DE102018109970B4

DE102018109970B4 - Verfahren zur Steuerung eines Koordinatenmessgerätes sowie Koordinatenmessgerät

Info

Publication number: DE102018109970B4
Application number: DE102018109970.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Schuster
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: DE102018109970A1

Abstract

Verfahren zur bahngestützen Positionssteuerung eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes (26) eines Koordinatenmessgerätes (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:- Ermittlung aufeinanderfolgender Soll-Positionen entlang einer Bahn mit einem Interpolator (70, 90),- Ermittlung von den Soll-Positionen zugehörigen Bahnvorsteuerwerten auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen (X, Y, Z),- Ermittlung von Achsvorsteuerwerten für jede Achse (X, Y, Z) des Koordinatenmessgerätes (10) auf Basis der Bahnvorsteuerwerte,- Übergabe der Achsvorsteuerwerte als vorsteuerbasierte Stellgrößenanteile an Regelkreise, die jeweils einer der Achsen (X, Y, Z) zugeordnet sind, zur Steuerung von Antrieben der Achsen (X, Y, Z), und- Ermittlung verbliebener Stellgrößenanteile durch Regler (82, 100) der achsweisen Regelkreise.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur bahngestützen Positionssteuerung eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes eines Koordinatenmessgerätes (KMG). Ferner betrifft die Offenbarung ein numerisch gesteuertes mehrachsiges Koordinatenmessgerät. Die Offenbarung betrifft ferner ein Maschinensteuerungsprogramm für ein Koord i naten messgerät.
Aus der DE 197 53 565 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Koordinatenmessgerätes bekannt, bei dem der Tastkopf und der daran beweglich befestigte Taststift des Koordinatenmessgerätes nach Solldaten gesteuert verfahren wird und bei dem der Taststift zum Vermessen des Werkstückes auf die zu vermessende Werkstückoberfläche aufgesetzt oder von der zu vermessenden Werkstückoberfläche abgehoben wird, wobei der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des Tastkopfes beim Aufsetzen oder beim Abheben und der Projektion der Bewegungsrichtung auf die Tangentialebene der Werkstückoberfläche im Aufsetz- bzw. Abhebepunkt kleiner als 30° ist.
Koordinatenmessgeräte sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise offenbart die WO 2006/ 077 017 A1 ein Koordinatenmessgerät, mit einem Tastkopf zum Anfahren des Messpunktes, wobei der Tastkopf an einer Verschiebemechanik angeordnet ist, die ein erstes und ein zweites parallel zueinander verfahrbares Auflager aufweist, mit einem ersten Antrieb zum Verfahren des ersten Auflagers und mit einem zweiten Antrieb zum Verfahren des zweiten Auflagers, mit einer ersten und einer zweiten Messeinrichtung zum Bestimmen einer ersten Verschiebeposition des ersten Auflagers und einer zweiten Verschiebeposition des zweiten Auflagers, und mit einer Berechnungseinheit zum Bestimmen der Raumkoordinate des Messpunktes unter Verwendung der ersten und zweiten Verschiebeposition.
Ergänzend wird auf die WO 2015/ 158 501 A1 verwiesen, die ein Koordinatenmessgerät mit einer Werkstückauflage zur Lagerung eines zu vermessenden Werkstückes beschreibt, einer Mechanik zur Bewegung eines Sensors/Messaufnehmers in zumindest einer ersten Koordinatenrichtung und einer senkrecht dazu stehenden zweiten Koordinatenrichtung. Das Koordinatenmessgerät umfasst ferner eine Steuerung zur Steuerung der Bewegung des Sensors.
Aus der DE 40 39 620 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung eines Parameters zur Vorsteuerung der Führungsgeschwindigkeit in einem Lageregelkreis einer numerisch bahngesteuerten Maschine mit i Achsen, wobei der Lageregelung der i-ten Achse als Führungsgröße ein sich in Form einer Rampe mit der Zeit ändernder Lagewert vorgegeben wird, wobei die bleibende Regelabweichung der i-ten Achse zwischen Führungsgröße und Lageistwert erfasst wird, wobei aus der bleibenden Regelabweichung wird ein Geschwindigkeitsvorsteuerparameter abgeleitet wird, und wobei der Geschwindigkeitsvorsteuerparameter in die Steuerung übernommen wird.
Aus der WO 2008/ 014 804 A1 ist ein Verfahren zum Koordinieren von in unterschiedlichen Achsrichtungen wirkenden Antriebsanordnungen einer Werkzeugmaschine bekannt, umfassend die Schritte: Vorgeben eines ersten Soll-Werts für einen ersten geregelten Achsantrieb einer in einer ersten Achsrichtung wirkenden, ersten Antriebsanordnung, sowie Vorgeben eines Regelfaktors für das Zuführen einer zu einem Regelfehler des ersten geregelten Achsantriebs proportionalen Größe an wenigstens einen zweiten geregelten Achsantrieb der ersten Antriebsanordnung.
Der Artikel „Verminderung dynamischer Bahnabweichungen bei numerisch bahngesteuerten Werkzeugmaschinen", Dr.-Ing. Peter Stof, Zeitschrift für industrielle Fertigung, 1978, Seiten 329 bis 333, befasst sich mit der Erhöhung der Bahngenauigkeit durch Hilfsgrößenaufschaltung im Sinne einer Vorsteuerung. Die Vorsteuerung erfolgt achsweise.
Mit anderen Worten ist es bekannt, mehrachsig numerisch gesteuerte Maschinen unter Nutzung einer Vorsteuerung zu betreiben, um gewünschte Bahnkurven möglichst schnell und mit möglichst geringer Abweichung von einer Soll-Bahn abzufahren und/oder um bestimmte Soll-Punkte auf der Bahn anzufahren. Hierbei ist generell zu beachten, dass es bei Mehrachsmaschinen Interdependenzen zwischen einzelnen Achsen geben kann, die sich insgesamt auf die Genauigkeit und womöglich das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems auswirken können. Häufig leidet die eigentlich gewünschte Achssynchronität darunter.
Die Vorsteuerung bezeichnet im Allgemeinen ein Element des Entwurfs von Regelsystemen, umfassend das Beaufschlagen der Stellgröße mit einem Wert, der zunächst im Wesentlichen unabhängig von den Zuständen der Regelstrecke und daraus resultierenden Messungen ist. Die Vorsteuerung erlaubt die Berücksichtigung des aufgrund des Soll-Wertverlaufs zu erwartenden Stellgrößen-Bedarfs. Da die Vorsteuerung für sich genommen eine Steuerung (und keine Regelung) ist, kann das Führungsverhalten verbessert werden, ohne die Stabilität zu gefährden.
Parameter für die Vorsteuerung können auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens (Referenz-Verhalten) des Systems (also etwa der Maschine mit den motorisch angetriebenen Achsen) ermittelt werden. Mit anderen Worten wird das Verhalten des Systems (etwa einer Achse) vorhergesagt. Würde jene Vorhersage den Ist-Zustand perfekt vorwegnehmen, kann der Regelaufwand auf ein Minimum reduziert oder gar eliminiert werden. In der Praxis fällt den verbliebenen Reglern des Systems die Aufgabe zu, die sich regelmäßig ergebenden Abweichungen zwischen dem vorhergesagten Soll-Zustand und dem Ist-Zustand unter Beachtung des Zielkonfliktes bzw. der Zielvorgaben bestmöglich auszuregeln.
Beispielsweise beruht die Vorsteuerung bei der Positionssteuerung von Maschinenantrieben darauf, dass bei einem Soll-Wert-Sprung oder einer sonstigen Zielvorgabe für die Position ein Referenzprofil für Geschwindigkeit und Beschleunigung generiert wird. Entsprechend dem Soll-Wert-Verlauf und einem gewünschten Streckenverhalten werden Vorsteuerparameter berechnet, die ohne weitere Stellgrößenanteile die Strecke entsprechend dem Referenzprofil positionieren würden. Der eigentliche Regler, also die anderen Stellgrößenanteile, müssen dann nur noch Abweichungen von gewünschten Streckenverhalten und unbekannte äußere Einflüsse ausregeln.
Das Prinzip der Vorsteuerung wird bereits für die Regelung von mehrachsigen, numerisch gesteuerten Maschinen verwendet. Eine Messaufgabe für ein mehrachsiges, numerisch gesteuertes Koordinatenmessgerät kann beispielsweise das Abfahren bestimmter Messpunkte und/oder das Abfahren einer bestimmten Messbahn relativ zu einem Messobjekt mit einem Messaufnehmer (Sensor) umfassen, der an einem Messkopf aufgenommen ist. Die Verfahrbewegung kann grundsätzlich eine Bewegung des Messaufnehmers bei stillstehendem Messobjekt umfassen, alternativ eine Bewegung des Messobjekts bei stillstehendem Messaufnehmer, grundsätzlich jedoch auch Bewegungen sowohl des Messobjektes als auch des Messaufnehmers. Daher kann allgemein von Relativbewegungen gesprochen werden.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur bahngestützen Positionssteuerung eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes eines Koordinatenmessgerätes sowie ein entsprechend ausgerüstetes Koordinatenmessgerät anzugeben, die zur Erhöhung der Produktivität und/oder der Genauigkeit beitragen. Vorzugsweise wird der Betrieb eines Koordinatenmessgerätes mit hoher Fahrgeschwindigkeit des Messkopfes ermöglicht, ohne dass sich dies übermäßig nachteilig auf die Genauigkeit und/oder das Schwingungsverhalten bzw. die Vibrationsanfälligkeit des Koordinatenmessgerätes auswirkt. Vorzugsweise soll hierzu ein Regelalgorithmus bzw. ein Regelverfahren genutzt werden, der/das mit einem hohen Steueranteil (Vorsteueranteil) und demgemäß mit einem verringerten Regelanteil nutzbar ist. Vorzugsweise lässt sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Verbesserung der Synchronisierung der verschiedenen Achsen eines mehrachsigen Koordinatenmessgerätes erreichen. Dies gilt insbesondere für solche Fälle, bei denen mehrere Achsen zusammenarbeiten müssen, um ein gewünschtes Bahnverhalten zu erzielen.
Allgemein gesagt soll die vorliegende Offenbarung in zumindest einigen Aspekten und Ausführungsformen die Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit von Koordinatenmessgeräten ermöglichen. Dies soll insbesondere Beschleunigungsvorgänge und Beschleunigungsänderungen beim Positionieren des Messkopfes bzw. des Messaufnehmers betreffen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur bahngestützen Positionssteuerung eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes eines Koordinatenmessgerätes gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Ermittlung aufeinanderfolgender Soll-Positionen entlang einer Bahn mit einem Interpolator,
- Ermittlung von den Soll-Positionen zugehörigen Bahnvorsteuerwerten auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen,
- Ermittlung von Achsvorsteuerwerten für jede Achse des Koordinatenmessgerätes auf Basis der Bahnvorsteuerwerte,
- Übergabe der Achsvorsteuerwerte als vorsteuerbasierte Stellgrößenanteile an Regelkreise, die jeweils einer der Achsen zugeordnet sind, zur Steuerung von Antrieben der Achsen, und
- Ermittlung verbliebener Stellgrößenanteile durch Regler der achsweisen Regelkreise.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Vorsteuerung bahnweise und nicht nur achsweise. Mit anderen Worten wird zunächst für die Ermittlung der Vorsteuerparameter das Gesamtverhalten des Systems berücksichtigt und nicht nur das Soll-Verhalten einer einzelnen Achse. Gleichwohl erfolgt die nachfolgende Regelung der Regelstrecke unter hin Zunahme der übermittelten Vorsteuerparameter dann achsweise. Es werden also zunächst Bahnvorsteuerparameter ermittelt und dann Achsvorsteuerparameter davon abgeleitet. Die Ermittlung der Bahnvorsteuerparameter erfolgt auf Basis eines kombinierten Modells des (Gesamt-)Systems, das die genutzten Verfahrachsen berücksichtigt.
Es hat sich gezeigt, dass dieser Ansatz zu einer deutlichen Erhöhung der Genauigkeit führt, da Interdependenzen zwischen einzelnen Achsen besser berücksichtigt werden als bei isolierter, separater achsweiser Betrachtung. Es kann sich ein synchrones Achsverhalten ergeben. Als Folge hiervon kann sich eine hohe Genauigkeit und Bahntreue ergeben.
Die Aufgabe des Interpolators besteht darin, im Systemtakt Soll-Positionen für die (Vorsteuerung und) Regler zu generieren. Dies kann Positionswerte und/oder Orientierungen in zumindest zwei Achsen betreffen. Durch Bewegung einer Achse kann eine bewegliche Vorrichtung in eine oder mehrere Raumrichtungen/-orientierungen bewegt werden (Kinematik).
Die Interpolation erfolgt beispielsweise unter Berücksichtigung von maximalen Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerten. Der Interpolator generiert folglich eine abzufahrende Bahn nach der Zeit für alle involvierten Achsen.
Da die Auswertung im Systemtakt erfolgt, kann der Interpolator dabei Messwerte aus der Vergangenheit einfließen lassen. Die abzufahrende Bahn muss also nicht vollständig im Voraus bekannt oder vorausberechnet sein.
Aufgabe der einzelnen Regler ist es nun, diesen Soll-Positionen möglichst gut zu folgen. Diese Aufgabe wird für jede Achse separat betrachtet, existiert also mehrfach.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird nunmehr vorgeschlagen, die Schnittstelle, also die Übergabe von Werten zwischen dem Interpolator und den Reglern bzw. dem Regelsystem nicht sogleich achsweise sondern zunächst noch bahnweise auszugestalten. Es versteht sich, dass am Ende weiterhin eine Regelung für die einzelnen Regelstrecken, also die einzelnen Achsen erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird daher vorgeschlagen, die Vorsteuerung nicht achsweise durchzuführen, sondern zunächst noch bahnweise. Dazu erfolgt der erste Schritt noch auf der interpolierten Bahn. Erst dann, wenn die Vorsteuerparameter ermittelt sind, wird die Bahngeometrie ausgewertet. Demgemäß kann sodann eine achsweise Verarbeitung und Umsetzung erfolgen.
Anders gesagt wird demgemäß das Soll-Verhalten im Wesentlichen auf der Bahn vorgegeben, worauf die Vorsteuerparameter ermittelt werden. Erst auf dieser Basis erfolgt die Übersetzung/Umsetzung zu den Achsen, umfassend eine Vorgabe des achsweisen Soll-Verhaltens. Für die einzelnen Achsen werden nach entsprechender Auswertung nach Achsen Vorsteuerparameter ermittelt.
Mit anderen Worten werden Modelle des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen des Koordinatenmessgerätes derart kombiniert, dass bereits auf Basis der durch den Interpolator bereitgestellten Bahninformation die Ermittlung der Vorsteuerparameter möglich ist.
Die verbliebenen Stellgrößenanteile werden achsweise ermittelt, wobei auf deren Basis ein „Nachregeln“ des jeweiligen Antriebs der entsprechenden Achse erfolgt. Idealerweise wird auf diese Weise der Regelaufwand deutlich minimiert. Dies kann sich in einer erhöhten Fahrgeschwindigkeit und in einer erhöhten Genauigkeit bzw. einem verbesserten Führungsverhalten niederschlagen.
Die Positionssteuerung kann einerseits dazu dienen, bestimmte Zielpunkte mit dem Messaufnehmer zu erreichen. Ferner kann die Positionssteuerung dazu dienen, bestimmte Soll-Bahnen oder Soll-Kurven abzufahren.
Die (Achs-)Vorsteuerung auf Basis der Bahnvorsteuerung nimmt einen großen Anteil des Soll-Verhaltens der einzelnen Regelstrecken vorweg und steuert auf dieser Basis das Verhalten der jeweiligen Regelstrecke.
Die Ermittlung der Bahnvorsteuerwerte erfordert ein Modell des kombinierten Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen. Demgemäß gibt es einzelne Systemmodelle der einzelnen Regelstrecken (Achsen). Jedoch gibt es für das Gesamtsystem ebenso ein Gesamtmodell. Übertragungsfunktionen beschreiben das Verhalten der einzelnen Strecken bzw. des Gesamtsystems.
Die erwartete Ausgangsgröße des Systems unter Berücksichtigung der Vorsteuerung wird als Basis für den Eingang in den Regler der einzelnen Regelkreise verwendet. Demgemäß ist es die Hauptaufgabe des Reglers, Fehler auszugleichen, die durch das der Vorsteuerung zugrunde liegende Modell bedingt sind, das naturgemäß die Realität nicht perfekt abbilden kann oder soll.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Ermittlung der Bahnvorsteuerwerte auf Basis eines Systemmodells der achsweisen Regelstrecken im Laplace-Bereich. Auf diese Weise wird die Aufgabe rechentechnisch handhabbar.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist das Verfahren ferner den Schritt der Simulation des Verhaltens der Regler der Regelkreise unter Berücksichtigung der Vorsteuerwerte zur Ermittlung einer Führungsgröße am jeweiligen Reglereingang auf. Die Eingangsgröße des Reglers ist also beispielsweise die erwartete Ausgangsgröße des Systems mit Vorsteuerung. Es ist auch denkbar, bewusst Verzerrungen/Abweichungen einzuprägen, um ein noch günstigeres Regelverhalten zu bewirken.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens entspricht die Führungsgröße am Reglereingang der Ausgangsgröße des jeweiligen Regelkreises mit Vorsteuerung.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Simulation des Reglerverhaltens bahnweise, wobei auf Basis der Simulationsdaten eine Geometrieauswertung nach Achsen durchgeführt wird, um die Führungsgröße für den jeweiligen Reglereingang zu bestimmen.
Eine solche Struktur sieht also vor, dass sowohl die Ermittlung der Vorsteuerparameter als auch die parallel ablaufende Simulation und Ermittlung der erwarteten Ausgangsgröße des Systems mit Vorsteuerung bahnweise erfolgt. In beiden Fällen erfolgt erst danach die Auswertung nach Achsen, um achsweise Vorsteuerparameter und Führungsgrößen zu ermitteln.
Dies hat den Vorteil, dass die Soll-Werte der einzelnen Regler weiterhin auf der (exakten) Soll-Geometrie bzw. Soll-Bahn liegen können. Es kann also trotz Vorsteuerung weiterhin eine exakte Positionierung erfolgen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Simulation des Reglerverhaltens achsweise. Dies kann dahingehend erweitert werden, dass die achsweise Simulation des Reglerverhaltens unter Berücksichtigung der Vorsteuerung bewusst ein abgeändertes Modell nutzt, dass der Simulation zugrunde liegt. Auf diese Weise ergibt sich eine größere Gestaltungsfreiheit für den Entwurf des Regelsystems. Ferner kann sich der Regelaufwand verringern, wenn die ermittelten bahnweise abgeleiteten Vorsteuerparameter bei der Simulation des Reglerverhaltens berücksichtigt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Simulation des Reglerverhaltens auf Basis der Vorsteuerwerte für die jeweilige Achse.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Simulation des Reglerverhaltens in einem Führungsfilter. Ein solches Führungsfilter wird dem Regelkreis vorgeschaltet, um dem Regler bei Beachtung der Vorsteuerung geeignete Führungsgrößen für anzufahrende/abzufahrende Punkte und/oder Bahnen vorzugeben.
Das Führungsfilter erlaubt auf Basis einer Simulation die Bestimmung der erwarteten Ausgangsgröße des Systems mit Vorsteuerung, welche als Eingang für den Regler genutzt wird, um sich ergebende Abweichungen auszuregeln.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Zielparameter der Regelung dahingehend ausgewählt, dass der Entstehung von Schwingungen und/oder übermäßig großen Beschleunigungen entgegengewirkt wird. Auf diese Weise kann bei Beachtung derartiger Belastungen eine Optimierung in Richtung einer möglichst schnellen Abarbeitung einer Messaufgabe unter Wahrung der benötigten Genauigkeit erfolgen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Simulation des Streckenverhaltens unter Berücksichtigung von Eigenfrequenzen des Systems. Auf diese Weise lassen sich Zustände vermeiden, in denen Schwingungen und/oder sonstige Belastungen drohen. Das Modell der jeweiligen Strecke berücksichtigt die Eigenfrequenzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein numerisch gesteuertes mehrachsiges Koordinatenmessgerät, das Folgendes aufweist:

- einen Messtisch zur Aufnahme eines Messobjekts,
- einen Messkopf mit zumindest einem Messaufnehmer,
- eine Kinematik zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Messkopf und dem Messtisch, wobei die Kinematik zumindest zwei angetriebene Achsen aufweist,
- eine Steuereinheit zur Steuerung der Relativbewegung zwischen dem Messkopf und dem Messtisch,
- wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist:
  - - aufeinanderfolgende Soll-Positionen des Messaufnehmers entlang einer Bahn mit einem Interpolator zu ermitteln,
  - - den Soll-Positionen zugehörige Bahnvorsteuerwerte auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen zu ermitteln,
  - - Achsvorsteuerwerte für jede Achse des Koordinatenmessgerätes auf Basis der Bahnvorsteuerwerte zu ermitteln,
  - - die Achsvorsteuerwerte als vorsteuerbasierte Stellgrößenanteile an Regelkreise zu übergeben, die jeweils einer der Achsen zugeordnet sind, zur Steuerung von Antrieben der Achsen, und
  - - verbliebene Stellgrößenanteile durch Regler der achsweisen Regelkreise zu ermitteln.

Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Der Vorrichtungsanspruch betreffend das Koordinatenmessgerät kann analog zu den abhängigen Verfahrensansprüchen fortgebildet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Positionssteuerung eines Sensors (Messaufnehmers) eines Koordinatenmessgerätes entlang einer vorbestimmten Bahnkurve von einem Anfangspunkt A zu einem Endpunkt E, wobei der Sensor von Antrieben entlang oder um Achsen eines Koordinatensystems bewegt wird und die einzelnen Antriebe jeweils mit einer Achsvorsteuerung und mit Reglern zur Positionsregelung entlang der oder um die dem Antrieb zugeordneten Achse verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

- Bestimmung einer nächsten Soll-Position Pn auf der Bahnkurve,
- Berechnung eines Parameters Qn aus der Soll-Position Pn in einer Bahnvorsteuerung,
- Zerlegung des Parameters Qn in korrespondierende achsweise Vorsteuerungsparameter QAn,
- Simulation des Verhaltens der einzelnen Regler der einzelnen Antriebe unter Berücksichtigung der bekannten Eigenschaften der einzelnen Antriebe zur Berechnung einer zu erwartenden Ist-Position PEn auf der Bahn und Berechnung eines Korrekturwerts Kn für die Soll-Position aus der Soll-Position Pn und der zu erwartenden Ist-Position PEn,
- Bestimmung einer korrigierten Soll-Position P'n aus der Soll-Position Pn und dem Korrekturwert Kn,
- Zerlegung des Parameters P'n in korrespondierende achsweise Soll-Positionen P'An,
- Übergabe der achsweisen Vorsteuerungsparameter QAn an die jeweiligen Achsvorsteuerungen und der achsweisen Soll-Positionen P'An an die jeweiligen Regler zur Positionssteuerung der entsprechenden Antriebe, wobei der obige Ablauf der Schritte so lange wiederholt wird, bis die Endposition E erreicht ist.

Ein solcher Algorithmus kann beispielsweise einem Programmablauf einer Steuerung des Koordinatenmessgerätes zugrunde gelegt werden.
Die der Offenbarung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Maschinensteuerungsprogramm gelöst, das Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Steuereinrichtung eines Koordinatenmessgerätes zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der hier genannten Aspekte auszuführen, wenn das Maschinensteuerungsprogramm auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Auf diese Weise kann das Koordinatenmessgerät gemäß dem Verfahren betrieben werden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Koordinatenmessgerätes;
2 eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform einer Regelstruktur zur Positionssteuerung für ein Koordinatenmessgerät;
3 eine schematische Blockdarstellung einer um eine Vorsteuerung erweiterten Regelstruktur zur Positionssteuerung;
4 eine schematische Blockdarstellung einer Regelstruktur zur Positionssteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
5 eine schematische Blockdarstellung einer Regelstruktur zur Positionssteuerung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
6 eine schematische Blockdarstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Positionssteuerung eines Messaufnehmers eines Koordinatenmessgerätes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Koordinatenmessgerätes, welches insgesamt mit 10 bezeichnet ist.
Das Koordinatenmessgerät 10 weist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Basis 12 auf, auf der ein Portal 14 in einer Längsrichtung verschieblich angeordnet ist. Bei der Basis 12 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Die Basis 12 kann auch als Messtisch bezeichnet werden. Das Portal 14 dient als bewegliche Trägerstruktur für einen Messkopf 26. Das Portal 14 weist zwei Säulen und einen Querträger auf, der quer dazu auf den Säulen angeordnet ist.
Die Bewegungsrichtung des Portals 14 relativ zu der Basis 12 wird beispielhaft als Y-Richtung bezeichnet. Am oberen Querträger des Portals 14 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in einer Querrichtung verschieblich ist. Diese Querrichtung wird beispielhaft als X-Richtung bezeichnet. Der Schlitten 16 trägt eine Pinole 18, die in Z-Richtung, also senkrecht zu der Basis 12, verfahren werden kann. Das Portal 14, der Schlitten 16 und die Pinole 18 bilden eine Kinematik zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen einem Messaufnehmer und einem Messobjekt.
Mit den Bezugsziffern 20, 22, 24 sind Messeinrichtungen bzw. Maßverkörperungen bezeichnet, anhand derer die Positionen des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 bestimmt werden können. Beispielhaft handelt es sich bei den Messeinrichtungen 20, 22, 24 um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 14 relativ zu der Basis 12, die Position des Schlittens 16 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 14, sowie die Position der Pinole 18 relativ zu dem Schlitten 16 zu bestimmen. Es versteht sich, dass auch andere Achsgestaltungen und Messprinzipien bei Koordinatenmessgeräten 10 nutzbar sind. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ist daher nicht einschränkend zu verstehen.
Der Messkopf 26, welcher beispielhaft als Tastkopf ausgeführt sein kann, ist an dem unteren, freien Ende der Pinole 18 angeordnet. An dem Messkopf 26 lässt sich ein Sensor bzw. Messwerkzeug 30 lösbar ankoppeln. Der Sensor 30 kann auch als Aufnehmer bzw. Messaufnehmer bezeichnet werden.
Zwischen dem Messaufnehmer 30 und dem Messkopf 26 kann ein Dreh-Schwenk-Mechanismus (hier nicht dargestellt) angeordnet sein, mit Hilfe dessen sich die räumliche Orientierung des Messaufnehmers 30 gegenüber dem Messkopf 26 ändern lässt. Ein solcher Dreh-Schwenk-Mechanismus weist beispielsweise ein oder mehrere Gelenke auf, mit Hilfe derer der Messaufnehmer 30 um eine, zwei oder mehr Achsen gedreht und/oder geschwenkt werden kann. Mit anderen Worten kann es neben translatorischen Achsen auch rotatorische Achsen geben.
Mit Hilfe der Messeinrichtungen 20, 22, 24 lässt sich die Position des Messkopfes 26 innerhalb des Messvolumens beim Antasten eines Messpunktes bestimmen. Die aktuelle Dreh- und Schwenkposition des Messaufnehmers 30 und damit die Position der Tastkugel 29 relativ zu dem Messkopf 26 lässt sich über eine geeignete Sensorik bestimmen, die in dem Messkopf 26 angeordnet ist. Die genannten Positions- und Lageinformationen werden in einer Steuereinheit 32 zusammengeführt, die dann die aktuellen Raumkoordinaten des jeweiligen Messpunktes an dem zu vermessenden Werkstück/Messobjekt 28 bestimmt.
Die Auswerte- und Steuereinheit 32 dient einerseits dazu, die Messwerte aus den Messeinrichtungen 20, 22, 24 und dem Messkopf 26 einzulesen und in Abhängigkeit dessen die Raumkoordinaten eines Messpunktes zu bestimmen. Andererseits dient die Auswerte- und Steuereinheit 32 dazu, die motorischen Antriebe für die Bewegung des Messkopfes 26 und dem daran eventuell angeordneten Dreh-Schwenk-Mechanismus samt Messaufnehmer 30 entlang der bzw. um die drei Koordinatenachsen X, Y und Z anzusteuern.
Mit der Bezugsziffer 34 ist ein Bedienpult bezeichnet, das optional vorgesehen sein kann, um den Messkopf 26 mit dem daran angeordneten Messaufnehmer 30 manuell zu verfahren. Es sei darauf hingewiesen, dass in 1 lediglich beispielhaft ein Koordinatenmessgerät 10 in Portalbauweise erläutert ist. Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung aber auch bei Koordinatenmessgeräten in Ausleger-, Brücken- oder Ständerbauweise zum Einsatz kommen. Je nach Bauart des Koordinatenmessgerätes 10 lässt sich die Relativbewegung von Basis 12 und Messaufnehmer 30 entlang einer, zweier oder aller drei Raumrichtungen auch durch eine Verfahrbarkeit der Basis bzw. Werkstückaufnahme 12 realisieren. Dies kann Translationsbewegungen und/oder Rotationsbewegungen umfassen.
Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit der Regelung der Antriebe eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes 26 eines Koordinatenmessgerätes 10.
Es versteht sich, dass Grundprinzipien der vorliegenden Offenbarung auch bei Messgeräten nutzbar sind, deren Bewegung nicht durch ein kartesisches Koordinatensystem (X, Y, Z) und entsprechende Bewegungsachsen beschrieben wird. Beispielsweise kann es sich um Messroboter mit einer offenen oder geschlossenen Kinematik handeln, die eine Mehrzahl von relativ zueinander verschwenkbaren Gliedern aufweisen. Auch bei solchen Messgeräten/Messmaschinen kann eine bahngestütze Positionssteuerung im dreidimensionalen Raum gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung erfolgen. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „mehrachsig“ insbesondere auf die Anzahl der Bewegungsfreiheitsgrade und nicht unbedingt auf Bewegungsachsen in einem kartesischen Koordinatensystem.
Eine solche Regelung basiert beispielsweise auf der in 2 beschriebenen Grundstruktur zur Positionsregelung/Lageregelung. Ein mit 40 bezeichneten Interpolator werden beispielsweise Geometriedaten zugeführt, die sich aus einer Messaufgabe ergeben. Von jenen Daten leitet der Interpolator 40 achsweise Soll-Positionen für die Regler der einzelnen Achsen X, Y, Z ab. Dies erfolgt im Systemtakt.
In 2 ist lediglich ein Regelkreis für eine Achse dargestellt. Der Regelkreis umfasst einen Regler 42 sowie eine Regelstrecke 44. Eine vom Interpolator 40 ausgegebene Soll-Position dient als Eingang in den Regler 42. Entsprechend wird die Regelstrecke 44 beaufschlagt, an deren Ausgang sich eine Ist-Position ergibt. Die Ist-Position kann mittelbar oder unmittelbar gemessen werden. Ein mit 46 bezeichneter Pfeil führt Informationen betreffend die Ist-Position zurück zum Reglereingang. Abweichungen zwischen der Soll-Position und der Ist-Position werden vom Regler 42 ausgeregelt, sofern die System- und Regelparameter passend gewählt sind.
Basierend auf der in 2 gezeigten Grundstruktur kann beispielsweise eine Ergänzung durch Hinzufügung einer Vorsteuerung erfolgen. Dies wird anhand der in 3 gezeigten Struktur veranschaulicht.
Der Interpolator ist in 3 mit 50 bezeichnet. Die vom Interpolator 50 abgeleitete Soll-Position für die betrachtete Achse wird einerseits an einen mit 52 bezeichneten Block übermittelt, der der Ermittlung von Vorsteuerparametern auf Basis eines Modells der Regelstrecke dient. Vom Block 52 bereitgestellte Vorsteuerparameter (etwa Geschwindigkeitsvorgaben oder Beschleunigungsvorgaben) werden als Vorsteuersignale der mit 58 bezeichneten Regelstrecke zugeführt. Der Regelstrecke 58 ist im Regelkreis ein Regler 56 vorgeschaltet. Der Interpolator 50 ist über ein Vorfilter 54 mit dem Regler 56 gekoppelt. Das Vorfilter 54 dient zur Ermittlung/Simulation des auf Basis der Vorsteuerung erwarteten Verhaltens der Regelstrecke 58. Ein Ausgangssignal des Vorfilters 54 geht als Eingang in den Regler 56 ein.
Am Ausgang der Regelstrecke 58 erfolgt eine Positionserfassung. Die erfasste Ist-Position wird gemäß einem mit 60 bezeichneten Pfeil an den Reglereingang zurückgeführt. Wenn die Ist-Position tatsächlich mit der erwarteten Position übereinstimmt, die im Block 54 ermittelt wurde, müsste der Regler 56 theoretisch nicht nachregeln. In der Praxis ergeben sich jedoch oft Differenzen zwischen dem Ist-Verhalten und dem erwarteten Verhalten der Regelstrecke 58, so dass der Regler 56 diese verbliebene Differenz ausregelt.
Für die in den 2 und 3 gezeigten Strukturen gilt, dass der Interpolator jeweils für die Bereitstellung achsweiser Positionsvorgaben (Soll-Positionen) zuständig ist. Demgemäß sind für ein mehrachsiges System beim Interpolator mehrere entsprechende Ausgänge (etwa X, Y und Z-Ausgänge) und eine Mehrzahl entsprechender Regelkreise vorgesehen.
Mit anderen Worten kann der Interpolator beispielsweise entsprechende Werte für die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse bereitstellen. Es hat sich gezeigt, dass die in 2 und 3 gezeigten Strukturen nachteilig sind, wenn es um die Betrachtung der Achssynchronität geht. Mit anderen Worten gibt es regelmäßig Interdependenzen zwischen den verschiedenen Achsen, wenn eine (mehrachsige) Bahn (im mehrdimensionalen Raum) abzufahren ist, die sich nachteilig auf die Genauigkeit und/oder das Schwingungsverhalten auswirken können.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Offenbarung beruht darauf, die Vorsteuerung nicht erst auf Basis der vom Interpolator bereitgestellten Soll-Positionen für die einzelnen Achsen durchzuführen, sondern hierfür zunächst noch die Bahninformation zu nutzen, also Raumpositionen, die nur durch das Zusammenspiel mehrerer Achsen erreichbar sind.
Dies ist einerseits mit einem höheren Aufwand verbunden, da entsprechende Modelle für das kombinierte System umfassend die diversen Achsen aufgestellt und angewandt werden müssen. Jedoch zeigt sich, dass auf diese Weise die Genauigkeit und/oder die Geschwindigkeit der Positionierung bzw. der Bahnsteuerung erhöht werden kann.
Zur Veranschaulichung wird nachfolgend eine beispielhafte Herleitung des im Rahmen dieser Offenbarung vorgeschlagenen Vorgehens dargelegt.
Als Voraussetzung für die Durchführung des Offenbarung gemessen Verfahrens wird in beispielhaften Ausführungsformen ein Systemmodell der Regelstrecken im Laplace-Bereich verwendet. $G (s) = \frac{Z a e h l e r P o l y n o m (s)}{N e n n e r P o l y n o m (s)}$
Wesentlich ist, dass das Systemmodell nicht nur für einzelne Regelstrecken isoliert aufgestellt wird, sondern für die Gesamtheit der genutzten Achsen. Ein Beispiel einer entsprechenden Übertragungsfunktion lautet: $G (s) = \frac{1}{1 + 2 d_{s} T_{s} + T_{s}^{2} s^{2}}$
Die vorliegende Offenbarung beruht auf der Implementation einer Vorsteuerung und einer Vorfilterung. Das über eine Vorsteuerung aufgeprägte Verhalten für eine Strecke G(s) kann etwa wie folgt veranschaulicht werden: $G_{w} (s) = \frac{A c h s v e r h a l t e n}{S o l l v e r h a l t e n} = \frac{1 + 2 d_{s} T_{s} + T_{s}^{2} s^{2} 1}{1 + 2 d_{w} T_{w} + T_{w}^{2} s^{2}}$
Als Erweiterung ergibt sich: $G_{w} (s) \cdot \hat{G} (s) = \frac{1 + 2 d_{s} T_{s} + T_{s}^{2} s^{2}}{1 + 2 d_{w} T_{w} + T_{w}^{2} s^{2}} \cdot \frac{1}{1 + 2 d_{s} T_{s} + T_{s}^{2} s^{2}} = \frac{1}{1 + 2 d_{w} T_{w} + T_{w}^{2} s^{2}}$
Das Zeichen ^ bei G(s) deutet an, dass hier ein Systemmodell der Strecke und nicht die Regelstrecke selbst betrachtet wird.
Ein solches System bedarf weiterhin einer Regelung. Zur Ermittlung der Führungsgröße wird ein Vorfilter verwendet. Der Regler soll nicht mehr auf die ursprüngliche Soll-Größe einregeln, sondern Fehler ausgleichen, die nach der Vorsteuerung verbleiben. Damit werden bewusste oder unbewusste Modellfehler berücksichtigt. Anderen Worten entspricht die Eingangsgröße (Führungsgröße) des Reglers der erwarteten Ausgangsgröße des Systems (der Regelstrecke) mit Vorsteuerung.
Wesentlich für das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung ist nunmehr, die Vorsteuerungsparameter zunächst nicht achsweise sondern bahnweise zu ermitteln.
Zur Herleitung wird die obige Gleichung um einen Zwischenterm erweitert: $\begin{matrix} G_{w} (s) = \frac{A c h s v e r h a l t e n}{S o l l v e r h a l t e n} \cdot 1 = \frac{A c h s v e r h a l t e n}{S o l l v e r h a l t e n} \cdot \frac{Z w i s c h e n t e r m}{Z w i s c h e n t e r m} \\ = \frac{Z w i s c h e n t e r m}{S o l l v e r h a l t e n} \cdot \frac{A c h s v e r h a l t e n}{Z w i s c h e n t e r m} . \end{matrix}$
Der Begriff Zwischenterm ist als Hilfskonstrukt zu verstehen, um die Kausalität der Berechnungen zu gewährleisten. Für den Zwischenterm gilt, dass dieser die gleiche polynominelle Ordnung wie das Soll-Verhalten aufweisen soll.
Ferner ist zu berücksichtigen, dass die Vorsteuerung zunächst bahnweise und nicht achsweise erfolgen soll: $G_{w, B a h n} (s) = \frac{Z w i s c h e n t e r m}{S o l l v e r h a l t e n}$
Nach diesem Schritt erfolgt eine Auswertung nach den einzelnen Achsen, worauf sich ergibt: $G_{w, B a h n} (s) \cdot G_{w, A x} (s) \cdot \hat{G} (s) = \frac{Z w i s c h e n t e r m}{S o l l v e r h a l t e n} \cdot \frac{A c h s v e r h a l t e n}{Z w i s c h e n t e r m} \cdot \frac{1}{A c h s v e r h a l t e n} = \frac{1}{S o l l v e r h a l t e n}$
Der Vollständigkeit halber ist anzumerken, dass das erste Multiplikationszeichen in Gleichung 7 mathematisch nicht vollkommen korrekt ist. Die zugehörigen Faktoren betreffen nämlich einmal die Bahn und einmal die Achsen. Dies ist für den Fachmann ersichtlich. Die obige Gleichung dient in erster Linie zur Veranschaulichung.
Das Soll-Verhalten beziehungsweise das erwartete Soll-Verhalten wird also zunächst bahnweise ermittelt und vorgegeben, wobei danach für die Umsetzung eine achsweise Übersetzung erfolgt.
Zur weiteren Veranschaulichung des neuen Ansatzes sind in 2 und 3 Blöcke, die Bahninformationen betreffen bzw. verarbeiten, mit durchgezogenen Linien dargestellt. Hingegen sind Blöcke, die Achsinformationen betreffend, durch gestrichelte Linien dargestellt.
Auf Basis der Struktur gemäß 3 zeigen 4 und 5 eine modifizierte Struktur, bei der die Ermittlung der Vorsteuerparameter noch auf Basis der Bahninformation erfolgt bzw. eingeleitet wird. Auch hier gilt, dass Blöcke, die Bahninformationen betreffen bzw. verarbeiten, mit durchgezogenen Linien dargestellt sind. Dagegen sind Blöcke, die Achsinformationen betreffend, durch gestrichelte Linien dargestellt.
4 veranschaulicht eine Struktur eines Regelsystems, wobei mit 70, 72, 74, 76 und 78 bezeichnende Blöcke Bahninformationen betreffen bzw. verarbeiten. Hingegen beziehen sich die Blöcke 80, 82 und 84 auf konkrete Achsen des Koordinatenmessgerätes.
Mit 70 ist ein Interpolator bezeichnet, der Bahndaten generiert, auf deren Basis Führungsgrößen ermittelt werden, die in den Regelkreis eingehen. Bei den Bahndaten handelt es sich beispielsweise um eine Reihe aufeinanderfolgender Soll-Positionen entlang einer abzufahrenden Bahn. Der Interpolator 70 stellt jedoch nicht bereits schon spezifische achsweise Führungsgröße (X, Y, Z) bereit, sondern Bahndaten, die üblicherweise mehrere Achsen betreffen.
Ein mit 72 bezeichneter Block betrifft die Vorsteuerung, also die Ermittlung von Vorsteuerwerten unter Berücksichtigung eines Modells des Soll-Verhaltens des Koordinatenmessgerätes (bzw. der genutzten Regelstrecken für die Mehrzahl von Achsen). Dies erfolgt gemäß der Nomenklatur in 4 noch mit Bezug auf die Bahn. Das heißt mit anderen Worten, das Modell des Soll-Verhaltens des Koordinatengerätes berücksichtigt bereits das Verhalten der verschiedenen Achsen des Koordinatenmessgerätes. Auf diese Weise können Interdependenzen (wechselseitige Abhängigkeiten) zwischen den einzelnen Achsen bereits bei der Erzeugung der Vorsteuerparameter berücksichtigt werden, auch wenn dies das Modell bzw. dessen Ermittlung etwas komplexer macht.
An den Block 72 schließt sich ein Block 74 an, der nunmehr die achsweise Geometrieauswertung auf Basis der im Block 72 ermittelten Vorsteuerwerte umfasst. Am Ausgang des Blocks 74 stehen folglich separate Vorsteuerwerte für die einzelnen Achsen (X, Y, Z, etc.) des Koordinatenmessgerätes bereit. Mit anderen Worten weist der Block 74 mehrere Ausgänge auf, die jeweils einer angetriebenen und gesteuerten Achse zugeordnet sein können.
Auf dieser Basis erfolgt sodann in einem Block 80, der gemäß der Nomenklatur der Darstellung in 4 eine isolierte Achse betrifft, eine Vorsteuerung für die betroffene Achse, so dass der Regelstrecke mit dem Bezugszeichen 84 entsprechende Vorsteuersignale (Geschwindigkeit, Beschleunigung, etc.) zugeführt werden können.
Der Block 76, der sich auch noch auf die Bahndaten bezieht, umfasst analog zum Block 54 eine Ermittlung/Simulation des auf Basis der Vorsteuerung erwarteten Verhaltens der genutzten Regelstrecken 84. Dies berücksichtigt bei mehrachsigen Koordinatenmessgeräten mehrere Regelstrecken, die mehreren Achsen zugeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Wechselwirkungen berücksichtigen, um die Synchronität der Achsen zu erhöhen.
Somit kann auch die Simulation im Block 76 analog zum Block 72 Interdependenzen zwischen den einzelnen Achsen bereits berücksichtigen. Hiernach erfolgt im Block 78 analog zum Block 74 eine Geometrieauswertung nach den Achsen. Demgemäß hat auch der Block 78 mehrere Ausgänge, die jeweils einer Achse zugeordnet sind. Die auf diese Weise ermittelte Führungsgröße, die dem Regler 82 zugeführt wird, kennzeichnet das erwartete Verhalten der Regelstrecke mit Vorsteuerung. Im Sinne der vorstehend beschriebenen Nomenklatur können die Blöcke 76, 78 insgesamt als Führungsfilter oder Vorfilter bezeichnet werden.
Das Ist-Verhalten der Regelstrecke 84 wird über Sensoren ermittelt und gemäß einem mit 86 bezeichneten Pfeil an den Reglereingang zurückgeführt. Demgemäß muss der Regler 82 nur eine Differenz zwischen dem Ist-Verhalten und dem erwarteten Verhalten der Regelstrecke 84 ausregeln.
Die in 4 gezeigte Struktur hat den Vorteil, dass Soll-Werte (die Führungsgröße), die dem Regler 82 zugeführt werden, tatsächlich der Soll-Geometrie entsprechen, so dass sich ein hochgenaues Verhalten ergeben kann.
5 veranschaulicht eine etwas abgewandelte Struktur, die sich insbesondere hinsichtlich der Ermittlung/Simulation des erwarteten Reglerverhaltens von der in 4 veranschaulicht Struktur unterscheidet.
In 5 betreffen mit 90, 92 und 94 bezeichnende Blöcke Bahninformationen beziehungsweise das Verhalten entlang der Bahn in einem mehrdimensionalen Raum. Mit 96, 98, 100 und 102 bezeichnende Blöcke beziehen sich hingegen auf konkrete Achsen des Koordinatenmessgerätes.
Die Blöcke 90, 92, 94 sind analog zu den Blöcken 70,72, 74 gemäß der in 4 veranschaulichten Struktur gestaltet.
Demgemäß handelt es sich bei dem Block 90 um einen Interpolator. Der Block 92 betrifft die Ermittlung von (Bahn-) Vorsteuerwerten entlang der oder mit Bezug auf die Bahn. Der Block 94 betrifft die achsweise Geometrieauswertung auf Basis der im Block 92 ermittelten Vorsteuerwerte. Am Ausgang des Blocks 94 stehen folglich separate Vorsteuerwerte für die einzelnen Achsen des Koordinatenmessgerätes bereit.
Auf dieser Basis erfolgt stromabwärts in einem Block 96 eine Vorsteuerung für die betroffene Achse, so dass der Regelstrecke mit dem Bezugszeichen 102 entsprechende (Achs-) Vorsteuersignale zugeführt werden können.
Die Simulation bzw. Ermittlung des auf Basis der Vorsteuerung erwarteten Verhaltens der einzelnen Regelstrecken 102 erfolgt in einem Block 98, der jedoch nicht das mehrachsige Gesamtsystem sondern die aktuelle Achse berücksichtigt. Zu diesem Zweck nutzt der Block 98 Signale, die vom Block 96 bereitgestellt werden. Der Block 98 simuliert also das erwartete Verhalten der Regelstrecke 102 auf Basis der achsbezogenen Vorsteuersignale, die der Block 96 bereitstellt. Der Simulationsblock 98 kann auch als Führungsfilter bezeichnet werden.
Der Block 98 stellt eine Führungsgröße, beispielsweise für die erwartete Soll-Lage auf der Achse, bereit, die dem Regler 100 zugeführt wird. Offenbarungsgemäß wird jedoch unter Verwendung der Vorsteuerung 96 angestrebt, dass der Regler 100 nur geringe Differenzen ausregeln muss. Stattdessen erfolgt eine Vorsteuerung der Regelstrecke 102. Der Vorsteuerungsblock 96 liefert die hierzu notwendigen (Achs-) Vorsteuersignale direkt an den Eingang der Strecke 102.
Ein Ist-Verhalten, etwa eine Ist-Position entlang der betrachteten Achse, wird am Ausgang der Regelstrecke ermittelt und über einen mit 104 bezeichneten Pfeil dem Eingang des Reglers 100 zugeführt. Der Regler 100 hat nunmehr die Aufgabe, eine Differenz zwischen dem Ist-Verhalten und dem erwarteten Soll-Verhalten der Regelstrecke 102 mit Vorsteuerung auszuregeln.
Mit Bezugnahme auf 6 wird anhand eines Blockdiagramms ein Verfahren zur Positionssteuerung eines Sensors eines mehrachsigen Koordinatenmessgerätes entlang einer durch eine Messaufgabe bestimmten Bahnkurve gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der die Bestimmung einer nächsten Soll-Position Pn entlang der Bahnkurve umfasst. Hierfür kann ein Interpolator genutzt werden. In einem nächsten Schritt S12 erfolgt auf Basis der Soll-Position Pn die Berechnung bzw. Herleitung eines Parameters Qn für eine Bahnvorsteuerung. Ein weiterer Schritt S14 umfasst eine Zerlegung des im Schritt S12 bestimmten Parameters Qn in Vorsteuerungsparameter QAn, die einzelnen Achsen zugeordnet sind. Ein weiterer Schritt S16 umfasst die Übergabe der Vorsteuerungsparameter QAn an einzelne Regelstrecken der Achsen.
Die Umsetzung auf der Regelstrecke wird als Schritt S30 bezeichnet. Ein weiterer Schritt S32 betrifft die Ermittlung/Erfassung einer sich tatsächlich ergebenden Ist-Position Pln am Ende der Regelstrecke.
Die so ermittelte Ist-Position Pln wird einem Block S34 zugeführt, der einen Regelschritt in einem Regler beschreibt. Der Regelschritt S34 berücksichtigt neben der Ist-Position Pln auch eine erwartete Ist-Position PEn, die auf Basis des Schritts S10 in den Schritten S18 bis S24 ermittelt und verarbeitet wird.
Ein mit S18 bezeichneter Schritt nutzt Modelle des Verhaltens der einzelnen Achsen des Koordinatenmessgerätes, um auf Basis der im Schritt S10 ermittelten Soll-Position Pn die erwartete Ist-Position PEn sowie ein Korrekturwert Kn für etwaige Abweichungen der Soll-Position Pn von der zu erwarteten Ist-Position PEn. Eine solche Abweichung kann etwa dann gegeben sein, wenn die Vorsteuerung nicht genau darauf abzielt, die Soll-Position Pn tatsächlich ohne weitere Regelanteile genau zu erreichen.
Es schließt sich ein Schritt S20 an, der die Bestimmung einer korrigierten Soll-Position P'n auf Basis der Soll-Position Pn und des Korrekturwertes Kn umfasst. In einem weiteren Schritt S22 erfolgt eine Umsetzung der korrigierten „erwarteten“ Soll-Position, P'n auf die einzelnen Achsen. In einem weiteren Schritt S24 erfolgt die Übergabe der achsweise korrigierten „erwarteten“ Soll-Position an die Regler der einzelnen Achsen.
Es versteht sich, dass Bezugsziffern sowie Bezugszeichen in Form von Achsbezeichnungen in den Ansprüchen nicht einschränkend zu verstehen sind. Insbesondere sind die Bezeichnungen X, Y und Z nicht als zwingende Festlegung auf ein kartesisches Koordinatensystem zu verstehen.

Claims

Verfahren zur bahngestützen Positionssteuerung eines mehrachsig verfahrbaren Messkopfes (26) eines Koordinatenmessgerätes (10), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: - Ermittlung aufeinanderfolgender Soll-Positionen entlang einer Bahn mit einem Interpolator (70, 90), - Ermittlung von den Soll-Positionen zugehörigen Bahnvorsteuerwerten auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen (X, Y, Z), - Ermittlung von Achsvorsteuerwerten für jede Achse (X, Y, Z) des Koordinatenmessgerätes (10) auf Basis der Bahnvorsteuerwerte, - Übergabe der Achsvorsteuerwerte als vorsteuerbasierte Stellgrößenanteile an Regelkreise, die jeweils einer der Achsen (X, Y, Z) zugeordnet sind, zur Steuerung von Antrieben der Achsen (X, Y, Z), und - Ermittlung verbliebener Stellgrößenanteile durch Regler (82, 100) der achsweisen Regelkreise.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung der Bahnvorsteuerwerte auf Basis eines Systemmodells der achsweisen Regelstrecke im Laplace-Bereich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend den Schritt der Simulation des Verhaltens der Regler (82, 100) der Regelkreise unter Berücksichtigung der Vorsteuerwerte zur Ermittlung einer Führungsgröße am jeweiligen Reglereingang.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Führungsgröße am Reglereingang der Ausgangsgröße des jeweiligen Regelkreises mit Vorsteuerung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Simulation des Reglerverhaltens bahnweise erfolgt, und wobei auf Basis der Simulationsdaten eine Geometrieauswertung nach Achsen (X, Y, Z) durchgeführt wird, um die Führungsgröße für den jeweiligen Reglereingang zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Simulation des Reglerverhaltens achsweise erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Simulation des Reglerverhaltens auf Basis der Vorsteuerwerte für die jeweilige Achse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Simulation des Reglerverhaltens in einem Führungsfilter erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei ein Zielparameter der Regelung dahingehend ausgewählt ist, dass der Entstehung von Schwingungen und/oder übermäßig großen Beschleunigungen entgegengewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Simulation des Streckenverhaltens unter Berücksichtigung von Eigenfrequenzen des Systems erfolgt.
Numerisch gesteuertes mehrachsiges Koordinatenmessgerät (10), das Folgendes aufweist: - einen Messtisch (12) zur Aufnahme eines Messobjekts (28), - einen Messkopf (26) mit zumindest einem Messaufnehmer (30), - eine Kinematik (14, 16, 18) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Messkopf (26) und dem Messtisch (12), wobei die Kinematik (14, 16, 18) zumindest zwei angetriebene Achsen (X, Y, Z) aufweist, - eine Steuereinheit (32) zur Steuerung der Relativbewegung zwischen dem Messkopf (26) und dem Messtisch (12), wobei die Steuereinheit (32) dazu ausgebildet ist: - aufeinanderfolgende Soll-Positionen des Messaufnehmers (30) entlang einer Bahn mit einem Interpolator (70, 90) zu ermitteln, - den Soll-Positionen zugehörige Bahnvorsteuerwerte auf Basis eines Modells des Soll-Verhaltens der einzelnen Achsen (X, Y, Z) zu ermitteln, - Achsvorsteuerwerte für jede Achse (X, Y, Z) des Koordinatenmessgerätes auf Basis der Bahnvorsteuerwerte zu ermitteln, - die Achsvorsteuerwerte als vorsteuerbasierte Stellgrößenanteile an Regelkreise zu übergeben, die jeweils einer der Achsen (X, Y, Z) zugeordnet sind, zur Steuerung von Antrieben der Achsen (X, Y, Z), und - verbliebene Stellgrößenanteile durch Regler (82, 100) der achsweisen Regelkreise zu ermitteln.
Maschinensteuerungsprogramm, das Programmcode aufweist, der dazu ausgebildet ist, eine Steuereinrichtung (32) eines Koordinatenmessgerätes (10) zu veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn das Maschinensteuerungsprogramm auf der Steuereinrichtung (32) ausgeführt wird.