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Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung zum Führen zweier relativ zueinander bewegter Teile, beispielsweise einer Maschinenachse, wie sie bei Arbeits- oder Messmaschinen verwendet wird. Dabei ist ein als Schlitten bezeichnetes verschiebbares Teil an einer Führungsschiene in einer Bewegungsrichtung linear geführt bewegbar gelagert.
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Bei solchen Führungseinrichtungen ist es wichtig, eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Bewegung des Schlittens entlang der Führungsschiene zu erreichen. Es wird daher ein erheblicher mechanischer Aufwand betrieben, um Führungsfehler bei der translatorischen Bewegung des Schlittens relativ zur Führungsschiene zu vermeiden. Führungsvorrichtungen mit einer hohen Genauigkeit sind daher aufwendig und teuer.
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DE 31 50 977 A1 schlägt zur Behebung von Führungsfehlern bei Messmaschinen beispielsweise vor, zumindest zwei zusätzliche Messeinrichtungen an dem verschiebbaren Schlitten zu befestigen, um Führungsfehler am Schlitten feststellen und das Messsignal korrigieren zu können. Auch dieser Aufwand ist groß, wenn für jeden verschiebbar geführten Schlitten an einer Maschine zwei zusätzliche Messeinrichtungen vorhanden sein müssen.
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Aus
DE 43 45 095 C1 ist eine Messmaschine mit einer Führungsvorrichtung bekannt. An den Führungsschienen können Winkelelemente mit mehreren Längenmesstastern angeordnet sein, die jeweils den Abstand zu der zugeordneten Führungsschiene bestimmen. Durch eine verteilte Anordnung der Längenmesstaster mit unterschiedlichen Orientierungen im Raum kann dadurch ein Lagefehler des Winkelelements gegenüber der Führungsschiene erkannt werden. Hierfür sind jedoch mehrere Längenmesstaster an mehreren Erfassungsstellen notwendig.
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In
DE 103 13 038 B4 ist ein Mehrkoordinatenmessgerät mit einem 3D-Tastsystem beschrieben. Ein erstes Normal erstreckt sich in der X-Y-Ebene und ein zweites Normal erstreckt sich rechtwinkelig dazu in Z-Richtung. Ein Kreuzschlitten hat einen am ersten Normal in X-Richtung bewegbaren X-Schlitten, auf dem der Y-Schlitten in Y-Richtung bewegbar angeordnet ist. Dieser Y-Schlitten trägt eine Säule mit dem zweiten Normal, an der ein weiterer Schlitten in Z-Richtung bewegbar angeordnet ist. Jedem Normal ist ein Lesekopf zugeordnet, um an jeweils einer Erfassungsstelle die Bewegung eines der beiden Schlitten entlang des zugeordneten Normals zu erfassen. Zusätzlich zu wenigstens einem Lesekopf sind dem ersten Normal drei Abstandssensoren zugeordnet, mit denen der Abstand und die Winkellage des zweiten Normals gegenüber der X-Y-Ebene des ersten Normals ermittelt wird. Die Abstandssensoren sind in den Ecken eines dreieckigen Fußes am zweiten Normal angeordnet.
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Es kann daher als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine Führungsvorrichtung mit einem einfachen Aufbau zu schaffen, die außerdem eine hohe Positioniergenauigkeit des bewegbar geführten Schlittens ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Führungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Die Führungsvorrichtung weist eine Erfassungseinrichtung auf, die dazu dient, die Position und/oder die Längsbewegung des Schlittens in der Bewegungsrichtung entlang der Führungsschiene zu erfassen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung in einem einzigen Erfassungsvorgang an einer Erfassungsstelle neben der Position und/oder Bewegung des Schlittens in der Bewegungsrichtung zusätzlich auch mindestens eine Querbewegung des Schlittens quer zur Bewegungsrichtung und/oder mindestens eine Drehbewegung des Schlittens erfasst. Die Erfassungseinrichtung ist daher dazu eingerichtet, mit einem Detektor mehrere und beispielsweise bis zu sechs Freiheitsgrade in einem einzigen Erfassungsvorgang an einer einzigen Erfassungsstelle zu erfassen, so dass gleichzeitig mit der Bestimmung der Position oder Bewegung des Schlittens in seiner Bewegungsrichtung entlang der Führungsschiene auch ein Führungsfehler durch eine Kippbewegung des Schlittens gegenüber der Führungsschiene und/oder eine Querbewegung des Schlittens relativ zur Führungsschiene erfasst und beispielsweise auch kompensiert werden kann. Hierfür ist ein einziger Detektor ausreichend. Zusätzliche Messeinrichtungen zur Erfassung der Führungsfehler können entfallen.
