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Einrichtung zum incrementalen Führungsfehlerausgleich Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum incrementalen Führungsfehlerausgleich eines meßbar
verschieblichen teiles, z.B. Meßschlitten, Objektträger oder dergleichen, bei Präzisi-ons-
Neß- und Bearbeitungsmaschinen.
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Bekanntlich treten bei Meß- oder Bearbeitungsmaschinen, bei denen
die Objektansprache in einen Abstand von der Meßebene erfolgt, infolge etwaiger
Verdrehungen oder Verkantungen des Meßschlittens, welche durch Fehler in seiner
Führung hervorgerufen werden, Lageabweichungen der Objektansprache von den in der
Maßstabebene ermittelten Lagewerten auf.
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Es ist bei Neßeinrichtungm, welche die liagewerte durch eine Abbildung
von bezifferten Maßstäben absolut bestimmen, bekannt, zur Eompensation derartiger
Führungsfehler optische Kompensationsmittel in den Ablesestrahlengang einzufügen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es eine besonders vorteilhafte
Führungsfchlerkompensation bei incremental arbeitenden Meßsystemen durchzuführen.
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Erreicht wird dies bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art,
dadurch, daß mindestens zwei wegabhängige Gebersysteme (7,8) vorgesehen sind, welche
Xoordinatenwerte (x1,x2) längs zur Mess- bzw. Bearbeitungslinie (M) parallel verlaufenden
Tastlinien (T1,T2) incremental ermitteln und daß diese Koordinatenwerte (x1,x2)
in einen Rechner (13) eingegeben werden, der diese entsprechend dem gegenseitigen
Abstand (A,a) der Tastlinien (T1,T2) von der MeB- bzw. Bearbeitungslinie gerichtet
aufsummiert.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen nun anhand der in den Biguren
1 - 4 dargestellten Ausfilhrungsbeispiele näher erläutert werden.
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In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung in Verbindung mit
einer Längenmeßmaschine dargestellt.
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Hierin wird die I'äng& des Objektes 1 zwischen den Spitzen eines
feststehenden Ambosses 2 und eines in einer Fuhrung 3 des Maschinenbettes 4 verschieblichen
Meßschlittens 5 ermittelt. Am MeßschLitten 5 sind über einen Träger 6 zwei Tastköpfe
7,8 befestigt, welche längs zu der Neßlinie M parallelen Tastlunien T1, T2, in denen
Inpulsmaßstäbe 9, 10 angeordnet sind, geführt werden.
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Die aus Impulsmaßstäben 9)10 und Tastköpfen 7,8 bestehenden wegabhängigen
Gebersysteme sind bekannter Bauart und können beispielsweise photoelektrisch oder
auch elektromagnetisch arbeiten.
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Beim Vorbeigehen der Tastköpfe 7,8 an den sich in ihrer Beschaffenheit
z.B. hellidunkel bzw. magnetisch/unmagnetisch, im Wechsel ändernden-1arkierungsfeldern
11,12 der Maßstäbe 9, 10, welche kleine Wegschritte verkörpern, werden in bekannter
Weise elektrische Impulse erzeugt, welche vorzeichenrichtig gezählt werden können.
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Die Narkierungsfelder 11,12 sind der besseren Klarheit wegen übertrieben
groß eingezeichnet.
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Bei der Messung der Länge des Objektes 1 wird der Meßschlitten 5 von
einer vorgegebenen Nullstellung heraus an die Anlagefläche 1' des Objekts 1 herangeführt
und dabei iberstreichen die Tastköpfe jeder für sich eine gewisse Anzahl von Markierungsfelder
11, 12, der Maßstäbe 9,10 und die Anzahl der hierbei ausgelösten Impulse stellen
ein Maß für den vorn Meßschlitten 5 zurückgelegten Weg dar. Ist dabei der Meßschlitten
streng parallel zu den Tastlinien T1, T2 geführt, so liefern die Tastköpfe 7,8 jeder
die gleiche Anzahl von Impulsen. Ist der Meßschlitten Jedoch um eine senkrecht zur
Zeichenebene verlaufende Achse gekippt, so
liefern die Tastköpfe
7,8 eine unterschiedlich Anzahl von Impulsen und somit auch unterschiedliche Längenwerte,
die außerdem nicht mit dem längs der Neßlinie M sich einstellenden tatsächlichen
Längenwert übereinstimmen. Die Auswirkung einer derartigen Kippung des Meßschlittens
5 ist in der Skizze nach Fig.2 dargestellt. Wie aus dieser Skizze leicht zu entnehmen
ist, hängt der an der Meßlinie M sich einstellende Ilängenwert X mit den längs den
Tastlinien T1 und T2 abgetasteten Längenwerten X1 bzw. X2 nach der Gleichung 1 =X1-A/a
(X1-X2) zusammen.
