DE19634575B4

DE19634575B4 - Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder eines Werkstückhalters

Info

Publication number: DE19634575B4
Application number: DE19634575A
Authority: DE
Inventors: Guenter Pritschow
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2016-08-28
Also published as: DE19634575A1; US6070335A

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder eines Werkstückhalters, der über Stäbe mit Antriebseinheiten gelenkig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein unbelasteter Meßarm (MA1) vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Bezugspunkten (M1, TCP') frei ausrichten kann und dessen Lage in einem Bezugsraum (BR) erfaßt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder Werkstückhalters nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einer Vorrichtung gemäß einer älteren Anmeldung ( DE 196 14 641 A1 ) ist der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter über Parallelstabkinematiken mit Antriebseinheiten gelenkig verbunden. Die Parallelstabkinematiken haben zueinander parallele Stäbe, die an ihrem einen Ende beweglich mit dem Werkzeug- und/oder Werkstückhalter verbunden sind, der als tragende Plattform in Form eines Tool Center Points (TCP) zur Aufnahme eines Werkstückes und/oder Werkzeuges ausgebildet ist. Die Parallelstäbe sind an ihrem anderen Ende in drei Freiheitsgraden beweglich, wobei je nach Bauart ein bis drei dieser Freiheitsgrade als Positionierachsen gebunden sind. Die Position des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters wird nicht direkt, sondern indirekt über die Position der Antriebseinheiten erfaßt. Dadurch können aber Abweichungen der Position des Werkzeug- und/oder Werkstückhalbers von der gewünschten Lage durch zum Beispiel Abdrängkräfte, Beschleunigungskräfte oder thermische Ausdehnungen der Stäbe nicht erkannt werden, wodurch sich fehlerhafte Bearbeitungen ergeben.

Bei einer Vorrichtung gemäß einer weiteren älteren Anmeldung ( DE 196 11 130 ) wird eine Plattform mittels räumlicher Maschinenkinema tiken mit mehreren Freiheitsgraden im Raum bewegt. Die Position der Plattform wird nicht erfaßt.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (WO 95/14905) wird die Position eines Werkzeughalters durch eine Vielzahl von Interferometern erfaßt. Sie haben jeweils eine lichtemittierende Einheit, die an einer Stützstruktur der Maschine angeordnet ist, und einen Reflektor, der fest an einer zweiten Stützstruktur der Maschine befestigt ist. Der Aufwand zur Bestimmung der Werkzeughalterposition ist erheblich.

Aus der US 5 179 525 A ist bekannt, die Position eines Werkzeughalters zu erfassen, der über Stäbe gelenkig mit einer starren Plattform verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß Abweichungen des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters von einer Sollposition zuverlässig erkannt werden.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der unbelastete Meßarm zur Lageerfassung des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters. Er wird nicht über Positionierantriebe ausgerichtet, sondern kann sich zwischen zwei Bezugspunkten oder Bezugslinien frei ausrichten. Hierbei wird die Lage der Freiheitsgrade des Meßarmes bezüglich seiner Bezugspunkte oder -linien erfaßt und jeweils der eine Bezugspunkt dem Werkzeug und/oder Werkstückhalter und der andere Bezugspunkt einer bekannten Lage im Bezugsraum bzw. in der Vorrichtung zugeordnet. Sobald die Position des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters sowie die Orientierung der diesen Halter tragenden Stäbe von einer vorgegebenen Sollage abweicht, führt dies zu einer Lage- und Positionsänderung des unbelasteten Meßarmes. Dessen Lage und Orientierung wird erfaßt und ausgewertet, wodurch die abweichende Lage des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters erfaßt und gegebenenfalls korrigiert werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung und in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 die Vorrichtung gemäß 1 in perspektivischer Darstellung.