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Die Erfassungseinrichtung kann mehrere Detektoren aufweisen. Jeder Erfassungsstelle ist genau ein Detektor zugeordnet. Sind mehrere Detektoren vorhanden, können somit an mehreren Erfassungsstellen gleichzeitig jeweils mehrere translatorische und/oder rotatorische Freiheitsgrade zur Bestimmung der Bewegung und/oder Position des Schlittens relativ zur Führungsschiene erfasst werden.
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Mehrdimensional messende Sensoren sind an sich bekannt, beispielsweise aus dem Artikel „Nanometric resolution absolute position encoders”, P. Masa, E. Franzi, C. Urban, 13th European space mechanismus and tribology simposium, 23. bis 25. September 2009. Dort wird ein zweidimensionales flächiges Muster zur Bestimmung der Position bzw. der Bewegung verändert. Ein solcher mehrdimensional messender Sensor kann erfindungsgemäß vorteilhaft bei der Führungsvorrichtung verwendet werden.
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Zur Bewegung des Schlittens entlang der Führungsschiene kann eine Antriebsvorrichtung vorhanden sein, die beispielsweise einen elektrisch ansteuerbaren Motor aufweist.
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Vorzugsweise ist die Erfassungseinrichtung als optische Erfassungseinrichtung ausgeführt. Die Position und/oder Bewegung des Schlittens relativ zur Führungsschiene wird gleichzeitig in mehreren Freiheitsgraden durch ein optisches Verfahren berührungslos und damit auch reibungslos erfasst. Beispielsweise kann hierfür eine Mustererkennung, eine Bildverarbeitung oder ein interferometrisches Verfahren verwendet werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Erfassungseinrichtung einen Maßstab auf, der sich in Bewegungsrichtung entlang der Führungsschiene erstreckt. Der Maßstab ist gegenüber der Führungsschiene unbeweglich angeordnet und beispielsweise an der Führungsschiene befestigt. Der Maßstab weist insbesondere ein zweidimensionales flächiges Muster an einer Maßstabfläche auf, das durch ein berührungsloses und vorzugsweise optisches Verfahren von wenigstens einem Detektor der Erfassungseinrichtung an der jeweiligen Erfassungsstelle erfasst werden kann. Es ist auch möglich, dass die Erfassungseinrichtung mehrere Maßstäbe aufweist, deren Maßstabflächen in unterschiedlichen und vorzugsweise gegeneinander geneigten Ebenen angeordnet sind.
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Die Erfassungseinrichtung verfügt bei einem Ausführungsbeispiel über wenigstens einen berührungslos arbeitenden Detektor, der mit dem Schlitten bewegungsgekoppelt und bei einem Ausführungsbeispiel unbeweglich am Schlitten befestigt ist.
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Die Führungsvorrichtung kann mehrere Führungsanordnungen mit jeweils eine Führungsschiene und einem Schlitten aufweisen. Insbesondere kann die Führungsschiene der einen Führungsanordnung mit dem Schlitten der anderen Führungsanordnung bewegungsgekoppelt sein. In diesem Fall ist der Detektor der einen Führungsanordnung bevorzugt nicht unmittelbar an deren Schlitten, sondern an der mit dem Schlitten verbundenen Führungsschiene der jeweils anderen Führungsanordnung mittelbar oder unmittelbar befestigt. Dadurch kann ein geschlossener Messkreis erreicht werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Führungsvorrichtung eine Erfassungseinrichtung mit wenigstens zwei Detektoren auf. Die Detektoren können einem gemeinsamen Maßstab zugeordnet und mit Abstand zueinander angeordnet sein. Die Detektoren erfassen somit die Relativposition und/oder Relativbewegung des Schlittens gegenüber dem Maßstab und mithin gegenüber der Führungsschiene an unterschiedlichen Erfassungsstellen in jeweils mehreren Freiheitsgraden. Dadurch kann eine Redundanz und/oder eine höhere Genauigkeit erreicht werden. Beispielsweise kann durch jeweils eine an den beiden Erfassungsstellen erfasste translatorische Bewegung eine rotatorische Bewegung mit größerer Genauigkeit berechnet werden, als dies durch die Erfassung der rotatorischen Bewegung an einer Erfassungsstelle der Fall ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass translatorische Bewegungen parallel zu der Maßstabfläche mit höherer Genauigkeit erfasst werden können als rotatorische Bewegungen um eine Achse rechtwinkelig zur Maßstabfläche.
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Es ist alternativ hierzu auch möglich, zwei sich mit Abstand zueinander in Bewegungsrichtung erstreckende Maßstäbe anzuordnen. Dabei ist jedem Maßstab ein Detektor oder es sind jedem Maßstab zumindest zwei Detektoren zugeordnet. Wie erwähnt können dabei die Maßstabflächen in verschiedenen und insbesondere gegeneinander geneigten Ebenen angeordnet sein.
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Jeder Detektor erfasst somit die Position und/oder die Bewegung des Schlittens in zumindest zwei und bis zu sechs Freiheitsgraden an einer Erfassungsstelle. Sind mehrere Detektoren vorhanden, können die jeweils erfassten Freiheitsgrade übereinstimmen, so dass eine Redundanz in der Erfassung erreicht und die Genauigkeit der Positions- oder Bewegungsbestimmung des Schlittens erhöht werden kann. Dabei ist es wie beschrieben auch möglich, die Erfassung eines rotatorischen Freiheitsgrades durch die Erfassung von translatorischen Freiheitsgraden an zwei beanstandeten Erfassungsstellen zu ergänzen oder zu ersetzen, insbesondere um die Genauigkeit der Erfassung einer rotatorischen Position und/oder Bewegung zu erhöhen.
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Vorzugsweise erfasst jeder der vorhandenen Detektoren die Position und/oder die Bewegung des Schlittens zumindest in zwei translatorischen Freiheitsgraden, nämlich in Bewegungsrichtung und rechtwinklig hierzu in einer Querrichtung. Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Detektor fünf oder sechs Freiheitsgrade in einem einzigen Erfassungsvorgang an der zugeordneten Erfassungsstelle erfassen.
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Jeder Maßstab weist eine abtastbare Kodierung an einer Maßstabfläche auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können mehrere Maßstäbe vorhanden sein. Die Maßstabflächen der unterschiedlichen Maßstäbe sind dabei vorzugsweise in unterschiedlichen Ebenen angeordnet. Insbesondere sind die Ebenen, in denen die Maßstabflächen angeordnet sind, nicht parallel zueinander, sondern unter einem Winkel gegeneinander geneigt, beispielsweise rechtwinklig, zueinander ausgerichtet. Entsprechend sind die Detektoren an die Ausrichtung des jeweiligen Maßstabs angepasst, so dass sie voneinander verschiedene Erfassungsrichtungen aufweisen können. Bei dieser Anordnung lassen sich unterschiedlich große Genauigkeiten in verschiedenen Freiheitsgraden jedes Detektors ausgleichen, so dass die Erfassungseinrichtung eine verbesserte Genauigkeit in mehreren und insbesondere allen translatorischen Freiheitsgraden und in wenigstens einem rotatorischen Freiheitsgrad erreichen kann. Beispielsweise kann die Erfassung der translatorischen Freiheitsgrade bei der Bewegung des Detektors relativ zum Maßstab innerhalb der Maßstabfläche eine größere Genauigkeit aufweisen als die Erfassung der anderen Freiheitsgrade. Durch die unter einem vorzugsweise rechten Winkel angeordneten Maßstabflächen lässt sich diese hohe Genauigkeit in allen drei translatorischen und auch rotatorischen Freiheitsgraden erreichen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann jeder Detektor eine Lichtquelle und einen von der Lichtquelle angestrahlten mehrzeiligen Fotoempfänger aufweisen. Der Maßstab ist dabei im Lichtweg des Lichts von der Lichtquelle zum Fotoempfänger angeordnet. Beispielsweise können sich der Fotoempfänger und die Lichtquelle auf entgegengesetzten Seiten des Maßstabs gegenüberliegen. Es ist alternativ auch möglich, dass im Lichtweg ein Reflektor, beispielsweise ein Spiegel, vorhanden ist, der das von der Lichtquelle abgestrahlte Licht reflektiert und dadurch umlenkt. Die Lichtquelle und der Fotoempfänger können dann auf einer gemeinsamen Seite des Maßstabs angeordnet sein. Der Maßstab kann auf seiner Maßstabfläche nicht transparente und spiegelnde Flächenbereiche zu Bildung der abtastbaren Kodierung aufweisen, so dass der Reflektor vom Maßstab gebildet ist.
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Vorzugsweise ist der Maßstab als zweidimensionale Kodierplatte ausgeführt und weist für die verwendete Lichtwellenlänge transparente und nicht transparente Abschnitte auf. Anhand des vom Fotoempfänger erfassten Lichtmusters kann die Position und/oder die Bewegung des Detektors relativ zum Maßstab erfasst werden. Vorzugsweise ist zumindest einer der verwendeten Maßstäbe so angeordnet, dass sich die zweidimensionale Kodierplatte in Bewegungsrichtung erstreckt.
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Der Maßstab kann auch eine Kodierung oder eine Spur zur Absolutmessung der Position des Detektors und mithin des Schlittens relativ zur Führungsschiene aufweisen.
