DE102004010083B4 - Probe of the measuring type for a coordinate measuring machine - Google Patents
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Abstract
Tastkopf vom messenden Typ für ein Koordinatenmessgerät mit einem festen Teil (4') und mindestens einem in vertikaler Richtung dagegen verschieblichen Teil (4''), wobei das verschiebliche Teil (4'') mit einer Positionsmessvorrichtung (11), einer mechanischen Schnittstelle (8) zur Aufnahme von Tasterkonfigurationen unterschiedlichen Gewichts und einer motorisch betriebenen Einrichtung (12 bis 17) zum mechanischen Ausgleich der durch die unterschiedlichen Tasterkombinationsgewichte hervorgerufenen unterschiedlichen Ruhelagen des mindestens einen vertikal beweglichen Teiles (4'') relativ zum festen Teil (4') und einer Regeleinrichtung ausgerüstet ist, die die motorisch betriebene Einrichtung zum mechanischen Ausgleich unterschiedlicher Tasterkombinationsgewichte zum Ausgleich der unterschiedlichen Ruhelagen derart regelt, dass unabhängig vom Tasterkombinationsgewicht immer dieselbe, durch den Nullpunkt des Positionsmesssystems des mindestens einen vertikal beweglichen Teiles definierte Ruhelage erreicht wird, wobei die Regeleinrichtung eine nichtlineare Reglerstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Zustandsgrößen des Tastkopfes vom messenden Typ einen Phasenraum des Systems mit einer Schalt-Trajektorie bilden und dass die Schalt-Trajektorie entsprechend einem Schwingungszustand des Tastkopfes veränderbar...probe of the measuring type for a coordinate measuring machine with a fixed part (4 ') and at least one in the vertical direction on the other hand displaceable part (4 ''), wherein the displaceable part (4 '') with a position measuring device (11), a mechanical interface (8) to accommodate probe configurations of different weights and a motor-operated device (12 to 17) for mechanical Compensation by the different key combination weights caused different resting states of at least one vertically movable part (4 '') relative to the fixed part (4 ') and equipped with a control device, the motorized device for mechanical compensation different probe combination weights to compensate for the different Quiescent so regulates that regardless of the key combination weight always the same, by the zero point of the position measuring system of the at least one vertically movable part defined rest position is achieved, wherein the control device is a non-linear regulator structure characterized in that state variables of the Probe of the measuring type one phase space of the system with one Form switching trajectory and that the switching trajectory accordingly a vibrational state of the probe changeable ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Tastkopf vom messenden Typ für ein Koordinatenmessgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a probe of the measuring type for a coordinate measuring machine according to the preamble of claim 1.
In der Koordinatenmesstechnik sind Tastköpfe bekannt, die sich im Wesentlichen in zwei Kategorien beschreiben lassen, die das Verfahren kennzeichnen, mit dem die Berührung (Antastung) des Antastkörpers, üblicherweise ein Taststift mit Antastkugel, am Werkstück erkannt wird.In Coordinate metrology probes are known, which are essentially be described in two categories that characterize the procedure, with the touch (Probing) of the probe, usually a stylus with probing ball is detected on the workpiece.
Tastköpfe vom schaltenden Typ erkennen die Antastung beispielsweise durch Auswerten eines Körperschallimpulses, der bei der Berührung mit dem Werkstück entsteht oder durch Öffnen beziehungsweise Schließen eines Stromkreises, wenn durch die Antastkräfte ein kinematisches Lager aus seiner Ruhelage gebracht wird. Diese schaltenden Tastköpfe sind mit einer Einrichtung verbunden, die es ermöglicht, sie in drei Raumrichtungen frei zu bewegen mit dem Ziel, die Antastkugel an jeder beliebigen Stelle mit dem Werkstück in Kontakt zu bringen. Diese Tastköpfe haben den Vorteil, dass sie mechanisch einfach und damit kostengünstig realisierbar sind. Sie haben allerdings den Nachteil, dass mit ihnen ein kontinuierliches Abtasten (Scannen) des Werkstückes nicht möglich ist.Probes from switching type detect the probing, for example, by evaluating a structure-borne sound impulse, the one at the touch with the workpiece arises or by opening or close of a circuit, if by the probing forces a kinematic bearing is brought from its rest position. These switching probes are connected to a device that allows it in three spatial directions free to move with the aim of having the probing ball at any one Place with the workpiece to bring into contact. These probes have the advantage that they are mechanically simple and therefore inexpensive to implement. They have however the disadvantage that with them a continuous scanning (Scanning) of the workpiece not possible is.
Hierzu benötigt man Tastköpfe vom messenden Typ. Sie bestehen aus einem festen Teil, das mit einer Einrichtung verbunden ist, die den Tastkopf in drei Raumdimensionen innerhalb eines definierten Messvolumens frei bewegen und positionieren kann, sowie aus drei üblicherweise orthogonalen, gegenüber dem festen Teil beweglichen Teilen. Die beweglichen Teile sind häufig als Schaukeln mit Parallelfederblechführung ausgebildet, die eine exakte Führung in jeweils einer Raumrichtung ermöglicht. Die drei Schaukeln bauen kinematisch so aufeinander auf, dass die letzte Schaukel der kinematischen Kette innerhalb eines Bewegungsspielraumes in Form eines Würfels von typisch einigen Millimetern Kantenlänge frei beweglich ist. Weiter sind Rückstellelemente vorgesehen, die die Tastkopfschaukeln in eine Ruhestellung bringen, die etwa in der Mitte des Bewegungsspielraumes liegt, wenn keine äußeren Kräfte auf die Schaukeln wirken. Weiter sind Positionsmesseinrichtungen vorgesehen, die die Abweichung von der Ruhelage der einzelnen Schaukeln messen und damit einen Auslenkvektor der kinematisch letzten Schaukel definieren. Die Nullpunkte dieser Positionsmesseinrichtungen definieren üblicherweise die genannte Ruhelage.For this needed man probes of the measuring type. They consist of a solid part that with a Device connected to the probe in three room dimensions move and position freely within a defined measuring volume can, as well as three commonly orthogonal, opposite the fixed part of moving parts. The moving parts are often as Swings formed with parallel spring plate guide, the one exact guidance in each case allows a spatial direction. The three swings build kinematically on each other so that the last swing of the kinematic chain within a range of motion in shape a cube of typically a few millimeters edge length is freely movable. Further are reset elements provided that bring the probe rockers in a rest position, which is located approximately in the middle of the range of motion, if no external forces the swings are working. Furthermore, position measuring devices are provided, which measure the deviation from the rest position of the individual swings and thus define a deflection vector of the kinematically last swing. The zero points of these position measuring devices usually define the quiescent position.
An der letzten Schaukel ist üblicherweise eine mechanische Schnittstelle vorgesehen, die ein automatisches Wechseln von sogenannten Tasterkombinationen ermöglicht. Diese Schnittstelle besteht aus einer kinematisch definierten Lagerung, die genau alle sechs kinematischen Freiheitsgrade festlegt, damit beim wiederholten Einwechseln derselben Tasterkombination die Relativlage zwischen der Tastkopfschaukel und dieser Tasterkombination möglichst exakt reproduziert wird.At the last swing is usually one mechanical interface provided, which allows automatic switching allows so-called button combinations. This interface consists of a kinematically defined storage, which is exactly all Defines six kinematic degrees of freedom, thus repeated Replacing the same probe combination the relative position between the probe rocker and this combination of probes possible is exactly reproduced.
Beim Einwechseln von unterschiedlich schweren Tasterkombinationen wird diejenige Tastkopfschaukel, die die vertikale Achse definiert, durch das unterschiedliche Gewicht der verschiedenen Tasterkombinationen unterschiedlich vorausgelenkt und befindet sich im kräftefreien Zustand in einer Lage, die nicht mit dem Nullpunkt der Positionsmesseinrichtung übereinstimmt. Da dies unerwünscht ist, sind die messenden Tastköpfe üblicherweise mit einer Tariervorrichtung (Gewichtsausgleich) versehen, die die vertikale Schaukel so in ihre Ruhelage bringt, dass die Positionsmesseinrichtung sich im Nullpunkt befindet und sie sich trotzdem noch frei bewegen kann.At the Change of different heavy duty button combinations will the probe rocket that defines the vertical axis through the different weight of different probe combinations different steered ahead and is in the free state in one Position that does not coincide with the zero point of the position measuring device. Because this is undesirable is, the measuring probes are common equipped with a taring device (weight compensation), the vertical swing so brings to its rest position that the position measuring device is at zero point and she still can move freely.
Zum Stand der Technik (WO 02/073123 A1) gehört ein Tastkopf mit einem gegenüber dem festen Teil des Tastkopfes in wenigstens einer Messrichtung beweglichen Taststift und einer zugeordneten Tarierung, die das bewegliche, den Taststift tragende Teil in wenigstens einer Messrichtung in einer Solllage tarieren kann.To the State of the art (WO 02/073123 A1) includes a probe with a respect to the fixed part of the probe in at least one direction of measurement movable Stylus and an associated buoyancy, which is the movable, the stylus carrying part in at least one measuring direction in can tare a desired position.
Dieser zum Stand der Technik gehörende Tastkopf mit Regeleinrichtung hat den Nachteil, dass Tasterwechselzeiten aufgrund von auftretenden Schwingungen sehr lang sind.This belonging to the prior art probe with control device has the disadvantage that Tasterwechselzeiten are very long due to vibrations occurring.
Zum
Stand der Technik (
Diese zum Stand der Technik gehörende Steuerung betrifft einen Tastkopf vom schaltenden Typ. Der Begriff "Tarieren" wird gemäß dieser Druckschrift so verstanden, dass die Andruckkraft von Lager und Gegenlager konstant gehalten wird.These prior art control relates to a probe of the switching type. The term "taring" is used according to this Document understood that the pressure force of bearings and Counter bearing is kept constant.
Zum
Stand der Technik (
Dieser zum Stand der Technik gehörende Tastkopf hat wieder den Nachteil, dass Tasterwechselzeiten aufgrund von auftretenden Schwingungen sehr lang sind.This belonging to the prior art probe again has the disadvantage that Tasterwechselzeiten due to occurring Vibrations are very long.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, die Tasterwechselzeiten bei einem Koordinatenmessgerät mit einem Tastkopf vom messenden Typ zu verkürzen, insbesondere hohe Gewichte in der Z-Achse sehr schnell zu positionieren bei einer geringen Schwingungsanregung und ein sehr schnelles Abbremsen im Zielpunkt zu erreichen.The The technical problem underlying the invention is that the key change times in a coordinate measuring machine with a Probe of the measuring type to shorten, especially high weights to position very quickly in the Z-axis at a low Vibration excitation and a very fast deceleration in the target point to reach.
Dieses technische Problem wird durch einen Tastkopf mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This technical problem is due to a probe with the characteristics of Claim 1 solved.
Dadurch, dass die Regeleinrichtung als nichtlinearer Regler ausgebildet ist, werden die Tasterwechselzeiten erheblich verkürzt. Der dazu notwendige regelungstechnische Aufwand in Bezug auf die Sicherheit der Einhaltung von Stabilitätskriterien und damit Kosten für Serviceeinsätze bei Nichteinhaltung der Stabilitätskriterien aufgrund von gewollten oder ungewollten Systemveränderungen kann gering gehalten werden im Gegensatz zu einer aufwändigen linearen Lösung unter den Randbedingungen einer immer größer werdenden Bandbreite an Tastergewichten bei gleichzeitiger Forderung nach geringen Antastkräften.Thereby, that the control device is designed as a non-linear regulator, the key change times are considerably shortened. The necessary control technology Effort in terms of security of compliance with stability criteria and thus costs for service calls if the stability criteria are not met due to intentional or unwanted system changes can be kept low in contrast to a complex linear solution Under the conditions of an ever-increasing range of probe weights with simultaneous demand for low probing forces.
Die Positionsregelung der Messkopfauslenkung erfolgt auf der Grundlage der nichtlinearen Regelung, zum Beispiel nach Kriterien von Ljapunow, harmonische Balance oder einer schnelligkeitsoptimierten Regelung.The Position control of the measuring head deflection is based on nonlinear control, for example, according to Lyapunov criteria, harmonic Balance or a speed-optimized control.
Nach der Initialisierung und der Bildung von Messkopfzustandsgrößen wird eine maximale Messkopfauslenkschwelle überwacht, die möglichst klein ist (nahe am Zielpunkt der Positionierung), aber gleichzeitig so groß, dass entsprechend der Eigenfrequenz des Messkopfes und damit der Abklingzeit von Messkopfschwingungen der Messkopf möglichst zur Ruhe kommt, wenn der Zielpunkt erreicht ist. Oberhalb der Schwelle wird das Messkopfstellelement vorteilhaft mit konstanter hoher Geschwindigkeit unterhalb mit variabler Geschwindigkeit bewegt.To initialization and the formation of gauge head state quantities a maximum Meßkopfauslenkschwelle monitored, the possible is small (near the target point of positioning), but at the same time so big that according to the natural frequency of the measuring head and thus the Cooldown of head vibrations of the probe as possible to Rest comes when the destination is reached. Above the threshold the Meßkopfstellelement is advantageous at a constant high speed moved below variable speed.
Die Stellgröße für die motorisch betriebene Einrichtung zum mechanischen Ausgleich unterschiedlicher Taster kombinationsgewichte bildet vorteilhafterweise ein Modulator, der von einem Positionsregler angesteuert wird und die Geschwindigkeit zwischen einem positiven Maximum und einem negativen Minimum und Null umschaltet. Der Vorteil liegt darin, dass die Ansteuerung sehr einfach und kostengünstig ist, und die Reibung der motorisch betriebenen Einrichtung zum mechanischen Ausgleich unterschiedlicher Tasterkombinationsgewichte keine Rolle spielt. Die Umschaltfrequenz wird so hoch gewählt, dass Messkopfschwingungen nicht zusätzlich angeregt werden, gleichzeitig aber so niedrig, dass die betriebene Einrichtung unabhängig von ihrer mechanischen Trägheit schnell reagiert. Die Modulatorkennlinie ist nichtlinear, derart, dass der Einlauf in den Zielpunkt der Positionierung möglichst schwingungsarm und trotzdem schnell erfolgt.The Manipulated variable for the motor operated device for mechanical compensation of different Button combination weights advantageously forms a modulator, which is controlled by a position controller and the speed between a positive maximum and a negative minimum and zero switches. The advantage is that the control is very simple and inexpensive, and the friction of the motorized device to the mechanical Compensation of different probe combination weights is not important plays. The switching frequency is selected so high that the sensor head vibrations not additionally stimulated but at the same time so low that the operated equipment independently from their mechanical inertia reacts quickly. The modulator characteristic is non-linear, so that the enema into the target point of positioning as possible low-vibration and still fast.
Die Positionsregelung der Messkopfauslenkung erfolgt auf der Grundlage der nichtlinearen Regelung mit Hilfe einer nichtlinearen Schalt-Trajektorie. In Verbindung mit einer nichtlinearen Modulatorkennlinie kann die Schalt-Trajektorie auch linear sein.The Position control of the measuring head deflection is based on non-linear control using a nonlinear switching trajectory. In conjunction with a nonlinear modulator characteristic, the Switching trajectory also be linear.
Die Zustandsgrößen des Messkopfes bilden den Phasenraum des Systems mit der Schalt-Trajektorie. Sie werden bei optimaler Auslegung der Schalt-Trajektorie entlang dieser geführt bis zu einem definierten Zielgebiet im Phasenraum mit möglichst wenigen Umschaltungen bei idealerweise nicht schwingendem Messkopf. Gleichzeitig werden die aber real vorhandenen Schwingungen des Messkopfes überwacht. Entsprechend dem Schwingungszustand wird die Schalt-Trajektorie in geeigneter Weise verändert, beispielsweise im einfachsten Fall nur verschoben, um zusätzliche Umschaltungen zu erzwingen, die den Messkopfschwingungen entgegenwirken. Al ternativ zu den zusätzlichen Umschaltungen kann auch mindestens eine Zustandsgröße des Systems in geeigneter Weise der Modulatorkennlinie (Pulsbreitenmodulation) oder der Stellgröße für die motorisch betriebene Einrichtung zum mechanischen Ausgleich unterschiedlicher Tasterkombinationsgewichte (Amplitudenmodulation) überlagert werden.The State variables of the Measuring head form the phase space of the system with the switching trajectory. They are along with optimum design of the switching trajectory this led up to a defined target area in phase space with as few as possible Switching with ideally non-oscillating measuring head. simultaneously However, the real existing vibrations of the measuring head are monitored. According to the state of vibration becomes the switching trajectory appropriately changed, For example, in the simplest case, only shifted to additional Force switching that counteracts the Meßkopfschwingungen. Al ternativ to the additional Switches can also be at least one state variable of the system suitably the modulator characteristic (pulse width modulation) or the manipulated variable for the motor operated device for mechanical compensation of different Superimposed probe combination weights (amplitude modulation) become.
Ist das Zielgebiet im Phasenraum erreicht, werden mit Hilfe der sich verändernden Schalt-Trajektorie eventuell noch vorhandene Restschwingungen über ein retriggerbares Zeitintervall, das sich aus der Messkopfeigenfrequenz ableitet, reduziert, oder der oben beschriebene Algorithmus wird vollständig abgeschaltet.is The target area in phase space will be reached with the help of changing Switching trajectory possibly still existing residual vibrations on a retriggerable time interval resulting from the measuring head natural frequency derives, reduces, or becomes the algorithm described above completely shut off.
Wird der Gewichtsausgleich im Zielgebiet des Phasenraumes gestartet, wird der oben beschriebene Algorithmus nicht aktiviert.Becomes the weight balance started in the target area of the phase space, the algorithm described above is not activated.
Wird der Gewichtsausgleich oberhalb der überwachten maximalen Messkopfauslenkschwelle gestartet und schwingt der Messkopf aufgrund einer Stossanregung, zum Beispiel ausgelöst bei einem Tasterwechselvorgang, so dass an der sich nicht verändernden Schalt-Trajektorie eine festgesetzte Anzahl von Umschaltungen stattfindet, wird der oben beschriebene Algorithmus so lange ausgesetzt, bis ein festgesetztes konstantes Zeitintervall abgelaufen ist, in dem keine Umschaltungen mehr stattgefunden haben. Bei der Festlegung der Anzahl der Umschaltungen und dem Zeitintervall wird die Messkopfeigenfrequenz und der Verlauf der Schalt-Trajektorie zugrunde gelegt.If the weight compensation is started above the monitored maximum Meßkopfauslenkschwelle and vibrates the measuring head due to a shock excitation, for example, triggered in a Tasterwechselvorgang, so that at the non-changing switching trajectory a fixed An number of switches takes place, the above-described algorithm is suspended until a fixed constant time interval has elapsed, in which no switching has taken place. In determining the number of switches and the time interval, the Meßkopfeigenfrequenz and the course of the switching trajectory is used.
Mit der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung ist es möglich, einen Gewichtsunterschied von beispielsweise einem Kilogramm in weniger als drei Sekunden auszuregeln, wobei ein Fenster um die Solllage von weniger als zwei Mikrometern erreicht wird.With the control device according to the invention Is it possible, a weight difference of, for example, one kilogram in less than three seconds, with a window around the target position is achieved of less than two microns.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines Tastkopfes vom messenden Typ nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the accompanying drawings, in the one embodiment a probe of the measuring type only exemplified is. In the drawing show:
An
einer Tasteraufnahme (
- 11
- Tastkopfprobe
- 2, 3, 42, 3, 4
- Tastkopfschaukelscanning head rocker
- 2', 3', 4'2 ', 3', 4 '
- fester Teil der Tastkopfschaukelsolid Part of the probe swing
- 2'', 3'', 4''2 '', 3 '', 4 ''
- beweglicher Teil der TastkopfschaukelPortable Part of the probe swing
- 5, 6, 75, 6, 7
- Federblechespring plates
- 88th
- TasteraufnahmeProbe body
- 9, 10, 119 10, 11
- Wegmesssystememeasuring systems
- 12, 13, 1412 13, 14
- GewichtsausgleichsfedernCounterbalancing springs
- 1515
- Spindelmutterspindle nut
- 1616
- Spindelspindle
- 1717
- Motorengine
- 2020
- GewichtsausgleichsregelkreisCounterbalance loop
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Owner name: HEXAGON METROLOGY GMBH, 35578 WETZLAR, DE |
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