DE3714028A1 - Verfahren zum ermitteln von korrekturwerten fuer die von einer wegmesseinrichtung einer numerisch gesteuerten handhabungs- oder produktionsmaschine erfassten messwerte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für die von einer Wegmeßeinrichtung einer numerisch gesteuerten Handhabungs- oder Produktionsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, er­ faßten Meßwerte unter Verwendung einer zusätzlichen Präzisions­ meßeinrichtung während einer Eichphase.

Wenn bei einer Werkzeugmaschine Verfahrwege zu messen sind, er­ folgt dies entweder dadurch, daß an einem Schlitten der Maschine angebrachte Längenmaßstäbe abgetastet werden (direktes Meßsystem) oder daß ein rotatorischer Meßgeber die Drehbewegung eines Motors oder einer Spindel überwacht, die eine Schlittenbewegung der Maschine verursacht (indirektes Meßsystem).

Bei direkten Meßsystemen entstehen Meßfehler primär dadurch, daß eine wirtschaftliche Fertigung des Längenmaßstabes nur innerhalb vorgegebener Toleranzen möglich ist. Diese können zwar mittels mechanischer Stellschrauben zum Dehnen oder Strecken des Längen­ maßstabes korrigiert werden, jedoch ist dieses Verfahren relativ aufwendig. Bei indirekten Meßsystemen entstehen Meßfehler ins­ besondere dadurch, daß die zu vermessende translatorische Bewe­ gung durch eine Spindel ausgelöst wird, die fertigungsbedingte Steigungsfehler längs des Verfahrbereiches aufweist. Ferner ver­ ursacht jede Richtungsänderung eine gewisse Weghysterese, die durch Leerwege des Systems bedingt sind. Diese Meßfehler können bei beiden Meßsystemen mit Hilfe von Präzisionsmeßeinrichtungen ermittelt werden. Dazu werden alle zu vermessende Sollpositionen nacheinander von einem die Vermesseung vornehmenden Bediener oder per Steuerungs-Programm (NC-Programm bzw. RC-Programm) angefah­ ren und die jeweiligen Korrekturwerte, die angeben, inwieweit die tatsächliche Position von der mit Hilfe der Wegmeßeinrich­ tung jeweils erfaßten Position abweicht, werden in einem Fehler­ diagramm aufgezeichnet. Ein solches Steuerungsprogramm ist da­ bei allerdings nicht hinsichtlich Geschwindigkeit und/oder Be­ schleunigung sowie hinsichtlich der beiden möglichen Bewegungs­ richtungen parametrisiert. Das resultierende Fehlerdiagramm wird manuell oder rechnergestützt ausgewertet, indem es entweder dazu verwendet wird, daß die eingangs genannten mechanischen Korrek­ turen des Längenmaßstabes vorgenommen werden oder aber daß die Korrekturwerte nach Abschluß der Vermessung der Steuerung vor­ gegeben werden, damit diese dann automatisch die von der Weg­ meßeinrichtung erfaßten Meßwerte korrigiert. Auch diese Vorge­ hensweise erfordert jedoch einen relativ hohen Zeitaufwand für die Vermessung und kann nur durch hochqualifiziertes Personal vorgenommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art so auszubilden, daß möglichst weitgehend automatisch die zu ermittelnden Korrekturwerte für die Steuerung gewonnen werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der numerischen Steuerung ein parametrisierter, von der Wegmeßein­ richtung erfaßbarer Weg-Zeit-Verlauf zum Anfahren von vorge­ gebenen Meßpositionen entlang eines verfahrbaren Wegs vorge­ geben wird, daß synchron mit dem von der Wegmeßeinrichtung er­ mittelten Erreichen der vorgegebenen Meßpositionen von der Präzisionsmeßeinrichtung jeweils die tatsächliche Meßposition bestimmt wird, daß jeweils die Differenz zwischen vorgegebener und tatsächlicher Meßposition gebildet wird, daß diese Differenz jeweils als Korrekturwert in der Steuerung registriert wird und daß entsprechend den Korrekturwerten nach Abschluß der Eichphase die von der Wegmeßeinrichtung erfaßten Meßwerte kompensiert wer­ den. Dadurch, daß ein parametrisierter Weg-Zeit-Verlauf gewählt ist, wird die Qualität der Ermittlung der Korrekturwerte unab­ hängig von der Sorgfalt des jeweiligen Bedieners. Bei einer Präzisionsmeßeinrichtung mit einem zugeschalteten Kompensations­ rechner könnte der parametrisierte Weg-Zeit-Verlauf auch von dieser Einrichtung der Steuerung zugespielt werden. Der Kompen­ sationsrechner kann als Softwaremodul mit Hardwarezusatz ausge­ bildet sein und kann prinzipiell im Steuerungsrechner, in der Präzisionsmeßeinrichtung oder in einer beliebigen Komponente der Gesamtanordnung installiert sein.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Streuung unterliegenden Meßwerten in der Steuerung jeweils der im Streuungsschwerpunkt liegende Meßwert als relevanter Korrekturwert gespeichert wird. Die Be­ rechnung des Fehlerschwerpunktes kann dabei entweder in der eigentlichen Steuerung oder aber in einem an die Steuerung ange­ schlossenen Programmiergerät vorgenommen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorgang der Präzisionseinrichtung je­ weils ein Triggersignal mit dem Meßvorgang der Wegmeßeinrichtung synchronisiert wird. Dadurch ist es möglich, auf ein kontinuier­ liches Messen der Präzisionseinrichtung zu verzichten und die Ergebnisse der Präzisionseinrichtung synchron zu den von der Wegmeßeinrichtung gemeldeten Zeitpunkten des Erreichens der Meß­ positionen zu beschränken. In Abhängigkeit vom angewählten Meß­ verfahren kann das Triggersignal von der NC oder vom Kompensa­ tionsrechner ausgelöst werden. Das Triggersignal bewirkt ein zweitsynchrones Erfassen der Position der Wegmeßeinrichtung und der Präzisionseinrichtung. Dadurch ist der Meßablauf schnel­ ler, weil der Meßvorgang nicht erst nach Ablauf einer fixen Zeit gestartet wird, sondern mit dem "Position-Erreicht-Signal" der NC zuzüglich einer sehr kurzen Beruhigungszeit. Weiterhin bie­ tet das Meßverfahren mit Triggersignal alternativ oder zusätz­ lich die Möglihckeit der fliegenden Achsvermessung.

Hierbei erzeugt der Kompensationsrechner ein Steuerungsprogramm für eine Vermessung bei dynamischen Achsbewegungen mit Trigger­ signalen zum zeitsynchronen Erfassen der Positionen von Wegmeß­ einrichtungen und Präzisionsmeßeinrichtung. Aus der Meßreihe des fliegenden Meßverfahrens können vom Kompensationsrechner zu­ sätzliche Werte zur Berechnung der Korrekturwerte und des dyna­ mischen Verhaltens der Einrichtung abgeleitet werden.

Wenn der Weg-Zeit-Verlauf entsprechend vorgegebenen Beschleuni­ gungswerten parametisiert wird, ist es möglich, das Feder-Masse- Verhalten der zu vermessenden Achse mit zu berücksichtigen, worin ein ganz wesentlicher Vorteil für Hochleistungswerkzeugmaschinen und insbesondere auch Roboter zu sehen ist.

Dadurch, daß zunächst die Korrekturwerte in relativ groben Schritten ermittelt werden und daß daraufhin die Korrekturwerte in sich anschließenden Feineinschritten hinsichtlich ihrer Ge­ nauigkeit verbessert werden, können die relevanten Korrektur­ werte relativ schnell mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Dabei wird dies insbesondere dadurch ermöglicht, daß jeweils dort Feinschritte ausgelöst werden, wo die groben Schritte Korrekturwerte einer vorgegebenen Mindestgröße überschreiten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung und

Fig. 2 eine Korrekturwerttafel.

In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist als gestrichelter Block eine Werkzeugmaschine WM angedeutet. Dabei ist für eine Achse ein Servomotor SM gezeigt, der über eine Kugelrollspindel K mit dem Maschinentisch MT der Werkzeugmaschine WM verbunden ist. (Im weiteren wird der Übersichtlichkeit halber nur auf diese eine Achse eingegangen, wobei die Erfindung selbstverständlich auf beliebig viele Achsen der Werkzeugmaschine WM anwendbar ist.) Mit dem Maschinentisch MT wird ein Abtastkopf AK über den Verfahr­ weg des Maschinentisches MT hin längs eines Längenmaßstabes L geführt. An diesem sind Wegmarken vorgesehen, die vom Abtastkopf AK abgetastet werden. Die Ausgangssignale des Abtastkopfes AK geben einer Werkzeugmaschinensteuerung NC für die Werkzeugma­ schine WM stets Aufschluß darüber, wo sich der Maschinentisch MT längs seines Verfahrweges befindet.

Die Werkzeugmaschinensteuerung NC dient dazu, daß gemäß vorgege­ benen Bearbeitungsprogrammen unter anderem der Servomotor SM an­ gesteuert wird. Dabei ist es im Interesse einer hohen Bearbei­ tungsgenauigkeit erforderlich, daß die Ist-Position des Maschinen­ tisches MT mit Hilfe des Abtastkopfs AK und des Längenmaßstabes L exakt erfaßt wird. Dies wäre jedoch an das Erfordernis gebun­ den, daß der Längenmaßstab L mit einer Fertigungstoleranz herge­ stellt worden wäre, die wesentlich größer wäre als die erstrebte Bearbeitungsgenauigkeit durch die Werkzeugmaschine. Da dies je­ doch nicht unbedingt gewährleistet ist, muß für eine Vielzahl von Meßpositionen entlang des Verfahrweges des Maschinentisches MT während einer Eichphase festgestellt werden, inwieweit der von der Meßeinrichtung ermittelte Ist-Wert einer Kompensation bedarf.

Dazu dient ein Meßgerät M, das als ein Laser-Interferometer aus­ gebildet ist und das mit einem Reflektor R am Maschinentisch MT korrespondiert. Mit Hilfe des Meßgerätes M wird die jeweilige genaue Position des Maschinentisches MT der Werkzeugmaschinen­ steuerung NC gemeldet. Eine Triggerung kann beispielsweise so vorgenommen werden, daß stets dann, wenn die Wegmeßeinrichtung am Abtastkopf AK und Längenmaßstab L eine von mehreren vorge­ gebenen Meßpositionen innerhalb des verfahrbaren Weges des Ma­ schinentisches MT erfaßt hat, ein Meßvorgang des Meßgerätes M ausgelöst wird. Es ist aber auch dadurch eine Triggerung mög­ lich, daß von der Werkzeugmaschinensteuerung NC ein Signal "Position erreicht" oder "Stillstand" ausgelöst wird. Wenn die tatsächlichen vom Meßgerät M erfaßten Positionen des Maschinen­ tisches MT und die von der Wegmeßeinrichtung erfaßten Soll-Posi­ tionen dann in der Werkzeugmaschinensteuerung NC oder einem der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Programmiergerät z. B. mittels eines Korrekturwertrechners der eingangs genannten Art miteinander verglichen werden, führt dies dazu, daß sich Korrekturwerte ermitteln lassen, die nach Abschluß der Eich­ phase, in der das Meßgerät M verwendet wird, im weiteren eine Korrektur der von der Wegmeßeinrichtung gelieferten Meßwerte in der WerkzeugmaschinensteuerungNC bewirken.

Beispielsweise aufgrund von Leerwegen aber insbesondere wegen Elastizitäten der mechanischen Elemente der Werkzeugmaschine WM ist es jedoch nicht immer ausreichend, jede Meßposition nur ein einziges Mal anzufahren. Aus diesem Grunde wird während der Eich­ phase ein parametrisierter Weg-Zeit-Verlauf der Werkzeugmaschinen­ steuerung NC in Form eines Programms oder Programmsatzes vorge­ geben. Gemäß diesem Weg-Zeit-Verlauf erfolgt die Ermittlung der Korrekturwerte. Wesentlich für diesen Weg-Zeit-Verlauf ist es, daß die einzelnen Meßpositionen, im Ausführungsbeispiel Meßposi­ tionen x ₀, x ₁ und x ₂, mehrfach angefahren werden und dies auch (ggf. fliegend) aus verschiedenen Richtungen heraus. Ferner wird im dargestellten Weg-Zeit-Verlauf, bei dem der Weg durch die Achse s und die Zeit durch die Achse t angegeben ist, davon ausgegangen, daß die Bewegung des Maschinentisches MT mit ver­ schiedenen Beschleunigungen verläuft.

Von der Meßposition x ₀ an wird zur Zeit t ₀ (Punkt 0) der Ma­ schinentisch MT mit einer positiven Beschleunigung +b₁ bis zu einer Meßposition x ₁ zur Zeit t ₁ beschleunigt (Pkt. I). Von dort an wird der Maschinentisch MT mit der negativen Beschleunigung -b ₁ bis zur Meßposition x ₂ zur Zeit t ₂ (Ort II) abgebremst und dann in Gegenrichtung wiederum bis zur Meßposition x ₁ bis zur Zeit t ₃ mit der positiven Beschleunigung +b ₁ beschleunigt (Pkt. III). Von dort an erfolgt wiederum ein Abbremsen mit der negativen Be­ schleunigung -b ₁ bis zur Meßposition x ₀ zur Zeit t ₄ (Pkt. IV).

Nachdem somit der Maschinentisch MT den Verfahrweg sowohl für die positive Beschleunigung +b ₁ wie auch die negative Beschleunigung -b ₁ in beiden Richtungen durchfahren hat, schließt sich daran der gleiche Vorgang wie für eine erhöhte Beschleunigung b ₂ an.

So wird ausgehend von der Meßposition x ₀ zur Zeit t ₄ (Pkt. IV) bis zur Meßposition x ₁ zur Zeit t ₅ (Pkt. V) mit der Beschleuni­ gung +b ₂ der Maschinentisch MT beschleunigt und dann bis zur Meß­ position x ₂ zur Zeit t ₆ (Pkt. VI) mit der negativen Beschleunigung -b ₂ verzögert und dann in Richtung auf die Meßposition x ₁ zur Zeit t ₇ (Pkt. VII) wieder mit der Beschleunigung +b ₂ beschleunigt. Daraufhin schließt sich vom Zeitpunkt t ₇ bis zum Zeitpunkt t ₈ am Ort der Meßposition x ₀ (Pkt. VIII) eine Bremsphase mit negati­ ver Beschleunigung -b ₂ an.

Während im Ausführungsbeispiel für die Meßpositionen nur die drei Meßpositionen x ₀, x ₁ und x ₂ angegeben sind, werden natur­ gemäß zwischen diesen Extremwerten eine Vielzahl von einzelnen Meßpositionen berücksichtigt, die jedoch der Übersichtlichkeit halber in Weg-Zeit-Diagramm nicht angedeutet sind.

In der Darstellung gemäß Fig. 2 ist der eben geschilderte Sach­ verhalt in Form einer Korrekturwerttafel noch einmal angedeutet. Zeilenweise sind dort für die Meßpositionen x ₀, x ₁ und x ₂ und für die Beschleunigungswerte +b ₁ bis +b _n , -b ₁ bis -b _n die resul­ tierenden Korrekturwerte als delta (x _{0 . . . 2}, ±b _{1. . .n} ) angegeben. Damit soll auch gezeigt werden, daß der im Zusammenhang mit Fig. 1 vorgesehene Eichvorgang nicht nur für zwei Beschleunigungswerte sondern für eine beliebige Anzahl n von Beschleunigungswerten möglich ist.

Claims (6)

1. Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für die von einer Wegmeßeinrichtung einer numerisch gesteuerten Handhabungs- oder Produktionsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine oder eines Roboters, erfaßten Meßwerte unter Verwendung einer zusätz­ lichen Präzisionsmeßeinrichtung während einer Eichphase, da­ dadurch gekennzeichnet, daß der numerischen Steuerung (NC) ein parametrisierter, von der Wegmeßeinrichtung (L, AK) erfaßbarer Weg-Zeit-Verlauf (s = f(t)) zum Anfahren von vorgegebenen Meßpositionen entlang eines verfahrbaren Wegs vor­ gegeben wird, daß synchron mit dem von der Wegmeßeinrichtung (L, AK) ermittelten Erreichen der vorgegebenen Meßpositionen von der Präzisionsmeßeinrichtung (M, R) jeweils die tatsächliche Meßposition bestimmt wird, daß jeweils die Differenz zwischen vorgegebener und tatsächlicher Meßposition gebildet wird, daß diese Differenz jeweils als Korrekturwert in der Steuerung (NC) registriert wird und daß entsprechend den Korrekturwerten nach Abschluß der Eichphase die von der Wegmeßeinrichtung (L, AK) erfaßten Meßwerte kompensiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Streuung unterliegenden Meß­ werten in der Steuerung (NC) jeweils der im Streuungsschwerpunkt liegende Meßwert als relevanter Korrekturwert gespeichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Meßvorgang der Präzisions­ einrichtung (M, R) jeweils durch ein Triggersignal mit dem Meß­ vorgang der Wegmeßeinrichtung (L, AK) synchronisiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg-Zeit-Verlauf (s =f(t)) entsprechend vorgegebenen Beschleunigungswerten parameterisiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zunächst die Korrekturwerte in relativ groben Schritten ermittelt werden und daß daraufhin die Korrekturwerte in sich anschließenden Feinschritten hinsichtlich ihrer Genauigkeit verbessert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeweils dort Feinschritte ausgelöst werden, wo die groben Schritte Korrekturwerte einer vorgege­ benen Mindestgröße überschreiten.