用于测量机床中的工件的方法与流程

1.本发明涉及用于测量机床中的工件和/或其夹紧构件的方法。在此，确定工件的坐标系相对于机床的坐标系的位置，从而能够开始对工件进行程序驱控的加工。


背景技术：

2.工件的坐标系与机床的坐标系的对齐在cnc驱控的工件的加工中变得越来越重要。特别地，对于例如通过熔模铸造或借助增材工艺制造的近终形坏件，或者对于通过之前的加工步骤已经在其他的夹具和/或其他的机器上加工的近终形坏件，该对齐的检测是很重要的。在此，通常知道工件(根据nc程序的期望，从偏离理想位置的意义上来说)相对于机床的实际位置就足够了，从而在下面的加工中，能够在借助于nc程序加工时考虑经由坐标系信息从理想位置的偏离。
3.如果在加工过程期间例如针对碰撞监控应考虑用于将工件固定在机床的加工空间中的夹紧构件，则夹紧构件必须同样被看作如工件一样。几何模型必须适用于工件和夹紧构件，其坐标系与机床的坐标系对齐。因为对于下述考虑，不需要区分夹紧构件与工件，在下文中术语工件还包括工件的夹紧构件，并且可行的是，应用根据本发明的方法，以用于测量夹紧构件(没有被夹紧的工件)。对于该方法的运转完全无关紧要的是，是否应测量夹紧构件、待加工的工件或将两者共同测量。
4.如今，现代的数控装置具有图形操作界面(gui)，该图形操作界面能够查看机床的虚拟工作空间。在屏幕上例如在模拟中示出了在工作台上的工件，其中，根据其当前的状态示出了机器轴(例如5轴机器的线性的和旋转的轴)。已经在夹紧工件时，操作者能够通过比较虚拟示图与实际夹紧来确保，工件的位置(进而必要时还有其夹紧构件)在工作空间中大致对应于nc程序的假设。随后能够测量出在各个自由度上的小的偏差并且通过坐标系信息在处理nc程序时加以考虑。通常，已经通过夹紧准确知晓了自由度，即通过工件的平坦面，利用该面该工件被放置在机器工作台上。因此，工件的位置垂直于工作台并且相对于围绕位于工作台平面中的方向的旋转准确地被限定并且不必通过触碰来求出。
5.测量或确定工件的位置通常通过利用探测器触碰工件来实现，该探测器例如能够在机床的主轴处的刀架中被更换。对此，探测器借助机床的可移动的轴在工件的事先确定的点处行进并且记录触碰点。在此，触碰点的坐标系在笛卡尔坐标系中能够由机床的动力学、触碰时的轴位置和探测器的几何形状计算出。
6.因此，例如能够通过触碰三个点来确定工件的面的位置。沿该面，工件的移动仍未可知。通过触碰工件的各种对齐的、以及弯曲的面或普遍区域能够确定工件在所有六个自由度中的位置。这能够是三个通常利用x，y，z表示的线性的和彼此垂直的空间方向，以及围绕这些空间方向相应的旋转a，b，c。不同的数学方法，如根据主体的测量到的点能够确定其位置，例如在由paul j.besl和neil d.mckay所著的文章“a method for registration of 3d-shapes”(ieee transactions on pattern analysis and machine intelligence,vol.14,no.2,feburary 1992)中描述。
