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Die
Erfindung betrifft eine Korrekturvorrichtung für eine Positionssensoreinheit
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein korrespondierendes
Positionierungssystem und ein zugehöriges Verfahren zur
Korrektur einer Positionssensoreinheit.
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Aus
dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Korrektur
von Geometriefehlern bei Positionierungssystemen und/oder zur Genauigkeitssteigerung
durch numerische Fehlerkorrektur bekannt.
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So
kommen zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen
oder zur Steigerung der Messgenauigkeit von Messgeräten unterschiedliche
Verfahren zum Einsatz. Bei Werkzeugmaschinen wird das gefertigte
Werkstück auf einem geeigneten Messgerät gemessen.
Die dabei festgestellten Abweichungen gegenüber Soll-Daten dienen
zur Korrektur der Steuerdaten für die Werkzeugmaschine.
Bei Messgeräten wird in einem „Substitutionsverfahren"
das durch Kalibrierung bekannte Werkstück, das so genannte
Masterteil, an Stelle des zu prüfenden Werkstückes
gemessen, und die ermittelten Abweichungen zur Korrektur der später
zu messenden Werkstücke herangezogen. Zur Umsetzung des
Substitutionsverfahrens ist es erforderlich, dass das Masterteil
dem zu prüfenden Werkstück möglichst ähnlich
ist.
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Bei
besonderen Genauigkeitsanforderungen werden geräteunabhängige
Messsysteme eingesetzt. Die dabei gewonnenen Messwerte können
gemäß der Offenlegungsschrift
DE 196 30 205 A1 zur Positionsnachsteuerung
bei Werkzeugmaschinen bzw. gemäß der Patentschrift
DE 101 26 753 B4 zur Korrektur
der vom Messgerät erzeugten Messwerte verwendet werden.
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Zudem
ist es bekannt, Messsignale einer Signaloptimierung bzw. Signalkorrektur
zu unterziehen, um die Qualität des Messsignals beispielsweise durch
Amplitudenanpassung, Rauschunterdrückung, Phasenverschiebung
usw. zu verbessern. Die Messsignale werden beispielsweise während
des Betriebs eines Positionierungssystems von einer mindestens einen
Sensor umfassenden Positionssensoreinheit an eine Systemsteuereinheit
ausgegeben, welche aus den Messsignalen eine aktuelle Position mindestens
eines Elementes innerhalb eines vorgegebenen Bezugssystems ermittelt.
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Eine
vollständige Berücksichtigung von Fehlerkomponenten
einer translatorischen Verschiebebewegung in einem kartesischen
Koordinatenmessgerät mit drei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen
ist in Wäldele, F.: „Genauigkeitssteigerungen von
Koordinatenmessgeräten durch numerische Fehlerkorrektur",
in CNC-Koordinatenmesstechnik, expert verlag 1988, ISBN 3-8169-0220-0,
Seite 189 bis 204 beschrieben. Das beschriebene Verfahren basiert
auf einem mathematischen Modell, welches das Zusammenwirken von
21 systematischen Fehlerkomponenten eines kartesischen Koordinatenmessgeräts
mit 3 Achsen beschreibt. Dieses Modell ist Grundlage für
eine numerische, prozessbegleitende Fehlerkorrektur. Es dient zur
Berechnung der Geometrieabweichungen des kartesischen Koordinatenmessgeräts
und ist unabhängig von der speziellen Bauart des Koordinatenmessgeräts.
Es werden Messverfahren zur Ermittlung von 21 Fehlerkomponenten
des Koordinatenmessgeräts mit 3 Achsen aufgeführt.
Diese Fehlerkomponenten umfassen drei translatorische und drei rotatorische
Abweichungen für jeden translatorisch bewegten Verschiebeschlitten
sowie zusätzlich drei Rechtwinkligkeitsabweichungen. Zur
Berechnung von Korrekturwerten aus den zuvor ermittelten 21 systematischen
Fehlerkomponenten ist ein Programm in die Herstellersoftware des
Koordinatenmessgeräts implementiert, das beim Einschalten
des Koordinatenmessgeräts automatisch in den Rechnerspeicher
des Steuerungsrechners eingelesen wird, so dass bei jeder Antastung
die Korrekturwerte für die jeweilige Messposition ermittelt
und mit den abgelesenen Messwerten verrechnet werden können.
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Ebenso
wie die Fehlerkomponenten der translatorischen Verschiebebewegung
können gemäß VDI/VDE 2617-4: „Genauigkeit
von Koordinatenmessgeräten, Kenngrößen
und deren Prüfung, Drehtische auf Koordinatenmessgeräten",
Beuth Verlag, 1989 auch die Fehlerkomponenten von Drehachsen
korrigiert werden.
