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Die Erfindung betrifft ein Positionsmessgerät mit einer Vorrichtung zur Montageunterstützung gemäß dem Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Montage eines Positionsmessgerätes gemäß dem Anspruch 9.
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Derartige Positionsmessgeräte dienen zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Maschinenteile, etwa zur Messung der Verschiebung eines Maschinenbettes einer Werkzeugmaschine relativ zu einem entsprechendem Maschinenschlitten. Zu diesem Zweck wird an eines der zueinander beweglichen Maschinenteile, zum Beispiel an dem Maschinenbett, ein Trägerprofil des Positionsmessgerätes befestigt, in welchem eine Maßverkörperung angeordnet ist. Die Maßverkörperung kann etwa ein Glasmaßstab oder ein Stahlband sein, auf dem feine Strichteilungen aufgebracht sind.
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Diese Maßverkörperung wird im Messbetrieb von einem Abtastkopf abgetastet, der Bestandteil einer bewegbaren Abtasteinheit des Positionsmessgerätes ist. Diese bewegbare Abtasteinheit ist ihrerseits wieder an einem Maschinenteil, zum Beispiel an dem Maschinenschlitten der oben genannten Werkzeugmaschine fixiert.
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Die Abtasteinheit kann sich im Messbetrieb, z. B. durch Rollen, an einer Lauffläche am Trägerprofil oder an der Maßverkörperung abstützten, so dass eine Eigenführung der Abtasteinheit im Betrieb gegeben ist. Für diesen Fall muss zur Vermeidung von Spannungen eine relativ weiche Kupplung zwischen dem Maschinenschlitten und dem Abtastkopf vorgesehen werden. Bei hochpräzisen Positionsmessgeräten ist jedoch häufig eine Eigenführung der Abtasteinheit an der Maßverkörperung bzw. am Trägerprofil unerwünscht, um Messfehler, die durch die Kupplung verursacht werden, zu vermeiden. Es wird daher in vielen Fällen eine berührungslose Abtastung vorgenommen, bei der die Abtasteinheit ohne Führung an der Maßverkörperung bzw. am Trägerprofil entlang der Maßverkörperung bewegt wird, wobei die Bewegung vom Maschinenschlitten eingeleitet wird.
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Für eine einwandfreie Messung ist es erforderlich, dass sich der Abtastkopf in engen Toleranzen präzise entlang der Maßverkörperung bewegt. Die Maßverkörperung, ist üblicherweise mit dem Trägerprofil verbunden, welches nicht selten auch als Gehäuse zum Schutz gegen Umwelteinflüsse dient. In der Praxis haben derartige Trägerprofile meistens Maßabweichungen in Form von Säbelfehlern, Welligkeiten oder Verdrehungen. Diese Maßabweichungen des Trägerprofils werden durch die Verbindung auf die Maßverkörperung übertragen, so dass auch diese von der Idealform abweicht, wodurch das Messergebnis beeinträchtigt wird. Besonders störend wirken sich die oben genannten Maßabweichungen bei längeren Positionsmessgeräten, die etwa einen Messbereich von 20 m oder 30 m abdecken, aus.
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Aus der
DE 37 13 548 A1 ist eine Montagevorrichtung für ein Positionsmessgerät bekannt, bei der durch einen Hilfswagen eine Ausrichtung des Positionsmessgerätes vorgenommen werden kann. Allerdings ist es mit dieser vorbekannten Vorrichtung nicht möglich, Maßabweichungen des Trägerprofils bzw. der Maßverkörperung merklich zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positionsmessgerät zur Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Maschinenteile zu schaffen, mit dem das Trägerprofil und damit die Maßverkörperung des Positionsmessgeräts parallel zur Bahn der Abtasteinrichtung ausgerichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Positionsmessgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie durch ein Montageverfahren gemäß dem Anspruch 9 gelöst.
