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Kamerabasierte Ermittlung der Nullpunktverschiebung

Schnelle Serienproduktion

Schaltende Messtaster im Zusammenspiel mit den SINUMERIK Messzyklen sind die erste Wahl zur hochgenauen Ermittlung des Werkstücknullpunkts. Für Anwendungsfälle mit geringerem Anspruch an Genauigkeit oder auch in der hochproduktiven Serienfertigung, ist die schnelle Ermittlung des Nullpunkts mit einer Kamera eine Alternative. Dabei erfasst eine Kamera im Maschinenraum die Umrisse des Rohteils und ermittelt im Vergleich zum Referenzobjekt die Position und Verdrehung. Mithilfe dieser Daten erfolgt eine automatische Korrektur der Nullpunktverschiebung.

Die digitale Weiterverarbeitung von Kameradaten hat sich in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik bewährt. Diese werden z. B. eingesetzt, um mit Codes versehene Bauteile in den einzelnen Prozessschritten automatisch zu verfolgen und den Ablauf zu dokumentieren. Auch in Verbindung mit Werkzeugmaschinen bieten Kameras im Maschinenraum ein vielfältiges Einsatzspektrum. Angefangen von der Beobachtung und Analyse der Bearbeitungsvorgänge in schwer einsehbaren Bereichen der Maschinen, bis zur digitalen Dokumentation des Abarbeitungsprozesses,  z. B. für Schulungen oder zur Qualitätssicherung. Doch neue, hochauflösende Kameras bieten noch mehr Möglichkeiten und übernehmen mittlerweile auch Messaufgaben in der zeitoptimierten Serienproduktion.

Muster- und Objekterkennung an der CNC-Maschine

Ein typischer Vertreter der neuen Kamerageneration ist das SIMATIC MV440 1D/2D-Code-Lesesystem. Dieses ist speziell für den Einsatz im Industrieumfeld entwickelt und ermöglicht durch die kompakte Bauform, die flexiblen Beleuchtungsoptionen und die vielfältigen Kommunikations- und Anschlussmöglichkeiten den Einsatz auch in schwierigen Maschinenräumen. In Kombination mit verschiedenen Softwareoptionen kann das Code-Lesesystem auch für die Text- und Objekterkennung genutzt werden. Bei dem Einsatz dieser Kamera für die Nullpunktermittlung wird das Rohteil bzw. Werkstück von der Kamera als Bild erfasst und über eine Auswertung der Bildinformationen die Lage ermittelt. Durch einen Vergleich der Rohteillage mit dem vorher spezifizierten Referenzteil, kann die Verschiebung und Verdrehung in zwei Dimensionen (X- und Y-Werte) bestimmt werden. Die Korrektur des Nullpunkts erfolgt über ATRANS und AROT im NC-Programm.

Kamerakalibrierung

Für den automatisierten Messvorgang muss die Kamera vorab auf ein Referenzteil kalibriert werden. Die Kamera wird zuerst über PROFINET mit der SINUMERIK 828D verbunden und achsparallel über dem Maschinentisch montiert. Zur Kalibrierung wird ein definierter Z-Abstand der Kamera zum Referenzteil angefahren und die X- und Y-Position bzw. die Nullpunktverschiebung als Anwenderdaten (GUD) gespeichert. Anwenderdefinierte Dialoge, die mit "Run MyScreens" erstellt wurden, erleichtern die Kalibrierung. Mit der Kamera werden nun Bilder des Referenzteils erstellt und mittels der mitgelieferten Kamerasoftware Erkennungsmerkmale (z. B. Ecken, Löcher) im Bild für die Messung definiert. Die Koordinaten der Erkennungsmerkmale werden als Pixelwerte in X und Y erfasst und der SINUMERIK Steuerung übergeben. Mittels eines vorher definierten Skalierungsfaktors können die Pixelwerte in einen Verfahrweg umgerechnet werden.

Messung im Automatikbetrieb

Im Automatikbetrieb fährt die Kamera an die vorher kalibrierte Referenzposition und erstellt ein Bild des Rohteils. Dieses Bild vergleicht die Auswertungssoftware mit dem Referenzbild und ermittelt anhand der Erkennungsmerkmale die Verschiebung und die Rotation des Rohteils zum Referenzteil. Im Programm erfolgt dann automatisch eine Korrektur der Nullpunktverschiebung über ATRANS und AROT.

Die dargestellte Lösung bietet den Vorteil der Zeitersparnis gegenüber einer Lagemessung mit einem schaltenden Messtaster. Abstriche müssen bei der Wiederholgenauigkeit in Kauf genommen werden, die von den Faktoren Ausleuchtung, Kontrast und Oberflächenbeschaffenheit abhängig ist. Die Genauigkeit in der Lageermittlung liegt bei +/- 0,02 mm und bei der Rotation bei +/- 0,2 Grad. Für viele Anwendungsfälle in der Serienproduktion ist der Zeitgewinn gegenüber dem Genauigkeitsverlust aber zu vernachlässigen.

Weitere Informationen und Download

Das Beispielprogramm und eine ausführliche Dokumenation steht als Download im Siemens Support-Portal zur Verfügung: