DE69027308T2

DE69027308T2 - Kontaktlose kopiersteuerung

Info

Publication number: DE69027308T2
Application number: DE69027308T
Authority: DE
Inventors: Eiji Fanuc Dai- Vira Matsumoto; Hitoshi Keio Yamada M Matsuura
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1989-12-19
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2010-12-12
Also published as: EP0458983A4; JPH03190652A; DE69027308D1; WO1991008861A1; EP0458983A1; US5243265A; EP0458983B1

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Kopiersteuerung, die aufeinanderfolgende Ortsdaten liefert, während die Form eines Modells mit Gebern abgetastet wird, so daß NC-Daten geliefert bzw. eine Kopiersteuerung ausgeführt wird, und betrifft insbesondere eine berührungsfreie Kopiersteuerung, bei der ein System zum Ansteuern der optischen Weggeber verbessert ist.
Eine bekannte Kopiersteuerung macht von einem Taster Gebrauch und gewinnt die Weginformationen dadurch, daß die Taster in Berührung mit der Modelloberfläche gebracht wird, um so die zustellgeschwindigkeit zu steuern und NC-Daten zu erzeugen.
Wird jedoch ein Modell mit weicher Oberfläche mit diesem Abtastkopf abgetastet, so erleidet die Oberfläche Schäden durch den Druck von Seiten des Tasters und deshalb hat man berührungsfreie Abtaststeuerungen entwickelt, bei denen ein Weggeber zur Bestimmung des Abstandes zum Modell in berührungsfreier Weise am freien Ende des Abtastkopfes befestigt wird. Ein optischer Weggeber wird zur Ermittlung des weges verwendet.
Fig. 4 zeigt das Prinzip eines optischen weggebers, wobei ein Halbleiter-Laseroszillator 43 von einer Lasertreiberschaltung 42 angeregt wird und einen Laserstrahl 44 abgibt. Der Laserstrahl 44 wird über eine Sammellinse 45 auf die Oberfläche eines Modells 20C gelenkt. Der Laserstrahl 44 wird an der Oberfläche des Modells 20c reflektiert und ein Teil des reflektierten Lichtstrahls 46 wird von einer Linse 47 auf einen Positionswandler 48 konvergiert.
Der Positionswandler 48 dient zum Umsetzen des reflektierten Lichtstrahls 46 in ein elektrisches Signal, das der Position des konvergierenden Punktes und der Lichtmenge entspricht. Wird deshalb am Modell 20c ein Punkt P0 beleuchtet, so konvergiert der Lichtstrahl 46 im Mittelpunkt des Positionswandlers 41 und wenn ein Punkt P1 oder P2 am Modell 20c belichtet wird, so konvergiert der Strahl 46 in der oberen linken oder unteren rechten Ecke des Positionswandlers 48. Da dieser ein Signal D liefert, das der Position und Lichtmenge des Strahls 46 zwischen dem optischen Weggeber und dem Modell 20c entspricht, kann man ein dem Abstand entsprechendes Signal erhalten, wenn das Signal D in einer bestimmten Umsetzerschaltung verstärkt wird.
Dieser optische Weggeber kann nur eindimensionale Weginformationen liefern und deshalb hat man bei bekannten Kopiersteuerungen, um auch Daten in Querrichtung zur Modelloberfläche zu erhalten, Daten, die nötig sind, um beispielsweise einen Werkzeugversatz zu berechnen, zwei oder drei optische Weggeber eingesetzt, um gleichzeitig die Koordinaten dreier verschiedener Punkte an der Modelloberfläche zu bestimmen und aus diesen Koordinaten der drei Punkte hat man einen Vektor in Normalrichtung berechnet. In einer anderen Ausführung hat man eine zick-zack-förmige Abtastbahn erzeugt und Messungen nacheinander an dieser Bahn mit einem optischen Weggeber vorgenommen, um Koordinaten der drei Punkte zu erhalten und ein Vektor in Normalrichtung wurde aus den so erhaltenen drei aufeinanderfolgenden Koordinaten berechnet.
Bei der vorgenannten ersten Ausführungsform, wenn also die Koordinaten an der Modelloberfläche von zwei oder drei optischen Weggebern am Abtastkopf ermittelt werden, fällt aber der reflektierte Lichtstrahl von der Modelloberfläche auf einen Positionswandler oder Wandler eines anderen oder anderer optischer Weggeber, sobald die Meßpunkte an der Modelloberfläche näher beieinander liegen, so daß sie sich gegenseitig stören und eine genaue Messung des weges unmöglich wird.
Legt man diese Meßpunkte voneinander weiter entfernt, so kann diese Störung vermieden werden, doch ist man nicht in der Lage, den Verlauf der Oberfläche beim Abtasten genau zu messen.
Die Erfindung hat sich in Anbetracht dieser Umstände ergeben und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine berührungsfreie Abtaststeuerung zu schaffen, die in der Lage ist, Abstände zu mehreren Meßpunkten zu ermitteln, ohne Störung von Seiten des von den Meßpunkten reflektierten Lichtes, auch wenn die Meßpunkte ziemlich nahe aneinanderliegen.
Ein Beispiel für ein derartiges System ist in JP-A-64-64753 erläutert.
JP-A-59-91308 schildert ein berührungsfreies Wegmeßsystem, bei dem drei lichtemittierende Dioden in einem Kreis angeordnet sind, um Licht von einer Oberfläche auf ein einzelnes zentrales Lichtempfangselement zu reflektieren.
Erfindungsgemäß ist eine berührungsfreie Abtaststeuerung zum Abtasten einer Modelloberfläche vorgesehen und die Anordnung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.
Während einer der optischen Weggeber den Abstand ermittelt, ermittelt der andere optische Weggeber den Abstand nicht. Genauer gesagt, wenn Koordinaten auf der Modelloberfläche mit Hilfe von zwei oder drei optischen Weggebern am Abtastkopf ermittelt werden, führt der (die) verbleibende(n) optische(n) Weggeber keine Abstandsermittlung aus, während einer der anderen optischen Weggeber den Abstand auf der Modelloberfläche mißt und damit gibt es keine gegenseitigen störenden Einflüsse, wenn reflektiertes Licht von der Modelloberfläche auf einen oder mehrere Positionswandler des oder der anderen optischen Weggeber einfällt und somit können die Wegstrecken zu mehreren Meßpunkten störungsfrei ermittelt werden, auch wenn die Meßpunkte auf der Modelloberfläche relativ eng zueinander liegen.
Die Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer berührungsfreien Abtaststeuerungsanordnung gemäß der Erfindung mit penphären Geräten;
Fig. 2 eine Ansicht eines Abtastkopfes im einzelnen;
Fig. 3 Schaubilder der jeweiligen Projektionsleistung der optischen Weggeber und
Fig. 4 ein Schaubild einer prinzipiellen Ausführungsform eines optischen Weggebers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In Fig. 1 steuert ein Prozessor (CPU) 11 den allgemeinen Betriebsablauf der Steuerung 1 und ein ROM 12 enthält ein Systemprogramm zum Steuern der Steuerung 1. So liest der Prozessor 11 das Systemprogramm aus dem ROM 12 über einen Bus 10 aus und steuert den Betriebsablauf der Kopiersteuerung 1 mit diesem Programm.
Ein RAM 13 zum zeitweisen Speichern verschiedener Daten speichert Meßwerte der optischen Weggeber 5a und 5b und anderer Daten. Ein nicht flüchtiger batteriegestützter Speicher 14 speichert verschiedene Parameter, wie die Abtastrichtung und Geschwindigkeit, die von Hand an einem Steuerpult 2 über eine Schnittstelle 15 eingegeben werden.
Ein Abtastkopf 4 in der Kopiersteuerung 3 ist mit optischen Weggebern 5a und 5b versehen, die mit reflektiertem Licht arbeiten und mit einer Halbleiter-Laser oder lichtemittierenden Diode als Lichtquelle versehen sind und die individuell die Abstände zu einem Modell 6 berührungsfrei messen.
Sensorschaltungen 21a und 21b schalten wechselweise die jeweiligen Werte der Lichtprojektionsleistung der optischen Weggeber 5a und 5b, abhängig von einem Projektionsleistungs-Steuersignal aus der Steuerung 1 um, um so wechselweise die Lichtintensitäten zu ändern, die von den optischen Weggebern 5a und 5b abgegeben werden.
So ist im Schaubild der Fig. 3 beispielsweise dargestellt, daß die optischen Weggeber 5a und 5b wechselweise ihre jeweilige Projektionsleistung zwischen 20 mW und 2mW in Abständen von 2 ms ändern. Während so der eine optische Weggeber 5a den Abstand mit einer 20 mW Projektionsleistung ermittelt, liegt die Projektionsleistung des anderen optischen Weggebers 5b bei 2 mW und damit ist die gegenseitige Störung zwischen den Laser- bzw. Lichtstrahlen der optischen Weggeber 5a und 5b sehr gering.
Ferner sind die Steuerschaltungen 21a und 21b so aufgebaut, daß sie wechselweise die jeweiligen Ausgangssignale ßder optischen Weggeber 5a und 5b abhängig von dem Projektionsleistung-Steuersignal des Steuergeräts 1 ein- und ausschalten. Auch in diesem Fall gibt es keine Störung zwischen den Laser- bzw. Lichtstrahlen, die von den beiden optischen Weggebern 5a und 5b emittiert werden.
Die von den optischen Meßgebern 5a und 5b gelieferten Meßwerte La und Lb werden in Digitalwerte von A/D-Wandlern 16a und 16b in der Kopiersteuerung 1 umgewandelt und nacheinander vom Prozessor 11 gelesen.
