Steuerung von Koordinatenmeßgeräten mit schlatenden und messenden Tastsystemen PDF
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ISW Forschung und Praxis Berichte aus dem InstitutturSteuerungstechnik derWerkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen derUniversltatStuttgart Herausgeber: Prof. Dr.-Ing.G.Pritschow Band 64 Eberhard Wagner Steuerung von Koordinaten meBgeraten mit schlatenden und messenden Tastsystemen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1987 093 Mit65Abbildungen ISBN978-3-540-17726-5 ISBN978-3-662-10056-1(eBook) DOl 10.1007/978-3-662-10056-1 DiesesWerkisturheberrechtlichgeschUtzt.DiedadurchbegrundetenRechte, ins besondere diederOberselzung,desNachdrucks.desVortrags,derEntnahmevon AbbildungenundTabellen,derFunksendung,derMikroverfilmungoderdervervieltattt gungaufanderenWegenundderSpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,bleiben, auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervlelfaltlqunqdieses WerkesodervonTeilendiesesWerkesistauch imEinzelfallnurindenGrenzen der gesetzlichen Bestimmungen desUrheberrechtsgesetzesderBundesrepublik Deutschlandvom9.September1965inderFassungvom24.Juni1985zulassiq.SieIst grundsatzlichverqutunqsptlichtiq.Zuwiderhandlungenunterliegen denStrafbestim mungendesUrheberrechtsgesetzes. ©Springer-Verlag BerlinHeidelberg1987 UrsprtmglicherschienenbeiSpringer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork1987 DieWiedergabevonGebrauchsnamen.Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.in diesemWerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme, daBsolche NamenimSinnederWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebungals freizubetrachtenwarenunddahervonjedermannbenutztwerdendurtten. 2362/3020-543210 GeleitwortdesHerausgebers InderReihe "ISWForschung und Praxis"wird fortlaufend OberForschungs ergebnisse des Instituts fOrSteuerungstechnikderWerkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der UnlversltatStuttgart (ISW) berichtet, dassich in vielfaltiqerFormmit derWeiterentwicklung des Systems Werkzeugmaschine und anderer Fertigungseinrichtungen bescMftigt.DieArbeiten dieses Instituts konzentrieren sich im besonderenauf die Bereiche Numerische Steuerungen, ProzeBrechnereinsatz in der Fertigung, Industrierobotertechniksowie MeB-, Regel- und Antriebssysteme,also auf die aktuellsten Bereiche derFerti gungstechnik. Dabei stehen Grundlagenforschungund anwenderorientierte Entwicklung in einem stetigen Austausch, wodurch ein standiqerTechnologie transferzur Praxis sichergestelltwlrd. DieBuchreihe erscheint inzwangloserFoigeund stutzt sich auf BerichteOber abgeschlossene Forschungsarbeiten und Dissertationen. Sie5011demInge nieurbei derWeiterbildung dienen und ihm Hilfestellungenzur LOsungspezifi scherProbleme geben. Farden Studierenden bietet sie eine MOglichkeit zur Wissensvertiefung.Sie bleibtdamit unter erweitertem Namenund neuerHer ausgeberschaft unverandertin der bewahrten Konzeption, dieihr der Grander des ISW,der leiderallzu frOhverstorbene Prof.Dr.-Ing.G.Stute, imJahre1972 gegeben hat. DerHerausgeberdankt derDruckereifOrdie drucktechnische Betreuung und dem SpringerVerlagfar Aufnahme der Reihe inseinLieferprogramm. G.Pritschow Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Steuerungs technik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universitat Stuttgart. Dem Institutsleiter, Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Pritschow danke ich fur die wohlwollende Unterstutzung und die Anregungen wah rend des Entstehens der Arbeit. Mein herzlicher Dank gilt auch Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Storr fur die stetige Forderung und die eingehende Durchsicht dieser Arbeit. Herrn Prof. DTech. h;c, Dipl.-Ing. K. Tuffentsammer danke ich fur die Erstellung des Mitberichtes. Ferner gilt mein Dank allen Mitarbeitern und Studenten des Institutes, die durch kritische Hinweise und durch Diskussionen zum Gelingen meiner Arbeit beigetragen haben. Insbesondere bedanke ich mich hierfur bei den Herren Dipl.-Ing. B. Walker, Dipl.-Ing. R. Viefhaus, Dipl.-Ing. H. Edenhofer und Dipl.