DE2505391A1 - Verfahren zur praezisen nachfuehrung und steuerung bewegter werkzeuge, wie z. b. bewegter fraeskoepfe, bewegter schlitten oder stoessel mit hilfe normaler lichtstrahlen oder laserstrahlen - Google Patents

Description

• Verfahren zur präzisen Nachführung und Steuerung bewegter Werkzeuge, wie z.B. bewegter Fräsköpfe, bewegter Schlitten oder Stößel mit Hilfe normaler Lichtstrahlen oder Laserstrahlen Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur präzisen Steuerung von Werkzeugen während deren Bewegung in einer Werkzeugmaschine. Es sollen insbesondere bei sehr großen und auch sehr schweren Werkzeugen Präzisionsbearbeitungsvorgänge in einer gewünschten Weise geregelt werden, wobei z.B. bei Fräsmaschinen die zwangsläufig durch die Druckkräfte entstehenden Driften bis auf einen Wert von 20 -50 um reduziert werden.
• So wird beispielsweise in einigen Fällen gefordert, daß bei Planfräsmaschinen über eine Bearbeitungslänge von 1000 bis 1500 mm spanabhebende Bearbeitungen vorgenommen werden, ohne daß auf dieser Bearbeitungslänge von einer idealen gedachten Soll-Linie aus gesehen größere Abweichungen des Werkzeuges als etwa 30 1um auftreten.
• Die angesprochenen Driften stellen sich meistens dadurch ein, daß die den Fräser vorschiebenden mechanischen Elemente (Stößel oder Kolben) ihrerseits eine Verbiegung erfahren, die bei einer großen Bearbeitungslänge in die Größenordnung von etwa 500 /um ragt.
• Außer den erwähnten Ungenauigkeiten bei z.B. Fräsmaschinen treten noch durch die Drehung des Fräskopfes und Fräsers Verbiegungen auf, die zur Bearbeitungsrichtung einen Winkel von 900 aufweisen. Solche Abweichungen soll das nachfolgend genannte erfindungsgemäße Verfahren nicht erfassen.
• Zum Stand der Technik ist augenblicklich zu sagen, daß bei solchen Aufgabenstellungen praktisch ausschließlich genaueste mechanische Führungen angestrebt werden ohne Regelelektroniken einzusetzen, welche die Drift erfassen.
• Um die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden wird erfindungsgemäß nunmehr eine Soll-Ist-Vermessung der Lage des Werkzeuges mit Hilfe einer optischen Methode durchgeführt. Hierbei wird durch die Benutzung eines scharfgebündelten Laserstrahles oder Lichtstrahles die wirkliche Lage eines Fräskopfes dadurch erfaßt, daß auf einem festen Punkt der Laserstrahlgeber oder Lichtstrahl befestigt wird, in der Weise, daß der Strahl auf einen an dem Werkzeug befestigten Konvex-Spiegel fällt, der vorzugsweise in Form eines hochpräzisen verchromten Zylinder ausgebildet wird. Erfindungsgemäß wird dafür Sorge getragen, daß der kreisförmige Laserstrahl auf den Konvex-Spiegel in der Weise auftrifft, daß er dessen Oberfläche im Winkel von 450 zur Einfallrichtung beleuchtet, so daß auf einer um 900 zur Richtung des Laserstrahles verschobenen Abbildungsebene die Reflektion durch den Konvex-Spiegel sichtbar wird. Das reflektierte Licht wird auf der genannten Ebene in Form einer langen Linie zur Abbildung gebracht, da der Durchmesser des Strahles niemals den Wert "Null" erreicht. Da der reflektierende Konvex-Spiegel zylindrisch ist, wird in der zweiten möglichen Achse keine Auffiederung des Strahles vorgenommen, es bleibt dabei, daß auf der Abbildungsebene eine langgezogene Ellipse sichtbar wird.
• Schon bei kleinesten Veränderungen der Lage des Werkzeuges und somit des Spiegels verschieben sich die beiden Lichtenden der Ellipse nach einer positiven oder negativen Seite, da der Konvex-Spiegel seinerseits bezogen auf die feste Lage des Laserstrahles eine Quasi-Verstärkung vornimmt, die etwa in der Größenordnung von 50 -200-fach sein kann und zwar je nach dem ob ein großer oder kleiner Durchmesser für den Konvex-Spiegel gewählt wird.
• Wird'einmal eine definierte Projektion als Soll-Linie fixiert, so erfolgt die Auswertung der Drift auf sehr einfache Weise dadurch, daß die Endpunkte der Ellipse, welche auf der Projektionsfläche erscheint mit Hilfe von z.B. Fototransistoren erfaßt wird, die ihrerseits in Form eines Fotozellenkammes auf der Projektionsfläche untergebracht sind. Erfindungsgemäß werden die Fotozellen in einer 0ckenanordnung in der Weise geschaltet, daß eine positive oder negative Spannung von den Fototransistoren oder der genannten Brücke abgegeben wird in Abhängigkeit davon OD eine Verschiebung des Strahles bedingt durch die Drift des Werkzeuges erfolgte oder nicht.
• Die Aufbereitung der gewonnenen Signale wird je nach dem ob die Fototransistoren mit Gleich-oder Wechselstrom erfolgte einem Gleich-oder Wechselstromverstärker zugeführt an dessen Ausgang bei Verwendung eines Gleichstrom-oder Gleichspannungsverstärker ein Signal abgegeben wird, welches direkt zur Nachlaufsteuerung hydraulischer Lager eingesetzt wird. Bei Verwendung von in der Regel vorzugsweise benützter Wechselspannungsverstärker wird erfindungsgemäß eine sogenannte gesteuerte Gleichrichtung eingesetzt, welche unter Hinzunahme einer starren Referenzphase eines Generators ebenfalls die Möglichkeit eröffnet, eine Gleichspannung zur Nachlaufspannung herauszugeben, welche die Verschiebung des obengenannten Projektionsstrahles nach der linken oder rechten Seite sinngemäß als positive oder negative Größe präsentiert.
• Das gleiche Verfahren wird erfindungsgemäß auch noch für andere Maschinen als z.B. Fräsmaschinen vorgesehen. So wird erfindungsgemäß ins Auge gefaßt, den schon vorher genannten Konvex-Spiegel in der Nähe des Werkzeuges anzubringen, gleichgültig, ob es sich dabei um eine Fräsmaschine handelt oder nicht. Entscheidend ist nur, daß der Konvex-Spiegel an dem beweglichen Element der Werkzeug-oder Bearbeitungsmaschine angebracht wird, z.B. an Schlitten und ähnlichem.
• Das gleiche Regelungs-und Steuerungsverfahren besitzt erfindungsgemäß auch volle Gültigkeit zum Ausgleich der Führungen von Schlitten mit pneumostatischen Lagern oder hydrostatischen Lagern. Das gleiche gilt für Schlitten, welche elektromechanisch angetrieben werden und eine normale, jedoch regelbare mechanische Lagerung besitzen. Darüber hinaus wird das erfindungsgemäße Verfahren auch für Schlitten vorgesehen, welche eine magnetische Kissenhalterung besitzen.
• Ohne die große Anzahl der Ausführungsmöglichkeiten zu begrenzen, sei an einem einfachen Beispiel das Prinzip der erfindungsgemäßen Regelung oder Steuerung näher erläutert; In Figur 1, sei mit 1 das Portal einer großen Fräsmaschine angedeutet, mit 2 ein Querträger, welcher seinerseits den Stößel zur Befestigung eines Fräswerkzeuges trägt. Der genannte Stößel besitzt die Ziffer 3, der Querträger 2, läßt sich in bezug auf das Portal 1, nach oben und unten bewegen, wohingegen der Stößel 3 auf dem Querträger 2 nach links und rechts verschoben werden kann. Am Stößel befindet sich nunmehr im gezeichneten Falle ein Umlenkkopf 4, welcher den eigentlichen Fräser 5, trägt.
