DE102018105922B4 - Arrangement for detecting the relative position of a measuring head - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (01) zur Erfassung der Relativlage eines Messkopfes (02) bezüglich einer Messrasterplatte (03), welche einen rechteckförmigen Rasterstrukturbereich (04) aufweist. Die Anordnung (01) umfasst mindestens zwei außerhalb des Rasterstrukturbereichs (04) angeordnete und voneinander beabstandete Referenzmarkenanordnungen (13), wobei jede Referenzmarkenanordnung (13) jeweils zwei voneinander beabstandeten Referenzmarken (14) aufweist, die sich senkrecht von einer ersten Kante (08) des Rasterstrukturbereichs (04) erstrecken, wobei die Referenzmarken (14) von aufeinanderfolgenden Referenzmarkenanordnungen (13) einen unterschiedlichen Abstand (Ra) zueinander aufweisen. An dem Messkopf (02) sind drei Positionsabtastelemente (15a, 15b, 15c) mit jeweils einem Referenzmarkensensor (17) und einem Rasterabtastfeld (18)angeordnet. An einer zweiten und einer dritten Kante (09, 10) des Rasterstrukturbereichs (04) sind mehrere voneinander beabstandete Referenzmarken (14) außerhalb des Rasterstrukturbereichs (04) angeordnet. Die Rasterabtastfelder (18) der Positionsabtastelemente (15a, 15b, 15c) sind derart an dem Messkopf (02) angeordnet sind, dass sie bei einer beliebigen Positionierung des Messkopfes (02) innerhalb des Rasterstrukturbereichs (04) angeordnet sind.The present invention relates to an arrangement (01) for detecting the relative position of a measuring head (02) with respect to a measuring grid plate (03), which has a rectangular grid structure area (04). The arrangement (01) comprises at least two reference mark arrangements (13) arranged outside the grid structure area (04), each reference mark arrangement (13) each having two spaced-apart reference marks (14) extending perpendicularly from a first edge (08) of the Rasterstructure area (04) extend, wherein the reference marks (14) of successive reference mark arrangements (13) have a different distance (Ra) to each other. On the measuring head (02) three position sensing elements (15a, 15b, 15c) each having a reference mark sensor (17) and a Rasterabtastfeld (18) are arranged. At a second and a third edge (09, 10) of the raster structure region (04), a plurality of spaced-apart reference marks (14) are arranged outside the raster structure region (04). The Rasterabtastfelder (18) of the position sensing elements (15a, 15b, 15c) are arranged on the measuring head (02), that they are arranged in any positioning of the measuring head (02) within the grid structure region (04).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Relativlage eines optoelektronisch arbeitenden Messkopfes bezüglich einer Messrasterplatte, welche einen rechteckförmigen Rasterstrukturbereich aufweist. Die Anordnung umfasst Referenzmarkenanordnungen auf Messrasterplatten sowie Referenzmarkensensoren auf dem Messkopf.The present invention relates to an arrangement for detecting the relative position of an optoelectronically operating measuring head with respect to a measuring grid plate, which has a rectangular grid structure area. The arrangement comprises reference mark arrangements on measuring grid plates and reference mark sensors on the measuring head.
Referenzmarkenanordnungen und Messköpfe sind wesentliche Bestandteile von Mess- und Bearbeitungsmaschinen. Beim Programmstart einer Messmaschine dienen Referenzmarken zum Nullen des Systems, d. h. der abtastende Messkopf wird bezüglich eines definierten Messrasters auf einem Nullpunkt bzw. Startpunkt platziert. Die Art der Ausbildung der Referenzmarkenstrukturen ist entscheidend hinsichtlich der Zeit, die das Steuerungssystem zum Nullen benötigt. Selbst die Einsparung von einigen Sekunden erbringt bei hochkomplexen, teuren Anlagen beträchtliche Kosteneinsparungen.Reference mark arrangements and measuring heads are essential components of measuring and processing machines. When a measuring machine is started, reference marks are used to zero the system, i. H. The scanning probe is placed at a zero point or starting point with respect to a defined measuring grid. The manner of forming the reference mark structures is critical in terms of the time it takes for the control system to zero. Even the savings of a few seconds result in considerable cost savings for highly complex, expensive systems.
Aus der
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Die
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Anordnung zur Erfassung der Relativlage eines Messkopfes in Bezug zu einer Messrasterplatte zur Verfügung zu stellen, welche eine schnelle und eindeutige Zuordnung des Messkopfes zu Referenzmarken herstellt.The object of the present invention is to provide an improved arrangement for detecting the relative position of a measuring head in relation to a measuring grid plate, which produces a quick and unambiguous assignment of the measuring head to reference marks.
