Table Of ContentISW 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
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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
