DE69020328T2 - Kontaktlose profilprüfeinheit. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung und insbesondere eine solche mit verbesserter Abtastgenauigkeit.
• im Stand der Technik wurden kürzlich berührungsfreie Abtaststeuereinrichtungen zum Abtasten des Profils eines Modells entwickelt, die von berührungsfreien Abstandsgebern Gebrauch machen und dabei wird ein optischer Abstandsgeber derart benutzt, daß er am entfernten Ende eines Abtastkopfes befestigt ist und der Abstand von der Modelloberfläche erfaßt wird, um das Abtasten durchzuführen. Da somit das Modell nicht beschädigt werden kann, können Modelle aus weichen Werkstoffen hergestellt werden und damit findet dieses Bearbeitungsverfahren größere Anwendung.
• Doch ist mit solchen bekannten Einrichtungen ein Problem verknüpft, daß die Abtastgenauigkeit an Stellen des Modells geringer ist, wo der Schrägungswinkel groß ist. An solch einer Stelle liegt nämlich die optische Meßachse des Abstandsgebers nahezu parallel zur Modelloberfläche und der Punkt auf der Modelloberfläche vergrößert sich und wird elliptisch und damit verringert sich die Auflösung des Abstandsgebers und die Genauigkeit.
• Insbesondere erwächst bei Abstandsgebern vom Triangulationstyp manchmal das Problem, daß die optische Meßachse und die Modelloberfläche sich gegenseitig stören, abhängig vom Schrägungswinkel und damit wird die Messung unmöglich.
• Die Erfindung wurde im Hinblick auf diese Umstände entwikkelt und eine Aufgabe liegt darin, eine berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung mit verbesserter Abtastgenauigkeit zu schaffen.
• Zur Lösung dieses Problems besteht die Erfindung aus einer berührungsfreien Abtaststeuereinrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
• Basierend auf den Werten, die in der vorhergehenden und gegenwärtigen Abtastzeit von den beiden berührungsfreien Abstandsdetektoren am Abtastkopf gemessen werden, erhält man die Koordinaten der Viereckpunkte eines sehr kleinen Rechtecks auf der Modelloberfläche und erhält man den rechtwinkligen Vektor, indem man die Koordinaten von drei nötigen Eckpunkten aus den insgesamt vier Eckpunkten benutzt. Der Abtastkopf wird in Richtung eines projizierten Vektors verdreht, den man durch Projizieren des rechtwinkligen Vektors auf eine X/Y-Ebene erhält. Somit verlaufen die Meßachsen der berührungsfreien Abstandsdetektoren in einer Richtung, die so rechtwinklig wie möglich zur Modelloberfläche liegt und damit erhält man eine Entfernungsmessung mit hoher Genauigkeit.
• Die Zeichnung zeigt:
• Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen berührungsfreien Abtaststeuereinrichtung;
• Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abtastkopfes;
• Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Ermittlung des Drehwinkels für den Abtastkopf gemäß der Erfindung und
• Fig. 4 ein Flußdiagramm zum Berechnen des Drehwinkels in einer Ausführungsform der Erfindung.
• Eine bestmögliche Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert.
• Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen berührungsfreien Abtaststeuereinrichtung und von peripheren Geräten. Hier liest ein Prozessor 11 ein in einem ROM 12 abgespeichertes Systemprogramm aus und steuert den Gesamtbetrieb der Abtaststeuereinrichtung 1 mit diesem Systemprogramm über einen Bus 10. Ein RAM 13 als zeitweiser Speicher speichert die Meßwerte der Abstandsdetektoren und andere zeitweise benötigten Daten. Ein nicht flüchtiger Speicher 14, der batteriegestützt ist, speichert verschiedene Parameter, wie die Abtastrichtung und Abtastgeschwindigkeit usw. und erhält die Signale von einem Steuerfeld 2 über eine Schnittstelle 15.
• Abstandsdetektoren 5a und 5b sind am Abtastkopf 4 der Abtastwerkzeugmaschine 3 befestigt. Die Abstandsdetektoren 5a und 5b sind jeweils vom Typ, der mit reflektiertem Licht arbeitet, wobei ein Halbleiterlaser oder eine lichtemittierende Diode als Lichtquelle dient und den Abstand zu einem Modell 6 berührungsfrei mißt. Die Meßwerte La und Lb der Detektoren werden in A/D-Konvertern 16a, 16b in der Einrichtung 1 digitalisiert und vom Prozessor 11 gelesen.
• Der Prozessor 11 berechnet die Verschiebungsbeträge in den einzelnen Achsen, basierend auf den Meßwerten La und Lb und auf Signalen aus den laufenden Lageregistern 19x, 19y und lgz und erzeugt Geschwindigkeits-Sollwerte Vx, Vy und Vz für die einzelnen Achsen entsprechend den Verschiebungsbeträgen und der gewünschten Richtung und Abtastgeschwindigkeit, wobei von bekannten Maßnahmen Gebrauch gemacht wird. Diese Geschwindigkeits-Sollwerte werden in D/A-Konvertern 17x, 17y und 17z in Analogwerte umgewandelt und in Servoverstärkern 18x, 18y und 18z gegeben. Basierend auf den Geschwindigkeits-Sollwerten steuern die Servoverstärker 18x und 18y die Servomotoren 32x und 32y der Werkzeugmaschine 3 an, so daß ein Tisch 31 in X-Achsen-Richtung und Y-Achsen- Richtung rechtwinklig zur Oberfläche zur Zeichenebene verschoben wird, während der Servoverstärker 18z einen Servomotor 32z ansteuern, so daß der Abtastkopf 4 und ein Werkzeug 33 in Z-Achsenrichtung bewegt werden.
• Die Servomotoren 32x, 32y und 32z sind mit Impulscodierern 33x, 33y und 33z versehen, von denen Impulse FPx, FPy und FPx entsprechend der Drehung der einzelnen Servomotoren um bestimmte Beträge erzeugt werden. Die laufenden Positionsregister 19x, 19y und 19z in der Einrichtung 1 zählen die Impulse FPx, FPy und FPz aufwärts und abwärts, abhängig von der Drehrichtung, um laufende Positionsdaten Xy, Ya und Za der Achsen zu erhalten und diese Daten in den Prozessor 11 einzugeben.
• Gleichzeitig mit dieser Steuerung der einzelnen Achsen tastet der Prozessor 11 die Meßwerte La und Lb der Abstandsgeber 5a und 5b in bestimmten Abtastintervallen ab und ermittelt einen zur Modelloberfläche rechtwinkligen Vektor, basierend auf den Abtastdaten und einer noch zu beschreibenden Methode und erzeugt einen Drehsollwert SC, der der Richtung des rechtwinkligen Vektors entspricht, der auf eine X/Y-Ebene projiziert wird. Der Rotationssollwert SC wird von einem D/A-Konverter 17a in einen Analogwert umgewandelt und dann in einen Servoverstärker 18c gegeben, so dar ein C-Achsen-Servomotor 32c mit diesem Sollwert angesteuert wird.
• Somit der Abtastkopf 4 um den angegebenen Winkel gedreht und sein Abstand vom Modell 6 wird - wie nachbeschrieben -konstant geregelt. Gleichzeitig wird der Tisch 31 in der Abtastrichtung mit der Abtastgeschwindigkeit entsprechend den Sollwerten verschoben und ein Werkstück 35 wird entsprechend der Form des Modells 6 von dem Werkzeug 34 bearbeitet, das über die Z-Achse ähnlich wie der Abtastkopf 4 gesteuert wird.
• Fig. 2 zeigt eine Darstellung des Abtastkopfes 4 in Einzelheiten. Hier ist der Abstandsdetektor 5a am Abtastkopf 4 derart befestigt, daß er in einem schrägen Winkel φ zur Z- Achse liegt und wird längs des Umfanges eines Kreises verdreht, der einen bestimmten Radius über den Sollwertwinkel ec des Rotationssollwertes SC von der C-Achse besitzt. Der Abstandsdetektor 5b ist an der Außenseite des Abstandsdetektors 5a befestigt und wird in ähnlicher Weise um den Sollwertwinkel θc verdreht.
• Wie oben erwähnt, wird der vom Abstandsdetektor 5a gemessene Wert zur Abtaststeuereinrichtung zurückgeführt und damit wird der Abstand La des Abstandsdetektors 5a von einem Meßpunkt P1 auf dem Modell 6 konstant gehalten. Dieser Abstand La wird gleich dem Abstand zwischen dem Abstandsdetektor 5a und einem Punkt gesetzt, an dem die Meßachse des Detektors 5a die Z-Achse schneidet. Auch wenn der Abtastkopf 4 um die C-Achse verdreht wird, so bleibt dementsprechend der Meßpunkt P1 in der gleichen Position und damit wird der Abstand L zwischen dem Abtastkopf 4 und dem Modell 6 konstant gehalten.
• Der Abstandsdetektor 5b mißt den Abstand Lb eines Meßpunktes P2 auf dem Modell 6 und liefert den Merwert in die Abtasteinrichtung.
• Das Verfahren zum Berechnen des Drehwinkels für den Abtastkopf 4 wird nun anhand der Fig. 3 erläutert. Hier wird ein Abtastvorgang ausgeführt, während der Abtastkopf 4 in X- Achsen-Richtung mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ zum Modell 6 bewegt wird und gleichzeitig werden die von den Abstandsdetektoren 5a und 5b gemessenen Werte in bestimmten Zeitintervallen abgetastet. Basierend auf den Meßwerten und den laufenden Positionsdaten der laufenden Positionsregister erhält man die Koordinatenwerte der Punkte P1&sub1;, ..., P1n-1 und P1n und die Punkte P2&sub1;, ..., P2n-1 und P2n auf dem Modell 6.
• Dann wird ein Oberflächenvektor S1n(X2n-X1n, Z2n-Z1n) aus beispielsweise den Koordinaten X1n, Y1n, Z1n des Punktes P1n und den Koordinaten X2n, Y2n, Z2n des Punktes P2n ermittelt. Ferner wird ein Oberflächenvektor S2n(X1n-1- X1n, Y1n-1-Y1n, Z1n-1-Z1n aus den Koordinaten X1n, Y1n, Z1n des Punktes P1n und den Koordinaten X1n-1, Y1n-1, Z1n-1 des Punktes P1n-1 ermittelt.
• Dann wird das Außenprodukt der Oberflächenvektoren S1n und S2n berechnet und zwar entsprechend der nachstehenden Gleichung, um einen Normalvektor Nn im Punkt Pn zu erhalten.
• Nn = S1n x S2n
• (Nn, S1n und S2n bezeichnen die jeweiligen Vektoren).
• Dann ermittelt man einen Winkel θcn zwischen der X-Achse und einem projizierten Vektor N1n, indem man den Normalvektor Nn auf die X-Y-Ebene mit folgender Gleichung projiziert:
• θcn - tan&supmin;¹(Jn/In),
• wobei In den X-Achsenanteil des Vektors Nn und Jn den Y-Achsenanteil des Vektors Nn bezeichnet, und dieser Winkel ecn wird als Sollwert für die C-Achse ausgegeben.
• Dieser Winkel ändert sich entsprechend dem Schrägungsgrad des Modells 6 und ist beispielsweise gleich θcq im Punkt Plq.
• Somit wird der Abtastkopf 4 derart ausgerichtet, daß die Meßachsen der Distanzdetektoren immer in eine Richtung so rechtwinklig wie möglich zur Modelloberfläche ausgerichtet werden, so daß die Entfernungsmessung sehr genau ausführbar ist.
• Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm über das Berechnungsverfahren des vorgenannten Drehwinkels. Dabei bezeichnen die den Buchstaben "S" folgenden Nummern die einzelnen Schritte.
• (S1) Die von den Abstandsdetektoren 5a und 5b gelieferten Meßwerte werden zu bestimmten Zeitintervallen abgetastet.
• (S2) Der Vektor S1 wird aus den laufenden Meßwerten ermittelt, die man von den jeweiligen Abstandsdetektoren erhält.
• (S3) Der Vektor S2 wird vom laufenden Merwert und dem vorhergehenden Meßwert ermittelt, der vom Entfernungsdetektor 5a erhalten wird.
• (S4) Der Oberflächenvektor N wird durch Berechnen des Außenproduktes der Vektoren S1 und S2 ermittelt.
• (S5) Der Winkel θc zwischen der X-Achse und dem projizierten Vektor, der durch Projizieren des Oberflächenvektors N auf die X-Y-Ebene erhalten wird, wird berechnet.
• In dem obigen Ausführungsbeispiel wird der Normalvektor basierend auf dem vorausgehenden Merwert ermittelt, den man von einem der Abstandsdetektoren erhält, und basierend auf den laufenden Meßwerten, die man von beiden Abstandsdetektoren erhält. Es sei bemerkt, dar die Erfindung nicht auf dieses Verfahren beschränkt ist und der Normalvektor kann auch mit anderen Kombinationen der drei von vier Meßpunkten ermittelt werden, die mindestens in den vorangegangenen und laufenden Abtastzeiten erfaßt werden.
• Ferner können andere Abstandsdetektoren als die vom reflektierten Lichttyp benutzt werden. Beispielsweise kann man einen optischen Detektor vom Triangulationstyp, einen Wirbelstrom-Detektor oder einen Ultraschalldetektor für diesen Zweck verwenden.
• Erfindungsgemäß ermittelt man in der vorbeschriebenen Weise einen Vektor, der rechtwinklig zur Modelloberfläche ist, basierend auffrüher abgetasteten und laufend abgetasteten Werten, die man von zwei berührungsfreien Abstandsdetektoren am Abtastkopf erhält, und der Abtastkopf wird auf die Richtung des projizierten Vektors ausgerichtet, den man erhält, indem man den rechtwinkligen Vektor auf die vorbestimmte Ebene projiziert. Somit werden die Meßachsen der berührungsfreien Abstandsdetektoren stets in einer Richtung ausgerichtet, die so rechtwinklig wie möglich zur Modelloberfläche liegt und damit kann die Abstandsmessung mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden. Ferner existiert kein toter Winkel infolge einer störenden Modelloberfläche und damit kann ein kompliziertes dreidimensionales Modell abgetastet werden.

Claims (4)

1. Berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung zum Ausführen einer Profilbearbeitung an einem Werkstück (35), während ein Profil eines Modells (6) berührungsfrei abgetastet wird, mit ersten (5a) und zweiten (5b) berührungsfreien Abstandsdetektoren, die an einem Abtastkopf (4) befestigt sind, der längs einer vorbestimmten geraden Achse (Z) und einer um die gerade Achse drehbaren Drehachse (C) gesteuert wird, wobei der erste und zweite Detektor in einem vorbestimmten Winkel gegenüber der geraden Achse (Z) geneigt angeordnet ist und jeder Detektor (5a,5b) individuell einen Abstand (La,Lb) von einer Fläche des Modells (6) mißt, mit Abtastmitteln zum Abtasten der von jeweils dem ersten und zweiten berührungsfreien Abstandsdetektor (5a,5b) erhaltenen Abtastmeßwerten (La,Lb) in vorbestimmten Abtastintervallen, mit Speichermitteln zum Speichern eines ersten vorhergehenden, von dem ersten berührungsfreien Abstandsdetektor (5a) erhaltenen Meßwertes und eines zweiten vorhergehenden, von dem zweiten berührungsfreien Abstandsdetektor erhaltenen Meßwertes, die beide in einer vorhergehenden Abtastzeit abgetastet wurden, mit Vektorberechnungsmitteln zum Berechnen eines Vektors (Nn) rechtwinklig zur Oberfläche des Modells (6) basierend auf mindestens drei von vier Meßwerten einschließlich des ersten und zweiten vorhergehenden Meßwertes, einem dritten Meßwert, der von dem ersten berührungsfreien Abstandsdetektor bei einer Abtastung während einer gegenwärtigen Abtastzeit erhalten wird und einem vierten Meßwert, der von dem zweiten berührungsfreien Abstandsdetektor bei einer Abtastung während der gegenwärtigen Abtastzeit erhalten wird und mit Winkelberechnungsmitteln zum Berechnen eines Drehwinkels (θcn) gegenüber der X-Achse eines projizierten Vektors (Nln), den man durch Projizieren des rechtwinkligen Vektors (Nn) auf eine zur geraden Achse (Z) rechtwinklige Ebene (X-Y) erhält und mit Antriebsmittel (32c) für die Drehachse zum Drehen des Abtastkopfes (4) um den besagten Drehwinkel (θcn).

2. Berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vektorberechnungsmittel Koordinatenwerte dreier unterschiedlicher Punkte auf der Oberfläche des Modells erhalten, basierend auf den drei gemessenen Punkten, sowie erste und zweite Vektoren erhalten, die von einem der drei unterschiedlichen Punkte jeweils zu den anderen beiden Punkten gerichtet sind, und die den rechtwinkligen Vektor (Nn) durch Berechnen eines äußeren Produktes des ersten und zweiten Vektors ermitteln.

3. Berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der die gerade Achse derart gesteuert wird, daß ein Meßpunkt auf der Oberfläche des Modells, der zu einem der ersten und zweiten Abstandsdetektoren gehört, auf die gerade Achse positioniert wird, ungeachtet einer Drehung der Drehachse.

4. Berührungsfreie Abtaststeuereinrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste und zweite berührungsfreie Abstandsdetektor jeweils einen optischen Abstandsdetektor aufweist.