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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des
Drehzentrums und/oder der Orientierung einer Rundachse einer Maschine.
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Bei
Maschinen wie z.B. Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder
Robotern erfolgte die Ermittlung der geometrischen Daten der Mehrachs-Kinematik
der Maschine bisher über
aufwändige
mechanische Verfahren, bei denen mittels Aufbauten aus Messuhren,
Messdornen und/oder anderen Messwerkzeugen eine Vermessung der Maschinenachsen
durchgeführt
wurde. Der gesamte Prozess der Vermessung und das Wissen darüber obliegen
dem Maschinenhersteller. Die bisherige Ermittlung der geometrischen
Kennwerte einer Mehrachs-Kinematik einer Maschine ist aufgrund des
hohen Zeitbedarfs und der benötigten
Messmittel zu Zeit nur von Spezialisten durchführbar.
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Eine
handelsübliche
Werkzeugmaschine weist in der Regel heute üblicherweise eine Kinematik
auf, die mehrere Linearachsen und eine einzelne oder mehrere Rundachsen
umfasst. Mittels einer Linearachse lässt sich ein Werkzeug oder
ein Werkstück
linear, z.B. in X-Richtung verfahren, d.h. bewegen. Mittels einer
Rundachse lässt
sich ein Werkstück
oder ein Werkzeug um das Drehzentrum der Rundachse herum drehen,
insbesondere schwenken. Die Orientierung der Rundachse ist dabei
durch den so genannten Orientierungsvektor bestimmt. Die Position
des Drehzentrums der Rundachse und die Orientierung der Rundachse
einer Maschine stellen dabei wichtige kinematische Kenngrößen einer mehrachsigen
Maschine dar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur
Bestimmung der Position des Drehzentrums und/oder der Orientierung
einer Rundachse einer Maschine anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Drehzentrums und/oder
der Orientierung einer Rundachse einer Maschine mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Ermittlung eines ersten Kugelmittelpunktes
einer Kalibierkugel anhand mehrer Berührungen der Kalibierkugel mit
einem Messtaster an unterschiedlichen Positionen der Kalibierkugeloberfläche durch
Verfahren von Linearachsen der Maschine, wobei der Drehwinkel der
Rundachse beim Verfahren der Linearachsen konstant bleibt,
- b) Durchführung
einer Drehbewegung der Rundachse,
- c) Ermittlung eines zweiten Kugelmittelpunktes der Kalibierkugel
anhand mehrer Berührungen der
Kalibierkugel mit einem Messtaster an unterschiedlichen Positionen
der Kalibierkugeloberfläche
durch Verfahren von Linearachsen der Maschine, wobei der Drehwinkel
der Rundachse beim Verfahren der Linearachsen konstant bleibt,
- d) Durchführung
einer weiteren Drehbewegung der Rundachse
- e) Ermittlung eines dritten Kugelmittelpunktes der Kalibierkugel
anhand mehrer Berührungen
der Kalibierkugel mit einem Messtaster an unterschiedlichen Positionen
der Kalibierkugeloberfläche
durch Verfahren von Linearachsen der Maschine, wobei der Drehwinkel
der Rundachse beim Verfahren der Linearachsen konstant bleibt,
- f) Bestimmung der Position des Drehzentrums und/oder der Orientierung
der Rundachse anhand des ersten, zweiten und dritten Kugelmittelpunktes.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
erweist sich als vorteilhaft, wenn zu Beginn des Verfahrens der
Messtaster in eine Werkzeugaufnahme eingespannt wird und die Kalibrierkugel
an einem Werkzeugtisch befestigt wird. Zur Durchführung des
Verfahrens werden ein Messtaster sowie eine Kalibrierkugel benötigt. Hierdurch
ist es möglich,
das Verfahren an einer handelsüblichen
Maschine durchzuführen.