7.de 102008045678a1公开了机床的数控装置，该数控装置被设置用于预测监控机床的彼此可移动部分的有威胁的碰撞。在此，该监控以机床的几何描述和动力学描述为基础。在该监控中，还引入夹紧构件以用于将工件固定在工件台上，通过将夹紧构件描述存储在数控装置中，该夹紧构件描述描述了实际存在于机床的加工空间中的夹紧构件，使得该夹紧构件描述是机床的几何描述和动力学描述的组成部分。此外，对于每个夹紧构件存储触碰周期，该触碰周期确定了用于确定夹紧构件的位置的触碰点。然而，提供这种包括触碰周期的夹紧构件描述需要一定耗费，该耗费并非在每种情况下都是合理的。相对于工件的测量，对于单个工件非常耗费的是，生成这种数据并将其存放在数控装置中。此外，如果触碰点在预定的触碰周期中由于局部的损坏而无法应用，则该测量失败。
8.除了工件的位置的自动化测量(模型必须适用于该测量)，us5208763a还公开了一种交互模块，根据该交互模块，用户首先选定在模型中待触碰的表面，从而将探测器导入刀具的相应的位置处并且触碰该位置。如果以这种方式求出足够的测量点，则根据在工件的假设的位置与所测量的位置之间的偏差的平方的最小化对于所有测量点求出实际位置。然而对此，操作者必须具备多种经验和知识，以便首先选定出合适的点，这些点能够在测量之后实现对于所有自由度的工件的位置的足够准确的确定。


技术实现要素：

9.因此，本发明的目的在于，提出了一种用于测量工件的位置的改进的方法，该方法尽可能良好地在选定触碰点时支持机床的操作者，该方法不要求操作者具有基础知识或者仅要求具有很少的基础知识，并且该方法相比于现有技术降低了用于测量的耗费。
10.该目的通过根据权利要求1的方法来实现。该方法的有利的细节还从权利要求1的从属权利要求中得出。
11.公开了一种用于测量在机床中的工件的方法。利用该方法支持机床的操作者，借助探测器测量在机床的工作空间中的工件和/或夹紧构件，使得在数控装置的屏幕上所示出的工作空间的模型足够良好地与现实相一致。对此，操作者能够自由地围绕工件移动探测器并且得到自动选定的触碰点连同所示出的质量信息。如果质量足够，操作者能够通过按压钮触发探测过程并且立即得到关于测量过程的进度的反馈。
12.更准确地说，公开了一种利用数控装置借助探测器测量在机床的工作空间中的工件的方法，该方法具有步骤：
13.1.提供工作空间的、探测器的和工件的3d模型并且在数控装置的屏幕上示出该模型作为在虚拟工作空间中的虚拟工件和虚拟探测器，
14.2.定位在机床的工作空间中的工件和在虚拟的工作空间中的虚拟工件，从而在工作空间中的工件的位置和在虚拟工作空间中的虚拟工件的位置具有初始一致，
15.3.相对于工件手动定位探测器，在此，基于虚拟探测器相对于虚拟工件的最小距离自动地选定计划的触碰点和触碰方向，并且在虚拟工作空间中示出计划的触碰点和触碰方向，
16.4.确定计划的触碰点的质量并且在质量足够时启动探测器，其中，在触碰点处例如根据工件的局部的弯曲确定该质量，
17.5.在启动探测器时触发探测并且确定触碰点的坐标，
18.6.借助触碰点的坐标重新计算工件的位置并且更新在虚拟工作空间中的虚拟工件的位置，
19.7.重复步骤3至6，直到在虚拟工作空间中的虚拟工件的位置与在工作空间中的工件的位置达到了最终一致。
20.在步骤1中，必须为夹紧状况在机床的工作空间中提供匹配的模型。对于机床的未变化的组成部分，如对于工作台、对于机床主轴和对于工作空间的边界通常存在该模型并且对于利用该机床进行的所有加工都是相同的。对于工件(和其夹紧构件)能够由cad数据或经由处理过的3d扫描获得这种模型并且通常以常见的格式如stl或step。因此，工件被描述作为多面体，该多面体由直线界定的面元素(通常三角形)组合成。该多面体的面元素具有面法线，即顶点法线，该顶点法线近似于在该点处的实际主体的法线方向。顶点法线通常为cad数据的组成部分，替代地其能够近似为邻接面的平均方向。
21.多面体的面能够被描述作为多边形网(也称作网格)。因此，还能够这样描述主体的任意形状的面，使得能够有效地计算如面法线、顶点法线、面的局部曲率和到其他主体的距离等事物。在此，网格应该(如每个真实的、体积相关的主体一样)具有闭合的面，即“水密封的”面。
22.所应用的探测器还必须存在模型。探测器通常是经过校正的开关探测器，该探测器在触碰工件和探测球的小的(已知的)偏转之后输出信号，由此读取所有机器轴的状态。根据并根据已知的机器动力学和基于例如在刀具台中存储的探测器几何形状，能够计算触碰点的坐标。同样能够稍微增加工作量地应用测量的探测器(该探测器能够输出其偏转的数值)。除了探测球，其他的触碰体也是可行的，例如圆盘或圆柱体。
23.提供的模型连同机床的相关组成部分在数控装置的屏幕上作为模拟图像被示出，并且因此实现机床的工作空间的虚拟视图。因此，现在该显示在现代控制器上很常见且能够对加工进行查看，例如，即使当实际加工空间中的视图通过冷却润滑剂被遮挡，或者当控制器被布置成使得不能看到工作空间。
24.在步骤2中，目前在工作空间中的工件的位置(即例如中心的位置和工件轴的对齐)必须与在虚拟工作空间中的虚拟的工件的位置达成初始一致，以便在进一步的方法中能够进行有意义的触碰。对此，操作者能够一方面尝试，夹紧在工作空间中的工件，如其在数控装置的屏幕上所示的虚拟的工作空间中所指定的那样。反之，还可行的是，将工件插入工作空间中并且随后使虚拟工件与实际夹紧相协调。借助方向按钮或其他输入设备，能够在屏幕上移动和旋转虚拟工件，使得其尽可能良好地与现实相一致。利用两种方法的两级或多级过程也能够达成目标。为了空间定位，例如在机床工作台上使用t形槽，该t形槽实现了(真实的或虚拟的)工件的粗略定位。通过探测器证明了，将探测器定位在相对工件的突出位置的工作空间中作为定向辅助是有益的，并且随后借助控制器的方向按钮将虚拟工件与虚拟探测器相应地对齐。
25.应实现初始一致或精度，例如能够限定初始一致和精度，使得工件的任何点与其虚拟对应点的距离都不超过几厘米。根据经验还能够适用的是，应寻求工件的最小待测量元件的一半大小作为初始一致，即例如孔的一半直径，应触碰该孔以用于测量工件。
26.如果在方法的进一步的流程中触碰工件，则由此得出一定的公差范围或期望范围，在该范围内应记录探测结果。如果在方法的进一步流程中过早或未在公差范围内识别
到探测结果，则这表明在实际夹紧与虚拟映像之间具有过大的偏差。随后，其能够利用相应的错误消息进行响应并且在最初进一步改进初始一致，即跳转回步骤2。
27.在步骤3中，由操作者在工作空间中定位探测器。对此，能够借助方向按钮、手轮或其他输入设备在工作空间中移动探测器，其中，该移动还在虚拟的工作空间中被考虑并且示出在控制器的屏幕上。为了到达工件的不可直接接触的区域，对此还能够例如移动机器的角轴，以便倾斜工件或探测器。在此始终保持刀具(在该情况下为探测器)相对于工件的距离的功能在此非常有用。在此，即使还没有以理想的精度识别工件的位置，碰撞监控也能够支持。仍然能够可靠地识别到探测器与其他机器元件的碰撞，因为其位置在任何时候都是已知的。
