DE19531676C1 - Vorrichtung zum Führungstoleranzausgleich bei Mehrachsenpositionierern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führungs­ toleranzausgleich an Mehrachsenpositionierern, wobei auf einem ersten Führungsträger bezüglich einer ersten Achse ein zweiter Führungsträger durch einen zugehörigen Positionierantrieb verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist und an dem zweiten Führungsträger bezüglich einer zweiten Achse ein weiterer Führungsträger oder ein Objekt durch einen zugehörigen Positionierantrieb verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist und die jeweilige Verschiebung auf den Führungsträgern durch eine jeweils zugehörige Koordinatenmeßvorrichtung laufend ermittelt wird.

Bekanntlich ist in Mehrachsenpositioniersystemen, z. B. X-/Y-Tischen, Portalen, Meßmaschinen, Positionierein­ richtungen, in denen hochgenaues Anfahren einer Position gefordert wird, die erreichbare Genauigkeit der Positio­ nierung abhängig von den Toleranzen der Achsführungen. Toleranzen treten sowohl in vertikaler als auch in der horizontalen Richtung der Führungen, d. h. jeweils quer zu der Positionierrichtung, auf. Extreme Genauigkeitsanforde­ rungen an Führungen, wie sie beispielsweise in Meßmaschi­ nen eingesetzt werden, erhöhen den Systempreis erheblich, und solche Führungen sind beispielsweise aufgrund zu geringer Tragzahlen für den Einsatz in Bearbeitungsmaschinen ungeeignet.

Wird ein Objekt, z. B. ein Meßstift oder Werkzeug, in zwei Achsen in bezug auf eine ruhende Basis positioniert, so wird die objektseitige Positioniervorrichtung, z. B. ein sogenannter Kreuzsupport, von der basisseitigen Positioniereinrichtung getragen und verfahren. Letztere arbeitet in ihrer Positio­ nierrichtung, also auf den Kreuzsupport zu, so genau wie ihr direkter oder indirekter, d. h. spindelbezogener, Maßstab und die zugehörige Meßvorrichtung ausgebildet sind. In der zweiten Richtung arbeitet die objektseitige Positioniervorrichtung ebenso in bezug auf das verfahrbare Objekt so genau wie der zugehörige Maßstab ist und das Meßsystem damit zusammenarbei­ tet. Die Position des Objektes weist in den beiden Richtungen bezogen auf eine feste Basis jedoch gegenüber den Angaben der beiden Meßsysteme die Abweichung auf, die jeweils quer zu den Positionierrichtungen in den zugehörigen Führungen liegen. Das gleiche Problem tritt bei einer Dreiachsenpositionierung je­ weils doppelt auf, da der jeweilige Positionsmeßwert die Lage zwischen dem Objekt und der Basis je mit in zwei verschiedenen Führungen liegenden Führungsabweichungen behaftet angibt.

Eine solche Mehrachsenpositioniervorrichtung ist aus der DE 43 12 255 A1 bekannt geworden. In dieser Druckschrift wird ein x-, y- Koordinatentisch beschrieben, bei dem auf einer y- Basisplatte unter Zwischenschaltung von Aktuatoren eine y- Führungssplatte angeordnet ist, auf der sich eine in y-Richtung bewegbare x-Basisplatte befindet. Die Bewegung der x-Basis­ platte wird durch ein Mutter-Spindel-Getriebe realisiert, wobei zusätzlich noch eine y-Führungsstange mit einem zugehö­ rigen y-Führungslager vorgesehen ist. Auf der x-Basisplatte befindet sich weiterhin eine x-Führungsplatte, auf der über ein weiteres Mutter-Spindel-Getriebe ein Tischelement in x- Richtung verschiebbar gelagert ist. Da die Gewindespindel und die Führungsstangen nicht auf einen exakten Rundlauf gearbei­ tet sein können, führt jede Verstellung des Koordinatentisches in x- oder y-Richtung zu einer geringfügigen Lageänderung in z-Richtung. Die Korrektur dieser Lageänderungen erfolgt mit Hilfe von Meßvorrichtungen, die die Aktuatoren betätigen, so daß diese eine entgegengesetzte Lageänderung zur Kompensation der z-Lageänderungen ausführen können. Ein derartiger Koordi­ natentisch ist damit technisch nur sehr aufwendig zu realisie­ ren.

Es ist, Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine ba­ sisbezogene, wesentlich genauere Mehrachsenpositionierung eines Objektes auch bei statischer oder lastbedingter Verformung der Führung zu erbringen.