Zur Lösung der Aufgabe dient eine Anordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.To solve the problem, an arrangement according to the appended claim 1 is used.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst zunächst mindestens zwei außerhalb eines Rasterstrukturbereichs der Messrasterplatte angeordnete und voneinander beabstandete Referenzmarkenanordnungen. Jede Referenzmarkenanordnung weist jeweils mindestens zwei voneinander beabstandete Referenzmarken auf, die sich bevorzugt senkrecht von einer ersten Kante des Rasterstrukturbereichs erstrecken. Die Referenzmarken von aufeinanderfolgenden Referenzmarkenanordnungen besitzen einen unterschiedlichen Abstand zueinander.The arrangement according to the invention initially comprises at least two reference mark arrangements arranged outside a grid structure area of the measuring grid plate and spaced from each other. Each reference mark arrangement has in each case at least two reference marks spaced apart from one another, which preferably extend perpendicularly from a first edge of the raster structure region. The reference marks of successive reference mark arrangements have a different distance from each other.
Die Anordnung beinhaltet weiterhin mindestens drei an dem Messkopf angeordnete Positionsabtastelemente mit jeweils einem Referenzmarkensensor und einem Rasterabtastfeld. Ein erstes und ein zweites Positionsabtastelement sind parallel zueinander angeordnet. Ein drittes Positionsabtastelement ist um 90° gedreht zu dem ersten und dem zweiten Positionsabtastelement angeordnet. Es befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Positionsabtastelement und weist vorzugsweise einen gleichen Abstand zu dem ersten und dem zweiten Positionsabtastelement auf.The arrangement further comprises at least three position sensing elements arranged on the measuring head, each having a reference mark sensor and a raster scanning field. First and second position sensing elements are arranged parallel to each other. A third Positionsabtastelement is arranged rotated by 90 ° to the first and the second position sensing element. It is located between the first and second position sensing elements and preferably equidistant from the first and second position sensing elements.
Die Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass an einer zweiten und einer dritten Kante des Rasterstrukturbereichs mehrere voneinander beabstandete Referenzmarken außerhalb des Rasterstrukturbereichs angeordnet sind. Die Referenzmarken erstrecken sich vorzugsweise senkrecht von der jeweiligen Kante. Das erste und das zweite Positionsabtastelement sind für das Abtasten einander gegenüberliegender Referenzmarken ausgebildet.The arrangement is characterized in particular in that at a second and a third edge of the raster structure region a plurality of spaced-apart reference marks are arranged outside the raster structure region. The reference marks preferably extend perpendicularly from the respective edge. The first and second position sensing elements are configured to scan opposing reference marks.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass diese eine schnelle und zuverlässige Ermittlung der Relativlage des Messkopfes ermöglicht. Bei Initialisierung des Messkopfes erfolgt vorzugweise eine Bewegung hin zu der ersten Kante des Rasterstrukturbereichs, an welcher die Referenzmarkenanordnungen angeordnet sind. Dadurch, dass die Referenzmarken aufeinanderfolgender Referenzmarkenanordnungen einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen, kann bei Abtastung der Referenzmarken einer Referenzmarkenanordnung durch den zugehörigen Referenzmarkensensor aus der Detektion des spezifischen Abstandes zwischen den Referenzmarken die Relativlage des Messkopfes zur Messrasterplatte für die der ersten Kante zugehörige Koordinatenrichtung eindeutig bestimmt werden. Anschließend können einzeln angeordnete Referenzmarken an der zweiten und der dritten Kante des Rasterstrukturbereichs gezielt angefahren und abgetastet werden. Die Anordnung der Referenzmarkenanordnungen und Referenzmarken erfolgt vorzugsweise so, dass minimale Verfahrwege für das Antriebssystem des Messkopfes entstehen.A significant advantage of the arrangement according to the invention is that it allows a fast and reliable determination of the relative position of the measuring head. Upon initialization of the measuring head, a movement preferably takes place toward the first edge of the raster structure area on which the reference mark arrangements are arranged. Characterized in that the reference marks of successive reference mark arrangements have a different distance from one another, when scanning the reference marks of a reference mark arrangement by the associated reference mark sensor from the detection of the specific distance between the reference marks, the relative position of the measuring head to the measuring grid plate for the first edge associated coordinate direction can be clearly determined. Subsequently, individually arranged reference marks can be selectively approached and scanned at the second and the third edge of the grid structure area. The arrangement of the reference mark arrangements and reference marks is preferably carried out so that minimal travel paths for the drive system of the measuring head arise.