DE102008059667A1 - Position measuring device for measuring position of movable carriage of machine with respect to machine bed, has scale carrier supported at hinge that pivots carrier around tilting axis, which runs parallel to neutral axis of rotation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier zueinander beweglicher Objekte, nämlich einer Aufnahme und eines hieran beweglich geführten verfahrbaren Objektes, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a position measuring device for determination the position of two mutually movable objects, namely a receptacle and a movable object guided movably thereon, according to the preamble of claim 1.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst einen Teilungsträger, der mindestens eine entlang einer Messrichtung verlaufende Teilungsstruktur (Messteilung) aufweist, welche zur Positionsmessung mittels einer zugeordneten Abtasteinheit abtastbar ist, sowie eine Aufnahme, an welcher der Teilungsträger gelagert ist.A such position measuring device comprises a graduation carrier, the at least one graduation structure running along a measuring direction (measuring graduation) which, for position measurement by means of an associated Scanning unit is scanned, and a recording in which the Division carrier is stored.
Der Teilungsträger ist z. B. als ein längs erstreckter Maßstab ausgebildet und kann auch zwei oder mehr Teilungsstrukturen aufweisen, die sich jeweils entlang der Messrichtung erstrecken und die quer zu jener Messrichtung voneinander beabstandet und nebeneinander angeordnet sind, beispielsweise eine Inkrementalteilung einerseits sowie eine absolut codierte Spur oder eine Referenzmarkenspur andererseits.Of the Division carrier is z. B. as a longitudinally extended Scale formed and can also have two or more partition structures have, each extending along the measuring direction and the spaced apart and juxtaposed transversely to the measuring direction are arranged, for example, an incremental graduation on the one hand as well as an absolutely coded track or a reference mark track on the other hand.
Solche
Anordnungen sind beispielsweise in dem
Wie
in
Gemäß
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf deren Unempfindlichkeit gegenüber Biegungen einer Aufnahme, an der der Teilungsträger der Positionsmesseinrichtung gelagert ist, zu verbessern.Of the Invention is based on the problem, a position measuring device of the type mentioned above with regard to their insensitivity opposite bends of a receptacle at which the graduation carrier the position measuring device is mounted to improve.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This Problem is inventively by the creation a position measuring device with the features of claim 1 solved.
Danach ist der Teilungsträger über mindestens ein Gelenk (z. B. an dem verfahrbaren Objekt) gelagert, das ein Verschwenken des Teilungsträgers bezüglich der Aufnahme um eine Kippachse zulässt, welche in einer Ebene liegt, die durch die Messrichtung und eine neutrale Drehachse der Positionsmesseinrichtung aufgespannt wird, und welche dabei parallel zur neutralen Drehachse verläuft.After that is the graduation carrier over at least one joint (For example, on the movable object) stored, the pivoting of the graduation carrier concerning the admission allows a tilting axis, which lies in a plane that through the measuring direction and a neutral axis of rotation of the position-measuring device is clamped, and which thereby parallel to the neutral axis of rotation runs.
Positionsmesseinrichtungen mit einem Teilungsträger und einer Abtasteinheit weisen einen imaginären neutralen Drehpunkt auf, um den der Teilungsträger und die Abtasteinheit gegeneinander verkippen können, ohne dass dies eine Positionsmessung beeinflusst. Genauer ist der neutrale Drehpunkt dadurch charakterisiert, dass ein infinitesimales Verkippen des Teilungsträgers bezüglich der Abtasteinheit um den neutralen Drehpunkt keinerlei Einfluss auf das Ergebnis einer Positionsmessung hat, während endliche, jedoch nach wie vor kleine Kippbewegungen einen minimalen Einfluss auf das Ergebnis einer Positionsmessung (verglichen mit einer Verkippung um andere Drehpunkte) nach sich ziehen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass bei Positionsmesseinrichtungen der hier betrachteten Art ohnehin lediglich äußerst geringe Verkippungen des gelenkig gelagerten Teilungsträgers auftreten.Position-measuring devices with a graduation carrier and a scanning unit an imaginary neutral pivot around which the graduation carrier and can tilt the scanning unit against each other, without that this influences a position measurement. More precise is the neutral one Fulcrum characterized by an infinitesimal tilting of the graduation carrier with respect to the scanning unit around the neutral fulcrum no influence on the result of a Position measurement has, while finite, but how before small tilting movements have a minimal impact on the result of a Position measurement (compared to a tilt around other pivot points) entail. In this context, it should be noted that that in position measuring devices of the type considered here anyway only extremely small tilting of the articulated stored graduation carrier occur.
Da vorliegend zudem nur solche Verkippungen eine Rolle spielen, die um eine senkrecht zur Messrichtung und parallel zur Ebene der Teilungsstrukturen liegende Achse stattfinden, sei hier eine solche Achse, die außerdem den neutralen Drehpunkt enthält, als neutrale Drehachse bezeichnet.There In this case, only such tilting play a role, the one perpendicular to the measuring direction and parallel to the plane of the graduation structures lying axis, here is such an axis, which also contains the neutral pivot, as a neutral axis of rotation designated.
Die neutrale Drehachse liegt in der Regel mittig im Abtastfeld der Abtasteinrichtung und im Abtastspalt zwischen Teilungsträger und Abtasteinheit. Gemäß der obigen Definition verläuft die neutrale Drehachse senkrecht zu der Messrichtung und spannt gemeinsam mit dieser eine Ebene auf, die hier auch als neutrale Ebene bezeichnet werden soll.The neutral axis of rotation is usually centered in the scanning field of the scanner and in the scanning gap between graduation carrier and scanning unit. According to the above definition, the neutral rotation axis is perpendicular to the measuring direction and together with this creates a plane, which should also be referred to as a neutral level.
Zur
Ermittlung des neutralen Drehpunktes bzw. der neutralen Drehachse
eines Positionsmesssystems kann wie folgt vorgegangen werden:
Zunächst
werden Teilungsträger und Abtasteinheit um einen definierten
(geringen) Betrag bezüglich eines vorgegebenen Drehpunktes
geringfügig zueinander verkippt, und zwar bevorzugt um
eine durch jenen Drehpunkt verlaufende Achse, welche für
den vorliegenden Anwendungsfall senkrecht zur Messrichtung und dabei
im Wesentlichen parallel zur Ebene der Messteilung verläuft.
Eine solche Kippbewegung des Teilungsträgers relativ zur
Abtasteinheit wird in der Regel das Ergebnis einer aktuellen Positionsmessung
beeinflussen; es sei denn, bei dem vorgegebenen Drehpunkt handelt es
sich bereits um den neutralen Drehpunkt. Im letztgenannten Fall
wären keine weiteren Schritte zur Ermittlung des neutralen Drehpunktes
erforderlich.To determine the neutral pivot point or the neutral axis of rotation of a position measuring system can proceed as follows:
First, graduation carrier and scanning unit by a defined (small) amount with respect to ei Nes predetermined pivot point slightly tilted to each other, and preferably about an axis passing through that pivot axis, which for the present application is perpendicular to the measuring direction and thereby substantially parallel to the plane of the measurement graduation. Such a tilting movement of the graduation carrier relative to the scanning unit will generally influence the result of a current position measurement; unless the given pivot point is already the neutral pivot point. In the latter case, no further steps to determine the neutral pivot point would be required.
Wird jedoch aufgrund der Kippbewegung des Maßstabes bezüglich der Abtasteinheit um den vorgegebenen Drehpunkt ein (nicht vernachlässigbarer) Einfluss auf das Ergebnis der Positionsmessung festgestellt, so wird der Teilungsträger anschließend (im verkippten Zustand) bezüglich der Abtasteinheit (insbesondere entlang der Messrichtung) verschoben, bis die Positionsmesseinrichtung wieder den vor dem Verkippen ermittelten Positionsmesswert (Ausgangswert) anzeigt.Becomes however, due to the tilting movement of the scale relative to the scanning unit about the given pivot point (not negligible) Influence on the result of the position measurement detected, so the graduation carrier is subsequently (in the tilted State) with respect to the scanning unit (in particular along the measuring direction) shifted until the position measuring device again the position measured value determined before tilting (initial value) displays.
Die vorbeschriebene Schwenkbewegung des Teilungsträgers bezüglich der Abtasteinheit um einen vorgegebenen Drehpunkt sowie die anschließende (lineare) Verschiebung des Teilungsträgers lassen sich (insbesondere für kleine Schwenkwinkel und kleine Verschiebungen) geometrisch auf eine einzige Drehung zurückführen. Der Drehpunkt der hieraus resultierenden „virtuellen Drehung” ist der gesuchte neutrale Drehpunkt, bezüglich dem der Teilungsträger und die Abtasteinheit zueinander verkippt werden können, ohne dass – jedenfalls bei sehr kleinen Kippwinkeln – die Positionsmessung beeinflusst würde.The above-described pivoting movement of the graduation carrier with respect the scanning unit about a predetermined pivot point and the subsequent (linear) shift of the graduation carrier can be (especially for small swivel angles and small displacements) geometrically attributed to a single rotation. The pivot point of the resulting "virtual rotation" is the sought neutral fulcrum, with respect to the graduation carrier and the scanning unit can be tilted towards each other, without - at least with very small tilt angles - the Position measurement would be influenced.
Die
Bestimmung und Relevanz des neutralen Drehpunktes einer Positionsmesseinrichtung
ist einem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass diesbezüglich
ergänzend beispielhaft auf die
Durch die gelenkige Lagerung des die Teilungsstruktur aufweisenden Teilungsträgers wird eine an der Aufnahme wirkende Biegekraft umgesetzt in eine Schwenkbewegung des Teilungsträgers, so dass letzterer keinen Biegekräften ausgesetzt ist und die am Teilungsträger vorgesehene Teilungsstruktur nicht beeinträchtigt wird.By the articulated mounting of the dividing structure having graduation carrier a force acting on the recording bending force is converted into a Pivoting movement of the graduation carrier, so that the latter is not exposed to bending forces and that at the graduation carrier planned division structure is not affected.
Da die Kippachse des Gelenks parallel zur neutralen Drehachse verläuft und in der neutralen Ebene liegt, wirkt sich eine Schwenkbewegung des Teilungsträgers um kleine Winkel nicht auf das Ergebnis der Positionsmessung aus.There the tilting axis of the joint runs parallel to the neutral axis of rotation and is in the neutral plane, a pivotal movement affects of the graduation carrier at small angles not on the result the position measurement.
Durch eine Ausbildung des Gelenkes dahingehend, dass dieses Translationsbewegungen des Teilungsträgers relativ zu dem verfahrbaren Objekt entlang der Messrichtung entgegenwirkt, werden Längsbewegungen des Teilungsträgers entlang der Messrichtung verhindert. Solche Längsbewegungen könnten das Messergebnis verfälschen.By an education of the joint to the effect that this translational movements of the graduation carrier relative to the movable object along counteracts the measuring direction, longitudinal movements of the graduation carrier along the measuring direction prevented. Such longitudinal movements could the measurement result distort.
Zur Bildung eines solchen Gelenks eignet sich ein Festkörpergelenk, beispielsweise eine Blattfeder, die sich vorteilhaft parallel zur der Ebene erstreckt, die durch die Messrichtung und durch die neutrale Drehachse der Positionsmesseinrichtung aufgespannt wird, oder ein Filmscharnier.to Forming such a joint is a solid-state joint, For example, a leaf spring, which advantageously parallel to the plane extends through the measuring direction and through the neutral Spindle of the position measuring device is clamped, or a Film hinge.
Aufgrund der schwenkbaren Lagerung mittels eines Gelenkes sollte für die Lagerung des Teilungsträgers mindestens ein weiteres, zusätzliches Lager, z. B. in Form eines Gelenkes oder in Form eines unterstützenden Lagers, wie beispielsweise Rollen, Luftlager oder Gleitlager, vorgesehen sein, welches insbesondere derart ausgebildet ist, dass es eine Mehrzahl Bewegungsfreiheitsgrade des Teilungsträgers zulässt, und über welches der Teilungsträger z. B. an einem gemeinsam mit dem verfahrbaren Objekt entlang der Aufnahme beweglichen Gleiter abgestützt ist. Auch ein solches zweites Lager kann als Gelenk wiederum durch eine Blattfeder realisiert werden, die jedoch in diesem Fall so anzuordnen ist, dass die Messrichtung eine Normale auf die Ebene dieser Blattfeder ist.by virtue of the pivotal mounting by means of a joint should be for the storage of the graduation carrier at least one more, additional warehouse, z. B. in the form of a joint or in Form of a supporting warehouse, such as rollers, Air bearing or plain bearing, be provided, which in particular is designed such that there are a plurality of degrees of freedom of movement of the graduation carrier, and about which of the division carrier z. B. at one together with the moveable object along the recording movable slider is supported. Even such a second camp can as Joint in turn be realized by a leaf spring, however in this case is to be arranged so that the measuring direction is a normal is on the level of this leaf spring.
Bevorzugt liegt nach der so genannten Abbé-Bedingung die Kippachse des ersten Gelenkes auch in der so genannten Arbeitsebene, in welcher der Arbeitsvorgang, wie z. B. die Bearbeitung eines Werkstückes oder das Vermessen eines Objektes, erfolgt, welcher unter Verwendung der von der Positionsmesseinrichtung erzeugten Daten gesteuert werden soll. Die Arbeitsebene und die oben definierte neutrale Ebene fallen dann zusammen.Prefers lies after the so-called Abbé condition the tilt axis of the first joint also in the so - called working plane, in which the Operation, such. B. the machining of a workpiece or measuring an object, which is done using the data generated by the position measuring device are controlled should. The working plane and the neutral plane defined above fall then together.
Ist die Positionsmesseinrichtung etwa einer Werkzeugmaschine zugeordnet, mit der eine Oberfläche eines Werkstückes bearbeitet wird, so ist die Arbeitsebene der Positionsmesseinrichtung definiert als diejenige Ebene, in der die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstückes liegt. Entsprechendes gilt, wenn mittels der Positionsmesseinrichtung ein Objekt vermessen werden soll.is the position-measuring device is associated with a machine tool, for example, edited with a surface of a workpiece is, the working level of the position measuring device is defined as the plane in which the surface to be worked of the workpiece is. The same applies if by means of the position measuring device an object is to be measured.
Durch die Anordnung des Gelenkes, über welches der Teilungsträger gelenkig gelagert ist, bzw. genauer einer hierdurch definierten Kipp- bzw. Schwenkachse in der Arbeitsebene wird vermieden, dass das Verkippen des Teilungsträgers um seine Schwenkachse zu signifikanten Messabweichungen führt.By the arrangement of the joint, over which the graduation carrier is hinged, or more precisely one defined thereby Tilting or pivoting axis in the working plane is avoided the tilting of the graduation carrier about its pivot axis leads to significant measurement errors.
Weiterhin kann das Gelenk, über welches der Teilungsträger gelenkig gelagert ist, je nach den Randbedingungen im Einzelfall, an unterschiedlichen Stellen des Teilungsträgers vorgesehen sein, insbesondere an einem Ende des Teilungsträgers oder im mittleren Bereich des Teilungsträgers – jeweils entlang der Messrichtung betrachtet.Furthermore, the joint, over which the graduation carrier is articulated, depending on the boundary conditions in the individual case, be provided at different locations of the graduation carrier, in particular at one end of the graduation carrier or in the central region of the graduation carrier - each considered along the measuring direction.
Bei Teilungsstrukturen großer Ausdehnung, welche einen entsprechend großen Teilungsträger erfordern, der aufgrund seines Gewichtes und seiner Größe (Hebelarm) bei gelenkiger Lagerung verstärkt zu Schwingungen neigt, kann eine Verteilung der Teilungsstruktur auf zwei oder mehr Teilungsträger vorgesehen sein, die entlang der Messrichtung hintereinander angeordnet sind. Um bei einer solchen Anordnung auch im Übergangsbereich zwischen den Teilungsträgern Positionsmessungen zu ermöglichen, können gegebenenfalls mehrere Abtasteinheiten zur Abtastung der Teilungsträger verwendet werden.at Partitioning structures of large extent, which a corresponding require large graduation carrier, due to its weight and its size (lever arm) at articulated bearing tends to vibration can tends a distribution of the division structure on two or more graduation carriers be provided, which are arranged one behind the other along the measuring direction are. To such an arrangement in the transition area to allow positional measurements between the graduation carriers Optionally, multiple scanning units may be used for scanning the graduation carrier can be used.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.Further Details and advantages of the invention will become apparent in the following Description of exemplary embodiments with reference to the figures become clear.
Es zeigen:It demonstrate:
In
den bereits vorstehend kurz erläuterten
Um
die Position des zweiten Objektes
Der
Teilungsträger
Bei
der am Teilungsträger
Sollte
das zweite Objekt
Für
eine Abtastung einer am Teilungsträger
Sowohl
hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen mindestens einer
Teilungsstruktur am Teilungsträger
Welche konkrete Ausführungsform einer Teilungsstruktur und welches konkrete Messprinzip zur Abtastung der Teilungsstruktur verwendet werden, ist für die nachfolgende Beschreibung des Erfindungsprinzips anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nicht von Bedeutung.Which concrete embodiment of a division structure and which concrete measuring principle used for scanning the graduation structure is for the following description of the principle of the invention on the basis of several embodiments is not important.
Wird
das zweite Objekt
Nachfolgend
wird anhand der
Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der
Weiterhin
ist das Gelenk
Dabei
ist der Teilungsträger
Im
Vergleich zu dem ersten Gelenk
Im
Ergebnis ist der Teilungsträger
Durch
die gelenkige Anordnung des Teilungsträgers
Hierbei
ist zu berücksichtigen, dass in der Praxis nur äußerst
geringe Durchbiegungen des ersten Objektes
Ergänzend
sei hinsichtlich der Anordnung und Ausbildung der beiden Gelenke
Anhand
einer Zusammenschau der
Eine
mögliche Anordnung mindestens einer Teilungsstruktur
In
Ist
die Arbeitsebene A', wie in
Sollte
der mit der mindestens einen Teilungsstruktur versehene Teilungsträger
In
den
Dabei
ist in den
In
den
In
den
Am
Schlitten
Die
Abtasteinheit
Das
jeweilige Gelenk
Der
Teilungsträger
Die
Anordnungen der
Bei
der Anordnung gemäß
Somit
ist es bei geeigneter Anordnung und Ausgestaltung des zur gelenkigen
Lagerung des Teilungsträgers
Wie
anhand der
Gemäß
Der
erste Teilungsträger
An
jenem Gleiter
Zusammenfassend
sind also bei der Anordnung der
Zusätzlich
sind die beiden Teilungsträger
Bei
einer solchen Anordnung ist dafür Sorge zu tragen, dass
der Übergangsbereich zwischen den beiden Teilungsträgern
Sofern
es nicht möglich sein sollte, im Übergangsbereich
eine Teilungsstruktur mit hinreichender Genauigkeit vorzusehen,
können den Teilungsträgern
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- - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die Elektroindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech: 1998; 3. Aufl.) [0004] - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) [0004]
- - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die Elektroindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech: 1998; 3. Aufl.) [0048] - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) [0048]
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |