AT396630B - Verfahren zum herstellen eines über eine abtasteinheit ablesbaren inkrementalmassstabes - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines über eine Abtasteinheit ablesbaren Inkrementalmaßstabes, bei dem in einem Aufzeichnungsträger auf einer Meßstrecke einer Meßmaschine unter Verwendung eines übergeordneten Meßsystems eine Meßteilung angebracht wird.

Inkrementalmaßstäbe sind bei Längen- oder Winkelmeßsystemen, bei Bahnsteuerungen von Werkzeugmaschinen und bei Industrierobotern und selbstverständlich bei reinen Meßgeräten im Einsatz. Meist sind quer zur Meßteilung angebrachte strichförmige Inkremente durch gleich große Leerfelder getrennt. Bei optoelektronischer Abtastung des Maßstabes werden vorzugsweise zwei oder mehrere gegeneinander um Bruchteile der Irikrementalteilung versetzte, aber die gleiche Teilung wie der Maßstab aufweisende Ablesegitter mit zugeordneten lichtempfindlichen Empfängern verwendet, die mit durch den transparenten Maßstabkörper fallendem oder von einer reflektierend ausgebildeten Irikrementalteilung reflektiertem Licht und die Ablesegitter hindurch beleuchtet werden, so daß bei der Verstellung des Maßstabes in ihrer Grundform sinusförmige Signale erhalten werden, die gegeneinander phasenverschoben sind, wobei durch den Phasenversatz der Signale auch die Verstellrichtung der Abtasteinheit bestimmbar ist Durch Interpolationen oder andere Unterteilerschaltungen ist eine elektronische Maßstabunterteilung möglich. Gleiches gilt für Maßstäbe, die kapazitiv oder induktiv abgetastet werden, wobei die optisch ablesbaren Teilstriche der vorerwähnten Ausbildung durch Kapizitäten und Induktivitäten sowie entsprechend empfindlichen Abtastfühler ersetzt werden.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 3 040 620 bekannt. Dabei findet als übergeordnetes Meßsystem ein an der Meßmaschine angebrachtes Laser-Interferometer Verwendung, das in bekannter Weise einen feststehenden und einen mit einem Meßwagen verstellbaren Reflektor besitzt, denen die über einen halbdurchlässigen Reflektor erhaltenen Teilstrahlen eines von einem Laser abgestrahlten Lichtstrahles zugeführt und nach der Reflexion auf einem photoelektrischen Empfänger zur Interferenz gebracht werden. Der Laser strahlt monochromatisches Licht ab. Bei einer Verstellung des verstellbaren Reflektors kommt es innerhalb jedes eine halbe Wellenlänge betragenden Teilstückes des Meßweges zu einem ausgeprägten Maximum und Minimum der Beleuchtung. Die dem Minimum entsprechenden Nulldurchgänge des Empfängersignales werden gezählt und geben ein Maß für die Wegstrecke. Bei dem bekannten Verfahren ist parallel zum Verstellweg des Meßwagens ein mit einer lichtempfindlichen Beschichtung versehener Maßstabkörper angeordnet. Über die Zähleinrichtung des Interferometers wird jeweils nach Zurücklegen einer durch die Anzahl der Zählimpulse (Nulldurchgänge) definierten Wegstrecke ein Blitzlicht ausgelöst, das über eine schmale, quer zur Maßstaboberfläche angeordnete Schlitzblende die zugeordnete Maßstabstelle belichtet, so daß, wenn der gesamte Maßstab mit diesen Lichtblitzen belichtet wurde, bei einer nachfolgenden Entwicklung der lichtempfindlichen Beschichtung je nach Entwicklungsart im Bereich dar über den Blitz projizierten Striche Dunkel- oder Hellfelder entstehen, zwischen denen Hell- bzw. Dunkelfelder freibleiben und dadurch ein fertiger Inkrementalmaßstab vorliegt.

Bei anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Inkrementalmaßstäben werden ebenfalls auf Meßmaschinen Präzisionsmaßstäbe stückweise auf entsprechende Maßstabträger kopiert, wobei sich eine äußerst aufwendige Art der Herstellung ergibt. Trotz sorgfältiger Arbeitsweise können bei beiden bekannten Herstellungsverfahren und analogen Herstellungsverfahren für die Herstellung von Maßstäben für kapazitive und induktive Abtastung Teilungsfehler bei der Meßteilung auftreten, die für genaue Messungen zu kompensieren sind.