Selbstverständlich
ist es jedoch auch möglich
den Messtaster und/oder die Kalibrierkugel als fester Bestandteil
der Maschine auszubilden.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Maschine als Werkzeugmaschine,
Produktionsmaschine und/oder als Roboter ausgebildet ist, da insbesondere
bei diesen Maschinentypen das Problem der Bestimmung der Position
des Drehzentrums und/oder der Orientierung einer Rundachse der Maschine
auftritt. Selbstverständlich
kann die Erfindung aber auch bei anderen Arten von Maschinen eingesetzt
werden.
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Weiterhin
erweist sich auch ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. eine Flashkarte, CD-Rom,
DVD oder Diskette, das Codeabschnitte enthält, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist,
als vorteilhaft.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 wesentliche
Elemente einer Werkzeugmaschine in einer schematisierten Darstellung,
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2 ein
Vektordiagramm zur Berechnung der Orientierung einer Rundachse und
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3 ein
Vektordiagramm zur Bestimmung der Position des Drehzentrums der
Rundachse einer Maschine.
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In 1 sind
in Form einer schematisierten Darstellung die zum Verständnis der
Erfindung wichtigen Elemente einer Werkzeugmaschine dargestellt. Ein
Werkzeugtisch 1 ist mittels zweier Linearachsen (X-Linearachse,
Y-Linearachse) in X-Richtung
und in Y-Richtung linear verfahrbar. Die Antriebe der Linearachse
für die
X-Richtung und der Linearachse für
die Y-Richtung sind der Übersichtlichkeit
halber und da sie für
das Verständnis
der Erfindung unwesentlich sind, nicht dargestellt.
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Eine
handelsübliche
so genannte Kalibrierkugel 2, welche üblicherweise zum Vermessen
einer Maschine dient und einen definierten Radius R aufweist, ist
mit Hilfe z.B. einer magnetischen Halterung an dem Werkzeugtisch 1 befestigt.
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Weiterhin
weist die Maschine einen Spindelantrieb 8 mit einer Werkzeugaufnahme 4 auf.
In die Werkzeugaufnahme 4 ist ein Messtaster 3 eingespannt.
Der Messtaster 3 weist ein kugelförmiges Ende mit einem definierten
Radius auf. Mit Hilfe des Messtasters 3 kann die Oberfläche der
Kalibrierkugel 2 abgetastet werden. Wenn der Messtaster 3 die
Kalibrierkugeloberfläche
berührt,
erkennt ein Sensor im Inneren des Messtasters die Berührung und
es wird ein elektrisches Signal erzeugt. Die Position und der Zeitpunkt
der Berührung
werden von der numerischen Steuerung der Maschine abgespeichert.
Mit Hilfe einer von einem Antrieb 6 angetriebenen Rundachse 5 kann
der Spindelantrieb 8 und damit auch die Werkzeugaufnahme 4 und
der Messtaster 3 in Richtung des Pfeils 10 gedreht,
insbesondere geschwenkt werden. Der Spindelantrieb 8 führt auf
diese Weise eine Schwenkbewegung aus. Die Position des Drehzentrums
der Rundachse ist in 1 mit M bezeichnet. Die Orientierung
der Rundachse 5 ist durch den Orientierungsvektor O RA1 gegeben,
welcher im Rahmen des Ausführungsbeispiels
senkrecht durch die Zeichenebene geht, was durch ein Kreuz in 1 dargestellt
ist. Der Drehwinkel der Rundachse ist in 1 mit α bezeichnet.
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Weiterhin
weist die Werkzeugmaschine einen Antrieb 7 zum Antrieb
einer weiteren Linearachse (Z-Linearachse), die eine Bewegung des
Spindelantriebs 8, der Werkzeugaufnahme 4 und
des Messtasters 3 in Z-Richtung ermöglicht, auf. Der Messtaster 3 kann
solchermaßen
in Z-Richtung verfahren werden. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
weist die Maschine somit eine Rundachse 5 und drei Linearachsen
auf. Die drei Linearachsen ermöglichen
die Durchführung
von linearen Bewegungen, d.h. von linearen Verfahrvorgängen des
Messtasters 3 in X-, Y- und Z-Richtung.
