DE102016220097B4

DE102016220097B4 - Bestimmung einer Position eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgerätes

Info

Publication number: DE102016220097B4
Application number: DE102016220097.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Gruber; Günter Grupp; Ralf Bernhardt
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2036-10-15
Also published as: US20180106586A1; US10775148B2; JP6483775B2; DE102016220097A1; JP2018066731A

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Teils (208) eines Koordinatenmessgerätes (211), wobei durch eine Bewegung des beweglichen Teils (208) ein Messsensor (205) des Koordinatenmessgerätes (211) bewegt wird, aufweisend die folgenden Schritte:- Zuführen von Sollwerten, die von einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes (211) erzeugt werden, zu einem Rechenmodell (MOD) des Koordinatenmessgerätes (211), wobei die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung zumindest einen Antrieb des Koordinatenmessgerätes (211) ansteuert, um das bewegliche Teil (208) oder um das bewegliche Teil (208) und zumindest ein weiteres bewegliches Teil (202, 203, 207) des Koordinatenmessgerätes (211) und damit den Messsensor (205) zu bewegen, und wobei die Sollwerte einen Sollzustand des zumindest einen Antriebs vorgeben,- Messen von Positionswerten des beweglichen Teils (208) durch ein Positionsmesssystem des Koordinatenmessgerätes (211),- Bilden von Positions-Abweichungen zwischen den gemessenen Positionswerten und Positionsschätzwerten des Rechenmodells (MOD), wobei die Positionsschätzwerte von dem Rechenmodell (MOD) für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) erzeugt werden,- Messen von Beschleunigungswerten durch einen Beschleunigungssensor, der an einem Beschleunigungs-Messort angeordnet ist, welcher ein Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) ist, wobei der Beschleunigungs-Messort in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) von einem Positions-Messort des Positionsmesssystems entfernt ist und in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) näher an dem vorgegebenen Ort liegt als der Positions-Messort des Positionsmesssystems, an dem das Positionsmesssystem die Positionswerte des beweglichen Teils (208) misst,- Bilden von Beschleunigungs-Abweichungen zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und Beschleunigungsschätzwerten des Rechenmodells (MOD), wobei die Positions-Abweichungen und die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell (MOD) zugeführt werden und unter deren Berücksichtigung das Rechenmodell (MOD) aktualisierte Positionsschätzwerte und aktualisierte Beschleunigungsschätzwerte ausgibt, wobei durch die aktualisierten Positionsschätzwerte die Position des beweglichen Teils (208) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgerätes und ein Koordinatenmessgerät.
Die mechanische und kinematische Konstruktion des Koordinatenmessgeräts (im Folgenden kurz: KMG) kann verschieden sein. Z.B. kann es sich um ein KMG in Portal-, Gelenkarm-, Parallelkinematik- oder Horizontalarm-Bauweise handeln. In allen Fällen weist das KMG ein bewegliches Teil auf, an dem entweder direkt oder indirekt ein Messsensor befestigt oder angekoppelt ist. Durch eine Bewegung des beweglichen Teils wird daher auch der Messsensor bewegt, insbesondere um ihn in eine Position und/oder Ausrichtung zu bringen, in der ein Messobjekt mit Hilfe des Sensors vermessen wird, und Koordinaten des Messobjektes zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich kann der Messsensor das Messobjekt während der Bewegung z. B. scannend abtasten. Die Bewegung des beweglichen Teils wird durch zumindest einen Antrieb des KMG angetrieben.
Z.B. ist der Sensor ein Messkopf, der an einem beweglichen Teil (zum Beispiel einer Pinole oder einem Arm) des KMG angebracht ist. An dem Messkopf, kann insbesondere ein Taster (z.B. ein Taststift) angebracht sein, mit dem das KMG die Oberfläche des Werkstücks taktil angetastet wird. Daher ist insbesondere auch ein Taster zum taktilen Antasten des zu vermessenden Werkstücks ein Beispiel für einen Sensor oder für einen Teil des Sensors. Der Messkopf weist insbesondere eine Sensorik auf, die Messsignale erzeugt, durch deren Auswertung die Koordinaten ermittelt werden können.
In der Koordinatenmesstechnik kommen jedoch auch andere Messsensoren vor. Zum Beispiel kann der Sensor lediglich die Messung der Koordinaten auslösen. Dies ist zum Beispiel bei einem schaltenden Messkopf der Fall, der bei Kontakt mit dem zu vermessenden Werkstück ein Schaltsignal erzeugt, welches die Messung der Koordinaten z. B. durch Ablesung des Maßstabes oder der Maßstäbe des Positionsmesssystems an dem beweglichen Teil oder den beweglichen Teilen des KMG auslöst. Grundsätzlich können die Sensoren in durch Berührung (taktile Antastung des Werkstücks) und in nicht durch Berührung vermessende Sensoren eingeteilt werden. Zum Beispiel optische Sensoren (z. B. Kameras) oder kapazitive Sensoren zur Koordinatenmessung sind Sensoren, die nicht auf dem Prinzip der taktilen Abtastung basieren. Auch ist es möglich, Sensoren nach der Art oder Größe des insbesondere gleichzeitig erfassten Bereichs des Werkstücks einzuteilen. Insbesondere können Sensoren Koordinaten lediglich eines Punktes oder einer Fläche an der Oberfläche oder auch im Inneren des Werkstücks messen oder Koordinaten eines Volumens des Werkstücks messen.
Der Messsensor kann insbesondere fest mit dem beweglichen Teil oder mit zumindest einem der beweglichen Teile des Koordinatenmessgerätes verbunden sein/werden, dessen oder deren Position während des Betriebes des Koordinatenmessgerätes von einem Positionsmesssystem des KMG gemessen wird. Unter einer festen Verbindung ist auch eine wieder lösbare Verbindung zu verstehen, die zum Beispiel über eine Wechselschnittstelle herstellbar ist bzw. besteht. Alternativ oder zusätzlich zu einer festen Verbindung kann eine bewegliche Verbindung des Messsensors zu zumindest einem der beweglichen Teile des Koordinatenmessgerätes bestehen oder hergestellt werden. Zum Beispiel kann der Messsensor über ein Drehgelenk mit einer Drehachse oder mit einer Mehrzahl von Drehachsen mit einem der beweglichen Teile verbunden werden/sein. Bei diesem beweglichen Teil kann es sich zum Beispiel um die Pinole eines Koordinatenmessgerätes in Portalbauweise oder Gantrybauweise handeln oder um den Horizontalarm eines Koordinatenmessgerätes in Horizontalarmbauweise. Auch bei der beweglichen Verbindung kann zumindest eine Wechselschnittstelle verwendet werden. Die jeweilige Wechselschnittstelle erlaubt das An- und Abkoppeln des Messsensors und/oder des Drehgelenks.
Das bewegliche Teil kann insbesondere ein langgestrecktes Teil sein, z.B. ein Arm, wobei die Länge des langgestreckten Teils ein Vielfaches (z.B. mindestens das Fünffache oder mindestens das Zehnfache) der Breite und Tiefe des langgestreckten Teils beträgt. Die Breite und Tiefe können in zwei verschiedenen senkrecht zueinander stehenden Richtungen senkrecht zur Längsrichtung gemessen werden.
Bei KMG der zuvor erwähnten Art mit zumindest einem beweglichen Teil und einem Messsensor, der direkt oder indirekt mit dem beweglichen Teil verbunden oder gekoppelt ist, können an dem Messsensor mechanische Schwingungen auftreten, die insbesondere durch den zumindest einen Antrieb des KMG angeregt werden. Solche Schwingungen treten auch an dem beweglichen Teil auf, mit dem der Sensor indirekt oder direkt verbunden oder gekoppelt ist. Das Positionsmesssystem des KMG misst zwar die momentane Position des beweglichen Teils, aber in fast allen Bewegungsstellungen nicht die Position desjenigen Bereichs des beweglichen Teils, mit dem der Messsensor verbunden oder gekoppelt ist. Die Stelle, an der das Positionsmesssystem die Position des beweglichen Teils misst, liegt in fast allen Bewegungsstellungen deutlich oder sogar weit entfernt von dem Bereich, mit dem der Messsensor gekoppelt oder verbunden ist. Das Positionsmesssystem kann daher nicht unmittelbar die unbeabsichtigten Veränderungen der Position des Bereichs aufgrund von Schwingungen messen.
Andererseits wird die Position des Bereichs, an dem der Messsensor angekoppelt ist oder an dem er befestigt ist, für die Bestimmung der Position des Messsensors und damit auch für die Bestimmung der Koordinaten des mit Hilfe des Messsensors vermessenen Messobjekts benötigt. Die Koordinaten sollen nicht lediglich im Koordinatensystem des Messsensors, sondern insbesondere im Koordinatensystem des Messobjektes oder einer ortsfesten Basis des Koordinatenmessgerätes bestimmt werden.
Z.B. bei einem Koordinatenmessgerät in Portalbauweise (d.h. Brückenbauweise) können am unteren Ende der Pinole, an das der Messkopf angekoppelt ist, Schwingungen in der Richtung (in der Regel als Y-Richtung bezeichnet) auftreten, in die die gesamte Brücke bzw. das gesamte Portal verfahrbar ist. Bei einem Koordinatenmessgerät in Horizontalarmbauweise können insbesondere bei weit ausgefahrenem Horizontalarm, an dem der Messsensor angebracht ist, erhebliche Schwingungen in der Richtung (in der Regel als X-Richtung bezeichnet) auftreten, in der der Horizontalarm mit samt dem relativ zur Basis verfahrbaren Ständer beweglich ist.
Es ist möglich, z.B. am unteren Ende der Pinole oder am Ende des Horizontalarmes, einen Beschleunigungssensor vorzusehen, der die Beschleunigungen aufgrund von Schwingungen in dem Bereich, an dem der Messsensor angekoppelt oder mit dem er verbunden ist, misst. Die Messwerte des Beschleunigungssensors in Abhängigkeit der Zeit können zweifach über die Zeit integriert werden, sodass die Position als Funktion des Ortes erhalten wird. Dies setzt jedoch voraus, dass der Startwert der zweifachen Integration bekannt ist und der Beschleunigungssensor und auch die zweifache zeitliche Integration keinen erheblichen Fehler erzeugen, der das Ergebnis verfälscht. Versuche der Erfinder haben ergeben, dass jedenfalls Beschleunigungssensoren, die bei vertretbaren Kosten für den dauerhaften Betrieb an einem KMG montiert werden können, über typische Betriebszeiträume von Koordinatenmessgeräten hinweg keine ausreichend genauen Bestimmungsergebnisse für die Position liefern, wenn auch die Effekte von mechanischen Schwingungen mit berücksichtigt werden sollen. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Phase und Amplitude des Bestimmungsergebnisses zunehmend im Laufe der Zeit von der tatsächlichen Phase sowie Amplitude der Schwingung abweichen.
