CN1208474A - 对机床或机器人等的工作精度的测定和最佳化 - Google Patents

Abstract

一种对机床或机器人等的工作精度进行测定和最佳化的方法,通过本发明实现了可以采用现有技术中已有的位置测量系统对工作精度进行测定和最佳化。为此在进行位置测量时,以预定的测量间隔对任意多数量的轴的路径信息进行取样和存贮。通过采取信号处理的措施对所获得的数据进行转换和处理,从而对实际的工作精度和不精确性的原因得出结论。

Description

对机床或机器人等的工作 精度的测定和最佳化

本发明涉及采用机床或机器人等的已知器件对其工作精度的测定和最佳化。

在对机床或机器人进行开发并且甚至在其运行时，与作为基础的调节任务无关，对于开发工程师或开机操纵工程师通常提出的问题是，必须正确地调节更高一级的调节器结构或预控制器并以简单的方式方法识别其效果。为此，通常需要作为辅助手段的测量系统，该测量系统基于必要的精度会随之给开发和运行带来巨额的附加费用。例如为测定机床的工作精度，要采用多台昂贵的测量仪表，这些仪表的采购费用常常要高于15万马克。另外，这些测量仪表还需要为此专门培训的人员。

例如在进行同步测量时需要采用昂贵的加速传感器、电荷放大器以及用于频谱分析的分析仪表。例如采用感应式路径探头，而且仅能采用具有最高表面质量的标尺的路径探头，这势必伴随有相应高昂的费用。除费用外，在采用这类辅助手段测定同步时还会产生轴重叠时的问题。而且因此很难求出主轴的影响。

通常采用感应式路径探头确定定位准确度。但这种方法很慢。在采用光学传感器时通常玻璃标尺很难进入进行位置测量的位置。

通常要采用非常耗费时间的工件测量来测量轮廓保真度或其它诸如角等的轮廓特性。为此同样又需要采用昂贵的测量仪表。

通常需要采用具有两维探头的圆规进行外圆测量，对此必须进行费时费力的对圆心点的校准。另外，对每个圆半径需要有这样一种圆规。由此造成费用昂贵并视精度其总额可能超过10万德国马克。

同样可以通过对额定轨迹和实际轨迹断面的放大求出轮廓精度，其中这时不再能看到整个轨迹的变化，这是因为放大系数必须在100至1000倍的范围内。

故本发明的目的在于，提出对机床或机器人或其它数控机床的工作精度进行测定以及最佳化的方案，所述方案不需要对昂贵的测量系统另外付出费用，不需要对工件进行测量即可为最终用户提供精度数据并且另外还可以实现早期错误识别以及错误定位。

本发明的目的是这样实现的，即通过采用机床或机器人等已有的位置测量系统对其工作精度进行测定和最佳化，其中在数控时通过位置测量以预定测量间隔对任意数量的轴的路径信息进行取样和存贮，对所获得的数据进行转换和处理，以便推断出实际的工作精度和不精确的原因，并限定对此不精确原因产生作用的补偿参数，使其可以抵消掉不精确原因，其中按照权利要求2至4中任一项或多项所述的有选择地对数据进行转换和处理的方法步骤进一步加以限定。

在本发明的第一个有益的设计中，实现了采用机床或机器人等的位置测量系统专门对同步的测定和最佳化，其中同样对此不必采用昂贵的测量系统。此点是根据下述的进一步的方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理实现的：

2.1求出每根轴在时间上的路径变化的斜率，

2.2接着利用误差平方最小化求出每根轴在时间上的可能的路径偏差，

2.3通过对路径偏差值的频谱分析，尤其是通过傅里叶分析，推断和分辨误差原因。

在本发明的另一有益的设计中，对采用机床或机器人等对定位精度的测定和最佳化做了进一步的设计。此点同样不必采用昂贵的外部的测量系统即可实现。为此，根据下述进一步的方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

3.1精确地在位置数值随时间的变化曲线上的调节加以干预之处，使所求出的位置数值与位置额定值进行比较，

3.2通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调节和/或转速预调节等对补偿参数进行相应调节，使可能的偏差减至最小。

在本发明的进一步的有益设计中，对采用机床、机器人等已有的位置测量系统进行轮廓保真度的测定和最佳化作了进一步的设计。此点同样也是在没有采用附加的昂贵的测量系统情况下实现的，也不需进行昂贵的调节。为此根据下述进一步的方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

4.1通过相应于作为基础的轮廓使多根轴叠加，使不同轴的位置测量系统的数据叠加示出，

4.2通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调节和/或转速预调节等对补偿参数进行相应调节，使与理想轮廓形状的偏差减至最小。

在本发明的进一步的有益设计中，对采用机床，机器人等已有的位置测量系统进行轮廓保真度的测定和最佳化作了进一步的设计。但其中要对每个任意的额定轨迹最佳化。求出轮廓偏差，该轮廓偏差作为机床对每个任意轮廓的加工精度的直接量度。随之也实现了对例如机床在加工时的轨迹精度的测定，在进行这类加工时所谓的圆形测量仅有很小的说服力(例如车外圆、凸轮轴研磨或模具制造)，这是因为在从轴向上看并没有运行有类似圆形的轨迹，或者说，注意力是集中在更为复杂的几何曲线上。因此可以实现数控机床对每一个任意轮廓的加工精度的检查。为此根据下述进一步的方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

5.1由表示路径信息的数据，根据作为基础的轮廓求出预定轴被实际描述出的实际轨迹，并与相应的额定轨迹的曲线进行比较，

5.2建立实际轨迹与额定轨迹间的几何基准，其中求出额定值矢量，该额定值矢量具有与实时实际值矢量相同的角度，

5.3求出作为任一轨迹点上的实际值矢量与额定值矢量间的间距的，在该轨迹点上的轮廓偏差，

5.4通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调节和/或转速预调节等对补偿参数进行相应调节，使与额定轨迹的轮廓偏差减至最小。

在本发明的进一步有益的设计中，以特别有效的方式方法由表示路径信息的数据求出事实的实际轨迹，其中测出作为滞后量值的表示路径信息的数据并借助该滞后量值和额定轨迹值求出预定轴的事实实际值。

在本发明的进一步有益的设计中，也可以在既具有线性轴又至少具有一个圆轴的机床、机器人等中实现上述已实现的优点。此点是通过将属于圆轴的在极坐标上的额定轨迹值和实际轨迹值变换到笛卡尔坐标系统中实现的，其中由线性轴的值获得半径信息并由圆轴值获得角信息。

在本发明的进一步有益的设计中，根据在数控机床、机器人等存在的离散值求出在最大可能精度时的轮廓偏差。此点是通过根据实际轨迹值和两个分别以最小的间隔先于该实际轨迹点和后置于该实际轨迹点的额定轨迹点，求出与额定轨迹夹角成90°的真正的轮廓偏差来实现的。

在本发明的进一步有益的设计中，除此之外还实现了对说明事实工作精度的测量结果的形象的显示，而对此并不需要单独的显现设备。在开发或修理或对误差的早期识别分析时，可由开发工程师或运行工程师分析可能的不准确性，以探查出其原因，而对此不必付出附加的代价。此点是通过测量结果或数据直接显示在已有的数控装置的荧光屏上实现的。

在本发明的另一有益的设计中，实现了不仅数控机床、机器人本身，而且也包括在这些机床上的子程序的最佳化。此点是通过根据预先求出的与该子程序的轮廓偏差对子程序参数进行校准来实现的，从而保证在有待表述的轮廓的每一个点上的最大允许的轮廓偏差。

有关其它的优点以及发明细节，请参见下述有关可能的实施例的说明，这些实施例是分别为另一个用于测定机床、机器人等的工作精度的参数设计的。

下面将对照附图对本发明的其它细节加以说明，附图中：

图1示出说明额定轨迹和实际轨迹的时间基准和几何基准之间问题的在平面上的轮廓特性曲线；

图2表示根据实际值和额定值之间的路径差测定与某实际轨迹点相应的额定轨迹点；

图3所示为由平面上的三个点求出精确的轮廓偏差的示意图。

在数控机床、机器人或其它数控机器中，通常都备有一个位置测量系统。该测量系统或者是绝对的，或者是相对的及增量的位置系统并且例如根据光学或感应原理工作。在数控装置中因此通常已存在路径信息。按照本发明在测定这样一种数控机器的工作精度时，有时也要对多个轴，以预定的测量间隔对路径信息取样和存贮。采用此方式获得的数据隐含有有关工作精度以及造成不精确的原因的信息。基于此，被取样和存储的路径信息被转换和处理，以便可以对实际工作精度以及可能的不精确的原因作出结论。为此可以采用任何主要针对诸如同步、定位精度或甚至轮廓保真度等有关工作精度的有待检查的参数的信号处理方法。由所获得的结果推导出误差原因或不精确的原因并且通过抵消这些原因的补偿参数的作用对在开发时以及运行时机床的精度进行最佳化。另外对所获得的结果可以进行图示或数字显示，从而使开发工程师及运行工程师可以对误差及不精确的可能原因得出结论。为对这些结果进行图像显示尤其宜采用数控装置或相应编程器的已有荧光屏。

下面将说明着眼于诸如同步、定位精度或轮廓保真度等具体的影响精度的参数对被取样的和存储的路径信息进行有益转换和处理的方法。

如上所述在采用已有的位置测量系统对同步进行测定和最佳化时，以预定的测量间隔对每个轴的路径信息进行取样和存储。对这些数据将作进一步的处理，从而求出每个轴的在时间上的路径变化的斜率。对此点同样可以由数控装置或相应的编程器的荧光屏显示出。对每个轴接着利用例如误差平方最小化计算出可能的路径偏差。该路径偏差同样是在时间上求出的。利用对测定出的路径偏差值的频谱分析对其可能的原因进行判定和分别。例如可以采用傅里叶分析实施这种频谱分析，该傅里叶分析作为所谓的快速傅里叶变换在数字控制装置中实现是尤为有益的。因此可以将不精确的可能的原因(例如该原因可能在于所采用的驱动装置、变流器或机床本身的部件中)进行分离和分配。

为依照本发明应用已有的位置测量系统对定位精度进行测定和最佳化，将根据取样、存储的路径信息求出的位置数值精确地在其随时间的变化曲线上的调节加以干预之处与由数控产生的位置额定值进行对照比较，并通过对补偿参数的相应的校准，使可能的偏差减至最小。例如可以通过对表示附着摩擦的Stick-Slip(附着-损失)特性的补偿进行这类补偿。其它补偿的方案是对力矩预调整或转速预调整施加相应的影响，力矩预调整和转速预调整同样在数控范围内是已具有的。

在采用已有的位置测量系统对轮廓保真度进行测定和最佳化时，以预定测量间隔对每个轴取样和存储的路径信息根据有待表述的多个轴的轮廓特性进行重叠。可以对任意一种轮廓进行表述，例如圆、角等。将通过对多个轴的数据的重叠产生的轮廓与理想的轮廓形状进行对照比较。因此例如可以进行圆形检测。

可以将借助数控装置中已有的子程序数据而已知的额定轨迹曲线与实际描述的实际轨迹进行比较，其中后者是由至少两个轴的位置测量系统测出的路径信息推导出的。但为对可能的轮廓偏差进行说明，并不是额定轨迹与实际描述的实际轨迹间的时间基准，而是额定轨迹与实际轨迹间的几何基准起着决定作用。因此求出具有与实时实际值矢量相同角度的额定值矢量。这时两个矢量的间距可以投影在额定值曲线的法线上并加以放大示出，并且构成额定轨迹或实际轨迹上受观察轨迹点上的轮廓偏差的量度。因此可以测出每个任意的两维或多维的几何形状并尺寸保真地显示出。根据该在额定值曲线的法线上投影形成的轨迹示出具有相应高清晰度的轮廓偏差，这样就可获得一个已经由采用通常方式进行的工件测量的测量记录已知的图像。

在研究线性轴和圆轴间的内插特性时，这种方式尤其是有益的。例如凸轮轴研磨就是这样一种应用状况。由于在这类情况时是以正弦或余弦额定值曲线为前提的，故不采用圆形测量。

轮廓表述以及求出的轮廓偏差同样可以用于对子程序的最佳化，以便在临界过渡点可以遵守最大允许轮廓误差。一旦确定实际的轮廓偏差超过最大允许的轮廓偏差，就要对子程序参数进行相应适配，以便使实际出现的轮廓偏差仍在最大允许的范围内。这类子程序参数例如可以是对最大可能速度的检查、带有或不带有转速预调整的运行或带有或不带有冲击限制的运行。