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Die
beschriebenen Korrekturverfahren können insbesondere in
Positionierungssysteme implementiert werden, die eine entsprechende
hardwaremäßige und softwaremäßige
Systemarchitektur aufweisen, deren Struktur die Ausführung
dieser Korrekturen ermöglichen. Als nachteilig kann angesehen werden,
dass die Implementierung der beschriebenen Korrekturverfahren aufgrund
des herstellerspezifischen Datenmanagements und der herstellerspezifischen
Schnittstellen meist sehr aufwendig ist. In Positionierungssystemen,
die keine entsprechende hardwaremäßige und softwaremäßige
Systemarchitektur aufweisen, können die beschriebenen Korrekturverfahren
nicht implementiert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Korrekturvorrichtung für eine
Positionssensoreinheit, ein korrespondierendes Positionierungssystem
und ein Verfahren zur Korrektur einer Positionssensoreinheit anzugeben,
die unabhängig von der Ausführung der Positionssensoreinheit
bzw. des Positionierungssystems eine Optimierung und Korrektur von
erfassten fehlerbehafteten Messsignalen und von Positionierungsfunktionen
ermöglichen.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe durch Bereitstellung einer
Korrekturvorrichtung für eine Positionssensoreinheit mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eines Positionierungssystems
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 und durch ein korrespondierendes
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß empfängt
eine Korrekturvorrichtung für eine Positionssensoreinheit
mindestens ein Messsignal mit einer fehlerbehafteten Positionsinformation
von der Positionssensoreinheit, korrigiert die fehlerbehaftete Positionsinformation
des empfangenen Messsignals durch Einarbeiten von mindestens einem
korrespondierenden Korrekturwert und gibt das modifizierte Messsignal
mit der korrigierten Positionsinformation aus, wobei der mindestens
eine Korrekturwert speziell für die vorgegebene Positionssensoreinheit
ermittelt worden ist. Die Positionssensoreinheit umfasst beispielsweise
min destens einen Sensor und gibt das mindestens eine Messsignal
mit der fehlerbehafteten Positionsinformation an die Korrekturvorrichtung
aus. Die Korrekturvorrichtung gibt das modifizierte Messsignal mit der
korrigierten Positionsinformation zur Bestimmung einer aktuellen
Position mindestens eines Elementes beispielsweise an eine Steuereinheit
eines Positionierungssystems aus. Die zur Korrektur der Positionierungsinformation
verwendeten Korrekturwerte werden speziell für die korrespondierende
Positionssensoreinheit ermittelt, so dass unabhängig von
der Ausführung der Positionssensoreinheit eine Korrektur
der erfassten und fehlerbehafteten Positionsinformationen der Messsignale
möglich ist, welche beispielsweise aufgrund von Toleranzen
auftretende Positionsabweichungen für eine gemessene Position umfassen.
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Vor
der ersten Verwendung der Korrekturvorrichtung werden beispielsweise
mit einem Messsystem Abweichungen der von der Positionssensoreinheit
gemessenen fehlerbehafteten Positionen ermittelt, welche von den
fehlerbehafteten Positionsinformationen der Messsignale repräsentiert
werden. Das Messsystem ermittelt beispielsweise die Abweichungen,
die für mindestens eine Position in Bezug auf mindestens
eine translatorischen Achse und/oder mindestens eine Drehachse gemessen
werden. Insgesamt kann das Messsystem Abweichungen für
alle Positionen ermitteln, die mit der Positionssensoreinheit gemessen
werden können. Aus den gemessenen Abweichungen werden dann
die korrespondierenden Korrekturwerte ermittelt und abgespeichert. Durch
die erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung können
in vorteilhafter Weise herstellungs- und/oder verschleiß-
und/oder temperatur- und/oder funktionsbedingte Fehler für
verschiedene Arten von Sensoren der Positionssensoreinheit korrigiert
werden, wobei die Fehlerkorrektur immer individu ell für
eine vorgegebene Positionssensoreinheit durchgeführt wird.
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Das
mindestens eine Messsignal kann ein Trägersignal aufweisen,
das mit der Positionsinformation moduliert ist. Die Positionsinformation
kann beispielsweise als Frequenzmodulation oder Phasenmodulation
oder Amplitudenmodulation auf das Trägersignal moduliert
werden. Das Trägersignal kann beispielsweise ein Sinussignal
oder ein Rechtecksignal oder ein Dreiecksignal umfassen. Alternativ
kann das Trägersignal als Gleichspannungspegel, beispielsweise
zwischen 0 bis 10 Volt, –10 bis 0 Volt, 0 bis 5 Volt usw.,
bzw. Gleichstrompegel, beispielsweise zwischen 4 bis 20 mA, realisiert
werden, wobei der ausgegebene Spannungs- bzw. Strompegel die gemessene
Positionsinformation repräsentiert.
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Die
Positionsinformation des mindestens einen Messsignals repräsentiert
beispielsweise eine Position in Bezug auf mindestens eine translatorischen
Achse und/oder eine Drehstellung in Bezug auf mindestens eine Drehachse.
Der mindestens eine Sensor der Positionssensoreinheit kann beispielsweise
als Taster und/oder Drehgeber und/oder Abstandssensor und/oder Längenmesssensor
ausgeführt werden, wobei der mindestens eine Sensor die
Positionsinformation beispielsweise als inkrementelles Signal oder
als moduliertes Trägersignal erzeugt. Der mindestens eine
Korrekturwert korrigiert mindestens eine Positionsabweichung der
fehlerbehafteten Positionsinformation des korrespondierenden Messsignals,
das von einem korrespondierenden Sensor ausgegeben wird.
