DE3302063A1 - Einrichtung zur kompensation von fehlern an werkzeug- oder messmaschinen sowie an industrie-robotern - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug-
• oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern mit mindestens einem Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte.
• Alle bekannten Werkzeugmaschinen unterliegen Fehlereinflüssen, die dazu führen, daß an den zu fertigenden Werksticken Maß-, Lage- und Formabweichungen von den vorgegebenen Sollwerten entstehen. Auch Meßmaschinen besitzen geometrische Fehler, wie Positions- und Rechtwinkligkeitsfehler, die die Meßergebnisse verfälschen.
• In zahlreichen Veröffentlichungen wurde bereits über die Auswirkungen einzelner Störparameter, beispielsweise der der Werkstückgewichtsbelastung, der Temperatur-, Reibungs-und Spieleinflüsse sowie der unvermeidlichen Fertigungstoleranzen, wie sie insbesondere bei der Serienproduktion von Werkzeugmaschinen auftreten, berichtet. Teilweise wurden Kompensationsmöglichkeiten der durch diese Störeinflüsse auftretenden Bearbeitungsfehler angedeutet.
• Die Ursachen der durch derartige Störungen auftretenden Fehler an-Werkzeug- und Meßmaschinen lassen sich im wesentlichen auf drei Problemschwerpunkte reduzieren: 1. Herstellungsbedingte Fehler: Unter diese Kategorie fallen in erster Linie Positionierabweichungen innerhalb der Maschine, die beispielsweise durch fehlerhaftes Schleifen der Führungsbahnen, durch Steigungsfehler der Spindel, durch Fehler in den Meßsystemen oder durch eine fehlende Rechtwinkligkeit der Maschinenachsen Maßabweichungen -bei einem vorgesehenen Bearbeitungsproblem bewirken.
• 2. Lastbedingte Fehler: Derartige Lastfehler entstehen statisch durch Verlagerung von Eigengewichten des Schlittens der Werkzeug- bzw. Meßmaschine, insbesondere wenn dieser in extreme Lagepositionen verfahren wird. Bei Werkzeugmaschinen werden solche statischen Lastfehler durch das Eigengewicht aufgespannter Werkstücke verstärkt. Auch infolge der am Werkzeugeingriffpunkt wirkenden Zerspankräfte erfolgt eine Verformung der Werkzeugmaschine, aus welcher Maßabweichungen an der Wirkstelle resultieren. Bei Werkzeugmaschinen werden somit die statischen Lastfehler durch mehr oder weniger stark ausgeprägte dynamische Komponenten überlagert.
• 3. Temperaturbedingte Fehler: In Abhängigkeit lokaler Wärmequellen an und in der Werkzeugmaschine sowie als Folge inhomogener Wärmeleitung und somit eines inhomogenen Temperaturfeldes in der Maschine treten Verlagerungen einzelner Bauteile auf, die in ihrer Summe als Gesamtverlagerung an der Wirkstelle meßbar sind.
• Eine Korrektur herstellungsbedingter Fehler erfolgt bisher meist nur durch Kompensation der Spindelsteigungsfehler, wodurch gewisse Positionierfehler des Wegmeßsystems vermieden werden können. Bei neueren CNC-Steuerungen besteht auch die Möglichkeit, ein Werkstück zu vermessen und der Steuerung Korrekturwerte für einzelne Meßpunkte einzugeben.
• Rechtwinkligkeitsfehler können auf diese Weise nur mit einem extrem großen Aufwand kompensiert werden.
• Daneben existieren ACC-geregelte Werkzeugmaschinen, bei denen meist in Abhängigkeit von der Schnittkraft oder der Stromaufnahme des Hauptmotors die Schnittdaten, wie Vorschub oder Drehzahl, variiert werden. Die Heranziehung der Schnittkraft-Meßresultate zur Kompensation der entstehenden Verlagerung findet jedoch nicht statt, so daß bei allen bisher bekannten Werkzeugmaschinen lastbedingte Fehler in Kauf genommen werden müssen.
• Mit thermischen Deformationen an Werkzeugmaschinen haben sich viele Arbeiten beschäftigt. Ein Teil der Untersuchungen geht davon aus, daß besonders bei Drehmaschinen in Abhångigkeit von Drehzahl und Zeit Verlagerungen auftreten, die sich als Funktion der Temperaturen an verschiedenen Meßstellen darstellen lassen. Zwar können thermisch bedingte Fehler durch eine thermo-symmetrische Konstruktion der Werkzeugmaschine und durch eine schnelle Späneabfuhr erheblich eingegrenzt werden, völlig verhindert werden können thermische Verlagerungen hingegen nicht. Dies gilt besonders -für Fräsmaschinen.
• Obwohl bereits vor längerer Zeit Versuche zur regeltechnischen Kompensation derartiger thermisch bedingter Fehler unternommen wurden, um mittels hydraulischer oder pneumatischer Wandler aufgrund von an bestimmten Stellen der Werkzeugmaschine gemessenen Temperaturen eine der Werkzeugzustellung überlagerte Zustellungskorrektur durchzuführen, gestalten sich die regeltechnischen Maßnahmen sehr aufwendig, weil das Auffinden der mathematischen Zuordnung äußerst kompliziert ist.
• Nur durch eine intelligente Kompensationseinrichtung, die mit geeigneten mathematischen Beziehungen aus dem Temperaturniveau eines oder einer bestimmten Anzahl definierter Punkte am Werkzeugmaschinenkörper die thermische Verlagerung' der Maschinenspindel ermittelt und an den Regelkreis geeignet weiterleitet, lassen sich solche Fehler kompensieren.
• Von Bedeutung ist hierbei ferner, daß die thermischen Ver--lagerungen außerdem immer im Zusammenhang mit Rechtwinkligkeitsfehlern gesehen werden müssen.
• Zusammenfassend läßt sich somit zum gegenwärtigen Stand der Entwicklung sagen, daß die Ursachen der an Werkzeugmaschinen auftretenden herstellungsbedingten, lastabhängigen und thermischen Verlagerungen ausreichend ermittelt sind. Bei der Kompensation der daraus resultierenden Bearbeitungsfehler sind aber die Möglichkeiten, die sich in Verbindung mit NC- oder CNC-Werkzeugmaschinensteuerungen bieten, bisher kaum genutzt worden. Gewisse Steuerungen bieten zwar Sollwertkorrekturen an, die über ein Software-Programmsystem einmalig eine Fehleranpassung - zumindest in einer Achse -gestatten. Die bekannten Korrekturverfahren sind jedoch ausschließlich. an eine bestimmte Steuerung angepaßt. Als Beispiel sei hier die e Kompensation von Relativverlagerungen bei einigen Drehmaschinen genannt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern, die mindestens ein Wegmeßsystem und eine Vorrichtung zur Anzeige bzw. eine Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte besitzen, zu schaffen, die ohne komplizierte und zusätzliche Regeleinrichtungen in der Maschine herstellungsbedingte, lastbedingte und temperaturbedingte Verlagerungen unter Zuhilfenahme der Mikroprozessortechnik kompensiert, wobei die Einrichtung flexibel und in weiteren Bereichen kompatibel sein soll.
• Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Wegmeßsystem der Werkzeug-oder Meßmaschine sowie des Industrie-Roboters ein Rechner nachgeschaltet ist, der die-vom Wegmeßsystem gemessenen Positionswerte (Istwerte) vor ihrer Anzeige bzw. Weiterverarbeitung mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für alle möglichen Positionen, thermischen Zustände und Lastbedingungen ermittelt wurden und in dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner abgespeichert bzw. in-Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen berechnet worden sind.
• Da die erfindungsgemäße Einrichtung die vom Wegmeßsystem -gemessenen Istwerte mit den für alle möglichen Positionen, thermischen Zustände und Lastbedingungen gespeicherten bzw.
• berechneten Korrekturwerten so überlagert, daß bei der Weitergabe der Meßwerte an den Soll-Istwert-Vergleicher der Maschine dem Lageregelkreis ein "korrigierter Positionswert vorgetäuscht wird, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kein Eingriff in den Regelkreis der Maschine, der eine Änderung des Stabilitätsverhaltens zur Folge hat.
