DE3623602A1 - Steuerung fuer koordinatenmessgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Steue­ rung von Koordinatenmeßgeräten sowie eine zur Durchführung des Verfahrens dienende Anordnung.

Koordinatenmeßgeräte werden zunehmend im Serienmeßbetrieb ein­ gesetzt und arbeiten dann z.B. in einer mannlosen Nachtschicht ohne Betreuung durch Bedienpersonal CNC-gesteuert eine größere Anzahl auf dem Maschinentisch aufgespannter oder über ein Hand­ habungssystem kontinuierlich zugeführter Werksstücke ab. In dieser Betriebsweise gibt der mit dem Arbeitsprogramm geladene Rechner der Meßmaschine laufend Positions- und Technologiebe­ fehle - z.B. betreffend die einzuwechselnde Taststiftkombina­ tion, die für die Messung gewählte Antastkraft etc.- aus und empfängt die gemessenen Koordinatenwerte und Zustandsmeldungen von der Steuerelektronik der Meßmaschine.

Treten während des automatischen Betriebs Störungen auf, weil z.B. der Tastkopf mit einem Hindernis kollidiert oder aufgrund eines zu kurzen Antastweges oder verschmutzter Werkstückober­ fläche kein korrekter Meßwert übernommen werden kann, so führt dies zu einer Fehlermeldung.

Nach dem bisher bekannten Stand der Technik wird der CNC-Betrieb beim Auftreten einer solchen Fehlermeldung abgebrochen, es ertönt ein Warnsignal und die Maschine muß nach Beseitigung des Fehlers durch Bedienpersonal wieder manuell gestartet werden. Derartige Betriebsunter­ brechungen sind unerwünscht, denn dadurch bleibt unter Umstän­ den ein Meßauftrag von mehreren Stunden unerledigt.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt ein Verfahren zur automatischen Steuerung von Koordinatenmeßgeräten anzuge­ ben, welches die vorstehend beschriebene Abhängigkeit der Ma­ schine von Bedienpersonal bei Störungen stark vermindert.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß vor dem Start des eigentlichen Meßprogramms auf der für den Tastkopf bzw. die Antastkugel vorgegebenen Bahn liegende Sicherheitspositionen (S 1- S 7) bestimmt und in das Meßprogramm eingegeben werden und während des ablaufenden Meß­ programmes ausgegebene Fehlermeldungen ein Steuerungsmodul aktivieren, das den zuletzt durchgeführten Meßvorgang wieder­ holt und bei nochmaliger Fehlermeldung den Tastkopf zu einer der bereits passierten Sicherheitspositionen (S 1- S 7) zurück und von da aus zu einer anderen Sicherheitsposition (S 1/ S 5- S 7) verfährt, so daß der anzufahrende Meßpunkt (Z 5) oder das betreffende Element (Z 5- Z 8) am Werkstück bzw. alle restlichen Meßpunkte am Werkstück ausgelassen werden.

Indem bei Antastproblemen der Meßpunkt erneut, unter Umständen mit geänderten Steuerungsparametern wie z.B. höherer Antastge­ schwindigkeit und/oder geringerer eingestellter Meßkraft ange­ fahren wird, kann in vielen Fällen doch noch eine korrekte Meßwertübernahme erreicht werden, so daß Fehlermeldungen, die zu Maschinenstillständen führen, vermieden sind. Die genannten Maßnahmen führen beispielsweise in den Fällen zum Erfolg, in denen die Signalintensität des Antastimpulses beim Arbeiten mit geringerer Geschwindigkeit nicht ausreicht, weil z.B. die Werk­ stückoberfläche aus stoßdämpfendem Material besteht, oder in den Fällen, in denen der Triggerimpuls aus dem Lager des Tast­ stifts zu spät kommt, weil sich ein zu schlanker Taststift infolge zu hoch eingestellter Meßkraft erst einmal verbiegt.

Eine weitere häufige Fehlerursache, die durch das erneute An­ fahren des Meßpunktes aus einer definierten Sicherheitsposition heraus beseitigt werden kann, sind Verfehlungen der Meßposition aufgrund von Positionierungenauigkeiten in den Regelkreisen der Maschinensteuerung.

Liegt eine nicht behebbare Störung vor, indem beispielsweise das zu vermessende Element des Werkstücks unbearbeitet ist oder sogar fehlt, oder die programmierte Bahn des Tastkopfes mit nicht berücksichtigten Teilen kollidiert, dann tritt dieser Fehler während des erneuten Anfahrens an gleicher Stelle wie­ derholt auf. Indem dann das Steuerungsmodul den Tastkopf direkt zur nächsten Sicherheitsposition verfährt und das betreffende Element am Werkstück überspringt, wird die Meßaufgabe zumindest zum Teil erfüllt und ein Abbruch des Meßvorganges und Still­ stand der Maschine verhindert.

Es ist zweckmäßig Sicherheitspositionen unterschiedlicher Prio­ ritätsstufe vorzugeben, von denen mindestens eine den direkten Wechsel zum nächsten zu vermessenden Werkstück bedingt. Mit dieser Maßnahme wird unter anderem sichergestellt, daß Meßpunk­ te, deren Aufnahme für das betreffende Werkstück unerläßlich sind, weil z.B. aus ihnen die Lage des Werkstückkoordinaten­ systems berechnet wird, nicht übersprungen werden können. Ver­ hindert ein Fehler die Messung dieser Position, so wird das gesamte Werkstück ausgelassen und überflüssige Messungen an nicht mehr relevanten Elementen sind dadurch vermieden.

Weiterhin ist vorteilhaft, wenn das Steuerungsmodul vor dem erneuten Anfahren einer mit Fehlermeldung versehenen Meßposi­ tion vom Fehlertyp abhängige Abhilferoutinen einleitet. Eine solche Abhilferoutine kann beispielsweise darin bestehen, bei einem Tastkopf vom schaltenden Typ einen offengebliebenen Trig­ gerkontakt durch Ausüben eines mechanischen Stoßes auf den Tastkopf zu schließen, indem z.B. ein am Tastkopf oder in der Nähe seiner Aufhängung angeordneter Elektromagnet erregt wird, wie dies in der am gleichen Tage eingereichten Anmeldung mit dem Titel "Koordinatenmeßgerät mit einem Tastkopf vom schalten­ den Typ" beschrieben ist.

Eine weitere, vor dem Zurückfahren zur Sicherheitsposition durchführbare Abhilferoutine kann darin bestehen, bei einer gemeldeten Kollision außerhalb der Werkstückoberfläche den Meßpunkt ohne Änderung der Steuerungsparameter sofort nochmals anzufahren. Mit dieser Maßnahme werden ein Teil der sogenannten uneigentlichen Störungen, die keine systematischen Ursachen haben sondern statistisch auftreten, bereits von vorne herein eliminiert. Solche uneigentlichen Störungen können z.B. "Luft­ antastungen" sein, wo verursacht durch Gebäudeschwingungen oder eines zu starken Beschleunigens der Maschine in Verbindung mit relativ hoher Taststiftmasse ein Triggerimpuls generiert wird, der eine Antastung oder Kollision vortäuscht.

Das Steuerungsmodul, das die vorstehend beschriebenen Maßnahmen im Störungsfalle einleitet, kann als Software-Modul in den auf dem Rechner der Meßmaschine geladenen Programm enthalten sein. Es ist jedoch auch möglich, das Steuermodul in Firmware auszu­ führen und beispielsweise in Form eines entsprechend program­ mierten Mikroprozessors in die Steuerelektronik des Koordina­ tenmeßgerätes aufzunehmen.

Diese letzt genannte Variante wird nachfolgend als Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild zur Steuerung eines Mehrkoor­ dinatenmeßgerätes nötigen Komponenten;

Fig. 2 ist ein Diagramm, das in vereinfachter Darstellung die bei Vermessung eines typischen Werkstücks zurückgeleg­ te Bahn zeigt;

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm der vom Steuerteil (4) aus Fig. 1 durchgeführten Abhilfeprogramms im Störungsfalle.

Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist mit (1) die Steuerelektronik des Koordinatenmeßgerätes bezeichnet. Kernstück der Steuer­ elektronik (1) ist das aus Mikroprozessoren bestehende Steuer­ teil (4), welches über einen Datenbus (20) mit dem vom Benutzer programmierbaren Rechner (5) verbunden ist und von dort die Positions- und Technologiedaten für das durchzuführende Meßpro­ gramm empfängt. Das Steuerteil (4) berechnet aus den vom Rechner empfangenen Daten u.a. die Geschwindigkeitssollwerte v _x, v _y und v _z für die Geschwindigkeitsregelkreise der Antriebe der Maschine in den drei verfahrbaren Meßachsen. Diese Regel­ kreise bestehen jeweils aus einem Antriebsmotor (8) mit ange­ setztem Tachogenerator (7) und der den Regelkreis schließenden Leistungselektronik (9). Mit den Motoren (8 a bis c) wird der in Fig. 1 mit (10) bezeichnete Tastkopf zu den im Rechner (5) festgelegten Meßpositionen bewegt.

Mit den drei den Meßachsen, X, Y und Z zugeordneten Maßstäben (3 a-c) wird die Position des Tastkopfs (10) im Maschinenkoor­ dinatensystem gemessen. Dazu sind die zur Ablesung der Maßstäbe dienenden Signalgeber (2 a-c) ebenfalls mit dem Steuerteil (4) verbunden und Teil eines separaten Lageregelkreises.

Für die eigentliche Meßwerterfassung beim Antastvorgang ist der Schaltkontakt (17) im Lager des Taststiftes (12) mit dem Steuerteil (4) über die Leitung (18) verbunden. Der Schaltkon­ takt (17) liefert den Antastimpuls oder eine Koinzidenzkennung, die den Antastimpuls eines empfindlichen Piezosensors im Tast­ stift (12) verifiziert. Das Steuerteil (4) speichert die im Moment des Antastens gemessenen Koordinatenwerte der Maßstäbe (3 a-c) und gibt diese Daten als Meßergebnis an den Rechner (5) aus.

Das Steuerteil (4) ist noch über weitere Leitungen mit dem Tastkopf (10) verbunden: über die Leitung (15) kann der zu einer Taststiftwechseleinrichtung gehörende Elektromagnet (16) vom Steuerteil (4) erregt werden und die Leitung (13) dient zur Ansteuerung einer durch die Feder (14) symbolisierten Einrich­ tung zur Einstellung der Meßkraft des Taststiftes (12).

In Fig. 2 ist skizziert, wie die Bahn aussieht, die der Tast­ kopf (10) bzw. die an seinem Taststift (12) befestigte Tastku­ gel (11) bei der Vermessung zweier gleichartiger typischer Werkstücke W 1 und W 2 zurücklegt. Der Einfachheit halber be­ schränkt sich die Darstellung auf Bewegungen in durch die Werkstücke W 1 und W 2 gelegte senkrechte Ebenen (X-Z-Ebenen.) Es ist jedoch klar, daß eine derartige Meßaufgabe in der Regel alle drei Koordinatenrichtungen X, Y und Z einschließt.

Mit Beginn des Meßprogrammes wird der Tastkopf (10) zur ersten Zwischenposition Z 1 vor der Stirnseite des Werkstücks W 1 verfahren. Von dort wird die Stirnseite an verschiedenen Stel­ len angestastet und aus den Antastpunkten die Lage der dadurch definierten Fläche im Raum bestimmt. Anschließend wird über die Punkte Z 2, S 2 und S 3, bei denen sich die Fahrtrichtung ändert, eine Position Z 3, 4 in einer Bohrung angefahren, deren Durchmes­ ser bestimmt werden soll und deren Achslage in Verbindung mit der vorher gemessenen Fläche zur Bestimmung des Werkstückkoor­ dinatensystems nötig ist. Nach dem Herausfahren aus der Bohrung wird vom Punkt S 4 aus eine weitere Fläche an einem überstehen­ den Element des Werkstücks W 1 angefahren. Nach deren Antastung verläuft die Bewegung über die Positionen S 5 und S 6 zur Posi­ tion Z 6, 7 in einer zweiten Bohrung des Werkstücks W 1. Nach Aufnahme der Meßwerte in der Bohrung gelangt der Tastkopf über die Zwischenposition Z 8 und S 7 zur Position Z 9 auf der Rück­ seite von W 1 und nach Beendigung der dort vorzunehmenden An­ tastungen fährt der Tastkopf über Z 10 zum Punkt Z 11, an dem das Meßprogramm für das Werkstück W 1 beendet ist. Die Punkte S 1 und und Z 11 liegen aus Sicherheitsgründen weit oberhalb der zu messenden Werkstücke. In dieser Ebene kann der Tastkopf ohne weiteres auf kürzestem Weg zum Anfangspunkt S 1 des nächsten Werkstücks W 2 bewegt werden.

Nach dem Stand der Technik würde der CNC-Betrieb abgebrochen und das Koordinatenmeßgerät stillgesetzt, wenn während des geschilderten Meßvorganges eine Störung wie z.B. eine Kollision oder eine sogenannte Luftantastung auftrete, bzw. wenn bestimm­ te Meßwerte nicht programmgemäß übernommen werden können weil z.B. der erwartete Antastimpuls ausbleibt.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sieht der Benutzer in dem vorgesehenen Programmablauf sogenannte Sicherheitspositionen vor. Im gezeigten Beispiel nach Fig. 2 sind das die mit einem Kreis versehenen und mit S bezeichneten Punkte, die außerdem mit verschiedenen Typbezeichnungen oder Prioritätsstufen "1" und "2" versehen werden. Die Prioritätsstufe "1" bedeutet, daß der Tastkopf im Störungsfalle zu dieser Sicherheitsposition zurückgefahren werden soll, während die Prioritätsstufe "2" ein Weiterfahren zur nächsten Sicherheitsposition bedingt. Die Wertigkeit "1" wird beispielsweise vergeben, wenn der nächste Meßpunkt für das zu messende Werkstück unverzichtbar ist, z.B. weil aus ihm die Werkstücklage berechnet werden muß. Die Wertigkeit "2" kann vergeben werden, wenn der nachfolgende Meßpunkt ausgelassen werden darf.

Diese Sicherheitspositionen und die zugehörigen Typbezeichnun­ gen sind vom Benutzer an den im Rechner (5) gespeicherten, nacheinander abzuarbeitenden Positionen, beispielsweise im Rahmen eines einmal durchgeführten Testlaufes markiert worden. Beim Passieren einer Sicherheitsposition meldet der Rechner (5) dem Steuerteil (4) das Vorhandensein und die Prioritätsstufe der Sicherheitsposition. Tritt nun während des Meßprogrammes eine Störung wie eine Kollision etc. auf, so unterbricht das Steuerteil (4) den Meßablauf und leitet Abhilfemaßnahmen ein, die unter anderem darin bestehen

• 1) den zuletzt durchgeführten Vorgang nochmals, eventuell aus der letzten Sicherheitsposition heraus und mit geänderten Parametern wie Antastkraft oder Antastgeschwindigkeit wiederholen,
• 2) bei wiederholter Fehlermeldung an gleicher Stelle zur letzten Sicherheitsposition zurückzufahren
• 3) entsprechend der Prioriätsstufe "1" auf den bisher zurückge­ legten Weg rückwärts zum Ausgangspunkt S 1 zurückzukehren und von dort zum nächsten Werkstück überzugehen oder "2" zum nächsten Sicherheitspunkt weiterzufahren unter Auslassung der dazwischenliegende Meßpunkte.

Dieser Vorgang läuft nach Aktivierung des entsprechenden Steuermodules im Steuerteil (4) durch die Fehlermeldung gemäß einer festgelegten Routine ab, deren Flußdiagramm in Fig. 3 dargestellt ist. Zum besseren Verständnis wird dieser Ablauf anhand von Fallbeispielen nachstehend beschrieben, wobei auf die Fig. 3 und Fig. 2 Bezug genommen wird.

Beispiel 1

Es sei angenommen, daß beim Abtasten von der Stirnseite des Werkstücks W 1 in Richtung auf Z 2 der Schaltkontakt im Tastkopf offengeblieben ist. Diese Störung veranlaßt das entsprechende Modul, das Meßprogramm zu stoppen, den Status des Schalt­ kontaktes abzufragen und, wenn dieser offen ist, kurzzeitig den Magneten (16) der Tasterwechseleinrichtung mit einem Impuls zu versehen, durch dessen mechanische Erschütterung der Kontakt schließt. Dadurch ist die Störung behoben und das Meßprogramm läuft weiter. Besitzt der Tastkopf der Meßmaschine keine Tasterwechseleinrichtung, so wird die Stirnseite nochmal ange­ fahren, wodurch der Taststift wieder ausgelenkt wird. Beim anschließenden Abtasten schließt der Kontakt, wodurch der Feh­ ler behoben ist und das Meßprogramm weiter läuft. Beispiel 2 Es sei angenommen, daß sich zwischen den Positionen S 2 und S 3 ein Hindernis befindet. In diesem Falle wird die Abfrage nach einem offenen Schaltkontakt negativ beantwortet, dagegen führt der an dieser Stelle nicht vorgesehene Antastimpuls in der als nächstes vom Programm abgearbeiteten Entscheidungsraute "Kolli­ sion?" zum Ausgang "Ja". Das Steuermodul fährt jetzt die Kolli­ sionsposition noch einmal an. Tritt jetzt der gleiche Fehler an dieser Stelle nicht mehr auf, so hat es sich um eine sogenannte "Luftantastung" gehandelt, das heißt der Antastimpuls wäre z.B. von einer Schwingung im Maschinenbett ausgelöst worden. Es liegt dann keine echte Kollision vor und das Meßprogramm würde weitergeführt. Da aber angenommen ist, daß in diesem Fallbei­ spiel tatsächlich ein Hindernis im Weg zwischen S 2 und S 3 liegt, tritt der Antastimpuls an gleicher Stelle nochmals auf. Das Steuermodul fährt jetzt den Tastkopf zur letzten überfahre­ nen Sicherheitsposition, das heißt zu S 2 zurück und fragt deren Prioriätsstufe ab. Da für S 2 die Priorität "1" vergeben wurde, weil die in der Bohrung von Z 3, 4 ausgehenden Messungen zur Bestimmung der Werkstücklage unbedingt erforderlich sind, wird von S 2 der Rücklauf zur Startposition S 1 bedingt und von da aus entlang des gestrichelt dargestellten Weges in einer über den Werkstücken W 1 und 2 liegenden Ebene direkt zum nächsten Werk­ stück W 2 übergegangen. Das Meßprogramm läuft dann also mit der Vermessung von W 2 weiter, wobei ein entsprechender Hinweis auf das Auslassen von W 1 im Meßprotokoll erscheint, das der Rechner ausgibt. Beispiel 3 Es sei angenommen, daß das Antasten der Fläche am überstehenden Element des Werkstücks W 1 von S 4 aus keine brauchbaren Meßer­ gebnisse liefert; z.B. bleibt der Antastimpuls aus, weil die Fläche aufgrund schlechter Bearbeitung zu sehr versetzt ist oder der Überstand sogar ganz fehlt, oder weil das überstehende Element aus einem anderen Material besteht, für dessen An­ tastung ungeeignete Parameter (Meßkraft, Antastgeschwindigkeit) gewählt wurden. Solche Fehler führen in der dritten Ent­ scheidungsraute (Antastfehler) zum Ausgang "Ja". Das Programmo­ dul fährt den Tastkopf jetzt zur Sicherheitsposition S 4 zurück, von wo aus der Meßpunkt mehrmals, auch mit geänderten Parame­ tern wieder angefahren wird. Diese Wiederholschleife ist im Flußdiagramm nach Fig. 3 mit R markiert. Führt das Wiederan­ fahren zum Erfolg, so läuft das Meßprogramm weiter. Tritt aber immer wieder der gleiche Antastfehler auf, so fährt das Steuer­ modul den Tastkopf zur Sicherheitsposition S 4 zurück. Die an­ schließende Abfrage nach deren Prioritätsstufe ergibt den Wert "2" und bedingt von S 4 aus ein direktes Weiterfahren zur nächsten Sicherheitsposition S 5. Sobald S 5 erreicht ist, läuft das Meßprogramm von dort aus weiter, wobei protokolliert wird, daß die von Z 5 ausgehende Messung ausgelassen wurde. Tritt jedoch beim direkten Lauf von S 4 nach S 5 eine weitere Störung auf, und wird die Sicherheitsposition S 5 deshalb nicht er­ reicht, so erfolgt der Rücklauf entlang der bereits passierten Sicherheitspositionen zur Anfangsposition S 1 zurück und von da aus zum nächsten Werkstück W 2. Auch in diesem Falle wird im Meßprotokoll ein Hinweis auf die ausgelassenen Meßpunkte ausgegeben.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung von Koordinatenmeßgeräten im Serien­ meßbetrieb mit einer Steuereinheit, die bei Maschinenstörun­ gen wie z.B. Kollisionen oder Antastfehlern eine Fehlermel­ dung ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Start des eigentlichen Meßprogramms auf der für den Tastkopf bzw. die Antastkugel vorgegebenen Bahn liegende Sicherheitspositionen (S 1- S 7) bestimmt und in das Meßprogramm eingegeben werden und während des ablaufenden Meßprogrammes ausgegebene Feh­ lermeldungen ein Steuerungsmodul aktivieren, das den zuletzt durchgeführten Meßvorgang wiederholt und bei nochmaliger Fehlermeldung den Tastkopf (10) zu einer der bereits pas­ sierten Sicherheitspositionen (S 1- S 7) zurück und von da aus zu einer anderen Sicherheitsposition (S 1/ S 5- S 7) verfährt, so daß der anzufahrende Meßpunkt (Z 5) oder das betreffende Element (Z 5- Z 8) am Werkstück bzw. alle rest­ lichen Meßpunkte am Werkstück ausgelassen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitspositionen (S "1", S "2") unterschiedlicher Priori­ tätsstufe vorgegeben werden und mindestens eine der Priori­ tätsstufen (S "1") den Wechsel zum nächsten zu ver­ messenden Werkstück (W 2) bedingt, wenn das folgende Element trotz Wiederholung nicht gemessen werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Antastfehlern die Wiederholung des Meßvorganges von der Sicherheitsposition (S 4"2") aus mit geänderten Steuerungspa­ rametern erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsmodul vor dem Wiederholen eines mit Fehlermeldung versehenen Meßvorganges vom aufgetretenen Fehlertyp abhän­ gige, zusätzliche Maßnahmen einleitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Maßnahme bei einem offengebliebenen Triggerkon­ takt (18) im Tastkopf (10) darin besteht, einen mechanischen Stoß auf den Tastkopf oder den Taststift auszuüben.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel zum nächsten Werkstück (W 2) rückwärts entlang der bereits abgearbeiteten Sicherheitspositionen erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitspositionen (S "1", S "2") unterschiedlicher Prioritätsstufe vorgegeben werden und mindestens eine der Prioritätsstufen (S "2") den Wechsel zur nächsten Sicher­ heitsposition am gleichen Werkstück (W 1) bedingt, wenn das folgende Element trotz Wiederholung nicht gemessen werden kann.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungsmodul einen Eintrag im Meßprotokoll veranlaßt, der die ausgelassenen Meßpositionen identifiziert.

9. Anordnung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das bei Fehler­ meldungen aktivierbare Steuermodul (4) in Firmware ausge­ führt und Teil der Steuerelektronik (1) der Meßmaschine ist.