DE102007053546A1

DE102007053546A1 - Verfahren zum Bremsen der Bewegung einer Achse einer Maschine sowie Maschine

Info

Publication number: DE102007053546A1
Application number: DE102007053546A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Christoph; Markus Dr. Bartscher
Original assignee: Werth Messtechnik GmbH
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertr D D Bunde De; Werth Messtechnik GmbH
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2009-03-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bremsen der Bewegung von zumindest einer Achse einer Maschine wie Koordinatenmessgerät (10) oder Werkzeugmaschine, bei der die Achse über einen Antrieb bewegt wird. Damit die Bewegung der Achse im Falle einer Kollision schnell abgeschaltet bzw. die Folge einer Kollision minimiert wird, ist vorgesehen, dass über eine gesonderte Bremseinrichtung (34, 36) die Bewegung der Achse beim Feststellen einer möglichen Kollision abgebremst wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bremsen der Bewegung von zumindest einer Achse einer Maschine wie Koordinatenmessgerät oder Werkzeugmaschine, von der zumindest eine Achse über einen Antrieb bewegt wird. Ferner nimmt die Erfindung Bezug auf eine Maschine wie Koordinatenmessgerät oder Werkzeugmaschine mit einem Antrieb zum Bewegen zumindest einer Achse.
Bei messtechnischen bzw. fertigungstechnischen Einrichtungen mit beweglichen Achsen befinden sich an den entsprechenden beweglichen Komponenten, Sensoren oder Fertigungseinrichtungen, die bauartbedingt empfindlich gegen Kollisionen sind. Bei vielen Bauformen dieser Sensoren oder Fertigungseinrichtungen liegen diese zusätzlich exponiert und werden bei einer Bewegung der mechanischen Achsen gegen ein Hindernis als erstes oder dominant getroffen.
Übliche Abschalteinrichtungen, die über ein Feedback der Steuerung der angetriebenen Achse arbeiten, sind in der Regel zu träge um einen Schaden an den empfindlichen, exponierten Einrichtungen wie Sensoren zu verhindern.
Es ist ein Koordinatenmessgerät bekannt, bei dem sich an der Pinole Drähte befinden, die bei Berührung gegen die Pinole gedrückt werden und so einen Kontakt schließen. Dieser Kontakt bewirkt eine Abschaltung (Nothalt) der Steuerung des Koordinatenmessgeräts. Die Bewegung aller Achsen des Koordinatenmessgeräts werden gestoppt und die Folgen einer Kollision verringert. Nachteil dieser Bauform ist es, dass eine Kollision speziell in Bewegungsrichtung der mechanischen Achse (hier Pinolenrichtung) nur in seltenen Fällen erkannt wird.
Ferner gelangen softwaretechnische Kollisionsvermeidungseinrichtungen zur Anwendung. Bei diesen werden Verfahrbereiche der Kinematiken beschrieben, die durch die Steuerung angefahren werden dürfen (Sicherheitsbereiche). Fahrbefehle an die Steuerung, die die erlaubten Bereiche verlassen, werden nicht ausgeführt und so mögliche Kollisionen vermieden. Softwaretechnische Kollisionsvermeidungseinrichtungen haben den Nachteil, dass diese Fehler in der Programmierung der Sicherheitsbereiche in der Regel nicht erkennen können. Zusätzlich können Kollisionen durch in die Sicherheitsbereiche eingebrachte Objekte nicht erkannt werden, da die entsprechenden Sensorik zur Erkennung der Objekte fehlt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Maschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Bewegung der Achse im Falle einer Kollision schnell abgeschaltet wird bzw. die Folge einer Kollision minimiert wird.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung verfahrensmäßig vor, dass über eine gesonderte Bremseinrichtung die Bewegung der Achse beim Feststellen einer möglichen Kollision abgebremst wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass als Bremseinrichtung Reibplatten, durch Feder vorgespannte auf die Führungsbahn der Achse einwirkende Platten, Magnetschalter, über Druckluft hydraulisch bewegte Platten, Wirbelstrombremse und/oder Magnetschienenbremse oder sonstige geeignete Bremseinrichtungen verwendet werden.
Vorzugsweise sieht die Erfindung vor, dass als Bremseinrichtung Reibbremsen, d. h. auf die Führungsbahn der jeweiligen Achse oder auf eine separate Leiste bzw. Stange einwirkende Reibplatten bzw. -backen und/oder Wirbelstrombremsen und/oder Magnetschienenbremsen und/oder Reibbremsen verwendet werden, die direkt auf die Spindelantriebe der jeweiligen Achse wirken. Auch können vorgespannte Bremselemente und/oder elektromagnetisch gespannte Bremsen und/oder pneumatisch vorgespannte Bremsen und/oder hydraulisch bewegte Bremsen als Bremseinrichtung verwendet werden.
Die Erfindung zeichnet sich auch durch die Verfahrensschritte aus:

– Generieren eines Signals beim Detektieren einer möglichen Kollision,
– Bewerten des Signals und
– bei als Kollisionsgefahr bewertetem Signal Bremsen der Bewegung der Achse durch die zusätzliche Bremseinrichtung.

Hauptanwendungsfall der erfindungsgemäßen Lehre sind insbesondere Koordinatenmessgeräte mit mindestens einer beweglichen Achse. Die erfindungsgemäße Lehre ist jedoch auch für Werkzeugmaschinen bzw. Fertigungsmaschinen mit einer oder mehreren beweglichen Achsen bestimmt.
Zur Realisierung der Erfindung und somit des erfindungsgemäßen Systems der Schnellabschaltung sind vorzugsweise drei Grundkomponenten vorgesehen:

1. Der Sensorik zur Bestimmung eines Kollisionsvorgangs,
2. der Steuerung des Nothaltvorgangs und
3. der eigentlichen Nothaltvorrichtung (gesonderte Bremseinrichtung).

Die Sensorik zur Bestimmung eines Kollisionsvorgangs ist geeigneterweise so angebracht, dass der Bereich vor den empfindlichen Sensoren oder den Fertigungseinrichtungen in Hauptbewegungsrichtung überwacht wird.
Die Sensoren können z. B. entweder als Abstandsensoren oder als reine Näherungssensoren ausgebildet sein.
Geeignete Sensoren sind z. B. Mikroschalter, kapazitive Abstandssensoren, induktive Anstandssensoren, Infrarot Abstandssensoren, Ultraschallabstandssensoren, Videosensor mit Kontrastauswertung, Lasertriangulationssensoren sowie magnetische (Reed) Sensoren, optische Näherungssensoren und Elektromagnetische Sensoren (Schwingkreissensor).
Es sind auch mehrfache Sensoren möglich. Dadurch kann die Detektionswahrscheinlichkeit eines Kollisionsereignisses erhöht werden.
Generell sind alle Sensoren geeignet, die bei Annäherung an ein typisches Objekt in Bewegungsrichtung ein eindeutig auswertbares Signal liefern.
Aufgaben der Steuerung des Nothaltvorgangs sind

– Auswertung der Signale des Kollisionssensors bzw. der Kollisionssensoren zur Detektierung einer Kollisionsereignisses. Bei Vorhandensein mehrerer Sensoren findet eine Bewertung der Einzelsignale der Sensoren, ggf. mit einer Gewichtung statt.
– Auslösen der Notbremseinrichtung nach Detektion eines Kollisionsereignisses. Gleichzeitiges Abschalten der Hauptantriebe der Kinematik.
– Freigabe der Hauptantriebe und der Notbremseinrichtung nach Rücksetzen des Kollisionsereignisses.

Als Nothaltevorrichtung (gesonderte Bremseinrichtung) sollte eine Einrichtung zum Einsatz gelangen, die unabhängig von gegebenenfalls vorhandenen Betriebsbremseinrichtungen (als Bremsen der Antriebseinheit) ausgeführt ist.
Nach Auslösen der Bremsvorrichtung durch ein Kollisionsereignis besteht dann, wenn das eine mögliche Kollision verursachende Element entfernt ist, die Möglichkeit, dass die Bremsvorrichtung wieder gelöst wird, so dass eine Wiederaufnahme des Betriebes durch Betätigung der Antriebseinheit erfolgen kann.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre, d. h. die Verwendung einer zusätzlichen Bremseinrichtung, die beim Auslösen einer Kollision eines Kollisionssensors zum Wirken kommt, wird mit wesentlich höheren Verzögerungsbeschleunigern abgebremst als dies durch vorhandene Antriebe der Maschine, insbesondere der Koordinatenmessgeräte, möglich ist.
Auf diese Weise wird es möglich, auf sehr kurzen Distanzen die Achse bzw. Achsen anzuhalten und somit wirklich eine Kollisionsvermeidung zu gewährleisten, die bei normalen Verzögerungswerten von Koordinatenmessgeräten nicht möglich ist.
Eine Maschine, insbesondere Koordinatenmessgerät bzw. Werkzeugmaschine mit einem Antrieb zum Bewegen zumindest einer Achse zeichnet sich dadurch aus, dass der Achse eine vom Antrieb unabhängige Bremseinrichtung zugeordnet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Bremseinrichtung Reibplatten, durch Feder vorgespannte auf die Führungsbahn der Achse einwirkende Platten, Magnetschalter, über Druckluft über hydraulisch bewegte Platten, Wirbelstrombremsen und/oder Magnetschienenbremsen verwendet sind bzw. ist. Dabei kann der eine mögliche Kollision erfassende Sensor ein Abstandssensor oder Näherungssensor wie Mikroschalter, kapazitiver Abstandssensor, induktiver Abstandssensor, Infrarotabstandssensor, Ultraschallabstandssensor, Videosensor mit Kontrastauswertung, Lasertriangulationssensor, magnetischer Sensor, optischer Näherungssensor und/oder elektromagnetischer Sensor sein.
Wesentlicher Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik ist folglich, dass zusätzlich zu den vorhandenen Antriebssystemen zum Abbremsen im Falle einer Kollisionsgefahr ein zusätzliches Bremssystem zum Einsatz gelangt.
Nach dem Stand der Technik ist der Nachteil gegeben, dass die Antriebssysteme ein begrenztes Beschleunigungsvermögen bedingt durch die Antriebsleistung ein maximales Drehmoment etc. besitzen. Dieses Beschleunigungsvermögen limitiert naturgegeben im gleichen Maße das Abbremsvermögen. Eine zusätzliche Bremseinrichtung kann mit relativ geringem Aufwand erheblich größere Verzögerungswerte, d. h. Beschleunigungswerte mit negativem Vorzeichen erreichen und somit eine Kollision auch bei relativ hohen Geschwindigkeiten mit relativ kurzen zur Verfügung stehenden zulässigen Überfahrwegen des Detektionspunktes des Sensors realisieren. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Signale mehrerer Sensoren zum Auslösen der Kollisionswarnung und damit zum Einleiten des Bremsens durch die zusätzliche Bremseinrichtung verwendet werden. Zusätzlich zum Sensor kann eine Kollisionsdetektionsvorrichtung eingesetzt werden.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von einem der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiel.
In der einzigen Figur ist rein prinzipiell eine Maschine in Form eines Koordinatenmessgeräts 10 dargestellt, anhand der die erfindungsgemäße Lehre erläutert wird. Das Koordinatenmessgerät 10 weist z. B. einen aus Granit bestehenden Grundrahmen 12 mit Messtisch 14 auf, auf dem ein nicht dargestelltes Werkstück anordbar ist, um dieses zu messen. Entlang dem Grundrahmen 12 ist ein Portal 16 in y-Richtung verstellbar. Hierzu sind Säulen oder Ständer 18, 20 gleitend auf dem Grundrahmen abgestützt. Von den Säulen 18, 20 geht eine Traverse aus, entlang der, also gemäß der Figur in x-Richtung ein Schlitten 24 verstellbar ist, der seinerseits eine Pinole 26 oder Säule aufnimmt, die in z-Richtung verstellt wird. Von der Pinole oder Säule 26 bzw. einer Wechselschnittstelle 28 geht ein Sensor 30 aus, um das Werkstück zu messen. Bei dem Sensor 30 kann es sich um einen taktilen und/oder optisch arbeitenden Sensor handeln. Insoweit wird auf übliche im Bereich der Koordinatenmesstechnik einsetzbare Sensoren bzw. Kombinationen von Sensoren verwiesen, auf die die erfindungsgemäße Lehre anwendbar ist.
Dem Sensor 30 ist ein Detektionssensor 32 zugeordnet, über den eine mögliche Kollision des Sensors 30 detektiert wird. Vorzugsweise sind dem Sensor 30 zumindest zwei Sensoren zugeordnet, um unabhängig von der Bewegungsrichtung einen möglichen Kollisionsfall zu erfassen. Stellt der bzw. stellen die Sensoren 32 eine mögliche Kollision fest, d. h., wird das Signal des bzw. der Sensoren 32 als Kollisionssignal bewertet, wird die Achse, aufgrund deren Bewegung die Kollision befürchtet wird, abgebremst.
Wird z. B. eine mögliche Kollision durch die Bewegung der y-Achse, also die Bewegung der Säulen oder Ständer 18, 20 detektiert, so wirkt eine gesondert und unabhängig vom Antrieb der y-Achse, also der Säule oder Ständer 18, 20 vorhandene Bremseinrichtung 34 auf die Bewegung der Säulen 18, 20 ein, so dass im Vergleich zu einem Abbremsen des Antriebs mit einer höheren Verzögerungsbschleunigung ein Abbremsen der Bewegung der y-Achse, also der Säulen oder Ständer 18, 20 erfolgt und somit eine Kollisionsvermeidung gewährleistet ist. Bei der zusätzlichen Bremseinrichtung 34, 36 kann es sich z. B. um Reibplatten, Magnetschienenbremsen oder Wirbelstrombremsen handeln, um nur rein beispielhaft Möglichkeiten für die gesonderte Bremseinrichtung 34, 36 aufzuzeigen.
