DE102004056726A1

DE102004056726A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes

Info

Publication number: DE102004056726A1
Application number: DE200410056726
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dr. Tondorf; Jan Dr. Braasch; Jürgen Dr. Thiel; Wolfgang Dr. Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2004-11-19
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: JP2006145523A; JP4854267B2; DE102004056726B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes, wobei die Lage des ersten Objektes mittels inkrementaler Messeinrichtungen bestimmt wird, die relative Änderungen der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang mindestens zweier Messrichtungen erfassen, zusätzlich die absolute Position des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang einer weiteren Messrichtung mittels mindestens einer absoluten Positionsmesseinrichtung bestimmt wird, die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen eine größere Messgenauigkeit aufweisen als die mindestens eine absolute Positionsmesseinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung (25) entlang der zugeordneten Messrichtung (A1) und/oder die inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) entlang der zugeordneten Messrichtungen (R1, R2) einer Koordinatentransformation (T) unterzogen werden, so dass nach Ausführung der Transformation sich jeweils absolute Messwerte und inkrementale Messwerte auf dieselben Messrichtungen (R1, R2) beziehen und dass aus den sich nach der Transformation ergebenden absoluten Messwerten und inkrementalen Messwerten die räumliche Lage des ersten Objektes (M1) bezüglich des zweiten Objektes (M2) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Patentanspruch 26.

Aus der EP 1 034 462 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Lage und/oder Orientierung zusammenwirkender, relativ zueinander bewegbarer Maschineneinheiten bekannt, wobei bei jeder Maschineneinheit mittels Sensoren, die mindestens zwei der Größen Abstand, Raumwinkel, Orientierung oder eine der zugehörigen Änderungsgrößen messen, gleichzeitig kontinuierlich oder in kurzen regelmäßigen Abständen, unabhängig von den Antriebsachsen der Maschineneinheiten und ohne die Sensoren oder die Maschineneinheiten in eine spezielle Messposition zu verfahren, die räumliche Lage und/oder Orientierung der Maschineneinheiten zueinander oder der Maschineneinheiten zu einem gemeinsamen Bezugssystem oder der Maschineneinheiten zu verschiedenen Bezugssystemen gemessen wird.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die räumliche Positionsmessung zweier zueinander beweglicher Objekte zu verbessern.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 26 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die (durch Bewegungen der beiden Objekte zueinander veränderbare) Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes mittels inkrementaler Messeinrichtungen bestimmt, die relative Änderungen der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang mindestens zweier definierter Messrichtungen erfassen und die als Ausgangssignale entsprechende inkrementale Messwerte erzeugen. Bei der Messrichtung, entlang der mittels der jeweiligen inkrementalen Messeinrichtung die Lage des ersten Objektes bestimmt wird, kann es sich einerseits um eine lineare Raumrichtung handeln, so dass die inkrementale Messeinrichtung eine Abstandmesseinrichtung ist, oder um eine Drehrichtung, so dass die inkrementale Messeinrichtung ein Winkelmesssystem bzw. einen Drehgeber bildet.

Die Verwendung des Begriffes „Messeinrichtungen" im Plural soll dabei darauf hinweisen, dass diese zur Bestimmung von Änderungen der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang mehrerer Raumrichtungen, nämlich entlang mindestens zweier Raumrichtungen, geeignet sind. Es muss sich dabei aber nicht um räumlich getrennte, separate Messeinrichtungen handeln, also nicht etwa um mindestens zwei unabhängige Messeinrichtungen, die jeweils relative Änderungen der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang genau einer definierten Messrichtung erfassen. Vielmehr können die Messeinrichtungen zur Bestimmung relativer Änderungen der Lage der beiden Objekte zueinander auch zu einer einheitlichen Einrichtung zusammengefasst sein, die etwa Änderungen der Lage in einer durch zwei linear unabhängige Raumrichtungen aufgespannten Ebene (Gitterstruktur) misst.

Ferner wird zusätzlich die absolute Position des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang einer weiteren Messrichtung mittels mindestens einer absoluten Positionsmesseinrichtung bestimmt, die als Ausgangssignal absolute Messwerte erzeugt. Dabei weist die absolute Positionsmesseinrichtung eine geringere Messgenauigkeit entlang ihrer Messrichtung auf als die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen entlang ihrer jeweiligen Messrichtung.

Unter einer inkrementalen Positionsmesseinrichtung wird dabei eine Positionsmesseinrichtung verstanden, anhand von deren (periodischen) Ausgangssignalen sich lediglich Messwerte hinsichtlich relativer Änderungen der räumlichen Lage des ersten Objektes bezüglich der räumlichen Lage des zweiten Objektes ermitteln lassen.

Unter einer absoluten Positionsmesseinrichtung wird demgegenüber eine Positionsmesseinrichtung verstanden, deren Ausgangssignale unmittelbar die Ermittlung der absoluten Position des ersten Objektes bezogen auf die Lage des zweiten Objektes ermöglichen.

Durch eine Kombination mehrerer hochgenauer inkrementaler Messeinrichtungen mit mindestens einer absoluten Positionsmesseinrichtung lassen sich die Vorteile der inkrementalen Messsysteme, nämlich ein vergleichsweise einfacher, kostengünstiger Aufbau sowie eine kurze Antwortzeit, mit den Vorteilen absoluter Messsysteme verknüpfen, nämlich der Entfall einer Referenzfahrt nach dem Einschalten des Messsystems sowie die Möglichkeit, eine Messung nach einem Stromausfall unmittelbar fortsetzen zu können. Mit der absoluten Positionsmesseinrichtung bzw. den absoluten Positionsmesseinrichtungen lässt sich mit vergleichsweise geringerer Genauigkeit die Position des ersten Objektes ermitteln – jedenfalls entlang der weiteren Messrichtungen, denen jeweils eine absolute Positionsmesseinrichtung zugeordnet ist. Durch die hochgenauen inkrementalen Positionsmesseinrichtungen lassen sich dann hiervon ausgehend weitere, präzisere Positionsinformationen gewinnen. Entscheidend ist dabei, dass durch die absolute Positionsmesseinrichtung den inkrementalen Positionsmesseinrichtungen ein Bezugspunkt zur Verfügung gestellt wird, auf den sich die Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen beziehen können. Hierdurch ist es nicht erforderlich, bei Inbetriebnahme der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen oder nach einem Stromausfall durch erneute Referenzfahrten zunächst einen Referenzpunkt finden zu müssen, auf den sich die Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen beziehen. Vielmehr werden durch die mindestens eine absolute Positionsmesseinrichtung Messwerte zur Verfügung gestellt, an die die Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen zur Erhöhung der Messgenauigkeit angeschlossen werden können.

