DE102007018865A1 - Length measuring system, particularly for machine tool, has reflection device that is fastened to arm in rotatable manner, where reflection device reflects back assigned ray of light - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Längemesssystem für eine Werkzeugmaschine mit (a) einem Strahlteiler zum Erzeugen eines Referenzlichtstrahls und eines Arbeitslichtstrahls aus einem Lichtstrahl, (b) einer Reflexionsanordnung zum Reflektieren des Arbeitslichtstrahls und (c) einem teleskopierbaren Arm, an dessen einen Ende die Reflexionsvorrichtung befestigt ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen oder Kalibrieren einer Werkzeugmaschine.The The invention relates to a length measuring system for a machine tool with (a) a beam splitter for generating a reference light beam and a working light beam from a light beam, (b) a reflection device for reflecting the working light beam and (c) a telescopic one Arm, at one end of the reflection device is attached. According to one second aspect, the invention relates to a method for testing or Calibrating a machine tool.
Werkzeugmaschinen müssen in regelmäßigen Abständen auf ihre Positioniergenauigkeit überprüft werden, mit der sie einen Endeffektor im Raum positionieren können. Der Endeffektor kann beispielsweise ein Fräskopf oder ein Laserschneidkopf sein. Stellt sich beim Prüfen der Werkzeugmaschine heraus, dass eine vorgegebene Genauigkeitsanforderung nicht erfüllt wird, so muss die Werkzeugmaschine neu kalibriert werden.machine tools have to on a regular basis their positioning accuracy will be checked with which they can position an end effector in space. Of the End effector may be, for example, a milling head or a laser cutting head. Appears during testing the machine tool out that a given accuracy requirement not fulfilled is, then the machine tool must be recalibrated.
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Kalibrieren von Werkzeugmaschinen setzen beispielsweise Lasertracker ein. Dazu wird ein Endeffektor in Form eines Spiegels mit einem Laserstrahl angepeilt, der von einem Interferometer abgegeben wird. Anschließend wird der Endeffektor auf einer vorgegebenen Trajektorie bewegt. Dabei wird der Laserstrahl dem Endeffektor nachgeführt und misst kontinuierlich eine Abstandsänderung zwischen dem Lasertracker und dem Endeffektor. Aus der Trajektorie des Endeffektors und dem Standort des Lasertracker kann die Abstandsänderung berechnet werden, die bei einer fehlerfreien Werkzeugmaschine gemessen werden müsste. Weicht die tatsächlich gemessene Abstandsänderung von der berechneten Abstandsänderung um ein vorgegebenes Maß ab, so muss die Werkzeugmaschine neu kalibriert werden.Known Methods and apparatus for calibrating machine tools For example, use laser trackers. This will be an end effector in the form of a mirror aimed with a laser beam of is delivered to an interferometer. Then the end effector will open a given trajectory moves. At the same time, the laser beam becomes tracked to the end effector and continuously measures a change in distance between the laser tracker and the end effector. From the trajectory of the end effector and the Location of the laser tracker, the distance change can be calculated would have to be measured with a faultless machine tool. differs actually measured distance change from the calculated change in distance by a predetermined amount, so the machine tool must be recalibrated.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Endeffektor nur mit relativ geringen Geschwindigkeiten bewegt werden kann, da der Lasertracker den Laserstrahl stets dem Endeffektor nachführen muss. Bei hohen Geschwindigkeit ist dieses Nachführen nicht mehr möglich. Wird die Werkzeugmaschine bei der Bearbeitung mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten eingesetzt, so begrenzen dynamische Kräfte die Genauigkeit. Ungenauigkeiten der Werkzeugmaschine bei hohen Werkzeuggeschwindigkeiten oder -beschleunigungen lassen sich mit bekannten Verfahren jedoch nicht erfassen.adversely At this procedure is that the Endeffektor only with relatively small Speeds can be moved because the laser tracker the laser beam always follow the end effector got to. At high speed, this tracking is no longer possible. Becomes the machine tool when processing at high feed rates used, so dynamic forces limit the accuracy. inaccuracies the machine tool at high tool speeds or accelerations however, can not be detected by known methods.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Längenmesssystem, bei dem die Reflexionsvorrichtung schwenkbar so an dem Arm befestigt ist, dass sie den Arbeitslichtstrahl auch bei elastischer Durchbiegung des Armes stets so auf den Strahlteiler zurück reflektiert, dass die optische Weglänge in linearer Näherung von der Durchbiegung unabhängig ist.Of the Invention is based on the object disadvantages of the prior art to overcome. The invention solves the task by a generic length measuring system, in which the Reflection device pivotally mounted on the arm is that they the working light beam even with elastic deflection of the Armes always reflected back to the beam splitter that the optical path length in a linear approximation independent of the deflection is.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Prüfen oder Kalibrieren einer Werkzeugmaschine mit den Schritten: Verfahren zum Prüfen oder Kalibrieren einer Werkzeugmaschine, mit den Schritten:
- (a) Bereitstellen eines Längenmesssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- (b) Verbinden des teleskopierbaren Arms mit einer Spindel der Werkzeugmaschine,
- z. B. über eine Werkzeugaufnahme,
- (c) Bewegen der Spindel auf einer vorgegebenen Bahn,
- (d) Erfassen einer Ist-Abstandsänderung zwischen der Reflexionsvorrichtung
(
28 ) und dem Strahlteiler und (e) Vergleichen der erfassten Abstandsänderung mit einer aus der vorgegebenen Bahn errechneten Soll-Abstandsänderung.
- (a) providing a length measuring system according to one of the preceding claims,
- (b) connecting the telescopic arm to a spindle of the machine tool,
- z. B. via a tool holder,
- (c) moving the spindle on a predetermined path,
- (d) detecting an actual distance change between the reflection device (
28 ) and the beam splitter, and (e) comparing the detected change in distance with a desired distance change calculated from the given path.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass Längenmessungen auch bei einer hohen Dynamik möglich sind. Dadurch können Ungenauigkeiten einer Werkzeugmaschine erkannt werden, wenn sie bei hohen Werkzeuggeschwindigkeiten oder Beschleunigungen betrieben wird.Advantageous to the invention is that length measurements even at a high dynamics are possible. Thereby can Inaccuracies of a machine tool are detected when they operated at high tool speeds or accelerations becomes.
Ein weiterer Vorteil ist die einfache Anwendbarkeit der Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Längenmesssystem fest in der Werkzeugmaschine montiert sein und automatisiert mit einer Spindel der Werkzeugmaschine verbunden werden. Dadurch werden routinemäßige Prüfungen und/oder Kalibrierungen der Werkzeugmaschine möglich, ohne dass hierfür menschliche Arbeitskraft aufgewandt werden muss.One Another advantage is the simple applicability of the invention. So can the length measuring system according to the invention be firmly mounted in the machine tool and automated with be connected to a spindle of the machine tool. This will be routine checks and / or Calibrations of the machine tool possible without human Worker must be expended.
Ein weiterer Vorteil ist der einfache Aufbau eines erfindungsgemäßen Längenmesssystems. Es ist daher leicht und kostengünstig herzustellen und kann auch von nicht geschultem Personal eingesetzt werden.One Another advantage is the simple construction of a length measuring system according to the invention. It is therefore easy and inexpensive and can also be used by untrained personnel.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der optischen Weglänge die im physikalischen Sprachgebrauch gemeinte optische Weglänge verstanden. Die optische Weglänge ist das Integral über das Produkt aus dem zurückgelegten Weg und der auf dem Weg vorliegenden Brechzahl.in the For purposes of the present description, the optical path length will be the understood in physical usage meant optical path length. The optical path length is the integral over the product from the past Path and the refractive index on the way.
Unter der Durchbiegung des Arms wird ein Maß für die elastische Verformung des Arms verstanden. Insbesondere kann die Durchbiegung als die maximale Auslenkung des Armes zwischen seinen beiden Enden von der kräftefreien Gestalt definiert werden. Unter dem Merkmal, dass die optische Weglänge in linearer Näherung von der Durchführung unabhängig ist, ist zu verstehen, dass eine Potenzreinentwicklung der Funktion, die die optische Weglänge in Abhängigkeit von der Durchbiegung angibt, um den Nullpunkt dieser Funktion keinen linearen Term aufweist. Die optische Weglänge hängt also beispielsweise erst in quadratischer Näherung von der Durchbiegung ab.The deflection of the arm is understood as a measure of the elastic deformation of the arm. In particular, the deflection can be defined as the maximum deflection of the arm between its two ends from the force-free shape. By the feature that the optical path length is linearly independent of the implementation, it is to be understood that a power difference Development of the function, which indicates the optical path length as a function of the deflection, around the zero point of this function has no linear term. The optical path length thus depends, for example, only in a quadratic approximation on the deflection.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Längenmesssystem mindestens zwei Teleskopstangen auf. Dadurch wird vorteilhafterweise ein besonders einfacher mechanischer Aufbau erreicht. Besonders bevorzugt weist der Arm des Längenmesssystems an einem Ende einen Abschlusskörper auf, wobei die Reflexionsvorrichtung mittels einer Aufnahme an dem Abschlusskörper relativ zu dem Abschlusskörper beweglich befestigt ist und wobei die Aufnahme so mit dem Abschlusskörper gekoppelt ist, dass bei elastischer Durchbiegung des Arms die Aufnahme relativ zu dem Abschlusskörper schwenkt. Diese Schwenkbewegung ist also ausgebildet, dass sie die Durchbiegung des Arms kompensiert. Das heißt, dass ein von dem Strahlteiler der Reflexionsvorrichtung verlaufender Lichtstrahl trotz der Durchbiegung wieder zurück auf den Strahlteiler reflektiert wird. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass dann, wenn der Arm mit einem Endeffektor der Werkzeugmaschine gekoppelt ist und dieser Endeffektor mit einer hohen Geschwindigkeit oder Beschleunigung bewegt wird, etwaige Durchbiegungen des Arms aufgrund von Trägheitskräften kompensiert werden.In a preferred embodiment has the length measuring system at least two telescopic poles on. This will be advantageous achieved a particularly simple mechanical structure. Especially Preferably, the arm of the length measuring system at one end a closing body, wherein the reflection device by means of a receptacle on the end body relative to the closing body is movably mounted and wherein the receptacle is so coupled to the closure body, that with elastic deflection of the arm, the recording relative to the closing body swings. This pivoting movement is thus designed so that they Bending of the arm compensated. That is, one of the beam splitter the reflection device extending light beam despite the deflection back again is reflected on the beam splitter. This will be advantageous achieved that when the arm with an end effector of the machine tool is coupled and this end effector at a high speed or acceleration is moved, any deflections of the arm be compensated due to inertial forces.
Besonders bevorzugt weist die Aufnahme mindestens vier Verbindungselemente auf, die die Aufnahme mit dem Abschlusskörper verbinden. Auf diese Weise kann die Durchbiegung des Arms besonders effektiv kompensiert werden. Besonders bevorzugt ist der Abschlusskörper so mit den Teleskopstangen verbunden, dass die elastische Durchbiegung des Arms zu einer elastischen Verformung des Abschlusskörpers führt und dass die Verbindungselemente so mit dem Abschusskörper verbunden sind, dass die elastische Verformung des Abschlusskörpers dazu führt, dass die Aufnahme relativ zum Abschlusskörper schwenkt. Diese Schwenkbewegung wirkt wiederum einer Ablenkung des Arbeitslichtstrahls aufgrund der Durchbiegung des Arms entgegen und kompensiert diese. Das Gesamtsystem aus Reflexionsvorrichtung, Aufnahme, Verbindungselementen und Abschlusskörper ist dabei für eine hohe Eigenfrequenz ausgelegt. Dadurch wird vermieden, dass Resonanzen auftreten.Especially Preferably, the receptacle has at least four connecting elements on, which connect the recording with the closing body. In this way The deflection of the arm can be compensated particularly effectively. Particularly preferably, the closing body is so with the telescopic rods connected, that the elastic deflection of the arm to an elastic Deformation of the end body leads and that the connecting elements so connected to the launching body are that the elastic deformation of the closing body to do so leads, that the receptacle pivots relative to the end body. This pivoting movement works again a deflection of the working light beam due to the deflection the arm and compensates for this. The overall system of reflection device, Recording, fasteners and end body is for a high natural frequency designed. This avoids that resonances occur.
Besonders bevorzugt ist der Abschlusskörper so mit den Teleskopstangen verbunden, dass die Durchbiegung zu einem Versatz von Teilen des Abschlusskörpers entlang der Längserstreckung der Teleskopstrebe führt und dass die Verbindungsele mente so mit dem Abschlusskörper verbunden sind, dass der Versatz des Abschlusskörpers dazu führt, dass die Aufnahme relativ zu dem Abschlusskörper schwenkt. Es ist möglich, diesen Effekt mit dem im vorherigen Absatz genannten Effekt zu kombinieren.Especially preferred is the closing body so connected to the telescopic rods that the deflection becomes one Offset of parts of the end body along the longitudinal extension the telescopic strut leads and that the Verbindungsele elements so connected to the closing body are that the displacement of the closing body causes the Recording pivots relative to the end body. It is possible this To combine the effect with the effect mentioned in the previous paragraph.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Arm des erfindungsgemäßen Längenmesssystems eine mindestens dreistufige Teleskopanordnung mit einer Teleskopgrundstufe, mindestens einer Teleskopmittelstufe und einer Teleskopabschlussstufe auf. Hierdurch wird eine besonders große Ausziehbarkeit des Längenmesssystems erreicht.In a preferred embodiment has the arm of the length measuring system according to the invention an at least three-stage telescope arrangement with a basic telescope stage, at least one telescope center stage and one telescope completion stage on. This results in a particularly large extendability of the length measuring system reached.
Besonders bevorzugt umfasst die Teleskop-Grundstufe mindestens drei an dem Abschlusskörper befestigte Grundstufen-Teleskopstangen. Die mindestens eine Teleskopmittelstufe umfasst einen Mittelstufen-Gleitkörper, der an den Grundstufen-Teleskopstangen gleitend befestigt ist, und mindestens drei an dem Mittelstufen-Gleitkörper starr befestigte Mittelstufen-Teleskopstangen und die Teleskopabschlussstufe umfasst einen Abschlussstufen-Gleitkörper, der an den Mittelstufen-Teleskopstangen gleitend befestigt ist, mindestens drei an dem Abschlussstufen-Gleitkörper starr befestige Abschlussstufen-Teleskopstangen und einen Basiskörper, der mit den Abschlussstufen-Teleskopstangen starr verbunden ist.Especially Preferably, the telescopic base comprises at least three on the closing component fixed basic telescopic poles. The at least one telescope middle stage includes a middle stage slider sliding on the base stage telescopic rods is fixed, and at least three rigidly attached to the middle stage slider fixed middle-stage telescopic rods and the telescope termination stage includes a final stage slider sliding on the mid-stage telescopic rods is fixed, at least three rigidly attached to the final stage slider fasten finishing level telescopic rods and a base body, the is rigidly connected to the graduated telescopic rods.
Dabei ist es günstig, wenn die Teleskop-Grundstufe mindestens eine Teleskopmittelstufe und die Teleskopabschlussstufe jeweils vier oder fünf Teleskopstangen umfassen. Hierdurch wird das Längenmesssystem gleichzeitig leicht und hinreichend steif, um auch bei hohen Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen nur eine kleine Durchbiegung zu zeigen.there is it cheap if the basic telescope level at least one telescopic center stage and the telescope termination stage each comprise four or five telescopic poles. This will be the length measuring system at the same time light and sufficiently stiff, even at high speeds or accelerations to show only a small deflection.
Die Teleskopstangen einer Stufe sind bevorzugt in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet. Hierdurch erhebt sich eine gleichmäßige Steifigkeit des Längenmesssystems. Gleichzeitig wird die Steifigkeit insgesamt erhöht und die Fertigung des Längenmesssystems erleichtert.The Telescopic rods of a stage are preferably at equal angular intervals arranged in a circle. This results in a uniform rigidity of the length measuring system. At the same time, the rigidity is increased overall and the production of the length measuring system facilitated.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Abschlusskörper eine erste Ring scheibe und eine von der ersten Ringscheibe beabstandete zweite Ringscheibe, wobei die beiden Ringscheiben miteinander elastisch verbunden sind. Es ist vorteilhaft, wenn auch der mindestens eine Mittelstufen-Gleitkörper und der Abschlussstufen-Gleitkörper jeweils zwei beabstandete Ringscheiben umfassen.In a preferred embodiment includes the closing body a first annular disc and a second spaced from the first annular disc second Ring disc, the two annular discs elastic with each other are connected. It is advantageous if the at least one Mid-level slider and the final stage slider respectively comprise two spaced annular discs.
Um eine hohe Längenveränderlichkeit des Arms bei gleichzeitiger ausreichender Steifigkeit zu erreichen, weisen die Ringscheiben einen Abstand auf, der zwischen dem 0,025-fachen und dem 0,2-fachen einer Länge derjenigen Teleskopstange beträgt, die an dem Gleitkörper befestigt sind.Around a high length variability the arm while maintaining sufficient rigidity, The annular discs have a distance of between 0.025 times and 0.2 times a length the telescopic pole that is on the slider are attached.
Um Rucks, also Änderungen der Beschleunigung der Bewegung, während des Einsatzes des erfindungsgemäßen Längenmesssystems zu vermeiden, sind die Teleskopstangen an den jeweiligen Gleitkörpern bevorzugt spielfrei gelagert.Around Rucks, so changes the acceleration of the movement, during the use of the length measuring system according to the invention To avoid the telescopic rods are preferred to the respective sliding bodies stored free of play.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Teleskopanordnung so ausgebildet, dass sich dann, wenn sich eine Ausziehlänge zwischen dem Basiskörper und dem Abschlusskörper um einen Änderungsfaktor ändert, sich auch ein Abstand von dem Abschlusskörper zu dem Mittelstufen-Gleitkörper um den gleichen Änderungsfaktor ändert. Hierdurch kann als Reflexionsvorrichtung ein Spiegel verwendet werden, wodurch sich ein besonders einfacher Aufbau des Längenmesssystems ergibt.In a preferred embodiment the telescopic arrangement is designed so that, when a pull-out length between the base body and the closing body by a change factor changes Also, a distance from the end body to the middle stage sliding body to the same change factor changes. This can As a reflection device, a mirror can be used, whereby a particularly simple construction of the length measuring system results.
Um eine besonders hohe Steifigkeit zu erzielen, ist die Teleskopanordnung bevorzugt mehrfach, insbesondere dreifach, vierfach, fünffach oder sechsfach mechanisch überbestimmt.Around To achieve a particularly high rigidity, the telescopic arrangement preferably several times, in particular three times, four times, five times or sixfold mechanically overdetermined.
Werkzeugmaschinen weisen in aller Regel einen beispielsweise durch Kühlschmierstoffnebel, Späne oder andere Partikel verunreinigten Arbeitsraum auf. Wenn derartige Verunreinigungen in den Strahlengang des Arbeitslichtstrahls oder auf die Reflexionsvorrichtung gelangen, so kann das die Funktionstüchtigkeit des Längenmesssystems beeinträchtigen. Bevorzugt ist daher eine Umhüllung zum Abschirmen des von den Teleskopstangen, dem Basiskörper und dem Abschlusskörper umgebenden Raums vorgesehen. Eine derartige Umhüllung kann beispielsweise ein Balg sein.machine tools have a rule, for example by coolant mist, chips or other particles contaminated working space. If such impurities in the beam path of the working light beam or on the reflection device this can affect the functionality of the length measuring system affect. Therefore, an envelope is preferred for shielding from the telescopic rods, the base body and the closing body surrounding space provided. Such a wrapper may, for example, a Be bellows.
Ein besonders leichtes Längenmesssystem ergibt sich durch die Verwendung von Hohlstangen. Ein Einsatz von Rundstangen führt zu einem besonders leicht und damit kostengünstig zu fertigenden Längenmesssystem.One particularly light length measuring system results through the use of hollow bars. A use of round bars leads to a particularly easy and therefore inexpensive to manufacture length measuring system.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigtin the The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It shows
Der
Arbeitslichtstrahl
Der
Arm
Die
Grundstufen-Teleskopstangen
An
dem Mittelstufen-Gleitkörper
An
dem Abschlussstufen-Gleitkörper
Der
Abschlusskörper
Auf diese Weise sind die Grundstufen-, die Mittelstufen- und die Abschlussstufen-Teleskopstangen jeweils fliegend an der jeweils benachbarten Stufe befestigt.On in this way, the base, middle, and final stage telescopic poles are each attached flying to the respective adjacent step.
In
Aufgrund
der elastischen Durchbiegung der Grundstufen-Teleskopstangen
- 1010
- LängenmesssystemLength measuring system
- 1212
- Grundkörperbody
- 1414
- Strahlteilerbeamsplitter
- 1616
- ReferenzlichtstrahlReference light beam
- 1818
- ArbeitlichtstrahlOperating light beam
- 2020
- Lichtquellelight source
- 2222
- Detektordetector
- 2424
- Armpoor
- 2626
- EndeThe End
- 2828
- Reflexionsvorrichtungreflecting device
- 3030
- Abschlusskörperclosing component
- 32.1, 32.232.1, 32.2
- erste/zweite Ringscheibefirst second washer
- 34.1, 34.2, 34.3, 34.434.1, 34.2, 34.3, 34.4
- Grundstufen-TeleskopstangeBasic tier telescopic rod
- 3636
- Mittelstufen-GleitkörperMid-level slider
- 38.1, 38.238.1, 38.2
- erste/zweite Ringscheibefirst second washer
- 40.1, 40.2, 40.3, 40.440.1, 40.2, 40.3, 40.4
- Mittelstufen-TeleskopstangeIntermediate level telescopic rod
- 4242
- Abschlussstufen-GleitkörperFinal stage sliding
- 44.1, 44.2, 44.3, 44.444.1, 44.2, 44.3, 44.4
- Ausnehmungrecess
- 46.1, 46.2, 46.3, 46.446.1, 46.2, 46.3, 46.4
- Abschlussstufen-TeleskopstangeFinal stage telescopic rod
- 4848
- Basiskörperbase body
- 50.1, 50.250.1, 50.2
- erste/zweite Ringscheibefirst second washer
- 52.1, 52.252.1, 52.2
- erste/zweite Ringscheibefirst second washer
- 54.1, 54.2, 54.3, 54.454.1, 54.2, 54.3, 54.4
- Verbindungselementefasteners
- 5656
- Aufnahmeadmission
- 58.1, 58.2, 58.3, 58.458.1, 58.2, 58.3, 58.4
- Gelenkejoints
- 60.1, 60.2, 60.3. 60.460.1, 60.2, 60.3. 60.4
- neutrale Faserneutral fiber
- 62.1, 62.2, 62.3, 62.462.1, 62.2, 62.3, 62.4
- Verbindungspunktjunction
- ww
- Durchbiegungdeflection
- FF
- Kraftforce
Claims (24)
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ID=39777356
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |