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Die
Erfindung betrifft einen Mechanismus zum Bereitstellen eines rückwirkungsfreien
Antriebes an ein Drehelement von z. B. einem Gelenktastkopf, der
an dem beweglichen Arm einer Koordinatenpositioniermaschine befestigt
sein kann.
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In
unserem US Patent Nr. 5 189 806 ist ein Gelenktastkopf beschrieben,
der in der Lage ist, einen Taster mit zwei Freiheitsgraden derart
auszurichten, dass der Taster in einem Arbeitsgang zum Abtasten
der Oberflächen
von Werkstücken
verwendet werden kann.
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Im
Allgemeinen umfasst solch ein Tastkopf einen Drehantriebmechanismus
mit einer relativ festen Stützkonstruktion
und ein Drehelement, das durch einen Motor relativ zu der Stützkonstruktion
um eine Achse der Konstruktion herum drehbar ist. Der Motor umfasst,
z. B. im Fall eines Elektromotors, einen Stator, der mit der Stützkonstruktion
wirksam verbunden ist, und einen Rotor, der mit dem Drehelement
wirksam verbunden ist. Ein durch den Motor erzeugtes und auf das
Drehelement aufgebrachtes Drehmoment bewirkt ebenfalls ein gleiches
und ein entgegengesetztes Gegendrehmoment, das auf den Stator und
somit auf die Stützkonstruktion
aufgebracht werden soll.
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Dieses
Gegendrehmoment kann eine Drehung an dem beweglichen Arm der Koordinatenpositioniermaschine,
an dem der Tastkopf befestigt ist, bewirken, was zu Fehlern bei
den von der Maschine durchgeführten
Messungen führt.
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In
dem speziellen Beispiel, das in der Patentbeschreibung, auf die
Bezug genommen wird, gezeigt ist, ist ein zweiter Drehantriebsmechanismus
an der Abtriebswelle des ersten Mechanismus befestigt und dreht ein
zweites Drehelement um eine Achse rechtwinklig zu der Achse des
ersten Drehmechanismus.
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Da
der in dem vorstehenden Patent beschriebene Gelenktastkopf zeitweise
einen an ihm befestigten Taster mit einer Schwingbewegung antreiben
muss, ist der so genannte Stator in einer der bevorzugten Ausführungsformen
an einem Lager befestigt, damit er sich relativ zu der Stützkonstruktion
und dem Rotor frei dreht, so dass der Drehimpuls des Rotors durch
den frei rotierenden Stator ausgeglichen wird.
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Somit
beschleunigt, wenn der Motor zur Beschleunigung des Drehelementes
betätigt
wird, der frei rotierende Stator in Rückwirkung auf das Abtriebsdrehmoment
des Rotors in die entgegengesetzte Richtung. Somit gibt es für die statische
Konstruktion keinen natürlichen
Weg zurück,
um auf das Abtriebsdrehmoment des Rotors zu reagieren, und somit
wird kein resultierendes Drehmoment zu der Maschine, an der der
Kopf befestigt ist, zurückgeleitet.
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Es
gibt jedoch Gelegenheiten, wo es notwendig ist, die Drehzahl des
drehbaren Stators zu steuern. Zum Beispiel werden Gegendrehmomente
auf den rotierenden Stator aufgebracht, die Verluste im Drehimpuls des
Stators erzeugen und die darauf abzielen würden, den Stator in einer Rotorbewegung
mit konstanter Drehgeschwindigkeit zu verlangsamen. Diese Verluste
beruhen auf dem aerodynamischen Widerstand an dem rotieren den Stator,
der Reibung in verschiedenen Teilen der Statoranordnung und einer
Gegen-EMK, die erzeugt wird, wenn die Statorspulen sich auf Grund
des Magnetfeldes des Motors drehen. Um die relative Drehgeschwindigkeit
des rotierenden Stators aufrecht zu erhalten, muss dem Stator in
irgendeiner Weise Energie zugeführt
werden, damit diese Verluste ausgeglichen werden.
