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Dokumentenidentifikation DE102006020681A1 31.10.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zum lagegenauen Positionieren eines Werkstücks
Anmelder Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, 73447 Oberkochen, DE
Erfinder Grupp, Günter, Dipl.-Ing., 89558 Böhmenkirch, DE;
Ruck, Otto, 73479 Ellwangen, DE;
Boucky, Otto, Dipl.-Ing., 89518 Heidenheim, DE;
Walther, Jörg, 89547 Gerstetten, DE
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 27.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006020681
Offenlegungstag 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse B23Q 15/24(2006.01)A, F, I, 20060427, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05B 19/401(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zum lagegenauen Positionieren eines Werkstücks (22) besitzt einen Hubtisch (12) mit einer Tischplatte (14). Der Hubtisch (12) hat zumindest ein erstes und ein zweites Bein (16, 18, 20), deren Beinlänge variabel einstellbar ist. Des Weiteren ist ein Messsystem (38, 40, 42) vorhanden, das dazu ausgebildet ist, Positionsmesswerte von zumindest zwei lokalen Messpunkten an der Tischplatte (14) zu erfassen. Ferner ist eine Steuerung (44, 46) vorhanden, die dazu ausgebildet ist, eine Lageregelung um zumindest zwei Drehachsen (26, 28) zu realisieren, die in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lagegenauen Positionieren eines Werkstücks. Sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren, mit denen ein Werkstück in variabler Höhe und Neigung positioniert werden kann, um bspw. eine Bearbeitung mit einem Bearbeitungswerkzeug vorzunehmen.

Es gibt zahlreiche Anwendungen, bei denen ein Werkstück in einer variablen, aber exakt definierten Lage positioniert werden muss. Einen typischen Anwendungsfall offenbart DE 10 2004 010 984 B3. Diese Patentschrift zeigt eine Werkzeugmaschine zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks, das auf einem verschwenkbaren Werkstücktisch angeordnet ist. Der Werkstücktisch kann um zwei zueinander senkrechte Drehachsen verschwenkt werden. Die Einstellung der Tischhöhe ist in diesem konkreten Fall entbehrlich, weil das Bearbeitungswerkzeug relativ zu dem Werkstücktisch in der Höhe verfahren werden kann. Es sind jedoch auch Realisierungen denkbar, bei denen ein Werkstücktisch zusätzlich zu den zwei Schwenkachsen noch horizontal oder vertikal entlang einer oder mehrerer Linearachsen verfahren werden kann.

Typischerweise besitzen Werkstücktische, die auf diese Weise verstellt werden können, spezielle Drehantriebe für die Drehbewegungen um die Drehachsen. Die zugehörige Steuerung oder Lageregelung ist an die Antriebe und die sich damit ergebenden Maschinenachsen angepasst. Andererseits kommen derartige Werkstücktische in vielen Anwendungen vor und dementsprechend sind Lageregler, die mit den speziellen Antrieben (Maschinenachsen) einer solchen Anordnung zusammenarbeiten können, weit verbreitet. Allerdings sind die speziellen Drehantriebe relativ aufwändig und teuer und damit für einfache Anwendungen ungünstig.

Neben den Werkstücktischen von NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen sind seit Langem auch so genannte Scherenhubtische bekannt, die im Wesentlichen eine Höhenverstellung ermöglichen. DE 32 08 400 A1 offenbart einen Scherenhubtisch, der eine motorisch angetriebene Zylinderwalze besitzt, mit deren Hilfe zwei Scherenpaare so verstellbar sind, dass sich die Höhe des Hubtisches variieren lässt. Die Scherenpaare bilden hier Tischbeine, deren Beinlänge variabel einstellbar ist. Die Positioniergenauigkeit solcher Scherenhubtische ist allerdings begrenzt, und sie ist deutlich geringer als die Positioniergenauigkeit, die sich mit den zuvor beschriebenen Werkstücktischen erreichen lässt.

