DE4038779A1 - Koordinaten-messmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Koordinaten-Meßmaschine mit einem Por­ tal, das zwei Ständer aufweist, wobei für den Antrieb jedes Ständers in y-Richtung ein eigener Antriebsmotor vorgesehen ist.

Eine derartige Meßmaschine ist in der DE-AS 22 48 194 beschrieben. Dort ist die y-Richtung als x-Richtung bezeichnet.

Bei der DE-AS 22 48 194 ist davon ausgegangen, daß sich die bei­ den Ständer in x-Richtung unterschiedlich verlagern. Damit ist zwangs­ läufig ein Meßfehler verbunden. Dieser wird erfaßt und im Meßergeb­ nis berücksichtigt.

In der DE-PS 34 37 094 ist eine Koordinaten-Meßmaschine in Portal­ bauweise beschrieben, bei der die beiden Ständer durch einen gemein­ samen Antrieb angetrieben werden. Ein solcher Aufbau ist aufwendig.

Bei einer Koordinaten-Meßmaschine besteht grundsätzlich die For­ derung, die höchste Präzision und damit die kleinste Meßunsicherheit zu erreichen.

Dieses beinhaltet bereits vom Ansatz her eine hohe Forderung an die mechanische Steifigkeit der eingesetzten Maschinenelemente.

Da sich jedoch wegen der hohen Steifigkeit bei großen Meßmaschinen auch schwere Bauteile ergeben, besteht der Wunsch nach Techniken zu suchen, die es ermöglichen, mit Hilfe von geeigneten Regelein­ richtungen die Steifigkeit der Bauteile unter Beibehaltung der Prä­ zision zu reduzieren. Das heißt, daß mit Hilfe der Regelungstechnik die mechanischen Rückstellkräfte gezielt beeinflußt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Koordinaten-Meßmaschine der ein­ gangs genannten Art vorzuschlagen, bei der trotz fehlender mecha­ nischer Steifigkeit die Positionen der beiden Ständer in der Ist- bzw. Meßposition nicht bzw. kleiner als die Meßunsicherheit von­ einander abweichen.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einer Meßmaschine der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Die Regelglieder "G₁₂" und "G₂₁" stellen die mechanischen Rückstell­ kräfte dar. Wenn die Mechanik sehr "weich" ist, bedeutet dies, daß "G₁₂" und "G₂₁" (G₁₂ ist in Fig. 2 ein Sensor, und G₂₁ ist in Fig. 2 die Übertragungsfunktion zwischen dem Ständerantrieb und der Stän­ derlängsführung) quasi nicht als Funktion vorhanden sind.

Wenn dagegen die Mechanik sehr "steif" ist, bedeutet dies, daß der Sensor "G₁₂" so dimensioniert ist, daß "G₂₂" nach Fig. 2 überflüssig ist.

Zur Sicherstellung kleiner definierter Antriebskräfte ist das Ma­ schinenkonzept symmetrisch mit entsprechenden Freiheitsgraden kon­ zipiert, damit nicht über das mechanische Führungsverhalten das Portal geführt wird, sondern die elektronische Kopplung der beiden Antriebe die exakte Führung des Portals sicherstellt.

Die mechanischen Restrückwirkungen sind vom Konzept her sehr klein und können über die Regelglieder "G₁₂" und "G₂₁" zurückgeführt werden.

Dabei wird die tatsächliche Verstellung des ersten Ständers über­ wacht und der zweite Ständer wird entsprechend nachgeführt. Da die Regler als elektronische Regler sehr schnell arbeiten, ergeben sich praktisch keine Abweichungen der Verstellung des zweiten Ständers gegenüber der Verstellung des ersten Ständers. Hiermit sind die dynamischen Eigenschaften des Portals wesentlich verbessert. Es treten kaum Schwingungen in der y-1- bzw. y-2-Richtung auf. Damit sind auch die Schwingungen der am Portal angeordneten Meßpinole vermieden. Das Portal kann leichter gebaut sein als beim Stand der Technik. Es ergeben sich günstigere Massenverhältnisse. Jeder der Antriebsmotore kann so angeordnet sein, daß er die Antriebskraft symmetrisch in den ihm zugeordneten Ständer einleitet. Der bautech­ nische Aufwand für die Führungen verringert sich dabei. Insgesamt ist erreicht, daß die mögliche Verfahrgeschwindigkeit des Portals größer als beim Stand der Technik sein kann. Das Verfahren erfolgt kontinuierlich ruckfrei.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Stellgrößen Drehsollwerte. Vorzugsweise erzeugt der Hauptregler abhängig vom Sollwert der Verstellung und dem Istwert der Verstellung des ersten Ständers ein Drehzahlsignal. Der Hilfsregler erzeugt abhängig von der Differenz der Istwerte der Verstellung des ersten und des zweiten Ständers ein Drehzahldifferenzsignal. Der Drehzahlsollwert des An­ triebes des ersten Ständers ist die Differenz zwischen dem Drehzahl­ signal und dem Drehzahldifferenzsignal. Der Drehzahlsollwert des Antriebs des zweiten Ständers ist die Summe des Drehzahlsignales und des Drehzahldifferenzsignales.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 eine Koordinaten-Meßmaschine schematisch,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Regelung und

Fig. 3 ein weiteres Blockschaltbild.

