DE3729644C2 - Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Werkstücken in flexiblen Fertigungssystemen - Google Patents

Description

In jüngster Zeit werden Koordinaten-Meßgeräte in steigender Anzahl direkt im Fertigungsbereich eingesetzt und mit den Bearbeitungsmaschinen z. B. eines flexiblen Fertigungssystems verkettet.

In solchen verketteten Systemen ist es nicht möglich, die Längenmessungen am Werkstück bei der Bezugstemperatur von 20°C durchzuführen. Das Werkstück hat infolge des gerade durchlaufenen Fertigungsprozesses einschließlich der Wasch- und Trock­ nungsvorgänge eine andere Temperatur angenommen, die bestimmt und bei der Ermittlung der Meßergebnisse berücksichtigt werden muß.

Die Ermittlung der Werkstücktemperatur erfolgte bisher manuell, indem vom Bedienpersonal ein Temperatursensor auf das Werkstück aufgesetzt und der abgelesene Temperaturwert in den Rechner des Koordinatenmeßgerätes eingegeben wurde.

Aus der DE 30 13 378 A1 ist außerdem ein Verfahren bekannt, bei dem die bearbeiteten Werkstücke automatisch einer mit einem Temperaturfühler versehenen Meßeinrichtung zugeführt und hinsichtlich ihrer Abmessungen und ihrer Temperatur ausgemessen werden. Zur Gewinnung von Steuerdaten für den Bearbeitungs­ prozeß werden die Meßwerte mit entsprechenden Werten eines in regelmäßigen Abständen immer wieder neu vermessenen Meister­ werkstücks verglichen.

Das bekannte Verfahren ist jedoch dann schlecht geeignet, wenn Werkstücke mit unterschiedlicher Geometrie automatisch gemessen werden sollen. Denn dann ist ein aufwendiges Handhabungssystem erforderlich, um den Temperatursensor mit dem Werkstück in Kontakt zu bringen.

Für genaue Längenmessungen ist es erforderlich, die Werk­ stücktemperatur auf 0,1 K zu kennen. Bekannte, berührungslos arbeitende Temperatursensoren sind bisher nicht in der Lage, Temperaturen mit dieser Genauigkeit zu erfassen. Zur Tempera­ turerfassung mit hoher Genauigkeit verwendet man überwiegend Präzisionswiderstände oder Thermistoren, die jedoch an eine elektronische Schaltung für die Meßdatengenerierung sowie an eine Spannungsversorgung angeschlossen sein müssen. Der dazu erforderliche Kabelanschluß stört bei Materialflußsystemen.

Außerdem besitzen die zur Temperaturmessung eingesetzten Präzisionswiderstände eine relativ lange Zeitkonstante. Nach dem Anbringen eines solchen Temperaturfühlers am Werkstück dauert es daher einige Minuten, bis der exakte Temperaturwert des Werkstücks abgelesen werden kann. Diese Zeitkonstante verursacht Stillstandszeiten des Koordinatenmeßgerätes.

Die US 3 637 985 zeigt einen Temperatursensor, der gemeinsam mit zu erhitzenden Werkstücken in einen Ofen eingefahren wird und die Temperatur der Werkstücke im Ofen mißt und über elektromagnetische Wellen an einen außerhalb des Ofens befindliche Empfangseinheit übermittelt.

Die DE-PS 10 15 614, die DE 30 13 378 A1 sowie die US 3 332 153 zeigen jeweils Längenmeßsysteme, in denen elektrische bzw. elektromechanische Korrektureinrichtungen vorgesehen sind, die temperaturbedingte Fehler der Längenmessung korrigieren.

Die US 2 813 732 zeigt eine Einrichtung um die Temperatur in Eisenbahnrädern zu messen. Die Einrichtung weist einen im Rad untergebrachten Schwingkreis auf, dessen Resonanzfrequenz sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Ein davon entfernter Sender koppelt elektromagnetische Wellen in den Schwingkreis ein und ein Empfänger bestimmt die Frequenz der vom Schwingkreis reimitierten Strahlen und ermittelt hieraus die Radtemperatur.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Werkstücken in flexiblen Fertigungssystemen anzugeben, das bei möglichst geringem zusätzlichem Aufwand eine automatische Temperaturerfassung mit einer Genauigkeit erlaubt, die zur Korrektur des Temperaturfeh­ lers bei Längenmessungen an den Werkstücken gefordert ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches gelöst.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, eine ausreichend genaue Temperaturmessung sicherzustellen, wobei diese Messung automatisch unabhängig von der Werkstückgeometrie erfolgt.

Da die Sensorik stets am Werkstück verbleibt und den Material­ fluß zusammen mit dem Werkstück durchläuft, entspricht der vom Sensor gemessene Temperaturwert außerdem exakt der Temperatur des Werkstücks. Stillstandszeiten des zur Längenmessung verwen­ deten Gerätes, die auftreten können, wenn der Sensor erst kurz vor der Durchführung des Längenmeßprogramms an das Werkstück angesetzt wird, sind deshalb vermieden.

Bezüglich der Art und Weise, wie die Temperaturwerte zur Korrektur der vom Koordinatenmeßgerät bestimmten Längenmeßwerte verwendet werden, verweist die Anmelderin auf die nicht vorveröffentlichte DE 36 20 118 A1 mit dem Titel "Verfahren zur Bestimmung bzw. Korrektur des Temperaturfehlers bei Längenmessungen".

Vorzugsweise besitzt die Sensorik neben dem Temperaturfühler und der zur Meßwertgenerierung angeschlossenen Elektronik eine eigene Spannungsversorgung und ist in einem gekapselten Gehäuse untergebracht. Sie kann während des gesamten Durchlaufs durch das Fertigungssystem einschließlich der Wasch- und Trocknungsvorgänge am Werkstück verbleiben.

Zur Aufladung der Spannungsversorgung des Sensors kann es zweckmäßig sein, während der Meßwertübertragung zusätzlich eine Übertragung von Energie z. B. durch kapazitive oder induktive Kopplung von der Gegenstelle auf die Sensorik vorzunehmen.

Um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Steuerrechner des in das flexible Fertigungssystem integrierten Koordinatenmeßgerätes nach der Übertragung des Temperaturmeßwertes diesen einer Plausibili­ tätsprüfung zu unterziehen. Hierdurch können Störungen wie z. B. eine zu geringe Spannungsversorgung, ein Ausfall der Datenüber­ tragung, ein Überschreiten des zulässigen Temperaturbereiches etc. erkannt werden und an den Leitrechner des flexiblen Fertigungssystems gemeldet werden. Dieser ist dann in der Lage Abhilfemaßnahmen wie z. B. einen Austausch der Sensorik oder ein Ändern der Fertigungsparameter zu veranlassen.

Wenn die Sensorik zusätzlich mit einem Datenspeicher versehen ist, dann ist es nicht nur möglich die Temperaturmeßwerte an den einzelnen Bearbeitungs- bzw. Meßstationen festzuhalten. Der Speicher kann zusätzlich der Ablage einer Kennung zur Identifi­ kation des mit der Sensorik verbundenen Werkstücks dienen. Mit Hilfe der an die Gegenstelle übermittelten Kennung ist es dann möglich, das für das Werkstück vorgesehene Meßprogramm automa­ tisch aufzurufen. Weiterhin können dann von der Gegenstelle die im Zuge des Meßprogramms ermittelten Meßdaten an die Sensorik übermittelt und im Speicher abgelegt werden. Diese Meßwerte dienen dann beispielsweise zur Weichenstellung an Sortiersta­ tionen des Fertigungssystems, wo die Werkstücke qualitativ anhand des Meßergebnisses getrennt werden.

Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnah­ me auf die Fig. 1-3 der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine Prinzipskizze eines in ein flexibles Fertigungssystem integrierten Koordinatenmeßgerätes in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 zeigt das Werkstück, den Werkstückträger und die Sensorik aus Fig. 1 in vergrößerter Abbildung;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Sensorik aus Fig. 1 bzw. Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Koordinatenmeßgerät in Portalbauweise dargestellt, dessen Tastkopf (103) entlang der drei Meßachsen x, y und z verfahren werden kann. Zur Messung der Fahrwege dienen die drei Maßstäbe am Portalbogen (108), am Maschinenbett (101) und an der Pinole (109) der Meßmaschine.

Das Koordinatenmeßgerät ist mit einem nicht näher dargestellten flexiblen Fertigungssystem über eine Fördereinrichtung (104) verbunden, von der die zu vermessenden Werkstücke (106) auf Bauteilträgern in Form von Paletten (105) ange­ liefert werden. Auf jeder Palette (105) ist zusätzlich eine Sensorik bestehend aus einem oder mehreren an das Werkstück (106) angesetzten Temperaturfühlern (117), der für die Meßdatengenerierung benötigten Elektronik und einer eigenen Spannungsversorgung befestigt. Die Sensorik ist bis auf den Temperaturfühler (117) in einem gekapselten Gehäuse (107) untergebracht und hat den Fertigungsprozeß einschließlich der Wasch- und Trocknungsvorgänge zusammen mit dem Werkstück (106) durchlaufen.