Die Lösung besteht darin, daß auf den Führungsträgern jeweils mindestens ein Meßstrahler mit enger Apertur parallel zur Führung ausgerichtet angeordnet ist und an dem jeweils geführ­ ten Teil von den einzelnen Meßstrahlen beaufschlagt jeweils eine Abweichungsmeßvorrichtung so angeordnet ist, daß deren Abweichungsmeßsignal jeweils mindestens eine Lageabweichung quer zur Richtung des auftreffenden Meßstrahls signalisiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Für die Messung der jeweiligen Führungsabweichungen werden vorzugsweise eng gebündelte Strahlen, z. B. Laserstrahlen, einmal von der Basis an dem Führungsträger zum Kreuz­ support hin und zum zweiten von letzterem zum Objekttisch hin ausgesendet und jeweils da bzw. dort mit die Toleranzbereiche der jeweiligen Führungen meßtechnisch erfassenden Empfängern aufgenommen, deren abgegebene Meßwerte jeweils die Querabweichung der Lage des geführten Teiles in mindestens einer der jeweils anderen Achsrich­ tungen angeben.

Die basisbezogene Objektlage ergibt sich für die einzelnen Achsrichtungen somit jeweils als eine Summe aus dem Positionsmeßwert in der betreffenden Achse und der oder den Lageabweichungsmeßwerten, die in der gleichen Richtung liegen und von der bzw. den weiteren Positionsvorrichtung(en) gemessen werden.

Bei einem Meßsystem, bei dem eine Positionierung auf ein basisgelagertes Meßobjekt beispielsweise mit einem Meßfühler erfolgt, lassen sich die genannten Summen unmittelbar als genaue, basisbezogene Koordinatenmeßwerte verwenden.

Für eine basisbezogene Positionierung eines Objektes mit Positionsreglern werden die jeweiligen Summen, die die entsprechende Koordinatenrichtung betreffen, als Ist- Koordinatenwerte den zugehörigen Positionsreglern zugeführt.

Die Abweichungen der Lage des positionierbaren Objektes lassen sich für Achsen, entlang denen das zu positionie­ rende Teil geführt wird, als auch für Dreh- oder Schwenkachsen messen und zu Ergänzung der Positionsmeßwerte in der gleichen Richtung verwenden. Bei der Messung der Lageabweichungen von rotatorisch zu positionierenden Teilen wird der Meßstrahl bevorzugt koaxial zur Drehachse, z. B. durch eine Hohlachse, geschickt und auf eine zweidimensional arbeitende Versatzmeßvorrichtung am drehbar gelagerten Teil gerichtet. Prinzipiell ist die Zuordnung des Lichtsenders, z. B. des Lasers, und des Meßempfängers zu den beiden zueinander positionierbaren Teilen beliebig, jedoch wirken sich in der Führung auftretende Verschwenkungen des geführten Teiles wesentlich geringer auf die Genauigkeit der Messungen der Abweichung auf, wenn der Empfänger auf dem geführten Teil angeordnet ist.

Besonders einfach ist eine Anordnung mit einem Strahl und mit einem zweidimensional arbeitenden Empfänger, z. B. einem zweidimensionalen CCD-Array. Aus den damit gewonnenen Bilddaten des Strahles läßt sich der Strahlmittelpunkt ermitteln und dessen Koordinaten als die beiden Maße der Abweichungen gewinnen. Die Koordinaten werden zweckmäßig bezüglich solcher Anfangskoordinaten gemessen, die in einer zur Eichung dienenden Positionier­ grundstellung aufgenommen werden. Selbstverständlich lassen sich auch reine Relativpositionsmessungen und Relativpositionierungen vornehmen, ohne daß vorher eine Eichung auf eine bestimmte Ausgangsposition vorgenommen wird.

Statt eines zweidimensionalen Meßarrays lassen sich auch lineare Arrays von lichtempfindlichen Zellen verwenden, wobei durch optische Mittel und/oder geeignete Auswertung dafür gesorgt werden muß, daß jeweils Abweichungen in nur einer Richtung sich auf die Messung in dieser Abweichungs­ richtung auswirken und die Abweichung in der anderen Richtung nicht dazu führt, daß der Strahl den Einzugsbe­ reich des linearen Arrays verläßt.

Im allgemeinen ist davon auszugehen, daß die Länge eines üblichen CCD-Arrays mit z. B. 256 oder 512 Positionen größer ist als die Längenausdehnung des zu erfassenden Abweichungsbereichs. Aus diesem Grund wird in dieser Rich­ tung eine Spreizung des Strahlverlaufs zu den Endpositio­ nen hin so vorgenommen, daß etwa eine Übereinstimmung der beiden Längen vorliegt. Hierzu kann eine zylindrische Zerstreungsoptik oder auch eine Sammeloptik, wenn das Array hinter dem Brennpunkt angeordnet wird, benutzt werden.