尤为有益的是，利用位置测量系统测量作为滞后量值的表示路径信息的数据。由已知的额定轨迹和测出的滞后量然后计算出具有相应高清晰度的实际轨迹。在至少有一个轴是圆轴并同时具有线性轴的情况下，必须把这时在极坐标显示中的额定轨迹值和实际轨迹值转换到笛卡尔坐标系统中。为此由线性轴的值获得半径信息并由圆轴的值获得角信息。在这些信息的基础上然后对数据进行处理，以便进行轮廓显示。对此处理时间点，测量值仅在时间基准上相关。但在测定轮廓偏差时仅几何基准是关键。

在图1中示出显示额定轨迹K_soll与实际轨迹K_ist间的时间与几何基准的疑难问题的轮廓特性。用方块对额定轨迹K_soll的各个支点加以标记，而对实际轨迹K_ist的支点相应用三角标记。由两个所述轮廓轨迹的曲线可以看出，与任意额定轨迹点X_soll相对应的实际轨迹点X_ist落后于相应的额定轨迹值。但也并不是总是以下述情况为出发点，在图1的示例中额定轨迹值X_soll前置于实际轨迹值X_ist。因此根据可能已知的滞后量曲线求出额定轨迹与实际轨迹间几何基准的不同情况是必要的。

在图2中示出最经常出现的尽可能有效测定与实际值X_ist相应的额定值X_soll的情况。其中在图2.1至2.5中用f标示的纵坐标上表示实时实际值X_ist(x)与某额定值X_soll(x±n)的路径差。表示横坐标的n的值说明所观察的额定值是涉及前置于相应实际值的额定值(n的负值)还是后置于相应实际值的额定值(n的正值)。其中路径差f根据下述计算公式测定，该计算公式例如在用两个轴描述轮廓时为：

其中分别测定出所求出的路径差f的最小值，其中尽可能将紧随其后的额定值X_soll(x+n)分配给每个实际值X_ist(x)。图2.1示出的额定值是前置于实际值的。图2.2中的情况正为相反，其实际值前置于额定值。在图2.3中额定值与实际值重合。在图2.4和2.5中对分别求出的路径差得出一条复合曲线，由此曲线分别求出作为紧随受观察的实际值之后的额定值的最小值。在图2.1至2.5中所示的最小值分别用圆圈标示。

但与圆形测量相同，轮廓偏差的求出是以通常对额定轨迹的实际轮廓偏差计算和表示为前提的。当求出的轮廓偏差与额定轨迹的夹角为90°时，就是此情况。为了使误差最小，必须求出哪个额定值X_soll(x+n±1)是与实际值X_ist(x)最接近的。此点是根据上述方式实现的。

在图3中形象地说明了由平面上的三个点求该真正的轮廓偏差的方法。图中示出的是图1轮廓特性的断面放大图。图中示出实时观察的实际值X_ist(x)以及以极小的间隔前置于该实际轨迹点的额定值X_soll(x+n)以及以极小的间隔后置于该实际轨迹点的额定轨迹点X_soll(x+n+1)。这时用在空间中的这三个点求出、显示并计算出轮廓偏差。采用此方式求出的真正的轮廓偏差与额定轨迹曲线的夹角为90°，在图3中用KA表示。

通过相应地调整对导致轮廓保真度缺乏的成因起反作用的补偿参数，可以将偏差减到最小。补偿可以附着摩擦补偿，转矩预调或例如转速预调的方式来进行。然而也可想象另外的补偿措施，这取决于在作为基础的数控装置中可提供的功能。

通过按本发明应用已有位置测量系统对工作精度测定和最佳化，可产生出下述其它优点。对位置测量的结果是，不必进行伴随有误差的将加速力矩及转速值向位置偏差的换算。因而可以非常精确地测定不精确性。另外不需要对诸如测量探头或尺规或用于圆形测量的带有两维探头的圆规等量具的校准。在几分钟内即可进行一次测量，因而大大缩短了开发时间和运行时间。另外可在数控装置的操作盘上按菜单控制实现测量过程，其中测量过程装在菜单控制内。采用此方式实现了测量结果的显示可直接在数控或编程器的荧光屏上进行，因而对于进行测量的人员实现了进一步形象观视的可能并随之可对不精确的可能的原因作出进一步的结论。