In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau der Sensorik im Block­ schaltbild dargestellt. Kernstück der Elektronik im Gehäuse (107) ist ein Mikroprozessor (111). Er ist mit dem bzw. den Temperaturfühlern (117) über einen Multiplexer (120) sowie einen Analog-Digital-Wandler (112) verbunden. Der Mikroprozes­ sor führt beispielsweise eine Temperaturmessung nach der Vier­ drahtmethode durch und nimmt die Kalibrierung und Linearisie­ rung der Meßwerte gemäß einem vorgegebenen Programm vor. Derartige Meßschaltungen sind beispielsweise aus der EP 0 120 102 A1 bekannt.

Der Mikroprozessor (111) ist über seinen Datenbus (121) weiter­ hin mit einem Speicherbaustein (114) verbunden, in dem wie noch beschrieben wird neben den gemessenen Temperaturwerten bzw. den durchlaufenden Bearbeitungsstationen auch eine werkstückspezi­ fische Kennung sowie die Ergebnisse der Koordinatenmessung auf dem Koordinatenmeßgerät aus Fig. 1 abgelegt werden können.

Zur Übertragung der vom Mikroprozessor (111) ermittelten Tempe­ raturwerte des Temperaturfühlers (117) an die Gegenstelle (110) dient ein Senderbaustein (113) im Gehäuse (107). Dieser Baustein (113) steuert im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Infrarotdiode (122) an, deren Signal vom Mikroprozessor mit der zu übertra­ genden Information codiert wird. Anstelle der Infrarotdiode kann jedoch auch ein anderer Geber wie beispielsweise ein Ultraschallgeber eingesetzt werden.

Die Stromversorgung (115) für den Mikroprozessor (111) ist über einen Schalter (119) an den Mikroprozessor und die übrige Sensorelektronik angeschlossen, und wird vom Signal eines Decoderbausteins (134) eingeschaltet. Der Decoder (134) ist mit einem auf infrarotes Licht ansprechenden Sensor, dem Fototran­ sistor (123) verbunden. An den Fototransistor (123) ist ein weiterer Empfänger (128) angeschlossen, der zur Rückübertragung von Daten an den Mikroprozessor (111) dient.

Die Gegenstelle (110) enthält einen Empfängerbaustein (124) für den Empfang der vom Sender (113) der Sensorik übermittelten Temperaturmeßwerte bzw. der im Speicher (114) abgelegten Werkstückkennung sowie einen Senderbaustein (125) zur Übermittlung des Einschaltimpulses für die Stromversorgung (115) bzw. der Rückübertragung von Meßdaten an den Speicher (114) der Sensorik (107, 117). Der Senderbaustein (125) und der Empfängerbaustein (124) sind ebenso wie die entsprechenden Bausteine der Sensorik (107, 117) jeweils mit einer Photodiode (126) als Geber und einem Phototransistor (127) als Detektor versehen.

Die Stromversorgung (115) ist an einen Laderegler (129) angeschlossen und erhält die zur Wiederaufladung benötigte Energie von einer Spule (130). Die Spule (130) ist dann, wenn die Palette (105) mit dem Werkstück (106) in vorbestimmten Positionen im Materialfluß verweilt, induktiv mit einer an eine Wechsel­ spannungsquelle (132) angeschlossenen, zweiten Spule (131) gekoppelt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist auch die Gegenstelle (110) mit einer derartigen Einrichtung zur Wiederaufladung der Stromversorgung (115) versehen.

Die Gegenstelle (110) ist mit dem Steuerrechner (102) des Koordinatenmeßgerätes aus Fig. 1 verbunden, der wiederum über eine Datenleitung mit dem Leitrechner (116) des flexiblen Fertigungssystems kommuniziert.

Eine Temperaturmessung läuft in dem vorstehend beschriebenen System folgendermaßen ab:

In einer Aufgabestation wird die Palette (105) mit dem Werk­ stück (106) sowie mit einer Sensorik (107, 117) bestückt, deren Stromversorgung (115) aufgeladen ist. Über eine an der Aufgabesta­ tion angebrachte Koppelstelle werden eine Kennung für die bestückte Palette bzw. zur Identifikation des darauf befestig­ ten Werkstücks an die Sensorik übermittelt und im Speicher (114) abgelegt. Anschließend beginnt das Werkstück auf der Palette den Fertigungsprozeß zu durchlaufen.

Nach jedem erfolgten Bearbeitungsschritt wird dieser über ent­ sprechende Gegenstellen an der Entsorgungsstation der jeweili­ gen Produktionsmaschine an die Sensorik übertragen und eben­ falls dem Speicher (114) abgelegt. Wenn die Palette (105) nach erfolgter Bearbeitung des Werkstücks (106) das Koordinatenmeß­ gerät erreicht, schaltet die Gegenstelle (110) über einen an den Decoder (134) übermittelten Impuls die Stromversor­ gung (115) der Sensorik ein. Anschließend werden dort von der Gegenstelle (110) zunächst die Werkstückskennungs- und Zustands­ daten gelesen. Mit Hilfe dieser Daten wird das für das Werkstück (106) benötigte Meßprogramm im Rechner (102) des Koordinatenmeßgerätes aufgerufen. Im Zuge dieses Meßprogramms werden dann die benötigten Temperaturmeßwerte des Werkstücks (106) abgefragt. Das Meßprogramm kann auch die Temperaturmeß­ werte von mehreren am Werkstück (106) angebrachten Temperaturfühler (117) abfragen, sofern diese bei entsprechender Größe des Werkstücks vorgesehen sind.

Der Rechner (102) unterzieht anschließend die empfangenen Temperaturmeßwerte einer Plausibilitätsprüfung. Nur wenn die Temperatur innerhalb eines zulässigen Bereiches liegt, wird das Koordinatenmeßprogramm durchgeführt. Im anderen Falle erfolgt eine Fehlermeldung an den Leitrechner (116) des flexiblen Fertigungssystems. Dieser kann dann die Weiterleitung der Palette zurück an die Aufgabestation veranlassen, wo beispiels­ weise ein neuer Temperatursensor eingesetzt wird, wenn die Art des Fehlers auf eine Fehlfunktion im Sensor, wie z. B. zu geringe Versorgungsspannung oder verschmutzte Datenübertragungseinrichtung schließen läßt.

Nach abgeschlossener Koordinatenvermessung wird das Meßergebnis über die Gegenstelle (110) an den Empfänger (128) übermittelt und vom Mikroprozessor (111) im Speicher (114) der Sensorik abgelegt. Außerdem wird eine qualitative Aussage über das Meßergebnis gespeichert, von der die Weiterverarbeitung des Werkstücks abhängt.

Wenn die Palette (105) das Koordinatenmeßgerät verläßt erreicht es eine Sortierstation, in der die letztgenannte Information abgefragt wird. Hier werden Weichen so gestellt, daß die Werkstücke beispielsweise nach Klassen selektiert oder nur nach gut und schlecht getrennt weitergeleitet werden.

Im Ausführungsbeispiel wurde eine Sensorik beschrieben, bei der die Elektronik und ein oder mehrere Temperaturfühler über ein flexibles Kabel miteinander verbunden sind. Es ist jedoch auch möglich nach entsprechender Miniaturisierung der Elektronikbau­ steine beide Komponenten, den Temperaturfühler und die Elektro­ nik, in ein Gehäuse zu integrieren. Es entstehen dann autarke Sensorkapseln, die an beliebiger Stelle an das Werkstück ange­ setzt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur von Werkstücken (106) in Fertigungssystemen für die Korrektur des Temperatureinflusses bei der Längenmessung an den Werkstücken (106), wobei auf einem das Werkstück (106) tragenden Werkstückträgers oder am Werkstück (106) eine einen Temperatursensor (117) umfassende autarke Sensorik installiert wird, die zusammen mit dem Werkstück (106) das Fertigungssystem durchläuft und den gemessenen Temperaturwert des Werkstücks (106) an eine entsprechende Gegenstelle (110) überträgt, die mit dem Steuerrechner (102) eines Koordinatenmeßgerätes verbunden ist, und die Sensorik mit einem Speicher (114) versehen ist, in dem eine Kennung zur Identifiktion des mit der Sensorik verbundenen Werkstücks (106) abgelegt ist, und die Kennung mit dem gemessenen Temperaturwert an die Gegenstelle (110) übermittelt wird, um das für das Werkstück vorgesehene Meßprogramm des Koordinatenmeßgerätes automatisch aufzurufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorik eine eigene Spannungsversorgung (115) enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorik ein gekapseltes Gehäuse (107) besitzt und auch während der Materialbearbeitung am Werkstück (106) bleibt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung des Meßwerts drahtlos erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Übertragung von Energie von der Gegenstelle (110) zu der Sensorik stattfindet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerrechner (102) des Koordinatenmeßgerätes nach der Übertragung des Temperaturmeßwerts von der Sensorik auf die Gegenstelle (110) eine Plausibilitätsprüfung des empfangenen Temperaturmeßwerts durchführt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Meßwerte und/oder durchgeführte Bearbeitungsergebnisse von der Gegenstelle (110) auf die Sensorik (107) übertragen und im Speicher (114) abgelegt werden.