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Danach umfasst das Positionsmessgerät eine steife Führungseinheit, welche zur Montage des Positionsmessgerätes spielfrei, aber entlang der Messrichtung verschiebbar im Trägerprofil, also zwischen zwei Schenkeln des Trägerprofils, oder um das Trägerprofil umgreifend angeordnet werden kann. Das Trägerprofil kann beispielsweise ein strangepresstes Aluminiumprofil oder ein extrudiertes Kunststoffprofil sein. Zu Beginn der Montage wird die bewegbare Montageeinheit, welcher die Führungseinheit zugeordnet ist, fest mit einem Maschinenteil, etwa dem Maschinenschlitten einer Werkzeugmaschine verbunden. Die Montageeinheit selbst ist ebenfalls in einer vergleichsweise steifen Ausführung realisiert. Danach wird die Führungseinheit beispielsweise durch einen Verriegelungsmechanismus im oder am Trägerprofil spielfrei festgelegt. Durch schrittweises Bewegen der Führungseinheit entlang der Messrichtung wird das vergleichsweise biegeweiche Trägerprofil samt der darin befindlichen Maßverkörperung geradlinig ausgerichtet, wobei nach jedem Bewegungsschritt das Trägerprofil am jeweiligen Befestigungspunkt des entsprechenden Maschinenteiles, z. B. dem Maschinenbett, fixiert wird. Die Führungseinheit bzw. die gesamte Montageeinheit verformt sich, bedingt durch die große Steifigkeit, dabei praktisch nicht. Durch diese Vorgehensweise wird das gesamte Trägerprofil und somit auch die Maßverkörperung parallel zur Messrichtung verformt bzw. ausgerichtet und in diesem Zustand fixiert. Gleichzeitig wird mit dieser Methode die Maßverkörperung parallel zur Abtasteinrichtung ausgerichtet.
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Nach erfolgter Montage kann die Führungseinheit gelöst werden, das heißt, dass deren Führungselemente, etwa Laufrollen, keinen Kontakt mehr zum Trägerprofil haben. Die Abtasteinheit kann dann berührungslos und präzise entlang der Maßverkörperung, ohne Eigenführung, bewegt werden.
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Das erfindungsgemäße Positionsmessgerät hat den Vorteil, dass bei der Montage auch Maßabweichungen des Trägerprofils und der damit verbundenen Maßverkörperung korrigiert werden können, auch wenn das Trägerprofil mit der Maßverkörperung vor der Montage Maßabweichungen, wie Säbelfehler, Welligkeiten oder Verdrehungen, aufweist.
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Mit Vorteil ist die spielfreie Festlegung der Führungseinheit am Trägerprofil dergestalt, dass während der Montage alle drei rotatorischen und zwei translatorische Freiheitsgrade der Bewegung unterbunden werden, so dass nur noch eine translatorische Bewegung in Messrichtung möglich ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Positionsmessgerät Führungselemente, die als Laufrollen ausgestaltet sind.
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Darüber hinaus kann mit einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Positionsmessgerätes die Montageeinheit für den Transport so gehemmt werden, dass in diesem Zustand gleichzeitig eine Transportsicherung gegeben ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung sind die Führungselemente mit Vorteil als Gleitelemente ausgebildet. Infolge der vergleichsweise hohen Reibkraft zwischen dem Trägerprofil und der Gleitelemente im festgelegtem Zustand der Führungseinheit kann auf diese Weise auch die Funktion einer Transportsicherung erfüllt werden. Das heißt, dass vor dem Transport des Positionsmessgerätes die Führungseinheit im Trägerprofil derart festgelegt wird, dass eine Bewegung der Montageeinheit in allen Richtungen, auch in der Messrichtung unterbunden wird. Für die Montage kann es von Vorteil sein, wenn der Verriegelungsmechanismus danach etwas gelockert wird, um in diesem Zustand eine leichtere Verschiebung in Messrichtung zu ermöglichen.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Positionsmessgeräts,
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2 eine schematische Detailansicht des Verriegelungsblocks und des Führungswagens im Trägerprofil,
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3a eine schematische Ansicht eines Trägerprofils mit überproportional dargestellten Formabweichungen zu Beginn des Montagevorganges,
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3b eine schematische Ansicht eines Trägerprofils am Ende des Montagevorganges,
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4 eine alternative Ausgestaltung der Erfindung mit Gleitschuhen.
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5 eine schematische Ansicht eines Trägerprofils mit überproportional dargestellten Formabweichungen zu Beginn des Montagevorganges, für eine alternative Ausgestaltung der Erfindung
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Gleichwirkende Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine perspektivische Explosionszeichnung des Positionsmessgerätes gezeigt. An einem Trägerprofil 1 ist ein Mallstabshalter 1.2 befestigt, an dem wiederum ein Maßstab 1.1 fixiert ist. Selbstverständlich kann der Maßstab 1.1 alternativ auch direkt auf dem Trägerprofil 1 befestigt sein. Der Maßstab 1.1 besteht im gezeigten Beispiel aus Stahl und ist mit optisch auswertbaren Teilungsstrichen versehen. Alternativ dazu kann auch ein Glasmaßstab mit Teilungsstrichen oder aber ein magnetisierter Maßstab verwendet werden. Das Trägerprofil weist zwei Schenkel 1.3, 1.4 auf, die sich parallel zum Maßstab 1.1 in Messrichtung x erstrecken. Die Schenkel 1.3, 1.4 haben jeweils einen Vorsprung 1.31, 1.41, der sich ebenfalls entlang der Messrichtung x erstreckt.