Eine Koordinaten-Meßmaschine weist ein Portal (1) mit zwei Ständern (2, 3) auf. Die Ständer (2, 3) sind an Längsführungen (4, 5) in y1-Richtung bzw. y2-Richtung verschieblich gelagert. Zum Antrieb des Ständers (2) in y1-Richtung ist ein Motor (6) vorgesehen. Dem Antrieb des Ständers (3) in y2-Richtung dient ein Motor (7) (vgl. Fig. 3).

An dem Portal (1) ist eine Antriebseinheit (8) in x-Richtung ver­ schieblich. An dieser Stelle ist ein Meßkopf (9) in z-Richtung ver­ stellbar.

Parallel zu jeder Längsführung (4, 5) ist ein Maßstab (10, 11). An jedem der Ständer (2 bzw. 3) ist ein Sensor (12 bzw. 13) vorge­ sehen, der die jeweilige Stellung längs des Maßstabes (10 bzw. 11) erfaßt (vgl. Fig. 3).

Der Motor (6) wird über einen Verstärker (14) angesteuert. Zur An­ steuerung des Motors (7) ist ein Verstärker (15) vorgesehen. Der Verstärker (14) erhält von einem Hauptregler (16) ein Drehzahlsignal (U1). Der Verstärker (15) erhält von einem Hilfsregler (17) als Synchronregler ein Drehzahlsignal (U2). Der Hauptregler (16) ist Teil einer Steuerung (18) der unter anderem an den Hauptregler (16) den Verstellungssollwert (YS) für die Verstellung des Portals (1) in y-Richtung legt. Der Hilfsregler (17) braucht nicht in die Steue­ rung (18) integriert sein. Die Funktion des Hilfsreglers (17) be­ lastet damit die Steuerung (18) nicht, so daß das Regelungsverfahren schneller ablaufen kann.

Das prinzipielle Regelungsverfahren wird im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben:.

G₁₁ stellt die Übertragungsfunktion zwischen dem Antrieb des Ständers (2) und dessen Längsführung (4) dar. G₁₂ ist die Übertragungsfunktion zwischen dem Antrieb des Ständers (2) und der Längsführung (5) des Ständers (3). G₂₁ entspricht der Übertragungsfunktion zwischen dem Antrieb des Ständers (3) und der Längsfunktion (4) des Ständers (2). G₂₂ bildet die Übertragungsfunktion zwischen dem Antrieb des Ständers (3) und dessen Längsführung (5). An dem Maßstab (10) wird die jeweilige Stellung (y1) des Ständers (2) abgegriffen und an den Hauptregler (16) gelegt, der außerdem ein Signal für den Ver­ stellungssollwert (YS) erhält. Das Signal (y1) wird auch an den als Synchronregler arbeitenden Hilfsregler (17) gelegt. Außerdem wird an diesen über den Maßstab (11) bzw. den Sensor (13) die Ist­ verstellung (y2) des Ständers (3) gelegt. In Hilfsregler (17) wird die Differenz zwischen y1 und y2 ermittelt. Hieraus wird eine korri­ gierte Stellgröße (Ud) als Drehzahldifferenzsignal abgeleitet. Im Hauptregler (16) wird ein Drehzahlsignal (Uy) abhängig von der je­ weiligen Verstellung (y1) und deren Sollwert (YS) ermittelt.

Mit den Drehzahlsollwert (U1) treibt der Motor (6) den Ständer (2) an. Mit dem Drehzahlsollwert (U2) treibt der Motor (7) den Ständer (3) an. Diese Regelung führt dazu, daß die Verstellbewegung des Ständers (3) der des Ständers (2) sehr direkt nachgeführt wird, ohne daß es zu größeren Schwingungen kommt.

Durch Differenzbildung wird nun aus dem Drehzahlsignal (Uy) und dem Drehzahldifferenzsignal der Drehzahlsollwert (U1) gewonnen. Aus der Summe des Drehzahlsignales (Uy) und dem Drehzahldifferenz­ signal wird der Drehzahlsollwert (U2) gewonnen.

Somit treibt auch hier dann der Motor (6) den Ständer (2) an, wo­ durch die Verstellbewegung des Ständers (3) oder der des Ständers (2) direkt nachgeführt wird. Die Alternative zeigt in Fig. 2 die stichpunktierte Linie zwischen den Knotenpunkten (Ud) und (U1), wobei in diesem Fall die Stellgröße (Ud) einen anderen Wert einnehmen kann.

Diese neue Regelungstechnik hat eine sehr leichte Bauweise trotz beliebiger Größe. Die dynamischen Kräfte, das sind Rückstellkräfte, die aus der Antriebsbewegung der Maschine resultieren, sind bei der gewählten Bauweise symmetrisch aufgeteilt.

