DE4419909B4 - Device for controlling the geometric and dynamic accuracy of an NC-controlled working head - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Kontrolle der geometrischen und dynamischen Genauigkeit eines NC-gesteuerten Arbeitskopfes von automatischen Fertigungs- oder Manipulationseinrichtungen, insbesondere von NC-Werkzeugmaschinen und Industrierobotern, mit einem auf einem inertialfest montierten Grundkörper drehbar gelagerten Arm, der in seinem Endbereich eine Radialführung für ein mit dem Arbeitskopf lösbar verbundenes Antastelement aufweist, wobei zur Erfassung der Kreisbahnabweichung des Antastelementes ein mit diesem zusammenwirkendes, radial zur Drehachse des Armes angeordnetes Längenmeßgerät am Arm befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein parallel zur Drehachse (18) des Armes (17) angeordnetes Längenmeßgerät (20) am Endbereich (17') des Armes (17) zur Messung der axialen Verlagerung des Antastelementes (15, 15a) befestigt ist.contraption to control the geometric and dynamic accuracy of a NC-controlled working head of automatic manufacturing or Manipulation devices, in particular of NC machine tools and industrial robots, with one mounted on an inertial fixed body rotatably mounted arm, which in its end a radial guide for a with detachable from the working head having connected probing element, wherein for detecting the orbit deviation of Antastelementes a cooperating with this, radially to the axis of rotation Arm arranged length measuring device on the arm is fastened, characterized in that in addition a parallel to the axis of rotation (18) of the arm (17) arranged length measuring device (20) at the end portion (17 ') of the arm (17) for measuring the axial displacement of the probing element (15, 15a) is attached.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle der geometrischen und dynamischen Genauigkeit eines NC-gesteuerten Arbeitskopfes von automatischen Fertigungs- oder Manipulationseinrichtungen, insbesondere von NC-Werkzeugmaschinen und Industrierobotern, mit einem auf einem inertialfest montierten Grundkörper drehbar gelagerten Arm, der in seinem Endbereich eine Radialführung für ein mit dem Arbeitskopf lösbar verbundenes Antastelement aufweist, wobei zur Erfassung der Kreisbahnabweichung des Antastelementes ein mit diesem zusammenwirkendes, radial zur Drehachse des Armes angeordnetes Längenmeßgerät am Arm befestigt ist.The The invention relates to a device for controlling the geometric and dynamic accuracy of an NC-controlled working head of automatic Manufacturing or manipulation devices, in particular of NC machine tools and industrial robots, with one mounted on an inertial fixed body rotatably mounted arm, which in its end a radial guide for a with detachable from the working head having connected probing element, wherein for detecting the orbit deviation of the probing element a cooperating with this, radially to Rotary axis of the arm arranged length measuring device is attached to the arm.
Werkzeugmaschinen sind mit Fehlern behaftet, welche Maß-, Form- und Lagefehler am Werkstück bewirken. Bei NC-Maschinen kommen noch dynamische Einflüsse, die von Steuerungen und Vorschub-Regelkreisen resultieren, hinzu. Diese bewirken, daß die vom Werkzeug relativ zum Werkstück abgefahrene Bahn von der programmierten Bahn abweicht.machine tools are subject to errors, which dimensional, shape and position errors on workpiece cause. In NC machines, there are still dynamic influences, the of controls and feed control circuits result. These cause the from the tool relative to the workpiece Railway deviates from the programmed course.
Zur Beurteilung der Genauigkeit einer NC-Maschine gilt es, die geometrischen und die dynamischen Fehler zu messen. In allen Fällen ist es möglich, eine Probebearbeitung an einem ausgewählten Werkstück durchzuführen und dieses anschließend zu vermessen. Dabei ist es aber äußerst schwierig, die Fehlerursachen zu analysieren, weil noch die technologischen Einflüsse vom Werkzeug und den Schnittbedingungen hinzukommen. Man trachtet daher, Methoden und Vorrichtungen zu entwickeln, um an der Maschine selbst die Abweichung der fehlerbehafteten Bahn von der programmierten Bahn zu messen. Zur Überprüfung der geometrischen Genauigkeit von NC-Werkzeugmaschinen sind etliche Vorrichtungen und Verfahren bekannt. Neben der Prüfung der Einzelfehler mit Laser-Interferometer, Autokollimator und Richtwaagen, gewinnt der sogenannte Kreisformtest zunehmende Bedeutung. Der Kreisformtest erlaubt die Überprüfung der dynamischen Eigenschaften der NC-Maschine im Bahnsteuerbetrieb sowie Aussagen über die Maschinengeometrie. Als Bahn bietet sich ein Kreis an, weil er von allen bahngesteuerten NC-Maschinen in Form der Zirkularinterpolation realisiert wer den kann und weil die Messung eines Kreises relativ einfach zu bewerkstelligen ist.to Judging the accuracy of an NC machine, it applies the geometric and to measure the dynamic errors. In all cases it is possible to have one Sample processing on a selected workpiece perform and this afterwards to measure. But it is extremely difficult to analyze the causes of failure because even the technological influences from the tool and the cutting conditions. One strives therefore, to develop methods and devices to work on the machine even the deviation of the faulty web from the programmed web to eat. To check the geometric accuracy of NC machine tools are quite a few Devices and methods known. In addition to the examination of Single fault with laser interferometer, autocollimator and spirit level, wins the so-called circularity test increasing importance. The circularity test allows checking the dynamic Properties of the NC machine in continuous-path operation as well as statements about the Machine geometry. As a train offers itself a circle, because he from all path-controlled NC machines in the form of circular interpolation realized who can and because the measurement of a circle relative easy to do is.
Zur Erzeugung einer Kreisbahn sind auf einer bahngesteuerten NC-Werkzeugmaschine zwei gradlinig bewegte und rechtwinkelig zueinander angeordnete Maschinenkomponenten, zum Beispiel die zwei Einheiten eines Kreuztisches, nach einem Sinus- und Cosinusgesetz synchron so zu bewegen, daß als resultierende Bewegung die besagte Kreisbahn entsteht. Infolge der beschränkten Dynamik der beiden beteiligten Regelkreise, infolge mechanischer Unvollkommenheiten und weiterer Störeinflüsse weicht der so erzeugte Kreis von dem idealen, fehlerfreien Kreis mehr oder weniger ab. Markant ist beispielsweise der Einfluß der Geschwindigkeit, der sich üblicherweise in einer Zunahme der Kreisverzerrungen bei Erhöhungen der Vorschubgeschwindigkeiten zeigt.to Generation of a circular path are on a web-controlled NC machine tool two rectilinear moving and arranged at right angles to each other Machine components, for example the two units of a cross table, to move synchronously according to a sine and cosine law so that the resulting Movement the said circular path arises. Due to the limited dynamics of the two control circuits involved, as a result of mechanical imperfections and other disturbances gives way the circle so created from the ideal, faultless circle more or less. A striking example is the influence of speed, usually in an increase in circular distortions with increases in feed rates.
Beim Kreisformtest geht es darum, diese Kreisformabweichungen zu messen und das Ergebnis auszuwerten, um Rückschlüsse auf die Güte der NC-Maschine abzuleiten. Hiezu sind die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen marktgängig, beziehungsweise bekannt.At the Circularity test is about measuring these circularity deviations and to evaluate the result in order to draw conclusions about the quality of the NC machine derive. This includes the devices described below marketability, or known.
Eine bekannte Vorrichtung der eingangs genannten Art besteht aus einem drehbaren Arm, dessen äußeres Ende die Form einer Gabel aufweist, in die ein mit der Frässpindel verbundener Bolzen hineinragt, so daß der Arm gedreht wird, wenn die Vorrichtung selbst am Fräsmaschinentisch befestigt und eine Kreisbahn programmiert wird. Die Kreisformabweichungen werden von einem radial am Arm angeordneten Meßtaster erfaßt, welcher besagten Bolzen antastet.A known device of the type mentioned consists of a rotatable arm, whose outer end has the shape of a fork, in the one with the milling spindle protruding bolt protrudes, so that the arm is rotated, if the device itself at the milling machine table attached and a circular path is programmed. The circular deviations are detected by a radially arranged on the arm probe, which touched said bolt.
Eine andere bekannte Vorrichtung zur Durchführung des Kreisformtestes besteht aus einem in zwei Koorinatenrichtungen auslenkbaren Meßtaster und einer hochgenauen bearbeiteten Kreisplatte, dem sogenannten Kreisnormal. Kreisnormal und Taster werden auf der NC-Maschine so angeordnet, daß sie die Positionen von Werkstücken einerseits und Werkzeug andererseits einnehmen. Wenn der Taster rund um den Kreis bewegt wird, entsprechen seine Auslenkungen den Abweichungen zwischen Ist-Kontur und Sollkontur.A other known device for carrying out the Kreisformtestes exists from a deflectable in two Koorinatenrichtungen probe and a high precision machined circular plate, the so-called Circuit Normal. Circular normal and buttons are on the NC machine like that arranged that they the positions of workpieces on the one hand and tool on the other. If the button is moved around the circle, its deflections correspond to the Deviations between actual contour and nominal contour.
Im
US-Patent 4 435 905 vom 13. März
1984 (James B BRIAN) wird weiters eine Vorrichtung beschrieben,
die aus einem Stab be steht, an dessen Enden Kugeln angebracht sind,
die in je einem Widerlager kardanisch gelagert sind. Zur Messung
werden die beiden Widerlager an der NC-Maschine derart befestigt,
daß ihre
positionen den Positionen von Werkzeugen und Werkstücken entsprechen.
Der Stab besteht aus zwei Teilen, die längsverschieblich miteinander
verbunden sind, so daß die
Stablänge variabel
ist. Die Verschiebung der beiden Teile zueinander wird durch ein
integriertes Längenmeßsystem erfaßt. Wird
ein Stabende auf einer Kreisbahn um das andere Ende bewegt, so entsprechen
die Meßwerte
den Kreisformabweichungen. Diese Vorrichtung ist heute marktgängig und
wird von mehreren Firmen angeboten. Derartige Vorrichtungen sind
ferner auch in den
Eine analoge Problematik gilt für Industrieroboter. Um Aussagen über die Genauigkeit eines Roboters treffen zu können, müssen die Bahnfehler der Roboterhand gemessen werden, wenn diese sich entlang einer programmierten Bahn bewegt. Auch zur Überprüfung der Bahngenauigkeit eines Industrieroboters bietet sich der Kreisformtest an. Das Problem ist hier jedoch weitaus komplexer als bei einer NC-Werkzeugmaschine, weil an der Bahnerzeugung nicht nur zwei Bewegungskomponenten beteiligt sind, sondern bis zu sechs Bewegungen synchron überlagert sind.A analogous problem applies to Industrial robots. To statements about to be able to meet the accuracy of a robot, the web errors of the robot hand measured as they move along a programmed path emotional. Also for checking the Path accuracy of an industrial robot offers the circularity test at. However, the problem here is far more complex than with an NC machine tool, because not only two components of movement are involved in railway production, but up to six movements are synchronously superimposed.
Bei einem der üblichen Knickarmroboter, welcher ausschließlich Drehgelenke besitzt, sind dies: 3 Positionsgelenke im Roboterkörper und drei Orientierungsgelenke in der Roboterhand.at one of the usual Articulated robot, which has only swivel joints, These are: 3 position joints in the robot body and 3 orientation joints in the robot hand.
Während der Kreisformtest an NC-Werkzeugmaschinen bekannt ist und entsprechende Vorrichtungen existieren, ist seine Anwendung in der Robotik neu.During the Circularity test on NC machine tools is known and corresponding Devices exist, its application is new in robotics.
Allen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß nur Kreisformabweichungen in radialer Richtung jeweils in einer Ebene gemessen werden können. Dies genügt im allgemeinen für die Beurteilung des dynamischen Verhaltens der Achsregelkreise von NC-Maschinen. Sollen auch die Geometriefehler der NC-Maschine beurteilt werden, so ist dies allerdings mit großem Aufwand verbunden.all known devices have in common that only circular deviations can be measured in the radial direction in each case in one plane. This enough in general for the assessment of the dynamic behavior of the axis control loops of NC machines. If the geometry errors of the NC machine are also to be assessed, this is however with great Effort connected.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, mit welcher mit geringem Aufwand die geometrische und dynamische Genauig keit von automatischen Fertigungs- und Manipulationseinrichtungen erfaßt werden kann.task The invention is to avoid these disadvantages and a device to create the type mentioned, with which with little effort the geometrical and dynamic accuracy of automatic manufacturing and manipulation devices can be detected.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß zusätzlich ein parallel zur Drehachse des Armes angeordnetes Längenmeßgerät am Endbereich des Armes zur Messung der axialen Verlagerung des Antastelementes befestigt ist. Dadurch kann neben der Abweichung von der Kreisbahn auch eine Distanzänderung bezüglich des Maschinentisches erfaßt werden.According to the invention this is solved in that in addition a parallel to the axis of rotation of the arm arranged length measuring at the end of the arm to Measurement of the axial displacement of the probe is attached. As a result, in addition to the deviation from the circular path and a distance change in terms of of the machine table become.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Antastelement im Bereich der Radialführung eine Antastkugel aufweist, mit welcher das radiale und axiale Längenmeßgerät zusammenwirken. Damit wird erreicht, daß Kippeffekte die radiale und axiale Messung nicht beeinflussen.Preferably is provided that the Detection element in the region of the radial guide has a probing ball, with which the radial and axial Längenmeßgerät cooperate. This will be achieved that tilting effects do not affect the radial and axial measurement.
Um zusätzlich auch Kippeffekte messen zu können, ist in einer vorteilhaften Ausführungsvariante vorgesehen, daß im Endbereich des Armes eine Platte mit einer normal auf die Drehachse stehenden Oberfläche vorgesehen vorgesehen ist, und am Antastelement mindestens zwei drehsymmetrisch und parallel zur Längsachse des Antastelementes angeordnete Längenmeßgeräte auf einem Tasterträger befestigt sind, welche mit der Oberfläche der Platte zusammenwirken. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, um den Kreisformtest bei Industrierobotern optimal einsetzen zu können. Ebenso günstig ist eine Ausführungsform, bei welcher die Positionen von Platte und Längenmeßgerät vertauscht, also die Längenmeßgeräte auf einem Tasterträger im Endbereich des Armes befestigt sind und die Platte dem Antastelement zugehörig ist. Um den Verschleiß der Längenmeßgeräte bei Verwendung von berührenden Tastern zu reduzieren, kann die Platte oder der Tasterträger am Arm bzw. am Antastelement drehbar gelagert sein.Around additionally also be able to measure tilting effects is provided in an advantageous embodiment, that in the End of the arm a plate with a normal to the axis of rotation standing surface is provided provided, and at the sensing element at least two rotationally symmetrical and parallel to the longitudinal axis of the probing element arranged length measuring devices on one Button holder attached are, which with the surface interact with the plate. This embodiment is particularly suitable to optimally use the circularity test in industrial robots can. Equally cheap an embodiment, in which the positions of plate and length measuring device reversed, so the length measuring on a button carrier in the end of the arm are fixed and the plate the probe belonging is. To wear the length measuring devices when using from touching buttons To reduce, the plate or the probe carrier on the arm or on the contact element be rotatably mounted.
Sämtliche Längenmeßgeräte können sowohl als berührende als auch als berührungslose Taster ausgeführt sein.All Length measuring devices can both as touching as well as non-contact Button executed be.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist zur Erfassung der Drehwinkelposition des Armes ein Winkelmeßgerät vorgesehen.In a preferred embodiment For detecting the rotational angular position of the arm, an angle measuring device is provided.
Die Auswertung der Meßergebnisse kann dabei durch eine vorzugsweise als Rundheitsmeßgerät ausgebildete Auswerteeinheit und/oder Rechnereinheit erfolgen.The Evaluation of the measurement results can in this case by a trained preferably as roundness measuring Evaluation unit and / or computer unit done.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Die
in
Die
in
Die
in
Ein geradlinig bewegter Maschinenschlitten, beispielsweise der Tisch einer NC-Fräsmaschine hat sechs Freiheitsgerade, aus denen sechs Einzelfehler resultieren können.One straight machine slide, for example the table an NC milling machine has six degrees of freedom, resulting in six individual errors can.
Es sind dies eine Positionsabweichung, zwei Geradheitsabweichungen, drei rotatorische Abweichungen, welche auch als Kippungen bezeichnet und im einzelnen mit Rollen, Stampfen und Gieren definiert werden.It are this a positional deviation, two straightness deviations, three rotational deviations, which are also called tilting and be defined in detail with roles, pounding and yawing.
Zwar lassen sich mit den bekannten Vorrichtungen auch Aussagen über diese geometrische Einzelfehler machen, doch ist dafür eine aufwendige Meßstrategie mit einer Vielzahl von Messungen in verschiedenen Ebenen notwendig.Though can be with the known devices also statements about this make geometric single errors, but this is a complex measurement strategy necessary with a variety of measurements in different levels.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß mit einer neuen mechanischen Konfiguration unter Anordnung von bis zu sechs gleichzeitig messenden Tastern neben den Aussagen über die Dynamik der Maschine auch detaillierte Ergebnisse über die Maschinengemometrie, d. h. über die Größe der Einzelfehler gewonnen werden können.Of the Advantage of the device according to the invention is that with a new mechanical configuration arranged up to six simultaneously measuring buttons in addition to the statements about the Dynamics of the machine also detailed results on the Machine geometry, d. H. above the size of the single error can be won.
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gemäß
Die
Basis
Die
Drehung des Armes
Des
weiteren befindet sich auf dem Arm
In
Das
Antastelement
Das
Antastelement
In
Eine
weitere Ausführungsvariante
ist in
Der
Kreisformtest läuft
nun wie unter
Die
Auswertung der Meßergebnisse
bzw. der Tastermeßwerte
erfolgt über
eine Auswerteeinheit
Art und Ausführung der Taster ist für die Erfindung unerheblich. Statt der in den Skizzen gezeichneten berührenden Taster können auch berührungslose Taster, die beispielsweise nach optischen, induktiven oder kapazitiven Prinzipien arbeiten, zum Einsatz kommen.kind and execution the button is for the invention irrelevant. Instead of the drawings drawn in the sketches touching Buttons can also non-contact Buttons, for example, optical, inductive or capacitive Principles work, are used.
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