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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zur Korrektur der Position eines durch eine Steuerung bewegten Objektes. Beispielsweise kann es sich bei dem Objekt um ein Werkzeug handeln, das durch eine Maschinensteuerung bewegt wird, um z. B. ein Werkstück zu bearbeiten.
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Typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise numerische Werkzeugmaschinen, insbesondere mehrachsig arbeitende Maschinen. In einem solchen Anwendungsfall stellt demnach das Werkzeug das Objekt im Sinne der Erfindung dar.
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Die Ergebnisse der hier vorliegenden Patentanmeldung wurden mit Unterstützung der Europäischen Kommission im Projekt Chameleon, Projekt Nr. 213319 erhalten.
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Der Gegenstand der Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt, wenngleich bevorzugt hierfür eingesetzt. Grundsätzlich kann das Verfahren und System verwendet werden, um jegliche Arten von Objekten, die durch eine Steuerung im Raum bewegt werden, in der Position zu korrigieren.
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Dem hier weiterhin beschriebenen Verfahren liegt die Problematik zugrunde, dass bei der Bewegung eines Objektes durch eine Steuerung eine Sollposition des Objektes im Raum vorgegeben wird, beispielsweise bei einer CNC-Maschine die Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück in einem beispielsweise maschinenbezogenen Koordinatensystem.
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Dabei ist es allgemein im Stand der Technik bekannt, dass es bei der Einstellung der Sollposition zu Ungenauigkeiten kommen kann, die beispielsweise von außen oder aber auch intern veranlasst sind. Verlagerungen können z. B. durch thermische Verformungen oder aber auch durch Ungenauigkeiten in der Positionierung des Objektes durch die Steuerung vorkommen. Dabei kann die Problematik bestehen, dass es nicht möglich ist, durch integrierte Messsysteme die ungewünschten Verlagerungen zu erfassen, so dass Ungenauigkeiten in der Positionierung von Objekten entstehen können. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn integrierte Messsysteme selbst der Verlagerung unterliegen.
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Dies ist insbesondere bei der Anwendung in Werkzeugmaschinen problematisch, da Abweichungen des bearbeitenden Werkzeugs relativ zum zu bearbeitenden Werkstück zu entsprechenden Ungenauigkeiten während der Bearbeitung führen können, die gegebenenfalls zu nicht verwendbaren Arbeitsergebnissen führen können.
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Es ist daher nicht nur bei solchen Werkzeugmaschinen sondern allgemein nötig, Steuerungen zur Bewegung eines Objektes zu kalibrieren, um eine möglichst genaue Positionierung der Objekte zu erzielen.
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Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und System bereitzustellen, das zur Korrektur der Position von allgemein jeglichen Objekten verwendet werden kann, die durch eine Steuerung im Raum bewegt werden. Insbesondere soll das Verfahren und System gemäß der Erfindung in Maschinensteuerungen zur Bewegung von Werkzeugen, insbesondere spanend arbeitenden Werkzeugen zum Einsatz kommen können.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren bzw. auch System der eingangs genannten gattungsgemäßen Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß ausgehend von einem Referenzort (mit z. B. bekannten Koordinaten) wenigstens zwei divergente, insbesondere kohärente Lichtwellen auf eine Sensorfläche eines Sensors projiziert werden und auf dieser Sensorfläche ein Interferenzmuster ausbilden.
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Hierbei ist es vorgesehen, dass der Sensor am Objekt oder an einem mit dem Objekt verbundenen Element befestigt ist, so dass der Sensor und insbesondere dessen Sensorfläche bei einer Bewegung des Objektes mit dem Objekt mitbewegt wird. insbesondere ist es vorgesehen, dass die wenigstens zwei Lichtwellen in das Bewegungsvolumen des Objektes projiziert werden, bevorzugt so, dass zu jedem Ort der im Bewegungsvolumen erreicht werden kann, Interferenzmuster mit dem Sensor erfasst werden können.