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Zu
Beginn des Verfahrens wird der Messtaster 3 in die Werkzeugaufnahme 4 eingespannt
und die Kalibrierkugel 2 an den Werkzeugtisch 1 zum
Beispiel mittels einer Magnethalterung befestigt. Alternativ ist
es hierzu aber auch denkbar, die Kalibrierkugel 2 dauerhaft,
z.B. mittels einer Schraubverbindung, am Werkzeugtisch 1 zu
befestigen und den Messtaster 3 nicht in die Werkzeugaufnahme 4 einzuspannen,
sondern z.B. mittels einer Schraubverbindung dauerhaft an einem
Außenbereich
des Spindelantriebs 8 anzubringen, wobei solchermaßen in diesem
Fall die Kalibrierkugel 2 und der Messtaster 3 integrale
Bestandteile der Maschine werden.
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Anschließend erfolgt
die Ermittlung eines ersten Kugelmittelpunktes PM1(x, y, z) der
Kalibrierkugel 2 anhand mehrerer Berührungen des Messtasters 3 mit
der Kalibrierkugel 2 an unterschiedlichen Positionen der
Oberfläche
der Kalibierkugel 2 durch Verfahren der Linearachsen der
Maschine, wobei der Drehwinkel α der
Rundachse 5 beim Verfahren der Linearachsen konstant bleibt,
also die Rundachse keine Drehbewegung durchführt. Innerhalb dieses Messzyklus
wird die Kalibrierkugeloberfläche
vorzugsweise an mindestens fünf
Positionen berührt, um
eine ausreichende Genauigkeit bei der Ermittlung eines ersten Kugelmittelpunktes
PM1 der Kalibrierkugel 2 sicherzustellen. Aus den gemessenen
Positionen der Berührpunkte
im Maschinenkoordinatensystem (x, y, z) und der Kenntnis des Radius
R der Kalibrierkugel 2 lässt sich der erste Kugelmittelpunkt PM1(x,
y, z), d.h. dessen Position im Maschinen-Koordinatensystem, berechnen.
Zu Beginn der Ermittlung des ersten Kugelmittelpunktes PM1(x, y,
z) der Kalibrierkugel 2 befindet sich der Messtaster 3 dabei in
der Position P1. Die Durchführung
eines solchen Messzyklus, bei dem anhand mehrerer Berührungen eines
Messtasters mit einer Kalibrierkugel mehrere Positionen der Kalibrierkugeloberfläche bestimmt werden
und aus diesen Informationen und der Kenntnis des Radiuses R der
Kalibrierkugel, der Kugelmittelpunkt der Kalibrierkugel im Maschinenkoordinatensystem
errechnet wird, ist heute Stand der Technik und in den meisten gängigen numerisch
gesteuerten Werkzeugmaschinen als Standardfunktionalität integriert.
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Anschließend erfolgt
in einem weiteren Schritt ein Umpositionieren der Rundachse 5 mittels einer
Durchführung
einer Drehbewegung der Rundachse 5 (Drehwinkel α verändert sich).
Anschließend wird
der Messtaster 3 mittels der Linearachsen in die Position
P2 verfahren, was in 1 gestrichelt gezeichnet angedeutet
ist, wobei der Drehwinkel α der Rundachse 5 beim
Verfahren der Linearachsen konstant bleibt, also die Rundachse 5 keine
Drehbewegung durchführt.
Es erfolgt anschließend
die Ermittlung eines zweiten Kugelmittelpunktes PM2(x, y, z) der
Kalibrierkugel 2 anhand mehrerer Berührungen der Kalibrierkugel
mit dem Messtaster 3 an unterschiedlichen Positionen der
Kalibrierkugeloberfläche durch
Verfahren von Linearachsen der Maschine, wobei der Drehwinkel α der Rundachse 5 beim
Verfahren der Linearachsen wiederum konstant bleibt, also die Rundachse 5 keine
Drehbewegung durchführt.
