Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Informationen eines Werkzeugs

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Informationen eines Werkzeugs.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen zur Erfassung von Informationen eines Werkzeugs, insbesondere zum Vermessen eines Zerspanungswerkzeugs in einer Einstell- und/oder Messvorrichtung, bei denen vom Werkzeug in wenigstens einer Aufnah- mestellung mit zumindest einer Kameravorrichtung Bilder und/oder Konturen aufgenommen werden, mittels denen ein 2D- Rotationsvolumenmodell bestimmt wird, das eine Außenkontur von zumindest einem Teil des Werkzeugs darstellt, bekannt.

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein verbessertes, insbesondere ein möglichst vollständiges und realistisches, Volumenmodell eines Werkzeuges bestimmt werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale der unabhängigen Patent- ansprϋche gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht insbesondere aus von einem Verfahren zur Erfassung von Informationen eines Werkzeugs, insbesondere zum Vermessen eines Zerspanungswerkzeugs in einer Einstell- und/oder Messvorrichtung, bei dem vom Werkzeug in wenigstens einer Aufnahmestellung mit zumindest einer Kameravorrichtung Bilder und/oder Konturen aufgenommen werden, mittels denen ein 2D-Rotationsvolumenmodell bestimmt wird, das eine Außen- kontur von zumindest einem Teil des Werkzeugs darstellt.

Es wird vorgeschlagen, dass zur Bestimmung des Volumenmodells zumindest zwei differierende Grundinformationen verwendet werden. Durch die Verwendung von zumindest zwei differieren- den Grundinformationen kann ein verbessertes Volumenmodell erstellt werden.

Unter „differierende Grundinformationen" sollen dabei insbesondere Informationen des Werkzeugs verstanden werden, die sich in ihrer Erfassungsart und/oder ihrer Ermittlungsart unterscheiden. Differierende Grundinformationen unterscheiden sich insbesondere auch in ihrem Informationsgehalt. Unter einer „Erfassungsart" soll dabei insbesondere eine Technik bzw. eine technische Lösung zur Erfassung der Information, insbe- sondere des Bildes, wie beispielsweise eine Durchlichtbilderfassung oder eine Auflichtbilderfassung verstanden werden. Unter einer „Ermittlungsart" soll insbesondere eine Art einer Auswertung erfasster Informationen verstanden werden, wie beispielsweise eine Grauwertermittlung in einem Bild, eine Tiefenschärfeermittlung, wie beispielsweise ein „Depth-from- Focus"-Verfahren oder eine Verlaufsermittlung in zusammenge-

hörigen Bildern, wie beispielsweise in Bilder mit einem definierten relativen Rotationsabstand. Sowohl die Ermittlungsart als auch die Erfassungsart sollen als unabhängig von einem absoluten Rotationswinkel verstanden werden, d.h. unabhängig von einem auf einen äußeren Bezugspunkt bezogenen Rotationswinkel, wie beispielsweise ein Rotationswinkel zwischen einem Punkt auf dem Werkzeug und der Kameravorrichtung, insbesondere zu Beginn einer Ermittlung oder Erfassung. Vorzugsweise kann zur Bestimmung einer Grundinformation ein relativer Ro- tationswinkel verwendet werden, wie beispielsweise ein Winkel zwischen zwei Bildern, die einen definierten relativen Rotationsabstand aufweisen. Vorteilhafterweise werden absolute Rotationswinkel einzelner Grundinformationen zueinander in Bezug gesetzt, um das Volumenmodell zu berechnen.

Vorteilhafterweise werden zur Bestimmung des Volumenmodells zumindest drei differierende Grundinformationen verwendet. Mittels zumindest drei Grundinformationen kann das Volumenmodell weiter verbessert und an das Werkzeug angeglichen wer- den. Besonders vorteilhaft werden zumindest vier Grundinformationen verwendet, um das Volumenmodell zu bestimmen.

Weiter wird vorgeschlagen, dass die Grundinformationen in zumindest einem Berechnungsvorgang zusammengefasst werden. Da- durch können die Grundinformationen vorteilhaft zusammengeführt und zueinander in Bezug gesetzt werden.

