DD257488A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR COMPENSATING LOAD-RELATED LENGTH MEASURING ERRORS IN A POSITIONING SYSTEM WITH A SCREW DRIVE AND AN ANGLE SENSOR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar in der Laengenmesstechnik, insbesondere an Werkzeugmaschinen, wo Schraubtriebe in Verbindung mit Winkelgebern als translatorisches Positioniersystem genutzt werden sollen, wobei vom Schraubtrieb Kraefte aufgenommen werden muessen. Die Erfindung besteht darin, dass zusaetzlich zu einem an der Spindel vorhandenen Winkelgeber ein zweiter Winkelgeber vorgesehen ist, der am anderen Ende der Spindel ueber ein zwischen Antrieb und Spindel geschaltetes Torsionsglied den Drehwinkel des Antriebes erfasst, waehrend der erste Winkelgeber in bekannter Weise den Drehwinkel der Spindel an dem vom Antrieb abgewandten Ende der Spindel erfasst. Die Differenz der von den Winkelgebern erfassten Winkel wird in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet und als Signal fuer eine Steuereinrichtung weitergegeben. Das von der Steuereinrichtung generierte Stellsignal fuer den Antrieb bewirkt, dass ein an die Spindelmutter gekoppeltes Element, unabhaengig von der Belastung auf dieses, bezueglich seiner Position in axialer Richtung des Schraubtriebes stets richtig eingestellt ist. FigurThe invention is applicable in the length measurement technology, in particular on machine tools, where screw drives are to be used in conjunction with angle encoders as a translational positioning system, which must be absorbed by the screw drive forces. The invention consists in that, in addition to an existing on the spindle angle sensor, a second angle sensor is provided, which detects the rotation angle of the drive at the other end of the spindle via a switched between the drive and spindle torsion, while the first angle encoder in a known manner, the rotation angle of Spindle detected at the end of the spindle facing away from the drive. The difference of the angle detected by the angle encoders is processed in an evaluation device and passed on as a signal for a control device. The control signal generated by the control device for the drive causes a coupled to the spindle nut element, regardless of the load on this, with respect to its position in the axial direction of the screw drive is always set correctly. figure

Description

SOLLKORR TSOLL ⁺ , ,y_o * ρSOLLKORR TSOLL ⁺ ,, y _o * ρ

^V · ^TS0LL ^V · ^T S0LL

gebildet wird,is formed,

der zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler einer Steuereinrichtung (15) zurthe load-dependent length measuring error of a control device (15) for compensation

Einstellung der Position des Elements (5) zugeführt wird.Adjustment of the position of the element (5) is supplied.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die DifferenzAcp₂ in der vom Antrieb (10) abgewandten Endlage des Elementes (5) ermittelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the DifferenzAcp ₂ in the drive (10) facing away from the end position of the element (5) is determined.

3. Anordnung zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler bei einem Positioniersystem mit einem Schraubtrieb und einem Winkelgeber, bei der zur indirekten Messung der Verschiebung eines über eine Mutter losefrei angekoppelten Elements der Winkelgeber an dem von einem Antrieb abgewandten Ende des Schraubtriebes an diesen angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem antriebsseitigen Ende (7) des Schraubtriebes (1) und dem Antrieb (10) eine Torsionselement (8) eingebracht ist, daß ein zweiter Winkelgeber (11) zur Messung des Verdrehwinkels des Antriebes (10) vorgesehen ist, und daß die Winkelgeber (11) (13) zur Meßwertverarbeitung mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung (14) in Verbindung stehen,3. Arrangement for compensating load-dependent Längenmeßfehler in a positioning system with a screw drive and an angle sensor, is coupled to the indirect measurement of the displacement of a mother via a loosely coupled element of the angle encoder at the end facing away from a drive of the screw drive to this, characterized that between the drive-side end (7) of the screw drive (1) and the drive (10) a torsion element (8) is introduced, that a second angle sensor (11) for measuring the angle of rotation of the drive (10) is provided, and that the angle encoders (11) (13) for measured value processing are connected to a common evaluation device (14),

wobei die Auswerteeinrichtung (14) mit einer Steuereinrichtung (15) für den Antrieb (10) verbunden ist.wherein the evaluation device (14) is connected to a control device (15) for the drive (10).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Torsionselement (8) durch Formgebung an den Schraubtrieb (1) angearbeitet ist.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the torsion element (8) is worked by shaping the screw drive (1).