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Referenzmarken an der zweiten und der dritten Kante des Rasterstrukturbereichs jeweils in mindestens zwei voneinander beabstandeten Referenzmarkenanordnungen angeordnet. Jede Referenzmarkenanordnung weist jeweils zwei voneinander beabstandete Referenzmarken auf. Die Referenzmarken von aufeinanderfolgenden Referenzmarkenanordnungen weisen einen unterschiedlichen Abstand zueinander auf. Somit sind alle drei Kanten des Rasterstrukturbereichs mit Referenzmarkenanordnungen ausgestattet. Bei Abtastung der Referenzmarken einer Referenzmarkenanordnung durch den zugehörigen Referenzmarkensensor kann aus der Detektion des spezifischen Abstandes zwischen den Referenzmarken die Relativlage des Messkopfes zur Messrasterplatte für die der jeweiligen Kante, an der die Referenzmarkenanordnung angeordnet ist, zugehörige Koordinatenrichtung eindeutig bestimmt werden. Bei schrittweiser Abtastung der Referenzmarkenanordnungen an den drei Kanten des Rasterstrukturbereichs kann die Relativlage des Messkopfes zur Messrasterplatte für die X- und Y-Position sowie zusätzlich die Verdrehung des Messkopfes in der X-Y-Ebene bestimmt werden.According to a particularly preferred embodiment, the reference marks on the second and the third edge of the raster structure region are each arranged in at least two spaced-apart reference mark arrangements. Each reference mark arrangement has two reference marks spaced apart from each other. The reference marks of successive reference mark arrangements have a different distance from each other. Thus, all three edges of the raster structure area are equipped with reference mark arrangements. When the reference marks of a reference mark arrangement are scanned by the associated reference mark sensor, the relative position of the measuring head to the measuring grid plate can be determined unambiguously from the detection of the specific distance between the reference marks for the coordinate direction associated with the respective edge on which the reference mark arrangement is arranged. With stepwise scanning of the reference mark arrangements at the three edges of the grid structure area, the relative position of the measuring head to the grid plate for the X and Y position and additionally the rotation of the measuring head in the X-Y plane can be determined.
Bei alternativen Ausführungsformen können auch alle vier Kanten des Rasterstrukturbereichs mit Referenzmarken bzw. Referenzmarkenanordnungen ausgestattet sein.In alternative embodiments, all four edges of the raster structure region may also be provided with reference marks or reference mark arrangements.
Die Rasterabtastfelder der Positionsabtastelemente sind vorzugsweise derart an dem Messkopf angeordnet, dass sie bei jeder Positionierung des Messkopfes zur Erfassung der Referenzmarken innerhalb des Rasterstrukturbereichs angeordnet sind. Die Rasterabtastfelder bleiben also auch während der Erfassung der Referenzmarken im Erfassungsgebiet des Rasterstrukturbereichs.The Rasterabtastfelder the position sensing elements are preferably arranged on the measuring head, that they are arranged at each positioning of the measuring head for detecting the reference marks within the grid structure region. The Rasterabtastfelder thus remain during the detection of the reference marks in the detection area of the grid structure area.
Die Referenzmarkenanordnungen weisen vorteilhafterweise einen definierten Abstand von einer nächstliegenden Ecke des Rasterstrukturbereichs auf.The reference mark arrangements advantageously have a defined distance from a nearest corner of the raster structure area.
Der Abstand zwischen den Referenzmarken aufeinanderfolgender Referenzmarkenanordnungen nimmt vorzugsweise jeweils um einen Betrag d>0 zu. Der Abstand a der Referenzmarken kann vorzugsweise als arithmetische konstant wachsende Folge
- a1, a1+d, a1+2d, ... a1+ (n-1) d
- mit a1=1; d>0; n=ganze Zahl
- gewählt werden.
- a 1 , a 1 + d, a 1 + 2d, ... a 1 + (n-1) d
- with a 1 = 1; d>0; n = integer
- to get voted.
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Referenzmarkenanordnungen ist vorzugsweise jeweils gleich. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Referenzmarkenanordnungen so gewählt, dass er der Polperiode eines zum Antrieb des Messkopfes verwendeten Linearmotors oder Planarmotors für eine Bewegung des Messkopfes in Richtung der den Referenzmarkenanordnungen zugeordneten Kante entspricht. Durch geeignete Bestromung, zum Beispiel von zwei Phasen des Linearmotors oder Planarmotors kann bei unbekannter Anfangslage des Messkopfes eine Zentrierung an einer definierten Position innerhalb der Polperiode für die der Kante zugehörige Koordinatenrichtung erfolgen. Die Referenzmarkenanordnungen werden so auf der Messrasterplatte platziert, dass bereits nach kurzer Fahrt in eine definierte Richtung eine Referenzmarkenanordnung abgetastet werden kann. Gleiches gilt für die anderen Koordinatenrichtungen. An Hand dieses Positionsfangregimes kann der Messkopf im Startmodus oder im Crashfall mit kürzesten Verfahrwegen und damit in kürzester Zeit die Systemnullposition ermitteln, da lediglich die nächstliegende Referenzmarkenanordnung angefahren werden muss.The distance between two adjacent reference mark arrangements is preferably the same in each case. According to an advantageous embodiment, the distance between two adjacent reference mark arrangements is selected such that it corresponds to the pole period of a linear motor or planar motor used for driving the measuring head for a movement of the measuring head in the direction of the edge assigned to the reference mark arrangements. By appropriate energization, for example, of two phases of the linear motor or planar motor can be done at an unknown position of the sensor head centering at a defined position within the Polperiode for the edge associated coordinate direction. The reference mark arrangements are placed on the measuring grid plate in such a way that a reference mark arrangement can already be scanned in a defined direction after a short journey. The same applies to the other coordinate directions. On the hand of this In the start mode or in the event of a crash, the measuring head can determine the position-catching regime with the shortest travel paths and thus the system zero position in the shortest possible time since only the closest reference-mark arrangement has to be approached.