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Erfindungsgemäß wird demnach bewirkt, dass sich ein Interferenzmuster, welches sich auf der Sensorfläche aufgrund der Interferenz der wenigstens zwei divergenten Lichtquellen ausbildet, bei einer Bewegung des Objektes und der damit einhergehenden Bewegung der Sensorfläche ändert und derartige Änderungen durch den Sensor aufgenommen werden können.
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Es ist sodann weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen den wenigstens zwei Lichtquellen zeitlich nacheinander verschiedene Phasendifferenzen eingestellt werden und zu mehreren eingestellten Phasendifferenzen die auf der Sensorfläche phasenabhängig erzeugten Interferenzmuster mit einer Datenverarbeitungsvorrichtung erfasst werden und mit der Datenverarbeitungsvorrichtung aus den mehreren Interferenzmustern eine Ist-Position des Objektes ermittelt und wenigstens ein Maß für eine Abweichung zu einer Soll-Position bestimmt wird, wobei mit dem wenigstens einen bestimmten Maß oder zumindest in Abhängigkeit davon die Korrektur der Position eines Objektes erfolgt, z. B. dadurch, dass die Steuerung mit dem Maß angesteuert wird, bzw. das Maß der Steuerung zur Verfügung gestellt wird.
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Es ist somit für das Verfahren und für das System wesentlich, in einer Regelschleife Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Position festzustellen, um sodann die Position des Objektes, insbesondere eines bearbeitenden Werkzeugs, im Raum korrigieren zu können, demnach also die Abweichung zwischen Ist- und Sollposition zu minimieren.
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Dabei kann es vorgesehen sein, nicht die Ist-Position unmittelbar als 3D-Raumkoordinate zu erfassen, sondern es kann in einer möglichen Ausgestaltung eine Repräsentation für die Ist-Position herangezogen werden, die auf den Interferenzeffekten beruht, sowie auch eine Repräsentation einer Modell-Position bestimmt werden, die auf einem mathematischen Modell der Lichtausbreitung basiert, insbesondere die ausgehend von der bekannten Sollposition berechnet wird.
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Eine Repräsentation für die Ist-Position bzw. auch die Modell-Position des Objektes kann demnach auch bildlich dargestellt werden, beispielsweise in der Art eines Interferenz- oder Phasenbildes, wobei es für das Verfahren bzw. System nicht zwingend notwendig ist, diese Repräsentationen einer bildlichen Darstellung zuzuführen, vielmehr ist es auch ausreichend, die Repräsentation als mathematisches Modell bzw. Datensatz in einer Datenverarbeitungsanlage zu verwenden.
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Dabei wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems ausgenutzt, dass die aktuelle Ist-Position eines Objektes zwar nicht alleinig durch das Interferenzmuster der miteinander interferierenden Lichtwellen praktisch bestimmt werden kann, jedoch aus mehreren, zeitlich nacheinander aufgenommenen Interferenzmustern mit jeweils verschieden eingestellter Phasendifferenz zwischen den wenigstens zwei Lichtwellen mit Hilfe eines zugrunde liegenden mathematischen Modells eine Repräsentation für die aktuelle Ist-Position mittels einer Datenverarbeitungsanlage berechnet werden kann.
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Dabei ist ein besonders einfaches Modell zur mathematischen Bestimmung einer Repräsentation für die Ist-Position oder auch einer Modell-Position in solchen Fällen gegeben, wenn die eingesetzten, wenigstens zwei divergenten Lichtwellen, zumindest näherungsweise als Licht-Kugelwellen angenommen werden können.
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Daher ist es in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens und Systems vorgesehen, eine Lichtquelle am Referenzort vorzusehen, mit der wenigstens zwei Licht-Kugelwellen emittiert und auf die Sensorfläche des wenigstens einen Sensors projiziert werden können. Sofern nicht ideale Kugelwellen am Ort der Emission/Referenzort erzeugt werden können ist es üblicherweise ausreichend, solche Wellen zu erzeugen, deren Interferenz mit einem auf Kugelwellen basierenden mathematischen Modell zumindest hinreichend genau beschrieben und ausgewertet werden kann.
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Um wenigstens zwei divergente Lichtwellen zu erzeugen, insbesondere wenigstens zwei Licht-Kugelwellen, kann es in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Licht einer einzigen Lichtquelle, besonders bevorzugt eines Lasers, in wenigstens zwei Teillichtstrahlen aufgeteilt wird, so dass diese zwei Teillichtstrahlen die wenigstens zwei divergenten und bevorzugt sich kugelwellenartig ausbreitenden Lichtwellen bilden, die zur Interferenz gebracht werden.
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Dabei ist es für das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin wesentlich, dass die Teillichtstrahlen vor der Emission am Referenzort jeweils eine optische Wegstrecke durchlaufen, bis dass die Teillichtstrahlen von dem Referenzort emittiert werden und divergent, insbesondere als Kugelwelle, auf die Sensorfläche projiziert werden. Hierbei ist es vorgesehen, dass die relative optische Weglänge zwischen den optischen Wegstrecken der Teillichtstrahlen zueinander verstellbar ist, um so unterschiedliche Phasendifferenzen zwischen den Lichtwellen einstellen zu können. Zu diesem Zweck kann ein phasenschiebendes Element in einer der Wegstrecken zum Einsatz kommen.
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Es besteht sodann die Möglichkeit, wie eingangs beschrieben, mehrere Interferenzmuster bei verschieden eingestellten Phasendifferenzen zwischen den beteiligten Lichtwellen mittels des eingangs benannten Sensors zu erfassen. Diese Interferenzmuster können jeweils gespeichert und mittels einer Datenverarbeitungsanlage weiteren Auswertungen unterzogen werden, um eine Repräsentation für die Ist-Position des Objektes zu ermitteln, wie es nachfolgend noch weiter erläutert wird.
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Um divergente Lichtwellen zu erzeugen, kann es hier weiterhin vorgesehen sein, dass am Emissionsort, insbesondere dem eingangs genannten Referenzort, das Licht der eingangs genannten Teillichtstrahlen jeweils aus dem Fokus einer Zerstreuungslinse emittiert wird.
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In einer alternativen technischen Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, zur Erzeugung von divergenten Lichtwellen, insbesondere zumindest näherungsweise Kugelwellen, die Teillichtstrahlen aus dem Fokus einer fokussierenden Optik zu emittieren, wobei es vorgesehen sein kann, dass der erzeugte jeweilige Fokus der wenigstens zwei Lichtwellen von einer Blende, einem sogenannten pinhole bzw. Raumfilter umgeben ist. Auch das aus einer solchen Blende divergent austretende Licht kann näherungsweise als Kugelwelle beschrieben und mathematisch behandelt werden.
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Eine weiterhin alternative Ausgestaltung ergibt sich, wenn das Licht der Teilstrahlen jeweils aus einem Ende einer optischen Faser emittiert wird, in die das Licht zuvor eingekoppelt wurde. So stellen nämlich die offenen Enden einer optischen Faser einen derart kleinen Querschnitt bereit, so dass das aus einem solchen offenen Ende austretende Licht zumindest näherungsweise jeweils eine Kugelwelle beschreibt und demnach die Interferenz auch in einem mathematischen Modell unter Zugrundelegung einer Annahme von sich ausbreitenden Kugelwellen beschrieben und analysiert werden kann.
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Die Teillichtstrahlen sind hierbei bevorzugt so orientiert, dass deren Hauptausbreitungsrichtungen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, insbesondere so, dass die Achsen der divergenten Lichtkegel parallel sind. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass im Überlagerungsbereich der wenigstens zwei Lichtwellen die eingangs genannte Sensorfläche eines Sensors angeordnet ist, um das bei der Überlagerung entstehende Interferenzmuster messtechnisch zu erfassen. Um hier ein Interferenzmuster ausbilden zu können, ist es wesentlich, dass die Lichtwelle kohärentes Licht mit einer genügend großen Kohärenzlänge bereitstellt, wie dies beispielsweise von einem Laser, insbesondere einem frequenzstabilisierten Laser erzielt wird.
