MENZEL, Thomas (Am Sandberg 5a, Bubenreuth, 91088, DE)
BRETSCHNEIDER, Jochen (Hohenkreuzweg 21, Esslingen, 73732, DE)
MENZEL, Thomas (Am Sandberg 5a, Bubenreuth, 91088, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Kollisionsüberwachung eines Maschinenelements (4,5) mit einem Gegenstand (2,3) bei einer Werkzeugma- schine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine mit folgenden Verfahrensschritten:
Automatisierte Ermittelung von Geometrie und Position des Maschinenelements (4,5) und des Gegenstandes (2,3) be ¬ schreibenden Daten unmittelbar vor dem Start eines Bear- beitungsvorgangs mittels einer auf einer physikalischen
Abtastung basierenden Messeinrichtung (6a, 6b), welche die Geometrie und Position des Maschinenelements (4,5) und des Gegenstands (2,3) erfasst, Ermittelung eines die Geometrie und die Position beschrei- benden Modells des Maschinenelements (4,5) und des Gegens ¬ tands (2,3) anhand der die Geometrie und Position des Ma ¬ schinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit folgendem weiteren Verfah- rensschritt :
Ermittelung eines Schutzbereichs anhand des Modells
3. Verfahren nach Anspruch 2 mit folgendem weiteren Verfahrensschritt : - Erkennung einer drohenden Kollision, wenn das Maschinenelement (4,5) bei einem Bewegungsvorgang mit dem Schutzbe ¬ reich in Kontakt kommt.
4. Verfahren nach Anspruch 3 mit folgendem weiteren Verfah- rensschritt:
Anhalten des Bewegungsvorgangs bei einer erkannten drohenden Kollision.
5. Einrichtung zur Kollisionsüberwachung eines Maschinenele- ments (4,5) mit einem Gegenstand (2,3) bei einer Werkzeugma ¬ schine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine, wobei die Einrichtung aufweist: Eine auf einer physikalischen Abtastung basierende Messeinrichtung (6a, 6b) zur Ermittelung von Geometrie und Position des Maschinenelements (4,5) und des Gegenstandes (2,3) beschreibenden Daten des Maschinenelements und des Gegenstands unmittelbar vor dem Start eines Bearbeitungs ¬ vorgangs, wobei die Messeinrichtung (6a, 6b) die Geometrie und Position des Maschinenelements (4,5) und des Gegens ¬ tands erfasst,
Mittel zur Ermittelung eines die Geometrie und die Positi- on beschreibenden Modells des Maschinenelements (4,5) und des Gegenstands anhand der die Geometrie und Position des Maschinenelements (4,5) und des Gegenstandes (2,3) be ¬ schreibenden Daten.
6. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder als Robo ¬ ter ausgebildete Maschine mit einer Einrichtung nach Anspruch |
Beschreibung
Verfahren und Einrichtung zur Kollisionsüberwachung eines Maschinenelements mit einem Gegenstand bei einer Werkzeugma- schine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kollisionsüberwachung eines Maschinenelements mit einem Ge- genstand bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine.
Bei Maschinen, wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Robotern muss eine ungewollte Kollision eines Maschinenelements mit einem Gegenstand, wie z.B. einem ande ¬ rem Maschinenelement oder einem Werkstück unbedingt vermieden werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten an großen Massen haben solche Kollisionen oft einen hohen wirtschaftlichen Schaden zur Folge. Eine Kollisionsüberwachung hat daher einen sehr hohen wirtschaftlichen Nutzen.
Bei heute handelsüblichen Maschinen arbeitet die Kollisions ¬ überwachung in der Regel mit einem Werkzeugklemmhalter, der prozessnah gemessene Kraft-, Vibrations- und Temperatursigna- Ie des Bearbeitungsvorgangs liefert. Durch den Vergleich der Messwerte mit Schwellwerten wird die Kollision erkannt.
