DE10020842A1 - Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine - Google Patents
Koordinatenmeßgerät oder WerkzeugmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät oder eine Werkzeugmaschine mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (28) sowie wenigstens einem unabhängig von der Steuer- und Auswerteeinheit arbeitenden Meßsensor der von der Mechanik (27) des Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine gegenüber einem Werkstück in den drei Koordinatenrichtungen (x, y, z) verfahren werden kann. Um den Meßsensor (6) und die Steuer- und Auswerteeinheit (28) zeitlich zu synchronisieren, ist sowohl im Meßsensor ein Zeitgeber (15) vorgesehen, wie auch in der Steuer- und Auswerteeinheit (28) ein Zeitgeber (21) vorgesehen, wobei die Zeitgeber voneinander unabhängig arbeiten, und die besagten Zeitgeber auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt abgeglichen werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Koordinatenmeßgerät oder eine Werkzeugmaschine mit einer
Steuer- und Auswerteeinheit, sowie wenigstens einem unabhängig von der Steuer- und
Auswerteeinheit arbeitenden Meßsensor, der von der Mechanik des
Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine gegenüber einem zu vermessenden
Werkstück in den drei Koordinatenrichtungen verfahren werden kann.
Derartige Koordinatenmeßgeräte und Werkzeugmaschinen sind bereits seit längerem
bekannt. Bei den Sensoren handelt es sich hierbei meist um optische Tastköpfe, wie
beispielsweise Triangulationstaster oder Videokameras die eine eigene Auswerteelektronik
aufweisen. Der Systemtakt dieser Auswerteelektronik ist beispielsweise bei einer
Videokamera als Meßsensor durch die Videofrequenz der Kamera festgelegt und damit
erheblich höher als der Systemtakt der Steuerung eines Koordinatenmeßgerätes oder einer
Werkzeugmaschine, der auf die Antriebsregelung optimiert ist. Eine Synchronisierung des
Meßsensors mit der Steuer- und Auswerteeinheit ist ohne besondere Zusatzmaßnahmen
deshalb nur dann möglich, wenn eine Auswertung bei Stillstand des
Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine erfolgt, da sich nur dann die
Sensormeßwerte des Meßsensors und die Maschinenmeßwerte des Koordinatenmeßgerätes
zeitlich nicht ändern. Hierdurch wird jedoch die Durchführung einer größeren Meßaufgabe
immens zeitaufwendig, da zur Aufnahme jedes Meßpunktes das Koordinatenmeßgerät erst
vollkommen zum Stillstand kommen muß.
Um dieses Problem zu beseitigen, wurden in der Vergangenheit teils sehr aufwendige
Schnittstellen zwischen der Steuer- und Auswerteeinheit des Koordinatenmeßgerätes oder
der Werkzeugmaschine und dem unabhängig hiervon arbeitenden Meßsensor entwickelt,
um den Meßsensor mit dem Systemtakt der von der Steuer- und Auswerteeinheit umfaßten
Steuerung zu synchronisieren.
Ein derartiges Koordinatenmeßgerät ist beispielsweise in unserem US-Patent US 5,982,491
beschrieben. Hierin ist ein unabhängig vom Koordinatenmeßgerät arbeitender Laser-
Triangulationstaster beschrieben, der über die Mechanik eines Koordinatenmeßgerätes in
den drei Koordinatenrichtungen x, y, z bewegt werden kann und zur Detektion von Kanten
auf Werkstücken dient. Der Meßsensor führt den Abtaststrahl hierbei immer auf einer
kreisförmigen Bahn, wobei die Mechanik des Koordinatenmeßgerätes den Meßsensor
lotrecht über die Kante führt. Um die ausgewerteten Sensormeßwerte des Meßsensors mit
den Maschinenmeßwerten der Maßstäbe des Koordinatenmeßgerätes synchronisieren zu
können, ist sowohl im Koordinatenmeßgerät, wie auch im Meßsensor eine speziell für den
Meßsensor entwickelte Schnittstelle vorgesehen, über die der Meßsensor im nachhinein der
Steuerung des Koordinatenmeßgerätes mitteilt, um wieviele Takte zurückversetzt der
Meßsensor gegenüber der überfahrenen Kante eine fest definierte Stellung eingenommen
hat.
Hiervon ausgehend liegt unserer Erfindung die Aufgabe zugrunde ein
Koordinatenmeßgerät oder eine Werkzeugmaschine vorzuschlagen, dessen Steuer- und
Auswerteeinheit mit einem hiervon unabhängig arbeitenden Meßsensor einfach
synchronisiert werden kann. Aufgabe ist es ferner, ein entsprechendes Verfahren
anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Der Grundgedanke unserer Erfindung ist hierbei darin zu sehen, daß sowohl im Meßsensor
wie auch in der Steuer- und Auswerteeinheit unabhängig voneinander arbeitende Zeitgeber
vorgesehen sind, wobei die besagten Zeitgeber auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt
abgeglichen werden.
