AT398246B - Vorrichtung zur kontrolle der geometrischen und dynamischen genauigkeit eines nc-gesteuerten arbeitskopfes - Google Patents

Description

AT 398 246 B

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 5 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.

Werkzeugmaschinen sind mit Fehlern behaftet, weiche Maß-, Form- und Lagefehler am Werkstück bewirken. Bei NC-Maschinen kommen noch dynamische Einflüsse, die von Steuerungen und Vorschub-10 Regelkreisen resultieren, hinzu. Diese bewirken, daß die vom Werkzeug relativ zum Werkstück abgefahrene Bahn von der programmierten Bahn abweicht.

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 Fehlerursa-75 chen 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 20 sogenannte Kreisformtest zunehmende Bedeutung. Der Kreisformtest erlaubt die Überprüfung der dynamischen Eigenschaften der NC-Maschine im Bahnsteuerbetriebv sowie Aussagen über die Maschinengeometrie. Als Bahn bietet sich ein Kreis an, weil er von allen bahngesteuerten NC-Maschinen in Form der Zirkularinterpoiation realisiert werden kann und weil die Messung eines Kreises relativ einfach zu bewerkstelligen ist. 25 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 30 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.

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 35 beschriebenen Vorrichtungen marktgängig, beziehungsweise bekannt.

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, sodaß 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 40 Meßtaster erfaßt, welcher besagten Bolzen antastet.

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 45 den Kreis bewegt wird, entsprechen seine Auslenkungen den Abweichungen zwischen Ist-Kontur und Sollkontur.

Im US-Patent 4 435 905 vom 13. März 1984 (James B BRYAN) wird weiters eine Vorrichtung beschrieben, die aus einem Stab besteht, an dessen Enden Kugeln angebracht sind, die in je einem Widerlager kardanisch gelagert sind. Zur Messung werden die beiden Widerlager an der NC-Maschine so derart befestigt, daß ihre Positionen den Positionen von Werkzeugen und Werkstücken entsprechen. Der Stab besteht aus zwei Teilen, die längsverschieblich miteinander verbunden sind, sodaß 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 55 angeboten.

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 2

AT 398 246 B 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.

Bei einem der üblichen Knickarmroboter, welcher ausschließlich Drehgelenke besitzt, sind dies: 3 Positionsgeienke im Roboterkörper und drei Orientierungsgelenke in der Roboterhand. Während der Kreisformtest an NC-Werkzeugmaschinen bekannt ist und entsprechende Vorrichtungen existieren, ist seine Anwendung in der Robotik neu.

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.

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 Genauigkeit von automatischen Fertigungs- und Manipulationseinrichtungen erfaßt werden kann.

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.

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 achsiale Messung nicht beeinflussen.

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 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. Sämtliche Längenmeßgeräte können sowohl als berührende als auch als berührungslose Taster ausgeführt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist zur Erfassung der Drehwinkelposition des Armes ein Winkelmeßgerät vorgesehen.

Die Auswertung der Meßergebnisse kann dabei durch eine vorzugsweise als Rundheitsmeßgerät ausgebildete Auswerteeinheit und/oder Rechnereinheit erfolgen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 bis 3 bekannte Vorrichtungen zur Durchführung des Kreisformtests, Fig. 4 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 4a eine andere erfindungsgemäße Ausführungsvariante, Fig. 5 die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer NC-Fräsmaschine und Fig. 6 die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Industrieroboter.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer hochgenau bearbeiteten Kreisplatte 1, welche auf dem Tisch der NC-Fräsmaschine befestigt wird und die von einem horizontal in zwei Richtungen auslenkbaren Taster 2 angetastet wird. Wird über die Steuerung der Maschine eine Kreisbahn derart programmiert, daß der Taster sich entlang des Umfanges der Kreisplatte bewegt, so entsprechen die elektrischen Ausgangssignale des Tasters den Abweichungen der Ist-Bewegung von der Sollbewegung. Aus der Aufzeichnung der Tastersignale können Rückschlüsse auf das dynamische Verhalten der NC-Maschine wie auch auf geometrische Fehler gezogen werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Stab 3, dessen Länge durch ein längsverschiebliches Element variabel ist und der an beiden Enden Kugeln 4 und 5 aufweist, die in Lagerschalen 6 und 7 kardanisch gelagert sind. Die eine Lagerschale 6 wird am Fräsmaschinentisch befestigt, die andere Lagerschale 7 an der Frässpindel. Bei der Messung wird eine Kreisbahn mit dem Radius 8 programmiert. In den Stab ist ein Längenmeßsystem 9 integriert, welches die Längenänderungen des Stabes während der Kreisbewegung registriert. Die Auswertung der Meßsignale des Längenmeßsystems, d. h. die Radiusschwankungen der Kreisbahn entsprechen den Kreisformabweichungen und liefern Rückschlüsse über das dynamische Verhalten der NC-Maschine wie auch über Geometriefehler. 3

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Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem in einem Grundkörper 10 drehbar gelagerten Arm 11, der an seinem äußeren Ende als Gabel ausgebildet ist, sodaß er von einem Antastbolzen 12 gedreht wird, wenn dieser sich auf einer Kreisbahn um die Drehachse des Armes bewegt. Auf dem Arm befindet sich ein Meßtaster 13, welcher radiale Verlagerungen des Antastbolzens während der Kreisbewegungen erfaßt. Der Meßaufbau erfolgt derart, daß der Grundkörper 10 der Vorrichtung auf dem Fräsmaschinentisch befestigt wird, während der Antastbolzen in der Frässpindel aufgenommen wird. Wieder geht es um Abweichungen der realen Kreisbahn von der idealen Kreisform, wenn eine programmierte Kreisbewegung durch die NC-Maschine ausgeführt wird.

Ein geradlinig bewegter Maschinenschlitten, beispielsweise der Tisch einer NC-Fräsmaschine hat sechs Freiheitsgerade, aus denen sechs Einzelfehler resultieren können.

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.

Zwar lassen sich mit den bekannten Vorrichtungen auch Aussagen über diese geometrischen Einzelfehler machen, doch ist dafür eine aufwendige Meßstrategie mit einer Vielzahl von Messungen in verschiedenen Ebenen notwendig.

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.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 4 besteht aus zwei Teilen, nämlich der Basis 14 und dem Antastelement 15.

Die Basis 14 besteht aus dem Lagerbock 16, in dem der Arm 17 um die Drehachse 18 drehbar gelagert ist. Der Arm 17 trägt zwei Meßtaster 19 und 20, wobei Taster 19 in radialer Richtung und Taster 20 parallel zur Drehachse 18 befestigt ist. Beide Taster liegen an einer Kugel 21 des Antastelementes 15 an und erfassen somit radiale und axiale Verlagerungen der Kugel 21.

Die Drehung des Armes 17, bzw. dessen Winkeilage wird durch ein Winkelmeßgerät, vorzugsweise einen Drehimpulsgeber 22 erfaßt, dessen Achse mit dem Arm gekoppelt ist.

Des weiteren befindet sich auf dem Arm 17 eine Platte 23, deren Oberfläche 24 sehr genau eben bearbeitet und so justiert ist, daß sie mit der Drehachse 18 des Armes 17 einen rechten Winkel einschließt. Somit überstreicht diese Plattenoberfläche eine zur Drehachse 18 rechtwinkelig liegende Kreisringfläche, wenn der Arm 17 in Drehung versetzt wird. Die Platte 23 kann starr oder auch drehbar auf dem Arm 17 befestigt sein. ln Fig. 4 ist die besagte Plattenoberfläche als Ringfläche ausgebildet, was aus fertigungstechnischer Sicht begründbar ist.

Das Antastelement 15 besteht im einzelnen aus dem Anpaßteil 25, welcher je nach Maschinen- oder Robotertype unterschiedlich ausgeführt sein kann, dem Tasterträger 26 und der Antastkugel 21. Auf dem Tasterträger 26 können sinnvollerweise bis zu vier Meßtaster 27, 28, 29, 30 befestigt sein. Taster 30 ist in Fig. 4 nicht sichtbar, da er 180* gegenüber Taster 29 sitzt und somit vor der Zeichnungsebene liegt.

Das Antasteiement 15 besitzt keine feste Verbindung zur Basis 14, die Antastkugel 21 ist lediglich durch eine im Endbereich 17' des Armes 17 vorgesehene, tangential spielfreie, Radialführung 39 so umfangen, daß sie radial frei beweglich ist, eine Bewegung rechtwinkelig dazu aber eine Drehung des Armes 17 bewirkt.

In Fig. 4 sind die Drehachse 18 des Armes 17 und die Symmetrieachse 31 des Antastelementes 15 in paralleler Lage dargestellt. Es ist aber ein wesentliches Element der Erfindung, daß Schräglagen beider zueinander nicht nur möglich, sondern durch die Taster 27, 28, 29 und 30 mit hoher Genauigkeit meßbar sind.

Eine weitere Ausführungsvariante ist in Fig. 4a dargestellt. Gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Anordnung, sind die Positionen der vier die Kippbewegung messenden Taster und der Platte vertauscht. Am Arm 17 ist nun der Tasterträger 26a angeordnet, welcher die Taster 26a, 27a, 28a und 30a trägt, wogegen die Platte 23a mit der genau bearbeiteten Oberfläche 24a am Antastelement 15a sitzt. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, daß alle Taster 27a, 28a, 29a und 30a der Basis 14 zugehörig sind, sodaß das Antastelement 15a frei von elektrischen Leitungen ist. Im gezeigten Fall wird der Tasterträger 26a vorteilhafterweise drehbar ausgeführt, um dessen Lage relativ zu einem ortsfesten Koordinatensystem konstant zu halten.

Der Kreisformtest läuft nun wie unter Fig. 3 beschrieben ab, mit dem Unterschied, daß nicht nur Kreisformabweichungen gemessen werden, sondern daß auch alle axialen Verlagerungen und Kippungen, welche das Antastelement 15 relativ zur Basis 14 ausführt, erfaßt werden. Dies bedeutet die gleichzeitige Erfassung der dynamischen und der geometrischen Fehler. 4

Claims (11)

1. AT 398 246 B Die Auswertung der Meßergebnisse bzw. der Tastermeßwerte erfolgt über eine Auswerteeinheit 40. Diese kann aus einem Rechner oder einem analogen Aufzeichnungsgerät, wie einem X-Y-Schreiber, oder aber auch aus einem marktgängigen Rundheitsmeßgerät mit einer Anschiußmöglichkeit für einen externen Drehgeber bestehen. 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. Fig. 5 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer NC-Fräsmaschine. Hiebei ist die Basis 14 auf dem Fräsmaschinentisch 32 und das Antastelement 15 an der Frässpindel 33 befestigt. Die Darstellung zeigt die Erfassung des Tischkippens 34, welches von einer fehlerhaften Tischführung oder von äußeren Kräften herrühren kann. Fig. 6 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Industrieroboter. Die Basis 14 ist hiebei ortsfest angeordnet und das Antastelement 15 ist an der Roboterhand 35 befestigt. Wird die Roboterhand auf einer Kreisbahn gesteuert, so erfaßt der radiale Taster 19 die Kreisbahnabweichungen der Kugel 21 in der Kreisebene, während durch den axialen Taster 20 die Abweichungen von der Kreisebene gemessen werden. Wesentlich ist, daß zusätzlich die Winkeifehler der Orientierungsachsen 36 und 37 der Roboterhand erfaßt werden. In Fig. 6 ist nur der Winkelfehler 38 der Orientierungsachse 36 ersichtlich, da der Winkelfehler der Orientierungsachse 37 normal zur Zeichenebene liegt. Patentansprüche 1. 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.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antastelement (15) im Bereich der Radialführung (39) eine Antastkugel (21) aufweist, mit welcher das radiale und axiale Längenmeßgerät (19, 20) Zusammenwirken.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich (17') des Armes (17) eine Platte (23) mit einer normal auf die Drehachse (18) stehenden Oberfläche (24) vorgesehen ist, und am Antastelement (15) mindestens zwei drehsymmetrisch und parallel zur Längsachse (31) des Antastelementes (15) angeordnete Längenmeßgeräte (27, 28) auf einem Tasterträger (26) befestigt sind, welche mit der Oberfläche (24) der Platte (23) Zusammenwirken.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich (17') des Armes (17) mindestens zwei drehsymmetrisch und parallel zur Längsachse (31a) des Antastelementes (15a) angeordnete Längenmeßgeräte (27a, 28a) auf einem Tasterträger (26a) befestigt sind und am Antast-eiement (15a) eine Platte (23a) mit einer normal auf die Drehachse (18a) stehenden Oberfläche (24a) vorgesehen ist, mit welcher die Längenmeßgeräte (27a, 28a) Zusammenwirken.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (23, 23a) am Arm (17) bzw. am Antastelement (15a) drehbar gelagert ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tasterträger am Antastelement (15) bzw. am Arm (17) drehbar gelagert ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Längenmeßgeräte (19, 20, 27, 28, 29; 27a, 28a, 29a) berührende Taster vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Längenmeßgeräte (19, 20, 27, 28, 29; 27a, 28a, 29a)) berührungslose Taster vorgesehen sind. 5 AT 398 246 B
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehwinkelposition des Armes (17) ein Winkelmeßgerät (22) vorgesehen ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Meßergebnisse durch eine als Rundheitsmeßgerät ausgebildete Auswerteeinheit (40) erfolgt
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Meßergebnisse durch eine Rechnereinheit erfolgt. Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 6