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Die Führungsvorrichtung kann außerdem eine Zentraleinheit aufweisen, die in Kommunikationsverbindung mit der Erfassungseinrichtung steht. Die Erfassungseinrichtung kann dabei Messsignale an die Zentraleinheit übermitteln. Die Zentraleinheit kann als separate Recheneinheit oder integriert in die Erfassungseinrichtung ausgeführt sein. In der Zentraleinheit werden anhand der Messsignale die Position und/oder die Bewegung des Schlittens relativ zur Führungsschiene ermittelt. Aus den empfangenen Messsignalen kann insbesondere auch eine Fehlerkorrektur durchgeführt werden. Dabei ist es möglich, Führungsfehler bzw. Lagerfehler des Schlittens gegenüber der Führungsschiene zu erkennen und optional zu korrigieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Führungsvorrichtung mit zwei Führungsanordnungen, die jeweils eine Führungsschiene, einen daran geführten Schlitten und eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Position bzw. Bewegung des Schlittens aufweisen,
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1a eine Detaildarstellung der Verbindung zwischen den beiden Erfassungseinrichtungen aus 1,
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2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung der ersten Führungsvorrichtung aus 1 in einer Seitenansicht,
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3 die erste Führungsvorrichtung gemäß 2 mit einem in Querrichtung gegenüber der Führungsschiene verschobenen Schlitten,
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4a bis 4c jeweils eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Erfassungseinrichtung nach 1,
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5 eine stark schematisierte Darstellung eines Lichtmusters an einem Fotoempfänger eines Detektors und
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6 eine stark schematisierte Darstellung einer als Maßstab für die Erfassungseinrichtung verwendeten zweidimensionalen Kodierplatte.
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In 1 ist eine Führungsvorrichtung 10 mit mehreren Führungsanordnungen und beispielsgemäß einer ersten Führungsanordnung 11 und einer zweiten Führungsanordnung 12 veranschaulicht.
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Die erste Führungsanordnung 11 weist einen ersten Schlitten 15 auf, der in einer Bewegungsrichtung, die der X-Richtung entspricht, translatorisch verschiebbar an einer ersten Führungsschiene 16 gelagert ist. In den anderen Freiheitsgraden, also in den translatorischen Freiheitsgraden in Y-Richtung sowie in Z-Richtung sowie in den jeweiligen rotatorischen Freiheitsgraden DX um die X-Achse, DY um die Y-Achse sowie DZ um die Z-Achse ist der erste Schlitten 15 abgesehen von notwendigen Führungs- bzw. Lagerspiel unbeweglich an der ersten Führungsschiene 16 gelagert.
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Zur Erfassung der Position bzw. der Bewegung des ersten Schlittens 15 entlang der ersten Führungsschiene 16 ist eine erste Erfassungseinrichtung 17 vorgesehen. Die erste Erfassungseinrichtung 17 arbeitet berührungslos und mithin reibungslos während der Bewegung des ersten Schlittens 15. Beim Ausführungsbeispiel arbeitet die erste Erfassungseinrichtung 17 nach einem optischen Erfassungsverfahren. Hierfür weist die erste Erfassungseinrichtung 17 wenigstens einen Detektor 18 auf. Zu jedem Detektor 18 gehört ein mehrzeiliger Fotoempfänger 19 sowie eine Lichtquelle 20. Als Fotoempfänger 19 kann beispielsweise ein CCD-Kamerachip dienen. Der Fotoempfänger 19 weist eine Vielzahl von Pixeln 21 oder Detektorelementen auf, die in Zeilen und Spalten matrixförmig angeordnet sind und eine Empfangfläche 22 bilden (5).
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Die Lichtquelle 20 strahlt Licht in Richtung der Empfangsfläche 22 des Fotoempfängers 19 ab. Das Licht kann monochromatisch oder weiß sein. Das von der Lichtquelle 20 abgestrahlte Licht ist divergent. Als Lichtquelle 20 kann beispielsweise eine Lumineszenzdiode und vorzugsweise eine Leuchtdiode verwendet werden. Auch andere Leuchtmittel können als Lichtquelle 20 dienen.
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Außerdem weist die erste Erfassungseinrichtung 17 zumindest einen ersten Maßstab 23 auf. Der erste Maßstab 23 ist im Lichtweg des Lichts von der Lichtquelle 20 zum Fotoempfänger 19 angeordnet. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel strahlt die Lichtquelle 20 ihr Licht direkt ohne Umlenkeinrichtung auf die Empfangsfläche 22 des Fotoempfängers 19 ab. Der erste Maßstab 23 ist dabei zwischen der Lichtquelle 20 und dem Fotoempfänger 19 angeordnet. Diese Anordnung ist in den 2, 3, 4a und 4c zu erkennen. Es ist aber auch möglich, eine Umlenkeinrichtung, beispielsweise einen Reflektor im Lichtweg von der Lichtquelle 20 zum Fotoempfänger 19 anzuordnen (4b).
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Der erste Maßstab 23 ist bei den Ausführungsbeispielen nach 2, 3, 4a und 4c als zweidimensionale, zumindest teilweise transparente Kodierplatte 27 ausgeführt. Die Kodierplatte 27 weist beispielsgemäß in Reihen und Spalten, vorzugsweise regelmäßig angeordnete transparente Zonen 28 auf, was in 6 lediglich stark schematisiert in einer Prinzipdarstellung veranschaulicht ist. Die transparenten Zonen 28 sind für die von der Lichtquelle 20 abgestrahlte Lichtwellenlänge durchlässig. Abgesehen von den transparenten Zonen 28 ist die Kodierplatte 27 für das Licht von der Lichtquelle 20 lichtundurchlässig. Durch das divergente Licht der Lichtquelle 20 wird ein Bereich 29 auf der Lichtquelle 20 zugeordneten Seite der Kodierplatte 27 beleuchtet. Dieser Bereich 29 ist in den beiden Dimensionen der Ebene, in der sich die Kodierplatte 27 erstreckt, kleiner als die Kodierplatte 27. Der beleuchtete Bereich 29 könnte auch als Lichtfleck bezeichnet werden. Abhängig von der Einfallsrichtung des Lichtes kann der beleuchtete Bereich 29 bzw. der Lichtfleck eine kreisrunde oder auch elliptische oder sich kegelähnlich vergrößernde Kontur aufweisen.
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Die Kodierplatte 27 bzw. der erste Maßstab 23 dienen dazu, auf der Empfangsfläche 22 des Fotoempfängers 19 ein Lichtmuster 30 zu erzeugen. Dieses Lichtmuster 30 verändert sich, wenn sich der Detektor 18 relativ zur Kodierplatte 27 bzw. dem ersten Maßstab 23 bewegt. Die Stelle, an der der Detektor 18 mit dem ersten Maßstab 23 zur Erfassung der Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens 15 zusammenwirkt und wo er beispielsgemäß einen Lichtfleck erzeugt, wird als Erfassungsstelle E bezeichnet.
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Wie in 1 veranschaulicht, ist der Detektor 18 und der Fotoempfänger 19 der ersten Erfassungseinrichtung 17 mit dem ersten Schlitten 15 bewegungsgekoppelt. Beispielsgemäß sind der Fotoempfänger 19 und der Detektor 18 der ersten Erfassungseinrichtung 17 unbeweglich über ein Halteteil 31 mit dem ersten Schlitten 15 verbunden. Das Halteteil 31 ist in 1 lediglich stark schematisiert veranschaulicht. Es kann beispielsweise die in den 2, 3, 4a, 4b, 4c dargestellten Formen aufweisen.
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Der erste Maßstab 23 ist unbeweglich, mittelbar oder unmittelbar an der ersten Führungsschiene 16 befestigt. Er erstreckt sich parallel zur ersten Führungsschiene 16 in X-Richtung. Der erste Maßstab 23 weist eine Maßstabfläche 32 auf, in der sich die abtastbare Kodierung und beispielsgemäß das durch die transparenten Zonen 28 gebildete Muster erstreckt. Die Maßstabfläche 28 erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel in einer Ebene, die durch die Bewegungsrichtung des ersten Schlittens 15, also der X-Richtung und rechtwinklig hierzu, beispielsgemäß durch die Z-Richtung aufgespannt ist.
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Bei einer Relativbewegung des ersten Schlittens 15 relativ zur ersten Führungsschiene 16 verändert sich das vom Fotoempfänger 19 empfangene Lichtmuster 30 aufgrund der Relativbewegung des ersten Maßstabs 23 bzw. der Kodierplatte 27 gegenüber dem Detektor 18 der ersten Erfassungseinrichtung. Das Lichtmuster bzw. dessen Veränderung wird durch den Detektor 18 in ein Messsignal M umgewandelt, das die absolute Position und/oder die Bewegung des ersten Schlittens 15 gegenüber der ersten Führungsschiene 16 angibt. Das Messsignal M wird einer Zentraleinheit 35 übermittelt.
