DE3302063C2 - Einrichtung zur Kompensation von Lagefehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern - Google Patents

Abstract

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. Um ohne komplizierte und zusätzliche Regeleinrichtungen an der Maschine herstellungsbedingte, lastbedingte und temperaturbedingte Verlagerungen unter Zuhilfenahme der Mikroprozessortechnik zu kompensieren, ist dem Wegmeßsystem der Werkzeug- oder Meßmaschine oder des Industrie-Roboters ein Rechner nachgeschaltet, 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.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zu Kompensation von Lagefehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern mit mindestens einem Inkrementalen Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte, wobei dem Wegmeßsystem ein Rechner zugeordnet ist, der die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für eine Vielzahl von Positionen unter unterschiedlichen Lastbedingungen ermittelt und in Speichern, die dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner zugeordnet sind, abgespeichert sind und in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen Rechner ermittelt werden. Eine Einrichtung dieser Art ist aus der EP-PS 62 076 bekannt.

Alle bekannten Werkzeugmaschinen unterliegen Fehlereinflüssen, die dazu führen, daß an den zu fertigenden Werkstücken 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 Kompensa'.lonsmöglichkeiten 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 Positionsabweichungen innerhalb der Maschine, die beispielsweise durch fehlerhaftes Schleifen der Führungsbahnen, durch Stelgungsfehler 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 Werkzeugbzw. 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 Welse 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 Hauptmolors die Schnittdaten, wie Vorschub oder Drehzahl, variiert werden. Die Heranziehung der Schnittkraft-Meßresultaie 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. FJn Teil der Untersuchungen geht davon aus, daß besonders bei

Drehmaschinen In Abhängigkeit von Drehzahl und Zeit Verlagerungen auftreten, die sich als Funktion der Temperaturen an verschiedenen Meßstellen darstellen lassen. Zwar können thermisch bedingte Fehler durch eine ihermo-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 regel- jo technischen 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 durchführen, gestalten sich die regeltechnischen Maßnahmen sehr aufwendig, weil das Auffinden der mathematischen Zuordnung äußerst kompliziert ist.

Nur durch eine intelligente Kompensadonseinrichtung, 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 Verlagerungen 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 herstellungsbedingtcn, lastabhängigen und thermischen Verlagerungen ausreichend ermittelt sind. Bei der Kompensation der daraus resultierenden Bearbeitungsfehler sind aber die Möglichkellen, die sich in Verbindung mit NC- oder CNC-Wcrkzeugmaschinensteuerungen bieten, bisher kaum genutzt worden. Gewisse Steuerungen bieten zwar Sollwcrtkorrekluren 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 Kompensation von Relativverlagerungen bei einigen Drehmaschinen genannt.

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der EP-OS 62 076. Bei dieser bekannten Einrichtung an Industrie-Robotern erfolgt die Überlagerung der Istwerte mit den Korrekturwerten im Regelkreis des Industrie-Roboters, d. h. nach dem Soll-Istwert-Vergleich. Hierdurch erfolgt ein Eingriff in die Steuerung des Industrie-Roboters, der Insbesondere bei einem nachträglichen Umbau problematisch ist. Mit der bekannten Einrichtung können lediglich lastbedingte Verlagerunge, d. h. Posilionsfehler in einer Achse kompensiert werden.

Der Erfindung liegt ausgehend von der bekannten Einrichtung die Aufgabe zugrunde, ohne einen Eingriff in die eigentliche Steuerung eine Kompensation sowohl lastbedingter Positionsfehler als auch von Rechtwlnkllgkeitsfchlern zu ermöglichen und die Voraussetzungen für die Kompensation auch thermisch bedingter Fehler zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der Istwerte mit den Korrekturwerten je Achse inkremental vor der Verarbeitung der Istwerte im Soll-Istwert-Verglelcher erfolgt und daß Rechtwinkllgkeitsfehler durch Wertetabellen kompensiert werden, die durch einen Vergleich von in diskreten Positionsabständen je Achse ermittelten Soll- und Istwert entstehen und Korrekturwerte für jede der drei Achsen enthalten.

Da die erfindungsgemäße Einrichtung die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte mit den für eine Vielzahl von Positionen, thermischen Zuständen und Lastbedingungen gespeicherten bzw. berechneten Korrekturwerten so überlagert, daß bei der Weitergabe der Meßwerte an den Soll-Istwert-Vergleicher der Maschine bzw. des Industrie-Roboters 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 hätte. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist darüber hinaus unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Maschinensteuerung bzw. Anzeigevorrichtung, da sie zwischen dem jeweiligen Wegmeßsystem und der eigentlichen Maschinensteuerung bzw. Anzeigevorrichtung angeordnet ist und lediglich die dem Soll-Istwert-Vergleicher 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 Maschinen und Industrie-Robotern überwiegend derart beschaffen sind, daß sie jeweils nach einem bestimmten Verfahrabstand einen Impuls an die Steuerung abgeben, die diese Impulse zählt und so die aktuelle Position ermittelt, genügt es bei der erfindungsgemäßen 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 jeweiligen Position durch translatorische Korrekturen in allen drei Achsen und damit auch Verlagerungen und Verkippungen auzugleichen. Bei mehr als dreiachsig gesteuerten Maschinen und Industrie-Robotern kann die Korrektur nicht nur translatorisch, sondern ggf. auch rotatorisch erfolgen. Die Kompensation dieser Rechtwinkligkeitsfehler erfolgt durch Wertetabellen, die je Achse durch einen Vergleich von In diskreten Positionsabständen ermittelte Soll- und Istwerte entstehen, wobei diese Tabellen für die für jede Achse vorgegebenen Positionen Korrekturwerte für jede der drei Achse enthalten.

Für die herstellungsbedingten Fehler ist es zwar erforderlich, diese für jede Maschine bzw. jeden Industrie-Roboter einzeln zu ermitteln und in den dem Rechner zugeordneten Speichern abzuspeichern. Die beiden anderen Fehlerarten, nämlich die lastbedingten und thermischen Fehler, sind weitgehend typbedingt und werden daher nur einmal für jeden Maschinentyp bzw. für jede Baureihe ermittelt und gespeichert. Die Abspeicherung der Korrekturwerte erfolgt vorzugsweise binär.

Aus der DE-OS 25 08 968 war es zwar bekannt. Istwerte vor der Steuerung durch Werte eines zweiten Wegmeßsystems zu verändern. Diese Einrichtung erfordert somit nicht nur ein zweites Meßsystem, das durch seine Zuordnung zum ersten Meßsystem eine weitere Fehlerquelle darstellt, sondern benötigt eine aufwendige Verarbeitung der beiden Meßsignalreihen vor deren Weitergabe als Korrekturwert.

Mit der Erfindung werden die Voraussetzungen zur Kompensation auch thermischer Fehler geschaffen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält zu diesem Zweck der dem Rechner zugeordnete Speicher zusätzlich mathematische Beziehungen, die unter realen Arbeitsbedingungen den Zusammenhang zwischen dem thermischen Zustand und hieraus resultierenden Lagefehlern bezogen auf jede der drei Achsen beschreiben und aus denen in Abhängigkeit des jeweiligen thermischen Zustands, der durch an mehreren ausgesuchten Stellen angeordnete Temperatursensoren erfaßt wird, Korrekturwertanteile für den thermischen Zustand errechnet werden. Nach einer einmaligen Ermittlung der mathematischen Beziehungen für den jeweiligen Maschinentyp ist somit eine Kompensation thermischer Fehler allein durch Überwachen der Temperaturen an ausgesuchten Stellen möglich. Die mathematischen Beziehungen zwischen thermischem Zustand der Maschine und auftretenden Verlagerungen werden vorzugsweise durch geeignete Regressionsverfahren ermittelt.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die mit Hilfe der Signale von Dehnmeßstreifen ermittelten lastbedingten Korrekturwertanteile vom Anteil der Dehnmeßstreifensignale aufgrund des rein thermischen Zustands zu befreien. Hierdurch ist es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, lastabhängige Fehler durch den Einsatz von Dehmeßstreifen zu korrlgieren, wozu während des Betriebes laufend die Signale der Dehnmeßstreifen durch einen Rechner abgefragt und die gespeicherten Korrekturwerte der lastabhängigen Fehler entsprechend dem Abfrageergebnis den Istwerten des Wegmeßysystems überlagert werden, wobei die zu speichernden Korrekturwerte für die lastabhängigen Fehler vom Einfluß der thermischen Fehler befreit werden. Bei den dynamischen Belastungen infolge Schnittkraftschwankungen erfolgt die Korrektur der Verlagerung nur hinsichtlich ihrer zeitlichen Mittelwerte, wobei die Mittlungsdauer sich nach der Dynamik des Regelkreises richtet.

Die erfindungsgemäße 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 Kompensalions-Einrichtung bei drei messenden Achsen anhand eines Schaltschemas dargestellt.

An verschiedenen Temperaturmeßstellen der Maschine werden die lokalen Temperaturen mittels Temperatursensoren d_t bis d_m gemessen. Durch nachgeschaltete Analog-Digital-Wandler W₁ bis W_n, steht deren Wert digital zur Verfugung. In einem zugeordneten Temperaturprozessor OCP-T (OCP: one chip processor) werden diese Werte, die durch sequenzielles Ansprechen der einzelnen Wandler W, bis W_m 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 OCP-M getrennt für jede Achse immer dann zur Verfügung gestellt, wenn die seit der letzten Temperaturkompensation aufgetretene Verlagerung gerade dem kleinsten Verfahrlnkrement entspricht.

Durch Wegmeßzähler x, y und ζ werden die vom Wegemeßsystem 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, ζ aufgrund einelvorgegebenen Korrekturtabelle, daß ein Positionswert erreicht Ist, der eine Korrektur in einer der Achsen erforderlich macht, so werden Größe des Korrekturwertes (üblicherweise ebenso groß wie der kleinste mögliche Verfahrschritt der Maschinensteuerung), Richtung Urtd Angabe der zu korrigierenden Achse dem Master-Prozessor OCP-M übermittelt.

An verschiedenen geeigneten Stellen der Maschine sind Dehnungssensoren «ί bis e,„ angebracht, welche die Oberflächenspannungen messen. In Verbindung mit Ihnen zugeordneten Verstärkern V_t bis V₁₁₁ 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 Lastpro/cssor OCP-S die aktuelle Position über den Masler-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 Korrekturgrötte 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 P_x, P₁,, P. für jede Achse. Ein positiver Impuls vom Wegmeßsystem M veranlaßt den Phasenschieber P_x bzw. P₁. bzw. P. ebenso wie ein positiver Impuls vom Master-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 Korfekturimpulsen entspricht, so werden diese Impulse hintereinander mit maximal der Taktrate ausgegeben, die von der Maschinensteuerung 5 noch verarbeitet werden kann. Überschreiten die Taktraten der Wegmeßsignale, beispielsweise bei sehr hohen Eilgangsgeschwindigkeiteh, jene Grenze, unterhalb derer es dem Master-Prozessor OCP-M möglich ist, Korrekturwerte dazwlschenzuschleben, »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 P_x. P₉, P. entstehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Kompensation von Lagefehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotem mit mindestens einem inkrementalen Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte, wobei dem Wegmeßsystem ein Rechner zugeordnet ist, der die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für eine Vielzahl von Positionen unter unterschiedlichen Lastbedingungen ermittelt und in Speichern, die dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner zugeordnet sind, is abgespeichert sind und in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen Rechner ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der Istwerte mit den Korrekturwerten je Achse inkremental vor der Verarbeitung der Istwerte im Soll-lstwert-Vergleicher erfolgt und daß Rechtwinkligkeitsfehler durch Wertetabellen kompensiert werden, die durch einen Vergleich von in diskreten Positionsabständen je Achse ermittelten Soll- und Istwerten entstehen und Korrekturwerte für jede der drei Achsen enthalten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Rechner zugeordnete Speicher zusätzlich mathematische Beziehungen enthält, die unter realen Arbeitsbedingungen den Zusammenhang zwischen dem thermischen Zustand und hieraus resultierenden Lagefehlern bezogen auf jede der drei Achsen beschreiben und aus denen in Abhängigkeit des jeweiligen thermischen Zustandes, der durch an mehreren ausgesuchten Stellen angeordnete Temperatursensoren erfaßt wird, Korrekturwertanteile für den thermischen Zustand errechnet werden.

3. Einrichtung nach Anspruch« 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe der Signale von Dehnmeßstreifen ermittelten lastbedingten Korrekturwertanteile vom Anteil der Dehnmeßstreifensignale aufgrund des rein thermischen Zustands befreit sind.