Hierzu 1 Seite Zeichnungen For this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung kann in der Längenmeßtechnik angewendet werden, wo Schraubtriebe in Verbindung mit einem Winkelgeber als transiatorisches Positioniersystem genutzt werden, bei dem vom Schraubtrieb Kräfte aufgenommen werden müssen. Vorrangig geht es dabei um den Einsatz von Wälzschraubtrieben in Werkzeugmaschinen.The invention can be applied in the length measuring technique, where screw drives are used in conjunction with an angle encoder as a transiatory positioning, in which forces must be absorbed by the screw drive. Priority is given to the use of Wälzschraubtrieben in machine tools.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Beim Einsatz von Wälzschraubtrieben in Werkzeugmaschinen entstehen durch die Übertragung der wirkenden Kräfte, wie zum Beispiel Schnittkräfte und Zustellkräfte, in der Spindel-Mutter-Paarung und in der Axiallagerung Deformationen bis zu 100 μιη (H.Schmidt, Berechnung und Einbaubedingungen eines Wälzschraubtriebes bei nichtkardanischem Anbau an den Schlitten einer Werkzeugmaschine, Dissertation, TU Dresden 1975)When using Wälzschraubtrieben in machine tools resulting from the transmission of the forces acting, such as cutting forces and Zustellkräfte in the spindle-nut pairing and in the axial bearing deformations up to 100 μιη (H.Schmidt, calculation and installation conditions of a Wälzschraubtriebes nichtkardanischem cultivation on the carriage of a machine tool, dissertation, TU Dresden 1975)

Diese Deformationen wirken dann bei den Lösungen, bei denen der Wälzschraubtrieb in Verbindung mit einem Winkelgeber als These deformations then act in the solutions in which the Wälzschraubtrieb in conjunction with an angle encoder as

translatorisches Positioniersystem genutzt wird, voll als translatorische Fehlpositionierung. Bei hohen Präzisionsansprüchen wird dadurch der Einsatz des Wälzschraubtriebes als indirektes translatorisches Positioniersystem eingeschränkt.translational positioning system is used, full as translational mispositioning. In the case of high precision demands, this limits the use of the rolling screw drive as an indirect translational positioning system.

Bei anderen bekannten Lösungen wird zusätzlich zum Wälzschraubtrieb, derdann nur als Stellglied benutzt wird, ein direktes translatorisches Meßsystem eingesetzt.In other known solutions, in addition to the Wälzschraubtrieb, which is then used only as an actuator, a direct translational measuring system is used.

Damit bewirken die besagten Deformationen keinen Positionierfehler, aber nachteilig ist der zusätzliche Aufwand für das translatorische Wegmeßsystem, der über die gesamte Translationsstrecke benötigte Einbauraum für das translatorische Meßsystem in der Werkzeugmaschine, sowie die Störanfälligkeit translatorischer Meßsysteme bei extremer Umgebungsbelastung, wie z. B. Öl, Öldämpfe, Kühlmittel, Staub oder Hitze.Thus, the said deformations cause no positioning error, but disadvantageous is the additional cost of the translational position measuring system, the installation space required for the translational measuring system in the machine tool over the entire translation distance, as well as the susceptibility of translational measuring systems under extreme environmental load, such. As oil, oil vapor, coolant, dust or heat.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit geringem Aufwand den Einsatz von Schraubtrieben in Verbindung mit Winkelgebern als indirektes translatorisches Positioniersystem bei erhöhten Genauigkeitsansprüchen zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable the use of screw drives in conjunction with angle encoders as an indirect translational positioning system with increased accuracy requirements with little effort.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben und eine Anordnung zu schaffen, die ausschließlich unter Messung von Drehwinkeln dieAuswirkungen von kräftebedingten Deformationen auf dietranslatorische Positionierung laufend kompensieren können.The invention has for its object to provide a method and to provide an arrangement that can continuously compensate for the effects of force-induced deformations on the translational positioning exclusively by measuring rotational angles.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß neben dem bekannten und üblichen Winkelgeber an der nicht angetriebenen Seite der Spindel ein weiterer Winkelgeber an dem antriebsseitigen Spindelende angeordnet wird, wobei zischen diesem antriebsseitigen Spindelende und dem zweiten Winkelgeber noch ein zusätzliches Torsionsglied angebracht wird.The object is achieved in that, in addition to the well-known and conventional angle encoder on the non-driven side of the spindle another angle encoder is arranged on the drive-side spindle end, wherein hiss this drive-side spindle end and the second angle encoder still an additional torsion member is attached.

Dadurch ist es möglich, aus dem Differenzwinkel der beiden Winkelgeber, d. h. aus der Torsion zwischen Antriebs- und Abtriebsseite von Spindel plus Torsionselement, ein der Deformation proportionales Signal abzuleiten. Im Differenzwinkel φ der beiden Winkelgeber ist in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter im wesentlichen nur der Torsionswinkel des Torsionselementes erfaßt, während in der entgegengesetzten Endlage der Mutter der Torsionswinkel der Spindel selbst mit enthalten ist. Um diesen Differenzwinkel in einen Korrekturwert umsetzen zu können, sind also zwei Konstanten zu bestimmen:This makes it possible, from the differential angle of the two angle encoders, d. H. From the torsion between the input and output side of the spindle plus the torsion element, derive a signal proportional to the deformation. In the differential angle φ of the two angle encoders essentially only the torsion angle of the torsion element is detected in the drive-side end position of the spindle nut, while in the opposite end position of the nut, the torsion angle of the spindle itself is included. In order to be able to convert this difference angle into a correction value, two constants have to be determined:

Die erste Konstante K₁ gibt an, welcher Deformation Δχ ein bestimmter Differenzwinkel entspricht, wenn die Eigentorsion der Spindel, welche positionsabhängig ist, nicht wirkt. Dies gilt näherungsweise in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter.The first constant K ₁ indicates which deformation Δχ corresponds to a specific differential angle if the actual torsion of the spindle, which is position-dependent, does not act. This applies approximately in the drive end position of the spindle nut.

Zusätzlich ist eine zweite Kostante K₂ zu ermitteln, die angibt, um wieviel größer die Torsion der Kombination Torsionselement plus Spindel gegenüber der Torsion nur des Torsionselementes bei gleicher Belastung ist.In addition, a second K _{2 is} to be determined, which indicates by how much greater the torsion of the combination torsion element plus spindle against the torsion of only the torsion element under the same load.

Die Konstante Κι wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt, indem in der antriebsseitigen Endlage der Spindelmutter durch eine definierte Belastung eine definierte bzw. eine zu messende Deformation Δχ erzeugt wird. Nach MessungThe constant Κι is determined by the method according to the invention by a defined or to be measured deformation Δχ is generated in the drive-side end position of the spindle nut by a defined load. After measurement

Δχ des Differenzwinkels ψ-\ ergibt sich Ki =—- .Δχ of the difference angle ψ- \ results in Ki = -.

φι . φι ,

Die Konstante K₂ wird sinnvollerweise am anderen Spindelende ermittelt, ist jedoch auch in Zwischenstellungen möglich. Dazu wirdThe constant K ₂ is usefully determined at the other end of the spindle, but is also possible in intermediate positions. This will be

Ψ2 bei gleicher Belastung der Differenzwinkel cp₂ gemessen, wodurch nun die Konstante K₂ = angibt, wiewiel größer inΨ2 measured at the same load, the differential angle cp ₂ , which now indicates the constant K ₂ =, wiewiel greater in

ΦιΦι

dieser Stellung die Torsion ist. Durch eine Berechnungsvorschrift kann nun mit den bekannten Größen Spindelsteigung, Spindellänge, Ki, K₂ und der translatorischen Sollposition Xsoll sowie der ständig abfragbaren Winkeldifferenz φ eine laufende Korrektur der belastungsabhängigen Deformation erfolgen. Dazu wird die indirekte rotatorische Sollkoordinate cpsou. mittels einer Auswerteeinrichtung, in der die Korrekturrechnung erfolgt, in eine korrigierte rotatorische Sollkoordinate cpsollkorr umgewandelt und einer bekannten üblichen Steuereinrichtung zugeführt.this position is the twist. By means of a calculation rule, a continuous correction of the load-dependent deformation can now be carried out with the known variables spindle pitch, spindle length, Ki, K ₂ and the translational setpoint position Xsoll as well as the constantly interrogatable angular difference φ. For this, the indirect rotatory nominal coordinate cpsou. by means of an evaluation device, in which the correction calculation takes place, converted into a corrected rotational desired coordinate cpsollkorr and fed to a known conventional control device.

Ausführungsbeispielembodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand einer Figur noch näher erläutert. In der Figur ist ein Schema eines Positioniersystems dargestellt, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a figure. In the figure, a scheme of a positioning system is shown, with which the inventive method can be performed.

Das Positioniersystem besteht aus einem Schraubtrieb mit einer Spindel 1 und einer Mutter 2. Die Spindel 1 ist in Lagern 3.1. und 3.2. im Gestell 4 aufgenommen. Als zu positionierendes Element 5 ist ein Werkzeugschlitten losefrei an die Mutter 2 angekoppelt.The positioning system consists of a screw drive with a spindle 1 and a nut 2. The spindle 1 is in bearings 3.1. and 3.2. recorded in frame 4. As to be positioned element 5, a tool carriage is loosely coupled to the nut 2.

Das Element 5 sitzt in einer Geradführung 6 des Gestells 4. Andern antriebsseitigen Ende 7 der Spindel 1 ist ein Torsionselement 8 durch Formgebung angearbeitet. An das Torsionselement 8 sind in Achsrichtung 9 ein Antrieb 10 und ein Winkelgeber 11 angekoppelt. An dem vom Antrieb 10 abgewandten Ende 12 der Spindel 1 ist ein weiterer Winkelgeber 13 angekoppelt. Die Winkelgeber 11 und 13 sind mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung 14 verbunden, die mit einer Steuereinrichtung 15 für den Antrieb 10 in Verbindung steht.The element 5 is seated in a straight guide 6 of the frame 4. Other drive-side end 7 of the spindle 1 is a Torsionselement 8 worked by shaping. To the torsion element 8, a drive 10 and an angle encoder 11 are coupled in the axial direction 9. At the end facing away from the drive 10 12 of the spindle 1, another angle encoder 13 is coupled. The angle encoders 11 and 13 are connected to a common evaluation device 14 which is in communication with a control device 15 for the drive 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit dieser Anordnung wie folgt durchgeführt werden:The inventive method can be carried out with this arrangement as follows:

In Stellung 16 der Mutter 2 wird eine Belastung F auf die Mutter 2 aufgebracht. Damit ergibt sich eine Verlagerung Δχ der Mutter 2, die in bekannter nicht dargestellter Weise gemessen wird. Dabei wird mittels der bekannten Steuereinrichtung 15 die beim Einleiten der Belastung F entstehende Verdrehung des Winkelgebers 13 zurückgeregelt. Die Größe φι sei die Differenz der Winkelwerte der Winkelgeber 13 und 11. Es ergibt sich eine Konstante K₁ zu:In position 16 of the nut 2, a load F is applied to the nut 2. This results in a displacement Δχ of the nut 2, which is measured in a known manner not shown. In this case, by means of the known control device 15, the rotation of the angle sensor 13 which occurs when the load F is introduced is regulated back. The variable φι is the difference between the angle values of the angle encoders 13 and 11. The result is a constant K ₁ to:

In Stellung 17 wird die gleiche Belastung F aufgebracht und dabei der Winkelgeber 13 zurückgeregelt, so daß sich nach bekannter Weise die Weise die gleiche Größe Δχ ergibt. Die Größe φ₂ ist die hierbei ableitbare Winkeldifferenz zwischen den Winkelgebern 13 und 11. Damit ergibt sich eine Konstante K₂ zu:In position 17, the same load F is applied while the angle encoder 13 is back-regulated, so that in a known manner, the way the same size .DELTA.χ results. The variable φ ₂ is the angle difference between the angle encoders 13 and 11 that can be derived in this case. This yields a constant K ₂ to:

K₂ = ^L ΦιK ₂ = ^ L Φι

Die bisher beschriebenen Verfahrensschritte sind ein einmaliger Vorgang im Sinne eines Kalibrierens der Einrichtung. In der Auswerteeinrichtung 14 wird nun bei jeder Positionierung die Winkeldifferenz φ zwischen Winkelgeber 13 und 11 bestimmtThe method steps described so far are a one-time process in the sense of calibrating the device. In the evaluation device 14, the angular difference φ between angle encoders 13 and 11 is now determined for each positioning

Mit den bekannten Konstanten Spindelsteigung P, Spindellänge L, K₁ und K₂ sowie der jeweiligen indirekten Sollkoordinate wird nun nachfolgender Rechenvorschrift in der Auswerteeinrichtung 14 die korrigierte Koordinate (Psollkorr ermittelt:With the known constants spindle pitch P, spindle length L, K ₁ and K ₂ as well as the respective indirect desired coordinate, the corrected coordinate (Psollkorr is now determined in the evaluation device 14:

K₁ · φK ₁ · φ ZnZn

9soilkorr — <PsoLL τ ζ 9soilkorr - <PsoLL τ ζ

_{1 +1 +}

2π· L2π · L

Diese korrigierte Koordinate wird nun der bekannten Steuereinrichtung 15 zur Einstellung zugeführt. Durch Realisierung von 9soLLKORR ist die translatorische Sollkoordinate Xsoll unabhängig von der jeweils vorliegenden Belastung richtig eingestelltThis corrected coordinate is then fed to the known control device 15 for adjustment. By implementing 9soLLKORR, the translational nominal coordinate Xsoll is set correctly regardless of the respective load

Wenn der Torsionswinkel der Spindel 1 gegen den des Torsionselementes 8 vernachlässigt werden kann, d.h., wenn die Spindel 1 hinreichend torsionssteif ist, dann wird K₂ « 1 und die Rechenvorschrift vereinfacht sich dann zuIf the torsion angle of the spindle 1 can be neglected against that of the torsion element 8, ie, if the spindle 1 is sufficiently torsionally rigid, then K ₂ «1 and the calculation rule is then simplified

2π2π

+ K₁ · φ+ K ₁ · φ

Claims (1)

Patentansprüche:^: Claims ^: 1. Verfahren zur Kompensation belastungsabhängiger Längenmeßfehler bei einem Positioniersystem mit einem Schraubtrieb und einem Winkelgeber, bei dem die Verschiebung eines über eine Mutter an den Schraubtrieb losefrei angekoppelten Elemente indiskret durch die Messung des Verdrehwinkels des Schraubtriebes an dem von einem Antrieb abgewandten Ende des Schraubtriebes mittels eines Winkelgebers gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem zweiten Winkelgeber (11) der Verdrehwinkel des Antriebes (10) gemessen wird, wobei der Antrieb (10) über ein starr angekoppeltes, zwischen dem Antrieb (10) und dem antriebsseitigen Ende (7) des Schraubtriebes (1) eingebrachtes Torsionselement (8) mit definierter Torsionssteifigkeit erfolgt, daß in einer Auswerteeinrichtung (14) einmalig die DifferenzAcp! der mit den Winkelgebern (11) (13) gemessenen Winkel und die dazugehörige Längenabweichung Ax₁ in der antriebsseitigen Endlage des Elementes (5) bei einer definierten Belastung ermittelt werden, und in einer von dieser Endlage entfernten Position des Elementes (5) die Differenz Δφ₂ der mit den Winkelgebern (11) (13) gemessenen Winkel bei einer definierten Belastung des Elementes (5) ermittelt wird, und daß in der Auswerteeinrichtung (14) im weiteren für jede Sollposition xsoaund jeden zugeordneten Sollwert cpsoufür den ersten Winkelgeber (13) aus der kontinuierlich gebildeten Winkeldifferenz Δφ zwischen den beiden Winkelgebern, aus der Schraubtriebsteigung P und der Schraubtrieblänge L ein korrigierter Winkelwert 9sollkorr nach der Beziehung1. A method for compensating load-dependent Längenmeßfehler in a positioning system with a screw drive and an angle sensor, in which the displacement of a mother on the screw drive loosely coupled elements indiscretely by the measurement of the angle of rotation of the screw drive at the end facing away from a drive of the screw drive means of a Winkelgebers is measured, characterized in that with a second angle sensor (11) of the rotation angle of the drive (10) is measured, wherein the drive (10) via a rigidly coupled between the drive (10) and the drive end (7) of the Screw drive (1) introduced torsion element (8) with a defined torsional stiffness that takes place in an evaluation device (14) once the DifferenzAcp! the angle measured with the angle encoders (11) (13) and the associated length deviation Ax ₁ in the drive-side end position of the element (5) are determined at a defined load, and in a position of the element (5) remote from this end position the difference Δφ _{2 of} the angles measured with the angle encoders (11) (13) at a defined load of the element (5) is determined, and that in the evaluation (14) in each case for each desired position xsoaund each assigned setpoint cpsoufür the first angle sensor (13) the continuously formed angular difference Δφ between the two angle encoders, from the Schraubtriebsteigung P and the Schraubtrieblänge L a corrected angle value 9sollkorr according to the relationship AxAx