CH683030A5

CH683030A5 - Method and apparatus for calibrating a digital length measuring system on a machine.

Info

Publication number: CH683030A5
Application number: CH151891A
Authority: CH
Inventors: Hans-Joachim Freitag; Gerd Schuchardt
Original assignee: Jenoptik Jena Gmbh
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1993-12-31
Also published as: DE4113856C2; JPH04231809A; DE4113856C3; DE4113856A1; ES2036444A1; ATA97591A; ES2036444B1; AT400270B; DD294558A5

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 5. The invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1 and an arrangement for carrying out the method according to the preamble of patent claim 5.

Die Erfindung ist anwendbar bei translatorischen Messsystemen, bei denen der metrologische An-schluss im eingebauten Zustand reproduziert oder überprüft werden soll. The invention can be used in translatory measuring systems in which the metrological connection is to be reproduced or checked in the installed state.

Zur Reproduktion bzw. zur Übertragung des metrologischen Massanschlusses von materiellen Massverkörperungen auf Teilungsträgern sind verschiedene Methoden bekannt. Various methods are known for reproducing or for transferring the metrological measurement connection of material measures on graduation carriers.

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. A group of processes uses stable graduation carriers that largely maintain high dimensional stability from the technical-technological manufacturing process to use on measuring machines or other applications, e.g. Measurements as described in precision equipment 30 vol. / Issue 5/1981, page 195. However, this method is very costly and material-intensive and only suitable for short measuring lengths.

Eine andere Gruppe von Verfahren verwendet weniger steife Teilungsträger, aber es werden relativ hohe technische Aufwendungen betrieben, um Zwangskräfte auf den Teilungsträger zu minimieren. Another group of methods uses less rigid graduation carriers, but relatively high technical expenditures are made in order to minimize constraining forces on the graduation carrier.

(DD 121 832 A1, DD 222 106 A1 oder DD 249 615 A1). (DD 121 832 A1, DD 222 106 A1 or 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. In addition to the high technical outlay for minimizing the forces, this type of measuring system has the disadvantage that the length of the thin but still inherently stable graduation carriers is limited.

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. Measuring systems are also known - especially for larger solutions - in which a graduation carrier made of elastic material is stretched in such a way that the graduation applied to the graduation carrier is reproduced again metrologically.

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. Such methods are described in DE 2 011 594 / A1, De 2 518 745 / A1, DE 3 319 600 / A1 and in DE 3 402 613 / A1.

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. The disadvantage of these solutions is that an external measuring system is required as a comparison measuring system to reproduce the metrological ground connection. As a rule, expensive laser path measurement systems are used for this. The reproducing of the ground connection is associated with a high expenditure on equipment and measurement technology. This effort is not only necessary when installing the measuring system in the machine tool or measuring machine, but also after repair work on the measuring system or for measuring system checks.

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. The aim of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art and to increase the utility value of tape measuring systems by means of an etalon internal to the measuring system.

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. The invention is based on the object of specifying a method and an arrangement for calibrating a length measuring system on a machine, which enable simple metrological measurement connections.

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. The object is achieved in the method by the characterizing features of claim 1 and in the arrangement by the characterizing features of claim 5. Preferred embodiments result from the dependent claims. Correction values for correcting the division error of the translational division can also be contained in the evaluation device. The secondary signals generated in this evaluation device are connected to a display device and the metrological connection of the display of this arrangement depends on the voltage state and thus on the clamping forces of the graduation carrier in the graduation direction.

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. For the compensation of thermally induced changes in length, the etalon should advantageously consist of a material which has the same or similar thermal expansion coefficient as the machine element to which the elastic graduation carrier is connected.

Die Anfangs- und Endmarken und/oder zugehörige Markenabtasteinrichtung können durch optoelektronische Mittel, wie z.B. Optokoppler oder durch Näherungsinitiatoren realisiert sein. The start and end marks and / or associated mark scanners can be by optoelectronic means such as e.g. Optocoupler or be implemented by proximity initiators.

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. According to the method in which the metrological assignment of the secondary signals to the unit of length depends on the tension state of the elastic graduation carrier, depending on the need, such as After mounting on a machine, in the event of changes in the voltage state of the graduation carrier or for a measuring system check, the previously determined etaion length, which is characterized by the distance between the start and end marks, is measured again by first using the mark scanning device in the graduation direction to determine the start and then drive over the end mark and, based on these start and end mark signals on the one hand and the secondary signals resulting from this relative movement between the start and end mark signals on the other hand, the apparent etalon length is shown in units of these secondary signals. The metrological assignment can be achieved in two ways. Either the clamping force for the graduation carrier in the division direction is changed until the displayed apparent etalon length matches the previously determined etalon length or the existing difference between the apparent etalon length and the previously determined etalon length is fed to the correction device as an additional correction value.

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. The first way is to iteratively match the apparent etalon length to the previously determined etalon length by repeating the adjustment process. In the second way, suitable measures must be taken to ensure that the state of tension of the elastic graduation carrier corresponds approximately to the state of tension for the previously determined etalon length. This is e.g. possible by measuring the clamping force.

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 Under this condition, the apparent etalon length is determined only once and the difference to the previously determined etalon length serves as an additional correction factor if the difference does not exceed the specified maximum values. This additional correction factor must be corrected by the correction device after each

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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. Commissioning are available, e.g. via code switch. The method can also be implemented by determining the etalon length to be determined beforehand in relation to a metrologically connected comparison standard.

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. If only the reproduction of the tension state of the elastic graduation carrier is to be ensured at a later point in time, the etalon length to be determined beforehand can also be determined as the apparent etalon length in units of the secondary signals. However, here the absolute metrological connection is not given.

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. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the single figure, an arrangement for reproducing the metrological ground connection for a translational measuring system is shown schematically.

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. On a first machine element 1, e.g. Machine bed of a machine tool, a band-shaped elastic division carrier 2 with a translational division is attached under the pretensioning force P and is attached to a second machine element 3, e.g. Support of the machine tool, which is relatively movable in the measuring and traversing direction 9 relative to the first machine element, a scanning device 4 is attached for the division. The primary signals generated in the scanning device 4 are fed to an evaluation device 10 and the secondary signals generated in the evaluation device 10 are fed to a display device 11.

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. The metrological connection of the display 11 of this arrangement depends on the state of sapnon and thus on the clamping forces of the graduation carrier 1 in the graduation direction 12. According to the invention, the arrangement contains a length etalon 5 with an initial mark 6 and an end mark 7, this etalon keeping the distance A between the initial mark 6 and the end mark 7 constant in the division direction 12 and extending in the division direction 12. A mark scanner 8 for the start * and end mark 6, 7 of the etalon 5 is firmly connected to the scanner 4 of the division. The mark scanning signals when passing over the start and end marks 6, 7 of the etalon 5 are fed from the mark scanning device 8 to the evaluation device 10.

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. For the mean minimum total division error of the division, the distance A of the etalon against a metrologically absolutely connected laser path measuring system of, for example, A = 1000.478 mm was determined by the measuring system manufacturer at a clamping force of 203 N.

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. When the measuring system was attached to the machine tool, the clamping force of the elastic graduation carrier was measured and adjusted so that the value was also around 203 N.

Für die Reproduktion des vom Messsystemhersteller vorgenommenen metrologischen Massanschlusses ist nach folgenden Schritten zu verfahren: To reproduce the metrological measurement connection made by the measuring system manufacturer, proceed as follows:

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 1. Determination of the apparent etalon length by first passing over the start mark 6 and then the end mark 7 with the mark scanning device 8 in the division direction 12 and thereby using the

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. Beginning and end mark signals on the one hand and the secondary signals of the division resulting from this movement lying between start and end mark signals on the other hand, the apparent etalon length is shown in units of these secondary signals on the display device.

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. In the first step, an apparent etalon length of 1000.637 mm should have resulted. As a result, the division is too short compared to the etalon length. The difference is -159 increments.

2. Da die Differenz negativ ist, ist der elastische Teilungsträger 2 geringfügig nachzuspannen und die scheinbare Etalonlänge ist entsprechend Punkt 1. neu zu bestimmen. 2. Since the difference is negative, the elastic graduation support 2 has to be slightly re-tensioned and the apparent etalon length has to be redetermined in accordance with point 1.

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. Repeat steps 1 and 2 until the apparent etalon length matches the actual etalon length of 1000.478 mm. In the event of a match, the metrological connection of the length measuring system over the entire measuring length has been brought into line with the metrological connection, as implemented by the measuring system manufacturer compared to a laser path measuring system, without having to work on the machine tool with external measuring devices.

Claims

1. A method for calibrating a digital length measuring system on a machine, in which method a band-shaped elastic graduation carrier attached to a first machine element under variable pretensioning force is scanned with a scanning device attached to a second machine element for obtaining the measurement signal, the measurement signals being processed in an evaluation device, thereby characterized in that a length scanning salon (5) with a predetermined distance (A) between at least one starting mark (6) and at least one end mark (7) is scanned with a mark scanning device (8), the length of the length etalon (5) and the Graduation carrier (2) in the mark scanner (8) and the scanner (4) resulting measurement signals in the evaluation device (10) a measured value for the etalon length is determined, which is compared with the predetermined distance (A) as a predetermined etalon length, and that the metrology The assignment is carried out either by changing the preload force for the graduation carrier in the direction of division and thus its state of tension until the apparent etalon length matches the predetermined etalon length or the difference between the apparent etalon length and the predetermined etalon length is supplied to a correction device as an additional correction value .

2. The method according to claim 1, characterized in that a correction value is formed in the evaluation device (10) from the difference between the measured value for the etalon length and the predetermined distance (A).

3. The method according to claim 1, characterized in that the longitudinal expansion of the graduation

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gers (2) is changed by adjusting its pretensioning force, and the measured value for the etalon length is determined again for each set pretensioning force until the measured value for the etalon length agrees with the predetermined distance (A).

4. The method according to claim 3, characterized in that the predetermined distance (A) from during the scanning of the length etalon (5) and the graduation carrier (2) in the mark scanning device and the scanning device resulting measurement signals is determined in the evaluation device.

5. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, in which the band-shaped elastic graduation carrier is attached to the first machine element under pretensioning force, in which on the second machine element, which is relatively movable to the first machine element, the scanning device for the graduation applied to the Teiiungträger is attached, the measuring signal output of the scanning device being connected to the evaluation device, and the outputs of the evaluation device being connected to a display device, and in which a device for longitudinal expansion of the graduation carrier on the first machine element is also provided, characterized in that the length etalon (5 ) with a constant predetermined distance (A) between at least one start mark (6) and at least one end mark (7) in the dividing direction (12), that the mark scanning device (8) for the at least one start mark (6) and end mark (7) with the Evaluation device (10) is connected, and that the mark scanning device (8) and the length etalon (5) are each assigned to one of the two machine elements (1, 3).

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that in the mark scanning device (8) at least one photoelectric receiver is provided for the luminous flux emanating from the at least one start mark (6) and end mark (7).

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