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Diffracto Limited
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Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung von Teilen oder Werkstücken
Die Erfindung betrifft die Prüfung von Werkstücken und bezieht sich insbesondere
auf die Prüfung durch elektrooptische Mittel.
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Nachdem ein Werkstück, d.h. ein Teil einer zu fertigenden Einrichtung
oder Vorrichtung durch das Werkzeug einer Werkzeugmaschine, beispielsweise einer
Fräsmaschine, Schleifmaschine usw., bearbeitet worden ist, ist es erforderlich,
eine Bedingung oder einen Zustand dieser Maschine zu prüfen, um sicherzustellen,
daß die Bearbeitung ordnungsgemäß erfolgt ist.
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Es ist bekannt, ein Werkstück oder Teile an einer Stelle zu bearbeiten
und an einer nachfolgenden Stelle zu prüfen.
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Diese getrennten Stationen zur Durchführung der Bearbeitungsvorgänge
und der Prüfvorgänge sind verhältnismäßig komplex und kostenaufwendig.
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Gemäß der Erfindung wird ein elektro-optischer Tastkopf der genannten
Art direkt auf einer Werkzeugmaschine befestigt und vorzugsweise auf gerade der
Maschine, die die Bearbeitung
des Werkstückes vornimmt. Hat die
Werkzeugmaschine nur eine einzige Werkzeugaufnahme, so kann, nachdem die Bearbeitung
des Werkstückes beendet ist, das Werkstück durch einen Tastkopf ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung dient jedoch vorzugsweise zur Verwendung in Kombination
mit einer Werkzeugmaschine, die mehrere Werkzeugaufnahmen aufweist, so daß der Tastkopf
in einer Werkzeugaufnahme gehalten werden kann, die nicht die ist, die das Werkzeug
hält, das die Bearbeitung an dem Werkstück vornimmt. Auf diese Weise wird der Hauptvorteil
der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß in einer einzigen Arbeitsstation,
ohne daß zusätzliche Halterungen oder Bodenfläche erforderlich sind, beide Funktionen
durchgeführt werden können, d.h. daß das Werkstück mit dem Werkzeug bearbeitet und
dann die elektrooptische Prüfung des Werkstückes durchgeführt werden kann. Die Werkzeughalterungen
sind normalerweise an einer Spindel oder einem Kopf befestigt. Somit kann bei der
vorliegenden Erfindung, nachdem das Werkzeug seine Arbeit an dem Werkstück beendet
hat, die Spindel oder der Kopf manipuliert werden, d.h. entweder in Längs- oder
in Querrichtung oder möglicherweise auch in Drehrichtung, um den Tastkopf in die
richtige Richtung zur Prüfung des Werkstückes zu bringen.
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Es ist zweckmäßig, den Tastkopf und das Werkzeug an der gleichen
Werkzeugmaschine zu befestigen und dadurch Bodenfläche zu sparen, jedoch können
vorteilhafte Ergebnisse auch dann erzielt werden, wenn der Tastkopf an einer gesonderten
Werkzeugmaschine hinter (in Richtung der Bewegung des Werkstückes) der Werkzeugmaschine
angeordnet ist, die das Werkstück bearbeitet und die zu prüfende Bedingung oder
Abmessung erzeugt. Wenn auch
in diesem Falle zusätzliche Bodenfläche
erforderlich ist, so wird doch noch der Vorteil erzielt, daß der Tastkopf an einer
zweiten Maschine gehalten ist, die vielleicht bereits in dem Arbeitsbereich angeordnet
ist, so daß dadurch die Notwendigkeit für die Schaffung weiterer Halteeinrichtungen
für den Tastkopf entfällt. Diese weitere Maschine kann in ihrer Natur roboterartig
sein und verschiedene Tastköpfe aufnehmen und damit nacheinander ein Teil prüfen.
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Ein Taster mit einer Fotodetektoranordnung weist im wesentlichen
eine Anordnung auf, um Licht auf eine Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks zu
werfen und dann das Licht abzutasten, das dahinter ankommt oder davon reflektiert
wird auf eine Anzahl von ausgerichteten Detektoren, gewöhnlich Fotodioden. Die Detektoren
werden abgetastet, um das elektrische Ausgangssignal festzustellen, das gegebenenfalls
an den Detektoren steht.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Tastkopf
so an der Werkzeugmaschine gehalten, daß er physikalisch von allen optischen oder
elektrischen Leitungen getrennt ist. In diesem Falle würden an der Fotodiodenanordnung
empfangene Lichtsignale über eine drahtlose Fernmeßstrecke zu einer Ausgabestation
übertragen werden. In diesem Falle würden die Lichtquelle, der Fernmeßsender und
eine Versorgungsbatterie in dem Tastkopf angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform
gibt es zwei Möglichkeiten. Zunächst ist es möglich, das rohe festgestellte Lichtsignal
zu der Ausgabeeinrichtung zu übertragen.
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Dann ist es aber auch möglich, die gewünschten Daten von dem Lichtsignal
an dem Tastkopf zu extrahieren und nur die Antwort
zu übertragen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann anstelle der Verwendung einer drahtlosen Fernübertragung der Tastkopf
seine Licht- und/oder elektrischen Signale über ein eingreifendes Teil übertragen,
das über eine passende Kupplung mit einer Werkzeugmaschine verbindbar ist, vorzugsweise
mit der Spindel oder einem Kopf davon.
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In diesem Falle brauchen weder die Batterie noch die Lichtquelle in
dem Detektor angeordnet zu sein. Die elektrische Energie kann vielmehr durch Leitungen
zugeführt werden, die durch das eingreifende Teil laufen, und in gleicher Weise
kann das gegen das Werkstück zu reflektierende Licht auch durch Glasfasern übertragen
werden, die durch das eingreifende Teil verlaufen.
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Bei jeder Ausführungsform kann eine Strömungsmittelleitung, die normalerweise
dazu verwendet wird, Kühlflüssigkeit zu einem Werkzeug zu bringen, von Kühlmittel
gereinigt und statt dessen dazu verwendet werden, Luft in den Tastkopf zu bringen,
die durch passende Düsen an dessen Ende austritt, um das Werkstück vor der elektro-optischen
Abtastung zu reinigen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine neue und verbesserte
Anordnung zur Vereinfachung und allgemeineren Verwendbarkeit eines Tastkopfes mit
einer Diodenanordnung zu schaffen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Kombination eines Tastkopfes mit einer Diodenanordnung mit einer Werkzeugmaschine
zu schaffen, bei der der Tastkopf in den üblichen Werkzeughalteteilen der Werkzeugmaschine
gehalten ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Mittel zur Übertragung
von Signalen und Bildern mehrerer Tastköpfe zu vorhandenen Ausgabeeinrichtungen
über nichtkontaktierende fiber-optische oder lichtübertragende Kopplungen vorzusehen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Austauschbarkeit
der Tastköpfe zu ermöglichen, die für eine wirtschaftliche roboterartige Verwendung
geeignet ist, bei der eine austauschbare Bearbeitung und kontaktfreie Kopplung verwendet
wird, und um eine roboterartige Maschine zur Verwendung damit zu schaffen.
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EineXzusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten
Luftblasvorrichtungen und andere Vorsichtsmaßnahmen anzuwenden, um die Tastköpfe
in der Bearbeitungsumgebung funktionsfähig zu halten.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend im einzelnen
näher erläutert werden.
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Die Fig. 1 bis 6 zeigen sechs verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung.
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der sich
ein Werkstück 10 auf einer Maschinenbasis 11 befindet, wo es gerade bearbeitet worden
ist. Auf dieser gleichen Maschinenbasis 11 ist die Spindel oder der Kopf der Werkzeugmaschine
gelagert, wobei die Spindel Bewegungen relativ zu der Basis wenigstens vertikal
in Richtung auf das Werkstück und von diesem weg ausführen kann. Je nach der Ausbildung
und Ausstattung der Werkzeugmaschine können auch Mittel zum Drehantrieb der Spindel
oder des Kopfes 12 um eine vertikale Achse vorgesehen sein. Diese Ausführungsform
weist eine Werkzeughalterung
13 üblicher Art zur Halterung eines
Werkzeugs an der Spindel oder dem Kopf 12 auf. In diesem Falle dient sie jedoch
zur Halterung eines Tastkopfes 15 derart, daß der Tastkopf in die genaue Position
gebracht werden kann, um ein Merkmal in der Oberfläche des Werkstücks 10 zu prüfen.