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In
Ausgestaltung der Erfindung weist die Korrekturvorrichtung mindestens
eine Signalaufbereitungseinheit auf, welche jeweils mindestens einem Sensor
der Positionssensoreinheit zugeordnet ist, eine Signalqualität
des korrespondierenden vom zugeordneten Sensor ausgegebenen Messsignals
verbessert und die fehlerbehaftete Positionsinformation aus dem
korrespondierenden Messsignal extrahiert und/oder demoduliert. Weiter
umfasst die Korrekturvorrichtung eine Signalverarbeitungseinheit
mit einer Korrektureinheit und einer Speichereinheit, wobei die Korrektureinheit
die korrespondierende fehlerbehaftete Positionsinformation mit dem
bekannten in der Speichereinheit gespeicherten Korrekturwert korrigiert
und als korrigierte Positionsinformation ausgibt. Des Weiteren weist
die Korrekturvorrichtung mindestens eine Signalausgabeeinheit auf,
welche jeweils eine korrespondierende korrigierte Positionsinformation
empfangen und ein modifiziertes Messsignal mit der korrigierten
Positionsinformation erzeugen und ausgeben.
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In
weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung
wandelt die jeweilige Signalaufbereitungseinheit eine aus dem korrespondierenden
Messsignal extrahierte fehlerbehaftete Positionsinformation in eine
digitale fehlerbehaftete Positionsinformation um, und gibt diese
an die Signalverarbeitungseinheit aus. Die Korrektureinheit korrigiert
die fehlerbehaftete digitale Positionsinformation mit einem digitalen
Korrekturwert und gibt die korrigierte digitale Positionsinformation
an die jeweilige Signalausgabeeinheit aus, welche die korrigierte
digitale Positionsinformation in eine korrigierte Positionsinformation
umwandelt, ein korrespondierendes modifiziertes Messsignal mit der
korrigierten Positionsinformation erzeugt und ausgibt.
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Alternativ
kann die jeweilige Signalaufbereitungseinheit eine aus dem korrespondierenden Messsignal
extrahierte fehlerbehaftete Positionsinformation an die Signalverarbeitungseinheit
ausgeben, wobei die Korrektureinheit die fehlerbehaftete Positionsinformation
direkt mit einem digitalen Korrekturwert korrigiert und als korrigierte
Positionsinformation an die jeweilige Signalausgabeeinheit ausgibt,
welche ein korrespondierendes Messsignal mit der korrigierten Positionsinformation
erzeugt und ausgibt.
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Als
weitere Alternative kann die jeweilige Signalaufbereitungseinheit
eine aus dem korrespondierenden Messsignal extrahierte fehlerbehaftete
Positionsinformation an die Signalverarbeitungseinheit ausgeben,
wobei die Korrektureinheit basierend auf der fehlerbehafteten Positionsinformation
und einem digitalen Korrekturwert eine korrigierte Positionsinformation
erzeugt und an die jeweilige Signalausgabeeinheit ausgibt, welche
ein korrespondierendes Messsignal mit der korrigierten Positionsinformation erzeugt
und ausgibt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Korrekturvorrichtung
und die Positionssensoreinheit in einer Baueinheit zusammengefasst.
Im einfachsten Fall weist eine solche Baueinheit einen einzigen
Sensor mit einer korrespondierenden Korrekturvorrichtung auf. Eine
solche Baueinheit ist in der Lage, eine fehlerbehaftete Positionsinformation
eines Messkanals zu korrigieren und eine korrigierte Positionsinformation
auszugeben.
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Zur
Ermittlung des mindestens einen Korrekturwertes für die
Positionssensoreinheit kann beispielsweise ein geeignetes Messsystem
verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung kann beispielsweise
zur Korrektur einer Positionssensoreinheit eines Positionierungssystems
eingesetzt werden, das eine Systemsteuereinheit und einen Programmspeicher
umfasst, in dem mindestens ein Programm für mindestens
eine Positionierungsfunktion gespeichert werden kann. Die Systemsteuereinheit
lädt über eine Auswerte- und Steuereinheit das
mindestens eine gespeicherte Programm zur Abarbeitung in einen Arbeitsspeicher,
wobei die mindestens eine Positionierungsfunktion eine translatorische
und/oder drehende Positionierungsbewegung mit mindestens einem zu
positionierenden Element über mindestens eine translatorische
Positionierungsachse und/oder mindestens eine drehende Positionierungsachse
innerhalb eines vorgegebenen Bezugssystems ausführt. Mindestens
eine translatorische und/oder drehende Positionierungsachse bestimmen
eine Systemgeometrie des Positionierungssystems, wobei die Positionssensoreinheit,
die mindestens einen Sensor umfasst, die aktuelle Position des mindestens
einen zu positionierenden Elements innerhalb des vorgegebenen Bezugssystems
misst und mindestens ein Messsignal mit einer fehlerbehafteten Positionsinformation
ausgibt, wobei die Systemsteuereinheit das Messsignal empfängt
und die korrespondierende fehlerbehaftete Positionsinformation zur
Bestimmung einer aktuellen Position des mindestens einen zu positionierenden
Elements innerhalb des vorgegebenen Bezugssystems auswertet. Auch
hier werden die Korrekturwerte vor der Verwendung der Korrekturvorrichtung
speziell für das vorgegebene Positionierungssystem ermittelt
und gespeichert.