Der Prozessor 11 berechnet die axialen Wegstrecken entsprechend den Meßwerten La und Lb und Signalen aus Speichern 19x, 19y und 19z für die laufende Position, die später erwähnt werden, und erzeugt ferner Geschwindigkeitsbefehle Vx, Vy, Vz für die einzelnen Achsen entsprechend den berechneten Wegstrecken und der eingestellten Abtastrichtung und -geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsbefehle werden in Digitalwerte von D/A-Wandlern 17x, 17y und 17z umgewandelt und in Servoverstärkern 18x, 18y und 18z eingespeist, so daß dementsprechend die Servoverstärker 18x und 18y abhängig von den Geschwindigkeitsbefehlen die Servomotoren 32x und 32y der Kopiersteuerung 3 ansteuern, um so einen Tisch 31 in der X-Richtung und Y-Richtung rechtwinklig zur Zeichenebene zu verschieben. Ferner steuert der Servoverstärker 18z den Servomotor 32z an und verschiebt damit den Abtastkopf 4 und ein Werkzeug 34 in Richtung der Z-Achse.
Der Servomotoren 32x, 32y und 32z sind mit Impulsgebern 33x, 33y und 33z versehen, welche Geberimpulse FPx, FPy und FPz jedesmal dann erzeugen, wenn die Servomotoren um einen bestimmten Betrag rotieren. Die Speicher 19x, 19y und 19z in der Kopiersteuerung 1 für die laufende Position zählen die Geberimpulse FPx, FPy und FPz aufwärts und abwärts, abhängig von der Rotationsrichtung der Servomotoren, um so die laufenden Ortsdaten Xa, Ya, Za für die einzelnen Achsen zu erhalten und diese Daten dem Prozessor 11 einzuspeisen.
Während der Steuerung der einzelnen Achsen auf diese Weise sammelt der Prozessor 11 die Meßwerte La und Lb der optischen Weggeber 5a und 5b zu vorbestimmten Abtastzeiten, gewinnt einen zur Oberfläche des Modells 6 senkrecht stehenden Vektor durch Benutzung der Abtastdaten und erzeugt einen Rotationsbefehl SC entsprechend der Richtung, die durch die Projektion des Normalvektors auf die X-Y-Ebene erhalten wird. Der Rotationsbefehl SC wird von einem D/A- Wandler 17C in einen digitalen Wert umgesetzt und in einen Servoverstärker 18c eingespeist und entsprechend diesem Befehl SC steuert der Servoverstärker 18c den Servomotor 32c für eine C-Achse an.
Somit rotiert der Abtastkopf 4 entsprechend einem Sollwert- Winkel des Rotationsbefehls SC und wird so gesteuert, daß ein fester Abstand zum Modell 6 eingehalten wird. Gleichzeitig verschiebt sich der Tisch 31 mit der eirigestellten Abtastgeschwindigkeit und in der eingestellten Abtastrich tung, so daß ein Werkstück 35 vom Werkzeug 34 in die gleiche Gestalt wie das Modell 6 gebracht wird, wobei das Werk- zeug zusammen mit dem Abtastkopf 4 der Z-Achsensteuerung unterliegt.
Fig. 2 zeigt einen Abtastkopf 4, der mit optischen Weggebern 5a und 5b so versehen ist, daß sie in einem Winkel Φ zur Z-Achse geneigt sind. Jeder optische Weggeber 5a und 5b rotiert um einen Sollwertwinkel θc, basierend auf dem Rotationsbefehl SC längs eines Kreisumfangs mit einem bestimm ten Radius um die C-Achse. Auch ist der optische Weggeber 5b, der so befestigt ist, daß er die Außenseite des optischen Weggebers 5a überlappt, von der Rotationssteuerung um den Sollwertwinkel Φc kontrolliert.
Durch Rückführen des Meßwertes vom optischen Weggeber 5a zur Kopiersteuerung kann - wie bereits erwähnt - ein Abstand la zwischen dem optischen Weggeber 5a und einem Meßpunkt P1 am Modell 6 konstant gehalten werden. Dieser Abstand la ist die Wegstrecke vom optischen Distanzgeber 5a zum Schnittpunkt der Meßachse des optischen Weggebers 5a und der Z-Achse und somit verschiebt sich der Meßpunkt P1 nicht, auch wenn der Abtastkopf 4 um die C-Achse rotiert, so daß der Abstand 1 zwischen dem Abtastkopf 4 und dem Modell 6 ebenfalls konstant bleibt.
Der optische Weggeber 5b erfaßt eine Wegstrecke lb zu einem Meßpunkt P2 am Modell 6 und liefert den Meßwert zu der Kopiersteuerung 1.
In der beschriebenen Ausführungsform finden sich optische Weggeber, die auf Basis des reflektierten Lichtes arbeiten, aber man kann auch Weggeber vom Dreiwinkel-Abtasttyp verwenden.
Erfindungsgemäß können die Abstände zu mehreren Meßpunkten ohne gegenseitige Störungen ermittelt werden, auch wenn die Meßpunkte auf der Modelloberfläche relativ eng zueinander liegen.

Claims

1. Berührungsfreie Kopiersteueranordnung zum Abtasten der Oberfläche eines Modells (6), wobei die Anordnung aufweist:

Mindestens zwei optische Weggeber (5a,5b) mit je einem einzelnen Laser (43) zur Abgabe eines Laserstrahls, der am Modell (6) reflektiert wird und mit einem Positionswandler (48) mit einem lichtempfindlichen Teil, der neben dem einzelnen Laser angeordnet ist, um den vom Modell unter einem Winkel reflektierten Laserstrahl zu empfangen,

gekennzeichnet durch

Steuermittel (21a,21b) zum Verringern der Laserstrahl-Ausgangsleistung jedes Lasers der optischen Weggeber außer einem ausgewählten optischen Weggeber, um den Laserstrahl auf den lichtempfindlichen Teil des einen ausgewählten optischen Weggebers zu reflektieren, um das Vorhandensein des Laserstrahls auf diesem lichtempfindlichen Teil zu ermitteln.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Steuermittel (21a,21b) die Ausgangsleistung eines Laserstrahls um etwa 90% verringern.

3. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Steuermittel (21a,21b) die Laserstrahl-Ausgangsleistung eines Lasers durch Abschalten des Lasers verringern.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der ein zentraler Prozessor die Auswahl der optischen Weggeber wechselweise steuert, um von jedem optischen Weggeber ein Abstandsermittlungssignal zu erhalten, und einen Normalvektor zu einer Oberfläche des Modells basierend auf den Abstandserfassungssignalen bestimmt, die von mindestens zwei der optischen Weggeber erhalten werden und die auf einem vorbestimmten Abstand nebeneinander zwischen minde-stens zwei optischen Weggebern basieren.