• Im vorliegenden Beispiel sei der Stößel hydrostatisch gelagert, wobei die Lager die Kennzeichnung 6, tragen. An dem Stößel befindet sich ein stark ge-ämpftes Lot 7, in welchem ein Laserstrahlgeber 8 untergebracht ist. Der vom Laserstrahl 8 ausgesandte scharf gebündelte Strahl von z.B. 1 mm Durchmesser, trifft nun seinerseits auf einen Konvex-Spiegel 9, der seinerseits in einem staubdichten sogenannten Empfängergehäuse 10 untergebracht ist. Zum weiteren Verständnis des Beispieles wird in Figur 2 das Empfängergehäuse und die weitere elektrische Funktion des Verfahrens beschrieben: Der mit 1 (in Figur 2) gekennzeichnete Laserstrahl trifft auf den Konvex-Spiegel 2 auf, wobei vorzugsweise dafür Sorge getragen wird, daß der Auftreffwinkel bezogen auf die waagerechte Durchmesser achse des Spiegels eine Neigung von 45 besitzt, so daß das Licht praktisch in einem Winkel von 900 zur Einfallrichtung auf eine Abbildungsebene projektiert wird. Da der Konvex-Spiegel nur in einer Richtung eine Rundung besitzt, wohingegen er quer zur Abbildungsebene einen Zylinder darstellt, erscheint auf der Abbildungsebene 3 ein langgezogener Strich, der bei genauer Betrachtung auch eine Ellipse darstellt, welche durch die Reflektion eines kreisförmig einfallenden Lichtstrahles entsteht. Auf der Abbildungsebene 3 befinden sich erfindungsgemäß eine große Anzahl von Fotozellen oder Fototransistoren 4, die im vorliegenden Beispiel mit Wechselstrom beschickt werden, so daß an dem mit 4 gekennzeichneten Arbeitswiderstand, der zu einer Meßbrücke vereinten Elemente immer dann eine Wechselspannung entsteht, wenn der projizierte Lichtstrahl von einem gedachten Mittelpunkt aus nach oben oder unten eine unterschiedliche Anzahl von Fotozellen belichtet.
• Zwei Brückzweige der genannten Brückenschaltung werden durch Induktivitäten dargestellt6, die ihrerseits von der Primärwicklung 7 aus einem Niederfrequenzgenerator 8, gespeist wird.
• Bei korrekter Lage des projizierten Strahles entsteht am Querwiderstand der Brücke 4, eine Spannung, da gleichviele Fototransistoren nach dem oberen und unteren Ende des projizierten Strahles hin ausgeleuchtet werden.
• Tritt nunmehr durch den Druck des Werkzeuges eine Verschiebung des des Stößels und somit des Werkzeuges mit dem Konvex-Spiegel auf, bezogen auf eine ideale Senkrechte, eine Ablenkung, so bleibt die Richtung des Laserstrahles zwar gleich, es erfolgt jedoch ein gewisser Versatz des Laserstrahlaufpunktes auf den Konvex-Spiegel, so daß der projizierte Strahl auf er Projektionsebene nach unten oder oben wandert und somit in der Meßrichtung, also in der Senkrechten, eine verschieden große Anzahl von Fototransistoren bedeckt. Dieses führt zu einer Verstimmung der schon angesprochenen Meßbrücke, so daß an dem Arbeitswiderstand 5, eine Wechselspannung entsteht, die nicht mehr den Wert Null besitzt, sondern eine endliche Größe aufweist.
• Unter der Voraussetzung, daß die gewonnene kleine Spannung in einem Selektivverstärker verstärkt wird, und anschließend mit Hilfe einer sogenannten gesteuerten Gleichrichtung gleichgerichtet wird, erhalt man am Ausgang der gesteuerten Gleichrichtung eind positives oder negatives Signal unter der Voraussetzung, daß als Steuerspannung eine Wechselspannung verwendet wird, die dem Wechselstromgenerator 8 entnommen wird und stets eine starre Phasenlage aufweist. Aus der gesteuerten Gleichrichtung 9, gelangt die nunmehr richtungsorientierte Gleichspannung in einen Impedanzwandler 10, von welchem die Regelspannung zur Steuerung der Maschine, bzw. der Schlitten vorgenommen wird.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE

   ( Verfahren zur Nachregelung vorwiegend schwerer Werkzeuge bezüglich ihrer Lage während des Bearbeitungsvorganges insbesondere bei Fräs-und anderen Bearbeitungsmaschinen d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein an einem festen Punkt befestigter Laserstrahlgeber so eingerichtet wird, daß ein scharfgebündelter Laserstrahl einen auf dem Werkzeug befestigten zylindrischen Konvex-Spiegel in der Weise trifft, daß der Auftreffwinkel auf den zylindrischen Konvex-Spiegel etwa 450 beträgt, so daß die Reflektion des Laserlichtes auf eine zur Richtung des Laserstrahles um 900 versetzte Abbildungsebene erfolgt, in der Weise, daß das Abbild eine langgestreckte Ellipse darstellt, deren Länge vom Durchmesser des Konvex-Spiegels abhängig ist, wobei durch die Wahl des Durchmessers des Konvex-Spiegels eine Verstärkung des ursprünglich runden Laserstrahles in einer Achse erfolgt, die um den Faktor 10 bis 200 oder mehr betragen kann, wodurch kleinste Veränderungen der Lage des Konvex-Spiegels in bezug auf die feststehende Lage des Laserstrahles Verschiebungen auf der genannten Abbildungsebene bewirken können, so daß auf der Abbildungsebene angebrachte und in Brückenschaltung geschaltete Fotoelemente oder Fototransistoren belichtet oder abgedunkelt werden je nach dem, wie groß die ursprünglich genannte Auslenkung durch den Konvex-Spiegel war, so daß ein der genannten Brückenanordnung nachgeschalteter Gleich-oder Wechselspannungsverstärker ein Signal abzugeben vermag, welches die längsgezogene strichförmige Ellipse bzw. deren Lage berücksichtigt und ein geeignetes positives oder negatives Signal einer Nachlaufsteuerung zur Soll-Ist-Korrektur des Werkzeuges zur Verfügung gestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß die in Anspruch 1 angezogenen Fotoelemente oder Fototransistoren mit einer niederfrequenten Wechselspannung betrieben werden, so daß bei Verstimmung der angesprochenen Brückenanordnung ein Wechselspannungssignal herausgegeben wird, welches nach dem Passieren eines geeigneten Verstärkers mit Hilfe einer gesteuerten Gleichrichtung mit starrer Referenzphase nach Betrag und Phase verglichen wird und in der Weise a ereitet wird, daß je nach dem, ob die Auswanderung des Strahles auf der Projektionsebene nach oben oder unten erfolgt, eine positive oder negative Gleichspannung zur Verfügung gestellt wird, die ihrerseits zur Beschickung von Servomotoren oder anderen Regelelementen dient, um ein gewolltes Soll-Ist-Verhältnis zwischen Lage des Werkzeuges und einer idealen gedachten Geraden zu erzwingen.
3. 3. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die aus der gesteuerten Gleichrichtung gewonnene Gleichspannung, welche unter Umständen einen Fehlbetrag der Lage des geregelten Werkzeuges- aufweist, in-der Weise noch mit Hilfe einer Zusatzspannung vergrößert oder vermindert wird, daß auch die durch den Abstand der Fototransistoren bedingte Mißweisung des gewonnenen Signales kompensiert werden kann.
4. 4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c Ii n e t, daß durch die Verwendung eines zylindrischen Konvex-Spiegels und insbesondere durch dessen Lage dafür Sorge getragen wird, daß die Meß-und Regeleinrichtung nur in einer einzigen Richtung wirksam wird.
5. 5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß durch die Aneinanderreihung vieler Fototransistoren sowohl eine Regelung erfolgt, welcher eine Strahlverschiebung des reflektierten Strahles in seiner Längsrichtung entspricht wie jedoch auch dadurch, daß Regelmechanismen eingreifen, wenn eine Querverschiebung des reflektierten Strahles einsetzt.