Die einfachste Art, eine Anpassung des Abweichungsbereiches an die Länge des linearen Arrays vorzunehmen, ist es, das Array unter einem Winkel geneigt anzuordnen.

Weiterhin ist dann, wenn senkrecht, d. h. quer, zu dem Array ein größerer Abweichungsbereich als die Arraybreite gegeben ist, eine Sammlung der Strahlengänge in diesem Bereich fokussierend auf das Array vorzunehmen, indem eine in dieser Richtung entsprechend zylindrische Sammellinse oder ein zylindrischer Hohlspiegel in den Strahlengang gesetzt wird. Im allgemeinen wird man also jeweils ein sammelndes und ein zerstreuendes optisches Element kombinieren, so daß im ganzen Arraybereich stets eine weitgehende Ausnutzung des Strahls aufritt. Die Arrayaus­ gangssignale werden jeweils durch eine Schwerpunkts­ ermittlung bezüglich des jeweils auftreffenden Strahlanteils, also auf dessen Mittenlage, ausgewertet.

Bei der Anwendung des Verfahrens ist es zur Erreichung brauchbarer Abweichungsmeßwerte eine Voraussetzung, daß der Strahl stets eine definierte Lage im Raum hat. Dies bedeutet, daß die Strahlenquelle vorteilhaft so an der Führung oder relativ zu dieser angeordnet sein muß, daß der Meßstrahl stets parallel zu dieser ist. Wird die Strahlen­ quelle jedoch besonders einfach am Ende der Führung oder des Führungsträgers befestigt und unterliegt letzterer bei veränderter Belastung einer merklich wechselnden Durch­ biegung, so tritt demgemäß gewöhnlich auch eine unter­ schiedliche Neigung der Trägerenden und damit der dort montierten Strahlungsquelle auf. Eine dadurch auftretende Strahlneigung relativ zur Führungsbahn führt zu einer Veränderung der Abweichungsmessung abhängig vom Abstand der Strahlen­ quelle zum Sensorarray. Diese Veränderung läßt sich vorteilhaft bestimmen und korrigieren, indem ein Teil des Strahles oder ein paralleler Strahl über die vorzugsweise ganze Länge der Führungsbahn auf ein Neigungsmeßarray gerichtet wird. Mit dessen Neigungsmeßsignal wird im Verhältnis des Verfahrweges zur Länge des Neigungsmeß­ strahles ein Neigungskorrekturwert gebildet, der zu dem Lageabweichungsmeßwert summiert werden muß, um die Position des positionierten Teiles auch bei lastabhängiger Strahlneigungsänderung auf eine Ursprungsbasis zu beziehen.

Gewöhnlich werden solche Neigungsänderungen in der Lastrichtung, also insbesondere in der Vertikalen, auftreten, und deshalb ist i.a. dort der Neigungssensor zusätzlich vorzusehen. Es kann ein Strahl durch einen Strahlteiler gesplittet teilweise zu dem Abweichungssensor und teilweise zu dem Neigungssensor weitergeführt werden. Der Sensor besteht zur Neigungsmessung vorzugsweise aus einem Lineararray mit einer Strahlspreizung durch geeignete Neigung des Sensors. Da i.a. bei einer Belastung eine Neigungsänderung nur in einer Richtung, der Z-Richtung, auftritt, ist eine Fokussierung des Meßstrahles in der Querrichtung dazu nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt einer Zweiachsenpositionier­ vorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Sensoranordnung vergrößert; und

Fig. 3 zeigt eine Neigungsmeßvorrichtung schematisch.

Fig. 1 zeigt eine Zweiachsen-Positioniervorrichtung in einer X-Y-Ebene mit pro Positioniervorrichtung zwei Abweichungsmeßvorrichtungen AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 mit je einer Laserstrahllichtquelle S1- S4 und mit pro Positioniervorrichtung einer Achspositionsmeßvorrichtung APX, APY, die aus einem Meßlineal LX, LY und einem zugehörigen Koordinatensensor bestehen. Die beiden Koordinatenantriebe bestehen aus Motoren MX, MY, die von einer Positionssteuervorrichtung ST angesteuert werden. Dieser Positioniervorrichtung werden Soll-Positionswerte Xsoll, Ysoll zugeführt, die für eine geregelte Positions­ ansteuerung mit den Ist-Positionswerten Xist, Yist laufend verglichen werden, so daß jeweils die Differenzen der Soll- und Ist-Werte als Regler-Ansteuergröße der Motoren MX, MY dienen.

Das Ist-Positionssignal der X-Positionierung Xist ergibt sich aus der Summe des X-Koordinatenmeßwertes SPX und dem in X-Richtung liegenden Abweichungsmeßsignal SMX; entspre­ chendes gilt für das Ist-Positionssignal Yist in der Y- Richtung. Die entsprechenden Referenzzeichen enthalten den Buchstaben Y.

Die beiden Abweichungswerte SMZ1, SMZ2 in der Z-Richtung werden ebenfalls summiert und als Z-Koordinatenabweichung DZ weiterverwertet. Je nach Anwendung können diese entfallen. Ist auch eine Z-Positionierungsvorrichtung vorhanden, so wird diese mit weiteren X- bzw. Y- Koordinatenabweichungs-Meßvorrichtungen versehen, und auch deren Meßwerte werden den Summen in gleicher Richtung hinzusummiert.

Die verschiedenen Abweichungs-Meßvorrichtungen AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 sind als lineare CCD-Arrays ausgebildet und über einen Multiplexer MPX an die Steuervorrichtung ST angeschlossen, so daß die Signalfolgen aus den Arrays nacheinander ausgelesen und ausgewertet werden und dann der Summenbildung zugeführt werden. Die dargestellten Schaltelemente sind vorzugsweise in der mit einem Mikroprozessor ausgerüsteten Steuervorrichtung ST durch ein Programm realisiert.

Die beiden linearen Sensorarrays jedes Achspositionierers können auch jeweils durch ein zweidimensionales Array ersetzt werden. Es ist dann dafür jeweils nur ein einziger Meßstrahler S1, S3 erforderlich.

Die gezeigten Meßstrahler S1, S2; S3, S4 sind jeweils kopfseitig an den Führungen FX, FY montiert und die Abweichungs-Meßvorrichtung AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 jeweils an den darauf gelagerten Schlitten, dem Kreuzschlitten K bzw. dem Objektschlitten O angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine erste Sensoranordnung mit einem Meßstrahler S1, dessen Laserstrahl parallel zur X-Achse und zur Führung FX auf die Abweichungs-Meßvorrichtung AMY fällt, die an dem Kreuzschlitten K montiert ist. Zur An­ passung des maximalen Toleranzbereiches T der zu messenden Abweichung an die Länge L des linearen Sensorarrays LSA ist eine Strahlstreuung über einen zylindrischen Wölbspiegel WS vorgesehen.

Dem konvexen Zylinder kann um 90° gedreht eine konkave Wölbung überlagert sein, so daß bei Lageabweichungen senk­ recht zur Bildebene der Meßstrahl stets auf das lineare Array LSA fällt und nicht seitlich darüber hinauswandert. Im vorliegenden Beispiel ist statt dessen dem Sensorarray LSA eine Zylinderlinse ZL vorgeordnet, deren Zylinderachse parallel zum Array LSA liegt und deren Brennlinie darauf liegt.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung eines langen Führungsträgers FX mit einem Kreuzschlitten K. Endseitig des Trägers FX ist der Meßstrahler S1 montiert und auf dem Schlitten K der Abweichungssensor AMZ1, der insbesondere die Lastdurchbiegung des Trägers FX ermittelt. Da bei der Lastdurchbiegung die Enden des Trägers F sich gegen eine unbelastete Ausgangslage neigen, neigt sich in gleichem Maße auch der Strahlverlauf S1′, wodurch der Abweichungs­ sensor AMZ1 die Abweichung bezüglich des geneigten Meßstrahles S1 und nicht relativ zum Ausgangsstrahlenverlauf mißt. Deshalb ist vorteilhaft ein Parallelstrahl S1′′ zum anderem Ende des Trägers FX auf einen Neigungssensor NZ geführt. Dessen Neigungsmeßwert SNZ wird proportional zur Länge LS′ der ersten Meßstrecke des ersten Meßstrahles S1′, die als das X-Wegmeßsignal SPX bekannt ist, und umgekehrt proportional zur Länge LS′′ des zweiten Meßstrahles S1′′ dem Z-Koordinaten-Summierer zugeführt, ebenso wie die Z-Abweichungswerte SMZ1, SMZ2 und ggf. ein Z-Koordinatenmeßwert SPZ, so daß als Summierergebnis ein Z-Istwert Zist bereitsteht und in der Steuervorrichtung ST mit einem Z-Koordinatensollwert Zsoll verknüpft der geregelten Ansteuerung eines Z-Positionierungsmotors dienen kann.