Ein erfindungsgemäßes Koordinatenmeßgerät bzw. eine Werkzeugmaschine weist
gegenüber dem bislang bekannten Stand der Technik den erheblichen Vorteil auf, daß
hierdurch ein Koordinatenmeßgerät geschaffen wurde, das auf relativ einfache Weise
unabhängig vom Koordinatenmeßgerät arbeitende Meßsensoren mit der Steuer- und
Auswerteeinheit des Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine synchronisieren
kann. Hierdurch ergibt sich der besondere Vorteil, daß hierdurch ein sehr einfacher
Standard geschaffen werden kann, an den sich die Hersteller von entsprechenden
Meßsensoren ohne großen Aufwand anlehnen können. Außerdem ist es auch sehr einfach
möglich, alte Meßsensoren, die diesen Standard noch nicht aufweisen durch Hinzufügung
eines kleinen Programmabschnittes für diesen Standard tauglich zu machen. Auch für die
Hersteller von Koordinatenmeßgeräten und Werkzeugmaschinen bringt dieser Standard
erhebliche Vorteile. Zum einen entfällt hierdurch die oftmals Zeit- und kostenintensive
Anpassung eines Koordinatenmeßgerätes oder einer Werkzeugmaschine an einen
bestimmten Sensortyp. Zum anderen wird hierdurch die Bandbreite der am
Koordinatenmeßgerät oder an der Werkzeugmaschine einsetzbaren Sensoren in Zukunft
erheblich erweitert werden.
Als Zeitgeber im Meßsensor, wie auch in der Steuer- und Auswerteeinheit sollte der im
System vorhandene Timer mit der höchsten Auflösung verwendet werden, also
beispielsweise bei einem Personal Computer das Clock-Counter-Register für die
Systemtakt-Interrupt-Quelle oder bei einem Mikroprozessor das Time-Stamp-Counter-
Register. Dies ist deshalb notwendig, da relativ kleine Zeitinkremente benötigt werden. Die
Systemuhr beispielsweise eines Personal Computers, die nur 18 Zeitinkremente pro
Sekunde liefert, ist hierfür nicht genau genug.
Der Abgleich der Zeitgeber auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt kann hierbei
unterschiedlich erfolgen. Im einfachsten Fall werden zu einem Zeitpunkt, die jeweiligen
Zeitwerte der Zeitgeber ausgelesen und als Startzeitpunkt gespeichert. In einer bevorzugten
Ausführungsform wird man jedoch die Zeitgeber auf Werte abgleichen, die eine
gemeinsame Uhrzeit repräsentieren. Besonders vorteilhaft sollten die Zeitgeber auf
Weltzeit eingestellt werden, wie sie beispielsweise auch bei sogenannten Funkuhren
eingestellt wird.
Um die Laufabweichungen zwischen den Zeitgebern möglichst gering zu halten, sollten die
Zeitgeber während eines Meßablaufes mehrfach in kürzeren Zeitabständen auf einen
gemeinsamen Startzeitpunkt abgeglichen werden.
Der zeitliche Bezug der durch die Zeitgeber abgegebenen Zeitwerte zueinander kann in
einer besonders einfachen Variante ermittelt werden, indem zu einem Zeitpunkt nach dem
Startzeitpunkt erneut gemeinsam die Zeitwerte der Zeitgeber ausgelesen werden und
jeweils die Differenz dieser Zeitwerte zu den zugehörigen Zeitwerten zum Startzeitpunkt
gebildet wird. Der Quotient dieser Differenzen gibt das Laufzeitverhältnis der Zeitgeber
zueinander an.
Besonders vorteilhaft werden die Zeitgeber jedoch auf eine gemeinsame Zeiteinheit, wie
beispielsweise eine Sekunde normiert. Hierdurch können die Zeitwerte, die vom Zeitgeber
des Meßsensors stammen unmittelbar mit den Zeitwerten, die vom Zeitgeber der Steuer-
und Auswerteeinheit stammen verglichen werden. Zur Normierung sind eine Vielzahl von
unterschiedlichen Varianten denkbar. Die wohl einfachste Variante ist darin zu sehen, daß
sowohl die Steuer- und Auswerteeinheit, wie auch der Meßsensor den jeweiligen Zeitgeber
selber normieren. Dies ist einfach möglich, indem bei dem jeweiligen Zeitgeber die Anzahl
der Takte gezählt werden, bis die zugehörige Systemuhr um eine definierte Zeitspanne,
z. B. eine Sekunde vorgerückt ist. Das Zeitinkrement pro Takt des Zeitgebers ergibt sich
dann als Zeitspanne/Anzahl der gezählten Takte.
Genauso gut ist es beispielsweise auch möglich, daß die Steuer- und Auswerteeinheit die
Normierung durchführt. Dies könnte beispielsweise so vor sich gehen, daß die Steuer- und
Auswerteeinheit über eine Triggerleitung ein Signal ausgibt, aufgrund dessen sowohl der
Zeitgeber im Meßsensor, wie auch der Zeitgeber in der Steuer- und Auswerteeinheit
ausgelesen werden. Nunmehr wird, nachdem die Systemuhr der Steuer- und
Auswerteeinheit um, einen Zeitbetrag vorgerückt ist erneut ein Signal über die
Triggerleitung abgegeben, worauf erneut der Zeitgeber im Meßsensor, wie auch der
Zeitgeber in der Steuer- und Auswerteeinheit ausgelesen werden. Das Zeitinkrement pro
Takt des jeweiligen Zeitgebers ergibt sich damit analog als Zeitbetrag/Anzahl der gezählten
Takte.
Damit die Steuer- und Auswerteeinheit mit dem Meßsensor sinnvoll zusammenarbeiten
kann, werden die erfaßten Sensormeßwerte des Meßsensors mit einem Zeitstempel seines
Zeitgebers versehen und an die Steuer- und Auswerteeinheit weiterleitet. Da die Steuer-
und Auswerteeinheit mit dem Meßsensor über die Zeitgeber synchronisiert sind, können
die Sensormeßwerte jederzeit zeitlich in den in der Steuer- und Auswerteeinheit
ablaufenden Meßablauf eingepaßt werden.
Die Notwendigkeit, die Sensormeßwerte in den Meßablauf einzupassen besteht
beispielsweise dann, wenn die Sensormeßwerte auf die Bahndaten eines Meßablaufes
rückgekoppelt werden sollen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Oberfläche
eines Werkstückes kontinuierlich mit einem Laser-Triangulationstaster abgetastet werden
soll. Hierzu wird der Meßsensor von der Steuerung des Koordinatenmeßgerätes parallel zur
Oberfläche über die Oberfläche geführt, wobei der Abstand des Meßsensors von der
Oberfläche konstant gehalten wird, indem die Sensormeßwerte so auf die Bahndaten
rückgekoppelt werden, daß die Mechanik den Meßsensor in der entsprechenden Richtung
nachfährt.
Zur Rückkoppelung wird hierbei für jeden Sensormeßwert eine Totzeit berechnet, die sich
aus der zeitlichen Differenz zwischen dem Zeitstempel des Sensormeßwertes und dem
aktuellen Zeitwert des Zeitgebers in der Steuerung ergibt. Die besagte Totzeit ist in
zweierlei Hinsicht von Interesse.
Einerseits zeigen große Totzeiten, daß die Datenübertragungsstrecke zwischen dem
Meßsensor und der Steuer- und Auswerteeinheit oder aber auch der Meßsensor selber nur
relativ langsam arbeitet. Deshalb sollte die Steuer- und Auswerteeinheit so ausgelegt sein,
daß mit größer werdender Totzeit die Meßgeschwindigkeit des Meßablaufes reduziert wird.
Wie bereits oben beschrieben dient die Rückkopplung auch dazu, um den Abstand des
Meßsensors von der Oberfläche des Werkstückes konstant zu halten. Je älter ein
Sensormeßwert hierbei ist, desto geringer sollte der Einfluß auf die Nachregelung sein.
Deshalb sollte die Regelgröße derart berechnet werden, daß bei größer werdender Totzeit
die Wirksamkeit der Rückkoppelung reduziert wird.
Des weiteren müssen die Sensormeßwerte auch dann in den Meßablauf eingepaßt werden,
wenn die Sensormeßwerte mit Maschinenmeßwerten der Steuer- und Auswerteeinheit d. h.
also den Maßstabswerten der Mechanik in x-, y- und z-Richtung, verrechnet werden. Dazu
müssen die Sensormeßwerte mit den Maschinenmeßwerten zeitlich und damit auch
räumlich in Bezug gebracht werden.
Um dies zu erreichen werden zusätzlich auch den Maschinenmeßwerten Zeitstempel
angefügt, die vom Zeitgeber in der Steuer- und Auswertungseinheit abgegeben wurden, so
daß die Zeitstempel der Sensormeßwerte mit den Zeitstempeln der Maschinenmeßwerte
verglichen werden können.
Über Interpolation zwischen Sensormeßwerten oder Maschinenmeßwerten können jeweils
zeitlich und damit auch räumlich zueinander passende Paare von Sensormeßwerten und
Maschinenmeßwerten erzielt werden, die dann jeweils zur Ermittlung von Meßpunkten
komponentenrichtig zusammengerechnet werden können.
Des weiteren lassen sich die mit den Zeitstempeln versehenen Sensormeßwerte auch zur
Korrektur der Meßergebnisse nutzen. Durch die Zeitstempel ist nämlich im nachhinein die
genaue zeitliche Abfolge der Sensormeßwerte festgelegt, sodaß sich aus dieser zeitlichen
Abfolge der Sensormeßwerte Analysen, wie insbesondere Schwingungsanalysen
durchführen lassen. Beispielsweise können die Sensormeßwerte einer
Fourriertransformation unterzogen werden, um hierdurch die Charakteristischen
Schwingungen des Koordinatenmeßgerätes festzustellen.
Als Koordinatenmeßgerät kommen hierbei grundsätzlich alle derzeit bekannten
Koordinatenmeßgeräte in Betracht, bei denen ein Meßsensor in den drei
Koordinatenrichtungen verfahren werden kann. Es könnte sich also beispielsweise um
sogenannte Ständermeßgeräte, um Portalmeßgeräte, um Brückenmeßgeräte oder auch um
Koordinatenmeßgeräte mit Drehachsen handeln. Die Koordinatenmeßgeräte können hierbei
entweder mit NC-gesteuerten Antrieben versehen sein oder aber handgeführt sein.
Analog sind auch eine breite Palette von Werkzeugmaschinen denkbar. Beispielsweise
könnte es sich bei einer derartigen Werkzeugmaschine um eine Fräsmaschine handeln, bei
der anstelle des Fräswerkzeuges ein Meßsensor aufgenommen ist.
Auch bei den Meßsensoren kann es sich um die unterschiedlichsten Typen handeln.