-Ing. Lei Wei TaL Eberhard Wagner - 7 - Inhaltsverzeichnis Seite Formelzeichen und Abkurzungen 10 Einleitung 14 2 Aufbau einer KoordinatenmeBanlage 16 2.1 Komponenten einer KoordinatenmeBanlage 16 2.2 Verarbeitung der Steuerdaten in einer Koordinaten- meBanlage 18 2.2.1 Betriebsarten einer KoordinatenmeBanlage 18 2.2.2 Steuerdaten fur ein KoordinatenmeBgerat 19 2.2.3 Struktur der Steuerdatenverarbeitung 21 2.2.3.1 Prinzip der Steuerdatenverarbeitung 21 2.2.3.2 Funktionsblocke der Steuerdatenverarbeitung 22 3 Zielsetzung und Vorgehen 24 4 Verfahren zur FuhrungsgroBenerzeugung und Lage regelung 25 4.1 Verfahren zur Bahnerzeugung bei Werkzeugmaschinen 26 4.1.1 Konventionelle Verfahren 26 4.1.2 Bahnregelung 27 4.2 Bahnregelung an KoordinatenmeBgeraten mit messen- den Tastsystemen 29 4.2.1 Antasten von Einzelpunkten 30 4.2.2 Scannen 31 4.3 Einsatz der Verfahren zur Steuerung der Gerate achsen an KoordinatenmeBgeraten 36 4.4 Offene Probleme bei der Steuerung der Gerateachsen 38 5 Untersuchung der Tastsysteme 39 5.1 Schaltende Tastsysteme 39 5.1 .1 Wirkungsweise und Aufbau von schaltenden Tastsy- stemen 39 5.1.2 Steuerungsanforderungen bei der MeBwerterfassung mit schaltenden Tastsystemen 42 - 8 - 5.2 Messende Tastsysteme 43 5.2.1 Wirkungsweise und Aufbau von messenden Tastsy stemen 43 5.2.2 Regelungstechnisches Modell von messenden Tastsy stemen 45 5.2.2.1 Modell eines frei beweglichen Tastsystems 46 5.2.2.2 Modell eines angetasteten Tastsystems 50 5.2.3 Betriebszustande des Tastsystems 52 5.2.4 Ansteuerung der Kraftgeneratoren 56 5.2.4.1 Regelung der Kraftgeneratoren nach der Auslenkung (Tastsystem beweglichl 56 5.2.4.2 Steuerung der Kraftgeneratoren beim Erzeugen der Antastkrafte 57 5.2.4.3 Steuerung der Kraftgeneratoren eines zweiachsigen Tastsystems beim Scannen 59 5.2.5 Steuerungsanforderungen bei der MeBwerterfassung mit messenden Tastsystemen 63 6 Verfahren zur FuhrungsgroBenerzeugung fur das Scannen 65 6.1 Lokale Elemente der geometrischen Bahn 66 6.2 Ableitung der FuhrungsgroBen aus der Taststiftaus lenkung 68 6.3 Berechnung der FuhrungsgroBen aus den Koordinaten von Antastpunkten 71 6.3.1 Allgemeines 71 6.3.2 Explizite Form des Interpolationspolynoms 72 6.3.3 Parameterdarstellung des Interpolationspolynoms 73 6.3.4 Richtungsfehler durch die Unsicherheit der Antast punkte 76 6.4 Beeinflussung der FuhrungsgroBen 80 6.4.1 StorgroBenunterdruckung bei der Ermittlung der Vorzugsrichtung 81 6.4.2 Anpassung der Vorzugsgeschwindigkeit 82 6.4.2.1 Berechnung des Krummungsradius 82 6.4.2.2 Anpassung der Vorzugsgeschwindigkeit an die Grenz werte des KoordinatenmeBgerates 85 - 9 - 6.4.2.3 Anpassung der Vorzugsgeschwindigkeit an die Aus- wertung 85 6.5 Bewertung der Verfahren zur FuhrungsgroBenerzeu- gung fur das zweiachsige Scannen 86 7 Untersuchung der Bahnabweichungen beim Scannen anhand verschiedener Testbahnen 89 7.1 Bahnabweichungen beim Scannen einer Geraden 90 7.1.1 Einachsiges Scannen einer Geraden 90 7.1.2 Zweiachsiges Scannen einer Geraden 91 7.2 Systematische Bahnabweichungen beirn Scannen eines Kreises 92 7.2.1 Richtungsfehler durch die Dynamik der Antriebe 93 7.2.2 Richtungsfehler durch die Filterung von StorgroBen 94 7.2.3 Interpolationsfehler 95 7.2.4 Auswertung der systematischen Bahnabweichungen auf einer Kreisbahn 97 7.3 Bahnabweichungen beim Scannen einer Ecke 99 7.3.1 Scannen einer Innenecke 99 7.3.1.1 Einachsiges Scannen einer Innenecke 100 7.3.1.2 Zweiachsiges Scannen einer Innenecke 103 7.3.2 Messung der Bahnabweichungen an einem Koordinaten- rneBgerat 106 8 Realisierung eines Bausteinsystems zur Steue- rung von KoordinatenrneBgeraten 110 8.1 Steuerung eines KoordinatenmeBgerates mit schal- tendem Tastsystem 111 8.2 Steuerung eines KoordinatenmeBgerates mit rnessen- dem Tastsystem 115 9 Zusammenfassung 122 Schrifttum 124 - 10 - Formelzeichen und Abkurzungen Formelzeichen a Beschleunigung an' bn, cn Polynomkoeffizienten mit dem Index n A, B Spaltenvektoren der Polynomkoeffizienten A, A* Konstanten b BogenUinge B Konstante c Koordinatenwert der Drehachse C cF normierte Federkonstante C Drehachse in der x/y-Ebene CF Federkonstante C Konstante des Kraftgenerators I Cv Dampfungskonstante D Dampfungskonstante e Sehnenfehler s E, ei Vektor, Komponenten aus der Abtastzeit f normierte Kraft, Frequenz f(x,y) Funktion von x, y fg Grenzfrequenz fI normierte Magnetkraft F Kraft, Richtungsfehler Fant Antastkraft FD Dampfungskraft FF Federkraft FI Magnetkraft FK Frequenzgang der Kompensation FN Normalkraft FR durch die Reibung verursachter Richtungsfehler, Reibungskraft FT Tragheitskraft Fu durch die Unsicherheit verursachter Richtungs fehler FE Summe der Richtungsfehler Fp relativer Fehler des Krummungsradius
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