28.最后，操作者将探测器移动到靠近工件的区域，该区域对于探测是有意义的。在此，控制器持续计算从探测球到工件的触碰矢量。因此，预定了触碰方向，和工件上(所计划)的触碰点。该计算通过分别求出在探测球的网格与工件的网格之间的(即在探测球与工件的虚拟映像之间的)最短距离来实现。对于该计算，存在非常快速的数字化方法(定界卷层次结构)，从而能够以小的时间间隔(例如20毫秒)计算和示出触碰矢量。操作者随时查看屏幕，当前瞄准哪个触碰点，并且能够调整探测器的定位。
29.在步骤4中，目前连续计算触碰点的质量并且该触碰仅在满足条件，即质量足够时允许。质量要考虑例如测量精确度、错误的探测方向以及建模的肌腱误差。对于触碰点，人们已知包围的面、其相邻面和其点法线和面法线。
30.为了较高的测量精确度，人们必须尽可能垂直于工件进行触碰：必须避免边缘和过弯曲的表面。对此，人们能够考虑在触碰点附近的面法线与触碰矢量之间的角度，该角度应在任何时候都小于30度，优选地小于20度或更好地小于10度。表述“附近”在本上下文中例如应理解为：考虑所有面元素，这些面元素位于围绕触碰点的区域中，其直径对应于触碰体的直径加上工件的对齐的仍存在的不确定性。可替代地，还能够简单地考虑被触碰的面元素的直接相邻的面元素。在面法线与触碰矢量之间的大的偏差表明过弯曲的表面或者甚至表明工件中的边缘。局部的弯曲曲率能够根据包围触碰点的面和其点法线被近似，其应明显大于探测球的半径。在大曲率(进而曲率半径小)或完全边缘的区域中不能进行触碰。
31.在现实与建模之间已经存在的微小差异能够导致在计算的坐标中的大的不确定性。因此，触碰点应位于工件的尽可能准确的建模区域中。因为网格将自由曲面线性化，强曲率受到建模误差(肌腱误差)并且优选平面。因此，触碰点不应在这种区域中被允许。
32.对于触碰点的质量的另一标准是，即虚拟的探测球必须位于虚拟工件之外。如果虚拟探测球切割虚拟工件，或者完全整个位于虚拟工件内部，则不能确定探测器方向并且不存在合适的触碰点。
33.如果对于探测器的当前的位置，确定由触碰点和触碰方向组成的触碰矢量具有足够的质量，则向操作者发出信号。对此，当质量不足够时，良好的方法是以红色示出触碰矢量，并且当质量是足够的时，以绿色示出并因此允许触碰。仅当质量足够时，触碰矢量的显示能够是其他方式，或者当质量不足够时，划去触碰矢量或者在触碰矢量的旁边显示警告。此外，为了操作者直观地理解，在触碰矢量旁边的钩子作为质量足够的指示并且允许触碰。
34.步骤3和步骤4彼此连续或者还同时或平行在一种循环中进行，其中，根据在步骤4中的结果，在步骤3中显示的触碰矢量在探测器移动期间能够完全多次地在足够的质量与
不足的质量之间转换。在此，探测过程仍未开始。
35.当在步骤5中由操作者触发触碰时，该过程结束。对此的条件为，即在该时刻允许触碰。随后，操作者能够借助按下按钮或经由其他的输入手段触发沿当前的触碰矢量的探测过程。具有开始功能的按钮位于机床的每个数控装置上，以便取决于上下文开始确定的过程。该开始按钮还在这种相互关系下提供。
36.利用触碰，控制器能够以常规的方式确定触碰点的坐标并且使其可用于进一步的加工。如果触碰点不在所期望的区域内部，或者在一定路径后没有记录任何触碰点，则以错误消息来终止该方法。因此实际夹紧与虚拟夹紧的一致不够准确，进而(计划的)触碰点的质量的计算也不再可靠。因此该方法应从起始或从步骤2重新开始。
