DE202008012487U1 - Inertiales Bahnvermessungsgerät zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und Robotern - Google Patents

Inertiales Bahnvermessungsgerät zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und Robotern Download PDF

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Abstract

Bahn- und Schwingungsmeßgerät für die direkte Bahnkalibrierung und in-process Schwingungsüberwachung von Werkzeugmaschinen und Robotern, dadurch gekennzeichnet, dass ein 3D-Inertialsensorik (ein Triplex-Beschleunigungssensor und ein Triplex-Drehratensensor) (201) an einem beweglichen Teil der Maschinenkonstruktion in definierter Lage zu den Maschinenachsen montiert sind und desgleichen ein zweiter 3D-Inertialsensor (201') an einem weiteren beweglichen oder festen Teil der Maschinenkonstruktion definiert befestigt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Mehrzweck-Meßgerät, welches sowohl zur Bahnvermessung von CNC-Werkzeugmaschinen und Robotern, insbesondere zu deren Bahnkalibrierung, als auch zur in-process Überwachung störender Maschinenschwingungen verwendbar ist.
  • Bei der direkten Kalibrierung der CNC-Werkzeugmaschinen und auch von Robotern wird bekanntlich in einem vom Prozeß (Bearbeitungsvorgang) getrennten Kalibriervorgang für vorgegebene Soll-Bahnkurven (z. B. planare Kreisbahnen, Linearverschiebungen) die Genauigkeit der Bahneinhaltung gemessen. Das zur Kalibrierung verwendete Meßgerät muß hierbei die Bahnbewegung des Werkzeugs (z. V. des Maschinenfräskopfes) relativ zum Werkstück, das z. b. auf einem Maschinentisch eingespannt ist, mit hoher Genauigkeit (Mikrometerbereich) erfassen. Aus den Abweichungen der gemessenen Bahn von der Sollbahn kann dann auf ggf. erforderliche Korrekturmaßnahmen geschlossen werden, die zur Einhaltung der geforderten Bearbeitungsgenauigkeit der Maschine erforderlich sind.
  • Zur Kalibrierung werden bislang je nach Anforderungen unterschiedliche Geräte verwendet. Gebräuchlich sind zur statistischen Kalibrierung hochauflösende Laser-Interferometer und optisch linear-inkrementale Längenmeßgeräte sowie zur dynamischen Kalibrierung sogenannte Double Ball Bar (DBB) Geräte und optische Kreuzgitter-Meßgeräte. Der Einsatz dieser Kalibriergeräte erfordert allerdings einen erheblichen zeitlichen Montage- und Justieraufwand und eine geschulte Bedienung. Die statische Kalibrierung mit den bekannten Geräten ist zudem jeweils nur auf eine Achse und die dynamische Kalibrierung auf jeweils zwei Achsen (Horizontalebene) beschränkt. Zur Kalibrierung aller drei Maschinenachsen erhöht sich der Aufwand mit diesen Geräten bis auf das Dreifache, weil jetzt mehrere Arbeitsgänge erforderlich sind. Zusätzlich müssen spezielle Einspannvorrichtungen für die Maschine vorbereit werden, um mit den bislang verfügbaren Messmitteln auch Messungen in der vertikalen Ebene durchführen zu können. Wegen des großen Aufwandes unterbleibt deshalb in der Praxis meist eine Kalibrierung in 3D-Raum mit diesen Geräten, obgleich sie häufig sinnvoll wäre.
  • Andererseits erfordert eine permanente Überwachung von CNC-Maschinen in der eigentlichen Bearbeitungsphase die dynamische Erfassung der Schwingungsbewegungen der kritischen Maschinenteile, d. h. ihre Bewegung wird – abweichend von der Bahnkalibrierung – primär nicht mehr relativ zueinander erfaßt, sondern muß jetzt entweder absolut, d. h. bezüglich des Inertialraumes, oder aber zumindest bezüglich eines gemeinsamen arbeitsraumfesten Fixpunktes gemessen werden. Daher scheidet die Verwendung der oben genannten relativ messenden Bahn-Meßgeräte für die absolute Schwingungsdetektion aus. Zur sicheren Schwingungsüberwachung werden deshalb in der Praxis schon jetzt Beschleunigungsmesser eingesetzt (z. B. piezoelektrische Sensoren), die starr mit dem zu kontrollierenden Maschinenteil verbunden werden. Nach Abklingen des Einschwingvorganges des Beschleunigungsmessers ist sein Ausgangssignal streng proportional zur Beschleunigung des Maschinenteils gegenüber dem Inertialraum. Dieses Signal wird dann zur Erfassung der störenden Schwingungskomponenten nach Amplitude, Frequenz und Phase, ausgewertet. Für die davon unabhängige Kalibrierung bzw. relative Bahnmessung von Werkzeugmaschinen oder Robotern haben allerdings weder Beschleunigungsmesser noch rotationsdetektierende Inertialsensoren (Kreisel) Anwendung gefunden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein in der Maschine eingebettetes multifunktionelles Meßgerät bereitzustellen, das zu jeder Zeit verfügbar ist und mit dem – wenn erforderlich – die genaue Kalibrierung auch dreidimensionaler Bahnbewegungen schnell und direkt durchführbar ist. Zudem sollen mit dem gleichen Meßgerät insbesondere während der Bearbeitungsphasen der Werkzeugmaschine störende Strukturschwingungen detektiert werden, so dass eine schnelle und zugleich optimale Bearbeitung des Werkstückes unter Einhaltung der Qualitäts- und Sicherheitsauflagen ermöglicht wird.
  • Die Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Meßgerät, bestehend aus der beanspruchten Zusammenschaltung von mehreren inertialen Sensoren (Beschleunigungssensoren sowie Drehungssensoren), Temperaturfühlern, analogen oder digitalen Signal-Kompensatoren und -Integration, wird in die Werkzeugmaschine bleibend eingebaut. Aufgrund seines physikalischen Messprinzips arbeitet es als autonomes Meßsystem, mit dem gleichzeitig in drei Raumdimensionen sowohl absolute als auch relative Bewegungsmessungen (d. h. rotatorische als auch translatorische Bewegungen in bis zu 6 räumlichen Freiheitsgraden insgesamt) mit vergleichsweise geringem Aufwand durchgeführt werden können. Insbesondere können diese Messungen mit hoher Genauigkeit grundsätzlich sowohl an Werkzeugmaschinen mit kinematischer Kettenausführung als auch an solche mit Parallelkinematiken erfolgen. Darüber hinaus können auch die Bahnbewegungen und Schwingungen bei anderen mechanischen Strukturen, etwa bei Robotern für Montage- und Materialbearbeitung gemessen werden.
  • Gemäß der Erfindung werden mit jeweils zwei Inertialsensorsätzen, jeder bestehend aus bis zu drei orthogonalen Beschleunigungssensoren und bis zu drei orthogonalen, inertialen Drehungssensoren, sowohl die Komponenten des Vektors der Absolutbeschleunigung des Werkzeugs (z. B. des Maschinen-Fräskopfes) als auch die Komponenten des Vektors der Absolutbeschleunigung des (auf dem Maschinentisch eingespannten) Werkstückes sowie auch ihre ggf. vorhandenen absoluten Rotationsbewegungen simultan gemessen (1).
  • Die Eingangsachsen der Sensoren sind zweckmäßig parallel zu den Koordinatenachsen des maschinenfesten Referenzsystems ausgerichtet, jedoch ist auch eine andere, definierte Winkellage zulässig, wenn die Messinformationen trigonometrisch umgerechnet werden.
  • Die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser und ggf. auch die der Drehungssensoren werden einerseits in der Bearbeitungsphase direkt zur translatorischen und rotatorischen Schwingungsüberwachung der Maschine verwendet und können in bekannter Art und Weise mit Standardgeräten, z. B. mit Fourieranalysatoren, ausgewertet werden.
  • Andererseits kann in der Kalibrierungsphase die momentane relative Ortsposition (und damit die Bahnkurve) der beiden Maschinenteile zueinander ermittelt werden, indem erfindungsgemäß durch zweifache zeitliche Integration der Beschleunigungssignale kontinuierlich zunächst die Position dieser Teile im Maschinensystem bestimmt werden. Durch anschließende Differenzbildung dieser Position kann dann die gesuchte relative Bahnbewegung des Werkzeuges bezüglich des Maschinentisches berechnet werden. Um diese relative Bahnbewegung im maschinenfesten Koordinatensystem mit einer für die Kalibrationszwecke hinreichend hohen Genauigkeit bestimmen zu können, müssen entsprechend den Merkmalen der Erfindung die störenden Einflüsse von Scheinbeschleunigungen, die infolge der Erdrotation auftreten, sowie weitere Fehlerquellen aus den inertialen Sensorsignalen gezielt eliminiert werden. Zur notwendigen Kompensation des dynamischen Fehlers der Beschleunigungsmesser und auch der störenden Coriolisbeschleunigung dient er findungsgemäß das erste Zeitintegral der Beschleunigung, welches in der Signalverarbeitungskette des Meßgerätes ermittelt wird. Dieses Integral ist äquivalent zur momentanen Geschwindigkeit des bewegten Maschinenteiles entlang der jeweiligen Koordinatenachse. Orthogonale Komponenten der Bahngeschwindigkeit, die bei vorgegebener eindimensionaler Maschinenbewegung ohnehin verschwinden müssen, können zusätzlich mit der Methode des sog. Nullgeschwindigkeits-Stützung korrigiert werden. Zur weiteren Fehlerreduzierung wird zweckmäßig die Bewegung der Maschine bei der Kalibration mit möglichst hoher Bahngeschwindigkeit durchgeführt, d. h. das Durchlaufen der Sollbahn erfolgt innerhalb von wenigen Sekunden, um so den noch verbleibenden Einfluß von stochastischen Sensorfehlern (Bias, Sensorrauschen, Temperaturdrift, usw.) auf das Integrationsergebnis zu begrenzen.
  • Das in die Maschine eingebettete intertiale Bahn- und Schwingungsmeßgerät zeigt folgende technische Vorteile gegenüber den bekannten Kalibrierungsgeräten:
    • • Zusätzlich zur Kalibrierkurve ermittelt das Gerät aus den Beschleunigungsmessungen aktuell auch die Schwingungsbewegung sowie die momentanen Geschwindigkeiten und Rotationsbewegungen der Maschinenteile. Daher ist eine in-process Kontrolle über die Steuerung der Schnittgeschwindigkeit der Maschine möglich (sog. Health Monitoring).
    • • Im Bearbeitungsmodus kann aus den Beschleunigungssignalen auf Grundlage einer Schwingungsanalyse zusätzlich die optimale Schnittgeschwindigkeit in der Maschinenachse ermittelt werden, deren Einhaltung eine Erhöhung der Bearbeitungsqualität ermöglicht.
    • • Die Bewegung (Translation, Schwingung, Rotation) wird direkt an den kritischen Maschinenteilen, die am Ende der kinematischen Kette sitzen, gemessen. Daher können in dieser Kette alle sonstigen Sensoren (z. B. elektromagnetische Winkel- bzw. Drehungsgeber) entfallen. Die erforderlichen mathematisch/physikalischen Signal-Transformationen von Kettenglied zu Kettenglied und auch die störende Fehlerfortpflanzung bei der indirekten Überwachung der kinematischen Kette werden so vermieden, was insbesondere bei Parallelkinematiken eine deutliche Vereinfachung bedeutet.
    • • Werden insbesondere miniaturisierte Sensoren in MEMS-Technologie verwendet, ist das Gerät wegen seines minimalen Volumens und Gewichts bleibend integrierbar (einbettbar) in die Maschine, ohne deren Bearbeitungsvorgänge zu stören. Daher ist auch nur ein einmaliger Einbauvorgang und Justieraufwand erforderlich.
    • • Die Anzahl der überwachten Bewegungsfreiheitsgrade kann je nach Bedarf variabel gehalten werden. Insbesondere kann im Gegensatz zu den bekannten Kalibriergeräten die Bahnkalibrierung problemlos auch dreidimensional, d. h. in jeweils 3 Freiheitsgraden der Translation und der Rotation erfolgen, wenn dreiachsige inertiale Messpakete (Triplexsensoren) verwendet werden.
    • • Eine automatische Durchführung der Kalibrierung als vorprogrammierte Funktion ist ohne weiteren Aufwand hinsichtlich Geräte und Fachpersonen möglich.
    • • Ein prinzipielle unbegrenzter räumlicher Messbereich steht für die Maschine zur Verfügung.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
  • Hierin zeigen:
  • 1: schematisch eine Werkzeugmaschine, in der das erfindungsgemäße Bahnvermessungsgerät einbaubar ist und
  • die 2 bis 5: Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung.
  • 1 zeigt beispielhaft eine CNC-Werkzeugmaschine 10 mit einem Tisch 12 und einem Fräskopf 14, die an sich bekannt ist und daher von ihrem Aufbau nicht näher erläutert werden muss. Sowohl im Fräskopf 14 wie auch im Tisch 12 sind jeweils 3D-Inertialsensoren 201 bzw. 201' fest integriert. Wie im Folgenden im Einzelnen dargelegt werden wird, lassen sich hierdurch die Komponenten des Vektors der Absolutbeschleunigung des Fräskopfes 201 als auch die Komponenten des Vektors der Absolutbeschleunigung des auf dem Maschinentisch 12 angeordneten Werkstückes (hier nicht näher dargestellt) sowie auch ihre gegebenenfalls vorhandenen absoluten Rotationsbewegungen simultan messen. Hierzu dient der Prozessrechner 16, in welchem die Meßwerte der 3D-Inertialsensoren 201 und 201' eingegeben werden.
  • Je ein 3D-Inertialsensor 201 bzw. 201', bestehend z. B. aus der orthogonal ausgerichteten einachsigen Beschleunigungsmessern und drei orthogonal ausgerichteten einachsigen Kreiseln mit drehratenproportionalem Ausgang sind auf dem Maschinentisch und auf dem Fräskopf der Werkzeugmaschine parallel zu den drei kartesischen Maschinenachsen fest montiert. Das maschinenbezogene Koordinatensystem stimmt daher mit den sensorbezogenen Koordinatensystemen jeweils bis auf eine mögliche Nullpunktverschiebung überein. Die sich in Bewegung befindlichen Sensoren 201 erfassen zusätzlich zur sollbahnbedingten Achsbewegung die Störschwingungen des bewegten Maschinenteils, während die stillstehenden Sensoren 201' nur die Störschwingungen des festen Maschinenteils detektieren. Zwecks Temperaturkompensation der inertialen Sensoren wird die Umgebungstemperatur T anhand der eingebauten Temperaturfühler 202 und 202' gemessen.
  • Die gemessenen Beschleunigungs- und Rotationssignale einschließlich der überlagerten Störschwingungen sowie das Temperatursignal werden dann gemäß 2 verarbeitet. Zuerst werden die temperaturabhängigen Parameter der Beschleunigungs- und Drehungssensoren anhand des Temperatursignals mit den Temperaturkompensatoren in Datenkorrektur 203 und 203' korrigiert. Bei dieser Tempera turkompensation handelt es sich um die Temperaturabhängigkeit des Nullpunktfehlers und des Empfindlichkeitsfaktors des jeweiligen Sensors. Zusätzlich werden die temperaturunabhängigen Nullpunktfehler ab und ωb der Beschleunigungs- bzw. der Drehratensensoren ermittelt und mit Biaskompensatoren in Datenkorrektur 203 und 203' korrigiert.
  • Der störende Einfluß der Erddrehung auf die Messung wird dann wie folgt korrigiert: Anhand der gemessenen Drehraten ωs sowie der bekannten Erddrehrate Ωe und der vorgegebenen geographischen Breite φ des Maschinenstandortes werden in den Matrixschaltungen 204 und 204' sog. Transformationsmatrizen Ces . berechnet, die eine Umrechnung der Signale zwischen dem absoluten und dem maschinenbezogenen Koordinatensystem ermöglichen. Für die genaue Berechnung der Transformationsmatrix Ces werden zuerst die dynamischen Fehler der Drehratensensoren unter Berücksichtigung ihrer dynamischen Sensorparameter (Dämpfung ξ und Eigenfrequenz ω0, siehe auch die spätere Gleichung 5) kompensiert. Diese dynamischen Kompensatoren sind gleichfalls in den Blöcken 204 und 204' enthalten.
  • Die Transformationsmatrix Ces wird dann anhand der Differenzgleich Ces (t) = Ces (t)·Ω(t) (1)ermittelt, in der Ω die Drehratenmatrix darstellt. Die Elemente der Matrix Ω sind die von den Drehratensensoren (enthalten in 201 und 201') erfaßten Drehratenkomponenten Ωi (i = x, y, z)
    Figure 00080001
  • Die Matrix Ces transformiert den gemessenen Beschleunigungsvektor as vom absoluten in das maschinenbezogene Koordinatensystem. Am Ausgang des Transformationsblockes (205 bzw. 205') tritt das Beschleunigungsvektor ac auf: ae = Ces as (3)
  • Der transformierte Beschleunigungsvektor ac wird danach mittels des Subtrahierers 206 bzw. 206' korrigiert, um den Einfluß der Coriolisbeschleunigung und der lokalen Erdbeschleunigung zu eliminieren. Die Coriolisbeschleunigung wird mittels des rückkoppelnden Kompensators 209 bzw. 209' als Vektorprodukt des Erddrehratenvektors Ωe und des Geschwindigkeitsvektors ve wie folgt ermittelt: ac = 2Ωe × ve (4)
  • Die lokale Erdschwerebeschleunigung ge kann bei kleineren Arbeitsräumen der Maschine als konstant angenommen werden. In dieser Korrektur ist auch der Einfluß der Zentrifugalkraft infolge der Erdrotation berücksichtigt. Die korrigierten Beschleunigungssignale werden dann dem Integrator 207 bzw. 207' zugeführt, um die aktuellen Geschwindigkeitssignale für jede Achse zu ermitteln. Im nächsten Schritt werden in den Integratorausgangssignalen restliche Geschwindigkeitsfehler anhand der Nullgeschwindigkeits-Stützkompensatoren 208 bzw. 208' eliminiert. Diese Stützkompensatoren bewirken in den Bahnpunkten, in denen Geschwindigkeitskomponenten den Referenzwert Null besitzen, dass auch die zugeordneten Integrationsgänge zu Null gesetzt werden, um eine unzulässige Akkumulation der Integrationsfehler zu vermeiden. Dies ist z. B. am Ende jeder Messperiode der Fall.
  • Die gestützten Geschwindigkeitssignale vTe , vKe werden schließlich auf die Eingänge der Integratoren 210 und 210' geschaltet, um im maschinenfixierten Koordinatensystem die gesuchten Positionssignale der beiden Maschinenteile zu ermitteln. Zum anderen dienen die gestützten Geschwindigkeitssignale vTe , vKe dazu, den Einfluss des Coriolisfehlers auf die Beschleunigungsmessung wie bereits beschrieben durch Rückkopplung zu korrigieren. Mit Hilfe dieser Geschwindigkeitsgrößen vTe , vKe wird ferner mittels der Sensordynamikkompensatoren 211 und 211' sowie des Subtrahierers 212 und 212' der Einfluß dynamischer Fehler der Beschleunigungssensoren auf die Positionssignale eliminiert. Der dynamische Positionsfehler δpd eines Beschleunigungsmessers berechnet sich abhängig von der Geschwindigkeit ve und seinen Parametern ξ und ω0 zu:
    Figure 00100001
  • Die dynamischen Parameter des Beschleunigungssensors (Dämpfung ξ und Eigenfrequenz ω0) müssen hierzu zusätzlich zur Geschwindigkeit ve bekannt sein. Eine entsprechende Gleichung gilt auch für die dynamisch bedingten Winkelfehler der Drehratensensoren, die in den Bölcken 204 und 204' korrigiert werden. Die korrigierten Positionsvektoren pTe – pKe (Tischbewegung relativ zu Fräskopfbewegung) zu ermitteln und die zugehörige Bahnkurve der Relativbewegung mit Standardmitteln zwecks Bewertung des Kalibrationsergebnisses graphisch darzustellen. Die relative Lageänderung der beiden Maschinenteile kann direkt am Ausgang der Superpositionsstelle 214 abgegriffen werden, weil hier wegen der Differenzbildung der Signale aus den Drehratensensoren die Erddrehung kompensiert wird.
  • In der Praxis wird meist ein Maschinenteil (z. B. Fräskopf) bei der Bearbeitung und Kalibrierung ortsfest bleiben und nur der zweite Maschinenteil (z. B. der Tisch mit dem Werkstück) die Bewegung relativ zum ortsfesten Maschinenteil beschreiben. Die Störschwingungen breiten sich auch jetzt allerdings in beiden Maschinenteilen aus. Um in der Arbeitsphase den Einfluss dieser störenden Schwingungen während der Achsenbewegung vollständig kontrollieren zu können, kann mit dem kompletten Meßgerät gemäß 2 kontinuierlich die Störbeschleunigung auch des stillstehenden Maschinenteiles erfaßt und dessen Schwingbewegung gemessen werden. Während der Kalibrationsphase wird wie oben beschrieben wieder die relative Bahnbewegung als Differenz zwischen der Tisch- und der Fräskopfbewegung er mittelt. Für den speziellen Fall, dass der zweite Maschinenteil (z. B. ein Fräskopf) im Maschinenkoordinatensystem stillsteht und auch seine Störschwingungen für die Bahnkalibration des beweglichen ersten Maschinenteils (hier z. B. der Maschinentisch) vernachlässigbar sind, kann der zweite Messkanal, gebildet in 2 von den Bauteilen 201' bis einschließlich der Superpositionsstelle 213, sowie auch die Superpositionsstelle 214, an der beide Messkanäle zusammengeführt werden, vollständig entfallen. Für die Bahnkalibration bzw. Schwingungsüberwachung wird dann direkt am Ausgang der Superpositionsstelle 212 die translatorische bzw. vibratorische Bewegung und am Ausgang von 204 die rotatorische Bewegung des beweglichen Maschinenteils relativ zum stillstehenden Maschinenteil gemessen.
  • In 3 ist ein Bahn- und Schwingungsmeßgerät dargestellt, das eine Variante der Meßsignalverarbeitung nutzt. Wie das Gerät in 2 besteht es aus zwei 3D-Inertialsensorik 301 und 301' mit je bestehend aus einem Triplex-Beschleunigungssensor und einem Triplex-Drehratensensor, den Temperaturfühlern 302 und 302', den Temperatur- und Bias-Kompensatoren 303 und 303' und den Matrixtransofmatoren 304 und 304' bzw. den Beschleunigungstransformationsblöcken 305 und 305' sowie den Subtrahierern 306 und 306' zur Kompensation der Erdschwerebeschleunigung und der Coriolisbeschleunigung 309 und 309', den Signalintegratoren 307 bzw. 307', den Kompensatoren für die Geschwindigkeitsfehler 308 und 308'. Jedoch entfallen die Integratoren 210 bzw. 210' sowie die Superpositionsstellen 212 bzw. 212' und auch die Superpositionsstelle 213 von 2 mit den zugehörigen Signalwegen, weil hier die korrigierten Geschwindigkeitssignale zwecks direkter Ermittlung der Relativgeschwindigkeit der Maschinenteile mittels der Superpositionsstelle 310 voneinander subtrahiert werden und jetzt aus der Relativgeschwindigkeit mittels des Integrators 311 die vorläufige Relativposition ermittelt wird. Diese wird durch die Ausgangssignale des Sensordynamik-Kompensators 312 an der Superpositionsstelle 313 korrigiert, so dass das Ausgangssignal der Superpositionsstelle 313 die genaue Kalibrierbahn liefert. Die relative Lageänderung der beiden Maschinenteile kann nach wie vor direkt am Ausgang der Superpositionsstelle 314 abgegriffen werden.
  • 4 beschreibt als weiteres Ausführungsbeispiel ein vereinfachtes inertiales Bahn- und Schwingungsmeßgerät, mit dem nur rein translatorischen Bewegungen z. B. innerhalb des dreidimensionalen Koordinatensystems einer kartesischen Werkzeugmaschine erfaßt werden können und das zudem eine Variante der Signalverarbeitung nutzt. Wenn keine rotatorischen Bewegungen um die Koordinatenachsen auftreten können, entfallen die Kreiselsensoren und die Matrixumrechnungen. 2 Triplex-Beschleunigungssensoren 401 und 401' sind jeweils auf dem Maschinentisch und auf dem Fräskopf einer Werkzeugmaschine parallel zu den kartesischen Maschinenachsen fest montiert, um die rein translatorischen Bewegungen zu messen. Die Beschleunigungssensoren 401 erfassen zusätzlich zur gesteuerten Sollbewegung die Störschwingungen des bewegten Maschinenteils, während die stellstehenden Beschleunigungssensoren 401' nur die Störschwingungen des festen Maschinenteils detektieren. Zur Temperaturkompensation der Beschleunigungssensoren wird kontinuierlich die Umgebungstemperatur T anhand der eingebauten Temperaturfühler 402 und 402' gemessen. Die gemessenen Achsenbeschleunigungen, die überlagerten Störschwingungen sowie das Temperatursignal können dann z. B. in Analogie zu 2 bearbeitet werden. Zuerst werden die temperaturabhängigen Parameter der Beschleunigungssensoren anhand des Temperatursignals mit den Temperaturkompensatoren in Sensordatenkorrektur 403 und 403' korrigiert. Auch werden die Nullpunktfehler der Beschleunigungssensoren mit Biaskompensatoren in Datenkorrektur 403 und 403' korrigiert. Die vorkorrigierten Beschleunigungssignale werden dann mittels der Corioliskompensatoren 407 und 407' erneut korrigiert, wobei auch der Einfluß des Erdschwerefeldvaktor ge berücksichtigt wird (Subtrahierer 404 und 404'). Diese korrigierten Beschleunigungssignale werden dann den Integratoren 405 sowie 405' zugeführt, um die Geschwindigkeitssignale für jede Achse zu ermitteln. Im nächsten Schritt werden restliche Geschwindigkeitsfehler anhand der Nullgeschwindigkeits-Stützkompensatoren 406 und 406' kompensiert. Die korrigierten Geschwindigkeitssignale werden dann den Integratoren 408 und 408' zugeführt, um die absoluten Positionssignale der beiden Maschinenteile zu ermitteln. Der Einfluß der dynamischen Fehler der Beschleunigungssensoren auf den Positionssignale wird mit den Sensordynamikkompensatoren 409 und 409' eliminiert (Subtrahierer 410 und 410'), wobei auch hier die dyna mischen Parameter des Beschleunigungssensors (Dämpfung ξ und Eigenfrequenz ω0) berücksichtigt werden.
  • Die ermittelten Positionssignale werden dann dem Subtrahierer 411 zugeführt, um die relative Position pTe – pKe (Tischbewegung relativ zu Fräskopfbewegung zu ermitteln.
  • 5 beschreibt die In-Prozeß Verschaltung des eingebetteten inertialen Bahn- und Schwingungsmeßgerätes. Die in der Werkzeugmaschine eingebetteten Sensoren zusammen mit dem Temperaturfühler und den Kompensatoren und den Transformationsblöcken (201 bis 205 bzw. 201' bis 205' in 2) liefern zusätzliche Informationen über die Maschinenvibrationen (Abgriffspunkte A und B in 2). Die hier abgegriffenen, korrigierten Beschleunigungssignale dienen in Verbindung mit dem Vibrationsanalysator 501 zur Erkennung des strukturellen Verhaltens der Maschine (Health Monitoring). Dies ist durch die Trennung (Filterung) der Nutz- und Störsignale möglich. Darüber hinaus werden die kompensierten und die transformierten Beschleunigungssignale zusammen mit dem adaptiven Geschwindigkeitsregler 502 zur Anpassung der Schneidegeschwindigkeit an den maximal zulässigen Vibrationspegel der Maschine genutzt. Damit können die durch den Bearbeitungsvorgang induzierten Vibrationen reduziert und folglich die Werkzeuglebensdauer sowie die Produktqualität erhöht werden.

Claims (12)

  1. Bahn- und Schwingungsmeßgerät für die direkte Bahnkalibrierung und in-process Schwingungsüberwachung von Werkzeugmaschinen und Robotern, dadurch gekennzeichnet, dass ein 3D-Inertialsensorik (ein Triplex-Beschleunigungssensor und ein Triplex-Drehratensensor) (201) an einem beweglichen Teil der Maschinenkonstruktion in definierter Lage zu den Maschinenachsen montiert sind und desgleichen ein zweiter 3D-Inertialsensor (201') an einem weiteren beweglichen oder festen Teil der Maschinenkonstruktion definiert befestigt sind.
  2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Integratoren (210 bzw. 210') sowie Superpositionsstellen (212 bzw. 212' und 213) derart vorgesehen sind, dass die momentane relative Position dieser beiden Maschinenteile zueinander dadurch meßbar ist, wobei mittels einer ersten und zweiten Integration des Beschleunigungssignals durch die hintereinandergeschalteten Signalintegrationen (207, 210 bzw. 207', 210') kontinuierlich die Positionen der beiden Maschinenteile im Koordinatensystem der Maschine bestimmbar sind und durch anschließende Differenzbildung dieser Positionen mittels der Superpositionsstelle (213) die relative Position bzw. Bahnbewegung der beiden Maschinenteile laufend zueinander berechenbar sind.
  3. Meßgerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluß der Erddrehung in den Winkellagesingalen der Drehratensensoren durch Matrixtransformatoren (204 und 204') bzw. in den Beschleunigungsmeßsignalen durch Beschleunigungstransformationsblöcke (205 und 205') eliminierbar ist.
  4. Meßgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3 gekennzeichnet durch elektrische oder rechnerische Kopplung des am Ausgang des Nullgeschwindigkeits-Stützkompensators (208 bzw. 208') erhaltenen Geschwindigkeitswertes, zum einen vorwärts (gekoppelt) mittels eines Sensordynamik-Kompensators (211 bzw. 211') zum Superpositionspunkt 212, wodurch der vom Beschleunigungssensor verursachte dynamisch Wegfehler kompensiert wird, zum anderen rückwärts (gekoppelt) mittels eines Coriolis-Kompensators (209 bzw. 209') zum Superpositionspunkt (206 bzw. 206'), wodurch der störende Einfluß der Corioliskraft auf die Beschleunigungsmessung eliminiert wird.
  5. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Kompensation der lokalen Erdschwerebeschleunigung im Superpositionspunkt (206 bzw. 206') sowie durch die Sensordatenkorrektur (203 und 203') unter Verwendung von Temperaturfühlern (202 bzw. 202') für die Temperaturkompensation der inertialen Sensoren sowie die Biaskompensation dieser Sensoren und durch eine Abgriffstelle 214 für die relative Winkellage der beiden Maschinenteile.
  6. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die korrigierten Geschwindigkeitssignale zwecks direkter Ermittlung der Relativgeschwindigkeit der Maschinenteile mittels der Superpositionsstelle (310) voneinander subtrahierbar sind und aus der Relativgeschwindigkeit mittels des Integrators (311) die vorläufige Relativposition ermittelbar ist und diese durch die Ausgangssignale eines Sensordynamik-Kompensators (312) am Subtrahierer (313) korrigierbar ist, so dass das Ausgangssignal der Superpositionsstelle (313) die genaue Kalibrierbahn liefert.
  7. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine rein translatorische 3D-Bahnermittlung einer kartesischen Werkzeugmaschine in 3 Freiheitsgraden erfolgt.
  8. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der 3D-Inertialsensorik (Triplex-Beschleunigungssensoren und/oder Triplex-Drehungssensoren (201 bzw. 201')) zweiachsig oder einachsige Inertialsensoren Verwendung finden und die Messung auf eine Ebene bzw. Richtung der Maschinenbewegung beschränkt ist.
  9. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine reduzierte Anzahl von Ausgangssignalen (Bahnkalibrierung bzw. Schwingungsmessung bzw. Geschwindigkeit) extern zur Verfügung steht.
  10. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sensoren (die Beschleunigungs- und Drehratensensoren sowie die Temperaturfühler) in die Maschinenkonstruktion eingebettet (fest montiert) sind.
  11. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die inertialen Sensoren zusammen mit dem Temperaturfühlern, den Kompensatoren und den Transformationsböcken (Abgriffspunkt A und B im Bild) und dem Vibrationsanalysator (501) sowie dem adaptiven Geschwindigkeitsregler (502) Informationen über die strukturellen Eigenschaften der Maschine (so genannte Health Monitoring) bzw. Signale zur adaptiven Einstel lung der Schneidegeschwindigkeit zwecks Reduzierung der Werkzeugvibrationen, sowie Erhöhung des Werkzeuglebensdauer und Erhöhung der Produktqualität zur Verfügung stellbar sind.
  12. Meßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkanal am feststehenden Maschinenteil vollständig entfällt (z. B. in 2 die Bauteile 201' bis einschließlich 212', sowie auch die Superpositionsstellen 213 und 214) und beim verbleibenden Messkanal nach der letzten internen Signalsuperposition, (z. B. in 2 am Ausgang der Superpositionsstelle 212) die translatorische und vibratorische Bewegung des beweglichen Maschinenteils direkt meßbar ist.
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