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Der wenigstens eine Detektor 18 der ersten Erfassungseinrichtung 17 erfasst in einem Erfassungsvorgang gleichzeitig zumindest mehrere translatorische und/oder rotatorische Freiheitsgrade an einer Erfassungsstelle E am ersten Maßstab 23. Beispielsgemäß erfasst er zumindest den translatorischen Freiheitsgrad in Bewegungsrichtung des ersten Schlittens 15, also in X-Richtung und in einer Querrichtung quer zur Bewegungsrichtung, beispielsgemäß in Z-Richtung. Vorzugsweise kann der Detektor 18 bis zu fünf oder sechs Freiheitsgrade X, Y, Z, DX, DY, DZ an der Erfassungsstelle E gleichzeitig erfassen. Damit wird nicht nur die Bewegung oder die Position des ersten Schlittens 15 in X-Richtung entlang der ersten Führungsschiene 16 bestimmt, sondern es lassen sich gleichzeitig in einem Erfassungsvorgang auch Führungs- oder Lagerfehler erfassen und durch das Messsignal M an die Zentraleinheit 35 übermitteln. Beispielsweise kann eine Verschiebung des ersten Schlittens 15 in Querrichtung Z durch eine entsprechende Veränderung des Lichtmusters 30 erfassen, wie dies schematisch in 3 durch den Pfeil P veranschaulicht ist. Dort ist zu erkennen, dass der erste Schlitten 15 aufgrund eines Lager- bzw. Führungsfehlers gegenüber der ersten Führungsschiene 16 in Z-Richtung verschoben ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3 weist die erste Erfassungseinrichtung 17 ein Halteteil 31 auf, das in etwa U-förmig ausgeführt ist. Es weist zwei mit Abstand zueinander parallel verlaufende Halteschenkel 31a, 31b auf, die über einen Verbindungssteg 31c miteinander verbunden sind. An dem einen Halteschenkel 31a ist der Fotoempfänger 19 angeordnet, während auf der gegenüber liegenden Seite am jeweils anderen Halteschenkel 31b die Lichtquelle 20 angeordnet ist. Dazwischen greift der Maßstab 23 bzw. die Kodierplatte 27 zwischen die beiden Halteschenkel 31a und 31b ein. Die beiden Halteschenkel 31, 31b erstrecken sich jeweils in einer Ebene, die parallel zur Ebene ausgerichtet sind, in der sich die Maßstabfläche 32 befindet. Die Kodierplatte 27 bzw. der erste Maßstab 23 kann eine Markierung, eine Kodierung in Form einer Spur oder innerhalb der transparenten Zonen 28 aufweisen, die eine eindeutige Erfassung der absoluten Position des ersten Schlittens 15 relativ zur ersten Führungsschiene 16 ermöglicht. Dadurch sind nicht nur relative Positionsänderungen, sondern auch die absolute Position in einem einzigen Erfassungsvorgang ohne vorherige Initialisierung eindeutig erfassbar.
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In Abwandlung zum Ausführungsbeispiel nach 1 kann die erste Erfassungseinrichtung 17 auch zwei oder mehr Detektoren 18 aufweisen. Alle Detektoren 18 sind identisch aufgebaut und jeweils einer separaten Erfassungsstelle E zugeordnet. Die beispielsgemäß zwei Detektoren 18 sind entweder einem gemeinsamen oder – wie in den 4a, 4b und 4c veranschaulicht – unterschiedlichen Maßstäben 23, 41 zugeordnet. In diesem Fall ist ein zweiter Maßstab 41 vorhanden, der wie der erste Maßstab 23 durch eine Kodierplatte 27 (6) gebildet ist.
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Bei den in 4a, 4b, 4c dargestellten Ausführungsbeispielen erstreckt sich die Maßstabfläche 32 des zweiten Maßstabs 41 in einer Ebene, die um einen Winkel geneigt ist gegenüber der Ebene, in der sich die Maßstabfläche 32 des ersten Maßstabs 23 befindet. Beispielsgemäß sind die beiden Maßstabflächen 32 rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Die Maßstabfläche 32 des zweiten Maßstabs 41 ist in einer Ebene angeordnet, die durch die X-Richtung sowie die Y-Richtung aufgespannt ist. Die Detektoren 18 arbeiten bei einer Relativbewegung gegenüber der jeweiligen Kodierplatte 27 in der Maßstabebene 32 genauer als bei anderen Relativbewegungen. Durch die unterschiedliche Ausrichtung der beiden Maßstäbe 23, 41 kann diese erhöhte Genauigkeit somit für translatorische Bewegungen des ersten Schlittens 15 gegenüber der ersten Führungsschiene 16 in allen drei translatorischen Freiheitsgraden X, Y, Z und in einem oder mehreren rotatorischen Freiheitsgraden DX, DY, DZ erreicht werden. Die Genauigkeit kann weiter erhöht werden, wenn einem oder beiden Maßstäben 23, 41 jewiels zwei Detektoren mit beabstandeten Erfassungsstellen E zugeordnet werden. Außerdem wird für die Position und/oder Bewegung des ersten Schlittens 15 in seiner Bewegungsrichtung (X-Richtung) eine Redundanz erreicht. In der Zentraleinheit 35 kann aus diesen redundanten Informationen eine weiter verbesserte Genauigkeit rechnerisch erreicht werden.