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Anschließend wird
in einem weiteren Schritt eine abermalige Umpositionierung der Rundachse 3 mittels
einer Durchführung
einer weiteren Drehbewegung der Rundachse 5 durchgeführt (Drehwinkel α verändert sich),
wobei vorzugsweise gegenüber
der ersten Drehbewegung in die entgegengesetzte Richtung gedreht
wird. Der Messtaster 3 wird anschließend mittels der Linearachsen
auf die Position P3, was in 1 gestrichelt
angedeutet ist, verfahren, wobei der Drehwinkel α der Rundachse 5 beim
Verfahren der Linearachsen konstant bleibt, also die Rundachse 5 keine
Drehbewegung durchführt.
Es erfolgt wiederum mit Hilfe des Messzyklus die Ermittlung eines
dritten Kugelmittelpunktes PM3(x, y, z) der Kalibrierkugel 2,
anhand mehrerer Berührungen
des Messtasters 3 mit dem Kalibrierkugel 2 an
unterschiedlichen Positionen der Kalibrierkugeloberfläche durch
Verfahren von Linearachsen der Maschine, wobei der Drehwinkel der
Rundachse 5 beim Verfahren der Linearachsen wiederum konstant
bleibt.
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Als
Ergebnis erhält
man im Maschinenkoordinatensystem die drei Kugelmittelpunkte PM1(x,
y, z), PM2(x, y, z) und PM3(x, y, z), d.h. genauer gesagt deren
Positionen im Maschinen-Koordinatensystem. Vorzugsweise sollte bei
der durchzuführenden
Dreh bewegung der Rundachse 5 zwischen den drei Messzyklen
zur Bestimmung des jeweiligen Kugelmittelpunktes die Rundachse 5 in
unterschiedliche Richtungen gedreht werden, um sicher zu stellen, dass
beim anschließenden
Verfahren der Linearachsen auf die Position P2 und P3 die Linearachsen möglichst
stark verfahren werden müssen,
damit die x-, y- und z-Koordinaten im Maschinenkoordinatensystem
der ermittelten Kugelmittelpunkte PM1(x, y, z), PM2(x, y, z) und
PM3(x, y, z) möglichst
weit auseinander liegen. Die Position des Messtasters vor der Bestimmung
des ersten Kugelmittelpunkts PM1 kann dabei z.B. als Nullpunkt des
Maschinenkoordinatensystems definiert werden.
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Der
erste Kugelmittelpunkt PM1, der zweite Kugelmittelpunkt PM2 und
der dritte Kugelmittelpunkt PM3 sind in 2 dargestellt.
In einem weiteren Schritt wird nun die Position des Drehzentrums
M und die Orientierung der Rundachse 5, anhand des ersten,
zweiten und dritten Kugelmittelpunktes bestimmt. Die drei Kugelmittelpunkte
PM1, PM2 und PM3 spannen gemäß 2 zwei
Vektoren V PM1PM2 und V PM1PM3 auf.
Aus diesen beiden Vektoren lässt sich
die Orientierung der Rundachse 5, die in Form des Orientierungsvektors O RA1 gegeben
ist, durch Ermittlung des Kreuzproduktes der beiden Vektoren berechnen. O RA1 = V PM1PM2 × V PM1PM3
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Der
Orientierungsvektor O RA1 in 2 steht senkrecht
zu den Vektoren V PM1PM2 und V PM1PM3.
In 1 ist der Orientierungsvektor O RA1 in Form eines Kreuzes
eingezeichnet und geht senkrecht in die Zeichenebene hinein.
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Die
Bestimmung der Position M des Drehzentrums der Rundachse 5 ist
in 3 dargestellt. Zur Bestimmung der Position M des
Drehzentrums der Rundachse 5 wird der Mittelpunkt des Umkreises des
Dreiecks PM1-PM2-PM3 berechnet.
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Hierzu
erfolgt zunächst
eine Aufstellung der Ebenengleichung G1 der Ebene E11 in dem Punkt PM1.
Der Punkt PM1 bildet den Stützpunkt
der Ebene E11, die von den beiden Vektoren V PM1PM2 und V PM1PM3 aufgespannt
wird.
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Anschließend erfolgt
eine Berechnung der Punkte HPM1PM2 sowie
HPM1PM3, die jeweils die Vektoren V PM1PM2 und V PMIPM3 halbieren.
Anschließend
erfolgt eine Aufstellung der Ebenengleichung G2 der Ebene E12 in
dem Punkt HPM1PM2. Der Punkt HPM1PM2 bildet
den Stützpunkt
der Ebene E12, der Vektor VPM1PM2 bildet
den Normalvektor der Ebene E12. Damit durchdringt der Vektor VPM1PM2 die Ebene E12 senkrecht.
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Anschließend erfolgt
die Aufstellung der Ebenengleichung G3 der Ebene E13 in dem Punkt HPM1PM3. Der Punkt HPM1PM3 bildet
den Stützpunkt
der Ebene E13, der Vektor VPM1PM3 bildet
den Normalvektor der Ebene E13. Damit durchdringt der Vektor VPM1PM3 die Ebene E13 senkrecht.
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Es
ergeben sich somit die 3 Ebenengleichungen G1, G2 und G3 in der
Form:
G1: n1 =
a1x + b1y + c1z
G2: n2 = a2x + b2y + c2z
G3: n3 = a3x + b2y + c3z
mit den Parametern n1,
n2, n3, a1, a2, a3,
b1, b2, b3, c1, c2,
c3.
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Die
Position M des Drehzentrums der Rundachse 5 ergibt sich
als Schnittpunkt der drei Ebenen E11, E12 und E13 und kann durch
Lösen des
Gleichungssystems, das durch die Ebenengleichungen G1, G2 und G3
gebildet wird, bestimmt werden.
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Der
Orientierungsvektor O RA1 und die Position M des Drehzentrums der
Rundachse 5 können
bei handelsüblichen
numerisch gesteuerten Maschinen direkt als Maschinendaten in die
numerischen Steuerung eingegeben werden und bilden die Basis für die Funktionalität einer
Mehrachs-Transformation.
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Weist
die Maschine mehrere Rundachsen auf, so muss das Verfahren für jede Rundachse
bei der die jeweilige Position des Drehzentrums und/oder der Orientierung
bestimmt werden soll, wiederholt werden und es ergibt sich für jede Rundachse jeweils
die Position des Drehzentrums und/oder die Orientierung der Rundachse.
Fachspezifisch wird dabei die Position des Drehzentrums M auch als
Stützvektor
bezeichnet.
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In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 wurde
der Messtaster mit Hilfe der Rundachse 5 bewegt. Selbstverständlich könnte die
Rundachse aber auch den Werkzeugtisch 1 verdrehen, so dass
die Kalibrierkugel 2 solchermaßen quasi um den Messtaster 3 verdreht
wird. Die Bestimmung der Position des Drehzentrums und/oder der
Orientierung einer solchen Rundachse mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann bei einer solchen Anordnung in analoger Form durchgeführt werden.
Das Verfahren ist somit für
alle Kinematiken einsetzbar.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann dabei vollautomatisch durchgeführt werden, so dass der Anwender
keine speziellen Kenntnisse benötigt.
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Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Verfahren
an verschiedenen Punkten der Maschine (Neupositionierung der Kalibierkugel
für jeden
Punkt) wiederholt werden und damit zusätzliche Erkenntnisse über Maschineneigenschaften
gewonnnen werden.
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Selbstverständlich ist
es dabei auch möglich, die
Messergebnisse vollautomatisch am Ende des Verfahrens, z.B. von
der numerischen Steuerung, protokollieren zu lassen und abzuspeichern.