• Die erfindungsmäßige Einrichtung ist darüber hinaus unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Maschinensteuerung, da sie zwischen dem jeweiligen Wegmeßsystem und der eigentlichen Maschinensteuerung angeordnet ist und lediglich die dem Soll-Istwert-Vergleicher der Maschinensteuerung zugeführten Istwerte (unter Berücksichtigung der zuvor festgestellten Fehlerquellen) korrigiert. Die den gemessenen Werten (Istwerten) überlagerten Korrekturwerte sind diejenigen Größen, die vorher als herstellungs-, temperatur- oder lastabhängige Fehler meßtechnisch erfaßt und damit gespeichert oder berechnet wurden. Da Meßsysteme an numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen überwiegend derart beschaffen sind, daß sie jeweils nach einem bestimmten Verfahrabstand einen Impuls an die Maschinensteuerung abgeben, welche diese Impulse zählt und so die aktuelle Position ermittelt, genügt es bei der erfindungsmäßigen Einrichtung, im Falle einer notwendig gewordenen Korrektur entweder einen zusätzlichen Impuls zu!suggerieren oder einen tatsächlichen Impuls zu unterdrücken, um die gewünschte Kompensation durchzuführen.
• Die Erfindung gestattet somit, herstellungsbedingte Fehler in Abhängigkeit von der Maschinenposition durch translatorische Korrekturen in allen drei Achsen und damit auch Verlagerungen und Verkippungen auszugleichen. Bei mehr als dreiachsig gesteuerten Maschinen kann die Korrektur nicht nur translatorisch, sondern ggf. auch rotatorisch erfolgen.
• Lastbedingte Verlagerungen und Verkpippungen können ebenso ausgeglichen werden wie Fehler, die durch Wärmedehnungen entstehen.
• Für herstellungsbedingte Fehler ist es zwar erforderlich, diese für jede Maschine einzeln zu ermitteln und in dem Rechner abzuspeichern; die beiden anderen Fehlerarten dagegen, nämlich die lastbedingten und thermischen Fehler, sind weitgehend typbedingt und brauchen daher nur einmal für jeden Maschinentyp bzw. Baureihe ermittelt und gespeichert werden.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Lagefehler (Positions- und Rechtwinkligkeitsfehler), vorzugsweise mittels LASER, durch Vergleich von in diskreten Positionsabständen ermittelten Soll- und Istwerten bestimmt und in Form einer Wertetabelle für jede der drei Achsrichtungen gespeichert. Die Abspeicherung der Korrekturwerte erfolgt vorzugsweise binär.
• Der thermische Zustand der Maschine wird erfindungsgemäß durch an mehreren ausgesuchten Stellen angeordnete Temperatursensoren erfaßt; die unter realen Arbeitsbedingungen auftretenden thermischen Verlagerungen der Wirkstelle werden über den gesamten Temperaturbereich gemessen und in Form von mathematischen Beziehungen, bezogen auf jede der drei Achsrichtungen, gespeichert. Die mathematischen Beziehungen zwischen thermischem Zustand der Maschine und auftretenden Verlagerungen werden vorzugsweise durch geeignete Regressionsverfahren ermittelt.
• In Weiterbildung des erfindungsmäßigen Vorschlages werden während des Betriebes der Maschine die Temperaturen an den Meßstellen durch einen Rechner abgefragt, in die mathematischen Beziehungen für die Abweichung in den drei Achsrichtungen eingesetzt und zu Korrekturwerten verarbeitet.
• Nach einer einmaligen Ermittlung der mathematischen Beziehungen für den jeweiligen Maschinentyp ist somit eine Kompensation thermischer Fehler allein durch Uberwachen der Temperaturen an ausgesuchten Stellen möglich.
• Lastabhängige Fehler werden schließlich gemeinsam mit proportionalen Signalen von Dehnmeßstreifen ermittelt, wobei die zu speichernden Korrekturwerte für die lastabhängigen Fehler vom Einfluß der thermischen Fehler befreit werden.
• Hierdurch ist es mit der Erfindung möglich, auch lastabhängige Fehler zu korrigieren, wozu während des Betriebes der Maschine laufend die Signale der Dehnmeßstreifen durch einen Rechner abgefragt und die gespeicherten Korrekturwerte der lastabhängigen Fehler entsprechend dem Abfrageergebnis den Istwerten des Wegmeßsystems überlagert werden.
• Bei den dynamischen Belastungen infolge Schnittkraftschwankungen erfolgt die Korrektur der Verlagerung nur hinsichtlich ihrer zeitlichen Mittelwerte, wobei die Mittelungsdauer sich nach der Dynamik des Regelkreises richtet.
• Die erfindungsmäßige Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern ermöglicht somit mit Hilfe eines geringen Meßaufwandes, der lediglich bezüglich der herstellungsbedingten Fehler für jede einzelne Maschine durchgeführt werden muß, ansonsten für eine ganze Maschinenserie ermittelt werden kann, eine vollständige Kompensation der herstellungsbedingten, lastbedingten und thermischen Fehler, ohne daß es hierzu eines Eingriffes in die jeweils vorhandene Maschinensteuerung bedarf.
• Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompensations-Einrichtung bei drei messenden Achsen anhand eines Schaltschemas dargestellt.
• An verschiedenen Temperaturmeßstellen der Maschine werden die lokalen Temperaturen mittels Temperatursensoren d1 bis dm gemessen. Durch nachgeschaltete Analag-Digital-Wandler W1 bis Wm steht deren Wert digital zur Verfügung. In einem zugeordneten Temperaturprozessor OCP-T'(OCP: one chip processor) werden diese Werte, die durch sequenzielles Ansprechen der einzelnen Wandler W1 bis Wm abgefragt werden, mit den einmalig für einen Maschinentyp erstellten Temperatur-Verlagerungs-Beziehungen verknüpft.
• Das Ergebnis, nämlich die durch Wärmedehnungen entstandene Verlagerung der Wirkstelle in Relation zu einem vorgegebenen Nullniveau, wird einem Master-Prozessor QCP-M getrennt für jede Achse immer dann zur Verfügung gestellt, wenn die seit der letzten Temperaturkompensation aufgetretene Verlagerung gerade dem kleinsten Verfahrinkrement entspricht.
• Durch Wegmeßzähler x, y und z werden die vom Wegmeßsystem M kommenden Wegimpulse mitgezählt, wobei der aktuelle Stand aller Achsen jederzeit durch den Master-Prozessor OCP-M abgefragt werden kann.
• Erkennen die Wegmeßzähler x, y, z aufgrund einer vorgegebenen Korrekturtabelle, daß ein Positionswert erreicht ist, der eine Korrektur in einer der Achsen erforderlich macht, so werden Größe des Korrekturwertes (üblicherweise ebensdgroß -wie der kleinste mögliche Verfahrschritt der Maschinensteuerung), Richtung und Angabe der zu korrigierenden Achse dem Master-Prozessor OCP-M übermittelt.
• An verschiedenen geeigneten Stellen der Maschine sind Dehnungssensoren e1 bis em angebracht, welche die Oberflächenspannungen messen. In Verbindung mit ihnen zugeordneten Verstärkern V1 bis Vm entstehen zu den Oberflächenspannungen proportionale Spannungssignale. Hieraus berechnet ein Lastprozessor OCP-S in vorbeschriebener Weise die an der Wirkstelle auftretenden Verlagerungen in den einzelnen Achsen als Folge der dort wirkenden Kräfte. Sind voreingestellte Parameter, die für die Berechnung erforderlich sind, von Maschinenpositionen abhängig, so ermittelt der Lastprozessor OCP-S die aktuelle Position über den Master-Prozessor OCP-M.
• Um nicht durch Wärmedehnung hervorgerufene Maschinenspannungen für Lastspannungen zu deuten (und sie dann nochmals zu kompensieren), wird die Größe der lastabhängigen Spannungen um den Einfluß der temperaturabhängigen Spannungen bereinigt. Der Last-Prozessor OCP-S fragt über- den Master-Prozessor OCP-M den aktuellen Zustand im Temperatur-Prozessor OCP-T ab und berücksichtigt diese Werte bei der lastabhängigen Verlagerungsberechnung.
• Auch der Last-Prozessor OCP-S stellt Korrekturgröße und Richtung, für jede Achse getrennt, dem Master-Prozessor OCP-M zur Verfügung.
• Aus allen ihm zugeleiteten Verlagerungsinformationen ermittelt der Master-Prozessor OCP-M für jede Achse den zu korrigierenden Gesamtfehler.
• Die mit "+" dargestellten Symbole kennzeichnen die Phasenschieber Pxs Pyv Pz für jede Achse. Ein positiver Impuls vom Wegmeßsystem M veranlaßt den Phasenschieber Px bzw.
• P bzw. P z ebenso wie ein positiver Impuls vom Mastery Prozessor OCP-M,einen positiven Impuls an die Maschinensteuerung S weiterzugeben. Das gleiche gilt für einen negativen Impuls. Heben sich Impuls vom Wegmeßsystem M und Impuls vom Master-Prozessor OCP-M wegen unterschiedlichen Vorzeichens gerade auf, so wird. kein Impuls weitergegeben.
• Ist im Master-Prozessor OCP-M ein Korrekturwert bestimmt worden; der in einer Achse mehreren Korrekturimpulsen entspricht, so werden diese Impulse hintereinander mit maximal der Taktrate ausgegeben, die von der Maschinensteuerung S noch verarbeitet werden kann.
• Uberschreiten die Taktraten der Wegmeßsignale, beispielsweise bei sehr hohen Eilgangsgeschwindigkeiten, jene Grenze, unterhalb derer es dem Master-Prozessor OCP-M möglich ist, Korrekturwerte dazwischenzuschieben, sammelt er die Korrekturwerte und gibt diese erst dann aus, wenn die Taktrate der Meßsignale auf ein genügend reduziertes Niveau gesunken ist. Damit läßt sich vermeiden, daß nicht eindeutige Zustände in den Phasenschiebern PxS PyS Pz entstehen.
• Bezugszeichenliste d1 bis dm Temperatursensor e1 bis. em Dehnungssensor M Wegemeßsystem OCP-M Master-Prozessor OCP-S Last-Prozessor OCP-T Temperatur-Prozessor Px,-Py, Pz Phasenschieber S Maschinensteuerung V1 bis Vm Verstärker W1 bis Wm Analog-Digital-Wandler x, y, z Wegmeßzähler

Claims (8)

1. P a t e-n t a n s p r ü c h e De Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug-oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern mit mindestens einem Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte, dadurch gekennzeichnet daß dem Wegmeßsystem ein Rechner nachgeschaltet ist, der die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte vor ihrer Anzeige bzw. Weiterverarbeitung mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für alle möglichen Positionen, thermischen Zustände und Lastbedingungen ermittelt und in dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner zugeordneten Speichern abgespeichert bzw. in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen Rechner berechnet sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lagefehler (Positions- und Rechtwinkligkeitsfehler), vorzugsweise mittels LASER, durch Vergleich von in diskreten Positionsabständen ermittelten Soll- und Istwerten erfaßt und in Form einer Wertetabelle für jede der drei Achsrichtungen gespeichert werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspeicherung der Korrekturwerte binär erfolgt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Zustand der Maschine durch an mehr ren ausgesuchten Stellen angeordnete Temperatursensoren erfaßt wird und daß die unter realen Arbeitsbedingungen auftretenden Verlagerungen der Wirkstelle über den gesamten Temperaturbereich gemessen und in Form von mathematischen Beziehungen, bezogen auf åede der drei Achsrichtungen, gespeichert werden.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematischen Beziehungen zwischen thermischem Zustand der Maschine und auftretenden Verlagerungen durch geeignete Re.gressionsverfahren ermittelt werden.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Maschine die Temperaturen an den Meßstellen durch einen Rechner abgefragt, in die mathematischen Beziehungen für die Abweichungen in den drei Achsrichtungen eingesetzt und zu Korrekturwerten verarbeitet werden.
7. 7.. Einrichtung nach mindestens einem -der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß lastabhängige Fehlergemeinsam mit proportionalen Signalen von Dehnmeßstreifen ermittelt werden und daß die zu speichernden Korrekturwerte vom Einfluß der thermischen Fehler befreit sind.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebs der Maschine laufend die Signale der Dehnmeßstreifen durch einen Rechner abgefragt und die gespeicherten Korrekturwerte der lastabhängigen Fehler entsprechend dem Abfrageergebnis den Istwerten des Wegmeßsystems überlagert werden.