Lageermittlung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung von Position und Lage eines Tragemittels bezüglich einer Referenzachse, insbesondere zur hochgenauen Führung einer auf dem Tragemittel angeordneten Werkzeugmaschine oder einer anderen Einrichtung, wie z.B. einem Messsystem.

An die Oberflächen der in der Papierindustrie eingesetzten Trocken- und Presszylinder werden hohe Anforderungen gestellt, die nur durch regelmäßiges Nachschleifen eingehalten werden können. Aufgrund der Größe der Zylinder (Länge größer als 10m, Durchmesser bis 2m) wird das Nachschleifen zweckmäßigerweise di- rekt an Ort und Stelle durchgeführt, wobei eine entsprechende Schleifmaschine an dem stationären Zylinder entlang geführt wird. Zur exakten Führung eines Werkzeugs ist im allgemeinen ein schweres, präzise gefertigtes und vermessenes Maschinenbett erforderlich, das als (lineare) Referenz entlang des zu bearbeitenden Werkstücks dient.

Aus der WO 01/49451 ist eine mobile Vorrichtung zum Schleifen von Yankee-Zylindern bekannt. Diese Vorrichtung verzichtet auf ein präzise gefertigtes Führungsbett und verwendet stattdessen einen parallel zur Zylinderachse gespannten Stahldraht als Referenzachse. Die mobile Vorrichtung der WO 01/49451 ist mit einem Messsystem versehen, mit dessen Hilfe der Abstand der Vorrichtung zum Stahl- draht ermittelt wird. Ein Neigungssensor kann zusätzlich die Neigung der Vorrichtung innerhalb einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse bestimmen. Mittels eines auf der Vorrichtung angeordneten Distanzsensors und unter Berücksichtigung des ermittelten Abstands und der Neigung der Vorrichtung kann die Oberfläche des zu bearbeitenden Zylinders genau vermessen und der Schleifvorgang entsprechend gesteuert werden.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass lediglich radiale Abweichung in der Ma- schinenführung erkannt und kompensiert werden können. Andere Abweichungen, insbesondere Abweichungen aufgrund einer Verkippung der Vorrichtung gegenüber der Zyliπderachse, werden nicht erkannt und führen zu Fehlern in der Vermessung und Bearbeitung des Werkstücks.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messeinrichtung und ein ent- sprechendes Verfahren anzugeben, mit denen Position und Lage eines Tragemittels bezüglich einer Referenzachse mit größerer Genauigkeit ermittelt werden kann.

Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, zwei 2D-Positionssenso- ren, die die Position der Werkzeugmaschine relativ zur Bezugsachse an zwei in axialer Richtung beabstandeten Punkten vermessen, und einen Neigungssensor, der eine Neigung um die Bezugsachse erfasst, vorzusehen. Auf diese Weise kann zusätzlich zur Position innerhalb der Ebene senkrecht zur Bezugsachse auch die vollständige Lageinformation bzgl. Drehung um alle drei Achsen ermittelt werden.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messeinrichtung zur Ermittlung von Position und Lage eines Tragemittels bezüglich einer Referenzachse, insbesondere für eine mobile Werkzeugmaschine, zur Verfügung gestellt. Die Messeinrichtung umfasst einen auf dem Tragemittel montierten ersten 2D-Positionssensor zur Ermittlung erster Lagedaten, die eine Lage des ersten 2D- Positionssensors relativ zu einer Bezugsachsβ in einer ersten Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Bezugsachse liegt, angeben, einen zweiten 2D-Posi- tionssensor, der in Richtung der Bezugsachse beabstandet zu dem ersten 2D-Posi- tionssensor auf <jem Tragemittel montiert ist, zur Ermittlung zweiter Lagedaten, die eine Lage des zweiten 20-Positionssensors relativ zu der Bezugsachse in einer zweiten Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Bezugsachse liegt, angeben, und einen Neigungssensor zur Ermittlung von Neigungsdaten, die eine Neigung des Tragemittels um eine Rotationsachse, die im wesentlichen parallel zur Bezugsachse liegt, angeben, wobei die Position des Tragemittels relativ zur Bezugsachse in zwei Koordinatenrichtungen senkrecht zur Bezugsachse und die Orientierung des Tragemittels bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen aus den ersten Lagedaten, den zweiten Lagedaten und den Neigungsdaten ermittelbar ist.

Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung eine Verarbeitungseinheit zur Ermittlung der Position des Tragemittels relativ zur Bezugsachse in zwei Koordinaten- richtungen senkrecht zur Bezugsachse und/oder der Orientierung des Tragemittels bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen aus den ersten Lagedaten, den zweiten Lagedaten und den Neigungsdaten. Die von der Verarbeitungseinheit ermittelte Position und Orientierung des Tragemittels kann so direkt für die Steuerung eines ebenfalls auf dem Tragemittel montierten Werkzeugs genutzt werden.

Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung desweiteren Mittel zur Repräsentation der Bezugsachse, vorzugsweise einen gespannten Draht oder Faden oder einen Laserstrahl, wobei der erste und/oder der zweite 2D-Positionssensor dazu eingerichtet sind, einen Abstand zu dem Mittel, das die Bezugsachse repräsentiert, zu ermitteln. Auf diese Weise kann die Bezugsachse der Messeinrichtung an dem zu bearbeitenden oder zu vermessenden Werkstück ausgerichtet werden. Vorzugsweise umfasst der erste und/oder der zweite 2D-Positionssensor einen Laserscanner oder ein Photodetektor-Array, wodurch eine präzise und berührungsfreie Vermessung ermöglicht wird.

Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung desweiteren einen auf dem Trage- mittel montierten axialen Positionssensor zur Ermittlung von dritten Positionsdaten, die eine Lage oder eine Lageveränderung des axialen Positionssensors parallel zur Bezugsachse angeben, wobei die Verarbeitungseinheit zusätzlich zur Ermittlung der Position des Tragemittels relativ zu einem Bezugspunkt in einer Koordinatenrichtung parallel zur Bezugsachse aus den dritten Positionsdaten eingerichtet ist. Auf diese Weise kann die vollständige Positions- und Lageinformation für alle sechs Freiheitsgrade zur Verfügung gestellt werden.

Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung desweiteren eine Speichereinheit zur Speicherung von Kalibrierungsdaten, die die Position des die Bezugsachse repräsentierenden Mittels relativ zur Bezugsachse angeben, wobei die Verarbeitungs- einheit dazu eingerichtet ist, die Position und/oder Orientierung des Tragemittels unter Berücksichtigung der durch die Kalibrierungsdaten angegebenen Position zu ermitteln. Dadurch kann die Genauigkeit der Positions- und Lagenbestimmung weiter erhöht werden.

Vorzugsweise geben die Kalibrierungsdaten die Position von zwei Punkten des die Bezugsachse repräsentierenden Drahts oder Fadens im Raum an. Mit Hilfe dieser Daten kann das lokale Koordinatensystem des Tragemittels in das globale Koordinatensystem überführt werden.

