CH672679A5

CH672679A5 -

Info

Publication number: CH672679A5
Application number: CH4713/86A
Authority: CH
Inventors: Karl-Eugen Aubele; Helmut Lenhof; Peter Vogt
Original assignee: Zeiss Carl Fa
Priority date: 1985-12-02
Filing date: 1986-11-24
Publication date: 1989-12-15
Also published as: JPS62133306A; US4758720A; DE3542514C2; DE3542514A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Wegmesseinrichtung für bewegliche Maschinenteile mit einem inkrementalen Korrekturmesssystem für die Ermittlung von Führungsfehlern insbesondere Versatz und Verkippung des Maschinenteils, sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Nullposition und der Anfangswerte der Führungsfehler.

Eine Wegmesseinrichtung des genannten Typs ist in der EP-A2 0 082 441 beschrieben. Die bekannte Wegmesseinrichtung besitzt einen Massstab, auf dem neben der Massstabsteilung für die Messung der Bewegung in Führungsrichtung mindestens eine zusätzliche inkrementale Teilung in Form mehrerer, sich über die gesamte Führungslänge erstrek-kender Linien aufgebracht ist. Diese Linien werden durch zwei in Führungsrichtung versetzt angeordnete photoelektrische Signalgeber oder Leseköpfe abgetastet, wobei der Mittelwert der Signale beider Geber zur Feststellung von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung und die Differenz der Signale zur Feststellung des Kippwinkels des geführten Teils dienen.

Da es sich bei dieser Messeinrichtung um ein inkremental arbeitendes System handelt, ist es nötig, zumindest bei jeder Inbetriebnahme der Messeinrichtung besser jedoch auch während des Betriebs in regelmässigen Abständen Referenzpunkte anzufahren, anhand derer die Initialisierung des Messsystems auf absolute Werte erfolgt. Für inkrementale Längenmesssysteme ist es z. B. aus der DE-Cl 3 334 400

bekannt Referenzmarken in Form von mehreren, zu den Strichen der Massstabsteilung parallelen Balken auf den Massstab neben der eigentlichen Teilung aufzubringen. Diese Referenzmarken ermöglichen allerdings nur die Festlegung eines Referenzpunktes wie z. B. des Nullpunktes der Messeinrichtung in Führungsrichtung. Zur Bestimmung der Anfangswerte von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung bzw. der Verkippung oder Schieflage des Maschinenteils sind die mit solchen Referenzmarken versehenen bekannten Massstäbe nicht geeignet. Die Initialisierung des inkrementalen Korrekturmesssystems erfordert daher zusätzliche Massnahmen. Besondere Schwierigkeiten bestehen hier, weil es in der Regel nicht ohne weiteres möglich ist, das Maschinenteil in definiertem Ausmass senkrecht zu seiner Füh-rungsrichtungzu versetzen oder zu verkippen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wegmesseinrichtung mit inkrementaler Korrekturspur so auszubilden, dass die Initialisierung nicht allein des Messsystems für die Position in Führungsrichtung sondern auch für das Korrekturmesssystem möglichst einfach und mit einem Minimum an Zeitaufwand durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufbau des Wegmesssystems gemäss den im Kennzeichen des Anspruches 7 angegebenen Merkmalen bzw. durch die im Kennzeichen des Anspruchs 6 genannten Massnahmen gelöst.

Durch die erfindungsgemässe Ausbildung der Wegmesseinrichtung ist es möglich, sowohl das eigentliche Längen-messsystem als auch das Korrekturmesssystem im Zuge einer einzigen Eichfahrt zu initialisieren. Erreicht wird dies durch Abtastung einer Struktur, deren Ausdehnung im Sichtfeld des Signalgebers bzw. Lesekopfes in Führungsrichtung abhängig vom Versatz des geführten Teils ist. Eine solche Struktur kann beispielsweise durch zwei winklig zueinander angeordnete Striche neben der Korrekturspur realisiert werden.

Vorteilhaft ist es, die Struktur aus zwei auf der spiegelnden Fläche des Massstabskörpers aufgebrachten Zylinderlinsen aufzubauen, von denen eine senkrecht und die andere unter einem Winkel von vorzugsweise 45 ° zur Führungsrichtung angeordnet ist. Mit diesen Zylinderlinsen lässt sich eine eindimensionale, d. h. linienförmige Abbildung einer z. B. Leuchtdiode auf eine Differenzdiode herbeiführen, über die die Nullimpulse für die Initialisierung von Mess- und Korrektursystem erzeugt werden. Ausser den beiden letztgenannten Bauteilen, die zu einem bzw. zwei zweckmässig am beweglichen Maschinenteil befestigten Geber zusammenge-fasst sind, und den auf dem Massstab aufgebrachten Zylinderlinsen sind keine weiteren Bauteile erforderlich. Zwei Geber sind erforderlich, wenn neben dem Führungsfehlerversatz auch Verkippungen, d. h. die Schieflage des geführten Teils ermittelt werden sollen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 1 -4 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Aufsicht auf den Massstab eines inkrementalen Wegmesssystems mit Korrekturteilung gemäss der Erfindung,

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze, die die Abtastung der Referenzmarke (4/5) auf dem Massstab nach Fig. 1 schematisch im Querschnitt zeigt ;

Fig. 3 ist eine Ansicht auf Referenzmarken und Signalgeber längs der Linie IV/IV in der Prinzipskizze nach Fig. 2,

Fig. 4 zeigt den Signalverlauf am Ausgang der Differenzdiode (7) aus Fig. 2 bzw. 3 beim Überfahren der Zylinderlinsen (4 und 5).

Der in Fig. 1 dargestellte Massstab (1) einer Wegmessein2

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richtung für ein beweglicnes Maschinenteil trägt eine erste inkrementale Teilung (2), die von einem hier nicht näher dargestellten Geber M photoelektrisch abgetastet wird. Die Signale des Gebers M liefern den Messwert für die Bewegung des Maschinenteils in die mit y bezeichnete Richtung seiner Führungen.

Neben 2) befindet sich eine Korrekturspur (3) bestehend aus mehreren parallelen, sich über die gesamte Führungslänge erstreckenden Linien. Diese Linien werden von zwei im Abstand a am beweglichen Maschinenteil befestigten Signalgebern bzw. Leseköpfen Kl und K2 in ähnlicherWeise wie die Massstabsspur (2) photoelektrisch abgetastet. Die Signale der Geber Kl und K2 liefern nach Mittelwert- bzw. Differenzbildung Korrekturwerte für einen Versatz des Maschinenteils senkrecht zu seiner Führungsrichtung bzw. erlauben es, die Schieflage des geführten Maschinenteils um die senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende vertikale Z-Achse zu ermitteln, wie dies in der EP-A2 0 082 441 dargestellt ist.

Es ist klar, dass den Signalgebern M, Kl und K2 elektronische Interpolatoren nachgeschaltet sind, durch die eine mehrfache Unterteilung der von den Strichen repräsentierten Inkremente erfolgt, um die Auflösung der Wegmessung zu erhöhen. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich um bekannte Bauteile, auf deren Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird.

Neben der Korrekturspur (3) ist eine Referenzmarke bestehend aus zwei plankonvexen Zylinderlinsen (4 und 5) auf die spiegelnde Oberfläche des Massstabs (1) aufgebracht. Die Zylinderlinse (4) ist senkrecht zur Führungsrichtung y ausgerichtet, während die Zylinderlinse (5) mit ihrer Achse um einen Winkel a von 45 ° gegen die Achse der Zylinderlinse (4) geneigt ist. Zur Abtastung der aus den beiden Zylinderlinsen bestehenden Referenzmarke sind zwei, ebenfalls im Abstand a zueinander am beweglichen Maschinenteil befestigte Nullimpulsgeber KNIP1 und KNIP2 vorgesehen. Diese Geber liefern Korrektur-Nullimpulse für die Initialisierung der Korrekturmesssystme Kl und K2 sowie für das eigentliche Längenmesssystem M.

Bevor auf den Ablauf der für die Initialisierung nötigen Massnahmen eingegangen wird, sei der optische Aufbau der Geber KNIP1 bzw. KN1P2 kurz anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläutert: Jeder Geber enthält einen Lichtsender in Form einer Leuchtdiode (6) und einen Photosensor in Form einer Differenzdiode (7), die beide nebeneinander angeordnet sind. Ihr Abstand zu der auf den Massstab (1) aufgebrachten Zylinderlinsen und deren Brechkraft sind so gezählt, dass die punktförmige lichtimitierende Fläche der Leuchtdiode (6) als eindimensionales Lichtband in die Ebene abgebildet wird, in der sich die Oberfläche der Differenzdiode (7) befindet.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Differenzdiode (7) und die Leuchtdiode (6) in Bezug auf die Zylinderlinsen (4 und 5) so ausgerichtet, dass ihre Verbindungslinie und die dazu parallele Teilungslinie (9) der Differenzdiode (7) unter einem Winkel a/2 von 22,5 °, also symmetrisch zu den Achsen der beiden Zylinderlinsen verläuft. Dies hat den Vorteil, dass die von der Differenzdiode abgegebenen Signale beim Überfahren der beiden Zylinderlinsen jeweils die gleiche Form und Intensität besitzen.

Zur Initialisierung des Messsystems M und der Korrekturmesssysteme Kl und K2 wird das bewegliche Maschinenteil in Richtung seiner Führung y so verfahren, dass beide Signalgeber KNIP1 und KNIP2 die Zylinderlinsen (4 und 5) passieren. Sobald der Geber KNIP1 die Zylinderlinse (4) überfährt und dabei das in Fig. 3 mit (14) bezeichnete Lichtband über die Differenzdiode (7) streicht, gibt diese das in Fig. 4

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mit Ai/2 bezeichnete Signal ab. Dieses Signal kann bereits dazu verwendet werden, das Messsystem M, das die Massstabsspur (2) abtastet, zu initialisieren. Dabei wird dem gerade anliegenden Positionssignal, das das Messsystem M liefert, der Wert yo zugewiesen. Sobald dann die Zylinderlinse (5) überfahren wird und dabei das von ihr erzeugte Lichtband (15) über die Differenzdiode (7) läuft, entsteht ein zweites Signal B1/2. Die Position yi, bei der dieses zweite Signal auftritt, ist abhängig von einem Versatz der Messsysteme KNIP1 und Kl bzw. des Maschinenteils, an dem die Messsysteme befestigt sind, in x-Richtung, d. h. senkrecht zur Führungsrichtung y.

Wie man leicht anhand der in Fig. 3 skizzierten Verhältnisse sieht, besteht der Zusammenhang

Axi = xo + b • (yi - yo) (1)

Darin bezeichnet

Axi den ermittelten Versatz. Mit diesem Wert wird das Korrekturmesssystem Kl initialisiert.

yo einen Referenzpunkt des Wegmesssystems M xo einen Referenzpunkt für die Korrekturmesssysteme Kl bzw. K2

b den Tangens des Winkels zwischen den Achsen der Zylinderlinsen (4 und 5). Dieser Wert ist eine Maschinenkonstante, die lediglich einmal nach dem Anbringen der Zylinderlinsen bestimmt werden muss.

In gleicher Weise überfährt danach der Null-Impulsgeber KNIP2 die Zylinderlinsen (4 und 5), wobei wieder zwei Signale der in Fig. 4 dargestellten Form entstehen.

Die Messsysteme Kl und in gleicher Weise auch K2 lassen sich nun initialisieren, indem die zwischen den beiden Signalen A und B der Korrektur-Nullimpulsgeber KNIP1 und KNIP2 auftretenden Inkremente und Interpolationswerte des Wegmesssystems M gezählt und z. B. von einem elektronischen Rechner unter Verwendung von Gleichung (1) weiterverarbeitet werden. Sind die beiden Messsysteme Kl und K2 initialisiert, ist nicht nur der Versatz des beweglichen Maschinenteils senkrecht zur Führung absolut ermittelt, sondern auch der Winkel y absolut festgelegt, unter dem das Maschinenteil in der Ebene der Achsen x und y, d. h. also um die vertikale, dritte Achse z verdreht oder verkippt ist. Der Wert Dz für diesen Führungsfehler ergibt sich durch Differenzbildung unmittelbar aus den bei der Initialisierung ermittelten Werten für den Versatz Axi und Ax2 der Messsysteme Kl bzw. K2 und dem in der Zeit zwischen der Initialisierung der beiden Messsysteme Kl und K2 aufgetretenen, vom erstinitialisierten Messsystem Kl bereits gemessenen Korrekturwert Aki,2 zu :

Somit sind Versatz, Schräglage und Position eines mit dem beschriebenen Wegmesssystem ausgerüsteten Maschinenteils im Zuge einer einzigen Eichfahrt in Führungsrichtung bestimmt.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Referenzmarke für die Initialisierung aus zwei Zylinderlinsen. Es ist jedoch klar, dass anstelle der Zylinderlinsen auch winklig zueinander angeordnete Strichfiguren als Referenzmarke dienen können, die dann durch ein photoelektrisches System abgetastet werden, wie es die Geber M, Kl und K2 enthalten.

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3 Blatt Zeichnungen

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672679 PATENTANSPRÜCHE

1. Wegmesseinrichtung für bewegliche Maschinenteile mit einem inkrementalen Korrekturmesssystem (3, Kl, K2) für die Ermittlung von Führungsfehlern, insbesondere Versatz oder Verkippung des Maschinenteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturmesssystem mindestens eine schräg zur Führungsrichtung (y) verlaufende Struktur (4,5) und einen Signalgeber (KNIP1, KNIP2) für die Abtastung der Struktur enthält.

2. Wegmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Nullimpulsmarke (4,5) neben den Massstabsteilungen (2,3) angebracht ist.

3. Wegmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullimpulsmarke aus zwei auf eine spiegelnde Fläche aufgebrachten Zylinderlinsen besteht, wobei eine Zylinderlinse (4) mit ihrer Achse senkrecht und die andere Zylinderlinse (5) unter einem Winkel a von vorzugsweise 45 ° zur Führungsrichtung (y) geneigt angeordnet ist.

4. Wegmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Ablesung der Nullimpulsmarken am beweglichen Maschinenteil befestigte Signalgeber (KNIP1, KNIP2) eine Leuchtdiode (6) als Sender und eine Differenzphotodiode (7) als Empfänger enthält.

5. Wegmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unter einem Abstand a in Führungsrichtung angeordnete Signalgeber (KNIP1, KNIP2) zur Ablesung der Nullimpulsmarke (4,5) vorgesehen sind.

6. Verfahren zur Ermittlung der Nullposition und der Anfangswerte von Führungsfehlern, insbesondere Versatz oder Verkippungen eines beweglichen Maschinenteils bei einer Wegmesseinrichtung mit inkrementalem Korrekturmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullposition (yo) und die Anfangswerte (Axi, Ax2) der Führungsfehler während der gleichen Eichfahrt des Maschinenteils ermittelt werden, indem zwei zueinander winklig angeordnete Teilstrukturen (4,5) überfahren werden, deren Abstand (y. - yo) eine Funktion des Versatzes (Axi) senkrecht zur Führungsrichtung ist.