DE4110741A1 - Leistungsmess- und eichvorrichtung fuer einen industriellen arbeitsautomaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leistungsmeß- und Eichvor­ richtung für einen industriellen Arbeitsautomaten bzw. einen sog. Industrieroboter.

Je mehr im Zuge der Fabrikations- oder Fertigungsauto­ mation das Einsatzgebiet eines (Industrie-)Arbeitsauto­ maten auf einer Fertigungsstraße variiert wird, um so mehr nimmt seine Bedeutung täglich zu. Da sich insbe­ sondere die Anforderungen an Vielseitigkeit und Zuver­ lässigkeit der verbreitet eingesetzten Arbeitsautomaten zunehmend erhöhen, kommt einer Vorrichtung für Lei­ stungsmessung und Eichung (Abgleich) des Arbeitsauto­ maten besondere Bedeutung zu.

Eine derartige Vorrichtung kann eine bedeutende Rolle als Prüf- oder Entscheidungssystem bei der Qualitäts­ kontrolle der hergestellten Güter, für Leistungsförde­ rung und Anwendungsbereich des Arbeitsautomaten bei einem Hersteller oder Anwender desselben spielen. Außerdem kann diese Vorrichtung als Eich- oder Ab­ gleichgerät für einen Industrie-Arbeitsautomaten, wenn dieser mit einem unabhängigen oder Off-Line-Programmier­ system behandelt wird, eingesetzt werden.

Es sind bereits verschiedene Vorrichtungen entsprechend dem jeweiligen Einsatzgebiet verwendet worden, welche Leistungsmeß- und Eichvorgänge bei einem Industrie-Ar­ beitsautomaten durchzuführen vermögen. Derartige Vor­ richtungen sind in der Regel mit einer herkömmlichen Kamera, einem Interferometer oder einem Theodoliten ausgerüstet.

Diese bisherigen Leistungsmeß- und Eichvorrichtungen sind jedoch im Hinblick auf die hohen Kosten dafür, ihre engeren Einsatz- oder Anwendungsgrenzen und ihren komplexen Aufbau nicht voll zufriedenstellend.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Leistungsmeß- und Eichvorrichtung für einen Industrie- Arbeitsautomaten, die einfach zu betreiben sein, einen weiten Anwendungsbereich (application) und einen kom­ pakten Aufbau aufweisen und dabei kostengünstig sein soll.

Gegenstand der Erfindung ist eine Leistungsmeß- und Eichvorrichtung für einen Arbeitsautomaten, die gekenn­ zeichnet ist durch ein(en) Leistungsmeß- und Eich-Prüf­ gerät oder -Tester mit einem Tragrahmen, einer waage­ rechten (drehbaren) Welle und einer lotrechten (drehba­ ren) Welle, die jeweils waagerecht bzw. lotrecht im Tragrahmen gelagert sind, einem Support oder Träger und am einen Ende der waagerechten Welle angebrachten Li­ nearlagerführungen, einer vom Träger und von den Linear­ lagerführungen getragenen oder gelagerten linearen Ska­ la sowie mit den jeweiligen Enden der Wellen verbunde­ nen Drehstellungsgebern, ein Universalgelenk zur gelen­ kigen Verbindung des Testers mit dem Arbeitsautomaten, einen Aufwärts/Abwärts-Zähler zum Einlesen von mittels des (betreffenden) Drehstellungsgebers und der linearen Skala erfaßten Positions- oder Positionieränderungen des Werkzeugzentrumspunkts des Arbeitsautomaten, eine Arbeitsautomat-Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Arbeitsautomaten, einen mit dem Aufwärts/Abwärts- Zähler und der Arbeitsautomat-Steuereinheit verbundenen Rechner und Software, um den Rechner in die Lage zu versetzen, Positionierkoordinaten des Arbeitsautomaten in Abhängigkeit von dem Aufwärts/Abwärts-Zähler über­ tragenen Positionierdaten zu berechnen und die Lei­ stungsmessung und Eichung (oder den Abgleich) für den Arbeitsautomaten durchzuführen.

Die oben umrissene Leistungsmeß- und Eichvorrichtung gemäß der Erfindung gewährleistet folgende Funktionen:

• - Betätigung eines Arbeitsautomaten zum Wählen kinema­ tischer Daten.
• - Eine maximal 10 µm nicht übersteigende Meßgenauigkeit an einem Werkzeugzentrumspunkt des Arbeitsautomaten.
• - Grundsätzliche Verwendung zweier drehbarer Wellen und einer linearen Achse.
• - Verbindung eines Universalgelenks mit drei Achsen mit einem mit dem Arbeitsautomaten verbundenen Element zu einem Gesamtsystem mit sechs Freiheitsgraden.
• - Festlegung eines absoluten Koordinatensystems für das Arbeitsautomatsystem.
• - Messung der Wiederholbarkeit des Arbeitsautomaten.
• - Messung einer (Bewegungs-)Bahngenauigkeit des Arbeits­ automaten bei seiner fortlaufenden Bewegung in einer Linie mit bzw. auf einer Bahn.
• - Messung eines Geschwindigkeits- und Beschleunigungs­ verhaltens des Arbeitsautomaten.
• - Messung der Ansprechcharakteristik, z. B. Überlauf, Schwingung und Einstell- oder Beruhigungszeit.
• - Bereitstellung eines Eichalgorithmus für die Bewegung des Arbeitsautomaten.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Leistungsmeß- und Eichvorrich­ tung für einen industriellen Arbeitsauto­ maten, wobei der zu prüfende Arbeitsautomat über ein Universalgelenk mit einem Leistungsmeß- und Eich-Prüfgerät bzw. -Tester verbunden ist, das bzw. der wiederum an periphere Ausrüstung angeschlossen ist,

Fig. 2A einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Längsschnitt durch den Leistungsmeß- und Eich-Tester nach Fig. 1,

Fig. 2B eine Schnittansicht des Testers nach Fig. 1 bzw. 2A, von der linken Seite her gesehen,

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnittdarstellung eines Universalgelenks, über welches der Tester auf die in Fig. 1 gezeigte Weise mit dem Arbeitsautomaten ver­ bunden ist,

Fig. 4 ein Rasterdiagramm eines Menüprogramms für Messung und Analyse (Auswertung) der Lei­ stungsmeß- und Eichvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der elektrischen Opera­ tionen bei der Leistungsmeß- und Eichvor­ richtung nach Fig. 1,

Fig. 6 bis 11 graphische Darstellungen der Wieder­ holbarkeit, einer Lineargenauigkeit, einer Kreisgenauigkeit, einer Positioniergenauig­ keit und eines Geschwindigkeitsverhaltens (des Arbeitsautomaten), mittels der Lei­ stungsmeß- und Eichvorrichtung nach Fig. 2 gemessen, und

Fig. 12 eine schematische Darstellung zur Verdeut­ lichung von Eich- oder Abgleichoperationen am Arbeitsautomat mittels der erfindungsge­ mäßen Leistungsmeß- und Eichvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Leistungs­ meß- un Eichvorrichtung für einen Arbeitsautomaten um­ faßt ein(einen) Leistungsmeß- und Eich-Prüfgerät oder -Tester 1 (im folgenden einfach als Tester bezeichnet), das bzw. der über ein Universalgelenk 2 mit einem in­ dustriellen Arbeitsautomaten 3 verbunden ist. Der Ar­ beitsautomat 3 ist mit einer Arbeitsautomat-Steuerein­ heit 4 verbunden, die ihrerseits über einen Anschluß (port) 5, z. B. Anschluß des Typs RS232C, an einen Rech­ ner 7 angeschlossen ist. Weiterhin ist der Tester 1 mit einem Aufwärts/Abwärts-Zähler 8 verbunden, so daß er unmittelbar durch den Arbeitsautomaten 3 angesteuert wird und Änderungen des Arbeitsautomaten 3 an einem ge­ wünschten Meßpunkt einliest. Der Rechner 7 ist an den Aufwärts/Abwärts-Zähler 8 und einen Drucker 6 zum Aus­ drucken der Meß- und Eichergebnisse angeschlossen.

Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen den Leistungsmeß­ und Eich-Tester gemäß der Erfindung im Längsschnitt bzw. im Schnitt, von der linken Seite her gesehen.

Gemäß den Fig. 2A und 2B umfaßt der Tester 1 einen Tragrahmen 12 mit mehreren Füßen 11, eine lotrecht in den Tragrahmen 21 eingebaute erste (drehbare) Welle 13, eine waagerecht an einem oberen Ende der ersten Welle 13 eingebaute oder gelagerte zweite (drehbare) Welle 13′ eine lineare Skala 14, die in einem Bereich von 360° um die zweite Welle 13′ als Drehzentrum herum drehbar ist, sowie mit den betreffenden Enden der bei­ den Wellen 13 und 13′ verbundene Drehstellungsgeber (rotary encoders) 15, so daß Verschiebungen oder Aus­ lenkungen des Arbeitsautomaten 3 mittels der Drehstel­ lungsgeber 15 und der linearen Skala 14 meßbar sind. Die Meßeinrichtung besteht dabei aus den Drehstellungs­ gebern 15 und der linearen Skala 14.

Die erste Welle 13 ist an ihren oberen und unteren En­ den mittels zweier Dreizug- oder Dreistufen-Lager 16 zur Begrenzung ihrer Kippbewegung gelagert.

Die Drehstellungsgeber 15 sind unmittelbar mit den bei­ den Wellen 13 und 13′ verbunden. Vorzugsweise ist der (jeder) Drehstellungsgeber zur Gewährleistung von Dreh­ genauigkeit in Verbindung mit einem 25fach-Teiler ein­ gesetzt. Der Grundimpuls beträgt 135 000 Impulse/Umdre­ hung; daraus werden durch Division durch 4 durch den Teiler 540 000 Impulse/Umdrehung.

Die lineare Skala 14 ist auf einem Support oder Träger 17 unter der Führung durch zwei Linearlagerführungen 18 und 19 linear verschiebbar. Die Linearlagerführung 19 weist einen an ihrem einen Ende befestigten mechani­ schen Schalter 110 auf, während an beiden Enden des Trägers 17 jeweils Anschläge 111 angebracht sind. Außerdem weist der Träger 17 einen in seinem Mittel­ bereich angebrachten Nullpunktdetektor 112 auf.

Die lineare Skala 14 gewährleistet eine Auflösung von 1 µm (wahlweise 5 µm) und eine Fehlergrenze von 4,8 µm. Die Fehlergrenze (limit of error) am Maximal(ausschlag)­ ende (800 mm) des Testers 1 liegt daher garantiert in­ nerhalb von 15 µm, vorausgesetzt, daß die Eichung oder der Abgleich (calibration) des Testers 1 fehlerfrei ist.

In den Fig. 2A und 2B sind mit 113 und 113′ bewegbare oder verschiebbare Teile bezeichnet.

Fig. 3 zeigt in Schnittansicht das Universalgelenk 2, über welches der Tester 1 mit einem an den Arbeitsauto­ maten 3 angeschlosssenen Element verbunden ist. Gemäß Fig. 3 enthält das Universalgelenk 2 drei Drehachsen zur Verbesserung der Leistung der Kinematik oder der kinematischen Leistung des angeschlossenen Elements. Zwei in zueinander entgegengesetzte Richtungen weisen­ de Verbindungsstangen 22, 23 des Universalgelenks 2 sind jeweils an den abgewandten Enden über Kugellager 26 bzw. 28 mit Flanschen 21 bzw. 25 verbunden. Die an­ deren (inneren) Enden der Verbindungsstangen 22 und 23 sind über einen Verbindungszapfen 24 und zwei Kugel­ lager 27 miteinander verbunden.

In Fig. 3 sind bei 29 zwei Tragrahmen angedeutet.

Die Ausgangssignale der Drehstellungsgeber 15 und der linearen Skala 14 stellen eine ihrer jeweiligen Ver­ schiebung proportionale Impulsreihe dar, weshalb eine Schaltung zum Zählen der Impulse benötigt wird. Der Drehstellungsgeber 15 und die lineare Skala 14 sind in zwei Richtungen bewegbar. Aus diesem Grund ist eine Zähleranordnung (board) für Aufwärts/Abwärtszählung vorgesehen und auf einen Zählstand von 10⁷ eingestellt, um einen weiten Bewegungsbereich zu gewährleisten.

Für die Verarbeitung und Analyse bzw. Auswertung der Meßdaten wird Software (Labwindows der Fa. National Instrument Co. Ltd./USA) benutzt. Die Software ist in C-Sprache oder Quick BASIC-Sprache gehalten und mit ver­ schiedenen Funktionen, d. h. statistische Funktionen, Kurvenanpassung sowie zweidimensionalen graphischen Funktionen usw., als Programmbibliothek versehen.

Mittels dieser Programmbibliothek werden die Meßdaten analysiert bzw. ausgewertet; die Auswertungsergebnisse werden sodann graphisch angezeigt.

Die bei der erfindungsgemäßen Leistungsmeß- und Eich­ vorrichtung verwendete Software wird (ist) in C-Spra­ che ausgeführt bzw. gehalten und enthält ein in Fig. 4 dargestellten Menüsystem.

Fig. 5 veranschaulicht in einem Ablaufdiagramm die elektrischen Operationen der erfindungsgemäßen Lei­ stungsmeß- und Eichvorrichtung.

Gemäß Fig. 5 wird der Leistungsmeß- und Eich-Tester 1 unmittelbar durch den industriellen Arbeitsautomaten 3 angesteuert; er liest über den Aufwärts/Abwärts-Zähler 8 Änderungen oder (Regel-)Abweichungen ein, die durch die lineare Skala 14 und den (jeweiligen) Drehstel­ lungsgeber 15 an einem gewünschten bzw. vorgesehenen Meßpunkt erfaßt werden. Danach berechnet der Tester 1 Positionierkoordinaten des Arbeitsautomaten 3 anhand der gemessenen Positionierdaten, und er mißt eine Ab­ solutstellung eines Werkzeugzentrumspunkts (TCP) des Ar­ beitsautomaten 3. Außerdem werden vom Aufwärts/Abwärts- Zähler 8 erhaltene Größe bzw. Posten oder Punktdaten als Datei im Rechner 7 gespeichert. Sobald werden die gespeicherten Punktdaten bzw. Posten (points) im Rech­ ner 7 mittels der die Meßdaten verarbeitenden Software (Labwindows) ausgewertet. Die Arbeitsautomat-Steuer­ einheit 4 empfängt und überträgt ein Startsignal oder ein Stopsignal; außerdem führt sie die Programm-Menü­ wahl und Dateiübertragung aus. Daraufhin druckt der Drucker 6 die Meß- und Eichergebnisse aus.

Das folgende Ablaufdiagramm verdeutlicht einen Daten­ verarbeitungsprozeß, in welchem Leistungsmessung und Eichung für den Arbeitsautomaten 3 mit vom Drehstel­ lungsgeber 15 und von der linearen Skala 14 ausgege­ benen Daten durchgeführt werden.

Menüs werden ausgeführt oder abgearbeitet mittels des Geräts Window (MS-DOS) Development Toolkit (der Fa. Microsoft) und durch "Maus"-Wahl-Menüeinzug usw. be­ trieben (run). Die Details des betreffenden Menüs sind folgende:

Datei: Wenn eine Datei in Menüs gewählt wird, werden die folgenden Funktionen abgearbeitet:

• - Öffnen: Öffnen einer vorhandenen Datei
• - Neu: Öffnen einer neuen Arbeits-Datei
• - Floppy: Kopieren der erzeugten Dateien auf einer Floppy-Diskette
• - Sichern: Speichern Arbeits-Datei
• - Ausdrucken: Ausgeben der Arbeits-Datei mittels des Druckers
• - Ende: Beendigung der Operation.

Arbeitsautomat-Kinematik: Alle Bewegungsdaten des Ar­ beitsautomaten als Zielpunkt werden jeweils in Daten gespeichert. Wenn der Arbeitsautomat gewählt wird oder ist, wird die Dateninformation aus der betreffenden Kinematik-Datei ausgelesen. Eine anfängliche Kinematik- Datei wird durch den Anwender initialisiert und nach dem Eichprozeß aktualisiert.

Arbeitsautomatprogramm senden: Längs einer bezeichneten Bahn ausgeführte Arbeitsautomatprogramme werden in Ar­ beitsautomat-Codes (cords) umgesetzt und dann zur Ar­ beitsautomat-Steuereinheit 4 gesandt. Dem betreffenden Arbeitsautomat-Code wird jeweils eine Identifizierungs- oder Kennzahl zugewiesen. Der Arbeitsautomat wird im wesentlichen durch Wählen der Kennzahl betrieben. Ar­ beitsautomatprogramme werden durch unmittelbare Lehren oder Anlernen (teaching-in) des Arbeitsautomaten aus­ geführt. Diese Verbindungen werden über den RS232C-An­ schluß 5 hergestellt.

Messen: Endzweck dieses Systems ist das Messen und Aus­ werten der Bewegung des Arbeitsautomaten, wenn sich dieser längs der bezeichneten Bahn bewegt; hierbei wird die Meßarbeit vorgegeben. Wenn ein zu messendes Ziel gewählt ist oder wird, wird zunächst die Arbeitsauto­ mat-Programmzahl der betreffenden Bahn (oder Strecke) zur Arbeitsautomat-Steuereinheit 4 gesandt, um den Ar­ beitsautomat zu betätigen. Andererseits werden Positio­ nierwerte für den Werkzeugzentrumspunkt (TCP) des Ar­ beitsautomaten aus dem Tester ausgelesen.

Die ausgelesenen Meßwerte werden in der Datei gespei­ chert. Nach Beendigung des Meßvorgangs werden die Meß­ werte ausgewertet. Vom Tester beziehbare Posten oder Größen (items), die für Verarbeitung und zum Ausdrücken von Daten geeignet sind, sind folgende:

- Wiederholbarkeit: Die Wiederholbarkeit (repeat­ ability) des Arbeitsautomaten ist die grundsätzlichste Größe der Arbeitsautomat-Leistung. Insbesondere ist die Wiederholbarkeit der (die) wichtigste, die Leistung bestimmende Posten oder Größe, speziell bei Lehr- und Wiedergabeoperation, wie sie derzeit sehr verbreitet auf dem Gebiet der Arbeitsautomaten angewandt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Wieder­ holbarkeit des Arbeitsautomaten nach verschiedenen Ge­ sichtspunkten ausgewertet werden. Insbesondere kann sie in mehrere Zugriffsrichtungen gleichzeitig gemessen werden. Bei Empfang eines Meßsignals vom Arbeitsautomaten 3 liest der Tester 1 Zählwerte oder -stände vom Aufwärts/Abwärts-Zähler 8 zu diesem Zeitpunkt ein, um die Werte in Arbeitsautomat-Koordinaten umzusetzen, und er wartet dann den Empfang eines nächsten Signals ab. Auf den Empfang eines Ende-Signals vom Arbeitsautomaten 3 hin führt sodann der Tester 1 das Einlesen und Verar­ beiten von Zählwerten vom Zähler 8 zu diesem Zeitpunkt durch, um danach die Meßergebnisse auf einem Bildschirm als Muster von x-y-, y-z- und z-x-Ebenen wiederzugeben (wobei x, y und z Achsen von Koordinaten sind). Auf dem Bildschirm werden auch ein Mittelwert, ein maximaler Meßwert, eine Mittelwert + 3δ-Abweichung, ein Befehls­ punkt (Führungspunkt) und ein arithmetischer Mittel­ (wert)punkt auf der Ebene angezeigt (Fig. 6). Als nächstes werden die Meßergebnisse auf den jeweiligen Achsen auf dem Bildschirm wiedergegeben (Fig. 7). Schließlich werden die ausgewerteten (analyzed) Ergbnisse auf den jeweiligen Achsen und Ebenen als numerische Größe auf dem Bildschirm angezeigt, worauf die Operation abgeschlossen ist.

- Linearbahngenauigkeit: Eine Linearbahngenauigkeit des Arbeitsautomaten ist ein(e) Posten oder Größe zur Leistungs­ messung, wenn sich der Arbeitsautomat fortlaufend in einer Linie mit bzw. auf einer Bahn oder Strecke bewegt, die ins­ gesamt viereckig ist. Nach Empfang eines Meßstartsignals vom Arbeitsautomaten 3 führt der Tester 1 das fortlaufende Einlesen und Speichern (Ablegen) von Positionierwerten ent­ sprechend einer durch den Rechner bestimmten Abtastrate durch. Nach Eingang eines Ende-Signals vom Arbeitsautomaten 3 beendet sodann der Tester 1 die Einleseoperation, und er initiiert eine Auswertung. Da die Bahn des Arbeitsautomaten ein Viereck in einem willkürlichen Raum beschreibt, geht eine Operation zum Kartieren oder Abbilden (mapping) des Vierecks auf der Ebene voraus.