Vorzugsweise berücksichtigen die Kalibrierungsdaten insbesondere auch ein Durchhängen des die Bezugsachse repräsentierenden Drahts oder Fadens. Vorzugsweise umfasst die Messeinrichtung desweiteren Mittel zum Spannen des die Bezugsachse repräsentierenden Drahts oder Fadens mit einer vorbestimmten konstanten Kraft. Alternativ oder zusätzlich kann die Messeinrichtung desweiteren einen Kraftsensor zur Ermittlung der Spannung des die Bezugsachse repräsentierenden Drahts oder Fadens umfassen, wobei die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, die Stärke des Durchhängens auf Basis der ermittelten Spannung zu berechnen. Auf diese Weise können auch Änderungen in der Spannung und damit Änderungen im Durchhängen des Drahts oder Fadens, wie sie beispielsweise durch Temperaturschwankungen verursacht werden können, während der Bearbeitung oder Vermessung des Werkstücks berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise umfasst die Messeinrichtung desweitereπ einen auf dem Tragemittel montierten Distanzsensor zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks. Der Distanzsensor kann sowohl zur Vermessung der Werkstückoberfläche als auch zur Kalibrierung der Messeinrichtung eingesetzt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung von Position und Lage eines Tragemittels bezüglich einer Referenzachse zur Verfügung gestellt, Das Verfahren umfasst die Schritte: Ermittlung erster Lagedaten, die eine Lage eines ersten auf dem Tragemittel montierten 2D- Positionssensors relativ zu einer Bezugsachse in einer ersten Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Bezugsachse liegt, angeben; Ermittlung zweiter Lagedaten, die eine Lage eines zweiten 2D-Positionssensors, der in Richtung der Be- zugsachse beabstandet zu dem ersten 2D-Positionssensor auf dem Tragemittel montiert ist, relativ zu der Bezugsachse in einer zweiten Ebene, die im wesentlichen senkrecht zur Bezugsachse liegt, angeben; Ermittlung von Neigungsdaten, die eine Neigung des Tragemittels um eine Rotationsachse, die im wesentlichen parallel zur Bezugsachse liegt, angeben; und Ermittlung der Position des Tragemittels relativ zur Bezugsachse in zwei Koordinatenrichtungen senkrecht zur Be- zugsachse und/oder der Orientierung des Tragemittels bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen aus den ersten Lagedaten, den zweiten Lagedaten und den Neigungsdaten. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermessung der Oberfläche eines Werkstücks mittels eines auf einem Tragemittel montierten Distanzsensor zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: (a) Ermittlung der Position und Lage des Tragemittels bezüglich einer Referenzachse; (b) Ermittlung des Abstands zwischen dem Tragemittel und einem Punkt der Werkstückoberfläche mittels des Distanzsensors; und (c) Ermittlung der Position des Punkts der Werkstückoberfläche relativ zur Referenzachse aus der ermittelten Position und Lage des Tragemittels und dem ermittelten Abstand zwischen dem Tragemittel und dem Punkt der Werkstückoberfläche.

Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren desweiteren die Schritte: (d) Verfahren des Tragemittels parallel zur Referenzachse; und Wiederholen der Schritte (a) bis (d). Auf diese Weise kann beispielsweise eine Durchmesservariation des Werkstücks entlang der Referenzachse ermittelt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks mittels einer auf einem Tragemittel montierten Werkzeugmaschine zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: (a) Ermittlung der Position und Lage des Tragemittels bezüglich einer Referenzachse und (b) Ansteuern der Werkzeugmaschine in Abhängigkeit von der ermittelten Position und Lage des Tragemittels.

Vorteilhafterweisθ umfasst das Verfahren desweiteren umfassend die Schritte: (c) Verfahren des Tragemittels parallel zur Referenzachse; und Wiederholen der Schritte (a) bis (c). Auf diese Weise kann beispielsweise eine Durchmesservariation des Werkstücks entlang der Referenzachse durch entsprechende Bearbeitung, insbesondere Schleifen, korrigiert werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung beschrieben, die eine schematische Darstellung der Messeinrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Abbildung zeigt schematisch die Konfiguration der erfindungsgemäßen Messeinrichtung. Das globale, raumfeste Koordinatensystem wird im folgenden mit XYZ bezeichnet, wohingegen das lokale Koordinatensystem der (mobilen) Messeinrichtung mit UVW bezeichnet wird. Mit „Position" wird im folgenden auf die translato- rischen Freiheitsgrade verwiesen, wohingegen mit „Lage" auf die Rotatioπsfreiheits- grade Bezug genommen wird. Die Position bzw. die Lage des Tragemittels wird also durch die Angabe von drei Koordinaten im XYZ-Koordinatensystem bzw. von drei Drehwinkeln um die XYZ-Koordinatenachsen festgelegt.

Grundlage der nachfolgend beschriebenen Positions- und Lagebestimmung ist ein nach Möglichkeit parallel zur Bezugsachse 210 (hier: Walzenachse bzw. Z-Achse) gespannter Stahldraht 150, dessen geringfügige Abweichung von der Geradlinigkeit bekannt oder berechenbar ist.