US 2014 / 0 222 373 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen dynamischer Zustandsinformation für ein Koordinatenmessgerät, das einen Antriebsmechanismus aufweist, welcher einen Sensorkopf relativ zu einer Basis des Koordinatenmessgeräts bewegt. Es ist ein dynamisches Modell definiert, mit aktuellen Zustandsvariablen in Bezug auf physikalische Eigenschaften, die einen aktuellen Zustand des Koordinatenmessgeräts repräsentieren. Der aktuelle Zustand wird durch Berechnung basierend auf dem dynamischen Modell abgeleitet. Es werden Voraussagevariablen basierend auf den Zustandsvariablen abgeleitet. Die Voraussagevariablen beschreiben einen erwarteten ungefähren Zustand des Koordinatenmessgeräts. Zumindest eine der Zustandsvariablen wird gemessen. Beobachtbare werden bestimmt und Folgezustands-Variable werden abgeleitet, durch Vergleich der vorausgesagten Variablen mit den Beobachtbaren und das dynamische Modell wird aktualisiert unter Verwendung der Folgezustands-Variablen als aktuelle Zustandsvariablen. Der in dem dynamischen Modell verwendete Satz von Zustandsvariablen repräsentiert einen Satz von spezifischen physikalischen Parametern eines Teils des Koordinatenmessgeräts. Die Zustandsvariablen und/oder die physikalischen Eigenschaften, denen sie entsprechen, werden gemessen, um eine Abweichung zumindest einer der Variablen zu bestimmen. Bezüglich möglicher Eingabewerte für das Modell bezüglich der Messung der Zustandsvariablen und/oder Voraussagevariablen werden u.a. die Beschleunigung und die Position genannt. Im Gegensatz zu den Eingangswerten werden als Beispiele für Zustandsvariablen und die Voraussagevariablen sowie die Beobachtbaren die Masse, die Trägheit, geometrische Eigenschaften, Steifheit, Dämpfung, Lagereigenschaften, Drehmoment, Temperatur, Feuchtigkeit, Geschwindigkeit und/oder ausgeübte Kraft genannt.
WO 2016/151 101 A2 beschreibt ein Verfahren zum Erstellen oder Verfeinern eines mathematischen Korrekturmodells zum Korrigieren von Messfehlern in einer Koordinatenmessmaschine mit mindestens drei linearen Maschinenachsen, die jeweils eine lineare Skala umfassen. Die Koordinatenmessmaschine ist mit einer Messsonde versehen. Das Verfahren umfasst das Beschleunigen der Messsonde und mindestens einer der drei linearen Maschinenachsen der Koordinatenmessmaschine entlang einer der linearen Maschinenachsen und das Erstellen oder Verfeinern des mathematischen Korrekturmodells unter Verwendung einer scheinbaren Messsonden-Position, einer tatsächlichen Messsonden-Position und einer Beschleunigung der Koordinatenmessmaschine an der scheinbaren und der tatsächlichen Position. Das mathematische Korrekturmodell umfasst einen Korrekturterm für einen Versatz für eine oder mehrere der linearen Skalen der Maschine, wobei dieser Versatz als Abstand zwischen der Messsonde und der jeweiligen Maschinenskala definiert ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgerätes sowie ein Koordinatenmessgerät anzugeben, die die Bestimmung der Position des beweglichen Teils auch beim Auftreten mechanischer Schwingungen an dem beweglichen Teil ermöglichen.
Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung werden Positionsmesswerte des beweglichen Teils durch das Positionsmesssystem des Koordinatenmessgerätes gemessen. Dabei kann die Position des beweglichen Teils von dem Positionsmesssystem an dem beweglichen Teil selbst oder an einem anderen beweglichen Teil gemessen werden, das bezüglich der zu messenden Position oder Positionskomponente (z.B. der Positionskomponente in Y-Richtung) in gleicher Weise wie das bewegliche Teil selbst bewegt wird. Z.B. kann die Y-Position des beweglichen Teils (z.B. der Pinole eines KMG in Brückenbauweise) an zumindest einer der Säulen der Brücke gemessen werden und gibt damit auch die Y-Position der Pinole wieder. Diese Positionsmesswerte enthalten jedoch keine Abweichungen der Position der Pinole von der Position der Säulen der Brücke aufgrund von Schwingungen der Pinole.
Ferner werden Beschleunigungswerte des beweglichen Teils gemessen. Dadurch werden mechanische Schwingungen des beweglichen Teils messtechnisch erfasst. Im Beispiel des KMG in Brückenbauweise befindet sich der Beschleunigungssensor z.B. am unteren Ende der Pinole. Im Fall eines Horizontalarmmessgerätes befindet sich der Beschleunigungssensor z.B. an dem Ende des Horizontalarms, an dem auch der Messsensor angekoppelt ist oder mit dem der Messsensor verbunden ist.
Ferner wird ein Rechenmodell (z. B. in einer Steuerung des KMG computerimplementiert) des Koordinatenmessgerätes verwendet, dem Sollwerte einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes zugeführt werden. Z.B. werden Werte der Solldrehzahl, der Sollgeschwindigkeit oder des elektrischen Sollstroms zumindest eines Antriebsmotors dem Rechenmodell zugeführt. Bei den Sollwerten handelt es sich um die Sollwerte für den Betrieb zumindest eines Antriebsmotors, mit dem die Bewegung des beweglichen Teils indirekt über zumindest ein weiteres bewegliches Teil oder direkt angetrieben wird. Wenn lediglich eine Positionskomponente gemessen wird, kann zum Beispiel lediglich der Sollwert in Bezug auf die Richtung der Komponente dem Rechenmodell zugeführt werden, z.B. der Sollstrom oder die Solldrehzahl des Antriebsmotors oder der Antriebsmotoren, die die Bewegung des beweglichen Teils in dieser Richtung bewirken. Mit den Sollwerten, die auch dem Rechenmodell zugeführt werden, wird die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung betrieben. Dies kann bedeuten, dass die Sollwerte einem weiteren Teil der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung zugeführt werden (z.B. die Solldrehzahl als Ausgangssignal eines Positionsreglers einem Drehzahlregler oder der Sollstromwert als Ausgangssignal eines Drehzahlreglers einem Stromregler) und/oder dass der zumindest eine Antriebsmotor entsprechend dem jeweils gültigen Sollwert angesteuert wird. Z.B. wird ein elektrischer Strom eingestellt, der dem elektrischen Sollstrom entspricht. Wie bei jedem gesteuerten oder geregelten System kann es dabei zu Abweichungen zwischen dem aktuellen Istwert und dem aktuellen Sollwert kommen.
Das Rechenmodell ist ausgestaltet, Schätzwerte der Position und der Beschleunigung auszugeben. Bei der Beschleunigung handelt es sich um die Beschleunigung am Messort des Beschleunigungssensors. Bei den Positionsschätzwerten handelt es sich um Schätzwerte für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil. Der Ort, an dem die Position des beweglichen Teils von dem Positionsmesssystem gemessen wird, weicht immer oder - bei Messung an dem beweglichen Teil selbst abhängig von der Bewegungsstellung - meistens von dem vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung ab. Dabei wird davon ausgegangen, dass auch der von dem vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung entfernte Positionsmessort des Positionsmesssystems einen Wert für die Position des beweglichen Teils liefert, der sich auf den vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung bezieht oder umrechnen lässt. Eine zeitlich konstante Abweichung des Positionsmesswertes und des Positionsschätzwertes besteht daher nicht oder wird korrigiert. Insgesamt sind der Positionsmesswert und der Positionsschätzwert daher gleich oder ineinander umrechenbar. Unterschiede bestehen jedoch dennoch aufgrund mechanischer Schwingungen am vorgegebenen Ort, die nicht in gleicher Weise am Positionsmessort auftreten. Für die Erfindung ist dabei von Bedeutung, dass die zeitlichen Mittelwerte beider Positionswerte über den Zeitraum einiger Schwingungszyklen gleich sind oder genauso voneinander abweichen wie der nicht schwingungsbehaftete Positionswert am vorgegebenen Ort und der Positionsmesswert.
Die aus den gemessenen Positionswerten und den Positionsschätzwerten des Rechenmodells gebildeten Positions-Abweichungen werden ebenso dem Rechenmodell zugeführt wie auch die zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und den vom Rechenmodell geschätzten Beschleunigungswerten bestehenden Beschleunigungs-Abweichungen. Das Rechenmodell berücksichtigt die Positions-Abweichungen und die Beschleunigungs-Abweichungen und gibt entsprechend aktualisierte Positionsschätzwerte und aktualisierte Beschleunigungsschätzwerte aus.
Wenn in der Beschreibung der Plural für die Messwerte, Schätzwerte und Abweichungen gebraucht wird, bedeutet dies, dass wiederholt Messwerte gemessen werden, wiederholt Schätzwerte von dem Rechenmodell erzeugt und ausgegeben werden und wiederholt Abweichungen zwischen zumindest einem Messwert und zumindest einem Schätzwert gebildet werden. Insbesondere kann jeweils zu einem aktuellen Zeitpunkt des Betriebs des KMG eine Positions-Abweichung zwischen einem aktuellen Positionsmesswert und einem aktuellen Positionsschätzwert gebildet werden und zu dem Rechenmodell zurückgeführt werden. Entsprechendes gilt für die Beschleunigungswerte. Es ist jedoch auch nicht ausgeschlossen, dass zu einem aktuellen Zeitpunkt mehrere Abweichungen oder eine Abweichung unter Berücksichtigung mehrerer Messwerte und/oder mehrerer Schätzwerte ermittelt werden.
Insbesondere kann der Betrieb des KMG unter Verwendung des Rechenmodells bei wiederholter Ausführung der Operationen des Rechenmodells in aufeinanderfolgenden Arbeitstakten durchgeführt werden.