Dieses Merkmal oder diese Eigentümlichkeit kann z.B. ein Gewindeloch, ein äußerer
Durchmesser, ein Oberflächendefekt oder dergleichen sein. In jedem Falle wird der
Tastkopf 15 durch die Spindel oder den Kopf 12 zu der Position in der Nähe des Werkstücks
10 gebracht, wo Entfernungsdaten von der Oberfläche oder den Oberflächen des Werkstücks
abgenommen werden sollen. Der Tastkopf ist miniaturisiert und kann im wesentlichen
alle die Bewegungen ausführen, die die Maschine normalerweise gestattet. Eine Drehung
ist nicht besonders für alle Anwendungsfälle des Tastkopfes erforderlich.
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Sie ist jedoch in vielen Fällen höchst wünschenswert.
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Der Tastkopf 15 weist eine Lichtquelle 16 auf, die vorzugsweise die
Form eines Halbleiter-Diodenlasers mit geringer Leistung hat, um über eine Linse
17 das Werkstück 10 zu beleuchten, so daß ein Fleck 14 entsteht, von dem die reflektierte
Helligkeit über ein Prisma 18 gebrochen und abgebildet wird, so daß Flecken 14,
19 und 20 auf Fotodetektoranordnungen 21 und 22 abgebildet werden, die jeweils den
Fleck 14 in einem anderen und entgegengesetzten Winkel sehen. Die Detektoranordnungen,
in diesem Falle Fotodetektoranordnungen, sind in diesem Falle geneigt, um den Fokus
über einen größeren Bereich beizubehalten. Die Auflösung eines solchen Systems liegt
bei etwa 0,0005 mm (0,00002 Zoll) bei einem Meßbereich von 1 mm (0,040 Zoll). Eine
geringere Auflösung und ein größerer Meßbereich
ist ebenfalls möglich.
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Die Diodenanordnungen 21 und 22 werden durch eine Abtasteinrichtung
23 abgetastet, die mit einem drahtlosen Fernmeßsender 25 verbunden ist. Eine Batterie
28 speist den Fernmeßsender, die Beleuchtungseinrichtung mit dem Diodenlaser und
die Diodenabtasteinrichtung. Da alle die Elemente des dargestellten Systems Halbleiterelemente
sind, ist der Leistungs-und Spannungsbedarf niedrig.
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Die Signale von dem Fernmeßsender 25 gelangen in eine Ausgabeeinrichtung
35, die eine Empfangsschaltung 36, die nur schematisch dargestellt ist, zum Empfang
des übertragenen Signals und zur Verstärkung aufweist. Mit der Bezugsziffer 37 ist
eine spezielle Aufbereitungs- und Verbesserungseinrichtung bezeichnet. Eine Ausgabeeinrichtung
38 liefert die Antwort, die in diesem Falle aus den Positionen des abgebildeten
Flecks auf der Oberfläche auf den Diodenanordnungen gebildet ist, und mit 39 ist
ein Interface-Modul für diese Daten bezeichnet.
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Die Diodenanordnung ist ein vollkommen digitaler Taster und arbeitet
mit hoher Frequenz und ist für eine FM- oder PCM-Übertragung gut geeignet. Für diesen
Fall sind auch Halbleiterlichtquellen mit niedriger Spannung und Leistung wünschenswert,
z.B. LED-s und Diodenlaser.
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Lineare oder zirkulare Diodenanordnungen wurden bisher für Meßzwecke
verwendet. Typische Anordnungen reichen von einer Länge von 256 Elementen, die mit
einer Abtastfrequenz von 1000 bis 10.000 betrieben werden, bis zu einem Maximum
von 2048 Elementen, die mit einer maximalen Abtastfrequenz von 1000 betrieben werden.
Im Falle einer Matrixanordnung von 250 x 250
Elementen ist eine
typische Abtastfrequenz 30 Hz für jede der 250 Zeilen und 250 Elemente. In jedem
Fall liegt eine typische Detektor/Detektorfrequenz im Bereich von 0,1 bis 5 MHz.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 kann auf zwei verschiedene Weisen
verwendet werden. Eine Verwendungsart besteht darin, daß rohe abgetastete Lichtsignale
bei 0,1 bis 5 MHz übertragen und entfernt verarbeitet werden. Eine zweite Möglichkeit
besteht darin, die gewünschten Daten aus dem Lichtsignal zu extrahieren und in dem
Tastkopf zu verarbeiten, der nur die Antwort übertragen würde. Während beide dieser
Möglichkeiten ihren Platz haben, würde die erste natürlich die einfachste Konstruktion
für den Tastkopf selbst bilden.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 werden die von den Fotodetektoranordnungen
21 und 22 empfangenen Signale direkt zu der Ausgabeeinrichtung 35 übertragen. In
diesem Fall liegt der Detektor/Detektorbereich bei 0,1 bis 5 MHz, wobei die Abtastung
mehrere Male pro Sekunde wiederholt wird. Befindet sich der Tastkopf in einer festen
Position, so ist das wiederholte Abtastsignal natürlich immer das gleiche, und dieses
ermöglicht das höchste Maß der Genauigkeit bei der Übertragung und dekodierendem
Aufbau des Signals über eine Zeitspanne von mehreren Zyklen, was eine sehr wirksame
Art und Weise der Schaffung eines hohen Signal/Störverhältnisses ist. Dies bedeutet
natürlich nicht, daß der Tastkopf nicht auch "fliegend" messen könnte, d.h. bei
kontinuierlicher relativer Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Tastkopf, da
die Diodenlaserlichtquelle gepulst sein kann, um die Position des Flecks einzufrieren,
obwohl der Tastkopf selbst sich weiter bewegt.
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Es sei. darauf hingewiesen, daß der Tastkopf, der vollkommen optisch
ist und eine hohe Auflösung hat, beträchtlich schneller und wirksamer ist als ein
Kopf mit Punktkontakt, wie das bisher bei zweidimensionaler Messung der Fall war.
Das Erfordernis der Geschwindigkeit bei einem solchen Prüfverfahren ist überragend,
da beim Ablauf des Prüfvorganges die Maschine das Werkstück nicht bearbeitet und
daher während der Prüfung die Basis, die Schlitten usw. der Werkzeugmaschine frei
aufsitzen.
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Wird somit die Prüfung sehr schnell ausgeführt, so geht der Vorteil
der Kombination der Prüfmittel mit der Werkzeugmaschine verloren oder er verringert
sich zumindest, und in diesem Fall mag es genauso gut sein, den Tastkopf an einer
von der Werkzeugmaschine verschiedenen Stelle anzuordnen.
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Darüber hinaus werden die zuvor genannten Bemerkungen durch die weitere
Möglichkeit unterstützt, daß der optische Tastkopf sowohl Defekte des Teils oder
eine Oberflächenbeschaffenheit, Durchgang von Löchern oder dergleichen abtastet.
Eine solche zusätzliche Abtastung kann mit dem gleichen oder anderen Tastköpfen
durchgeführt werden.
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Die andere Möglichkeit des Einbaus der Signalverarbeitungsmittel
in dem Tastkopf ist durchaus möglich, insbesondere unter Berücksichtigung des gegenwärtigen
Standes der Leiterplatten mit hoher Schaltungsdichte. Dies könnte jedoch einen sehr
komplizierten Prozessor innerhalb des Tastkopfes unter Verwendung eines Mikrocomputers
erfordern. In diesem Fall könnte das übertragene Signal eine sich in hohem Maße
ändernde Frequenz in Abhängigkeit von der Antwort sein, und diese würde die Übertragungsschwierigkeiten
verringern.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der
Tastkopf physikalisch mit der Werkzeugmaschine gekoppelt ist (und somit spezielle
Spindeln, Werkzeughalter usw. erfordert). Bei dieser Ausführungsform ist die Verwendung
drahtloser Fernmeßtechnik nicht erforderlich, und zusätzlich können Stromversorgung
und Licht über Leitungen zugeführt werden, die den Tastkopf kontaktieren, so daß
weder eine Batterie noch eine Lichtquelle (falls notwendig) in dem Tastkopf erforderlich
sind.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Ausführungsform gemäß Fig.
2 besteht darin, daß Luft direkt in den Tastkopf über Leitungen geleitet werden
kann, die normalerweise zur Zuführung von Kühlmittel zu einem Werkzeug verwendet
werden. Die genannte Luft dient zur Reinigung des Gebietes des Werkstücks, das von
dem Tastkopf beobachtet werden soll. Dies ist besonders in einer Umgebung wünschenswert,
in der das Werkstück im zu prüfenden Oberflächengebiet eine beträchtliche Menge
von Restkühlmittel, Maschinenöl usw. aufweist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig 2 ist ein Werkstück 50 auf einer
Basis 51 der Werkzeugmaschine gehalten. Die Werkzeugmaschine weist außerdem einen
Spindelkopf 52 mit einer Werkzeughalterung 54 auf. In diesem Fall weist die Werkzeughalterung
54 einen besonders ausgebildeten Versehlußblock 53 auf, der mit elektrischen Leitungen
und faseroptischen Lichtpfaden versehen ist, die für die Verwendung bei dem Tastkopf
geeignet sind.