Weiterhin ist auch die Möglichkeit bekannt mit Hilfe von ge ¬ messenen Motorströmen des Antriebssystems der Maschine eine Kollision zu erkennen. Die Kollision wird dabei anhand von überschrittenen Schwellwerten erkannt.
Darüber hinaus werden häufig auch einfache mechanische Rutschkupplungen verwendet, die durch die im Kollisionsfall auftretenden übermäßigen Kräfte und/oder Momente auslösen und den Antrieb von den beweglichen Teilen der Maschine trennen. Dadurch beschränkt sich die Folge der Kollision auf den un-
kontrollierten Abbau der Bewegungsenergie, ohne dass der An ¬ trieb zusätzliche Kräfte einleitet.
Alle drei oben genannten Verfahren erkennen nur eine bereits erfolgte Kollision. Eine präventive Erkennung und Verhinde ¬ rung einer Kollision wird nicht geboten.
Zur präventiven Erkennung von Kollisionen sind bisher zwei Verfahren bekannt. So kann z.B. handelsüblich eine Analyse der Kollisionsfreiheit einer Bearbeitung durch eine Kollisi ¬ onsprüfung z.B. in einem CAM-System (Computer Aided Manufac- turing) erfolgen. Diese erfolgt z.B. nach Generierung der Bewegungsbahn einer Maschinenkomponente wie z.B. eines Werk ¬ zeugs. Auf Basis der Vorgaben von Werkstück- und Werkzeuggeo- metrie, der Maschinengeometrie und -kinematik und der vom CAM-System generierten Bewegungsbahn wird virtuell festgestellt, ob die erstellte Bewegungsbahn unter den gegebenen Randbedingungen kollisionsfrei ist.
Weiterhin ist auch die Möglichkeit einer steuerungsintegrierten statischen Schutzraumüberwachung bekannt. Eine Absicherung von statischen Maschinenbauteilen gegen statisch an der Maschine angebrachte Aufbauten kann durch Definitionen von Schutzräumen verhindert werden. Die Steuerung der Maschine verhindert, dass eine Bewegung in eine kollisionsgefährdeten Raum hinein erfolgen kann.
Beide Verfahren zur präventiven Erkennung von Kollisionen basieren jedoch auf statischen und gegebenenfalls auch ideali- sierten Annahmen über die Geometrie und Position der verschiedenen Maschinenkomponenten und Werkstücke. Neben dem Aufwand solche Verfahren zu parametrieren, sind es in der Realität aber gerade die Abweichungen von den angenommenen Voraussetzungen durch z.B. Bedienfehler und Eingabefehler, die zur Kollision führen. Beispiele hierfür sind z.B. falsch eingespannte Werkzeuge, andere oder anders platzierte Aufspann ¬ vorrichtungen, falsch bestückte Werkzeuge usw.
Alle genannten handelsüblichen Verfahren sind somit nicht in der Lage eine Kollision zuverlässig zu vermeiden bzw. begrenzen lediglich den durch die Kollision verursachten Schaden.
Aus der DE 103 27 600 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kollisionsüberwachung einer Maschine mit einem Werkstück oder anderen Maschinenkomponenten bekannt, wobei eine Kollisionsüberwachung durchgeführt wird, indem während eines Bearbeitungsvorgangs mit Hilfe von angebrachten Abstands Sen- soren der Abstand zwischen den Maschinenkomponenten und dem Werkstück oder einer anderen Maschinenkomponente überwacht wird. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird jedoch kein Modell erstellt, sondern lediglich anhand von während des Bearbeitungsvorgangs ständig gemessenen Abständen eine Kollision vermieden. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einfache und zu ¬ verlässige Kollisionsüberwachung zu schaffen, die präventiv eine mögliche Kollision einer Maschinenkomponente mit einem Gegenstand erkennt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kollisions ¬ überwachung eines Maschinenelements mit einem Gegenstand bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei ei- ner als Roboter ausgebildeten Maschine mit folgenden Verfahrensschritten :
Automatisierte Ermittelung von Geometrie und Position des Maschinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Da ¬ ten mittels einer Messeinrichtung, welche die Geometrie und Position des Maschinenelements und des Gegenstands er- fasst,
Ermittelung eines die Geometrie und die Position beschrei ¬ benden Modells des Maschinenelements und des Gegenstands anhand der die Geometrie und Position des Maschinenele- ments und des Gegenstandes beschreibenden Daten.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch Einrichtung zur Kollisionsüberwachung eines Maschinenelements mit einem Ge-
genstand bei einer Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder bei einer als Roboter ausgebildeten Maschine, wobei die Einrichtung aufweist:
Eine Messeinrichtung zur Ermittelung von Geometrie und Po- sition des Maschinenelements und des Gegenstandes be ¬ schreibenden Daten des Maschinenelements und des Gegens ¬ tands, wobei die Messeinrichtung die Geometrie und Positi ¬ on des Maschinenelements und des Gegenstands erfasst, Mittel zur Ermittelung eines die Geometrie und die Positi- on beschreibenden Modells des Maschinenelements und des
Gegenstands anhand der die Geometrie und Position des Ma ¬ schinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens ergeben sich analog zur vorteilhaften Ausbildungen der Einrichtung und umgekehrt .
Es erweist sich als vorteilhaft, eine Ermittlung eines
Schutzbereichs anhand des Modells durchzuführen, da anhand des Modells auf einfache Art und Weise ein Schutzbereich er ¬ mittelt werden kann.
Weiterhin erweist sich die Erkennung einer drohenden Kollision, wenn das Maschinenelement bei einem Bewegungsvorgang mit dem Schutzbereich in Kontakt kommt, als vorteilhaft, da durch diese Art der Erkennung eine Kollision besonders einfach erkannt werden kann.
Weiterhin erweist sich ein Anhalten des Bewegungsvorgangs bei einer erkannten drohenden Kollision als vorteilhaft, da hierdurch Schaden, der bei einer Kollision entstehen würde, vermieden werden kann.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Automati ¬ sierte Ermittelung der die Geometrie und Position des Maschinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten des Ma-
schinenelements und des Gegenstands mittels einer Messein ¬ richtung, welche die Geometrie und Position des Maschinenele ¬ ments und des Gegenstands erfasst, unmittelbar vor dem Start eines Bearbeitungsvorgangs erfolgt. Wenn die Ermittelung der Daten unmittelbar vor dem Start des Bearbeitungsvorgangs er ¬ folgt, ist sichergestellt, dass die Daten aktuell sind und mit den tatsächlichen Gegebenheiten vor Ort an der Maschine übereinstimmen .
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Messein ¬ richtung in Form einer auf einer physikalischen Abtastung basierenden Messeinrichtung und/oder als optische Messeinrichtung zur Erfassung 1-dimensionaler, 2-dimensionaler und/oder 3-dimensionaler Strukturen und/oder als ultraschallbasierte Messeinrichtung und/oder als radarbasierte Messeinrichtung und/oder als RFID-basierte Messeinrichtung und/oder als Mik- ro-GPS basierte Messeinrichtung ausgebildet ist. Mit Hilfe der oben genannten Messeinrichtung kann die Struktur des Maschinenelements und des Gegenstandes genau erfasst werden.
Es ist insbesondere vorteilhaft, eine Werkzeugmaschine, eine Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit der Einrichtung auszubilden, da bei diesen Arten von Maschinen oftmals Kollisionen auftreten.
Weiterhin erweist sich ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. eine Diskette, Flashkarte, CD oder DVD, das Codeabschnitte enthält, mit der das Verfahren ausführbar ist, für die Einrichtung als vorteilhaft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigt :
FIG 1 eine Werkzeugmaschine in Form einer schematisierten Darstellung.
