DE10018298B4

DE10018298B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsdetektion bei einer Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE10018298B4
Application number: DE10018298A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Erich (FH) Strasser
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2020-04-14
Also published as: US7359826B2; US20050073298A1; DE10018298A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Winkeländerung einer Abtasteinrichtung (2) gegenüber einer Maßverkörperung (1) einer Positionsmeßeinrichtung durch – Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) der Abtasteinrichtung (2) aus zwei Positionsmesswerten (P1, P4) zweier Abtaststellen (21, 24) der Abtasteinrichtung (2) und – Ermitteln eines Maßes (DE; D2, D6, W2, W6) für den zeitlichen Verlauf daraus, wobei das Maß des zeitlichen Verlaufs der Winkeländerung • die Extremwerte (D2, D6, W2, W6) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) sind, die in einem Speicher (5) der Abtasteinrichtung (2) abgespeichert werder Abtasteinrichtung (2) abgespeicherten Extremwerten (D2, D6, W2, W6) gebildete Schwankungsbreite (DE) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsdetektion bei einer Positionsmeßeinrichtung. Diese Schwingungsdetektion erfolgt durch Ermittlung der Winkeländerung einer Abtasteinrichtung gegenüber einer Maßverkörperung der Positionsmeßeinrichtung.
Eine Positionsmeßeinrichtung besteht aus einer Maßverkörperung und einer Abtasteinrichtung, welche relativ zur Maßverkörperung in Meßrichtung verschiebbar ist. Bei dieser Verschiebung werden durch Abtastung der Maßverkörperung positionsabhängige Meßsignale gebildet. Die Maßverkörperung besteht aus einer inkrementalen oder aus einer absoluten mehrspurigen Codeteilung. Bei der Abtastung einer absoluten mehrspurigen Codeteilung werden mehrere quer zur Meßrichtung nebeneinander angeordnete Teilungsspuren von mehreren ebenfalls nebeneinander angeordneten Abtaststellen abgetastet. Zur Bildung des momentanen absoluten Positionsmeßwertes werden die momentanen Abtastwerte aller Abtaststellen miteinander verknüpft. Eine derartige Positionsmeßeinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 555 507 B1 bekannt.
Zur fehlerfreien Positionsmessung sollte die Abtasteinrichtung ihre Relativausrichtung zur Maßverkörperung nicht ändern. Es hat sich aber gezeigt, daß sich die Ausrichtung der Abtasteinrichtung im Betrieb ändert. Man hat nun versucht, diese Änderung durch Messung der momentanen Winkellage der Abtasteinrichtung zu ermitteln und den Positionsmeßwert in Abhängigkeit vom gemessenen Winkel zu korrigieren. Dieses in der EP 0 555 507 B1 beschriebene Verfahren führt aber nur bei relativ geringen Winkeländerungen zum Erfolg. Weiterhin sind Korrekturmaßnahmen nur erfolgreich, wenn die Winkeländerung innerhalb eines bestimmten Bereiches bleibt.
In der EP 0 537 641 A1 ist eine Koordinatenmessmaschine beschrieben, bei der zur Messung der Verschiebung eines Portals zwei voneinander beabstandete Längenmesssysteme vorgesehen sind. Die Differenzmesswerte beider Längenmesssysteme werden erfasst und der Verlauf abgespeichert. Der Funktionsverlauf wird korrigiert und es werden daraus Korrekturwerte abgeleitet, welche zur Korrektur der Position eines an dem Portal verfahrbaren Querschlittens dient.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, um den Verlauf der Winkeländerung einer Abtasteinrichtung gegenüber einer Maßverkörperung einer Positionsmeßeinrichtung zu überwachen, um einen Fehlbetrieb der Positionsmeßeinrichtung rechtzeitig zu erkennen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen insbesondere darin, daß nicht nur die momentane Winkellage der Abtasteinrichtung gegenüber einer Solllage ermittelt wird, sondern ein Maß für den zeitlichen Verlauf der Winkeländerung erfaßbar wird. Aus diesem Maß für den zeitlichen Verlauf kann entschieden werden, ob die Positionsmessung als korrekt definiert wird oder trotz bekannter Korrekturmaßnahmen die Positionsmessung als fehlerhaft definiert wird. Mit dem Verfahren kann die maximale Größe der Winkeländerung, also die Schwingungsamplitude und somit auch die Schwingungsfrequenz der Abtasteinrichtung detektiert werden. Aus dieser Größe kann auf die Ursachen der Schwingung (Vibration) geschlossen werden.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung anzugeben, um den Verlauf der Winkeländerung einer Abtasteinrichtung gegenüber einer Maßverkörperung einer Positionsmeßeinrichtung zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
1 eine Längenmeßeinrichtung,
2 den zeitlichen Verlauf der Winkellage der Abtasteinrichtung der Längenmeßeinrichtung gemäß 1 und
3 die Winkellagen der Abtasteinrichtung schematisch dargestellt.
In 1 ist eine Längenmeßeinrichtung mit einem Maßstab 1 und einer Abtasteinrichtung 2 dargestellt. Der Maßstab 1 besitzt eine Maßverkörperung in Form mehrerer Teilungsspuren 11, 12, 13, 14, deren Gitterstriche in bekannter Weise quer zur Meßrichtung X verlaufen. Die Teilungsspuren 11, 12, 13 bilden in bekannter Weise einen absoluten Code zur absoluten Positionsmessung. Jede der Teilungsspuren 11 bis 14 wird von einer Abtaststelle 21 bis 24 zur Erzeugung jeweils eines positionsabhängigen Abtastsignals S1 bis S4 abgetastet. Zur Abtastung sind optische, magnetische, induktive oder kapazitive Abtastprinzipien einsetzbar.
Die Abtastsignale S1 bis S3 werden in bekannter Weise zu einem resultierenden absoluten Positionsmeßwert P verknüpft. Hierzu werden die Abtastsignale S1 bis S3 einer Verknüpfungsschaltung 3 zugeführt.
Aufgrund von Führungsfehlern, aber insbesondere aufgrund von Vibrationen ändert sich während des Meßbetriebs laufend die Ausrichtung der Abtasteinrichtung 2 gegenüber dem Maßstab 1. Diese Änderung der Ausrichtung ist eine Winkeländerung bzw. Verkippung der Abtasteinrichtung 2 um einen Winkel W gegenüber der Meßrichtung X. In 1 sind zwei Winkellagen W0 und W2 der Abtasteinrichtung 2 dargestellt.
Die Drehachse, um die sich die Abtasteinrichtung 2 verdreht bzw. um die sie verkippt wird, ist eine Normale zur Oberfläche des Maßstabes 1, auf der die Maßverkörperung 11, 12, 13, 14 aufgebracht ist.
Aus der EP 0 555 507 B1 ist es bekannt, den Winkel W als Abweichung von der Solllage W0 zu ermitteln. Diese Ermittlung wird auch bei dieser Erfindung genutzt. Hierzu werden die beiden am feinsten geteilten und quer zur Meßrichtung X am weitest voneinander beabstandeten Teilungsspuren 11 und 14 verwendet, indem der Positionsmeßwert P1 aus dem Abtastsignal S1 mit dem Positionsmeßwert P4 aus dem Abtastsignal S4 in einer Differenzschaltung 4 verglichen wird. Die Differenz zwischen P1 und P4 ist ein Maß für den momentanen Winkel W.
Gemäß der Erfindung wird nun nicht nur die Abweichung der Ausrichtung von einer Solllage – also der Winkel W – ermittelt, sondern es wird ein Maß für die zeitliche Änderung des Winkels W erfaßt. Diese Maßnahme hat sich als vorteilhaft erwiesen, da eine gleichbleibende bzw. sich nur langsam ändernde Fehlausrichtung zu keinem bzw. zu einem relativ leicht zu korrigierenden resultierenden Positionsmeßwert P führt. Eine schelle und auch große Änderung der Ausrichtung aufgrund von Vibrationen während des Meßbetriebs kann aber zu einem fehlerhaften Positionsmeßwert P führen. Dieser Zustand muß also erkannt werden.
Hierzu werden die Abtastsignale S1 und S4 der Abtaststellen 21 und 24 jeweils zeitgleich in aufeinanderfolgenden Abständen von Bruchteilen einer Sekunde, beispielsweise 1 msec erfaßt, die Positionsmeßwerte P1 und P4 daraus gebildet und für jeden Zeitpunkt die Differenz D der Positionsmeßwerte (P4 – P1) in der Differenzschaltung 4 gebildet. Aus einer vorgegebenen Anzahl – z. B. 10 – aufeinanderfolgender Differenzen D und somit innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne wird der Minimal- und Maximalwert ermittelt und abgespeichert. Die Differenz DE aus den beiden Extremwerten Minimal-Differenzwert und Maximal-Differenzwert ist ein Maß für die Schwankungsbreite der Winkeländerung und somit ein Maß für die Vibration bzw. Schwingung der Abtasteinrichtung 2 gegenüber dem Maßstab 1.
Als Maß für den zeitlichen Verlauf der Winkellagen W stehen einem Anwender die abgespeicherten Extremwerte der Winkellagen W zur Verfügung. Diese Werte können als Zahlenwerte ausgegeben werden oder sie werden als Grenzwerte eines Balkens auf einer Balkenanzeige grafisch dargestellt.
Als Maß für den zeitlichen Verlauf der Winkellagen W kann zusätzlich oder alternativ aus den im Speicher 5 abgespeicherten Extremwerten die Schwankungsbreite DE berechnet werden und dem Anwender dieses Maß DE als Zahlenwert oder auch grafisch, beispielsweise als Balken, zur Verfügung gestellt werden. Es können auf einem Bildschirm auch gleichzeitig mehrere Werte der Schwankungsbreite DE für aufeinanderfolgende Zeitabschnitte angezeigt werden. Daraus kann der zeitliche Verlauf der Schwankungsbreite DE beobachtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein zulässiger Wert DZ für die Schwankungsbreite vorgegeben wird, und ein Warnsignal A ausgegeben wird, wenn der ermittelte Wert der Schwankungsbreite DE den vorgegebenen Wert DZ überschreitet.
Der aus den Abtastsignalen S1 bis S3 ermittelte resultierende absolute Positionsmeßwert P wird bei einer modernen Schnittstelle 7 bit-seriell auf einer Datenleitung 6 an eine Folgeelektronik, beispielsweise eine numerische Steuerung, geleitet. Bei einer derartigen Schnittstelle 7 besteht nun die Möglichkeit, das Warnsignal A oder die Extremwerte der Winkellagen W oder die Schwankungsbreite DE ebenfalls seriell auf dieser Datenleitung 6 zur Folgeelektronik zu übertragen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn alle Komponenten 3, 4, 5, 7, 8 und 9 in der Abtasteinheit 2 integriert sind.
In 2 sind die gemessenen Differenzwerte D, die proportional zu den Winkelwerten W sind, in Abhängigkeit der Zeit t aufgetragen. Bei dem dargestellten Beispiel ist der detektierte Maximal-Differenzwert innerhalb 10 aufeinanderfolgender Positionsmessungen – also innerhalb einer Meßzeit t von 10 msec – mit D2 bezeichnet und der detektierte Minimal-Differenzwert mit D6. Die Schwankungsbreite DE also die maximale Winkeländerung innerhalb der Meßzeit t = 10 msec beträgt somit (D2 – D6).
In 3 ist die gemessene Ausrichtung, also die Winkellage W der Abtasteinrichtung 2 in den zehn gemessenen Zeitpunkten von 0 bis 10 msec schematisch dargestellt.
Die Positionsmeßwerte P1 und P4 können direkt aus den Abtastsignalen S1 und S4 durch Vergleich der analogen Momentanwerte ermittelt werden, oder digital durch Zähler 8 und 9. P1 und P4 sind dann die Zählerstände der Zähler 8 und 9. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 1 jede Abtaststelle 21 und 24 nur schematisch dargestellt. In der Regel besteht ein derartiges Abtastfeld 21, 24 aus mehreren gegeneinander phasenverschobenen Teilfeldern zur richtungsabhängigen Zählung der erfaßten Inkremente bzw. Interpolationswerte.
Zur Bestimmung des Winkelwertes D bzw. W sind im beschriebenen Beispiel zwei gleich geteilte Inkrementalspuren 11 und 14 vorgesehen. Die Winkelwerte können aber ebenso aus einer gemeinsamen Inkrementalspur gemäß 1 der EP 0 555 507 B1 oder aus unterschiedlich geteilten Inkrementalspuren gemäß 2 der EP 0 555 507 B1 ermittelt werden. Bei unterschiedlich geteilten Inkrementalspuren ist es vorteilhaft, wenn beide Spuren derart interpoliert werden, daß die Abtastsignale die gleiche Auflösung besitzen, dann ist nämlich ein einfacher Vergleich von Zählerständen möglich. Eine der Spuren kann auch eine serielle Codierung in Form eines Pseudo-Random-Codes, auch Kettencode oder Chain-Code genannt, aufweisen.
Das Maß DE, D2, D6, W2, W6 des zeitlichen Verlaufs der Winkellagen W1 bis W10 kann auch ein Anhaltspunkt für die Bearbeitungsgenauigkeit sein, da es ein Parameter für die Maschinenvibration ist.
Zur Ermittlung der Ursache der Vibration der Abtasteinrichtung 2 gegenüber dem Maßstab 1 ist es vorteilhaft, die Frequenz der Vibration bzw. Schwingung zu detektieren. Hierzu werden aufeinanderfolgende Extremwerte der Winkellagen W, also die Differenzwerte D detektiert und die Zeit t1 zwischen diesen Externwerten ermittelt. Am Beispiel gemäß 2 wird die Zeit t1 zwischen dem Maximum D2 und dem darauffolgenden Minimum D6 ermittelt. Die Frequenz f ergibt sich dann aus f = 1 / 2·t1 . Es ist auch möglich, die Zeit t2 zwischen zwei Maximalwerten oder zwei Minimalwerten zu ermitteln. Die Frequenz f der Vibration der Abtasteinrichtung 2 ergibt sich dann aus f = 1 / t2 .
Mit der Erfindung ist es nun auch möglich, den Zeitpunkt der maximalen Vibration festzustellen. Es kann bei einer Bearbeitung eines Werkstücks mit einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine detektiert werden, bei welchem Bearbeitungsschritt welche Vibration auftritt. Aus diesen Kenntnissen können die Bearbeitungsparameter oder die Konstruktion der Werkzeugmaschine einschließlich der Positionsmeßeinrichtung optimiert werden.

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Winkeländerung einer Abtasteinrichtung (2) gegenüber einer Maßverkörperung (1) einer Positionsmeßeinrichtung durch – Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) der Abtasteinrichtung (2) aus zwei Positionsmesswerten (P1, P4) zweier Abtaststellen (21, 24) der Abtasteinrichtung (2) und – Ermitteln eines Maßes (DE; D2, D6, W2, W6) für den zeitlichen Verlauf daraus, wobei das Maß des zeitlichen Verlaufs der Winkeländerung • die Extremwerte (D2, D6, W2, W6) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) sind, die in einem Speicher (5) der Abtasteinrichtung (2) abgespeichert werden oder • die aus den in einem Speicher (5) der Abtasteinrichtung (2) abgespeicherten Extremwerten (D2, D6, W2, W6) gebildete Schwankungsbreite (DE) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) zeitgleiches Erfassen eines ersten Positionsmeßwertes (P1) aus einer ersten Abtaststelle (21) der Abtasteinrichtung (2) und Erfassen eines zweiten Positionsmeßwertes (P4) aus einer zweiten Abtaststelle (24) der Abtasteinrichtung (2); b) Bildung der Differenz (D1 bis D10) der zeitgleich erfaßten Positionsmeßwerte (P1, P4) beider Abtaststellen (21, 24); c) mehrmaliges Wiederholen der Schritte a) und b) zur Bildung mehrerer Differenzwerte (D1 bis D10) und d) Bildung einer Schwankungsbreite (DE) als Maß für den zeitlichen Verlauf der Winkeländerung aus mehreren aufeinanderfolgenden Differenzwerten (D1 bis D10).
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Ermittlung der Minimal- und Maximal-Differenzwerte (D2, D6) aus mehreren aufeinanderfolgenden Differenzwerten (D1 bis D10) und Bildung der Differenz (DE) zwischen dem Minimal- und Maximal-Differenzwert (D2, D6) als Schwankungsbreite (DE).
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Abspeicherung des Minimal-Differenzwertes (D6) und des Maximal-Differenzwertes (D2) aus mehreren aufeinanderfolgenden Differenzwerten (D1 bis D10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warnsignal (A) gebildet wird, wenn die Schwankungsbreite (DE) einen vorgegebenen Wert (DZ) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Aufsuchen aufeinanderfolgender Extremwerte (D2, D6) aus den Differenzwerten und Ermittlung der Zeit (t1) zwischen der Erfassung dieser Extremwerte (D2, D6).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeit (t1) zwischen einem Minimal- und Maximal-Differenzwert (D2, D6) die Schwingfrequenz (f) der Abtasteinrichtung (2) gegenüber der Maßverkörperung (1) ermittelt wird.
Positionsmeßeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer in der Abtasteinrichtung (2) integrierten Auswerteeinheit (4, 5), welche einen ersten Baustein (4) zur Ermittlung der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) und einen zweiten Baustein (5) zur Ermittlung eines Maßes (DE) für den zeitlichen Verlauf aus mehreren Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) aufweist, wobei das Maß des zeitlichen Verlaufs der Winkeländerung die Extremwerte (D2, D6, W2, W6) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) sind oder die aus den Extremwerten (D2, D6, W2, W6) gebildete Schwankungsbreite (DE) der Winkellagen (W1 bis W10, D1 bis D10) ist, wobei der zweite Baustein (5) einen Speicher aufweist, in dem die Extremwerte (D2, D6) aus mehreren aufeinanderfolgenden Winkelwerten (W1 bis W10, D1 bis D10) abgespeichert sind und wenigstens zwei Abtaststellen (21, 24) in der Abtasteinrichtung (2) zur Abtastung der Maßverkörperung (1) und zur Bildung von Positionsmeßwerten (P1, P4) vorgesehen sind, und daß der Auswerteeinheit (4, 5) die Positionsmeßwerte (P1, P2) zugeführt werden und diese derart verarbeitet, daß am Ausgang das Maß (DE) für den zeitlichen Verlauf der Winkellage (W1 bis W10, D1 bis D10) ansteht.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung (1) zwei quer zur Meßrichtung X voneinander beabstandete Teilungsspuren (11, 14) aufweist und jeweils eine der Abtaststellen (21, 24) einer dieser Teilungsspuren (11, 14) zugeordnet ist.