Hierzu sind grundsätzlich zwei Prinzipien der kombinierten absoluten und inkrementalen Messung möglich, nämlich einerseits ein kontinuierliches Auffinden der aktuellen Periode der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen durch die absolute Positionsmesseinrichtung und Ergänzen des absoluten Messwertes durch einen Interpolationswert (momentaner Bruchteil einer Periode) der Inkrementalmessung oder andererseits das Auffinden der aktuellen Periode der inkrementalen Messung durch die absolute Positionsmessung und Setzen eines Zählers mit dem Absolutwert ausschließlich nach einer Unterbrechung, bei der die Information (d. h. der Zählerstand) der inkrementalen Messung (Relativmessung) verlorengegangen ist, z. B. nach einem Stromausfall, wonach ausschließlich eine inkrementale Messung erfolgt, d. h. ein Weiterzählen der Perioden und eine Ergänzung des aktuellen Zählerstandes durch die Interpolationswerte. Bei dem zweitgenannten Prinzip kann die laufende inkrementale Messung (Zählerstand der Perioden) durch die absolute Positionsmessung in bestimmten Zeitabständen überprüft werden, wobei diesbezüglich die Redundanz der Messungen genutzt wird.

Ferner werden die inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen, die sich jeweils auf eine bestimmte Messrichtung beziehen, und/oder die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung, die sich auf mindestens eine definierte, weitere (andere) Messrichtung (welche nicht parallel zu einer der vorgenannten bestimmten Messrichtungen ist) beziehen, einer Koordinatentransformation unterzogen, so dass die Messwerte der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung und die Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen sich jeweils auf dieselben Messrichtungen beziehen. Anschließend wird dann in Abhängigkeit von den sich auf dieselben Messrichtungen beziehenden absoluten und inkrementalen Messwerte, nämlich durch Verknüpfung der inkrementalen mit den absoluten Messwerten entlang der jeweiligen gemeinsamen Messrichtung, die räumliche Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes bestimmt.

Besonders bevorzugt werden hierbei die Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen mittels einer Koordinatentransformation in transformierte Messwerte überführt, die sich auf die Messrichtungen der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen beziehen. Die Bestimmung der Lage des ersten Objektes erfolgt dann entlang der durch die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen vorgegebenen definierten Messrichtungen, wobei entlang jener Messrichtungen die transformierten absoluten Messwerte mit den jeweiligen inkrementalen Messwerten zur hochgenauen Lagebestimmung verknüpft werden.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sie eine flexible, unabhängige Anordnung der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen einerseits und der absoluten Positionsmesseinrichtungen andererseits ermöglicht. Denn es ist nicht erforderlich, dass jeweils eine absolute und eine inkrementale Positionsmesseinrichtung Messwerte entlang ein und derselben Messrichtung ermitteln. Vielmehr werden entlang unterschiedlicher Messrichtungen ermittelte Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen einerseits und der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen andererseits derart transformiert, dass sie sich nach der Transformation auf ein und dieselbe Richtung beziehen.

Dies ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Messsystemanordnungen, bei denen eine Änderung der Position des ersten Objektes entlang einer Messrichtung eines absoluten Messsystems einer gleichzeitigen Änderung der Messwerte der inkrementalen Messsysteme entlang mehrerer Messrichtungen entspricht, da die Messrichtung der absoluten Positionsmesseinrichtung zu keiner der Messrichtungen der inkrementalen Messeinrichtungen parallel verläuft.

Erfindungsgemäß wird somit der Code-Anschluss zwischen den Messwerten der absoluten Positionsmesseinrichtungen und der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen erst nach einer Koordinatentransformation der einen oder anderen Messwerte durchgeführt. Bevorzugt erfolgt diese Transformation in der Weise, dass die Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen, also die absoluten Positionsinformationen entlang der Messrichtungen der absoluten Positionsmesseinrichtungen, in entsprechende absolute Messwerte/Positionsinformationen entlang der Messrichtungen der inkrementalen Messsysteme transformiert werden.

Im Ergebnis dienen die genaueren inkrementalen Messwerte zur Korrektur der weniger genauen absoluten Messwerte, um eine möglichst hochgenaue Bestimmung der räumlichen Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes zu erreichen. Damit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine absolute Positionsbestimmung der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes, wobei durch Verknüpfung absoluter Messwerte mit hochgenauen inkrementalen Messwerten eine besondere Genauigkeit bei der Positionsbestimmung erreicht wird, und zwar ohne dass die Messrichtungen der absoluten und der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen zusammenfallen müssten.

Beim Code-Anschluss wird durch einen Messwert der absoluten Positionsmesseinrichtung jeweils das aktuelle Weginkrement der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen entlang einer Messrichtung (also der Ort der aktuellen Periode der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen entlang jener Messrichtung) eindeutig identifiziert und diesem Weginkrement bzw. dieser Periode ein absoluter Messwert zugeordnet, der durch einen Interpolationswert (also einen Bruchteil der Periodenlänge) der inkrementalen Messung weiter aufgelöst wird.

Zur Verknüpfung der inkrementalen Messwerte mit den absoluten Messwerten eignen sich dabei bekannte Code-Anschlussverfahren, über die die nach Durchführung der erfindungsgemäßen Koordinatentransformation jeweils auf ein und dieselbe Messrichtung bezogenen inkrementalen und absoluten Messwerte angeschlossen werden können. Als Beispiel für ein hierzu verwendbares Code-Anschlussverfahren sei auf das in der DE 29 38 318 A1 beschriebene Verfahren verwiesen.

Die inkrementalen Messwerte ergeben sich regelmäßig aus periodischen Ausgangssignalen der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen, die zur Bestimmung der Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes verwendet werden.

Für einen eindeutigen Code-Anschluss der inkrementalen Messwerte an die absoluten Messwerte entlang einer jeweiligen Messrichtung ist es lediglich erforderlich, dass die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen und die absolute Positionsmesseinrichtung derart aufeinander abgestimmt sind, dass entlang jeder Messrichtung, entlang der inkrementale Messwerte an absolute Messwerte angeschlossen werden sollen, die Messgenauigkeiten der Inkrementalposition und der Absolutposition so hoch sind, dass stets die Periode der Inkrementalposition eindeutig bestimmt, d. h. nummeriert bzw. identifiziert werden kann. Dazu ist die Summe der Messungenauigkeit der absoluten Messwerte und der inkrementalen Messwerte kleiner als die halbe lokale Periode des periodischen Ausgangssignales der jeweiligen inkrementalen Positionsmesseinrichtung, welche die inkrementalen Messwerte entlang der entsprechenden Messrichtung zur Verfügung stellt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die inkrementalen Messwerte mit der jeweils korrekten Signalperiode, die der aktuellen Position des zweiten Objektes bezüglich des ersten Objektes entspricht, an die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung angeschlossen werden.

Der Begriff „Ungenauigkeit der inkrementalen bzw. absoluten Messwerte" ist dabei jeweils so zu verstehen, dass er die Größe des Messfehlers angibt, der bei Anwendung der jeweiligen inkrementalen bzw. absoluten Positionsmesseinrichtung (maximal) auftreten kann. Es handelt sich also um die übliche Angabe der Messgenauigkeit der jeweiligen inkrementalen bzw. absoluten Positionsmesseinrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die inkrementalen und absoluten Positionsmesseinrichtungen derart aufeinander abgestimmt, dass die vorstehend definierte Messungenauigkeit kleiner als die halbe lokale Signalperiode des Ausgangssignales der inkrementalen Positionsmesseinrichtung ist. In diesem Fall lassen sich auch Fehler beim Code-Anschluss erkennen.

Mit Vorteil ist die Zahl der verwendeten inkrementalen Positionsmesseinrichtungen größer oder gleich der Zahl der Freiheitsgrade der möglichen Bewegung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes. Grundsätzlich genügt es, dass die Zahl der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen zumindest so groß ist wie die Zahl der hochgenau zu bestimmenden Freiheitsgrade der Bewegung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes.

Bei den einzelnen inkrementalen Positionsmesseinrichtungen kann es sich dabei jeweils um Abstandsmesseinrichtungen oder um Winkelmesseinrichtungen handeln.

Als inkrementale Positionsmesseinrichtungen können insbesondere sogenannte berührungslos abtastende Positionsmesseinrichtungen verwendet werden, die ohne Maßstab (im Fall einer Abstandsmesseinrichtung) bzw. ohne Teilscheibe (im Fall einer Winkelmesseinrichtung) arbeiten, sondern bei denen eine an einem der beiden zueinander beweglichen Objekte angebrachte Strahlungsquelle (Lichtquelle), insbesondere in Form einer Leuchtdiode (LED) mit einem am anderen der beiden Objekte angeordneten Detektor (insbesondere Lichtdetektor) zusammenwirkt, um die Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes zu erfassen, wobei im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor ein Gitter angeordnet ist. Derartige Positionsmesseinrichtungen sind beispielsweise aus der WO 03/03 62 26 A1 und der WO 01/38 828 A1 bekannt. Hierbei wird durch Beleuchtung des Gitters mit der Strahlungsquelle ein Intensitätsstreifenmuster erzeugt, dessen Lage relativ zum Detektor ein Maß für die Position, insbesondere Winkelposition, des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes ist. Die Messrichtung des jeweiligen inkrementalen Messsystems ist dabei z.B. quer zu der Richtung, entlang der die jeweilige elektromagnetische Strahlung mittels der zugehörigen Strahlungsquelle zum zugeordneten Detektor abgestrahlt wird.

Die Anzahl der absoluten Positionsmesseinrichtungen kann ebenfalls der Anzahl der Freiheitsgrade der zu erfassenden Bewegung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entsprechen; sie kann jedoch auch kleiner als die Zahl der Freiheitsgrade sein, wenn die Anzahl der verwendeten linearen Positionsmesseinrichtungen mit unterschiedlichen Messrichtungen größer ist als die Anzahl der Freiheitsgrade der Bewegung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes.

Im Übrigen kann die Verwendung einer größeren Anzahl inkrementaler Positionsmesseinrichtungen auch dazu dienen, um durch Überbestimmung der Messanordnung die Genauigkeit und Betriebssicherheit der Messanordnung zu erhöhen (Redundanz).

Als erstes und zweites Objekt, deren Bewegung zueinander zu erfassen ist, können insbesondere zwei zueinander bewegliche Maschinenteile einer Werkzeugmaschine vorgesehen sein, wobei die Anzahl der Maschinenachsen die Anzahl der Freiheitsgrade der Bewegung der beiden Objekte (Maschinenteile) zueinander bestimmt.

Bei einem sogenannten Hexapod (Stewart-Plattform), bei dem sechs Maschinenachsen vorgesehen sind, um zwei Maschinenteile zueinander zu bewegen, wie z. B. in der WO 91/03145 A1 beschrieben, stünden demnach sechs Freiheitsgrade für die Bewegung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes zur Verfügung.

Die absoluten Positionsmesseinrichtungen dienen dabei vorzugsweise zur Erfassung von Rotationsbewegungen an den Maschinenachsen, insbesondere von Antriebsspindeln, die sich entlang der jeweiligen Maschinenachse erstrecken. Die Erstreckungsrichtung der Spindeln gibt dabei die Messrichtung der jeweiligen absoluten Positionsmesseinrichtung vor.

Die Messrichtungen der (berührungslosen) inkrementalen Positionsmesseinrichtungen können demgegenüber entlang beliebiger anderer Messrichtungen verlaufen, wobei lediglich sicherzustellen ist, dass diese Messrichtungen derart unterschiedlich sind, dass durch Auswertung der Messwerte entlang aller Messrichtungen die Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes eindeutig bestimmbar ist.

Weiter können die absoluten Positionsmesseinrichtungen in Form von Winkelmesseinrichtungen bzw. Drehgebern gleichzeitig zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Antriebsspindeln dienen, die wiederum als Größen zur Regelung des Betriebs der entsprechenden Werkzeugmaschine verwendet werden.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes, also insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 26 charakterisiert.

Diese Vorrichtung umfasst a) inkrementale Positionseinrichtungen zur Bestimmung der relativen Änderung der räumlichen Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang mehrerer Messrichtungen; b) mindestens eine absolute Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der absoluten Position des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes entlang zumindest einer weiteren Messrichtung, wobei die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen eine größere Messgenauigkeit aufweisen als die mindestens eine absolute Positionsmesseinrichtung; c) eine Transformationseinrichtung zur Transformation der absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung entlang der zugeordneten Messrichtung und/oder der inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtung entlang der zugeordneten Messrichtung auf eine neue Richtung, so dass nach Ausführung der Transformation sich jeweils absolute Messwerte und inkrementale Messwerte auf eine gemeinsame Messrichtung beziehen; sowie d) eine Auswerteeinrichtung mit einer Kombinationseinrichtung zur Kombination jeweils eines absoluten Messwertes mit einem inkrementalen Messwert, wobei sich diese Messwerte auf die gemeinsame Messrichtung beziehen und durch den absoluten Messwert ein aktuelles Weginkrement, also eine aktuelle Periode, des jeweiligen inkrementellen Messwertes bestimmbar ist.