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Das Halteteil 31 ist bei der in 4a veranschaulichten Ausführungsform abgewandelt und kann beispielsweise zwei aneinander befestigte im Querschnitt U-förmige Abschnitte, die jeweils zwei zu der zugeordneten Maßstabfläche 32 parallel ausgerichtete Schenkel aufweisen.
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Für die Anordnung der beiden Maßstäbe 23, 41 gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei in den 4a, 4b und 4c lediglich drei Varianten beispielhaft dargestellt sind.
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Bei den Ausführungsformen gemäß der 4a und 4c sind die Maßstäbe 23, 41 zumindest in den transparenten Zonen 28 lichtdurchlässig. Alternativ hierzu ist es auch möglich, anstelle der transparenten Zonen 28, verspiegelte Zonen vorzusehen, so dass die Maßstäbe 23, 41 das Licht reflektieren. Die Lichtquelle 20 und der Fotoempfänger 19 eines Detektors 18 können dann auf derselben Seite relativ zum Maßstab 23 bzw. 41 angeordnet werden (4b). Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform könnte in den Lichtweg auch ein separater Reflektor, beispielsweise ein Spiegel eingebracht werden, um das Licht umzulenken.
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Auch Kombinationen der beschriebenen Ausführungsformen sind möglich. Bei den gezeigten bevorzugten Ausführungsformen sind die Detektoren 18 jeweils mit einem zugeordneten Schlitten 15, 42 bewegungsgekoppelt. Prinzipiell wäre es auch möglich, die Maßstäbe oder nur die Lichtquellen oder nur die Fotoempfänger mit den Schlitten zu koppeln. Entscheidend für die Erfassung der Position und/oder Bewegung des Schlittens ist die Änderung des Lichtmusters durch eine Relativbewegung der Kodierplatte gegenüber der Lichtquelle und/oder dem Fotoempfänger eines Detektors. Daraus ergeben sich verschiedene weitere, nicht veranschaulichte Anordnungsmöglichkeiten.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, weist die Führungsvorrichtung 10 neben der ersten Führungsanordnung 11 auch eine zweite Führungsanordnung 12 auf. Dabei ist die erste Führungsschiene 16 der ersten Führungsanordnung 11 mit einem zweiten Schlitten 42 der zweiten Führungsanordnung 12 verbunden. Eine Säule 43, die sich beim Ausführungsbeispiel in Z-Richtung erstreckt, stellt eine zweite Führungsschiene 44 der zweiten Führungsanordnung 12 dar. Abhängig von der Dimensionierung der Führungsvorrichtung 10 und insbesondere der Länge der ersten Führungsschiene 16, können auch mehrere Säulen 43 und mithin mehrere zweite Führungsschienen 44 mit jeweils einem zweiten Schlitten 42 vorhanden sein, die sich parallel zueinander erstrecken. Die erste Führungsschiene 16 kann dadurch in Z-Richtung verschiebbar an beiden Enden gelagert werden.
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Zur Bestimmung der Position und/oder Relativbewegung des zweiten Schlittens 42 relativ zu den zweiten Führungsschienen 44 ist eine zweite Erfassungseinrichtung 45 mit einem oder mehreren Detektoren 18 vorhanden. Die zweite Erfassungseinrichtung 45 weist einen dritten Maßstab 47 auf. Wie der erste Maßstab 23 oder der zweite Maßstab 41, ist auch der dritte Maßstab 47 als Kodierplatte 27 ausgebildet. Auch die zweite Erfassungseinrichtung 45 kann analog zu den oben beschriebenen Varianten der ersten Erfassungseinrichtung 17 ausgebildet sein und beispielsweise einen oder mehrere Maßstäbe aufweisen. Insoweit wird auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen.
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Die Maßstabfläche 32 des dritten Maßstabs 47 erstreckt sich in der Bewegungsrichtung des zweiten Schlittens 42, beispielsgemäß in Z-Richtung, sowie rechtwinklig dazu in X-Richtung. Die Detektoren 18 der dritten Erfassungseinrichtung 45 sind beispielsgemäß mit Abstand zueinander in der Bewegungsrichtung des zweiten Schlittens 42 (Z-Richtung) angeordnet.