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In diesem Falle ist der Tastkopf 55 einfach und lösbar in der öffnung
des Verschlußblockes 53 gehalten, und in dieser Position sind die elektrischen Mittel
darin mit elektrischen
Leitungen 60 gekoppelt, während die optischen
Pfade mit optischen Leitungen 61 und einer Öffnung darin zur Aufnahme von Luft mit
einem Luftdurchlaß 65 fluchten. Am Ende des Tastkopfes 55 liegt ein Fenster 56 dem
Werkstück 50 gegenüber. Luft tritt durch Leitungen 65 in den Tastkopf ein und gelangt
über Düsen 57 und 58 nach außen, um das Werkstück 50 im zu betrachtenden Gebiet
zu reinigen.
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Fluidum durch die Leitung 65 wird durch ein Ventil 66 gesteuert.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 kann der Tastkopf 55 von jeder
Art eines elektro-optischen Tastkopfes sein. Z.B.
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kann er die Oberflächengüte oder den Abstand des Tastkopfes zu einer
Seitenwand messen. In jedem Fall ist der Tastkopf 55 iösbar in den Verschlußblock
53 eingesetzt, so daß dieser Verschlußblock auch noch für andere Arten von Tastköpfen
verwendet werden kann. Darüber hinaus ist der Verschlußblock 53 mit dem Spindelkopf
52 über eine Kupplung 54 des Maschinenherstellers verbunden, so daß eine schnelle
Auswechslung des Verschlußblockes möglich ist. Eine Werkzeugmaschine dieser Art
würde normalerweise für die Zuführung von Kühlmittel über ihr Leitungssystem zu
dem Werkzeug ausgelegt sein, und in diesem Fall würde das das Rohr 65 sein.
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Beim Ineinandergreifen des Tastkopfes 55 mit dem Verschlußblock 53
sind die elektrischen Leitungen 60 so angeordnet, daß sie das Ausgangs signal der
innerhalb des Tastkopfes angeordneten Diodenanordnung ableiten. Innerhalb des Verschlußblockes
53 und im Eingriff mit dem Tastkopf 55 befinden sich faseroptische Leitungen 61.
Zusätzlich zu dem Ableiten der von
der Diodenanordnung abgetasteten
Lichtsignale kann diese Faseroptik zur Zuführung von Licht von der Lampe 62 in den
Tastkopf dienen, wodurch die Notwendigkeit einer gesonderten Beleuchtungsquelle
innerhalb des Tastkopfes überflüssig ist. Darüber hinaus liegt es im Rahmen der
vorliegenden Erfindung, diese Faseroptik dazu zu verwenden, Licht von dem Bild zu
der Diodenanordnung zurückzubringen, die außerhalb anstatt innerhalb des Tastkopfes
angeordnet ist.
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Bei Betrieb wird Licht auch nach außen geleitet, und es kehrt von
der Oberfläche des Werkstücks 50 durch das Fenster 56 zurück. Gegenüber befindet
sich Fenster 56 in einer Position, in der zu Reinigungszwecken Luft durch Düsen
57 und 58 bläst.
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Die genaue Anordnung der Düsen hängt natürlich von der Art der Abtastung
und der Betriebsart ab. Z.B. kann es wünschenswert sein, Luftaustrittsdüsen an einem
Ort des Umfanges vorzusehen, der von dem verschieden ist, wo die Prüfung stattfindet,
so daß das Werkstück saubergeblasen wird, während sich die Spindel etwas dreht,
jedoch vor dem Prüfpunkt. Dadurch wird Schmutz von dem Fenster 56 ferngehalten.
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Tastköpfe, wie sie in dem vorliegenden Fall verwendet werden, sollten
wesentliche Lichtkompensationsmöglichkeiten aufweisen, um eine Verringerung der
Lichtübertragung aufgrund von Kühlnebel und anderen Fensterverunreinigungen zu kompensieren.
Alle Diodenanordnungssysteme können bei Vorhandensein verringerter Übertragung kompensiert
werden, indem die Abtastgeschwindigkeit für die Diodenanordnung gesenkt, die Lichtintensität
erhöht oder eine längere Integrationszeit für die Diodenanordnung verwendet wird,
auch eine Kombination von allen
diesen Maßnahmen ist möglich.
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Es ist offensichtlich, daß aufgrund der austretenden Leitungen 60
und 61 die Drehung der Spindel 52 begrenzt ist, da andernfalls die Leitungen verdreht
werden würden. Es ist jedoch nicht wahrscheinlich, daß Drehungen um mehr als 3600
in irgendeinem Fall erforderlich sein würden.
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Die zuvor genannten Ausführungsformen verdeutlichen die Anwendung
der Erfindung bei der Prüfung der Größe und Oberflächengüte eines Teils. Es können
jedoch auch viele andere Variable geprüft werden, beispielsweise Defekte der Oberfläche
des Teils und dergleichen. Drahtlose Fernmeßtechnik und optische Nichtkontaktkopplung
wurden gezeigt. Fernkopplung wie beispielsweise induktive oder hochfrequente Fernmeßtechnik
ist im allgemeinen für drehende Teile wünschenswert, jedoch sind auch optische Kopplungen
möglich, insbesondere für nicht rotierende Anwendungsfälle, beispielsweise bei Werkzeugwechseln
auf Drehbänken und bei Robotern, wie das nachfolgend erläutert wird.
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Natürlich sind auch bei den nachfolgenden Anwendungsfällen ebenfalls
direkte Drahtverbindungen möglich, obwohl sie aufgrund des Kontaktproblems weniger
wünschenswert sind.
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Passende bildübertragende Fasern sind z.B. die unter dem Namen "Selfoc"
der Firma Nippon Sheet Glass Company bekannten Wellenführungsfasern oder gelaugte
Glasbündel mit jeweils 8000 Fasern mit einem jeweiligen Durchmesser von 20 ß oder
sogar Kunststoffaserbündel wie die unter dem Namen "Corfon" bekannten der Firma
Dupon. Passende Diodenanordnungen zur Messung und Fehlerbestimmung sind z.B. Reticon
1728C (lineare Anordnung) oder GE TN2500 (Matrixanordnung).
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Die faseroptische Auskopplung der Signale der Diodenanordnung über
die optische Leitung 61 kann dadurch erfolgen, daß das Ausgangssignal der Diodenanordnung
in einen Puls- oder Frequenzkode umgewandelt wird, wie das oben angegeben worden
ist, was alles digital ist, was somit wünschenswert ist. Darüber hinaus ist kein
physikalischer Kontakt mit dem Tastkopf erforderlich.
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Ein Beispiel ist in Fig. 2B gezeigt. Es kann aber auch ein ähnliches
System verwendet werden, das keine physikalische Verbindung mit dem Tastkopf (wie
in Fig. 1) erfordert In diesem Fall liest die Diodenanordnung 90, welche Variable
auch immer beispielsweise in diesem Fall von Interesse ist, das Bild 95 der Kantenposition
100 eines zylindrischen Objekts 102 ab, das von hinten durch eine äußere Lichtquelle
105 beleuchtet ist.
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Fenster 106 trennt Linse 107 von der Umgebung.
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Batterie 110 versorgt eine Diodenanordnung 90 und eine Schaltung
115, die das Abtastsignal der Diodenanordnung in ein Lichtausgangssignal einer Leuchtdiode
120 umwandelt. Dieses Lichtsignal ist in Fenster 121 vorhanden und wird direkt durch
Detektor 125 aufgefangen, der mit einer Ausgabeeinrichtung 30 verbunden ist. Es
können auch optische Fasern 135 (gestrichelte Linien) verwendet werden, um Licht
von der Leuchtdiode zu dem Ausgangs fenster zu übertragen oder um das Licht aufzufangen
und zu Detektor 125 zu übertragen.
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Detektor 125 kann sich an irgendeiner Stelle am Umfang befinden oder
bis hinauf zu 3600 in irgendeiner Winkelform auf der Außenseite des Tastkopfes.
In dem zuletzt genannten Zustand kann er Signale über bis zu 3600 der Tastkopfdrehung
auffangen.
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Andererseits kann auch ein Einpunktdetektor verwendet werden und eine
Lichtquelle, die Licht über bis zu 360C aussendet, beispielsweise ein umlaufender
Ring von Lichtdioden 120, um die Werte über den Umfang abzulesen.
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Die Kopplung der Druckluft ist im wesentlichen ebenfalls kontaktfrei
über Stutzen 140, der rund um einen Flansch 145 des Tastkopfes angeordnet ist. Dieser
Stutzen kann sich an einem Punkt befinden oder über den gesamten Umfang erstrecken,
so daß eine Zuführung von Luft an allen Stellen der Tastkopfdrehung möglich ist.
Wie bereits beschrieben, wird Luft zugeführt, um das zu messende Teil freizublasen,
um das Tastfenster 106 freizuhalten (Düse 107) und/oder das Fenster 121 zur Ausgabe
der Daten sauberzuhalten.
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Die Schaltung 115, die Diodenanordnung und die Leuchtdioden benötigen
nur sehr wenig Strom und Spannung und belasten daher die Batterie nur wenig. Es
ist aber auch zweckmäßig, ein zweites System zu verwenden, das mit dem Tastkopf
in Verbindung steht, um diese Schaltung je nach Bedarf ein- und auszuschalten.
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Die-s kann in Fig. 2B z.B. ganz einfach dadurch geschehen, daß die
Anwesenheit von Hintergrundslicht von der Lichtquelle 105 dazu verwendet wird, sie
einzuschalten. Kein Licht würde normalerweise den Taster ausgeschaltet halten, bis
er in die Maschine eingesetzt ist.
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Schaltung 115, die an die Ausgabeeinrichtung 130 angeschlossen ist,
kann verschiedene Formen haben. Im ersten Fall können die Dioden/Dioden-Ausgangsimpulse
direkt (typischerweise bei 0,1 bis 5 MHz) übertragen werden, oder in anderen Worten,
das Lichtausgangssignal der Leuchtdiode 120 ist entweder
Detektor-auf-Detektor
gepulst,oder die Detektoren werden abgetastet und gehalten, und die abgetasteten
und gehaltenen Spannungen werden aufeinanderfolgend in die Leuchtdioden eingespeist
und durch Detektor 125 wieder zurückgewonnen.
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Die oben beschriebene Schaltungsauslegung führt keine Verarbeitung
in dem-Tastkopf durch, Eine andere Auslegung besteht darin, die Schaltung 115 dazu
zu verwenden, z.B. die Bildkantenposition selbst zu bestimmen. In diesem Fall kann
eine digitale Zahl, die der Position (z.B. Detektor Nr. 1321 in einer Anordnung
mit 1728 Elementen) übertragen werden, wobei jede übliche Technik wie beispielsweise
FrequenzPoder Pulskodetechnik usw. angewendet wird.
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Eine dritte und letzte Auslegung besteht darin, daß keine Diodenanordnung
verwendet wird, sondern ein analoger Lichtdetektor. In diesem Fall braucht nur das
analoge Lichtsignal übertragen zu werden. Z.B. können zwei solche Detektoren jeweils
ihre Signale übertragen. Wegen schmutziger Fenster ist es jedoch allgemein besser,
selbst die Analogsignale als Pulskode oder Frequenzkode zu übertragen, anstatt sie
direkt über Fasern zu übertragen.
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Die Diodenanordnung 90 ist als normalerweise lineare Diodenanordnung
gezeigt. Es kann jedoch auch eine Matrixanordnung sein, die in der Lage ist, eine
Abtastung aus der Zeichnungsebene heraus zu ermöglichen. Auf diese Weise kann der
Tastkopf ein zweidimensionales Bild des Teiles liefern, beispielsweise den Ort des
Zentrums eines Loches. Es kann anstelle des übertragenen Lichtes auch reflektiertes
Licht in gleicher Weise verwendet werden, wobei sich die Lichtquelle innerhalb
oder
außerhalb des Tastkopfes befindet.
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Fig. 3 zeigt eine neuartige und vorteilhafte Ausführungsform, bei
der eine kontaktfreie Kopplung der Fasern verdeutlicht ist.
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In diesem Falle weist ein Tastkopfkörper 300 fünf Kontakte 301-303
plus zwei 304 und 305 außerhalb der Papierebene auf. Eine Verbindung erfolgt über
einen Morsekonusabschnitt 308, wie er gewöhnlich in Werkzeugmaschinen verwendet
wird, und der Tastkopf wird durch einen Werkzeugaustauscharm 310 (gestrichelte Linien)
in die konische Aufnahme der Maschine eingeführt.
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Da die meisten Maschinen nut- und federverbundene (d.h.
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umfangsmäßig orientierte) Futter aufweisen, ist es möglich, den Tastkopf
so einzuführen, daß das Ausgangsfenster 320 gegenüber der Ausgabeeinrichtung liegt,
die in diesem Fall über das faseroptische Bündel 350 entfernt angeordnet ist und
gekreuzte Diodenanordnungen 360 und 370 und eine Linse 380 aufweist, um das Bild
des Bündelendes 355 auf den Anordnungen abzubilden.
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Ein einziges Chip mit einer gekreuzten Diodenanordnung kann gegebenenfalls
verwendet werden, andernfalls eine Matrixanordnung oder zwei lineare Anordnungen
und ein Strahltrenner oder sogar auch nur eine einzige Anordnung, wenn Teile 302
bis 305 mit zusammenlaufenden Kanten verwendet werden.
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Während das Futter drehbar ist1 muß der Tastkopf natürlich stationär
sein, um die gezeigte Kopplung zu verwenden.
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Die vier Tastkopfpunkte am Umfang machen im allgemeinen eine Drehung
nicht erforderlich, obwohl auch der Tastkopf gedreht werden kann, bis die Ausrichtung
erreicht ist, wenn eine Nut/ Federorientierung nicht möglich ist. Es ist auch die
Verwendung
eines einzigen Tastkopfes 302 möglich, und mehrere optische
Lichtleitungen, s. die gestrichelten Linien 351, können am Umfang vorgesehen werden,
um eine Messung an mehreren Umfangsorientierungsstellen zu ermöglichen.
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Der gezeigte Tastkopf hat viele Vorteile gegenüber den herkömmlichen
"Berührungsauslöse"-Tastköpfen wie beispielsweise dem "Renishaw"-Tastkopf. Die Vorteile
bestehen im wesentlichen in der außerordentlich hohen Genauigkeit und der unmittelbaren
Meßmöglichkeit durch die Diodenanordnung. Dadurch ist eine Konturmessung möglich,
was nicht bei Berührungstastköpfen der Fall ist, sowie ein elektronischer Nullpunkt.
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Eine Leuchtdiode oder eine andere Lichtquelle 400 beleuchtet die
inneren Kanten federbelasteter Kontaktstifte 402-405, die um 90" versetzt zueinander
angeordnet sind. Linse 410 liefert ein Bild dieser Stifte entweder auf einer integralen
Diodenanordnung oder Diodenanordnungen 420 (gestrichelte Linien) innerhalb des Tastkopfes
und mit drahtloser Fernübertragung, oder, wie in diesem Falle, auf einer äußeren
Anordnung 360/370 über einen Spiegel 430 durch Fenster 320 auf die Fläche 431 des
faseroptischen Bündels 350. Eine Hilfslinse (oder Linsen) wie beispielsweise 411
können ebenfalls verwendet werden, die innerhalb oder außerhalb des Tastkopfes angeordnet
sind.
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Der axiale oder Zweiachsen-Kontaktpunkt 301 überträgt ein Kantenbild
über einen rechtwinkligen Spiegel oder ein Prisma beispielsweise. Bei der gezeigten
Ausführungsform ist dieser Kontaktpunkt jedoch (über Arme 415, gestrichelte Linien)
mit Linse 410 verbunden, derart, daß eine axiale Bewegung des Kontaktpunktes die
Linse bewegt und das Kantenbild der Kontakte
302-305 defokussiert
(s. Inschrift). Diese Defokussierung kann als Berührungstaster verwendet werden,
indem sie eine zweiachsige Positionsmessung der Achse des Maschinenwerkzeugs auslöst,
wenn zehn Elemente der Anordnung (und nicht die normalen zwei bis drei) in dem Kantenbild
enthalten sind (s. Inschrift).
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Das Maß der Defokussierung kann auch andererseits überwacht werden,
um die Position des Kontaktpunktes 302 zu messen, und die Anordnung oder eine Linse
in dem System wie beispielsweise 411 kann physikalisch bewegt werden, und die Bewegungsstrecke,
die erforderlich ist, um die Fokussierung wieder herzustellen, liefert einen Anzeigewert
für die Kontaktpunktbewegung.
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Wenn auch eine Erläuterung in Verbindung mit Kontakttastköpfen erfolgt
ist, so kann diese faseroptische Kopplungsanordnung in vielen anderen Fällen verwendet
werden, beispielsweise bei dem Triangulationsbeispiel gemäß Fig. 1, Oberflächengüte,
Fehlerfeststellung und dergleichen.
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Fig. 4A zeigt eine andere Ausführungsform, bei der ein robotergesteuerter
Tastkopfaustausch erfolgt. Eine Gruppe von Inspektionsköpfen 501-504 sind jeweils
in der Lage, Bohrungsabmessungen, Oberflächendefekte oder Kantenorte, beide Defekte,
Gewindeverhältnisse und dergleichen zu überwachen, und zwar alles über optische
Mittel. Jeder Tastkopf weist eine Positionierfläche 510 auf, an der ein Greifer
512 des Roboters angreifen kann, es können aber auch Morsekonen wie bei Fig. 1 bis
3 oder andere Mittel verwendet werden. Die Tastköpfe sind typischerweise in einem
Halter (nicht dargestellt) angeordnet, so daß der Roboter sie wiederholt finden,
greifen und auch wieder an dem richtigen Ort absetzen kann. Solche Halter können
linear,
drehbar oder auch anders ausgebildet sein.