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Die
Korrekturwerte korrigieren beispielsweise fehlerbehaftete Positionsabweichungen
des mindestens einen Sensors der Positionssensoreinheit. Des Weiteren
rechnet die Korrekturvorrichtung beispielsweise geometrische Fehler
von mehreren translatorischen und/oder drehenden Positionierungsachsen
des Positionierungssystems in vorteilhafter Weise auf die Positionsabweichungen
der einzelnen Sensoren der Positionssensoreinheit um, arbeitet diese
zur Korrektur der fehlerbehafteten Positionsinformationen in die
einzelnen Messsignale ein und gibt die einzelnen Messsignale mit
der korrigierten Positionsinformation als modifizierte Messsignale mit
der korrigierten Positionsinformation an die Systemsteuereinheit
aus. Die geometrischen Fehler umfassen beispielsweise die Abweichungen,
insbesondere systematische Abweichungen, der Systemgeometrie des
vorgegebenen Positionierungssystems.
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Dies
ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass unabhängig
von der Ausführung des Positionierungssystems, eine Korrektur
einer beliebigen Kinematik und deren Freiheitsgrade in kartesischen,
zylindrischen oder kugelförmigen Koordinatensystemen sowie
beliebigen Kombinationen hiervon durchgeführt werden kann,
und somit die Positionierung mindestens eines zu positionierenden
Elements durch das Positionierungssystem unter Verwendung der Korrekturwerte
optimiert werden kann. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung können in vorteilhafter Weise herstellungs- und/oder
verschleiß- und/oder temperatur- und/oder funktionsbedingte
Fehler für verschiedene Arten von Positionierungssystemen korrigiert
werden, wobei die Fehlerkorrektur immer individuell für
ein vorgegebenes Positionierungssystem, entsprechend der Kinematik
des Positionierungssystems, durchgeführt wird.
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Das
mindestens eine zu positionierende Element kann in Abhängigkeit
von der Verwendung des Positionierungssystems als Werkzeug und/oder Werkstück
und/oder Messwertaufnehmer und/oder Prüfling und/oder Bestückungseinheit
und/oder zu bestückende Einheit und/oder Aufnehmerelement und/oder
Ablageelement ausgeführt werden. So kann das Positionierungssystem
beispielsweise zwei relativ zu einander zu positionierende Elemente,
wie z. B. ein Werkzeug und ein Werkstück in einer Werkzeugmaschine,
einen Messwertaufnehmer und einen Prüfling in einem Messsystem
usw., relativ zueinander bewegen. Das Positionierungssystem verändert beispielsweise
die Position eines ersten zu positionierenden Elements, z. B. des
Werkzeugs bzw. des Messwertaufnehmers, und lässt die Position
eines zweiten Elements, z. B. des Werkstücks bzw. des Prüflings,
unverändert. Alternativ lässt das Positionierungssystem
die Position des ersten zu positionierenden Elements, z. B. des
Werkzeugs bzw. des Messwertaufnehmers, unverändert, verändert
aber die Position des zweiten Elements, z. B. des Werkstücks
bzw. des Prüflings. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform
kann das Positionierungssystem sowohl die Position des ersten zu
positionierenden Elements, z. B. des Werkzeugs bzw. des Messwertaufnehmers,
als auch die Position des zweiten Elements, z. B. des Werkstücks
bzw. des Prüflings, verändern.
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Das
vorgegebene Positionierungssystem kann beispielsweise als Teil eines
Messsystems und/oder einer Werkzeugmaschine und/oder eines Bestückungssystems
und/oder eines Handhabungssystems und/oder eines Roboters ausgeführt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Korrektur einer
Positionssensoreinheit (50), welche mindestens einen Sensor
umfasst und mindestens ein Messsignal mit einer fehlerbehafteten
Positionsinformation ausgibt, welche zur Bestimmung einer aktuellen
Position mindestens eins Elements ausgewertet wird, umfasst eine
Ermittlung von Positionsabweichungen in mindestens einer erfassten
fehlerbehafteten Positionsinformation, die von einem Messsignal übertragen
wird, und/oder von Abweichungen einer Systemgeometrie eines Positionierungssystems,
in welchem die Positionssensoreinheit verwendet wird, eine Bestimmung
und Speicherung von Korrekturwerten für die vorgegebene
Positionssensoreinheit aus den ermittelten Positionsabweichungen
der mindestens einen erfassten fehlerbehafteten Positionsinformation
und/oder aus den ermittelten Abweichungen der Systemgeometrie, eine
Korrektur der während des Betriebs der Positionssensoreinheit
erfassten mindestens einen fehlerbehafteten Positionsinformation,
die mit dem Messsignal übertragen wird, durch gezieltes
Einarbeiten der vorab bestimmten und gespeicherten Korrekturwerte
in die korrespondierende mindestens eine erfasste fehlerbehaftete Positionsinformation
und Ausgeben mindestens eines modifizierten Messsignals mit der
korrigierten Positionsinformation zur Bestimmung einer aktuellen Position
mindestens eines Elementes.
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Die
für die vorgegebene Positionssensoreinheit ermittelten
und gespeicherten Korrekturwerte korrigieren beispielsweise Positionsabweichungen der
erfassten mindestens einen fehlerbehafteten Positionsinformation,
wobei geometrische Fehler eines Mehrachsensystems bzw. der Systemgeometrie
des Positionierungssystems in vorteilhafter Weise auf die Positionsabweichungen
der einzelnen erfassten fehlerbehafteten Positionsinformationen
umgerechnet und in die einzelnen korrigierten Positionsinformationen
der Messsignale eingearbeitet werden.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die mindestens eine erfasste fehlerbehaftete Positionsinformation
vor der Einarbeitung der Korrekturwerte aus dem korrespondierenden Messsignal
extrahiert, wobei die korrigierte Positionsinformation wieder in
ein Messsignal eingearbeitet wird, welches nach der Einarbeitung
der Korrekturwerte als modifiziertes Messsignal mit einer korrigierten
Positionsinformation ausgegeben wird.
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Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen bezeichnen
gleiche Bezugszeichen Elemente bzw. Komponenten, welche gleiche
bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung zur Korrektur einer Positionssensoreinheit eines
erfindungsgemäßen Positionierungssystems,
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2 ein
detaillierteres Blockdiagramm der Anordnung aus 1,
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3 ein
schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen
Korrekturvorrichtung für die Anordnung gemäß 1 bzw. 2,
und
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4 ein
Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Korrektur einer Positionssensoreinheit.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst eine Anordnung 5 zur
Korrektur einer Positionssensoreinheit 50 eines Positionierungssystems 1 eine
zwischen der Positionssensoreinheit 50 und einer Systemsteuereinheit 10 des
Positionierungssystems 1 eingeschleifte Korrekturvorrichtung 60.
Die Positionssensoreinheit 50 umfasst mindestens einen
Sensor und gibt mindestens ein Messsignal mit einer fehlerbehafteten
Positionsinformation aus, das von der Korrekturvorrichtung 60 empfangen
wird. Der mindestens eine Sensor der Positionssensoreinheit 50 ist
beispielsweise als Taster und/oder Drehgeber und/oder Abstandssensor
und/oder Längenmesssensor ausgeführt. Die Korrekturvorrichtung 60 modifiziert
das empfangen Messsignal durch Einarbeiten von mindestens einem
Korrekturwert in die korrespondierende fehlerbehaftete Positionsinformation des
empfangenen Messsignals und gibt ein modifiziertes Messsignal mit
der korrigierten Positionsinformation an die Systemsteuereinheit 10 aus.
Die Korrekturwerte werden mit einem gestrichelt dargestellten Messsystem 70 vorab
speziell für die vorgegebene Positionssensoreinheit 50 ermittelt
und in der Korrekturvorrichtung 60 gespeichert. Die ermittelten
und gespeicherten Korrekturwerte korrigieren die Positionsabweichungen
in den fehlerbehafteten Positionsinformationen der Messsignale des
mindestens einen Sensors. Zudem rechnet die Korrekturvorrichtung 60 geometrische
Fehler eines Mehrachsensystems auf die Positionsabweichungen der
einzelnen Sensoren der Positionssensoreinheit 50 um.
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Die
Systemsteuereinheit 10 empfängt die modifizierten
Messsignale mit den korrigierten Positionsinformationen und wertet
die korrigierten Positionsinformationen der Messsignale zur Bestimmung einer
aktuellen Position eines Elementes innerhalb eines vorgegebenen
Bezugssystems aus. Die Messsignale mit den korrigierten Positionsinformationen repräsentieren
beispielsweise eine Position in Bezug auf mindestens eine translatorische
Achse und/oder eine Drehstellung in Bezug auf mindestens eine Drehachse.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Positionssensoreinheit 50 Teil
eines Positionierungssystems 1, wobei die Positionssensoreinheit 50 mit der
Korrekturvorrichtung 60 zur Positionsbestimmung auch für
andere Anwendungen eingesetzt werden können. So kann die
Korrekturvorrichtung 60 und die Positionssensoreinheit 50 in
Ausgestaltung der Erfindung in einer gepunktet dargestellten Baueinheit 55 zusammengefasst
werden. Bei einer einfachen Ausführungsform einer solchen
Baueinheit 55 weist diese einen einzigen Sensor mit einer
korrespondierenden Korrekturvorrichtung auf. Eine solche Baueinheit 55 ist
in der Lage, eine fehlerbehaftete Positionsinformation eines Messkanals
zu korrigieren und eine korrigierte Positionsinformation auszugeben.
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Das
mindestens eine Messsignal weist beispielsweise ein Trägersignal
auf, das mit der fehlerbehafteten Positionsinformation moduliert
ist. Die Positionsinformation kann beispielsweise über
eine Frequenzmodulation oder eine Phasenmodulation oder eine Amplitudenmodulation
auf das Trägersignal moduliert werden. Das Trägersignal
kann als Sinussignal oder Rechtecksignal oder Dreiecksignal umgesetzt
werden. Der Aufbau der Korrekturvorrichtung 60 wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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In
Abhängigkeit von der Ausführung der Positionssensoreinheit 50 ergeben
sich unterschiedliche Positionsabweichungen, die zur Erzeugung der Korrekturwerte
ermittelt werden. Zur Ermittlung der Positionsabweichungen umfassen
die Messmittel 70 beispielsweise ein Laserinterferometer
mit speziellen Optionen, geometrische Normale, Kugelplatten und/oder
spezielle Laser-Tracer.
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2 zeigt
die Anordnung 5 zur Korrektur der Positionssensoreinheit 50 des
Positionierungssystems 1, mit einer detaillierteren Darstellung
des Positionierungssystems 1. Das Positionierungssystem 1 kann
beispielsweise als Teil eines Messsystems und/oder einer Werkzeugmaschine
und/oder eines Handhabungsgerätes und/oder eines Bestückungssystems
und/oder eines Roboters aufgeführt werden. Wie aus 2 ersichtlich
ist, umfasst das Positionierungssystem 1, eine Systemsteuereinheit 10,
die eine Auswerte- und Steuereinheit 12, einen Systemdatenspeicher 14,
einen Arbeitsspeicher 16 und eine Schnittstelle 18 aufweist,
einen Programmspeicher 40, eine Schnittstelleneinheit 42,
mehrere translatorische Positionierungsachsen 22, 24, 26, und
mehrere drehende Positionierungsachsen 28, 30, 32,
wobei die translatorischen Positionierungsachsen 22, 24, 26,
und die drehenden Positionierungsachsen 28, 30, 32 gemeinsam
eine Systemgeometrie 20 des Positionierungssystems 1 bestimmen.
Somit umfasst die Systemgeomet rie 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel
insgesamt sechs Achsen, wobei die Systemgeometrien von anderen nicht
dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
mehr oder weniger als sechs Achsen aufweisen können. Als
Bezugssystem verwendet das dargestellte Ausführungsbeispiel
des Positionierungssystems 1 ein kartesisches Koordinatensystem mit
drei zu einander senkrecht verlaufenden Bezugsachsen x, y, z.
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Wie
aus 2 weiter ersichtlich ist, umfasst die Anordnung 5 zur
Korrektur eines Positionierungssystems 1 eine Positionssensoreinheit 50 und
eine Korrekturvorrichtung 60, die analog zu den in 1 dargestellten
Komponenten ausgeführt sind, wobei die Positionssensoreinheit 50 und
die Korrekturvorrichtung 60 zu einer Baueinheit 55 zusammengefasst werden
können. Die mindestens einen Sensor umfassende Positionssensoreinheit 50 misst
die aktuelle Position des mindestens einen zu positionierenden Elements
innerhalb des vorgegebenen Bezugssystems und gibt mindestens ein
korrespondierendes Messsignal mit einer fehlerbehafteten Positionsinformation
an die Korrekturvorrichtung 60 aus. Die Korrekturvorrichtung 60 modifiziert
die empfangenen Messsignale durch Einarbeiten von mindestens einem
Korrekturwert in die fehlerbehafteten Positionsinformationen der
korrespondierenden Messsignale und gibt sie als modifizierte Messsignale
mit korrigierten Positionsinformationen über die Schnittstelle 18 an
die Systemsteuereinheit 10 aus, welche die korrigierten
Positionsinformationen der Messsignale zur Bestimmung der aktuellen
Position des mindestens einen zu positionierenden Elements innerhalb
des vorgegebenen Bezugssystems auswertet.
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Analog
zur den Ausführungen unter Bezugnahme auf 1,
werden die Korrekturwerte mit Hilfe von gestrichelt dargestellten
Messmitteln 70 vorab speziell für das vorgegebene
Positi onierungssystem 1 ermittelt. Zur Ermittlung der Korrekturwerte
können die Messmittel 70 Abweichungen, insbesondere
systematischen Abweichungen, der Systemgeometrie 20 des
vorgegebenen Positionierungssystems 1, und Positionsabweichungen
in den von den Sensoren der Positionssensoreinheit 50 über
Messsignale ausgegebenen fehlerbehafteten Positionsinformationen
erfassen, wobei die Messmittel 70 zur Erfassung der Abweichungen
beispielsweise ein Laserinterferometer mit speziellen Optionen,
Stufenendmasse, geometrische Normale, Kugelplatten und/oder spezielle Laser-Tracer
usw. umfassen.
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Im
Programmspeicher 40 ist mindestens ein Programm für
mindestens eine Positionierungsfunktion gespeichert, wobei die Auswerte-
und Steuereinheit 12 ein gespeichertes Programm aus dem
Programmspeicher 40 zur Abarbeitung in den Arbeitsspeicher 16 lädt.
Im Systemdatenspeicher 14 sind systemspezifische Informationen
gespeichert, die von der Auswerte- und Steuereinheit 12 bei
der Abarbeitung des in den Arbeitsspeicher 16 geladenen Programms
angefordert werden.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel des Positionierungssystems 1 wird
die Systemgeometrie 20 durch drei translatorische Positionierungsachsen 22, 24, 26 und
drei drehende Positionierungsachsen 28, 30, 32 bestimmt.
Die mindestens eine von der Auswerte- und Steuereinheit 12 mit
dem Positionierungssystem 1 abgearbeitete Positionierungsfunktion
führt durch eine entsprechende Ansteuerung der drei translatorischen
Positionierungsachsen 22, 24, 26 und/oder
der drei drehende Positionierungsachsen 28, 30, 32 innerhalb
des vorgegebenen Bezugssystems eine translatorische und/oder drehende
Positionierungsbewegung mit mindestens einem zu positionierenden
Element aus, wobei die entsprechenden angefahrenen Positionen von
der Positionssensoreinheit 50 gemessen und über
die Kor rekturvorrichtung 60 an die Auswerte- und Steuereinheit 12 zurückgemeldet
werden. Das mindestens eine zu positionierenden Element ist in Abhängigkeit
von der Anwendung des Positionierungssystems 1 als Werkzeug
und/oder Werkstück und/oder Messwertaufnehmer und/oder
Prüfling und/oder Bestückungseinheit und/oder
zu bestückende Einheit und/oder Aufnehmerelement und/oder
Ablegerelement ausgeführt.
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Zur
Ermittlung der Korrekturwerte für das Positionierungssystem 1 gemäß 2 erfassen
die Messmittel 70 die Abweichungen bzw. Fehlerparameter
für die drei translatorischen Positionierungsachsen 22, 24, 26,
wobei die Abweichungen der translatorischen Positionierungsachsen 22, 24, 26 jeweils
translatorische Abweichungen bzw. Fehlerparameter xtx, xty, xtz,
ytx, yty, ytz, ztx, zty, ztz in die drei Bezugsrichtungen x, y,
z und/oder jeweils rotatorische Abweichungen bzw. Fehlerparameter
xrx, xry, xrz, yrx, yry, yrz, zrx, zry, zrz um die drei Bezugsichtungen
x, y, z umfassen. Somit ergeben sich für das kartesische
Bezugskoordinatensystem für jede der drei translatorischen
Positionierungsachsen 22, 24, 26 jeweils
sechs Abweichungen bzw. Fehlerparameter.
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Zusätzlich
zu diesen Fehlerparametern können bei dem Positionierungssystem 1 mit
drei translatorischen Positionierungsachsen 22, 24, 26 in
einer „Portal-Bauart" drei Rechtwinkligkeitsabweichungen von
jeweils zwei der drei translatorischen Positionierungsachsen 22, 24, 26 zueinander
auftreten, so dass sich insgesamt 21 Fehlerparameter ergeben können,
welche durch die Korrekturwerte kompensiert werden können.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird nun die Korrekturvorrichtung 60 beschrieben,
welche in den in 1 und 2 dargestellten
Anordnungen zur Korrektur der von der Po sitionssensoreinheit 50 ausgegebenen
Positionsinformationen verwendet wird.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist, weist die Korrekturvorrichtung 60 im
dargestellten Ausführungsbeispiel für jedes Messsignal
mit einer fehlerbehafteten Positionsinformation, das von der Positionssensoreinheit 50 ausgegeben
wird, eine Signalaufbereitungseinheit 61.1 bis 61.3, 63.1 bis 63.3 auf,
welche die Signalqualität des korrespondierenden Messsignals
verbessert und die fehlerbehaftete Positionsinformation aus dem
korrespondierenden Messsignal extrahiert.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel empfangen die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3 drei
Messsignale mit fehlerbehafteten Positionsinformationen, welche
jeweils eine fehlerbehaftete Position in Bezug auf eine korrespondierende
translatorische Achse 22, 24, 26 repräsentieren,
und die Signalaufbereitungseinheiten 63.1 bis 63.3 empfangen
drei Messsignale mit fehlerbehafteten Positionsinformationen, welche
jeweils eine fehlerbehaftete Drehstellung in Bezug auf mindestens
eine Drehachse 28, 30, 32 repräsentieren.
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Wie
aus 3 weiter ersichtlich ist, umfasst die Korrekturvorrichtung 60 eine
Signalverarbeitungseinheit 68 mit einer Korrektureinheit 68.1 und einer
Speichereinheit 68.2. In der Speichereinheit 68.2 sind
die vorab ermittelten Korrekturwerte für die fehlerbehafteten
Positionsinformationen der Messsignale gespeichert. Die Korrektureinheit 68.1 empfängt
die extrahierten fehlerbehafteten Positionsinformation mit bekannten
Positionsabweichungen, korrigiert die bekannten Positionsabwei chungen
der fehlerbehafteten Positionsinformationen mit den in der Speichereinheit 68.2 gespeicherten
Korrekturwerten und gibt die korrespondierenden korrigierten Positionsinformationen
an entsprechende Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3 und 64.1 bis 64.3 aus.
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Die
Korrekturvorrichtung 60 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel
für jede korrigierte Positionsinformation, die von der
Signalverarbeitungseinheit 68 ausgegeben wird, eine Signalausgabeeinheit 62.1 bis 62.3, 64.1 bis 64.3 auf,
welche jeweils ein modifiziertes Messsignal mit der korrespondierenden korrigierten
Positionsinformation erzeugen und an die Systemsteuereinheit 10 ausgeben.
Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, sind
die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3 den
Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3 zugeordnet,
und die Signalaufbereitungseinheiten 63.1 bis 63.3 sind
den Signalausgabeeinheiten 64.1 bis 64.3 zugeordnet,
wobei die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3 bzw. 63.1 bis 63.3 mit
den zugeordneten Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3 bzw. 64.1 bis 64.3 jeweils
einen Messkanal für ein Messsignal mit einer korrespondierenden
Positionsinformation bilden.
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Zur
Durchführung der Korrektur der fehlerbehafteten Positionsinformationen
der Messsignale sind verschiedene Ausführungsformen der
Korrekturvorrichtung 60 möglich. So können
die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3, 63.1 bis 63.3 beispielsweise
so ausführt werden, dass aus den korrespondierenden Messsignalen
extrahierte fehlerbehaftete Positionsinformationen in fehlerbehaftete
digitale Positionsinformationen umgewandelt und an die Signalverarbeitungseinheit 68 ausgegeben
werden. Die Korrektureinheit 68.1 in der Signalverarbeitungseinheit 68 kann
so ausgeführt werden, dass die fehlerbehafteten digitalen
Positionsinformationen mit digitalen Korrekturwerten korrigiert
und als korrigierte digitale Positionsinformationen an die entsprechenden
Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3, 64.1 bis 64.3 ausgegeben
werden. Die Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3, 64.1 bis 64.3 können
so ausgeführt werden, dass die korrigierten digitalen Positionsinformationen
in korrigierte Positionsinformationen umgewandelt und korrespondierende
Messsignale mit den korrigierten Positionsinformationen erzeugt
werden, welche an die Systemsteuereinheit 10 ausgegeben werden.
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Alternativ
können die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3, 63.1 bis 63.3 so
ausgeführt werden, dass die aus den korrespondierenden
Messsignalen extrahierten fehlerbehafteten Positionsinformationen
an die Signalverarbeitungseinheit 68 ausgegeben werden,
wobei bei dieser Ausführungsform die Korrektureinheit 68.1 die
fehlerbehafteten Positionsinformationen direkt mit den digitalen
Korrekturwerten korrigiert und als korrigierte Positionsinformationen
an die Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3, 64.1 bis 64.3 ausgibt,
welche korrespondierende Messsignale mit korrigierten Positionsinformationen erzeugen
und an die Systemsteuereinheit 10 ausgeben.
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Als
weitere Alternative können die Signalaufbereitungseinheiten 61.1 bis 61.3, 63.1 bis 63.3 so ausgeführt
werden, dass aus den korrespondierenden Messsignalen extrahierte
fehlerbehaftete Positionsinformationen an die Signalverarbeitungseinheit 68 ausgegeben
werden, wo bei bei dieser Ausführungsform die Korrektureinheit 68.1 basierend
auf den fehlerbehafteten Positionsinformationen und den digitalen
Korrekturwerten korrigierte Positionsinformationen erzeugt und an
die Signalausgabeeinheiten 62.1 bis 62.3, 64.1 bis 64.3 ausgibt,
welche korrespondierende Messsignale mit den korrigierten Positionsinformationen
erzeugt und an die Systemsteuereinheit 10 ausgibt.
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Des
Weiteren umfasst die Korrekturvorrichtung 60 zur Synchronisation
und zum Datenaustausch mit dem Positionierungssystem 1 bzw.
mit dem Messsystem 70 verschiedene Schnittstelleneinheiten 65.1 bis 65.3 und
eine Triggereinheit 66. Die Schnittstelleneinheiten 65.1 bis 65.3 können
auch als Knoten eines Bussystems bzw. Kommunikationssystems ausgeführt
werden.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, ermittelt ein erfindungsgemäßes
Korrekturverfahren für eine Positionssensoreinheit 50 in
einem ersten Schritt S1 die Positionsabweichungen von mindestens
einer erfassten fehlerbehafteten Positionsinformation, die von einem
Messsignal übertragen wird, und/oder die Abweichungen,
insbesondere die systematischen Abweichungen der Systemgeometrie 20 eines
Positionierungssystems 1, in welchem die Positionssensoreinheit 50 eingesetzt
wird. In einem zweiten Schritt S2 werden aus den ermittelten Positionsabweichungen
der mindestens einen erfassten fehlerbehafteten Positionsinformation
und/oder aus den ermittelten Abweichungen der Systemgeometrie 20 die
Korrekturwerte für die vorgegebene Positionssensoreinheit 50 bestimmt
und gespeichert. In einem dritten Schritt S3 wird die während
des Betriebs des Positionierungssystems 1 erfasste mindestens
eine fehlerbehaftete Positionsinformation, die mit dem Messsignal übertragen
wird, durch gezieltes Einarbeiten der vorab bestimmten und gespeicherten
Korrekturwerte korrigiert. Abschließend wird in einem vierten
Schritt S4 mindestens ein modifiziertes Messsignal mit der korrigierten
Positionsinformation zur Bestimmung einer aktuellen Position eines
Elements ausgegeben.
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Zudem
kann die mindestens eine erfasste fehlerbehaftete Positionsinformation
vor der Einarbeitung der Korrekturwerte aus dem korrespondierenden
Messsignal extrahiert werden. Nach der Einarbeitung der Korrekturwerte
kann die mindestens eine korrigierte Positionsinformation wieder
in ein Messsignal eingearbeitet werden, welches als Messsignal mit
einer korrigierten Positionsinformation ausgegeben wird.
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Die
erfindungsgemäßen Ausführungsformen verbessern
in vorteilhafter Weise durch die gezielte Korrektur der fehlerbehafteten
Positionsinformationen mit den zuvor ermittelten Korrekturwerten
die Genauigkeit der Positionsbestimmung eines Elements, beispielsweise
innerhalb der Systemgeometrie eines Positionierungssystems. Durch
die Kompensation der Positionierungsabweichungen in den fehlerbehafteten
Positionsinformationen, die Teil eines übertragenen Messsignals
sind, ist die erfindungsgemäße Korrektur der Positionsfehler
in vorteilhafter Weise unabhängig vom Typ des Positionierungssystems
und somit universell einsetzbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19630205
A1 [0004]
- - DE 10126753 B4 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Wäldele,
F.: „Genauigkeitssteigerungen von Koordinatenmessgeräten
durch numerische Fehlerkorrektur", in CNC-Koordinatenmesstechnik,
expert verlag 1988, ISBN 3-8169-0220-0, Seite 189 bis 204 [0006]
- - VDI/VDE 2617-4: „Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten,
Kenngrößen und deren Prüfung, Drehtische
auf Koordinatenmessgeräten", Beuth Verlag, 1989 [0007]