Die Referenzmarken sind bevorzugt strichförmig ausgebildet und weisen vorzugsweise die gleiche Strichlänge auf. Andere geeignete Referenzmarkenformen sind möglich.The reference marks are preferably formed like a line and preferably have the same stroke length. Other suitable reference mark shapes are possible.
An den Kanten bzw. der Kante des Rasterstrukturbereichs sind vorzugsweise jeweils so viele Referenzmarkenanordnungen angeordnet, wie der zur Koordinatenrichtung zugehörige Linearmotor oder Planarmotor bei geeigneter Motorphasenbestromung stabile Zentrierpositionen aufweist. Ausführungen mit lediglich einer, zwei oder mehr als zwei Referenzmarkenanordnungen sind möglich. Es sind ebenso Ausführungen möglich, welche Referenzmarken bzw. Referenzmarkenanordnungen an allen vier Kanten des Rasterstrukturbereichs aufweisen.At the edges or the edge of the raster structure area, preferably, as many reference mark arrangements are arranged as the linear motor or planar motor associated with the coordinate direction has stable centering positions with suitable motor-phase energization. Designs with only one, two or more than two reference mark arrangements are possible. Embodiments are likewise possible which have reference marks or reference mark arrangements on all four edges of the raster structure region.
Die Rasterabtastfelder der Positionsabtastelemente besitzen vorzugsweise jeweils ein Raster aus parallel verlaufenden, voneinander beabstandeten Strichen, welche parallel zu den mit dem jeweiligen Rasterabtastfeld abzutastenden Referenzmarken verlaufen.The Rasterabtastfelder the position sensing elements preferably each have a grid of parallel, spaced-apart lines, which run parallel to the scanned with the respective Rasterabtastfeld reference marks.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung wird nachfolgend anhand der beigefügten einzigen Figur näher erläutert, welche eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.A preferred embodiment of the arrangement according to the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying single figure, which shows a schematic representation of the arrangement according to the invention.
Die erfindungsgemäße Anordnung
Die Anordnung
Die Anordnung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 01 -01 -
- Anordnungarrangement
- 02 -02 -
- Messkopfprobe
- 03 -03 -
- MessrasterplatteMeasuring grid plate
- 04 -04 -
- RasterstrukturbereichGrid structure area
- 05 -05 -
- Rasterstrukturgrid structure
- 06 -06 -
- --
- 07 -07 -
- --
- 08 -08 -
- erste Kantefirst edge
- 09 -09 -
- zweite Kantesecond edge
- 10 -10 -
- dritte Kantethird edge
- 11 -11 -
- --
- 12 -12 -
- vierte Kantefourth edge
- 13 -13 -
- ReferenzmarkenanordnungenReference marker arrangements
- 14 -14 -
- Referenzmarkenreference marks
- 15 -15 -
- Positionsabtastelementposition sensing member
- 16 -16 -
- --
- 17 -17 -
- ReferenzmarkensensorReference mark sensor
- 18 -18 -
- Rasterabtastfeld Rasterabtastfeld
- Pb -Pb -
- Abstand zwischen den ReferenzmarkenanordnungenDistance between the reference mark arrangements
- Ra -Ra -
- Abstand zwischen den ReferenzmarkenDistance between the reference marks
- Yr -Yr -
- Abstand der Referenzmarkenanordnungen für die Y-Richtung von der Ecke des RasterstrukturbereichsDistance of the reference mark arrangements for the Y direction from the corner of the raster structure area
- Xr -Xr -
- Abstand der Referenzmarkenanordnungen für die X-Richtung von der Ecke des RasterstrukturbereichsDistance of the reference mark arrangements for the X direction from the corner of the raster structure area
- 02X -02X -
- Messkopf in Position zur Abtastung der Referenzmarken in X-RichtungMeasuring head in position for scanning the reference marks in the X direction
- 02Y -02Y -
- Messkopf in Position zur Abtastung der Referenzmarken in Y-RichtungMeasuring head in position for scanning the reference marks in the Y direction
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