Auf dem Bildschirm werden gleichzeitig eine auf der Ebene kartierte oder abgebildete (mapped) ideale Viereckbahn, eine gemessene Bahn des Arbeitsautomaten und eine Anpaßlinie (fitting line) für lineare Anpassung der gemessenen Bahn in bezug auf die jeweiligen Liniensegmente wiedergegeben (Fig. 8). Wenn die gemessene Bahn auf der Ebene kartiert oder abgebildet ist, werden sodann die von der Ebene abweichenden Abmessungen der Bahn angezeigt. Schließlich werden die Auswerteergebnisse als numerische Größe auf dem Bild­ schirm angezeigt, worauf die Operation beendet ist.

- Kreisbahngenauigkeit: Eine Kreisbahngenauigkeit des Arbeitsautomaten ist insofern ein(e) sehr wichti­ ge(r) Posten oder Größe, als sie typischerweise die Genauigkeit bei der Bewegung des Arbeitsautomaten in einer Kurve oder Kreisbahn darstellt. Nach Eingang eines Meßstartsignals vom Arbeitsautomaten 3 bewirkt der Tester 1 das fortaufende Einlesen und Speichern der Positionierwerte nach Maßgabe einer durch den Rech­ ner bestimmten Abtastrate. Nach Empfang eines Ende- Signals vom Arbeitsautomaten 3 beendet daraufhin der Tester 1 die Einleseoperation, und er leitet eine Aus­ wertung ein.

Da (herbei) die Bahn des Arbeitsautomaten einen Kreis in einem willkürlichen Raum beschreibt, geht eine Ope­ ration zum Kartieren der Abbilden (mapping) des Krei­ ses auf der Ebene voraus. Auf dem Bildschirm werden gleichzeitig eine ideale, auf der Ebene kartierte oder abgebildete Kreisbahn, eine gemessene Bahn (oder Strecke) des Arbeitsautomaten, Mittelpunkt und ein Anpaßkreis zum kreisförmigen Anpassen bzw. Annähern (circular-fitting) der gemessenen Bahn in bezug auf jeweilige gekrümmte Liniensegmente (Fig. 9). Wenn die gemessene Bahn auf der Ebene kartiert oder ab­ gebildet ist, werden sodann außerhalb der Ebene liegen­ de Abmessungen der Bahn wiedergegeben. Schließlich wer­ den die Auswerteergebnisse als numerische Größe auf dem Bildschirm angezeigt, worauf die Operation beendet ist.

- Positioniergenauigkeit: Eine Positioniergenauig­ keit des Arbeitsautomaten ist ein(e) Posten oder Größe zum Messen wichtiger Leistungsgrößen desselben, wie Hochfahrzeit, Einstellzeit, maximaler Überlauf oder Dauer(zustands)fehler. Diese Leistungsgrößen können im Zuge der Punkt-für-Punkt-Messung für den (bzw. am) Ar­ beitsautomaten 3 gemessen werden.

Nach Eingang eines Meßstartsignals vom Arbeitsautomaten 3 bewirkt der Tester 1 das Einlesen und Speichern von Positionierwerten oder -größen aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von einer durch den Rechner bestimmten Ab­ tastrate. Nach Empfang eines Ende-Signals vom Arbeits­ automaten 3 beendet daraufhin der Tester 1 die Einlese­ operation, um eine Auswertung einzuleiten.

Auf dem Bildschirm werden auf der Grundlage einer Achse gleichzeitig ein idealer Positionierbefehl, ein reeller Positionierbefehl und eine Meßoperation angezeigt; die­ se werden wiederholt jeweils einzeln angezeigt. Schließlich werden die Auswerteergebnisse als numerische Größe auf dem Bildschirm angezeigt, worauf die Operation ab­ geschlossen ist (Fig. 10).

- Geschwindigkeitsverhalten: Ein Geschwindigkeits­ verhalten des Arbeitsautomaten ist ein(e) Posten oder Größe zum Mesen eines Trends, nach dem der Arbeitsauto­ mat sich in Abhängigkeit von einem Geschwindigkeits­ befehl zu bewegen versucht, wobei nur Information über eine Achse in bzw. mit einer Messung erzielt wird. Zu­ nächst wird die Geschwindigkeit um eine Achse durch den Anwender bestimmt, damit die bestimmte Geschwindigkeit zum Arbeitsautomaten 3 übertragen werden kann. Nach Eingang eines Meßstartsignals zum Arbeitsautomaten 3 liest der Tester 1 Positionierwerte oder -größen ein. Wenn sodann der Tester 1 ein Ende-Signal vom Arbeits­ automaten 3 empfängt, beendet er die Einleseoperation.

Die eingelesenen Positionierdaten werden in Arbeitsauto­ mat-Koordinatensysteme umgesetzt. Danach werden die Werte der bezeichneten Achse nach Maßgabe einer Abtast­ rate (oder -frequenz) differenziert. Schließlich wer­ den die auf obige Weise gewonnenen Daten zusammen mit dem Befehl angezeigt, worauf die Operation abgeschlos­ sen ist (Fig. 11).

Im folgenden ist das Konzept des kinematischen Eich­ programms gemäß der Erfindung anhand von Fig. 12 näher erläutert.

Fig. 12 veranschaulicht Eich- oder Abgleichoperationen für den Arbeitsautomaten mittels der erfindungsgemäßen Leistungsmeß- und Eichvorrichtung.

Zunächst werden nach der Methode kleinster Quadrate eine Drehebene und ein Drehzentrum anhand von Punkten, die bei der Drehung des Gelenks gewonnen werden, abge­ schätzt oder bestimmt. Ein Vektor (a), der die Gelenk­ achse entsprechend einem Einheitsvektor (unit vector) repräsentiert, wird von der Drehebene abgeleitet, wäh­ rend ein Punkt (P), durch den die Gelenkachse verläuft, vom Drehzentrum abgeleitet wird. Anhand der abgeleite­ ten Größen a und P werden kinematische Parameter eines geänderten kinematischen Modells gewonnen oder abgelei­ tet. Wenn gemäß Fig. 12 Positionierdaten, die nur vom i-ten gedrehten Gelenk gewonnen oder abgeleitet wurden, zu Pÿ (Jj=1, . . ., m) vorausgesetzt werden, werden die i-te Drehebene und das i-te Drehzentrum anhand der Positionierdaten Pÿ der Meßpunkte abgeschätzt (estimated). Das Problem der i-ten Drehebene und des i-ten Drehzentrums läßt sich lösen durch Minimierung der Funktion von

die sich durch folgende Gleichung bestimmt.

Darin bedeuten: X_i=Punkte entsprechend Punkten der abzuschätzenden Drehebene, a=ein Einheitsvektor in bezug auf die Drehebene und P_i,c=i-tes Drehzentrum.

Eine geänderte Matrix kann nach einer Methode erhalten werden, die einen durch das geänderte kinematische Modell gegebenen Glied- oder Kettenkoordinatenrahmen definiert, und zwar zusammen mit der Drehebene und dem Drehzentrum, wie vorstehend abgeleitet. Da die zu be­ nutzenden Positionierdaten Koordinatenwerte für einen Meßeinrichtungs-Koordinatenrahmen sind, kann die geän­ derte Matrix den i-ten Koordinatenrahmen in bezug auf den Meßeinrichtungs-Koordinatenrahmen ausdrücken. Die geänderte Matrix läßt sich wie folgt ausdrücken oder darstellen:

Wenn sich das Gelenk vom Anfang zum Ende dreht, läßt sich die gedrehte Matrix wiederum wie folgt darstellen:

Wenn anhand der Gleichung

berechnet wird, wird fol­ gende Gleichung erhalten:

Dabei ist es zu bevorzugen,

um die Meßeinrichtungs-Koordinaten abzuschätzen, weil die Positionen dieser Koordinaten beliebig oder willkür­ lich und schwierig genau zu definieren sind, und zwar bezüglich der Arbeitsautomat-Grundkoordinaten.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die erfindungsgemäße Leistungsmeß- und Eichvorrichtung für Arbeitsautomaten einen großen industriellen Nutzeffekt bietet. Insbesondere kann diese Vorrichtung als Prüf- oder Testausrüstung zur Verbesserung der absoluten Ge­ nauigkeit für den Arbeitsautomat-Anwender benutzt wer­ den; außerdem kann sie als grundsätzliche Meß/Testaus­ rüstung zur Förderung der Leistungsfähigkeit des Ar­ beitsautomaten beim Arbeitsautomat-Hersteller einge­ setzt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch als Eich- oder Abgleichvorrichtung für eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine eingesetzt werden.

Beim herkömmlichen Meßsystem für Leistungsmessung und Eichung eines Arbeitsautomaten ist es aufgrund des be­ grenzten, zu messenden Zielbereichs (target) sowie we­ gen hoher Kosten und eines unzufriedenstellenden Algo­ rithmus nicht möglich, der obengenannten Meßaufgabe und dem -bereich zu entsprechen. Die erfindungsgemäße Lei­ stungsmeß- und Eichvorrichtung bietet dagegen bei niedrigen Kosten einen breiten Meß-Ziel- oder -Soll­ bereich, so daß sie die obengenannte Meßaufgabe zu erfüllen und den entsprechenden Bereich zu gewährlei­ sten vermag. Insbesondere wird bei der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung Bedeutung auf die Kinematik des Testers als nachgeschaltetem Teil (following part) gelegt, doch kann sie auch feine Änderungen des an­ treibenden oder ansteuernden Teils berücksichtigen.

Claims (3)

1. Leistungsmeß- und Eichvorrichtung für einen Arbeits­ automaten, gekennzeichnet durch
ein(en) Leistungsmeß- und Eich-Prüfgerät oder -Tester mit einem Tragrahmen, einer waagerechten (drehbaren) Welle und einer lotrechten (drehbaren) Welle, die jeweils waagerecht bzw. lotrecht im Trag­ rahmen gelagert sind, einem Support oder Träger und am einen Ende der waagerechten Welle angebrachten Linearlagerführungen, einer vom Träger und von den Linearlagerführungen getragenen oder gelagerten li­ nearen Skala sowie mit den jeweiligen Enden der Wel­ len verbundenen Drehstellungsgebern,
ein Universalgelenk zur gelenkigen Verbindung des Testers mit dem Arbeitsautomaten,
einen Aufwärts/Abwärts-Zähler zum Einlesen von mittels des (betreffenden) Drehstellungsgebers und der linearen Skala erfaßten Positions- oder Posi­ tionieränderungen des Werkzeugzentrumspunkts des Ar­ beitsautomaten,
eine Arbeitsautomat-Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Arbeitsautomaten,
einen mit dem Aufwärts/Abwärts-Zähler und der Ar­ beitsautomat-Steuereinheit verbundenen Rechner und
Software, um den Rechner in die Lage zu verset­ zen, Positionierkoordinaten des Arbeitsautomaten in Abhängigkeit von dem Aufwärts/Abwärts-Zähler über­ tragenen Positionierdaten zu berechnen und die Leistungsmessung und Eichung (oder den Abgleich) für den Arbeitsautomaten durchzuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lotrechte Welle zur Begrenzung einer Kippbe­ wegung derselben bei ihrer Drehung an oberem und un­ terem Ende in Traglagern gelagert ist, daß die line­ are Skala so angebracht oder gelagert ist, daß sie um die waagerechte Welle als Zentrum drehbar ist, daß das Universalgelenk zwei Flansche und zwei Ver­ bindungsstangen aufweist und daß die voneinander ab­ gewandten Enden der jeweiligen Verbindungsstangen über Kugellager mit den betreffenden Flanschen ver­ bunden sind, während ihre anderen (inneren) Enden über einen Verbindungszapfen und ein Kugellager mit­ einander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Software den Rechner in die Lage versetzt, eine Wiederholbarkeit, eine Lineargenauigkeit, eine Zirkular- oder Kreis(bahn)genauigkeit, eine Positio­ niergenauigkeit und ein Geschwindigkeitsverhalten des Arbeitsautomaten anhand der vom Aufwärts/Ab­ wärts-Zähler übertragenen Positionierdaten zu ana­ lysieren bzw. auszuwerten und die Auswerteergebnisse anzuzeigen.