37.如果在步骤5中触发了触碰并且成功地求出了触碰点的坐标，则在步骤6中处理附加获得的信息。对此，重新计算虚拟工件的位置，使得通过得到的触碰点的坐标考虑附加获得位置信息。一个简单的实例是触碰点在工件的通过y和z方向撑开的面上，该面沿x方向进行触碰：相比于通过开始在步骤2中的“通过目测”进行工件的定位，利用触碰点的x坐标目前能够基本上更准确地确定虚拟工件的位置。利用触碰点，虚拟夹紧与实际夹紧的一致比初始一致更好。如果人们探测该面上的其他点，该点在y方向上移动到第一触碰点，还能够确定工件围绕z轴的旋转。附加的触碰点进一步提高了一致度。通常推荐的是，尽可能在整个工件上分布触碰点，以实现旋转的尽可能良好的杠杆。
38.在步骤6中，操作者还能够提供附加的支持信息，这些信息清楚地传递了整个过程的进展和品质。
39.在虚拟工作空间中，持久地显示每个触碰点。随后，工件应紧贴所有虚拟的触碰点。操作者能够例如识别在模型与现实之间的偏差。所有触碰点到模型的距离能够进行统计估计，在此均方差提供了关于品质的说明。在此，基准点是大约0.5毫米的偏差，利用该不确定性能够例如非常良好地执行碰撞监控。
40.以红绿灯的样式还能够彩色地示出，是否具有足够的信息以用于求出相应的空间轴方向。如果人们例如仅在x方向上探测对象，则不能对z分量进行说明。这能够例如通过带有绿色x和红色z的彩色存储的轴标志虚拟化。然后，非常简单地识别哪个触碰方向仍能够导致测量过程的改进。
41.通过夹紧情况已经确定的方向，应自动或通过操作者进行锁定并且在进度指示器中以绿色或灰色显示，后者表示：该轴方向不涉及测量过程。
42.此外，人们能够在图表中示出整个或每个坐标的确定的工件位置的变化。如果这里人们使用通过最近的探测点描绘实现的位置变化，人们能够直观地检测到，是否测量过程收敛。而第一探测点仍引起相对大的变化或修正，之后的探测点应仅引起小的变化。
43.这些指示器(紧贴虚拟触碰点、彩色指示的空间方向、每个触碰点得到的修正分布)向操作者以单个或组合形式示出，是否触碰过程已完成或仍需要在其他位置处进一步触碰。该标准的自动化评估也是可行的，从而能够在操作者不参与的情况下识别到最终的一致的实现并结束该方法。
44.在最后的步骤7中开始决定，是否工件的虚拟位置与实际位置的已达成的一致足够准确，即是否达成了最终的一致。如果是这种情况，则结束用于测量工件的方法，如果不是这种情况，则分支到步骤3并且尝试另外的触碰点。
45.在这一点上，再次指出，术语工件是指真正待加工的工件和/或夹紧构件。明确地说，由本方法的说明书和权利要求书也包括了在没有待加工的工件的情况下测量夹紧构件的情况。
46.在此已经证明，这里所描述的方法以非常直观的方式支持操作者，借助探测器测量在机床中的夹紧情况。相对于已知的方法，不必须为固定的探测周期编程。工件中的异常例如损坏或者标识能够在探测时十分简单地忽略。任意形状的工件的测量都能以简单的方式实现，只要仅存在一个工件的模型。通过关于利用每个触碰点获得的信息的迭代反馈，操作者得到关于另外的触碰点的良好指示并且以该方式还非常快速地获得了经验。
47.通过将探测器围绕工件移动，方法的背景中自动化运行的步骤能够非常简单且概括得很确切地使机床的操作者完成工件的测量的真正复杂的过程，以便随后在通过开始按钮允许触碰时实施触碰过程。可直接实现对于由此获得的信息的反馈。
48.该方法实现了简单地测量具有自由曲面或倾斜曲面(例如金字塔)的不规则形状的工件。通过应用机器的圆轴，对于操作者在没有附加计算耗费的情况下也能够涉及难以达到的测量点。
附图说明
49.本发明的其他优点和各个方面由根据附图的不同的实施方式的下面的描述得出。
50.在此示出：
51.图1示出了具有数控装置的机床，