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Die hinter dieser Anordnung steckende Idee ist zweifach.
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Als erstes können diese Tastköpfe wie der zuvor geschilderte in Maschinen
verwendet werden, in denen sie die noch gegenwärtig verwendeten normalen Bearbeitungswerkzeuge
vermehren. Dies gilt für den Werkzeugwechsel oder für Revolverformen. In diesem
Fall ist der Roboter 514 ganz einfach der Werkzeugwechselmechanismus der Maschine
oder ein gesonderter Mechanismus, der dazu verwendet wird, die beschriebenen Tastköpfe
auszutauschen.
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Es ist jedoch von Interesse, die Verwendung des Roboters zu betrachten,
der die tatsächliche Teileinspektion bewirkt, wie das in Fig. 4B gezeigt ist. In
diesem Falle wird der Roboter dazu verwendet, den Tastkopf zu verschiedenen Punkten
auf dem Teil unabhängig von dem Maschinenwerkzeug oder einer anderen Fertigungsmaschine
zu bewegen. Eine Tastkopfeinheit dient zur Prüfung aller möglichen Eigentümlichkeiten
und wird dann in den Halter zurückgebracht, und ein neuer Taster wird gegriffen.
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Es sei nun Fig. 4B betrachtet. Der Roboter 600 kann selektiv Tastköpfe
601 gemäß der Erfindung von dem Halter oder Revolverkopf 610 aufnehmen. In der Zeichnung
hat er bereits einen Kontakttastkopf 615 aufgenommen, um einen Durchmesser einer
Bohrung 620 in einem Getriebegehäuse 625 auf einer Palette 630 zu messen. Diese
Palette kann durch Motor 635 gedreht werden, um alle anderen Flächen des Getriebegehäuses
625 dem Roboter darzubieten.
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Nachdem alle möglichen Bohrungen mit dem Tastkopf 615 geprüft worden
sind, kann der Roboter in einer zweckmäßigen Version zurückfahren und einen Bohrungstastkopf
für andere
größere Bohrungsdurchmesser ergreifen, und zwar unter
Steuerung durch Computer 640, um dann diese größeren Durchmesser zu messen. Nachdem
alle größeren Bohrungen geprüft worden sind, ergreift der Roboter aufgrund seiner
Programmierung Konturtastköpfe, Bohrungs- oder Oberflächenfehlertastköpfe, Oberflächengütetastköpfe
oder andere Tastköpfe gemäß der Erfindung, um die gewünschte Prüfung des Teiles
zu vervollständigen.
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Es seien nun die Tastköpfe gemäß Fig. 4A betrachtet.
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Vier Arten sind gezeigt, eine optische Achtpunktkontaktversion 501
mit zwei Gruppen von Kontakten 525 und 526, wobei jede Gruppe vier Kontakte hat,
um Bohrungsdurchmesser, Konizität, Rundheit (Ovalität) zu messen. Tastkopf 502 sieht
auf eine Oberfläche 530 (gestrichelte Linien), wobei eine integrale Lichtquelle
Licht 531 auf die Oberfläche wirft, während eine Linseneinrichtung (nicht dargestellt)
ein Bild auf die Diodenanordnung wirft, möglicherweise bei faseroptischer Übertragung.
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Obwohl das in dieser Figur nicht gezeigt ist, können der Triangulationstastkopf
der Fig. 1 und in einigen Fällen der Oberflächengütentastkopf gemäß Fig. 2 ebenfalls
in dieser Weise betrieben werden.
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Tastkopf 501 ist ein solcher zur Prüfung von Oberflächendefekten
in Bohrungen, und Tastkopf 504 ist ein solcher zur Prüfung von Gewinde 534.
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Jeder dieser Tastköpfe kann in irgendeiner passenden Weise ausgebildet
sein. Fig. 4C zeigt jedoch eine Ausführungsform, bei der jeder Tastkopf, ganz gleich,
um welchen Typ es sich handelt, eine gemeinsame Diodenanordnung 649 und/oder eine
Lichtquelle 650 verwendet, die von dem Roboter oder der Maschine
(nicht
dargestellt) gehalten ist. Dies ermöglicht, daß jeder Tastkopf wie beispielsweise
655 auf den einfachsten Teil beschränkt werden kann, wobei die teuren elektronischen
Teile (Diodenanordnung, Schaltungen, Lichtquelle usw.) ausgespart sind, wobei Licht
zwischen dem individuellen Tastkopf 655 und dem Roboter 651 durch Fenster 653 und
654 verläuft.
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Eine Anordnung 656 zur Konusauffindung ist in diesem Fall zur weiteren
Definition der Meßkopfachse dargestellt. Jeder Meßkopf ist in dem dargestellten
Fall so aufgebaut, daß er ein Bild, Beugemuster oder ein anderes Lichtmuster auf
die Detektoranordnung wirft, wobei eine genaue Fokussierung durch die gute mechanische
Fixierung der Konusverbindung erreicht wird. Es kann auch eine Linse 660 (gestrichelte
Linien) in der Basiseinheit 650 enthalten sein, derart, daß das Bild, beispielsweise
das der Oberfläche 661, zur Verfügung steht (möglicherweise mit Hilfe von Hilfslinsen
in dem Tastkopf). Die Lichtquelle 670 kann außerhalb angeordnet sein, wie das Fig.
2 zeigt, innerhalb des Tastkopfes und batteriegespeist wie in Fig. 1. Auch Mehrfachlichtquellen
können so mittels Teilern oder dergleichen vorgesehen sein. Das Licht kann auch
mit der gleichen Achse wie die Abbildung nach unten gerichtet sein.
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Die Darstellung betrifft eine Werkzeugwechsel-Betriebsweise, jedoch
kann die gleiche Anordnung bei einer Rotations- oder Revolveranordnung verwendet
werden, bei der zweckmäßigerweise Tastköpfe wie die der Fig. 4A verwendet werden,
die keine Ein/Ausbewegung in bezug zu einem Sitz erfordern, wie das bei einem Konus
der Fall ist. Diese gesamte Revolveranordnung kann durch den Roboter gehalten sein,
oder
Teile davon können von dem Roboter zu der Revolveranordnung
gebracht werden, was natürlich am besten dann geschieht, wenn die Teile kleiner
als im gezeigten Fall sind, d.h. wo es bequemer ist, das Teil zu der Meßvorrichtung
zu bringen als umgekehrt.
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Bei Drehmaschinen mit Revolverhalterungen können die obigen Tastköpfe
genau wie jedes andere Werkzeug in dem Revolver gehalten sein. Eine gemeinsame Lese-
oder Ausgabeeinrichtung wie die zuvor in Verbindung mit Fig. 4C beschriebene jedoch
in gleicher Weise entfernt über eine Faserabbildungsanordnung gemäß Fig. 3 kann
verwendet werden, Die gezeigten größten Tastköpfe können dazu verwendet werden1
das Teil nach halbfertigen Bearbeitungsvorgängen zu prüfen, um zu sehen, wie das
Endbearbeitungswerkzeug für die abschließende Bearbeitung sein sollte. Werden rauhe
Schmiedeteile oder Gußstücke bearbeitet, so können diese Tastköpfe, insbesondere
die Nichtkontakttastköpfe, schnell und genau das Teil abtasten, um die Lage und
die Positionen von Eigentümlichkeiten des Teiles relativ zu der Maschine abzutasten.
Die Steuerungen der Maschinenachsen können bei Mehrachsenmaschinen computergedreht
sein, um auch Fehlausrichtungen der Teile Rechnung zu tragen.
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Wenn auch bei der vorliegenden Darstellung ein Freiblasen der optischen
Fenster mit Luft beschrieben ist, so kann doch auch das Kühlmittel selbst verwendet
werden, wenn es gleichmäßig verteilt ist und so nicht unzulässig das optische Signal
stört. Dies kann zweckmäßig sein, da scheinbar alle Maschinenwerkzeuge Vorrichtungen
für Kühlmittel aufweisen,
jedoch viele nicht einfach für Luft geeignet
sind. Auch Verschlußvorrichtungen können verwendet werden, die nur dann öffnen,
wenn Messungen erforderlich sind, beispielsweise 390 in Fig. 3.
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In Fig. 3 ist auch zu beachten, daß Luftblaseinrichtungen 391 und
392 ebenfalls verwendet werden, um das Fenster 320 und Faserende (oder Fenster)
411 ebenfalls sauberzuhalten.