Beispielsweise könnte es sich um einen Laser-Triangulationstaster handeln, oder um eine
Videokamera oder um einen interferometrischen Sensor.
Weitere Vorteile und Weiterbildung der Erfindung ergeben sich aus den Figuren. Hierin
zeigen:
Fig. 1 Eine rein schematische Blockdarstellung eines erfindungsgemäßen
Koordinatenmeßgerätes;
Fig. 2 eine rein schematische Darstellung der Komponenten des Meßsensors (6) aus
Fig. 1;
Fig. 3 eine rein schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten der
Steuerung (2) gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine rein schematische Darstellung aller wesentlichen Komponenten des
Rechners (1) gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine rein schematische Darstellung, wie sich die Meßgeschwindigkeit (Vs) in
Abhängigkeit von der Totzeit ändert.
Fig. 6 eine rein schematische Darstellung, wie die Sensormeßwerte mit den
Steuerungsmeßwerten in eine räumliche Beziehung gebracht werden.
Fig. 1 zeigt eine rein schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen
Koordinatenmeßgerätes. Das Koordinatenmeßgerät weist einen Rechner (1) auf, der über
eine Verbindung (8), wie beispielsweise LAN oder RS232 sowohl mit der Steuerung (2)
des Koordinatenmeßgerätes, wie auch mit einem hiervon unabhängigen Meßsensor (6)
kommunizieren kann. Der Meßsensor (6) ist hierbei als Laser-Triangulationstaster
ausgebildet, der den Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstückes (7) und dem
Meßsensor (6) in der mit (x') bezeichneten Meßrichtung messen kann. Der Meßsensor (6)
ist an einer hier nur rein schematisch gezeigten Mechanik (27) befestigt, die über Antriebe
(3) in den drei Koordinatenrichtungen (x, y, z) verfahren werden kann. Die jeweiligen
Positionen des Meßsensors (6) in den drei Koordinatenrichtungen (x, y, z), die im
Folgenden als Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) bezeichnet werden, werden über
entsprechende in den Koordinatenrichtungen liegende Wegmeßsysteme (4) abgetastet und
an die Steuerung (2) übergeben. Bei den Wegmeßsystemen (4) handelt es sich
üblicherweise um Inkrementalmaßstäbe, die von optischen Abtastköpfen abgetastet
werden.
In dem hier gezeigten speziellen Ausführungsbeispiel sieht der Meßablauf derart aus, daß
der Meßsensor (6) über die Mechanik (27) in der Koordinatenrichtung (z) parallel zur
Oberfläche des Werkstückes (7) verfahren wird. In der Koordinatenrichtung (x) hingegen,
die hier der Einfachheit halber mit der Meßrichtung (x') des Meßsensors (6) übereinstimmt,
werden die Sensormeßwerte (x'i) auf die Bahndaten in der Steuerung (2) derart
rückgekoppelt, daß der Sensormeßwerte (x'i) und somit also der Abstand zwischen dem
Meßsensor (6) und der Oberfläche des Werkstückes (7) weitgehend konstant bleibt.
Damit weist das Koordinatenmeßgerät also eine Steuer- und Auswerteeinheit (28),
umfassend einen Rechner (1) und eine Steuerung (2) mit Antrieben (3) und
Wegmeßeinheiten (4) auf sowie einen unabhängig von der Steuer- und Auswerteeinheit
(28) arbeitenden Meßsensor (6) der von der Mechanik (27) des Koordinatenmeßgerätes in
den drei Koordinatenrichtungen (x, y, z) verfahren werden kann.
Wie bereits oben ausgeführt, arbeitet die Steuerung (2) hierbei in einem relativ niedrigen
Systemtakt, der an die Regelung der Antriebe (3) angepaßt ist, während der Meßsensor (6)
unabhängig hiervon mit einem eigenen, relativ hohen Takt arbeitet. Damit die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) mit dem unabhängig hiervon arbeitenden Meßsensor (6) sinnvoll
zusammenarbeiten kann, werden der Meßsensor (6) sowie die Steuer- und Auswerteeinheit
(28) in erfindungsgemäßer Weise synchronisiert, wie wir dies anhand von Fig. 2 und 3
im Detail erläutern werden.
Fig. 2 zeigt eine rein schematische Darstellung des in Fig. 1 gezeigten Meßsensors (6)
mit den für die Erfindung relevanten Details. Der Meßsensor (6) umfaßt im wesentlichen
eine Meßwerterfassungseinheit (18) die über Laser-Triangulation die Sensormeßwerte (x'i)
also den Abstand zwischen dem Meßsensor (6) und der Werkstückoberfläche des
Werkstückes (7) erfaßt, sowie einen Mikroprozessor (19), in dem die Sensormeßwerte (x'i)
entsprechend weiterverarbeitet werden. Die im Mikroprozessor (19) eingezeichneten
Funktionsgruppen sind hierbei im wesentlichen als Softwaremodule realisiert.
Fig. 3 zeigt eine rein schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Steuerung (2) mit
für die Erfindung relevanten Details. Die Steuerung (2) ist hierbei ebenfalls als ein einziger
Mikroprozessor ausgeführt, wobei die hierin eingezeichneten Funktionsgruppen ebenfalls
als Softwaremodule realisiert sind.
