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Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung an Antast-
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systemen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Weg-Kraft-Koordinierung
an Antastsystemen, insbesondere für die Meßkraftsteuerung für Tastköpfe an Koordinatenmeßgeräte.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Des weiteren sind elektrische Signalgeber für jede Koordinate sowie
feinverstellbare Präzisionsgesperre und Mittel zur definierten Meßkraftvorgabe vorgesehen.
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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.
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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.
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Bei weiteren bekannten Tasteinrichtungen (DE-AS 2.356.
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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.
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Nachteil aller dieser Tastköpfe ist der große Aufwand, der zur Realisierung
einer hohen Reproduzierbarkeit und Vorwählbarkeit der Meßkraft notwendig ist. So
sind z.B.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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der Auslenkung d S, gemessen und entsprechende Signale dem PID-Regler
18 zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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So kann bei dieser Betriebsart die Dämpfung entsprechend den jeweilig
vorliegenden Schwingungsverhältnissen der gesamten Einrichtung optimal gestaltet
werden.
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