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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kalibrierung
von bewegbaren Vorrichtungen mit mindestens einem teilweise unbestimmten
Geometrieparameter.
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Solche
Vorrichtungen werden zur Handhabung oder zur Fertigung von Werkstücken eingesetzt,
beispielsweise in Werkzeugmaschinen. Im Zuge der Automatisierung
können
Werkstücke
aufgrund eines vorgegebenen Ablaufprogramms, das die Auswahl der
Werkzeuge sowie die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück steuert, hergestellt
werden. Solche Steuerungen berücksichtigen
für die
Bestimmung von Steuergrößen der Werkstück/Werkzeug-Relativbewegung
Geometrieparameter der zu steuernden Vorrichtung selbst.
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Aufgrund
von Fertigungs- und Montageungenauigkeiten sind diese Geometrieparameter
allerdings nicht exakt bekannt, sondern vielmehr mit Toleranzen
(Maß-,
Lage- und Winkeltoleranzen)
behaftet. Aus diesen Toleranzen resultieren Abweichungen der Kinematik
der bewegbaren Vorrichtung, was sich wiederum in Ungenauigkeiten
der Relativbewegung bezüglich
des zu fertigenden bzw. zu handhabenden Werkstückes niederschlägt.
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Aus
der Druckschrift „Mooring,
B.W., Pack, T.J.: Calibration procedure for an industrial robot.
In: Robotics and Automation, 1988. Proceedings, 1988 IEEE International
Conference on, Philadelphia, 24-29, April 1988, S. 788-791 vol.
2" (nächstliegen der
Stand der Technik) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung
eines Roboters mit teilweise unbestimmten Geometrieparametern bekannt,
wobei ein Prüfkörper und
eine Meßkugel
an der zu kalibrierenden, montierten Vorrichtung angebracht werden. Die
Vorrichtung wird bewegt, bis die Meßkugel eine definierte Lage
bezüglich
einer Meßstelle
einnimmt. Die Lage der Vorrichtung repräsentierenden Parameter an dieser
Meßstelle
werden erfasst und dieser zugeordnet. Die Korrekturgrößen für das Bewegungsverhalten
der Vorrichtung beeinflussende Geometrieparameter werden durch Einsetzen
der für
die Meßstellen
erfaßten
Lageparameter in ein Gleichungssystem ermittelt, welches das Bewegungsverhalten der
Vorrichtung repräsentiert,
und die Geometrieparameter des Gleichungssystems werden mit den
Korrekturwerten korrigiert.
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In
der älteren
DE 196 36 099 A1 ist
beispielsweise eine Hexapod-Lagerungseinrichtung vorgeschlagen,
bei der ein bewegbarer Träger über sechs Streben
an einem Rahmen aufgehängt
ist. Des weiteren ist aus der älteren
DE 196 36 102 A1 ein
Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Trägers bekannt, bei dem die Vorgabe
der Bewegung sowie die Regelung der Bewegung des Trägers in
einem Orthogonal-Koordinatensystem
erfolgt, wohingegen die Stellglieder zur Bewegung des Trägers ein
weiteres, in dem konkreten Fall ein nicht-orthogonales, Koordinatensystem
definieren. Bei einer Parametertransformation zwischen den beiden
Koordinatensystemen müssen
für die
Bewegung der Vorrichtung relevante Geometrieparameter, d.h. vor
allem Lage-, Längen-
und Winkelmaße
der Vorrichtung berücksichtigt
werden. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß Toleranzen der Geometrieparameter
zu Transformationsfehlern und damit zu Fehlern in der Kinematik des
Trägers
führen.
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Zur
exakten Bestimmung der Geometrieparameter, z.B. zur Ermittlung der
genauen Lage der Gelenkpunkte einer Hexapod-Lagerung, muß die bewegbare
Vorrichtung kalibriert werden.
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Der
Gedanke, bewegbare Vorrichtungen oder Mechanismen hinsichtlich der
exakten Bestimmung der Lage ausgewählter, die Kinematik bestimmender
Parameter festzulegen (zu kalibrieren), ist im Bereich der Werkzeugmaschinen
generell bekannt. Die bisher angewendeten Kalibrierverfahren eignen sich
jedoch nicht für
komplexe Vorrichtungsstrukturen, da für diese eine hohe Anzahl von
Parametern gleichzeitig bestimmt werden müssen. Insbesondere eignen sich
die bekannten Kalibrierverfahren nicht für das Gebiet von Parallelstrukturen
wie die genannten Hexapod-Lagerungen.
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Gegenwärtig sind
Verfahren bekannt, bei denen diejenigen Maschinenelemente einer
Vorrichtung, die lediglich kleine Abmessungen aufweisen, im ausgebauten
Zustand separat vermessen werden. Auf diese Weise wird ein Teil
der für
das Bewegungsverhalten der Vorrichtung relevanten Geometrieparameter
ermittelt, wobei jedoch Montageungenauigkeiten nicht berücksichtigt
werden. In einem zweiten Schritt wird dann die Vorrichtung im zusammengebauten
Zustand vermessen, indem beispielsweise ein in seinen Abmessungen
genau bekannter Prüfkörper mit
einem Meßtaster
abgetastet wird. Dieses Verfahren ist dahingehend nachteilig, daß ein separates
mehrachsiges Vermessen von Geometrieparametern, beispielsweise Gelenkpunkten,
mit unvermeidlichen Fehlern behaftet ist. Durch die anschließende Montage
der Vorrichtung werden weitere Ungenauigkeiten erzeugt, die mit
den Messungen des zweiten Schrittes nicht mehr erkannt werden können.
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Weiterhin
ist bekannt, mit mehreren Abtastorganen unterschiedlicher Länge zu arbeiten.
Bei diesem Verfahren tritt jedoch der Nachteil auf, daß durch
den Wechsel der Abtastorgane bei einer starken Verkopplung der Kinematik
der zu bewegenden Vorrichtung bereits kleine Meßfehler, die beispielsweise
durch den Wechsel der Taster verursacht werden, zu großen Abweichungen
bei der Bestimmung der Fehlergrößen der
Geometrieparameter führen.
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Aus
der Druckschrift
DE
3 603 316 C1 ist eine Einrichtung zum Einstellen des Arbeitspunktes eines
Werkzeugs in einer CNC-Werkzeugmaschine bekannt. In einem Arbeitsraum
der Werkzeugmaschine ist ein erstes Kreuzschlittensystem mit einem Werkzeugrevolver
vorgesehen, das in Richtung der Z-Achse (parallel zur Drehachse
einer Werkstückspindel)
und in Richtung der X-Achse (senkrecht zur Drehachse der Werkstückspindel)
bewegbar ist. Weiterhin ist in dem Arbeitsraum ein zweites Kreuzschlittensystem
mit Revolverkopf vorgesehen, das ebenfalls in Richtung der X- und
Z-Achse bewegbar ist. Die Revolverköpfe dienen zur Aufnahme von
Werkzeugen. Um die Arbeitspunkte der Werkzeuge zu ermitteln, sind
an beiden Revolverköpfen
Meßfühler (Tastfühler) vorgesehen,
die eine Vermessung in Richtung der Hauptachsen (X-Z-Achse) ermöglichen. Dabei
wird das Werkzeug des einen Revolverkopfes entlang einer der Hauptachsen
in Kontakt mit dem Meßfühler des
anderen Revolverkopfes gebracht und ein Meßwert bezüglich dieses Meßpunktes
auf einer der Hauptachsen ermittelt. Durch Weiterschalten der Revolverköpfe können so
nacheinander die Werte zur Ermittlung der Werkzeugarbeitsposition
für die
jeweiligen Achsen ermittelt werden. Die nacheinander erfaßten Werte
(Meßpunkte)
werden in einer Steuereinheit zur Korrektur der Maschinensteuerung verarbeitet.
Zur Kalibrierung der Meßfühler wird
ein Prüfkörper, der
in seinen Abmessungen genau bekannt ist, in die Maschine eingespannt
und die Meßfühler fahren
nacheinander die Flächen
des Prüfkörpers an.
Mit den nacheinander jeweils bezüglich eines
Punktes der jeweiligen Hauptachse ermittelten Werte können die
Meßfühler kalibriert
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Kalibrierung von bewegbaren Vorrichtungen mit mindestens einem
teilweise unbestimmten Geometrieparameter anzugeben, mit dem eine
genaue kinematische Beschreibung des Bewegungsverhaltens der bewegbaren
Vorrichtung ermöglicht
wird, bei gleichzeitig möglichst
einfacher Kalibrierung.
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Hinsichtlich
des Verfahrensaspekts wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Hinsichtlich
der Einrichtung erfolgt die Aufgabenlösung erfindungsgemäß mit einer
Einrichtung mit den Merkmale des Anspruches 16. Weiterbildungen
der Erfindungsgegenstände
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Mit
der Erfindung wird ein industrietaugliches Verfahren zur Kalibrierung
hochkomplexer bewegbarer Vorrichtungen, wie beispielsweise Vorrichtungen mit
Parallelkinematik, bereitgestellt. Da das Verfahren bei einer bereits
vollständig
in Einsatzlage montierten Vorrichtung allein im zusammengebauten
Zustand ausgeführt
wird, können
aus einem zuvor durchgeführten
Vermessen resultierende Fehler nicht mehr auftreten. Überdies
wird der für
den Kalibriervorgang erforderliche Aufwand erheblich vereinfacht.
Das Verfahren eignet sich daher auch besonders für den Zweck der Nachkalibrierung,
um beispielsweise ein Setzen der Vorrichtung zu berücksichtigen.
Durch die Verwendung eines einzigen Prüforgangs können überdies Kopplungsfehler vermieden
werden, so daß sich
insgesamt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine wesentlich verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung der für das Bewegungsverhalten
der bewegbaren Vorrichtung relevanten Geometrieparameter ergibt.
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Vorzugsweise
wird ein in seinen Abmessungen bekannter Prüfkörper in der Vorrichtung angeordnet
und als Prüforgan
ein Abtastorgan verwendet, das eine ihm eigene Referenzstellung
aufweist. Die Vorrichtung wird sodann bewegt, bis das Abtastorgan an
eine als Abtaststelle des Prüfkörpers ausgebildeten
Meßstelle
seine ihm eigene Referenzstellung einnimmt. Aufgrund der Erfassung
der Referenzstellung des Abtastorgans zu in ihrer Lage bekannten
Meßstellen
lassen sich mit demselben Abtastorgan Lage- bzw. Winkel-Istwerte
bestimmen, die als bekannte Größen in ein
lineares Gleichungssystem eingesetzt werden, das die gesuchten kinematischen
Korrekturgrößen als
Unbekannte enthält.
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Vorzugsweise
wird ein Abtastorgan verwendet, das bei Auslenkung einen Impuls
abgibt. Das Abtasten einer Meßstelle
erfolgt dadurch, daß zur
Annäherung
an eine Referenzposition des Abtastorgangs bezüglich einer ausgewählten Koordinantenrichtung, d.h.
eine translatorische oder rotatorische Bewegung, das Abtastorgan
nach Aussendung eines Impulses zurückbewegt wird, bis keine Auslenkung mehr
vorliegt, was anhand der Aussendung der Impulse feststellbar ist.
Hierdurch läßt sich
iterativ die Referenzposition des Abtastorgans bezüglich einer ausgewählten Meßstelle
einstellen, woraufhin dann die Erfassung der die Lage der Vorrichtung
repräsentierenden
Parameter erfolgt. Das Ansteuern der Referenzposition geschieht
vorzugsweise automatisch durch eine Steuervorrichtung der bewegbaren
Vorrichtung in Abhängigkeit
der von dem Abtastorgan erzeugten Impulse, wozu ein geeignetes Steuerprogramm
in der Steuervorrichtung vorgesehen wird. Hierdurch läßt sich
eine große
Anzahl von Meßstellen
automatisch abtasten, um die erforderliche Datenmenge zur Bestimmung
der Korrekturgrößen bereitzustellen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Werkstück in definierter
Lage in der Vorrichtung als Prüfkörper angeordnet.
Weiterhin wird ein Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise ein Fräswerkzeug,
als Prüforgan
an der Vorrichtung relativ bewegbar zu dem Prüfkörper angebracht. Mit Hilfe des
Bearbeitungswerkzeuges werden dann an den Meßstellen Kalibrierbearbeitungen
an dem Werkstück
vorgenommen, wobei an den jeweiligen Endpositionen des Bearbeitungswerkzeuges,
die auch als Meßstellen
dienen, die Erfassung der die Lage der Vorrichtung repräsentierenden
Parameter, beispielsweise der Stellgrößen der kinematischen Struktur,
erfolgt. Nachdem sämtliche
Kalibrierbearbeitungen an dem Werkstück durchgeführt worden sind, um so beispielsweise
eine Vielzahl verschiedener Meßstellen
zu erzeugen, wird das Werkstück
bzw. die Endpositionen der jeweiligen Kalibrierbearbeitungen vermessen,
um so Lage- und Winkelformationen als Ist-Werte für die jeweiligen
Meßstellen
zu bestimmen. Diese Ist-Werte finden dann wiederum Eingang in das
bereits oben erwähnte,
lineare Gleichungssystem, mit dem die Korrekturgrößen berechnet
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform wird zur Anbringung
der Kalibrierbearbeitungen ein Schaftfräser verwendet. Mit den hergestellten
Kalibrierbohrungen lassen sich fünf Koordinaten
für eine
Meßstelle
bestimmen. Die fehlende sechste Koordinate kann während der
Bearbeitung mit einer zusätzlichen
Meßeinrichtung,
z.B. unter Verwendung eines Spiegels und Messung der Ablenkung eines
Laserstrahls, bestimmt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Unteransprüchen
angegeben.
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Im
folgenden wird nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine
schematische Darstellung eines Abtastorgans,
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2 eine
schematische Darstellung einer Meßstelle mit dem Abtastorgan
in einer Endposition,
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3 eine
räumliche
Darstellung eines Prüfkörpers mit
mehreren Meßstellen,
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4 eine
schematische Darstellung eines Beispiels einer Hexapod-Werkzeugmaschine,
und
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5 die
Koordinatentransformationen der Maschine von 4.
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Das
Verfahren wird im folgenden mit Bezug auf eine herkömmliche
Hexapod-Werkzeugmaschine beschrieben,
die ein Beispiel für
eine Struktur mit Parallelkinematik darstellt. Bei einer solchen
Hexapod-Werkzeugmaschine, wie sie beispielsweise in der
DE 196 36 099 A1 oder
der
DE 196 36 102
A2 vorgeschlagen ist, ist ein Träger, an dem beispielsweise
ein Bearbeitungswerkzeug wie ein Fräser vorgesehen ist, über sechs
in ihrer Länge
verstellbare Streben an einer Gestellbasis gelenkig gelagert. Die Bewegungsvorrichtungen
zur Längenverstellung
der einzelnen Streben können
z.B. als Elektromotoren ausgebildet sein. An dem Träger ist
eine Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, deren Hauptspindel durch
einen weiteren Motor angetrieben wird. Zur Steuerung des Bewegungsablaufs
des Trägers
wird üblicherweise
eine Bedieneinheit vorgesehen, die mit der Hexapod-Werkzeugmaschine
gekoppelt ist. Über diese
Bedieneinheit kann einerseits ein Ablaufprogramm eingegeben werden
und andererseits während
des Betriebs Einfluß auf
den Bewegungsablauf genommen werden. Die Eingabe des Ablaufprogramms
sowie dessen Verarbeitung erfolgt dabei in den Koordinaten eines
orthogonalen Koordinatensystems X, Y, Z, A, B, C (drei translatorische
Koordinaten und drei rotatorische Koordinaten). Hingegen definieren
die Streben ein nicht orthogonales Koordinatensystem L
1,
L
2 bis L
6, so daß zur Einstellung
der Sollgrößen der
Bewegungsregelung eine Koordinatentransformation J bzw. T erforderlich
ist (vgl.
4 und
5). Die
Parameter der Transformationsmatrizen hängen von Geometrieparametern
der bewegbaren Vorrichtung, hier beispielsweise den Positionen der
Gelenkmittelpunkte und der Offset-Werte der Streben der Hexapod-Werkzeugmaschine
ab.
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Die
Lage dieser Gelenkmittelpunkte wird konstruktiv vorgegeben. Sie
ist somit grundsätzlich bekannt,
jedoch aufgrund von Fertigungs- und Montagetoleranzen bei der Vorrichtung
im zusammengebauten Zustand teilweise unbestimmt. Aus diesen Gründen muß die Vorrichtung
im fertig montierten Zustand kalibriert werden. Gleichfalls kann,
beispielsweise nach einem längeren
Betrieb oder nach einem Transport oder Umbau der Vorrichtung eine
Nachkalibrierung notwendig werden, um Abweichungen von den konstruktiv
vorgegebenen Geometrieparametern zu korrigieren. Die korrigierten
Werte werden dann in den Transformationsmatrizen berücksichtigt,
die bei Parallelstrukturen wie Hexapodaufhängungen eine starke Koordinatenverkoppelung
beinhalten.
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Zur
Kalibrierung wird bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein in seinen
geometrischen Abmessungen genauestens bekannter Prüfkörper 1, wie
in 3 dargestellt, verwendet. Dieser Prüfkörper 1 (Meßplatte)
wird in der zu kalibrierenden, bereits vollständig in der Arbeitsposition
montierten Vorrichtung in definierter Lage befestigt. Der Prüfkörper 1 weist
eine Mehrzahl von Meßstellen
auf, deren Lage zueinander, d.h. deren Abstände und Winkel, exakt bekannt
sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
sind als Meßstellen
Ausnehmungen vorgesehen, deren Wände
zur Bestimmung von rotatorischen Koordinaten zum Teil gegeneinander
geneigt sind. Anstelle der Ausnehmungen können auch Aufbauten verwendet
werden.
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Die
Orte der Meßstellen
befinden sich sowohl am Rand als auch in der Nähe der Mitte der Meßstelle.
Mehrere dieser Meßstellen
besitzen geneigte Grundplatten. Die Neigungen erfolgen vorzugsweise
um beide Achsen einer als Montageebene für den Prüfkörper, d.h. die Meßplatte,
fungierenden Tischebene des Maschinenteils, jeweils in beide Richtungen.
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Zur
Kalibrierung wird weiterhin an einem relativ zu dem Prüfkörper 1 bewegbaren
Teil der Vorrichtung ein Prüforgan
in Form eines Abtastorgans 2 (Meßtaster) angebracht, das mit
dem Prüfkörper bzw.
dessen Meßstellen
zusammenwirkt. Bei einer Hexapod-Werkzeugmaschine
kann der Meßtaster 2 in
die Spindel des Bearbeitungswerkzeuges eingespannt werden. Der Meßtaster 2 zum
Abtasten der Meßstellen
des Prüfstücks ist
in 1 schematisch dargestellt. Der Meßtaster 2 weist
einen Mittelstab 3 auf, der mit einem Ende mit der bewegbaren
Vorrichtung verbunden wird, und an seinem gegenüberliegenden Ende drei sich
gleich beabstandet radial erstreckende Arme bzw. Querstreben 4 aufweist.
Die Querstreben 4 sind sämtlich in einer gemeinsamen Ebene
angebracht, vorzugsweise unter einem Winkelabstand von 120° und weisen
jeweils an ihrem Ende als Taststück
je eine Kugel 5 auf, wobei alle Kugeln 5 den gleichen
Durchmesser und den gleichen Abstand zu dem Mittelstab 3 besitzen,
so daß die
Mittelpunkte der Kugeln 5 in einer Ebene senkrecht der Spindelachse
liegen. Die Querstreben 4 und Kugeln 5 sind dabei
so dimensioniert, daß diese
in an dem Prüfkörper 1 (Meßplatte)
vorgesehene Aussparungen an den Meßstellen eingreifen können (wie
in der schematischen Darstellung einer Meßstelle mit dem Abtastorgan 2 in
einer Endposition gemäß 2 gezeigt).
Diese Aussparungen besitzen eine sehr genau gefertigte Grundfläche 9,
eine Seitenwand 7, an die zwei Kugeln 5 des Abtastorgans 2 angelegt
werden können,
sowie eine weitere Seitenwand 8 senkrecht zu der ersten
Seitenwand 7, die ebenfalls der Anlage der Kugeln 5 dient.
Wie in 3 für
die mittigen Meßstellen
gezeigt, können
die Grundflächen der
selben auch zur Aufspannebene (Montageebene) des Prüfkörpers 1 geneigt
sein.
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Nach
dem Anbringen des Prüfkörpers 1 und des
Prüforgans 2 in
der bewegbaren Vorrichtung erfolgt der eigentliche Kalibriervorgang
unter Verwendung eines Steueralgorithmus, mit dem das Prüforgan 2 nacheinander
an verschiedenen Meßstellen des
Prüfkörpers 1 so
positioniert wird, daß das
Prüforgan 2 an
jeder der Meßstellen
eine in allen sechs Koordinaten definierte Stellung einnimmt, womit
für jede
Meßstelle die
Lage-Istwerte des Meßtasters 2 aufgrund
der bekannten Geometrie des Prüfkörpers 1 ebenfalls
bekannt sind.
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Das
Prüforgan
ist hier ein Abtastorgan 2 (Meßtaster) und derart ausgebildet,
daß dieses
bei Auslenkung aus seiner Referenzposition einen Impuls abgibt.
Mit Hilfe der Impulse des Abtastorgans 2 an den Steueralgorithmus
wird die Vorrichtung solange iterativ bewegt, bis das Abtastorgan 2 bezüglich einer
Meßstelle
seine ihm eigene Referenzstellung einnimmt, d.h. gerade keinen Impuls
mehr aussendet. Dazu wird das Abtastorgan 2 zunächst zügig in die
Nähe einer
abzutastenden Meßstelle
des Prüfkörpers 1 gefahren,
in der bei Berücksichtigung
von Toleranzen der nicht kalibrierten Anordnung noch keine Berührung des
Abtastorgans 2 mit dem Prüfkörper 1 erfolgt bzw.
erwartet wird.
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Anschließend wird
zunächst
eine Koordinatenrichtung ausgewählt,
z. B. die translatorische Koordinatenrichtung senkrecht zu der Grundfläche der Meßstelle
(vgl. 2). Danach wird das Abtastorgan 2 geradlinig
auf den Prüfkörper 1 zubewegt,
bis dieses einen Impuls abgibt. Nach Auslösen des Impulses erfolgt sofort
eine Bewegung in die Gegenrichtung, bis keine Berührung mehr
vorliegt. Anschließend
erfolgt nacheinander eine Bewegung um diejenigen Drehachsen, die
parallel zu der Grundfläche der
Meßstelle
liegen. Durch die Auswertung der Stellen, an denen Berührungsimpulse
erzeugt werden, werden die Winkel, die die Spindelachse bzw. der Mittelstab 3 des
Abtastorgans 2 mit der Grundfläche bildet, ermittelt. Die
Stellung der Spindelachse wird dabei mit Hilfe des Steueralgorithmus
solange iterativ korrigiert, bis die Achse des Mittelstabes 3 senkrecht auf
der Grundfläche
steht, wie dies in 2 gezeigt ist.
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Anschließend erfolgt
eine Annäherung
des Abtastorgans 2 an die Seitenwand 7 in 2.
Dabei wird die Winkelstellung zur Grundfläche 9 der Meßstelle
wieder überprüft und gegebenenfalls
korrigiert.
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In
einem dritten Schritt wird das Abtastorgan 2 an die weitere
Seitenwand 8 in 2 angenähert. Die bisher eingestellten
Lagen werden dabei nochmals geprüft
und gegebenenfalls mit Hilfe des Steueralgorithmus iterativ korrigiert.
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Am
Ende dieser Prozedur befindet sich das Abtastorgan 2 dann
in seiner Referenzstellung für
die betreffende Meßstelle,
so daß die
Lage-Istwerte des Abtastorgans 2 für alle sechs Koordinaten genau
bekannt sind.
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In
dieser Stellung werden dann die die Lage der Vorrichtung repräsentierenden
Parameter, vorzugsweise die variablen Stellgrößen der kinematischen Struktur,
z.B. die Meßwerte
der Strebenlängen oder
die Stellung der Linearmotoren der Hexapod-Lagerung erfaßt, für die betreffende Meßstelle gespeichert
und den Ist-Werten des Abtastorgans 2 für die betreffende Meßstelle
zugeordnet.
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Dieser
Vorgang der Datenerfassung wird für mehrere Meßstellen
mit demselben Abtastorgan 2 an der bewegbaren Vorrichtung
im voll montierten Zustand durchgeführt.
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Da
die konstruktive Auslegung der bewegbaren Vorrichtung grundsätzlich bekannt
ist, läßt sich ein
das Bewegungsverhalten abbildendes Gleichungssystem aufstellen,
in dem die fertigungs- bzw. montagebedingten Fehlergrößen als
unbekannte Korrekturgrößen enthalten
sind. Dieses Gleichungssystem kann in einem Korrekturmodul in die
Steuervorrichtung integriert werden. Durch Einsetzen der für die einzelnen
Meßstellen
erfaßten
Lageparameter lassen sich unter Berücksichtigung der Ist-Werte
für das
Abtastorgan 2 bei Abtastung einer ausreichenden Anzahl
von Meßstellen
die Korrekturwerte durch Lösung
des Gleichungssystems bestimmen.
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Die
ermittelten Korrekturwerte werden dann in einem Speicher der Steuervorrichtung
gespeichert. Von dort stehen sie für die mit der Steuerung zu
verwirklichenden Koordinaten-Transformationen J bzw. T zur Verfügung, so
daß auf
diese Weise fertigungs- und
montagebedingte Lagetoleranzen von das Bewegungsverhalten der Vorrichtung
beeinflussenden Geometrieparametern in der Steuerung kompensiert
werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
wird anstelle des in definierter Lage befestigten, geometrisch genau
bekannten Prüfkörpers ein
Werkstück, beispielsweise
eine Metallplatte, in genau definierter Lage in der bewegbaren Vorrichtung
aufgespannt und an mehreren Meßstellen
einer Kalibrierbearbeitung unterworfen. In diesem Fall wird als
Prüforgan ein
Bearbeitungswerkzeug, beispielsweise im Fall einer Hexapod- Werkzeugmaschine,
ein Schaftfräser verwendet,
der in die Hauptspindel eines relativ zu dem Werkstück bewegbaren
Teils der bewegbaren Vorrichtung eingespannt ist.
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Mit
dem Schaftfräser
werden dann eine Anzahl von kreisförmigen Kalibrierausnehmungen
an dem als Meßplatte
fungierenden Werkstück
hergestellt, die jeweils eine Meßstelle im Sinne des ersten Ausführungsbeispiels
darstellen. Für
jede Meßstelle wird
das Bearbeitungswerkzeug ausschließlich geradlinig entlang einer
Vorschubachse in das Werkstück
vorgetrieben, bis der Vorschub an einer Endposition eingestellt
wird. In dieser Stellung werden, wie in dem ersten Ausführungsbeispiel
die die Lage der bewegbaren Vorrichtung repräsentierenden Parameter, beispielsweise
die Stellgrößen der
einzelnen Vorschubantriebe erfaßt
und der betreffenden Meßstelle zugeordnet
gespeichert. Dieser Vorgang wird wieder für eine Vielzahl von Meßstellen
wiederholt, wobei die Vorschubachsen für verschiedene Meßstellen auch
zueinander geneigt werden können.
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Im
Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel
erfolgt die Bestimmung der Lage-Ist-Werte des
Prüforgans
in den Koordinatenrichtungen durch eine genaue Vermessung der Kalibrierbearbeitungen zueinander.
Zur Bestimmung der translatorischen Lageparameter werden die Mittelpunkte
der gefrästen Aussparungen
herangezogen. Aus der Neigung des Bodens der Aussparung lassen sich
zwei weitere rotatorische Koordinaten bestimmen, so daß insgesamt
jeder Aussparung fünf
Koordinatenwerte zugeordnet werden können. Die fehlende sechste
Koordinate kann während
der Kalibrierbearbeitung mit einer zusätzlichen Meßeinrichtung, z.B. unter Verwendung eines
Spiegels, und Messung der Ablenkung eines Laserstrahls bestimmt
wird. In diesem Fall wird die Entkopplung der resultierenden Gleichungen
zur Berechnung der Korrekturwerte in gleicher Weise erreicht, wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Wird
auf die Bestimmung der sechsten Koordinate verzichtet, ist das resultierende
Gleichungssystem ebenfalls lösbar,
jedoch vergrößert sich
der Restfehler etwas.