DE19529547A1 - Verfahren zur Steuerung von Koordinatenmeßgeräten - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von
Koordinatenmeßgeräten, bei dem der Tastkopf des
Koordinatenmeßgeräts nach Solldaten gesteuert verfahren wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE-PS 42 12 455
beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren werden die
Geometriedaten von Geometrieelementen des Werkstücks von einem
Rechner an die Steuerung des Koordinatenmeßgeräts übergeben,
dort anschließend in das Maschinenkoordinatensystem
transformiert und anschließend an einen Stützpunktgenerator in
der Steuerung gegeben, der die Stützpunkte generiert, auf denen
der Tastkopf des Koordinatenmeßgeräts dann gesteuert verfahren
wird. Außerdem wird die Sollgeschwindigkeit, mit der die
Werkstückoberfläche später abgetastet werden soll, als separate
Information von dem Rechner an die Steuerung übergeben.
Dieses Vorgehen ist für einfache geometrische Elemente, die im
wesentlichen mit einer einzigen vorgegebenen Geschwindigkeit
abgefahren werden sollen, zweckmäßig. Schwierig wird es jedoch
dann, wenn kompliziertere Werkstück-Geometrien abgefahren
werden müssen und sich dabei die Abtastgeschwindigkeit laufend
ändert, beispielsweise aufgrund wechselnder Krümmungen der
Werkstückoberfläche. In einem solchen Falle ist es relativ
aufwendig, den Geschwindigkeits-Sollwert dauernd neu an die
Steuerung des Koordinatenmeßgeräts zu übertragen und in die
Regelung einzubeziehen.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren zur Steuerung von Koordinatenmeßgeräten zu schaffen,
mit dessen Hilfe die Information über das
Geschwindigkeitsprofil der Abtastbewegung möglichst schnell und
einfach an die Steuerung übergeben und dort verarbeitet werden
kann.
Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß Geometriedaten der
Werkstückoberfläche aufbereitet werden, indem daraus
Steuerdaten in Form von Punktfolgen generiert werden, wobei die
Abstände bzw. die gegenseitigen Lagen der Punkte zueinander die
Information über den gewünschten Verlauf der Geschwindigkeit
(Geschwindigkeitsprofil) und der Beschleunigung
(Beschleunigungsprofil) enthalten, mit dem das
Koordinatenmeßgerät den Tastkopf verfährt und der Abstand der
Punkte stets kleiner als ein vorgegebener erster Wert und die
erste Ableitung der Punktabstände an jeder Stelle kleiner als
ein vorgegebener zweiter Wert ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Information über
den Verlauf der Abtastgeschwindigkeit bereits in einer Folge
von Punkten enthalten, die dann anschließend von der Steuerung
nur noch in einem festen Zeittakt einzeln abgefahren werden
müssen. Hierdurch wird der steuerungstechnische Aufwand
verringert, der anderenfalls betrieben werden müßte, um die
Geschwindigkeitsinformation separat zu den Geometriedaten zu
verarbeiten. Die Steuerung kann deshalb auch schneller
arbeiten.
Es ist zweckmäßig, die Steuerdaten im Rechner des
Koordinatenmeßgeräts entsprechend aufzubereiten und blockweise
an die Steuerung zu übergeben. Das hat insbesondere dann, wenn
komplizierte Geometrien mit sehr großen Punktmengen abzufahren
sind, den Vorteil, daß die Daten bereits vor dem Abtasten der
Werkstückoberfläche Off-Line auf dem Rechner des Koordinaten
meßgeräts aufbereitet werden können, so daß der anschließende
Scanning-Vorgang durch diese Berechnungen dann nicht mehr
belastet wird.
Vorteilhaft werden die Abstände der Punkte so gewählt, daß sich
bei zeitgleichem Fortschreiten von Punkt zu Punkt ein stoß- und
ruckfreier Bewegungsablauf ohne Sprünge im Geschwindigkeits- bzw.
im Beschleunigungsprofil des Koordinatenmeßgeräts ergibt.
Ein derartiges "weiches" Fahren vermeidet Schwingungen im
Maschinenaufbau und trägt damit zu einer Erhöhung der
Meßgenauigkeit bei.
Hierbei werden die Abstände zwischen den Punkten der Punktfolge
der Steuerdaten so gewählt, daß das Geschwindigkeitsprofil eine
stetig differenzierbare Funktion der Zeit ist, vorzugsweise ein
Polynom dritten Grades darstellt.
Im Hinblick auf möglichst kurze Meßzeiten ist es weiterhin
zweckmäßig, das Geschwindigkeitsprofil aus Abschnitten
zusammenzusetzen, die einerseits einem Polynom höherer Ordnung
entsprechen und andererseits einem konstanten Wert entsprechen,
nämlich vorzugsweise der Maximalgeschwindigkeit des
Koordinatenmeßgeräts.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand
der Fig. 1-5 der beigefügten Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine einfache Prinzipskizze, in der die
wesentlichen Komponenten einer nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden
Koordinatenmeßeinrichtung dargestellt sind;
Fig. 2 ist eine Skizze, die den Verlauf einer Abtastbahn
zeigt, auf der sich der Taster (10) des KMG aus Fig. 1
bewegen soll;
Fig. 3 und Fig. 4 sind Diagramme, in denen der zurückgelegte Weg, das
Beschleunigungsprofil und das Geschwindigkeitsprofil
für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
gesteuertes Koordinatenmeßgerät beispielhaft
dargestellt sind;
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das die auf dem Rechner des
Koordinatenmeßgeräts beim Aufbereiten der Steuerdaten
ablaufenden Programmschritte zeigt.
In Fig. 1 ist mit (1) der Rechner des Koordinatenmeßgeräts
bezeichnet, der die wie noch nachstehend beschrieben wird,
aufbereiteten Steuerdaten über eine Datenleitung (9) an die
Steuerung (2) des Koordinatenmeßgeräts übergibt. Die Steuerung
(2) ist mit den Antrieben (3) der Meßschlitten des
Koordinatenmeßgeräts verbunden, von denen der Tastkopf (7)
entsprechend den übergebenen Daten entlang der Oberfläche des
Werkstücks (8) verfahren wird. Ebenfalls verbunden ist die
Steuerung mit den Antrieben (6) im Innern des Tastkopfs, über
die sich der Taststift (10) des Tastkopfs (7) auslenken läßt
bzw. mit deren Hilfe die auf das Werkstück (8) ausgeübte
Meßkraft eingestellt werden kann. Die Meßsysteme, von denen die
Auslenkung des Taststifts (10) gemessen wird, sind mit (5)
bezeichnet und der mit dem Bezugszeichen (4) versehene Block
deutet die Wegmeßsysteme, d. h. Maßstäbe und Encoder an, über
die die Position des Tastkopfs (7) an die Steuerung (2)
rückgemeldet wird.
Eine ausführlichere Beschreibung einer solchen Steuerung findet
sich in der eingangs genannten DE-PS 42 12 455 sowie in der
korrespondierenden US-PS . . . , auf die an dieser Stelle
ausdrücklich Bezug genommen wird.
Dem Rechner (1) sind nun beispielsweise von einer CAD-Anlage
Geometriedaten übergeben worden, die die Sollform der
Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks (8) beschreiben. Die
CAD-Daten sind in der Regel Punktdaten, wobei zu jedem Punkt
außerdem eine Information über die Lage der Fläche an diesem
Punkt in Form eines Normalenvektors beigegeben ist.
In Fig. 2 ist beispielhaft ein solcher Satz von Geometriedaten
illustriert. Es sind dies die mit (G1, G2, G3 usw.)
bezeichneten Kreuze, die entsprechend den Koordinaten (x, y, z)
dieser Punkte eingezeichnet wurden, zusammen mit den
zugehörigen Normalenvektoren (, , usw.). Zwischen diesen
Punkten ist der Verlauf der Kontur des Werkstücks unbekannt.
Die erhaltenen Daten bereitet nun der Rechner (1) für die
Steuerung (2) in folgender Weise auf:
Zuerst wird durch die Punkte (G1-Gn) ein Spline (SP), beispielsweise ein Bezier-Spline gelegt. Hierbei handelt es sich um Funktionen dritten Grades, für die gilt, daß die Funktionswerte und ihre ersten und zweiten Ableitungen an den Stützstellen übereinstimmen. Außerdem sollen die Enden des Splines keine Krümmung aufweisen. Ein solcher Spline verbindet zwar die Punkte (G1-Gn) der Geometriedaten, folgt aber natürlich nicht exakt der Kontur des Werkstücks, da diese wie bereits erwähnt zwischen den Punkten ja nicht bekannt ist.
Zuerst wird durch die Punkte (G1-Gn) ein Spline (SP), beispielsweise ein Bezier-Spline gelegt. Hierbei handelt es sich um Funktionen dritten Grades, für die gilt, daß die Funktionswerte und ihre ersten und zweiten Ableitungen an den Stützstellen übereinstimmen. Außerdem sollen die Enden des Splines keine Krümmung aufweisen. Ein solcher Spline verbindet zwar die Punkte (G1-Gn) der Geometriedaten, folgt aber natürlich nicht exakt der Kontur des Werkstücks, da diese wie bereits erwähnt zwischen den Punkten ja nicht bekannt ist.
Anschließend werden im Rechner (1) die Punkte (S1-Sm)
generiert, die dann Solldaten darstellen, anhand derer die
Steuerung (2) den Tastkopf (7) auf seiner Bahn entlang der
Werkstückoberfläche steuert. Dabei wird davon ausgegangen, daß
die Steuerung die Punktfolge der Solldaten später so abfährt,
daß im festen Maschinentakt von z. B. 10 msec. von einem Punkt
zum anderen gefahren wird. Somit läßt sich über den Abstand der
Punkte das Beschleunigungsprofil und das Geschwindigkeitsprofil
des Koordinatenmeßgeräts vorgeben. Diese Profile werden nun so
gewählt, daß das Koordinatenmeßgerät weich, d. h. stoß- und
ruckfrei auf der vorgegebenen Bahn fährt. Um das zu erreichen,
wird folgendermaßen vorgegangen:
Man geht davon aus, daß sich die Bewegung des Tastkopfs (7) beim Abarbeiten einer Meßaufgabe in drei Bewegungsarten einteilen läßt:
Man geht davon aus, daß sich die Bewegung des Tastkopfs (7) beim Abarbeiten einer Meßaufgabe in drei Bewegungsarten einteilen läßt:
- 1. eine Beschleunigungsphase,
- 2. eine gleichförmige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit,
- 3. und eine Verzögerungsphase.
Um einen stetig differenzierbaren Übergang der Geschwindigkeit
von einer Bewegungsart zur anderen zu erreichen und Sprünge im
Beschleunigungsprofil und im Geschwindigkeitsprofil zu
vermeiden (stoß- und ruckfreier Betrieb), setzt man die
Geschwindigkeit als Polynom dritter Ordnung an, so daß gilt
v(t) = b₁t³ + b₂t² + b₃t + b₄ (Gl. 1)
Daraus ergibt sich für die Beschleunigung:
a(t) = 3b₁t² + 2b₂t + b₃ (Gl. 2)
Für den Weg x (t) gilt dann
x(t) = ¼ b₁t⁴ + ¹/₃ b₂t³ + ½ b₃t² + b₄t + b₅ (Gl. 3)
Die Koeffizienten für diese Gleichungen ergeben sich aus den
Randbedingungen. So ist beim Anfahren aus dem Stillstand der
Startpunkt bekannt. In diesem Startpunkt ist außerdem die
Geschwindigkeit v = 0. Außerdem dürfen die Beschleunigung (a)
und die Geschwindigkeit (v) bestimmte Maximalwerte (amax) und
(vmax) nicht überschreiten, die für die Antriebe des
Koordinatenmeßgeräts vorgegeben werden.
Setzt man für das Geschwindigkeitsprofil die beschriebene
Funktion an, so erlaubt die Metrik ein beliebiges
Aneinanderfügen der Bewegungsarten in der Weise, daß der
Geschwindigkeitsverlauf immer stetig differenzierbar bleibt,
die Bewegung also stoß- und ruckfrei verläuft.
Die Fig. 3 stellt den Verlauf der Funktionen x(t), v(t) und
a(t) dar, wenn die Bewegung in einem ganz einfachen Falle aus
der Beschleunigung vom Stand aus auf einen vorgegebenen
Geschwindigkeitswert und anschließend dem Wiederabbremsen in
den Stillstand besteht. In Fig. 4 ist der Fall dargestellt,
daß zwischen der Beschleunigungs- und der Bremsphase eine
Bewegungsphase mit gleichförmiger Geschwindigkeit
zwischengeschaltet ist. Denn im allgemeinen möchte man, daß das
Koordinatenmeßgerät dort, wo möglich, mit maximaler
Geschwindigkeit fährt, aber die maximal zulässige
Beschleunigung nie überschreitet. Aus Fig. 4 ist ersichtlich,
daß auch für diesen Fall die Beschleunigung einen stetigen
Verlauf ohne Sprünge besitzt.
Würde man jetzt im wesentlichen entlang einer geradlinigen
Abtastbahn steuern müssen, so würde man auf dem wie zuvor
anhand von Fig. 2 erläuterten Spline (SP) die Abstände der
Solldaten entsprechend dem Geschwindigkeitsprofil nach Fig. 3
oder Fig. 4 wählen, d. h. das von der Steuerung zu fahrende
Geschwindigkeitsprofil würde über die Punktabstände der
Sollpunkte codiert werden.
Bei gekrümmten Bahnen ist der Sachverhalt jedoch nicht so
einfach. Denn aufgrund der Krümmung treten beim Durchfahren der
Bahn Zentrifugalkräfte senkrecht zur Bahn und somit im
wesentlichen parallel zu der Flächennormalen auf die
Werkstückoberfläche auf. Die zugehörige
Zentrifugalbeschleunigung darf ebenfalls vorgegebene maximale
Werte nicht überschreiten. Dies kann nur so sichergestellt
werden, indem die Bahngeschwindigkeit abhängig vom
Krümmungsradius an der momentanen Position entsprechend
limitiert bzw. zurückgenommen wird. Da für die
Zentrifugalbeschleunigung gilt
az = v²/r (Gl. 4),
gilt für die maximal erlaubte Geschwindigkeit an irgendeiner
Stelle i auf dem Spline
Es ist somit möglich, auch bei gekrümmten Bahnen mit Hilfe der
Beziehung nach (5) und den übrigen genannten Nebenbedingungen
auf dem Spline (SP) in Fig. 2 neue Punkte (S1, S2, . . . , Sm) zu
generieren, deren Abstände den momentanen jeweiligen optimalen
Geschwindigkeitsverlauf codieren. An den Stellen starker
Krümmung der zu steuernden Bahn (das ist die durch den Pfeil K
angedeutete Stelle) liegen die neu generierten Punkte
entsprechend dichter, was bedeutet, daß dort langsamer gefahren
werden muß, um die Zentrifugalkräfte gering zu halten.
Es ist nun außerdem noch erforderlich, für die neugenerierten
Punkte die jeweiligen Flächennormalen auf die Werkstückkontur
zu interpolieren. Hier geht man so vor, daß ein Satz von
Hilfspunkten (H1, H2, H3, . . . , Hn) aus den Punkten (G1, G2, . . . , Gn)
generiert wird, für die gilt:
Durch diese Punkte läßt sich wie durch die gestrichelte Linie
angedeutet ist, ein Hilfs-Spline (HS) legen. Auf diesem Hilfs-
Spline müssen dann auch die Enden der den Punkten (S1-Sm)
zugeordneten neu berechneten Normalenvektoren (, , . . . , )
liegen.
Mit den vorstehend beschriebenen Ansätzen und Nebenbedingungen
ist der Rechner (1) in der Lage, die Punktfolge der Steuerdaten
(S1, . . . , Sm) samt den diesen Punkten zugeordneten
Normalenvektoren (-) aus den von z. B. einem CAD-System
erhaltenen Geometriedaten (G1-Gn, -) zu bestimmen. Die so
aufbereiteten Solldaten werden anschließend blockweise
beispielsweise in Blöcken von jeweils zehn Punkten in einem
durch den Bus (9) bedingten, langsameren Takt von 100 msec. an
die Steuerung (2) übergeben und dort wie vorstehend beschrieben
abgefahren.
Der vorstehend erläuterte Ablauf ist in dem Flußdiagramm nach
Fig. 5 nochmals übersichtlich dargestellt. Die Steuerung (2)
fährt anschließend in ihrem Zeittakt (T₁) von z. B. 10 msec. die
übergebenen Punkte einzeln ab, wodurch der in der Punktfolge
codierte Bewegungsablauf in die Bewegung des Tastkopfs (7)
umgesetzt wird.
Claims (11)
1. Verfahren zur Steuerung von Koordinatenmeßgeräten, bei dem
der Tastkopf (7) des Koordinatenmeßgeräts nach Solldaten
gesteuert verfahren wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Geometriedaten (G1-Gn) der zu vermessenden Werkstückober
fläche (8) aufbereitet werden, indem daraus Steuerdaten
(S1-Sm) in Form von Punktfolgen generiert werden, wobei die
Abstände der Punkte der Folge zueinander die Information
über den gewünschten Verlauf der Geschwindigkeit (V(t))
(Geschwindigkeitsprofil) und der Beschleunigung (a(t))
(Beschleunigungsprofil) enthalten, mit der das Koordi
natenmeßgerät den Tastkopf (7) verfährt, und der Abstand
der Punkte stets kleiner als ein vorgegebener erster Wert
(vmax) und die erste Ableitung der Punktabstände an jeder
Stelle kleiner als ein vorgegebener zweiter Wert (amax)
ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aufbereiteten Punkte
(G1-Gn) von der Steuerung in einem festen Zeittakt (T₁)
einzeln abgefahren werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerdaten im
Rechner (1) des Koordinatenmeßgeräts aufbereitet werden
und blockweise an die Steuerung (2) des Koordinaten
meßgeräts übergeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abstände (di) der
Punkte (S1-Sm) so gewählt werden, daß sich bei zeit
gleichem Fortschreiten von Punkt zu Punkt ein stoß- und
ruckfreier Bewegungsverlauf ohne Sprünge im
Geschwindigkeitsprofil (v(t)) und ohne Sprünge im
Beschleunigungsprofil (a (t)) des Koordinatenmeßgeräts
ergibt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Abstände so gewählt
sind, daß das Geschwindigkeitsprofil (v(t)) eine stetig
differenzierbare Funktion der Zeit (t) ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das
Geschwindigkeitsprofil (v(t)) ein Polynom dritten Grades
darstellt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Polynom höheren
Grades abschnittsweise einen konstanten Wert besitzt, der
vorzugsweise der Maximalgeschwindigkeit (vmax) des
Koordinatenmeßgeräts entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei die Abstände
(d) der Punkte (S1-Sm) so gewählt sind, daß bei
zeitgleichem Fortschreiten von Punkt zu Punkt weder der
zulässige Maximalwert der Geschwindigkeit (vmax) des
Koordinatenmeßgeräts noch die zulässige maximale
Beschleunigung (amax) des Koordinatenmeßgeräts
überschritten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei dann, wenn die Punkte
(S1-Sm) auf einer gekrümmten Bahn liegen, die
Punktabstände in Fahrtrichtung so gewählt werden, daß die
Zentrifugalkräfte bzw. Zentrifugalbeschleunigungen
vorgegebene Werte (azmax) nicht überschreiten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die
Geometriedaten eine erste Folge von Stützpunkten (G1-Gn)
sind, wobei weiterhin durch die Punkte dieser ersten
Punktfolge eine Splinefunktion gelegt wird und
anschließend die zweite Punktfolge der Steuerdaten als auf
diesem Spline liegende Punkte (S1-Sm) generiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Geometriedaten
CAD-Daten sind, von denen eine Werkstückoberfläche punktweise
beschrieben ist und die eine Information (-) über die
Flächennormale an dem jeweiligen Punkt (G1-Gn) beinhalten.
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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