Weiter wird vorgeschlagen, dass eine Grundinformation mittels einer Information über eine Kontur gebildet wird. Durch eine Bestimmung der Kontur des Werkzeugs kann eine Grundform gefunden werden, die das Werkzeug grundlegend beschreibt.

Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kontur entlang einer Werkzeugschneide, da die Kontur der Werkzeugschneide eine Schneidgeometrie des Werkzeugs bestimmt.

Ferner wird vorgeschlagen, dass eine Grundinformation mittels einer Information über eine Schneidenanzahl gebildet wird, wodurch eine weitere grundlegende Beschreibung des Werkzeugs möglich ist.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass eine Grundinformation mittels einer Information über einen Schneidenverlauf gebildet wird, wodurch das Volumenmodell weiter an das Werkzeug angeglichen werden kann. Insbesondere ein Schneidenverlauf in einer vertikalen Richtung, wie beispielsweise ein Spiralwinkel oder eine Spiralsteigung.

Vorteilhafterweise wird eine Grundinformation mittels einer Information über einen Spanraum gebildet. Der Spanraum bildet eine weitere vorteilhafte Information, um die Form des Werk- zeugs zu beschreiben. Eine Information über den Spanraum kann dabei insbesondere eine Nutkontur beinhalten.

Vorzugsweise wird das Werkzeug in zumindest einem Modus rotierend angetrieben. Dadurch kann vorteilhaft die Grundinfor- mation in Bezug auf den gesamten Umfang gewonnen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Kameravorrichtung um das Werkzeug rotierend angetrieben werden.

Weiter wird vorgeschlagen, dass das Werkzeug in zumindest ei- nem Modus drehfest angeordnet ist. Dadurch kann ein Bereich besonders genau erfasst werden.

Vorteilhafterweise wird zumindest eine Grundinformation zumindest teilweise in einem Durchlichtverfahren erfasst. In einem Durchlichtverfahren kann eine Kontur oder ein Konturverlauf besonders genau erfasst werden.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine Grundinformation zumindest teilweise in einem Auflichtverfahren erfasst wird. In einem Auflichtverfahren kann eine Struktur eines Teilbereichs des Werkzeugs besonders genau erfasst werden. Außerdem wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Grundinformation zumindest teilweise in einem „Depth-from-Focus"- Verfahren ermittelt wird, da dieses besonders einfach anwendbar für eine dreidimensionale Auswertung zumindest eines Teilbereichs einer Oberfläche ist. Außerdem ist ein solches Verfahren vorteilhafterweise berührungslos, wodurch Beschädigungen vermieden werden können.

Vorteilhafterweise wird mittels der Grundinformationen ein Volumenmodell bestimmt, aus dem dann Messdaten berechnet wer- den können. Dadurch können durch einen Benutzer oder automatisiert durch ein Programm beliebige Messdaten, deren Genauigkeit von der Genauigkeit des Volumenmodells abhängt, bestimmt werden. Alternativ kann eine Bestimmung von Messdaten auch aus den Grundinformationen erfolgen, die zur Berechnung des Volumenmodells verwendet werden.

Weiter wird eine Vorrichtung zur Erfassung von Informationen eines Werkzeugs, insbesondere eine Einstell- und/oder Messvorrichtung zum Vermessen eines Zerspanungswerkzeugs, mit ei- ner Kameravorrichtung, die dazu vorgesehen ist, vom Werkzeug in wenigstens einer Aufnahmestellung Bilder aufzunehmen, und

