CH683030A5 - Verfahren und Anordnung zum Kalibrieren eines digitalen Längenmesssystems an einer Maschine. - Google Patents

Description

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CH 683 030 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.

Die Erfindung ist anwendbar bei translatorischen Messsystemen, bei denen der metrologische An-schluss im eingebauten Zustand reproduziert oder überprüft werden soll.

Zur Reproduktion bzw. zur Übertragung des metrologischen Massanschlusses von materiellen Massverkörperungen auf Teilungsträgern sind verschiedene Methoden bekannt.

Eine Gruppe von Verfahren nutzt stabile Teilungsträger, die eine hohe Massstabilität vom technisch-technologischen Herstellungsprozess bis zum Einsatz an Messmaschinen oder anderen Einsatzfällen weitgehend beibehalten, z.B. Massverkörperungen, wie sie in Feingerätetechnik 30 Jg./Heft 5/1981, Seite 195 beschrieben sind. Diese Methode ist jedoch sehr kosten- und materialaufwendig und auch nur für kurze Messlängen geeignet.

Eine andere Gruppe von Verfahren verwendet weniger steife Teilungsträger, aber es werden relativ hohe technische Aufwendungen betrieben, um Zwangskräfte auf den Teilungsträger zu minimieren.

(DD 121 832 A1, DD 222 106 A1 oder DD 249 615 A1).

Diese Art von Messsystemen hat neben dem hohen technischen Aufwand für die Zwangskräftemini-mierung den Nachteil, dass die dünnen aber noch eigenstabilen Teilungsträger in der Länge begrenzt sind.

Es sind weiterhin Messsysteme bekannt - vor allem für grössere Lösungen - bei denen ein Teilungsträger aus elastischem Material so gestreckt wird, dass die auf dem Teilungsträger aufgebrachte Teilung wieder metrologisch reproduziert wird.

Derartige Verfahren sind in DE 2 011 594/A1, De 2 518 745/A1, DE 3 319 600/A1 und in DE 3 402 613/A1 beschrieben.

Der Nachteil dieser Lösungen ist, dass zum Reproduzieren des metrologischen Massanschlusses ein externes Messsystem als Vergleichsmesssystem erforderlich ist. In der Regel werden hierfür teure Laserwegmesssysteme eingesetzt. Das Reproduzieren des Massanschlusses ist hier mit einem hohen apparativen und messtechnischen Aufwand verbunden. Dieser Aufwand ist nicht nur beim Messsystemeinbau in die Werkzeugmaschine oder Messmaschine erforderlich, sondern auch nach Reparaturarbeiten am Messsystem oder für Messsystemüberprüfungen.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den Gebrauchswert von Bandmesssystemen durch ein mess-systeminternes Etalon zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Kalibrierung eines Längenmesssystems an einer Maschine anzugeben, welche mit einfachen Mitteln einen metrologischen Massanschluss ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss beim Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 5 erzielt. Bevorzugte Ausführungsbeispiel ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. In der Auswerteeinrichtung können auch Korrekturwerte für eine Korrektur der Teilungsfehier der translatorischen Teilung enthalten sein. Die in dieser Auswerteeinrichtung erzeugten Sekundärsignale stehen mit einer Anzeigeeinrichtung in Verbindung und der metrologische Anschluss der Anzeige dieser Anordnung hängt vom Spannungszustand und damit von den Einspannkräften des Teilungsträgers in Teilungsrichtung ab.

Vorteilhafterweise sollte das Etalon zwecks Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen aus einem Material bestehen, welches einen gleichen bzw. ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Maschinenelement, mit dem der elastische Teilungsträger verbunden ist.

Die Anfangs- und Endmarken und/oder zugehörige Markenabtasteinrichtung können durch optoelektronische Mittel, wie z.B. Optokoppler oder durch Näherungsinitiatoren realisiert sein.

Entsprechend dem Verfahren, bei dem die metrologische Zuordnung der Sekundärsignale zur Längeneinheit vom Spannungszustand des elastischen Teilungsträgers abhängig ist, kann je nach Bedarf, wie z.B. nach der Montage an einer Maschine, bei Veränderungen des Spannungszustandes des Teilungsträgers oder für eine Messsystemüberprüfung, die vorher ermittelte Etaionlänge, welche durch den Abstand von Anfangs- und Endmarke gekennzeichnet ist, neu gemessen werden, indem mit der Markenabtasteinrichtung in Teilungsrichtung zunächst die Anfangs- und danach die Endmarke überfahren und dabei anhand dieser Anfangs- und Endmarkensignale einerseits und der durch diese Relativbewegung entstehenden zwischen Anfangs- und Endmarkensignalen liegenden Sekundärsignale andererseits die scheinbare Etalonlänge in Einheiten dieser Sekundärsignale ausgewiesen wird. Die metrologische Zuordnung kann auf zwei Wegen erreicht werden. Entweder wird die Einspannkraft für den Teilungsträger in Teilungsrichtung solange verändert, bis die angezeigte scheinbare Etalonlänge mit der vorher ermittelten Etalonlänge übereinstimmt oder es wird die vorhandene Differenz zwischen der scheinbaren Etalonlänge und der vorher ermittelten Etalonlänge als Zusatz-Korrekturwert der Korrektureinrichtung zugeführt.

Beim ersten Weg ist die scheinbare Etalonlänge auf iterativem Wege mit der vorher ermittelten Etalonlänge durch Wiederholungen des Einstellvorgangs in Übereinstimmung zu bringen. Beim zweiten Weg ist durch geeignete Massnahmen zu sichern, dass der Spannungszustand des elastischen Teilungsträgers in etwa dem Spannungszustand für die vorher ermittelte Etalonlänge entspricht. Das ist z.B. durch die Messung der Einspannkraft möglich.

Unter dieser Voraussetzung wird die scheinbare Etalonlänge nur einmal bestimmt und die Differenz zur vorher ermittelten Etalonlänge dient als Zusatz-Korrekturfaktor, falls die Differenz festgelegte Höchstwerte nicht übersteigt. Dieser Zusatz-Korrek-turfaktor muss der Korrektureinrichtung nach jeder

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Inbetriebnahme zur Verfügung stehen, z.B. über Codeschalter. Das Verfahren kann auch realisiert werden, indem die vorher zu ermittelnde Etalonlänge gegenüber einem metrologisch angeschlossenen Vergleichsnormal ermittelt wird.

Ist nur die Reproduktion des Spannungszustandes des elastischen Teilungsträgers zu einem späteren Zeitpunkt zu sichern, so kann die vorher zu ermittelnde Etalonlänge auch als scheinbare Etalonlänge in Einheiten der Sekundärsignale ermittelt werden. Hier ist dann jedoch nicht der absolute metrologische Anschluss gegeben.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der einzigen Figur ist eine Anordnung zur Reproduktion des metrologischen Massanschlusses für ein translatorisches Messsystem schematisch dargestellt.

An einem ersten Maschinenelement 1, z.B. Maschinenbett einer Werkzeugmaschine, ist ein bandförmiger elastischer Teilungsträger 2 mit einer translatorischen Teilung unter der Vorspannkraft P angebracht und an einem zweiten Maschinenelement 3, z.B. Support der Werkzeugmaschine, welches zum ersten Maschinenelement in Mess- und Verfahrrichtung 9 relativ beweglich ist, ist eine Abtasteinrichtung 4 für die Teilung angebracht. Die in der Abtasteinrichtung 4 erzeugten Primärsignale werden einer Auswerteeinrichtung 10 zugeleitet und die in der Auswerteeinrichtung 10 erzeugten Sekundärsignale werden einer Anzeigeeinrichtung 11 zugeleitet.

Der metrologische Anschluss der Anzeige 11 dieser Anordnung hängt vom Sapnnungszustand und damit von den Einspannkräften des Teilungsträgers 1 in Teilungsrichtung 12 ab. Erfindungsgemäss enthält die Anordnung ein Längenetalon 5 mit einer Anfangsmarke 6 und einer Endmarke 7, wobei dieses Etalon den Abstand A zwischen der Anfangsmarke 6 und der Endmarke 7 in Teilungsrichtung 12 konstant hält und sich in Teilungsrichtung 12 erstreckt. Eine Markenabtasteinrichtung 8 für die Anfangs* und Endmarke 6, 7 des Etalons 5 ist fest mit der Abtasteinrichtung 4 der Teilung verbunden. Die Markenabtastsignale beim Überfahren der Anfangsund Endmarke 6, 7 des Etalons 5 werden von der Markenabtasteinrichtung 8 der Auswerteeinrichtung 10 zugeführt.

Für den mittleren minimalen Summenteilungsfehler der Teilung sei bei einer Einspannkraft von 203 N der Abstand A des Etalons gegen ein metrologisch absolut angeschlossenes Laserwegmesssy-stem von beispielsweise A = 1000,478 mm beim Messsystemhersteller ermittelt worden.

Beim Anbau des Messsystems an die Werkzeugmaschine wurde die Einspannkraft des elastischen Teilungsträgers gemessen und so eingestellt, dass der Wert etwa auch bei 203 N lag.

Für die Reproduktion des vom Messsystemhersteller vorgenommenen metrologischen Massanschlusses ist nach folgenden Schritten zu verfahren:

1. Ermittlung der scheinbaren Etalonlänge, indem mit der Markenabtasteinrichtung 8 in Teilungsrichtung 12 zunächst die Anfangs- 6 und danach die Endmarke 7 überfahren wird und dabei anhand der

Anfnags- und Endmarkensignale einerseits und der durch diese Bewegung enstehenden zwischen Anfangs- und Endmarkensignalen liegenden Sekundärsignale der Teilung andererseits die scheinbare Etalonlänge in Einheiten dieser Sekundärsignale an der Anzeigeeinrichtung ausgewiesen wird.

Im ersten Schritt soll sich eine scheinbare Etalonlänge von 1000,637 mm ergeben haben. Daraus resultiert, dass die Teilung im Vergleich zur Etalonlänge zu kurz ist. Die Differenz beträgt -159 Inkre-mente.

2. Da die Differenz negativ ist, ist der elastische Teilungsträger 2 geringfügig nachzuspannen und die scheinbare Etalonlänge ist entsprechend Punkt 1. neu zu bestimmen.

Die Schritte 1. und 2. sind solange zu wiederholen, bis die scheinbare Etalonlänge mit der tatsächlichen Etalonlänge von 1000,478 mm übereinstimmt. Für den Fall der Übereinstimmung ist der metrologische Anschluss des Längenmesssystems über die gesamte Messlänge in Übereinstimmung mit dem metrologischen Anschluss, wie er vom Messsystemhersteller gegenüber einem Laserweg-messsystem realisiert wurde, gebracht worden, ohne dass an der Werkzeugmaschine mit externen Messmitteln gearbeitet werden musste.

Claims (6)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Kalibrieren eines digitalen Längenmesssystems an einer Maschine, bei welchem Verfahren ein an einem ersten Maschinenelement unter veränderbarer Vorspannkraft angebrachter bandförmiger elastischer Teilungsträger mit einer an einem zweiten Maschinenelement angebrachten Abtasteinrichtung zur Messsignalgewinnung abgetastet wird, wobei die Messsignale in einer Auswerteeinrichtung verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Markenabtasteinrichtung (8) ein Längenetalon (5) mit einem vorbestimmten Abstand (A) zwischen mindestens einer Anfangsmarke (6) und mindestens einer Endmarke (7) abgetastet wird, wobei aus den beim Abtasten des Längenetalons (5) und des Teilungsträgers (2) in der Markenabtasteinrichtung (8) und der Abtasteinrichtung (4) entstehenden Messsignalen in der Auswerteeinrichtung (10) ein Messwert für die Etalonlänge ermittelt wird, der mit dem vorbestimmten Abstand (A) als vorbestimmter Etalonlänge verglichen wird, und dass die metrologische Zuordnung erfolgt, indem entweder die Vorspannkraft für den Teilungsträger in Teiiungsrichtung und damit dessen Spannungszustand solange verändert wird, bis die scheinbare Etalonlänge mit der vorbestimmten Etalonlänge übereinstimmt oder die vorhandene Differenz zwischen scheinbarer Etalonlänge und vorbestimmter Etalonlänge als Zusatz-Korrektur-Wert einer Korrektureinrichtung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Differenz zwischen Messwert für die Etalonlänge und vorbestimmtem Abstand (A) ein Korrekturwert in der Auswerteeinrichtung (10) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsdehnung des Teilungsträ-

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gers (2) durch Einstellung seiner Vorspannkraft solange verändert wird, und der Messwert für die Etalonlänge für jede eingestellte Vorspannkraft erneut ermittelt wird, bis der Messwert für die Etalonlänge mit dem vorbestimmten Abstand (A) übereinstimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Abstand (A) aus beim Abtasten des Längenetalons (5) und des Teilungsträgers (2) in der Markenabtasteinrichtung und der Abtasteinrichtung entstehenden Messsignalen in der Auswerteeinrichtung ermittelt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei der an dem ersten Maschinenelement der bandförmige elastische Teilungsträger unter Vorspannkraft angebracht ist, bei der an dem zweiten Maschinenelement, welches zum ersten Maschinenelement relativ beweglich ist, die Abtasteinrichtung für die auf dem Teiiungsträger aufgebrachte Teilung angebracht ist, wobei der Messsignalausgang der Abtasteinrichtung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, und die Ausgänge der Auswerteeinrichtung mit einer Anzeigeeinrichtung in Verbindung stehen, und bei der weiterhin eine Einrichtung zur Längsdehnung des Teilungsträgers am ersten Maschinenelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenetalon (5) mit einem konstanten vorbestimmten Abstand (A) zwischen mindestens einer Anfangsmarke (6) und mindestens einer Endmarke (7) in Teilungsrichtung (12) vorgesehen ist, dass die Markenabtasteinrichtung (8) für die mindestens eine Anfangsmarke (6) und Endmarke (7) mit der Auswerteeinrichtung (10) in Verbindung steht, und dass die Markenabtasteinrichtung (8) und das Längenetalon (5) jeweils einem der beiden Maschinenelemente (1, 3) zugeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurchgekenn-zeichnet, dass in der Markenabtasteinrichtung (8) mindestens ein fotoelektrischer Empfänger für den von der mindestens einen Anfangsmarke (6) und Endmarke (7) ausgehenden Lichtstrom vorgesehen ist.

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