Die beiden Objekte sind insbesondere in einer Maschine (z. B. Werkzeugmaschine) mittels der zugehörigen Maschinenkinematik zueinander bewegbar, wobei die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen unter Umgehung der Maschinenkinematik derart angeordnet sind, dass mit ihnen eine relative Änderung der räumlichen Lage des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes direkt, berührungslos bestimmbar ist, während die Messrichtung der zumindest einen absoluten Positionsmesseinrichtung durch die Maschinenkinematik bestimmt wird. Insbesondere entspricht die Messrichtung der jeweiligen absoluten Positionsmesseinrichtung der Richtung einer Maschinenführung, d. h. sie erstreckt sich entlang einer Bewegungsachse der Maschinenkinematik, wie z.B. einer Linearführung in einer Werkzeugmaschine mit einem Maßstab am Führungsschlitten sowie einem Abtastkopf an der Führungsschiene, wobei der Antrieb ein Linearmotor oder ein Spindelmotor sein kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand einer Figur deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit zwei zueinander beweglichen Maschinenteilen und einer Messsystemanordnung zur Ermittlung der Lage der beiden Maschinenteile zueinander;
2 eine perspektivisch/schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit mehreren Maschinenachsen, bei der eine Messsystemanordnung gemäß 1 anwendbar ist.
In 1 ist schematisch eine ein erstes Maschinenteil 1 und ein hierzu bewegliches zweites Maschinenteil 2 aufweisende Werkzeugmaschine dargestellt, an deren erstem Maschinenteil 1 ein Werkzeug 10 angeordnet ist.
Dem zweiten Maschinenteil 2 sind mehrere Antriebseinrichtungen zugeordnet, um dieses in unterschiedlichen Raumrichtungen bewegen zu können, so dass die Lage des ersten Maschinenteiles 1 entlang mehrerer Raumrichtungen, jeweils repräsentiert durch die der jeweiligen Antriebseinrichtung zugeordneten Maschinenachse, veränderbar ist.
Von diesen Antriebseinrichtungen ist in 1 schematisch eine Antriebseinrichtung 20 dargestellt, die einen Antriebsmotor 21, eine von dem Antriebsmotor 21 angetriebene und entlang einer ersten Maschinenachse A1 erstreckte Antriebsspindel 22 sowie eine auf der Antriebsspindel 22 längsverschieblich gelagerte und mit dem zweiten Maschinenteil 2 fest verbundene Spindelmutter 23 umfasst. Bei einer durch den Antriebsmotor 21 ausgelösten Drehbewegung der Antriebsspindel 22 bewegt sich die drehfeste Spindelmutter 23 in Erstreckungsrichtung der Spindel 22, also entlang der ersten Maschinenachse A1 auf dieser und nimmt dabei das zweite Maschinenteil 2 in dieser Richtung mit. In entsprechender Weise können weitere Antriebseinrichtungen vorgesehen sein, mit denen sich das zweite Maschinenteil 2 entlang weiterer Maschinenachsen bewegen lässt. So gibt es etwa dreiachsige Werkzeugmaschinen, bei denen sich ein Maschinenteil entlang dreier zueinander senkrechter Maschinenachsen bewegen lässt und sechsachsige Werkzeugmaschinen (Hexapode), bei denen sich ein Werkzeugteil entlang sechs unterschiedlicher Achsen bewegen lässt. Im erstgenannten Fall weist die mögliche Bewegung der beiden Maschinenteile zueinander drei Bewegungsfreiheitsgrade auf, im zweitgenannten Fall sechs Freiheitsgrade, also drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade.
Zur Erfassung der Bewegung des zweiten Maschinenteiles 2 entlang der jeweiligen Maschinenachse A1 usw. ist der jeweiligen Antriebseinrichtung 20 eine absolute Positionsmesseinrichtung 25 in Form eines Drehgebers zugeordnet, mit dem sich die Rotation der jeweiligen Antriebsspindel 22 erfassen lässt, aus welcher sich wiederum eindeutig die Bewegung der Spindelmutter 23 und damit des zweiten Maschinenteiles 2 entlang der jeweiligen Maschinenachse A1 ermitteln lässt.
Bevorzugt ist eine derartige absolute Positionsmesseinrichtung 25 in Form einer Winkelmesseinrichtung bzw. eines Drehgebers jeder der Maschinenachsen zugeordnet. In diesem Fall lässt sich also die Veränderung der Lage des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 entlang sämtlicher Maschinenachsen jeweils durch eine absolute Positionsmesseinrichtung 25 erfassen. Diese absoluten Positionsmesseinrichtungen 25 können zugleich zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit einer jeweiligen Antriebsspindel 22 dienen und somit zur Steuerung bzw. Regelung des Maschinenantriebs.
Die Werkzeugmaschine weist ferner berührungslose inkrementale Positionsmesseinrichtungen auf, von denen in 1 zwei Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b dargestellt sind. Die Anzahl der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b usw. sollte mindestens so groß sein wie die Anzahl der Freiheitsgrade der Bewegung des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2. Die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b umfassen jeweils eine am zweiten Maschinenteil 2 angeordnete Strahlungsquelle in Form einer Lichtquelle 31a, 31b (LED) sowie eine am ersten Maschinenteil angeordnete Detektoranordnung 32. In den Strahlengang S von der jeweiligen Lichtquelle 31a, 31b zur Detektoranordnung 32 ist ein Gitter angeordnet, wie aus der WO 03/03 62 26 A1 bekannt, auf die für weitere Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaus einer berührungslosen, inkrementalen Positionsmesseinrichtung, wie in 1 schematisch dargestellt, verwiesen wird.
Die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b usw. definieren jeweils weitere Messrichtungen R1, R2, usw., die sich beispielsweise quer zu der Richtung erstrecken, entlang der die elektromagnetische Strahlung von der jeweiligen Lichtquelle 31a zur Detektoranordnung 32 verläuft (im Fall einer Abstandsmessung der beiden Maschinenteile M1, M2), bzw. die gekrümmt entlang einer Kreisbahn verlaufen (im Fall einer Winkelmessung der Lage der beiden Maschinenteile 1, 2). Bei diesen Messrichtungen R1, R2 der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b usw. handelt es sich um lokale, momentane Messrichtungen, die sich, wie anhand 1 ersichtlich, bei einer Änderung der Position des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 ebenfalls ändern.
Von Bedeutung ist, dass die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b eine größere Messgenauigkeit aufweisen, als die absoluten Positionsmesseinrichtungen 25, so dass die mit Hilfe der periodischen Ausgangssignale der inkrementalen Messeinrichtungen 30a, 30b ermittelten inkrementalen Messwerte durch Code-Anschluss an die Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen 25 zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Messsystemanordnung verwendet werden.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass vorliegend eine Änderung der Lage der beiden Maschinenteile 1, 2 zueinander entlang einer jeweiligen Maschinenachse A1 eine Änderung der Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen entlang mehrerer der entsprechenden Messrichtungen R1, R2 zur Folge hat. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Messrichtungen R1, R2 nicht parallel zu den Maschinenachsen A1 etc. verlaufen, sondern geneigt zu diesen orientiert sind.
Nachfolgend wird unter beispielhafter Bezugnahme auf die vorstehend erläuterte 1 ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden, und zwar für eine Messsystemanordnung, bei der eine Änderung der Position des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 entlang einer Maschinenachse A1 gleichzeitig eine Änderung der Messwerte mehrerer inkrementaler Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b entlang der jeweiligen Messrichtung R1, R2 bewirkt.
Hierzu wird ausgegangen von einer Werkzeugmaschine mit einer definierten Anzahl n von Antriebseinrichtungen bzw. Aktuatoren 20, die jeweils eine Antriebsspindel 25 aufweisen, deren Drehung von jeweils einem Drehgeber 25 erfasst wird. Diese absoluten Drehgeber werden in erster Linie zur Geschwindigkeitsregelung verwendet, da deren Genauigkeit für eine hinreichend genaue Bestimmung der Position des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 im Lageregelkreis nicht ausreicht.
Daher sind zur genauen Bestimmung der Position des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 weitere, hoch genaue Messsysteme erforderlich. Hierfür könnten beispielsweise lineare Positionsmesseinrichtungen verwendet werden, die in die der jeweiligen Maschinenachse A1 etc. zugeordneten Aktuatoren 20 integriert sind.
In einigen Anwendungsfällen, wie z. B. bei Hexapod-Werkzeugmaschinen mit sechs Maschinenachsen und dementsprechend sechs Antriebseinrichtungen (n = 6) besteht bei Verwendung derartiger linearer Messsysteme jedoch das Problem, dass Fehlereinflüsse von Gelenken an den Enden der jeweiligen, eine Antriebsspindel umfassenden Aktuatoren nicht erfasst werden können. In solchen Fällen werden bevorzugt so genannte berührungslose Messsysteme zur genaueren Positionsbestimmung verwendet, wie oben beispielhaft an 1 beschrieben. Bei diesen berührungslosen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b kann es sich um Abstandsmesseinrichtungen oder Winkelmesseinrichtungen handeln. Sie können entweder direkt als Lagemesssystem im Lageregelkreis der Werkzeugmaschine verwendet werden oder sie liefern hoch genaue Stützmessungen, um laufend Korrekturwerte für die Absolutpositionen der Drehgeber 25 im Lageregelkreis zu ermitteln.
Die berührungslosen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b sind bevorzugt als inkrementale Positionsmesseinrichtungen ausgebildet, da sich hier bei einfachem, kostengünstigen Aufbau und gleichzeitig kurzen Antwortzeiten eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielen lässt.
Andererseits bestehen jedoch auch wichtige Vorteile absoluter Messsysteme, die sich mit einem inkrementalen Messsystem als solchen nicht erreichen lassen: So ist bei einem absoluten Positionsmesssystem nach dem Einschalten keine Referenzfahrt erforderlich und nach einem Stromausfall kann der Betrieb der entsprechenden Werkzeugmaschine unmittelbar fortgesetzt werden. Zudem lässt sich eine erhöhte Betriebssicherheit durch Redundanz- und Plausibilitätsüberprüfungen erreichen.
Um die Vorteile inkrementaler Positionsmesseinrichtungen mit den Vorteilen absoluter Positionsmesseinrichtungen verbinden zu können, werden die hochgenauen, inkrementalen Messwerte der N ≥ n berührungslosen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, ... mit den weniger genauen, absoluten Messwerten der n absoluten Positionsmesseinrichtungen 25 in Form von Drehgebern derart verknüpft, dass eine genaue Absolutposition p_TCP des Tool Center Point (TCP) des ersten Maschinenteiles 1 ermittelt werden kann, vergleiche 1. Diese Absolutposition p_TCP ist im Allgemeinen bestimmt durch drei kartesische Koordinaten x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems sowie drei Winkelkoordinaten. Im allgemeinen Fall einer Werkzeugmaschine mit sechs Freiheitsgraden der Bewegung des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2, etwa bei einer Hexapod-Werkzeugmaschine, können alle sechs Koordinaten des TCP aufgrund von Bewegungen des einen Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 einer Änderung unterworfen sein. Bei Werkzeugmaschinen mit weniger Freiheitsgraden der Bewegung der Maschinenteile zueinander, etwa bei dreiachsigen Werkzeugmaschinen, wird eine entsprechend geringere Anzahl an Koordinaten benötigt.
Aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Orientierung der Messrichtungen A1 etc. der absoluten Positionsmesseinrichtungen sowie der Messrichtungen R1, R2 etc. der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen werden für eine Verknüpfung der inkrementalen Messwerte mit den absoluten Messwerten zunächst die Messwerte pa_k der Absolutpositionen entlang der Messrichtung der jeweiligen absoluten Positionsmesseinrichtung umgerechnet in absolute Messwerte pg_j entlang der Messrichtungen der inkrementalen Positionsmesseinrichtung. Der Index k bezeichnet dabei die unterschiedlichen Maschinenachsen A1, ..., entlang derer mittels jeweils einer absoluten Positionsmesseinrichtung 25 absolute Messwerte ermittelt werden. Für eine Werkzeugmaschine mit n Maschinenachsen nimmt k somit Werte von 1 bis n an. Der Index j kann demgegenüber Werte zwischen 1 und N annehmen, wobei N die Anzahl der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen mit unterschiedlichen Messrichtungen R1, R2, ... bezeichnet.
Die Transformation der absoluten Messwerte pa_k in transformierte Messwerte pg_j entlang der Messrichtungen R1, R2, ... der inkrementalen Messeinrichtungen lässt sich schreiben als: (pg1, pg2, ..., pgN) = Ta→g(pa1, pa2, ... pan),wobei T_a→g die zugehörige Transformationsfunktion bezeichnet. Diese lässt sich aus der Kinematik der jeweiligen Werkzeugmaschine und der geometrischen Anordnung der absoluten und inkrementalen Positionsmesseinrichtungen bestimmen. Es gilt:
wobei T_a→TCP die Transformationsfunktion für die Transformation der absoluten Messwerte pa_k in die durch bis zu drei kartesische Koordinaten und bis zu drei Winkel bestimmte Position p_TCP des Tool Center Point bedeutet und T_g→TCP ^–1 die Transformationsfunktion der TCP-Position p_TCP in Positionswerte pg_j entlang der Messrichtungen R1, R2, ... der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen angibt. Es ist zu beachten, dass es sich bei den Positionswerten pg_j um Absolutpositionen handelt, nämlich um die auf die Messrichtungen R1, R2, ... transformierten absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen 25.
Die transformierten absoluten Messwerte pg_j entlang der Messrichtungen R1, R2, ... der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen können nun verwendet werden, um nach einem der bekannten Verfahren die Inkrementalen Messwerte pi_j, mit j = 1, ..., N, an die absoluten Messwerte anzuschließen. Hierfür sei beispielhaft auf das in der DE 29 38 318 A1 beschriebene Code-Anschlussverfahren verwiesen.
Durch diesen Code-Anschluss lassen sich aus den transformierten absoluten Messwerten pg_j und den hochgenauen inkrementalen Messwerten pi_j hochgenaue absolute Messwerte entlang der Messrichtungen R1, R2, ... der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen bestimmen: pgj' = f(pgj, pij), j = 1, 2, ..., N.
Konkret lässt sich etwa folgende Vorschrift für den Codewert-Anschluss angeben:
Hierbei ist
wobei
die Signalperiode der entsprechenden (j-ten) inkrementalen Messeinrichtung bezeichnet.
Aus einem jeweiligen transformierten absoluten Messwert wird der momentane Ort der Periode der inkrementalen Messwerte eindeutig bestimmt bzw. identifiziert, also dem Ort der aktuellen Periode der inkrementalen Messwerte ein absoluter Wert zugeordnet. Durch Interpolation der inkrementalen Messwerte (also einen Unterteilungswert einer Periode) wird dieser Positionswert weiter aufgelöst und ergänzt.
Mit Hilfe der hochgenauen, absoluten Messwerte pg_j' entlang der Messrichtungen R1, R2, ... der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen kann nun eine hochgenaue, absolute TCP-Position des Tool Center Point an dem ersten Maschinenteil ermittelt werden. pTCP = Tg→TCP(pg1', pg2', ..., pgN').
Dieses Verfahren ermöglicht bei Verwendung hochgenauer, berührungsloser Inkrementalmesseinrichtungen das gleichzeitige Erreichen der Vorteile eines absoluten Positionsmesssystems.
Für einen hochgenauen Anschluss der inkrementalen Messwerte pi_j an die transformierten absoluten Messwerte pg_j entlang der jeweiligen Messrichtung R_j einer inkrementalen Positionsmesseinrichtung ist dabei für jedes j, also für jede Messrichtung R_j, vorauszusetzen, dass die Summe des Fehlers (der Messungenauigkeiten) der aus den absoluten Messwerten pa_k berechneten absoluten Messwerte pg_j und des Fehlers der hochgenauen, inkrementalen Messwerte pi_j für jede Position der beiden Maschinenteile 1, 2 zueinander kleiner ist, als die halbe, lokale Signalp eriode des Ausgangssignales der der entsprechenden Messrichtung R_j zugeordneten inkrementalen Positionsmesseinrichtung.
Dies lässt sich wie folgt einsehen: Von Bedeutung für einen eindeutigen Code-Anschluss der inkrementalen Messwerte an die transformierten absoluten Messwerte ist, dass sich jeweils eindeutig feststellen lässt, welcher Periode des periodischen Ausgangssignales der jeweiligen inkrementalen Positionsmesseinrichtung, aus dem die inkrementalen Messwerte berechnet werden, ein aktueller transformierter absoluter Messwert zuzuordnen ist.
Schreibt man etwa einen beliebigen inkrementalen Messwert als
wobei
eine Signalperiode der entsprechenden (j-ten) inkrementalen Messeinrichtung bezeichnet, l eine natürliche Zahl ist und y_i den durch Interpolation des periodischen Signals erzeugten aktuellen Messwert innerhalb einer Signalperiode angibt, so lässt sich l aus einem gemessenen absoluten Positionswert x entlang der entsprechenden Messrichtung und den Werten y_i und
wie folgt berechnen:
Der berechnete Wert für l wird im Allgemeinen keine natürliche Zahl sein, da aufgrund der Messfehler für x und y_i Abweichungen zu erwarten sind. Solange die mit diesen Messfehlern verbundenen Abweichungen jedoch kleiner sind als eine halbe Signalperiode
kann durch einfache Rundung des aus den aktuellen Messwerten x, y_i berechneten Wertes für l jeweils eine eindeutige natürliche Zahl bestimmt werden, die dann die aktuelle Signalperiode korrekt angibt.
Wenn die Summe der Fehler kleiner als ein Viertel der lokalen Signalperiode der der jeweiligen Messrichtung zugeordneten inkrementalen Messeinrichtung ist, dann können zusätzlich auch Fehler hinsichtlich des Code-Anschlusses erkannt werden.
2 zeigt eine Werkzeugmaschine mit mehreren Maschinenachsen A1, A2, A3, die entlang dreier zueinander senkrechter Raumrichtungen x bzw. y bzw. z erstreckt sind, wobei jeder der Maschinenachsen A1, A2, A3 eine Linearführung zugeordnet ist, mittels der sich der TCP eines beweglich gelagerten ersten Maschinenteiles 1 bezüglich eines zweiten Maschinenteiles 2 in Form einer Basis der Werkzeugmaschine 1, 2 entlang der jeweiligen Maschinenachse A1 bzw. A2 bzw. A3 bewegen lässt. Dabei ist die entlang der dritten Maschinenachse A3 erstreckte z-Führung auf der entlang der ersten Maschinenachse A1 erstreckten x-Führung und die entlang der zweiten Maschinenachse A2 erstreckte y-Führung wiederum auf der z-Führung aufgebaut. Jeder dieser drei Linearführungen ist eine absolute Positionsmesseinrichtung 25a bzw. 25b bzw. 25c in Form einer durch einen Maßstab und einen zugehörigen Abtastkopf gebildeten Längenmesseinrichtung zugeordnet. Mit diesen absoluten Positionsmesseinrichtungen 25a, 25b, 25c lassen sich in derselben Weise absolute Messwerte für die Bewegung des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 entlang der jeweiligen Maschinenachse A1, A2, A3 gewinnen, wie zuvor anhand 1 beispielhaft für eine Maschinenachse A1 beschrieben. Die Messrichtungen der absoluten Positionsmesseinrichtungen 25a, 25b, 25c fallen dabei mit den Maschinenachsen A1, A2, A3 zusammen, sind also durch die Maschinenkinematik der Werkzeugmaschine 1, 2 bestimmt.
Zusätzlich sind berührungslose inkrementale Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, 30c vorgesehen, die die räumlichen Änderungen der Lage des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des Maschinenteiles 2 jeweils berührungslos und direkt, d. h. unter Umgehung der Maschinenkinematik der Werkzeugmaschine 1, 2, messen. Hierzu sind am zweiten Maschinenteil 2 drei Strahlungsquellen in Form je einer Lichtquelle 31a, 31b, 31c und am ersten Maschinenteil 1 jeweils ein zugeordneter Detektor 32a, 32b bzw. 32c angeordnet. In dem Strahlengang S von der jeweiligen Lichtquelle 31a, 31b, 31c zum zugeordneten Detektor 32a, 32b, 32c ist, wie vorstehend anhand 1 beschrieben, jeweils ein Gitter angeordnet. Aufgrund der Modulation des jeweiligen Strahlenbündels im zugeordneten Gitter quer zu dem Strahlungsverlauf bildet sich ein quer zum Strahlengang S erstrecktes Intensitätsstreifenmuster, so dass, wie im Fall der 1, die jeweilige Messrichtung R1, R2, R3 einer inkrementalen Positionsmesseinrichtung 30a, 30b, 30c senkrecht zum zugeordneten Strahlengang S erstreckt ist. Dadurch dass die Strahlengänge S der drei inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, 30c hinsichtlich ihrer jeweiligen Raumrichtung linear unabhängig voneinander sind, gilt dies auch für die hierzu jeweils senkrecht verlaufenden Messrichtungen R1, R2, R3, so dass mittels der drei inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, 30c Änderungen der Position des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 entlang sämtlicher Raumrichtungen erfasst werden können.
Zur Ermittlung genauer Messwerte der Lage des TCP des ersten Maschinenteiles 1 bezüglich des zweiten Maschinenteiles 2 werden, wie anhand 1 für spezielle Maschinenachsen beschrieben, die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen 25a, 25b, 25c und die inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, 30c miteinander verknüpft. Dies geschieht, wie anhand 1 beschrieben, in der Weise, dass zunächst die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtungen 25a, 25b, 25c auf die Messrichtungen R1, R2, R3 der inkrementalen, berührungslosen Positionsmesseinrichtungen 30a, 30b, 30c transformiert werden und anschließend ein Code-Anschluss durchgeführt wird.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes, wobei a) die Lage des ersten Objektes (1) mittels inkrementaler Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) bestimmt wird, die relative Änderungen der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang mindestens zweier Messrichtungen (R1, R2) erfassen, b) zusätzlich die absolute Position des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang mindestens einer weiteren Messrichtung (A1) mittels einer absoluten Positionsmesseinrichtung (25) bestimmt wird, c) die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) eine größere Messgenauigkeit aufweisen als die mindestens eine absolute Positionsmesseinrichtung (25), wobei die absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung (25) entlang der zugeordneten Messrichtung (A1) und/oder die inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) entlang der zugeordneten Messrichtungen (R1, R2) einer Koordinatentransformation (T) unterzogen werden, so dass nach Ausführung der Transformation sich jeweils absolute Messwerte und inkrementale Messwerte auf dieselben Messrichtungen (R1, R2) beziehen und dass aus den sich nach der Transformation ergebenden absoluten Messwerten und inkrementalen Messwerten die räumliche Lage des ersten Objektes (M1) bezüglich des zweiten Objektes (M2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung (25) entlang der zugeordneten Messrichtung (A1) mittels einer Koordinatentransformation (T) überführt werden in transformierte Messwerte entlang der Messrichtungen (R1, R2) der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementalen Messwerte zur Korrektur der absoluten Messwerte dienen, um die Genauigkeit der Bestimmung der räumlichen Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) zu verbessern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der räumlichen Lage des ersten Objektes (1) die inkrementalen Messwerte entlang der jeweiligen Messrichtung (R1, R2) mittels eines Code-Anschlussverfahrens an die absoluten Messwerte angeschlossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) periodische Ausgangssignale zur Bildung inkrementaler Messwerte erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den periodischen Ausgangssignalen gebildeten inkrementalen Messwerten mit den absoluten Messwerten verknüpft werden, um die räumliche Lage des ersten Objektes (1) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 4 und Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Code-Anschluss durch die absoluten Messwerte der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung (25) die absolute räumliche Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) bestimmt wird, auf die sich die aktuellen Signalperioden der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) beziehen, und dass die absoluten Messwerte durch Interpolation der periodischen Ausgangssignale der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) weiter aufgelöst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Positionsmesseinrichtung (25) und die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) so aufeinander abgestimmt werden, dass entlang einer jeweiligen Messrichtung (R1, R2) die Summe der Messfehler der absoluten und der inkrementalen Messwerte kleiner ist als die halbe Periode (S_P) der Ausgangssignale der jeweiligen inkrementalen Positionsmesseinrichtung (30a, 30b).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute Positionsmesseinrichtung (25) und die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) so aufeinander abgestimmt werden, dass entlang einer jeweiligen Messrichtung (R1, R2) die Summe der Messfehler der absoluten und der inkrementalen Messwerte kleiner ist als ein Viertel der Periode (S_P) der Ausgangssignale der jeweiligen inkrementalen Positionsmesseinrichtung (30a, 30b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der verwendeten inkrementalen Messeinrichtungen (30a, 30b) größer oder gleich der Zahl der Freiheitsgrade der möglichen Bewegung des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als inkrementale Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) Abstandsmesseinrichtungen und/oder Winkelmesseinrichtungen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige inkrementale Positionsmesseinrichtung (30a, 30b) einen Sender (31a, 31b) und eine Detektoranordnung (32) umfassen, die an je einem der beiden Objekte (1, 2) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Sender eine Lichtquelle verwendet wird und dass der Detektor zum Empfang elektromagnetischer Strahlung in Form von Licht ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung (25) zugeordnete weitere Messrichtung (A1) bezüglich der Messrichtungen (R1, R2) der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) so orientiert ist, dass Änderungen der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang der weiteren Messrichtung (A1) eine Änderung der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang mindestens zweier Messrichtungen (R1, R2) der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) entsprechen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) mindestens zwei absolute Positionsmesseinrichtungen (25) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zur Bestimmung der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) verwendeten absoluten Positionsmesseinrichtungen (25) kleiner oder gleich der Anzahl der Freiheitsgrade der möglichen Bewegungen des zweiten Objektes bezüglich des ersten Objektes ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Objekt (1) und als zweites Objekt (2) zwei zueinander bewegliche Maschinenteile verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Objekt (1) und zweites Objekt (2) zwei zueinander bewegliche Maschinenteile einer Werkzeugmaschine verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang mehrerer Maschinenachsen (A1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil der Maschinenachsen (A1) jeweils eine absolute Positionsmesseinrichtung (25) zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige absolute Positionsmesseinrichtung jeweils eine Bewegung des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang einer Maschinenachse (A1) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die den inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) zugeordneten Messrichtungen (R1, R2) nicht parallel zu den Maschinenachsen (A1) verlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenachsen (A1) durch jeweils ein drehbares, eine Längsbewegung erzeugendes Antriebselement (22) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenachsen (A1) durch jeweils eine Antriebsspindel (22) gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass als absolute Positionsmesseinrichtungen (25) Drehgeber verwendet werden.
Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines ersten Objektes bezüglich eines zweiten Objektes, mit a) inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) zur Bestimmung relativer Änderungen der Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes entlang (2) mindestens zweier Messrichtungen (R1, R2); b) mindestens einer absoluten Positionsmesseinrichtung (25) zur Bestimmung der absoluten Position des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entlang zumindest einer weiteren Messrichtung (A1), wobei die absolute Positionsmesseinrichtung (25) eine geringere Messgenauigkeit aufweist als die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b); c) einer Transformationseinrichtung zur Transformation der Koordinaten der absoluten Messwerte der absoluten Positionsmesseinrichtung (25), die entlang der zugeordneten Messrichtung (A1) liegen, und/oder der inkrementalen Messwerte der inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b), die entlang der zugeordneten Messrichtungen (R1, R2) liegen, auf eine neue Richtung, so dass nach Ausführung der Koordinatentransformation sich jeweils absolute Messwerte und inkrementale Messwerte auf gemeinsame Messrichtungen (R1, R2) beziehen; d) einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der räumlichen Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) aus den sich nach der Transformation ergebenden absoluten Messwerten und inkrementalen Messwerten durch Kombination jeweils eines absoluten Messwertes mit einem inkrementalen Messwert, die sich auf eine gemeinsame Messrichtung beziehen.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Objekt (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) mittels einer Maschinenkinematik bewegbar ist und dass die inkrementalen Positionsmesseinrichtungen (30a, 30b) derart angeordnet sind, dass sie die relative Änderung der räumlichen Lage des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) unabhängig von der Maschinenkinematik direkt, berührungslos bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrichtung (A1) der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung (25) einer durch die Maschinenkinematik vorgegebenen möglichen Bewegungsrichtung des ersten Objektes (1) bezüglich des zweiten Objektes (2) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Messerichtung (A1) der mindestens einen absoluten Positionsmesseinrichtung (25) entlang einer Bewegungsachse der Maschinenkinematik verläuft.