Mit der Vorrichtung können räumliche Maschinenkinematiken gestaltet werden, um eine Plattform TCP (tool center point) im Raum zu bewegen. In 1 ist der Einfachheit halber diese Plattform TCP lediglich als Punkt dargestellt. Sie kann als Werkzeug- oder als Werkstückträger einer Werkzeugmaschine dienen. Die Anbindung der Plattform TCP kann über unterschiedliche kinematische Anordnungen paralleler Stäbe mit jeweils drei Freiheitsgraden erfolgen. Hier wurde beispielhaft eine Anordnung mit zwei Stäben L1, L2 gezeichnet, deren Länge konstant ist und die im gestellzugeordneten Fußpunkt einen translatorischen z und zwei rotatorische Freiheitsgrade α, β besitzen. Prinzipbedingt funktioniert die vorliegende Anordnung auch für alle anderen möglichen Freiheitsgrade der Fußpunkte, wie 1 × Rotation, 2 × Translation; 3 × Translationen; Translationen in x, y oder z.
Die beispielhaft gewählte Vorrichtung in perspektivischer Darstellung gemäß 2 hat drei zueinander parallele Linearführungen G1 bis G3, die sich in z-Richtung erstrecken und Teil eines Gestelles einer Werkzeugmaschine sind. Die Linearführungen G1 bis G3 können auch einen Winkel miteinander einschließen, so daß sie nicht parallel zueinander liegen. Auf den Linearführungen G1 bis G3 ist jeweils ein Antriebsschlitten A1 bis A3 verfahrbar. Jedem Antriebsschlitten A1 bis A3 sind jeweils zwei Gelenkpunkte 1, 2; 3, 4; 5, 6 zugeordnet. An den Gelenkpunkten 1, 2 des Antriebsschlittens A1 sind die einen Enden von Armen L1 angelenkt, deren andere Enden mit der Plattform TCP gelenkig verbunden sind. Auch die Gelenkpunkte 3, 4 und 5, 6 der Antriebsschlitten A2 und A3 sind über jeweils einen Arm L2 und L3 gelenkig mit der Plattform TCP verbunden. Die Arme L1 bis L3 haben konstante Länge und sind jeweils Teil von Parallelstabkinematiken.
Auf den Linearführungen G1 bis G3 ist außerdem jeweils ein Meßschlitten M1 bis M3 verfahrbar. Er befindet sich in der Darstellung gemäß den 1 und 2 mit Abstand oberhalb des jeweiligen Antriebsschlittens A1 bis A3. Diese Anordnung ist nur beispielhaft zu sehen. Die Meßschlitten können auch auf unabhängigen Linearführungen geführt werden, und im Fall längenveränderlicher Meßarme könnten die Meßschlitten sogar zugunsten fester Gestellpunkte entfallen.
Der Plattform TCP ist über feste Verbindungsarme VA eine Bezugsplattform TCP' zugeordnet. Die Verbindungsarme VA liegen parallel zu den Linearführungen G1 bis G3. Die Bezugsplattform TCP', die in 1 der Einfachheit halber lediglich als Punkt dargestellt ist, kann die gleiche Form haben wie die Plattform TCP. Am Meßschlitten M1 ist über ein Kugelgelenk 7 das eine Ende eines Meßarmes MA1 angelenkt, dessen anderes Ende über ein Kugelgelenk 8 mit der Bezugsplattform TCP' verbunden ist. Im Meßarm MA1 befinden sich Meßelemente ME, mit denen neben der Längenänderung des Meßarmes MA1 sämtliche Bezugswinkel sowohl zur Linearführung (α, β) als auch zur Bezugsplattform TCP' (γ₁, δ, γ₂) erfaßt werden.
Sofern die Meßstellen am Meßarm MA1 zur Bestimmung von Lage und Position des TCP' nicht ausreichen, können wei tere, zum Beispiel gleichartige Meßarme mit anderen Bezugspunkten installiert werden. In 2 sind zwei weitere Maßarme MA2 und MA3 konstanter Länge montiert, so daß über die Position der Schlitten M2 und M3 zwei zusätzliche Meßinformationen zur Verfügung stehen, womit am Meßarm M1 zwei Meßgrößen entfallen können.
Die Meßschlitten M2 und M3 sind jeweils über ein Kugelgelenk 9 und 10 mit dem einen Ende von Meßarmen MA2 und MA3 verbunden, deren andere Enden über jeweils ein Kugelgelenk 11 und 12 gelenkig mit der Bezugsplattform TCP' verbunden sind.
Der das Meßelement ME aufweisende Meßarm MA1 liegt zwischen zwei Bezugsorten, nämlich der Bezugsplattform TCP' und dem Meßschlitten M1 bzw. den zugehörigen Gelenken 8 und 7. Ist der Meßschlitten M1 mit dem Antriebsschlitten A1 fest gekoppelt, wird sich eine Verlagerung der Plattform TCP gegenüber ihrer Sollage neben einer Längenänderung durch eine Veränderung des Meßarmwinkels α₁ und β₁ bemerkbar machen (1). Der Winkel α₁ ist zwischen dem Meßarm MA1 und einer durch den Gelenkpunkt 7 des Meßschlittens M1 gehenden Horizontalen gemessen. Der Winkel β₁ (1) ist der bei einer Verdrehung des Meßarmes MA1 um die z-Achse gemessene Winkel. Die beiden Meßarmwinkel α₁ und β₁ sind somit die Winkellagen des Meßarmes MA1 gegenüber der senkrechten, zur in Antriebsrichtung z liegenden Ebene x-y. Aufgrund der Winkeländerung ändert sich auch die Länge des Meßarmes MA1, die mit dem Meßelement ME erfaßt werden kann. In den 1 und 2 ist diese Längenänderung mit Δl zwischen den festen Bezugspunkten TCP' und dem Fußpunkt 7 des Meßarmes MA1 am Meßschlitten M1 bezeichnet. Über die Positionswerte α1, β1 und A1 kann die relative Länge des Punktes TCP' gegenüber dem Fußpunkt 7 des Meßarmes MA1 bestimmt werden.
Um die absolute Lage im Bezugsraum BR, dem Aufstellort der entsprechenden Maschine, zu bestimmen, muß noch die Lage des Fußpunktes 7 des Meßarmes MA1 bzw. des Meßschlittens M1 erfaßt werden. Diese Lageerfassung erfolgt in z-Richtung zum Beispiel über den ohnehin notwendigen Maßstab für den lagegeregelten Antriebsschlitten A1. Außerdem erfolgt die Lageerfassung hinsichtlich der Abweichung in der horizontalen x-y-Ebene gegenüber der Sollage mit Hilfe eines Strahlpositioniermeßsystems. Eine solche Abweichung von der Sollage kann beispielsweise durch Abdrängkräfte, Beschleunigungskräfte, thermische Ausdehnungen der verschiedenen kraftflußbeteiligten Arme und dergleichen auftreten. Jedem Antriebsschlitten A1 bis A3 ist jeweils ein solches Strahlpositioniermeßsystem zugeordnet, so daß die Abweichungen der gestellseitigen Position sämtlicher Meßarme von ihrer Sollage zuverlässig festgestellt und bestimmt werden können. Jedes Strahlpositioniermeßsystem hat einen Sender LS, der eine feste Lage im Bezugsraum BR hat. Der Sender LS sendet einen Strahl aus, der parallel zur Idealausrichtung der Antriebsrichtung z verläuft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Strahlen St parallel zu den Linearführunqen G1 bis G3. Am jeweiligen Meßschlitten M1 bis M3 befindet sich jeweils ein Empfänger LE, der die Form eines x-y-Arrays hat und in der x-y-Ebene angeordnet ist. Nehmen die Linearführunqen G1, G2 ihre Ideal- bzw. Sollage ein, trifft der von den Sendern LS ausgesandte Strahl St beispielsweise auf den Schnittpunkt eines im x-y-Array vorgesehenen Kreuzungspunktes (1). Da die verschiedenen Arme in der beschriebenen Weise mit der Plattform TCP verbunden sind, nimmt sie dann auch ihre gewünschte Sollage ein. Treten Abweichungen in der Lage der Plattform TCP auf, dann kann dies in der beschriebenen Weise über die Meßgrößen α₁, β₁ und Δl erfaßt werden. Diese unerwünschten Verformungen können auch auch dazu führen, daß die Empfänger LE an den jeweiligen Meßschlitten M1 bis M3 ausgelenkt werden. Dies hat zur Folge, daß die von den Sendern LS ausgesandten Strahlen St nicht mehr am Sollort auf die Empfänger LE treffen. Die Abweichung zwischen Sollort und Istort dient zur Korrektur der Lagebestimmung in der x-y-Ebene des jeweiligen Meßschlittens M1 bis M3 im Bezugsraum BR.
Zur Bestimmung der Orientierung des Verbindungsarmes VA zwischen der Plattform TCP und der Bezugsplattform TCP' wird dieser Arm über ein Gelenk G mit der Bezugsplattform TCP' verbunden (1). Der Verbindungsarm VA enthält ein Drehgelenk, das so ausgebildet ist, daß der mit der Bezugsplattform TCP' verbundene Teil des Verbindungsarmes VA um einen Winkel γ₂ gegenüber dem mit der Plattform TCP verbundenen Teil des Verbindungsarmes drehen kann. Außerdem ist der Meßarm MA1 mit einem Drehgelenk um einen Winkel δ versehen. Der mit dem Meßschlitten M1 verbundene Teil des Meßarmes MA1 kann um seine Achse um den Winkel γ₁ gegenüber dem mit der Bezugsplattform TCP' verbundenen Teil des Meßarmes MA1 drehen. Mittels der Kenntnis der Position und Lage des Meßarmes MA1 an der Bezugsplattform TCP' und der Winkelpositionen von γ₁, δ und γ₂ kann die Orientierung des Verbindungsarmes VA im Bezugsraum BR einfach bestimmt werden. Eine andere Form der Bestimmung der Orientierung kann gemäß 2 durch die Lagebestimmung der Plattformebene TCP' über die Lageerfassung der Gelenkpunkts 8, 11, 12 erfolgen. Mit der Kenntnis der Ebenenlage TCP' ist die Orientierung bestimmt.
In den bisher beschriebenen Fällen war der jeweilige Meßschlitten M1 bis M3 mit dem jeweiligen Antriebsschlitten A1 bis A3 gekoppelt, so daß der jeweilige Meßschlitten keinen Antrieb hatte, sondern vom Antriebsschlitten mitgenommen wurde. Wird die Lage des Meßschlittens M1 bis M3 freigegeben, d.h. die Kopplung zwischen Meßschlitten und Antriebsschlitten aufgegeben, läßt sich das Meßsystem zur Erfassung der Längenänderung Δl des Meßarmes MA1 vorteilhaft einsparen. Der Meßarm MA1 erhält eine konstante Länge, wodurch die Bezugsplattform TCP' den Meßschlitten M1 in die entsprechende z-Position verschiebt. Auch dadurch läßt sich die Sollposition der Plattform TCP einfach überwachen. und korrigieren.
Sofern bestimmte Freiheitsgrade des Meßarmes nicht erfaßt werden, können diese durch die Erfassung von Freiheitsgraden weiterer Meßarme, die sich zwischen anderen Bezugsorten ausrichten müssen, ersetzt werden. So läßt sich beispielsweise gemäß 1 bei fest mit dem Antriebsschlitten A1 gekoppelten Meßschlitten M1 die Erfassung der Längenänderung Δl des Meßarmes MA1 durch die Installation eines zweiten gleichartigen Meßarmes MA2 zwischen der Bezugsplattform TCP' und dem Meßschlitten M2 ersetzen, dessen Winkellage α₂ gegenüber der x-y-Ebene bestimmt wird.
Sofern die Bezugsplattform TCP' ohne Verbindungsarm VA zur Plattform TCP positioniert werden kann, zum Beispiel indem für die Bewegung der Bezugsplattform TCP' ein gleich gestalteter kinematischer Aufbau benutzt wird wie für die Lastplattform TCP und die Meßschlitten M1, M2, M3 mit den entsprechenden Antriebsschlitten A1, A2, A3 gekoppelt sind, läßt sich zur Bestimmung der Lage der Plattform TCP auch eine Differenzmessung zwischen der Bezugsplattform TCP' und der Plattform TCP heranziehen.
In den beschriebenen Beispielen wird der unbelastete Meßarm MA1, MA2, MA3 zur Lageerfassung der Plattform TCP herangezogen. Der Meßarm kann sich zwischen zwei Bezugspunkten oder Bezugslinien frei ausrichten. Dabei wird die Lage der Freiheitsgrade dieses Meßarmes MA1, MA2, MA3 bezüglich seiner Bezugspunkte oder Bezugslinien erfaßt und jeweils der eine Bezugspunkt der Plattform TCP und der andere einer bekannten Lage im durch die Linearführungen G1 bis G3 definierten Grundgestell zugeordnet. Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich die Position der Plattform TCP einfach und zuverlässig erfassen. Außerdem läßt sich mit der Vorrichtung in der beschriebenen Weise die durch die Plattform TCP und die Bezugsplattform TCP' vorgegebene Orientierung der beschriebenen Parallelstabkinematik mittels des unbelasteten Meßarmes MA1 bzw. MA2 bzw. MA3 einfach erfassen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung drei Parallelstabkinematiken, die jeweils die Arme L1 bis L3 aufweisen. Sie liegen innerhalb der jeweiligen Parallelstabkinematik parallel zueinander und sind an einem Ende gelenkig mit der Plattform TCP und am anderen Ende gelenkig mit dem jeweiligen Antriebsschlitten A1 bis A3 verbunden. An den Antriebsschlitten A1 bis A3 sind die Stäbe bzw. Arme L1 bis L3 in drei Freiheitsgraden beweglich gelagert. Mit den Parallelstabkinematiken, deren Arme L1 bis L3 konstante Länge haben und die jeweils die Linearantriebe A1 bis A3 aufweisen, wird die Lage der Plattform TCP im Raum festgelegt. Durch Verfahren der Antriebsschlitten A1 bis A3 längs der gestellfesten Linearführungen G1 bis G3 kann die Plattform TCP in die jeweils gewünschte Lage eingestellt werden.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder eines Werkstückhalters, der über Stäbe mit Antriebseinheiten gelenkig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein unbelasteter Meßarm (MA1) vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Bezugspunkten (M1, TCP') frei ausrichten kann und dessen Lage in einem Bezugsraum (BR) erfaßt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Meßarmes (MA1) mit einem Meßschlitten (M1) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) auf einer Führung (G1) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Meßarmes (MA1) mit einem dem Werkzeug- und/oder Werkstückhalter (TCP} zugeordneten Bezugspunkt (TCP') verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter (TCP) über Parallelstabkinematiken (L1, L2, ...) mit den Antriebseinheiten (A1, A2, ...) gelenkig verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gestellseitige Ende des Meßarmes (MA1) gelenkig mit dem Meßschlitten (M1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) mit einer Antriebseinheit (A1, A2, ...) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßarm (MA1) Meßelemente (ME) vorgesehen sind, mit denen eine Längenänderung (Δl) des Meßarmes (MA1), die Winkellage (α) gegen die Führungsbahn (G), die Winkellage (β) senkrecht zur Führungsbahn, die Verdrehung (γ₁) zwischen den beiden Enden des Meßarmes sowie die Verdrehung (γ₂) des Verbindungsarmes (VA) erfaßbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) unabhängig von der Antriebseinheit (A1, A2, ...) längs einer Führung mittels des Meßarmes (MA1) verfahrbar ist, dessen Länge unveränderlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Meßschlittens (M1) in einer zu seiner Bewegungsrichtung quer, vorzugsweise rechtwinklig liegenden Ebene (x-y) mittels wenigstens eines unabhängigen Lagepositionsmeßsystems (LS, LE) erfaßbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagepositionsmeßsystem wenigstens einen im Bezugsraum (BR) ortsfest angeordneten Sender (LS) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagepositionsmeßsystem wenigstens einen am Meßschlitten (M1 bis M3) angeordneten Empfänger (LE) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (LE) ein x-y-Array ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter (TCP) mit dem einen Bezugspunkt (TCP') über mindestens einen Verbindungsarm (VA) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsarm (VA) ein um seine Achse drehbares Gelenk angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsarm (VA) am Bezugspunkt (TCP') angelenkt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsarm (VA) parallel zur Bewegungsrichtung (z) der Antriebseinheit (A1 bis A3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters (TCP) weitere Meßarme (MA1 bis MA3) vorgesehen sind, denen jeweils Bezugspunkte zugeordnet sind und deren Freiheitsgrade zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters (TCP) erfaßt werden.