Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Teile
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier Teile, von denen der eine relativ zum anderen mechanisch so geführt ist, dass er einen Translations-und Rotationsfrei heitsgrad der Bewegung besitzt. Solche Teile sind z. B. das feststehende Bett und der hierzu drehoder längsverschiebbare Tisch einer Werkzeugmaschine.
Hierbei ist es üblich, an dem einen dieser Teile ein optisches oder optisch-elektrisches Ablesegerät zu befestigen, welches mit einer an dem anderen Teil befestigten Teilung zusammenarbeitet. Das Ablesegerät umfasst dabei stets eine der Teilung unmittelbar vorgelagerte Baueinheit, deren in Richtung des erwähnten Freiheitsgrades gemessene Relativlage zur Teilung bestimmend für die Auswahl der von der Teilung auf einen Ableseindex bzw. auf ein photoelektronisches Bauelement treffenden Strahlenbündel ist.
Naturgemäss geht das Bestreben dahin, immer kleinere Verschiebungswege zwischen den beiden zueinander beweglichen Teilen messbar zu machen.
Die hierzu immer weiter getriebene Verfeinerung von Teilung und Ablesegerät fand jedoch bisher ihre Grenze dort, wo die durch die nie ganz vermeidbaren Ungenauigkeiten der mechanischen Führung zwischen den verschiebbaren Teilen verursachten Abstandsschwankungen zwischen Teilung und Ablesegerät zwar meist das Messergebnis nicht direkt, aber die Sicherheit seiner Ablesung beeinträchtigen.
Wird z. B. zur optischen Abbildung der Teilung auf einen Ableseindex ein extrem stark vergrösserndes Objektiv benutzt, so wirken sich wegen der geringen Tiefenschärfe eines solchen Objektives bereits geringe Abstandsschwankungen zwischen Objektiv und Teilung in erheblichen Unschärfeerscheinungen der Abbildung aus, so dass die Ablesung nicht mehr mit der der Vergrösserung der Abbildung angemessenen Sicherheit erfolgen kann. ähnlich liegt der Fall bei solchen optisch-elektrisch wirkenden Vorrichtungen, bei denen z. B. eine gitterartig geteilte Strichplatte eine gitterartig geteilte Teilung abtastet, deren Gitterkonstanten zwecks möglichst hoher Ablesegenauigkeit in der Grössenordnung optischer Beugungsgitter liegen.
In diesem Falle können bei Abstandlsschwan- kungen zwischen Teilung und Abtaststrichpiatte uaL erwünschte beugungsoptische Erscheinungen die Sicherheit des Ableseergetnlisses beeinträchtigen.
Die Erfindung bezweckt, die erwähnten Nachteile zu vermeiden und ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens diejenige der Teilung unmittelbar vorgelagerte Baueinheit des Ablesegerätes, deren in Richtung des erwähnten Freiheitsgrades gemessene Relativlage zur Teilung bestimmend für die Auswahl der von der Teilung auf einen Ableseindex bzw. auf ein photoelektrom.sches Bauelement treffenden Strahlenbündel ist, so befestigt ist, dass sie relativ zu dem das Ablesegerät tragenden Teil zwar in Richtung des erwähnten Freiheitsgrades festgelegt, gleichzeitig aber in Richtung senkrecht zur Teilung ebene federnd beweglich ist und mittels auf der Teilungsebene gleitender Abstandshalter (20) in definiertem Abstand von der Teilungsebene (15) gehalten wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sowie die hierdurch erzielten : Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung, teilweise im Schnitt,
Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der Fig. 1,
Fig. 3 eine Teilansicht in Richtung III der Fig. 1,
Fig. 4 eine Teilansicht nach der Linie IV-IV der Fig. 1,
Fig. 5 eine Gitterabtastung mit stark vergrösserten Ausschnitten aus der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten Teilung und Ab taststrichplatte in ihrer räumlichen Zurodnung.
Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 5 gezeigten Gitterabtastung.
Der Tisch 1 einer Werkzeugmaschine ist gegen über dem feststehenden Bett 2 durch nicht dargestellte mechanische Führungselemente so geführt, dass er noch einen Freiheitsgrad der Bewegung besitzt. Die Bewegungsrichtung verläuft dabei senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1, wobei aber infolge unvermeidbarer Ungenauigkeiten der Führungselemente die Bewegung nicht exakt geradlinig ist Am Tisch 1 ist mittels der üblichen Spannpratzen 3 ein Teilungsträger 4 aus Glas befestigt, der somit die gleichen Bewegungen wie der Tisch 1 ausführt.
Mit dem Bett 2 ist ein optischelektrisches Ablesegerät 5 durch Schrauben 6 starr verbunden.
Das Ablesegerät 5 umfasst einen Lampenhalter 7 mit Lampe 8, einen Kondensor 9, eine Abtaststrichplatte 10, deren Befestigung am Ablesegerät 5 später noch näher erläutert wird, zwei aneinander angrenzende Objektive 11 und 11', eine Schlitzblendle 12 und zwei photoelektronische Bauelemente 13 und 13', welche die auf sie fallenden Lichtströme in elektrische Signale umwandeln, die über die Leitungen 14 und 14' an ein nicht gezeigtes Auswertegerät weitergeleitet werden.
Der Teilungsträger 4 hat auf seiner Teilungsebene 15 eine gitterartige Teilung 16, die in Fig. 5 vergrössert dargestellt ist. Ebenso besitzt die Ablese- strichplatte 10 auf der der Teilungsebene 15 zugekehrten Fläche 17 zwei zueinander um 900 phasenverschobene Teilungen 18 und 18'. Für das gezeigte Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass die Gitterkonstante der Teilungen 10 um beträgt. Die bei der Überdeckung der Teilungen 16 und 18 bzw. 18' bei vollkommen paralleler Durchleuchtung und Ver nachlässigung beugungsoptischer Effekte durchgelassenen Lichtströme I bzw. 1' sind in Fig. 6 Abschnitt a in Abhängigkeit von der gegenseitigen Verschieb bung s zwischen Strichplatte 10 und Teilungsträger 4 dargestellt.
Die den Lichtströmen I und r entsprechenden elektrischen Signale werden durch das angeschlossene Auswertegerät beliebiger bekannter Bauart in Längenangaben umgesetzt, was jedoch nicht Gegenstand der Erfindung und deshalb nicht näher erläutert ist
Die Schlitzbiende 12, deren Längsausdehnung in Fig. 1 parallel zur Zeichenebene verläuft und die im Fokus der Objektive 11 und 11'angebracht ist, soll dafür sorgen, dass wirklich nur solche Lichts strahlen auf die photo elektronischen Bauelemente 13 und 13' treffen, welche den Teilungsträger 4 und die Strichplatte 10 parallel zur Zeichenebene der Fig. 1 durchsetzen. Trotzdem lassen sich in der Praxis nie Lichtstromkurven nach Fig. 6 Abschnitt a erzielen, sondern bestenfalls solche nach Fig. 6 Abschnitt b.
Jedoch kann auch die in Fig. 6 Abschnitt b gezeigte Abhängigkeit der auf die photoelektronischen Bauelemente fallenden Lichtströme von der Verschiebung s nur erreicht werden, wenn der Abstand zwischen den die Teilungen tragenden Teilungsebenen 15 und 17 einige wenige ftm, z. B.
5 um, beträgt und diesen Wert stets genau beibehält. (Ein unmittelbares Aufeinandergleiten der beiden Teilungsebenen 15 und 17 kommt wegen der damit verbundenen Gefahr des Verkratzens der Teilungen nicht in Betracht.) Treten bei der gegenseitigen Verschiebung s zwischen der Strichplatte 10 und dem Teilungsträger 4 auch nur geringe Abstandsänderungen ein, so ergibt sich eine Lichtstromkurve etwa nach Fig. 6 Abschnitt c, die deutlich erkennen lässt, dass eine sichere Auswertung nicht mehr möglich ist.
Um die Strichplatte 10 in dem vorgesehenen Abstand vom Teilungsträger 4 zu halten, dabei aber gleichzeitig eine vollkommen gleichbleibende Lage der Strichplatte 10 zum Abtastgerät 5 in Verschieberichtung des Tisches 1 einzuhalten, ist die Strichplatte 10 in einen rechteckigen Rahmen 19 aus Polyfluoräthylen eingekittet, dessen Längsränder 20 als Abstandshalter dienen und die Teilungsebene 17 der Strichplatte 10 um den vorgesehenen Abstand von einigen wenigen um überragen und Gleitschienen zur Anlage an der Teilungsebene 15 darstellen.
Das für den Rahmen 19 vorgesehene Material Polyfluoräthylen zeichnet sich durch einen besonders geringen Reibwert auch ohne Zuhilfenahme von Schmiermitteln aus, so dass keine den Abstand zwischen den Teilungsebenen 17 und 15 verfälschenden, Schichten auf den Gleitschienen 20 aufgetragen sein müssen und trotzdem eine leichtgängige und verschleissfreie Verschiebung zwischen den Teilen möglich ist.
Der Rahmen 19 ist seinerseits in einen Metallrahmen 21 eingekittet, so dass die aus Strichplatte 10, Rahmen 19 und Gleitschienen 20 bestehende Bau einheit von zwei sich parallel zur Teilungsebene 15 erstreckenden Blattfederarmen 22, die mit dem Ablesegerät 5 verbunden sind, am Ablesegerät 5 gehalten wird. Die Blattfederarme 22 üben jedoch selbst keine nennenswerte Kraft auf den Rahmen 21 in Richtung senkrecht zur Teilungsebene 15 aus.
Besondere, am Ablesegerät 5 sich abstützende Druckfedern 23 drücken die Baueinheit gegen die Teilungsebene und sorgen für eine einwandfreie Anlage der Gleitschienen 20 an die Teilungsebene 15. Durch die nahezu parallel zur Teilungsebene 15 gerichteten Blattfederarme 22 ist sichergestellt, dass sich bei Bewegungen der Strichplatte 10 senkrecht zur Teilungsebene 15 die gegenseitige Lage zwischen der Strichplatte 10 und dem Ablesegerät 5 in Ver schiebungsrichtung des Tisches 1 um nennenswerte Beträge nicht verändern kann.
Die in Fig. 2 dargestellten Ansätze 24 am Ablesegerät 5 dienen als Justierhilfe zum Einrichten des Teilungsträgers 4 bei der Montage der gesamten Vorrichtung und haben bei vollendeter Montage keine Funktion mehr zu erfüllen, sondern bleiben in sicherem Abstand vonyetwa I/lo mm von der Teilungsebene 15.
Device for determining the relative position of two parts
The invention relates to a device for determining the relative position of two parts, one of which is mechanically guided relative to the other in such a way that it has a degree of translation and rotation freedom of movement. Such parts are e.g. B. the fixed bed and the rotatable or longitudinally movable table of a machine tool.
It is customary here to attach an optical or opto-electrical reading device to one of these parts which cooperates with a partition attached to the other part. The reading device always comprises a structural unit immediately upstream of the graduation, whose relative position to the graduation, measured in the direction of the mentioned degree of freedom, is decisive for the selection of the beam from the graduation impinging on a reading index or on a photoelectronic component.
Naturally, the aim is to make ever smaller displacement paths between the two mutually movable parts measurable.
The refinement of graduation and reading device, which has been driven further and further, has so far found its limit where the fluctuations in distance between graduation and reading device caused by the inaccuracies of the mechanical guidance between the sliding parts, which are never entirely avoidable, usually do not directly affect the measurement result, but the reliability of its reading affect.
Is z. If, for example, an extremely large magnifying lens is used to optically map the graduation to a reading index, then, due to the shallow depth of field of such an objective, even slight fluctuations in distance between the lens and graduation result in considerable blurring of the image, so that the reading no longer corresponds to that of the Enlargement of the figure can be done with reasonable security. similar is the case with such optically-electrically operating devices in which z. B. a grid-like divided reticle scans a grid-like divided graduation, the grating constants for the purpose of the highest possible reading accuracy in the order of magnitude of optical diffraction gratings.
In this case, if there are fluctuations in the distance between the graduation and the scanning line plate, among other things, desired diffraction-optical phenomena can impair the reliability of the reading result.
The invention aims to avoid the disadvantages mentioned and is characterized in that at least that unit of the reading device immediately upstream of the graduation, whose relative position to the graduation, measured in the direction of the mentioned degree of freedom, determines the selection of the graduation to a reading index or to a photoelectrom.sches component hitting beam is attached so that it is fixed relative to the part carrying the reading device in the direction of the mentioned degree of freedom, but at the same time is resiliently movable in the direction perpendicular to the division plane and by means of spacers (20) sliding on the division plane is held at a defined distance from the parting plane (15).
A further embodiment of the invention as well as the advantages achieved thereby emerge from the subclaims of the following description in conjunction with the drawing.
Show it:
1 shows an embodiment of the device according to the invention, partly in section,
Fig. 2 is a section along line II-II of Fig. 1,
Fig. 3 is a partial view in direction III of Fig. 1,
Fig. 4 is a partial view along the line IV-IV of Fig. 1,
Fig. 5 is a grid scan with greatly enlarged excerpts from the division used in the embodiment described and from scanning reticle in their spatial allocation.
6 is a diagram for explaining the mode of operation of the grid scanning shown in FIG.
The table 1 of a machine tool is guided with respect to the stationary bed 2 by mechanical guide elements (not shown) in such a way that it still has a degree of freedom of movement. The direction of movement is perpendicular to the plane of the drawing in Fig. 1, but due to unavoidable inaccuracies of the guide elements, the movement is not exactly straight.A graduation support 4 made of glass is attached to the table 1 by means of the usual clamping claws 3, which thus performs the same movements as the table 1 executes.
An optoelectronic reading device 5 is rigidly connected to the bed 2 by screws 6.
The reading device 5 comprises a lamp holder 7 with lamp 8, a condenser 9, a scanning reticle 10, the attachment of which on the reading device 5 will be explained in more detail later, two mutually adjacent objectives 11 and 11 ', a slit diaphragm 12 and two photoelectronic components 13 and 13' which convert the light fluxes falling on them into electrical signals which are passed on via lines 14 and 14 'to an evaluation device (not shown).
The graduation carrier 4 has a grid-like graduation 16 on its graduation plane 15, which is shown enlarged in FIG. Likewise, the reading reticle 10 has on the surface 17 facing the division plane 15 two divisions 18 and 18 'which are phase-shifted by 900 relative to one another. For the exemplary embodiment shown, it is assumed that the lattice constant of the divisions is 10 μm. The luminous fluxes I and 1 'transmitted when the graduations 16 and 18 or 18' are covered with completely parallel transillumination and neglect of diffraction-optical effects are shown in section a in FIG. 6 as a function of the mutual displacement s between the reticle 10 and the graduation carrier 4 shown.
The electrical signals corresponding to the luminous fluxes I and r are converted into length data by the connected evaluation device of any known type, but this is not the subject of the invention and is therefore not explained in more detail
The slot belt 12, the longitudinal extent of which in FIG. 1 runs parallel to the plane of the drawing and which is placed in the focus of the lenses 11 and 11 ', is intended to ensure that only those light rays hit the photoelectronic components 13 and 13' which are Enforce graduation carrier 4 and the reticle 10 parallel to the plane of the drawing of FIG. Nevertheless, in practice it is never possible to achieve luminous flux curves according to FIG. 6, section a, but at best those according to FIG. 6, section b.
However, the dependence of the light fluxes falling on the photoelectronic components on the displacement s shown in FIG. 6 section b can only be achieved if the distance between the division planes 15 and 17 carrying the divisions is a few feet, e.g. B.
5 µm, and always precisely maintains this value. (Direct sliding of the two division planes 15 and 17 on top of each other is out of the question because of the associated risk of scratching the divisions.) If the mutual displacement s between the reticle 10 and the graduation carrier 4 results in only slight changes in distance, a luminous flux curve results for example according to FIG. 6, section c, which clearly shows that a reliable evaluation is no longer possible.
In order to keep the reticle 10 at the intended distance from the graduation carrier 4, while at the same time maintaining a completely constant position of the reticle 10 in relation to the scanning device 5 in the displacement direction of the table 1, the reticle 10 is cemented into a rectangular frame 19 made of polyfluoroethylene, the longitudinal edges 20 of which serve as spacers and protrude beyond the dividing plane 17 of the reticle 10 by the intended distance of a few µm and represent slide rails for resting on the dividing plane 15.
The polyfluoroethylene material provided for the frame 19 is characterized by a particularly low coefficient of friction even without the aid of lubricants, so that no layers that falsify the distance between the dividing planes 17 and 15 have to be applied to the slide rails 20 and nevertheless smooth and wear-free displacement between the parts is possible.
The frame 19 is in turn cemented into a metal frame 21 so that the construction unit consisting of reticle 10, frame 19 and slide rails 20 is held on the reading device 5 by two leaf spring arms 22 extending parallel to the dividing plane 15 and connected to the reading device 5 . However, the leaf spring arms 22 themselves do not exert any significant force on the frame 21 in the direction perpendicular to the parting plane 15.
Special compression springs 23 supported on the reading device 5 press the structural unit against the dividing plane and ensure that the slide rails 20 rest properly on the dividing plane 15. The leaf spring arms 22, which are almost parallel to the dividing plane 15, ensure that the reticle 10 moves vertically to the division plane 15, the mutual position between the reticle 10 and the reader 5 in the direction of displacement of the table 1 can not change by significant amounts.
The attachments 24 on the reading device 5 shown in Fig. 2 serve as an adjustment aid for setting up the graduation carrier 4 during the assembly of the entire device and, when the assembly is completed, no longer have to fulfill any function, but remain at a safe distance of about 1/10 mm from the division plane 15 .