DE3730709A1

DE3730709A1 - Sensor-controlled controller for controlling the position of a tool relative to a workpiece

Info

Publication number: DE3730709A1
Application number: DE19873730709
Authority: DE
Inventors: Martin Bickel; Johannes Dipl Ing Nestmeier; Gerhard Dipl Ing Graf; Harald Dipl Ing Goerres
Original assignee: MAN Technologie AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1987-09-12
Filing date: 1987-09-12
Publication date: 1989-03-30
Also published as: IT8821903A0; IT1226984B; DE3730709C2

Abstract

For working irregular workpieces (10) with automatic plant machines, e.g. welding and cutting equipment, a sensor-controlled controller is proposed to which a measured-value correcting device with two operating modes is allocated. In the first operating mode, the sensor (20) is guided over the point (13) of the workpiece (10) to be worked, and in fact before the actual working operation. These measured values are stored in a memory of the device and are used as desired values for the actual control process. The second operating mode is the actual control process, in which the values received by the sensor (20) during the working of the workpiece (10) are compared with the corresponding stored values. The difference between these values represents the regulated value, which is fed to a final control element. <IMAGE>

Description

Derartige Regler werden zur automatischen Führung des Werk zeugs bzw. des Werkstücks bei Bearbeitungsprozessen, wie Schweißen, Schneiden und dergleichen verwendet. Für Bearbei tungen mit hoher Präzision werden insbesondere Laser- oder Elektronenstrahlen verwendet. Dabei sind sehr hohe Posi tionsgenauigkeiten, bis zu etwa 1/10 mm, in Seiten- und bei Laserstrahlen auch in Höhenlage zwischen Strahl und Schweiß naht bzw. -kante erforderlich. Bei Schneidvorgängen mit La sern wird eine ähnlich genaue Einhaltung des Abstands Linse- Schnittstelle benötigt, um saubere Schnittflächen zu erzielen.Such controllers are used for automatic management of the factory stuff or the workpiece in machining processes, such as Welding, cutting and the like are used. For processing high precision, laser or Electron beams used. There are very high posi tion accuracy, up to about 1/10 mm, in side and at Laser beams also at high altitudes between the beam and sweat seam or edge required. When cutting with La a similarly precise observance of the distance lens- Interface needed to clean cut surfaces too achieve.

Die durch die Ungenauigkeit der Führungssysteme bzw. der Form- und Lagetoleranzen vieler Werkstücke entstehenden Feh ler können die geforderten Werte übersteigen oder lassen sich nur bei unverhältnismäßig hohem Aufwand reduzieren. Da her wird häufig versucht, durch Sensoren zur Abstandsmessung und/oder Nahterkennung und -verfolgung die Einhaltung dieser engen Bearbeitungstoleranz zu gewährleisten. Hierzu eignen sich Sensortypen, die elektrische, magnetische oder andere Felder zwischen sich und der Werkstückoberfläche aufbauen und die Rückwirkung einer Änderung des Abstands zum Werkstück auf das erzeugte Feld messen können. Bei bestimmter Gestaltung dieser Sensoren ist auch die seitliche Lage zu beispielsweise einer offenen (z.B. Überlappnaht) oder verdeckten (I- oder Stoßnaht) Naht bzw. Kante erfaßbar. Zu den bekannten Sensoren mit diesen Eigenschaften zählen z.B. induktive-, kapazitive- und Hall-Sensoren. Diese Sensoren haben gegenüber optischen Sensoren den Vorteil, daß jeder Lagepunkt durch einen einzigen Meßwert charakterisiert ist, während bei den optischen Sen soren eine sehr große Anzahl von Werten für jeden Lagepunkt zu verarbeiten ist. Due to the inaccuracy of the guidance systems or the Shape and position tolerances of many workpieces People can exceed or leave the required values can only be reduced with disproportionate effort. There It is often tried by sensors for distance measurement and / or seam detection and tracking compliance with these to ensure tight machining tolerance. Suitable for this themselves sensor types that are electrical, magnetic or other Build up fields between yourself and the workpiece surface and the reaction of a change in the distance to the workpiece can measure on the generated field. With a certain design The lateral position of these sensors is also too an open (e.g. overlap) or hidden (I- or Butt seam) seam or edge can be detected. To the well-known sensors with these properties count e.g. inductive, capacitive and Hall sensors. These sensors have optical Sensors have the advantage that each location point by a single Measured value is characterized, while in the optical Sen sensors have a very large number of values for each position is to be processed.

Bei den Feldmeßmethoden besteht jedoch die Schwierigkeit, daß die Breite des erzeugten und auszuwertenden Feldes an der Oberfläche des Werkstücks nicht frei wählbar ist, son dern vom Aufbau der Einrichtung über der Werkstückoberfläche abhängig ist. Dazu gehören insbesondere der Sensortyp, dessen Größe und die Möglichkeit, wie der Sensor oberhalb der Werk stückoberfläche angeordnet werden kann, wobei Temperaturen des Bearbeitungsprozesses, die Lage und Ausgestaltung des Werkzeugs und so weiter, eine Rolle spielen. Die auszuwertende Feldbreite ist daher in vielen Anwendungsfällen größer als wünschenswert. Bei Werkstücken mit unregelmäßigen Oberflä chen werden dabei Unregelmäßigkeiten, wie z.B. eine Bohrung, eine zusätzliche Kante, miterfaßt, die vom Sensor, der eine bestimmte Naht oder Kante verfolgen soll, nicht unterschie den werden können. Ebensowenig ist der Sensorabstand zur Naht vom Abstand zu den anderen Flächenteilen des Erfas sungsbereichs des Feldes auseinander zu halten. Der Sensor führt eine Mittelwertbildung über den gesamten erfaßten Meß bereich durch, die aber normalerweise nicht linear oder nach einem anderen einfachen mathematischen Prinzip funktioniert. Jede Bohrung oder sonstige Aussparung oder Aufbiegung im Feldbereich - neben der Nahtkante - hätte eine Mißweisung zur Folge, die um eine Größenordnung über den Einfluß von Werkstücktoleranzen hinausgeht. Demzufolge wäre der Einsatz aller Sensoren, die auf der Grundlage von Feldmeßmethoden arbeiten, in den Bearbeitungsfällen ausgeschlossen, bei denen im Bereich der mit dem Werkzeug zu verfolgenden Linie Ver tiefungen bzw. Erhebungen vorhanden sind. In the field measurement methods, however, there is the difficulty that the width of the field generated and evaluated on the surface of the workpiece is not freely selectable, but is dependent on the structure of the device above the workpiece surface. These include in particular the sensor type, its size and the possibility of how the sensor can be arranged above the workpiece surface, with temperatures of the machining process, the position and design of the tool and so on playing a role. The field width to be evaluated is therefore larger than desirable in many applications. In the case of workpieces with irregular surfaces, irregularities such as, for example, a hole or an additional edge are also detected, which cannot be differentiated by the sensor that is to follow a specific seam or edge. Nor should the sensor distance to the seam be separated from the distance to the other surface parts of the detection area of the field. The sensor carries out an averaging over the entire detected measuring range, which normally does not work linearly or according to another simple mathematical principle. Any hole or other recess or bend in the field area - next to the seam edge - would result in a refusal that is an order of magnitude larger than the influence of workpiece tolerances. As a result, the use of all sensors that work on the basis of field measurement methods would be excluded in machining cases in which there are depressions or elevations in the area of the line to be traced with the tool.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sensorge steuerten Regler der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem der Einsatz von Sensoren nach dem Feldmeßprinzip universell einsetzbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The invention has for its object a sensor to develop controlled controllers of the type mentioned at the outset, with the use of sensors based on the field measurement principle is universally applicable. The object is achieved according to the invention solved with the features of claim 1.

