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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Werkzeugmaschinen und insbesondere
die Messung von Position, Maßen,
Orientierung und anderen räumlichen Eigenschaften
verschiedener Elemente der Werkzeugmaschine und zugehöriger Werkstücke. Spezielle
Anwendung findet die Erfindung bei der Messung von räumlichen
Eigenschaften einer Schleifscheibe in einer computergestützten numerisch
gesteuerten Schleifmaschine, und es ist zweckmäßig, die Erfindung in Verbindung
mit dieser exemplarischen Anwendung zu beschreiben. Verständlich sollte
aber sein, daß die
Erfindung nicht nur auf diese Anwendung beschränkt ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Moderne
computergestützte
numerisch gesteuerte (CNC) Werkzeugmaschinen können komplexe Teile auf Toleranzen
im Mikrometerbereich bearbeiten. Um Teile mit dieser Genauigkeit
herzustellen, ist es notwendig, die genauen Maße des Schneidwerkzeugs oder
der Schleifscheibe sowie des Werkstücks zu kennen.
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Zur
Messung von Werkstückmaßen und
-orientierung ist der Einsatz elektrischer Präzisionskontaktsonden in der
Werkzeugmaschinenindustrie inzwischen weit verbreitet. Normalerweise
ist die Sonde an der Werkzeugmaschine angeordnet und erzeugt ein
binäres
Kontaktsignal, wenn eine bestimmte Ablenkung auftritt. Danach kann
die Sonde in der Größenordnung
von 10 mm nachlaufen, damit die Werkzeugmaschinenachsen bis zum
Stillstand verlangsamen können.
Mehrere Verfahren zum Erfassen der mechanischen Ablenkung werden
in unterschiedlichen Arten von Sonden verwendet. Zu bekannten Verfahren
zählen
das Schließen
einer elektrischen Schaltung, Öffnen
eines Schalters, Unterbrechen eines Laserstrahls und Verwenden eines Kraftsensors
mit Dehnmeßstreifen
in der Sonde.
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Die
Technologie elektrischer Sonden funktioniert recht gut, hat aber
die folgenden Nachteile: Erstens sind Sonden dieser Art aufgrund
der Forderung nach hoher Positions- und Umgebungsrobustheit relativ
teuer. Zweitens benötigen
Sonden dieser Art eine elektrische Verbindung mit der Steuereinheit
der Werkzeugmaschine, um das Kontaktsignal zu übertragen. Dies ist ein großer Nachteil,
wenn die Sonde im Verlauf von Bearbeitungsvorgängen aus der Werkzeugmaschine
entfernt werden muß.
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Außerdem sind
derzeitige Sondentechnologien zur Verwendung in einer Reihe von
Anwendungen ungeeignet, in denen die räumlichen Eigenschaften von
Werkzeugmaschinenelementen gemessen werden müssen. Beispielsweise ist es
in einer CNC-Schleifmaschine
notwendig, die genauen Maße der
Schleifscheibe zu kennen, damit das Werkstück mit gleichen oder besseren
Genauigkeitswerten bearbeitet werden kann. Gleichwohl ist die Messung
der Schleifscheibenmaße
durch mehrere Faktoren erschwert. Erstens ist die Oberfläche einer
Schleifscheibe sehr rauh. Die reale Oberfläche, die zum Bearbeiten des
Werkstücks
wirkt, ist die Hüllkurve
aller vorragenden Schleifkörner
bei Drehung der Scheibe. Zweitens ändern sich die Maße einer
Scheibe infolge von Zentrifugalkräften aufgrund ihrer Drehung.
Möglich
ist, Schleifscheiben mit Hilfe von Computervisionstechniken extern
zu vermessen, aber diese Technik ist kostspielig und führt wegen
des Fehlabgleichs von Scheibenreferenzwerten zwischen der Schleifmaschine
und der Meßmaschine
zusätzliche
Fehler ein.
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Wichtig
ist auch, das Scheibenprofil (d. h. den Toroidradius) der Schleifscheibe
zu messen. Dabei handelt es sich um die Mischfläche zwischen zwei konischen
Teilstücken
der Schleifscheibe und zwischen einem zylindrischen Teilstück und einem
konischen Teilstück.
Normalerweise erfolgt durch dieses Teilstück der Schleifscheibe der Großteil des
abschließenden
Flächenschleifens.
Sehr wahrscheinlich ist dieses Teilstück kein exakter Toroid, sondern eine
undefinierte Mischkurve. Möglich
ist, die Maße und
räumlichen
Eigenschaften von Schleifscheiben und Werkzeugmaschinen mit Hilfe
eines Lasers zu messen, aber diese Technik ist sowohl teuer als
auch zeitraubend.
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Somit
besteht Bedarf an der Bereitstellung eines Verfahrens zur Messung
einer oder mehrerer räumlicher
Eigenschaften eines Werkzeugmaschinenelements, das robust, einfach
zu realisieren, billig und schnell ist. Zudem besteht Bedarf an
der Bereitstellung eines Verfahrens zur Messung einer oder mehrerer
räumlicher
Eigenschaften eines Werkzeugmaschinenelements, das einen oder mehrere
Nachteile bekannter Meßverfahren
für räumliche
Eigenschaften mildert oder überwindet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Erfassen von Kontakt
zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil in einer computergestützten numerisch
gesteuerten Maschine bereit, wobei die Position des ersten Teils
und/oder des zweiten Teils durch einen oder mehrere Servomechanismen gesteuert
wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Veranlassen,
daß das
erste Teil und/oder das zweite Teil zum anderen angetrieben wird;
Überwachen
eines Fehlersignals in einem der Servomechanismen; und
Detektieren,
wann das Fehlersignal einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
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In
einem diese Merkmale aufweisenden Verfahren wird eine Präzisionskontaktsonde
emuliert, indem ein Fehlersignal in einem der Servomechanismen in
der computergestützten
nume risch gesteuerten Maschine detektiert wird, wodurch die Notwendigkeit
einer separaten Kontaktsonde entfällt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung stellt das Fehlersignal den Positionsfehler in einem
der Servomechanismen dar.
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Die
computergestützte
numerisch gesteuerte Maschine kann eine erste Gruppe aus einem oder mehreren
Servomechanismen, die das erste Teil und/oder das zweite Teil zum
anderen antreiben; und eine zweite Gruppe aus einem oder mehreren
anderen Servomechanismen aufweisen, wobei das Fehlersignal in der
zweiten Gruppe von Servomechanismen detektiert wird.
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Ein
Mechanismus der ersten Gruppe von Servomechanismen kann das erste
Teil oder das zweite Teil in einer Kreisbogenbewegung antreiben. Ein
Mechanismus der ersten Gruppe von Servomechanismen kann alternativ
oder ebenfalls das erste Teil und das zweite Teil in einer Linearbewegung
antreiben.
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Ferner
kann das Verfahren das Begrenzen des Richtungsmoments eines Servoverstärkers aufweisen,
der Bestandteil eines der Servomechanismen bildet. Das Richtungsmoment
kann durch Einstellen einer Servoverstärkerrichtung oder eines Stromgrenzwerts
begrenzt werden.
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen der
Erfindung kann das zweite Teil ein Werkstück, eine Schleifscheibe oder
ein Schneidwerkzeug sein. Ähnlich
kann das erste Teil eine mechanische Sonde sein.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen
eines oder mehrerer Maße
eines Arbeitsteils in einer computergestützten numerisch gesteuerten
Maschine bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erfassen
von Kontakt zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil gemäß dem zuvor
beschriebenen Verfahren an zwei oder mehr Stellen auf dem zweiten Teil;
Erfassen
von Positionsdaten des ersten Teils an jeder Stelle; und
Ableiten
eines oder mehrerer Maße
des zweiten Teils aus den erfaßten
Positionsdaten des ersten Teils.
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In
einem diese Schritte aufweisenden Verfahren kann das Fehlersignal
in einem oder mehreren Servomechanismen, die Bestandteil der computergestützten numerisch
gesteuerten Maschine bilden, verwendet werden, um die Maße eines
Arbeitsteils, z. B. einer Schleifscheibe oder eines Schneidwerkzeugs,
oder eines Werkstücks
in der computergestützten
numerisch gesteuerten Maschine zu messen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Positionsdaten des ersten Teils von einem Rückkopplungsmechanismus
erfaßt,
der Bestandteil des einen oder der mehreren Servomechanismen bildet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen
des Profils eines zweiten Teils in einer computergestützten numerisch
gesteuerten Maschine bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erfassen
von Kontakt zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil gemäß dem zuvor
beschriebenen Verfahren an zwei oder mehr Stellen auf einer Oberfläche des
Arbeitsteils;
Erfassen von Positionsdaten des ersten Teils
an jeder Stelle; und
Interpolieren zwischen den erfaßten Positionsdaten des
ersten Teils, um das Oberflächenprofil
des zweiten Teils zu bestimmen.
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In
einem diese Merkmale aufweisenden Verfahren ist es möglich, das
Fehlersignal in einem der Servomechanismen, die Bestandteil der
computergestützten
numerisch gesteuerten Maschine bilden, zu verwenden, um Positionsinformationen
entlang dem Oberflächenprofil
eines Arbeitsteils, z. B. einer Schleifscheibe oder eines Schneidwerkzeugs,
oder Werkstücks
zu erfassen und zwischen den Positionsinformationen zu interpolieren,
um das Oberflächenprofil
dieses Arbeitsteils zu bestimmen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden die Positionsdaten des ersten Teils von einem Rückkopplungsmechanismus
erfaßt,
der Bestandteil des einen oder der mehreren Servomechanismen bildet.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen
des Profils einer Oberfläche
eines zweiten Teils in einer computergestützten numerisch gesteuerten
Maschine bereit, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erfassen
von Kontakt zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil gemäß dem zuvor
beschriebenen Verfahren an einer ersten Stelle auf dem zweiten Teil;
Veranlassen
von Bewegung des ersten Teils entlang einer ersten Bahn über die
Oberfläche
des zweiten Teils;
Erfassen von Positionsdaten des ersten Teils
während
der Bewegung des ersten Teils über
die Oberfläche
des zweiten Teils;
Erfassen von Oberflächenprofildaten aus dem Fehlersignal
im Servomechanismus; und
Bestimmen des Oberflächenprofils
des zweiten Teils aus den erfaßten
Positionsdaten des ersten Teils und den Oberflächenprofildaten.
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In
einem diese Schritte aufweisenden Verfahren ist es möglich, das
Fehlersignal im Servomechanismus zu verwenden, wenn eine mechanische Sonde
oder ein anderes Werkzeugmaschinenelement veranlaßt wird,
sich entlang einer ersten Bahn über
die Oberfläche
eines Arbeitsteils, z. B. einer Schleifscheibe oder eines Schneidwerkzeugs,
oder Werkstücks
zu bewegen, um das Oberflächenprofil dieses
Arbeitsteils zu messen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung kann vor dem Erfassen von Positionsdaten des ersten Teils
und Oberflächenprofildaten
das Verfahren ferner den Schritt des Veranlassens aufweisen, daß der Servomechanismus
um einen vorinstallierten Betrag nachläuft, nachdem Kontakt zwischen
dem ersten Teil und dem zweiten Teil erfaßt wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt bereit: eine mehrachsige computergestützte numerisch gesteuerte
Maschine mit einem oder mehreren Servomechanismen zum Steuern der
Position eines ersten Teils und/oder eines zweiten Teils; und
einer
numerischen Steuervorrichtung zum Steuern des Betriebs der Servomechanismen,
wobei die numerische Steuervorrichtung und die Servomechanismen
ein oder mehrere Steuerlogikelemente zum Durchführen des zuvor beschriebenen
Verfahrens aufweisen.
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Die
Steuerlogikelemente können
mindestens eine Verarbeitungseinheit und ein zugehöriges Speicherbauelement
zum Speichern einer Folge von Befehlen aufweisen, um die Verarbeitungseinheit
zu veranlassen, einen oder mehrere Schritte des zuvor beschriebenen
Verfahrens durchzuführen.
Die Steuerlogikelemente können
ein oder mehrere Digitalsignal-Verarbeitungselemente aufweisen.
Die Steuerlogikelemente können
ein oder mehrere Hardwareelemente aufweisen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt bereit: eine mehrachsige computergestützte numerisch gesteuerte
Schleifmaschine mit einem oder mehreren Servomechanismen zum Steuern
der Position eines ersten Teils und/oder eines zweiten Teils, wobei das
zweite Teil eine Schleifscheibe ist; und einer numerischen Steuervorrichtung
zum Steuern des Betriebs der Servomechanismen, wobei die numerische Steuervorrichtung
und die Servomechanismen ein oder mehrere Steuerlogikelemente zum
Durchführen des
zuvor beschriebenen Verfahrens aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung lediglich durch nicht einschränkende Beispiele anhand der
beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht einer Anzahl von Hauptkomponenten
einer CNC-Schleifmaschine;
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2 bis 4 schematische
Darstellungen der Servomechanismen und Steuersysteme für drei unterschiedliche
Arten von Servomotoren, die geeignet sind, die Maschinenkomponenten
in 1 anzutreiben;
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5 eine
schematische Darstellung einer Servoschleife (Regelkreis) als Veranschaulichung der
Steuerfunktionalität
der Servomechanismen von 2 bis 4;
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6 eine
schematische Seitenansicht einer Schleifscheibe und Spannfutteranordnung
der Schleifmaschine gemäß 1 zusammen
mit einer in der Spannfutteranordnung gehaltenen mechanischen Sonde;
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7 einen
Ablaufplan von Schritten beim Gebrauch der Anordnung gemäß 6 und
der Maschine von 1, um den Betrieb einer elektrischen Sonde
zu emulieren;
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8 einen
Ablaufplan von Schritten beim Gebrauch der Anordnung gemäß 6 und
der Maschine von 1, um die Maße eines Maschinenelements
zu messen;
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9 eine
schematische Seitenansicht einer Schleifscheibe und Spannfutteranordnung
der Schleifmaschine gemäß 1 zusammen
mit einer in der Spannfutteranordnung gehaltenen mechanischen Sonde,
in der das Profil der Schleifscheibe ersichtlich ist;
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10 einen
Ablaufplan von Schritten in einer ersten Ausführungsform zur Verwendung der
Anordnung gemäß 6 und
der Maschine von 1, um das Profil der Schleifscheibe
zu messen;
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11 einen
Ablaufplan von Schritten in einer zweiten Ausführungsform zur Verwendung der Anordnung
gemäß 6 und
der Maschine von 1, um das Profil der Schleifscheibe
zu messen; und
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12 einen
Ablaufplan eines Algorithmus zur Fehlauslösungsunterdrückung, der
zum Einsatz kommt, um falsche Kontaktdetektionen während der Emulation
der elektrischen Sonde zu minimieren.
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Nähere
Beschreibung der Ausführungsformen
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Im
folgenden wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im
Zusammenhang mit Anwendungen beschrieben, die eine CNC-Schleifmaschine
mit fünf
Achsen beinhalten. Gleichwohl sollte beachtet werden, daß die Erfindung
nicht auf diese exemplarische Anwendung beschränkt, sondern auf die Sondenemulation
und Messung räumlicher
Eigenschaften von Schleifscheiben, Schneidwerkzeugen, Werkstücken oder
anderen Elementen von Werkzeugmaschinen anwendbar ist.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer CNC-Schleifmaschine 100 mit fünf Achsen
allgemein gezeigt. Eine Spindelstockanordnung 104 ist an
einem ersten Ende des Betts 102 angeordnet. Die Spindelstockanordnung 104 weist
einen Sattel 106 auf, der auf dem Bett 102 entlang
einer X-Achse beweglich ist. Eine senkrechte Spindelstock-Schlittenanordnung 108 ist
auf dem Sattel 106 entlang der Y-Achse angeordnet. Eine
Spannfutteranordnung 110 ist auf der senkrechten Schlittenanordnung 108 zur
Bewegung entlang einer Z-Achse angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich,
sind die X-, Y- und Z-Achse
orthogonal zueinander.
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Die
Spannfutteranordnung 110 ist mit einem Drehservomotor und
einer Spindel (nicht gezeigt) gekoppelt, so daß ein in den Backen der Spannfutteranordnung 110 angeordnetes
Werkstück
in Richtung A' um
die A-Achse drehbar ist.
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Eine
Revolveranordnung 112 ist ebenfalls auf dem Bett 102 angeordnet.
Eine Schleifscheibe 114 ist an der Revolveranordnung 112 mit
Hilfe eines Drehservomotors und einer Spindel (nicht gezeigt) so angeordnet,
daß die
Schleifscheibe in einer Kreisbewegung angetrieben werden kann. Ein
weiterer Drehservomotor (nicht gezeigt) wirkt so, daß er die Schleifscheibe 114 positioniert,
indem er Bewegung der Schleifscheibe in Richtung C' um die C-Achse der Schleifmaschine
veranlaßt.
Die C-Achse ist parallel zur Z-Achse und orthogonal zur X- und Y-Achse.
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Im
Betrieb Wird das in den Backen der Spannfutteranordnung 110 gehaltene
Werkstück
im Hinblick auf die Schleifscheibe 114 positioniert, indem
der Sattel, die senkrechte Schlittenanordnung 108 und die
Spannfutteranordnung 110 entlang der X-, Y- und Z-Achse
angetrieben werden und indem Drehung des Werkstücks und der Schleifscheibe 114 um
die A- und C-Achse veranlaßt
wird. Die Relativorientierung und -position des Werkstücks und
der Schleifscheibe werden gemäß einem
CNC-Maschinenprogramm
bewegt, um zu bewirken, daß das Werkstück in eine
gewünschte
Form geschliffen wird. Elemente der Steuerung und des Betriebs der CNC-Schleifmaschine 100 werden
anhand von 2 bis 5 erläutert.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden das Werkstück
und die Schleifscheibe in einer Kreisbogenbewegung um die A- und
C-Achse durch eine Anordnung gemäß 2 angetrieben.
In dieser Anordnung wird eine Spindel 200 durch einen Drehservomotor 202 um
die A- und C-Achse angetrieben. Der Drehservomotor 202 wird
durch Strom gesteuert, der von einem Servoverstärker 204 zugeführt wird, der
seinerseits durch eine Servosteuerschaltung 206 gesteuert
wird. Der Servomotor 202 ist mit einem Codierer 208 ausgestattet,
um ein die Winkelspindelposition anzeigendes Positionsrückkopplungssignal
zur Servosteuerschaltung 206 zu führen. Normalerweise hat der
Codierer 208 eine Meßgenauigkeit
von etwa 0,0001° bei
Drehservomotoren und 0,0001 mm bei Linearservomotoren.
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Die
Servosteuerschaltung 206 steuert die Position und Drehzahl
des Servomotors 202. Zur Servosteuerschaltung 206 gehören ein
Mikroprozessor 210 und ein nichtflüchtiger Speicher 212 zum Speichern
einer Folge von Befehlen zum Bewirken, daß eine Folge von Befehlen den
Mikroprozessor 210 veranlaßt, eine gewünschte Steuerfunktionalität durchzuführen. Ferner
kann die Servosteuerschaltung 206 einen flüchtigen
Speicher 214 zum Speichern von Daten, die im Betrieb des
Servomotors 202 erzeugt werden, einen Zähler 216 zum Empfangen von
Im pulssignalen vom Codierer 208 als Anzeige der Winkelposition
der Spindel 200, eine digitale Kommunikationsverbindung 218 zum
Senden von Steuersignalen, um den Betrieb des Servoverstärkers 214 zu
steuern, und ein Kommunikationsmodul 220 aufweisen. Das
Kommunikationsmodul 220 erleichtert die Kommunikation der
Servosteuerschaltung 206 mit einer programmierbaren Steuereinheit 222 über einen
Kommunikationsbus 224. Jede der beweglichen Achsen A, C,
X, Y und Z ist jeweils einem separaten Servomotor und einer separaten
Servosteuerschaltung zugeordnet. Diese Servosteuerschaltungen kommunizieren
alle mit der programmierbaren Steuerschaltung 222 über den
Kommunikationsbus 224.
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Die
programmierbare Steuereinheit 222 verfügt über einen Mikroprozessor 226,
einen flüchtigen Speicher 228 zum
Speichern von Daten, die im Betrieb der Sensor-Schleifmaschine 100 erzeugt
werden, und einen nichtflüchtigen
Speicher 230 zum Speichern einer Folge von Befehlen zum
Steuern des Betriebs des Mikroprozessors 226 sowie ein
Kommunikationsmodul 232, damit die programmierbare Steuereinheit 222 mit
dem Kommunikationsbus 224 kommunizieren kann.
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3 zeigt
ein Beispiel für
einen Servomechanismus zum Steuern der Bewegung von Komponenten
der CNC-Schleifmaschine 200, die entlang der X-, Y- und
Z-Achse angetrieben werden. Gemäß 3 treibt
ein Servomotor 300 eine Spindel 302 an, die ihrerseits
mit einer Kugelumlaufspindel 304 verbunden ist. Durch den
Betrieb des Servomotors 300 wird die Kugelumlaufspindel 304 um
ihre Längsachse
gedreht. Ein Tisch 306 oder eine andere bewegliche Komponente
ist mit der Kugelumlaufspindel 304 mit Hilfe einer Gewindekopplung 308 gekoppelt,
so daß die
Drehbewegung der Kugelspindel 304 in eine Linearbewegung
des Tischs 306 entlang der X-, Y- oder Z-Achse übersetzt
wird. Wiederum ist ein Codierer 310 mit dem Servomotor 300 gekoppelt
und führt eine
Folge von Impulsen zur Servosteuerschaltung 312, um eine
Bestimmung der Winkelposi tion der Spindel 302 zu ermöglichen.
Außerdem
wandelt ein optisches Meßsystem 314 die
Linearbewegung des Tischs 306 auf der X-, Y- oder Z-Achse
in Impulse um, damit die Servosteuerschaltung 312 die Linearposition
des Tischs 306 bestimmen kann. Der Servomotor 300 wird
durch Signale von einem Servoverstärker 316 gesteuert,
der seinerseits durch die Servosteuerschaltung 312 gesteuert
wird.
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Die
Servosteuerschaltung 312 verfügt über einen Mikroprozessor 318,
einen flüchtigen
Speicher 320, einen nichtflüchtigen Speicher 322 und
ein Kommunikationsmodul 324, damit die Servosteuerschaltung 312 mit
der programmierbaren Steuereinheit 222 über den Kommunikationsbus 224 kommunizieren
kann. Außerdem
weist die Servosteuerschaltung 312 eine digitale Kommunikationsverbindung 326 auf,
damit digitale Steuersignale zum Servoverstärker 316 übertragen
werden können.
Weiterhin verfügt die
Servosteuerschaltung 312 über Zähler 328 und 330,
die mit dem optischen Meßsystem 314 bzw. dem
Codierer 310 gekoppelt sind.
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In
einer alternativen Ausführungsform kommt
die Linearbewegung des Tischs 400 durch den Betrieb eines
Linearservomotors 402 zustande, der eine mit dem Tisch
gekoppelte Primärwicklung 404 und
eine Folge von Magnetsegmenten 406 aufweist. Ein Servoverstärker 408 wirkt
so, daß er
die mehreren Magnetsegmente 406 steuert und dadurch die
Linearbewegung des Tischs 400 entlang der X-, Y- oder Z-Achse
bewirkt. Ein optisches Meßsystem 410 wandelt
die Linearbewegung des Tischs 400 in eine Folge von Impulsen
um, die zu einer Servosteuerschaltung 412 übertragen
werden. Zur Servosteuerschaltung 412 gehören ein
Mikroprozessor 414, ein flüchtiger Speicher 416,
ein nichtflüchtiger
Speicher 418 und ein Kommunikationsmodul 420 zum
Ermöglichen
der Kommunikation der Servosteuerschaltung 412 mit der
programmierbaren Steuereinheit 222 über den Kommunikationsbus 224.
Außerdem
verfügt
die Servosteuerschaltung über
einen Zähler 422 zum
Zählen
von Impulsen, die vom optischen Meßsystem 410 empfangen
werden, und eine digitale Kommunikationsverbindung 424 zum
Steuern des Betriebs des Servoverstärkers 408.
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Deutlich
ist, daß die
programmierbare Steuereinheit 222 nur ein Beispiel für eine Steuervorrichtung
zum Steuern und Koordinieren des Betriebs der Servomechanismen gemäß 2 bis 4 ist.
Die programmierbare Steuereinheit und die Servomechanismen weisen
eine Anzahl von Steuerlogikelementen auf, die auf verschiedene Weise
realisiert sein können.
In den exemplarischen Ausführungsformen
gemäß 2 bis 4 weisen
die Steuerlogikelemente mindestens eine Verarbeitungseinheit und ein
zugehöriges
Speicherbauelement zum Speichern einer Folge von Befehlen auf, um
die Verarbeitungseinheit zu veranlassen, eine gewünschte Folge
von Operationen durchzuführen.
Alternativ könnten
die Steuerlogikelemente ein oder mehrere Digitalsignal-Verarbeitungselemente
und/oder ein oder mehrere Hardwareelemente aufweisen.
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Jede
der Steuerschaltungen 206, 312 und 412 arbeitet
gemäß der Servoschleifendarstellung
in 5. Diese Darstellung zeigt eine exemplarische Servosteuerschaltung 500,
die zum Erteilen von Kommandos an einen Servoverstärker 502 und
dadurch zum Steuern des Betriebs eines Servomotors 504 dient,
der eine Last 506 antreibt. Ein Codierer 508 führt der
Servosteuerschaltung 500 Positionsrückkopplungsinformationen zu.
Die Servosteuerschaltung 500 sowie die Servosteuerschaltungen 206, 312 und 412 empfangen
ein Positionskommandosignal von der programmierbaren Steuereinheit 222,
um die Schleifmaschinenkomponente in eine gewünschte Winkel- oder Linearposition
anzutreiben.
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Die
Differenz zwischen dem Positionskommandosignal und dem durch den
Codierer 508 zugeführten
Positionsrückkopplungssignal
wird durch einen Summierungsblock 510 bestimmt, was zur
Erzeugung eines Positionsfehlers führt. Dieser Positionsfehler
wird einer Proportional-Integral-Differential- (PID) Steuerung (Regelung) 512 zugeführt. Die Ausgabe
der PID-Steuerung 512 ist ein Geschwindigkeitskommandosignal.
Eine zeitliche Ableitung des durch den Codierer 508 zugeführten Positionsrückkopplungssignals
wird durch einen Differentialblock 514 bestimmt. Die Ausgabe
des Differentialblocks 514 wird einem Summierungsbauelement 516 zugeführt und
mit dem Geschwindigkeitskommandosignal am Ausgang der PID-Steuerung 512 kombiniert.
Die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitskommandosignal und dem
Geschwindigkeitsrückkopplungssignal
wird einer PID-Steuerung 518 als Eingabe zugeführt. Der
Ausgang der PID-Steuerung 518 erzeugt ein Stromkommandosignal
zum Ansteuern des Servoverstärkers 502.
Allerdings wirkt ein Stromkommandobegrenzer 520 so, daß er das
dem Servoverstärker 502 zugeführte Stromkommandosignal
begrenzt, um so das Richtungsmoment des Servomotors 504 zu
begrenzen. Die Differenz zwischen dem begrenzten Kommandosignal
und einem Stromrückkopplungssignal
vom Ausgang des Servoverstärkers 502 wird
durch ein Summierungsbauelement 522 bestimmt. Die Ausgabe
des Summierungsbauelements 522 wird als Eingabe einer PID-Steuerung 524 zugeführt, die
ein Ansteuerungssignal zum Servoverstärker 502 führt.
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In
einer solchen Anordnung ist es möglich, Kontakt
zwischen zwei Teilen der CNC-Schleifmaschine 200 zu erfassen,
indem veranlaßt
wird, daß mindestens
eines der beiden Teile zum anderen angetrieben wird, und dann ein
Fehlersignal in einem der Servomechanismen überwacht wird. Kontakt wird
detektiert, wenn das Fehlersignal einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
In der exemplarischen Ausführungsform
gemäß 6 ist
eine starre mechanische Sonde 600 in den Backen eines Spannfutters 602 angeordnet.
Die starre mechanische Sonde 600 verfügt über einen ersten Arm 604, der
sich entlang der A-Achse bei Anordnung im Spannfutter 602 erstreckt,
ein seitlich vorstehendes Teil 605 und einen zweiten Arm 606,
der vom Teil 605 vorsteht, damit die mechanische Sonde 600 Kon takt auf
der Schleifscheibe 608 an einer von der A-Achse seitlich
versetzten Position herstellen kann. Um Verschleiß zu minimieren,
kann eine Diamantauflage oder ein ähnliches Schutzelement auf
die Schleifscheibe oder die Sonde in einer Zone aufgebracht sein,
in der Kontakt hergestellt wird.
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Zum
Emulieren der Funktionsweise einer herkömmlichen elektrischen Sonde
wird die Schleifscheibe 608 mit der starren mechanischen
Sonde 600 in Kontakt gebracht, indem der Betrieb mindestens
eines der Servomechanismen auf der A-, C-, X-, Y- oder Z-Achse veranlaßt wird.
Zweckmäßig wird Drehung
der Schleifscheibe um die C-Achse und Drehung der starren mechanischen
Sonde 600 um die A-Achse verhindert, während die starre mechanische
Sonde 600 entlang der X-, Y- und/oder Z-Achse bewegt wird, bis Kontakt mit der
Schleifscheibe 608 hergestellt ist. Die Ablenkung auf der
A- oder C-Achse im Moment des Kontakts wird in diesem Beispiel bestimmt,
indem der Positionsfehler in der Servosteuerschaltung 206 überwacht
wird, die den Servomotor 202 an diesen Achsen antreibt,
und indem insbesondere detektiert wird, wann der Positionsfehler einen
vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
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In
diesem Beispiel kommt eine erste Gruppe aus einem oder mehreren
Servomechanismen zum Einsatz, um mindestens ein Schleifmaschinenteil zum
anderen anzutreiben, und das Fehlersignal in einer zweiten Gruppe
aus einem oder mehreren anderen Servomechanismen auf Achsen, die
feststehend bleiben, während
Kontakt erhalten wird, dient dazu, eine Anzeige für die Achsenablenkung
und somit den Kontakt zwischen den beiden Teilen zu liefern. In
diesem Fall umfaßt
die zweite Gruppe von Servomechanismen die Servomechanismen der
A- und C-Achse (die normalerweise verwendet werden, die Schleifscheibe 608 und
die starre mechanische Sonde 600 in einer Kreisbogenbewegung
anzutreiben), und die erste Gruppe von Servomechanismen umfaßt die Servomechanismen
der X-, Y- und Z-Achse, die zum Antreiben der starren mechanischen
Sonde 600 entlang von Li nearachsen verwendet werden. Gleichwohl
können
in anderen Ausführungsformen
der Erfindung unterschiedliche Kombinationen aus Servomechanismen
zum Einsatz kommen, um Teile der Schleifmaschine 100 zusammen
anzutreiben und das Positions- oder
ein anderes Fehlersignal in einer Servosteuerschaltung zu überwachen,
um eine Anzeige für
Kontakt zwischen den Teilen bereitzustellen.
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Deutlich
ist auch, daß zwar
eine starre mechanische Sonde 600 im Beispiel gemäß 6 verwendet
wurde, aber in anderen Ausführungsformen der
Erfindung Kontakt zwischen zwei beliebigen Teilen der CNC-Schleifmaschine 100 durch
dieses Verfahren unabhängig
davon detektiert werden kann, ob diese Teile an der CNC-Schleifmaschine 100 getrennt
angebracht sind oder Bestandteil herkömmlicher Elemente der Schleifmaschine
bilden. Zum Beispiel ist es möglich,
dieses Verfahren zu verwenden, um Kontakt zwischen dem Spannfutter 602 und
der Schleifscheibe 608 ohne Gebrauch der starren mechanischen
Sonde 600 zu detektieren.
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Beim
Antrieb der starren mechanischen Sonde 600 entlang der
X-, Y- und/oder Z-Achse ist ein Richtungsmomentgrenzwert im Servomechanismus der
relevanten Achse(n) eingestellt. Der Momentgrenzwert wird mit Hilfe
des Stromkommandogrenzwerts des Blocks 520 in der Servosteuerschaltung 500 eingestellt,
um den Strom wirksam zu begrenzen, der am Servoverstärker 502 und
am Servomotor 504 anliegt. Durch Begrenzen des Momentgrenzwerts
wird gewährleistet,
daß Kontakt
zwischen der Sonde 600 und der Schleifscheibe 608 mit
sehr kleiner Kraft hergestellt wird, so daß eine kleine Verformung der
Sonde oder der anderen Maschinenkomponenten verursacht wird.
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Außerdem bedeutet
der Lastmomentgrenzwert, daß die
Ablenkung der C- oder A-Achse schnell detektiert wird und die Reaktionszeit
des Steuersystems der Schleifmaschine minimiert ist. Durch Detektieren,
wann der Positionsfehler einen vorbestimmten Grenzwert übersteigt,
wird das elektrische Signal emuliert, das durch eine typische elektrische
Sonde erzeugt wird, z. B. eine Renishaw-Sonde. Das emulierte Sondensignal
wird durch die programmierbare Steuereinheit und die Servosteuereinheiten
der Schleifmaschine 100 genauso wie das Sondensignal einer
herkömmlichen
elektrischen Sonde verwendet.
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In
einer oder mehreren Ausführungsformen bleiben
die Servomechanismen auf den Achsen in Betrieb, die während der
Sondenemulation feststehend bleiben sollen. Das heißt, die
Servoschleife gemäß 5 strebt
an, die Achsen aktiv in einer festen Orientierung oder Position
zu halten. In anderen Ausführungsformen
reicht dagegen die Dichtungsreibung zwischen mechanischen Komponenten
auf einer oder mehreren Achsen aus, damit diese Achsen während der
Sondenemulation feststehend bleiben. In diesem Fall kann der Servoantrieb
an diesen Achsen deaktiviert sein.
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7 zeigt
ein Beispiel für
die Schritte, die dieser Sondenemulationsvorgang beinhaltet. Im Schritt 700 werden
die Positionen der X-, Z-, A- und C-Achse fixiert, und im Schritt 702 wird
die Sonde entlang der Y-Achse angetrieben. Bei Detektion im Schritt 704,
daß das
Fehlersignal der A-Achse einen vorbestimmten Schwellwert überstiegen
hat, wird im Schritt 706 Kontakt zwischen der Sonde und
Schleifscheibe bestimmt. Danach werden die Codiererpositionen der
A-, C-, X-, Y- und Z-Achse im Schritt 708 erfaßt und von
jeder Servosteuerschaltung zur programmierbaren Steuereinheit 222 in
der Schleifmaschine 100 übertragen. Ein dreidimensionaler
Referenzpunkt als Anzeige für
den Kontakt zwischen der starren mechanischen Sonde und der Schleifscheibe oder
zwei anderen Schleifmaschinenelementen steht daher der Schleifmaschine
zur Verfügung.
Um die Kontaktzeit zu minimieren, wird – sobald die Codiererpositionen
der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse erfaßt sind – die Sonde im Schritt 710 in
Gegenrichtung entlang der Y-Achse zurückgefahren.
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Das
gleiche allgemeine Prinzip läßt sich
anwenden, um ein oder mehrere Maße eines Arbeitsteils, z. B.
einer Schleifscheibe oder eines Schneidwerkzeugs, oder eines Werkstücks zu bestimmen, das
durch eine Schleifscheibe oder ein Schneidwerkzeug geformt oder
geschnitten wird, wobei Kontakt zwischen einem ersten Teil und einem
Arbeitsteil an zwei oder mehr Stellen auf dem Arbeitsteil erfaßt wird und
Daten als Anzeige für
die dreidimensionale Position des ersten Teils an jeder Stelle erfaßt werden. Danach
lassen sich die Maße
des Arbeitsteils aus den erfaßten
Positionsdaten des ersten Teils ableiten.
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In 8 ist
ein Beispiel für
dieses Verfahren gezeigt. In dieser Darstellung werden im Schritt 800 die
A-, C-, X-, Y- und/oder Z-Achse angetrieben, um die Sonde 600 auf
einer Seite der Schleifscheibe 608 zu positionieren. Im
Schritt 802 wird die Sonde entlang der Y-Achse angetrieben,
bis im Schritt 804 für das
Positionsfehlersignal der A-Achse detektiert wird, daß es einen
vorbestimmten Schwellwert überschritten
hat. Somit wird im Schritt 806 Kontaktherstellung zwischen
der Sonde 600 und der Schleifscheibe 608 bestimmt,
und im Schritt 808 werden Axialpositionsinformationen von
den Codierern oder optischen Meßsystemen
in Zuordnung zur jeweiligen A-, C-, X-, Y- und Z-Achse erfaßt. Sobald
die Codiererpositionen der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse erfaßt sind,
wird die Sonde im Schritt 810 entlang der Y-Achse in Gegenrichtung
zurückgefahren,
um den Kontakt zwischen der Sonde und der Schleifscheibe zu unterbrechen.
Danach werden diese Axialpositionsinformationen von jeder Servosteuerschaltung zur
programmierbaren Steuereinheit 222 über den Kommunikationsbus 224 gesendet.
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Im
Schritt 812 werden die A-, C-, X-, Y- und/oder Z-Achse angetrieben,
um die Sonde 600 auf der anderen Seite der Schleifscheibe 608 zu
positionieren. Wiederum wird die Sonde 600 im Schritt 814 entlang
der Y-Achse angetrieben, bis im Schritt 816 bestimmt wird,
daß das
Fehlersignal der A-Achse einen vorbestimmten Schwellwert überstiegen hat.
Im Schritt 818 wird Kontaktherstellung zwischen der Sonde 600 und
der Schleifscheibe 608 bestimmt, und Axialpositionsinformationen
von der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse werden im Schritt 820 erfaßt. Sobald
die Codiererpositionen der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse erfaßt sind, wird die Sonde im
Schritt 822 wieder entlang der Y-Achse in Gegenrichtung
zurückgefahren, um
den Kontakt zwischen der Sonde und der Schleifscheibe zu unterbrechen.
Danach werden die erfaßten
Axialpositionsinformationen zur programmierbaren Steuereinheit 222 gesendet,
und im Schritt 824 wird ein Vergleich zwischen den im Schritt 810 erfaßten Axialpositionsinformationen
und den in 820 erfaßten
Axialpositionsinformationen vorgenommen, um den Durchmesser der
Schleifscheibe 608 zu bestimmen.
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Deutlich
ist, daß andere
Maße der
Schleifscheibe oder jedes anderen Arbeitsteils der Schleifmaschine 100 gemäß dieser
Technik gemessen werden können.
Die Anordnungen gemäß 2 bis 5 sind
auch bei der Bestimmung des Profils eines Teils der Schleifmaschine 100 geeignet.
Insbesondere kann das Profil der Schleifscheibe mit einem hohen
Genauigkeitsgrad bestimmt werden. 9 zeigt
ein Beispiel für
eine Spannfutteranordnung 900 und eine mechanische Sonde 902.
Die mechanische Sonde 902 verfügt über einen ersten Arm 904,
der sich entlang der A-Achse bei Anordnung im Spannfutter 900 erstreckt,
ein seitlich vorstehendes Teil 906 und einen zweiten Arm 908,
der vom Teil 906 vorsteht. In dieser Ausführungsform
wird die Sonde so angetrieben, daß einer der seitlich vorstehenden Arme
Kontakt mit einer Kante einer Schleifscheibe 910 herstellt.
Wie im vergrößerten Abschnitt 912 dieser
Darstellung gezeigt ist, hat der Abschnitt der Schleifscheibe, der
den Großteil
des abschließenden Flächenschleifens
durchführt,
primär
die Form eines Toroids.
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Gemäß 10 kann
das Toroidprofil der Schleifscheibe bestimmt werden, indem zuerst
im Schritt 1000 die A-, C-, X-, Y- und/oder Z-Achse so angetrieben
werden, daß die
Sonde 902 auf einer Seite der Schleifscheibe positioniert
wird. Im Schritt 1002 wird die Sonde entlang der Y-Achse
angetrieben, bis im Schritt 1004 bestimmt wird, daß das Positionsfehlersignal
in der Servosteuerschaltung der A- oder C-Achse den vorbestimmten
Schwellwert überschreitet.
An diesem Punkt wird die Kontaktherstellung zwischen der Sonde 902 und
der Schleifscheibe 910 im Schritt 1006 bestimmt.
Danach werden die Axialpositionsdaten von den Codierern oder optischen
Meßsystemen
in den Servomechanismen der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse im Schritt 1008 erfaßt und zur
programmierbaren Steuereinheit 222 übertragen. Sobald die Codiererpositionen
der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse erfaßt sind, wird die Sonde im
Schritt 1010 wieder in Gegenrichtung entlang der Y-Achse zurückgefahren,
um den Kontakt zwischen der Sonde und der Schleifscheibe zu unterbrechen.
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Sind
gemäß der Bestimmung
im Schritt 1012 noch keine drei Messungen vorgenommen,
so wird die mechanische Sonde 902 im Schritt 1014 entlang der
C-Achse angetrieben, so daß beim
erneuten Antreiben der Sonde entlang der Y-Achse Kontakt an einer
unterschiedlichen Position entlang dem Profil der Schleifscheibe
hergestellt wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis eine Anzahl
von Messungen (drei in diesem Beispiel) vorgenommen sind. Die Axialpositionsdaten
von jeder der A-, C-, X-, Y- und Z-Achse für jeden Kontaktpunkt werden
zur programmierbaren Steuereinheit 222 übertragen, und im Schritt 1016 zirkuliert
die programmierbare Steuereinheit 222 zwischen den erfaßten Axialpositionspunkten,
um den Toroidradius der Schleifscheibe zu bestimmen.
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11 zeigt
eine alternative Technik, bei der im Schritt 1100 die Position
der X-, A-, Z- und C-Achse fixiert und im Schritt 1102 die
Sonde 902 entlang der Y-Achse ange trieben wird. Die Sonde
wird solange angetrieben, bis im Schritt 1104 bestimmt
wird, daß das
Positionsfehlersignal in der Servosteuerschaltung der A-Achse einen
vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Danach wird im Schritt 1106 die Kontaktherstellung zwischen
der Kontaktsonde 902 und der Kante der Schleifscheibe 910 bestimmt.
Danach erfolgt im Schritt 1108 ein Nachlauf auf der Y-Achse
mit einem vorinstallierten Betrag, normalerweise 1 mm, während die
Schleifscheibe 910 im Schritt 1110 um die C-Achse
angetrieben wird. Während
die Schleifscheibe angetrieben wird, wird das Positionsfehlersignal
der A-Achse im Schritt 1112 erfaßt, und auch die Axialposition
der C-Achse wird erfaßt.
Beim Antrieb der Schleifscheibe um die C-Achse bewirken Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche
der Schleifscheibe, daß das
Positionsfehlersignal der A-Achse variiert. Diese Variationen repräsentieren
die Schwankungen des Radialmaßes
der Schleifscheibe um den Umfang der Scheibe.
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Im
Schritt 1116 wird das Profil der Schleifscheibe entlang
dem Kontaktpunkt zwischen dem zweiten Arm 908 der Sonde 902 mit
der Oberfläche der
Schleifscheibe 910 durch die programmierbare Steuereinheit 222 berechnet.
Wird im Schritt 1118 bestimmt, daß weniger als eine vorbestimmte
Anzahl von Profilen, z. B. drei, erfaßt wurden, so wird die mechanische
Sonde im Schritt 1120 entlang der C-Achse repositioniert,
und die Schritte 1102 bis 1116 werden wiederholt.
Wurden dagegen drei Kantenprofile der Schleifscheibe berechnet,
so wird das Toroidradiusprofil der Schleifscheibe durch die programmierbare
Steuereinheit 222 im Schritt 1112 berechnet.
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Im
Beispiel gemäß 11 ist
deutlich, daß das
Positionsfehlersignal in der Servosteuerschaltung nicht nur zur
Detektion von Kontakt zwischen einer mechanischen Sonde und der
Schleifscheibe verwendet wird, sondern die Größe des Positionsfehlersignals
dazu dient, ein Profil der Schleifscheibe zu entwickeln, während Kontakt
mit der mechanischen Sonde und der Kante der Schleifscheibe bei
Schleifscheibendrehung aufrechterhalten bleibt.
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Infolge
der extrem kleinen beteiligten Bewegungen können Schwingungen zu unbeabsichtigter Kontaktherstellung
zwischen der mechanischen Sonde und der Schleifscheibe einer CNC-Schleifmaschine führen. Um
solche Falschmessungen zurückzuweisen,
können
zwei oder mehr aufeinanderfolgende Messungen vorgenommen werden,
was die Schritte 1200 und 1202 von 12 zeigen.
Wird im Schritt 1204 bestimmt, daß die beiden Messungen innerhalb der
Toleranz liegen, so wird die erste oder zweite Messung – oder ein
Mittel der beiden Messungen – im
Schritt 1206 akzeptiert. Ansonsten werden die Messungen
im Schritt 1208 zurückgewiesen.
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Andere ähnliche
Techniken können
verwendet werden, um fehlerhafte Messungen zurückzuweisen. Da z. B. Schwingung
bei CNC-Schleifmaschinen in der Tendenz ungeordnet ist, läßt sich
eine Plausibilitätskontrolle
oder Integritätskontrolle
an den vorgenommenen Messungen durchführen, wenn Kontakt detektiert
wird.
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Abschließend sollte
verständlich
sein, daß verschiedene
Abwandlungen und/oder Zusätze
an den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung gemäß der Festlegung in den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Sondenemulation und Messung
räumlicher
Eigenschaften bei Werkzeugmaschinen
-
Bereitgestellt
wird ein Verfahren zum Erfassen von Kontakt zwischen einem ersten
Teil (606, 908) und einem zweiten Teil (608, 910)
in einer computergestützten
numerisch gesteuerten Maschine, wobei die Position des ersten Teils
und/oder des zweiten Teils durch einen oder mehrere Servomechanismen
gesteuert wird, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Veranlassen,
daß das
erste Teil und/oder das zweite Teil zum anderen angetrieben wird; Überwachen
eines Fehlersignals in einem der Servomechanismen; und Detektieren,
wann das Fehlersignal einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
(1)