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In den Fig. 4D und E sind die oben erwähnten Revolver gezeigt. Fig.
4D zeigt einen Revolver, bei dem Tastköpfe 680, 681, 682 und 683 auf einer Skala
684 angeordnet sind, die durch einen Motor 685 angetrieben ist und sich um eine
Achse 686 dreht.
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Bei jeder 90°-Drehung wird ein neuer Tastkopf der gezeigten Art vor
die Detektoranordnung 687 der festen Meßkopfeinheit 688 gebracht. Eine Lichtquelle
689 mit gesammeltem Licht richtet Licht auf jeden Meßkopf über einen Strahlteiler
690. Es kann irgendeine passende Zahl von Meßköpfen verwendet werden, nicht nur
die vier gezeigten.
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Fig. 4F zeigt eine andere Ausführungsform mit einer Skala 691, die
900 von der Skala 684 mit der Achse 686 gedreht ist. In diesem Falle sind vier Tastköpfe
692-695 gezeigt, die wie der oben genannte Tastkopf irgendeiner der oben genannten
Arten von Tastköpfen sein können. In diesem Falle verwendet die feste Tastkopfanordnung
jedoch einen Vidicon-Bilddetektor 696 und eine gemeinsame Linse 697, um Bilder jedes
Signals abzutasten, das von den Tastköpfen gewonnen worden ist, während in Fig.
4D jeder Tastkopf seine eigene Linse hat, die in Verbindung mit der Diodenanordnung
687 wirkt. Detektoranordnungen sind allgemein analogen Bilddetektoren wie beispielsweise
Vidicons vorzuziehen, jedoch kann jede passende Einrichtung zur Abtastung
des
Bildes verwendet werden.
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Tastköpfe der Fig. 4F wurden zweckmäßig in verschiedenen Längen,
Durchmessern und Arten gezeigt, da dies allgemein der Fall ist, und die Erfindung
ist nicht auf gleiche Arten von Tastköpfen in irgendeiner Gruppe beschränkt.
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Die roboterartige Tastkopfpositionierungseinheit der Fig. 4 kann
dazu verwendet werden, das Arbeiten des Maschinenwerkzeugs wie auch das gefertigte
Teil zu überwachen und zu prüfen. Dies kann entweder geschehen, während die Bearbeitung
auf der Maschinenspindel abläuft oder nach Eingeben in einen Werkzeugwechsler.
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Fig. 4G zeigt einen Tastkopf gemäß der Erfindung zur automatischen
Schweißnahtprüfung. Flache Teile 699 und 700 sind durch eine Lichtbogen-Füllschweißnaht
698 verbunden und sollen durch einen Tastkopf 701 geprüft werden, der von einem
Roboter 702 gehalten ist. Die Schweißung soll bezüglich einer oder aller der folgenden
Variablen geprüft werden: Anwesenheit, Ort (in der x-Richtung relativ zu der Verbindung
712), Porosität (größere Löcher), Unterschnitte (nichtgefti.llte Bereiche) im Basismetallteil
700, korrekte Füllform und Vollständigkeit entlang der Verbindung in der z-Richtung,
wie in Fig. 4H gezeigt.
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Der Tastkopf gewinnt Daten über verschiedene Abschnitte in der z-Richtung,
die mit korrekten Profilen über Programme verglichen werden, die in dem Mikrocomputer
710 gespeichert sind.
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Die Funktion beruht auf Triangulation ähnlich wie Fig. 1, jedoch
in zwei Dimensionen. Eine Lichtquelle ist in diesem Falle eine lineare Blitzlampe
703, deren Licht über Schlitz 704 projiziert
und fokussiert wird
auf eine Linie 707 auf dem Teil durch eine Linse 705 über Prisma 706. Linse 708
bildet ein Bild 713 der projizierten Linie 707 des Teiles auf der Matrix-Fotodetektoranordnung
oder einem anderen Bilddetektor 709 ab.
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Die Projektionsrichtung und die Achse der Linse 708 bilden einen Winkel
zueinander, so daß Konturabschnitte erzeugt werden. Ein Unterschnitt 711 erscheint
als kleine Unregelmäßigkeit in der sonst glatten Kontur der Schweiß zone.
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Der Tastkopf überträgt das Bild 713 zu dem Mikrocomputer 710, wonach
der Roboter den Tastkopf zu einer neuen z-Stellung auf der Schweißnaht bewegt usw.,
bis alle gewünschten Abschnitte abgetastet sind. Der Tastkopf kann auch fest sein,
wobei das Teil an ihm vorbeibewegt wird, z.B. durch den Roboter. Typische Abschnitte
sind z.B. 2,5 mm in der z-Richtung breit. Somit sind zehn für eine hundertprozentige
Überdeckung einer 25 mm langen Schweißnaht erforderlich.
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Alternativ kann auch die gesamte Schweißnahtlänge gleichzeitig abgetastet
werden, wenn ein Muster paralleler Linien projiziert wird, die in der z-Richtung
einen Abstand haben, d.h.
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indem Schlitz 705 durch ein Gitter ersetzt wird. In diesem Fall muß
Linse 708 jede Linie mit einer geringeren Vergrößerung auf der Diodenanordnung 709
abbilden. Die geringere Vergrößerung kann in einigen Fällen ein Nachteil sein, und
Drehspiegelsysteme (nicht gezeigt) können dazu verwendet werden, um sowohl die Projektionsachse
und/oder die Bildachse in z-Richtung abzulenken.
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Fig. 5 zeigt einen Anwendungsfall, bei dem die Bearbeitung und/oder
Teile bei einer Kopfwechselmaschine geprüft werden.
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Diese Maschine hat mehrere Werkzeuge 714 -718, gewöhnlich Bohrer oder
Gewindebohrer, auf einem gemeinsamen untersetzten Antriebskopf 719, der in der Maschine
als ein vollständiger Kopf vorhanden ist, um eine Fläche 708 eines Teiles zu bearbeiten,
beispielsweise eine Gleitfläche in einem Getriebekasten.
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Wie in Fig. 5 gezeigt ist, befindet sich der Kopf 719 auf der Kopfwechselmaschine,
und er enthält fünf Bohrer 714-718.
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Diese sollen in bezug auf richtige Länge, die Anwesenheit von Ausbrüchen
am Bohrer und Spitzenkrümmungsänderungen untersucht werden, die Abnutzung anzeigen
würden. Wie gezeigt, befindet sich der Kopf in der Seitenposition auf der Maschine
720, und es ist der Kopf, der als nächster geladen werden soll. Andere Köpfe wie
beispielsweise Fräskopf 765 befinden sich in Wartestellung. Ein weiterer Kopf 721
mit Werkzeugen 722 ist in der Bearbeitungsposition gezeigt. Der Roboter 725, der
in der Tat der gleiche sein mag wie der für die Inspektion des Teiles verwendete,
kann auch ein anderer sein, der speziell für die Prüfung des Werkzeuges gedacht
ist, und er ist in der gezeigten Draufsicht angeordnet, so daß er den Tastkopf 730
nahe an das erste Werkzeug, den Bohrer 718, bringt. In diesem speziellen Fall wird
ein Tastkopf mit einer Diodenmatrixanordnung 731 (5B Inschrift) verwendet, der das
ganze Ende des Werkzeugs auf einmal abbilden kann. Wie jedoch gezeigt ist, kann
er nur zu einer Zeit mit großer Vergrößerung ein Bild eines axialen (über Linsensystem
734) Teiles eines Werkzeuges, z.B. 718, auf der Matrixanordnung 735 liefern, und
er muß daher physikalisch von einem Werkzeug zu dem nächsten bewegt und so positioniert
werden, daß er den Bohrer in der gewünschten Inspektionszone
sieht.
Nach der Prüfung wird der Bohrer herabbewegt (gezeigte z-Richtung) und dann zu dem
nächsten Werkzeug oder zurück, um einen anderen Tastkopf aufzunehmen.
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des Dies wird einfach unter Verwendung/mehrgelenkigen Roboterarmes
durchgeführt, der in der Figur in der Position zur Prüfung des Werkzeuges gezeigt
ist. Während Beleuchtung 740 von einer äußeren Quelle kommen kann, so handelt es
sich in diesem Falle um eine Quelle 738, die von dem Tastkopf selbst gehalten ist.
Diese Technik mit Beleuchtung von hinten kann auch bei irgendeinem der Tastköpfe
in Fig. 4 angewendet werden.