mit einer Recheneinheit, die dazu vorgesehen ist, mittels den Bildern ein Volumenmodell zu bestimmen, das zumindest einen Teil des Werkzeugs darstellt, vorgeschlagen, wobei die Recheneinheit dazu vorgesehen ist, zur Bestimmung des Volumen- modells zumindest zwei differierende Grundinformationen zu verwenden. Vorzugsweise ist die Recheneinheit dazu vorgesehen, die Grundinformationen in zumindest einem Berechnungsvorgang zusammenzufassen. Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine Beleuchtungseinheit, die dazu vorgesehen ist, das Werkzeug für ein Durchlichtverfahren zu beleuchten, sowie eine Beleuchtungsvorrichtung, die dazu vorgesehen ist, das Werkzeug für ein Auflichtverfahren zu beleuchten. Weiter wird vorgeschlagen, dass die Kameravorrichtung zwei Kameraeinheiten umfasst, wobei eine Kameraeinheit dazu vorgesehen ist, Bilder und/oder Konturen für ein Auflichtverfahren aufzunehmen, und eine Kameraeinheit dazu vorgesehen ist, Bilder und/oder Konturen für ein Durchlichtverfahren aufzunehmen. Dadurch können die Kameraeinheit vorteilhaft auf die Verfahren abgestimmt werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Anzeigeeinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, das Volumenmodell visuell darzustellen. Eine Anzeigeeinheit kann beispielsweise einen Monitor und/oder einen Drucker umfassen. Unter „vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgestattet, ausgelegt und/oder programmiert verstanden werden. Unter einer „Recheneinheit" soll insbesondere eine Prozessoreinheit mit einer Speichereinheit und einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm verstanden werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe ^¬ schreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen .

Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Bestimmung eines

Volumenmodells und Fig. 2 ein beispielhaftes Werkzeug.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung, mittels der Grundinformationen über ein Werkzeug 10 gewonnen werden können, aus denen mittels einer Recheneinheit 22, die eine Speichereinheit 30 aufweist, ein Volumenmodell 14 des Werkstücks 10 bestimmt werden kann.

Die Vorrichtung umfasst eine Werkzeugaufnahme 32, in die das Werkzeug 10 eingespannt wird. Mittels der Werkzeugaufnahme 32 kann das Werkzeug 10 rotierend angetrieben werden. Zur Er- mittlung der Grundinformationen umfasst die Vorrichtung eine Kameravorrichtung 12 mit zwei Kameraeinheiten 34, 36 und zwei

Beleuchtungseinheiten 24, 26. Die Kameraeinheiten 34, 36 sind dazu vorgesehen, Bilder des Werkzeugs 10 zu erfassen. Zur Ermittlung der Grundinformationen werden die Bilder an die Recheneinheit 22 weitergeleitet. Die Kameraeinheiten 34, 36 sind dabei schwenkbar angeordnet, um radial und axial Bilder und insbesondere Konturelemente des Werkzeugs 10 erfassen zu können .

Die erste Beleuchtungsvorrichtung 24 ist auf einer der ersten Kameraeinheit 34 abgewandeten Seite des Werkzeugs 10 angeordnet. Die zweite Beleuchtungseinheit 26 ist auf einer der zweiten Kameraeinheit 36 zugewandten Seite des Werkzeugs 10 und unmittelbar neben der zweiten Kameraeinheit 36 angeordnet. Die Kameravorrichtung 12 ist vertikal entlang einer Ro- tationsachse der Werkzeugaufnahme 32 verstellbar.

Mittels der ersten Beleuchtungseinheit 24 wird das Werkzeug 10 beleuchtet, wenn die Grundinformationen in einem Durch- lichtverfahren gewonnen werden sollen. Bei dieser Erfassungs- art detektiert die Kameraeinheit 34 das Licht, das ungestört von der Beleuchtungseinheit 24 zur Kameraeinheit 34 gelangt. Mittels der zweiten Beleuchtungseinheit 26 wird das Werkzeug 10 beleuchtet, wenn die Grundinformationen in einem Auflichtverfahren gewonnen werden sollen. Bei dieser Erfassungsart detektiert die Kameraeinheit 36 das Licht, das von dem Werkzeug 10 in Richtung der Kameraeinheit 34 reflektiert wird. Die Kameraeinheiten 34, 36 weisen für die unterschiedlichen Verfahren unterschiedliche Spezifikationen auf .Grundsätzlich kann auch nur eine Kameraeinheit angeordnet werden, die dann für das Durchlichtverfahren und das Auflichtverfahren verwendet wird.

Die mit der Kameravorrichtung 12 aufgenommenen Bilder können mittels unterschiedlicher Ermittlungsarten ausgewertet werden. Zum einen kann eine mittels einer Grauwerterfassung eine Helligkeit eines Bildpunktes bestimmt werden. Diese Ermitt- lungsart eignet sich insbesondere für die Bestimmung einer

Kontur 16, die insbesondere eine Außenkontur bildet, in einem Durchlichtverfahren . Weiter kann mittels eines „Depth-from- Focus"-Verfahrens der Abstand eines Bildpunktes von der Kameravorrichtung 12 erfasst werden. Für dieses Verfahren weist die Kameravorrichtung 12 eine vorteilhaft geringe Tiefenschärfe auf. Beim "Depth-from-Focus"-Verfahren wird zu jedem Punkt in der Bildebene diejenige Aufnahme gesucht, in welcher der jeweilige Punkt am schärfsten abgebildet ist. Aufgrund der Geometrie des Aufbaus entspricht jeder Punkt in einer zweidimensionalen Bildebene eines beliebigen Bildes genau einem Punkt auf der Oberfläche des zu vermessenden Werkzeugs 10. Zusammen mit einer Information, welche einen dem jeweiligen Bild zugeordneten Kameraeinheit-Werkzeug-Abstand beschreibt, lässt sich die Tiefe jedes Punktes bzw. Pixels und in Kombination aller Punkte die dreidimensionale Oberfläche des Werkzeugs 10 rekonstruieren. Zur Ermittlung der spezifischen Werkzeugeigenschaften ist es ferner vorteilhaft, an die ermittelte dreidimensionale Oberfläche eine geeignete Funktion, im einfachsten Falle eine Ebene, anzupassen.

Alternativ zum beschriebenen „Depth-from-Focus"-Verfahren ist auch das an sich bekannte "Depth-from-Defocus"-Verfahren verwendbar, das auch auf der Grundlage einer geringeren Anzahl von Aufnahmen eine zufriedenstellende dreidimensionale Dar- Stellung der Werkzeugoberfläche gestattet. Hierbei wird im einfachsten Fall eine erste Aufnahme des Werkzeugs 10, bei

welcher der Fokus der Kameravorrichtung 12 hinter dem Werkzeug 10, und eine zweite Aufnahme des Werkzeugs 10, bei welcher der Fokus der Kameravorrichtung 12 vor dem Werkzeug 10 liegt, ausgeführt. Auf der Grundlage einer rechnerischen Kupplung derartiger Aufnahmen lässt sich die dreidimensionale Oberfläche des Werkzeugs 10 darstellen. Auch bei diesem „Depth-from-Defocus"-Verfahren lässt sich die Genauigkeit durch eine größere Anzahl von Aufnahmen steigern.

Um ein Volumenmodell 14 des Werkzeugs 10 zu bestimmen, verwendet die Vorrichtung vier differierende Grundinformationen, die in einem Berechnungsvorgang, der online zeitgleich mit einer Bestimmung der Grundinformationen oder offline nach der Bestimmung der Grundinformationen durchgeführt werden kann, zusammengefasst werden.

In einem ersten Schritt wird eine Grundinformation bestimmt, die mittels einer Information über eine Kontur 16 des Werkzeugs 10 gebildet wird (Figur 2) . Eine Bestimmung der Kontur 16 erfolgt dabei entlang einer Werkzeugschneide 18. Die Ermittlung der Kontur 16 kann als ein zumindest teilweise manuelles Verfahren durch einen Benutzer oder als ein automatisches Verfahren durchgeführt werden. Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Kontur 16 das Werkzeug 10 rotierend angetrie- benen, alternativ kann aber automatisch oder manuell in einen Modus geschaltet werden, bei dem die Ermittlung der Kontur 16 an einem stillstehenden Werkzeug 10 durchgeführt wird. Die Kontur 16 wird vorteilhafterweise im Durchlichtverfahren mittels einer Grauwerterfassung und einer Kantendedektion er- fasst und ermittelt.

In einem zweiten Schritt wird eine Grundinformation bestimmt, die mittels einer Information aus einer Schneidenanzahl gebildet wird. Die Scheidenanzahl der Werkzeugschneiden 18 wird bestimmt, indem an einem rotierenden Werkzeug 10 Bilder mit einem definierten relativen Rotationswinkel zwischen den Bildern aufgenommen werden, mittels denen ein Verlauf der Kontur 16 in Abhängigkeit von dem relativen Rotationswinkel bestimmt wird. Weist ein Abstand der Kontur 16 zu der Rotationsachse ein Maximum auf, wird diesem Rotationswinkel eine Werkzeug- schneide 18 zugeordnet. Die Scheidenanzahl wird im Durch- lichtverfahren bestimmt.

In einem dritten Schritt wird eine Grundinformation bestimmt, die mittels einer Information aus einem Schneidenverlauf ge- bildet wird. Der Schneidenverlauf, der beispielsweise Informationen über einen Spiralwinkel oder eine Spiralsteigung beinhalten kann, wird vorzugsweise im Auflichtverfahren mittels des „Depth-from-Sharp"-Verfahrens bestimmt. Alternativ kann der Schneidenverlauf auch im Durchlichtverfahren über änderungen in der Kontur 16 bestimmt werden.

In einem vierten Schritt wird eine Grundinformation bestimmt, die mittels einer Information über einen Spanraum 20 gebildet wird. Der Spanraum 20 wird im Auflichtverfahren mittels des „Depth-from-Focus"-Verfahrens bestimmt.

Um die Zeit für die Erstellung des Volumenmodells 14 zu verkürzen, kann die Erfassung und/oder Ermittlung der Grundinformationen einzelner Schritte auch zu einem Schritt zusam- mengefasst werden. Beispielsweise kann gleichzeitig im Durch-

lichtverfahren eine Information für die Ermittlung der Kontur 16 und der Scheidenanzahl erfasst werden.

Sind die Grundinformationen online oder offline in dem Berechnungsvorgang zusammengefasst, wird das Volumenmodell 14 berechnet. Je nach einer Werkzeuggattung können neben den vier dargestellten Grundinformationen noch weitere Grundinformationen in eine Berechnung des Volumenmodells 14 einfließen. Grundsätzlich hängt eine Genauigkeit des Volumenmodells 14 von einer Genauigkeit der einzelnen Grundinformationen ab, die insbesondere durch eine Scangeschwindigkeit und somit ei ^¬ ne Anzahl der Bilder je Grundinformation bestimmt ist.

Zeitgleich oder zeitversetzt zu der Berechnung des Volumenmodells 14 können aus den Grundinformationen Messdaten bestimmt werden. Zusätzlich sind nach Abschluss der Berechnung noch weitere Messdaten aus dem Volumenmodell bestimmbar, wobei eine Bestimmung der Messdaten automatisch oder halbautomatisch erfolgen kann. Bei der halbautomatischen Bestimmung kann der Benutzer mittels einer Eingabeeinheit 38 festlegen, an wel- eher Stelle die Messdaten bestimmt werden sollen, bei der automatischen Bestimmung werden von der Recheneinheit 22 vordefinierte Messwerte bestimmt, die jedoch je nach Werkzeug 10 variieren können. Parallel wird das Volumenmodell 14 auf einem Monitor 40 einer Anzeigeeinheit 28 der Vorrichtung für den Benutzer dargestellt. Auf Wunsch des Benutzers kann das Volumenmodell auf einem Drucker 42 ausgedruckt werden.

Bezugszeichen

10 Werkzeug

12 Kameravorrichtung

14 Volumenmodell

16 Kontur

18 Werkzeugschneide

20 Spanraum

22 Recheneinheit

24 Beleuchtungseinheit

26 Beleuchtungseinheit

28 Anzeigeeinheit

30 Speichereinheit

32 Werkzeugaufnahme

34 Kameraeinheit

36 Kameraeinheit

38 Eingabeeinheit

40 Monitor

42 Drucker