Die Messeinrichtung umfasst ein Tragemittel oder einen Support 110, an dem zwei 2D-Positionssensoren 120,130 in einem bestimmten Abstand zueinander befestigt sind. Die beiden Positionssensoren sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Enden des Supports angeordnet, so dass der Abstand zwischen ihnen in Richtung der Bezugsachse möglichst groß ist. Die 2D-Positionssensoren vermessen die Lage des Supports am Ort des jeweiligen Sensors relativ zum Referenzdraht und liefern erste und zweite Positionsdaten (ui, vi) bzw. (u ₂ , V2), die die Lage des Refe- renzdrahts in einer Ebene parallel zur lokalen UV-Ebene angeben, also in einer Ebene, die in etwa senkrecht zur Bezugsachse liegt. Die beiden Positionssensoren sind dabei so ausgerichtet, dass ihre Messebenen im wesentlichen parallel zueinander liegen.

Die Messeinrichtung umfasst weiterhin einen Neigungssensor 140, der ebenfalls auf dem Support befestigt ist, und Neigungsdaten α liefert, die eine Neigung des Supports um eine lokale Drehachse w angeben, die in etwa parallel zur Bezugsachse 210 liegt. Auf dem Support 110 kann zusätzlich ein Bearbeitungswerkzeug (nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine Schleifmaschine montiert sein. Der Support selbst kann auf einer Führung 115, beispielsweise in Form von Schienen, in axialer Richtung, also parallel zur Bezugsachse, verlagerbar sein.

Aus den Positionsdaten der beiden Positionssensoren und ihrem bekannten Abstand sowie den Neigungsdaten des Neigungssensors können durch eine Verarbeitungseinheit die globalen X-Y Koordinaten des Supports, also dessen Position innerhalb einer Ebene parallel zur XY-Ebene, bestimmt werden. Durch einen zusätzlichen axialen Positionssensor (nicht gezeigt) kann außerdem die Z-Koordinate des Supports und somit seine komplette Positionsbeschreibung ermittelt werden.

Darüberhinaus ist aus den Positionsdaten der beiden Positionssensoren und ihrem bekannten Abstand sowie den Neigungsdaten des Neigungssensors die komplette Lagebeschreibung des Supports, also dessen Rotation um drei orthogonale Achsen, ermittelbar.

Die Messeinrichtung kann weiterhin einen Abstandssensor 170 umfassen, mit dessen Hilfe der Abstand zur Oberfläche des Werkstücks 200 ermittelbar ist. Durch Verfahren der Messeinrichtung in axialer Richtung und Rotation des Werkstücks um die Bezugsachse kann die Oberfläche des Werkstücks vermessen werden, indem der Abstand zur Oberfläche und gleichzeitig die Position und Lage der Mess- einrichtung relativ zur Bezugsachse ermittelt wird.

Als Positionssensor werden vorzugsweise 2D-Laserscanner oder jeweils zwei gekreuzte 1 D-Laserscanner verwendet, es können aber auch andere geeignete Positionssensoren, wie z.B. Photodiodenarrays o.a. verwendet werden.

Anstelle des gespannten Stahldrahts kann selbstverständlich auch ein (Nylon-) Faden oder dergleichen als Referenz verwendet werden. Alternativ kann auch ein

Laserstrahl als Referenzachse verwendet werden. Als Positionssensoren kommen in diesem Fall optische Detektorarrays, vorzugsweise CCDs oder CMOS-Arrays in Verbindung mit halbdurchlässigen Spiegeln oder Prismen als Strahlteiler zur Auskopplung des Positionssignals aus dem Referenzstrahl in Frage.

Die Verwendung eines gespannten Drahts oder Fadens als Referenz hat vor allem bei größeren Distanzen den Vorteil, dass dessen genaue Ausrichtung am Werkstück durch Justieren der beiden Endpunkte leicht einstellbar ist, wohingegen bei einem Laserstrahl die Strahlrichtung am Ort des Lasers sehr genau justiert sein muss.

Im Gegensatz zum Laserstrahl tritt bei einem gespannten Draht oder Faden eine Abweichung von der Geradlinigkeit aufgrund des Eigengewichts des Drahts oder Fadens auf. Diese Abweichung lässt sich aber durch entsprechende Kalibrierung gut beherrschen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Messeinrichtuπg zusätzlich einen Kraftsensor auf, der die Spannung des Drahts oder Fadens misst. Aus der ermittelten Spannung kann die Durchhängkurve, d.h. die Abweichung von der Referenzachse als Funktion der axialen Position (z-Koordinate) ermittelt werden, beispielsweise durch Berechnung oder Interpolation einer Kalibrierungstabelle.

Als Alternative oder zusätzlich zu dem Kraftsensor kann die Messeinrichtung auch Mittel umfassen, die dafür sorgen, dass der Draht oder Faden stets mit einer konstanten, wohlbekannten Kraft gespannt ist. Im einfachsten Fall kann dies ein über eine Umlenkrolle an dem Draht befestigtes Gewicht sein.

Die Auswirkungen mechanischer Schwingungen in dem gespannten Draht oder Faden können außerdem durch geeignete Tiefpassfilterung (Mittelwertbildung) bei der Positionsbestimmung eliminiert werden. Die (hochgenauen) Positionssensoren haben naturgemäß nur einen begrenzten Messbereich (typischerweise 13x13 mm), der beim Einsatz der Messeinrichtung nicht verlassen werden darf. Die genaue Position des Referenzdrahts, -fadens, oder -laserstrahls in seiner dauerhaft stabilen Lage muss bekannt sein oder durch eine Kalibrierung bestimmbar sein.

Für den Abstandssensor kommen unter anderem Lasertriangulation, konfokale Wegsensoren, Wirbelstromsensoren (bei metallischen Oberflächen), und andere geeignete Sensoren in Frage.

Die von den verschiedenen Sensoren ermittelten Daten werden einer Ver- arbeitungseinheit zugeführt. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise als Mikroprozessor, MikroController, Speicherprogrammierbare Steuerung, oder als Software-Komponente einer übergeordneten Steuerung ausgeführt sein.

Zur Kalibrierung kann beispielsweise der Abstandssensor verwendet werden, um an zwei möglichst weit in z-Richtung beabstandeten Punkten den Abstand zu einer bekannten Bezugsfläche und die zugehörigen Positionsdaten der beiden Positionssensoren und die Neigungsdaten des Neigungssensors zu ermitteln. Als Bezugsfläche kommt beispielsweise die Werkstückoberfläche in Frage, wenn deren Durchmesser an diesen Stellen exakt bekannt ist. Aus den so gewonnen Daten lässt sich die Drahtlage an zwei Punkten und somit vollständig bestimmen.

Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere im Zusammenhang mit der Vermessung und Bearbeitung großer zylindrischer Werkstücke erläutert, ist aber allgemein für jede Art von linear orientierten Vermessungs- und Führungsaufgaben einsetzbar. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, wenn eine hochgenaue Führung über lange Strecken in der Größenord- nung von 10m und länger erforderlich ist, beispielsweise bei der Fertigung von Flugzeugtragflächen, Rotorblättern von Windkraftanlagen und dergleichen. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung zur Ermittlung von Position und Lage eines Tragemittels bezüglich einer Referenzachse, insbesondere zur hochgenauen Führung einer mobilen Werkzeugmaschine oder eines speziellen Messsystems, um- fasst also einen auf einem Tragemittel montierten ersten 2D-Positionssensor zur Ermittlung erster Lagedaten, die eine Lage des ersten 20-Positionssensors relativ zu einer Bezugsachse in einer ersten Ebene senkrecht zur Bezugsachse angeben, einen zweiten 2D-Positionssensor, der in Richtung der Bezugsachse beabstandet zu dem ersten 2D-Positionssensor auf dem Tragemittel montiert ist, zur Ermittlung zweiter Lagedaten, die eine Lage des zweiten 2D-Positionssensors relativ zu der Bezugsachse in einer zweiten Ebene senkrecht zur Bezugsachse angeben, sowie einen Neigungssensor zur Ermittlung von Neigungsdaten, die eine Neigung des Tragemittels um eine Rotationsachse parallel zur Bezugsachse angeben. Aus diesen Daten ist die Position des Tragemittels relativ zur Bezugsachse in zwei Koordinatenrichtungen senkrecht zur Bezugsachse und die Orientierung des Trage- mittels bezüglich dreier orthogonaler Rotationsachsen ermittelbar. Die Bezugsachse kann durch einen Laserstrahl oder durch einen gespannten Draht oder Faden repräsentiert werden.