DE602004008446T2

DE602004008446T2 - Sonde zur erfassung der position eines objekts

Info

Publication number: DE602004008446T2
Application number: DE602004008446T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Paul Bristol Fuge; Robin William Bristol CASHMORE; David Stroud COLLINGWOOD; Mark Acres
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2024-04-14
Also published as: JP2006522931A; CN101476859A; DE602004008446D1; CN100416216C; ATE371163T1; EP1613921B1; JP4852411B2; US7316077B2; CN101476859B; GB0308149D0; CN1771425A; US20070068024A1; WO2004090467A1; EP1613921A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft Tastköpfe zum Erfassen der Position eines Objektes. Sie kann an einer Positionsvorrichtung wie z. B. Werkzeugmaschinen, Koordinatenmessmaschinen, Messrobotern und dergleichen verwendet werden.
Es ist bekannt, insbesondere bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, ein Schneidwerkzeug gegen einen Positionserfassungs-Tastkopf auszutauschen. Der Tastkopf kann z. B. vom Touch-Trigger-Typ sein, wie der in dem US-Patent Nr. 4 153 998 (McMurtry) gezeigte. Solch ein Tastkopf besitzt einen mit einem Werkstück in Kontakt tretenden Taststift und gibt ein Auslösesignal aus, wenn der Taststift mit einem Werkstück in Kontakt tritt. Alternativ kann der Tastkopf vom „Analog-" oder „Mess-" oder „Proportional-" Typ sein, der einen Ausgang liefert, welcher ein Maß der Ablenkung des Taststifts relativ zu einem Körper des Tastkopfs ist. Anstelle eines mit einem Werkstück in Kontakt tretenden Taststifts kann jeder dieser drei Typen von Tastkopf das Werkstück stattdessen unter Verwendung von optischen, kapazitiven, induktiven (z. B. unter Verwendung von Wirbelströmen) oder anderen kontaktlosen Verfahren erfassen. Die vorliegende Erfindung kann mit jedem dieser und mit weiteren Typen von Tastköpfen verwendet werden.
Da solch ein Tastkopf zum Gebrauch in Werkzeugmaschinen mit Schneidwerkzeugen austauschbar ist, kann es schwierig sein, Drähte oder Kabel vorzusehen, um das Ausgangsignal des Tastkopfs mit dem Controller der Maschine zu verbinden. Infolgedessen werden verschiedene drahtlose Signalübertragungstechniken verwendet, die eine induktive Übertra gung, eine optische Übertragung und eine Funkübertragung umfassen. Der Tastkopf muss dann batteriebetrieben sein. Um die Batterielebensdauer zu erhalten, ist es wünschenswert, dass der Tastkopf nur im Gebrauch eingeschaltet ist.
Eine bekannte Technik zum Einschalten solch eines Tastkopfs ist in dem US-Patent Nr. 4 599 524 (McMurtry) beschrieben. Hier wird, nachdem der Tastkopf in die Spindel einer Werkzeugmaschine eingesetzt wurde, seine Batterie durch eine kurze Rotation der Spindel eingeschaltet. Ein Fliehkraftschalter in dem Tastkopf spricht auf diese Rotation an. Nach dem Gebrauch kann die Batterie durch eine weitere solche Rotation oder durch ein Verzögerungselement in der Schaltung des Tastkopfs, das nach einer vorbestimmten Periode eines Nichtgebrauchs des Tastkopfs den Betrieb unterbricht, getrennt werden.
Tastköpfe, die solche Fliehkraftschalter verwenden, waren kommerziell erfolgreich, allerdings sind die verwendeten Fliehkraftschalter relativ sperrig. Demzufolge können solche Fliehkraftschalter nicht verwendet werden, wenn ein Tastkopf mit einer kleinen physikalischen Größe erforderlich ist, und es war notwendig, andere Verfahren zu verwenden, um den Tastkopf einzuschalten. Ein weiteres Problem mit solchen Fliehkraftschaltern besteht darin, dass sie relativ kostspielig sind.
Das US-Patent Nr. 4 455 755 (Fritsche et al.) offenbart eine weitere bekannte Vorrichtung zum Detektieren der Relativbewegung zwischen einem Sensor und einem Probestück.
Zusammenfassung der Erfindung
Grob umrissen wird in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung solch ein Fliehkraftschalter durch einen Sensor ersetzt, der empfindlich gegenüber einer Linearbeschleunigung ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Sensor in der Form eines Schalters vor, es können aber auch andere Linearbeschleunigungssensoren verwendet werden. Linearbeschleunigungssensoren sind im Handel erhältlich, z. B. als Schalter zur Verwendung bei Automobilen, und können kleiner und kostengünstiger sein als die im Stand der Technik verwendeten Fliehkraftschalter. Es können auch Beschleunigungsmesser verwendet werden, die ein Signal liefern, das proportional zu der Beschleunigung ist.
Somit sieht dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Tastkopf zum Erfassen der Position eines Objektes an einer Positionsvorrichtung vor, der umfasst:
eine erste elektrische Schaltung, die auf den Tastkopf anspricht, der eine erfassende Beziehung mit dem Objekt erreicht;
eine Energieversorgung zum Erregen der Schaltung;
einen Sensor, der auf eine Bewegung des Tastkopfs anspricht und derart angeordnet ist, um zu bewirken, dass die Energieversorgung mit der Schaltung verbunden wird, wenn eine Bewegung detektiert wird;
dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor auf eine Linearbeschleunigung anspricht.