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Darüber hinaus umfasst das Positionsmessgerät eine Montageeinheit, welche im ersten Ausführungsbeispiel als Abtasteinheit 2 ausgeführt ist. Das heißt, dass in diesem Ausführungsbeispiel Bauteile der Montageeinheit im Normalbetrieb auch Funktionen für die Abtastung des Maßstabs 1.1 übernehmen. Diese Abtasteinheit 2 besteht aus einem Montagefuß 2.1, einem Verriegelungsblock 2.2, einer als Führungswagen 2.3 ausgebildeten Führungseinheit, einem Abtastkopf 2.4 und einem Schwert 2.5. Falls das Positionsmessgerät gegenüber Umwelteinflüssen weitgehend abgeschirmt sein muss, können nach bekannter Bauweise Dichtlippen an den Schenkeln 1.3, 1.4 angebracht werden, die am Schwert 2.5 der Abtasteinheit 2 anliegen.
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Der Montagefuß 2.1 wird vor dem Betrieb des Positionsmessgerätes an ein Maschinenteil beispielsweise an einen Maschinenschlitten 4 (siehe 3a, 3b) geschraubt.
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Der Verriegelungsblock 2.2 besteht aus einem Grundkörper 2.21 in dem, jeweils in y-Richtung verschiebbar, vier Verriegelungsbolzen 2.23 gelagert sind. Die Bewegung der Verriegelungsbolzen 2.23 in y-Richtung kann durch Drehung der Stellschrauben 2.22 hervorgerufen werden. In der 2 ist eine Detailansicht des Verriegelungsblocks 2.2 und des Führungswagens 2.3 im Schnitt gezeigt. Durch entsprechende Drehung der Stellschraube 2.22 wird deren Ende entsprechend der Pfeilrichtung in die Hülse 2.24 hinein bewegt, so dass über die schrägen Flächen der Verriegelungsbolzen 2.23 in y-Richtung eine Bewegung der Verriegelungsbolzen 2.23 erzeugt wird. Damit die Verriegelungsbolzen 2.23 nach erfolgter Montage bzw. bei Zurückdrehen der Stellschraube 2.22 wieder in ihre Ausgangsstellung zurückkehren, sind diese über eine Rückholfeder 2.25 miteinander verbunden.
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Der Führungswagen 2.3 besteht, gemäß der 1, aus vier im wesentlichen quaderförmigen Körpern 2.31 aus Stahl. Die Körper weisen Ausnehmungen 2.32 auf, darüber hinaus werden von den Körpern 2.31 jeweils drei Laufrollen 2.33 aufgenommen, die als Kugellager ausgebildet sind. Die Körper 2.31 sind durch Blatt-, bzw. Spiralfedern 2.34 miteinander verbunden.
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Zwischen den Körpern 2.31 ist ein Abtastkopf 2.4 angeordnet, der im Zusammengebauten Zustand des Positionsmessgerätes dem Maßstab 1.1 gegenüber liegt und im Betrieb dessen Teilungsstriche optoelektronisch abtastet.
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Die 3a zeigt die Anbausituation eines bereits zusammengebauten Positionsmessgeräts zu Beginn der Montage an eine Werkzeugmaschine. Die Maßabweichungen des Trägerprofils 1, insbesondere der Säbelfehler bzw. die Durchbiegung in z-Richtung, sind dabei zur Veranschaulichung überproportional groß dargestellt.
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Zunächst wird das Trägerprofil 1 an das Maschinenbett 3 am Punkt F1 mit einer Schraube befestigt. Die übrigen Schraubverbindungen an den Punkten F2 bis Fn sind noch lose.
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Sodann werden die Stellschrauben 2.22 (2) so gedreht, dass sich das Ende der Stellschrauben 2.22 parallel zur z-Richtung in die Hülse hinein bewegt. Durch die schrägen Berührflächen, sowohl an den Stellschrauben 2.22 als auch an den Verriegelungsbolzen 2.23, wird durch die Drehung der Stellschrauben 2.22 eine Bewegung der Verriegelungsbolzen 2.23 nach außen, parallel zur y-Achse hervorgerufen. Durch diese Bewegung verursachen die Verriegelungsbolzen 2.23 ihrerseits eine Bewegung der Körper 2.31 des Führungswagens 2.3, wobei diese Bewegung sowohl eine z- als auch eine y-Richtungskomponente aufweist. Die Stellschrauben 2.22 werden so lange betätigt, bis die Laufrollen 2.33 fest an den Schenkeln 1.3, 1.4 bzw. an den Vorsprüngen 1.31, 1.34 anliegen. Somit ist die gesamte Abtasteinheit 2 spielfrei am Trägerprofil 1 festgelegt.
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Der Montagefuß 2.1 wird dann fest mit dem Maschinenschlitten 4 verbunden, so dass die Abtasteinheit 2 mit dem Montagefuß 2.1 durch eine Verfahrbewegung des Maschinenschlittens 4 in x-Richtung verschoben werden kann.
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Bedingt durch die steife Bauweise der gesamten Abtasteinheit 2 und die vergleichsweise großen Abstände der Laufrollen zueinander können relativ große Kräfte und/oder Biegemomente in bzw. um alle Achse in das Trägerprofil 1 von der Abtasteinheit 2 eingeleitet werden, ohne dass im Führungswagen 2.3 bzw. in der gesamten Abtasteinheit 2 nennenswerte Verformungen auftreten. Das Trägerprofil 1 ist im Vergleich zur Abtasteinheit 2, insbesondere zum steifen Führungswagen 2.3, biegeweich und lässt sich deshalb im entsprechenden Bereich verformen. Üblicherweise weichen die Maße des Trägerprofils 1 nur Bruchteile von Millimetern von der Sollform ab, so dass in diesem Zusammenhang auch nur von Verformungen in dieser Größenordnung auszugehen ist. Im gezeigten Beispiel weicht das Trägerprofil 1 in x-Richtung über eine Länge von 500 mm um 0,36 mm in z-Richtung von einer idealen Geraden ab. Um diesen Säbelfehler zu korrigieren, muss eine Kraft von etwa 12 N in das Trägerprofil 1 eingeleitet werden. Diese Kraft verursacht im Abtastwagen 2, insbesondere im Schwert 2.5, eine äußerst geringfügige Dehnung von rechnerisch 0,00077 mm, wobei im Führungswagen 2.3 selbst praktisch keine Verformungen feststellbar sind.
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Der nach der oben beschriebenen Methode festgelegte Führungswagen 2.3 ist also translatorisch sowohl in y- als auch in z-Richtung und rotatorisch bezüglich der Momente um die x, y und z-Achse spielfrei gelagert. Nunmehr ist also lediglich eine Verschiebung der Abtasteinheit 2 in x-Richtung möglich.
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Sobald also der Führungswagen 2.3 derart festgelegt ist, wird, wie in den 3a und 3b gezeigt, wird die gesamte Abtasteinheit 2 schrittweise durch Verfahren des Maschinenschlittens 4 in x-Richtung verschoben. Die Anzahl der Schritte entspricht dabei der Anzahl n der Punkte F1 bis Fn. Die Bewegung der Abtasteinheit 2 führt zu einer Ausrichtung und Verformung des Trägerprofils 1 und damit auch des Maßstabes 1.1. Nach jedem Schritt wird am jeweiligen Punkt Fi eine Fixierung des Trägerprofils 1 am Maschinenbett 3 vorgenommen, so dass die zwangsweise Ausrichtung und Verformung des Trägerprofils 1 auf diese Weise festgehalten wird. Entsprechend wird das Trägerprofil 1 an den weiteren Punkten am Maschinenbett 3 befestigt.