Mit der Meßwertkorrekturvorrichtung werden alle Unregelmä ßigkeiten des Werkstücks im Feldbereich derart mitberück sichtigt, daß eine exakte Führung des Werkzeugs entlang der zu bearbeitenden Linie möglich ist, indem die Korrekturvor richtung zunächst auf den ersten Betriebsmodus geschaltet wird und der Sensor vor dem Bearbeitungsprozeß über die zu bearbeitende Linie geführt wird. Die dabei vom Sensor aufge nommenen Meßwerte schließen die durch die Werkstückgeometrie im Erfassungsbereich enthaltenen Meßanteile ein. Diese in einem festgelegten Takt in dem Speicher des ersten Betriebs modus eingespeicherten Werte stellen die tatsächlichen Sollwerte für den zu bearbeitenden Bereich dar. Anschließend wird die Meßwertkorrekturvorrichtung auf den zweiten Betriebs modus ungeschaltet, in dem er die Funktion eines normalen Reglers hat. In diesem Regelmodus werden nun im Bearbeitungs prozeß, z. B. während des Schweißvorganges die vom Sensor erfaßten Meßwerte im selben Zeittakt aufgenommen. Diese Meß werte werden zwangsläufig wieder mit den bekannten Störan teilen erfaßt und mit dem jeweils korrespondierenden Wert im Speicher des ersten Betriebsmodus verglichen. Entsprechend der Differenz aus dem gespeicherten und dem erfaßten Wert erfolgt die Nachjustierung der Werkzeug-Werkstück-Lage. Die auf diese Weise ermittelte Stellgröße berücksichtigt sämtliche Unregelmäßigkeiten im Feldbereich des Werkstücks. With the measured value correction device, all irregularities liquids of the workpiece in the field area that an exact guidance of the tool along the line to be edited is possible by making the correction direction first switched to the first operating mode is and the sensor before the machining process on the machining line is guided. The opened up by the sensor Measured values taken include those due to the workpiece geometry measurement components contained in the detection range. This in a fixed clock in the memory of the first operation mode stored values represent the actual Setpoints for the area to be processed. Then the measured value correction device to the second operation mode unswitched, in which it functions as a normal Controller. In this control mode are now being edited process, e.g. B. during the welding process from the sensor measured values recorded in the same time cycle. This measurement values are inevitably again with the known Störan share recorded and with the corresponding value compared in the memory of the first operating mode. Corresponding the difference between the stored and the recorded value the tool-workpiece position is readjusted. The The manipulated variable determined in this way takes all of them into account Irregularities in the field area of the workpiece.

Der erfindungsgemäße Regler ist damit universell einsetzbar, d.h. er ist sowohl bei Werkstücken mit ebenen Verarbeitungs bereichen als auch bei Werkstücken mit geometrischen Unre gelmäßigkeiten verwendbar, wie auch in solchen Fällen, bei denen der zu bearbeitende Bereich zwar keine Unregelmäßig keiten aufweist, jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen geringe Ungenauigkeiten enthält, wie beispielsweise Kanten mit geringen Fehlern. Auch hier werden diese Störstellen erfaßt und im Arbeitsvorgang berücksichtigt.The controller according to the invention can thus be used universally, i.e. it is both for workpieces with flat processing areas as well as workpieces with geometrical irregularities usability, as in such cases, at which the area to be processed is not irregular features, but due to manufacturing tolerances contains minor inaccuracies, such as edges with minor errors. Here, too, these defects recorded and taken into account in the work process.

Um eine sensorunterstützte Bearbeitung von Serienteilen vor zunehmen, wird zunächst ein Durchgang im Aufnahmemodus von nur einem beliebigen Teil der Serie durchgeführt. Alle ande ren Werkstücke der Serie können dann direkt im Regelmodus unter Heranziehung der beim Aufnahmedurchgang ermittelten Meßwerte bearbeitet werden.For sensor-assisted processing of serial parts increase, there will first be a pass in the recording mode of performed only any part of the series. All others Workpieces in the series can then be operated directly in control mode using those determined during the recording run Measured values are processed.