Die wesentlichen Funktionsgruppen, über die der Meßsensor (6) und die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) synchronisiert werden ist hierbei ein Zeitgeber (15) der im Meßsensor
(6) vorgesehen ist, sowie ein Zeitgeber (21) der in der Steuerung (2) vorgesehen ist. Bei
diesen Zeitgebern handelt es sich jeweils um den Timer mit der höchsten Auflösung,
nämlich das Time-Stamp-Counter-Register des Mikroprozessors (19) des Meßsensors (6)
und analog das Time-Stamp-Counter-Register des Mikroprozessors der Steuerung (2). In
diesen Registern liegen die von einem Startwert hochgezählten Taktflanken des jeweiligen
Taktes (14 oder 22) des betreffenden Mikroprozessors vor, wobei der Inhalt als
hochauflösende Basis für die jeweilige Systemuhr (10 oder 31) des betreffenden
Mikroprozessors dient.
Zusätzlich weist die Steuerung (2) noch eine Abgleicheinheit (29) auf, die die beiden
Zeitgeber (15 und 21) auf einen gemeinsamen Startzeitpunkt abgleicht.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel geschieht der Abgleich, indem die Systemuhr
(31) und damit auch der Zeitgeber (21) in der Steuerung (2), wie auch die Systemuhr (10)
und damit auch der Zeitgeber (15) im Mikroprozessor (19) des Meßsensors auf eine
gemeinsame Uhrzeit eingestellt werden. Dies geschieht über die reguläre Verbindung (8)
zwischen der Steuerung (2) und dem Meßsensor (6). Über eine Triggerleitung (9) wird
dann ein Startimpuls an die Zeitgeber (15 und 21) gegeben zu dem die beiden Zeitgeber
(15 und 21) mit der vorab eingestellten Zeit zu laufen beginnen. Nunmehr laufen die
Systemuhren (10 und 31) weitestgehend synchron, so daß hierdurch auch jederzeit über den
Wert des zugehörigen Zeitgebers (15 bzw. 21) der exakte Zeitpunkt ermittelt werden kann.
Dies ist einfach möglich, indem für jeden der Zeitgeber (15 bzw. 21) die jeweilige Anzahl
der Taktflanken gezählt wird, um die sich der Wert des Zeitgebers in einer bestimmten Zeit
ändert.
Damit sich die Zeitwerte der Zeitgeber unmittelbar miteinander vergleichen lassen ist
zusätzlich sowohl im Meßsensor (6) wie auch in der Steuerung (2) jeweils eine
Normierungseinheit (11 bzw. 30) vorgesehen, die die vom jeweiligen Zeitgeber (15 bzw.
21) abgegebene Zeit auf eine gemeinsame Zeitbasis, bevorzugt auf eine Sekunde, normiert.
Hierbei werden von der jeweiligen Normierungseinheit (11 bzw. 30) kontinuierlich die
Anzahl der Takte gezählt, bis die Systemuhr (31) in der Steuerung (2) oder analog die
Systemuhr (10) im Meßsensor (6) um eine Sekunde vorgerückt ist. Das Zeitinkrement pro
Takt des jeweiligen Zeitgebers (15 oder 21) ergibt sich dann als 1 Sekunde/Anzahl der
gezählten Takte. Damit steht der Zeitwert des jeweiligen Zeitgebers (15 oder 21) normiert
zur Verfügung.
Wie der Meßsensor (6) und die Steuer- und Auswerteeinheit (28), die über die Zeitgeber
(15 und 21) synchronisiert sind, nunmehr in einem Meßablauf zusammenarbeiten können,
wird nunmehr detailliert anhand der Fig. 2 bis 6 erläutert.
Dazu werden zunächst, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die von der Meßwerterfassungseinheit
(18) erfaßten und an den Mikroprozessor (19) weitergereichten Sensormeßwerte (x'i) an
eine Einheit "Zeitstempel" (12) übergeben, die zu den Sensormeßwerten (x'i) den aktuellen
normierten Zeitwert des Zeitgebers (15) als digitalen Zeitstempel (tti) anhängt und diese
Sensormeßwerte (x'i) gemeinsam mit den Zeitstempeln (tti) in einem Meßwertspeicher (17)
ablegt. Auf Anforderung der Steuerung (2) werden in gewissen Zeitabständen die
gespeicherten Sensormeßwerte (x'i) gemeinsam mit den zugehörigen Zeitstempeln (tti)
dann über die Funktionsbaugruppe "Eingang/Ausgang" (13) und die Verbindung (8)
sowohl an die Steuerung (2), wie auch an den Rechner (1) der Steuer- und Auswerteeinheit
(28) übermittelt. Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß der verwendete Index i in der
gesamten Anmeldung für eine natürliche Zahl steht.