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Unter Berücksichtigung dieses Sachverhaltes werden bei der Einrichtung
nach Fig. 1 die von den Tastköpfen abgegebene Anzahl von Impulsen, welche den Längenwerten
X1 bzw. X2 längs der Tastlinien T1, 2 entsprechen, in den Speicher eines Rechners
13 bekannter Bauart gegeben, welcher die Gleichung @ zu lösen vermag. ifber
ein Anzeigegerät 14, z.B. Zähler, wird alsdann die längs der Meßlinie M sich tatsächlich
ergebene Länge X digital angezeigt. Der angenommene Führungsfehler, Kippung des
Meßschlittens 5, ist hierbei automatisch kompensiert worden. Der Rechner 13 ist
vorteilhaft so ausgebildet, daß man die Größe # z.B. über ein Einstellelement 18
von Hand oder auch bei entsprechender Abtastung der Abstände A bzw. ajautomatisch
eingeben kann.
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Dies hat den Vorteil, daß man die gegenseitigen Abstände der Meß-
und Tastlinien beliebig wählen und den Gerätegegebenheiten anpassen kann. -Selbstverständlich
kann man die von den Tastköpfen 7,8 ermittelten Werte auch noch über zusätzliche
Zähler 16,17 getrennt anzeigen oder die abgetasteten Signale zur Nachsteuerung des
Meßschlittens derart benützen, daß eine etwa auftretende Neigung automatisch rückgängig
gemacht wird, was durch Gleichheit der an den Zählern 16,17 angezeigten Werte erkennbar
ist.
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In dem in Sig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der besseren
Übersicht wegen, nur die für die Erfindung wichtigen Teile eines Koordinatenmeßgerätes
eingezeichnet. Mit 20 ist ein Kreuzschlittensystem bezeichnet, daß mit Hilfe der
Führungen 20a und 20b in zwei zueinander senkrecht liegenden Koordinatenrichtungen
verschieblich ist.
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Dieser Kreuzschlitten 20 kann Bestandteil einer Koordinaten-Meß-oder
Bearbeitungsinaschine sein. Mit 21 ist das auf den Kreuztisch aufliegende Objekt
bzw. Werkstück und mit 22 die Objektansprüche, Mikroskop oder Bohrer, angedeutet.
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Die Seitenflächen 20 c und 20 d des Kreuzschlittens 20 sind verspiegelt.
Diese spiegelnden Flächen bilden zusammen mit des Feststehenden Spiegeln 23 und
24 und den Teilerwürfeln 25 a, 26a, 27a, 28a und 29a ein fünfstrahliges Interferometer
vom Michelson-Typ. Die Aufteilung der von einer Laserstralffungsquelle 36 ausgehenden
Lichtes in fünf Teilbündel 25, 20, 27, 28, 29 erfolgt über Teilerwürfel 25b, 26b,
27b, 28b, deren teildurchlässige Trennflächen so ausgebildet sind, daß die Teilbündel
<5-29 gleiche Intensität aufweisen. In dieser Interferometeranordnung werden
die spiegelnden Seitenflächen 20c und 20d in Richtung der Tastlinien T1, T2>,
T31, T1" und T2" in den Punkten 1', 2', 3', 1 "und 2" angetastet.
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Die Oberseite des Objektes 21 stellt die Meß- bzw. Bearbeitungsebene
ME dar. Die Tastpunkte 1' und 1" liegen in einer zur Meßebene ME parallelen Ebene
DE1 die von der Meßebene den Abstand A hat. Die Tastpunkte 3', 2' und 2 ""liegen
ebenfalls in einer zu NE parallelen Ebene TE2, welche von TEl den Abstand a aufweist.
