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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Meßsystem zum Erfassen von Relativbewegungen eines ersten und eines zweiten Maschinenteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Endmontage eines optischen Meßsystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
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Längenmeßsysteme zum Messen von Relativbewegungen zwischen einem ersten und einem zweiten Maschinenteil sind bekannt. Sie werden häufig bei Werkzeugmaschinen eingesetzt, beispielsweise um eine Bewegung eines Maschinenkopfes oder -schlittens gegenüber einem Maschinenbett oder eine Drehung einer Welle zu erfassen. Üblicherweise wird eine Maßverkörperung, beispielsweise ein Maßstab oder eine Codescheibe, an dem Maschinenteil befestigt, und ein Abtastkopf fühlt diese Maßverkörperung ab, wobei dies kontaktfrei ebenso wie kontaktierend erfolgen kann. Der höheren Meßgenauigkeit halber haben sich jedoch kontaktlose Abfühlprinzipien durchgesetzt, z. B. optische, magnetische oder induktive Verfahren.
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Für eine solche kontaktlose Abtastung ist meist auf der Maßverkörperung eine Teilungsstruktur vorgesehen, die vom Abtastkopf mittels eines geeigneten Meßelements erfaßt wird. Je nach Teilungsstruktur sind inkrementelle oder absolute Positionsbestimmungen möglich. Die Genauigkeit der Messung erfordert es dabei, daß die Teilungsstruktur der Maßverkörperung in eine bestimmte Lage zum Meßelement des Abtastkopfes justiert ist. Eine schlechte Einjustierung der vorbestimmten Lage, die die Maßverkörperung zum Meßelement des Abtastkopfes haben sollte, mindert die Meßgenauigkeit regelmäßig stark. Da Meßsysteme oftmals erst nachträglich an Maschinen angebracht werden bzw. nicht vom Maschinenhersteller selbst bei der Herstellung der Maschine montiert werden, ist es zum Herstellen optimaler Abtastverhältnisse üblich, den Abtastkopf zur Maßverkörperung mit Hilfsmitteln wie Mikroskopen oder Oszilloskopen zu justieren. Dies erfordert jedoch fachkundiges Personal für die Endmontage. Der zusätzliche Justageaufwand bei der Endmontage ist deshalb meist unverzichtbar. Die
DE 29815905 U1 bietet hierbei eine Justierhilfe, indem zwei V-förmige Flächen am Abtastkopf als Paßflächen ausgebildet sind, an denen als Fühlerblattlehren wirkende Folienstreifen anliegen können.
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Zur Erleichterung der Montage sind weiter Montagelehren bekannt, die Abtastkopf und Maßverkörperung im justierten Zustand verblocken. So sieht z. B. die
DE 10056947 A1 einen Schraubmechanismus vor, der eine Codescheibe unter Zwischenlegung zweier Abstandsstücke an einem Abtastkopf festklemmt. Hier, wie auch in der
DE 8430120 U1 , die ein gleichartiges Konzept verfolgt, wird eine Codescheibe längs ihrer Drehachse geklemmt. Es gelangt somit eine vorjustierte Einheit zum Betreiber der Maschine, der dann für eine entsprechende Montage im justierten Zustand sorgen muß, jedoch selbst keine Justierung mehr vornehmen muß. Der Transport der derart vorjustierten Einheit muß dabei natürlich entsprechend sorgsam vorgenommen werden, damit der vorjustierte Zustand nicht verlorengeht. Gleichzeitig muß die Endmontage der vorjustierten Einheit so erfolgen, daß möglichst keine Spannungen in die verblockte Einheit aus Abtastkopf und Maßverkörperung eingebracht wird.
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Diese Anforderung vermeidet ein Ansatz, der im Produktkatalog „Encoder Kit R” der Numerik Jena GmbH, Deutschland, in Zusammenhang mit einem dort als „EPIFLEX” bezeichneten optischen Meßmodul erwähnt ist. Dort wird beschrieben, zur Montage eines Abtastkopfes für einen Drehscheibenencoder eine mit bestimmtem Radius gekrümmte Anschlagkante vorzusehen, die zur Ausrichtung des Abtastkopfes dient. Zur Endmontage muß dann lediglich die Drehscheibe auf einer Welle befestigt und der Abtastkopf an die Anschlagkante angelegt und befestigt werden. Dieser Ansatz löst jedoch das Justierproblem nur scheinbar, da der Endmontage von Abtastkopf und Codescheibe zwangsläufig die Ausbildung einer präzise gearbeiteten und zur Welle ausgerichteten Anschlagkante vorgeordnet ist. Die aufwendige Justierung von Maßverkörperung und Abtastkopf wird also durch eine mindestens ebenso aufwendige Ausbildung einer Anschlagkante ersetzt.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Meßsystem bzw. ein Verfahren zur Endmontage eines Meßsystems der eingangs genannten Art derart fortzubilden, daß eine nicht fix vormontierte Einheit vom Betreiber einer Maschine einfacher und insbesondere ohne das Erfordernis, komplexe Justierstrukturen ausbilden zu müssen, an der Maschine angebracht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Meßsystem gemäß Anspruch 1. Zum Erfassen gegenseitiger Bewegungen eines ersten und eines zweiten Maschinenteils weist das Meßsystem einen am ersten Maschinenteil befestigbaren Abtastkopf und eine am zweiten Maschinenteil befestigbare Maßverkörperung, die im endmontierten Zustand eine vorbestimmte Lage zu einem Meßelement des Abtastkopfes innehat, und mindestens ein am Abtastkopf oder der Maßverkörperung vorgesehenes Anschlagstück auf, das eine Anschlagfläche hat, die so ausgebildet ist, daß bei gegenseitiger Anlage von Abtastkopf und Maßverkörperung an der Anschlagfläche die vorbestimmte Lage zumindest hinsichtlich einer Raumkoordinate gegeben ist, wobei nach der Endmontage die Anschlagfläche zum Herstellen eines Spaltes zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung entfernbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren gemäß Anspruch 3. Zur Endmontage eines Meßsystems, das gegenseitige Bewegungen eines ersten und eines zweiten Maschinenteils erfaßt, werden ein Abtastkopf am ersten und eine Maßverkörperung am zweiten Maschinenteil so befestigt, daß die Maßverkörperung eine vorbestimmte Lage zu einem Meßelement des Abtastkopfes aufweist, wobei am Abtastkopf oder der Maßverkörperung mindestens ein Abstandstück vorgesehen wird, das eine Anschlagfläche aufweist, die so ausgebildet ist, daß bei gegenseitiger Anlage von Abtastkopf und Maßverkörperung an der Anschlagfläche die vorbestimmte Lage zumindest hinsichtlich einer Raumkoordinate gegeben ist, an den Maschinenteilen zugeordnete Befestigungsstellen für den Abtastkopf und die Maßverkörperung vorbereitet werden, die die vorbestimmte Lage hinsichtlich der verbleibenden Raumkoordinaten definieren, der Abtastkopf oder die Maßverkörperung an der zugeordneten Befestigungsstelle angebracht werden, der Abtastkopf und die Maßverkörperung an der Anschlagfläche in Kontakt gebracht werden und dann die Maßverkörperung bzw. der Abtastkopf an der zugeordneten Befestigungsstelle angebracht wird und die Anschlagfläche entfernt wird, so daß zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung ein Spalt entsteht.
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Die Erfindung erlaubt es also, den Betreiber der Maschine Einzelkomponenten an die Hand zu geben, für deren Anbau er keine zusätzlichen Justagehilfsmittel benötigt. Auch müssen keine komplexen Justierstrukturen an den Befestigungsstellen für Maßverkörperung und/oder Abtastkopf vorgesehen werden. Schablonen, die üblicherweise für die Befestigung von Abtastköpfen verwendet werden, entfallen ebenfalls, da der über die Anschlagfläche an der Maßverkörperung anliegende Abtastkopf selbst als Schablone, beispielsweise zum Ankörnen von zu bohrenden Gewindelöchern, benutzt werden kann.
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Es hat sich herausgestellt, daß die Meßgenauigkeit eines Meßsystems hinsichtlich bestimmter Raumkoordinaten sensibler ist, als hinsichtlich anderer Raumkoordinaten. Dies gilt insbesondere für kontaktlose Meßsysteme. Bei einer Codescheibe ist der radiale Abstand des Abtastkopfes zur Maßverkörperung sehr viel wichtiger für eine genaue Messung, als das axiale Spaltmaß zwischen Maßverkörperung und Meßelement. Dies gilt insbesondere für optische Abtastsysteme, die im Durchlichtbetrieb arbeiten.
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Ähnliches gilt hinsichtlich der Korrigierbarkeit von Abweichungen der realen Lage von der vorbestimmten Lage. So führt beispielsweise eine Variation des Abstands zwischen Maßverkörperung und Meßelement zu einer relativ leicht kompensierbaren Amplitudenänderung.
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Der Vorteil einer guten Meßgenauigkeit bei einfacher Montage wird deshalb schon dann erreicht, wenn die Anschlagfläche des Anschlagstückes die vorbestimmte Lage hinsichtlich einer einzigen Raumkoordinate festlegt. Mit der erfindungsgemäß höhergradigen Fixierung geht natürliche eine gesteigerte Meßgenauigkeit einher.
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Das Anschlagstück hat im erfindungsgemäßen Meßsystem bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren zur Endmontage die Anschlagfläche derart bereitzustellen, daß sie zum Herstellen eines unverzichtbaren Spaltes zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung nach Abschluß der Endmontage dieser beiden Bauteile entfernbar ist. Unter Entfernen der Anschlagflächen wird deshalb hier verstanden, daß ein Spalt zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung durch geeignete Veränderung des Anschlagstückes gebildet werden kann. Ohne einen solchen Spalt wäre ein ordnungsgemäßer Betrieb unmöglich, da Maßverkörperung und Abtastkopf am Anschlagstück in schleifendem Kontakt wären, was unweigerlich zu untolerierbaren Fehlverhalten, insbesondere Abrieb mit Schleifstauberzeugung führen würde.
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Die Veränderung des Anschlagstückes zum den Spalt herstellenden Entfernen der Anschlagfläche kann beispielsweise durch teilweises oder vollständiges Entnehmen des Anschlagstückes erfolgen. In einer besonders einfach zu fertigenden und gleichzeitig bei der Endmontage bedienungsfreundlichen Bauweise weist jedes Anschlagstück einen entnehmbare Streifen auf, wobei eine Deckfläche des Streifens die Anschlagfläche bildet. Die Streifen werden dann einfach entnommen, beispielsweise herausgezogen, um den erforderlichen Spalt zu erzeugen.
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Die Funktion des Anschlagstückes ist sowohl mit einem am Abtastkopf als auch mit einem an der Maßverkörperung ausgebildeten Bauteil mit der entsprechenden Anschlagfläche erreichbar. Durch die Anschlagstücke am Abtastkopf können Standard-Maßverkörperungen verwendet werden, die auch bei anderen Systemen, beispielsweise konventionell justierten Systemen zum Einsatz kommen.
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Um die zwei Raumkoordinaten der vorbestimmten Lage mit Hilfe der Anschlagflächen zu definieren, sind mindestens zwei Anschlagflächen erforderlich. Bei der kreisförmigen Codescheibe wird dies besonders einfach durch V-förmig zueinander liegende Anschlagsflächen erreicht werden, wozu vorteilhafterweise zwei streifenförmige Anschlagstücke eingesetzt werden können.
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Maßverkörperung und Abtastkopf justieren sich also zumindest hinsichtlich der Raumkoordinaten gegeneinander in die vorbestimmte Lage, wenn sie an den Anschlagflächen miteinander in Kontakt gebracht werden. Diese direkte gegenseitige Justage ohne weitere Justierhilfsmittel hat den Vorteil, daß ansonsten unvermeidliche Toleranzketten ausgeschaltet sind.
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Damit die zwei Raumkoordinaten der vorbestimmten Lage über das Anschlagstück definiert sind, sind mindestens zwei Anschlagflächen erforderlich. Eine derartige zweiachsige Fixierung der vorbestimmten Lage ermöglicht eine sehr genaue Justierung ohne weitere Justierhilfsmittel. Darüber hinaus kann die Ausbildung des Anschlagstückes so erfolgen, daß als dritte Raumkoordinate ein vergleichsweise justier-unkritischer Freiheitsgrad verbleibt, nämlich der Abstand zwischen Maßverkörperung und Meßelement. Dieser Freiheitsgrad kann durch eine einfach Höhenvorgabe bezüglich der Befestigungsstellen für Maßverkörperung und Abtastkopf fixiert werden. Der Maschinenbetreiber muß dann lediglich eine Montagefläche für den Abtastkopf schaffen oder bereitstellen, die einen bestimmten Höhenabstand zur Montagefläche für die Maßverkörperung hat, beispielsweise zum Ende der Welle, auf die die Codescheiben montiert werden soll. Solche um ein bestimmtes Maß zueinander beabstandete ebene Flächen können mechanisch sehr einfach hergestellt werden, ohne daß aufwendige Justierhilfsmittel erforderlich wären. Die durch diese Flächen bewirkte Fixierung hinsichtlich des letzten Freiheitsgrades bzw. der dritten Raumkoordinate hat darüber hinaus nur geringen Tolerierungsbedarf, da diesbezügliche Toleranzen sich nur sehr schwach auf die Meßgenauigkeit auswirken, wie zuvor bereits erläutert.
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Natürlich kann über das Anschlagstück auch eine Fixierung hinsichtlich der dritten Raumkoordinaten vorgenommen werden, jedoch steigen dann die Genauigkeitsanforderungen an die Befestigungsstelle beispielsweise für den Abtastkopf, oder das Befestigungsverfahren muß entsprechend fehlertolerant, d. h. spaltfüllend, sein.
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Die Montage ist nun denkbar einfach: Zuerst wird die Maßverkörperung am entsprechenden Maschinenteil angebracht, beispielsweise wird die Codescheibe auf einer Welle befestigt. Dann wird der Abtastkopf über die Anschlagfläche an die Maßverkörperung angelegt. Nach Befestigung des Abtastkopfes in der dadurch definierten Lage muß lediglich die Anschlagfläche den einen Spalt zwischen Maßverkörperung und Abtastkopf freigebend entfernt werden. Natürlich kann die Montagereihenfolge auch umgedreht werden.
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Zur Befestigung des Abtastkopfes bzw. der Maßverkörperung kommen alle geeigneten Fixierungstechniken in Frage; je nach Anwendung kann eine stoff-, form- oder kraftschlüssige Befestigung verwendet werden, so. z. B. Klebungen, Verschraubungen, Schweißungen usw.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform eines optischen Abtastsystems im montierten Zustand,
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2 eine abgewandelte Ausführungsform des Abtastsystems der 1,
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3 einen Abtastkopf des Meßsystems der 1 in Draufsicht,
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4 den Abtastkopf der 3 mit einer Maßverkörperung während der Montage des Abtastkopfes und
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5 die endmontierte Einheit aus Abtastkopf und Maßverkorperung.
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1 zeigt ein optisches Meßsystem zur Erfassung von Drehbewegungen. Es weist einen Abtastkopf 1 auf, der eine als Drehscheibenencoder ausgebildete Codescheibe 2 optisch abfühlt. Die Codescheibe 2 sitzt auf einer Drehachse 3 und wird von dieser in Drehung angetrieben. Der Abtastkopf 1 ist auf einem gegenüber der Drehachse 3 stationären Maschinenteil 4 befestigt und weist ein bügelförmiges Gehäuse auf, das eine Lichtquelle 6 über der Codescheibe 2 positioniert. Gegenüber der Lichtquelle 6, d. h. in der Darstellung der 1 unterhalb der Codescheibe 2, befindet sich ein Empfänger 7, der eine Rasterstruktur mit darunterliegendem Strahlungsempfänger aufweist. Der Empfänger 7 sitzt auf einer Platine 8, die geeignete (nicht dargestellte) Elektronik zur Signalverarbeitung und Ansteuerung des Empfängers aufweist. Die Platine 8 wird von einem Träger 9 gehalten, der auch einen Steckverbinder zum Anschluß der Platine 8 stützt.
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Für eine genaue Messung ist es erforderlich, daß der Empfänger 7 mit darüber angeordneter Raststruktur in vorbestimmter Lage zur einer auf der Codescheibe 2 angeordneten (in der Schnittdarstellung der 1 nicht darstellbaren) Meßspur liegt. Diese Lagebeziehung ist in 1 durch eine (nicht näher bezeichnete) vertikale Achse verdeutlicht. Zwischen der Codescheibe 2 und dem Gehäuse 5 ist ein Radialspalt 10, zwischen der Unterseite der Codescheibe 2 und dem Empfänger 7 ein Höhenspalt 11 gegeben. Eine Variation des Höhenspaltes 11 wirkt sich in einer Amplitudenänderung des vom Empfänger 7 ausgegebenen Signals aus. Diese Amplitudenänderung ist relativ einfach korrigierbar. Läuft dagegen die Meßspur der Codescheibe 2 nicht exakt über dem Empfänger 7, treten vergleichsweise schwieriger zu korrigierende Meßfehler auf.
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2 zeigt eine Abwandlung des optischen Meßsystems der 1, wobei nun die Lichtquelle 6 nicht in das Gehäuse 5 des Abtastkopfes 1 integriert ist, sondern separat in einer eigenen (in 2 nicht dargestellten) Halterung sitzt.
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3 zeigt den Abtastkopf 1 der 1 in Draufsicht. Gleiche Bauelemente sind mit den entsprechend gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sie nicht noch einmal erläutert werden. In 3 ist ein Stecker 12, der am Träger 9 des Abtastkopfes 1 befestigt ist, gut zu erkennen. Weiter ist ein Abtastfenster 13 eingezeichnet, das im wesentlichen der Fläche der Rasterstruktur des Empfängers 7 entspricht. Die Ausrichtung dieser Rasterstruktur im Abtastfenster 13 ist durch zwei (nicht näher bezeichnete) gekreuzte Linien in 3 eingetragen. Sie kreuzen sich im Mittelpunkt des Abtastfensters 13. Genau durch diesen Kreuzungspunkt muß die Abtastspur der Codescheibe 2 für eine optimale Messung laufen.
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3 zeigt weiter zwei Abschlagstücke 14 und 15, die in Ausnehmungen des Gehäuses 5 des Abtastkopfes 1 sitzen und zwei Anschlagflächen 14a, 15a aufweisen. Jedes Anschlagstück ist dabei über einen Zugstreifen 16, 17 von außen gut zugänglich. Die Bedeutung dieses Zugstreifens wird später noch anhand der 4 und 5 deutlich werden. Die Anschlagstücke 14, 15 sind im Gehäuse in Ausnehmungen bzw. Taschen so gehalten, daß die Anschlagflächen 14a, 15a nicht verschoben werden können. Diese Taschen sind in der Bauweise der 1 im bügelförmigen Gehäuse 5, bei der Ausführung gemäß 2 in zwei geeigneten Ansätzen des Gehäuses ausgebildet.
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Der Abtastkopf 1 weist schließlich noch zwei Befestigungslöcher 18 und 19 im Gehäuse 5 auf, über den dieses mit dem (in der Draufsicht der 3 nicht dargestellten) Maschinenteil 4 verschraubt werden kann.
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Zur Befestigung des Meßsystems wird zuerst die Codescheibe 2 auf einer die Drehachse 3 definierenden Welle 20 befestigt. Die Drehachse 3 läuft dabei senkrecht durch den im Mittelpunkt der Welle 20 in 4 gezeigten Kreuzungspunkt.
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Die Codescheibe 2 weist eine Meßspur 21 auf, die für ein optimales Abtastverhalten genau durch den Mittelpunkt des Abtastfensters 13 laufen sollte.
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Nach der Befestigung der Codescheibe 2 wird nun der Abtastkopf 1 bis zur mechanischen Berührung an den Außendurchmesser der (noch stillstehenden) Codescheibe 2 geschoben. Die Anschlagflächen 14a und 15a der Anschlagstücke 14 und 15 stellen sicher, daß an den Anschlagflächen 14a und 15a der Abstand zwischen Codescheibe 2 und Abtastkopf 1 genau dem Radius der Codescheibe 2 entspricht.
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Durch die V-förmige Anordnung der Anschlagflächen 14a und 15a liegt das Zentrum der Codescheibe 2 immer auf der Achse durch das Meßfenster 3, unabhängig davon, welchen Azimut der Abtastkopf 1 relativ zur Codescheibe 2 hat. Durch diese Zuordnung mit entsprechend dem Meßsystem zulässigen Toleranzen sind die Voraussetzungen für eine funktionell sichere, hoch qualitative Abtastung gegeben, ohne daß aufwendige Justierhilfsmittel vonnöten wären.
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Durch den entsprechend vorgesehenen radialen Abstand zwischen Anschlagflächen 14a und 15a und dem Kreuzungspunkt im Zentrum des Abtastfensters 13 ist weiter gewährleistet, daß die Meßspur 21 genau durch dieses Zentrum läuft, wie es für eine optimale Justierung auch erforderlich ist. Die so erreichten geringen Toleranzen bzw. die so gewährleistete hohe Reproduzierbarkeit liegen nun innerhalb der für das System zulässigen Abweichungen und können einfach elektronisch kompensiert werden.
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Dann wird der Abtastkopf 1 über die Befestigungslöcher 18 und 19 mit dem Maschinenteil 4 verschraubt.
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Da die Codescheibe 2 nun noch den Abtastkopf 1 mechanisch berührt, muß nach Fixierung des Abtastkopfes die mechanische Berührung aufgehoben werden. Dies wird dadurch realisiert, daß die Anschlagstücke 14 und 15 durch Anziehen an den Zugstreifen 16 und 17 in die durch die Pfeile 22 und 23 symbolisierte Zugrichtung herausgezogen werden.
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Der so erreichte Zustand ist in 5 dargestellt. Die Codescheibe 2 ist gegenüber dem mittels Schrauben 24 und 25 befestigten Abtastkopf 1 frei drehbar, wobei sichergestellt ist, daß die Meßspur 21 immer durch das Zentrum des Abtastfensters 3 läuft, mithin ein optimaler Justierzustand erreicht ist. Da die Anschlagstücke 14 und 15 nun Taschen 27 und 28 freigeben, ist der mechanische Kontakt zwischen Codescheibe 2 und Abtastkopf 1 aufgehoben.
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Die Anschlagstücke 14 und 15 bewirken eine radiale Lagedefinition bzw. Justierung von Abtastkopf 1 zu Codescheibe 2. Die axiale Justierung ist durch den entsprechenden Abstand zwischen der Montagefläche der Welle 20, auf der die Codescheibe 2 montiert wird, und der für den Abtastkopf 1 vorgesehenen Montagefläche am Maschinenteil 4 sichergestellt. Maschinenseitig ist diesbezüglich eine geeignete gegenseitige Höhenlage von Montagefläche der Welle 20 und Montagefläche am Maschinenteil 4 vorgegeben.