In FIG 1 ist im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eine Werk ¬ zeugmaschine 1 dargestellt, welche mit einer Steuereinrich ¬ tung 7 zur Steuerung der Werkzeugmaschine verbunden ist und Daten mit dieser austauscht, was durch einen Doppelpfeil 11 angedeutet ist. Mit Hilfe der Steuereinrichtung 7 werden die Antriebe der Werkzeugmaschine 1 gesteuert . Die Werkzeugma ¬ schine 1 weist einen Spindelantrieb 5 auf, der ein Werkzeug, das in dem Ausführungsbeispiel in Form eines Fräsers 4 vor ¬ liegt, rotierend antreibt. Der Spindelantrieb 5 ist in verti- kaier Richtung mittels eines der übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Antriebs bewegbar, was durch einen Doppelpfeil 12 angedeutet ist. Weiterhin weist die Maschine 1 eine Werkstückeinspannvorrichtung 2 auf, in die ein Werkstück 3 eingespannt ist. Die Werkstückeinspannvorrichtung 2 ist in horizontaler Richtung mittels eines der übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Antriebs bewegbar, was durch einen Doppelpfeil 13 dargestellt ist.
Ferner weist die Werkzeugmaschine 1 eine Messeinrichtung auf, welche im Rahmen des Ausführungsbeispiels in Form von zwei links- und rechtsseitig von dem Spindelantrieb 5 angeordneten optischen Kameras 6a und 6b besteht. Mit Hilfe der Messein ¬ richtung werden im Arbeitsraum der Maschine befindliche Strukturen 3-dimensional erfasst. Mittels der Messeinrichtung erfolgt eine automatische Ermittlung von Geometrie und Posi ¬ tion beschreibenden Daten von dem im Arbeitsraum sich befindlichen Maschinenelementen und Gegenständen.
Im Rahmen der Erfindung werden z.B. ein Spindelantrieb und in die Maschine eingespannte Werkzeuge, wie z.B. der Fräser 4 als Maschinenelemente angesehen. Das erfindungsgemäße Verfah ¬ ren dient der Kollisionsüberwachung eines Maschinenelements mit einem Gegenstand. Im Rahmen der Erfindung kann dabei der Gegenstand z.B. in Form des Werkstücks 3 oder z.B. auch in Form von einem von einem Bediener vergessenen Schraubenschlüssel (nicht dargestellt), der im Arbeitsraum der Maschi ¬ ne liegt, vorliegen. Es sei aber an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt, dass der Gegenstand auch in Form eines weite-
ren Maschinenelementes wie z.B. der Werkstückeinspannvorrichtung 2 vorliegen kann.
Vorzugsweise erfolgt unmittelbar vor dem Start eines Bewe- gungsvorgangs eines Maschinenelements eine automatisierte Er ¬ mittlung von Geometrie und Position des Maschinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten der im Arbeitsraum befindlichen Maschinenelemente und Gegenstände mittels der Messeinrichtung (Kamera 6a und 6b) , welche die Geometrie und die Position der Maschinenelemente und der Gegenstände im Ar ¬ beitsraum der Maschine erfasst. Die Messeinrichtung ist dabei integraler Bestandteil der Maschine. Die solchermaßen ermit ¬ telten Daten werden einem Modellermittlungsmittel 8, das Be ¬ standteil der Steuereinrichtung 7 ist, als Eingangsgröße zu- geführt. Im Modellermittlungsmittel 8 erfolgt eine Ermittlung eines die Geometrie und Position beschreibenden Modells der Maschinenelemente und der Gegenstände anhand der die Geomet ¬ rie und Position des Maschinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten. Das Modellermittlungsmittel 8 stellt solchermaßen ein Mittel zur Ermittlung eines die Geometrie und die Position beschreibenden Modells der Maschinenelemente und der Gegenstände anhand der die Geometrie und Position des Maschinenelements und des Gegenstandes beschreibenden Daten dar .