Claims (10)

1.一种采用机床或机器人等的已有的位置测量系统对其工作精度进行测定和最佳化的方法，其中在数控装置中采用位置测量以预定的测量间隔对任意数量的许多轴的路径信息进行取样和存贮，对用此法获得的数据进行转换和处理，使得可以对实际工作精度和对不精确的原因得出结论，并且限定对不精确原因起作用的补偿参数，使之能抵消掉不精确的原因，其中根据权利要求2至5中一项或多项有选择地对转换和处理数据的方法步骤作进一步的定义。

2.按照权利要求1采用机床或机器人等的已有的位置测量系统对同步进行测定和最佳化，其中按下述方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

2.1求出每根轴在时间上的路径变化的斜率，

2.2接着利用误差平方最小化求出每根轴在时间上的可能的路径偏差，

2.3通过对路径偏差值的频谱分析，尤其是通过傅里叶分析，对误差原因进行判定和区分。

3.按照权利要求1采用机床或机器人等的已有的位置测量系统对定位精度进行测定和最佳化，其中按下述方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

3.1将所求出的位置值精确地在其随时间的变化曲线上的调节介入处与位置额定值进行对比，

3.2通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调整和/或转速预调整等对补偿参数进行的校正，使可能的偏差减至最小。

4.按照权利要求1采用机床或机器人等的已有的位置测量系统对轮廓保真性进行测定和最佳化，其中按下述方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

4.1通过按照作为基础的轮廓使多根轴叠加实现对不同轴的位置测量系统的数据的叠加表示，

4.2通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调整和/或转速预调整等对补偿参数的相应校正，与理想轮廓形状的偏差减至最小。

5.按照权利要求1采用机床或机器人等已有的位置测量系统对轮廓保真性进行测定和最佳化，其中按下述方法步骤对表示路径信息的数据进行转换和处理：

5.1根据作为基础的轮廓，由表示路径信息的数据求出预定轴线的事实的实际轨迹(K_ist)并与有关的额定轨迹(K_soll)的曲线进行比较，

5.2通过求出具有与实时实际值矢量相同角度的额定值矢量，建立实际轨迹(K_ist)与额定轨迹(K_soll)间的几何基准，

5.3求出作为某一轨迹点上的实际值矢量与额定值矢量间的间距的所述轨迹点上的轮廓偏差(KA)

5.4通过诸如附着摩擦补偿和/或力矩预调整和/或转速预调整等对补偿参数的相应调整，使与额定轨迹(K_soll)的轮廓偏差减至最小。

6.按照权利要求5对机床或机器人等的已有的位置测量系统的应用，其中测量出作为滞后量值的表示路径信息的数据并根据该滞后量值和额定轨迹值(K_soll)求出预定轴线的事实的实际值(K_ist)。

7.按照权利要求5或6对机床或机器人等的已有的位置测量系统的应用，其中至少有一个预定的轴为圆轴并且至少另一个轴为线轴，并且通过由线性轴的值获得半径信息并由圆轴的值获得角信息，使与圆轴有关的在极坐标中的额定轨迹值和实际轨迹值被转换到笛卡尔坐标系统中。

8.按照权利要求5、6或7对机床或机器人等的已有的位置测量系统的应用，其中根据实际轨迹点(X_ist(x))和两个以最小的间隔分别先于该实际轨迹点(X_ist(x))的额定轨迹点(X_soll(x+n))和后置于该实际轨迹点(X_ist(x))的额定轨迹点(X_soll(x+n+1))，求出与额定轨迹(K_soll)的夹角为90°的真实轮廓偏差(KA)作为轮廓偏差。

9.按照上述任一项权利要求对机床或机器人等的已有位置测量系统的应用，其中对测量结果或数据的显示是直接在已有的数控装置的荧光屏上实现的。

10.按照上述任一项权利要求对机床或机器人等的已有的位置测量系统的应用，其中通过根据预先求出的轮廓偏差对子程序参数的校准实现对该子程序的最佳化，从而保证了有待描述的轮廓的每一个点上的最大允许轮廓偏差。

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