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Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie digitalisierende
Steuereinrichtung und insbesondere eine solche zum
berührungsfreien Abfahren einer Modelloberfläche, um so Bahndaten
bezüglich des Modellprofus zu erzeugen.
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Abtaststeuerungen mit einem optischen Wegmeßgeber zum
Erzeugen von Profildaten des Modells in einem berührungsfreien
Abtastverfahren sollen Abtasteinrichtungen ersetzen, bei
denen das Modell mit einem Berührungstaster abgetastet wird,
wobei gleichzeitig ein Werkstück entsprechend bearbeitet
wird. Wenn eine numerisch gesteuerte Maschine eine
Abtastfunktion erhält, so können Bahndaten bezüglich des
Modellprofils erzeugt werden, ohne daß die NC Maschine mit der
Abtaststeuerung unmittelbar kombiniert wird.
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Allgemein wird eine Einrichtung zum Abtasten einer
Modelloberfläche zum Erzeugen von zeitlichen Bahndaten und zum
automatischen Ausgeben der erhaltenen Daten an ein NC Band
o.ä. als Digitalisiersteuerung bezeichnet.
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Berührungsfreie Digitalisiersteuerungen können Bahndaten
liefern, ohne daß ein Taster an die Modelloberfläche
angedrückt werden muß und somit können beim berührungsfreien
Abtasten der Modelloberfläche Schäden an dieser vermieden
werden. Die optischen Weggeber, die in bekannter Weise hierfür
verwendet werden, bedienen sich eines Lichtflecks, der die
Modelloberfläche beleuchtet und der Abstand der
Modelloberfläche von der Lichteintrittsfläche des Weggebers wird
gemessen.
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Bei solchen optischen Weggebern muß der Abtastkopf bezüglich
der Modelloberfläche derart gesteuert werden, daß die
Lichteintrittsfläche
des Gebers optimal ausgerichtet ist, weil
die Genauigkeit der Erfassung des Abstandes vom Modell zum
Geber für die digitalen Daten maßgeblich ist.
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Der Abstandsmeßgeber ist am Abtastkopf befestigt und folgt
der Modelloberfläche in der Regel in einem Referenzabstand.
Wo also die Schräge der Modelloberfläche gering ist, führt
ein Fehler in der Abstandsmessung zu keinen wesentlichen
Problemen, doch wenn der Schrägwinkel der Modelloberfläche
groß ist, so wird auch der Winkel zwischen dem Abtastkopf
und der Senkrechten (Normalgerade) auf die Modelloberfläche
groß und damit weicht der Abstand gegenüber der
Modelloberfläche stark vom Referenzabstand ab. Deshalb ist die
Genauigkeit in der Abstandserfassung zwischen Modell und Meßgeber
verkleinert, es ergeben sich Interferenzen mit der
Modelloberfläche und die Bahngenauigkeit wird verschlechtert.
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Somit gibt es eine Patentanmeldung der Anmelder (japanische
Patentanmeldung 1-194500) mit dem Titel "Berührungsfreie
Abtaststeuerung", bei der die Senkrechte auf eine
Modelloberfläche von Daten abgeleitet wird, die sich auf das
Modellprofil beziehen und die Drehung des Abtastkopfes wird
entsprechend den Richtungsänderungen dieser Senkrechten
gesteuert.
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Wo aber die Modelloberfläche fast horizontal ist, wird
trotzdem die Ausrichtung des Abtastkopfes, bedingt durch die
Drehsteuerung instabil infolge des Fehlers beim Berechnen
der Senkrechten oder infolge eines Meßfehlers.
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Angesichts dieser Umstände ist es eine Aufgabe der
Erfindung, eine digitalisierende Steuereinrichtung zu schaffen,
die in der Lage ist, den Abtastkopf in einer Richtung zu
drehen und zu positionieren, die bestmöglich der Schräge
einer Modelloberfläche folgt, um so eine stabile
berührungsfreie Abtastung zu ermöglichen.
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Um die genannte Aufgabe zu lösen, bedient sich die Erfindung
einer digitalisierenden Steuereinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Die Drehung des Abtastkopfes wird entsprechend der Schräge
der Modelloberfläche gesteuert, um so eine schlechtere
Meßgenauigkeit der Distanzmeßmittel zu vermeiden, und wenn die
Schräge der Modelloberfläche kleiner ist als der
Referenzwinkel, so wird die Steuerung der Drehung des Abtastkopfes
gesperrt, um dabei eine stabile Abstandsmessung zu erzielen.
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Somit können erfindungsgemäß genaue Bahndaten bei einer
berührungsfreien Abtastung einer Modelloberfläche erzeugt
werden.