52.图2和图3示出了在两个方向上的虚拟工件的对齐，
53.图4和图5示出了各种允许的和不允许的触碰点，
54.图6示出了用于测量工件的方法的流程图。
具体实施方式
55.图1示出了机床wm的工作空间a的视图。在那里，工件ws布置在工件台wt上。工件ws的位置应借助探测器t通过利用探测球tk探测工件ws来求出。对此，提供数控装置nc，该数控装置能够实现在屏幕bs上查看虚拟的工作空间va。
56.工作空间a的对于操作者b重要的元件也在虚拟工作空间va中被示出：具有虚拟的工件vws的虚拟的工件台vwt、以及具有虚拟的探测球vtk的虚拟的探测器vt。对此，根据上述步骤1，在控制器nc中提供所需的3d模型。作为用于测量工件ws的方法中的中央操作元件，还示出了开始按钮s，利用该开始按钮在步骤5中触发探测过程。
57.在图2和图3中，示出了数控装置nc的方向按钮rt，该方向按钮实现了在方法的步骤2中的虚拟工件vws的所需的定位。通过操纵相应的所期望的轴方向x，y，z的方向按钮，能够将虚拟工件vws移动到虚拟工件台vwt上，使得其位置与实际工件ws相一致。在图2中，虚拟工件vws在正向x方向上移动，在图3中在正向z方向上移动，以便使虚拟工件vws与实际工件ws初始一致。
58.图4和图5示出了在步骤3和步骤4期间在屏幕bs上的示图。在虚拟探测器vt和虚拟工件vws的示图中，分别显示了在步骤3中确定的(计划的)触碰点ap和触碰方向ar，以及对于触碰点的质量或成功启动探测过程的指示，例如借助钩子符号和闪电符号、划掉或未划
掉的箭头、以红色或绿色的箭头或以任意其他的方式。在图4中，示出在虚拟工件vws的面上的允许的触碰点ap以及不允许的触碰点ap(该触碰点涉及虚拟工件vws的边缘)。在图5中示出的探测器位置两个都是不允许的，因为虚拟探测球vtk会位于虚拟工件vws内部或切割该虚拟工件。
59.图6示出了具有其基本步骤1-7的、在一般部分中描述的方法的流程：
60.1.提供工作空间a、探测器t和工件ws的3d模型并且在数控装置nc的屏幕bs上示出该模型作为在虚拟工作空间va中的虚拟工件vws和虚拟探测器vt。
61.2.在机床wm的工作空间a中定位工件ws和在虚拟工作空间va中定位虚拟工件vws，从而在工作空间a中的工件ws的位置和在虚拟工作空间va中的虚拟工件vws的位置具有初始一致。
62.3.相对于工件ws手动定位探测器t，在此，基于虚拟探测器vt相对于虚拟工件vws的最小距离自动地选定计划的触碰点ap和触碰方向ar，并且示出在虚拟工作空间va中的计划的触碰点ap和触碰方向ar。
63.4.确定计划的触碰点ap的质量并且在质量足够时启动探测，其中，例如根据工件ws在触碰点ap处的局部曲率确定质量。
64.5.在(通过操作者b)启动探测时触发探测并且确定触碰点ap的坐标。如果没有实现触发，并且代替探测器t的进一步移动，该方法从这里分支再次返回到步骤3。
65.6.借助触碰点ap的坐标重新计算工件ws的位置并且更新在虚拟工作空间va中的虚拟工件vws的位置。
66.7.重复步骤3至6，直到在虚拟工作空间va中的虚拟工件vws的位置与在工作空间a中的工件ws的位置达到了最终的一致。
67.数控装置nc被设置用于，能够运行具有步骤1-7的方法，由此最佳地支持操作者b在其任务中测量工件ws。在工件的真正测量中，仅在步骤3和步骤5中的需要通过操作者进行非常简单和直观的交互，以便达到所期望的目的。