Mit dem erfindungsgemäßen Regler können darüber hinaus auch Ungenauigkeiten des Bahnführungssystems ausgeschaltet oder nennenswert verringert werden, insbesondere wenn steuerungs abhängige, kleine und damit genauere und schnellere Hilfs achsen zum Fehlerausgleich zur Verfügung stehen. Ebenso kön nen Toleranzen beim Einspannen in Spannungssysteme sowie Werkstücktoleranzen ausgeglichen werden.With the controller according to the invention can also Inaccuracies in the web guiding system switched off or be significantly reduced, especially if control dependent, small and therefore more accurate and faster help axes are available for error compensation. Likewise, tolerances when clamping in voltage systems as well Workpiece tolerances are compensated.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. The invention will now be described with reference to the drawing described.

Fig. 1 und 2 stellen jeweils einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht eines zu bearbeitenden Werkstücks 10 dar. Das Werk stück besteht aus einer Platte 11, auf die eine zweite Platte 12 angeschweißt werden soll, und zwar entlang einer Längsseite 13 der kleineren Platte 12. Die Platten 11 und 12 weisen jeweils eine fluchtende Bohrung 14 auf. Fig. 1 and 2 illustrate respectively a cross section and a plan view of a workpiece to be machined 10. The workpiece consists of a plate 11 to which a second plate 12 is to be welded, along a longitudinal side 13 of the smaller plate 12. The plates 11 and 12 each have an aligned bore 14 .

Im sensorgesteuerten Schweißvorgang wird ein Sensor 20 ent lang der Naht 13 (in X-Richtung) geführt und dabei die Feld änderungen eines zwischen dem Werkstück 10 und dem Sensor 20 aufgebautes Feldes F gemessen. Aus insbesondere geometri schen und temperaturabhängigen Gründen kann der Sensor 20 nicht so nah an die Naht 13 und demzufolge nicht mit ent sprechend enger Feldbreite angeordnet werden. So ergibt sich aufgrund des Sensortyps und der Geometrie der Bearbeitungs umgebung eine relativ große Feldbreite 21, die im hier dar gestellten Beispiel sowohl die Schweißnaht bzw. Schweiß kante 13 als auch einen Bereich der Bohrung 14 umfaßt, wo durch das Feld F beim Durchstreifen der Schweißnaht 13 nicht nur von der Kante der oberen Platte 12, sondern auch von der Bohrung 14 entsprechend verändert wird. In Fig. 4 ist die Zuordnung des Sensors 20 zum Werkstück 10, das im Querschnitt gezeigt ist, dargestellt.In the sensor-controlled welding process, a sensor 20 is guided along the seam 13 (in the X direction) and the field changes of a field F built up between the workpiece 10 and the sensor 20 are measured. For geometric and temperature-dependent reasons in particular, the sensor 20 cannot be arranged as close to the seam 13 and therefore not with a correspondingly narrow field width. Thus, due to the sensor type and the geometry of the machining environment, there is a relatively large field width 21 , which in the example shown here includes both the weld seam or weld edge 13 and an area of the bore 14 , where through the field F when roaming the weld seam 13 is changed not only from the edge of the upper plate 12 , but also from the bore 14 accordingly. In FIG. 4, the assignment of the sensor 20 to the workpiece 10, which is shown in cross section, is shown.

