DE3106031A1 - Einrichtung zur weg-kraft-koordinierung an antastsystemen - Google Patents

Einrichtung zur weg-kraft-koordinierung an antastsystemen

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DE3106031A1 DE19813106031 DE3106031A DE3106031A1 DE 3106031 A1 DE3106031 A1 DE 3106031A1 DE 19813106031 DE19813106031 DE 19813106031 DE 3106031 A DE3106031 A DE 3106031A DE 3106031 A1 DE3106031 A1 DE 3106031A1
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    • G01B5/0002Arrangements for supporting, fixing or guiding the measuring instrument or the object to be measured
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Description

  • Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antast-
  • systemen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antastsystemen, insbesondere für die Meßkraftsteuerung für Tastköpfe an Koordinatenmeßgeräte.
  • Bekanntlich stellt das Antastsystem bei Koordinatenmeßgeräten die notwendige Beziehung zwischen Meßobjekt und Meßgerät her und beeinflußt deshalb in hohem Maße die Genauigkeit und Schnelligkeit der Messungen. Wesentlich für genaue Messung mit derartigen Meßgeräten ist bei Verwendung von DastköpSen zur Objektantastung die Weg-Eraft-Beziehung der das Meßobjekt unmittelbar lastenden Taster und die Art der Übernahme der Meßwerte der Meßsysteme in einer definierten Stellung des Tasters in Bezug auf das Antastsystem. So sind, insbesondere bei Dreikoordinatenmeßgeräten, Vor- und Nachlauftastsysteme und -taster bekannt.
  • Bei den Vorlauftastern wird der Taster in Richtung zum Meßobjekt hin vorausgelenkt, und es erfolgt die Übernahme der Meßwerte der Meßsysteme in der Nullage des Tasters, d. h. wenn der Taster infolge Objektberührung in die Nullage zurückgedrückt wird. Ein solcher Tastkopf ist in der DD-PS 92.567 beschrieben, welcher mit mehreren Tastern versehen ist, von denen jeder in mindestens zwei Koordinatenrichtungen auslenkbar ist.
  • Diese Taster sind mit einer vorgebbaren Meßkraft vorausgelenkt. Dieser Tastkopf besitzt Induktionsspulen für jede Meßrichtung zur Erzeugung der Meßkraft und die Rastung der Taster in einer Mittelstellung, wobei diese Spulen über mechanische Mittel mit einem die Taster tragenden Bügel verbunden sind. Durch vorgesehene Wandler werden nach dem Anlegen der Taster an das Meßobjekt von der Entfernung desselben zur Mittelstellung der Taster abhängige Steuersignale erzeugt, mit zieren Hilfe der Bremsvorgang des Tastkopfes steuerbar ist. Beim Erreichen der Mittelstellung der Taster wird ein Meßwert, analoger Positionswert, an vorhandenen Meßsystemen abgenommen.
  • Bei diesem Tastkopf erfolgt eine Rastung bzw. Entrastung eines kardanisch gelagerten Kippsystems durch Hubmagnet und Rasthebel. ttber kompliziertes Umlenkgetriebe und Federsysteme, die mit der erforderlichen Genauigkeit schwer herstellbar sind, erfolgen die Rastung und die Meßkrafterzeugung. Solch ein System ist für jede Koordinate vorgesehen, und es erfordert einen großen technischen Aufwand und ist außerdem störanfällig.
  • In dem DE-GM 7.231.877 ist ein Tastkopf beschrieben, welcher aus einer torsionssteifen Aneinanderreihung von spiel- und reibungsfreien Federgeradführungen besteht, die ein räumliches Koordinatensystem bilden.
  • Des weiteren sind elektrische Signalgeber für jede Koordinate sowie feinverstellbare Präzisionsgesperre und Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe vorgesehen.
  • Um definierte Meßkräfte zu erzeugen, sind elektronisch gesteuerte Tauchspulen vorgesehen, deren Bewegungen über Übertragungselemente auf die Tasteraufnahme übertragen werden. Zum Halten der Tasteraufnahme und damit der Taster in einer definierten Nullage ist ein Rastgesperre, bestehend aus einem mit einer V-Nut versehenen Rastkörper und einer Rastkugel. Diese Rastge-Sperre sind zwecks übereinstimmender Einstellung der Taster sowohl auf den mechanisch-geometrischen als auch auf den elektrischen Nullpunkt. Dazu werden Signale vorhandener induktiver Meßwertgeber zur motorischen Nachstellung der Raststellung mit einem Elektromotor herangezogen.
  • Auch bei diesem Tastkopf ist der mechanische und elektrische Aufwand groß, und durch die große Zahl miteinander verbundener, zusamraenwirkender Teile zur Erzeugung der Meßkraft und zur Verwirklichung einer genauen Rastung der Tasteraufnahme für alle Koordinaten sind Störquellen vorhanden, die die Meßunsicherheit des -stkopSes heraufsetzen. Da die Bedergeradführungen ein xchwingungsfähiges System darstellen, sind weit erhin für jede Führung Dämpfungselemente vorzusehen, um unerwünschte Schwingungen allseitig zu verhindern. Im bekannten Tastkopf sind hierzu viskosehydraulische Elemente vorgesehen.
  • Bei weiteren bekannten Tasteinrichtungen (DE-AS 2.356.
  • 030 und DE-AS 2.347.633) erfolgt die Halterung CFesse- lung) der Taster in einer Nullage mittels Nuten und Pedern. Des weiteren sind mechanische Elemente zur Meßkraft er zeugung vorgesehen. Bei der Antastung des Meßobå ektes erfolgt eine Stromkreisunterbrechung, wodurch ein Einzelimpuls für eine automatische Schalteinrichtung zur Abnahme der Meßwerte ausgelöst wird.
  • Nachteil aller dieser Tastköpfe ist der große Aufwand, der zur Realisierung einer hohen Reproduzierbarkeit und Vorwählbarkeit der Meßkraft notwendig ist. So sind z.B.
  • Rastsysteme und Systeme zur Meßkrafterzeugung für jede Koordinate erforderlich. Außerdem treten Meßkraftschwankungen infolge von Störkräften, die durch die Führungssysteme hervorgerufen werden, auf. Die Schwankung der Meßkraft hat eine unterschiedliche Deformation an den Rastern und am Meßobjekt zur Folge, welche als Meßfehler in die Meßergebnisse eingehen.
  • Es ist Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und auftretende Störquellen an Antastsystemen auszuschalten und damit die Genauigkeit der mit Tastköpfen ausgeführten Messungen zu erhöhen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Antastsystemen, insbesondere in Tastköpfen, die Meßkraft in Betrag und Richtung programmierbar zu machen und, sowohl zeitlich als auch über den gesamten Bereich der Tasterauslenkung konstant zu halten, eine programmierbare, vor Störkräften unabhängige Vorauslenkung der Taster zu erzielen und eine programmierbare Dämpfung der Führungssysteme zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Einrichtung zur Weg-Eraft-Koordinierung an Antastsystemen gelöst durch einen Steuerkreis, bei welchem Einstellmittel für den Sollwert der Meßkraft vorgesehen sind, oder durch einen Regelkreis mit Einstelimitteln für die Lage der Tasteraufnahme, wobei diese Einstellmittel über eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem an sich bekannten W -Linear.motor verbunden sind, bei welchem das im Tastkopf angeordnete Wegmeßsystem einerseits über einen Weg-Kraft-Wandler oder über eine im oder am Tastkopf angeordneten Bauteile gebildete und beeinflußte Regelstrecke mit dem Ausgang des DC-Linearmotors und andererseits über Verstärker, PID-Regler und/oder Geschwindigkeitsinformationen verarbeitende Glieder mit dem Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist.
  • Zur Erzielung einer konstanten Meßkraft für die Taster aufnahme mit dem Taster ist ein Steuerkreis, bestehend aus der spannungsgesteuerten Stromquelle, dem DC-Linearmotor, dem Weg-Kraft.-Wandler, dem Störinformationen liefernden Wegmeßsystem und einem Regelverstärker, vorgesehen, wobei ein Einstellmittel für den Sollwert der Meßkraft über die spannungsgesteuerte Stromquelle mit m m DC-Linearmotor verbunden ist, dessen Ausgang mit dem tie Störgröße erzeugenden Weg-Kraft-Wandler verbunden ist, und wobei das Wegmeßsystem über den Regelverstärker mit der Stromquelle elektrisch gekoppelt ist.
  • Zur Erzielung einer definierten Auslenkung und Arretierung der Tasteraufnahme mit dem Taster ist ein Regelkreis vorgesehen, der aus der spannungsgesteuerten Stromquelle, dem DC-Linearmotor, der Regelstrecke, dem Wegmeßsystem und einem PID-Regler besteht, wobei ein Einstellmittel für den Lagesollwert über den PID-Regler mit der Stromquelle verbunden ist, an deren Ausgang der DC-Linearmotor liegt, und daß die Regelstrecke einerseits mit dem Ausgang des DC-Linearmotors und andererseits mit dem Wegmeßsystem verbunden ist, welches mit dem PID-Regler gekoppelt ist.
  • Zur Erzielung einer dynamischen Dämpfung für die Tasteraufnahme mit dem Taster ist anstelle des PID-Reglers ein Geschwindigkeitsinformationen verarbeitendes Glied, vorzugsweise ein D-Regler, vorgesehen. Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß bei Antastsystemen, insbesondere für Koordinatenmeßgeräte der gerätetechnische Aufwand zur Realisierung einer hohen Reproduzierbarkeit der Meßkraft, einer zuverlässigen Rastung der Gasteraufnahme mit dem daran angeordneten Taster und einer Dämpfung des gesamten Systems wesentlich verringert wird.
  • Des weiteren ist eine Steuerung der Meßkraft und des Dämpfungsverhaltens in Abhangigkeit von den Antastbedingungen am Meßobjekt und von den Betriebsarten des gesamten Systems, z. B. Scanning-Betrieb, mit geringem Aufwand erzielbar.
  • Es ist ferner möglich, eine exakte Lage des Tasters mittels "Besselung" desselben im Sinne einer Rast, einzustellen und jederzeit auf den Sollwert zu korrigieren. Der entscheidende Vorteil gegenüber den bekannten, bei Antastsystemen angewendeten mechanischen Rasten liegt darin, daß bei Sollkraftüberschreitung bei der Antastung des Meßobjektes Steuersignale ge- wonnen werden können, die eine Lageregelung der Taster aufnahme und ein evtl. notwendiges Ausweichen derselben ermöglichen, oder den Vorschub des Antastsystems in Richtung zum Meßobjekt hin unterbrechen.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem AusSührungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 schematisch den Aufbau des Antastæystems, Fig. 2 das Blockschaltbild des Steuerkreises für die Meßkraft er zeugung Fig. 3 das Blockschaltbild des Regelkreises für die Lagefesselung und Fig. 4 das Blockschaltbild des Regelkreises für die Dämpfung Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Antastsystem für Tastköpfe umfaßt eine in einem Gehäuse 1 des Tastkopfes z. B. in Blattfedern 2 und 3 verschiebbar angeordnete Tasteraufnahme 4, in welcher ein Taster 5 zur Antastung des Meßobjektes eingesetzt ist. Am Gehäuse 1 ist ein Anker 6 angeordnet, der in eine, mit der Tasteraufnahme 4 verbundene und mit dieser bewegbare uchspule 7 eingreift. Anker 6 und Tauchspule 7 stellen minen DC-Linearmotor dar und übernehmen dessen Funktion. Zur Ermittlung der Relativverschiebung von Tasteraufnahme 4 und Taster 5 und Gehäuse 1 ist vorteilhafterweise ein internes Meßsystem 8, bestehend aus Eiern 9 und Spule 10, im Tastkopf vorgesehen. Als hIeßsystem kann beispielsweise ein Differentialtrafo angewendet wer den.
  • Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den einzelnen Bauteilen des Tastkopfes nach Fig. 1 in den Figuren 2 bis 4 Block 11, 12, 13, 14 im Blockschaltbild zugeordnet. So ist der Block 11 dem DC-Linearmotor, der aus Anker 6 und Tauchspule 7 besteht, Block 12 dem Weg-Kraft-Wandleer, Block 13 der Regelstrecke, Block 14 dem internen Wegmeßsystem 8. Bei der Erläuterung zu den Figuren 2 bis 4 werden deshalb die Bezugszeichen der einzelnen Blöcke für die entsprechenden Bauteile des Tastkopfes verwendet. In Fig, 1 ist die Zuordnung durch gestrichelte Linien kenntlich gemacht, Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild zeigt den Steuerkreis mit Störgrößenaufschaltnng für die Meßkraft und deren Konstanthaltung, welcher aus einer spannungsgesteuerten Stromquelle 15 für die Spule 10 des DC-Linearmotors 11, dem D0-Linearmotor 11, dem Weg-Kraft-Wandler 12 und einem Regelverstärker 16 besteht. Es ist ferner ein Einstellmittel 17 für den Sollwert der Meßkraft vorgesehen, das über die Stromquelle 15 mit dem DC-Linearmotor 11 verbunden ist. Das interne Wegmeßsystem 14, welches wegproportionale Signale entsprechend der Auslenkung der Tasteraufnahme 4 mit dem Taster 5 erzeugt, ist über den Regelverstärker 16 mit der Stromquelle 15 elektrisch gekoppelt.
  • Der Sollwert der programmierten Meßkraft wird durch das Einstellmittel 17 über die spannungsgesteuerte Stromquelle 15 und den DC-Linearmotor 11 durch einen vorgewählten Spannungswert (Sollwert) programmiert.
  • Eine Störgrößenaufschaltung erfolgt dann, wenn durch besondere Antastverhältnisse bei der Antastung des Meßobjektes durch den Taster 5 eine zusätzliche, durch Störkräfte bedingte Auslenkung » S der in den Blattfedern 2 und 3 gelagerten Tasteraufnahme 4 entsteht und damit das Meßsystem 14 (bzw. 8) an den Regelverstärker 16 eine Spannung liefert, welche dieser so bewertet, daß die Beeinflussung des Sollwert es genau den Einfluß der Störkräfte kompensiert, welche über den Weg-Kraft-Wandler 12 an den Ausgang des DC-Linearmotors 11 gegeben werden. Die dem Einfluß der Störkräfte entsprechende Ausgangsspannung des Verstärkers 16 wird vorzeichenbehaftet der spannungsgesteuerten Stromquelle 15 zugeschaltet, wodurch der Sollwert der programmierten Meßkraft so korrigiert wird, daß während des gesamten Meßvorganges eine konstante resultierende Meßkraft Fres als Ergebnis zur Verfügung steht. Bei S = 0 ist demzufolge der Sollwert der programmierten Meßkraft gleich der resultierenden Meßkraft Frei.
  • Das Blockschaltbild nach Fig. 3 zeigt den Regelkreis für die Lage und Arretierung der Tasteraufnahme 4 mit dem Taster 5, welcher aus der spannungsgesteuerten Stromquelle 15, dem DC-Linearmotor 11, einer Regelstrekke 13, dem Wegmeßsystem 14 und einem PID-Regler 18 besteht. Dabei ist ein Einstellmittel 19 für den Sollwert d r Lage der Tasteraufnahme 4 über den PID-Regler 18 mit der t'tromquelle 15 verbunden, an deren Ausgang der DC-Linearmotor 11 angeschlossen ist. Die Regelstrecke 13, die durch das gesamte schwingungsfähige System des Tastkopfes beeinflußt wird, ist einerseits mit dem Ausgang des DC-Linearmotors 11 und andererseits mit dem Wegmeßsystem 14 verbunden, welches mit dem PID-Regler 18 gekoppelt ist.
  • Die zu regelnde Größe, die Regelgröße, ist die Auslenkung » S der Tasteraufnahme 4, d. h. diejenige Größe, die einmal durch einen, mittels des Einstellmittels 19 zu programmierenden Lage-Sollwert auf eine bestimmte Auslenkung geführt werden soll und zum anderen diese programmierte Lage auch unter Einflüssen von äußeren Störungen (Störkräften F9tör) möglichst genau beibehalten werden soll, was einer Fesselung der Tasteraufnahme 4 in einer Sollage gleichkommt. Die Einrichtung besitzt bei dieser Betriebsart die Eigenschaft einer Rast.
  • Bei Abweichung der Istwertlage der Tasteraufnahme 4 mit dem Taster 5 von der durch das Einstellmittel 19 programmierten Sollage, z. B. infolge einer auftretenden, auf den Taster 5 einwirkenden Störkraft Xstörs verarbeitet der PID-Regler 18 ein Differenzsignal, das am Ausgang des Reglers 18 über die spannungsgesteuerte Stromquelle 15 an den DC-Linearmotor 11 gegehen wird, welcher eine Kraft erzeugt, die über die Regelstrecke 13 die Istwertlage zum Sollwert korrigiert. Im Pesselbetrieb, d. h. unter Beibehaltung einer festen Lage oder Vorauslenkung der Gasteraufnahme 4 während des gesamten Meßvorganges, werden mittels des Wegmeßsystems 14 ständig Betrag und Vorzeichen der Regelgröße, d. h.
  • der Auslenkung d S, gemessen und entsprechende Signale dem PID-Regler 18 zugeführt.
  • Solange die einzelnen Elemente des Regelkreises nicht "übersteuert" werden, gibt es keine Regelabweichung, d. h. die Lage der Tasteraufnahme 4 ist an den Lage-Soll-Wert gefesselt. Dadurch werden die Eigenschaften einer Präzisionsrast erreicht, jedoch mit einem entscheidenden Vorteil gegenüber einer mechanischen Rast.
  • Sobald auf die Tasteraufnahme 4 eine Kraft zu wirken beginnt, steht am Regelausgang eine in Betrag und Vorzeichen der Störkraft F stör zugeordnete Spannung U' zur Auswertung zur Verfügung, welche zur zusätzlichen Kraftmessung oder auch zum Abschalten des Vorschubs benutzt werden kann. So kann diese elektronische Rast beim Auftreten von Störkräften auch noch vor dem Erreichen einer Grenzkraft aus dem Regelkreis ein Meldesignal liefern, welches weiterverarbeitbar ist.
  • Der in Fig. 4 dargestellte Regelkreis zur Erzielung einer dynamischen Dämpfung des gesamten Tastersystems, welches vor allem aus dem schwingungsfähigen System, Blattfedern 2, 3 - Tasteraufnahme 4 mit Taster 5 sowie Kern 9 und Tauchspule 7 besteht, umfaßt die in Fig. 3 beschriebenen Elemente des Regelkreises mit dem Unterschied, daß an Stelle des PID-Reglers 18 ein Geschwindigkeitsinformationen verarbeitendes Glied 20, vorzugsweise ein D-Regler, vorgesehen ist. Die Notwendigkeit einer Dämpfung ist wegen der geforderten reibungsfreien Federlagerung für die Tasteraufnahme 4 und der daraus resultierenden hohen mechanischen Schwingungs-,te immer dann besonders gegeben, wenn ohne Vorauslenkung ohne zusätzliche Meßkraft und nicht im oben dargelegten Fesselbetrieb gearbeitet werden soll. Solche Einsatzfälle treten dann auf, wenn der Taster 5 selbstzentrierend das Meßobjekt abtasten soll, wie z. B. bei Gewindemessungen. Durch die Dämpfung wird die Taster aufnahme 4 mit dem Taster 5 dynamisch in einer Nullage gehalten, d. h. die Amplituden der Eigenbewegung durch die unvermeidbaren Anregungen durch das Meßgerät werden unterdrückt.
  • Bei dieser Betriebsart der Einrichtung verarbeitet der Regelkreis durch das Meßsystem 14 gelieferte Spannungssignale, die im Glied 20 differenziert und in Geschwindigkeitsinformationen U der Regelgröße umgewandelt werden, die zur Erzeugung eines entsprechenden Dämpfungsgrades weiter verwendet werden.
  • So kann bei dieser Betriebsart die Dämpfung entsprechend den jeweilig vorliegenden Schwingungsverhältnissen der gesamten Einrichtung optimal gestaltet werden. Leerseite

Claims (4)

  1. Patentansprüche 1. Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antastsystemen mit einem DastkopS, in welchem eine Tasteraufnahme mit darin angeordneten rastern aus seiner Nullage heraus in einer oder mehreren Koordinaten auslenk- oder verschiebbar gelagert ist, mit Mitteln zur Meßkrafterzeugung und zur Halterung der Tasteraufnahme in einer Nullage sowie mit Mitteln zur Dämpfung der Tasteraufnahme und mit einem im Tastkopf angeordnetex4Wegmeßsystem gekennzeichnet, durch einen Steuerkreis, bei welchem Einstellmittel für den Sollwert der Meßkraft vorgesehen sind oder durch einen Regelkreis mit Einstellmitteln für die Lage der Tasteraufnahme, wobei die Einstelimittel über eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einem an sich bekannten DC-Linearmotor verbunden sind, und bei welchem das im tastkopf angeordnete Wegmeßsystem einerseits über einen Weg-KraSt-Wandler oder durch die am und im Tastkopf angeordneten Bauteile gebildete und beeinflußte Regelstrecke mit dem Ausgang des DC-Linearmotors und andererseits über Verstärker, PID-Regler und/ oder Geschwindigkeitsinformationen verarbeitende Glieder mit dem Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer konstanten Meßkraft fur die Tasteraufnahme mit dem Taster ein Steuerkreis, bestehend aus der spannungsgesteuerten Stromquelle, dem DC-Linearmotor, dem Weg-Kraft-Wandler, einem die Störinformationen liefernden Wegmeßsystem und einem Regelverstärker vorgesehen ist, wobei ein Einstellmittel für den Sollwert der Meßkraft über die spannungsgesteuerte Stromquelle mit dem DC-Linearmotor verbunden ist, dessen Ausgang mit dem die Störgröße erzeugenden Weg-Kraft-Wandler verbunden ist, und wobei das Wegmeßsystem über den Regelverstärker mit der Stromquelle elektrisch gekoppelt ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer definierten Auslenkung und Arretierung der Tasteraufnahme mit dem Taster ein Regelkreis, bestehend aus der spannungsgesteuerten Stromquelle, dem DC-Linearmotor, der Regelstrecke, dem Wegmeßsystem und einem PID-Regler, vorgesehen ist, wobei ein Einstellmittel für den Lage-Soll-Wert über dem PID-Regler mit der Stromquelle verbunden ist, an deren Ausgang der DC-Linearmotor liegt, und daß die Regelstrecke einerseits mit dem Ausgang des DC-Linearmotors und andererseits mit dem Wegmeßsystem verbunden ists welches mit dem PID-Regler gekoppelt ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer dynamischen Dämpfung für die Tasteraufnahme mit dem Taster anstelle des PID-Reglers ein Geschwindigkeitsinformationen verarbeitendes Glied, vorzugsweise ein D-Regler, vorgesehen ist.
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