Insbesondere können Reibplatten oder -backen verwendet werden, die auf die Führungsbahn der jeweiligen Achse oder auf einer separate Leiste bzw. Stange einwirken. Auch Wirbelstrombremsen und/oder Magnetschienenbremsen und/oder Reibbremsen können eingesetzt werden, die direkt auf Spindelantriebe der jeweiligen Achse wirken. Alternativ können als Bremseinrichtung federvorgespannte Bremselemente und/oder elektromagnetisch gespannte Bremsen und/oder pneumatisch vorgespannte Bremsen und/oder hydraulisch bewegte Bremsen zum Einsatz gelangen.
Entsprechende zusätzliche Bremseinrichtungen können auch für die Bewegung der x- bzw. z-Achse, also des Schlittens 24 bzw. der Pinole 26 vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zum Bremsen der Bewegung von zumindest einer Achse einer Maschine wie Koordinatenmessgerät (10) oder Werkzeugmaschine, bei der die Achse über einen Antrieb bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine gesonderte Bremseinrichtung (34, 36) die Bewegung der Achse beim Feststellen einer möglichen Kollision abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bremseinrichtung (34, 36) insbesondere Reibplatten, durch Feder vorgespannte auf die Führungsbahn der Achse einwirkende Platten, Magnetschalter, über Druckluft hydraulisch bewegte Platten, Wirbelstrombremse und/oder Magnetschienenbremse verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bremseinrichtung (34, 36) insbesondere Reibbremsen verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reibbremsen auf die Führungsbahn der jeweiligen Achse oder auf eine separate Leiste bzw. Stange einwirkende Reibplatten bzw. -backen (34, 36) verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bremseinrichtung (34, 36) eine Wirbelstrombremse und/oder eine Magnetschienenbremse und/oder eine Reibbremse verwendet wird, die auf Spindelantrieb der jeweiligen Achse wirkt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) als federvorgespannte Bremselemente und/oder elektromagnetisch gespannte Bremsen und/oder pneumatisch vorgespannte Bremsen oder hydraulisch bewegte Bremsen ausgeführt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte – Erzeugung eines Signals beim Detektieren einer möglichen Kollision, – Bewerten des Signals und – bei als Kollisionssignal bewertetem Signal Bremsen der Bewegung der Achse durch die zusätzliche Bremseinrichtung (34, 36).
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur möglichen Detektion einer möglichen Kollision ein Abstandssensor (32) oder Näherungssensor wie Mikroschalter, kapazitiver Abstandssensor, induktiver Abstandssensor, Infrarotabstandssensor, Ultraschallabstandssensor, Videosensor mit Kontrastauswertung, Lasertriangulationssensor, magnetischer Sensor, optischer Näherungssensor und/oder elektromagnetischer Sensor verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion einer möglichen Kollision Signale von zumindest zwei Sensoren (32) ausgewertet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder bewegten Achse der Maschine (10) eine gesonderte Bremseinrichtung (34, 36) zugeordnet wird.
Maschine (10) wie Koordinatenmessgerät oder Werkzeugmaschine mit einem Antrieb zum Bewegen zumindest einer Achse, dadurch gekennzeichnet, dass der Achse eine vom Antrieb unabhängige Bremseinrichtung (34, 36) zugeordnet ist.
Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) Reibplatten, durch Feder vorgespannte auf die Führungsbahn der Achse einwirkende Platten, Magnetschalter, über Druckluft über hydraulisch bewegte Platten, Wirbelstrombremsen und/oder Magnetschienenbremsen sind bzw. ist.
Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) eine Rahmenreibbremse ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 10–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) als Reibplatten bzw. -backen ausgebildet ist, die auf die Führungsbahn der jeweiligen Achse und/oder auf eine separate Leiste bzw. Stange einwirken.
Maschine nach einem der Ansprüche 10–14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) als Wirbelstrombremse und/oder Magnetschienenbremse und/oder Reibbremse ausgebildet ist, die direkt auf zumindest einen Spindelantrieb der jeweiligen Achse wirkt.
Maschine nach einem der Ansprüche 10–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (34, 36) als federvorgespannte Bremselemente und/oder elektromagnetisch gespannte Bremsen und/oder pneumatisch vorgespannte Bremsen und/oder hydraulisch bewegte Bremsen ausgebildet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 10–16, dadurch gekennzeichnet, dass der eine mögliche Kollision erfassende Sensor (32) ein Abstandssensor oder Näherungssensor wie Mikroschalter, kapazitiver Abstandssensor, induktiver Abstandssensor, Infrarotabstandssensor, Ultraschallabstandssensor, Videosensor mit Kontrastauswertung, Lasertriangulationssensor, magnetischer Sensor, optischer Näherungssensor und/oder elektromagnetischer Sensor ist.