Neben den erwähnten Teilungsfehlem gibt es weitere Faktoren, die bei der Verwendung des Maßstabes in Meßsystemen der oben genannten Art die Meß- bzw. Positioniergenauigkeit des zugeordneten Meß- bzw. Positioniersystems beeinträchtigen. Diese Faktoren sind Durchbiegungen oder ein sonstiger aparalleler Verlauf des Maßstabes zur jeweiligen Meßstrecke, Abweichungen der Abtasteinheit von einer Sollstellung gegenüber dem Maßstab während des Abtastvorganges und verschiedene Relativstellungen der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab bei der Vor- und Rückwärtsverstellung.

Falls genaue Messungen notwendig sind, müssen die erwähnten Fehler wenigstens teilweise ausgeschaltet werden. Hier ist eine Reihe von in sich mehr oder weniger aufwendigen und dabei nicht immer zielführenden bzw. die Fehler nur kurzzeitig aufhebender Maßnahmen bekannt. Dem Prinzip nach wird bei allen bekannten Verfahren zur Fehlerkorrektur die jeweilige Meßstiecke einerseits mit der mit dem jeweiligen Maßstab versehenen Meßeinrichtung und anderseits parallel dazu mit einem übergeordneten Präzisionsmeßsystem, meist wieder einem Interferometer, ausgemessen und es werden aus den Abweichungen Korrekturwerte ermittelt und gespeichert. Im einfachsten Fall besteht diese Speicherung aus ein» entlang des Maßstabes anzubringenden, z. B. aus einer mehrgliedrigen Kette mit in ihrer Neigung einstellbaren Gliedern gebildeten Steuerkurve, die parallel zur Abtastung des Maßstabes abgetastet wird, wobei ein Abtastfühler der Steuerkurve die Abtasteinheit für den Maßstab gegenüber dem z. B. mit dem Schlitten einer Werkzeugmaschine verbundenen Mitnehmer für diese Abtasteinheit geringfügig vor- oder zurückstellt. Nach einer anderen Möglichkeit werden die Korrekturwerte in den einzelnen Maßstabinkrementen zugeardneten Speicherplätzen eines elektronischen Speichers festgehalten und bei der Signalverarbeitung berücksichtigt. Diese Korrektur erfordert einen Speicher mit der Inkrementzahl des Maßstabes entsprechender Anzahl von Speicherplätzen und ist nur dann sinnvoll, wenn das Meßsystem von Haus aus aufwendig aufgebaut, z. B. mit einem Mikrocomputer ausgestattet ist, wobei sich in beiden Fällen zusätzliche Probleme dadurch »geben können, daß sich Lage und Größe d» Fehl» auch in Abhängigkeit von der Verstellrichtung ändern. -2-

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, die Korrekturen zum Ausgleich von Teilungs-, Montage- und Abtastfehlem bzw. verstellrichtungsabhängig auftretenden Fehlem zu vereinfachen und dadurch notwendige Korrekturen der Meßergebnisse zu vermeiden bzw. einzuschränken.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Maßstab nach dem Einschreiben der Meßteilung in seiner 5 Endgebrauchsstellung montiert und dann die dem Maßstab zugeordnete Meßstrecke unter Meßabtastung des Maßstabes mit einem weiteren Prüf-Meßsystem abgefahren wird, wobei in den Aufzeichnungsträger neben der Maßstabspur in wenigstens einer weiteren Spur Abweichungen des Meßergebnisses aus der Abtastung des Maßstabes gegenüber dem Meßergebnis des Prüf-Meßsystems berücksichtigende Korrekturwerte eingeschrieben werden. 10 Der Aufzeichnungsträger ersetzt also mit entsprechenden Abtasteinheiten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die bisher notwendigen aufwendigen und teilweise ungenauen Korrekturspeicher bzw. Korrekturkulissen. Die Korrekturgrößen werden in einer eigenen für sich ablesbaren Spur eingeschrieben und unmittelbar bei der Meßabtastung des Maßstabes berücksichtigt. Selbstverständlich kann man am Aufzeichnungsträger auch in weiteren Spuren wie an sich bekannt Referenzmarken, die beispielsweise einem 15 absoluten Maschinennullpunkt oder einem Meßnullpunkt zugeordnet sind und das Inkrementalmeßsystem zu einem quasi absoluten System machen, anbringen. Man kann am Maßstab auch weitere Steuerspuren, die irgendwelche Maschinenfünktionen steuern, anbringen.

Die Genauigkeit wird in viel») Fällen dadurch erhöht, daß die Abtastergebnisse des am Aufzeichnungsträger aus der Maßstabspur gebildeten Maßstabes in beiden Verstellrichtungen mit den Meßwerten des Prüf-Meßsystems 20 verglichen und die sich in den beiden Verstellrichtungen ergebenden Korrekturwerte in gesonderten Korrekturspuren am Aufzeichnungsträger festgehalten werden. Hier kann man über einen Richtungsdiskriminator der Abtasteinheit immer das der jeweiligen Verstellrichtung zugeordnete Abtastelement für die entsprechende Korrekturspur empfindlich schalten und das erhaltene Signal bei der Korrektur des Meßergebnisses berücksichtigen. In den Korrekturspuren können wahlweise absolute Korrekturwate, die dann beispielsweise 25 durch die Spurbreite, -Schwärzung oder Magnetisierungstärke bestimmt sind oder auch Korrektur-Steuerwerte gespeichert werden. Im einfachsten Fall wird bei der letzteren Ausführung in zwei verschiedenen Spuren eine Marke gesetzt, wenn die Abweichung des Maßstabes vom Sollwert eine bestimmte Schwelle überschreitet Im Zusammenwirken mit einer auf einen absoluten Maßstabnullpunkt (z. B. eine Referenzmarke) bezogenen Meßeinrichtung kann für jeden Maßstabpunkt festgestellt werden, um das Wievielfache des Schwellwertes der 30 momentane Meßwert nach oben oder unten zu korrigieren ist, wenn man die Marken in den beiden Spuren vom absoluten Nullpunkt an zählt

Neben photoelektrischen Meßeinrichtungen mit zugeordenten Maßstäben kann das erfindungsgemäße Verfahren in analoger Ausbildung auch bei magnetisch, kapazitiv oder induktiv arbeitenden Inkrementalmeßsystem eingesetzt werden, wobei dann jeweils entsprechende Aufzeichnungsträger, Einschreibe-35 und Ablesevorrichtungen eingesetzt werden. Auch Abwandlungen von elektrophotographischem Material, wie es in Trockenkopiergeräten eingesetzt wird, sind möglich. Hier wird der mit einer entsprechenden Beschichtung z. B. aus mit Sauerstoff dotiertem Cadmiumsulfid versehene Maßstabträger für die Bildung des Maßstabes durch eine Coronaenüadung aufgeladen und durch Lichteinfall in ähnlicher Weise wie bei der photographischen Herstellung von Maßstäben entladen. Da Maßstab kann durch Aufbringen eines Toners gebildet werden. Es ist aber auch 40 möglich, die z. B. über eine Schlitzblende erzeugten strichweisen Entladungen und die dazwischen verbleibenden

Aufladungen einzufrieren und eine Abtastung über eine auf Ladungsänderung empfindliche Abtasteinheit vorzusehen. Bei Maßstäben der letztgenannten Art und auch bei Maßstäben mit magnetischer Abtastung, bei denen ein Magnetband als Maßstabträger Verwendung findet, lassen sich besonders einfach nachträgliche Änderungen in den Korrekturspuren vornehmen. 45 In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine grundsätzlich mögliche Anordnung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht.

Beim Ausführungsbeispiel wird in beiden Verfahrensstufen ein übergeordnetes Meßsystem verwendet, das als Laserinterferometer mit einer fest am Ende einer Meßstrecke montierbaren Lasereinheit (1), einem verstellbaren Reflektor (2) und einer Auswerteeinheit (3) ausgebildet ist Das Prinzip des Laserinterferometers ist bekannt: 50 Ein Laser (4) sendet in einer vorbestimmten Richtung einen Lichtstrahl (5) aus, der zum Teil (5a) an einem feststehenden, halbdurchlässigen Reflektor (6) zu einem total reflektierenden Reflektor (7) gebrochen und wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel (6) zurückgeworfen wird. Der andere Teil des Lichtstrahles wird von dem beweglich») Reflektor (2) zurückgeworfen, tritt nach der Reflexion durch den halbdurchlässigen Spiegel (6) und überlagert den vom Reflektor (7) zurückgeworfenen Lichtstrahl (5a). Ein lichtempfindliches Element (8) 55 empfängt die überlagerten Lichtstrahlen (5a, 5b). Wird da Reflektor (2) verstellt, treten Interferenzerscheinungen zwisch») den reflektierten Lichtstrahlen auf und die Belichtung des lichtempfindlichen Elementes (8) schwankt zwischen Maximal- und Minimalwerten, welch letztere praktisch Null betragen können. Minima treten jeweils nach Verstellung des Reflektors (2) um einen der halben Wellenlänge des vom Laser (4) ausgestrahlten Lichtes entsprechenden Weg auf. In der Auswerteeinheit (3) ist eine Zähleinrichtung für die 60 auftretenden Minima vorhanden. Über eine Eingabeeinheit (10) können der Wellenlänge entsprechende Werte eingegeben werden. Eine weitere Eingabeeinheit (11) ermöglicht die Eingabe weiterer Faktoren. Diese Faktoren werden einem Mikroprozessor (12) zugeführt, der so programmiert ist, daß er jeweils nach Verstellung des -3-

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Reflektors (2) um einen bestimmten Weg ein oder mehrere Signale auf eine Ausgangsleitung legt. Die Auswerteeinheit kann eine Anzeigevorrichtung für den zurückgelegten Weg aufweisen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Lasereinheit (1) jeweils am Ende ein» Meßstrecke angebracht. In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lasereinheit auf einer Meßmaschine und in der zweiten Stufe auf einer Werkzeugmaschine angebracht Entlang der Meßstrecke wird ein Aufzeichnungsträger (14) vorgesehen, entlang dem eine Einschreibeeinheit (15) verstellbar ist, die mit dem Reflektor (2) über Mitnehm» (16) in Verbindung steht. Für die Herstellung eines Maßstabes auf einer Meßmaschine wird man die Verbindung (16) starr ausführen. In der zweiten Stufe des Verfahrens, also bei dem noch zu beschreibenden Einschreiben der Koirekturwerte in eine eigene Spur kann man den Reflektor (2) mit jenem Teil z. B. einer Werkzeugmaschine verbinden, dessen Verstellweg entlang einer Bahn genau zu ermitteln ist Hier wird man die Verbindung (16), etwa mit einem Schlitten, etwa so legen, daß sie quer zur Verstellrichtung ein geringes Spiel zuläßt und damit bei aparallelem Verlauf der Verstellrichtung des Reflektors (2) des übergeordneten Meßsystems und der Einschreibeeinheit (15) Abstandsänderungen zum Schlitten in der Querrichtung zuläßt Beim Ausführungsbeispiel wird als Aufzeichnungsträger (14) ein Magnetband, beispielsweise ein Tonband, verwendet das in einem Abschirm- oder Schutzgehäuse untergebracht ist und als Einschreibeeinheit (15) ist ein mit einem Spalt versehen» Magnetkopf vorgesehen, der über die Leitung (13) und eine Steuereinheit aktivierbar ist. Beispielsweise ist der Mikroprozessor (12) so programmiert daß er den Einschreibekopf jeweils während einer Verstellung des Reflektors (2) um 0,1 mm aktiviert, dann für die nächste Verstellung um 0,1 mm abschaltet usw. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeweils nach Zurücklegung ein» bestimmten Wegstrecke eine Impulsaktivierung vorzunehmen und einen Spalt (17) mit der gewünscht»! Inkrementbreite zu verwenden. Die (nicht sichtbare) einen Maßstab bildende Magnetisierung des Magnetbandes wurde in der Zeichnung links von der Einschreibeeinheit (15) als Inkrementalmaßstab (19) angedeutet.

Es kann eine zugleich die Abtasteinheit für den Maßstab (14, 19) bildende Einschreibeeinheit (15) Verwendung finden. In einer solchen Einheit sind zwei oder mehrere Ablese-Magnetköpfe vorgesehen, deren Schlitze um ganzzahlige Vielfache und Bruchteile der Inkrementalteilung versetzt sind, so daß bei der Abtastung des erzeugten Maßstabes gegeneinander phasenverschobene Signale erhalten werden. Ein» dies» Köpfe besitzt einen Zusatzanschluß für seine wahlweise Verwendung als Einschreibekopf.

Nach der Herstellung des Maßstabes in der beschriebenen Weise wird der Maßstab in seiner Endgebrauchsstellung in ein» Werkzeugmaschine oder einem Meßsystem montiert. Danach wird in der Verfahrensstufe wieder das übergeordnete Meßsystem (1) bis (3) bzw. ein entsprechendes anderes Meßsystem angebracht und die nun dem Maßstab zugeordnete Meßstrecke wird unter Meßabtastung des Maßstabes mit dem übergeordneten Prüf-Meßsystem abgefahren, wobei Abweichungen des Meßergebnisses der Meßabtastung des Maßstabes (14,19) von dem Ergebnis des Prüf-Meßsystems erfaßt und in ein» eigenen Spur Korrekturmarken oder Korrekturwerte in den Aufzeichnungsträg» (14) eingetragen werden, die gegebenenfalls sogar in beiden Verstellrichtungen gesondert ermittelt und in gesonderten Spuren festgehalten w»den. Bei der Verwendung des Meßsystems werden schließlich die erwähnten Korrekturwerte bei d» Ausgabe bzw. Anwendung des jeweiligen Meßergebnisses berücksichtigt

In einer oder mehreren weiteren Spuren können Referenzmarken mit Hilfe eigener Einschreibeköpfe eingeschrieben und durch zugeordnete Leseköpfe bei der Meßabtastung erfaßt werden.

Verwendet man an Stelle eines Magnetbandes ein mit ein» photoelektrischen Beschichtung versehenes Band, dann wird beim Einschreibevorgang die Beschichtung üb» einen in der Einschreibevorrichtung vorhandenen Coronaerzeug» aufgeladen und nachfolgend durch über die Leitung (13) gesteuerte Belichtung durch eine Schlitzblende oder ein Gitter hindurch teilweise entladen, so daß ein Maßstab in Form eines Ladungsmusters »halten wird. Dieses Ladungsmust» kann nach einer Möglichkeit eingefroren oder nach ein» anderen Möglichkeit durch Tönen und Fixieren des Toners zu einem optisch ablesbaren Maßstab entwickelt werden. Referenzmarken können in jedem Fall nicht nur während d» Maßstabherstellung, sondern auch während des Betriebes d» Meßeinrichtung gesetzt w»den, wobei bei den beiden beschriebenen Varianten eigene Einschreibe-und Löscheinrichtungen für die Referenzmarken an d» Abtasteinheit vorgesehen werden können.

In gleicher Weise wie Linearmaßstäbe können auch Maßstäbe für Drehgeb» oder bogenförmige Maßstäbe hergestellt und in eigenen Korrekturspuren mittels des übergeordneten Meßsystems in der Endgebrauchsstellung korrigiert weiden. Es werden hi» kreis- od» kreisbogenförmige Aufzeichnungsträger verwendet. -4-

Claims (2)

1. AT 396 630 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Herstellen eines Ober eine Abtasteinheit ablesbaren Inkrementalmaßstabes, bei dem in einem Aufzeichnungsträger auf einer Meßstrecke einer Meßmaschine unter Verwendung eines übergeordneten Meßsystems eine Meßteilung angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab nach dem Einschreiben der Meßteilung in seiner Endgebrauchsstellung montiert und dann die dem Maßstab zugeordnete Meßstrecke unter Meßabtastung des Maßstabes mit einem weiteren Prüf-Meßsystem abgefahren wird, wobei in den Aufzeichnungsträger (14) neben der Meßstabspur (19) in wenigstens einer weiteren Spur Abweichungen des Meßergebnisses aus der Abtastung des Maßstabes gegenüber dem Meßergebnis des Prüf-Meßsystemes berücksichtigende Korrekturwerte eingeschrieben werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastergebnisse des am Aufzeichnungsträger (14) aus der Maßstabspur (19) gebildeten Maßstabes in beiden Verstellrichtungen mit den Meßwerten des Prüf-Meßsystems verglichen und die sich in den beiden Verstellrichtungen ergebenden Korrekturwerte in gesonderten Korrekturspuren am Aufzeichnungsträger festgehalten werden. Hiezu 1 Blatt Zeichnung -5-