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Nachdem mit dieser Methode das Trägerprofil 1 auch am letzten Punkt Fn fixiert ist, werden erneut die Stellschrauben 2.22 gedreht, allerdings nun mit entgegengesetztem Drehsinn, so dass sich die Enden der Stellschrauben 2.22 aus der Hülse 2.24 heraus bewegen (2), und die Rückholfeder 2.25 die Verriegelungsbolzen 2.23 zusammenzieht. Bedingt durch die Federn 2.34 bewegen sich auch die Körper 2.31 des Führungswagens 2.3 wieder zusammen, so dass alle Laufrollen 2.33 den Kontakt zum Trägerprofil 1 verlieren. Nachdem auf diese Weise der Führungswagen 2.3 frei im Trägerprofil 1 bewegbar ist, kann der Messbetrieb aufgenommen werden. Der Abtastkopf 2.4 kann nunmehr ohne direkte Führung am Trägerprofil 1 oder am Maßstab 1.1 präzise entlang des Maßstabes 1.1 in x-Richtung bewegt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform wird nach erfolgter Montage der komplette Führungswagen 2.3 von der Abtasteinheit 2 gelöst und aus dem Trägerprofil 1 entfernt. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Führungswagen 2.3 für die Montage von weiteren Positionsmessgeräten wieder verwendet, und die Masse der verfahrbaren Abtasteinheit 2 auf diese Weise reduziert werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können gemäß der 4 als Führungselemente Gleitschuhe 2.33 direkt an den Verriegelungsbolzen 2.23 ausgebildet sein. Die Verriegelungsbolzen 2.23 und damit auch die Gleitschuhe 2.33 können durch Bewegung der Stellschraube 2.22 an Vorsprünge 1.31, 1.41 des Trägerprofils 1 gedrückt werden. Durch die schrägen Flächen der Gleitschuhe 2.33 und der Vorsprünge 1.31, 1.41 können hier sowohl Kräfte in y- als auch in z-Richtung in das Trägerprofil 1 eingeleitet werden. Die Hemmung der Bewegung der Abtasteinheit 2 in x-Richtung hängt von den Reibverhältnissen zwischen den Gleitschuhen 2.33 und den Vorsprüngen 1.31, 1.41 ab. Im gezeigten Beispiel bestehen die Gleitschuhe 2.33 im Wesentlichen aus Polytetrafluorethylen, welches einen geringen Reibungskoeffizienten hat.
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Diese Ausführungsvariante kann sowohl zur Transportsicherung als auch zur Montageunterstützung des Positionsmessgerätes verwendet werden. Dabei wird vor dem Transport des Positionsmessgerätes der Verriegelungsmechanismus derart betätigt, dass die Gleitschuhe 2.33 so stark gegen die Vorsprünge 1.31, 1.41 gedrückt werden, dass eine Reibkraft entsteht, die so groß ist, dass auch bei Einwirkung der beim Transport üblichen äußeren Stöße keine Bewegung der Abtasteinheit 2 in x-Richtung relativ zum Trägerprofil 1 möglich ist. Bezüglich der y- und z-Richtung ist aufgrund der formschlüssigen Verbindung ohnehin eine Bewegung der Abtasteinheit 2 im Trägerprofil 1 ausgeschlossen.
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Für den Zweck der Montage wird dann die Flächenpressung zwischen den Gleitschuhen 2.33 und den Vorsprüngen 1.31, 1.41 durch Betätigung der Stellschraube 2.22 etwas reduziert, so dass eine Verschiebung des Abtastwagens 2 in x-Richtung möglich ist. Der Ausricht- und Befestigungsvorgang des Positioniergerätes verläuft dann analog zur oben beschriebenen Methode.
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Alternativ zur Verwendung von Stellschrauben 2.22 können auch Exzenter- oder Nockenkörper verwendet werden, durch deren Drehung die Verriegelungsbolzen 2.23 bewegt werden. Mit Vorteil sind die Exzenterkörper so ausgebildet, dass sie zwei stabile einrastbare Stellungen (Stellung für die Montage und Stellung für den Messbetrieb) ermöglichen. Falls durch den Verriegelungsblock 2.2 auch eine Transportsicherung möglich ist, kann dies in einer dritten stabilen Stellung berücksichtigt werden.
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In der 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Hier umfasst das Positionsmessgerät eine Montageeinheit, welche in diesem zweiten Ausführungsbeispiel als Montagewinkel 5 ausgeführt ist. Der Montagewinkel 5 besteht aus einem Montagefuß 5.1 und einer als biegesteife Führungsplatte 5.3 ausgestalteten Führungseinheit. Die Führungsplatte 5.3 weist drei Laufrollen 5.33 auf. Die Laufrollen 5.33 sind so angeordnet, dass sie das Trägerprofil 1 spielfrei umgreifen. Die Position zumindest einer der Achsen der Laufrollen 5.33 kann zu diesem Zweck einstellbar sein, z. B. durch eine exzentrische Lagerung oder durch einen Gewindemechanismus. Die Montage des Positionsmessgeräts erfolgt bei dieser Anordnung analog zum ersten Ausführungsbeispiel. Alternativ zu dieser Ausführung können auch vier oder mehr Laufrollen 5.33 verwendet werden. Die Laufrollen 5.33 können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung teilweise oder in ihrer Gesamtzahl durch Gleitschuhe ersetzt werden. Die Anordnung gemäß der 5 hat unter anderem den Vorteil, dass für die Montage ein Schmiermittel auf das Trägerprofil 1 im Berührbereich der Laufrollen 5.33 oder Gleitschuhe aufgetragen werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Maßstab 1.1 durch dieses Schmiermittel verunreinigt werden könnte.