Die Rückkopplung der Sensormeßwerte (x'i) auf die Bahndaten des Meßablaufes in der
Steuerung (2) wird nun anhand von Fig. 3 näher erläutert werden. Dazu soll zunächst die
Funktionsweise der Steuerung (2) zur Durchführung des Meßablaufes ohne die
Rückkopplung erläutert werden. Hierzu werden Daten (Di), die den Meßablauf definieren,
vom Rechner (1) über die Verbindung (8) an die Funktionsbaugruppe (33)
"Eingang/Ausgang" übermittelt, die diese Daten (Di) weiter an die Funktionsbaugruppe
"Antriebsregelung" (32) weitergereicht. Hierin werden aus den Daten (Di) Bahndaten in
Form von Lagesollwerten (Li) erzeugt, die in einem festen Takt an die Antriebe (3) des
Koordinatenmeßgerätes weitergereicht werden und die anzufahrende Position in x-, y- und
z-Richtung angeben. Von den Wegmeßsystemen (4) der Mechanik (27) wiederum werden
die Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) zurückgeliefert, die die aktuelle Position des
Meßsensors (6) in den Koordinatenrichtungen (x, y, z) repräsentieren. Diese
Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) werden unter anderem an die Antriebsregelung (32)
übergeben. Hierin wird ein Soll-Ist-Vergleich mit den Lagesollwerten (Li) durchgeführt
und die Abweichung auf die Antriebe (3) zur Nachregelung rückgekoppelt.
Auf die Bahndaten des eben beschriebenen Meßablaufes werden nunmehr zusätzlich die
Sensormeßwerte (x'i) rückgekoppelt. Dazu werden die über die Verbindung (8)
übertragenen und von der Funktionsbaugruppe (33) "Eingang/Ausgang" in der Steuerung
(2) empfangenen Sensormeßwerte (x'i) gemeinsam mit den zugehörigen Zeitstempeln (tti)
zunächst an eine Totzeitberechnungseinheit (20) übergeben. Hierin werden zur
Rückkoppelung die Totzeiten (Δtti), also die zeitliche Differenz zwischen den Zeitstempeln
(tti) und dem jeweils aktuellen Zeitwert des Zeitgebers (21), der durch die
Normierungseinheit (30) normiert bereitgestellt wird, errechnet. Diese Totzeiten (Δtti)
geben an, wie "alt" die betreffenden Sensormeßwerte bezogen auf den jetzigen Zeitpunkt
sind.
Die Sensormeßwerte (x'i) werden danach in zweierlei Hinsicht auf die Lagesollwerte (Li)
rückgekoppelt.
Zum einen wird die Totzeit (Δtti) auf die Meßgeschwindigkeit (Vs) rückgekoppelt und zwar
derart, daß sich bei größer werdender Totzeit (Δtti) die Meßgeschwindigkeit (Vs) des
Meßablaufes reduziert. Wie bereits oben erwähnt sind große Totzeiten ein Zeichen dafür,
daß entweder die Datenübertragungsstrecke zwischen dem Meßsensor (6) und der
Steuerung (2) relativ langsam ist oder aber der Meßsensor (6) relativ langsam nur
Sensormeßwerte liefert. Der Sachverhalt, wie sich die Meßgeschwindigkeit (vz) in
Abhängigkeit von der Totzeit ändert, ist in Fig. 5 gezeigt. Wie hieraus ersichtlich Variiert
die Meßgeschwindigkeit (Vs) in Abhängigkeit von der Totzeit (Δtti) zwischen dem Wert
(vz0) und dem Wert 0.
Zum anderen werden die Sensormeßwerte (x'i) auf die Bahndaten des Meßablaufes derart
rückgekoppelt, daß die Antriebe (3) die Position des Meßsensors (6) so nachführen, daß der
Abstand zwischen dem Meßsensor (6) und der Oberfläche des Werkstückes (7) immer
nahezu konstant bleibt. Die Regelung ist hierbei so ausgelegt, daß bei größer werdender
Totzeit (Δtti) die Wirksamkeit der Rückkopplung reduziert wird. Das heißt also, daß
"ältere" Meßwerte bei der Rückkopplung geringer ins Gewicht fallen als "jüngere". Diese
Funktionalität ist über eine Gewichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Totzeit (Δtti)
realisiert.
Neben der Rückkopplung der Sensormeßwerte (x'i) auf die Bahndaten, arbeitet der
Meßsensor (6) auch insoweit mit der Steuer- und Auswerteeinheit (28) zusammen als zur
Meßdatenauswertung im Rechner (1) die Sensormeßwerte (x'i) und die
Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) zusammengerechnet werden. Hierdurch werden die
einzelnen Meßpunkte auf der Oberfläche des Werkstückes (7) berechnet. Um die
Meßdatenauswertung vornehmen zu können, werden zunächst auch die
Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) von der Meßwerterfassung (4) an eine Zeitstempeleinheit
(23) in der Steuerung (2) übergeben, die diese völlig analog zu den Sensormeßwerten mit
dem aktuellen normierten Zeitwert des Zeitgebers (21) in Form eines digitalen
Zeitstempels (tsi) versieht. Die mit den Zeitstempeln versehenen Maschinenmeßwerte (xi,
yi, zi) werden mittels der Funktionsbaugruppe "Eingang/Ausgang" über die Verbindung (8)
genau wie die Sensormeßwerte (x'i) an den Rechner (1) übertragen.
Die Meßdatenauswertung im Rechner (1) soll nunmehr im Zusammenhang mit Fig. 4
erläutert werden, in der rein schematisch die Komponenten des Meßrechners dargestellt
sind. Auch hierin stellen die gezeigten Funktionsbaugruppen im wesentlichen
Softwaremodule dar. Wie hierin gezeigt, werden von der Funktionsbaugruppe (27)
"Eingang/Ausgang" über die Verbindung (8) die Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) samt
zugehöriger Zeitstempel (tsi) empfangen, wie auch die Sensormeßwerte (x'i) mit den
entsprechenden Zeitstempeln (tti). Diese Daten werden zunächst in einem Speicher (25)
zwischengespeichert und dann in der Einheit (26) "Meßdatenauswertung", wie anhand der
Fig. 4 erläutert, ausgewertet.
Um die einzelnen Meßpunkte auf der Oberfläche des Werkstückes (7) berechnen zu
können, müssen hierbei die Sensormeßwerte (x'i) und die Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi)
komponentenrichtig addiert werden. Da die Sensormeßwerte (x'i) und die
Maschinenmeßwerte (xi, yi, zi) nicht zu denselben Zeitpunkten aufgenommen wurden,
müssen diese zunächst zeitlich und damit auch räumlich in Bezug gesetzt werden, wie dies
beispielhaft für die Koordinatenrichtung (x) anhand von Fig. 6 gezeigt wird. Wie in Fig.
6 zu sehen ist, gibt es zwei Maschinenmeßwerte (x1) und (x2), denen jeweils ein
Zeitstempel (ts1) und (ts2) zugeordnet ist. Zeitlich zwischen diesen beiden
Maschinenmeßwerten (x1) und (x2) wurde der Sensormeßwert (x'1) aufgenommen, der den
Zeitstempel (tt1) aufweist. Durch Vergleich der Zeitstempel (ts1) und (ts2) der
Maschinenmeßwerte (x1) und (x2) und des Zeitstempels (tti) des Sensormeßwertes (x'1)
können die Maschinenmeßwerte (x1) und (x2) und der Sensormeßwert (x'1) zeitlich in
Bezug gesetzt werden. Über Interpolation zwischen den Maschinenmeßwerten (x1) und (x2)
kann ein interpolierter Maschinenmeßwert (xinter) ermittelt werden, der zum Zeitpunkt (tt1)
vorhanden gewesen wäre. Hierdurch können Paare (xinter,x'1) von Sensormeßwerten und
Maschinenmeßwerten berechnet werden, die zeitlich und damit auch räumlich
zusammengehören. Der intepolierte Maschinenmeßwert (xinter) und der Sensormeßwert
(x'1) können nunmehr addiert werden und somit der Gesamtmeßwert (xges) für die
betreffende Koordinatenrichtung durch Addition errechnet werden. Für die anderen
Koordinatenrichtungen läuft dieses Verfahren natürlich vollkommen analog.
Die Funktionsbaugruppe (26) "Messdatenauswertung" kann ferner aus der durch die
Zeitstempel festgelegten Abfolge der Sensormeßwerte Analysen, wie insbesondere
Schwingungsanalysen zur Korrektur der Meßwerte durchführen.
Wie hierbei zu sehen ist, wurde das Prinzip unserer Erfindung an einem sehr einfachen
Beispiel erwähnt, das in vielfältiger Weise variiert werden kann. Beispielsweise muß nicht
zwingend zwischen den Maschinenmeßwerten interpoliert werden. Genauso gut könnte
auch zwischen den Sensormeßwerten interpoliert werden. Selbstverständlich muß auch der
Meßsensor nicht zwingend in Richtung einer Koordinatenrichtung ausgerichtet sein.
Beispielsweise kann der Sensor auch an einer sogenannten Dreh-Schwenkeinheit befestigt
sein, die zwei senkrecht aufeinander stehende Drehachsen aufweist, so daß der Meßsensor
(6) in eine beliebige Richtung im Raum verdreht werden kann. Anstelle eines Laser-
Triangulationstasters sind weiterhin auch eine Vielzahl beliebiger anderer Sensoren
denkbar. Beispielsweise könnte es sich genausogut um eine Videokamera handeln, die zur
zweidimensionalen Vermessung parallel zur Werkstückoberfläche verwendet werden kann.
Claims (20)
1. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine mit einer Steuer- und
Auswerteeinheit (28) sowie wenigstens einem unabhängig von der Steuer- und
Auswerteeinheit arbeitenden Meßsensor (6), der von der Mechanik (27) des
Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine gegenüber einem zu
vermessenden Werkstück (7) in den drei Koordinatenrichtungen (x,y,z) verfahren
werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung des Meßsensors
(6) und der Steuer- und Auswerteeinheit (28) sowohl im Meßsensor ein Zeitgeber
(15) vorgesehen ist wie auch in der Steuer- und Auswerteeinheit (28) ein Zeitgeber
(21) vorgesehen ist, wobei die Zeitgeber voneinander unabhängig arbeiten, und die
besagten Zeitgeber von einer Abgleicheinheit (29) auf einen gemeinsamen
Startzeitpunkt abgeglichen werden.
2. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens eine Normierungseinheit (11, 30) vorgesehen ist, die
zusätzlich die Zeitgeber auf eine gemeinsame Zeiteinheit normiert.
3. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßsensor (6) die erfaßten Sensormeßwerte (X'i)
zur Weiterverarbeitung mit einem Zeitstempel (tti) seines Zeitgebers (15) versieht
und an die Steuer- und Auswerteeinheit (28) weiterleitet.
4. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (28) die Sensormeßwerte (X'i)
auf die Bahndaten eines Meßablaufes rückkoppelt.
5. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit zur Rückkoppelung eine
Totzeit (Δtti) berechnet, die sich aus der zeitlichen Differenz zwischen dem
Zeitstempel (tti) und dem aktuellen Zeitwert des Zeitgebers (21) in der Steuer- und
Auswerteeinheit ergibt, wobei bei größer werdender Totzeit (Δtti) die Wirksamkeit
der Rückkoppelung reduziert wird und/oder die Meßgeschwindigkeit (Vs) des
Meßablaufes reduziert wird.
6. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit die Sensormeßwerte
(X'i) mit Maschinenmeßwerten (xi,yi,zi), die durch die Steuer- und Auswerteeinheit
geliefert werden, zeitlich und damit auch räumlich in Bezug setzt.
7. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (28) die Sensormeßwerte (X'i)
und die Maschinenmeßwerte (xi,yi,zi) zeitlich in Bezug setzt, indem auch den
Maschinenmeßwerten (xj,yi,zj) vom Zeitgeber (21) der Steuer- und Auswerteeinheit
Zeitstempel (tsi) angefügt werden, und die Zeitstempel (tti) der Sensormeßwerte (x1)
mit den Zeitstempeln (tsi) der Maschinenmeßwerte verglichen werden.
8. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (28) aus den zeitlich in Bezug
gesetzten Sensormeßwerten (X'i) und den Maschinenmeßwerten über Interpolation
Paare (xinter, x'1) von Sensormeßwerten und Maschinenmeßwerten berechnet, die
zeitlich und damit auch räumlich zusammengehören.
9. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (28) zur Ermittlung von
Meßpunkten (Xges) die räumlich zusammengehörenden Sensormeßwerte und
Maschinenmeßwerte komponentenrichtig zusammenrechnet.
10. Koordinatenmeßgerät oder Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinheit (28) aus der durch
die Zeitstempel festgelegten Abfolge der Sensormeßwerte Analysen, wie
insbesondere Schwingungsanalysen zur Korrektur der Meßwerte durchführt.
11. Verfahren zum Synchronisieren der Steuer- und Auswerteeinheit (28) eines
Koordinatenmeßgerätes oder einer Werkzeugmaschine mit einem hiervon
unabhängig arbeitenden Meßsensor (6), der von der Mechanik (27) des
Koordinatenmeßgerätes oder der Werkzeugmaschine gegenüber einem Werkstück
in den drei Koordinatenrichtungen (x,y,z) verfahren werden kann, gekennzeichnet
durch den Verfahrensschritt, daß ein im Meßsensor vorgesehener Zeitgeber (15) wie
auch ein in der Steuer- und Auswerteeinheit (28) vorgesehener Zeitgeber (21) auf
einen gemeinsamen Startzeitpunkt abgeglichen werden, wobei die Zeitgeber
voneinander unabhängig arbeiten.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitgeber auf eine
gemeinsame Zeiteinheit normiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßsensor (6) die erfaßten Sensormeßwerte (X'i) zur Weiterverarbeitung mit einem
Zeitstempel (tti) seines Zeitgebers (15) versieht und an die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) weiterleitet.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormeßwerte
(X'i) auf die Bahndaten des Meßablaufes rückgekoppelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und
Auswerteeinheit zur Rückkoppelung eine Totzeit (Δtti) berechnet, die sich aus der
zeitlichen Differenz zwischen dem Zeitstempel (tti) und dem aktuellen Zeitwert des
Zeitgebers (21) in der Steuer- und Auswerteeinheit ergibt, wobei bei größer
werdender Totzeit (Δtti) die Wirksamkeit der Rückkoppelung reduziert wird
und/oder die Meßgeschwindigkeit (Vs) des Meßablaufes reduziert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuer- und Auswerteeinheit die Sensormeßwerte (X'i) mit Maschinenmeßwerten
(xi,yi,zi), die durch die Steuer- und Auswerteeinheit geliefert werden, zeitlich und
damit auch räumlich in Bezug setzt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) die Sensormeßwerte (X'i) und die Maschinenmeßwerte
(xi,yi,zi) zeitlich in Bezug setzt, indem auch den Maschinenmeßwerten (xi,yi,zi) vom
Zeitgeber (21) der Steuer- und Auswerteeinheit (28) Zeitstempel (tsi) angefügt
werden, und die Zeitstempel (tti) der Sensormeßwerte (tti) mit den Zeitstempeln (tsi)
der Maschinenmeßwerte verglichen werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) aus den zeitlich in Bezug gesetzten Sensormeßwerten und den
Maschinenmeßwerten über Interpolation Paare (xinter, x'1) von Sensormeßwerten
und Maschinenmeßwerten berechnet, die zeitlich und damit auch räumlich
zusammengehören.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und
Auswerteeinheit (28) zur Ermittlung von Meßpunkten die räumlich
zusammengehörenden Sensormeßwerte und Maschinenmeßwerte
komponentenrichtig zusammenrechnet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuer- und Auswerteeinheit (28) aus der durch die Zeitstempel festgelegten
Abfolge der Sensormeßwerte Analysen, wie insbesondere Schwingungsanalysen zur
Korrektur Meßwerte durchführt.
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DE4323992A1 (de) | Verfahren zur Überprüfung der Arbeitsgenauigkeit einer NC-Maschine |
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Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CARL ZEISS INDUSTRIELLE MESSTECHNIK GMBH, 73447 OB |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |