DE102021106878A1

DE102021106878A1 - Verfahren zur direkten raumlage-rückkopplungssteuerung und direkte raumlage-rückkopplungsgesteuerte maschine

Info

Publication number: DE102021106878A1
Application number: DE102021106878.9A
Authority: DE
Inventors: Wei-Tai LEI
Original assignee: Lei & So Co Ltd
Current assignee: Lei & So Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2041-03-20
Also published as: TW202135975A; TWI728757B; US20210291310A1; CN113427481A; DE102021106878B4; US11498179B2

Abstract

Ein DPF-Steuerungsverfahren (Direct Pose Feedback) ist vorgesehen, welches auf eine DPF-gesteuerte Maschine angewendet wird. Das DPF-Steuerungsverfahren umfasst zusätzlich zu einer Position-Rückkopplungssteuerung eine Raumlage-Kompensationssteuerung. Die Raumlage-Kompensationssteuerung umfasst einen Einleitungsschritt, einen Referenzsystemschritt, einen Schritt zur Berechnung der Ist-Raumlage und einen Position-Kompensationsschritt. Die Summe aus dem primären Antriebswert und dem Kompensations-Antriebswert wird an den Antrieb jedes der Motoren ausgegeben. Der Vorteil des DPF-Steuerungsverfahrens besteht darin, dass der bestehende Echtzeit-Positionssteuerungskreis in der Steuerung unverändert bleiben kann, während die Raumlage-Kompensationssteuerung hinzugefügt wird, um den aus geometrischen Fehlern in der Maschine resultierenden Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu eliminieren. Die DPF-gesteuerte Maschine verwendet einen Raumlage-Messmechanismus, um die tatsächliche Raumlage des Werkzeugs zu messen und den Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu kompensieren. Daher ist die DPF-gesteuerte Maschine frei von geometrischen Fehlern.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rückkopplungssteuerung und auf eine rückkopplungsgesteuerte Maschine. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur direkten Raumlage-Rückkopplungssteuerung (DPF - direct pose feedback) und auf eine durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Positionierung einer CNC-Werkzeugmaschine oder eines Industrieroboters ist mit geometrischen Fehlern verbunden, welche im Allgemeinen durch sechs Fehlerpositionen dargestellt werden können. Zum Beispiel ist die Positionierung der X-Achse einer CNC-Werkzeugmaschine durch einen linearen Positionierungsfehler in der X-Achse, zwei Geradheitsfehler in der Y- und Z-Achse und drei Rotationsfehler (Gier-, Nick- und Rollfehler), welche sich jeweils um die X-, Y- und Z-Achse drehen, gekennzeichnet. Zusätzlich gibt es Rechtwinkligkeitsfehler zwischen den Achsen der CNC-Werkzeugmaschine. In ähnlicher Weise sind die kinematischen Denavit-Hartenberg-Parameter eines Robotermanipulators mit geometrischen Fehlern behaftet. Für die Maschinenbauer ist es bedeutend Möglichkeiten zu finden um Positionierfehler effektiv zu reduzieren.
Zusätzlich zu den geometrischen Fehlern weist eine Maschine im Betrieb thermische Fehler auf, welche durch die Änderung der Umgebungstemperatur und Wärmequellen in der Maschine verursacht werden. Zu diesen Wärmequellen gehört die Reibung zwischen den beweglichen Teilen, z. B. dem Hauptspindellager, den Kugeln im Kugelgewindetrieb oder der Linearführung. Auch die Energieumwandlung in den Servomotoren erzeugt Wärme. Um die Genauigkeit der Maschine zu verbessern, müssen die thermischen Fehler der Maschine beseitigt oder reduziert werden. Zum Beispiel werden Temperatursensoren in die Maschine eingebaut, um die Temperaturen einiger Komponenten zu messen, so dass die thermischen Fehler der Maschine vorhergesagt und kompensiert werden können.
Die geometrischen und thermischen Fehler der Maschine führen zu einem Positionsfehler zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Der Raumlage-Fehler umfasst Positionsfehler und Orientierungsfehler. Eine fortschrittliche CNC-Steuerung kann die oben genannten geometrischen Fehler durch Eingabe von positionsabhängigen geometrischen Fehlern (PDGE) und positionsunabhängigen geometrischen Fehlern (PIGE) kompensieren. Das Laserinterferometer kann zur Messung der 18 PDGEs und 3 PIGEs einer dreiachsigen Werkzeugmaschine verwendet werden. Die Kompensation der Geometriefehler ist jedoch nicht immer zufriedenstellend, da die 21 Geometriefehler durch den thermischen Zustand der Werkzeugmaschine beeinflusst werden.
In U.S. Pat. Nr. 5,681,981 A , U.S. Pat. Nr. 6,226,884 B und U.S. Pat. Nr. 6,662,461 B2 sind eine Messvorrichtung und ein Messverfahren basierend auf einem Stewart-Plattform-Mechanismus offenbart. Eine erste Plattform und eine zweite Plattform sind durch sechs Teleskopkugelstangen verbunden, um einen Parallelmechanismus zu bilden, wobei durch Messen der Länge jeder der Teleskopkugelstangen die Koordinate der ersten Plattform relativ zu der der zweiten Plattform in einem Messcomputer berechnet werden kann. In U.S. Pat. Nr. 7,810,248 B2 ist eine Koordinatenmesseinrichtung offenbart, wobei die zwischen zwei Plattformen verbundenen Teleskopkugelstangen so angeordnet sind, dass ein Arbeitsraum zum Be- und Entladen des Werkstücks vorteilhaft sein kann. In U.S. Pat. Nr. 10,775,147 B2 ist ein Hexapod-Koordinatenmessgerät offenbart, wobei die zwischen den beiden Plattformen verbundenen Teleskop-Kugelstangen jeweils luftgelagert ausgeführt sind.
Die kinematischen Parameter der Stewart-Plattform (SP) sind mit geometrischen und thermischen Fehlern behaftet. Um das SP-basierte Messgerät für Echtzeitanwendungen zu nutzen, müssen Methoden bereitgestellt werden, welche diese Fehler eliminieren. Im Taiwan-Patent Nr. I585363 B und U.S. Pat. Nr. 10,209,048 B2 , hat der Anmelder Methoden vorgeschlagen um die geometrischen und thermischen Fehler von Kugelstäben in einem Messsystem zu kompensieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung mit direkter Raumlage-Rückkopplung (DPF) bereitgestellt, welches auf eine durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine angewendet wird. Die Maschine mit direkter Raumlage-Rückkopplung umfasst einen Maschinenkörper, eine Steuerung, eine Vielzahl von Motoren, einen Raumlage-Messmechanismus und ein Werkzeug. Der Raumlage-Messmechanismus ist zwischen einer Werkstückseite und einer Werkzeugseite des Maschinenkörpers angeordnet und umfasst eine Werkzeugplattform, welche an der Werkzeugseite angeordnet ist, eine Basisplattform, welche an der Werkstückseite angeordnet ist, mindestens sechs Arbeits-Doppelkugelschienen, welche mit der Werkzeugplattform und der Basisplattform verbunden sind, eine Referenzplatte und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene, welche auf der Referenzplatte angeordnet ist. Das Verfahren zur direkten Raumlage-Rückkopplungssteuerung umfasst zusätzlich zu einer Raumlage-Rückkopplungssteuerung eine Raumlage-Kompensationssteuerung, wobei die Raumlage-Kompensationssteuerung einen Einleitungsschritt, einen Referenzsystemschritt, einen Schritt zur Berechnung der Ist-Raumlage und einen Position-Kompensationsschritt umfasst. In dem Einleitungsschritt werden eine zentrale Abstandsfunktion der mindestens einen Referenz-Doppelkugelschiene, eine zentrale Abstandsfunktion jeder der Arbeits-Doppelkugelschienen und eine Koordinatentransformation zwischen einem Werkzeugplattform-Koordinatensystem und einem Basisplattform-Koordinatensystem aufgebaut. Im Referenzsystemschritt wird die Koordinatentransformation zwischen dem Basisplattform-Koordinatensystem und einem Referenz-Koordinatensystem anhand von Einstellparametern, geladenen Einstellwerten oder Ergebnissen einer Maschinenmessung gebildet. Im Schritt der Berechnung der Ist-Raumlage werden Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen und der Referenz-Doppelkugelschiene und der Motorpositionen in Echtzeit von der Steuerung gelesen, wobei thermische Fehler der Arbeits-Doppelkugelschienen basierend auf dem Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene kompensiert werden, wobei eine direkte kinematische Transformation des Raumlage-Messmechanismus durchgeführt wird und eine Ist-Raum lage und ein Raum lage-Fehler des Werkzeugs berechnet werden. Im Schritt der Position-Kompensation wird für jeden der Motoren ein Position-Kompensationswert aus einer Ziel-Raumlage der Kompensation und der Ist-Raumlage ermittelt. Für jeden der Motoren erzeugt ein Kompensationssteuerung einen Kompensation-Antriebswert entsprechend dem Position-Kompensationswert und ein Positionssteuerung erzeugt einen primären Antriebswert entsprechend einem Sollwert und einem Ist-Positionswert. Die Summe des primären Antriebswerts und des Kompensations-Antriebswerts wird an einen korrespondierenden Antrieb ausgegeben, wobei der Position-Kompensationswert wirksam ist bis er von der Raumlage-Kompensationssteuerung aktualisiert wird.
In einem Beispiel ist eine Zykluszeit der Raumlage-Kompensationssteuerung größer oder gleich einer Zykluszeit der Positionsrückkopplungssteuerung.
In einem Beispiel ist die Ziel-Raumlage für die Kompensation eine vom Encoder-definierte Raumlage oder eine Soll-Raum lage.
In einem Beispiel wird eine inverse Jacobi-Matrix verwendet um einen inkrementellen Position-Kompensationswert für jeden der Motoren zu erhalten.
In einem Beispiel wird ein inkrementeller Position-Kompensationswert jedes der Motoren erhalten, indem eine äquivalente Ist-Position und der Position-Kompensationswert von dem Ist-Positionswert subtrahiert werden.
In einem Beispiel ist die Kompensationssteuerung ein P- oder PID-Regler.
In einem Beispiel ist die Kompensationssteuerung und die Positionssteuerung dieselbe.
In einem Beispiel wird ein Tiefpassfilter verwendet um Vibrationssignale im Position-Kompensationswert herauszufiltern.
In einem Beispiel wird im Einleitungsschritt mindestens einer der Motoren angetrieben, um jede der Arbeits-Doppelkugelschienen eine Referenzmarke auf einer optischen Skala passieren zu lassen und die zentrale Abstandsfunktion jeder der Arbeits-Doppelkugelschienen zu initiieren.
In einem Beispiel umfasst die maschinennahe Messung die Positionierung von mindestens zwei der Motoren nacheinander, durch Verwendung des Raumlage-Messmechanismus um eine Orientierung und eine Position einer Antriebsachse zu identifizieren, wobei der Aufbau des Referenzkoordinatensystems basierend auf identifizierten Achsenvektoren und durch eine Koordinatentransformation zwischen dem Basisplattformkoordinatensystem und dem Referenzkoordinatensystem.
In einem Beispiel wird in dem Position-Kompensationsschritt ein Iterationsprozess durchgeführt um einen inkrementellen Position-Kompensationswert für jeden der Motoren zu erhalten.
In einem Beispiel werden im Berechnungschritt der Ist-Raumlage thermische Fehler von Sockeln oder Kugelgelenken auf der Werkzeugplattform und der Basisplattform basierend auf dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene weiter kompensiert.
In einem Beispiel werden die Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschiene durch ein Triggersignal gespeichert und zur Berechnung einer Position einer Messkugel verwendet.
In einem Beispiel enthält die Maschine mit direkter Raumlage-Rückkopplung außerdem ein Gerüst oder eine Stützstruktur, um die Basisplattform zu fixieren, wobei in dem Schritt der Berechnung der Ist-Raumlage ein thermischer Fehler des Gerüsts oder der Stützstruktur, auf der Grundlage des gemessenen Verschiebungswerts der Referenz-Doppelkugelschiene oder der gemessenen Temperaturen einer Umgebung des Gerüsts oder der Stützstruktur, kompensiert werden.
In einem Beispiel wird in dem Schritt zur Berechnung der Ist-Raumlage ein thermischer Fehler einer Länge des Werkzeugs basierend auf dem Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene kompensiert.
In einem Beispiel wird in der Steuerung eine Frequenzanalyse der Ist-Raumlage des Werkzeugs durchgeführt um dynamische Informationen der durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerten Maschine zu erhalten.
Gemäß einem anderen Aspekt wird eine direkte Raumlagegesteuerte Maschine bereitgestellt, welche einen Maschinenkörper und ein Werkzeug, eine Vielzahl von Motoren, welche am Maschinenkörper angeordnet sind, eine Steuerung und einen Raumlage-Messmechanismus umfasst. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass sie das Werkzeug antreibt um es relativ zu einem Werkstück zu bewegen. Der Raumlagen-Messmechanismus ist zwischen einer werkstückseitigen und einer werkzeugseitigen Seite des Maschinenkörpers angeordnet und umfasst eine Werkzeugplattform, eine Basisplattform, jeweils mindestens sechs Arbeits-Doppelkugelschienen, eine Referenzplatte und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene. Die Werkzeugplattform ist werkzeugseitig und die Basisplattform werkstückseitig angeordnet. Die Arbeits-Doppelkugelschienen sind über Kugelgelenke mit der Werkzeugplattform und der Basisplattform verbunden. Die Referenzplatte enthält mindestens zwei Dreipunktauflagen und die Referenz-Doppelkugelschiene ist auf den Dreipunktauflagen angeordnet. Die Steuerung kompensiert thermische Fehler des Raumlage-Messmechanismus basierend auf dem Verschiebungswert der mindestens einen Referenz-Doppelkugelschiene, ebenso nutzt es den Raumlage-Messmechanismus um eine Ist-Raumlage des Werkzeugs und einen Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu erhalten, wobei ein Position-Kompensationswert und ein Kompensation-Antriebswert für jeden der Motoren erzeugt wird, um den Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu eliminieren.
In einem Beispiel umfasst die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine ferner einen Hauptspindelblock, welcher auf dem Maschinenkörper angeordnet ist, sowie eine Hauptspindel, welche an dem Hauptspindelblock befestigt ist. Die Werkzeugplattform ist an dem Hauptspindelblock oder der Hauptspindel befestigt.
In einem Beispiel ist die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine eine mehrachsige Werkzeugmaschine, ein mehrgelenkiger Roboterarm oder eine Maschine mit Parallelkinematik.
In einem Beispiel ist das Werkzeug ein Schneidwerkzeug, ein Messtaster, ein Berührungstaster, ein konfokaler Sensor, ein Wegmesslaser oder ein optisches Messgerät.
In einem Beispiel liefert das Werkzeug ein Triggersignal, um den Verschiebungswert von jeder Arbeits-Doppelkugelsschiene gleichzeitig zu speichern.
In einem Beispiel umfasst die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine außerdem eine Referenzkugel, welche auf der Basisplattform oder einem Arbeitstisch angeordnet ist.
In einem Beispiel umfasst die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine außerdem eine Werkzeuglängenmesseinrichtung, welche auf der Basisplattform oder einem Arbeitstisch angeordnet ist.
In einem Beispiel sind die Kugelgelenke der Basisplattform oder der Werkzeugplattform asymmetrisch angeordnet.
In einem Beispiel sind die Kugelgelenke der Basisplattform und der Werkzeugplattform an einem Material befestigt, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 ppm/°C aufweist.
In einem Beispiel umfasst die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine außerdem ein Gerüst oder eine Stützstruktur, wodurch die Basisplattform so befestigt werden kann, dass das Werkzeug nicht von den Arbeits-Doppelkugelschienen umgeben ist.
In einem Beispiel umfasst die Steuerung ein Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk zum Empfangen und Senden von Steuerinformationen.
In einem Beispiel ist EtherCAT das Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk.
In einem Beispiel ist ein Verschiebungssensor jeder der Arbeits-Doppelkugelschienen und der Referenz-Doppelkugelsschiene ein Laserinterferometer, ein optischer Maßstab oder ein magnetischer Maßstab.
Figurenliste
Die Offenbarung kann durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen vollständiger verstanden werden, wobei auf die begleitenden Zeichnungen wie folgt Bezug genommen wird:

1 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten CNC-Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten Maschine gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt ein Blockdiagramm einer DPF-gesteuerten Maschine gemäß der Ausführungsform von 3.
5 zeigt ein Flussdiagramm einer Raumlage-Kompensationssteuerung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt ein schematisches Diagramm der Raumlagen der Werkzeuge gemäß der Ausführungsform von 5.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines DPF-Steuerverfahrens gemäß der Ausführungsform von 5.
8 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen DPF-Steuerverfahrens gemäß der Ausführungsform von 5.
9 zeigt ein Blockdiagramm einer Positionssteuerung und einer Kompensationssteuerung.
10 zeigt ein Blockdiagramm einer modifizierten Positionssteuerung.
11 zeigt ein schematisches Diagramm eines Raumlagen-Messmechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wenn ein Element (oder ein Mechanismus oder ein Modul) als „angeordnet auf“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element bezeichnet wird, kann es direkt auf den anderen Elementen angeordnet, mit ihnen verbunden oder gekoppelt sein, oder es kann indirekt auf den anderen Elementen angeordnet, mit ihnen verbunden oder gekoppelt sein, d.h. es können Zwischenelemente vorhanden sein. Im Gegensatz dazu sind keine Zwischenelemente vorhanden, wenn ein Element als „direkt angeordnet“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element bezeichnet wird.
Darüber hinaus werden die Begriffe „erstes“, „zweites“, „drittes“ usw. hier verwendet, um verschiedene Elemente oder Komponenten zu beschreiben, wobei diese Elemente oder Komponenten nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden sollten. Folglich kann ein erstes Element oder eine erste Komponente, welche hier besprochen werden, auch als zweites Element oder zweite Komponente bezeichnet werden.
Aufgrund von Fertigungs- und Montagefehlern bei Komponenten ist eine Maschine mit geometrischen Fehlern behaftet. Außerdem können externe und interne Wärmequellen eine Verformung der Komponenten bewirken und thermische Fehler in der Maschine verursachen. Diese geometrischen und thermischen Fehler führen zum Raumlagefehler des Werkzeugs durch Positionierung des Werkzeugs relativ zum Werkstück. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur direkten Raumlage-Rückkopplungssteuerung (DPF) bereitgestellt. Eine Maschine, welche das DPF-Steuerungsverfahren durchführt, wird als DPF-gesteuerte Maschine bezeichnet. Bei dem DPF-Steuerungsverfahren ist ein Raumlagen-Messmechanismus so angeordnet, dass er die tatsächliche Werkzeugposition direkt misst. Der Raumlage-Fehler des Werkzeugs kann ermittelt werden und es wird eine Raumlage-Kompensationssteuerung durchgeführt, um die Motoren anzutreiben und den Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu beseitigen. Als Ergebnis wird die Positionierung einer DPF-gesteuerten Maschine perfekt und ist frei von geometrischen und thermischen Fehlern.
Bei der DPF-gesteuerten Maschine kann es sich um eine mehrachsige Werkzeugmaschine, einen mehrgelenkigen Roboterarm oder eine Maschine mit Parallelkinematik handeln, z. B. einen Linapod oder einen Hexapod. Die Kinematik der DPF-gesteuerten Maschine kann parallel oder seriell sein, wobei ihre Motoren so konfiguriert sind, dass sie das Werkzeug zur Bewegung relativ zum Werkstück antreiben. Der Raumlagen-Messmechanismus ist zwischen einer Werkzeugseite und einer Werkstückseite der DPF-gesteuerten Maschine angeordnet und umfasst eine werkzeugseitig angeordnete Werkzeugplattform, eine werkstückseitig angeordnete Basisplattform und mindestens sechs Arbeits-Doppelkugelschienen, welche mit der Werkzeugplattform und der Basisplattform verbunden sind. Ferner umfasst der Raumlagen-Messmechanismus eine Referenzplatte, und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene, welche an zwei Dreipunkt-Aufnahmesockeln der Referenzplatte angeordnet ist.
Der Abstand zwischen den beiden Kugeln an den Enden der Doppelkugelschiene wird als Mittenabstand bezeichnet. Die Doppelkugelschiene verwendet einen Wegsensor um den Mittenabstand zu messen. Aufgrund der geometrischen Fehler in der Doppelkugelschiene ist die Beziehung zwischen der gemessenen Verschiebung und dem Mittenabstand im Allgemeinen nicht linear. Um einen genauen Mittenabstand aus der gemessenen Verschiebung zu erhalten, kann eine Mittenabstandsfunktion erstellt werden, um die Beziehung zwischen der gemessenen Verschiebung und dem Mittenabstand zu beschreiben.
Die wechselnde Umgebungstemperatur kann zu thermischen Fehlern in den sechs Arbeits-Doppelkugelschienen führen und die Genauigkeit des Raumlagen-Messmechanismus verringern. Die vorliegende Offenbarung sieht mindestens einen Referenz-Doppelkugelschiene vor, welche auf zwei Sockeln der Referenzplatte angeordnet ist. Die Referenzplatte hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nahezu Null, so dass der Abstand zwischen den beiden Sockeln nicht durch die sich ändernde Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Dennoch bewirkt die wechselnde Umgebungstemperatur eine Änderung des Verschiebungswertes der Referenz-Doppelkugelschiene. Dieser gemessene Verschiebungswert zeigt die Auswirkung des thermischen Fehlers auf die Referenz-Doppelkugelschiene. Da die Referenz-Doppelkugelschiene und die sechs Arbeits-Doppelkugelschienen baugleich sind, haben sie nahezu das gleiche thermische Verhalten. Der gemessene Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene kann verwendet werden, um die thermischen Fehler der Arbeits-Doppelkugelschienen und andere kinematische Parameter des Raumlage-Messmechanismus effizient und genau zu bestimmen.