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Quelle 738 ist in diesem Fall mit der Diodenanordnung und dem Linsenteil
durcheinen"C"-Rahmen 741 verbunden, der um das Werkzeug bewegt werden muß. Da jedoch
die Positionen des Werkzeugs dem Computer bekannt sind, der die Maschine und den
Roboter steuert, gibt es keine Schwierigkeiten zu versuchen, das Werkzeug zu drehen,
nimmt man einmal ein ausreichendes Maß an Freiheit in der Bewegung an. Dies ist
insbesondere der Fall, wenn Tastköpfe gemäß der Erfindung auch dazu verwendet werden,
um sie gegen Beschädigungen zu schützen, wenn sie auf Werkzeuge schauen, wenn sie
sich hereinbewegen.
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Eine Prüfung des Werkzeugs kurz vor der Einführung schützt vor schlechtem
Werkzeug und verbraucht keine für den Bearbeitungsvorgang selbst vorgesehene Zykluszeit.
Es gili jedoch zwei Alternativen. Eine besteht darin, auf die Werkzeuge zu blicken,
die gerade hereinbewegt worden sind. In diesem Fall möge der gerade bewegte Kopf
ein Werkzeug enthalten, dessen Spitze abgebrochen ist oder andere von verschiedenen
Defekten hat, entweder eine falsche Länge, eine abgebrochene
Spitze,
Abnutzung oder dergleichen mehr, wie sie alle in Fig. 5C aufgeführt sind. Handelt
es sich um einen dieser Fälle, so kann ein Signal an die Bedienungsperson gerichtet
werden, um heranzukommen und dieses Werkzeug zu ersetzen, bevor es wiederum von
der Maschine abgerufen wird. Dies ist dann ein Vorteil für die Prüfung kurz vor
dem Laden, wo eine Fehlfunktion den Maschinenzyklus anhalten würde, da ein Werkzeugwechsel
zu lange dauern würde. Idealerweise sollte das Werkzeug vor dem Laden geprüft werden,
wie auch in dem Fall, in dem die Bedienungsperson das Werkzeug bereits eingesetzt,
jedoch nicht auf die richtige Länge eingestellt hat, so daß ein zu kurzes oder zu
tiefes Loch gebohrt wird. Es ist zu beachten, daß die Ansichten der Bohrer in Fig.
5C nur ein Profil darstellen. Zwei oder mehrere Ansichten in unterschiedlichen Drehstellungen
wären jedoch erforderlich, um die Bohrbedingung vollständig zu charakterisieren.
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Luftblasvorrichtungen sind oft auch hier erforderlich.
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In diesem Falle ist eine Luftblasvorrichtung 750 am Ende des Arbeitsarmes
des Roboters gezeigt (oder am Ende von 730), während es den Bohrer freibläst, bevor
oder während die "C"-Rahmenanordnung mit dem Tastkopf darum angeordnet ist. Eine
vorherige Säuberung des Teiles kann auch mit Vakuum und/oder Abstreifmitteln erfolgen.
In diesem Falle ist der Roboterpositionierer gut geeignet, um diesen Vorgang auszuführen.
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Es liegt vollständig im Rahmen der vorliegenden Erfindung, zusätzliche
tastköpfe wie beispielsweise 751-753 in der Bank 754 zu verwenden, wie sie in Fig.
4 gezeigt ist, um auch die Werkzeuge zu inspizieren. Es ist auch klar, daß Bohrer
und
Gewindebohrer zum Beispiel, die beim Werkzeugwechsel verwendet
werden, ganz allgemein durch den einzigen gezeigten Meßkopf geprüft werden können.
Es können aber auch andere verwendet werden, falls das erforderlich ist.
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Der Roboter 725 kann herüberschwingen (gestrichelte Linien) und das
an dem Kopf zur Bearbeitung gehaltene Werkzeug 722 prüfen oder die Werkstückfläche
760 selbst unter Verwendung der Tastköpfe gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 4
beschrieben sind, prüfen.
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Bei der Inspektion des Werkzeugkopfes mit anderen Arten von Werkzeugen
kann auch eine Kontaktabtastung erfolgen, wie das früher gezeigt worden ist. Eine
andere Möglichkeit besteht in der Tatsache, daß bei Anwendung großer Vergrößerung
zur Prüfung eines der Enden des Werkzeuges der Roboter die Tasteinheilt über die
Länge des Werkzeuges in der "Z"-Richtung, gezeigt in dem Diagramm, nach unten bewegen
würde, um aufeinanderfolgende Abtastungen über die Länge des Werkzeugs vorzunehmen.
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Das gilt insbesondere wieder bei Bohrern und Gewindebohrern, die eine
hohe Vergrößerung in der Durchmesserachse erfordern, jedoch eine große Länge haben.
Im Falle von Fräswerkzeugen für Stirnfräser oder Bohrwerkzeuge ist das Schneidgerät
im allgemeinen sehr kurz und kann daher einmalig abgetastet werden.
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Zur Unterstützung der Prüfung irgendeines dieser Werkzeuge ist es
wünschenswert, eine Möglichkeit zur Drehung des Werkzeugs zu haben. Dies ist normalerweise
in Stationen wie der des Kopfes 709 nicht vorgesehen, die keine Bearbeitung ausführen.
Es ist somit Gegenstand der Erfindung, eine zusätzliche die Station an der Maschine
vorzusehen, in / die Werkzeuge ganz
einfach durch Einkuppeln des
Antriebs an dem Kopf gedreht werden können. Ein solcher Hilfsmotorantrieb 750 ist
in Fig. 5 gezeigt.
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Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, die Köpfe in irgendeiner
Art anzuordnen, z.B. auf einer endlosen Kette auf einer horizontalen Führung. Kurz
gesagt kann man durch Verbindung der Beschreibungen sowohl der Fig. 5 als auch der
Fig. 6 erkennen, daß man praktisch jede Art von Werkzeug und jede Werkstückeigenschaft
prüfen kann, indem man einen programmierbaren wechselbaren Robotertastkopf verwendet,
wie er gezeigt ist. Hier sind somit vollständig die Mittel geschildert, die alle
Schlüsselmerkmale liefern - den austauschbaren Werkzeugtastkopf oder Revolver, die
bewegbare Tasterposition usw.. Es ist möglich, daß alle Teile von dem Hauptkontrollrechner
der Werkzeugmaschine gesteuert werden, in dem Daten für das Werkzeug und für die
Form des Werkstückes gespeichert sind.
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Die Einrichtung kann bei einer Werkzeugmaschine oder einem Werkzeug
mit Wechselkopf verwendet werden, sie kann auch bei Transfermaschinen verwendet
werden, bei denen das gleiche feste Werkzeug für jedes Teil verwendet wird. Es handelt
sich dabei um Maschinen, bei denen keine Anpassungsfähigkeit vorhanden ist, und
in einem gewissen Maße werden nicht alle Vorteile der Erfindung in diesen Fällen
zum Tragen gebracht. Es gibt jedoch weitere Anwendungen.
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Zum Beispiel kann eine Transferbearbeitungsstrecke ein einziges Nest
von Werkzeugen wie das der Köpfe in Fig. 1 an irgendeiner Station aufweisen, an
der zu jeder Zeit die gleiche Fläche eines Werkstücks gebohrt wird. Allgemein gesehen
können
diese Werkzeuge Bohrwerkzeuge, Schneidwerkzeuge und natürlich
Bohrer und Gewindebohrer z.B. sein. Während diese Maschinen sehr oft umfangreich
sind, da zwei Gruppen von Maschinen vorhanden sind, eine auf jeder Seite des zu
bearbeitenden Werkstückes, ist es zweckmäßig, ein Roboterprüfgerät der in Fig. 5
gezeigten Art zu verwenden, das seitlich oder oberhalb der Bearbeitungsstrecke angeordnet
ist und entweder das Werkstück, das Werkzeug oder beides wie in dem oben genannten
Fall inspiziert.
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Bei solchen Transferstrecken ist der Arbeitstakt üblicherweise sehr
kurz, typischerweise liegt er in der Größenordnung von 30 Sekunden. In diesem Falle
ist es nicht möglich, das Tastwerkzeug wie in Fig. 4 mehr als beispielsweise einmal
innerhalb einer gegebenen Prüffolge zu wechseln. Das Roboterkonzept kann jedoch
verwendet werden, um verschiedene Werkzeuge oder Teile eines Werkstückes bei aufeinanderfolgenden
Takten oder Zyklen zu prüfen. Mit anderen Worten, nicht alle Inspektionen werden
bei jedem Takt geprüft, jedoch wird eine statistisch sehr große Zahl geprüft, um
sicherzustellen, daß sehr wenig Ausschuß vorkommt.
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Fig. 6 zeigt ein Roboterprüfgerät 800 der gezeigten Art, das über
einer Transferbearbeitungsstrecke 801 angebracht ist.
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An dieser speziellen Station der Strecke werden die Flächen 805 und
806 eines Getriebegehäuses 807 auf beiden Seiten von Bohrern 810 und 811 an Köpfen
812 und 813 gebohrt. Auf der Oberseite findet keine Bearbeitung statt, vielmehr
wurde die Oberseite in einer vorhergehenden Taktstation gebohrt und geschnitten.