Das Modell besteht solchermaßen aus einer virtuellen Nachbil ¬ dung der im Arbeitsraum sich befindlichen Maschinenelemente und Gegenstände der Maschine. Solchermaßen erfolgt eine mess ¬ technisch (sensorbasierte) Geometrie- und Positionsdatener- fassung der Maschinenelemente und Gegenstände im Arbeitsraum unmittelbar vor dem Starten eines Bearbeitungsvorgangs, anhand einer realen Vermessung der im Arbeitsraum der Maschine lokalisierten Maschinenelemente und Gegenstände. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass das Modell mit der aktuell an der realen Maschine befindlichen Anordnung immer übereinstimmt. Im Gegensatz zu handelsüblichen Kollisionserkennungs- system, bei denen das Modell auf Basis virtueller mittels ei ¬ nes CAM/CAD-Systems ermittelten Geometriedaten und Positions-
daten erstellt wird und deshalb oft nicht mit den an der rea ¬ len Maschine vorhandenen Gegebenheiten übereinstimmt, ist bei der vorliegenden Erfindung sichergestellt, dass das ermittel ¬ te Modell immer konsistent ist mit den Gegebenheiten an der real vorhandenen Maschine.
Anschließend erfolgt mittels eines Schutzbereichsermittlungs- mittels 9 eine Ermittlung eines einzelnen oder mehrerer Schutzbereiche anhand des Modells. Dabei wird vorzugsweise für jedes vom Modell erfasste Maschinenelement und Gegenstand ein Schutzbereich ermittelt, in dem z.B. um die erfassten Maschinenelemente und Gegenstände eine einhüllende dreidimensi ¬ onale Kurve berechnet wird, die sich um die geometrische Struktur der Maschinenelemente und der Gegenstände in einen definierten Abstand legt, insbesondere anschmiegt.
Mittels eines Kollisionserkennungsmittels 10 erfolgt eine Er ¬ kennung einer drohenden Kollision, wenn ein einzelnes Maschinenelement bei einem Bewegungsvorgang mit dem Schutzbereich eines Gegenstandes in Kontakt kommt. Bei einer drohenden Kol ¬ lision wird vom Kollisionserkennungsmittel 10 der Bewegungs ¬ vorgang angehalten, um Schaden zu vermeiden.
Im Rahmen des oben genannten Ausführungsbeispiels ist die Messeinrichtung als optische Messeinrichtung zur Erfassung 3- dimensionaler Strukturen in Form von zwei Kameras 6a und 6b ausgebildet. Die Messeinrichtung kann aber z.B. auch in Form einer auf einer physikalischen Abtastung basierenden Messeinrichtung, d.h. insbesondere in Form eines Abtasters vorlie- gen, der z.B. im Vorfeld anstatt des Fräsers 4 in den
Spindelantrieb 5 eingespannt wird und mittels eines entspre ¬ chenden Steuerprogramms das Werkstück 3 und die Werkstückeinspannvorrichtung 2 abtastet, insbesondere taktil abtastet, vorliegen. Selbstverständlich kann die optische Messeinrich- tung aber auch als eine optische Messeinrichtung zur Erfassung 1-dimensionaler und/oder 2-dimensionaler Strukturen und/oder 3-dimensionaler Strukturen ausgebildet sein (z.B. Streifenprojektion, Photogrammmetrie, ESPI-Techniken (Elek-
tronische Specklemuster-Interferometrie) . Weiterhin kann die Messeinrichtung auch als ultraschallbasierende Messeinrichtung z.B. in Form von Ultraschallsensoren oder als radar- basierde Messeinrichtung z.B. in Form von Radarsensoren aus- gebildet sein.
Weiterhin kann die Messeinrichtung aber auch als RFID- basierte (Radio Frequency Identifikation) Messeinrichtung oder als Micro-GPS (Global Positioning System) basierte Mess- einrichtungen ausgebildet sein. Bei der Micro-GPS basierten Messeinrichtung werden an entsprechenden Gegenständen und/ oder Maschinenelementen Empfänger angebracht und mittels einer geeigneten Sendeanlage, die in einem sehr hohen Frequenzbereich arbeitet, durch Messung von Laufzeitunterschieden der ausgestrahlten Wellen die Position und die Struktur des Gegenstandes im Arbeitsraum der Maschine bestimmt.
Selbstverständlich kann die Messeinrichtung aber auch auf eine Kombination der oben genannten Techniken basieren.