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Die eingangs genannte Sensorfläche zur Erfassung eines jeweiligen Interferenzmusters kann beispielsweise durch die lichtempfindliche Fläche eines Kamerasensors ausgebildet werden, z. B. durch einen CCD- oder CMOS-Chip. Ein solcher Kamerasensor wird bevorzugt eingesetzt, da diese Sensoren weit verbreitet und zu günstigen Bedingungen kommerziell erhältlich sind.
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Darüber hinaus lassen sich die Sensorflächen über eine geeignete Elektronik auslesen, so dass bei der messtechnischen Erfassung eines Interferenzmusters die mit jedem Pixel eines solchen Sensors aufgenommene Lichtintensität messtechnisch erfasst und weiter verarbeitet werden kann. Es liegt demnach bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfassung von mehreren Interferenzmustern mit unterschiedlicher relativer Phase eine Serie von Datensätzen vor, wobei jeder Datensatz eine Repräsentation des zu einer bestimmten Phasendifferenz erzeugten Interferenzmusters darstellt.
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Bereits diese Serie von Datensätzen, welche die mehreren Interferenzmuster repräsentieren, kann als eine Repräsentation für die Ist-Position des Objektes verstanden werden, da es für den Begriff der Repräsentation für die Ist-Position im Sinne der Erfindung wesentlich ist, dass diese Repräsentation für die jeweilige Ist-Position des Objektes eindeutig ist.
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Besonders bevorzugt ist es jedoch gemäß der Erfindung vorgesehen, eine Repräsentation für die Ist-Position des Objektes aus den mehreren Interferenzmustern zu bilden. Dabei wird hierunter verstanden, dass die Repräsentation für die Ist-Position berechnet wird aus den Daten, welche die mehreren Interferenzmuster beschreiben, somit also aus der eingangs genannten Serie von Datensätzen.
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Hier kann es vorgesehen sein, mit einem mathematischen Modell ein enthülltes Phasenmuster aus den mehreren Interferenzmustern zu berechnen, was bedeutet, dass die tatsächliche Phase der wenigstens zwei interferierenden Lichtwellen an jedem Pixel der Sensorfläche aus der Serie der messtechnisch erfassten Interferenzmuster berechnet wird, insbesondere ohne die 2π-Periodizität der Phase zu berücksichtigen. Der Berechnung eines enthüllten Phasenmuster kann die Berechnung eines eingehüllten Phasenmusters aus den mehreren Interferenzmustern vorausgehen.
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Die Berechnung eines eingehüllten Phasenmusters kann hierbei wie folgt verstanden werden bzw. durchgeführt werden:
Durch die bei den verschiedenen Phasendifferenzen aufgenommenen Interferenzmuster liegen für jeden Pixel des Sensors eine Reihe von Intensitätswerten nebst zugehörigen Phasenwerten vor. Des Werteren existiert das eingangs erwähnte mathematische Modell, welches in Abhängigkeit bestimmter Parameter die Intensität der aus den beiden Einzelwellen überlagerten, resultierenden Welle beschreibt. Unter Verwendung von numerischen Verfahren, insbesondere des Gauß-Newton-Verfahrens, können die Parameter des zuvor beschriebenen mathematischen Modells derart bestimmt werden, dass sich hieraus die Phase für jeden Pixel bestimmen lässt.
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Die Berechnung eines enthüllten Phasenmusters kann hierbei wie folgt verstanden werden bzw. durchgeführt werden:
Ausgehend von einem Referenzpunkt der Sensorfläche und seinem Phasenwert erfolgt ein Vergleich mit den direkt benachbarten Pixeln. Liegt die Differenz der beiden Phasenwerte oberhalb einer bestimmten Grenze – die nicht größer als π sein darf, aus Toleranzgründen aber auch kleiner gewählt werden kann – so wird der Phasenwert der betroffenen Pixel so lange um Vielfache von 2π verschoben, bis entsprechende Differenz tatsächlich kleiner ist. Ausgehend von den so gefundenen Phasenlagen der benachbarten Punkte wird der Vorgang für wiederum deren Nachbarpunkte wiederholt, nun nicht mehr mit der Referenzphasenlage als Ausgangswert, sondern mit der jeweiligen Phase des Punktes, dessen Nachbarn als nächstes betrachtet werden.
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Anhand eines solchen enthüllten Phasenmusters liegt darüber hinaus im Sinne der Erfindung eine eindeutige Repräsentation für die Ist-Position des Objektes im Raum vor, so dass ein solches Phasenmuster für den Vergleich zwischen Soll- und Ist-Position und Bestimmung einer Abweichung herangezogen werden kann.
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Hierbei kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, die aus den Interferenzmustern berechnete Repräsentation für die Ist-Position, d. h. das enthüllte Phasenmuster der Ist-Position sowie auch ein enthülltes Phasenmuster einer Modell-Position, das theoretisch, d. h. rein simulativ berechnet wird, zwecks Bestimmung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position heranzuziehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, nicht das enthüllte Phasenmuster von Modell- und Ist-Position mit allen grundsätzlich zur Verfügung stehenden Pixeln der Sensorfläche, d. h. mit der größten gerätetechnisch möglichen Auflösung zu verwenden, sondern als Repräsentation für die Ist-Position in gleicher Weise wie für die Repräsentation der Modell-Position eine Auswahl wenigstens eines Teils von allen Punkten des jeweiligen enthüllten Phasenmusters und deren Phasenwerten zu verwenden. Hier kann eine Auswahl aus einem enthüllten Phasenmuster, sei es die Modell- oder auch die Ist-Position, derart erfolgen, dass ein matrixartig im Phasenmuster angeordneter Teil von insbesondere in 2 Dimensionen äquidistanten Punkten des Phasenmusters sowie deren Phasenwerte für die weitere Berechnung herangezogen wird.
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Für die weitere Berechnung zwecks Bestimmung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position ist es im Wesentlichen lediglich notwendig, eine bestimmte Mindestanzahl von Punkten aus einem enthüllten Phasenmuster jeweils von Ist- und Modell-Position heranzuziehen, insbesondere um eine Konvergenz der mathematischen Algorithmen zur Berechnung der Abweichungen zu erzielen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich zu der messtechnisch erfassten Repräsentation für die Ist-Position, wie es zuvor beschrieben wurde, eine Repräsentation der Modell-Position mit einem theoretischen Modell rein simulativ berechnet wird.
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So besteht hier nämlich die Möglichkeit, ausgehend von dem gegebenen Referenzort, welcher bevorzugt dem Emissionsort der wenigstens zwei Lichtwellen entspricht, mittels eines zugrunde liegenden mathematischen Modells theoretisch auszurechnen, wie die Interferenzmuster zu verschiedenen Phasenlagen zwischen den wenigstens zwei Wellen theoretisch aussehen, um anhand dieser theoretisch gebildeten Interferenzmuster ein ebenso theoretisch berechnetes enthülltes Phasenmuster bzw. eine Auswahl wenigstens eines Teils von allen Punkten des enthüllten Phasenmusters zu bestimmen. Hier kann das enthüllte Phasenmuster für die Modell-Position auch direkt ohne Zwischenberechnung mehrerer Interferenzmuster berechnet werden.
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Dabei ist es für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich, für die Berechnung dieser Repräsentation der Modell-Position mit einem mathematischen theoretischen Modell die Sollkoordinaten des betrachteten Objektes, wie beispielsweise eines Werkzeuges, zur Verfügung zu stellen, z. B. aus der Steuerung, insbesondere einer Werkzeugmaschinensteuerung.
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Es wird sich sodann zeigen, dass das theoretisch berechnete Phasenmuster bzw. eines Teils von ausgewählten Punkten eines solchen Phasenmusters der Modell-Position von demjenigen Phasenmuster bzw. der Auswahl wenigstens eines Teils von allen Punkten des enthüllten Phasenmusters der Ist-Position abweicht.
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Diese Abweichung resultiert daraus, dass aufgrund von Verlagerungen, beispielsweise thermischer oder sonstiger Art, die tatsächlich erreichte Ist-Position des betrachteten Objektes nicht mit der vorgegebenen Soll-Position übereinstimmt.
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Es kann sodann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, z. B. durch einen iterativen Algorithmus, vorgesehen sein, die theoretisch berechnete Repräsentation der Modell-Position an die experimentell erfasste Repräsentation der Ist-Position anzunähern, nämlich beispielsweise dadurch, dass in dem zugrunde gelegten theoretischen mathematischen Modell die Eingangsparameter, insbesondere die zur Verfügung gestellten Sollkoordinaten, variiert werden.
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Hierfür kann beispielsweise in einem Algorithmus vorgesehen sein, die quadratische Abweichung zwischen experimentell erfasster Repräsentation der Ist-Position und theoretisch berechneter Repräsentation der Modell-Position zu minimieren.
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Der wenigstens eine dem theoretischen Modell zugrunde gelegte Parameter, welcher im Rahmen dieser bevorzugt iterativen Approximation verwendet wird, um eine größtmögliche Übereinstimmung zwischen den zu vergleichenden Repräsentationen zu erzielen, kann sodann das eingangs genannte erfindungsgemäße Maß für die Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position darstellen und unmittelbar oder nach einer weiteren Berechnung verwendet werden, um die Steuerung des Objektes zu korrigieren und so eine an die Soll-Position angenäherte Ist-Position zu erzielen.
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Dabei kann es insbesondere mit Bezug auf die Anwendung der Werkzeugkorrektur in Werkzeugmaschinen vorgesehen sein, dass die Durchführung des Verfahrens in Stillstandszeiten des Werkzeugs oder allgemein eines beliebigen Objektes erfolgt, um aus der Bewegung des Objektes resultierende Abweichungen, wie beispielsweise aufgrund der Trägheit des Objektes oder aufgrund von Vibrationen oder ähnlichem zu vermeiden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Darstellung der allgemeinen Problematik und der Regelkreisdarstellung bei der Anwendung von Werkzeugmaschinen
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2 die schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung des Verfahrens
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3 die schematische Darstellung des Berechnungsalgorithmus zur Ermittlung der Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position
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Die 1 zeigt in schematischer Übersicht ein Ablaufdiagramm bezogen auf die bei einer Werkzeugmaschine vorliegende, tatsächliche Situation.
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Hier ist es dargestellt, dass eine Werkzeugmaschine 1, welche als Objekt ein nicht dargestelltes Werkzeug steuert, von Störgrößen beeinflusst ist, die sich hier beispielsweise durch äußere oder auch interne Wärmequellen 2 ergeben können. Diese Störungen können zu einer Strukturverformung der Werkzeugmaschine und somit zu einer Verlagerung des Werkzeugmittelpunktes, des sogenannten TCP (tool center point) führen.
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Es ergibt sich hierdurch die Problematik, dass die tatsächliche Position des Werkzeugs, hier symbolisiert als Position X, von einer Sollposition abweicht. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, mit dem Verfahren bzw. System der eingangs beschriebenen Art in einer hier dargestellten Verfahrensstufe 3 eine Kalibrierung, d. h. eine Korrektur der Position durchzuführen.
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Dabei wird wie im eingangs beschriebenen Teil die tatsächliche Position des Werkzeugs gemessen, nämlich in der Art einer Repräsentation der Ist-Position, die durch mehrere Interferenzbilder zu verschiedenen Phasen bzw. einem daraus berechneten enthüllten Phasenmuster ergibt.
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Durch die von einer numerischen Steuerung bereitgestellte Soll-Position sowie deren Repräsentation wird erfindungsgemäß ein Abgleich zwischen Soll- und Ist-Position vorgenommen, um sodann mittels der Steuerung aus dem so gebildeten Maß für die Abweichung einen Verfahrbefehl für die Verfahrachsen der Werkzeugmaschine zu erzeugen und damit eine Positionsänderung des Werkzeugs zu bewirken und demnach die tatsächliche Ist-Position des Werkzeugs an die gewünschte Sollposition anzugleichen.
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Die 2 beschreibt nun einen grundsätzlichen Systemaufbau, der zur Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommen kann.
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Hier ist es vorgesehen, als kohärente Lichtquelle einen Laser 10 zu verwenden, dessen Licht in zwei Teillichtstrahlen 10A und 10B aufgeteilt wird. Dieser Laser ist bevorzugt frequenzstabilisiert und z. B. ein HeNe-Laser.
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Die Aufteilung des Lichts kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Laserlichtstrahl durch einen Strahlteiler 11 in zwei Teilstrahlen 10A und 10B aufgeteilt wird. Dabei kann es wie hier beschrieben vorgesehen sein, den Laserlichtstrahl zunächst durch einen Strahlaufweiter 12, beispielsweise ein Teleskop, aufzuweiten.
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Ebenso kann es vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn frequenzstabilisierte Laser zum Einsatz kommen, einen optischen Isolator 13 in der optischen Wegstrecke zwischen Laserlichtquelle 10 und Strahlteiler 11 einzusetzen, um die Ausbreitung von Rückreflexen von den Oberflächen der zum Einsatz gekommenen optischen Elemente zurück in den Laserresonator zu vermeiden. Innerhalb der optischen Wegstrecke kann es dabei vorgesehen sein, eine freie Propagation des Laserlichtstrahls zu verwenden oder aber auch eine Strahlführung durch optische Fasern, wie hier der beispielhaft dargestellten Faser 14.
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In Verbindung mit den beiden Teillichtstrahlen 10A und 10B können weiterhin jeweilige Polarisationsfilter 15 zum Einsatz kommen, um die Polarisation der Lichtwellen zu beeinflussen. Insbesondere in einem der Teillichtstrahlen, hier in dem Teillichtstrahl 10B, ist ein optisches Element 16 vorgesehen, um die effektive optische Weglänge zwischen den beiden Teillichtstrahlen ändern zu können und so Einfluss zu nehmen auf die Phasenlage der beiden Teillichtstrahlen 10A und 10B zueinander.
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Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist es vorgesehen, mittels zweier Zerstreuungslinsen 17 zwei divergente Lichtwellen 18A und 18B zu erzeugen, die zumindest angenähert Kugelwellen ausbilden und sich in einem Überlagerungsbereich 18C überlagern, in welchem die beiden Lichtwellen miteinander interferieren.
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Im Überlagerungsbereich 18C ist es hier vorgesehen, eine Kamera 19 einzusetzen, die einen lichtempfindlichen Sensor aufweist, wobei sich auf der Sensorfläche des lichtempfindlichen Sensors dieser Kamera 19 ein Interferenzmuster ergibt, das durch eine hier nicht weiter dargestellte Datenverarbeitungsanlage messtechnisch erfasst werden kann. Dabei wird die von den einzelnen matrixartig angeordneten Pixeln der Sensorfläche jeweils die aufgenommene Lichtintensität in der Ebene der Sensorfläche erfasst.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es hierbei unerheblich, auf welche Art und Weise die divergenten Lichtwellen 18A und 18B erzeugt werden. In der hier gezeigten schematischen Darstellung erfolgt dies durch Zerstreuungslinsen 17, es ist jedoch in gleicher Weise auch möglich, fokussierende Linsen als Punktlichtquellen einzusetzen oder aber auch die jeweils offenen Enden einer jeweiligen optischen Faser, mit welcher das Licht der Teillichtstrahlen 10A und 10B transportiert wird.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es hier vorgesehen, dass die dargestellte Kamera 19 und somit der Sensor im Sinne der Erfindung, an einem Objekt unmittelbar oder über eine starre Verbindung angeordnet ist, so dass die Sensorfläche der Kamera bei einer Objektbewegung mitgeführt wird.
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Unter der Annahme, dass die jeweiligen Lichtwellen 18A, 18B von einem bekannten Referenzort ausgehen, ist das Interferenzmuster in der Ebene der Sensorfläche sowohl mathematisch theoretisch berechenbar als auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Kamera messtechnisch erfassbar.
