DE3714028C2 - - Google Patents

Description

Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für die von einer Wegmeßeinrichtung einer numerisch gesteuerten Handhabungs- oder Produktionsmaschine erfaßten Meßwerte.

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 Kalibrierphase, wobei dabei vor­ gegebene Meßpositionen entlang eines verfahrbaren Weges ange­ fahren werden, wobei synchron mit dem von der Wegmeßeinrichtung ermittelten Erreichen der vorgegebenen Meßpositionen von der Präzisionsmeßeinrichtung jeweils die tatsächliche Meßposition bestimmt wird, wobei jeweils die Differenz zwischen vorgegebe­ ner und tatsächlicher Meßposition gebildet wird, wobei diese Differenz jeweils als Korrekturwert in der Steuerung regi­ striert wird und wobei entsprechend den Korrekturwerten nach Abschluß der Kalibrierphase die von der Wegmeßeinrichtung erfaßten Meßwerte kompensiert werden.

Wenn bei einer Werkzeugmaschine Verfahrwege zu messen sind, er­ folgt dies entweder dadurch, daß an einem Schlitten der Maschi­ ne angebrachte Längenmaßstäbe abgetastet werden (direktes Meß­ system) oder daß ein rotatorischer Meßgeber die Drehbewegung eines Motors oder einer Spindel überwacht, die eine Schlitten­ bewegung 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 Längenmaßstabes korrigiert werden, jedoch ist dieses Verfahren relativ aufwendig. Bei indirekten Meßsystemen entstehen Meßfehler insbesondere dadurch, daß die vermessende translatorische Bewegung durch eine Spindel ausgelöst wird, die fertigungsbedingte Steigungsfehler längs des Verfahrbereiches aufweist. Ferner verursacht jede Richtungsänderung eine gewisse Weghysterese, die durch Leerwege des Systems bedingt ist. Diese Meßfehler können bei beiden Meßsystemen mit Hilfe von Präzisionsmeßeinrichtungen ermittelt werden. Dazu werden alle zu vermessende Sollpositionen nacheinander von einem die Ver­ messeung vornehmenden Bediener oder per Steuerungs-Programm (NC-Programm bzw. RC-Programm) angefahren und die jeweiligen Korrekturwerte, die angeben, inwieweit die tatsächliche Position von der mit Hilfe der Wegmeßeinrichtung jeweils erfaßten Position abweicht, werden in einem Fehlerdiagramm aufgezeichnet. Ein solches Steuerungsprogramm ist dabei aller­ dings nicht hinsichtlich Geschwindigkeit und/oder Beschleuni­ gung sowie hinsichtlich der beiden möglichen Bewegungsrichtun­ gen parametrisiert. Das resultierende Fehlerdiagramm wird manuell oder rechnergestützt ausgewertet, indem es entweder dazu verwendet wird, daß die eingangs genannten mechanischen Korrekturen des Längenmaßstabes vorgenommen werden oder daß die Korrekturwerte nach Abschluß der Vermessung der Steuerung vorgegeben 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.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE 33 02 063 A1 bekannt. Dabei wird für alle möglichen Posi­ tionen längs eines zu verfahrenden Weges für verschiedene ther­ mische Zustände und Lastbedingungen ermittelt, welche jeweiligen Korrekturwerte anzusetzen sind. Auf individuelle Feder- Masse-Verhalten der Achsen wird dabei jedoch nicht abgestellt.

Ferner ist aus der EP 01 82 394 A2 ein ähnliches Kalibrier­ system bekannt, bei dem eine vorteilhafte Speicherung und Verarbeitung von Korrekturwerten beschrieben ist.

Weiterhin ist die Berücksichtigung von Beschleunigungen bei einer Positionsregelung aus der DE 30 46 363 A1 bekannt und aus der Veröffentlichtung "Feinwerktechnik & Meßtechnik" 85 (1977) 7, Seite 343-353 ist es u.a. auch bekannt, einer nume­ rischen Steuerung einen Weg-Zeit-Verlauf vorzugeben, bei dem die vorgegebenen Meßpositionen alternierend aus beiden Richtun­ gen anzufahren sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß das Feder-Masse-Verhalten der jeweils zu vermessenden Achse berücksichtigt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß für den Kalibriervorgang der numerischen Steuerung ein Weg- Zeit-Verlauf vorgegeben wird, bei dem der verfahrbare Weg mehr­ fach mit jeweils unterschiedlich hohen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen durchfahren wird, und daß die wegabhängigen Kor­ rekturwerte für die unterschiedlichen Beschleunigungsbedingun­ gen der Maschine registriert werden. Dadurch, daß ein parametrisierter Weg-Zeit-Verlauf gewählt ist, wird die Qualität der Ermittlung der Korrekturwerte unabhängig von der Sorgfalt des jeweiligen Bedieners. Bei einer Präzisionsmeßeinrichtung mit einem zugeschalteten Kompensationsrechner könnte der para­ metrisierte Weg-Zeit-Verlauf auch von dieser Einrichtung der Steuerung zugespielt werden. Der Kompensationsrechner kann als Softwaremodul mit Hardwarezusatz ausgebildet sein und kann prinzipiell im Steuerungsrechner, in der Präzisionsmeßeinrich­ tung 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 numerischen Steuerung jeweils der im Streuungsschwerpunkt liegende Meßwert als relevanter Korrekturwert gespeichert wird. Die Berechnung des Fehlerschwerpunktes kann dabei entweder in der eigentlichen Steuerung oder aber in einem an die Steuerung angeschlossenen Programmiergerät vorgenommen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßvorgang der Präzisionsmeßeinrichtung jeweils durch ein Triggersignal mit dem Meßvorgang der Wegmeß­ einrichtung synchronisiert wird. Dadurch ist es möglich, auf ein kontinuierliches Messen der Präzisionsmeßeinrichtung zu ver­ zichten und die Ergebnisse der Präzisionsmeßeinrichtung syn­ chron zu den von der Wegmeßeinrichtung gemeldeten Zeitpunkten des Erreichens der Meßpositionen zu beschränken. In Abhängig­ keit vom angewählten Meßverfahren kann das Triggersignal von der NC oder vom Kompensationsrechner ausgelöst werden. Das Triggersignal bewirkt ein zeitsynchrones Erfassen der Position der Wegmeßeinrichtung und der Präzisionsmeßeinrichtung. Dadurch ist der Meßablauf schneller, 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 bietet das Meßverfahren mit Trigger­ signal alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit der fliegen­ den Achsvermessung.

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

Dadurch, daß zunächst die Korrekturwerte in relativ groben Schritten ermittelt werden und daß daraufhin die Korrekturwerte in sich anschließenden Feinschritten 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 dar­ gestellt 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 Ver­ fahrweg des Maschinentisches MT hin längs eines Längenmaßstabes L geführt. An diesem sind Wegmarken vorgesehen, die vom Abtastkopf AK abgetastet werden. Die Ausgangssignale des Abtastkopfes 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 Kalibrierphase 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 Kalibrier­ phase, in der das Meßgerät M verwendet wird, im weiteren eine Korrektur der von der Wegmeßeinrichtung gelieferten Meßwerte in der Werkzeugmaschinensteuerung NC 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 Kalibrier­ 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 x₀, x₁ und x₂, 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 x₀ an wird zur Zeit t₀ (Punkt 0) der Ma­ schinentisch MT mit einer positiven Beschleunigung +b₁ bis zu einer Meßposition x₁ zur Zeit t₁ beschleunigt (Pkt. I). Von dort an wird der Maschinentisch MT mit der negativen Beschleunigung -b₁ bis zur Meßposition x₂ zur Zeit t₂ (Ort II) abgebremst und dann in Gegenrichtung wiederum bis zur Meßposition x₁ bis zur Zeit t₃ mit der positiven Beschleunigung +b₁ beschleunigt (Pkt. III). Von dort an erfolgt wiederum ein Abbremsen mit der negativen Be­ schleunigung -b₁ bis zur Meßposition x₀ zur Zeit t₄ (Pkt. IV).

Nachdem somit der Maschinentisch MT den Verfahrweg sowohl für die positive Beschleunigung +b₁ wie auch die negative Beschleunigung -b₁ in beiden Richtungen durchfahren hat, schließt sich daran der gleiche Vorgang wie für eine erhöhte Beschleunigung b₂ an.

So wird ausgehend von der Meßposition x₀ zur Zeit t₄ (Pkt. IV) bis zur Meßposition x₁ zur Zeit t₅ (Pkt. V) mit der Beschleuni­ gung +b₂ der Maschinentisch MT beschleunigt und dann bis zur Meß­ position x₂ zur Zeit t₆ (Pkt. VI) mit der negativen Beschleunigung -b₂ verzögert und dann in Richtung auf die Meßposition x₁ zur Zeit t₇ (Pkt. VII) wieder mit der Beschleunigung +b₂ beschleunigt. Daraufhin schließt sich vom Zeitpunkt t₇ bis zum Zeitpunkt t₈ am Ort der Meßposition x₀ (Pkt. VIII) eine Bremsphase mit negati­ ver Beschleunigung -b₂ an.

Während im Ausführungsbeispiel für die Meßpositionen nur die drei Meßpositionen x₀, x₁ und x₂ angegeben sind, werden natur­ gemäß zwischen diesen Extremwerten eine Vielzahl von einzelnen Meßpositionen berücksichtigt, die jedoch der Übersichtlichkeit halber im 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 x₀, x₁ und x₂ und für die Beschleunigungswerte +b₁ bis +b_n, -b₁ 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 Kalibriervorgang nicht nur für zwei Beschleunigungswerte sondern für eine beliebige Anzahl n von Beschleunigungswerten möglich ist.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für die von einer Wegmeßeinrichtung einer numerisch gesteuerten Handha­ bungs- oder Produktionsmaschine, insbesondere einer Werkzeug­ maschine oder eines Roboters, erfaßten Meßwerte unter Verwen­ dung einer zusätzlichen Präzisionsmeßeinrichtung während einer Kalibrierphase, wobei dabei vorgegebene Meßpositionen entlang eines verfahrbaren Weges angefahren werden, wobei synchron mit dem von der Wegmeßeinrichtung ermittelten Erreichen der vorgegebe­ nen Meßpositionen von der Präzisionsmeßeinrichtung jeweils die tatsächliche Meßposition bestimmt wird, wobei jeweils die Differenz zwischen vorgegebener und tatsächlicher Meßposition gebildet wird, wobei diese Differenz jeweils als Korrekturwert in der Steuerung registriert wird und wobei entsprechend den Korrekturwerten nach Abschluß der Kalibrierphase die von der Weg­ meßeinrichtung erfaßten Meßwerte kompensiert werden, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Kalibrier­ vorgang der numerischen Steuerung (NC) ein Weg-Zeit-Verlauf (S=F(t)) vorgegeben wird, bei dem der verfahrbare Weg mehrfach mit jeweils unterschiedlich hohen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen durchfahren wird, und daß die wegabhängigen Korrekturwerte für die unterschiedlichen Beschleunigungsbedin­ gungen der Maschine registriert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einer Streuung unterliegenden Meß­ werten in der numerischen 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 meßeinrichtung (M, R) jeweils durch ein Triggersignal mit dem Meß­ vorgang der Wegmeßeinrichtung (L, AK) synchronisiert wird.

4. 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.

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