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Bei der hier dargestellten gestapelten Anordnung der beiden Führungsanordnungen 11, 12 ist der wenigstens eine Detektor 18 der zweiten Erfassungseinrichtung 45 mit dem zweiten Schlitten 42 bewegungsgekoppelt. Der wenigstens eine Detektor 18 der zweiten Erfassungseinrichtung 45 ist dafür mit einen Maßstabträger 46 verbunden, der unbeweglich an der ersten Führungsschiene 16 angeordnet ist. An dem Maßstabträger ist der wenigstens eine Maßstab der ersten Erfassungseinrichtung 17 befestigt. Auf diese Weise werden Ausrichtfehler der ersten Führungsschiene 16 gegenüber dem zweiten Schlitten 42 und der zweiten Führungsschiene 44 durch die Messsignale M der Detektoren 18 der zweiten Erfassungseinrichtung 45 erfasst und können berücksichtigt werden. Es wird ein geschlossener Messkreis erreicht. Die Verbindung zwischen dem Maßstabträger 46 für den oder die Maßstäbe der ersten Erfassungseinrichtung 17 und den Detektoren 18 der zweiten Erfassungseinrichtung 45 ist in 1a separat schematisch dargestellt. Die zweite Erfassungseinrichtung 45 arbeitet entsprechend der ersten Erfassungseinrichtung 17, so dass auf die vorstehenden Erläuterungen verwiesen wird.
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Die Zentraleinheit 35 kann aus den Messsignalen M der Erfassungseinrichtungen 17 45 die Position des ersten Schlittens 15 bzw. des zweiten Schlittens 42 entlang der jeweiligen Führungsschiene 16 bzw. 44 sowie die Führungsfehler ermitteln. Die Zentraleinheit 35 kann außerdem auf Basis der Führungsfehler ein Korrektursignal S zur Ansteuerung einer Antriebsvorrichtung 50 erzeugen. Die Antriebsvorrichtung 50 weist einen oder mehrere Motoren auf, mit denen ein jeweiliger Schlitten 15, 42 relativ zu der betreffenden Führungsschiene 16 bzw. 44 translatorisch bewegt wird. Bei Erkennung eines translatorischen Führungsfehlers kann durch entsprechende Ansteuerung der Antriebseinrichtung 50 die Position des ersten Schlittens 15 und/oder des zweiten Schlittens 42 verändert werden, um den erkannten Führungsfehler auszugleichen. Dabei kann der translatorische Führungsfehler der einen Führungsanordnung 11, 12 durch Ansteuerung der Antriebseinrichtung 50 und Veränderung der Position des Schlittens 42 bzw. 15 der jeweils anderen Führungsanordnung 12 bzw. 11 korrigiert werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Querverschiebung des zweiten Schlittens 42 in X-Richtung quer zu seiner eigentlichen Bewegungsrichtung Z durch eine Bewegung des ersten Schlittens 15 in X-Richtung entlang der ersten Führungsschiene 16 auszugleichen. Ein rotatorischer Fehler kann erkannt und bei der Bestimmung der Position eines Schlittens 15, 42 in der Zentraleinheit 35 berücksichtigt werden.
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Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung 10 mit wenigstens einer Führungsanordnung 11, 12 mit einem entlang einer Führungsschiene 16, 44 in einer Bewegungsrichtung X bzw. Z bewegbar geführten Schlitten 15 bzw. 42. Die Führungsanordnung 11, 12 weist eine Erfassungseinrichtung 17 bzw. 45 auf, um die Position und/oder die Bewegung des Schlittens 15 bzw. 42 relativ zur Führungsschiene 16 bzw. 44 an einer Erfassungsstelle E eines Maßstabs 23, 41, 47 zu bestimmen. Die Erfassungseinrichtung 17 bzw. 45 erfasst außerdem in einem einzigen Erfassungsvorgang an dieser Erfassungsstelle E auch einen Lager- oder Führungsfehler des Schlittens 15, 42 gegenüber der Führungsschiene 16, 44.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Führungsvorrichtung
- 11
- erste Führungsanordnung
- 12
- zweite Führungsanordnung
- 15
- erster Schlitten
- 16
- erste Führungsschiene
- 17
- erste Erfassungseinrichtung
- 18
- Detektor
- 19
- Fotoempfänger
- 20
- Lichtquelle
- 21
- Pixel
- 22
- Empfangsfläche
- 23
- erster Maßstab
- 27
- Kodierplatte
- 28
- transparente Zone
- 29
- Bereich
- 30
- Lichtmuster
- 31
- Halteteil
- 31a
- Halteschenkel
- 31b
- Halteschenkel
- 31c
- Verbindungssteg
- 32
- Maßstabfläche
- 35
- Zentraleinheit
- 41
- zweiter Maßstab
- 42
- zweiter Schlitten
- 43
- Säule
- 44
- zweite Führungsschiene
- 45
- zweite Erfassungseinrichtung
- 46
- Maßstabträger
- 47
- dritter Maßstab
- 50
- Antriebseinrichtung
- DX
- rotatorischer Freiheitsgrad um die X-Achse
- DY
- rotatorischer Freiheitsgrad um die Y-Achse
- DZ
- rotatorischer Freiheitsgrad um die Z-Achse
- E
- Erfassungsstelle
- M
- Messsignal
- P
- Pfeil
- S
- Korrektursignal
- X
- Raumrichtung
- Y
- Raumrichtung
- Z
- Raumrichtung