Den Maßstäben (10, 11) sind zusätzlich Referenzmarken (20, 21) zuge­ ordnet. Vor einem Meßvorgang werden die Ständer (2 bzw. 3) auf diese eingestellt. Hieraus wird eine Synchronisierung für den Hauptregler und den Hilfsregler (17) abgeleitet.

Der Längszuführung (5) sind zusätzlich Näherungsschalter (22 bis 25) zugeordnet. Diese sprechen bei einem Kippen des Ständers (3) aus der x-y-Ebene an. Die Näherungsschalter (22, 23) erfassen ein Kippen in der einen Richtung. Die Näherungsschalter (24, 25) erfassen ein Kippen in der anderen Richtung. Bei einem vergleichsweise star­ ken Kippen sprechen die Näherungsschalter (22 bzw. 25) an und schalten über die Verstärker (14, 15) die Motoren (6, 7) sofort ab. Bei einem vergleichsweise geringfügigeren Kippen sprechen die Näherungsschalter (23 bzw. 24) an, die mit dem Hilfsregler (17) verbunden sind. Es wird dann versucht, dieses Kippen ausklingen zu lassen. Eine ähn­ liche Einrichtung kann auch vorgesehen sein, um ein Kippen des Stän­ ders (2) aus der y-z-Ebene zu verarbeiten.

Um die jeweilige Stellung des Ständers (3) in y-Richtung im Rechner (19) auswerten zu können, weist die Steuerung (18) eine Schaltung (26) auf, an die parallel zum Hilfsregler (17) das y2-Signal und das Signal der Referenzmarke (21) gelegt ist.

Zur Sicherheit sitzen an den Wellen der Motore (6, 7), die die Stän­ der (2, 3) antreiben, Drehgeber (27). Diese schalten die Verstärker (14, 15) und damit die Motore (6, 7) sofort ab, wenn ein Bruch im Antrieb vorliegt.

Darüber hinaus liegen vor den Motoren (6, 7) Abschaltkontakte (28), die direkt von der Steuerung (18), dem Hilfsregler (17) oder mittels eines Handschalters (29) zur Notabschaltung betätigt werden.

Ein weiterer Schaltkontakt (30) liegt vor dem Verstärker (14). Er ist von einer Pinolenschutzeinrichtung am Meßkopf (9) betätigbar und unterbricht gegebenenfalls den Antrieb.

Claims (6)

1. Koordinaten-Meßmaschine mit einem Portal, das zwei Ständer auf­ weist, wobei für den Antrieb jedes Ständers in y-Richtung ein eigener Antriebsmotor vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des ersten Ständers (2) ein Hauptregler (16) vorgesehen ist, dessen Eingangsgrößen der Sollwert der Verstellung (YS) und der Istwert der Verstellung (Y1) dieses Ständers sind und der eine Stellgröße (U1) für den Antrieb des Antriebsmotors (6) des ersten Ständers (2) erzeugt, und daß zum Antrieb des zweiten Ständers (3) ein getrennter Hilfsregler (17) als Syn­ chronregler vorgesehen ist, dessen Eingangsgrößen der Istwert der Verstellung (Y1) des ersten Ständers (2) und der Istwert der Verstellung (Y2) des zweiten Ständers (3) sind und der aus diesen beiden Istwerten eine Stellgröße (Ud) erzeugt, die zur Stellgröße (U1) des Hauptreglers (16) addiert wird und als korri­ gierte Stellgröße (U2) für den Antrieb des Antriebsmotors (7) des zweiten Ständers (3) dient.

2. Koordinaten-Meßmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptregler (16) abhängig von dem Sollwert der Verstellung (YS) und dem Istwert der Verstellung (Y1) des ersten Ständers (2) ein Drehzahlsignal (Uy) erzeugt, daß der Hilfsregler (17) abhängig von Differenz der Istwerte (y1, y2) der Verstellung des ersten und des zweiten Ständers (2, 3) die Stellgröße (Ud) als Drehzahldifferenzsignal erzeugt und daß der Drehzahlsoll­ wert (U1) des Antriebes des ersten Ständers (2) die Differenz zwischen dem Drehzahlsignal (Uy) und dem Drehzahldifferenzsignal ist und der Drehzahlsollwert (U2) des Antriebs des zweiten Ständers (3) die Summe des Drehzahlsignals (Uy) und des Drehzahldifferenz­ signales ist.

3. Koordinaten-Meßmaschine nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen Drehzahlsollwerte (U1, U2) sind.

4. Koordinaten-Meßmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Verstellung des ersten und des zweiten Ständers (2, 3) bei deren Längsführungen (4, 5) Maßstäbe (10, 11) angeordnet sind, denen Sensoren (12, 13) zugeordnet sind, welche die jeweiligen Verstellungen (y1, y2) erfassen.

5. Koordinaten-Meßmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Maßstäben (10, 11) Referenzmarken (20, 21) zugeordnet sind.

6. Koordinaten-Meßmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung eines Grenzwertes der Verschiebung bzw. des Versatzes der beiden Ständer zueinander und/oder des zweiten Ständers (3) aus der y-x-Ebene und/oder des Kippens der y-z-Ebene diesen Näherungsschalter (22 bis 25) zugeordnet sind.