DE3043474A1 - Measurement system positioning servo controller - eliminates quantisation errors using control path model and output comparison with position - Google Patents

Measurement system positioning servo controller - eliminates quantisation errors using control path model and output comparison with position

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DE3043474A1 DE19803043474 DE3043474A DE3043474A1 DE 3043474 A1 DE3043474 A1 DE 3043474A1 DE 19803043474 DE19803043474 DE 19803043474 DE 3043474 A DE3043474 A DE 3043474A DE 3043474 A1 DE3043474 A1 DE 3043474A1
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Abstract

The servo controller is for a measurement device and positions a measurement element in one degree of freedom. It uses a computer which produces program dependent demand value signals for a controller whose output signal drives a position motor. The motor positions a measurement element and an actual value transducer. The arrangement prevents quantization errors of the components from affecting positioning errors. The computer contains a model of the control path whose output is compared with that of the actual value transducer. The output of the comparison circuit is in the form of a difference signal which is used to correct the controller demand signal after being passed through an evaluation circuit. The correction system ensures zero error in the static condition.

Description

Vereinigte Flugtechnische Werke United aeronautical works

Gesellschaft mit beschränkter haftung Servoregelanordnung für eine Meßmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Servoregelanordnung für eine Meßmaschine zum Einstellen eines Meßelements in einem Freiheitsgrad mit einem Regler zur Erzeugung programmabhängiger Sollwertsignale für einen Regler, dessen Ausgangssignal -einen Stellmotor zum Verstellen des Meßelements und eines Istwertgebers ansteuert. Limited liability company servo control arrangement for a Measuring machine The invention relates to a servo control arrangement for a measuring machine for setting a measuring element in one degree of freedom with a controller for generation program-dependent setpoint signals for a controller whose output signal -a Servomotor for adjusting the measuring element and an actual value transmitter controls.

Zur Vermessung beliebiger Körper oder Werkstücke ist es seit geraumer Zeit bekannt, Meßmaschinen zu benutzen. Solche Meßmaschinen ermoglichen es auch, komplizierte Körper mit großer Genauigkeit zu vermessen. Eine Meßmaschine besteht z.B. aus einer Grundplatte und einem in einer Raumachse positionierbarer MeRständer, an dem ein in zwei weiteren Raumachsen positionierbarer Meßarm angebracht ist. Dieser Meßarm trägt das eigentliche Meßelement, wofür in der Regel ein dreidimensionaler Meßtaster eingesetzt wird. Neben den Bewegingen in den drei Raumachsen können aber auch noch Rotationsbewegungen für den Meßtaster erforderlich sein, so daß zur Steuerung einer Meßmaschine mehrere Antriebssysteme und zwar jeweils ein System oro Freiheitsgrad,erforderlich werden.It has been used to measure any body or work piece for some time Time known to use measuring machines. Such measuring machines also make it possible to measure complicated bodies with great accuracy. A measuring machine exists e.g. from a base plate and a measuring stand that can be positioned in a spatial axis, on which a measuring arm that can be positioned in two further spatial axes is attached. This Measuring arm carries the actual measuring element, for which usually a three-dimensional probe is used. In addition to the movements in the three spatial axes however, rotational movements for the probe may also be required, see above that to control a measuring machine several drive systems, each one System oro degrees of freedom, may be required.

Wie aus der DE-AS 19 18 803 bekannt, werden für die Antrlebssysteme einer Meßmaschine Servoregelanordnungen benutzt, welche aus einer geschwindigkeitsabhängigen Grobsteuerung und einer positionsabhängigen Feinsteuerung für die Stellmotoren bestehen. Solche Servoanordnungen sind auch zweckmäßig, wenn zur Steuerung einer Meßmaschine auch Rechner eingesetzt werden. Rechner haben den Vorteil, eine Programmsteuerung zur Durchführung von Meßvorgängen anwenden zu können. Die Genauigkeit hängt bei solchen Messungen neben der Genauigkeit der Mechanik und der Genauigkeit des Positionsmeßsystems auch von der Positioniergenauigkeit des Meßtaster ab. Die Positioniergenauigkeit wird aber durch die Genauigkeit der zugehörigen Servoregelanordnung bestimmt, die aber von der Zuordnungsgenauigkeit der jeweiligen Bauelemente abhängt. Da sich solche Zuordnungsfehler grundsätzlich nicht vermeiden lassen, ist stets mit einer Pcsiticnierungenauigkeit und damit mit MeBfehlern zu rechnen.As known from DE-AS 19 18 803, are for the Anrlebssysteme a measuring machine used servo control arrangements, which consist of a speed-dependent Coarse control and a position-dependent fine control for the servomotors exist. Such servo arrangements are also useful when controlling a measuring machine computers can also be used. Computers have the advantage of having a program control to be able to use it to carry out measuring processes. The accuracy depends on such measurements in addition to the accuracy of the mechanics and the accuracy of the position measuring system also depends on the positioning accuracy of the probe. The positioning accuracy but is determined by the accuracy of the associated servo control arrangement, the but depends on the assignment accuracy of the respective components. Since such Allocation errors cannot be avoided in principle, is always with a packaging inaccuracy and thus to reckon with measurement errors.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Servoregelanordnung für eine mit einem Rechner programmsteuerbare Meßmaschine zu versehen, bei der Zuordnungsfehler der eingesetzten Bauelemente ohne Einfluß auf die Positioniergauigkeit sind. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe da- durch gelöst, daß der Rechner ein der Regelstrecke nachgebildetes und durch ein programmabhãngiges Sollwertsignal angesteuertes Modell aufweist und daß das Ausgangssignal des Modells und das Signal des Istwertgebers einer Vergleichsstufe zugeführt sind, deren Differenzsignal über eine Bewertungsstufe das Sollwertsignal des Reglers korrigiert.The invention is therefore based on the object of a servo control arrangement to be provided for a measuring machine which can be programmed with a computer and in which there is an assignment error the components used have no influence on the positioning accuracy. According to of the invention, this object is solved by that the calculator a modeled of the controlled system and a program-dependent setpoint signal controlled model and that the output signal of the model and the signal of the actual value transmitter are fed to a comparison stage, the difference signal of which is via an evaluation stage corrects the setpoint signal of the controller.

Die erfindungsgemäße Maßnahme gewahrleistet für eine Einstellung des Meßelements (Meßtasters) in den jeweiligen Freiheitsgraden eine ausgezeichnete Positioniergenauigkeit und sichert dadurch Meßergebnisse hoher Genauigkeit.The measure according to the invention ensures a setting of the Measuring element (probe) an excellent positioning accuracy in the respective degrees of freedom and thereby ensures high accuracy measurement results.

Das der Regelstrecke nachgebildete Modell kann dabei aus einem Integrator mit wahlweise vorschaltbarem Netzwerk bestehen, wobei das vorschaltbare Netzwerk, der Integrator und die der Vergleichsstufe nachgeschaltete Bewertungsstufe derart bemessen sind, daß der durch das Differenzsignal beeinflußbare Fehler im statischen Betriebszustand der Meßmaschine auf Null korrigiert ist.The model simulated for the controlled system can be obtained from an integrator with an optional upstream network, whereby the upstream network, the integrator and the evaluation stage following the comparison stage in this way are dimensioned so that the error that can be influenced by the difference signal in the static Operating condition of the measuring machine is corrected to zero.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist dem Modell ein Begrenzer mit nachgeschalteter dynamischer Rampe vorgeschaltet, Welche impulsförmige änderungen des unkorrigierten Sollsignals in sich langsam ändernde Signale wandelt.In an advantageous embodiment of the invention, the model a limiter with a downstream dynamic ramp connected upstream, which is pulse-shaped converts changes in the uncorrected setpoint signal into slowly changing signals.

Der Einsatz der dynamischen Rampe sichert der Meßmaschine in jeder Position des Meßtasters ein stoßfreie Anfahren bzw.The use of the dynamic ramp ensures the measuring machine in each Position of the probe a bumpless approach or

stoßfreies Anhalten. In diesem Zusammenhang ist es weiterhin zweckmäßig, das programmabhängige Sollwertsignal beim Anfahren und Anhalten der Meßmaschine in Abhängigkeit eines Programmgebers über eine weitere dynamische Rampe direkt dem Begrenzer zuzuführen. Diese Maßnahme gewährleistet auch beim Anfahren und beim Anhalten die Positioniergenauigkeit) in dem das Verhältnis der Geschwindigkeiten in den Freiheitsgraden konstant gehalten wird. Zum Schutz der Meßmaschine kann das der Vergleichsstufe entnehmbare Differenzsignal gleichzeitig einer Kontrollstufe zugefuhrt werden, welche bei Storungen, insbesondere Hartlagen, einen Befehl zum Stillsetzen der Meßmaschine erzeugt.shock-free stopping. In this context, it is also advisable to the program-dependent setpoint signal when starting and stopping the measuring machine depending on a programmer via a further dynamic ramp directly to the Feed limiter. This measure also ensures when starting and stopping the positioning accuracy) in which the ratio of speeds is kept constant in the degrees of freedom. This can be done to protect the measuring machine the difference signal that can be taken from the comparison stage at the same time as a control stage are supplied, which in the event of malfunctions, in particular hard locations, a command to Shutting down the measuring machine generated.

Anhand der beiliegenden Zeichnung wird die Erfindung näher erlãutert. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild u n d Figur 2 ein Diagramm.The invention is explained in more detail with the aid of the accompanying drawing. They show: FIG. 1 a block diagram and FIG. 2 a diagram.

Wie aus der Darstellung nach Figur 1 hervorgeht, besteht eine fur einen Freiheitsgrad vorgesehene Servoregelanordnung aus einem Rechner lo und einem Geschwindigkeitsregelkreis 20. Der Geschwindigkeitsregelkreis 20 erhält vom Rechner lo ein im weiteren Verlauf noch zu erläuterndes korrigiertes Sollwertsignal als Eingangssignal für eine Vergleichsstufe 21. Das Ausgangssignal dieser Vergleichsstufe 21 steuert einen Regler 22, der seinerseits über einen Verstärker 23, einen Stellmotor 24 steuert. Mit dem Stellmotor 24 ist ein Tachogenerator 25 gekoppelt, dessen Ausgangs signal als Geschwindigkeits-Ist-Wertsignal der Vergleichsstufe 21 zugeführt ist. Der Stellmotor 24 verstellt über ein Getriebe 26 das nicht näher dargestellte Meßelement in der betreffenden Raumachse und stellt damit gleichzeitig einen zugeordneten Positionsgeber 27 ein. Das Ausgangssignal des Positionsgebers 27 repräsentiert die Ist-Position des betreffenden Freiheitsgrades und ist dem Rechner lo eingegeben.As can be seen from the illustration according to FIG. 1, there is one for a degree of freedom provided servo control arrangement from a computer lo and a Speed control loop 20. The speed control loop 20 receives from the computer lo a corrected setpoint signal to be explained below as Input signal for a comparison stage 21. The output signal of this comparison stage 21 controls a regulator 22, which in turn, via an amplifier 23, a servomotor 24 controls. A tachometer generator 25 is coupled to the servomotor 24 and its output signal is fed to the comparison stage 21 as the actual speed value signal. The servomotor 24 adjusts the measuring element, not shown in detail, via a transmission 26 in the relevant spatial axis and at the same time provides an assigned position encoder 27 a. The output signal of the position transmitter 27 represents the actual position of the relevant degree of freedom and is entered into the computer lo.

Im Rechner 1o sind zwei Vergleichsstufen 30, 31 vorgesehen, welche das Istwertsignal des Positionsgebers 27 erhalten. Die Vergleichsstufe 30 erhält zum Vergleich mit dem Istwertsignal ein programmabhängiges Steuersignal von einem Programmgeber 32. Das Ausgangssignal dieser Vergleichsstufe stellt somit ein programmabhängiges Sollwertsignal dar, das über einen Verstärker 33, einen Begrenzer 34 und eine dynamische Rampe 35 geleitet ist und anschließend als unkorrigiertes Sollwertsignal einerseits zu einer Summierstufe 36 und andererseits zu einem der Regelstrecke nachgebildeten Modell 37 gelangt. Dem Modell 37, für das vorzugsweise ein Integrator eingesetzt ist, kann dabei ein Netzwerk 38 wahlweise vorgeschaltet werden.In the computer 1o two comparison stages 30, 31 are provided which the actual value signal of the position encoder 27 received. The comparison level 30 receives a program-dependent control signal from one for comparison with the actual value signal Programmer 32. The output signal of this comparison stage thus represents a program-dependent one Setpoint signal, which via an amplifier 33, a limiter 34 and a dynamic Ramp 35 is passed and then as an uncorrected setpoint signal on the one hand to a summing stage 36 and on the other hand to one of the controlled system Model 37 arrives. The model 37, for which an integrator is preferably used is, a network 38 can optionally be connected upstream.

Das Ausgangssignal des Modells 37 stellt somit ein ideales Istwertsignal dar, das der mit dem Istwertsignal des Positionsgebers 27 versorgten Vergleichsstufe 31 zugefuhrt ist. Am Ausgang dieser Vergleichsstufe 31 steht somit ein fehlerabhängiges Differenzsignal zur Verfügung, das huber eine Bewertungsstufe 39 der Summierstufe 36 zur Korrektur des anstehenden programmabhängigen Sollwertsignals zugeleitet ist. Das Ausgangssignal der Summierstufe 36 wird der Vergleichsstufe 21 des Geschwlndigkeitsregelkreises als korrigiertes Sollwertsignal zugeführt.The output signal of the model 37 thus represents an ideal actual value signal represents that of the comparison stage supplied with the actual value signal of the position transmitter 27 31 is fed. At the output of this comparison stage 31 there is thus an error-dependent one Difference signal available, which has an evaluation stage 39 of the summing stage 36 is supplied to correct the pending program-dependent setpoint signal. The output signal of the summing stage 36 is sent to the comparison stage 21 of the speed control loop supplied as a corrected setpoint signal.

Das der Regelstrecke nachgebildete Modell 37 kann in viel facher Weise realisiert werden, aber wie praktische Versuche bestätigt haben, ist der Einsatz eines Integrators hierfür am günstigsten. Durch entsprechende Bemessung des Integrators, des vorschaltbaren Netzwerkes 38 sowie der Bewertungsstufe 39 kann errreicht werden, daß der durch das Differenzsignal beeinflußbare Fehler in dem der Summierstufe 36 zugeführten unkorrigierten Sollwertsignal bei statischem Betriebszustand der Meßmaschine auf Null korrigiert ist. Die Positioniergenauigkeit wird hierdurch auch bei dynamischem Betriebszustand der Meßmaschine sehr hoch. Der Begrenzer 34 gewährleistet dabei, daß der Meßtaster im jeweiligen Freiheitsgrad stets mit einer Geschwindigkeit unterhalb der eingestellten Grenzgeschwindigkeit verstellt wird, wahrend die dynamische Rampe ein stoßfreies Anfahren bzw. stoßfreies Anhalten sichert, da diese Stufe impulsförmige Signaiãnderungenein langsame Signaländerungen umwandelt.The model 37 simulated by the controlled system can be used in many ways can be realized, but as practical tests have confirmed, is the use an integrator is the cheapest for this. By appropriately dimensioning the integrator, of the upstream network 38 and the evaluation level 39 can be achieved, that the error in that of the summing stage 36, which can be influenced by the difference signal supplied uncorrected setpoint signal static operating condition the measuring machine is corrected to zero. The positioning accuracy is thereby very high even when the measuring machine is in a dynamic operating state. The limiter 34 ensures that the probe in the respective degree of freedom always with a Speed is adjusted below the set limit speed, while the dynamic ramp ensures smooth start-up and smooth stop, since this stage converts impulsive signal changes into slow signal changes.

Beim Anfahren und beim Anhalten ist es ebenfalls notwenig, die Positioniergenauigkeit zu wahren. Um dies zu erreichen, wird das programmabhängige Steuersignal vom Programmgeber 32 während dieser Zeitintervalle nicht der Vergleichsstufe 30 sondern über eine zweite dynamische Rampe 4e direkt dem Begrenzer 34 zugeführt. Die zweite dynamische Rampe 40 muß jedoch flacher als die erste dynamische Rampe 35 sein. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Verhältnis aller Stellgeschwindigkeiten, vergleicht Figur 2, konstant bleibt, wodurch die Positioniergenauigkeit auch während des Anfahrens bzw. während des Anhaltens der Meßmaschine erhalten bleibt. Figur 2 zeigt z.B. die Geschwindigkeiten V , V , V , mit denen ein Meßtaster in x y z den drei Raumachsen verstellt wird. Wie aus dieser Darstellung hervorgeht, bleibt das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten zu jedem Zeitpunkt konstant und bildet damit eine Voraussetzung für die Positioniergenauigkeit bei allen Betriebszuständen. Sollte während eines Meßvorgangs eine länger anhaltende Störung auftreten, dann könnte beim-Betrieb nicht nur die Meßmaschine selbst, sondern auch das zu vermessende Bauteil beschädigt werden. Solche Störungen werden mit der erfindungsgemäßen Servoregelanordnung festgestellt und die Meßmaschine abgeschaltet. Zu diesem Zweck wird das in der Vergleichsstufe 31 erzeugte Differenzsignal einer Kontrollstufe 41 zugefuhrt, welche dann, wenn das Differenzsignal eine definierte Wegabweichung,verursacht durch einen beliebigen Fehler, signalisiert, einen Befehl zum Abschalten der Meßmaschine erzeugt. Auf diese Weise werden Schaden an der Meßmaschine und am zu vermessenden Bauteil verhindert.When starting and stopping, the positioning accuracy is also necessary to protect. To achieve this, the program-dependent control signal is sent by the programmer 32 during these time intervals not the comparison stage 30 but via a The second dynamic ramp 4e is fed directly to the limiter 34. The second dynamic However, ramp 40 must be shallower than the first dynamic ramp 35. This will ensures that the ratio of all adjusting speeds, compares figure 2, remains constant, increasing the positioning accuracy even during start-up or is retained while the measuring machine is stopped. For example, Figure 2 shows the Velocities V, V, V with which a probe in x y z the three spatial axes is adjusted. As can be seen from this illustration, the relationship remains this Speeds are constant at all times and are therefore a prerequisite for the positioning accuracy in all operating states. Should be during a Measurement process a longer lasting disturbance occur, then it could not be during operation only the measuring machine itself, but also the component to be measured can be damaged. Such disturbances are detected with the servo control arrangement according to the invention and the measuring machine switched off. For this purpose, this is done in comparison stage 31 The difference signal generated is fed to a control stage 41 which, when the Difference signal a defined path deviation, caused by any Error, signaled, a command to switch off the measuring machine generated. To this This prevents damage to the measuring machine and the component to be measured.

Claims (5)

Vereinigte Flugtechnische Werke Gesellschaft mit beschränkter Haftung Patentansprüche Servoregelanordnung für eine Meßmaschine zum Einstellen eines Meßelements in einem Freiheitsgrad mit einem Rechner zur Erzeugung programmabhängiger Sollwertsignale für einen Regler, dessen Ausgangssignal einen Stellmotor zum Verstellen des Meßelements und eines Istwertgeber ansteuert, dadurch g-e k e n n z e i c h n e t daß der Rechner (lo) ein der Regelstrecke nachgebildetes und durch ein programmabhängiges Sollwertsignal angesteuertes Modell (37) aufweist und daß das Ausgangssignal des Modells (37) und das Signal des Istwertgebers (27) einer Vergleichsstufe (31) zugefuhrt sind, deren Differenzsignal über eine Bewertungsstufe (39) das Sollwertsignal des Reglers (22) korrigiert. United Aviation Works Limited Liability Company Claims Servo control arrangement for a measuring machine for setting a measuring element in one degree of freedom with a computer for generating program-dependent setpoint signals for a controller whose output signal is a servomotor for adjusting the measuring element and controls an actual value transmitter, so that the computer (lo) a modeled of the controlled system and a program-dependent setpoint signal controlled model (37) and that the output signal of the model (37) and the signal of the actual value transmitter (27) are fed to a comparison stage (31) whose Difference signal via an evaluation stage (39) the setpoint signal of the controller (22) corrected. 2. Servoregelanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Modell (37) aus einem Integrator mit wahlweise vorschaltbarem Netzwerk (38) besteht und daß das vorschaltbare Netzwerk (38), der Integrator und die der Vergleichsstufe (31) nachgeschaltete Bewertungsstufe (39) derart bemessen sind, daß der durch das Differenzsignal beeinflußbare Fehler im statischen Betriebszustand der Meßmaschine auf Null korrigiert ist. 2. Servo control arrangement according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t that the model (37) consists of an integrator with an optional upstream Network (38) exists and that the upstream network (38), the integrator and the evaluation stage (39) downstream of the comparison stage (31) is dimensioned in this way are that the error can be influenced by the difference signal in the static operating state the measuring machine is corrected to zero. 3 Servoregelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Modell (37) ein Begrenzer (34) mit nachgeschalteter dynamischer Rampe (35) vorgeschaltet ist, welche impulsformige Anderungen des unkorrigierten Sollwertsignals in langsame Signaländerungen wandelt. 3 servo control arrangement according to claim 1 or 2, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the model (37) has a limiter (34) with a downstream dynamic Ramp (35) is connected upstream, which pulse-shaped changes of the uncorrected Converts the setpoint signal into slow signal changes. 4. Servoregelanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rechner (lo) das programmabhängige Sollwertsignal beim Anfahren und Anhalten der Meßmaschine in Abhängigkeit eines Programmgebers (32) über eine dynamische Rampe (40) direkt dem Begrenzer (34) zufuhrt. 4. Servo control arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized it is noted that the computer (lo) sends the program-dependent setpoint signal when starting and stopping the measuring machine depending on a programmer (32) via a dynamic ramp (40) directly to the limiter (34). 5. Servoregelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch o e k e n n z e i c h n e t daß das der Vergleichsstufe (31) entnehmbare Differenzsignal gleichzeitig einer Kontrollstufe (41) zugeführt ist, welche bei Störungen einen Befehl zum Stillsetzen der Meßmaschine erzeugt. 5. Servo control arrangement according to one of the preceding claims, characterized It is clear that the difference signal which can be taken from the comparison stage (31) at the same time a control stage (41) is fed, which a Command to stop the measuring machine generated.
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