Das Werkzeug der DPF-gesteuerten Maschine kann ein Schneidwerkzeug, ein Messtaster oder Berührungstaster, ein konfokaler Sensor, ein wegmessender Laser oder ein optisches Messgerät sein. Um die Position der Werkzeugspitze und die Werkzeugrichtung genau zu berechnen, muss die Steuerung die Verschiebungswerte aller arbeitenden Doppelkugelschienen gleichzeitig einlesen. In einer Ausführungsform ist das Werkzeug ein Taster, wobei ein Triggersignal zum Speichern der Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen verwendet wird. Diese ereignisgesteuerte Methode stellt sicher, dass die Position der Tastkugel im Moment der Berührung genau berechnet werden kann. In einer anderen Ausführungsform wird eine Referenzkugel auf der Basisplattform oder dem Arbeitstisch angeordnet, um den Taster zu kalibrieren. In einer Ausführungsform ist das Werkzeug ein Schneidwerkzeug und eine Werkzeuglängenmesseinrichtung ist auf der Basisplattform oder dem Arbeitstisch angeordnet, um die Länge des Schneidwerkzeugs zu kalibrieren. In der DPF-gesteuerten Maschine kann der thermische Fehler des Werkzeugs, z. B. die Länge des Schneidwerkzeugs oder des Tasters, basierend auf dem gemessenen thermischen Fehler der Referenz-Doppelkugelschiene, kompensiert werden.
Die Werkzeugplattform und die Basisplattform können in Komponenten des Maschinenkörpers integriert oder mit zusätzlichen Adaptern am Maschinenkörper montiert werden. In einer Ausführungsform ist die DPF-gesteuerte Maschine eine mehrachsige Werkzeugmaschine, die mit einer Hochgeschwindigkeits-Hauptspindel ausgestattet ist. Die Werkzeugplattform ist über einen Adapter am Ende der Hauptspindel befestigt, wobei eine thermische Verformung der Hauptspindel zu einer Bewegung der Werkzeugplattform führt. In einer anderen Ausführungsform ist die DPF-gesteuerte Maschine ein Mehrgelenkroboter, wobei die Werkzeugplattform an der Werkzeugbefestigungsschnittstelle befestigt ist, wobei der Endeffektor an der Werkzeugplattform befestigt ist.
In einer Ausführungsform kann die Verteilung der Kugelgelenke auf der Basisplattform oder der Werkzeugplattform je nach Arbeitsraumbedarf asymmetrisch angeordnet werden, um Interferenzen zwischen den Arbeits-Doppelkugelschienen und dem Maschinenkörper zu vermeiden oder um den Arbeitshub in einer gewünschten Richtung zu vergrößern. Die Arbeits-Doppelkugelschiene kann auch unterschiedlich groß sein, um mit den asymmetrisch verteilten Kugelgelenken zusammenzuarbeiten. In einer Ausführungsform sind die sechs Kugelgelenke der Basisplattform auf einem Halbkreis angeordnet und die sechs Kugelgelenke der Werkzeugplattform sind entsprechend verschoben.
Die Positionen der Kugelgelenke auf der Werkzeugplattform und der Basisplattform werden durch die Änderung der Umgebungstemperatur beeinflusst. Um den thermischen Fehler jedes Kugelgelenks zu reduzieren, ist es vorteilhaft ein Kugelgelenk auf einem Material zu befestigen, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 2 ppm/°C oder nahe Null hat, z. B. kleiner als 0,1 ppm/°C. Das Material kann z. B. INVAR, Super-INVAR, Kohlefaserverbundwerkstoff, LEX-ZERO® oder Quarz, oder Glaskeramik, wie ZERODUR® oder CLEARCERAM-Z® sein.
Im Raumlage-Messmechanismus werden Kugelgelenke verwendet, um die Arbeits-Doppelkugelschienen mit der Basisplattform und der Werkzeugplattform zu verbinden. In einer Ausführungsform bestehen die Kugelgelenke aus Kugelsockelpaaren. In einer Ausführungsform hat jeder Sockel der Basisplattform und der Werkzeugplattform eine konische Oberfläche und verwendet einen Magneten, um die Kugel am Ende der verbundenen Arbeits-Doppelkugelschiene anzuziehen.
In einer Ausführungsform ist die DPF-gesteuerte Maschine eine Drei-Achsen-Werkzeugmaschine. Die Werkzeugplattform ist auf dem Hauptspindelblock befestigt. Die Basisplattform ist auf dem Arbeitstisch befestigt und das Werkstück ist auf der Tragfläche der Basisplattform befestigt. Das Schneidwerkzeug und das Werkstück sind von den Arbeits-Doppelkugelschienen umgeben. Zusätzlich kann eine Werkzeuglängenmesseinrichtung auf der Basisplattform angeordnet sein, um die Länge des Werkzeugs zu kalibrieren.
In einer anderen Ausführungsform ist die DPF-gesteuerte Maschine ein sechsachsiger Roboterarm, welcher auf einem Arbeitstisch aus Granit montiert ist. Das Werkzeug ist ein Berührungstaster, welcher an der Werkzeugplattform befestigt ist, wobei diese wiederum an der Befestigungsschnittstelle für Werkzeuge des Sechs-Achsen-Roboterarms montiert ist. Die Basisplattform ist auf dem Arbeitstisch angeordnet und das Werkstück kann auf der Auflagefläche der Basisplattform angeordnet werden. Der Berührungstaster und das Werkstück sind von den Arbeits-Doppelkugelschienen umgeben. Die Genauigkeit eines Sechs-Achsen-Roboterarms ist gering. Durch die Verwendung des Raumlage-Messmechanismus zur direkten Raumlage-Rückkopplungssteuerung wird die Genauigkeit des DPF-gesteuerten Sechs-Achsen-Roboterarms durch die Genauigkeit des Raumlage-Messmechanismus bestimmt.
In einer anderen Ausführungsform ist die DPF-gesteuerte Maschine ein Sechs-Achsen-Roboterarm, welcher auf einem Arbeitstisch aus Granit montiert ist. Die Werkzeugplattform ist an der Befestigungsschnittstelle des Werkzeugs des Sechs-Achsen-Roboterarms befestigt und ein Messtaster ist an der Werkzeugplattform befestigt. Ein Gerüst oder eine Stützstruktur ist ebenfalls auf dem Arbeitstisch montiert und die Basisplattform ist auf dem Gerüst oder der Stützstruktur befestigt. In dieser Ausführungsform ist das Gerüst ein Teil des Raumlage-Messmechanismus, so dass der Messtaster und das Werkstück nicht von den Arbeits-Doppelkugelschienen des Raumlage-Messmechanismus umgeben sind. Eine Referenzkugel kann auf dem Arbeitstisch befestigt und für die Kalibrierung des Messtasters verwendet werden. Dieses DPF-Koordinatenmessgerät hat den Vorteil der besseren Zugänglichkeit zum Be- und Entladen des Werkstücks. Um den thermischen Fehler zu reduzieren, ist es vorteilhaft wenn das Gerüst oder die Tragkonstruktion aus einem Material mit niedrigem oder nahe Null liegendem Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher Festigkeit besteht, wie z. B. INVAR oder LEX-ZERO®. Der thermische Fehler des Gerüsts oder der Stützstruktur kann auf der Grundlage des gemessenen Verschiebungswerts der Referenz-Doppelkugelschiene oder der gemessenen Temperaturen der Umgebung und des Gerüsts oder der Stützstruktur kompensiert werden.
In einer Ausführungsform verwendet die Steuerung ein Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk, um Steuerinformationen zu empfangen und zu senden, einschließlich der Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen und der Referenz-Doppelkugelschiene sowie der Daten der Treiber und Motoren. Auf diese Weise kann die Anzahl der Kabel drastisch reduziert werden. In einer Ausführungsform ist EtherCAT das Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk.
Die vorliegende Offenbarung stellt ein DPF-Steuerungsverfahren bereit, wobei ein Werkzeugplattform-Koordinatensystem auf der Werkzeugplattform, ein Basisplattform-Koordinatensystem auf der Basisplattform und ein Referenzkoordinatensystem auf der Maschine definiert ist. Zu den kinematischen Parametern des Raumlage-Messmechanismus gehören die Positionen der Kugelgelenke im Werkzeugplattform-Koordinatensystem, die Positionen der Kugelgelenke im Basisplattform-Koordinatensystem und die Mittenabstände der sechs Arbeits-Doppelkugelschienen.
Um eine genaue Raumlage des Werkzeugs zu erhalten, sieht die vorliegende Offenbarung Mittel vor, um geometrische und thermische Fehler des Raumlage-Messmechanismus zu eliminieren. Um die geometrischen Fehler zu eliminieren, verwendet jede Arbeits-Doppelkugelschiene eine zentrale Abstandsfunktion, um seinen zentralen Abstand aus der gemessenen Verschiebung zu bestimmen. Weiterhin wird der gemessene thermische Fehler der Referenz-Doppelkugelschiene verwendet, um die thermischen Fehler des Raumlage-Messmechanismus zu kompensieren, einschließlich der thermischen Fehler der Arbeits-Doppelkugelschienen und der thermischen Fehler der Kugelgelenke auf der Werkzeugplattform und der Basisplattform. Daher kann der Raumlage-Messmechanismus hochgenau und nützlich für die direkte Raumlage-Rückkopplung sein. In einer Ausführungsform erreicht die lineare Genauigkeit des Raumlage-Messmechanismus den Mikrometerbereich.
Die kinematischen Parameter eines Roboterarms weisen auch geometrische und thermische Fehler auf. Die Steuerung eines Roboterarms verwendet ideale kinematische Parameter für die vorwärts- und rückwärtsgerichtete kinematische Transformation. Der Einstellwert der einzelnen Motoren ist nur für einen idealen Roboterarm gültig.
Im Positionsregelkreis einer Achse ergibt die Subtraktion des Ist-Position-Wertes vom Sollwert den folgenden Raumlage-Fehler. Die Positionssteuerung erzeugt einen Antriebswert, z. B. einen Geschwindigkeitsbefehl, vom folgenden Raumlage-Fehler. Wenn mehrere Motoren gleichzeitig angesteuert werden, kann die aktuelle Kontur vom Einstellweg abweichen und es entsteht ein Konturfehler. Es gibt viele fortschrittliche Regelungsmethoden zur Beseitigung des Raumlage-Fehlers oder des Konturfehlers, wie z. B. die Feed-Forwards-Regler (FF), der Cross-Coupling-Regler (CCC), der Reibungskompensationsregler und der Schnittkraftkompensationsregler usw. Es ist besser, diese Regelungsmethoden in der Steuerung der neu entwickelten DPF-gesteuerten Maschine weiter zu verwenden.
Bei dem DPF-Steuerungsverfahren der vorliegenden Offenbarung werden zusätzlich zu dem Werkzeugplattform-Koordinatensystem und dem Basisplattform-Koordinatensystem des Raumlage-Messmechanismus das Referenzkoordinatensystem der Maschine und das Werkzeugspitzen-Koordinatensystem von der Steuerung verwaltet. Bei der DPF-Regelungsmethode werden eine Ist-Raumlage und ein Raumlage-Fehler des Werkzeugs entsprechend den gemessenen Verschiebungen der Arbeits-Doppelkugelschienen berechnet. Da die Berechnung des Raumlagen-Fehlers eines Werkzeugs kompliziert ist und Zeit benötigt, hat der Raumlagen-Rückkopplungs-Steuerungskreis ein Totzeitproblem, welches für eine Servoregelung ungünstig ist.
Das vorgeschlagene DPF-Regelverfahren umfasst eine Raumlage-Kompensationssteuerung und eine Raumlage-Rückkopplungssteuerung. Die tatsächliche Raumlage des Werkzeugs wird durch den Raumlage-Messmechanismus gemessen. Es wird eine Encoder-definierte Raumlage eingeführt, welche die Werkzeug-Raum lage eines idealen Roboterarms mit den gemessenen Gelenkpositionen ist. Daher kann die Encoder-definierte Raumlage durch die Durchführung der kinematischen Vorwärtstransformation des Roboterarms unter Verwendung der gemessenen Gelenkpositionen erhalten werden. In der vorgeschlagenen DPF-Steuerungsmethode wird der Raumlage-Fehler in einen Bindungs-Raumlage-Fehler und einen Folge-Raumlage-Fehler zerlegt. Der Bindungs-Raumlage-Fehler wird aus der Ist-Raumlage und der vom Encoder-definierten Raumlage berechnet. Im Gegensatz dazu wird der Folge-Raumlage-Fehler aus der Soll-Raumlage und der Encoder-definierten Raumlage berechnet. Für jeden der Motoren berechnet die Positionssteuerung den primären Antriebswert aus dem Folge-Raumlage-Fehler. Der Anschluss-Raumlage-Fehler ist die kinematische Abbildung der Anschluss-Raumlage-Fehler aller Achsen. Die Raumlage-Kompensationssteuerung berechnet den Position-Kompensationswert und den entsprechenden Kompensation-Antriebswert für jeden der Motoren aus dem Bindungs-Raumlage-Fehler. Da der Bindungs-Raumlage-Fehler aus den geometrischen und thermischen Fehlern der Maschine resultiert und sich langsam ändert, kann die Zykluszeit für die Raumlage-Kompensationssteuerung höher sein als die der Echtzeit-Position-Rückkopplungssteuerung.
Der Vorteil der DPF-Regelungsmethode besteht darin, dass der bestehende Echtzeit-Positionssteuerungskreis in der Steuerung unverändert bleiben kann, während eine neue Raumlage-Kompensationssteuerung hinzugefügt wird, um den aus Fehlern in den kinematischen Parametern der Maschine resultierenden Raumlage-Fehler des Werkzeugs zu eliminieren. Auf diese Weise verursacht die Totzeit der DPF-Regelungsmethode kein Problem bei der Servo-Rückkopplungssteuerung. Die Raumlage-Rückkopplungssteuerung und die Raumlage-Kompensationssteuerung können im gleichen oder in verschiedenen Timer-Interrupt-Handlern angeordnet werden. Die Zykluszeit der Raumlage-Kompensationssteuerung kann höher oder gleich der Positions-Rückkopplungssteuerung sein. In einer Ausführungsform wird der Einstellwert jedes der Motoren durch einen Kompensationswert modifiziert und der ursprüngliche Lagesteuerungskreis bleibt unverändert.
Die DPF-Steuerungsmethode kann auf verschiedene Maschinentypen angewendet werden. Aufgrund der direkten Raumlage-Rückkopplung wird die Positioniergenauigkeit der DPF-gesteuerten Maschine durch den Raumlage-Messmechanismus bestimmt. In einer Ausführungsform ist der Raumlage-Messmechanismus in einen sechsachsigen Roboterarm integriert. Die Werkzeugplattform wird an der Werkzeugschnittstelle des Roboterarms befestigt. Das Werkzeug ist ein auf der Werkzeugplattform befestigter Mess- oder Berührungstaster. Die Auslenkungswerte der Arbeits-Doppelkugelschiene können durch ein Triggersignal des Tasters gespeichert werden und werden von der Steuerung gelesen, um die Position der Kugel am Ende des Tasters zu berechnen. Aufgrund der Genauigkeit des Raumlage-Messmechanismus im Mikrometerbereich wird der DPF-gesteuerte Roboterarm zu einer Koordinatenmessmaschine.
In einer Ausführungsform wird eine Beziehung zwischen den thermischen Fehlern der Werkzeuglänge und dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene hergestellt. Die thermischen Fehler der Werkzeuglänge können, basierend auf dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene, kompensiert werden.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten CNC-Werkzeugmaschine 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die DPF-gesteuerte CNC-Werkzeugmaschine 10 umfasst einen Maschinenkörper mit einer Basis 11, X-, Y- und Z-Flächen 12, 13, 14, drei Motoren 16, 17, 18, einer Steuerung (nicht dargestellt), einen Raumlage-Messmechanismus 300 und eine Referenzplatte 500. Die Hauptspindel 5 (Hochgeschwindigkeits-Hauptspindel) ist auf der Z-Fläche 14 der DPF-gesteuerten CNC-Werkzeugmaschine 10 montiert. Das Werkzeug 6 ist auf der Hauptspindel 5 montiert, die an einem Hauptspindelblock 15 befestigt ist. Die Steuerung ist konfiguriert um Motoren anzutreiben, damit das Werkzeug 6 relativ zu einem Werkstück 110 positioniert werden kann. Die Raumlage-Messeinrichtung 300 ist zwischen der Y-Fläche 13 (werkstückseitig) und der Hauptspindel 5 (werkzeugseitig) der DPF-gesteuerten CNC-Werkzeugmaschine 10 angeordnet und umfasst eine Werkzeugplattform 320, eine Basisplattform 310, sechs Arbeits-Doppelkugelschienen 330 und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene 400. Die Referenzplatte 500 umfasst mindestens zwei Magnetaufnahmen 510 und 520 und die Referenz-Doppelkugelschiene 400 ist auf den beiden Magnetaufnahmen 510 und 520 angeordnet. Die Werkzeugplattform 320 kann über die Tragschicht 322 der Werkzeugplattform 320 oder einen Adapter an der Hauptspindel 5 befestigt werden.
Wie in 1 dargestellt, wird der Raumlage-Messmechanismus 300 zum Schließen des kinematischen Spalts zwischen dem Werkzeug 6 und der Y-Fläche 13 verwendet. Die Werkzeugplattform 320 setzt sich aus einer Positionierschicht 321 und einer Stützschicht 322 zusammen. Die Basisplattform 310 besteht ebenfalls aus einer Positionierschicht 311 und einer Stützschicht 312. In dieser Ausführungsform sind auf jeder Positionierschicht 311 und 321 sechs Kugelsockel angeordnet, um die Kugeln an den Enden der Arbeits-Doppelkugelschienen 330 zu Kugelgelenken zu verbinden. Die Positionierschichten 311 und 321 bestehen aus Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 ppm/°C. Daher sind die Positionen der Sockel bzw. der Kugelgelenke auf den Positionierschichten 311 und 321 thermisch stabil. Im Gegensatz dazu können die Tragschichten 312 und 322 Montagekräfte aufnehmen ohne die Positionen der Kugelgelenke darauf zu verändern.
Genauer gesagt wird die Werkzeugplattform 320 über die Stützschicht 322, die eine kreisförmige Platte aus INVAR ist, an der Hauptspindel 5 befestigt. Die Positionierschicht 321 besteht aus Quarzglas, und es sind sechs Sockel darauf angeordnet. Die Basisplattform 310 wird über die Trägerschicht 312, eine quadratische Hohlplatte aus INVAR, auf der Y-Fläche 13 befestigt. Die Positionierschicht 311 besteht aus Quarzglas, worauf sechs Sockel angeordnet sind. Das Werkstück 110 wird über einen Block 120, welcher sich im hohlen Teil der Basisplattform 310 befindet, auf der Y-Fläche 13 fixiert. Sechs Arbeits-Doppelkugelschienen 330 verbinden die Werkzeugplattform 320 und die Basisplattform 310 und bilden so das Raumlagen-Messwerk 300. In dieser Ausführungsform sind das Werkzeug 6 und das Werkstück 110 von den Arbeits-Doppelkugelschienen 330 umgeben.
Die DPF-gesteuerte CNC-Werkzeugmaschine 10 kann ferner eine Werkzeuglängenmessvorrichtung 130 umfassen, welche auf der Basisplattform 310 angeordnet ist und zum Messen der Werkzeuglänge konfiguriert ist. In anderen Ausführungsformen kann die Werkzeuglängenmessvorrichtung auf der Y-Fläche angeordnet sein, wobei die vorliegende Offenbarung darauf nicht beschränkt ist. Darüber hinaus ist die Referenz-Doppelkugelschiene 400 auf der Referenzplatte 500 angeordnet, welche auf der Basis 11 angeordnet ist. Die Referenzplatte 500 besteht aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe Null, wie z. B. ZERODUR®.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten Maschine 10a gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In der Ausführungsform von 2 umfasst die DPF-gesteuerte Maschine 10a einen Roboterarm 11a und einen Arbeitstisch 12a. Der Arbeitstisch 12a ist aus Granit gefertigt. Der Roboterarm 11a ist auf dem Arbeitstisch 12a angeordnet. Die Werkzeugplattform 320a ist an der Befestigungsschnittstelle für Werkzeuge (werkzeugseitig) des Roboterarms 11a befestigt. Das Werkzeug ist an der Werkzeugplattform 320a befestigt und kann ein Messtaster oder ein Berührungstaster sein. Die Basisplattform 310a ist auf dem Arbeitstisch 12a (werkstückseitig) befestigt und die Referenzplatte 500a ist auf dem Arbeitstisch 12a angeordnet. Diese DPF-gesteuerte Maschine 10a wird zu einem Koordinatenmessgerät und kann zum Messen von kleinen Werkstücken 110a in der Werkstatt ohne Temperaturkontrolle verwendet werden.
Die Basisplattform 310a hat einen zweischichtigen Aufbau und die Positionierschicht 311a der Basisplattform 310a ist eine Hohlplatte aus Quarzglas. Die Auflageschicht 312a ist eine runde Platte aus INVAR. Das Werkstück 110a ist auf dem Werkstückträger 120a befestigt. Die Werkzeugplattform 320a enthält eine Positionierschicht 321a aus Quarzglas und eine Stützschicht 322a aus INVAR. Die sechs Arbeits-Doppelkugelschienen 330a verbinden die Werkzeugplattform 320a und die Basisplattform 310a zum Raumlagen-Messmechanismus 300a. Das Werkzeug, ein Taster 6a und das Werkstück 110a sind von den Arbeits-Doppelkugelschienen 330a umgeben. Die Referenz-Doppelkugelschiene 400a ist auf der Referenzplatte 500a angeordnet. Das Triggersignal des Tasters 6a wird verwendet, um die Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen 330a gleichzeitig zu speichern. Basierend auf den gespeicherten Verschiebungswerten berechnet die Steuerung die Position der Sonde 6a. Zusätzlich verfügt die DPF-gesteuerte Maschine 10a über eine Referenzkugel 131a, welche auf der Basisplattform 310a zur Kalibrierung des Tasters 6a angeordnet ist.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer DPF-gesteuerten Maschine 10b gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Bezugnehmend auf 3 umfasst die DPF-gesteuerte Maschine 10b einen Roboterarm 11b, einen Arbeitstisch 12b aus Granit und ein Gerüst 13b. Der Roboterarm 11b und das Gerüst 13b sind auf dem Arbeitstisch 12b angeordnet. In 3 ist nur die rechte Hälfte des Gerüsts 13b dargestellt, um andere Komponenten zu zeigen.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Basisplattform 310b der Raumlagen-Messmechanismus 300b auf dem Gerüst 13b (werkstückseitig) angeordnet. Die Basisplattform 310b ist zweischichtig aufgebaut, wobei die Positionierschicht 311b eine kreisrunde Platte aus Quarzglas ist, welche von der Stützschicht 312b aus INVAR getragen wird. Die Werkzeugplattform 320b ist an der Befestigungsschnittstelle des Werkzeugs am Ende des Roboterarms 11b (werkzeugseitig) befestigt. Die Werkzeugplattform 320b hat ebenfalls einen zweischichtigen Aufbau. Die Positionierschicht 321b ist eine kreisrunde Platte aus Quarzglas, welche von der Stützschicht 322b aus INVAR getragen wird. Die sechs Arbeits-Doppelkugelschienen 330b verbinden die Werkzeugplattform 320b und die Basisplattform 310b, wodurch sich der Taster 6b und das Werkstück 110b außerhalb der Raumlage-Messmechanismus 300b befinden. Die umgekehrte Anordnung des Raumlagen-Messmechanismus 300b ermöglicht mehr Arbeitsraum zum Be- oder Entladen des Werkstücks 110b.
Zusätzlich wird ein thermisches Fehlermodell des Gerüsts 13b in der Steuerung 200b aufgebaut (dargestellt in 4), so dass der thermische Fehler des Gerüsts 13b basierend auf dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene 400b auf der Referenzplatte 500b oder den Messergebnissen von Temperatursensoren kompensiert werden kann. In ähnlicher Weise kann auch der thermische Fehler der Länge der Sonde 6b kompensiert werden. Die DPF-gesteuerte Maschine 10b kann außerdem eine Referenzkugel 131b enthalten, welche auf dem Arbeitstisch 12b angeordnet ist, um den Taster 6b zu kalibrieren.
4 zeigt ein Blockdiagramm der DPF-gesteuerten Maschine 10b gemäß der Ausführungsform von 3. Die Steuerung 200b umfasst eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 211b, welche in einem Windows-Steuerungsmodul 210b und einem Bewegungssteuerungsmodul 220b arbeitet. Das Bewegungssteuerungsmodul 220b besteht aus einem Interpreter 221b, einem Interpolator 222b und einem Feed-Scheduler 223b, die alle in einer Echtzeitumgebung arbeiten und mit der Position-Rückkopplungssteuerung 91 und der Raumlagen-Kompensationssteuerung 92 zusammenarbeiten. Die Position-Rückkopplungssteuerung 91 und die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 werden später beschrieben. Die Steuerung 200b kann ein Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk 230b verwenden, um mit Peripheriegeräten wie digitalen Zählern 250b (digitale/analoge Zähler) und Treibern 240b von Motoren 800b zu kommunizieren.
Genauer gesagt kommuniziert die Steuerung 200b mit sechs Treibern 240b und sieben digitalen Zählern 250b über EtherCAT und erhält die Ist-Positionen der Motoren 800b, die Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen 330b und der Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene 400b, sie führt die Position-Rückkopplungssteuerung 91 und die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 durch und sendet Antriebswerte an die Treiber 240b. Der Wegsensor der Arbeits-Doppelkugelschiene 330b oder der Referenz-Doppelkugelschiene 400b kann ein Laserinterferometer, ein optischer Maßstab oder ein magnetischer Maßstab sein. Die Wegsensoren können absolut oder inkrementell sein, aber die vorliegende Offenbarung ist darauf nicht beschränkt.
Die kinematische Vorwärtstransformation des Roboterarms 11b berechnet die Werkzeug-Raum lage P = (X, Y, Z, α, β, γ)^T aus gegebenen Gelenkpositionen θ = (θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅, θ₆)^T. Eine kleine Variation der Gelenkpositionen, dargestellt durch Δθ, wobei Δθ = (Δθ₁, Δθ₂, Δθ₃, Δθ₄, Δθ₅, Δθ₆)^T zu einer kleinen Variation der Werkzeuglage führt, dargestellt durch ΔP, wobei gilt ΔP = (ΔX, ΔY, ΔZ, Δα, Δβ, Δγ)^T. Die Beziehung zwischen Δθ und ΔP ist in Gleichung (1) dargestellt: $Δ P = J \cdot Δθ,$
Wobei J eine Jacobimatrix ist. Aus Gleichung (1) kann, wenn der Werkzeugpositionsfehler ΔP bekannt ist, die entsprechende Gelenkvariation Δθ als das Produkt der inversen Jacobimatrix J^-1 und dem Werkzeugpositionsfehler ΔP wie folgt erhalten werden: $Δθ = J^{- 1} \cdot Δ P$
5 zeigt ein Flussdiagramm einer Raumlagen-Kompensationssteuerung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 6 zeigt ein schematisches Diagramm der Werkzeug-Raumlagen gemäß der Ausführungsform von 5. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines DPF-Steuerungsverfahrens gemäß der Ausführungsform von 5. 8 zeigt ein Blockdiagramm eines anderen DPF-Steuerungsverfahrens gemäß der Ausführungsform von 5. 9 zeigt ein Blockdiagramm einer Positionssteuerung und einer Kompensationssteuerung. 10 zeigt ein Blockdiagramm einer modifizierten Positionssteuerung. In den 7 und 8 ist das Antriebssystem 227d durch eine Übertragungsfunktion zweiter Ordnung dargestellt, welches durch die Nennwinkelfrequenz ω und den Dämpfungsgradienten D charakterisiert ist. Die Übertragungsfunktion des Integralglieds 228d ist 1/s. Das DPF-Steuerungsverfahren der vorliegenden Offenbarung erweitert die bestehende Position-Rückkopplungssteuerung 91 um eine Raumlage-Kompensationssteuerung 92 oder 93. Im Blockschaltbild der DPF-Regelung bezeichnet der tiefgestellte Index i den i-ten Motor. Beispielsweise stehen 0_1,comp und θ_i,comp für die Position-Kompensationswerte des ersten bzw. des i-ten Motors.
Wie in 5 gezeigt, kann die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 einen Initiierungsschritt S01, einen Referenzsystemschritt S02, einen Schritt zur Berechnung der Ist-Raumlage S03 und einen Position-Kompensationsschritt S04 umfassen. Im Initiierungsschritt S01 wird der Raumlage-Messmechanismus 300d initialisiert und die Koordinatentransformation ^BT_P
0 zwischen dem Werkzeugplattform-Koordinatensystem {Po} und dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} wird in der Steuerung eingerichtet.
Im Referenzsystemschritt S02 wird in der Steuerung eine Koordinatentransformation ^RT_B zwischen dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} und einem Referenzkoordinatensystem {R} der Maschine gemäß Einstellparametern, geladenen Einstellwerten oder Ergebnissen einer maschinennahen Messung eingerichtet.
Im Schritt S03 zur Berechnung der Ist-Position werden die Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen und der Referenz-Kugelschiene sowie die Positionen der Motoren von der Steuerung gelesen und die Ist-Position P_A des Werkzeugs berechnet.
In einem Position-Kompensationsschritt S04 werden die Raumlage-Kompensationswerte θ_i,comp der Werkzeuge für die Motoren in der Raumlage-Kompensationssteuerung 92 aus einer Ziel-Raumlage und einer Ist-Raum lage P_A berechnet.
In den in 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen ist die Positionssteuerung 911 eine proportionale Verstärkung k_v. Am Beispiel der Servoregelung des ersten Motors wird durch die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 ein Position-Kompensationswert θ_1,comp gewonnen, welcher zur Korrektur des Sollwertes θ_1,5 für die Position-Rückkopplungssteuerung 91 verwendet wird. Der Steuerblock in 10 zeigt eine Positionssteuerung 911, welcher sowohl für die Position-Rückkopplungssteuerung 91 als auch für die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 verwendet wird, wobei die Übertragungsfunktion durch C(s) dargestellt wird. In 9 hat die Raumlage-Kompensationssteuerung 92 einen eigenen Kompensationssteuerung 921 mit einer Übertragungsfunktion von CC(s). Die Position-Rückkopplungssteuerung 91 verfügt über einen Positionssteuerung 911 mit einer Übertragungsfunktion von C(s). Der Ausgang der Kompensationssteuerung 921 und der Ausgang der Positionssteuerung 911 werden summiert und an den Treiber gesendet. Außerdem bleibt der von der Raumlage-Kompensationssteuerung 92 erhaltene Raumlage-Kompensationswert wirksam, bis ein neuer Position-Kompensationswert erzeugt wird.
Genauer gesagt kann die homogene Transformationsmatrix verwendet werden, um die Koordinatentransformation zwischen zwei Koordinatensystemen zu beschreiben. Im Initiierungsschritt S01 werden die kinematischen Parameter des Raumlagen-Messmechanismus 300d initiiert, einschließlich der zentralen Abstandsfunktionen der Arbeits-Doppelkugelschienen und der Referenz-Doppelkugelschiene, der Positionen der Sockel oder Kugelgelenke auf der Werkzeugplattform und der Basisplattform. In einer Ausführungsform wird mindestens einer der Motoren angetrieben, um jede Arbeits-Doppelkugelschiene an einer Referenzmarke auf der optischen Skala vorbeifahren zu lassen und die Mittenabstandsfunktion zu initiieren. Im Referenzsystemschritt S02 wird das Referenzkoordinatensystem {R} der Maschine entsprechend den Einstellparametern bzw. den geladenen Einstellwerten aufgebaut. Der Raumlagen-Messmechanismus 300d kann auch verwendet werden um eine Messung an der Maschine durchzuführen und um das Referenzkoordinatensystem {R} aufzubauen. In einer Ausführungsform werden zwei Motoren nacheinander zur Positionierung angetrieben. Der Raumlagen-Messmechanismus misst eine Orientierung, eine Position oder beides einer Antriebsachse. Aus den beiden identifizierten Maschinenachsen kann das Referenzkoordinatensystem {R} oder das Maschinenkoordinatensystem mit Hilfe des Vektorprodukts der identifizierten Achsvektoren aufgebaut werden. Nachdem das Referenzkoordinatensystem {R} bekannt ist, wird eine Koordinatentransformation ^RT_B zwischen dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} und dem Referenzkoordinatensystem {R} erstellt, siehe 6, und eine anfängliche Referenzlage P_r und anfängliche Position-Kompensationswerte für die Motoren erhalten. Das Werkzeugplattform-Koordinatensystem wird durch {Po} dargestellt und auch als anfängliches Werkzeugplattform-Koordinatensystem {Po} bezeichnet, wobei die Koordinatentransformation ^BT_P
0 zwischen dem Werkzeugplattform-Koordinatensystem {Po} und dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} durch Ausführen einer Direkt- oder Vorwärts-Kinematiktransformation des Rücklagen-Messmechanismus 300d erhalten wird. Die Koordinatentransformation $^{P_{0}} T_{T_{0}}$
zwischen dem Koordinatensystem der Werkzeugspitze {To} und dem Koordinatensystem der Werkzeugplattform {Po} ist konstant und kann nach der Werkzeugkalibrierung bekannt sein. Daher kann die Koordinatentransformation ^BT_T
0 zwischen dem Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {To} und dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} erhalten werden durch ^BT_T
0 $^{B} T_{P_{0}} \cdot^{P_{0}} T_{T_{0}} .$
Die Koordinatentransformation ^RT_T
0 zwischen dem Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {T₀} und dem Referenz-Koordinatensystem {R} ergibt sich aus ^RT_T
0 = ^RT_B · ^BT_T
0.
Wenn es sich bei der DPF-gesteuerten Maschine um eine Werkzeugmaschine mit drei linearen Achsen handelt, kann die Werkzeugmaschine im Referenzsystemschritt S02 auf Positionen in der X-, Y- und Z-Achse gefahren werden. Der Raumlagen-Messmechanismus 300d misst eine Vielzahl von Positionierpunkten. Durch eine Verarbeitung dieser Messpunkte können drei Achsvektoren x_act, y_act und z_act gewonnen werden, welche die drei Ist-Achsen der Werkzeugmaschine repräsentieren. Aus den Achsvektoren x_act, y_act und z_act kann ein ideales Maschinenkoordinatensystem aufgebaut werden. So wird z. B. der Achsvektor x_act als ideale X-Achse x_ideal definiert. Anschließend erhält man die ideale Z-Achse z_ideal als Vektorprodukt von x_act und yact, es gilt z_ideal = x_act × y_act. Schließlich erhält man die ideale Y-Achse y_ideal als Vektorprodukt von z_ideal und x_ideal, es gilt y_ideal = z_ideal × x_ideal. Mit den drei senkrecht zueinander stehenden Achsen x_ideal, y_ideal und z_ideal lässt sich das ideale Maschinenkoordinatensystem bzw. das Referenzkoordinatensystem {R} definieren. Die Koordinatentransformation vom Referenzkoordinatensystem {R} in das Basisplattformkoordinatensystem {B} ist ^RT_B, und die inverse Koordinatentransformation vom Basisplattformkoordinatensystem {B} in das Referenzkoordinatensystem {R} ist ^BT_R = ^RT_B ^-1 .
Wenn es sich bei der DPF-gesteuerten Maschine um einen Roboterarm 11a in 2 oder 11b in 3 handelt, kann das Referenzkoordinatensystem {R} durch Verwendung des Raumlagen-Messmechanismus 300a oder 300b aufgebaut werden, um die tatsächliche Drehachse des ersten und des zweiten Gelenks zu identifizieren. Das Referenzkoordinatensystem {R} des Roboterarms 11a oder 11b kann auf der Grundlage der beiden identifizierten Achsen aufgebaut werden, wobei die Koordinatentransformation ^RT_B zwischen dem Referenzkoordinatensystem {R} und dem Koordinatensystem der Basisplattform {B} abgeleitet wird. Es gilt zu beachten, dass ^BT_R = ^RT_B ^-1.
Wie in 7 gezeigt, kann der Interpolator 222d einen Bahninterpolator 2221d und einen Orientierungsinterpolator 2222d enthalten. Der Feed-Scheduler 223d wird verwendet, um die Beschleunigung und die Bremsung entlang eines Einstellweges zu planen. Der Interpolator 222d erzeugt in Echtzeit eine Soll-Raumlage Ps, d. h. Ps = (X, Y, Z, α, β, γ)s^T, wobei durch (X, Y, Z) die Soll-Position der Werkzeugspitze und durch (α, β, γ) die Orientierung des Einstellwerkzeugs, z. B. der drei Rotationswinkel, dargestellt werden. Dann wird die inverse kinematische Transformation verwendet, um den entsprechenden Position-Einstellungsvektor θs = (θ₁,_S, θ₂,_s, θ₃,_S, θ₄,_s, θ₅,_S, θ₆,_s)^T für jeden Gelenkmotor zu berechnen. Da das Werkzeug auf der Werkzeugplattform fixiert ist, gilt das die Koordinatentransformation $^{P_{0}} T_{T_{0}}$
zwischen dem Koordinatensystem der Werkzeugspitze {To} und dem Koordinatensystem der Werkzeugplattform {Po} konstant ist. Die n-te Koordinatentransformation $^{P_{n}} T_{T_{n}}$
zwischen dem Ist- Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {T_n} und dem Ist-Werkzeugplattform- Koordinatensystem {P_n} ist gleich der anfänglichen, wie in Gleichung (3) gezeigt. Eine Koordinatentransformation ^RT_T
n,a zwischen dem Ist-Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {T_n} und dem Referenz-Koordinatensystem {R} kann wie folgt aus Gleichung (4) erhalten werden: $^{P_{n}} T_{T_{n}} =^{P_{0}} T_{T_{0}}$
$^{R} T_{T_{n, a}} =^{R} T_{B} \cdot^{B} T_{P_{n}} \cdot^{P_{n}} T_{T_{n}}$
$=^{R} T_{B} \cdot^{B} T_{P_{n}} \cdot^{P_{0}} T_{T_{0}}$
In Gleichung (4) wird die Koordinatentransformation ^BT_P
n zwischen dem Ist-Werkzeugplattform-Koordinatensystem {Pn} und dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} durch den Raumlage-Messmechanismus 300d gemessen. Durch Gleichung (4) kann das Ist-Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {T_n} in das Referenz-Koordinatensystem {R} transformiert werden, um die Ist-Raumlage P_A des Werkzeugs zu erhalten, wobei gilt P_A = (X, Y, Z, α, β, γ)s^T. Die Koordinatentransformation zwischen dem Ist-Werkzeugspitzen-Koordinatensystem {T_n} und dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} kann dargestellt werden durch ^BT_T
n Die Koordinatentransformation zwischen dem Encoder-definierten Werkzeug-Raumlagen-Koordinatensystem {Tn,enc} und dem Referenz-Koordinatensystem {R}, wird dargestellt durch ^RT_T
n,enc.
Der Ist-Positionsfehler E_a kann aus der Soll-Position Ps und der gemessenen Ist-Raum lage P_A ermittelt werden, wobei E_a = P_S- P_A = (ΔX, ΔY, ΔZ, Δα, Δβ, Δγ)A^T. Da die kinematischen Vorwärts- und Rückwärtstransformationen des Raumlage-Messmechanismus 300d sehr kompliziert sind und die kinematischen Vorwärts- und Rückwärtstransformationen des Roboterarms 11d ebenfalls viel Zeit benötigen, kann die Rechenzeit zur Ermittlung des tatsächlichen Raumlage-Fehlers zu groß sein, um in der Echtzeit-Positionsrückkopplungssteuerung implementiert zu werden. In der Raumlage-Kompensationssteuerung 92 des DPF-Steuerungsverfahrens der vorliegenden Offenbarung werden drei Werkzeuglagen definiert, die Ist-Raumlage P_A, die Encoder-definierte Raumlage P_E und die Soll-Raumlage Ps, wie in 6 gezeigt. Die Encoder-definierte Raumlage P_E ist eine Raumlage, welche durch einen idealen Roboterarm mit den gemessenen Encoder- oder Gelenkwerten definiert ist. Der Encoder-Wert θ_i,E des i-ten Gelenks kann durch Subtraktion des Position-Kompensationswerts θ_i,comp des i-ten Gelenks vom Ist-Positionswert θ_i,enc des i-ten Gelenks erhalten werden, es gilt θ_i,E = θ_i,enc - θ_i,comp. Die im Block 225d ausgeführte kinematische Vorwärtstransformation (FKT) des Encoder-Vektors θ_E = (θ_1,E, θ_2,E, θ_3,E, θ_4,E, θ_5,E, θ_6,E)^T ergibt die Encoder-definierte Raumlage, wobei gilt P_E = (X, Y, Z, α, β, γ)E^T. Die Differenz zwischen der Encoder-definierten Raumlage P_E und der Ist-Raumlage P_A ist als Bindungs-Raumlage-Fehler definiert P_I, wobei gilt E_I = P_E - P_A = (ΔX, ΔY, ΔZ, Δα, Δβ, Δγ)I^T. In der Raumlage-Kompensationssteuerung 92 der vorliegenden Offenbarung werden der Position-Kompensationswert θ_i.comp und der Position-Kompensationsvektor θ_comp = (θ₁,_comp, θ_2,comp, θ_3,comp, θ_4,comp, θ_5,comp, θ_6,comp)^T aus dem Bindungs-Raumlage-Fehler E_I gewonnen.
Die Differenz zwischen der Soll-Raumlage P_S und der Encoder-definierten Raumlage P_E ist als folgender Raumlagen-Fehler E_f definiert, wobei E_f = P_S - P_E = (ΔX, ΔY, ΔZ, Δα, Δβ, Δγ)f^T. Die Soll-Raumlage Ps, die Encoder-definierte Raumlage P_E und die Ist-Raumlage P_A können im Referenz-Koordinatensystem {R} oder im Basisplattform-Koordinatensystem {B} beschrieben werden. In der vorgestellten direkten Raumlagen-Rückkopplungssteuerung ist der Raumlagen-Fehler Ef eine Transformation des gemeinsamen Raumlagen-Fehler-Vektors Δθ_f in das Referenzkoordinatensystem {R}, es gilt Δθ_f = θ_s - θ_enc = (θ_1,s - θ_1,enc, θ₂,_s - θ_2,enc, θ_3,s - θ_3,enc, θ_4,s - θ_4,enc, θ_5,s - θ_5,enc, θ_6,s - θ_6,enc)^T.
Ein Hauptmerkmal des DPF-Regelverfahrens der vorliegenden Offenbarung ist, dass die bestehende Position-Rückkopplungssteuerung 91 weiterhin mit dem Gelenkfolge-Raumlagen-Fehlervektor Δθ_f arbeitet, welcher zum Folge-Raum lagen-Fehler Ef beiträgt, während die erweiterte Raumlagen-Kompensationssteuerung 92 mit dem Bindungs-Raumlagen-Fehler arbeitet und Position-Kompensationswerte erzeugt, um Einstellwerte in der Position-Rückkopplungssteuerung 91 zu modifizieren, dabei gilt θ_comp = (θ_1,comp, θ₂,_comp, θ₃,_comp, θ₄,_comp, θ₆,_comp, θ₆,_comp)^T, wodurch ein schnelles DPF-Regelverfahren ohne Totzeitproblem erreicht wird.