Die Tastpunkte 1', 2' und 3' bilden ein gleichschenkliges Dreieck, sodaß die Meßpunkte
2' und 3' die gleichen Abstände von der durch den Punkt 1' gehenden Bezugslinie
b haben. Die raumfest gehaltene Achse Z der Objektansprache 22 ist so gerichtet,
daß sie durch den Schnittpunkt der ebenfalls raumfest verbleibenden und senkrecht
aufeinander stehenden Tastlinien 01' und T1" verläuft.
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Die an den Ausgängen des Fünfstrahlinterferometers angeordneten Optiken
25c, 26c, 27c, 28c, 29c bilden die entstehenden Interferenzstreifensysteme auf zugeordnete
Empfängersysteme 25d, 26d, 27d, 28d und 29d ab, die in bekannter Weise so aufgebaut
sind, daß die bei einer Bewegung des Kreüzschlittensystemes 20 wandernden Interferenzstreifen
Impulse auslösen, die gezählt werden können.
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Die Anzahl der jeweils entstehenden Impulse ist der Verschiebung des
Schlittens 20 in den zugeordneten Eoordinatenrichtungen (Richtung der ?:iiirungen
20a und 20b) proportional.
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Die Impulse werden Rechnern 30, 31 zugeführt, welche diese entsprechend
noch näher zu erläuternden Gleichungen gewichtet aufsummieren. Diese Rechner haben
ähnlich dem Rechner 43 nach Fig. 1, Einstellelemente 32, 33, und sind mit Anzeigegeräten
34, 35, z.B. Zähler, verbunden, welche die ausgegebenen Werte digital anzeigen.
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Selbstverständlich können diese Impulse auch wie anhand der Fig. 1
bereits erläutert wurde, getrennt gezählt werden oder zur Nachsteuerung des Schlittens
20 verwendet werden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung sei nun anhand der in
Fig. 4 dargestellten Skizze erläutert.
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Das raumfeste Koordinatensystem X,Y,Z entspricht hierin den Richtungen
der Tastlinien Zip T11, T1" und der ebenfalls mit Z bezeichneten Achse der Objektanspruche
22 nach Fig. 3.
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Ebenfalls wird hier die Meßebene ME und die TastebeneT, XE2 mit den
Tastpunkten 1', 2', 3', 1", und 2" übernommen.
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Die Taßtpunkte 2' und 3' sind gleichweit von der Bezugslinie b. entfernt.
Die von der Meßebene ME sich tatsächlich einstellenden Koordinatenwerte sind mit
X', Yf bezeichnet.
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Unter den dargestellten Voraussetzungen gilt für den allgemeinen
Fall,
daß die Meßebene E bzw. der in Fig. 3 dargestellte Kreuzschlitten 20 Verdrehungen
bzw. Kippungen gegenüber dem feststehenden Koordinatensystem X,Y,Z bzw. den feststehenden
interferometrischen Abtastsystem nach Fig. 3 auf weist, wie sich aus geometrischen
Überlegungen leicht ableiten läßt, für die Koordinaten in der Meßebene X'=X1'-A/a
(X1'-X2'+X1) 2 Y'=Y1"-A/a (Y1"-Y2") wenn X1,, X2', X31 bzw. Y1", Y2" die in den
Punkten 1', 2', 3' bzw. 1, 2", bgetasteten Längenwerte sind.
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Werden nun die Rechner 30 bzw. 31 (Fig. 3) so ausgebildet, daß sie
die Gleichungen 2 bzw. 3 lösen, wobei an den Einstellelementen 32, 33 wiederum der
Wert a4 einzustellen ist, so zeigen die Anzeigegeräte 34, 35 die Werte der sich
in der Meßebene einstellenden Koordinaten X' und Y' an. Hierbei sind die durch Führungsfehler
verursachten Verdrehungen und Verkippungen des Kreuzschlittens 20 kompensiert worden.
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Die Erfindung ist nicht an die dargestellten Ausführungsbeispiele
gebunden, sondern es lassen sich im Rahmen der Erfindung noch mannigfache Variationen
durchführen. So können beispielsweise anstelle der dargestellten Lineargeber auch
andere Gebersysteme wie Drehgeber, verwendet werden,wenn man für eine geeignete
Umsetzung der Linearbewegung des Schlittens in eine Drehbewegung, was sich z.B.
mit einer Schraubenspindel, bei der der Schlitten die Mutter darstellt, verwirklichen
läßt, sorgt.
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Zum Stande der Technik DBP 1 024 252 DBP 1 050 554