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Gleichzeitig
wirken auf das Drehelement aufgebrachte äußere Kräfte wie z. B. das Gravitiationsmoment
oder ein durch die Tasterkraft erzeugtes Drehmoment zwischen dem
Taster und einem Werkstück,
um den Rotor zu verlangsamen. Dies bewirkt, dass das Steuersystem
den Motor, der den Rotor antreibt, mit mehr Energie versorgt, um
die Tastergeschwindigkeit zu halten, und diese zusätzliche
Energie neigt dazu, den frei rotierenden Stator zu überdrehen.
Um dies zu vermeiden, muss ein Mechanismus bereitgestellt sein,
der eine Bremskraft auf den rotierenden Stator aufbringt.
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Diese
Probleme werden gemäß der vorliegenden
Erfindung überwunden,
indem ein rückwirkungsfreier
Drehantriebsmechanismus für
eine Positioniervorrichtung bereitgestellt wird, wie in dem unabhängigen Anspruch
1 definiert ist.
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Bei
diesem Drehantriebsmechanismus liefert ein zweiter Motor eine reibungslose
Bremskraft an den frei rotierenden Stator, die sich erhöht, wenn
die Drehgeschwindigkeit des Stators sich erhöht. Auch wenn es erforderlich
ist, Energie an den Stator bereitzustellen, um Verluste auszugleichen,
wird dies durch Zuführen von
Strom an den zusätzlichen
Motor erreicht.
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Das
rückwirkungsfreie
Verhalten in einer solchen Konfiguration ist daher auf Beschleunigungen
des Drehantriebsmechanismus begrenzt. Rückwir kungen auf Grund von äußeren Sondierungen
etc. werden an die Lagerungen des Mechanismus übertragen, Rückwirkungen
auf Grund von Drehbeschleunigungen nicht.
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Die
Erfindung wird nun spezieller, lediglich beispielhaft und unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
grafische Darstellung eines Gelenkkopfes ist, der einen rückwirkungsfreien
Drehantriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung enthält;
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2 eine
grafische Darstellung eines Querschnittes eines rückwirkungsfreien
Drehantriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung ist;
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3 ein
detaillierter Querschnitt einer Ausführungsform eines rückwirkungsfreien
Drehantriebsmechanismus, wie in einem Gelenkkopf von 1 enthalten,
ist; und
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4 ein
Blockdiagramm ist, das die Grundelemente der Steuereinheit zeigt,
die zur Steuerung des Rückwirkungsantriebes
verwendet wird.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in 1 ein
Gelenktastkopf gezeigt, der ein erstes Gehäuseteil 10 umfasst,
das zum Anbringen an eine Positionsbestimmungsvorrichtung (nicht
gezeigt) ausgebildet ist. Das Gehäuseteil 10 enthält einen
Drehantriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung mit einem Motor 12,
der eine Drehung einer Abtriebswelle 14 um eine erste Achse
z herum bereitstellt. An der Welle 14 ist ein zweites Gehäuseteil 16 angebracht,
das einen zweiten Drehantriebsmechanismus mit einem Motor 18 enthält, der
für eine
Drehung ei ner zweiten Welle 20 um eine zweite Achse x rechtwinkelig
zu der ersten Achse z herum sorgt.
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An
der zweiten Welle ist für
eine Drehung damit eine Oberflächenabtastvorrichtung 22 angebracht,
die in einem typischen Abtastarbeitsgang über die Oberfläche eines
Werkstückes
gefahren wird, um Messungen an Punkten an der Werkstückoberfläche zu ermöglichen.
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Die
Drehantriebsmechanismen werden durch elektrische Anschlüsse 24 von
einer Steuereinheit 26, die so programmiert ist, dass sie
die Oberflächenabtastvorrichtung
derart steuert, dass sie sich in einer gewünschten Serie von Bewegungen über die
Oberfläche
eines Werkstückes
bewegt, mit Energie versorgt. Umformer in dem Kopf senden Signale,
die für
die Winkelpositionen der Antriebsmechanismen um ihre entsprechenden
Achsen herum bezeichnend sind, zurück zu Regelkreisen in der Steuereinheit.
Diese Signale zusammen mit den Signalen von den Messvorrichtungen
der Maschine, an der der Kopf befestigt ist, erlauben die genaue
Steuerung der relativen Positionen der Oberflächenabtastvorrichtung und einer
Werkstückoberfläche.
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Wie
oben erklärt,
werden in der Maschine auf Grund der Schwingbewegungen der Oberflächenabtastvorrichtung
und ihres Drehantriebsmechanismus induzierte Vibrationen durch Verwendung
eines Motors mit Trägheitsausgleich
in zumindest einem der Drehantriebsmechanismen verringert.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf 2 sind Details
eines Drehantriebsmechanismus, der den zusätzlichen Motor der vorliegenden
Erfindung beinhaltet, beispielhaft schematisch veranschaulicht.
Es ist jedoch einzusehen, dass die folgende Beschreibung auf jeden
der beiden oder auf beide Drehantriebsmechanismen des Gelenkkopfes
angewendet werden kann.
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Der
Mechanismus ist in einem Gehäuse
enthalten, das einen Flansch 30 umfasst, der zulässt, dass das
Gehäuse
mit der Hohlwelle einer Messmaschine oder mit dem Gehäuse des
anderen Drehantriebsmechanismus verbunden ist.
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Der
gezeigte Mechanismus besteht aus einem Hauptantriebsmotor 12 mit
einer Hauptantriebs-Magnetanordnung 32 und einer Hauptantriebs-Wicklungsanordnung 34.
Durch eine Bürstenanordnung 36 wird
der Hauptantriebs-Wicklungsanordnung Energie zugeführt, um
den Hauptantriebsmotor 38, der in diesem Beispiel mit der
Hauptantriebs-Wicklungsanordnung verbunden ist, anzutreiben. Der
Hauptantriebsrotor ist mit der Abtriebswelle 14 verbunden,
die zur Drehung auf einem Lager 40 gelagert ist.
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Die
Hauptantriebs-Magnetanordnung, die normalerweise den Stator des
Motors bilden würde,
ist ebenfalls auf einem Lager 42 gelagert, so dass, wenn
Energie zugeführt
wird, um die Welle 38 anzutreiben, die Rückwirkung
in der Hauptantriebs-Magnetanordnung bewirkt, dass diese Statoranordnung
sich auf dem Lager 42 mit einem gleichen und entgegengesetzten
Drehimpuls frei dreht.
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Es
ist ersichtlich, dass der Motor 12 sich wie ein rückwirkungsfreier
Drehantriebsmechanismus verhält, soweit
irgendwelche Drehbeschleunigungen und -verlangsamungen betroffen
sind.
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Die
Drehstatoranordnung in diesem Beispiel ist durch eine Welle 44 mit
einer Wicklungsanordnung 46 eines zusätzlichen „back-to-earth" (BTE) Motors 47 verbunden,
dessen Magnetanordnung 48 mit dem Gehäuse verbunden ist. Eine weitere
Bürstenanordnung 50 ist
vorgesehen, die die Energieversorgung an die BTE-Wicklungsanordnung
bereitstellt.
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Da
beide Teile des Motors drehbar sind, werden die Energieanschlüsse an die
Motorteile durch eine Schleifringanordnung 52 von dem Gehäuse herübergebracht.
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Der
zusätzliche
BTE-Motor sorgt für
eine Rückwirkungskraft
zum Ausgleich der Drehung des frei drehbaren Stators. Diese Kraft
nimmt zu, wenn die Drehzahl des Stators zunimmt. Auch die Bürstenanordnung 50 kann
verwendet werden, um die BTE-Motorwicklungen mit Energie zu versorgen,
um die Verluste auszugleichen, die ansonsten darauf abzielen würden, den
Stator zu verlangsamen, wenn der Hauptmotor bei konstanter Drehgeschwindigkeit
läuft.
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3 ist
ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in
der dort, wo es möglich ist,
die gleichen Bezugsziffern verwendet wurden, um die gleichen Teile
zu bezeichnen.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist der Drehantriebsmechanismus innerhalb des Gehäuseteiles 10 des Gelenkkopfes
von 1 gelagert, so dass der Flansch 30 mit
der Hohlwelle der Maschine verbunden werden muss, und die Abtriebswelle 14 mit
dem zweiten Teil 16 verbunden werden muss.
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Der
Gehäuseteil 10 stellt
teilkugelförmige
Traglagerflächen 60, 62, 64 und 66 zum
Lagern der Drehelemente der Antriebsmechanismen bereit.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist die Hauptantriebs-Magnetanordnung 32 des Hauptantriebsmotors
mit der Abtriebswelle 14 verbunden und zur Drehung an den
Lagerflächen 60 und 62 durch
ein Paar sich gegenüberliegender
einander zugewandter teilkugelförmiger
Lagerflächen 70 und 72 gelagert.
Die Flächen 70 und 72 sind
derart geformt, dass sie mit den Lagerflächen 60 und 62 zusammenwirken,
um ein Luftlager zu bilden, das mit Druckluft durch Düsen von
einer Hauptluftleitung 80 versorgt wird.
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Die
Hauptantriebs-Wicklungsanordnung 34 des Hauptantriebsmotors
ist mittels einer Welle 82 mit der Wicklungsanordnung 84 eines
BTE-Motors verbunden, dessen Magnetanordnung 86 mit dem
Gehäuse 10 verbunden
ist.
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Ein
Paar sich gegenüberliegender
einander zugewandter mit der Welle 82 verbundener Lagerflächen 74 und 76 lagert
die Welle an den Lagerflächen 64 und 66.
Wieder sind die Lagerflächen 74, 76 derart
geformt, dass sie mit den Lagerflächen 64, 66 zusammenwirken,
um ein Luftlager zu bilden, das von einer Hauptleitung 84 mit
Druckluft versorgt wird.
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Sowohl
die Hauptantriebs-Wicklungsanordnung als auch die BTE-Motorwicklungsanordnung
werden von einer in dieser Ansicht nicht gezeigten Bürstenanordnung
mit Energie versorgt.
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Die
Steuereinheit 26, die die Steuerungsstrategie für das rückwirkungsfreie
Antriebssystem realisiert, weist einen in 4 gezeigten
Aufbau auf. Die Steuereinheit erfüllt zwei Aufgaben: a) sie steuert
die Position des Hauptantriebsrotors gegen einen Antriebsbedarf
und b) sie steuert die Geschwindigkeit des frei rotierenden Stators,
um den rückwirkungsfreien
Charakter des gesamten Antriebssystems aufrecht zu erhalten.
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Die
Positionssteuerung des Hauptantriebsrotors 38 wird erreicht,
indem ein innerer Antriebsrotordrehzahl-Rückführkreis 90 und eine äußerer Antriebsrotorpositions-Rückführkreis 92 verwendet
wird. Die Steueraktion wird in Form eines Proportional-Integral-Differenzial
(PID)-Kompensators 94 auf den inneren Drehzahlkreis angewendet,
dessen Ausgang über
einen Verstärker 96 an
den Hauptantriebsmotor 12 weitergeleitet wird. Eine proportionale
Steueraktion wird auch auf den Positionsfehler in dem äußeren Kreis
angewendet, was eine Positionskreisverstärkungssteuerung 89 umfasst.
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Die
Steuerung des BTE-Motors wird unter Verwendung der Rückführung der
Geschwindigkeit 98 des frei rotierenden Stators erreicht.
Der BTE-Regelkreis 100 (dessen
Elemente von der punktierten Begrenzung umschlossen sind), erzeugt
ein Korrektursignal, das ein derartiges Drehmoment in dem BTE-Motor
erzeugt, das die Wirkungen äußerer Drehmomente,
die auf den Hauptantriebsrotor wirken, eliminiert. Bei Vorhandensein
eines äußeren Drehmoments
würde die
Drehzahl des frei rotierenden Stators von seiner gewünschten Drehzahl
abweichen. Der BTE-Regelkreis wird ein Drehmoment in dem BTE-Motor
erzeugen, das die Drehzahldifferenz korrigiert. Die Hauptelemente
des BTE-Regelkreises sind eine Recheneinrichtung 102, die
die gewünschte
Drehzahl des frei rotierenden Stators berechnet, eine Verstärkungsregelung 104,
ein Tiefpassfilter zweiter Ordnung 106 und ein Leistungsverstärker 108.
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Das
von dem BTE-Motor erzeugte Drehmoment ist proportional der Differenz
zwischen der gemessenen Drehzahl des frei rotierenden Stators und
seiner gewünschten
Drehzahl, wie in der folgenden Gleichung angeführt; Trm = KBTE (gewünschte
Drehzahl des frei rotierenden Stators – gemessener Drehzahl des frei
rotierenden Stators) worin
Trm das
von dem BTE-Motor erzeugte Drehmoment bezeichnet
KBTE die
BTE-Kreisverstärkung
bezeichnet.
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Die
gewünschte
Drehzahl des frei rotierenden Stators wird unter Verwendung der
folgenden Gleichung errechnet;
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In
einem Tastersystem wird sich die Gesamtträgheit an dem Antriebsmotor
wahrscheinlich sowohl statisch (wenn ein Taster oder ein Fühler ausgetauscht
wird) als auch dynamisch (Änderungen
des Winkels des Tasters in Bezug auf eine orthogonale Drehachse) ändern. Die
Trägheit
des frei rotierenden Stators wird sich wahrscheinlich nicht ändern. Die
gewünschte
Drehzahl des frei rotierenden Stators wird in Echtzeit unter Verwendung
der vorhergehenden Kenntnis von Trägheitswerten des physikalischen
Systems errechnet. Die statischen Trägheitswerte sind in Form einer
dem Taster- und Fühlertyp
entsprechenden Verweistabelle dargestellt. Die dynamischen Änderungen
der Trägheit
des Antriebsrotors werden in Form einer Gleichung umgesetzt, die
den sich dynamisch ändernden
Winkel des Tasters berücksichtigt.
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Der
BTE-Regelkreis ist durch den Tiefpassfilter zweiter Ordnung 106 so
gefertigt, dass er eine niedrige Bandbreite aufweist, da eine rasche
Steuerwirkung für
die Steuerung der Drehzahl des frei rotierenden Stators nicht wesentlich
ist. Eine BTE-Steuerung mit niedriger Bandbreite ist aus zwei Gründen wünschenswert;
erstens sollte während
der Beschleunigung oder Verlangsamung des Hauptantriebsmotors das
in dem frei rotierenden Stator erzeugte Gegendrehmoment nicht auf
den BTE-Regelkreis wirken. Die BTE-Steuerung sollte nur angewendet
werden, um Drehzahländerungen
in dem frei rotierenden Stator langsam zu ändern. Zweitens ist der BTE-Regelkreis
ein Slave für
den Hauptantriebsmotorregelkreis, der eine hohe Bandbreite aufweist. Sollten
beide Regelkreise die gleiche Bandbreite aufweisen, besteht die
Möglichkeit
unerwünschter
wechselseitiger Beeinflussung zwischen den beiden Kreisen.