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Die Phasendifferenz an jedem Punkt der Sensorfläche ist dabei abhängig vom Abstand des betrachteten Punktes zum Referenzort, also dem Emissionsort der Lichtstrahlen. Hierbei ergibt sich jedoch die Problematik, dass die absolute Phase an einem Messpunkt der Sensorfläche nicht aus einer einzigen Interferenzmessung absolut bestimmbar ist und somit ein einziges Interferenzmuster für die Bestimmung der aktuellen Ist-Position relativ zum Referenzort nicht ausreicht.
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Es ist daher im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, so wie es auch die 3 zeigt, mehrere Interferenzmuster zu jeweils verschieden eingestellten Phasendifferenzen zwischen den Teillichtstrahlen 10A und 10B bzw. den Lichtwellen 18A und 18B aufzunehmen und mittels eines mathematischen Algorithmus zur Phasenenthüllung die absolute Phasenlage jedes Pixels aus allen aufgenommenen Interferenzmustern mathematisch zu berechnen. Es liegt sodann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine eindeutige Repräsentation der Ist-Position des Objektes durch ein Phasenmuster vor, welches messtechnisch erfasst wurde.
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Mit der vorgegebenen Sollposition kann aufgrund der gewählten Ausbreitungscharakteristik der Lichtquellen, insbesondere der Kugelwellen, mittels eines in einer Datenverarbeitungsanlage zugrunde gelegten mathematischen Modells dasjenige Phasenmuster als Repräsentation der Modell-Position berechnet werden, welches idealerweise vorliegen müsste, sofern es keine Abweichung zwischen den Repräsentationen der Modell- und der Ist-Position gäbe.
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So wie es die 3 zeigt, können aus dem enthüllten Phasenmuster der Repräsentation der tatsächlich gemessenen Ist-Position und dem enthüllten Phasenmuster der theoretisch berechneten Modell-Position die Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Position ermittelt werden.
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Zwecks Begrenzung der Anzahl der nötigen Messstellen und Vergleichsstellen kann es hier vorgesehen sein, statt eines insgesamt erfassten bzw. theoretisch berechneten enthüllten Phasenmusters nur eine Teilanzahl von bestimmten Punkten aus dem Phasenmuster heranzuziehen. Hierbei können diese Punkte wie in der 3B unten dargestellt matrixartig über das gesamte Phasenmuster verteilt angeordnet sein.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bei einer bevorzugten Variante vorgesehen, die theoretisch berechnete Repräsentation der Modell-Position, insbesondere also die lediglich ausgewählten Phasenwerte der Matrixanordnung durch Veränderung der in der Berechnung zugrunde gelegten Parameter an das tatsächlich gemessene Phasenmuster anzupassen, beispielsweise durch Minimierung der quadratischen Abweichungen der Phasenwerte beider Repräsentationen.
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Ausgehend von den Eingangsparametern, die die Sollposition im Koordinatensystem der Maschinensteuerung darstellen und die die Grundlage zur theoretischen Berechnung des Phasenmusters bildeten, wird nun durch die vorgenommenen Änderungen der Parameter die Abweichung zwischen den Repräsentationen von Modell- und Istposition minimiert, so dass durch die bei der Approximation geänderten Parameter ein Maß erhalten wird, welches eingesetzt werden kann, um die Steuerung der Werkzeugmaschine anzuweisen, eine Positionskorrektur in Abhängigkeit dieses Maßes durchzuführen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. System besteht demnach die Möglichkeit, auf interferometrischem Wege und somit mit einer Genauigkeit im Bereich von der halben Wellenlänge des eingesetzten Lichtes eine Korrektur zwischen Soll- und Ist-Position eines jeglichen Objektes vorzunehmen, das durch eine beispielsweise numerische Steuerung bewegt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach besonders eingesetzt werden, um bei einer Maschinensteuerung zur Steuerung von Werkzeugen eine hohe Präzision bei der Bearbeitung von Werkstücken zu erzielen.