Die zuvor genannten Vorgehensweisen unter Verwendung von Rechenmodellen sind bezüglich der wiederholten Ausführung von Operationen des Rechenmodells, bezüglich der wiederholten Zuführung von Eingangsgrößen zu dem Rechenmodell und bezüglich der wiederholten Ausgabe und Verarbeitung der Ausgangsgrößen des Rechenmodells grundsätzlich aus der Regelungstechnik bekannt. Die Grundlagen der Regelungstechnik insbesondere in Bezug auf sogenannte Beobachter und sogenannte Kalman-Filter werden hier daher nicht wiederholt. Sie sind auch dem Fachmann auf dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik grundsätzlich bekannt. Z.B. beschreibt US 2016/0178362 A1 die Kompensation der mechanischen Effekte von Schwingungen eines Sensorelements eines Koordinatenmessgerätes unter Verwendung eines Beobachters oder Kalman-Filters, wobei dort jedoch das Sensorelement mit einem Aktuator zur Erzeugung einer von dem Sensorelement auszuübenden Messkraft kombiniert ist und der Aktuator zur Dämpfung oder Kompensation mechanischer Schwingungen angesteuert wird. Entfernungen zwischen einem Positions-Messort und einem vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung werden dort nicht betrachtet und es werden auch keine Beschleunigungs-Abweichungen und Positions-Abweichungen zu dem Rechenmodell rückgeführt.
Aufgrund der Rückführung dieser Abweichungen kann das Rechenmodell aktualisierte Schätzwerte ausgeben, die die Schwingungen des beweglichen Teils berücksichtigen. Da nicht nur die Beschleunigungs-Abweichungen rückgeführt werden, sondern auch die Positions-Abweichungen, können Phasen- und Amplitudenunterschiede der tatsächlichen Schwingungen einerseits und der Beschleunigungsmesswerte des Beschleunigungssensors andererseits berücksichtigt werden. Die Information, die die Positions-Abweichungen dem Rechenmodell zur Verfügung stellen, sind zu diesem Zweck brauchbar, obwohl der Positionsmessort und der vorgegebene Ort für die Positionsschätzung in der Regel voneinander beabstandet sind, weil das Positionsmesssystem nicht am vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung misst. Andererseits ist in den Beschleunigungs-Abweichungen Information für das Rechenmodell vorhanden, die den Schwingungsverlauf über wenige Schwingungszyklen hinweg wiedergeben. Die Position des beweglichen Teils an dem vorgegebenen Ort kann daher auch bei mechanischen Schwingungen vom Rechenmodell geschätzt werden.
Insbesondere wird Folgendes vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Teils eines Koordinatenmessgerätes, wobei durch eine Bewegung des beweglichen Teils ein Messsensor des Koordinatenmessgerätes bewegt wird, aufweisend die folgenden Schritte:

- Zuführen von Sollwerten (d.h. Werten zumindest einer Steuergröße), die von einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes erzeugt werden, zu einem Rechenmodell des Koordinatenmessgerätes, wobei die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung zumindest einen Antrieb des Koordinatenmessgerätes ansteuert, um das bewegliche Teil oder um das bewegliche Teil und zumindest ein weiteres bewegliches Teil des Koordinatenmessgerätes und damit den Messsensor zu bewegen, und wobei die Sollwerte einen Sollzustand des zumindest einen Antriebs vorgeben,
- Messen von Positionswerten des beweglichen Teils durch ein Positionsmesssystem des Koordinatenmessgerätes,
- Bilden von Positions-Abweichungen zwischen den gemessenen Positionswerten und Positionsschätzwerten des Rechenmodells, wobei die Positionsschätzwerte von dem Rechenmodell für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil erzeugt werden,
- Messen von Beschleunigungswerten durch einen Beschleunigungssensor, der an einem Beschleunigungs-Messort angeordnet ist, welcher ein Ort an oder in dem beweglichen Teil ist, wobei der Beschleunigungs-Messort in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils von einem Positions-Messort des Positionsmesssystems entfernt ist und in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils näher an dem vorgegebenen Ort liegt als der Positions-Messort des Positionsmesssystems, an dem das Positionsmesssystem die Positionswerte des beweglichen Teils misst,
- Bilden von Beschleunigungs-Abweichungen zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und Beschleunigungsschätzwerten des Rechenmodells,

Ferner wird vorgeschlagen: Ein Koordinatenmessgerät, mit

- einem beweglichen Teil,
- zumindest einem Antrieb zum Antreiben des beweglichen Teils, direkt oder indirekt über zumindest ein weiteres bewegliches Teil des Koordinatenmessgerätes, und damit zum Antreiben einer Bewegung eines Messsensor zur Messung von Koordinaten eines Werkstücks,
- einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung zum Ansteuern des zumindest einen Antriebs,
- einem Positionsmesssystem zum Messen von Positionswerten des beweglichen Teils,

- Sollwerte, die von der Antriebssteuerung oder der Antriebsregelung erzeugt werden, dem Rechenmodell zuzuführen, wobei die Sollwerte jeweils einen Sollzustand des zumindest einen Antriebs vorgeben,
- Positions-Abweichungen zwischen den gemessenen Positionswerten und Positionsschätzwerten des Rechenmodells zu bilden, wobei die Positionsschätzwerte von dem Rechenmodell für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil erzeugt werden,
- Beschleunigungswerte durch einen Beschleunigungssensor zu messen, der an einem Beschleunigungs-Messort angeordnet ist, welcher ein Ort an oder in dem beweglichen Teil ist, wobei der Beschleunigungs-Messort in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils von einem Positions-Messort des Positionsmesssystems entfernt ist und in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils näher an dem vorgegebenen Ort liegt als der Positions-Messort des Positionsmesssystems, an dem das Positionsmesssystem die Positionswerte des beweglichen Teils misst,
- Beschleunigungs-Abweichungen zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und Beschleunigungsschätzwerten des Rechenmodells zu bilden,
- wobei während des Betriebes des Koordinatenmessgerätes die Positions-Abweichungen und die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell zugeführt werden und unter deren Berücksichtigung das Rechenmodell aktualisierte Positionsschätzwerte und aktualisierte Beschleunigungsschätzwerte ausgibt, wobei durch die aktualisierten Positionsschätzwerte die Position des beweglichen Teils bestimmt wird.

Insbesondere können Maßstäbe, die absolute oder inkrementelle Positionswerte und/oder Positionsmarkierungen aufweisen, Teil des Positionsmesssystems sein. Z.B. kann der Maßstab an dem beweglichen Teil ausgebildet sein und/oder mit dem beweglichen Teil verbunden sein. Es kann zumindest ein Positionssensor des Positionsmesssystems an einem Teil des KMG angeordnet sein, relativ zu dem sich das bewegliche Teil bewegt. Bei diesem beweglichen Teil kann es sich um das bewegliche Teil handeln, mit dem der Messsensor des KMG verbunden ist oder an dem der Messsensor angekoppelt ist. Bei dem beweglichen Teil mit dem Maßstab kann es sich aber auch um ein anderes bewegliches Teil des KMG handeln, das gemeinsam mit dem beweglichen Teil bewegt wird, an welchem der Messsensor angekoppelt ist oder mit dem der Messsensor verbunden ist.
Bei dem vorgegebenen Ort, für den das Rechenmodell die Positionsschätzwerte erzeugt, kann es sich insbesondere um einen Ort an einem Ende des beweglichen Teils handeln, mit dem der Messsensor verbunden ist oder an dem der Messsensor angekoppelt ist. Insbesondere kann es sich um dasjenige Ende des beweglichen Teils handeln, an dem der Messsensor angeordnet ist. Das bewegliche Teil kann ein langgestrecktes Teil sein und das Ende am Ende in Längsrichtung des langgestreckten Teils liegen. Alternativ oder zusätzlich kann der vorgegebene Ort der Ort sein, an dem der Beschleunigungssensor angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der Beschleunigungs-Messort und der vorgegebene Ort für die Positionsschätzwerte des Rechenmodells gleich sind.
Im Folgenden werden Ausführungsformen und Ausgestaltungen des Verfahrens und des Koordinatenmessgerätes beschrieben.
Gemäß einer Ausgestaltung werden aus den aktualisierten Positionsschätzwerten und aus Messwerten und/oder Signalen des Messsensors Koordinaten eines unter Verwendung des Messsensors vermessenen Werkstücks ermittelt. Z. B. bei einem Messsensor vom schaltenden Typ werden dessen Signale zur Bestimmung der Koordinaten verwendet. Das Koordinatenmessgerät kann der Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend ausgestaltet sein. Insbesondere können die Positionsschätzwerte unmittelbar als Positionswerte bei der Koordinatenermittlung verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich können die aktualisierten Positionsschätzwerte und/oder aktualisierte Schätzwerte zumindest einer weiteren Zustandsgröße (z. B. Geschwindigkeitswerte des beweglichen Teils) der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes zugeführt werden und von der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung bei Erzeugung von Steuersignalen zur Ansteuerung des zumindest einen Antriebs verwendet werden. Das Koordinatenmessgerät und die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung können entsprechend ausgestaltet sein. Auf diese Weise können Schwingungen des beweglichen Teils durch die Steuersignale und den entsprechenden Betrieb des zumindest einen Antriebs gedämpft oder kompensiert werden.
Bei einer Ausgestaltung werden die Sollwerte der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung, die Positions-Abweichungen und/oder die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell jeweils mit einer Gewichtung zugeführt, sodass bei einer höheren eingestellten Gewichtung ein größerer Einfluss und bei einer geringer eingestellten Gewichtung ein geringerer Einfluss auf Berechnungen des Rechenmodells genommen wird. Die Gewichtung oder die Gewichtungen wird/werden anhand eines Gütekriteriums ermittelt, in dem Zustandsgrößen, die den Zustand des Koordinatenmessgerätes beschreiben, und die von der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung erzeugten Sollwerte jeweils im Verlauf der Zeit während eines Betriebszeitraumes berücksichtigt werden. Das Koordinatenmessgerät kann ausgestaltet sein, die Sollwerte, die Positions-Abweichungen und/oder die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell mit einer einstellbaren Gewichtung zuzuführen. Das Koordinatenmessgerät weist daher eine entsprechende Eingangsschnittstelle auf, über die die Gewichtung eingestellt werden kann. Die Einstellung kann automatisch vorgenommen werden, wenn das Ergebnis der Anwendung des Gütekriteriums zum Beispiel von dem KMG selbst ermittelt wird und die sich daraus ergebende Gewichtung automatisch für das Rechenmodell übernommen wird.
Durch Einstellung der Gewichtung kann das Rechenmodell verbessert werden und insbesondere anhand des Gütekriteriums optimiert werden. Z.B. verhalten sich verschiedene Koordinatenmessgeräte bezüglich der mechanischen Schwingungen des beweglichen Teils in unterschiedlicher Weise. Auch dasselbe Koordinatenmessgerät kann sich unterschiedlich verhalten, wenn z.B. ein anderer Messsensor an das bewegliche Teil angekoppelt wird. Eine Verbesserung des Rechenmodells kann insbesondere zu einer besseren Schätzung des zeitlichen Verlaufs der Position am vorgegebenen Ort in Bezug auf mechanische Schwingungen an dem Ort führen.
Insbesondere kann die jeweilige Gewichtung, mit der der Einfluss der Sollwerte, der Positions-Abweichungen und/oder der Beschleunigungs-Abweichungen festgelegt wird, aus einer Mehrzahl von Gewichtungskomponenten bestehen. Jede der Gewichtungskomponenten kann den Einfluss auf eine von mehreren Zustandsgrößen, die den Zustand des Koordinatenmessgerätes beschreiben, festlegen.
Das Gütekriterium kann insbesondere ein Ergebnis liefern, das anhand einer Skala einer skalaren Größe bewertet werden kann, Insbesondere kann ermittelt werden, ob das Ergebnis höher oder niedriger auf der Skala liegt. Insbesondere können die in dem Gütekriterium berücksichtigten Gewichtungen variiert werden, bis das Ergebnis des Gütekriteriums auf der Skala ein Minium oder in einer alternativen Ausführungsform ein Maximum ergibt. Mit dieser Minimierung oder Maximierung werden die zugehörigen Gewichtungen ermittelt, die zu einem optimierten Rechenmodell führen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

1 eine Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise als Beispiel für eine Art von Koordinatenmessgeräten, die in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können,
2 schematisch ein System, bei dem es sich zum Beispiel um das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät handeln kann, wobei aus dem System ein Rechenmodell zum Beispiel in Form einer genäherten Übertragungsfunktion ermittelt wird,
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein Rechenmodell, das sich auf einen Beobachter stützt,
4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein Rechenmodell, das sich auf einen Kalman-Filter stützt, und
5 schematisch ein Ausführungsbeispiel für ein Rechenmodell mit einer Rückkopplung zur Antriebsregelung, um mechanische Schwingungen zu dämpfen oder zu kompensieren.

Das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät (KMG) 211 in Portalbauweise weist einen Messtisch 201 auf, über dem Säulen 202, 203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 202, 203 bilden zusammen mit einem Querträger 204 ein Portal des KMG 211. Der Querträger 204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 202 bzw. 203 verbunden. Nicht dargestellte Elektromotoren verursachen als Antriebe die Linearbewegung der Säulen 202, 203 und der von den Säulen 202, 203 getragenen Teile entlang der Bewegungs-Achse, die in Y-Richtung verläuft. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 202, 203 ein Elektromotor zugeordnet. Der Querträger 204 ist mit einem Querschlitten 207 kombiniert, welcher z. B. luftgelagert entlang dem Querträger 204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die momentane Position des Querschlittens 207 relativ zu dem Querträger 204 kann anhand einer Maßstabsteilung 206 festgestellt werden. Die Bewegung des Querschlittens 207 entlang der Bewegungs-Achse in X-Richtung wird durch zumindest einen weiteren Elektromotor als Antrieb (nicht dargestellt) angetrieben. An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert, die an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 mit einem Messkopf 205 verbunden ist. Über eine Wechselschnittstelle 209 ist ein abgewinkeltes einachsiges Drehgelenk 215 an den Messkopf 205 angekoppelt. Mit dem Drehgelenk 215 ist ein Taststift 111 mit Tastkugel 121 verbunden. Das Drehgelenk 215 kann angetrieben durch einen weiteren Elektromotor (nicht dargestellt) um eine parallel zur Z-Richtung verlaufende Drehachse des kartesischen Koordinatensystems gedreht werden, sodass der Taststift z. B. in Richtung eines auf dem Messtisch 201 stehenden Messobjekts 217 ausgerichtet wird.
Dargestellt in 1 ist ferner eine Auswertungseinrichtung 220, die die Messsignale des Messkopfes über eine schematisch dargestellte Verbindung 230 empfängt. Eine schematisch dargestellte Steuerung 222 des KMG 211 steuert die Antriebe (z.B. die o.g. Elektromotoren) an. Insbesondere ist die Steuerung 222 dazu in der Lage, durch Steuerung der Antriebe den Taststift 111 in eine gewünschte Position zu verfahren und den Taststift 111 in eine gewünschte Messrichtung auszurichten.
Die Steuerung 222 ist ferner mit einer Recheneinrichtung 221 kombiniert, oder weist diese auf, in der während des Betriebes des KMG 211 wiederholt Berechnungen eines Rechenmodells des KMG 211 ausgeführt werden. Von dem Rechenmodell werden wiederholt Positionsschätzwerte einer Position eines beweglichen Teils an einem vorgegebenen Ort, insbesondere unten an der Pinole 208, erzeugt, wobei die Positionsschätzwerte auch mechanische Schwingungen an dem vorgegebenen Ort berücksichtigen.
Insbesondere an dem vorgegebenen Ort oder in seiner Nähe (z.B. als Teil des Messkopfes 205 oder integriert in die Montageeinrichtung 210) ist zumindest ein Beschleunigungssensor angeordnet. Z.B. kann der Beschleunigungssensor in den oberen Teil der Montageeinrichtung 210 integriert sein, der in 1 als schmalerer zylindrischer Teil gezeichnet ist. Der zumindest eine Beschleunigungssensor misst insbesondere die Beschleunigung in Y-Richtung, und zwar wiederholt und insbesondere in jedem Arbeitstakt und gibt die Beschleunigungsmesswerte aus, die dann zu der Recheneinrichtung 221 übertragen werden. Damit können Beschleunigungen aufgrund von mechanischen Schwingungen berücksichtigt werden, die insbesondere durch die Antriebe der Säulen 202, 203, des Querschlittens 207 und/oder der Pinole 208 angeregt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der zumindest eine Beschleunigungssensor eine andere Komponente der Beschleunigung am Messort oder eine Mehrzahl von Komponenten der Beschleunigung am Messort misst.
Bevorzugt wird, dass für den Betrieb der Recheneinrichtung 221 und damit in dem Rechenmodell des KMG 211 die Beschleunigungsmesswerte und die Positionsmesswerte des Positionsmesssystems für dieselbe Komponente (z.B. Komponente bezüglich der Y-Richtung) gemessen und bereitgestellt werden. Im Fall einer Mehrzahl von Komponenten (z.B. bezüglich der Y-Richtung und der X-Richtung) werden wiederum sowohl für die Beschleunigung als auch die Position die Messwerte bezüglich derselben Komponenten in dem Rechenmodell berücksichtigt, indem die entsprechenden Abweichungen zu Schätzwerten gebildet und dem Modell zugeführt werden.
Durch eine Mehrzahl von kurzen in vertikaler Richtung verlaufenden Strichen am unteren Ende des Querträgers 204 in 1 ist ein Maßstab des Positionsmesssystems dargestellt. Weitere Maßstäbe können sich insbesondere in vertikaler Richtung (Z-Richtung) entlang der Pinole 208 erstrecken und in horizontaler Richtung entlang der Längskanten des Messtischs 201 (in Y-Richtung) erstrecken. Mit zugeordneten Positionsmesssensoren, die jeweils an einem Teil des KMG 211 angeordnet sind, relativ zu dem sich der Maßstab bewegt, misst das Positionsmesssystem die Position der Pinole 208, insbesondere in Y-Richtung, X-Richtung und Z-Richtung. Welche dieser Messwerte für den Betrieb des Rechenmodells verwendet werden, hängt von der Frage ab, für welche dieser Richtung mechanische Schwingungen bei der Positionsbestimmung durch das Rechenmodell ermittelt werden sollen. Das Rechenmodell ersetzt mit seinem Positionsschätzwert für diese Komponente oder diese Komponenten bzw. Richtung oder Richtungen den unmittelbar durch das Positionsmesssystem gewonnenen Positionsmesswert.
Die Positionsschätzwerte werden insbesondere dazu verwendet, aus den Messwerten des Messkopfes 205 die Koordinaten des zu vermessenden Werkstücks 217 im Koordinatensystem des KMG 211 zu ermitteln. Z.B. die Positionsschätzwerte für den vorgegebenen Ort unten an der Pinole 208 werden zu diesem Zweck verwendet.
Alternativ oder zusätzlich können die Positionsschätzwerte und/oder Schätzwerte zumindest einer weiteren Zustandsgröße (z. B. Geschwindigkeitswerte und /oder Beschleunigungswerte und/oder Werte einer nicht physikalischen Zustandsgröße) für den Betrieb der Antriebssteuerung verwendet werden. Z.B. werden die Positionsschätzwerte und/oder anderen Schätzwerte wiederholt, insbesondere in jedem Arbeitstakt der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung, berücksichtigt und werden daraus Steuersignale zum Ansteuern der Antriebe des KMG 211 erzeugt. Mit diesen Steuersignalen können daher mechanische Schwingungen an dem vorgegebenen Ort gedämpft oder kompensiert werden.
Unter Bezugnahme auf 2 wird nun erläutert, wie für ein System SYS, z.B. das in 1 dargestellte Koordinatenmessgerät 211, ein Modell, z.B. in Form einer genäherten Übertragungsfunktion, ermittelt werden kann.
Ein separat dargestellter Regler REG, der zumindest einen Antrieb des Systems SYS ansteuert, gibt Steuersignale aus, die einem anderen Teil des Reglers REG oder direkt zumindest einem Antrieb des Systems SYS zugeführt werden. Für das System SYS sind diese Ausgangssignale Eingangssignale INP. Das System SYS gibt wiederum Ausgangssignals OPT aus. Bei den Eingangssignalen INP handelt es sich bezogen auf die vorliegende Erfindung um die Sollwerte der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung, die dem Rechenmodell zugeführt werden. Bei den Ausgangssignalen OPT handelt es sich zumindest um die Positionsmesswerte und/oder die Beschleunigungsmesswerte.
In einem Verfahrensschritt IDT der Identifikation des Systems SYS werden die Eingangssignale INP und Ausgangssignale OPT zu einem Modell MOD des Systems SYS verarbeitet. Optional kann außer den Eingangssignalen INP und den Ausgangssignalen OPT zusätzliche Information für das Modell MOD verwendet werden, z.B. Information über physikalische Eigenschaften des Systems SYS.
Bei dem Rechenmodell, das für die Bestimmung der Position des beweglichen Teils eines Koordinatenmessgerätes mittels Positionsschätzwerten verwendet wird, kann es sich insbesondere um das Modell MOD aus 2 handeln. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das Modell kann verschiedener Art sein.
Insbesondere wenn, wie z.B. bei dem Rechenmodell MOD aus 2, Eingangssignale INP und Ausgangssignale OPT zur Definition des Modells verwendet werden, kann das Rechenmodell Zustandsgrößen des Systems bei seinen Berechnungen verwenden. Bei den Zustandsgrößen kann es sich um physikalische Zustandsgrößen wie die Position des beweglichen Teils an dem vorgegebenen Ort, die entsprechende Geschwindigkeit des beweglichen Teils und die entsprechende Beschleunigung des beweglichen Teils, insbesondere am Messort des zumindest einen Beschleunigungssensors handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich jedoch um rein mathematische Zustandsgrößen ohne definierte physikalische Bedeutung handeln. Insbesondere kann die Gesamtheit der Zustandsgrößen durch einen Zustandsvektor beschrieben werden, dessen Komponenten die einzelnen Zustandsgrößen sind. Ein solcher Zustandsvektor kann von dem Rechenmodell in einer Weise verarbeitet werden, die durch eine Multiplikation des Zustandsvektors mit einer Operationsmatrix beschrieben werden kann.
Allgemein formuliert kann es sich bei dem Rechenmodell daher um ein rein mathematisches Modell oder um ein mathematisches Modell mit zumindest teilweise physikalischer Bedeutung handeln. Es kann sich bei dem Rechenmodell auch um ein rein physikalisches Modell handeln, bei dem das Verhalten des Systems bezüglich mechanischer Schwingungen z.B. durch entsprechende Differenzialgleichungen beschrieben wird, welche z.B. Feder-Masse-Wechselwirkungen entsprechend dem System beschreiben. Das Rechenmodell in seiner implementierten Form enthält in diesem Fall Lösungen oder Näherungslösungen der Differenzialgleichungen.
Eine andere Form der physikalischen Modellierung eines Koordinatenmessgerätes ist ein Finite-Elemente-Modell (FEM), das die Massen des KMG, dessen Dämpfungseigenschaften zur Dämpfung mechanischer Schwingungen und die Steifigkeitseigenschaften des KMG zur rechnerischen Modellierung des KMG verwendet. Derartige FEM sind auf dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik bereits beschrieben worden und werden hier nicht näher erläutert. Das in dem Rechenmodell implementierte FEM kann z.B. als Computerprogramm Matrizen und/oder Vektoren ausgeben, die unter Berücksichtigung der wirkenden Anregungskräfte, die zu mechanischen Schwingungen führen, das Systemverhalten beschreiben. Es kann auf diese Weise ein für die Zwecke der Erfindung geeignetes Zustandsraummodell erzeugt werden.
Das Schwingungsverhalten eines KMG, insbesondere am vorgegebenen Ort für die Positionsschätzung durch das Rechenmodell, kann vom Bewegungszustand des KMG abhängen. Z.B. kann das Schwingungsverhalten bei einem maximal ausgefahrenen Horizontalarm anders sein als bei einem weniger weit ausgefahrenen Horizontalarm. Auch bei einem KMG in Portalbauweise hängt das Schwingungsverhalten im Allgemeinen von der Bewegungsposition bezüglich jeder der drei Linearachsen X, Y und Z ab. Insbesondere die Position des entlang des Querträgers (in 1 Bezugszeichen 204) beweglichen Schlittens (in 1 Bezugszeichen 207) in X-Richtung ist für das Schwingungsverhalten am unteren Ende der Pinole (in 1 Bezugszeichen 208) von Bedeutung. Für die Z-Position der Pinole, die für das Schwingungsverhalten ebenfalls von Bedeutung ist, gilt entsprechendes.
Das Rechenmodell kann die Positionsabhängigkeit des Schwingungsverhaltens bezüglich mindestens einer Linearachse und/oder Drehachse des KMG im Modell mit berücksichtigen. Aufgrund der Rückführung der Positions-Abweichungen und der Beschleunigungs-Abweichungen zu dem Rechenmodell ist das Rechenmodell aber ohnehin robust gegen Positionsänderungen. Ein anderes Schwingungsverhalten, z.B. eine andere Schwingungsfrequenz oder andere Schwingungsamplitude, wird durch die Messsignale des Beschleunigungssensors erfasst und steht dem Modell somit in Form der Beschleunigungs-Abweichungen zur Verfügung.
Alternativ oder zusätzlich kann die Abhängigkeit des Schwingungsverhaltens des Systems von der Position des beweglichen Teils aber auch durch Parameter des Modells berücksichtigt werden, die von der Position des beweglichen Teils abhängig unterschiedliche Werte haben. Ferner alternativ oder zusätzlich ist es möglich, für verschiedene Positionen des beweglichen Teils jeweils ein eigenes Modell zu ermitteln und während des Betriebes des KMG das jeweils für die Position definierte Modell zu verwenden. Um die Anzahl der Modelle auf eine praktikable Maximalanzahl zu begrenzen, können Raumsektoren für die Position des beweglichen Teils definiert werden, wobei für jeden der Raumsektoren ein zugeordnetes Rechenmodell verwendet wird. Befindet sich insbesondere der vorgegebene Ort in dem Raumsektor, wird das zugehörige Modell verwendet.
Bei den Sollwerten (Eingangssignale INP im Beispiel der 2) kann es sich um Werte einer analogen Größe oder um digitale Werte handeln. Dies ist z.B. davon abhängig, ob die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung analoge oder digitale Werte erzeugt und ausgibt. Im Fall digitaler Sollwerte entfällt die Umwandlung analoger Werte in digitale Werte für das digitale Rechenmodell.
In der weiteren Beschreibung wird mehrfach auf das Ausführungsbeispiel eines Rechenmodells zurückgegriffen, bei dem wie oben erwähnt eine Mehrzahl von Zustandsgrößen den jeweiligen Systemzustand beschreibt. Die Zustandsgrößen werden insbesondere als Komponenten eines Zustandsvektors in einem sogenannten Zustandsraummodell verarbeitet, um die Schätzwerte für Position am vorgegebenen Ort und Beschleunigung insbesondere am Messort des Beschleunigungssensors zu erzeugen und auszugeben.
Wie noch näher erläutert wird, kann das Rechenmodell auf dem Prinzip eines Beobachters oder eines Kalman-Filters implementiert sein/werden. Die Rechenoperationen des Rechenmodells werden insbesondere im Systemtakt der Steuerung des KMG, insbesondere einer Echtzeitsteuerung, wiederholt ausgeführt. Insbesondere werden in jedem Arbeitstakt ein Satz von Eingangswerten (Sollwert, Beschleunigungs-Abweichungswert und Positions-Abweichungswert) empfangen und ein Positionsschätzwert und ein Beschleunigungsschätzwert ausgegeben. An welcher Stelle im Arbeitstakt des Rechenmodells die Werte für die Positionsabweichung und die Beschleunigungsabweichung zugeführt werden, hängt von der Ausführung entweder als Beobachter oder Kalman-Filter ab.
Wie bereits erwähnt, weichen die zeitlichen Mittelwerte der geschätzten Position und der von dem Positionsmesssystem gemessenen Position über einige Schwingungszyklen der mechanischen Schwingung hinweg nicht oder lediglich um eine Konstante voneinander ab. Es wird bevorzugt, dass durch Einstellung der Gewichtung der zu dem Rechenmodell rückgeführten Positionsabweichung dieses Verhalten gewährleistet wird und lediglich, soweit zutreffend, eine zeitlich konstante Abweichung verbleibt, die auf einen Abstand des vorgegebenen Ortes zum Positionsmessort im nicht schwingenden Zustand der Maschine zurückzuführen ist. Ferner wird bevorzugt, dass die Gewichtung der in das Rechenmodell rückgeführten Beschleunigungs-Abweichungswerte so eingestellt wird, dass der zeitliche Verlauf der vom Rechenmodell ermittelten geschätzten Position des vorgegebenen Ortes über wenige (z. B. drei oder fünf) Schwingungszyklen hinweg dem sich aus den Beschleunigungsmesswerten ergebenden Schwingungsverlauf folgt, wobei jedoch wegen des Phasenmessfehlers des Beschleunigungssensors ein Phasenversatz zwischen dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigungsmesswerte und der geschätzten Beschleunigungswerte vorkommen kann.
Im Folgenden wird zunächst unter Bezugnahme auf 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Rechenmodell beschrieben, das sich auf einen Beobachter stützt. Wie in 2 ist auch in 3 das System schematisch durch einen rechteckigen Rahmen mit der Bezeichnung SYS dargestellt. Sollwerte DAC der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung werden sowohl dem System SYS als auch dem Rechenmodell MOD zugeführt. Die Zuführung und Verarbeitung von Werten erfolgt insbesondere im Systemarbeitstakt des KMG. Ausgangsgrößen des Systems sind die Position s des beweglichen Teils, die in Form von Positionsmesswerten des Positionsmesssystems des KMG erstellt werden, und die Beschleunigung a am Messort des Beschleunigungssensors, die in Form von Beschleunigungsmesswerten vorliegen. Aus dem Rechenmodell MOD werden Schätzwerte, nämlich Beschleunigungsschätzwerte ä und Positionsschätzwerte ŝ ausgegeben. Durch eine erste Ermittlungseinrichtung 31 wird die Abweichung zwischen dem jeweils aktuellen gemessenen Positionswert s und dem jeweils aktuellen Positionsschätzwert ŝ ermittelt und die resultierende Abweichung Δs zu dem Rechenmodell MOD rückgeführt. Durch eine zweite Ermittlungseinrichtung 32 wird jeweils aus dem aktuellen Beschleunigungsmesswert a und dem aktuellen Beschleunigungsschätzwert ä die Abweichung ermittelt und der entsprechende Beschleunigungs-Abweichungswert Δa zu dem Rechenmodell MOD rückgeführt.
Dabei wird die Positionsabweichung Δs mit einem Gewichtungsoperator H₁ (z. B. ein Skalar, ein Vektor oder eine Matrix) multipliziert. Im Fall eines Vektors oder einer Matrix sind die Komponenten dieses ersten Gewichtungsoperators H₁ Gewichtungskomponenten in Bezug auf jeweils eine Zustandsgröße eines Zustandsvektors bzw. Zustandsraumes, die den Zustand des Systems SYS beschreibt. Die Gewichtungskomponenten können insbesondere zeitlich konstante Gewichtungskomponenten sein, d.h. sie verändern sich im Laufe der Zeit nicht. Bei den Zustandsgrößen kann es sich sowohl um physikalische als auch um mathematische Zustandsgrößen handeln. Z.B. verwendet das Rechenmodell MOD die physikalischen Zustandsgrößen Position am vorgegebenen Ort, Beschleunigung am Messort des Beschleunigungssensors und optional auch die Geschwindigkeit am vorgegebenen Ort, die z.B. durch zeitliche Ableitung der Position und/oder durch zeitliche Integration der Beschleunigung ermittelt werden kann. Entsprechendes wie für den ersten Gewichtungsoperator H₁ gilt auch für einen zweiten Gewichtungsoperator H₂, mit dem die Beschleunigungsabweichung Δa gewichtet wird und z.B. durch verschiedene Gewichtungskomponenten Gewichtungen in Bezug auf die verschiedenen Zustandsgrößen vorgenommen werden können. Gewichtungskomponenten des ersten Gewichtungsoperators H₁ und des zweiten Gewichtungsoperators H₂ können die Werte null haben, d.h. bezüglich einzelner Zustandsgrößen wird kein Einfluss der jeweiligen Abweichung ausgeübt.
Optional können im Ausführungsbeispiel außer den physikalischen Zustandsgrößen z.B. drei, vier oder fünf rein mathematische Zustandsgrößen hinzukommen, um das Verhalten des Systems SYS besser beschreiben zu können.
Die so gewichteten Abweichungen Δs und Δa werden über eine Kombinationseinrichtung 34 dem Rechenmodell MOD zugeführt. Der Kombinationseinrichtung 34 wird außerdem der Sollwert DAC der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung zugeführt, in dem Ausführungsbeispiel gewichtet durch Multiplikation mit einem Gewichtungsoperator B (z. B. einem Skalar, Vektor oder einer Matrix). Insbesondere entspricht der Gewichtungsoperator B dem Steuervektor des Zustandsraummodells. Der Gewichtungsoperator B kann optional wie auch die Gewichtungsoperatoren H eine Mehrzahl von Gewichtungskomponenten aufweisen, die den Einfluss des jeweils aktuell gültigen Sollwertes auf verschiedene Zustandsgrößen des Modells festlegen. Wenn der Gewichtungsoperators B ein Skalar ist, werden an dieser Stelle des Modells keine Einflüsse auf verschiedene Zustandsgrößen bewirkt.
Mit dem Bezugszeichen 33 ist ein Verzögerungsglied bezeichnet. Ein solches Verzögerungsglied ist zur Darstellung von Regelungen aus der Regelungstechnik bekannt und stellt das Verhalten entsprechend der taktweisen Verarbeitung der Daten symbolisch dar. Im Fall der 3 bedeutet dies, dass die Eingangswerte des Rechenmodells MOD, die aus den Sollwerten DAC, der Positionsabweichung Δs und der Beschleunigungsabweichung Δa erzeugt werden, erst im nächsten Arbeitstakt von Bedeutung sind. Dies folgt daraus, dass die eigentliche Rechenoperation des Modells durch die Matrix A unten in 3 dargestellt ist und das Ergebnis der Rechenoperationen des Modells in jedem Arbeitstakt ebenfalls der Kombinationseinrichtung 34 zugeführt wird. Diese eigentlichen Rechenoperationen verwenden demnach die dem Modell zugeführten Werte aus dem vorangegangenen Arbeitstakt. Ferner wird in jedem Arbeitstakt, wie durch eine Operation mit der Matrix C (alternativ ein Vektor) dargestellt ist, das Ergebnis der Berechnung nach Kombination durch die Kombinationseinrichtung 34 verzögert um einen Arbeitstakt ausgegeben. Wie bereits erwähnt werden der Positionsschätzwert ŝ und der Beschleunigungsschätzwert ä ausgegeben.
Da insbesondere die Parameter der Rückführkoeffizienten, die die Vektoren, Skalare oder Matrizen H₁ und H₂ definieren, eine große Anzahl von Parametern sein können (z.B. 5 bis 30 Stück), wird es bevorzugt, dass die Parameterwerte unter Verwendung eines Gütekriteriums vorab, d.h. vor dem Betrieb des Koordinatenmessgerätes ermittelt werden. Dazu kann insbesondere ein Testbetrieb des Koordinatenmessgerätes stattfinden. In der folgenden Gleichung: $J = J_{0} + \int_{0}^{\infty} x' Q x d t + \int_{0}^{\infty} u' R u d t = M i n$
bedeuten J das Ergebnis der Berechnung im Rahmen des Gütekriteriums, J₀ einen vorgebbaren festen Wert (welcher in vielen Ausführungsbeispielen zu Null gewählt werden kann), x den Zustandsvektor, der aus den Werten der Zustandsgrößen als Komponenten des Vektors gebildet wird und der durch die Matrizen, Vektoren oder Skalare A und C des Zustandsraummodells bestimmbar ist, x' den entsprechenden transponierten Zustandsvektor, um aus dem Zustandsvektor durch Matrixmultiplikation eine skalare Größe zu bilden, Q eine Matrix, die es erlaubt, den Grad einzustellen, mit dem auf die Messwerte oder im Gegensatz dazu auf das Modell vertraut wird, wodurch die Dynamik eingestellt werden kann, entsprechend der die Einflüsse der Messwerte abklingen, u einen Vektor: $u = - H x,$
der aus dem jeweiligen Sollwert DAC gebildet wird und außerdem die Parameter der gesuchten Matrix, des gesuchten Vektors oder des gesuchten Skalars H (besteht z. B. im Falle einer Matrix aus den beiden durch Vektoren H₁ und H₂ gebildeten Spalten) insbesondere als Koeffizienten enthält, u' den entsprechenden transponierten Vektor, um eine skalare Größe durch Multiplikation mit der Matrix R zu erhalten, welche es erlaubt, die Schnelligkeit, mit welcher die Einflüsse der Messwerte abklingen einzustellen. Z. B. kann das Programm Matlab verwendet werden, um das Rechenmodell zu implementieren und/oder um die Parameter zu berechnen.
Im weiteren Teil der Beschreibung wird anhand von 4 noch ein Rechenmodell beschrieben, das auf einen Kalman-Filter gestützt ist. Zur Einstellung der Parameter des Kalman-Filters bzw. des Modells gemäß 4 kann ein ähnliches Gütekriterium wie durch obige Gleichung beschrieben angewendet werden. Dabei hat die Matrix R jedoch eine abweichende Bedeutung gegenüber dem Fall des Beobachter-gestützten Modells. Im Fall des Kalman-Filters wird über die Werte der Matrix R eingestellt, mit welchem Grad die Messwerte von einem Rauschen betroffen sind, d.h. zufällige oder quasi zufällige Schwankungen aufweisen, die z.B. durch analoge Sensoren (Beschleunigungssensor und Sensoren des Positionsmesssystems) erzeugt werden.
Durch den Ausdruck Min in der oben stehenden Gleichung wird zum Ausdruck gebracht, dass das Ergebnis J der Berechnung des Gütekriteriums durch Variation der in der Matrix, dem Vektor oder dem Skalar H enthaltenen Parameter minimiert wird. Wenn das Minimum oder ein Minimum gefunden ist, dann wird der entsprechende Satz von Parameterwerten in das Rechenmodell übernommen und während des Betriebes des Koordinatenmessgerätes verwendet.
4 zeigt eine 3 entsprechende Darstellung, bei der jedoch das Rechenmodell MOD auf einen Kalman-Filter gestützt ist. Es werden bezüglich der Mess- und Schätzgrößen und auch im Hinblick auf die Sollwerte dieselben Symbole verwendet. Auch die Ermittlungseinrichtungen 31, 32 haben die gleiche Funktion wie im Fall der 3 und sind mit denselben Bezugszeichen wie in 3 bezeichnet. Die Kombinationseinrichtung am Eingang des Verzögerungsgliedes 33 in 4 ist jedoch mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet, da sie lediglich die Ergebnisse der eigentlichen Modellberechnung (symbolisiert wieder durch die Matrix A) und den durch den Operator B gewichteten Sollwert DAC kombiniert.
Im Unterschied zu 3 ist noch eine weitere Kombinationseinrichtung 45 vorhanden, die den Zustandsvektor x̂ am Ende des Arbeitstaktes mit der gewichteten Positionsabweichung Δs und der gewichteten Beschleunigungsabweichung Δa kombiniert. Es entsteht als Ausgangsgröße der zweiten Kombinationseinrichtung 45 ein modifizierter Zustandsvektor x̂⁺. Die Gewichtung erfolgt entsprechend dem Prinzip des Kalman-Filters durch nicht zeitlich konstante Operatoren, z.B. Vektoren, die in Bezug auf die Gewichtung der Positionsabweichung Δs in 4 mit dem Symbol K₁(k) und in Bezug auf die Beschleunigungsabweichung Δa mit dem Symbol K₂(k) bezeichnet sind. Wiederum kann es sich um einen Vektor handeln, der Gewichtungskomponenten hat, welche den Einfluss der jeweiligen Abweichung auf eine zugeordnete Zustandsgröße einstellt. Die Zuführung der gewichteten Abweichungen erfolgt somit zu Beginn des Arbeitstaktes und der resultierende modifizierte Zustandsvektor x̂⁺ wird zur Durchführung der Modellberechnungen in dem Arbeitstakt verwendet, wie in 4 dargestellt ist. Dieser modifizierte Zustandsvektor liegt am Eingang des Operators A (z.B. einer Matrix) an.
Die Berechnung der Parameter des Rechenmodells MOD erfolgt z.B. unter Verwendung der folgenden Gleichungen, die zu einer Veränderung bzw. Korrektur der Zustandsgrößen im aktuellen Takt führt. Der Kalman-Filter reagiert prinzipiell schneller auf die rückgeführten Abweichungen als der Beobachter gemäß 3: $P_{n} = A P_{n - 1}^{+} A' + Q$
$K_{n} = P_{n} C' {(C P_{n} C' + R)}^{- 1}$
$P_{n}^{+} = (E - K_{n} C) P_{n}$
${\hat{x}}_{n} = A {\hat{x}}_{n - 1} + B u_{n}$
${\hat{y}}_{n} = C {\hat{x}}_{n - 1}$
${\hat{x}}_{n}^{+} = {\hat{x}}_{n} + K_{n} (y_{m e s s} - {\hat{y}}_{n})$
Dabei bedeuten P_n im jeweiligen Arbeitstakt n das Ergebnis der Operation, die auf der rechten Seite der ersten Zeile des Gleichungssatzes dargestellt ist, dies entspricht der Kovarianzmatrix, welche die Unsicherheit der Schätzung widergibt, A die Matrix A aus 4, die als Systemmatrix bezeichnet werden kann, $P_{n - 1}^{+}$
die Kovarianzmatrix aus dem vorangegangenen Arbeitstakt bzw. im ersten Arbeitstakt eine vorgegebene Matrix (welche die Startwerte der Zustandsgrößen definiert, wobei im Fall von unbekannten Startwerten jeweils auf den Wert Null gesetzt werden kann), Q die Matrix, welche analog zum Gütekriterium des Beobachters die Dynamik des Rechenmodells definiert, A' die transponierte Systemmatrix A, K_n das Ergebnis der Operation auf der rechten Seite der zweiten Gleichung des Gleichungssatzes, welche als Kalman-Verstärkung bezeichnet wird, C die Modellmatrix aus 4, die angewandt auf den Zustandsvektor_x̂ die Schätzwerte für die Position und die Beschleunigung erzeugt, C' die transponierte Modellmatrix C, R eine Matrix welche das Rauschen der Messwerte beschreibt, $P_{n}^{+}$
die aktualisierte Kovarianzmatrix im aktuellen Takt, E eine Einheitsmatrix, d.h. eine Matrix, auf deren Hauptdiagonalen sich jeweils die Zahl 1 befindet und deren restlichen Werte null sind, x̂_n-1 den Zustandsvektor aus dem vorangegangenen Arbeitstakt, für den für den ersten Arbeitstakt Anfangswerte der Zustandsgrößen festgelegt werden, B den Operator, der in 4 dargestellt ist, u_n den Vektor, der durch die aktuellen Sollwerte DAC der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung gebildet wird und bei dem es sich um einen Skalar handeln kann, oder es ist z. B. nur eine Komponente des Vektors ungleich null, ŷ_n\das Ergebnis der Operation in der fünften Gleichung des oben dargestellten Gleichungssatzes, ${\hat{x}}_{n}^{+}$
das Ergebnis der Operation auf der rechten Seite der sechsten und letzten Gleichung des obigen Gleichungssatzes und y_mess einen Vektor, dessen Komponenten durch die Messwerte für die Messposition s und die gemessene Beschleunigung a gebildet werden. Dabei ist die Matrix K_n eine Matrix, aus der sowohl der Operator K₁(k) als auch der Operator K₂(k) gebildet wird bzw. besteht. Z.B. sind die beiden Operatoren Matrizen, die zu der größeren, aus mehr Zeilen und Spalten bestehenden Matrix K_n zusammengesetzt werden.
Durch die beschriebene Art der taktabhängigen Rückführungen der Positionsabweichungswerte und der Beschleunigungsabweichungswerte im Kalman-Filter wird ein gegenüber dem Beobachter schneller reagierendes Rechenmodell erhalten, das somit auch noch robuster bezüglich der Positionsabhängigkeit des Schwingungsverhaltens des beweglichen Teils des KMG ist. Mit dem auf dem Kalman-Filter basierenden Modell können auch Ungenauigkeiten bei der Erstellung des Rechenmodells besser kompensiert werden, d.h. trotz der Ungenauigkeiten des Rechenmodells wird das Verhalten des Systems besser modelliert.
Bei dem zumindest einen Beschleunigungssensor kann es sich z.B. um einen Sensor handeln, der gemäß dem Messprinzip eines piezo-elektrischen Sensors beruht. Wirken Kräfte auf den Kristall des Sensors, wird eine entsprechende Ladungstrennung von positiv geladenen und negativ geladenen Teilen bewirkt, die z.B. als elektrische Spannung gemessen werden kann. Allerdings besitzt der Kristall oder im Fall mehrerer Kristalle besitzen die Kristalle bei konstanter Beschleunigung keine konstante elektrische Spannung, da die Ladungstrennung im Laufe der Zeit zunehmend rückgängig gemacht wird. Aber auch andere Beschleunigungssensoren erzeugen Beschleunigungsmesswerte, die fehlerbehaftet sind. Die Rückführung sowohl der Positionsabweichung als auch der Beschleunigungsabweichung ist eine Maßnahme, die trotz des Messfehlers zu einer geeigneten rechnerischen Modellierung des Schwingungsverhaltens führt.
Z.B. kann ein kapazitiv messender MEMS (mikro-elektromechanisches System) -Sensor als Beschleunigungssensor verwendet werden. Die Verarbeitung der Messwerte solcher Sensoren ist insbesondere deshalb fehlerbehaftet, da durch äußere Einflüsse Störungen auftreten, die zu Veränderungen des Messsignals oder Fehlern bei der Übertragung des Messsignals führen. Kapazitiv messende MEMS-Sensoren werden dennoch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Außer den mechanischen Schwingungen des beweglichen Teils, die durch die Antriebe des KMG bewirkt werden, kann es auch Schwingungen durch andere Ursachen geben, die auch die Basis (z.B. eine Granitplatte) des KMG betreffen. Schwingt auch die Basis, dann kann dies unmittelbare Auswirkungen auf die Messergebnisse des Beschleunigungssensors am beweglichen Teil haben. Für diesen Fall wird vorgeschlagen, dass zumindest ein zusätzlicher Beschleunigungssensor an der Basis des KMG angeordnet ist. In diesem Fall kann statt des Messsignals des zumindest einen Beschleunigungssensors am Messort des beweglichen Teils die Differenz der Messsignale des zumindest einen Beschleunigungssensors am beweglichen Teil und des zumindest einen Beschleunigungssensors an der Basis verwendet werden. Dadurch werden die Effekte der mechanischen Schwingung der Basis eliminiert.
Anhand von 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel für eine Berücksichtigung der von dem Rechenmodell geschätzten Position am vorgegebenen Ort des beweglichen Teils für die Antriebe des KMG beschrieben. Insbesondere kann dies zur Dämpfung der Schwingungen genutzt werden, die durch die Antriebe bewirkt werden. Insbesondere im Fall des Kalman-Filters kann aber sogar eine weitgehende Kompensation der mechanischen Schwingungen erzielt werden, d.h. die unter Berücksichtigung der geschätzten Position erzeugten Steuersignale der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung führen bereits zu Beginn einer von den Antrieben angeregten mechanischen Schwingung des beweglichen Teils zu einer erheblich reduzierten Schwingungsamplitude im Vergleich zu dem Fall, in dem die von dem Rechenmodell geschätzte Position nicht für die Ansteuerung der Antriebe oder des zumindest einen Antriebs berücksichtigt wird.
5 enthält eine ähnliche Darstellung wie im Fall der 3, d.h. das Rechenmodell ist auf einen Beobachter gestützt. Alternativ könnte ein Kalman-Filter gestütztes Rechenmodell verwendet werden. Ferner ist die Darstellung in 5 gegenüber der Darstellung in 3 vereinfacht bezüglich der Operatoren H, die aus den Positionsabweichungen und den Beschleunigungsabweichungen entsprechend gewichtete Einflussgrößen für das Rechenmodell MOD erzeugen. Diese Operatoren sind zusammenfassend in 5 durch das Symbol H bezeichnet. Die beiden Ermittlungseinrichtungen 31, 32 aus 3 sind in 5 durch eine einzige Ermittlungseinrichtung 51 zusammengefasst dargestellt. Die Funktion dieser Ermittlungseinrichtungen und der Operatoren H unterscheidet sich jedoch nicht gegenüber dem Fall der 3.
Ferner sind die gemessene Position s und Beschleunigung a am Ausgang des Systems SYS in 5 als von der Zeit t abhängiger Vektor y(t) dargestellt. Die aktuellen Werte dieses Vektors y werden wie auch der von dem Rechenmodell MOD erzeugte aktuelle geschätzte Zustandsvektor x̂(t) einer Kombinationseinrichtung 55 zugeführt, der ebenfalls eine zeitabhängige Führungsgröße w(t) zugeführt wird. Dabei kann der Zustandsvektor, der von dem Rechenmodell MOD ausgegeben wird, außer den physikalischen Zustandsgrößen Position ŝ und Beschleunigung ä auch weitere Zustandsgrößen enthalten, z.B. rein mathematische und/oder weitere physikalische Zustandsgrößen und/oder die Geschwindigkeit des beweglichen Teils am vorgegebenen Ort. Die Kombinationseinrichtung 55 erzeugt aus den genannten zugeführten Werten einen Reglungsfehler e(t) als Ausgangsgröße, auf die ein Operator K (z.B. ein Vektor) angewendet wird. Durch den Operator K kann eine Gewichtung vorgenommen werden. Daraus ergibt sich die Sollwertgröße u(t), bei der es sich um dieselbe Sollwertgröße wie in den Fällen der 3 und 4 handeln kann. Dies ist durch die zusätzliche Verwendung der Bezeichnung DAC angedeutet. Wie auch in den zuvor beschriebenen Fällen kann es sich dabei z.B. um die Solldrehzahl, die Sollgeschwindigkeit, den Sollstrom oder die Steuerspannung zumindest eines Antriebs des KMG handeln.
Alternativ kann die Rückführung des Messvektors y(t) oder eines entsprechenden Skalars im Fall nur einer rückgeführten Messgröße und des geschätzten Zustandsvektors x̂(t) so durchgeführt werden, dass für jede Zustandsgröße nur eine der beiden rückgeführten Vektoren bzw. Skalar einen Wert ungleich 0 enthält. Dadurch ist eindeutig definiert, welche der beiden rückgeführten Vektoren bzw. Skalar bezüglich dieser Zustandsgröße einen Einfluss auf die Antriebsregelung hat. Es ist jedoch auch nicht erforderlich, dass für alle Zustandsgrößen, die von dem Rechenmodell MOD berücksichtigt werden, ein Wert zu der Kombinationseinrichtung 55 zurückgeführt wird. Insbesondere durch Variation des Satzes von Zustandsgrößen, die zu der Kombinationseinrichtung 55 zurückgeführt werden, kann in einem Testbetrieb oder einer Simulation ermittelt werden, mit welchem Satz von rückgeführten Zustandsgrößen die Dämpfung oder Kompensation von Schwingungen am besten erreicht wird.
Aufgrund der Funktion der Kombinationseinrichtung 55 kann insbesondere erreicht werden, dass jede definierte rückzuführende Zustandsgröße (z.B. die Beschleunigung und die Position) trotz der Rückführung sowohl des Messvektors y(t) als auch des geschätzten Zustandsvektors x̂(t) lediglich als eine einzige Zustandsgröße im Regelungsfehler e(t) enthalten ist. Dabei besitzt der Vektor oder Skalar w(t) lediglich die Dimension der Anzahl der definierten rückgeführten Zustandsgrößen. Insbesondere wenn die Kombinationseinrichtung 55 die Differenz zwischen der Führungsgröße w(t) und den rückgeführten Vektor bildet, und zwar komponentenweise für jede Zustandsgröße, kann durch Besetzung der Führungsgröße w(t) in der einer Zustandsgröße entsprechenden Komponente mit einer Null erreicht werden, dass der negative Wert der entsprechenden Zustandsgröße direkt dem entsprechenden Element des Regelfehlers e(t) zugewiesen wird, d.h. es wird eine Differenz gebildet, bei welcher die entsprechende Komponente des Vektors w(t) den Wert Null besitzt. Dabei ist es auch möglich, dass eine Komponente des Vektors der Führungsgröße w(t) dauerhaft den Wert Null hat.
Die Parameter des Modells werden durch das jeweilige oben beschriebene Verfahren der Modellbildung definiert. Die Werte des Operators K können analog wie oben im Fall des Beobachters beschrieben anhand eines Gütekriteriums vorab ermittelt werden. Dabei kann optional in zwei Schritten vorgegangen werden. Zunächst kann der Beobachter oder der Kalman-Filter wie oben beschrieben entworfen werden und die entsprechenden Parameter H können ermittelt werden. In einem zweiten Schritt können dann durch erneute Anwendung eines Gütekriteriums die Parameter des Operators K ermittelt werden. Wie auch bei dem Gütekriterium, dessen Anwendung im Zusammenhang mit 3 und 4 beschrieben wurde, können mehrere oder sogar die überwiegende Anzahl der Elemente der Matrizen R und Q mit dem Wert 0 besetzt werden. Dies vereinfacht die Anwendung des Gütekriteriums. Z.B. kann durch unterschiedlich mit den Werten null besetzte Matrizen bei verschiedenen Anwendungen des Gütekriteriums ermittelt werden, mit welcher Besetzung die Matrizen Q und R zu dem besten Ergebnis führen. Eine weitere Möglichkeit, schnell und zuverlässig zu geeigneten Parameterwerten der Operatoren in 5 zu kommen, ist die bereits erwähnte Nichtberücksichtigung zumindest einer Zustandsgröße bei der Rückführung, d.h. diese Zustandsgröße oder diese Zustandsgrößen werden nicht zu der Kombinationseinrichtung 55 zurückgeführt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Position eines beweglichen Teils (208) eines Koordinatenmessgerätes (211), wobei durch eine Bewegung des beweglichen Teils (208) ein Messsensor (205) des Koordinatenmessgerätes (211) bewegt wird, aufweisend die folgenden Schritte: - Zuführen von Sollwerten, die von einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes (211) erzeugt werden, zu einem Rechenmodell (MOD) des Koordinatenmessgerätes (211), wobei die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung zumindest einen Antrieb des Koordinatenmessgerätes (211) ansteuert, um das bewegliche Teil (208) oder um das bewegliche Teil (208) und zumindest ein weiteres bewegliches Teil (202, 203, 207) des Koordinatenmessgerätes (211) und damit den Messsensor (205) zu bewegen, und wobei die Sollwerte einen Sollzustand des zumindest einen Antriebs vorgeben, - Messen von Positionswerten des beweglichen Teils (208) durch ein Positionsmesssystem des Koordinatenmessgerätes (211), - Bilden von Positions-Abweichungen zwischen den gemessenen Positionswerten und Positionsschätzwerten des Rechenmodells (MOD), wobei die Positionsschätzwerte von dem Rechenmodell (MOD) für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) erzeugt werden, - Messen von Beschleunigungswerten durch einen Beschleunigungssensor, der an einem Beschleunigungs-Messort angeordnet ist, welcher ein Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) ist, wobei der Beschleunigungs-Messort in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) von einem Positions-Messort des Positionsmesssystems entfernt ist und in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) näher an dem vorgegebenen Ort liegt als der Positions-Messort des Positionsmesssystems, an dem das Positionsmesssystem die Positionswerte des beweglichen Teils (208) misst, - Bilden von Beschleunigungs-Abweichungen zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und Beschleunigungsschätzwerten des Rechenmodells (MOD), wobei die Positions-Abweichungen und die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell (MOD) zugeführt werden und unter deren Berücksichtigung das Rechenmodell (MOD) aktualisierte Positionsschätzwerte und aktualisierte Beschleunigungsschätzwerte ausgibt, wobei durch die aktualisierten Positionsschätzwerte die Position des beweglichen Teils (208) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus den aktualisierten Positionsschätzwerten und aus Messwerten und/oder Signalen des Messsensors (205) Koordinaten eines unter Verwendung des Messsensors (205) vermessenen Werkstücks (217) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die aktualisierten Positionsschätzwerte und/oder Schätzwerte des Rechenmodells (MOD), die Werte zumindest einer weiteren Zustandsgröße sind, der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes (211) zugeführt werden und von der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung bei Erzeugung von Steuersignalen zur Ansteuerung des zumindest einen Antriebs verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sollwerte, die Positions-Abweichungen und/oder die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell (MOD) jeweils mit einer Gewichtung (H) zugeführt werden, sodass bei einer höher eingestellten Gewichtung (H) ein größerer Einfluss und bei einer geringer eingestellten Gewichtung (H) ein geringerer Einfluss auf Berechnungen des Rechenmodells (MOD) genommen wird, und wobei die Gewichtung (H) anhand eines Gütekriteriums ermittelt wird, in dem Zustandsgrößen, die den Zustand des Koordinatenmessgerätes (211) beschreiben, und die von der Antriebsteuerung oder Antriebsregelung erzeugten Sollwerte jeweils im Verlauf der Zeit während eines Betriebszeitraumes berücksichtigt werden.
Koordinatenmessgerät (211), mit - einem beweglichen Teil (208) - zumindest einem Antrieb zum Antreiben des beweglichen Teils (208), direkt oder indirekt über zumindest ein weiteres bewegliches Teil (202, 203, 207) des Koordinatenmessgerätes (211), und damit zum Antreiben einer Bewegung eines Messsensors (205) zur Messung von Koordinaten eines Werkstücks, - einer Antriebssteuerung oder einer Antriebsregelung zum Ansteuern des zumindest einen Antriebs, - einem Positionsmesssystem zum Messen von Positionswerten des beweglichen Teils (208), wobei das Koordinatenmessgerät (211) ferner eine Recheneinrichtung mit einem Rechenmodell (MOD) zur rechnerischen Modellierung eines Betriebes des Koordinatenmessgerätes (211) aufweist und ausgestaltet ist, - Sollwerte, die von der Antriebssteuerung oder der Antriebsregelung erzeugt werden, dem Rechenmodell (MOD) zuzuführen, wobei die Sollwerte jeweils einen Sollzustand des zumindest einen Antriebs vorgeben, - Positions-Abweichungen zwischen den gemessenen Positionswerten und Positionsschätzwerten des Rechenmodells (MOD) zu bilden, wobei die Positionsschätzwerte von dem Rechenmodell (MOD) für einen vorgegebenen Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) erzeugt werden, - Beschleunigungswerte durch einen Beschleunigungssensor zu messen, der an einem Beschleunigungs-Messort angeordnet ist, welcher ein Ort an oder in dem beweglichen Teil (208) ist, wobei der Beschleunigungs-Messort in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) von einem Positions-Messort des Positionsmesssystems entfernt ist und in allen oder den meisten möglichen Bewegungsstellungen des beweglichen Teils (208) näher an dem vorgegebenen Ort liegt als der Positions-Messort des Positionsmesssystems, an dem das Positionsmesssystem die Positionswerte des beweglichen Teils (208) misst, - Beschleunigungs-Abweichungen zwischen den gemessenen Beschleunigungswerten und Beschleunigungsschätzwerten des Rechenmodells (MOD) zu bilden, wobei während des Betriebes des Koordinatenmessgerätes (211) die Positions-Abweichungen und die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell (MOD) zugeführt werden und unter deren Berücksichtigung das Rechenmodell (MOD) aktualisierte Positionsschätzwerte und aktualisierte Beschleunigungsschätzwerte ausgibt, wobei durch die aktualisierten Positionsschätzwerte die Position des beweglichen Teils (208) bestimmt wird.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5, wobei das Koordinatenmessgerät (211) ausgestaltet ist, aus den aktualisierten Positionsschätzwerten und aus Messwerten und/oder Signalen des Messsensors (205) Koordinaten eines unter Verwendung des Messsensors (205) vermessenen Werkstücks zu ermitteln.
Koordinatenmessgerät nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Koordinatenmessgerät (211) ausgestaltet ist, beim Betrieb die aktualisierten Positionsschätzwerte und/oder Schätzwerte des Rechenmodells (MOD), die Werte zumindest einer weiteren Zustandsgröße sind, der Antriebssteuerung oder Antriebsregelung des Koordinatenmessgerätes (211) zuzuführen, und wobei die Antriebssteuerung oder Antriebsregelung ausgestaltet ist, die aktualisierten Positionsschätzwerte bei Erzeugung von Steuersignalen zur Ansteuerung des zumindest einen Antriebs zu verwenden.
Koordinatenmessgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Koordinatenmessgerät (211) ausgestaltet ist, die Sollwerte, die Positions-Abweichungen und/oder die Beschleunigungs-Abweichungen dem Rechenmodell (MOD) jeweils mit einer Gewichtung zuzuführen, sodass bei einer höher eingestellten Gewichtung ein größerer Einfluss und bei einer geringer eingestellten Gewichtung ein geringerer Einfluss auf Berechnungen des Rechenmodells (MOD) genommen wird.