DE19634575A1 - Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder eines Werkstückhalters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werkzeug- und/oder Werkstückhalters nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind Vorrichtungen bekannt, mit denen der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter über Parallelstabkinematiken mit Antriebseinheiten gelenkig verbunden ist. Die Paral­ lelstabkinematiken haben zueinander parallele Stäbe, die an ihrem einen Ende beweglich mit dem Werkzeug- und/oder Werkstückhalter verbunden sind, der als tragende Platt­ form in Form eines Tool Center Points (TCP) zur Aufnahme eines Werkstückes und/oder eines Werkzeuges ausgebildet ist. Die Parallelstäbe sind an ihrem anderen Ende in drei Freiheitsgraden beweglich, wobei je nach Bauart ein bis drei dieser Freiheitsgrade als Positionierachsen ge­ bunden sind. Die Position des Werkzeug- und/oder Werk­ stückhalters wird nicht direkt, sondern nur indirekt über die Position der Antriebseinheiten erfaßt. Dadurch können aber Abweichungen der Position des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters von der gewünschten Lage durch zum Beispiel Abdrängkräfte, Beschleunigungskräfte oder thermische Ausdehnungen der Stäbe nicht erkannt werden, wodurch sich fehlerhafte Bearbeitungen ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungs­ gemäße Vorrichtung so auszubilden, daß Abweichungen des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters von einer Sollposi­ tion zuverlässig erkannt werden.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient der unbela­ stete Meßarm zur Lageerfassung des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters. Er wird nicht über Positionierantriebe ausgerichtet, sondern kann sich zwischen zwei Bezugs­ punkten oder Bezugslinien frei ausrichten. Hierbei wird die Lage der Freiheitsgrade des Meßarmes bezüglich sei­ ner Bezugspunkte oder -linien erfaßt und jeweils der ei­ ne Bezugspunkt dem Werkzeug und/oder Werkstückhalter und der andere Bezugspunkt einer bekannten Lage im Bezugs­ raum bzw. in der Vorrichtung zugeordnet. Sobald die Po­ sition des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters sowie die Orientierung der diesen Halter tragenden Stäbe von einer vorgegebenen Sollage abweicht, führt dies zu einer Lage- und Positionsänderung des unbelasteten Meßarmes. Des­ sen Lage und Orientierung wird erfaßt und ausgewertet, wodurch die abweichende Lage des Werkzeuge und/oder Werkstückhalters erfaßt und gegebenenfalls korrigiert werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dar­ gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung und in Seitenan­ sicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in perspektivi­ scher Darstellung.

Mit der Vorrichtung können räumliche Maschinenkinemati­ ken gestaltet werden, um eine Plattform TCP (tool center point) im Raum zu bewegen. In Fig. 1 ist der Einfachheit halber diese Plattform TCP lediglich als Punkt darge­ stellt. Sie kann als Werkzeuge oder als Werkstückträger einer Werkzeugmaschine dienen. Die Anbindung der Platt­ form TCP kann über unterschiedliche kinematische Anord­ nungen paralleler Stäbe mit jeweils drei Freiheitsgraden erfolgen. Hier wurde beispielhaft eine Anordnung mit zwei Stäben L1, L2 gezeichnet, deren Länge konstant ist und die im gestellzugeordneten Fußpunkt einen translato­ rischen z und zwei rotatorische Freiheitsgrade α, β be­ sitzen. Prinzipbedingt funktioniert die vorliegende An­ ordnung auch für alle anderen möglichen Freiheitsgrade der Fußpunkte, wie 1 x Rotation, 2 x Translation; 3 x Translationen; Translationen in x, y oder z.

Die beispielhaft gewählte Vorrichtung in perspektivi­ scher Darstellung gemäß Fig. 2 hat drei zueinander par­ allele Linearführungen G1 bis G3, die sich in z-Rich­ tung erstrecken und Teil eines Gestelles einer Werkzeug­ maschine sind. Die Linearführungen G1 bis G3 können auch einen Winkel miteinander einschließen, so daß sie nicht parallel zueinander liegen. Auf den Linearführungen G1 bis G3 ist jeweils ein Antriebsschlitten A1 bis A3 ver­ fahrbar. Jedem Antriebsschlitten A1 bis A3 sind jeweils zwei Gelenkpunkte 1, 2; 3, 4; 5, 6 zugeordnet. An den Gelenkpunkten 1, 2 des Antriebsschlittens A1 sind die einen Enden von Armen L1 angelenkt, deren andere Enden mit der Plattform TCP gelenkig verbunden sind. Auch die Gelenkpunkte 3, 4 und 5, 6 der Antriebsschlitten A2 und A3 sind über jeweils einen Arm L2 und L3 gelenkig mit der Plattform TCP verbunden. Die Arme L1 bis L3 haben konstante Länge und sind jeweils Teil von Parallelstab­ kinematiken.

Auf den Linearführungen G1 bis G3 ist außerdem jeweils ein Meßschlitten M1 bis M3 verfahrbar. Er befindet sich in der Darstellung gemäß den Fig. 1 und 2 mit Abstand oberhalb des jeweiligen Antriebsschlittens A1 bis A3. Diese Anordnung ist nur beispielhaft zu sehen. Die Meß­ schlitten können auch auf unabhängigen Linearführungen geführt werden, und im Fall längenveränderlicher Meßarme könnten die Meßschlitten sogar zugunsten fester Gestell­ punkte entfallen.

Der Plattform TCP ist über feste Verbindungsarme VA eine Bezugsplattform TCP′ zugeordnet. Die Verbindungsarme VA liegen parallel zu den Linearführungen G1 bis G3. Die Bezugsplattform TCP′, die in Fig. 1 der Einfachheit hal­ ber lediglich als Punkt dargestellt ist, kann die glei­ che Form haben wie die Plattform TCP. Am Meßschlitten M1 ist über ein Kugelgelenk 7 das eine Ende eines Meßarmes MA1 angelenkt, dessen anderes Ende über ein Kugelgelenk 8 mit der Bezugsplattform TCP′ verbunden ist. Im Meßarm MA1 befinden sich Meßelemente ME, mit denen neben der Längenänderung des Meßarmes MA1 sämtliche Bezugswinkel sowohl zur Linearführung (α, β) als auch zur Bezugsplatt­ form TCP′ (γ₁, δ, γ₂) erfaßt werden.

Sofern die Meßstellen am Meßarm MA1 zur Bestimmung von Lage und Position des TCP′ nicht ausreichen, können wei­ tere, zum Beispiel gleichartige Meßarme mit anderen Be­ zugspunkten installiert werden. In Fig. 2 sind zwei wei­ tere Meßarme MA2 und MA3 konstanter Länge montiert, so daß über die Position der Schlitten M2 und M3 zwei zu­ sätzliche Meßinformationen zur Verfügung stehen, womit am Meßarm M1 zwei Meßgrößen entfallen können.

Die Meßschlitten M2 und M3 sind jeweils über ein Kugel­ gelenk 9 und 10 mit dem einen Ende von Meßarmen MA2 und MA3 verbunden, deren andere Enden über jeweils ein Ku­ gelgelenk 11 und 12 gelenkig mit der Bezugsplattform TCP′ verbunden sind.

Der das Meßelement ME aufweisende Meßarm MA1 liegt zwi­ schen zwei Bezugsorten, nämlich der Bezugsplattform TCP′ und dem Meßschlitten M1 bzw. den zugehörigen Gelenken 8 und 7. Ist der Meßschlitten M1 mit dem Antriebsschlitten A1 fest gekoppelt, wird sich eine Verlagerung der Platt­ form TCP gegenüber ihrer Sollage neben einer Längenände­ rung durch eine Veränderung des Meßarmwinkels α₁ und β₁ bemerkbar machen (Fig. 1). Der Winkel α₁ ist zwischen dem Meßarm MA1 und einer durch den Gelenkpunkt 7 des Meßschlittens M1 gehenden Horizontalen gemessen. Der Winkel β₁ (Fig. 1) ist der bei einer Verdrehung des Meß­ armes MA1 um die z-Achse gemessene Winkel. Die beiden Meßarmwinkel α₁ und β₁ sind somit die Winkellagen des Meßarmes MA1 gegenüber der senkrechten, zur in Antriebs­ richtung z liegenden Ebene x-y. Aufgrund der Winkelände­ rung ändert sich auch die Länge des Meßarmes MA1, die mit dem Meßelement ME erfaßt werden kann. In den Fig. 1 und 2 ist diese Längenänderung mit Δl zwischen den festen Bezugspunkten TCP′ und dem Fußpunkt 7 des Meßarmes MA1 am Meßschlitten M1 bezeichnet. Über die Positionswerte α₁, β₁ und Δl kann die relative Länge des Punktes TCP′ gegenüber dem Fußpunkt 7 des Meßarmes MA1 bestimmt wer­ den.

Um die absolute Lage im Bezugsraum BR, dem Aufstellort der entsprechenden Maschine, zu bestimmen, muß noch die Lage des Fußpunktes 7 des Meßarmes MA1 bzw. des Meß­ schlittens M1 erfaßt werden. Diese Lageerfassung erfolgt in z-Richtung zum Beispiel über den ohnehin notwendigen Maßstab für den lagegeregelten Antriebsschlitten A1. Au­ ßerdem erfolgt die Lageerfassung hinsichtlich der Abwei­ chung in der horizontalen x-y-Ebene gegenüber der Solla­ ge mit Hilfe eines Strahlpositioniermeßsystems. Eine solche Abweichung von der Sollage kann beispielsweise durch Abdrängkräfte, Beschleunigungskräfte, thermische Ausdehnungen der verschiedenen kraftflußbeteiligten Arme und dergleichen auftreten. Jedem Antriebsschlitten A1 bis A3 ist jeweils ein solches Strahlpositioniermeßsy­ stem zugeordnet, so daß die Abweichungen der gestellsei­ tigen Position sämtlicher Meßarme von ihrer Sollage zu­ verlässig festgestellt und bestimmt werden können. Jedes Strahlpositioniermeßsystem hat einen Sender LS, der eine feste Lage im Bezugsraum BR hat. Der Sender LS sendet einen Strahl aus, der parallel zur Idealausrichtung der Antriebsrichtung z verläuft. Im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel verlaufen die Strahlen St parallel zu den Linearführungen G1 bis G3. Am jeweiligen Meßschlitten M1 bis M3 befindet sich jeweils ein Empfänger LE, der die Form eines x-y-Arrays hat und in der x-y-Ebene angeord­ net ist. Nehmen die Linearführungen G1, G2 ihre Ideal- bzw. Sollage ein, trifft der von den Sendern LS ausge­ sandte Strahl St beispielsweise auf den Schnittpunkt ei­ nes im x-y-Array vorgesehenen Kreuzungspunktes (Fig. 1). Da die verschiedenen Arme in der beschriebenen Weise mit der Plattform TCP verbunden sind, nimmt sie dann auch ihre gewünschte Sollage ein. Treten Abweichungen in der Lage der Plattform TCP auf, dann kann dies in der be­ schriebenen Weise über die Meßgrößen α₁, β₁ und Δl erfaßt werden. Diese unerwünschten Verformungen können auch auch dazu führen, daß die Empfänger LE an den jeweiligen Meßschlitten M1 bis M3 ausgelenkt werden. Dies hat zur Folge, daß die von den Sendern LS ausgesandten Strahlen St nicht mehr am Sollort auf die Empfänger LE treffen. Die Abweichung zwischen Sollort und Istort dient zur Korrektur der Lagebestimmung in der x-y-Ebene des jewei­ ligen Meßschlittens M1 bis M3 im Bezugsraum BR.

Zur Bestimmung der Orientierung des Verbindungsarmes VA zwischen der Plattform TCP und der Bezugsplattform TCP′ wird dieser Arm über ein Gelenk G mit der Bezugsplatt­ form TCP′ verbunden (Fig. 1). Der Verbindungsarm VA ent­ hält ein Drehgelenk, das so ausgebildet ist, daß der mit der Bezugsplattform TCP′ verbundene Teil des Verbindung­ sarmes VA um einen Winkel γ₂ gegenüber dem mit der Platt­ form TCP verbundenen Teil des Verbindungsarmes drehen kann. Außerdem ist der Meßarm MA1 mit einem Drehgelenk um einen Winkel δ versehen. Der mit dem Meßschlitten M1 verbundene Teil des Meßarmes MA1 kann um seine Achse um den Winkel γ₁ gegenüber dem mit der Bezugsplattform TCP′ verbundenen Teil des Meßarmes MA1 drehen. Mittels der Kenntnis der Position und Lage des Meßarmes MA1 an der Bezugsplattform TCP′ und der Winkelpositionen von γ₁, δ und γ₂ kann die Orientierung des Verbindungsarmes VA im Bezugsraum BR einfach bestimmt werden. Eine andere Form der Bestimmung der Orientierung kann gemäß Fig. 2 durch die Lagebestimmung der Plattformebene TCP′ über die Lageerfassung der Gelenkpunkte 8, 11, 12 erfolgen. Mit der Kenntnis der Ebenenlage TCP′ ist die Orientierung bestimmt.

In den bisher beschriebenen Fällen war der jeweilige Meßschlitten M1 bis M3 mit dem jeweiligen Antriebs­ schlitten A1 bis A3 gekoppelt, so daß der jeweilige Meß­ schlitten keinen Antrieb hatte, sondern vom Antriebs­ schlitten mitgenommen wurde. Wird die Lage des Meß­ schlittens M1 bis M3 freigegeben, d. h. die Kopplung zwi­ schen Meßschlitten und Antriebsschlitten aufgegeben, läßt sich das Meßsystem zur Erfassung der Längenänderung Δl des Meßarmes MA1 vorteilhaft einsparen. Der Meßarm MA1 erhält eine konstante Länge, wodurch die Bezugs­ plattform TCP′ den Meßschlitten M1 in die entsprechende z-Position verschiebt. Auch dadurch läßt sich die Soll­ position der Plattform TCP einfach überwachen und korri­ gieren.

Sofern bestimmte Freiheitsgrade des Meßarmes nicht er­ faßt werden, können diese durch die Erfassung von Frei­ heitsgraden weiterer Meßarme, die sich zwischen anderen Bezugsorten ausrichten müssen, ersetzt werden. So läßt sich beispielsweise gemäß Fig. 1 bei fest mit dem An­ triebsschlitten A1 gekoppelten Meßschlitten M1 die Er­ fassung der Längenänderung Δl des Meßarmes MA1 durch die Installation eines zweiten gleichartigen Meßarmes MA2 zwischen der Bezugsplattform TCP′ und dem Meßschlitten M2 ersetzen, dessen Winkellage α₂ gegenüber der x-y-Ebe­ ne bestimmt wird.

Sofern die Bezugsplattform TCP′ ohne Verbindungsarm VA zur Plattform TCP positioniert werden kann, zum Beispiel indem für die Bewegung der Bezugsplattform TCP′ ein gleich gestalteter kinematischer Aufbau benutzt wird wie für die Lastplattform TCP und die Meßschlitten M1, M2, M3 mit den entsprechenden Antriebsschlitten A1, A2, A3 gekoppelt sind, läßt sich zur Bestimmung der Lage der Plattform TCP auch eine Differenzmessung zwischen der Bezugsplattform TCP′ und der Plattform TCP heranziehen.

In den beschriebenen Beispielen wird der unbelastete Meßarm MA1, MA2, MA3 zur Lageerfassung der Plattform TCP herangezogen. Der Meßarm kann sich zwischen zwei Bezugs­ punkten oder Bezugslinien frei ausrichten. Dabei wird die Lage der Freiheitsgrade dieses Meßarmes MA1, MA2, MA3 bezüglich seiner Bezugspunkte oder Bezugslinien er­ faßt und jeweils der eine Bezugspunkt der Plattform TCP und der andere einer bekannten Lage im durch die Linear­ führungen G1 bis G3 definierten Grundgestell zugeordnet. Mit der beschriebenen Vorrichtung läßt sich die Position der Plattform TCP einfach und zuverlässig erfassen. Au­ ßerdem läßt sich mit der Vorrichtung in der beschrieben­ nen Weise die durch die Plattform TCP und die Bezugs­ plattform TCP′ vorgegebene Orientierung der beschriebe­ nen Parallelstabkinematik mittels des unbelasteten Meß­ armes MA1 bzw. MA2 bzw. MA3 einfach erfassen. Im be­ schriebenen Ausführungsbeispiel hat die Vorrichtung drei Parallelstabkinematiken, die jeweils die Arme L1 bis L3 aufweisen. Sie liegen innerhalb der jeweiligen Parallel­ stabkinematik parallel zueinander und sind an einem Ende gelenkig mit der Plattform TCP und am anderen Ende ge­ lenkig mit dem jeweiligen Antriebsschlitten A1 bis A3 verbunden. An den Antriebsschlitten A1 bis A3 sind die Stäbe bzw. Arme L1 bis L3 in drei Freiheitsgraden beweg­ lich gelagert. Mit den Parallelstabkinematiken, deren Arme L1 bis L3 konstante Länge haben und die jeweils die Linearantriebe A1 bis A3 aufweisen, wird die Lage der Plattform TCP im Raum festgelegt. Durch Verfahren der Antriebsschlitten A1 bis A3 längs der gestellfesten Li­ nearführungen G1 bis G3 kann die Plattform TCP in die jeweils gewünschte Lage eingestellt werden.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Werk­ zeug- und/oder eines Werkstückhalters, der über Stä­ be mit Antriebseinheiten gelenkig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein unbela­ steter Meßarm (MA1) vorgesehen ist, der sich zwi­ schen zwei Bezugspunkten (M1, TCP′) frei ausrichten kann und dessen Lage in einem Bezugsraum (BR) erfaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Meßar­ mes (MA1) mit einem Meßschlitten (M1) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) auf einer Führung (G1) verfahrbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Meß­ armes (MA1) mit einem dem Werkzeug- und/oder Werk­ stückhalter (TCP) zugeordneten Bezugspunkt (TCP′) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter (TCP) über Parallelstabkinematiken (L1, L2, . . . ) mit den Antriebseinheiten (A1, A2, . . . ) gelenkig verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gestellseitige Ende des Meßarmes (MA1) gelenkig mit dem Meßschlitten (M1) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) mit einer Antriebseinheit (A1, A2, . . . ) gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßarm (MA1) Meßele­ mente (ME) vorgesehen sind, mit denen eine Längenän­ derung (Δl) des Meßarmes (MA1), die Winkellage (α) gegen die Führungsbahn (G), die Winkellage (β) senk­ recht zur Führungsbahn, die Verdrehung (γ₁) zwischen den beiden Enden des Meßarmes sowie die Verdrehung (γ₂) des Verbindungsarmes (VA) erfaßbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschlitten (M1) unabhängig von der Antriebseinheit (A1, A2, . . . ) längs einer Führung mittels des Meßarmes (MA1) ver­ fahrbar ist, dessen Länge unveränderlich ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Meßschlit­ tens (M1) in einer zu seiner Bewegungsrichtung quer, vorzugsweise rechtwinklig liegenden Ebene (x-y) mit­ tels wenigstens eines unabhängigen Lagepositionsmeß­ systems (LS, LE) erfaßbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagepositionsmeßsy­ stem wenigstens einen im Bezugsraum (BR) ortsfest angeordneten Sender (LS) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagepositionsmeßsy­ stem wenigstens einen am Meßschlitten (M1 bis M3) angeordneten Empfänger (LE) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (LE) ein x-y-Array ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug- und/oder Werkstückhalter (TCP) mit dem einen Bezugspunkt (TCP′) über mindestens einen Verbindungsarm (VA) verbunden ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsarm (VA) ein um seine Achse drehbares Gelenk angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsarm (VA) am Bezugspunkt (TCP′) angelenkt ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsarm (VA) parallel zur Bewegungsrichtung (z) der Antriebsein­ heit (A1 bis A3) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters (TCP) weite­ re Meßarme (MA1 bis MA3) vorgesehen sind, denen je­ weils Bezugspunkte zugeordnet sind und deren Frei­ heitsgrade zur Bestimmung der Lage und Orientierung des Werkzeug- und/oder Werkstückhalters (TCP) erfaßt werden.