DE3302063C2 - Device for the compensation of position errors on machine tools or measuring machines as well as on industrial robots - Google Patents
Device for the compensation of position errors on machine tools or measuring machines as well as on industrial robotsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern mit mindestens einem Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte. Um ohne komplizierte und zusätzliche Regeleinrichtungen an der Maschine herstellungsbedingte, lastbedingte und temperaturbedingte Verlagerungen unter Zuhilfenahme der Mikroprozessortechnik zu kompensieren, ist dem Wegmeßsystem der Werkzeug- oder Meßmaschine oder des Industrie-Roboters ein Rechner nachgeschaltet, der die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte vor ihrer Anzeige bzw. Weiterverarbeitung mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für alle möglichen Positionen, thermischen Zustände und Lastbedingungen ermittelt und in dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner zugeordneten Speichern abgespeichert bzw. in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen Rechner berechnet sind.The invention relates to a device for compensating for errors on machine tools or measuring machines and on industrial robots with at least one position measuring system and a device for display or a machine control for further processing of the measured values. In order to compensate for production-related, load-related and temperature-related shifts with the aid of microprocessor technology without complicated and additional control devices on the machine, a computer is connected downstream of the measuring system of the machine tool, measuring machine or industrial robot, which the actual values measured by the measuring system before they are displayed or Further processing is superimposed with correction values that are previously determined for all possible positions, thermal states and load conditions and stored in the memory assigned to the computer responsible for the compensation task or are calculated by this computer as a function of the prevailing operating parameters.
Description
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zu Kompensation von Lagefehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern mit mindestens einem Inkrementalen Wegmeßsystem und einer Vorrichtung zur Anzeige bzw. einer Maschinensteuerung zur Weiterverarbeitung der gemessenen Werte, wobei dem Wegmeßsystem ein Rechner zugeordnet ist, der die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte mit Korrekturwerten überlagert, die zuvor für eine Vielzahl von Positionen unter unterschiedlichen Lastbedingungen ermittelt und in Speichern, die dem für die Kompensationsaufgabe zuständigen Rechner zugeordnet sind, abgespeichert sind und in Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsparametern durch diesen Rechner ermittelt werden. Eine Einrichtung dieser Art ist aus der EP-PS 62 076 bekannt.The invention relates to a device for compensating for positional errors on machine tools or measuring machines as well as industrial robots with at least one incremental measuring system and a device for display or a machine control for further processing of the measured values, with the A computer is assigned to the measuring system, to which the actual values measured by the measuring system with correction values superimposed that previously determined for a variety of positions under different load conditions and are stored in memories assigned to the computer responsible for the compensation task and are determined by this computer as a function of the prevailing operating parameters. One Device of this type is known from EP-PS 62 076.
Alle bekannten Werkzeugmaschinen unterliegen Fehlereinflüssen, die dazu führen, daß an den zu fertigenden Werkstücken Maß-, Lage- und Formabweichungen von den vorgegebenen Sollwerten entstehen. Auch Meßmaschinen besitzen geometrische Fehler, wie Positions- und Rechtwinkligkeitsfehler, die die Meßergebnisse verfälschen.All known machine tools are subject to error influences that lead to the to be manufactured Workpieces deviations in dimensions, position and shape from the specified target values arise. Even Measuring machines have geometrical errors, such as position and squareness errors, which affect the measurement results distort.
In zahlreichen Veröffentlichungen wurde bereits über die Auswirkungen einzelner Störparameter, beispielsweise der der Werkstückgewichtsbelastung, der Temperatur-, Reibungs- und Spieleinflüsse sowie der unvermeidlichen Fertigungstoleranzen, wie sie insbesondere bei der Serienproduktion von Werkzeugmaschinen auftreten, berichtet. Teilweise wurden Kompensa'.lonsmöglichkeiten der durch diese Störeinflüsse auftretenden Bearbeitungsfehler angedeutet.In numerous publications it has already been mentioned the effects of individual disruptive parameters, such as the workpiece weight load, the temperature, Influences of friction and play as well as the inevitable manufacturing tolerances, such as those in particular occur in the series production of machine tools, reports. In some cases, compensation options became possible the processing errors that occur due to these disruptive influences are indicated.