Darüber hinaus gibt es auf dem Gebiet des Maschinenbaus seit einiger Zeit Konzepte mit so genannten Stab- oder Parallelkinematiken. Hierbei handelt es sich um Maschinen mit mehreren linearen Antrieben, die parallel zueinander arbeiten, wobei durch eine individuelle, jedoch aufeinander abgestimmte Steuerung der parallelen Linearachsen verschiedene Bewegungskonturen erzeugt werden können. Ein Beispiel für eine solche Maschine ist in A. Bachthaler, „Flexible Heißübertragungsmaschine mit integriertem optischem Qualitätskontrollsystem", Keramische Zeitschrift 55, 2003, Seiten 614 bis 619 offenbart. Die Steuerung erfolgt hier mit Hilfe von speziell entwickelten Steuerungskonzepten. „Klassische" Lageregler, wie sie bei konventionellen Maschinen mit serieller Kinematik weit verbreitet sind, können hier nicht eingesetzt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, um ein Werkstück lagegenau zu positionieren.

Diese Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einem Hubtisch mit einer Tischplatte und mit zumindest einem ersten und einem zweiten Bein, deren Beinlänge variabel einstellbar ist, mit zumindest einem Antrieb zum Einstellen der Beinlänge der Beine, mit einem Messsystem, das dazu ausgebildet ist, Positionsmesswerte von zumindest zwei lokalen Messpunkten an der Tischplatte zu erfassen, und mit einer Steuerung, die dazu ausgebildet ist, eine Lagereglung der Tischplatte um zumindest zwei virtuelle Drehachsen zu realisieren, die in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, mit den Schritten:

  • – Bereitstellen eines Hubtisches mit einer Tischplatte und mit zumindest einem ersten und einem zweiten Bein, deren Beinlänge variabel einstellbar ist,
  • – Anordnen des Werkstückes auf der Tischplatte, und
  • – Einstellen einer Neigung der Tischplatte um eine erste und eine zweite virtuelle Drehachse, die in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen,
  • – wobei zumindest die Beinlänge des ersten und des zweiten Beins verstellt wird.

Die vorliegende Erfindung verwendet also einen Tisch, dessen Tischbeine in der Länge variabel sind. Damit lässt sich die Tischplatte nach Art einer Parallelkinematik in der Höhe und in der Neigung um zwei Drehachsen verstellen. Diese Drehachsen sind allerdings nur virtuell vorhanden in dem Sinne, dass tatsächlich keine entsprechenden Drehantriebe und damit auch kein festgelegter Achsverlauf vorhanden ist. Trotzdem erfolgt die Neigungseinstellung in Bezug auf zwei „virtuelle" oder gedachte Drehachsen, was es möglicht macht, konventionelle Steuerungs- und Regelkonzepte, wie sie von herkömmlichen Werkzeugmaschinen bekannt sind, zum Einstellen der Tischposition zu verwenden.

Sowohl die mechanische Antriebsstruktur der neuen Vorrichtung als auch das verwendete Regelungskonzept sind sehr einfach und kostengünstig zu realisieren. Gleichzeitig kann die Tischposition mit den bewährten achsbezogenen Regelungskonzepten sehr exakt und vor allem in einer für Maschinenbediener gewohnten Weise eingestellt werden. Die genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet der zumindest eine Antrieb einen ersten Linearantrieb für das erste Bein und einen zweiten Linearantrieb für das zweite Bein. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Hubtisch drei Beine besitzt, deren Beinlänge variabel einstellbar ist, wobei dann ein dritter Linearantrieb für das dritte Bein vorgesehen ist.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die Beinhöhen zeitgleich und getrennt voneinander (und vorzugsweise motorisch und automatisiert) einstellbar sind. Das Werkstück kann dadurch sehr variabel und schnell positioniert werden. Die Verwendung von zumindest drei längenveränderlichen Beinen ermöglicht als weiteren Freiheitsgrad die einfache Einstellung der Tischhöhe.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Lageregler für die zumindest zwei virtuellen Drehachsen sowie ein Konverter vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, die vom Messsystem erfassten Positionswerte in virtuelle Rotationswerte der Tischplatte um die zumindest zwei Drehachsen umzuwandeln.

Diese Ausgestaltung verwendet einen Lageregler, der konzeptionell für eine Lageregelung um zwei (oder mehr) voneinander entkoppelte Achsen ausgebildet ist. In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen handelt es sich um einen konventionellen Lageregler, wie er bei klassischen Werkstücktischen oder anderen Anwendungen mit ungekoppelten Achsen eingesetzt wird. Solche Lageregler sind bspw. in Form von Softwaremodulen für herkömmliche PCs oder numerische Maschinensteuerungen erhältlich. Sie benötigen als Eingangsgrößen typischerweise Sollwerte und Istwerte, die auf die einzelnen (ungekoppelten) Bewegungsachsen bezogen sind, und sie erzeugen individuelle Stellwerte für jeden Antrieb, der eine Bewegung entlang einer oder um eine Achse hervorruft. Häufig handelt es sich hierbei um Geschwindigkeitsstellwerte für Dreh- oder Linearantriebe.

Der bevorzugte Lageregler ist in Kombination mit einem nach Art einer Parallelkinematik bewegten Tisch sehr ungewöhnlich. Er ermöglicht jedoch eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung, da auf bewährte Regelverfahren zurückgegriffen wird. Andererseits verwendet diese Ausgestaltung den konventionellen Lageregler jedoch ohne die an sich dafür vorgesehenen Bewegungsachsen und Antriebe. Sie ermöglicht hier insbesondere den Verzicht auf Drehantriebe. Stattdessen werden die Schwenkbewegungen der Tischplatte um die virtuellen Drehachsen realisiert.

Auf Grund dieser Kombination ermöglicht die Erfindung eine lagegenaue Positionierung eines Werkstücks mit einem mechanisch sehr einfachen Hubtisch und mit einer besonders kostengünstigen und schnellen Steuerung.

In einer weiteren Ausgestaltung erzeugt der Lageregler zumindest einen ersten und einen zweiten Drehachsenstellwert, und der Konverter ist ferner dazu ausgebildet, die Drehachsenstellwerte in zumindest einen ersten und einen zweiten Linearstellwert umzuwandeln, wobei der erste Linearstellwert dem ersten Linearantrieb zugeführt ist und wobei der zweite Linearstellwert dem zweiten Linearantrieb zugeführt ist.

Mit dieser Ausgestaltung lassen sich die Drehachsenstellwerte eines herkömmlichen Lagereglers besonders einfach zum Ansteuern der Linearantriebe für die Beine des Tisches verwenden.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das Messsystem ein Längenmesssystem, das dazu ausgebildet ist, die Beinlänge der Beine zu bestimmen.

Alternativ hierzu könnte das Messsystem bspw. dazu ausgebildet sein, eine Entfernung der lokalen Messpunkte von einem definierten Referenzpunkt zu bestimmen. Die bevorzugte Ausgestaltung ist demgegenüber sehr einfach und kostengünstig zu realisieren, insbesondere, wenn man ein separates Teilmesssystem für jedes Bein verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltung definiert die Tischplatte eine Ebene und das Messsystem beinhaltet zumindest ein erstes und ein zweites Teilmesssystem, die relativ zu der Ebene ortsfest angeordnet sind.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass zur Erfassung der Positionsmesswerte an den zumindest zwei lokalen Messpunkten lediglich noch die dortigen Tischhöhen (Z-Koordinate) bestimmt werden müssen, weil die Messpunkte im Übrigen (X- und Y-Richtung) auf Grund der ortsfesten Anordnung der Teilmesssysteme im Vorhinein bekannt sind. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr schnelle Messwertaufnahme, was für eine lagegenaue Positionierung des Werkstücks in Echtzeit von großem Vorteil ist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Speicher vorgesehen, in dem Positionswerte des ersten und zweiten Teilmesssystems abgespeichert sind, wobei die Positionswerte auf einen gemeinsamen Referenzpunkt bezogen sind, der in einem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Teilmesssystem liegt.

Die Positionswerte der zumindest zwei Teilmesssysteme dieser Ausgestaltung sind die X- und Y-Koordinaten der lokalen Messpunkte. Diese Ausgestaltung nutzt somit die zuvor erläuterten Vorteile. Darüber hinaus besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass durch den gemeinsamen Referenzpunkt im Bereich zwischen den Teilmesssystemen ein Koordinatenursprung definiert wird, der die Umwandlung der erfassten Positionsmesswerte in virtuelle Rotationswerte vereinfacht und beschleunigt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuerung ferner dazu ausgebildet, eine Lageregelung in einer Linearachse zu realisieren, die senkrecht zu den zumindest zwei Drehachsen steht.

In dieser Ausgestaltung erzeugt die Steuerung zusätzlich noch einen Linearachsenstellwert, der eine Höhenregelung der Tischplatte ermöglicht. Der Vorteil ist der weitere Freiheitsgrad der neuen Vorrichtung beim Positionieren des Werkstücks.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die Steuerung einen Längenregler zum Einstellen der Beinlänge der Beine sowie einen Konverter, der dazu ausgebildet ist, virtuelle Sollpositionen der Tischplatte um die zumindest zwei Drehachsen in entsprechende Längensollwerte für die Beinlänge der Beine umzuwandeln.

In dieser Ausgestaltung findet die eigentliche Lageregelung in den Achsen statt, die durch die Linearbewegung der Beine definiert sind, mit anderen Worten also in den realen Antriebsachsen des Tisches. Trotzdem ermöglicht diese Ausgestaltung die Eingabe von Sollpositionen des Tisches in Bezug auf die zwei virtuellen Drehachsen. Daher ist auch diese Ausgestaltung für den Bediener der Vorrichtung sehr einfach und vertraut.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer ersten Betriebsposition,

2 einen Hubtisch aus dem Ausführungsbeispiel in 1 in einer stark vereinfachten, schematischen Draufsicht,

3 das Ausführungsbeispiel aus 1 in einer zweiten Betriebsposition, und

4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.

Die Vorrichtung 10 beinhaltet einen Hubtisch 12 mit einer Tischplatte 14, deren Oberfläche eine Ebene 15 definiert, und mit Beinen 16, 18, 20. In bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung besitzt der Hubtisch 12 genau drei Beine 16, 18, 20. Die Erfindung kann jedoch grundsätzlich auch mit Tischen realisiert werden, die vier oder mehr Beine besitzen. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Tischbeine, wie in 1 schematisch dargestellt ist, tatsächlich beinartig ausgebildet sind, d.h. es handelt sich um längliche Gebilde, die sich in Längsrichtung zwischen der Tischplatte 14 und dem Untergrund (hier nicht dargestellt) erstrecken. Abweichend hiervon könnten einzelne oder alle Beine jedoch auch, scherenartig, wandartig oder in anderer Weise ausgebildet sein. Für die vorliegende Erfindung ist allein von Bedeutung, dass zumindest zwei Beine in ihrer Beinlänge (Höhe) verstellbar sind. Vorzugsweise sind alle drei Beine 16, 18, 20 in der Beinlänge/Höhe einstellbar.

Mit der Bezugsziffer 22 ist ein Werkstück bezeichnet, das auf der Tischplatte 14 angeordnet ist. Das Werkstück 22 wird mit Hilfe der Vorrichtung 10 lagegenau positioniert. Die Positionierung erfolgt hier entlang einer vertikalen Linearachse (Tischhöhe), die mit einem Pfeil 24 angedeutet ist, und auch in der Neigung (siehe 3). Zur Einstellung der Neigung kann die Tischplatte 14 um zwei Drehachsen 26, 28 verschwenkt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung handelt es sich hierbei um virtuelle oder gedachte Drehachsen in dem Sinne, dass die Schwenkbewegung ohne entsprechenden Drehantrieb erfolgt.

Zum Einstellen der Tischhöhe und -neigung besitzt die Vorrichtung 10 hier drei Linearantriebe 30, 32, 34, wobei jeweils ein Linearantrieb einem Tischbein 16, 18, 20 zugeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Beinlänge jedes Tischbeins 16, 18, 20 mit dem zugehörigen Linearantrieb 30, 32, 34 individuell variiert werden. Dies ist in 1 anhand der Pfeile 36 symbolisch dargestellt.

Des Weiteren besitzt die Vorrichtung 10 ein Messsystem, um Positionsmesswerte an zumindest drei lokalen Messpunkten an der Tischplatte 14 zu erfassen. Für den Fall, dass eines der Tischbeine 16, 18, 20 eine festgelegte, nicht-variable Beinlänge besitzt, genügen auch zwei lokale Messpunkte, die mit Hilfe des Messsystems erfasst werden.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet das Messsystem drei Längenmesssysteme 38, 40, 42, wobei jeweils ein Längenmesssystem einem Tischbein 16, 18, 20 zugeordnet ist. Bei den Längenmesssystemen 38, 40, 42 handelt es sich bspw. um Glasmaßstäbe mit einer Skalierung, die mit Hilfe eines geeigneten Sensors (optisch, induktiv oder auf andere Weise) abgelesen wird. Alternativ hierzu könnten die Positionsmesswerte (Koordinaten) der zumindest zwei Messpunkte an der Tischplatte 14 auf andere Weise erfasst werden, bspw. mit Hilfe eines Laserentfernungsmessers (hier nicht dargestellt), der über oder unter dem Tisch 12 an einer definierten Position angeordnet ist.

Die Positionsmesswerte der Längenmesssysteme 38, 40, 42 sind einem Konverter 44 zugeführt. Der Konverter 44 ist mit einem Lageregler 46 verbunden. Diese Verbindung ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung symbolisch zu verstehen, weil es sich bei dem Konverter und dem Lageregler in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung um Softwaremodule handelt, die auf einem gemeinsamen Steuerrechner ausgeführt werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Lageregler ein Softwaremodul, das eine Lageregelung um bzw. entlang von zumindest drei ungekoppelten Achsen ermöglicht (Lageregler für Serienkinematik). Der Lageregler 46 erhält hierzu Positionssollwerte und Positionsistwerte, und er erzeugt daraus Stellwerte für Antriebe, die eine Bewegung um bzw. entlang der „typischen" Bewegungsachsen eines solchen Lagereglers 46 erzeugen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Positionsistwerte für den Lageregler hier allerdings virtuelle Achswerte, die mit Hilfe des Konverters 44 erzeugt werden, wie im Folgenden näher beschrieben ist.

Zur Eingabe der Positionssollwerte, die vorteilhafterweise auf die virtuellen Drehachsen 26, 28 und die Tischhöhe 24 bezogen sind, ist der Lageregler 46 mit einem geeigneten Eingabemedium, bspw. einer Tastatur 48, verbunden.

In 1 sind die Sollwerte für den Tisch mit Zsoll, Rxsoll und Rysoll bezeichnet. Zsoll bezeichnet den Sollwert für die Tischhöhe entlang der Achse 24. Rxsoll bezeichnet die Drehung der Tischplatte 14 um die Drehachse 26, und Rysoll bezeichnet den Sollwert für die Drehung der Tischplatte um die Drehachse 28.

Die Positionsistwerte bezogen auf diese Achsen sind in 1 mit Z, Rx und Ry bezeichnet. Die Stellwerte des Lagereglers (bezogen auf die virtuellen Antriebe in den Drehachsen 26, 28 und der virtuellen Linearachse in Z) sind in 1 mit vZ, vRx und vRy bezeichnet.

Im Folgenden wird anhand der 2 erläutert, wie der Konverter 44 die vom Messsystem 38, 40, 42 erfassten Positionsmesswerte an lokalen Messpunkten der Tischplatte 14 in die virtuellen Istwerte Z, Rx und Ry umwandelt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei dieselben Elemente wie zuvor.

2 zeigt die Tischplatte 14 und die beiden virtuellen Drehachsen 26, 28 in einer Draufsicht. Die Drehachsen 26, 28 definieren ein Koordinatensystem mit einem Ursprung 54, der vorteilhafterweise etwa mittig auf der Ebene 15 oder in der Tischplatte 14 liegt. Grundsätzlich könnte der Ursprung des Koordinatensystems jedoch auch woanders hingelegt werden. Die bevorzugte Wahl des Koordinatensystems ermöglicht allerdings eine sehr einfache und schnelle Umwandlung der Ist- und Stellwerte im Konverter 44.

Wie in 2 dargestellt ist, besitzen die Tischbeine 16, 18, 20 und die Längenmesssysteme 38, 40, 42 eine definierte Position innerhalb des gewählten Koordinatensystems. Diese Positionen sind vorteilhaft in einem Speicher 56 (1) der Vorrichtung 10 abgespeichert. In einem Ausführungsbeispiel könnte der Speicher 56 folgende Geometriedaten enthalten:

Da die X- und Y-Koordinaten der Messsysteme 38, 40, 42 somit bekannt sind, genügt es, die Z-Höhe an jedem Messsystem 38, 40, 4, zu erfassen, um definierte Raumkoordinaten für jeden Messpunkt A, B, C zu erhalten. Die Positionsmesswerte der Messsysteme 38, 40, 42 sind hier also Z-Höhen der Tischplatte 14 am XY-Ort der jeweiligen Messsysteme. Zusammen mit den Geometriedaten aus dem Speicher 56 sind dann drei Raumpunkte PA, PB und PC an der Tischplatte 14 definiert. Mit Hilfe der drei Raumpunkte (Messpunkte) PA, PB, PC lässt sich die Lage der Tischplatte 14 relativ zu dem gewählten Koordinatensystem bestimmen, indem man einen senkrecht auf der Ebene 15 stehenden Vektor S aus dem Kreuzprodukt der Differenzvektoren zwischen den Messpunkten berechnet: S = (PC – PA) × (PB – PA)

Durch eine Normierung N = S/|S| erhält man den Normalenvektor auf der Ebene 15 der Tischplatte 14. Da nach der Hesseschen Normalenform für jeden Punkt P auf der Ebene 15 die Beziehung P·N – d = 0 gilt, lässt sich der Abstand zwischen dem Ursprung 54 des Koordinatensystems und bspw. dem Messpunkt PA berechnen. Hieraus ergeben sich für die Umrechnung folgende Zusammenhänge: Z = d/NZ Rx = arctan(NX/NZ) Ry = arctan(NY/NZ), wobei NX, NY und NZ die X-, Y- und Z-Komponente des Normalenvektors N und d den Abstand des Messpunktes PA vom Ursprung 54 des Koordinatensystems bezeichnen.

Ein herkömmlicher Lageregler für zwei Drehachsen und eine Linearachse erzeugt Geschwindigkeitsstellwerte für zwei entsprechende Drehantriebe und einen entsprechenden Linearantrieb. Der Konverter 44 ist dazu ausgebildet, diese Geschwindigkeitsstellwerte so umzurechnen, dass sich damit die drei Linearantriebe 30, 32, 34 ansteuern lassen. Soll der Tisch allein in Z-Richtung bewegt werden, ist klar, dass alle drei Antriebe 30, 32, 34 mit derselben Geschwindigkeit vZ und in gleicher Richtung bewegt werden müssen. Bei einer Drehbewegung um eine der virtuellen Drehachsen 26, 28 müssen hingegen die Antriebe, die auf unterschiedlichen Seiten der virtuellen Drehachse liegen, in unterschiedlicher Richtung bewegt werden. Je weiter ein Linearantrieb 30, 32, 34 von der virtuellen Drehachse 26,28 entfernt liegt, desto schneller muss der Antrieb bewegt werden. Für jeden Linearantrieb 30, 32, 34 lässt sich die geforderte Geschwindigkeit aus der Summe der Teilgeschwindigkeiten bestimmen, die sich auf Grund der gewünschten Stellbewegungen in Z, Rx und Ry ergeben.

Auf Grund der vorteilhaften Wahl des Koordinatensystems entsprechen die zur Umrechnung einer Linearbewegung in eine Drehbewegung benötigten Hebel genau den Koordinaten der Linearantriebe 30, 32, 34 aus der oben angegebenen Tabelle. Bei einer Drehung um die virtuelle Drehachse 26 (Rx-Drehung) geben die Y-Koordinaten aus der Tabelle den jeweiligen Hebel an.

Insgesamt berechnen sich die drei Bewegungsanteile vA, vB, und vC der Linearantriebe 30, 32, 34, wie folgt:

Für eine vom Lageregler 46 geforderte Z-Bewegung vZ gilt: va = vZ vB = vZ vC = vZ.

Für eine vom Lageregler geforderte Rx-Bewegung vRx gilt: vA = qAY·vRx vB = HBY·vRx vC = HCY·vRx.

Für eine vom Lageregler geforderte Ry-Bewegung vRy gilt: vA = –HAX·vRy vB = –HBX·vRy vC = –HCX·vRy.

Dabei bezeichnet HAX die X-Koordinate des Linearantriebes 30 (Messpunkt A) aus der oben angegebenen Tabelle. HAy bezeichnet die Y-Koordinate dieses Antriebs. Für die anderen Antriebe ergeben sich die anzuwendenden Hebel in gleicher Weise aus der Tabelle. Die den einzelnen Linearantrieben 30, 32, 34 letztlich zugeführten Sollgeschwindigkeiten v30, v32 und v34 ergeben sich aus der Summe der Geschwindigkeitsanteile für die drei Bewegungsrichtungen.

Vorteilhafterweise werden die Achshebel HAX, HBX, HCX etc. auf den maximalen Achshebel normiert, so dass die Beträge HAX, HBX, HCX alle kleiner oder gleich 1 sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass die zulässige Maximalgeschwindigkeit in keinem der Linearantrieb 30, 32, 34 überschritten wird.

Für den Regelungsvorgang werden also zunächst die (virtuellen) Positionssollwerte Zsoll, Rxsoll und Rysoll über die Tastatur 48 eingegeben. Der Konverter 44 liest die Positionsmesswerte der drei Längenmesssysteme 38, 40, 42 ein, berechnet den Normalenvektor für die Ebene 15. Anschließend werden anhand der Komponenten des Normalenvektors die virtuellen Istwerte Z, Rx und Ry bestimmt und dem Lageregler 46 zugeführt. Der Lageregler bildet in an sich bekannter Weise (in einer geschlossenen Regelschleife mit Differenzbildung zwischen den Soll- und Istwerten) Stellwerte vZ, vRx und vRy, die auf die virtuellen Drehachsen und den einen virtuellen Z-Antrieb bezogen sind, und er führt diese dem Konverter 44 zu. Der Konverter 44 teilt die „virtuellen" Stellwerte auf die drei realen Bewegungsachsen der Linearantriebe 30, 32, 34 auf, wobei er in der oben beschriebenen Weise die X- und Y-Koordinaten der Antriebe als Hebelarme verwendet. Anschließend werden die Linearstellwerte für jeden Antrieb 30, 32, 34, die sich aus den drei „virtuellen" Bewegungsanteilen vZ, vRx, vRy ergeben, für jeden Linearantrieb summiert und dem Linearantrieb als Linearstellwert zugeführt.

3 zeigt eine Stellposition des Tisches 12, in der die Tischplatte 14 um die virtuelle Drehachse 26 nach links verschwenkt wurde und dementsprechend geneigt ist. Wie in 3 zu erkennen ist, wurde der links von der Drehachse 26 liegende Antrieb 30 nach unten bewegt (Bein 16 verkürzt), während der rechts von der Drehachse 26 liegende Antrieb 34 so bewegt wurde, dass die Beinlänge des Beins 20 vergrößert wurde. In ähnlicher Weise kann die Tischplatte 14 auch um die virtuelle Drehachse 28 geneigt werden. Darüber hinaus ist auch eine kombinierte Bewegung um beide Drehachsen 26, 28 möglich, und zusätzlich kann die Tischhöhe eingestellt werden.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor.

Das Ausführungsbeispiel in 4 verwendet einen Längenregler 62, der die tatsächlichen Beinlängen der Heine 16, 18, 20 als Istwerte erhält. Als Sollwerte erhält der Längenregler 62 Längensollwerte ZAsoll, ZBsoll und ZCsoll von einem Konverter 64. Der Konverter 64 berechnet die Längensollwerte ZAsoll, ZBsoll und ZCsoll unter Verwendung der oben erläuterten Zusammenhänge aus eingangsseitigen Sollwerten Zsoll, Rxsoll und Rysoll, die mit Hilfe der Tastatur 48 eingegeben wurden und die auf die virtuellen Drehachsen 26, 28 und eine virtuelle Z-Achse im Ursprung 54 des Koordinatensystems bezogen sind. In diesem Ausführungsbeispiel findet die eigentliche Lageregelung also in den Z-Achsen der Antriebe 30, 32, 34 statt, indem der Längenregler die Differenz der Soll- und Istlänge jedes Beins unter Berücksichtigung der relativen Ablage von der Längenmesssysteme 38, 40, 42 und Antrieb 30, 32, 34 minmiert.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum lagegenauen Positionieren eines Werkstücks (22), mit einem Hubtisch (12) mit einer Tischplatte (14) und mit zumindest einem ersten und einem zweiten Bein (16, 18, 20), deren Beinlänge variabel einstellbar ist, mit zumindest einem Antrieb (30, 32, 34) zum Einstellen der Beinlänge der Beine (16, 18, 20), mit einem Messsystem (38, 40, 42), das dazu ausgebildet ist, Positionsmesswerte von zumindest zwei lokalen Messpunkten (A, B, C) an der Tischplatte (14) zu erfassen, und mit einer Steuerung (44, 46; 62, 62), die dazu ausgebildet ist, eine Lagereglung der Tischplatte (14) um zumindest zwei virtuelle Drehachsen (26, 28) zu realisieren, die in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb (30, 32, 34) einen ersten Linearantrieb (30) für das erste Bein (16) und einen zweiten Linearantrieb (32) für das zweite Bein (18) beinhaltet. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Lageregler (46) für die zumindest zwei virtuellen Drehachsen (26, 28) sowie einen Konverter (44) beinhaltet, der dazu ausgebildet ist, die vom Messsystem (38, 40, 42) erfassten Positionsmesswerte in virtuelle Rotationswerte (Rx, Ry) der Tischplatte (14) um die zumindest zwei Drehachsen (26, 28) umzuwandeln. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageregler (46) zumindest einen ersten und einen zweiten Drehachsenstellwert (vRx, vRy) erzeugt, und dass der Konverter (44) ferner dazu ausgebildet ist, die Drehachsenstellwerte (vRx, vRy) in zumindest einen ersten und einen zweiten Linearstellwert (vA, vB, vC) umzuwandeln, wobei der erste Linearstellwert (vA) dem ersten Linearantrieb (30) zugeführt ist und wobei der zweite Linearstellwert (vB) dem zweiten Linearantrieb (32) zugeführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (38, 40, 42) ein Längenmesssystem beinhaltet, das dazu ausgebildet ist, die Beinlänge der Beine (16, 18, 20) zu bestimmen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tischplatte (14) eine Ebene (15) definiert, und dass das Messsystem zumindest ein erstes und ein zweites Teilmesssystem (38, 40) beinhaltet, die relativ zu der Ebene (15) ortsfest angeordnet sind. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Speicher (56; 56'), in dem Positionswerte des ersten und zweiten Teilmesssystems (38, 40) abgespeichert sind, wobei die Positionswerte auf einen gemeinsamen Referenzpunkt (54) bezogen sind, der in einem Bereich zwischen dem ersten und zweiten Teilmesssystem (38, 40) liegt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (44, 46; 62, 64) ferner dazu ausgebildet ist, eine Lagereglung in einer Linearachse (24) zu realisieren, die senkrecht zu den zumindest zwei Drehachsen (26, 28) steht. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Längenregler (62) zum Einstellen der Beinlänge der Beine (16, 18, 20) sowie einen Konverter (64) beinhaltet, der dazu ausgebildet ist, virtuelle Sollpositionen (Rxsoll, Rysoll, Zsoll) der Tischplatte (14) um die zumindest zwei Drehachsen (26, 28) in entsprechende Längensollwerte (Zasoll, Zbsoll, Zcsoll) für die Beinlänge der Beine (16, 18, 20) umzuwandeln. Verfahren zum lagegenauen Positionieren eines Werkstücks (22), mit den Schritten:

– Bereitstellen eines Hubtisches (12) mit einer Tischplatte (14) und mit zumindest einem ersten und einem zweiten Bein (16, 18, 20), deren Beinlänge variabel einstellbar ist,

– Anordnen des Werkstückes (22) auf der Tischplatte (14), und

– Einstellen einer Neigung der Tischplatte (14) um eine erste und eine zweite virtuelle Drehachse (26, 28), die in unterschiedlichen Raumrichtungen verlaufen,

– wobei zumindest die Beinlänge des ersten und des zweiten Beins (16, 18, 20) verstellt wird.






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