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Es ist die Aufgabe des gezeigten Roboterprüfgeräts,
aufgrund
programmierter Steuerung die Bohrungen in den Gruppen 810 und 811 und die geschnittenen
Löcher 820, 821 und 822 zu prüfen, die in dem vorherigen Durchgang auf der Oberseite
erzeugt worden sind. Hierzu werden zwei Arten von Tasteinheiten verwendet, die an
einem gemeinsamen Kopf gehalten und in einem Revolver (z.B. Fig. 5) ausgetauscht
oder gemäß Fig. 5 nach Werkzeugwechselart verwendet werden können. Nimmt man das
letztere an, so ist gezeigt, daß eine Gruppierung 830 des Tastwerkzeuges darüber
angeordnet ist, wo sie zwischen den Inspektionen von dem Roboter aufgenommen werden
kann. Nachdem das Werkstück in Position gebracht worden ist, wird ein Gewindetastkopf
wie der gemäß Fig. 4 von dem Roboter in allen Löchern auf der Oberseite nach unten
gefahren, was innerhalb des Maschinentaktzyklus möglich ist. Bei dem nächsten Durchgang
würde dann der Roboter die Arbeit beenden, indem er den Rest der Löcher auf der
Oberseite prüft. Er fährt dann bei diesem speziellen Beispiel fort und wechselt
das Tastwerkzeug, um einen Tastkopf, beispielsweise 731, in die Bohrstellung zu
bringen, und fährt dann über jedes der Bohrlöcher aufeinanderfolgend zurück, was
im allgemeinen wenigstens zwei Zyklen oder Takte pro Seite erfordert.
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Es ist klar, daß viele andere Prüfabläufe für dieses System erfolgen
können, was eine "in-line"-Prüfung bedeuten würde. Die Verwendung von mehr als einer
Roboterprüfstation pro Station ist für jede der Roboterprüfeinheiten möglich, indem
sie beispielsweise den gleichen Satz von Tasterwechselwerkzeugen usw. verwenden.
Dies ist natürlich auch durchaus für eine schnellere Prüfung ausführbar, sogar bei
Wechselmaschinen für eine einzige Tastspitze oder einen Tastkopf.
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Eine andere Verwendung des Tastkopfes gemäß Fig. 4 dient zur Nullstellung
der Maschine. Mit anderen Worten, wenn der Tastkopf auf der Werkzeugmaschinenspindel
angebracht ist, kann er als Teil der Maschine verwendet werden, um die Maschine
gegenüber einem festen Anschlag einzustellen. Der Tastkopf kann sich auch an irgendeinem
Punkt an der Maschine befinden, und die Maschinenwerkzeugspindel mit ihrem Werkzeug
wie beispielsweise einem Bohrer oder einem Gewindebohrer über den Tastkopf gebracht
werden.
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Da der optische Taster mehr als nur einen Punkt auf dem Werkzeug
prüfen kann, kann natürlich eine vollständige über prüfung der Maschine in dieser
Weise erfolgen.
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In Fig. 4B ist auch die Verwendung eines zweiten Roboters 900 in
gestrichelten Linien gezeigt, um eine Lichtquelle 901 ebenfalls in gestrichelten
Linien) zu positionieren, die auch auf der gegenüberliegenden Seite eines Loches
910 von der Robotertasteinheit 600 austauschbar ist. Programmiert gesteuert können
sowohl die Lichtquelle als auch die entsprechende Tasteinheit (wie 501) durch ihre
zugehörigen Roboter bewegt werden, um alle die Durchgangslöcher in dem Werkstück
zu inspizieren.
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Dies ist außerordentlich nützlich bei der Feststellung, ob Kanäle
oder Löcher, beispielsweise zur Schmierung, keinen Durchgang haben und die bei Blockierung
Garantieausfälle verursachen.
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Die Positionierung des Lichts und des Tastkopfes mit einem Roboter
erlaubt eine intensive Prüfung der herzustellenden Löcher. Dies funktioniert selbst
dann, wenn die Löcher nicht gerade durchlaufen, wo vielmehr das durch die Lichtquelle
hineingeworfene Licht wie bei 910 einen gekrümmten Pfad durchläuft,
um
den Detektor zu erreichen.
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Die Schweißprüfung nach Fig. 4F kann auch mit Triangulation arbeiten
mit einem einzigen Tastpunkt ähnlich dem Taster in Fig. 1. In diesem Falle wird
ein Lichtfleck auf den augenblicklichen Meßpunkt geworfen und mechanisch über den
Schweißabschnitt verfolgt. Dies kann in zweierlei Art erfolgen. Entweder der Punkt
und der Bilddetektor, typischerweise eine lineare Anordnung, können zusammen über
den Schweißnahtabschnitt geführt werden, oder der Punkt kann abgetastet werden,
während der Detektor stationär ist. Im letzteren Fall kann der Punkt abgetastet
werden, indem die Lichtquelle physikalisch bewegt wird, oder indem Spiegel bewegt
werden, um den Fleck auf unterschiedliche Punkte auf der Schweißung zu richten.
In gleicher Weise kann der sich bewegende Fleck durch eine zweite sich bewegende
Spiegelanordnung verfolgt werden, um ihn so auf dem Detektor zu halten.
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Die gewonnenen Schweißdaten können in verschiedener Weise analysiert
werden, wie das in Fig. 4G gezeigt ist. Beispielsweise wird das Rohbild der Streifenbreite
W verarbeitet, um den Massenmittelpunkt des Bildes zu gewinnen, der dann von dem
Computer beurteilt wird, daß er im wesentlichen parallel zu dem Bild der Flächen
der Werkstücke 700 und 699 liegt. Dann werden die individuellen Konturen mit den
richtigen Werten verglichen. Ist Übereinstimmung innerhalb gewisser Grenzen nicht
erreicht, wie das bei dem gezeigten Beispiel der Fall ist, so wird die Schweißnaht
zurückgewiesen.
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Das Bild wird rasterartig quer zur Schweißnaht abgetastet, wie das
in Fig. 4G gezeigt ist. Der Massenmittelpunkt
des Lichtstreifens
wurde als unabhängig von der Lichtenergie gefunden, was in weiten Grenzen variabel
sein kann, je nach der Schweißform und Schweißgüte, Anwesenheit von Flußmittel usw.
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Der Ausdruck Licht bedeutet in dieser Anmeldung nicht nur sichtbares
Licht, vielmehr sind alle elektromagnetischen Wellenlängen von Röntgenstrahlung
zu Infrarotstrahlung eingeschlossen. Sichtbares oder in der Nähe von infrarot liegendes
Licht ist jedoch vorteilhaft.
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Das oben geschilderte Abtastkongept kann auch unter Verwendung von
Beuge- und Reflexionsmustern ausgeführt werden.
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Das gilt insbesondere für optische Kontaktmeßgeräte wie beispielsweise
510, Fig. 5. In diesem Falle können die Daten in räumlich modulierter Form nicht
als Bild, sondern als Beugemuster übertragen werden.
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Die abgetasteten Daten des Werkstückes oder Werkzeuges können zur
Annahme oder zur Zurückweisung der Werkstücke verwendet werden, jedoch ist es häufig
wichtiger, sie zur Überwachung der Maschine zu verwenden. Dies kann in verschiedener
Weise erfolgen. Abmessungsänderungen der Werkstücke oder Werkzeuge können dazu verwendet
werden, um die Werkzeugposition nachzustellen, Defekte an den Werkzeugen können
dazu verwendet werden, die Maschine anzuhalten, einen Werkzeugaustauschzyklus in
Gang zu setzen und dergleichen mehr. Defekte in der Werkstückoberfläche können anzeigen,
daß falsche Rechnungen vorliegen oder daß die Maschineneinstellungen nicht richtig
sind. und die gewünschte Endqualität verhindern, so daß Korrekturmaßnahmen eingeleitet
werden können. Nur mit den elektro-optischen Abtastköpfen, die hier beschrieben
worden sind, kann der ganze Anfall
von Variablen erfaßt werden,
die die überwachte Güte beeinflus sen.
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Die Tastköpfe gemäß den Fig. 1-6 können so ausgebildet sein, daß
sie kompatibel aus vorhandenen Werkzeugmagazinen in vorhandene Spindeln durch Wechsler
eingesetzt werden können.
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Sie können außerdem so ausgebildet sein, daß sie von Robotern ergriffen
werden können. In dem zuletzt genannten Zusammenhang ist zu beachten, daß ein Roboter
mit Greifern oder austauschbaren Greifern Arbeiten wie Anheben oder Schweißen von
Werkstücken usw. ausführen und dann herüberkommen und das Tastwerkzeug gemäß der
Erfindung ergreifen kann, um das fragliche Werkstück oder andere Teile zu inspizieren.