Die Ursachen der durch derartige Störungen auftretenden Fehler an Werkzeug- und Meßmaschinen lassen sich im wesentlichen auf drei Problemschwerpunkte reduzieren: The causes of the errors in machine tools and measuring machines caused by such malfunctions can be determined essentially reduce it to three main problem areas:
1. Herstellungsbedingte Fehler:1. Manufacturing defects:
Unter diese Kategorie fallen In erster Linie Positionsabweichungen innerhalb der Maschine, die beispielsweise durch fehlerhaftes Schleifen der Führungsbahnen, durch Stelgungsfehler der Spindel, durch Fehler in den Meßsystemen oder durch eine fehlende Rechtwinkligkeit der Maschinenachsen Maßabweichungen bei einem vorgesehenen Bearbeitungsproblem bewirken.This category primarily includes position deviations within the machine, for example due to incorrect grinding of the guideways, due to positioning errors of the spindle, due to errors in the measuring systems or due to the lack of perpendicularity of the machine axes, dimensional deviations in an intended Cause machining problem.
2. Lastbedingte Fehler:2. Load-related errors:
Derartige Lastfehler entstehen statisch durch Verlagerung von Eigengewichten des Schlittens der Werkzeugbzw. Meßmaschine, insbesondere wenn dieser in extreme Lagepositionen verfahren wird. Bei Werkzeugmaschinen werden solche statischen Lastfehler durch das Eigengewicht aufgespannter Werkstücke verstärkt. Auch infolge der am Werkzeugeingriffpunkt wirkenden Zerspankräfte erfolgt eine Verformung der Werkzeugmaschine, aus welcher Maßabweichungen an der Wirkstelle resultieren. Bei Werkzeugmaschinen werden somit die statischen Lastfehler durch mehr oder weniger stark ausgeprägte dynamische Komponenten überlagert.Such load errors arise statically due to the shifting of dead weights of the slide of the tool or Measuring machine, especially when it is moved into extreme positions. With machine tools Such static load errors are amplified by the dead weight of clamped workpieces. Also as a result the cutting forces acting at the tool engagement point there is a deformation of the machine tool, which results in dimensional deviations at the point of action. In machine tools, the static load errors become more or less pronounced dynamic components superimposed.
3. Temperaturbedingte Fehler:3. Temperature-related errors:
In Abhängigkeit lokaler Wärmequellen an und in der Werkzeugmaschine sowie als Folge inhomogener Wärmeleitung und somit eines inhomogenen Temperaturfeldes In der Maschine treten Verlagerungen einzelner Bauteile auf, die in ihrer Summe als Gesamtverlagerung an der Wirkstelle meßbar sind.Depending on local heat sources on and in the machine tool and, as a result, inhomogeneous Heat conduction and thus an inhomogeneous temperature field. Individual displacements occur in the machine Components that can be measured in their sum as a total displacement at the point of action.
Eine Korrektur herstellungsbedingter Fehler erfolgt bisher meist nur durch Kompensation der Spindelsteigungsfehler, wodurch gewisse Positionierfehler des Wegmeßsystems vermieden werden können. Bei neueren CNC-Steuerungen besteht auch die Möglichkeit, ein Werkstück zu vermessen und der Steuerung Korrekturwerte für einzelne Meßpunkte einzugeben. Rechtwinkligkeitsfehler können auf diese Welse nur mit einem extrem großen Aufwand kompensiert werden.A correction of manufacturing-related errors has so far mostly only been done by compensating the spindle pitch errors, whereby certain positioning errors of the measuring system can be avoided. With newer ones CNC controls also have the option of measuring a workpiece and entering correction values for individual measuring points into the control. Squareness errors can only be compensated for with an extremely large amount of effort.
Daneben existieren ACC-geregelte Werkzeugmaschinen, bei denen meist in Abhängigkeit von der Schnittkraft oder der Stromaufnahme des Hauptmolors die Schnittdaten, wie Vorschub oder Drehzahl, variiert werden. Die Heranziehung der Schnittkraft-Meßresultaie zur Kompensation der entstehenden Verlagerung findet jedoch nicht statt, so daß bei allen bisher bekannten Werkzeugmaschinen lastbedingte Fehler in Kauf genommen werden müssen.There are also ACC-controlled machine tools, which mostly depend on the cutting force or the power consumption of the main motor, the cutting data, such as feed rate or speed, varies will. The use of the cutting force measurement result to compensate for the resulting shift does not take place, so that with all previously known Machine tool load-related errors have to be accepted.
Mit thermischen Deformationen an Werkzeugmaschinen haben sich viele Arbeiten beschäftigt. FJn Teil der Untersuchungen geht davon aus, daß besonders beiMuch work has dealt with thermal deformations on machine tools. FJn part of Investigations assume that especially at
Drehmaschinen In Abhängigkeit von Drehzahl und Zeit Verlagerungen auftreten, die sich als Funktion der Temperaturen an verschiedenen Meßstellen darstellen lassen. Zwar können thermisch bedingte Fehler durch eine ihermo-symmetrische Konstruktion der Werkzeugmaschine und durch eine schnelle Späneabfuhr erheblich eingegrenzt werden, völlig verhindert werden können thermische Verlagerungen hingegen nicht. Dies gilt besonders für Fräsmaschinen.Lathes Depending on the speed and time, displacements occur as a function of the Display temperatures at different measuring points. It is true that thermally related errors can occur an ihermo-symmetrical construction of the machine tool and can be significantly limited by rapid chip removal, can be completely prevented thermal displacements, however, are not. This is especially true for milling machines.
Obwohl bereits vor längerer Zeit Versuche zur regel- jo technischen Kompensation derartiger thermisch bedingter Fehler unternommen wurden, um mittels hydraulischer oder pneumatischer Wandler aufgrund von an bestimmten Stellen der Werkzeugmaschine gemessenen Temperaturen eine der Werkzeugzustellung überlagerte Zustellungskorrektur durchführen, gestalten sich die regeltechnischen Maßnahmen sehr aufwendig, weil das Auffinden der mathematischen Zuordnung äußerst kompliziert ist.Although attempts at regular jo technical compensation of such thermally caused errors were undertaken by means of hydraulic or pneumatic converter based on measurements taken at certain points on the machine tool Temperatures perform an infeed correction that is superimposed on the tool infeed, the Control engineering measures are very complex, because finding the mathematical assignment is extremely difficult is complicated.
Nur durch eine intelligente Kompensadonseinrichtung, die mit geeigneten mathematischen Beziehungen aus dem Temperaturniveau eines oder einer bestimmten Anzahl definierter Punkte am Werkzeugmaschinenkörper die thermische Verlagerung der Maschinenspindel ermittelt und an den Regelkreis geeignet weiterleitet, lassen sich solche Fehler kompensieren. Von Bedeutung ist hierbei ferner, daß die thermischen Verlagerungen außerdem immer im Zusammenhang mit Rechtwinkligkeitsfehlern gesehen werden müssen.Only through an intelligent compensation facility, those with suitable mathematical relationships from the temperature level of a particular Number of defined points on the machine tool body the thermal displacement of the machine spindle such errors can be compensated for. Significant is also here that the thermal displacements also always in connection with squareness errors must be seen.
Zusammenfassend läßt sich somit zum gegenwärtigen Stand der Entwicklung sagen, daß die Ursachen der an Werkzeugmaschinen auftretenden herstellungsbedingtcn, lastabhängigen und thermischen Verlagerungen ausreichend ermittelt sind. Bei der Kompensation der daraus resultierenden Bearbeitungsfehler sind aber die Möglichkellen, die sich in Verbindung mit NC- oder CNC-Wcrkzeugmaschinensteuerungen bieten, bisher kaum genutzt worden. Gewisse Steuerungen bieten zwar Sollwcrtkorrekluren an, die über ein Software-Programmsystem einmalig eine Fehleranpassung zumindest in einer Achse - gestatten. Die bekannten Korrekturverfahren sind jedoch ausschließlich an eine bestimmte Steuerung angepaßt. Als Beispiel sei hier die Kompensation von Relativverlagerungen bei einigen Drehmaschinen genannt.In summary, it can be said of the current state of development that the causes of the an Machine tools occurring production-related, load-dependent and thermal displacements are sufficiently determined. When compensating the The resulting processing errors are possible in connection with NC or CNC machine tool controls have hardly been used until now. Certain controls offer Setpoint corrections made via a software program system Allow a one-time error adjustment at least in one axis. The known Correction methods are, however, only adapted to a specific control. As an example, here is the Called compensation for relative misalignments on some lathes.
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der EP-OS 62 076. Bei dieser bekannten Einrichtung an Industrie-Robotern erfolgt die Überlagerung der Istwerte mit den Korrekturwerten im Regelkreis des Industrie-Roboters, d. h. nach dem Soll-Istwert-Vergleich. Hierdurch erfolgt ein Eingriff in die Steuerung des Industrie-Roboters, der Insbesondere bei einem nachträglichen Umbau problematisch ist. Mit der bekannten Einrichtung können lediglich lastbedingte Verlagerunge, d. h. Posilionsfehler in einer Achse kompensiert werden.The invention is based on a device according to EP-OS 62 076. In this known device on industrial robots the actual values are superimposed with the correction values in the control loop of the industrial robot, d. H. after the target / actual value comparison. Through this there is an intervention in the control of the industrial robot, which is particularly important in the case of a subsequent conversion is problematic. With the known device only load-related displacements, d. H. Posilion error be compensated in one axis.
Der Erfindung liegt ausgehend von der bekannten Einrichtung die Aufgabe zugrunde, ohne einen Eingriff in die eigentliche Steuerung eine Kompensation sowohl lastbedingter Positionsfehler als auch von Rechtwlnkllgkeitsfchlern zu ermöglichen und die Voraussetzungen für die Kompensation auch thermisch bedingter Fehler zu schaffen.On the basis of the known device, the invention is based on the object without any intervention In the actual control, a compensation for both load-related position errors as well as misunderstandings to enable and the prerequisites for the compensation of thermally caused errors create.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Überlagerung der Istwerte mit den Korrekturwerten je Achse inkremental vor der Verarbeitung der Istwerte im Soll-Istwert-Verglelcher erfolgt und daß Rechtwinkllgkeitsfehler durch Wertetabellen kompensiert werden, die durch einen Vergleich von in diskreten Positionsabständen je Achse ermittelten Soll- und Istwert entstehen und Korrekturwerte für jede der drei Achsen enthalten.The solution to this problem through the invention is characterized in that the superimposition of the actual values with the correction values for each axis is incremental before processing the actual values in the setpoint / actual value comparator takes place and that squareness errors are compensated by value tables, which by a comparison of the setpoint and actual value determined in discrete position intervals for each axis arise and Correction values for each of the three axes included.
Da die erfindungsgemäße Einrichtung die vom Wegmeßsystem gemessenen Istwerte mit den für eine Vielzahl von Positionen, thermischen Zuständen und Lastbedingungen gespeicherten bzw. berechneten Korrekturwerten so überlagert, daß bei der Weitergabe der Meßwerte an den Soll-Istwert-Vergleicher der Maschine bzw. des Industrie-Roboters dem Lageregelkreis ein »korrigierter Positionswert« vorgetäuscht wird, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung kein Eingriff in den Regelkreis der Maschine, der eine Änderung des Stabilitätsverhaltens zur Folge hätte. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist darüber hinaus unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Maschinensteuerung bzw. Anzeigevorrichtung, da sie zwischen dem jeweiligen Wegmeßsystem und der eigentlichen Maschinensteuerung bzw. Anzeigevorrichtung angeordnet ist und lediglich die dem Soll-Istwert-Vergleicher zugeführten Istwerte (unter Berücksichtigung der zuvor festgestellten Fehlerquellen) korrigiert. Die den gemessenen Werten (Istwerten) überlagerten Korrekturwerte sind diejenigen Größen, die vorher als herstellungs-, temperatur- oder lastabhängige Fehler meßtechnisch erfaßt und damit gespeichert oder berechnet wurden. Da Meßsysteme an numerisch gesteuerten Maschinen und Industrie-Robotern überwiegend derart beschaffen sind, daß sie jeweils nach einem bestimmten Verfahrabstand einen Impuls an die Steuerung abgeben, die diese Impulse zählt und so die aktuelle Position ermittelt, genügt es bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, im Falle einer notwendig gewordenen Korrektur entweder einen zusätzlichen Impuls zu suggerieren oder einen tatsächlichen Impuls zu unterdrücken, um die gewünschte Kompensation durchzuführen. Since the device according to the invention, the actual values measured by the measuring system with the for a A large number of positions, thermal states and load conditions are saved or calculated Correction values are superimposed so that when the measured values are passed on to the set-actual value comparator, the Machine or industrial robot is simulated a "corrected position value" for the position control loop, With the device according to the invention, there is no intervention in the control loop of the machine that would result in a change the stability behavior would result. The device according to the invention is also independent of the respective design of the machine control or display device, since they are between the respective Position measuring system and the actual machine control or display device is arranged and only those fed to the setpoint / actual value comparator Actual values corrected (taking into account the previously identified sources of error). The the measured values (Actual values) overlaid correction values are those variables that were previously identified as manufacturing, temperature or load-dependent errors were recorded by measurement technology and thus saved or calculated. Since measuring systems on numerically controlled machines and industrial robots are predominantly designed in such a way that they each after a certain travel distance emit a pulse to the control, which counts these pulses and so the determined current position, it is sufficient with the device according to the invention, in the case of one that has become necessary Correction either to suggest an additional impulse or to suppress an actual impulse, to perform the desired compensation.
Die Erfindung gestattet somit, herstellungsbedingte Fehler in Abhängigkeit von der jeweiligen Position durch translatorische Korrekturen in allen drei Achsen und damit auch Verlagerungen und Verkippungen auzugleichen. Bei mehr als dreiachsig gesteuerten Maschinen und Industrie-Robotern kann die Korrektur nicht nur translatorisch, sondern ggf. auch rotatorisch erfolgen. Die Kompensation dieser Rechtwinkligkeitsfehler erfolgt durch Wertetabellen, die je Achse durch einen Vergleich von In diskreten Positionsabständen ermittelte Soll- und Istwerte entstehen, wobei diese Tabellen für die für jede Achse vorgegebenen Positionen Korrekturwerte für jede der drei Achse enthalten.The invention thus allows manufacturing-related errors as a function of the respective position to compensate for translational corrections in all three axes and thus also displacements and tilts. With more than three-axis controlled machines and industrial robots, the correction can not only be translational, but possibly also take place in a rotary manner. These squareness errors are compensated for by means of tables of values, the nominal and Actual values arise, with these tables for the positions specified for each axis, correction values for each the three axis included.
Für die herstellungsbedingten Fehler ist es zwar erforderlich, diese für jede Maschine bzw. jeden Industrie-Roboter einzeln zu ermitteln und in den dem Rechner zugeordneten Speichern abzuspeichern. Die beiden anderen Fehlerarten, nämlich die lastbedingten und thermischen Fehler, sind weitgehend typbedingt und werden daher nur einmal für jeden Maschinentyp bzw. für jede Baureihe ermittelt und gespeichert. Die Abspeicherung der Korrekturwerte erfolgt vorzugsweise binär.For the manufacturing-related errors it is necessary, to determine this for each machine or each industrial robot individually and in the computer to save assigned memories. The other two types of errors, namely load-related and thermal Errors are largely type-dependent and are therefore only shown once for each machine type or for each Series determined and saved. The correction values are preferably stored in binary form.
Aus der DE-OS 25 08 968 war es zwar bekannt. Istwerte vor der Steuerung durch Werte eines zweiten Wegmeßsystems zu verändern. Diese Einrichtung erfordert somit nicht nur ein zweites Meßsystem, das durch seine Zuordnung zum ersten Meßsystem eine weitere Fehlerquelle darstellt, sondern benötigt eine aufwendige Verarbeitung der beiden Meßsignalreihen vor deren Weitergabe als Korrekturwert.From DE-OS 25 08 968 it was known. Actual values before the control by values of a second To change the measuring system. This device thus not only requires a second measuring system that by its assignment to the first measuring system represents a further source of error, but requires a complex one Processing of the two measurement signal series before they are passed on as a correction value.
Mit der Erfindung werden die Voraussetzungen zur Kompensation auch thermischer Fehler geschaffen.The invention creates the prerequisites for compensating thermal errors as well.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält zu diesem Zweck der dem Rechner zugeordnete Speicher zusätzlich mathematische Beziehungen, die unter realen Arbeitsbedingungen den Zusammenhang zwischen dem thermischen Zustand und hieraus resultierenden Lagefehlern bezogen auf jede der drei Achsen beschreiben und aus denen in Abhängigkeit des jeweiligen thermischen Zustands, der durch an mehreren ausgesuchten Stellen angeordnete Temperatursensoren erfaßt wird, Korrekturwertanteile für den thermischen Zustand errechnet werden. Nach einer einmaligen Ermittlung der mathematischen Beziehungen für den jeweiligen Maschinentyp ist somit eine Kompensation thermischer Fehler allein durch Überwachen der Temperaturen an ausgesuchten Stellen möglich. Die mathematischen Beziehungen zwischen thermischem Zustand der Maschine und auftretenden Verlagerungen werden vorzugsweise durch geeignete Regressionsverfahren ermittelt.According to a further feature of the invention, the memory assigned to the computer contains for this purpose in addition, mathematical relationships that, under real working conditions, establish the relationship between the Describe the thermal state and the resulting positional errors in relation to each of the three axes and from those depending on the respective thermal state, which is selected by several Place arranged temperature sensors is detected, correction value components for the thermal state can be calculated. After a one-off determination of the mathematical relationships for the respective machine type is therefore a compensation for thermal errors solely by monitoring the temperatures at selected Positions possible. The mathematical relationships between the machine's thermal state and Any displacements that occur are preferably determined using suitable regression methods.
Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die mit Hilfe der Signale von Dehnmeßstreifen ermittelten lastbedingten Korrekturwertanteile vom Anteil der Dehnmeßstreifensignale aufgrund des rein thermischen Zustands zu befreien. Hierdurch ist es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, lastabhängige Fehler durch den Einsatz von Dehmeßstreifen zu korrlgieren, wozu während des Betriebes laufend die Signale der Dehnmeßstreifen durch einen Rechner abgefragt und die gespeicherten Korrekturwerte der lastabhängigen Fehler entsprechend dem Abfrageergebnis den Istwerten des Wegmeßysystems überlagert werden, wobei die zu speichernden Korrekturwerte für die lastabhängigen Fehler vom Einfluß der thermischen Fehler befreit werden. Bei den dynamischen Belastungen infolge Schnittkraftschwankungen erfolgt die Korrektur der Verlagerung nur hinsichtlich ihrer zeitlichen Mittelwerte, wobei die Mittlungsdauer sich nach der Dynamik des Regelkreises richtet.Finally, the invention proposes that the signals are determined by strain gauges load-related correction value components from the component of the strain gauge signals due to the purely thermal Free state. This makes it possible with the device according to the invention, load-dependent Correct errors by using pressure gauges, for which purpose the signals of the strain gauges are continuously queried by a computer and during operation the saved correction values of the load-dependent errors according to the query result the actual values of the measuring system are superimposed, the correction values to be saved for the load-dependent Errors are freed from the influence of thermal errors. With the dynamic loads as a result For fluctuations in the cutting force, the displacement is only corrected with regard to its mean values over time, whereby the averaging time depends on the dynamics of the control loop.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Kompensation von Fehlern an Werkzeug- oder Meßmaschinen sowie an Industrie-Robotern ermöglicht somit mit Hilfe eines geringen Meßaufwandes, der lediglich bezüglich der herstellungsbedingten Fehler für jede einzelne Maschine durchgeführt werden muß, ansonsten für eine ganze Maschinenserie ermittelt werden kann, eine vollständige Kompensation der herstellungsbedingten, lastbedingten und thermischen Fehler, ohne daß es hierzu eines Eingriffes in die jeweils vorhandene Maschinensteuerung bedarf.The device according to the invention for compensating for errors in machine tools or measuring machines as well as in Industrial robots thus allows with the help of a low measurement effort, which only with respect to the manufacturing-related errors must be carried out for each individual machine, otherwise for a whole Machine series can be determined, a complete compensation of the production-related, load-related and thermal errors without intervening in the machine control system requirement.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompensalions-Einrichtung bei drei messenden Achsen anhand eines Schaltschemas dargestellt. In the drawing, an embodiment of the compensation device according to the invention is at three measuring axes shown on the basis of a circuit diagram.
An verschiedenen Temperaturmeßstellen der Maschine werden die lokalen Temperaturen mittels Temperatursensoren dt bis dm gemessen. Durch nachgeschaltete Analog-Digital-Wandler W1 bis Wn, steht deren Wert digital zur Verfugung. In einem zugeordneten Temperaturprozessor OCP-T (OCP: one chip processor) werden diese Werte, die durch sequenzielles Ansprechen der einzelnen Wandler W, bis Wm abgefragt werden, mit den einmalig für einen Maschinentyp erstellten Temperatur-Verlagerungs-Beziehungen verknüpft.The local temperatures are measured at various temperature measuring points on the machine by means of temperature sensors d t to d m. The value is digitally available through downstream analog-to-digital converters W 1 to W n. In an assigned temperature processor OCP-T (OCP: one chip processor), these values, which are queried by sequentially addressing the individual transducers W to W m , are linked with the temperature-displacement relationships created once for a machine type.
Das Ergebnis, nämlich die durch Wärmedehnungen entstandene Verlagerung der Wirkstelle in Relation zu einem vorgegebenen Nullniveau, wird einem Master-Prozessor OCP-M getrennt für jede Achse immer dann zur Verfügung gestellt, wenn die seit der letzten Temperaturkompensation aufgetretene Verlagerung gerade dem kleinsten Verfahrlnkrement entspricht.The result, namely the displacement of the active point caused by thermal expansion in relation to a specified zero level, is made available to a master processor OCP-M separately for each axis whenever the displacement that has occurred since the last temperature compensation corresponds to the smallest displacement increment.
Durch Wegmeßzähler x, y und ζ werden die vom Wegemeßsystem M kommenden Wegimpulse mitgezählt, wobei der aktuelle Stand aller Achsen jederzeit durch den Master-Prozessor OCP-M abgefragt werden kann.The path impulses coming from the path measuring system M are also counted by path measuring counters x, y and ζ, whereby the current status of all axes can be queried at any time by the master processor OCP-M.
Erkennen die Wegmeßzähler x, y, ζ aufgrund einelvorgegebenen Korrekturtabelle, daß ein Positionswert erreicht Ist, der eine Korrektur in einer der Achsen erforderlich macht, so werden Größe des Korrekturwertes (üblicherweise ebenso groß wie der kleinste mögliche Verfahrschritt der Maschinensteuerung), Richtung Urtd Angabe der zu korrigierenden Achse dem Master-Prozessor OCP-M übermittelt.If the measuring counters x, y, ζ recognize on the basis of a given correction table that a position value has been reached that requires a correction in one of the axes, then the size of the correction value (usually the same as the smallest possible travel step of the machine control), direction Urtd specification of the axis to be corrected is transmitted to the master processor OCP-M.
An verschiedenen geeigneten Stellen der Maschine sind Dehnungssensoren «ί bis e,„ angebracht, welche die Oberflächenspannungen messen. In Verbindung mit Ihnen zugeordneten Verstärkern Vt bis V111 entstehen zu den Oberflächenspannungen proportionale Spannungssignale. Hieraus berechnet ein Lastprozessor OCP-S in vorbeschriebener Weise die an der Wirkstelle auftretenden Verlagerungen in den einzelnen Achsen als Folge der dort wirkenden Kräfte. Sind voreingestellte Parameter, die für die Berechnung erforderlich sind, von Maschinenpositionen abhängig, so ermittelt der Lastpro/cssor OCP-S die aktuelle Position über den Masler-Prozessor OCP-M. At various suitable points on the machine, strain sensors «ί to e," are attached, which measure the surface tension. In conjunction with amplifiers V t to V 111 assigned to you, voltage signals proportional to the surface tension are generated. From this, a load processor OCP-S calculates in the manner described above the displacements occurring at the point of action in the individual axes as a result of the forces acting there. If preset parameters that are required for the calculation are dependent on machine positions, the load processor OCP-S determines the current position via the Masler processor OCP-M.
Um nicht durch Wärmedehnung hervorgerufene Maschinenspannungen für Lastspannungen zu deuten (und sie dann nochmals zu kompensieren), wird die Größe der lastabhängigen Spannungen um den Einfluß der temperaturabhängigen Spannungen bereinigt. Der Last-Prozessor OCP-S fragt über den Master-Prozessor OCP-M den aktuellen Zustand im Temperatur-Prozessor OCP-T ab und berücksichtigt diese Werte bei der lastabhängigen Verlagerungsberechnung.In order to interpret machine stresses not caused by thermal expansion for load stresses (and then to compensate them again), the size of the load-dependent stresses is adjusted for the influence of the temperature-dependent stresses. The load processor OCP-S queries the current status in the temperature processor OCP-T via the master processor OCP-M and takes these values into account in the load-dependent shift calculation.
Auch der Last-Prozessor OCP-S stellt Korrekturgrötte und Richtung, für jede Achse getrennt, dem Master-Prozessor OCP-M zur Verfügung.The load processor OCP-S also provides correction values and direction, separately for each axis, to the master processor OCP-M .
Aus allen ihm zugeleiteten Verlagerungsinformationen ermittelt der Master-Prozessor OCP-M für jede Achse den zu korrigierenden Gesamtfehler. The master processor OCP-M determines the total error to be corrected for each axis from all the displacement information supplied to it.
Die mit »±« dargestellten Symbole kennzeichnen die Phasenschieber Px, P1,, P. für jede Achse. Ein positiver Impuls vom Wegmeßsystem M veranlaßt den Phasenschieber Px bzw. P1. bzw. P. ebenso wie ein positiver Impuls vom Master-Prozessor OCP-M, einen positiven Impuls an die Maschinensteuerung S weiterzugeben. Das gleiche gilt für einen negativen Impuls. Heben sich Impuls vom Wegmeßsystem M und Impuls vom Master-Prozessor OCP-M wegen unterschiedlichen Vorzeichens gerade auf, so wird kein Impuls weitergegeben.The symbols shown with »±« identify the phase shifters P x , P 1 ,, P for each axis. A positive pulse from the measuring system M causes the phase shifter P x or P 1 . or P. as well as a positive pulse from the master processor OCP-M to pass on a positive pulse to the machine control S. The same is true for a negative impulse. If the pulse from the measuring system M and the pulse from the master processor OCP-M cancel each other out because of different signs, no pulse is passed on.
Ist im Master-Prozessor OCP-M ein Korrekturwert bestimmt worden, der in einer Achse mehreren Korfekturimpulsen entspricht, so werden diese Impulse hintereinander mit maximal der Taktrate ausgegeben, die von der Maschinensteuerung 5 noch verarbeitet werden kann. Überschreiten die Taktraten der Wegmeßsignale, beispielsweise bei sehr hohen Eilgangsgeschwindigkeiteh, jene Grenze, unterhalb derer es dem Master-Prozessor OCP-M möglich ist, Korrekturwerte dazwlschenzuschleben, »sammelt« er die Korrekturwerte und gibt diese erst dann aus, wenn die Taktrate der Meßsignale auf ein genügend reduziertes Niveau gesunken ist. Damit läßt sich vermeiden, daß nicht eindeutige Zustände In den Phasenschiebern Px. P9, P. entstehen.If a correction value has been determined in the master processor OCP-M , which corresponds to several corrective pulses in one axis, these pulses are output one after the other at a maximum clock rate that can still be processed by the machine control 5. If the clock rates of the position measurement signals, for example at very high rapid traverse speeds, exceed the limit below which the master processor OCP-M is able to insert correction values, it "collects" the correction values and only outputs them when the clock rate of the measurement signals stops a sufficiently reduced level has fallen. This avoids unambiguous states in the phase shifters P x . P 9 , P. arise.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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