Die Meßwerte des Sensors, z. B. Spannungswerte V, werden dem zufolge Unregelmäßigkeiten zeigen. In Fig. 3 ist in einem Diagramm Spannung/Lage in X-Richtung der Verlauf der Span nungssignale entlang einer Linie der Naht 13 dargestellt. Die Kurve 25 zeigt den Verlauf der Meßwerte für die Nahtsei tenlage, d. h. die Lage des Sensors 20 relativ zur Naht 13 in Y-Richtung (Fig. 4). The measured values of the sensor, e.g. B. voltage values V will show irregularities. In Fig. 3, the voltage / position in the X direction is shown in a diagram of the voltage signals along a line of the seam 13 . The curve 25 shows the course of the measured values for the seam position, ie the position of the sensor 20 relative to the seam 13 in the Y direction ( FIG. 4).

Diese Werte steigen beispielsweise deutlich bei Annäherung der zweiten Platte 12 an, um in der Höhe der Bohrung 14 auf grund des stark reduzierten Materials stärker abzufallen als über den seitlichen Bereichen oberhalb der Platte 11. Ähn lich ist in der Kurve 26, die den Abstand in Z-Richtung des Sensors 20 vom Werkstück 10 darstellt, der Einfluß der Boh rung 14 und der Kanten 15 der oberen Platte 12 zu erkennen.These values increase significantly, for example, when the second plate 12 approaches, in order to decrease more in the height of the bore 14 due to the greatly reduced material than above the lateral areas above the plate 11 . Similar Lich is in the curve 26 , which represents the distance in the Z direction of the sensor 20 from the workpiece 10 , the influence of drilling tion 14 and the edges 15 of the upper plate 12 can be seen.

Mit den konventionellen sensorgesteuerten Reglern wäre eine korrekte Führung des in der Zeichnung nicht dargestellten Schweißkopfes nicht möglich, weder in Seiten- noch Höhen lage.One would be with the conventional sensor-controlled controllers correct management of the not shown in the drawing Welding head not possible, neither in side nor in height location.

In Fig. 5 ist der Aufbau eines Reglers nach der Erfindung im Blockschaltbild dargestellt. Der Regler 30 hat eine Start einheit 31, die von einem Bediener mittels eines Schalters 32 in Betrieb setzbar ist und zum Lesen der vom Sensor 20 er faßten Meßwerte V dient. Mittels eines ebenfalls vom Benut zer zu bedienenden Betriebsmodusschalters 33 ist der Regler 30 in einen ersten Betriebsmodus, Aufnahmemodus genannt, und einen zweiten Regelmodus schaltbar. Wenn der Schalter 33 auf Aufnahmemodus geschaltet ist, werden die von der Startein heit 31 abgelesenen Meßwerte V einem Aufnahmeprozessor 34 weitergegeben, der einen Vorgangszähler 35 sowie einen Speicher 36 enthält. Mit dem Zähler 35 werden die Meßwerte von der Starteinheit 31 in dem festgelegten Takt abgefragt und dem Speicher 36 weitergeleitet. Bei den eingespeicherten Meßwerten wird unterschieden zwischen Meßwerten, die die Seitenlage und die die Höhe des Sensors bestimmen. In FIG. 5, the structure of a controller according to the invention is shown in the block diagram. The controller 30 has a starting unit 31 which can be put into operation by an operator by means of a switch 32 and is used for reading the measured values V detected by the sensor 20 . By means of an operating mode switch 33 which is also operated by the user, the controller 30 can be switched into a first operating mode, called a recording mode, and a second control mode. When the switch 33 is switched to the recording mode, the measured values V read by the starting unit 31 are passed on to a recording processor 34 , which contains an operation counter 35 and a memory 36 . With the counter 35 , the measured values are interrogated by the starting unit 31 in the specified cycle and forwarded to the memory 36 . In the case of the stored measured values, a distinction is made between measured values which determine the lateral position and the height of the sensor.

Die so gespeicherten Daten stellen die Sollwerte für die nachfolgend im Bearbeitungsprozeß durchzuführende Regelung der Seiten- bzw. Höhenlage zwischen dem Schweißkopf und dem Werkstück 10 dar.The data stored in this way represent the setpoints for the subsequent regulation of the lateral or height position between the welding head and the workpiece 10 to be carried out in the machining process.