Vorzugsweise ist der Sensor derart in dem Tastkopf positioniert, dass er auch auf eine Rotation anspricht. Daher kann der Tastkopf, nachdem er in eine rotierbare Spindel der Positionserfassungsvorrichtung eingesetzt wurde, rotiert werden, um den Sensor zu aktivieren und somit den Tastkopf einzuschalten.
Wenn eine Rotation verwendet wird, um den Sensor zu betreiben, kann in der Praxis ein weiteres Problem, wie folgt, auftreten. Der Tastkopf kann auch Linearbeschleunigungen unterworfen sein, die den Sensor zu unerwünschten Zeiten aktivieren könnten. Dies kann z. B. während des Wechsels des Tastkopfs zwischen der Spindel der Positionsvorrichtung und einem Werkzeugmagazin auftreten oder wenn solch ein Magazin sich selbst bewegt, während der Tastkopf in ihm gespeichert ist.
Infolgedessen kann der Linearbeschleunigungssensor mit einer Unterscheidungsschaltung zur Unterscheidung zwischen einer Linearbeschleunigung und einer Rotation verbunden sein, wobei die Energieversorgung mit der Erfassungsschaltung verbunden wird, wenn eine Rotation detektiert wird.
Der in dem US-Patent Nr. 4 599 524 beschriebene Fliehkraftschalter ist zum Gebrauch in einer Werkzeugmaschine mit einer Spindel, die um eine vertikale Achse rotiert, entworfen. Dies bringt ein weiteres Problem mit sich: Er ist nicht immer zuverlässig, wenn er in einer Werkzeugmaschine mit einer Spindel verwendet wird, die um eine horizontale Achse rotiert. Dasselbe wäre der Fall, wenn ein Linearbeschleunigungssensor in einer Maschine mit einer horizontalen Spindel verwendet würde. Dies deshalb, da die Schwerkraft über den Zyklus der Rotation um die horizontale Achse die Beschleunigung ändert, die der Sensor erfährt. Am unteren Ende der Rotation wirkt die Schwerkraft in einer radialen Auswärtsrichtung, während sie am oberen Ende in einer radialen Einwärtsrichtung wirkt. Ein fliehkraft- oder anderer beschleunigungsempfindlicher Schalter würde die Tendenz zeigen, sich für einen Teil des Zyklus aus- und für einen weiteren Teil einzuschalten. Andere Arten von Beschleunigungssensor wären in ähnlicher Weise betroffen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen Tastkopf zum Erfassen der Position eines Objektes an einer Positionsvorrichtung vor, der umfasst:
eine erste elektrische Schaltung, die auf den Tastkopf anspricht, der eine erfassende Beziehung mit dem Objekt erreicht;
eine Energieversorgung zum Erregen der ersten Schaltung;
einen Sensor, der auf eine Bewegung des Tastkopfs anspricht und derart angeordnet ist, um zu bewirken, dass die Energieversorgung mit der ersten elektrischen Schaltung verbunden wird, wenn eine Bewegung detektiert wird;
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsunterscheidungsschaltung mit dem Sensor verbunden ist, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung eine Bewegung, die angibt, dass der Tastkopf in Gebrauch steht, von anderen Bewegungen unterscheidet.
Die Bewegungsunterscheidungsschaltung kann auf den Empfang eines Signals ansprechen, das einer vorbestimmten Signatur, die einer Bewegung des Tastkopfs zugeordnet ist, entspricht.
Vorzugsweise unterscheidet die Bewegungsunterscheidungsschaltung eine Rotation des Tastkopfs von Linearbeschleunigungen, wobei die Energieversorgung mit der ersten elektrischen Schaltung verbunden wird, wenn eine Rotation detektiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform detektiert ein Bewegungsunterscheidungsschaltung, ob ein Signal, das eine Rotation angibt, von dem Sensor über eine oder mehrere Zeitperioden, die nur einem Teil oder Teilen einer vollständigen Umdrehung des Tastkopfs entsprechen, empfangen wird.
Somit verbessern bevorzugte Ausführungsformen dieses weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung die Zuverlässigkeit von sowohl Fliehkraft- als auch Linearbeschleunigungssensoren, wenn diese verwendet werden, um eine Rotation an Maschinen mit einer horizontalen Spindel zu detektieren, bei denen der Sensor ein Signal für nur einen Teil einer vollständigen Umdrehung geben kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses weiteren Aspekts der Erfindung kann der Sensor wiederum ein Schalter sein.
In jedem Aspekt der Erfindung kann der Sensor auch derart angeordnet sein, um die Energieversorgung von der ersten elektrischen Schaltung zu trennen, wenn eine weitere Rotation oder andere Bewegung des Tastkopfs detektiert wird. Alternativ kann ein Zeitgeber vorgesehen sein, der die Energieversorgung eine vorbestimmte Periode, nachdem sie verbunden wurde, oder nach einer vorbestimmten Periode eines Nichtgebrauchs des Tastkopfs trennt. Der Tastkopf kann beide dieser Optionen aufweisen, um die Energieversorgung zu trennen.
Die Energieversorgung ist vorzugsweise eine Batterie.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch einen in einer Werkzeugmaschine eingebauten Tastkopf veranschaulicht;
2 ein vertikaler Querschnitt eines Teils des Tastkopfs von 1 ist;
3 ein horizontaler Schnitt an der Linie III-III in 2 ist;
4 ein Schaltschema eines Teils der Schaltung in dem Tastkopf ist;
5, 6, 7 und 8 Flussdiagramme von Teilen eines Programmes sind, das auf einem in der Schaltung von 4 enthaltenen Prozessor laufen kann; und
9 ein Schaltschema eines Teils einer alternativen Ausführungsform ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf 1 weist ein Touch-Trigger-Tastkopf 10 einen Schaft 16 zum Einsetzen in eine rotierbare Spindel 14 einer Werkzeugmaschine im Austausch gegen ein Schneidwerkzeug auf. Die Spindel kann dann in drei Dimensionen (in den Richtungen X, Y, Z) relativ zu einem Werkstück (nicht gezeigt) bewegt werden, um einen Taststift 12 des Tastkopfs 10 in Kontakt mit verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Werkstückes zu bringen. Eine Schaltung in dem Tastkopf, z. B. wie in dem US-Patent Nr. 4 153 998 beschrieben, detektiert einen Kontakt zwischen dem Taststift 12 und dem Werkstück und erzeugt in Ansprechen ein Auslösesignal. Das Auslösesignal wird an eine Schnittstelle 18 übertragen, die es zu einem CNC-Controller der Werkzeugmaschine leitet. Dieser zeichnet die X, Y, Z-Position der Spindel 14 relativ zu dem Werkstück zum Zeitpunkt des Kontakts auf und erlaubt dadurch, dass Größenmessungen des Werkstückes durchgeführt werden.
Da der Tastkopf 10 gegen Schneidwerkzeuge in der Spindel 14 der Werkzeugmaschine austauschbar sein soll, wäre es schwierig, sein Signal über eine festverdrahtete Verbindung zu übertragen. Der Tastkopf ist daher batteriebetrieben und weist ein drahtloses Signalübertragungssystem auf. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird ein Funkübertragungssystem verwendet und das Signal wird von einer Antenne 20 empfangen, die mit der Schnittstelle 18 verbunden ist. Allerdings sind auch andere drahtlose Übertragungssysteme für solche Tastköpfe, die optische und induktive Übertragungssysteme umfassen, gut bekannt, und diese können gleichermaßen verwendet werden. Anstelle des Touch-Trigger-Tastkopfs 10 kann eine beliebige andere Art von Tastkopf einschließlich der in der Einleitung dieser Beschreibung erwähnten verwendet werden.
Die 2 und 3 zeigen mehr Details des in 1 gezeigten Touch-Trigger-Tastkopfs 10. Der mit einem Werkstück in Kontakt tretende Taststift 12 ist mit einer Taststifthalterung 22 in einem Gehäuse 24 des Tastkopfs verbunden oder verbindbar. Die Taststifthalterung 22 weist drei radial vorstehende Rollen 26 auf. Diese sitzen kinematisch auf entsprechenden Paaren von Kugeln 28 unter der Vorspannkraft einer Feder 23, wodurch der Taststift 12 eine präzise wiederholbare Ruheposition erhält. Wenn der Taststift 12 mit einem Werkstück in Kontakt tritt, wird er in dieser Ruheposition gestört und unterbricht eine elektrische Schaltung zwischen den Rollen 26 und Kugeln 28. Für weitere Details dieser und alternativer Anordnungen, die verwendet werden können, wird auf das US-Patent Nr. 4 153 998 verwiesen.
Eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung des resultierenden Signals ist auf einer Folienplatine 30 vorgesehen. Wie gezeigt, kann diese vorteilhafterweise zu einer Dreiecksform gewickelt sein, die allgemein koaxial mit dem Taststift 12 und der Taststifthalterung 22 und mit der Rotationsach se der Spindel 14 steht. Die Folienplatine 30 kann entweder die Tastkopfhalterung 22 umgeben oder über diesem angeordnet sein. Dies ergibt eine kompakte Anordnung, sodass der Tastkopf in ein kleines Gehäuse 24 eingebaut werden kann. Die elektronische Schaltung umfasst die Komponenten, die erforderlich sind, um das von der Schaltung über die Kugeln 28 und Rollen 26 empfangene Auslösesignal zu verarbeiten, wobei viele davon in einer dedizierten programmierbaren Prozessor- oder Mikroprozessorschaltung wie z. B. einer programmierbaren integrierten Schaltung (PIC) enthalten sind. Sie umfasst auch die Komponenten, die für eine drahtlose Übertragung des Signals an die Schnittstelle 18 erforderlich sind.
Zum besseren Verständnis zeigen die 2 und 3 nur eine der an der Folienplatine 30 angebrachten Komponenten. Diese ist ein Linearbeschleunigungsschalter 32. Ein geeigneter Typ ist im Handel von American Electronic Components Inc., 23590 County Road 6, Elkhart, IN 46515, USA, als Teil #DD 1284 erhältlich. Diese Solche werden auch als G-Schalter, d. h. solche, die auf Beschleunigungskräfte reagieren, angeboten. Der Schalter wird unter anderem wegen seiner kompakten Größe gewählt, um den Einbau in die kompakte Anordnung, die in den 2 und 3 gezeigt ist, zu erleichtern. Er enthält eine Kugel 34, die durch eine Feder 38 von einem verstellbaren Taststift 36 weg vorgespannt ist. Wenn der Tastkopf einer Beschleunigung ausgesetzt ist, stellt die Kugel 34 einen elektrischen Kontakt mit dem Stift 36 gegen die Wirkung der Feder 38 her, wodurch ein elektrischer Kreis geschlossen wird.
Der Linearbeschleunigungsschalter 32 ist außerhalb der Achse des Tastkopfs (um die er durch die Spindel 14 rotierbar ist) angebracht. Dadurch ist sichergestellt, dass er nicht nur auf Linearbeschleunigungen sondern auch auf eine Rotation der Spindel 14 reagiert.
Da der Tastkopf 10 batteriebetrieben ist, ist es wünschenswert, die Batterielebensdauer der zu erhalten, indem der Tastkopf nur eingeschaltet wird, wenn er für den Gebrauch benötigt wird. Der Schalter 32 wird verwendet, um dies auf eine ähnliche Weise wie in dem US-Patent Nr. 4 599 524 zu erreichen. Er reagiert auf die Beschleunigung, die er erfährt, wenn die Spindel 14 der Werkzeugmaschine rotiert wird, und wird verwendet, um den Tastkopfschalter von einem schlafenden oder Ruhezustand, in dem er den Schalter 32 lediglich überwacht, in einen vollständig „eingeschalteten" Zustand zu schalten. Somit kann der Tastkopf, nachdem er in die Spindel 14 eingesetzt wurde, durch eine kurze Rotation der Spindel 14 unter der Steuerung des CNC-Controllers der Werkzeugmaschine für den normalen Gebrauch vollständig eingeschaltet werden.
Im Gegensatz zu dem US-Patent Nr. 4 599 524 reagiert der Schalter 32 jedoch nicht nur auf Beschleunigungen, die durch eine Rotation bewirkt werden, sondern auch auf Linearbeschleunigungen. Er könnte zum Beispiel auf Beschleunigungen reagieren, die durch einen automatischen Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine verursacht werden, wenn der Tastkopf in die Spindel 14 eingesetzt oder von dieser entfernt wird; oder auf Beschleunigungen, wenn sich die spindel normal um das Werkstück herum bewegt; oder auf Bewegungen, wenn der Tastkopf außer Gebrauch in einem Magazin oder Karussell des automatischen Werkzeugwechslers aufbewahrt ist. Anordnungen zum Detektieren der Rotation und um sie von anderen solchen Beschleunigungen zu unterscheiden, werden nun unter Bezugnahme auf die 4, 5 und 6 beschrieben.
4 zeigt bei 40 die PIC oder einen anderen Prozessor, die/der derart ausgewählt ist, dass sie/er einen niedrigen Stromverbrauch aufweist, da sie/er permanent mit einer Batterie 52 oder einer anderen in dem Tastkopfgehäuse 24 angeordneten Energieversorgung verbunden ist. Die PIC ist derart programmiert, dass auf ihr eine Anzahl von Routinen abläuft. Diese können z. B. digitale Filterfunktionen zum Verarbeiten des Auslösesignals umfassen, wie in unserer gleichzeitig anhängigen internationalen Patentanmeldung Nr. WO 03/021 182 beschrieben ist. Sie können auch Funktionen umfassen, die Betriebsmodi des Tastkopfs voreinstellen, wie in der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 02/063 235 beschrieben ist.
Ein solcher Betriebsmodus, der in dem Tastkopf während der Fertigung oder beim Einbau voreingestellt sein kann, kann bestimmen, ob der Tastkopf durch den Schalter 32 anstatt durch ein anderes Mittel eingeschaltet werden soll. Wenn es so ist, dann bewirkt ein Ausgang 41 der PIC 40, dass ein elektronsicher Schalter 56 eine Versorgungsspannung von der Tastkopfbatterie 52 an einen Widerstand R1 anlegt. Als Alternative kann der Widerstand R1 eine Versorgungsspannung direkt von dem Ausgang 41 der PIC 40 empfangen.
Wie in 4 gezeigt, ist der Beschleunigungsschalter 32 in Serie mit einem Widerstand R1 über die Batterie 52 verbunden. Der Schalter ist mit einer Eingangsleitung 42 der PIC 40 verbunden, sodass dieser Eingang hoch ist, wenn der Schalter 32 offen ist, und niedrig ist, wenn er geschlossen ist. Ein einfaches RC-Filter, das einen Kondensator C1 und einen Widerstand R2 umfasst, filtert transiente Spitzen, falls der Schalter 32 vorübergehend schließt, z. B. als Ergebnis einer Vibration, und der Widerstand R1 begrenzt den Strom durch den Schalter 32.
5 zeigt schematisch eine der Programmroutinen, die auf der PIC 40 abläuft und in regelmäßigen Intervallen (im vorliegenden Beispiel alle 1 ms) aufgerufen wird. In einem Schritt 44 wird der Eingang 42 von dem Schalter 32 zyklisch abgefragt (in Intervallen von 1 ms), um festzustellen, ob der Eingang hoch oder niedrig ist. Jedes Mal, wenn die Routine 44 den Schalter zyklisch abfragt, speichert sie den resultierenden Wert in einem internen Speicher.
Ein Schritt 45 dieser Routine analysiert dann die letzten 150 so gespeicherten Werte, um festzustellen, ob der Schalter bei mindestens 33% der vorhergehenden 150 Abfragungen geschlossen war. Er setzt oder löscht ein Flag in dem Speicher auf Basis dessen und gibt somit auf einer kontinuierlichen Rollbasis an, ob der Schalter 32 für zumindest 33% der vorhergehenden 150 ms geschlossen war.
Dies definiert ein erstes Zeitintervall mit einer Dauer von 150 ms, die gewählt wird, da sie annähernd der Zeit entspricht, die eine Umdrehung des Tastkopfs bei einer Drehzahl von 400 Umdrehungen pro Minute benötigt. Somit bleibt das Flag gesetzt, wenn der Schalter 32 für mindestens ein Drittel einer jeden Umdrehung des Tastkopfs geschlossen ist. Dies hat zwei Effekte. Erstens filtert es jegliches Kontaktgrellen von dem Schalter 32. Zweitens stellt es sicher, dass das Flag gesetzt bleibt, auch wenn der Tastkopf um eine horizontale Achse (in einer Maschine, in der die Spindel 14 horizontal ist) rotiert wird. Im letzteren Fall kann der Schalter 32 infolge der Schwerkraft bis zur Hälfte einer jeden Umdrehung geöffnet sein, aber das Flag bleibt gesetzt.
Selbstverständlich könnte die Länge dieses ersten Zeitintervalls geändert sein, z. B. wenn der Tastkopf bei einer anderen Drehzahl rotiert werden soll, wenn er eingeschaltet werden soll. Wenn er z. B. bei 1000 Umdrehungen pro Minute rotiert werden soll, kann das erste Zeitintervall 60 ms anstelle von 150 ms betragen. Der Anteil dieses Zeitintervalls, in dem der Schalter geschlossen sein muss, um das Flag zu setzen, kann ebenfalls geändert sein, er könnte z. B. einer viertel oder einer halben Umdrehung entsprechen.
6 zeigt schematisch eine separate Routine 46, die ebenfalls in regelmäßigen Intervallen (z. B. alle 1 ms) aufgerufen wird, um dieses Flag zyklisch abzufragen. Sie führt eine Analyse aus, um festzustellen, ob das Flag für die vorhergehenden 500 ms kontinuierlich gesetzt (hoch) war und definiert ein zweites Zeitintervall, das länger als das erste ist. Wenn dies der Fall ist, liefert sie einen Ausgang auf einer Leitung 48 der PIC (siehe 4).
Die Dauer von 500 ms des zweiten Zeitintervalls wird gewählt, um zwischen einer absichtlichen Rotation des Tastkopfs 10 und Linearbeschleunigungen der oben erläuterten Arten zu unterscheiden. Die Linearbeschleunigungen dauern typischerweise weniger als 500 ms, während es einfach ist, es so einzurichten, dass der Tastkopf für eine Zeitspanne von mehr als 500 ms rotiert wird. Die Dauer dieses zweiten Zeitintervalls könnte in der Praxis abhängig von der Dauer der erfahrenen Linearbeschleunigungen selbstverständlich auch mehr oder weniger als 500 ms betragen.
Die ersten und zweiten Zeitintervalle entsprechen daher einer vorbestimmten Signatur, die mit einer spezifischen Bewegung des Tastkopfs (und zwar eine absichtliche Rotation der Spindel) in Beziehung steht. Die Routinen der 5 und 6 stellen sicher, das die PIC-Schaltung 40 auf Signale von dem Schalter 32, die durch diese Rotation bewirkt werden, anspricht.
Das Vorliegen des Ausgangs auf der Leitung 48 gibt somit an, dass der Schalter 32 durch die absichtliche Rotation der Spindel 14 und nicht durch irgendeine andere Form von Beschleunigung betätigt wurde. Wie in
4 ersichtlich, betätigt er einen elektronischen Schalter 50, um Energie von der Batterie 52 an die viel Energie verbrauchenden Schaltungen 54 des Tastkopfs anzulegen. Diese umfassen die Schaltung über die Kugeln 28 und Rollen 26 und die drahtlose Signalübertragungsschaltung, die das Tastkopfsignal über eine Antenne 58 in dem Tastkopf überträgt.
7 zeigt eine Programmroutine, die auf dem Prozessor 40 als eine Alternative zu den Routinen der 5 und 6 laufen kann. Wie bei den 5 und 6 wird diese Routine in regelmäßigen Intervallen, z. B. alle 1 ms einmal, aufgerufen.
Der erste Schritt 73 dieser Routine fragt den Schalter 32 (in den 1 ms-Intervallen) zyklisch ab. Ein Schritt 74 stellt dann fest, ob der Eingang von dem Schalter hoch oder niedrig ist, was angibt, ob der Schalter 32 offen oder geschlossen ist. Wenn er geschlossen ist, inkrementiert ein Schritt 76 ein in dem Speicher des Prozessors 40 gehaltenes internes Softwareregister.
Unabhängig davon, ob der Eingang von dem Schalter 32 hoch oder niedrig war, wird in Schritt 78 ein Softwarezähler inkrementiert. Ein Schritt 80 prüft dann, ob der Softwarezähler einen Zählwert von 150 erreicht hat. Die Routine schreitet nur dann zu den nächsten in 7 gezeigten Schritten weiter, wenn er 150 erreicht hat. Wenn der Zählwert kleiner ist als 150, endet die Routine (Schritt 81) und setzt keine weitere Aktion, bis sie das nächste Mal, 1 ms später, aufgerufen wird.
Da der Zähler alle 1 ms inkrementiert wird, gibt er in den Schritten 78 und 80 an, ob ein erstes Zeitintervall von 150 ms verstrichen ist. Wenn ja, dann überprüft die Routine in einem Schritt 82 den Zählwert, der von dem Register erreicht wurde, das in Schritt 76 inkrementiert wurde. Sie stellt fest, ob der Zählwert in diesem Register gleich oder größer als 50 ist. Wenn ja, gibt dies an, dass der Schalter 32 für mindestens 33% des ersten 150 ms-Zeitintervalls geschlossen war, und ein internes Flag in dem Speicher des Prozessors 40 wird gesetzt (Schritt 84). Wenn der Zählwert des Registers hingegen kleiner als 50 ist, wird das Flag gelöscht (Schritt 86).
Es ist verständlich, dass die Schritte 74–82, wie bisher beschrieben, als eine Möglichkeit der Implementierung des in 5 angezeigten Prozesses 45 verwendet werden könnten. In der vorliegenden Routine unterscheiden sich jedoch die in den Schritten 84 und 86 gesetzten Flagsetz- und -löschaktionen von jenen in 5.
Im Speziellen sieht die Routine von 7 nicht ein, sondern drei solcher Flags in dem Speicher des Prozessors 40 vor. Eines dieser drei Flags wird wiederum jedes Mal gesetzt, wenn Schritt 84 erreicht ist. Auf diesen folgt ein Schritt 88, der feststellt, ob alle drei Flags bei den letzten drei aufeinanderfolgenden Durchgängen des Schrittes 84 nacheinander gesetzt wurden. Wenn nicht, endet die Routine lediglich bei Schritt 92 und setzt keine weitere Aktion, bis sie 1 ms später wieder aufgerufen wird.
Wenn drei Flags nacheinander vorhanden waren, gibt Schritt 90 ein Signal auf der Leitung 48 des Prozessors 40 aus, um die Tastkopfschaltungen 54 einzuschalten (siehe 4) Dann endet die Routine über Schritt 92. Somit ist das Ergebnis ähnlich jenem der Routine von 6, außer dass anstelle einer einzigen Zeitperiode von 500 ms festgestellt wird, ob Flags für drei aufeinanderfolgende Perioden von 150 ms (insgesamt 450 ms) gesetzt worden sind. Wie in 6 sieht dies ein zweites Zeitintervall vor, das länger ist als das erste und zwischen einer absichtlichen Rotation des Tastkopfs 10 und Linearbeschleunigungen unterscheidet.
Wenn in Schritt 82 festgestellt wird, dass das Register einen Zählwert von 50 während des ersten 150 ms-Zeitintervalls nicht überschritten hat, dann löscht der Schritt 86 alle drei Flags. Dies gibt an, dass das zweite 450-ms-Zeitintervall nicht erreicht worden ist und daher keine weitere Aktion erforderlich ist. Wiederum endet die Routine über Schritt 92.
Wann immer die Routine über Schritt 92 endet, ist es notwendig, das Register und den Zähler auf null zu setzen, bereit für ein zukünftiges Inkrementieren in den Schritten 76 und 78. Dies startet ein neues erstes 150 ms-Zeitintervall das nächste Mal, wenn der Schalter 32 in Schritt 44 zyklisch abgefragt wird.
Wiederum ist einzusehen, dass die verschiedenen Zeitintervalle einer vorbestimmten Signatur entsprechen, die mit einer speziellen Bewegung des Tastkopfs, d. h. einer absichtlichen Rotation der Spindel, in Beziehung steht. Wiederum stellt die Routine von 7 sicher, dass die PIC-Schaltung 40 auf Signale von dem Schalter 32, die durch diese Rotation bewirkt werden, anspricht.
Nachdem die viel Energie verbrauchenden Schaltungen 54 eingeschaltet worden sind, ist es auch wünschenswert, sie auszuschalten, wenn der Gebrauch des Tastkopfs beendet ist. Das Verfahren, mit dem dies zu erfolgen hat, kann einer der Betriebsmodi sein, die in den Tastkopf vorprogrammiert und in dem Speicher der PIC 40 gespeichert sind, wie in der oben erwähnten internationalen Patentanmeldung Nr. WO 02/063 235 beschrieben ist. Ein solches Verfahren besteht im Detektieren einer weiteren absichtlichen Rotation des Tastkopfs in der Spindel 14. Eine Alternative besteht, darin dass der Tastkopf nach einer vorbestimmten Periode eines Nichtgebrauchs seinen Betrieb unterbricht.
8 zeigt eine Routine, die zu diesem Zweck in regelmäßigen Intervallen auf der PIC 40 abläuft. Diese Routine läuft nur dann ab, wenn die Tastkopfschaltungen 54 eingeschaltet worden sind (d. h. die Leitung 48 ist hoch). Dieser Zustand wird in einem anfänglichen Schritt 60 festgestellt und wenn er falsch ist, kehrt die Routine einfach zurück, ohne irgendeinen der nächsten Schritte auszuführen.
Im nächsten Schritt 62 überprüft die Routine den in dem Speicher der PIC 40 gespeicherten vorprogrammierten Betriebsmodus. Sie stellt fest, ob ein „Ausdreh"-Modus vorprogrammiert wurde, d. h., ob die Schaltungen 54 durch eine weitere Rotation des Tastkopfs ausgeschaltet werden sollen. Wenn die Antwort ja lautet, schreitet sie zu einem Schritt 64 weiter. In Schritt 64 wartet sie auf eine weitere Rotation des Tastkopfs, wie in den 5 und 6 oder 7 festgelegt. Unterdessen wird ein Normalbetrieb des Tastkopfs fortgesetzt. Wenn solch eine weitere Rotation detektiert wird, werden die Schaltungen 54 ausgeschaltet, indem die Leitung 48 der PIC niedrig genommen wird (Schritt 66).
Wenn in Schritt 62 festgestellt wird, dass sich der Tastkopf nicht in dem „Ausdreh"-Modus befindet, dann werden die Schaltungen 54 stattdessen durch einen „Time-Out" (= Unterbrechungs)-Modus ausgeschaltet. Hier stellt ein Schritt 68 die vorprogrammierte Dauer des Time-Out (= Unterbrechungs)-Intervalls, z. B. 12 s, 33 s und 124 s, fest. Dies ist ein vorwählbarer Wert, wie zuvor in dem Speicher der PIC 40 in Übereinstimmung mit der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 02/063 235 gespeichert.
Als Nächstes wartet die Routine in Schritt 70 auf das festgelegte Time-Out-Intervall. Unterdessen wird ein Normalbetrieb des Tastkopfs fortgesetzt, wie in Schritt 64. Das Time-Out-Intervall beginnt, wenn die Tast kopfschaltungen 54 eingeschaltet wurden. In vorteilhafter Weise kann das Time-Out-Intervall jedoch jedes Mal neu gestartet werden, wenn der Tastkopf ein Auslösesignal erzeugt. Dies stellt sicher, dass die Tastkopfschaltungen 54 nicht während einer lang andauernden Gebrauchsperiode des Tastkopfs ausgeschaltet werden. Wenn das Time-Out-Intervall abläuft, werden die Schaltungen 54 ausgeschaltet, indem die Leitung 48 der PIC niedrig genommen wird (Schritt 72).
Auch wenn in 8 nicht gezeigt, kann es selbst im „Ausdreh"-Modus wünschenswert sein, ein langes Time-Out-Intervall, z. B. 90 Minuten, vorzusehen, um sicherzustellen, dass die Tastkopfschaltungen 54 letztendlich ausgeschaltet werden, selbst wenn in Schritt 64 keine weitere Rotation des Tastkopfs detektiert wird.
Anstelle des in den 2 und 3 gezeigten Schalters 32 können andere beschleunigungsempfindliche Schalter oder Sensoren verwendet werden.
Zum Beispiel kann ein Quecksilberschalter verwendet werden. Er kann normalerweise geschlossen sein und sich öffnen, wenn eine Beschleunigung erfolgt (im Gegensatz zu dem normalerweise offenen Schalter 32). Schritt 45 von 5 sollte dann eine Prüfung vornehmen, um zu sehen, ob der Schalter geöffnet anstatt geschlossen worden ist. Technisch funktioniert solch eine Anordnung gut, Quecksilberschalter besitzen jedoch ökologische Nachteile.
Alternativ können Linearbeschleunigungsschalter, die aus mikrobearbeitetem Silizium (MEMS) gebildet sind, verwendet werden. Wie zuvor erwähnt, besteht eine weitere Alternative darin, einen Beschleunigungsmesser zu verwenden, der ein Signal liefert, das zu der Beschleunigung proportional ist, wobei eine geeignete Verarbeitung des Signals entweder elektronisch oder durch die Software in der PIC 40 vorgesehen ist. Piezo- oder Dehnungsmesssensoren können verwendet werden.
9 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Der Tastkopf ist mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren 132 versehen. Vorzugsweise sind zumindest zwei vorhanden, die unter rechten Winkeln in dem Tastkopf angeordnet sind, sodass sie auf Bewegungen auf zwei orthogonalen Achsen X und Y ansprechen. Optional kann ein dritter solcher Sensor 132 vorhanden sein, der unter rechten Winkeln zu den beiden anderen angeordnet ist, sodass er auf Bewegungen in der Z-Richtung (d. h. der Rotationsachse der Spindel) anspricht.
Der/die Sensor/en 132 kann/können der/dieselben sein wie der beschleunigungsempfindliche Schalter 32 in den 2 und 3 oder kann/können eine andere Art von beschleunigungsempfindlichen Sensor sein, wie oben erläutert. Besonders im letzteren Fall können Signalverarbeitungsschaltungen 100 erforderlich sein, um die Signale in eine Form zu verarbeiten, in der sie einem/r programmierbaren Mikroprozessor oder PIC 140, die der PIC 40 in 4 entspricht, zugeführt werden können.
Der/die Sensor/en 132 liefert/n (optional über die Signalverarbeitungsschaltungen 100) ein Signal oder Signale 102, das/die mit den Bewegungen und Beschleunigungen, die der Tastkopf erfährt, in Beziehung steht/stehen. Diese umfassen die Bewegungen und Beschleunigungen, die der Tastkopf während eines Werkzeugwechselvorgangs erfährt, wenn er aus einem Werkzeugkarussell der Werkzeugmaschine entnommen und in die Werkzeugmaschinenspindel eingesetzt wird. Da diese Bewegungen und Beschleunigungen für eine gegebene Werkzeugmaschine dieselben sind, bildet/en das Signal oder die Signale 102 eine Signatur, die für den Werkzeugwechselvorgang eindeutig ist.
Die PIC 140 lernt daher den Vorgang eines Werkzeugwechsels (Einsetzen des Tastkopfs in die Spindel vor dem Gebrauch), indem sie das/die entsprechende/n Signatursignal oder -signale 102 von dem Sensor oder den Sensoren 132 in einem Flash-Speicher 104 speichert. Dies geschieht durch Ausführen eines oder mehrerer solcher Werkzeugwechsel in einem Lernschritt, wenn der Tastkopf in der Werkzeugmaschine eingebaut wird.
Während eines nachfolgenden Gebrauchs überwacht die PIC 140 das/die von dem/den Sensor/en 132 empfangene/n Signal/e. Wenn sie mit dem/den gespeicherten Signatursignal/en bis zu einer geeigneten Toleranz übereinstimmen, wird auf einer Leitung 148, die der Leitung 48 in 4 entspricht, ein Ausgang geliefert. Dadurch wird die Batterieenergieversorgung mit den übrigen Schaltungen des Tastkopfs verbunden. Es wird zu erkennen sein, dass somit zwischen der Bewegung des Tastkopfs während des Werkzeugwechselvorgangs und anderen Bewegungen des Tastkopfs unterschieden wird.
Das/die Signatursignal/e 102 ist/sind in 9 in rechteckiger Form gezeigt, sodass es/sie in dem Speicher 104 im Hinblick auf die Dauer der hohen und niedrigen Teile der Wellenform gespeichert werden kann/können. Wenn jedoch ein Sensor oder Sensoren 132 verwendet wird/werden, der/die Ausgänge liefert/n, die zu der Beschleunigung proportional sind, können diese durch einen A/D-Wandler digitalisiert werden, der anstelle der Signalverarbeitungsschaltung 100 vorgesehen ist. Die Signatur kann dann in dem Speicher 104 als eine digitale Darstellung gespeichert werden.
Alternativ kann/können der eine oder die mehreren Sensor/en 132 (ein) Schwingungssenor/en sein, der/die (einen) Ausgang/Ausgänge liefert/n, die auf Vibrationen anspricht/ansprechen, der/die während der Bewe gungen des Tastkopfs bei einem Werkzeugwechselvorgang und insbesondere, wenn der Schaft 16 des Tastkopfs in Kontakt mit den passenden Teilen der Spindel 14 gebracht wird, auftreten. Wiederum wird dies für eine gegebene Werkzeugmaschine eindeutig sein und die Vibrationssignatur kann somit auf dieselbe Weise gelernt und verwendet werden wie oben. Es ist verständlich, dass diese Anordnung die Bewegungen indirekt, als ein Ergebnis der verursachten Vibrationen, unterscheidet.
Welche Form von solch einer Signaturerkennung auch verwendet wird, die Tastkopfschaltung kann von der Batterie auf jede beliebige der oben für die verschiedenen Ausführungsformen erläuterten Arten, z. B. eine Unterbrechung nach einer Periode von Inaktivität, getrennt werden. Wenn es erwünscht ist, eine Bewegungs- oder Vibrationsdetektion zu verwenden, um die Batterie zu trennen, dann muss ein zweites Signatursignal (oder ein Satz von Signatursignalen von jedem Sensor 132) gelernt und in dem Speicher 104 gespeichert werden, das der Bewegung des Tastkopfs entspricht, wenn er aus der Spindel entnommen und in das Werkzeugkarussell zurückgegeben wird.
Anstelle von Sensoren 32, 132, die speziell vorgesehen sind, um auf eine Bewegung oder Vibration zu reagieren, ist es in jeder der oben stehenden Ausführungsformen möglich, die Sensoren zu verwenden, die normalerweise bereits in einem Tastkopf vorgesehen sind, um das Werkstück zu erfassen. Zum Beispiel kann im Fall eines Tastkopfs gemäß dem US-Patent 4 153 998 eine Vibration oder Bewegung während eines Werkzeugwechselvorgangs bewirken, dass sich die elektrischen Kontakte lösen, die normalerweise einen Kontakt des Taststifts des Tastkopfs mit einer Werkstückoberfläche anzeigen. Alternativ können in einem Analog- oder Mess- oder Proportionaltastkopf die Sensoren für die X-, Y-, Z-Bewegung des Taststifts als Beschleunigungsmesser dienen. In jedem Fall können diese Sensoren, wenn sie permanent mit der Batterie verbunden sind, verwendet werden, um Signatursignale zu liefern, die die PIC 140 in 9 lernen und detektieren kann. Der Ausgang auf der Leitung 148 kann dann verwendet werden, um die Signalübertragungsschaltungen des Tastkopfs, die normalerweise die größten Energieverbraucher sind, einzuschalten.

Claims

Tastkopf (10) zum Erfassen der Position eines Objektes an einer Positionsvorrichtung, mit: einer ersten elektrischen Schaltung, die auf den Tastkopf anspricht, der eine erfassende Beziehung mit dem Objekt erreicht; einer Energieversorgung (52) zum Erregen der ersten Schaltung; einem Sensor (32), der auf eine Bewegung des Tastkopfs anspricht und derart angeordnet ist, um zu bewirken, dass die Energieversorgung mit der ersten elektrischen Schaltung verbunden wird, wenn eine Bewegung detektiert wird; dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungsunterscheidungsschaltung mit dem Sensor verbunden ist, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung derart ausgebildet ist, um eine Bewegung, die angibt, dass der Tastkopf in Gebrauch steht, von anderen Bewegungen zu unterscheiden.
Tastkopf nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Beschleunigungssensor ist, der derart angebracht ist, dass er auf eine Rotation des Tastkopfs anspricht, die angibt, dass er in Gebrauch steht.
Tastkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung eine Rotation des Tastkopfs von Linearbeschleunigungen unterscheidet, wobei die Energieversorgung mit der ersten elektrischen Schaltung verbunden wird, wenn eine Rotation detektiert wird.
Tastkopf nach Anspruch 3, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung detektiert, ob ein Signal, das eine Rotation angibt, von dem Sensor über eine oder mehrere Zeitperioden, die nur einem Teil oder Teilen einer vollständigen Umdrehung des Tastkopfs entsprechen, empfangen wird.
Tastkopf nach Anspruch 1, wobei die Bewegungsunterscheidungsschaltung auf den Empfang eines Signals anspricht, das einer vorbestimmten Signatur, die einer Bewegung des Tastkopfs zugeordnet ist, oder einer Vibration während einer derartigen Bewegung entspricht.
Tastkopf nach Anspruch 5, wobei das Signal der vorbestimmten Signatur einer Rotation des Tastkopfs entspricht.
Tastkopf nach Anspruch 5, wobei das Signal der vorbestimmten Signatur einer vorbestimmten Sequenz von Bewegungen des Tastkopfs oder Vibrationen des Tastkopfs, während er bewegt wird, entspricht.
Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor auf eine Linearbeschleunigung anspricht.
Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor ein Schalter ist.
Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor auch derart angeordnet ist, um die Energieversorgung von der ersten elektrischen Schaltung zu trennen, wenn eine weitere Bewegung des Tastkopfs detektiert wird.
Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zeitgeber vorgesehen ist, der die Energieversorgung von der ersten elektrischen Schaltung eine vorbestimmte Periode, nachdem sie verbunden wurde, oder nach einer vorbestimmten Periode eines Nichtgebrauchs des Tastkopfs trennt.
Tastkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Energieversorgung eine Batterie ist.