Das gleiche Prinzip der Neigungskorrektur der Abweichungs­ messung kann selbstverständlich auch bei zu erwartenden Schrägstellungen oder Neigungen der anderen Führungen angewandt werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Führungstoleranzausgleich an Mehrachsenpositionierern, wobei auf einem ersten Führungsträger (FX) bezüglich einer ersten Achse (X) ein zweiter Führungsträger (FY) durch einen zugehörigen Positionierantrieb (MX) verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist und an dem zweiten Führungsträger (FY) bezüglich einer zweiten Achse (Y) ein weiterer Führungsträger oder ein Objekt (O) durch einen zugehörigen Positionierantrieb (MY) verschiebbar oder verschwenkbar gelagert ist und die jeweilige Verschiebung auf den Führungsträgern (FX, FY) durch eine jeweils zugehörige Koordinatenmeßvorrichtung (APX, APY) laufend ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Führungsträgern (FX, FY) jeweils mindestens ein Meßstrahler (S1-S4) mit enger Apertur parallel zur Führung ausgerichtet angeordnet ist und an dem jeweils geführten Teil (FY, O) von den einzelnen Meßstrahlen beaufschlagt jeweils eine Abweichungsmeßvorrichtung (AMX, AMY, AMZ1, AMZ2) so angeordnet ist, daß deren Abweichungsmeßsignal (SMX, SMY, SMZ1, SMZ2) jeweils mindestens eine Lageabweichung quer zur Richtung des auftreffenden Meßstrahls signalisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahler (S1-S4) Laserstrahler sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungsmeßvorrichtung (AMX, AMZ2; AMY, AMZ1) zweidimensionale CCD-Arrays sind, aus deren Empfangssignalen jeweils ein Meßstrahlzentrum ermittelt wird, dessen Koordinaten im Array als zwei der Abweichungsmeßsignale (SMX, SMZ2; SMY, SMZ1) dienen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungsmeßvorrichtungen (AMX, AMY, AMZ1, AMZ2) jeweils aus einem linearen CCD-Array bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zu vermessende Toleranzbereich (T) der Abweichung jeweils durch ein zylindrisches optisches Mittel (WS) der Länge (L) von dem nachgeordneten CCD-Array (AMX, AMY, AMZ1, AMZ2) angepaßt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem CCD-Array (AMX, AMY, AMZ1, AMZ2) ein optisches Mittel (ZL) vorgeordnet ist, das den Meßstrahl (S1-S4) bei Lageabweichungen quer zur Erstreckungsrichtung des CCD-Arrays auf dieses fokussiert.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu oder koaxial abgezweigt aus mindestens einem der Meßstrahlen (S1′) ein zweiter Meßstrahl (S1′′) auf eine Neigungsmeßvorrichtung (NZ) gerichtet ist, die an dem gleichen Führungsträger (FX) wie der Meßstrahler (S1) angeordnet ist und das Neigungsmeßsignal (SNZ) von der Neigungsmeßvorrichtung (NZ) proportional zu der jeweiligen Strahllänge (LS) des ersten Meßstrahles (S1′) und umgekehrt proportional zur Länge (LS′′) des zweiten Meßstrahles (S1′′) zu dem in gleicher Richtung liegenden Abweichungsmeßsignal (SMZ1) der Abweichungsmeßvorrichtung (AMZ1) des ersten Meßstrahles (S1′) summiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungsmeßvorrichtung (NZ) ein lineares CCD-Array enthält.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer ihrer Positionierantriebe (MZ) über eine Regelvorrichtung (ST) angesteuert ist, der die Summe des zugehörigen Koordinatenmeßwertes (SPZ) und der gleichgerichteten Abweichungsmeßwerte (SMZ1, SMZ2) und ggf. der relativierten Neigungsmeßsignale (SNZ) als Ist- Positionswert (Zist) und ein Sollpositionswert (Zsoll) zugeführt werden.

10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der CCD- Arrays (SMX, SMY, SMZ1, SMZ2) gemultiplext einer Mikroprozessor-Steuer/Regelvorrichtung (ST) zugeführt sind, die diese Signale bezüglich einer Strahlmittel­ punktlage auswertet und aus der jeweiligen Mittelpunktlage jeweils den Koordinatenabweichungswert ermittelt und diesen mit den gleichgerichteten Meßwerten (SPX, SPY, SPZ) summiert.