Der Aufnahmemodus dient lediglich zur Erfassung der tatsäch lichen Meßwerte, die vom Sensor in einem Probelauf über dem Werkstück erfaßt werden.The recording mode is only used to record the actual Lichen measured values from the sensor in a test run over the Workpiece to be detected.

Wenn nun der Schweißvorgang durchgeführt wird, wird der Reg ler 30 über den Schalter 33 auf einen Regelmodus R umge schaltet. In dieser Stellung werden die von der Start einheit 31 gelesenen Sensorsignale V nicht mehr dem Auf nahmeprozeß, sondern einem Regelprozessor 37 zugeführt, und zwar im selben Takt wie im Aufnahmemodus. Zu jedem Sensor wert V liest der Regelprozessor 37 den korrespondierenden Sollwert aus dem Speicher 36 ab. Diese werden im Differenz bildner 38 verglichen. Die Abweichung des Meßwertes während des Schweißprozesses vom entsprechend gespeicherten Wert stellt den Stellwert dar, der mittels einer Ausgabeeinheit 39 einem Stellglied 40 für die Nachjustierung der Relativ positionen zwischen Schweißkopf und Werkstück 10 zugeführt wird.If the welding process is now carried out, the controller 30 is switched to a control mode R via the switch 33 . In this position, the sensor signals V read from the starting unit 31 are no longer fed to the recording process, but rather to a control processor 37 , in the same cycle as in the recording mode. For each sensor value V , the control processor 37 reads the corresponding target value from the memory 36 . These are compared in the difference generator 38 . The deviation of the measured value during the welding process from the correspondingly stored value represents the manipulated value which is fed to an actuator 40 for readjusting the relative positions between the welding head and workpiece 10 by means of an output unit 39 .

Bei Beginn des eigentlichen Bearbeitungsvorganges muß darauf geachtet werden, daß der Sensor 20 die gleiche Ausgangslage hat wie während des Aufnahmemodus. Dies kann beispiels weise mechanisch mittels Anschlägen erfolgen. Ferner muß das Ablesen der Seiten- bzw. Höhenlagewerte im Regelprozeß dem des Aufnahmemodus entsprechen. At the beginning of the actual machining process, care must be taken that the sensor 20 has the same starting position as during the recording mode. This can be done mechanically by means of stops, for example. Furthermore, the reading of the side or height values in the control process must correspond to that of the recording mode.

Durch den Vergleich der Sensorwerte mit den die Geometrie des Werkstücks berücksichtigenden gespeicherten Werten ist eine exakte Nachführung und Positionierung des Werkzeugs re lativ zum Werkstück möglich. Dabei können folgende Fehler quellen der Bahngenauigkeit ausgeschaltet bzw. verringert werden, nämlich:By comparing the sensor values with the geometry of the workpiece taking into account stored values an exact tracking and positioning of the tool possible relative to the workpiece. The following errors can occur sources of path accuracy switched off or reduced become, namely:

a) Inaccuracy of the web guiding system, especially if control independent, small and therefore more precise and faster auxiliary axes are available for error compensation stand,
b) Tolerances when clamping in clamping systems, if thereby the position of the seam compared to the programmed one Orbit changes, and
c) workpiece tolerances, for example when forming the Workpiece inevitably occur by deep drawing.

Claims

1. Sensor-controlled controller for position control of a tool relative to a workpiece, characterized in that the controller ( 30 ) is assigned a measured value correction device ( 34 to 39 ) which, for a first operating mode, has a memory ( 36 ) for receiving measurement data ( V ) from a first pass of the sensor ( 20 ) via the point ( 13 ) of the workpiece ( 10 ) to be machined and that the second operating mode is designed as a control mode to which the stored measurement data from the first operating mode can be supplied as a setpoint.

2. Controller according to claim 1, characterized in that the first operating mode ( A ) and the control operating mode ( R ) each have a counter ( 25 or 41 ) assigned.