Die Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild einer berührungsfreien digita
lisierenden Steuereinrichtung in einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Abtastkopfes der
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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Fig. 3 ein Schaubild der Rotationssteuerung des
Abtastkopfes und
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Fig. 4 ein Schaubild zur Darstellung der Schräge einer
Modelloberfläche und des Referenzwinkels.
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Ein bestmögliches Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand
der Zeichnung erläutert.
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Wie Fig. 1 zeigt, liest in einer digitalisirenden
Steuereinrichtung 1 Prozessor 11 ein in einem ROM 12 gespeichertes
Systemprogramm über einen Bus 10 aus und steuert den
Gesamtbetrieb der Einrichtung 1 mit diesem Systemprogramm. Ein RAM
13, nämlich ein zeitweiliger Datenspeicher, speichert
Meßdaten einer Lichtquelle und Kamera einer
Nachführ-Werkzeugmaschine,
wie noch beschrieben wird, und andere zeitweilige
Daten. Ein batteriegestützter nicht flüchtiger Speicher 14
(nicht dargestellt) speichert verschiedene Parameter, wie
die Abtastrichtung und Geschwindigkeit, was von einem
Bedienerfeld 2 eingegeben wird.
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Weggeber 5a und 5b sind am Abtastkopf 4 der
Nachführwerkzeugmaschine 3 befestigt. Ein mit reflektiertem Licht
arbeitender Sensor bedient sich eines Halbleiterlasers oder einer
lichtemittierenden Diode als Lichtquelle für die Weggeber 5a
und 5b. Die Meßwerte La und Lb zur Wiedergabe der Abstände
zur Modelloberfläche werden in Digitalwerte von A/D-Wandlern
16a und 16b in der Einrichtung 1 umgewandelt und werden vom
Prozessor 11 aufeinanderfolgend gelesen.
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Der Prozessor 11 berechnet die Entfernungen in den einzelnen
Achsen auf der Basis der nicht gewandelten Digitalwerte und
Signale aus laufenden Positionsspeichern 19x, 19y und 19z,
die noch erläutert werden, und erzeugt
Geschwindigkeitsbefehle Vx, Vy und Vz für die einzelnen Achsen entsprechend
den Entfernungen, der Abtastrichtung und der
Abtastgeschwindigkeit, wobei man bekannte Verfahren benutzt. Die
Geschwindigkeitsbefehle werden in Analogwerte von D/A-Wandlern 17x,
17y, 17z umgewandelt und in Servoverstärkern 18x, 18y und
18z eingespeist. Die Servoverstärker 18x und 18y steuern
Servomotoren 32x und 32y der Werkzeugmaschine 3 entsprechend
den eingangsseitigen Geschwindigkeitsbefehlen an, so daß ein
Tisch 31 in der Richtung der X-Achse und Y-Achse
rechtwinklig zur Papieroberfläche verschiebbar ist. Der
Servovertärker 18z treibt einen Servomotor 32z, um so den Abtastkopf 4
und ein Werkzeug 34 in Richtung der Z-Achse zu verschieben.
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Impulscodierer 33x, 33y und 33z sind an den Servomotoren
32x, 32y, 32z befestigt und erzeugen Impulse FPx, FPy und
FPz jedesmal, wenn die Drehung der entsprechenden
Servomotoren einen bestimmten Winkel erreicht. Die laufenden
Positionsspeicher
19x, 19y, 19z in der Einrichtung 1 zählen die
Meßimpulse FPx, FPy und FPz aufwärts oder abwärts, abhängig
von der Drehrichtung und man erhält laufende Positionsdaten
Xa, Ya und Za in den Achsen und diese Daten werden als
Steuerdaten dem Prozessor 11 zugeführt.
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Beim Steuern der einzelnen Achsen tastet der Prozessor 11
gleichzeitig die Meßwerte La und Lb der Weggeber 5a und 5b
in bestimmten Zeitintervallen ab und ermittelt einen
Normalvektor der Modelloberfläche mit einem noch zu beschreibenden
Verfahren. Ein Rotationsbefehl SC wird entsprechend einer
Projektion des Normalvektors auf die X-Y-Ebene erzeugt und
in einen Analogwert von einem D/A-Wandler 17c umgewandelt.
Ein Servoverstärker 18c steuert einen Servomotor 33c mit dem
Rotationsbefehl SC derart, daß der Abtastkopf 4 um die Z-
Achse gedreht wird, während er unter einem vorbestimmten
Winkel geneigt ist. Gleichzeitig wird der Tisch 31 in der
anbefohlenen Abtastrichtung bei der anbefohlenen
Abtastgeschwindigkeit verschoben, so daß ein Werkstück 35 in die
gleiche Form wie das Modell 6 mit Hilfe des Werkzeuges 34
gebracht wird, das in der Z-Achse gesteuert wird, ähnlich
dem Abtastkopf 4.
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Ist die Modelloberfläche nahezu horizontal, so wird aber der
Winkel des projizierten Vektors auf die X-Y-Ebene bezüglich
einer Referenzachse instabil infolge kleinen Änderungen in
der Richtung des Normalvektors. Der Rotationsbefehl SC kann
nämlich in starkem Maße infolge eines Fehlers bei der
Berechnung der Schräglage der Modelloberfläche im Prozessor 11
oder infolge eines Fehlers der Meßwerte La und Lb der
Weggeber 5a und 5b verändert werden. Um diese instabile
Ausrichtung des Abtastkopfes bei der Drehsteuerung zu
vermeiden, berechnet erfindungsgemäß der Prozessor 11 die
Schräglage des Modells 6 und sperrt die Rotationssteuerung des
Abtastkopfes 4, wenn die Schräge kleiner ist als der
eingestellte Referenzwinkel.
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Fig. 2 zeigt Einzelheiten des Abtastkopfes 4, an dem ein
Weggeber 5a derart befestigt ist, daß er unter 45º zur Z-
Achse schräg geneigt ist und um die C-Achse in einem Kreis
von einem vorbestimmten Radius um einen Sollwinkel θc
gedreht wird, der von der Solldrehung SC spezifiziert ist. Der
Weggeber 5b liegt neben und an der Außenseite des Weggebers
5a und wird in ähnlicher Weise um den Sollwinkel θc rotiert.
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So können die Weggeber 5a und 5b gedreht und in einer
Richtung positioniert werden, die zur Schräglage des Modells 6
am besten paßt, d.h. nächstliegend zur Senkrechten auf der
Modelloberfläche.
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Der vom Weggeber 5a gemessene Wert wird zu der Einrichtung 1
zurückgeführt und deshalb kann ein konstanter Abstand La
zwischen dem Weggeber 5a und einem Meßpunkt Pa am Modell 6
eingehalten werden. Der Abstand La wird gleich dem Abstand
zum Schnittpunkt der Meßachse des Weggebers 5a mit der Z-
Achse eingestellt und so wird der Meßpunkt Pa nicht
verschoben, auch dann nicht, wenn der Abtastkopf 4 um die C-Achse
rotiert, so daß ein konstanter Abstand 1 zwischen dem
Abtastkopf 4 und der Modelloberfläche 6 eingehalten wird. In
ähnlicher Weise mißt der Weggeber 5b den Abstand Lb von
einem Meßpunkt Pb am Modell 6 und speist den Meßwert in die
Abtaststeuerung ein.
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Ein Verfahren zum Berechnen des Drehwinkels des Abtastkopfes
4 wird nun anhand der Fig. 3 erläutert.
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Der Abtastkopf 4 verschiebt sich in Richtung der X-Achse mit
einer bestimmten Abtastgeschwindigkeit relativ zum Modell 6
und gleichzeitig werden die zu zwei Punkten Pn und Qn
gehörenden Meßwerte in vorbestimmten Zeitintervallen getastet.
Man erhält so basierend auf den Meßwerten und den laufenden
Positionsdaten aus den laufenden Positionspeichern die
Koordinaten der Punkte Pn - 1, Qn - 1, Pn, Qn, Pn + 1, Qn + 1
... am Modell 6. Dann wird ein Flächenvektor S1 (X2 - X1, Y2
- Yl, Z2 - Z1) abgeleitet, beispielsweise von den
Koordinaten X1, Y1, Z1 des Punkten Pn und die Koordinaten X2, Y2, Z2
des Punktes Qn und ferner wird ein Flächenvektor S2 (X3 -
X1, Y3 - Y1, Z3 - Z1) aus den Koordinaten X3, Y3, Z3 des
Punktes Pn - 1 und den Koordinaten X1, Y1, Z1 des Punktes Pn
ermittelt. In diesem Fall werden die Koordinatendaten des
während einer vorhergehenden Abtastzeit gemessenen Punktes
Pn - 1 im RAM 13 o.ä. gespeichert. Das äußere Produkt der
beiden Oberflächenvektoren S1 und S2 wird wie folgt
berechnet:
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Nn = S1 x S2
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(worin Nn, S1 und S2 die erläuterten Vektoren darstellen),
so daß man einen Normalvektor Nn im Punkt Pn erhält.
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Anschließend wird der Winkel θc zwischen der X-Achse und
einer Projektion N des Normalvektors Nn auf die X-Y-Ebene
wie folgt berechnet
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θc = tan&supmin;¹ (Jn/In)
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mit In: X-Achsenanteil des Vektors Nn
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Jn: Y-Achsenanteil des Vektors Nn
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und der Winkel θc wird als Sollwert für die C-Achse
ausgegeben.
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Der Winkel θc ändert sich entsprechend der Schräge des
Modells 6 und wird θcq am Punkt Pq beispielsweise. Die Drehung
des Abtastkopfes 4 wird mit einer Abänderung vorgenommen,
wie die vom Winkel θc zum Winkel θcq.
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Fig. 4 zeigt eine Fläche am Modell 6, die in einem Winkel
geneigt ist, der kleiner ist als der Referenzwinkel am
Meßpunkt.
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Hier ist die Z-Achse eine Achse mit einem Ursprung, der mit
dem Meßpunkt zusammenfällt und rechtwinklig zur Fläche (X-Y-
Ebene) liegt, auf der das Modell 6 sitzt. Ein Referenzvektor
ist ein Einheitsvektor, der mit dem Referenzwinkel α zur Z-
Achse schräg geneigt ist.
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Es wird angenommen, daß der gemessene Normalvektor der
Modelloberfläche gleich N ist (Einheitsvektor) und seine
Anteile Nx, Ny, Nz sind, so daß dann, wenn der Winkel θ
zwischen dem Vektor N und der Z-Achse kleiner als der
Referenzwinkel α ist, angenommen werden kann, daß die
Modelloberfläche etwa horizontal verläuft. Somit ist es möglich zu
bestimmen, ob die Modelloberfläche unter einem Winkel schräg
verläuft, der größer oder gleich dem Referenzwinkel ist,
indem man cosα des Referenzwinkels α mit coseθ im Bereich
zwischen 0 und 180º vergleicht. Da cosθ = NZ, wird deshalb NV
mit cosα des Referenzwinkels α, verglichen, wenn
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NZ > cosα.
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Die Solldrehung SC wird nicht an den D/A-Wandler 17c
ausgegeben und damit ist die Rotationssteuerung des Abtastkopfes
4 verhindert.
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In dem obigen Beispiel erhält man den Normalvektor aus
Daten, die in der vorhergehenden Abtastzeit gemessen wurden,
und aus Daten der beiden zur laufenden Abtastzeit gemessenen
Punkte, doch wenn drei Punkte an der Modelloberfläche
spezifiziert werden, die mindestens zu den vorhergehenden und der
gegenwärtigen Abtastzeit gemessen worden sind, so können
sich zwei Flächenvektoren ergeben, die beide einen
Anfangspunkt an einem der drei Punkte haben.
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Anstelle des mit reflektiertem Licht arbeitenden Weggebers
können auch andere Geber benutzt werden, wie optische,
trigonometrische Weggeber, Weggeber vom Wirbelstromprinzip und
Ultraschall-Weggeber o.ä..
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Obwohl im vorgenannten Beispiel die Drehachse des
Abtastkopfes um 45º zur Steuerachse geneigt ist, kann dieser
Schrägwinkel
entsprechend dem Profil des Modells frei gewählt
werden.
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Die Erfindung läßt sich natürlich auch auf digitalisierende
Steuerungen anwenden, die nicht beim Abtasten ein Werkzeug
gleichzeitig bearbeiten, sondern die nur automatisch Daten
bezüglich des Modellprofils auf ein NC Band o.ä. ausgeben.
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Wie beschrieben, wird erfindungsgemäß die Drehung des
Abtastkopfes entsprechend der Schräglage der Modelloberfläche
gesteuert und wenn die Schräge kleiner ist als der
Referenzwinkel, so wird die Rotationssteuerung des Abtastkopfes
verhindert bzw. gesperrt, so daß man eine stabile
Entfernungsmessung erhält.
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Dementsprechend wird die Meßachse der Weggeber in einer
Richtung verstellt, die einer Senkrechten auf die
Modelloberfläche am nächsten liegt, um eine Verschlechterung der
Meßgenauigkeit der Weggeber zu vermeiden und um die
Steuerung des Abtastkopfes zu stabilisieren, auch dann, wenn eine
nahezu waagrechte Modelloberfläche abgetastet wird, so daß
man eine Wegmessung hoher Genauigkeit erhält und die
Abtastgenauigkeit erhöht.
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Deshalb lassen sich mit der erfindungsgemäßen
digitalisierenden Steuerung Daten mit hoher Geschwindigkeit bei
niedrigen Kosten erhalten.