten Vor- richtung hat den Vorteil, dass während der Bearbeitung des Werkstücks Posi- tions- und Bewegungsdaten des Bearbeitungskopfes aufgezeichnet werden. Diese können dann in einem Fusionsschritt, nach Berechnung einer Sensor bahn relativ zu der Referenzgeometrie 4 in einem Auswertungsschritt, mit den Daten der Sensorbahn fusioniert werden.

Beispielsweise kann die berechnete Sensorbahn auf Grund der Anordnung des Sensors 2 am Bearbeitungskopf Schwingungen des Bearbeitungskopfes ent halten. Diese können durch die Sensorfusion mit den Daten der inertialen Messeinheit kompensiert werden, beispielsweise durch Anwendung einer Fil terfunktion, welche die von der inertialen Messeinheit gemessenen Schwin gungsfrequenzen des Bearbeitungskopfes aus den Daten der Sensorbahn fil tert. Folglich kann so die Genauigkeit einer Geometrieerfassung erhöht wer den.