In der Raumlage-Kompensationssteuerung 92 kann die Ziel-Raumlage für die Kompensation entsprechend dem Status des Interpolators 222d gewählt werden, wie in 7 gezeigt. Wenn der Interpolator 222d läuft und neue Einstellwerte für die Motoren erzeugt werden, wird die Encoder-definierte Raumlage P_E als Ziel-Raumlage ausgewählt, wobei der inkrementelle Position-Kompensationsvektor Δθ_comp, für den gilt Δθ_comp = (Δθ_1,comp, Δθ_2,comp, Δθ_3,comp, Δθ_4,comp, Δθ_5,comp, Δθ_6,comp) ^T, ausgewählt wird, beispielsweise aus der Multiplikation der inversen Jacobimatrix J^-1 des Roboterarms 11d und dem Bindungs-Raumlagen-Fehler E_I: $Δ θ_{c o m p} = J^{- 1} \times E_{I}$
Wenn die Soll-Raumlage Ps des Werkzeugs nicht mehr verändert wird und die Einstellwerte für die Motoren unverändert bleiben, wird die Ziel-Raumlage für die Kompensation auf die Soll-Raumlage Ps umgeschaltet, wobei der inkrementelle Position-Kompensationsvektor Δθ_comp wie folgt aus dem Ist-Raumlagen-Fehler E_a berechnet werden kann: $Δ θ_{c o m p} = J^{- 1} \times E_{a}$
In 7 wird der inkrementelle Position-Kompensationsvektor Δθ_comp mit Hilfe der inversen Jacobimatrix J^-1 gelöst, wie in den Gleichungen (5) und (6) gezeigt. Ein Iterationsprozess kann auch verwendet werden, um ein genaueres Ergebnis zu erhalten.
8 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Implementierung des DPF-Regelverfahrens gemäß der Ausführungsform von 5. Die inverse kinematische Transformation (IKT) des Roboterarms 11d wird im Block 224d ausgeführt. Die äquivalente Ist-Position θ_i,α jeder der Motoren kann mit Hilfe der gemessenen Ist-Raumlage berechnet werden, wobei der äquivalente Ist-Positionsvektor θ_α durch θa = (θ_1,a, θ_2,a, θ_3,a, θ_4,a, θ₅,_a, θ_6,a)^T dargestellt wird. Anschließend wird eine Ziel-Raumlage wie oben beschrieben ausgewählt, z. B. die Encoder-definierte Raumlage in 8. Der Position-Kompensationswert θ_i,comp jedes der Motoren wird vom Ist-Positionswert θ_i,enc jedes der Motoren subtrahiert, um den Encoder-Wert 0_i,_E der Encoder-definierten Raumlage P_E zu erhalten, wobei gilt 0_i,_E = θ_i,enc - θ_i,comp. Dann wird die äquivalente Ist-Position jedes der Motoren ebenfalls subtrahiert, um den neuen inkrementellen Position-Kompensationswert Δθ_i,comp des i-ten Motors zu erhalten: $Δ θ_{i, comp} = θ_{i, enc} - θ_{i, comp} - θ_{i, a} i = 1..6$
Nachdem man den inkrementellen Position-Kompensationsvektor Δθ_comp erhalten hat, kann der neue Position-Kompensationswert eines Motors aktualisiert werden, indem der neue inkrementelle Position-Kompensationswert zu dem aktuell wirksamen addiert wird, wie in Gleichung 8 gezeigt: $θ_{i, comp} [kT] = θ_{i, comp} [kT - T] + Δ θ_{i, comp} [kT]$
Der neue Position-Kompensationswert θ_i,comp[kT] bleibt bis zur nächsten Aktualisierung wirksam. Der Block 226d in 7 und 8 stellt die Verzögerungszeit zur Aktualisierung des neuen Position-Kompensationswertes dar.
Siehe 7, 8 und 10, wo die Positionssteuerung 911 der Position-Rückkopplungssteuerung 91 derselbe ist wie die Kompensationssteuerung 921. Die Übertragungsfunktion der Positionssteuerung 911 ist in 7, 8 und C(s) in 10 dargestellt. In 7, 8 und 10 wird der Position-Kompensationswert θ_i,comp zur Korrektur des Sollwertes θ_i,s verwendet, wobei die Differenz zwischen dem modifizierten Sollwert θ_i,s und dem Ist-Positionswert θ_i,enc zur Erzeugung des primären Antriebwertes kv· (θ_i,s - θ_i,enc) und des Kompensation-Antriebswertes kv · θ_i,s verwendet wird. Der Geschwindigkeitsbefehl für den i-ten Treiber des Motors ist die Summe aus dem primären Antriebswert und dem Kompensation-Antriebswert: $v_{cmd, i} = k_{v} \cdot (θ_{i, s} + θ_{i, comp} - θ_{i, enc})$
Wenn die Totzeit, welche sich aus der oben erwähnten Berechnung der Ist-Raumlage ergibt, kein Problem darstellt, kann der Gelenkfolge-Raumlagefehler-Vektor Δθ_t direkt aus dem Ist-Raumlage-Fehler E_a mit Δθ_t = J^-1 × E_a, berechnet werden, wobei Δθ_t = (θ₁,_s - θ₁,_a θ₂,_s - θ_2,a, θ_3,s - θ_3,a, θ₄,_s - θ_4,a, θ₅,_s - θ_5,a θ₆,_s - θ₆,_a). Die Positionsrückkopplungssteuerung eines Gelenks kann z. B. mit einem p-Regler k_v realisiert werden. Der Antriebswert des i-ten Motors ist dann: v_cmd,_i = kv × (θ_i,s - θ_i,a). Um das Problem der Totzeit zu vermeiden, wird in einer Ausführungsform des DPF-Steuerungsverfahrens zuerst die Echtzeit-Positionsrückkopplungssteuerung und dann die Raumlagen-Kompensationssteuerung durchgeführt. Nachdem die Position-Kompensationswerte und die Kompensation-Antriebswerte in der Raumlage-Kompensationssteuerung berechnet wurden, werden die Kompensation-Antriebswerte für die Motoren in den nächsten Unterbrechungszyklus gesendet. In einer anderen Ausführungsform des DPF-Regelverfahrens wird eine Proportionalsteuerung für die Kompensationssteuerung und die Positionssteuerung verwendet, wie in 10 gezeigt, wobei der neue Einstellwert durch den Position-Kompensationswert des vorherigen Abtastzyklus modifiziert wird. Die Summe aus dem primären Antriebswert und dem Kompensation-Antriebswert v_cmd,_i [kT] ergibt sich wie folgt: $v_{cmd, i} [kT] = k_{v} \cdot (θ_{i, s} [kT] + θ_{i, comp} [kT - T] - θ_{i, enc} [kT])$
Siehe 9, dort hat die Position-Rückkopplungssteuerung 91 eine Positionssteuerung, dargestellt durch den Block 911, und eine Übertragungsfunktion C(s). Die Raumlagesteuerung 92 hat einen eigenen Kompensationssteuerung, z. B. einen P- oder PID-Regler, dargestellt durch den Block 921, und eine Übertragungsfunktion CC(s). Der Vorteil ist, dass die bestehende Bewegungssteuerung, z. B. der Feed-Forwards-Regler (FF) oder der Cross-Coupling-Regler (CCC), unverändert bleiben. In einer Ausführungsform ist die Kompensationssteuerung 921 eine Proportionalsteuerung mit der Verstärkung k_vc. Die Positionssteuerung 911 ist ebenfalls ein Proportionalsteuerung mit der Verstärkung k_v. Somit ergibt sich die Summe aus dem primären Antriebswert und dem Kompensation-Antriebswert wie folgt: $v_{cmd, i} [kT] = k_{v} \cdot (θ_{i, s} - θ_{i, enc}) + k_{vc} \cdot θ_{i, comp}$
Da die geometrischen und thermischen Fehler einer Maschine langsam variieren, kann die Zykluszeit der Raumlage-Kompensationssteuerung viel größer sein als die der Positionsrückkopplungssteuerung. In einer Ausführungsform beträgt die Zykluszeit für die Positionsrückkopplungssteuerung 1 ms und die Zykluszeit für die Raumlage-Kompensationssteuerung 500 ms. Eine Trennung der Positionsrückkopplungssteuerung und der Raumlage-Kompensationssteuerung in der DPF-Steuerungsmethode vermeidet Effekte der Totzeit in der DPF-Steuerungsmethode.
Die gemessene Ist-Raumlage des Werkzeugs enthält alle Informationen über die Maschine. Durch eine Frequenzanalyse der Ist-Raumlage in der Steuerung können dynamische Informationen der DPF-gesteuerten Maschine gewonnen werden. In einer Ausführungsform wird, um sich auf die Kompensation der kinematischen Fehler der Maschine zu konzentrieren, ein Tiefpassfilter verwendet, um dynamische Schwingungssignale der Maschinenstruktur im Position-Kompensationswert herauszufiltern.
11 zeigt eine schematische Darstellung eines Raumlagen-Messmechanismus 300c gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Basisplattform 310c befindet sich an der Oberseite und die Werkzeugplattform 320c befindet sich an der Unterseite. Die Sockel B₁ bis B₆ der Basisplattform 310c sind asymmetrisch auf dem vorderen Halbkreis verteilt, wobei die Sockel P₁ bis P₆ der Basisplattform 310c entsprechend verschoben sind, um eine Störung zwischen den Arbeits-Doppelkugelschienen 330c und dem Maschinenkörper zu verhindern. Diese Kugelgelenkkonfiguration ermöglicht das Be- und Entladen des Werkstücks von der vorderen und der seitlichen Seite. Durch die asymmetrische Anordnung der Sockel B₁ bis B₆ und P₁ bis P₆ können die Arbeits-Doppelkugelschienen 330c einen unterschiedlichen Messbereich aufweisen.
Weitere Variationen, welche nicht von der vorliegenden Offenbarung abweichen, können von Fachleuten vorgenommen werden. Beispielsweise kann die Werkzeugplattform oder die Basisplattform integral mit dem Maschinenkörper ausgebildet sein. Weiterhin kann das Gerüst für die inverse Anordnung des Raumlagenmesswerks durch eine andere Stützstruktur ersetzt werden. Die Arbeits-Doppelkugelschienen können einen anderen Aufbau haben und die Sockel auf der Werkzeugplattform oder der Basisplattform können durch Kugeln ersetzt werden, wobei die paarigen Kugelgelenkglieder auf den Kugelstangen Sockel sind. Das gesamte oder ein Teil des Raumlagen-Messmechanismus kann geschützt werden, um eine Verunreinigung der Schneidflüssigkeit oder des Kühlmittels zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5681981 A [0005]
US 6226884 [0005]
US 6662461 B2 [0005]
US 7810248 B2 [0005]
US 10775147 B2 [0005]
TW I585363 B [0006]
US 10209048 B2 [0006]

Claims

Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung, welches auf eine durch direkte Raumlagen-Rückkopplung gesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) angewendet wird, wobei die durch direkte Raumlagen-Rückkopplung gesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) einen Maschinenkörper, eine Steuerung (200b), eine Vielzahl von Motoren (800b), einen Raumlage-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d) und ein Werkzeug (6, 6a, 6b) umfasst, wobei der Raumlagen-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d) zwischen einer Werkstückseite und einer Werkzeugseite des Maschinenkörpers angeordnet ist und eine werkzeugseitig angeordnete Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c), eine Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c), welche werkstückseitig angeordnet ist, mindestens sechs Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c), welche mit der Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) und der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) verbunden sind, eine Referenzplatte (500, 500a, 500b) und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b), welche auf der Referenzplatte (500, 500a, 500b) angeordnet ist, umfasst, wobei das Verfahren zur direkten Raumlagen-Rückkopplungssteuerung zusätzlich zu einer Position-Rückkopplungssteuerung (91) eine Raumlage-Kompensationssteuerung (92, 93) umfasst, wobei die Raumlage-Kompensationssteuerung (92, 93) umfasst: einen Initiierungsschritt (S01), bei dem eine Mittenabstandsfunktion der mindestens einen Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b), eine Mittenabstandsfunktion jeder der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) und eine Koordinatentransformation zwischen einem Werkzeugplattform-Koordinatensystem {P0} und einem Basisplattform-Koordinatensystem {B} erzeugt werden; einen Referenzsystemschritt (S02), bei dem eine Koordinatentransformation (^TR_B) zwischen dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} und einem Referenzkoordinatensystem {R} gemäß Einstellparametern, geladenen Einstellwerten oder Ergebnissen einer maschinennahen Messung erzeugt wird; einen Schritt (S03) zur Berechnung der Ist-Raumlage, wobei Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) und der Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) und Motorpositionen in Echtzeit von der Steuerung (200b) gelesen werden, wobei thermische Fehler der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) basierend auf dem Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) kompensiert werden, wobei eine direkte kinematische Transformation des Raumlage-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d) durchgeführt wird und eine Ist-Raumlage (P_A) und ein Raumlage-Fehler des Werkzeugs berechnet werden; und einen Position-Kompensationsschritt (S04), wobei ein Position-Kompensationswert (θ_i,_comp, θ₁,_comp ~ θ₆,_comp) für jeden der Motoren (800b) aus einer Ziel-Raum lage für die Kompensation und der Ist-Raumlage (P_A) erhalten wird, wobei für jeden der Motoren (800b) durch eine Kompensationssteuerung (921) ein Kompensation-Antriebswert gemäß dem Position-Kompensationswert (θ_i,comp , θ₁,_comp ~ θ_6,comp) erzeugt wird, wobei eine Positionssteuerung (911) einen primären Antriebswert gemäß einem Sollwert (θ_i,s , θ₁,_s ~ θ₆,_s) und einem Ist-Positionswert (θ_i,enc , θ_1,end ~ θ_6,enc) erzeugt, wobei die Summe des primären Antriebswerts und des Kompensation-Antriebswerts an einen entsprechenden Antrieb (240b) ausgegeben wird, wobei der Position-Kompensationswert (θ_i,comp , 0_1,comp - θ_6,comp) wirksam ist, bis er durch die Raumlage-Kompensationssteuerung (92, 93) aktualisiert wird.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei eine Zykluszeit der Raumlagen-Kompensationssteuerung (92, 93) größer oder gleich einer Zykluszeit der Position-Rückkopplungssteuerung (91) ist.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die Ziel-Raumlage für die Kompensation eine Encoder-definierte Raumlage (P_E) oder eine Soll-Raumlage (P_s) ist.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei eine inverse Jacobi-Matrix (J^-1) verwendet wird, um einen inkrementellen Position-Kompensationswert (Δθ_i,_comp , Δθ_1,comp - Δθ₆,_comp) der Motoren (800b) zu erhalten.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei ein inkrementeller Position-Kompensationswert (Δθ_i,comp , Δθ_1,comp ~ Δθ₆,_comp) der Motoren (800b) durch Subtraktion einer äquivalenten Ist-Position (θ_i,a , Δθ₁,_a ~ Δθ_6,a) und des Position-Kompensationswertes (θ_i,comp , θ_1,comp ~ θ_6,comp) von dem Ist-Positionswert (θ_i,enc , θ_1,enc ~ θ_6,enc) erhalten wird.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die Kompensationssteuerung (921) ein P- oder PID-Regler ist.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die Kompensationssteuerung (921) und die Positionssteuerung (911) dieselbe sind.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei ein Tiefpassfilter verwendet wird, um Schwingungssignale im Position-Kompensationswert (θ_i,comp , θ_1,comp ~ θ_6,comp) herauszufiltern.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei in dem Initiierungsschritt (S01) mindestens einer der Motoren (800b) angetrieben wird, um jeder der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) zu ermöglichen, eine Referenzmarke auf einer optischen Skala zu passieren und die zentrale Abstandsfunktion jedes der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) zu initiieren.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die maschinenseitige Messung umfasst: Positionieren von mindestens zwei der Motoren (800b) nacheinander; Verwenden des Raumlage-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d), um eine Orientierung und einen Ort einer Antriebsachse zu identifizieren; Aufbau des Referenzkoordinatensystems {R} basierend auf identifizierten Achsenvektoren; und Erzeugung der Koordinatentransformation (^RT_B) zwischen dem Basisplattform-Koordinatensystem {B} und dem Referenzkoordinatensystem {R}.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei in dem Position-Kompensationsschritt (S04) ein Iterationsprozess durchgeführt wird, um einen inkrementellen Position-Kompensationswert (Δθ_i,comp, Δθ_1,comp ~ Δθ_6,comp) für jeden der Motoren (800b) zu erhalten.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt (S03) zur Berechnung der Ist-Raumlage thermische Fehler von Sockeln (B1~B6, P1-P6) oder Kugelgelenken auf der Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) und der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) basierend auf dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelsschiene (400, 400a, 400b) kompensiert werden.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die Verschiebungswerte der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) durch ein Triggersignal gespeichert werden und zur Berechnung einer Position einer Messkugel verwendet werden.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) ferner ein Gerüst (13b) oder eine Stützstruktur zum Fixieren der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) umfasst und in dem Schritt (S03) zur Berechnung der Ist-Position ein thermischer Fehler des Gerüsts (13b) oder der Stützstruktur, basierend auf dem gemessenen Verschiebungswert der Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) oder der gemessenen Temperaturen einer Umgebung des Gerüsts (13b) oder der Stützstruktur, kompensiert wird.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt (S03) zur Berechnung der tatsächlichen Raumlage ein thermischer Fehler einer Länge des Werkzeugs (6, 6a, 6b) auf der Grundlage des Verschiebungswerts der Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) kompensiert wird.
Verfahren für eine direkte Raumlage-Rückkopplungssteuerung nach Anspruch 1, wobei eine Frequenzanalyse der Ist-Raumlage (P_A) des Werkzeugs (6, 6a, 6b) in der Steuerung (200b) durchgeführt wird, um dynamische Informationen der durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerten Maschine (10, 10a, 10b) zu erhalten.
Eine durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine (10, 10a, 10b), umfassend einen Maschinenkörper und ein Werkzeug (6, 6a, 6b); eine Vielzahl von Motoren (800b), welche auf dem Maschinenkörper angeordnet sind, eine Steuerung (200b), welche so konfiguriert ist, dass sie das Werkzeug (6, 6a, 6b) antreibt, um es relativ zu einem Werkstück (110, 110a, 110b) zu bewegen; und einen Raumlagen-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d), welcher zwischen einer Werkstückseite und einer Werkzeugseite des Maschinenkörpers angeordnet ist, umfassend eine Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c), welche an der Werkzeugseite angeordnet ist; eine Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c), welche an der Werkstückseite angeordnet ist; mindestens sechs Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c), welche über Kugelgelenke mit der Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) und der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) verbunden sind; eine Referenzplatte (500, 500a, 500b), welche mindestens zwei Dreipunkt-Stützsockel umfasst; und mindestens eine Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b), welche auf den Dreipunkt-Stützsockeln angeordnet ist; wobei die Steuerung (200b) thermische Fehler des Raumlagen-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d) basierend auf dem Verschiebungswert der mindestens einen Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) kompensiert, den Raumlagen-Messmechanismus (300, 300a, 300b, 300c, 300d) verwendet, um eine tatsächliche Position (P_A) des Werkzeugs (6, 6a, 6b) und einen Werkzeugpositionsfehler zu erhalten, wobei ein Position-Kompensationswert (Δθ_i,comp, Δθ_1,comp ~ Δθ₆,_comp) und ein Kompensation-Antriebswert für jeden der Motoren (800b) erzeugt wird, um den Werkzeugpositionsfehler zu eliminieren.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, die ferner umfasst: einen Hauptspindelblock (15), welcher an dem Maschinenkörper angeordnet ist; und eine Hauptspindel (5), welche an dem Hauptspindelblock (15) befestigt ist; wobei die Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) an dem Hauptspindelblock (15) oder der Hauptspindel (5) befestigt ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei die durch direkte Raumlage-Rückkopplung gesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) eine mehrachsige Werkzeugmaschine, ein Mehrgelenk-Roboterarm oder eine Parallelkinematikmaschine ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei das Werkzeug (6, 6a, 6b) ein Schneidwerkzeug, ein Messtaster, ein Berührungstaster, ein konfokaler Sensor, ein Wegmesslaser oder eine optische Messeinrichtung ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei das Werkzeug (6, 6a, 6b) ein Triggersignal bereitstellt, um den Verschiebungswert jedes der Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) gleichzeitig zu speichern.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, ferner umfassend eine Referenzkugel (131b), welche auf der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) oder einem Arbeitstisch (12a, 12b) angeordnet ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, ferner umfassend eine Werkzeuglängenmessvorrichtung, welche auf der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) oder einem Arbeitstisch (12a, 12b) angeordnet ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei die Kugelgelenke der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) oder der Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) asymmetrisch angeordnet sind.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei die Kugelgelenke der Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) und der Werkzeugplattform (320, 320a, 320b, 320c) an einem Material befestigt sind, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 ppm/°C aufweist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, welche ferner ein Gerüst (13b) oder eine Stützstruktur umfasst, um die Basisplattform (310, 310a, 310b, 310c) so zu befestigen, dass das Werkzeug (6, 6a, 6b) nicht von den Arbeits-Doppelkugelschienen (330, 330a, 330b, 330c) umgeben ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei die Steuerung (200b) ein Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk (230b) zum Empfangen und zum Senden von Steuerinformationen umfasst.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 27, wobei EtherCAT das Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk (230b) ist.
Direkte Raumlage-Rückkopplungsgesteuerte Maschine (10, 10a, 10b) nach Anspruch 17, wobei ein Verschiebungssensor jeder Arbeits-Doppelkugelschiene (330, 330a, 330b, 330c) und der Referenz-Doppelkugelschiene (400, 400a, 400b) ein Laserinterferometer, ein optischer Maßstab oder ein magnetischer Maßstab ist.